Luận văn:Nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ

Chia sẻ: Nhung Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn:Nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ

B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG NGUY N MINH HÙNG NÂNG CAO CH T LƯ NG B ĐI U KHI N PID B N V NG CHO H TH NG ĐI U KHI N N Đ NH NHI T Đ Chuyên ngành: T Đ ng Hóa Mã s : 60.52.60 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T ĐÀ N NG - NĂM 2012
Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: T.S. Nguy n Văn Minh Trí Ph n bi n 1: PGS.TS Nguy n H ng Anh Ph n bi n 2: TS. Võ Như Ti n Lu n văn ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m lu n văn t t nghi p th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 09 tháng 6 năm 2012. Có th tìm hi u lu n văn t i : - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng - Trung tâm H c li u , Đ i h c Đà N ng
1 M Đ U 1. Lý do ch n ñ tài Cùng v i s phát tri n m nh m c a khoa h c k thu t, t ñ ng hóa quá trình s n xu t ngày càng chi m v trí quan tr ng quá trình phát tri n c a n n công nghi p th gi i. Tính t ñ ng hóa cao cùng v i vi c s d ng hi u qu ngu n năng lư ng, nâng cao năng su t lao ñ ng, nâng cao ch t lư ng và s n lư ng s n ph m, b o v môi trư ng, nâng cao ñ i s ng con ngư i ñang là m c tiêu hàng ñ u c a quá trình công nghi p hóa, hi n ñ i hóa. Vi c nghiên c u tìm ra m t b ñi u khi n m i ñáp ng ñ y ñ quá trình làm vi c c a h th ng, nâng cao ch t lư ng ñi u khi n và ñơn gi n trong v n hành là yêu c u c p thi t ñ phát tri n n n công nghi p hi n ñ i. Các quá trình nhi t trong công nghi p ñòi h i yêu c u ch t lư ng ñi u khi n cao do tính phi tuy n c a nó, m t khác, các phương pháp ñi u khi n cũ không th ñáp ng ñ y ñ các quá trình v n hành c a thi t b . 2. M c ñích nghiên c u Nâng cao ch t lư ng b ñi u khi n PID b n v ng cho h th ng ñi u khi n n ñ nh nhi t ñ nói riêng và các h th ng phi tuy n quán tính b c nh t có tr trong công nghi p nói chung. Đánh giá ñư c nh ng ưu ñi m c a b ñi u khi n PID b n v ng so v i nh ng b ñi u khi n PID c ñi n, l a ch n phương pháp h p lý ñ áp d ng vào quá trình nghiên c u và s n xu t. Tìm ra hư ng phát tri n m i cho vi c nghiên c u b ñi u khi n PID, c i thi n tính làm vi c liên t c c a các quá trình trong công nghi p, nâng cao ch t lư ng s n xu t. 3. Đ i tư ng và ph m vi nghiên c u T p trung nghiên c u phương pháp nâng cao ch t lư ng cho b ñi u khi n PID b n v ng, áp d ng cho các h th ng phi tuy n trong công nghi p. Nghiên c u áp d ng phương pháp thi t k PID b n v ng cho lò nhi t ñi n hình. Mô ph ng trên n n Matlab-Simulink quá trình làm vi c c a h th ng lò nhi t nhi u vùng khác nhau, tùy thu c tình hình s n xu t. 4. Phương pháp nghiên c u Phương pháp nghiên c u lý thuy t xây d ng và nâng cao ch t lư ng b ñi u khi n PID b n v ng. Nghiên c u ch nh ñ nh tham s b ñi u khi n PID c ñi n.
