Tài liệu Nghiên cứu thiết kế, khảo sát hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán mờ lai.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ----------

---------- NGUYỄN THỊ HẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, KHẢO SÁT HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : ðIỆN NÔNG NGHIỆP Mã số : 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN HÒA HÀ NỘI - 2011 LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn thị Hải Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. i LỜI CẢM ƠN Luận văn : “Nghiên cứu thiết kế, khảo sát hệ thống ñiều khiển sử dụng thuật toán mờ lai” ñược hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân, sự giúp ñỡ của thầy giáo hướng dẫn và các bạn ñồng nghiệp. Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Văn Hoà ñã hướng dẫn, ñịnh hướng, giúp ñỡ cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Bộ môn ðiều khiển tự ñộng - ðại học Bách Khoa, các thầy cô Bộ môn ðiện Trường ðH Nông nghiệp Hà Nội ñiều kiện thuận lợi giúp ñỡ tôi trong công tác nghiên cứu. Với thời gian và kiến thức có hạn chắc chắn luận văn sẽ còn thiếu sót, kính mong thầy, cô và các bạn ñồng nghiệp ñóng góp ý kiến ñể luận văn ñược hoàn thiện hơn ./. Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. ii MỤC LỤC Lời cam ñoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục hình vi LỜI NÓI ðẦU 1 CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ THUẬT TOÁN PID VÀ THUẬT TOÁN MỜ 3 1.1 Thuật toán PID 3 1.1.1 ðặc ñiểm bộ ñiều khiển PID 3 1.1.2 Các phương pháp xác ñịnh tham số của bộ ñiều khiển PID 10 1.2 Thuật toán mờ 20 1.2.1 Cơ sở lý thuyết mờ 20 1.2.2 Cấu trúc bộ ñiều khiển mờ 24 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ðIỀU KHIỂN MỜ LAI 28 2.1. Bộ ñiều khiển mờ cơ bản 29 2.2 Nguyên lý của hệ thống ñiều khiển mờ 29 2.2 Các bước tổng hợp bộ ñiều khiển mờ 33 2.2.1 ðịnh nghĩa các biến vào ra 34 2.2.2 Xác ñịnh tập mờ 34 2.3.3 Xây dựng các luật ñiều khiển 36 2.3.4 Chọn thiết bị hợp thành 37 2.3.5 Chọn nguyên lý giải mờ 37 2.3.6 Tối ưu hệ mờ 37 2.3 Bộ ñiều khiển mờ lai 38 2.3.1 Khái quát 38 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. iii 2.3.2 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ tự chỉnh hệ số khuếch ñại 40 2.3.3 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ tự chỉnh hằng số tích phân 40 2.3.4 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ tự chỉnh hằng số tích phân và hệ số khuếch ñại. 41 2.4.5 Bộ ñiều khiển mờ cơ sở 42 2.5 Mô phỏng thuật toán ñiều khiển 48 2.5.1 Mô phỏng thuật toán PID cho ñối tượng lò gia nhiệt 48 2.5.2 Mô phỏng thuật toán mờ lai cho ñối tượng lò gia nhiệt 56 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, KHẢO SÁT HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN MỜ LAI 71 3.1 Giới thiệu hệ thống lò nhiệt 72 3.1.1 Nguyên lý hoạt ñộng của hệ thống: 73 3.1.2 Buồng ñốt 74 3.1.3 Quạt gió 74 3.1.4 Sợi ñốt 74 3.1.5 Nhiệt kế ñiện trở 75 3.1.6 Bộ chuyển ñổi R/U 75 3.1.7 Máy tính 76 3.1.8 Cáp ghép nối DAS 1601 76 3.1.9 Bộ ñiều khiển công suất 80 3.2 Thiết kế bộ ñiều khiển mờ lai cho lò nhiệt 85 3.2.3 Mô phỏng hệ thống