MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đối tượng (quá trình) nhiệt tồn tại phổ biến trong các hệ thống điều
khiển công nghiệp. Đặc điểm của lớp đối tượng này là thường có quán tính
lớn, có trễ vận tải và thường xuyên thay đổi bất thường theo phụ tải. Ngoài
ra trong quá trình điều khiển thường xuất hiện các loại nhiễu ảnh hưởng khá
mạnh đến thông số công nghệ đầu ra.
Lò hơi trong nhà máy nhiệt điện là một loại đối tượng nhiệt điển hình
trong đó có nhiều hệ thống điều khiển như điều khiển nhiệt độ, điều khiển
mức nước, điều khiển áp suất. Các quá trình nhiệt trong lò hơi là những quá
trình rất phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Ví dụ khi
thay đổi công suất lò hơi bằng cách thay đổi lưu lượng nhiên liệu cấp vào
buồng đốt, sẽ đồng thời kéo theo sự thay đổi của nhiệt độ hơi ra và áp suất
trong buồng đốt. Tác động điều khiển lưu lượng không khí cấp vào buồng
đốt sẽ làm thay đổi trực tiếp áp suất trong buồng đốt. Một số hệ thống điều
khiển chính của lò hơi là hệ thống điều khiển mức nước trong bao hơi, hệ
thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt, hệ thống điều khiển độ kinh tế quá
trình cháy. Với các hệ thống này luôn cần phải có cơ cấu chấp hành đó là
các van điều khiển. Trong quá trình hoạt động, có nhiều nguồn nhiễu ảnh
hưởng đến van và do đặc tính của chính bản thân van là phi tuyến và bất
định. Do vậy giải pháp sử dụng cấu trúc điều khiển tầng là phù hợp đối với
các hệ thống điều khiển trên bởi vì ưu điểm nổi bật của điều khiển tầng là
cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ cũng như khử tính phi tuyến và bất
định của đối tượng vòng trong.
Các phương pháp chỉnh định đã biết trước đây áp dụng cho các hệ thống
điều khiển quá trình trong nhà máy nhiệt điện còn khó khăn và/hoặc chưa
đạt hiệu quả cao. Ví dụ phương pháp chỉnh định Zigler – Nichols [65] dễ áp
dụng nhưng dẫn đến hệ thống có độ dao động lớn. Phương pháp mô hình
nội (IMC) [41] cho chất lượng đáp ứng giá trị đặt rất tốt nhưng khử nhiễu
quá trình lại kém. Phương pháp ổn định bền vững [69] cho chất lượng hệ
thống tốt cả với giá trị đặt và nhiễu nhưng bộ điều khiển có cấu trúc phức

Luận án nêu ra phương pháp đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống điều
khiển tầng, đóng góp thêm phần lý thuyết mới về tổng hợp các bộ điều
khiển trong hệ tầng và chỉnh định (hay lựa chọn) tham số cho chúng. Độ tin
cậy của kết quả nghiên cứu được đánh giá thông qua so sánh chất lượng
điều khiển của hệ thống khi sử dụng kết quả nghiên cứu này với khi sử dụng
các phương pháp nghiên khác (thể hiện trong mục 3.7 ở chương 3 của luận
án) và được chứng minh bằng thực nghiệm.
Mặt khác, khi lựa chọn các tham số bộ điều khiển, các tham số này được
lựa chọn có phụ thuộc vào tham số trễ của đối tượng (thể hiện ở công thức
(3.63)) nên kết quả của luận án có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu điều
khiển tầng cho các đối tượng có trễ, đặc biệt là đối với các đối tượng nhiệt.
Các kết quả của luận án làm cơ sở cho các nghiên cứu về sau để phát
triển hoàn thiện lý thuyết về hệ điều khiển tầng trong vấn đề chỉnh định hệ
thống.
4. Nội dung của luận án
Chương 1 giới thiệu khái niệm, ý nghĩa của hệ thống điều khiển tầng,
trình bày một số ứng dụng điển hình trong lĩnh vực công nghệ nhiệt, đặc
điểm và mô hình đối tượng quá trình nhiệt. Tiếp theo, tổng quan và phân
tích phương pháp đánh giá dự trữ ổn định cũng như tổng hợp hệ thống điều
khiển tầng trên thế giới.
Chương 2 trình bày phương pháp nghiên cứu động học hệ tầng. Trên cơ
sở khái niệm “chỉ số dao động mềm”, “đặc tính mềm”, “đường biên mềm”
2


của hệ thống và các tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm, tiêu chuẩn Parabol,
luận án đã phân tích, đánh giá và nêu ra phương pháp đánh giá dự trữ ổn
định của hệ nhiều tầng trong công nghiệp nói chung và quá trình nhiệt nói
riêng. Chương 2 cũng trình bày phương pháp xác định nghiệm đặc tính của
hệ tầng dựa trên đặc tính mềm bằng phương pháp đồ thị.

tầng (hay hệ tầng) [12, 15, 27, 31, 60], tuy nhiên hầu như các công trình này
chỉ đưa ra cấu trúc hai tầng.
Theo tác giả Nguyễn Văn Mạnh [69], một hệ thống điều khiển tầng là
hệ thống gồm nhiều vòng điều chỉnh lồng nhau, trong đó nhiệm vụ chủ yếu
3


của mỗi bộ điều khiển là điều khiển đối tượng thuộc cùng vòng. Sơ đồ cấu
trúc của hệ tầng như hình 1.3.