2 Nghiên c u l a ch n thông s h p lý cho b ñi u khi n PID b n v ng. Nghiên c u mô ph ng trên ph n m m Matlab Simlink. Nghiên c u th c nghi m trên mô hình lò nhi t trong công nhi p. 5. Ý nghĩa khoa h c và th c ti n c a ñ tài B ñi u khi n ñư c thi t k là b ñi u khi n PID b n v ng theo phương pháp m i, ñư c ki m ch ng b ng nh ng phương pháp ñ m b o tính ho t ñ ng n ñ nh c a h th ng . V i k t qu mô ph ng trên ph n m m Matlab-Simulink ñ th y ñư c b ñi u khi n PID m i ñã bám theo t t tín hi u ñ t h th ng, ho t ñ ng n ñ nh trong nhi u vùng khác nhau c a h th ng. Nâng cao ch t lư ng tín hi u so v i các b ñi u khi n c ñi n khác. Nh ng k t qu nghiên c u và th c nghi m trên mô hình c a ñ tài là tài li u tham kh o trong nghiên c u ng d ng vào quá trình s n xu t và t o ti n ñ cho vi c phát tri n ñ tài m c cao hơn, áp d ng cho các h th ng th c t . Phát tri n ñư c m t b ñi u khi n PID áp d ng cho các h th ng phi tuy n quán tính b c nh t có tr trong công nghi p v i mô hình xác ñ nh. 6. C u trúc lu n văn Lu n văn nghiên c u bao g m 4 chương. CHƯƠNG 1. GI I THI U V H TH NG ĐI U CH NH T Đ NG TRONG CÔNG NGHI P. N i dung t p trung gi i thi u các h th ng t ñ ng hóa s n xu t trong công nghi p, v i ñ c ñi m hàm truy n ñ t là h quán tính b c nh t có tr . Mô hình hóa h th ng, ñưa ra hàm truy n ñ t chung c a h th ng. CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐI U CH NH THAM S PID VÀ B PID M I. N i dung nghiên c u các b ñi u khi n quá trình trong công nghi p. Phân tích l a ch n tham s b PID c ñi n. ng d ng b ñi u khi n PID m i cho h th ng. CHƯƠNG 3. ÁP D NG CÔNG TH C TÍNH CH N THAM S PID M I CHO H TH NG LÒ NHI T TRONG CÔNG NGHI P Áp d ng b ñi u khi n PID m i cho h th ng lò nhi t. L a ch n các vùng làm vi c c a h th ng và thông s b PID m i tương ng.
3 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THAM S C T CÁC THÔNG S C AH TH NG PHI TUY N QUÁN TÍNH B C NH T CÓ TR Tính toán tham s C t các tham s c a h th ng. Xây d ng mô ph ng h th ng trên n n Matlab-Simulink. Đánh giá ch t lư ng b ñi u khi n PID m i so v i phương pháp ch nh ñ nh tham s PID c ñi n.
4 CHƯƠNG 1 GI I THI U V H TH NG ĐI U CH NH T Đ NG TRONG CÔNG NGHI P 1.1. GI I THI U T NG QUAN 1.2. C U TRÚC C A H TH NG 1.2.1. Sơ ñ c u trúc Các h th ng quán tính b c nh t trong công nghi p thư ng có d ng hàm truy n ñ t như sau: K . e − Ls H (s) = Ts + 1 Trong ñó: L: th i gian tr c a h th ng; T: th i gian quán tính c a h th ng; K: h s khu ch ñ i. Các thông s c a h th ng ñư c tính toán t mô hình th c t , v i m t h th ng phi tuy n, các thông s này thay ñ i liên t c trong quá trình s n xu t, tùy thu c vào tình hình s n xu t, quá trình công ngh , tác ñ ng c a nhi u…. V i các thông s {K,T} khi thay ñ i s nh n giá tr m i n m trong dãi ho t ñ ng n ñ nh c a h th ng, v i h s th i gian tr c a h th ng L là c ñ nh. Đ th c hi n quá trình ñi u khi n h th ng, ñưa h th ng làm vi c vùng n ñ nh, ph i tùy thu c vào ñ c trưng c a quá trình s n xu t và s lư ng bi n ñi u khi n. V i các quá trình như chưng c t, s n xu t xi măng ta th c hi n quá trình ñi u khi n liên t c, các quá trình s n xu t như ñóng bao, ñóng chai, l p ráp thì ta th c hi n ñi u khi n r i r c, các quá trình như tr n bê tông, ph n ng hóa ch t, nung s n ph m thì ta th c hi n quá trình ñi u khi n theo m . M c ñích c a vi c ñi u khi n là ñ m b o các m c tiêu sau: + Đ m b o h th ng v n hành n ñ nh, trơn tru: ñ m b o các ñi u ki n v n hành bình thư ng, kéo dài tu i th máy móc, v n hành thu n ti n. + Đ m b o năng su t và ch t lư ng s n ph m: thay ñ i t c ñ s n xu t theo ý mu n, gi các thông s ch t lư ng s n ph m bi n ñ ng trong gi i h n quy ñ nh. + Đ m b o v n hành an toàn: nh m m c ñích b o v con ngư i, máy móc, thi t b và môi trư ng. + B o v môi trư ng: gi m n ng ñ các ch t ñ c h i trong khí th i, nư c th i, gi m b i, gi m s d ng nguyên li u và nhiên li u. + Nâng cao hi u qu kinh t và tăng l i nhu n: gi m chi phí nhân công, nguyên li u và nhiên li u, thích ng nhanh v i yêu c u thay ñ i c a th trư ng.