ñiều khiển lò gió nóng 85 3.2.4 Kết quả thực nghiệm ñiều khiển lò gió nóng tại phòng thí nghiệm Viện ñiện – ðHBK khi sử dụng thuật toán PI 87 3.2.5 Sơ ñồ khối hệ thống mờ hiệu chỉnh thông số K: 88 3.2.6 Sơ ñồ khối hệ thống mờ hiệu chỉnh hằng số Ti: 92 3.2.7 Sơ ñồ khối hệ thống mờ hiệu chỉnh hằng số Ti và K 95 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. iv 3.2.8 Sơ ñồ khối hệ thống mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh hằng số K 3.2.9 Sơ ñồ khối hệ thống mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh Ti 97 100 3.2.10 Sơ ñồ khối hệ thống mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh Ti và K 103 KẾT LUẬN 107 TÀI LIỆU TRÍCH DẪN VÀ THAM KHẢO 109 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. v DANH MỤC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PID 3 1.2 Sai số ñiều khiển và tích phân của sai số ñiểu khiển 5 1.3 ðặc tính tần số biên pha logarit của bộ ñiều khiển tích phân I 6 1.4 Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PI 7 1.5 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển với bộ ñiều khiển PID 8 1.6 Nhiệm vụ của bộ ñiều khiển PID 11 1.7 Xác ñịnh tham số của bộ PID theo Ziegler – Nichols thứ nhất 11 1.8 Xác ñịnh hằng số tới hạn 12 1.9 ðáp ứng quá ñộ của ñối tượng 13 1.10 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển kín 15 1.11 Thiết kế bộ ñiều khiển PID theo phương pháp tối ưu ñối xứng 18 1.13 Hàm phụ thuộc µA(x) của tập kinh ñiển A 20 1.14 Hàm phụ thuộc µB(x) của tập "mờ" B 20 1.15 Miền xác ñịnh, miền tin cậy của tập mờ 21 1.17 Hợp của 2 tập mờ 22 1.18 Giao của hai tập mờ có cùng cơ sở 23 1.20 các nguyên lý giải mờ theo phương pháp cực ñại 26 1.21 Hàm liên thuộc B’có miền G không liên thông 27 1.22 Giá trị rõ y' là hoành ñộ của ñiểm trọng tâm 27 2.1 Ví dụ về một bộ ñiều khiển mờ ñộng. 29 2.2 Sơ ñồ cấu trúc bộ ñiều khiển mờ 30 2.3 Bộ ñiều khiển mờ có khâu P, khâu D trong giao diện ñầu vào và khâu I trong giao diện ñầu ra. Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. 32 vi 2.4 Hệ ñiều khiển mờ với 2 thiết bị hợp thành nối song song 33 2 Luật chỉnh ñịnh PID 37 2.5 Cấu trúc bộ mờ ñiều chỉnh hệ số khuếch ñại mờ 1 ñầu vào 40 2.6 Cấu trúc bộ mờ chỉnh ñịnh hệ số khuếch ñại mờ 2 ñầu vào 40 2.7 Cấu trúc bộ mờ ñiều chỉnh hằng số Ti một ñầu vào 40 2.8 Cấu trúc bộ mờ ñiều chỉnh hằng số Ti 2 ñầu vào 41 2.9 Cấu trúc bộ mờ 1 ñầu vào ñiều chỉnh hệ số khuếch ñại và hằng số Ti 2.10 41 Cấu trúc bộ mờ 2 ñầu vào ñiều chỉnh hệ số khuếch ñại và hằng số Ti 42 2.11 Các biến ngôn ngữ vào ra 43 2.13 Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và ra 44 2.14 Các biến ngôn ngữ vào ra 45 2.15 Ma trận luật hợp thành 47 2.16 Suface quan hệ vào ra bộ mờ 2 ñầu vào 48 2.17 Mô tả ñường quá ñộ khâu bậc 1 có trễ 49 2.18 ðáp ứng hệ PI lò sấy sử dụng phương pháp Halman 50 2.19 ðặc tính của lò nhiệt sử dụng PI theo Zieglerv-Nichols 1 51 2.20 ðặc tính của lò nhiệt sử dụng PID theo Zieglerv-Nichols 1 51 2.21 ðặc tính ra sử dụng phương pháp PID 52 2.22 Mô phỏng ñặc tính hệ thống (H- C- R)PI 53 2.23 Mô phỏng ñặc tính hệ thống (H- C- R)PID 53 2.24 Mô phỏng ñặc tính hệ thống (H- C- R 2)PI 54 