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ điều khiển tầng theo Nguyễn Văn Mạnh
Trong đó: z là tín hiệu giá trị đặt; u là tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển
vòng trong cùng; d1, d2, ..., dn là các tín hiệu nhiễu tác động quy về đầu ra
của các đối tượng; Fi , Ri , Oi, Bi lần lượt là hàm truyền của khâu
Hệ thống điều khiển tầng được ứng dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm [1,
10, 11, 12, 31, 40, 43, 45, 59] sau:
- Tăng độ ổn định của hệ thống nói chung so với hệ một vòng
- Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ
- Giảm sự phi tuyến và tính bất định của đối tượng vòng trong đặc biệt do
cơ cấu chấp hành (các van điều chỉnh) gây ra
1.2 Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt nhiều tầng
Hệ thống điều khiển tầng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, đặc
biệt là trong các hệ thống điều khiển quá trình nhiệt ví dụ trong lò hơi nhà
máy nhiệt điện có hệ thống điều khiển độ kinh tế quá trình cháy, hệ thống
điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt, hệ thống điều khiển mức nước bao hơi ...
1.3 Đặc tính và mô hình đối tƣợng quá trình nhiệt
Điểm đặc trưng của các đối tượng nhiệt là có trễ vận tải và có quán tính
lớn. Do có quán tính lớn và trễ vận tải nên hầu hết các đối tượng nhiệt cũng
như hệ thống điều khiển tương ứng là những bộ lọc tần số thấp [2]. Theo
tính chất động học, tồn tại phổ biến hai lớp đối tượng điều chỉnh: lớp đối

cong Nyquist, dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol, dự trữ ổn định theo
chỉ số dao động mềm.
1.4.2 Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiều tầng
Có thể chia thành các hướng nghiên cứu chính:
- Cách tiếp cận theo cách chọn cấu trúc bộ điều khiển dạng PID sau đó chọn
tham số.
- Cách tiếp cận dựa theo cấu trúc mô hình nội (IMC).
- Cách tiếp cận dựa trên điều kiện ổn định bền vững cho tất cả các vòng.
1.5 Kết luận
Các hệ thống điều khiển quá trình nhiệt trong đó có hệ thống lò hơi của
nhà máy nhiệt điện sử dụng cấu trúc điều khiển tầng rất phổ biến.
Điểm đặc trưng của các đối tượng nhiệt là có trễ, có quán tính và có tính
bất định. Các đối tượng này có thể phân thành hai lớp với hai dạng hàm
truyền đặc trưng là: khâu quán tính bậc cao có trễ và khâu tích phân có quán
tính có trễ.
Để tính toán chỉnh định hệ nhiều tầng nói chung và trong lĩnh vực điều
khiển quá trình nhiệt nói riêng có thể áp dụng một số phương pháp điển
hình như: Phương pháp Zigler-Nichol, phương pháp mô hình nội IMC,
phương pháp bền vững chất lượng cao. Nhưng hiệu quả áp dụng các
phương pháp này còn nhiều hạn chế vì:
- Phương pháp Zigler – Nichol đơn giản nhưng cho độ quá điều chỉnh
của hệ thống kín lớn và dao động nhiều.
- Phương pháp IMC cho chất lượng đáp ứng vòng kín theo kênh đặt tốt
nhưng khả năng kháng nhiễu kém.
- Phương pháp bền vững chất lượng cao cho chất lượng hệ thống tốt cả
với giá trị đặt và nhiễu nhưng bộ điều khiển có cấu trúc phức tạp, khó
thực thi. Phương pháp này cần phải phát triển hoàn thiện hơn khi áp
dụng cho hệ nhiều tầng.
5


2.1.2 Chỉ số dao động mềm, đường biên mềm và đặc tính mềm
Chỉ số dao động mềm [67] có công thức như sau:

m( )  m0

1 e

 



(2.18)

Với α ≥ 0 là hệ số mềm hóa, m0 = const là hệ số hay chỉ số dao động ứng
với tần số ω =0
Khi  thay đổi từ  đến +, thì s = m||+j  biến thiên dọc theo đường
cong MON đối xứng qua trục thực gọi là đường biên mềm (hình 2.3) [67].
Do tính đối xứng nên luận án chỉ xét với   0.