5 1.2.2. Mô hình hóa h th ng M c ñích chính c a vi c mô hình hóa h th ng là: + Hi u rõ hơn v quá trình s n xu t công ngh . + Thi t k c u trúc ñi u khi n và l a ch n b ñi u khi n h p lý. + Tính toán và ch nh ñ nh các tham s c a b ñi u khi n. + Xác ñ nh ñi m làm vi c t i ưu cho h th ng + Mô ph ng và ñào t o ngư i v n hành h th ng. 1.3 K T LU N V i m t h th ng phi tuy n, quá trình ho t ñ ng h th ng thư ng xuyên thay ñ i do tác ñ ng nhi u y u t , yêu c u ñ t ra là c n thi t k m h ñi u khi n h th ng, ñ m b o quá trình ñi u khi n và theo dõi h th ng, nâng cao ch t lư ng và n ñ nh quá trình s n xu t.
6 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐI U CH NH THAM S PID VÀ B PID M I 2.1 NH NG B ĐI U KHI N CƠ B N TRONG CÔNG NGHI P Trong h th ng công nghi p s d ng nhi u b ñi u khi n khác nhau, trong ñó b ñi u khi n PID là b ñi u khi n ñư c s d ng r ng rãi v i c u t o g m 3 khâu ñi u khi n cơ b n: khâu t l - P, khâu tích phân - I, khâu vi phân - D. S k t h p c a 3 lu t ñi u khi n này t o nên nhi u b ñi u khi n khác nhau và ñư c s d ng r ng rãi trong các h th ng th c nghi m như: P, PI, PD và PID. Tuy nhiên, có th th y r ng, b ñi u khi n PID th c hi n quá trình ñi u khi n m t cách liên t c theo sai l ch, d ng ñơn gi n nh t c a b ñi u khi n theo sai l ch là b ñi u khi n 2 v trí On-Off. 2.1.1. B ñi u khi n On - Off 2.1.2 B ñi u khi n t l - P 2.1.3. B ñi u khi n PI 2.1.4. B ñi u khi n PID 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐI U CH NH THAM S PID Có nhi u phương pháp xác ñ nh tham s c a b ñi u khi n PID khi ñã bi t mô hình toán h c ho c d a vào ñ c tính th c nghi m c a h th ng khi chưa bi t mô hình toán h c. M t s phương pháp thư ng ñư c s d ng cho các h th ng quán tính b c 1 có tr như sau: + Đi u ch nh tham s theo phương pháp Ziegler-Nichols. + Phương pháp Chien-Hrones-Reswick. 2.2.1. Đi u ch nh tham s theo phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols ñư c s d ng cho các b ñi u khi n P, PI và PID. Phương pháp này ch dùng ñ ñi u khi n nhưng không dùng ñư c ñ theo dõi quá trình. Vì v y phương pháp này thư ng ñư c dùng t t ñ gi m các nhi u lo n h th ng, nhưng l i khó khăn khi có s thay ñ i tham s h th ng. Phương pháp này áp ng cho các ñ i tư ng có ñáp ng ñ i v i tín hi u vào là hàm n c có d ng ch S như: nhi t ñ lò nhi t, t c ñ ñ ng cơ…có d ng hàm truy n ñ t như sau: K . e − Ls H (s) = Ts + 1 2.2.1.1 Phương pháp Ziegler-Nichols th nh t Thông s c a các b ñi u khi n ñư c ch n theo b ng sau:
7 B ng 2.1: Các tham s c a b PID theo phương pháp Ziegler-Nichols th nh t Th ng s KP TI TD B ñi u khi n T P - - K .L 0,9.T L PI - K .L 0,3 1,2.T 0,5.L PID song song 2 .L K .L 0,6.T PID n i ti p L L K .L 2.2.1.2 Phương pháp Ziegler-Nichols th hai Phương pháp này s d ng cho các h th ng chưa bi t trư c mô hình toán h c. T t c quá trình ñ u d a vào vi c ño lư ng ñ nh n bi t. D a trên Kth và Tth, Ziegler-Nichols ñã ñưa ra b ng xác ñ nh thông s b ñi u khi n như sau: B ng 2.2: Các tham s b PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 2. Thông s KP TI TD B ñi u khi n 0,5.K th P - - 0,45.K th 0,833.Tth PI - 0,6.K th 0,5Tth 0,125Tth PID song song 6 1 0,6.K th Tth Tth PID n i ti p 2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick (CHR) Phương pháp CHR cũng là phương pháp ñư c s d ng ñ ñi u ch nh tham s b ñi u khi n ph bi n trong công nghi p. Phương pháp này d a trên tham s th i gian c a h th ng v i ñáp ng hàm step. Chien, Hrones và Reswick ñưa ra nhi u s l a ch n b ñi u khi n c a h th ng tùy thu c vào tham s R, cho b ng sau:
8 B ng 2.3. L a ch n b ñi u khi n theo phương pháp CHR T 1 Lo i b ñi u khi n R= = L µ P R>10 PI 7,5
9 2.3 NÂNG CAO CH T LƯ NG H TH NG PHI TUY N V I B PID B N V NG XÂY D NG THEO PHƯƠNG PHÁP M I 2.3.1 Phân tích h th ng phi tuy n quán tính b c nh t có tr 2.3.2 Ch ng minh h th ng n ñ nh theo tiêu chu n Lyapunov Các thông s b PID theo phương pháp m i có d ng sau: K n .C + I C .I Kn Kp = ; KI = ; Kd = ϕ ϕ ϕ 2.4. K T LU N V i các công th c c a b PID m i, tuy ph thu c nhi u thành ph n khác nhau, nhưng v i vi c l a ch n thông s h p lý, s ñ m b o ñư c tính ưu vi t so v i các tham s PID theo phương pháp c ñi n. Ưu ñi m c a b PID m i là ho t ñ ng n ñ nh và b n v ng v i h th ng phi tuy n, ñáp ng nhanh chóng quá trình thay ñ i các thông s h th ng. B ng vi c l a ch n tham s h p lý, các tham s c a b PID m i s ñư c ñưa v ph thu c m t h ng s duy nh t là C. Tham s C này s là m t hàm s theo các thông s h th ng f(K,L,T). Khi các thông s (K,L,T) thay ñ i các vùng làm vi c khác nhau, tham s C ñư c ch n v n s ñ m b o ch t lư ng ñ u ra c a h th ng.
10 CHƯƠNG 3 NH HƯ NG C A CÁC THÀNH PH N THAM S B ĐI U KHI N PID M I Đ N CH T LƯ NG H TH NG LÒ NHI T 3.1 GI I THI U T NG QUAN V C U T O VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VI C LÒ ĐI N TR 3.1.1 Gi i thi u chung v lò ñi n tr : 3.1.2. Nguyên lý làm vi c lò ñi n tr 3.1.3. Yêu c u cơ b n ñ i v i c u t o lò ñi n tr 3.1.3.1. H p lý v công ngh 3.1.3.2. Hi u qu v k thu t 3.1.3.3. Ch c ch n khi làm vi c 3.1.3.4. Ti n l i khi s d ng 3.1.3.5. R và ñơn gi n khi ch t o 3.1.4. C u t o lò ñi n tr V i ñ i tư ng ñi u khi n là m t lò ñi n tr tham kh o có công su t kho ng 8kW, ñư c nuôi b i ngu n ñi n m t pha xoay chi u 220V, s d ng Triac KS200A/800A ñ ñi u khi n quá trình bi n ñ i ñi n áp, hàm truy n ñ t c a lò nhi t ñư c ño lư ng t d i ñư ng cong ñ c tính có d ng sau [7]: K .e − Ls 2.8e −40 s G p ( s) = = T .s + 1 178s + 1 V i nhi t ñ làm vi c c c ñ i c a lò là 1600oC, sai l ch tĩnh kho ng ±1oC. S d ng b ñi u khi n PID ñ ñi u khi n nhi t ñ . Trong ñó, b ñi u khi n PID ñư c tính ch n theo công th c sau: K n .C + I C.I Kn Kp = ; KI = ; Kd = ϕ ϕ ϕ 3.2. NH HƯ NG CÁC THAM S {C, I, ϕ , K} Đ N CH T LƯ NG C A H TH NG. Mô hình mô ph ng h th ng trên n n Matlab-Simulink: Giá tr ñ t là hàm step u(t)=1(t). B PID t o ra ñi n áp ñi u khi n, ñư c gi i h n b i kh i Saturation, gi i h n giá tr trong vùng ±Uñkmax . Hàm Transport Delay t o tr v i th i gian ñ t là 40s.