2.25 Mô phỏng ñặc tính hệ thống theo phương pháp (H- C- R 3) PI 54 2.26 Mô phỏng ñặc tính hệ thống theo phương pháp (HC- R 3)PID 54 Mô phỏng ñặc tính hệ thống theo phương pháp PI (C – H – R4) 55 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. vii 2.27 2.28 Mô phỏng ñặc tính hệ thống theo phương pháp PID (C – H – R4) 55 2.30 ðáp ứng ñầu ra khi sử dụng mờ nối tiếp K 56 2.31 Bộ ñiều khiển mờ ñiều khiển hằng số K 56 2.32 ðặc tính ra của bộ ñiều chỉnh hằng số K 57 2.33 Bộ ñiều khiển mờ lai ñiều khiển hằng số k khi thay ñối tượng 57 2.34 ðáp ứng ra khi thay ñối tượng khác trong bộ ñiều khiển dùng bộ mờ cơ sở 2.35 So sánh ñiều khiển mờ lai dùng bộ mờ cơ sở cho 2 ñối tượng khác nhau 2.36 57 58 ðáp ứng thu ñược khi so sánh ñiều khiển mờ lai dùng bộ mờ cơ sở cho 2 ñối tượng khác nhau 58 2.37 Sơ ñồ bộ ñiều khiển mờ hiệu chỉnh thông số Ti 59 2.38 ðáp ứng ra cuả hệ khi hiệu chỉnh hằng số Ti 59 2.39 So sánh sử dụng bộ mờ cơ sở cho 2 ñối tượng khác nhau 59 2.40 ðáp ứng ra khi so sánh dùng 2 ñối tượng khác nhau 60 2.41 ðáp ứng ra khi tăng giá trị ñặt 60 2.42 Sơ ñồ dùng 2 bộ mờ hiệu chỉnh thông số K và Ti 61 2.43 ðáp ứng ra khi sử dụng 2 bộ mờ hiệu chỉnh thông số K và Ti 61 2.44 Sơ ñồ bộ ñiều khiển dùng 2 bộ mờ chỉnh ñịnh 2 thông số K và Ti 61 2.45 ðáp ứng ñầu ra khi sử dụng 2 bộ mờ hiệu chỉnh 2 thông số Ti và K 62 2.46 Bộ ñiều khiển mờ hiệu chỉnh K song song 62 2.47 ðặc tính ra khi nối bộ mờ song song 62 2.48 Sơ ñồ mô phỏng so sánh 63 2.49 ðáp ứng ra khi sử dụng mờ hiệu chỉnh K và PI với giá trị ñặt là 1 63 2.50 ðáp ứng ra khi sử dụng mờ hiệu chỉnh K và PI với giá trị ñặt là 5 63 2.51 Sơ ñồ bộ mờ hiệu chỉnh thông số K nối tiếp Ti 64 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. viii 2.52 ðáp ứng ra 64 2.53 Bộ mờ 2 vào hiệu chỉnh thông số K 66 2.54 ðáp ứng ra của bộ ñiều khiển mờ 2 vào hiệu chỉnh thông số K 66 2.55 Sơ ñồ ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh thông số K của bộ PI 67 2.56 ðáp ứng ra của ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh thông số K của bộ PI 67 2.57 Bộ ñiều khiển mắc song song vi phân với bộ mờ 67 2.58 ðáp ứng ra mờ 2 vào song song với khâu vi phân 68 2.59 Dùng bộ mờ ñể thay ñổi thông số K của bộ PI 68 2.60 ðặc tính ra khi dùng bộ mờ ñiều chỉnh K 69 2.61 Sơ ñồ của hệ thống dùng phương pháp mờ chỉnh ñịnh Ti của bộ PI 69 2.62 ðáp ứng ra của hệ thống dùng phương pháp mờ 2 ñầu vào chỉnh ñịnh Ti của PI 2.63 69 Sơ ñồ của hệ thống dùng phương pháp mờ chỉnh ñịnh Ti và K của hệ thống PI 70 2.64 ðáp ứng ra khi sử dụng bộ mờ ñiều chỉnh thông số Ti và K 70 3.1 Sơ ñồ khối hệ thống lò gió nóng 73 3.2 Sơ ñồ bộ chuyển ñổi R/U 75 3.3 Sơ ñồ bộ ñiều khiển công suất 80 3.4 Sơ ñồ mạch tạo xung 81 3.5 Sơ ñồ mạch vi phân và khuếch ñại xung 82 3.6 Sơ ñồ ñiều khiển bằng biến áp xung 83 3.7 Mô hình nhận dạng ñối tượng 84 3.8 ðường ñặc tính ñộng học của ñối tượng 85 3.9 ðường quá ñộ cho ñối tượng có trễ 86 3.10 Sơ ñồ ñiều khiển PI cho ñối tượng lò gió nóng 86 3.11 ðáp ứng của hệ thống khi ñiều khiển PI 86 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. ix 3.12 ðáp ứng ra thực nghiệm ñiều khiển lò gió nóng khi sử dụng khâu PI (KP= 8, Ti = 120) 87 3.13 ðáp ứng ra khi sử dụng khâu PI (KP= 6, Ti = 120) 87 3.14 ðáp ứng ra khi sử dụng khâu PI (KP= 6, Ti = 100) 87 3.15 Sơ ñồ khối ñiều khiển mờ lai tự chỉnh thông số K 88 3.16 ðáp ứng ra mô hình mô phỏng bằng Matlab 88 3.17 Sơ ñồ ñiều khiển mờ lai hiệu chỉnh thông số K 89 3.19 ðáp ứng ra của lò gió nóng với bộ mờ input [-1 1] 90 3.20 Quan hệ vào ra của bộ mờ thay ñổi luật hợp thành 90 3.21 ðáp ứng ra của lò gió nóng với bộ mờ có suface như trên 90 3.22 Quan hệ vào ra của bộ mờ cơ sở 91 3.23 ðáp ứng ra của lò nóng với K = 6, Ti = 190 91 3.24 ðáp ứng ra khi sử dụng mờ cơ sở với K = 9, Ti = 120 92 3.25 Sơ ñồ khối hệ thống hiệu chỉnh Ti 92 3.26 ðáp ứng ra khi dùng mờ hiệu chỉnh Ti 93 3.27 Sơ ñồ ñiều khiển mờ lai hiệu chỉnh thông số Ti 93 3.28 ðáp ứng thực của hệ thống khi Ti = 160, K = 6 94 3.29 ðáp ứng thực của hệ thống khi Ti = 160, K = 8 94 3.30 ðáp ứng thực của hệ thống khi Ti = 160, K = 7 94 3.31 Sơ ñồ ñiều khiển mờ lai hiệu chỉnh thông số Ti và hằng số K 95 3.32 ðáp ứng ra khi sử dụng bộ mờ hiệu chỉnh 2 thông số 95 3.33 Sơ ñồ ñiều khiển mờ lai hiệu chỉnh thông số Ti và hằng số K 96 3.34 ðáp ứng thực của hệ thống ñiều khiển lò gió nóng với Ti = 210, k =10 3.35 3.36 96 ðáp ứng thực của hệ thống ñiều khiển lò gió nóng với Ti = 210, K = 10,5 97 Sơ ñồ ñiều khiển dùng bộ mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh thông số K 97 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. x 3.37 ðáp ứng ra khi dùng bộ mờ 2 vào hiệu chỉnh K 98 3.38 Sơ ñồ ñiều khiển dùng bộ mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh thông số K 98 3.39 ðáp ứng ra khi dùng bộ mờ 2 vào hiệu chỉnh K với K = 8, Ti =120 3.40 ðáp ứng ra khi dùng bộ mờ 2 vào hiệu chỉnh K với K = 8, Ti =150 3.41 99 ðáp ứng ra khi dùng bộ mờ 2 vào hiệu chỉnh K với K = 8, Ti =160 3.42 99 99 ðáp ứng ra khi dùng bộ mờ 2 vào hiệu chỉnh K với K = 6, Ti =120 100 3.43 Sơ ñồ khối hệ thống mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh Ti 100 3.44 ðáp ứng ra khi dùng mờ 2 vào hiệu chỉnh Ti 101 3.45 Sơ ñồ khối hệ thống mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh Ti 101 3.46 ðáp ứng ra thực của bộ ñiều khiển mờ 2 vào hiệu chỉnh Ti với K = 8.5, Ti = 120 3.47 102 ðáp ứng ra thực của bộ ñiều khiển mờ 2 vào hiệu chỉnh Ti với K = 5.5, Ti = 120 102 3.48 Sơ ñồ khối hệ thống mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh Ti và K 103 3.49 ðáp ứng ra thực của bộ ñiều khiển mờ 2 vào hiệu chỉnh Ti và K 103 3.50 ðáp ứng ra thực của bộ ñiều khiển mờ 2 vào với K = 10.5, Ti = 190 104 3.51 ðáp ứng ra thực của bộ ñiều khiển mờ 2 vào 104 3.52 ðáp ứng ra thực của bộ ñiều khiển mờ 2 vào K= 9, Ti = 160 104 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. xi LỜI NÓI ðẦU Mục tiêu của ñiều khiển là ngày càng nâng cao chất lượng các hệ thống ñiều khiển tự ñộng. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều ñối tượng ñiều khiển khác nhau với ñặc tính khá phức tạp. Do ñó cần phải tiến hành nghiên cứu tìm ra các phương pháp ñiều khiển khác nhau ñể ñiều khiển các ñối tượng trong công nghiệp. Trong công nghiệp ñiều khiển ñối tượng có tham số biến thiên chậm tồn tại rất nhiều vấn ñề cần ñề cập tới. Ví dụ: ðiều khiển thông số nhiệt ñộ của lò ñiện trở, lò nung, lò sấy... ñã có nhiều công trình nghiên cứu trước ñây, nhiều kết quả nghiên cứu cho ứng dụng rất tốt. Ngày nay các hệ thống ñiều khiển tự ñộng ñược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, thuật toán cơ bản ñược sử dụng trong công nghiệp là PID. ðể hệ thống ñáp ứng ñược chất lượng cần xác ñịnh ñược các thông số của bộ ñiều khiển PID. ðây là bài toán phức tạp và nhiều khi không ñáp ứng ñược yêu cầu chất lượng. Sự khó khăn này làm cho nhiều người quan tâm, nghiên cứu, tìm ra các công cụ ñiều khiển thích hợp. Chẳng hạn như phối hợp ñiều khiển kinh ñiển PID và thích nghi hay trong những năm gần ñây lý thuyết ñiều khiển mờ phát triển mạnh nên kết hợp PID và kỹ thuật mờ...nhằm mục ñích tăng chất lượng ñiều khiển. Vì vậy ñể làm luận văn tốt nghiệp Em chọn ñề tài “Nghiên cứu thiết kế, khảo sát hệ thống ñiều khiển sử dụng thuật toán mờ lai”. Luận văn tập trung nghiên cứu, khảo sát các thuật toán kinh ñiển PID và thuật toán mờ lai ñặc biệt thiết kế bộ ñiều khiển mờ cơ sở áp dụng cho các ñối tượng khác nhau. Ứng dụng ñiều khiển ñối tượng thực như lò gío nóng tại Bộ môn ðiều khiển tự ñộng - ðại học Bách Khoa – Hà Nội. Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. 1 ðể hoàn thành mảng nghiên cứu này là nhờ sự nỗ lực giúp ñỡ rất lớn của thầy giáo – TS.Nguyễn Văn Hoà, Bộ môn ðiều khiển tự ñộng - ðại học Bách Khoa – Hà Nội. Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy, ñồng cảm ơn các thầy cô bộ môn ðiều khiển tự ñộng Trường Bách Khoa Hà nội, các thầy cô thuộc bộ môn ðiện - Trường ðại học Nông Nghiệp I Hà Nội ñã tạo ñiều kiện về cơ sở vật chất, nghiên cứu và tận tình chỉ bảo giúp ñỡ. Luận văn gồm 3 chương với nội dung như sau: Chương 1. Nghiên cứu lý thuyết về thuật toán PID và thuật toán mờ Chương 2. Phân tích cấu trúc ñiều khiển mờ lai Chương 3. Thiết kế, khảo sát hệ thống ñiều khiển mờ lai Với thời gian hạn chế, mảng ñiều khiển là một lĩnh vực rất rộng và sâu sắc, do ñó nội dung của bản luận văn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, khiểm nhã. Kính mong ñược sự góp ý, sửa ñổi, bổ xung của các thầy cô và ñồng nghiệp ñể mảng nghiên cứu ñược hoàn thiện hơn. Hà Nội tháng 10 năm 2011 Tác giả Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. 2 CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ THUẬT TOÁN PID VÀ THUẬT TOÁN MỜ 1.1 Thuật toán PID Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ ñiều khiển gồm: Khâu khuếch ñại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). PID là một bộ ñiều khiển hoàn hảo gồm ba tính chất sau: - Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ ñược giao (tỉ lệ). - Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm ñể thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân). - Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhậy với sự thay ñổi tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân). 1.1.1 ðặc ñiểm bộ ñiều khiển PID Bộ ñiều khiển PID gồm ba quy luật ñiều khiển Hình 1.1. Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PID
Quy luật ñiều khiển tỷ lệ.