11 Hình 3.1. Mô ph ng h th ng v i các thông s khác nhau c a b PID 3.2.1. Mô ph ng h th ng khi I thay ñ i, Kn,C và ϕ không ñ i. V i I l n lư t b ng {0,05; 0,1; 0,2}, ϕ = 0,5 và K = Kmax =10; C=0,0399 Các ch s quá trình mô ph ng h th ng ñư c th ng kê như sau: B ng 3.1. k t qu mô ph ng h th ng khi I thay ñ i Ch s I=0,05 I=0,1 I=0,2 Đ v tl 1% 14,6% 37,6% Sai l ch tĩnh 0 0 0 S l n dao ñ ng 1 1 2 Th i gian quá ñ 280 130 89 Th i gian xác l p 280 520 550 Nh n xét: V i giá tr I nh , qu ñ o h th ng bám theo qu ñ o chu n ch m hơn, nhưng gi m ñư c s v t l so v i giá tr I l n. Như v y, thay ñ i giá tr c a I s nh hư ng t i tính tác ñ ng nhanh và sai l ch tĩnh c a h th ng. 3.2.2. Mô ph ng h th ng khi ϕ thay ñ i, Kn và I không ñ i V i ϕ l n lư t b ng {0,5; 0,8; 1}; I=0,05; Kn=Kmax = 10; C=0,0399 Các ch s quá trình mô ph ng h th ng ñư c th ng kê như sau:
12 B ng 3.2. K t qu mô ph ng h th ng khi ϕ thay ñ i: Ch s ϕ =0,5 ϕ =0,8 ϕ =1 Đ v tl 1% 0% 0% Sai l ch tĩnh 0 0 0 S l n dao ñ ng 1 0 0 Th i gian quá ñ 280 646 946 Th i gian xác l p 280 646 946 Nh n xét: Khi tăng ϕ , sai l ch tĩnh c a h th ng tăng lên và ch m bám theo tín hi u ñ t nhưng l i gi m ñư c s dao ñ ng c a h . Như v y, ϕ nh hư ng ñ n sai l ch tĩnh c ah . 3.2.3. Mô ph ng h th ng khi Kn thay ñ i, ϕ và I không ñ i V i Kn l n lư t là {0,1Kmax;0,5 Kmax; Kmax}; I=0,05; ϕ =0,5 ; C=0,0399. Trong ñó, Kn không th l a ch n vư t quá giá tr Kmax c a h th ng, chính là giá tr ñi n áp ñi u khi n l n nh t c a h th ng Uñkmax. Các ch s quá trình mô ph ng h th ng ñư c th ng kê như sau: B ng 3.3. K t qu mô ph ng h th ng khi Kn thay ñ i: Ch s Kn=Kmax=10 Kn=0,5Kmax=5 Kn=0,1Kmax=1 Đ v tl 1% 9,7% 29,7% Sai l ch tĩnh 0 0 0 S l n dao ñ ng 1 1 3 Th i gian quá ñ 280 233 263 Th i gian xác l p 280 772 1500 Nh n xét: Khi Kn nh , h th ng có s dao ñ ng so v i khi Kn l n, nhưng th i gian xác l p lâu hơn. Như v y, Kn nh hư ng ñ n s n ñ nh c a h th ng.