Quy luật ñiều khiển tích phân.
Quy luật ñiều khiển vi phân. Từ các quy luật trên thì ta sẽ có các bộ ñiều khiển sau: Bộ ñiều khiển P, I, PI, PD, PID. Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. 3
Quy luật tỷ lệ P Tín hiệu tác ñộng u(t) tỷ lệ với sai lệch e(t). Hàm truyền: W(s) = K - Hàm truyền tần số của nó là: W(jω)= K - ðặc tính pha tần số:ϕ(ω)= 0 Từ các ñặc tính trên ta thấy quy luật tỉ lệ phản ứng như nhau ñối với tín hiệu ở mọi tần số. Góc lệch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào bằng không, vì vậy tín hiệu ñiều khiển sẽ xuất hiện ngay khi có tín hiệu sai lệch. Giá trị và tốc ñộ thay ñổi của tín hiệu ñiều khiển U tỉ lệ với giá trị và tốc ñộ thay ñổi của tín hiệu vào. ðiều khiển kiểu tỷ lệ cho phép nhanh chóng ñạt giá trị yêu cầu nhưng thường có sai lệch. ðể giảm sai lệch người ta tăng ñộ lợi K, nhưng K tăng dẫn ñến ñộ quá ñiều chỉnh δmax tăng và hệ có thể mất ổn ñịnh. Trong thực tế việc dung hợp exl và δmax% nhiều khi khó thỏa mãn, người ta phải lựa chọn kiểu ñiều khiển khác.
Quy luật ñiều chỉnh tích phân (I) Khi ñáp ứng quá ñộ của một hệ thống ñiều khiển tự ñộng có phản hồi thỏa mãn nghĩa là các khía cạnh của quá trình quá ñộ của hệ thống kín thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng ñộng, nhưng sai số tĩnh quá lớn thì có thể giảm sai số bằng cách cho hệ số khuếch ñại của hệ hở tăng cao ở tần số thấp. Tuy nhiên dạng bù này cần phải ít làm thay ñổi ñáp ứng mạch hở ở vùng lân cận tần số vượt của hệ số khuếch ñại nghĩa là không ñược thay ñổi tần số cắt ωc của hệ hở. Nếu bộ ñiều khiển có cấu trúc tích phân thời gian của sai lêch e(t) theo phương trình: Mozilla Firefox.lnk U= 1 du edt hoặc = K .e ∫ Ti dt (1) Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. 4 Trong ñó: Ti là hằng số thời gian tích phân - Hàm truyền ñạt dạng : W ( s) = 1 Ti s (2) - Hàm truyền tần số : π 1 1 1 −j2 W ( jω ) = =−j = e Ti jω Tω Tω (3) - ðặc tính biên ñộ tần số : A(ω) = 1/Tω - ðặc tính pha tần số : ϕ(ω) = -π/2 Phương trình (3) chỉ rõ tác ñộng ñiều khiển u(t) tiếp tục tăng mãi chừng nào sai số ñiều khiển còn tồn tại. Khi tín hiệu tác ñộng tích luỹ ñủ, sai số sẽ giảm tới 0. Trước hết ta xét ý nghĩa của việc ñưa tích phân vào quy luật ñiều chỉnh. Trên hình 1.2 giới thiệu ñường cong biến thiên của tín hiệu sai số e(t) và tích phân của sai số ñiều khiển. Hình 1.2 Sai số ñiều khiển và tích phân của sai số ñiểu khiển Nếu tín hiệu ñầu ra của bộ ñiều khiển u(t) tỷ lệ với tín hiệu sai số e(t) thì khi tác ñộng chủ ñạo x(t) biến thiên với một tốc ñộ không ñổi sẽ sinh ra Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. 5 một sai số tốc ñộ không ñổi . Nếu ta ñưa sai số e(t) vào một bộ ñiều khiển có cấu trúc tích phân (I) trước rồi lấy tín hiêu ra của bộ ñiều khiển ñể tác ñộng vào khâu chấp hành của ñối tượng thì sai số sẽ giảm nhỏ. ðiều ñó ñược giải thích như sau: Tín hiệu ñầu ra của bộ ñiều khiển tích phân u (t ) = ∫ e(t )dt sẽ tăng ñến khi bằng giá trị tương ứng với lúc tốc ñộ biến thiên của lượng ñược ñiều chỉnh y(t) ñạt ñược tốc ñộ biến thiên của tác ñộng chủ ñạo x(t), lúc ñó sai số sẽ bằng không. Thực tế người ta có thể làm cho sai số bằng không nếu ta ñưa vào bộ ñiều khiển một thành phần hoạt ñộng tích phân lý tưởng. Từ hình 1.2 ta thấy trong chế ñộ quá ñộ ñường cong tích phân chậm sau so với sự biến thiên của tín hiệu sai số dẫn ñến việc giảm chất lượng của ñặc tính quá ñộ. L ϕ (ω ) 20lg lg ω =0 1/Ti lg −π /2 Hình 1.3. ðặc tính tần số biên pha logarit của bộ ñiều khiển tích phân I Từ ñặc tính trên hình 1.3 ta thấy bộ ñiều khiển có biên ñộ giảm 20db/dec. Tần số ω = 1 tỷ số bằng 1(là ñơn vị) và tần số ω = 0 tác ñộng tích Ti phân tạo ra một hệ số khuếch ñại lớn. Dù hệ số khuếch ñại không tăng ở tần số cao nhưng nó vẫn có ảnh hưởng tại các tần số cao. Rõ ràng quy luật tích phân phản ứng kém với tín hiệu có tần số cao. Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. 6 Trong cả dải tần số tín hiệu ra chậm pha so với tín hiệu vào một góc bằng π/2, như vậy quy luật tích phân phản ứng chậm. Ưu ñiểm của quy luật ñiều chỉnh tích phân là có khả năng triệt tiêu sai lệch dư vì quy luật ñiều chỉnh I chỉ ngừng tác ñộng khi e = 0. Nhược ñiểm cơ bản của quy luật tích phân là tốc ñộ tác ñộng chậm nên hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng sử dụng quy luật tích phân sẽ kém ổn ñịnh, thời gian ñiều khiển kéo dài. Trong thực tế, quy luật ñiều chỉnh tích phân chỉ sử dụng cho các ñối tượng có ñộ trễ và hằng số thời gian nhỏ.
Quy luật ñiều khiển tỷ lệ - tích phân (PI) ðể nâng cao ñộ chính xác của hệ thống người ta thêm khâu ñiều khiển tích phân Hình 1.4. Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PI Trong ñó tín hiệu tác ñộng: u(t) = Ke(t) + KI Hàm truyền: W(s) = Kp(1+ . ) Quy luật PI có hai tham số hiệu chỉnh là Km và Ti. Khi Ti = ∞ thì quy luật PI trở thành quy luật P, khi K =0 quy luật PI trở thành I. Khi tần số biến thiên từ 0 ñến ∞, góc lệch pha của tín hiệu ra so với tín hiệu vào biến thiên trong khoảng - π/2 ñến 0, do ñó quy luật PI tác ñộng nhanh hơn quy luật tích phân song chậm hơn quy luật tỉ lệ. Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. 7 Ưu ñiểm của quy luật tỉ lệ tích phân là tác ñộng nhanh do có thành phần tỉ lệ và có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh do có thành phần tích phân. Nếu ta chọn các tham số Km và Ti thích hợp thì quy luật ñiều chỉnh PI có thể ñược áp dụng cho phần lớn các ñối tượng trong công nghiệp. Nhược ñiểm của quy luật tích phân là tốc ñộ tác ñộng nhỏ hơn quy luật tỉ lệ, vì vậy nếu ñối tượng yêu cầu tác ñộng nhanh do nhiễu thay ñổi liên tục thì quy luật tích phân không ñáp ứng ñược yêu cầu.
Quy luật ñiều khiển PID Luật ñiều khiển PID là thuật toán tính toán tín hiệu ñiều khiển từ sai số giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu ño ñược, tín hiệu ra là tổng của ba thành phần P (tỷ lệ với sai số), I (tích phân của sai số) và D (vi phân của sai số): Trong ñó tín hiệu tác ñộng: u(t) = Ke(t) + Td Hàm truyền: W(s) = Kp(1+Tds + + KI . ) Quy luật PID là quy luật hoàn hảo nhất, ñộ tác ñộng nhanh hơn cả quy luật P, nó ñáp ứng ñược hầu hết các yều cầu về chất lượng của các quá trình công nghệ. Bộ ñiều khiển PID ñược dử dụng khá rộng rãi ñể ñiều khiển ñối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Hình 1.5. Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển với bộ ñiều khiển PID Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………….. 8