13 3.3. K T LU N B ng vi c mô ph ng ho t ñ ng h th ng trên n n Matlab-Simulink ta có th th y r ng, ch t lư ng h th ng ñ u ñư c quy t ñ nh b i các thông s c a b ñi u khi n PID là {Kn,I, ϕ ,C}. Trong ñó: I quy t ñ nh s ti n v không c a sai l ch tĩnh. ϕ quy t ñ nh sai l ch tĩnh. Kn quy t ñ nh s n ñ nh h th ng, có th ch n l n hơn m t ngư ng, có nghĩa ch n l n nh t t i gi i h n Kmax. Vi c l a ch n I và ϕ s ñ m b o ñư c sai l ch tĩnh ti n v 0, vì v y ta có th ch n m t giá tr nh ñ không ph thu c vào h th ng. Như v y ch còn C quy t ñ nh ch t lư ng ra c a b ñi u khi n
14 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THAM S C T CÁC THÔNG S C A H TH NG PHI TUY N QUÁN TÍNH B C NH T CÓ TR 4.1. PHÂN TÍCH Đ C ĐI M H TH NG TH C Trong công nghi p hi n nay, phương pháp ñi u khi n ph bi n cho các h th ng b c nh t có tr ph bi n nh t v n là phương pháp PID c a Ziegler - Nichols. Tr i qua quá trình phát tri n c a công nghi p, b PID c a Ziegler - Nichols ñã ñư c c i ti n nhi u hơn ñ phù h p v i tình hình th c t s n xu t. Tuy nhiên, khi m t thông s c a h th ng thay ñ i, b t bu c ph i thi t k l i m t lu t ñi u khi n PID m i ñ phù h p tình hình s n xu t, như v y công vi c khá ph c t p và v t v , có th ph i d ng quá trình s n xu t ñ áp d ng lu t ñi u khi n m i. Xét h th ng có d ng hàm truy n ñ t như sau: K .e − L.s H ( s) = T .s + 1 V i m t h th ng phi tuy n có tr , các thành ph n c a h th ng liên t c thay ñ i theo tình hình s n xu t, làm các h ng s c a h th ng thay ñ i liên t c trong ph m vi cho phép c a nhà s n xu t. K={K1,K2}, T={T1,T2}. Trong ñó th i gian ñáp ng c a h th ng k t lúc có tín hi u ñi u khi n là không ñ i. Như v y, khi các tham s h th ng thay ñ i, b t bu c ngư i v n hành ph i thi t k l i m t b ñi u khi n PID m i d a trên các tham s K, L, T và công th c tính toán b ñi u khi n c a Ziegler - Nichols, như v y, phương pháp tính toán s khá v t v hơn vì ph i tính c 3 tham s c a b ñi u khi n và không th ñáp ng liên t c quá trình s n xu t. V i phương pháp thi t k b PID m i này cho phép ngư i v n hành ch c n tính toán 1 tham s duy nh t là C=f{K,L,T} mà v n ñ m b o ch t lư ng và ñi u ki n v n hành h th ng. Ta có th tính toán ñư c h ng s C m t cách thu n l i d a vào phương trình c a h th ng khi ñưa v d ng phương trình vi phân. 4.2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THAM S C 4.2.1 Bi n ñ i d ng phương trình c a h th ng 4.2.2 Phương pháp gi i phương trình vi phân H th ng chuy n v phương trình vi phân có d ng: •• • T .L. y (3) + (T + L + K .K d ). y + (1 + K .K p ). y + K .K i . y = K .K i .uref Gi i phương trình vi phân h th ng v i, ta rút ra ñư c h s C ñư c tính như sau:
15 ϕ K .K n I ϕ C= (T + L + )2 − ( + ) 3.T .L.K .K n ϕ K n K .K n Công th c PID m i s có d ng như sau: K n .C + I C .I Kn Kp = ; KI = ; Kd = ϕ ϕ ϕ ϕ K .K n I ϕ C= (T + L + )2 − ( + ) 3.T .L.K .K n ϕ K n K .K n V i {Kn, I, ϕ} ñư c ch n theo h th ng. {K, L, T} là các tham s c a h th ng. 4.3. MÔ PH NG Đ C TÍNH LÀM VI C H TH NG B NG MATLAB - SIMULINK Nhi t ñ h th ng lò nhi t là m t ñ i tư ng có th i gian ch m tr là 40s, quán tính lò nhi t là 178s. B ñi u khi n PID là m t trong nh ng b ñi u khi n thông thư ng nh t trong công nghi p ñi u khi n quá trình, v i ưu ñi m là c u trúc ñơn gi n, d ñi u khi n và s d ng r ng rãi trong công nghi p luy n kim, hóa ch t, ch t o máy…Đi u khi n nhi t ñ h th ng lò nhi t ñòi h i ñ y ñ các thành ph n c a b PID ñ tương tác và ñi u khi n ñưa ñ n ch t lư ng t t nh t. Mô hình mô ph ng h th ng : Hình 4.1. Mô ph ng ñ c tính làm vi c h th ng Đáp ng h th ng v i tín hi u vào là hàm step u(t)=1(t) Hình 4.2. Đáp ng h th ng h 4.3.1. Đáp ng c a h th ng khi s d ng b ñi u khi n PID Ziegler-Nichols. Theo phương pháp Ziegler-Nichols, ta có b ñi u khi n PID cho h th ng lò nhi t trên ñư c thi t k như sau:
16 B ng 4.1. Tham s b ñi u khi n PID Ziegler-Nichols PID song song Giá tr Kp 1,9071 Ki 0,0238 Kd 38,1429 Ti 80 Td 20 S d ng mô ph ng ñáp ng h th ng trên n n MATLAB-Simulink: Hình 4.3. Mô ph ng h th ng v i PID Ziegler-Nichols Đáp ng h th ng v i hàm u(t)=1(t) như sau: Hình 4.4. Đáp ng h th ng v i PID Ziegler-Nichols Nh n xét: Đ v t l σ = 60%. Sai l ch tĩnh là e = 0%. Th i gian xác l p h th ng kho ng 800s.
17 H th ng có ñ v t l khá cao và th i gian xác l p lâu. 4.3.2 Thi t k b ñi u khi n h th ng theo PID m i V i phương pháp thi t k b PID ki u m i, các thông s b PID ñư c tính toán như sau: K n .C + I C .I Kn Kp = ; KI = ; Kd = ϕ ϕ ϕ ϕ K .K n I ϕ C= (T + L + )2 − ( + ) 3.T .L.K .K n ϕ K n K .K n Trong ñó, I và ϕ ñư c ch n c nh , Kn=Kmax c a h th ng. B ng 4.2. L a ch n tham s b ñi u khi n PID PID m i I=0,05; ϕ = 0,5; Kn= Kmax= 10 K max .C + 0,05 Kp = 0,5 0,05C KI = 0,5 K max KD = 0,5 D a trên các thông s c a h th ng, ta có b ng tính ch n tham s b ñi u khi n PID m i ñư c cho như sau: B ng 4.3. Thông s b PID m i PID Kn I ϕ C Kp Ki Kd Ti Td Giá tr 10 0,05 0,5 0,0399 0,8981 0,004 20 225,058 22,2682 Mô ph ng h th ng v i các thông s b PID m i: Hình 4.5. Mô ph ng h th ng v i PID m i
18 Đáp ng h th ng ñư c cho hình sau: Hình 4.6. Đáp ng h th ng v i PID m i Nh n xét: Đ v tl : 1% Sai l ch tĩnh: 0% S l n dao ñ ng: 0 Th i gian quán tính: 280s Th i gian xác l p h th ng: 280s 4.4. K T LU N Phương pháp tính ch n tham s C theo các tham s h th ng ñư c d a trên nh ng phương pháp gi i toán thông thư ng, như v y, v i tham s C tìm ñư c, khi h th ng có tham s thay ñ i, b PID v n ñáp ng t t quá trình làm vi c c a h th ng. Các tham s c a b PID m i có th thay ñ i tùy vào tr ng thái c a h th ng. Các h ng s trong công th c tính C có th thay ñ i ñ phù h p v i quá trình s n xu t, ñáp ng t t ch t lư ng ñ u ra c a h th ng. Các h ng s này có th ñư c ch nh ñ nh b ng th c nghi m. So v i b ñi u khi n PID c a Ziegler-Nichols, b ñi u khi n PID m i cho ch t lư ng cao hơn h n, ñáp ng ñ y ñ các vùng làm vi c c a h th ng, ñ m b o ñư c quá trình làm vi c liên t c, nâng cao ch t lư ng và n ñ nh h th ng.