Hình 2.3. Các đường giới hạn nghiệm khác nhau
6


Vì tính đối xứng nên trong luận án sử dụng s = m +j thay cho
s = m||+j  để ngầm hiểu là xét với  ≥ 0, còn lại khi  ≤ 0 sẽ đối xứng
qua trục thực.
Đường biên mềm được áp dụng để xác định dự trữ ổn định của hệ thống
theo vị trí các điểm cực. Nếu tất cả các điểm cực của hệ thống nằm bên trái
hoặc nằm trên đường biên mềm cho trước, thì hệ đó có dự trữ ổn định mềm
[67] cho trước.

độ dự trữ ổn định mềm của hệ hở là số điểm “cắt ra” và số điểm “cắt vào”
giữa đặc tính mềm hệ hở và nhánh parabol dương bằng nhau.
2.1.5.3 Điều kiện đủ của tiêu chuẩn Parabol [68]
7


Điều kiện đủ để cho hệ thống kín bảo toàn độ dự trữ ổn định của hệ hở
ban đầu sau khi nối kín các liên hệ ngược từ hệ hở đó, là: Qmax  0 với
Qmax là tung độ điểm “cắt vào’’ cao nhất của đặc tính mềm với nửa dương
parabol P = Q2  1.
2.2 Áp dụng chỉ số dao động mềm để nghiên cứu hệ tầng
2.2.1 Cấu trúc một vòng tương đương của hệ tầng và hàm truyền hở của
hệ thống [CT 1, 4]
Theo sơ đồ cấu trúc của hệ nhiều tầng hình 1.3 ta có thể biến đổi như
sau: Chọn Rk làm một khâu (bộ) điều khiển và biến đổi tương đương để đi
đến sơ đồ hệ một vòng tương đương như hình 2.12.
Trong đó: WK là hàm truyền của hệ tầng trực thuộc tính từ đầu ra của Rk
đến đầu vào của Ok, OTk là hàm truyền tương đương của phần mạch, tính từ
đầu ra của Ok đến đầu vào của Rk
OTk

WK

-

Rk

-

Rk+1

-

Fn
F2
Fk+1

Fk-1
Fk

Hình 2.12 Sơ đồ hệ một vòng tương đương của hệ tầng, ứng với khâu điều
chỉnh Rk
Hàm truyền của hệ hở ứng với bộ điều chỉnh thứ k là:
n

k

 R O
Fq

H k  RkWk Ok OTk 

1

q 1
n

i i

i q


(2.45)


Trong đó: b0 là hệ số truyền; a1,...,am, b1,...,bn là các hệ số; q là bậc tích
phân; m là bậc tử thức; n là bậc mẫu thức; m ≤ n; i là độ trễ của đối tượng
thuộc vòng i; OiPT(s) là phần phân thức thuần túy.
Hàm truyền (2.45) là dạng tổng quát của đối tượng tuyến tính trong
công nghiệp nói chung.
Biến đổi (2.44) và thay s = m +j  , ta có công thức đặc tính mềm
của hệ hở tầng thứ k, như sau
k

 e

q m

q 1
n

H k (m  j ) 

1

H q, PT (m  j )e

 j q

(2.47)

e


là tổng độ trễ vận tải của các khâu thuộc các vòng từ

iq

thứ q đến n
2.2.2.2 Sự hội tụ của đặc tính mềm và khả năng đánh giá dự trữ ổn định hệ
tầng
Giới hạn môđun của đặc tính mềm là:
lim H k (m  j )  0
(2.51)
 

Với giả thiết đặc tính mềm không chứa điểm cực của hệ hở thì điều
kiện (2.51) chứng tỏ rằng đặc tính mềm của hệ hở nhiều tầng hội tụ về gốc
toạ độ. Vậy có thể áp dụng tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm và tiêu chuẩn
Parabol để đánh giá động học cho hệ thống điều khiển tầng trong trường
hợp đặc tính mềm là đặc tính mềm của hệ tầng hở.
2.2.3 Phương pháp xác định cặp nghiệm trội của hệ tầng
Để tìm nghiệm đặc tính của hệ thống ta chỉ việc đưa đặc tính mềm đi
qua điểm (1;j0) bằng cách thay đổi chỉ số dao động mềm thông qua việc
thay đổi giá trị m0 trong công thức (2.18). Giá trị cặp nghiệm trội được xác
định khi đặc tính mềm đi qua điểm (1;j0) ứng với giá trị tần số cắt c nhỏ
nhất và m0 nhất định [CT 1].
2.4 Kết luận
- Rút ra công thức đặc tính mềm của hệ tầng hở cho các hệ thống điều khiển
nhiều tầng có trễ vận tải trong công nghiệp trong đó có quá trình nhiệt.
- Chứng minh được đặc tính mềm của hệ tầng hở hội tụ về gốc tọa độ, cho
phép áp dụng các tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm và tiêu chuẩn Parabol để
đánh giá dự trữ ổn định của hệ điều khiển nhiều tầng. Như vậy có thể dùng

1
W ( s) 
,
θ0
1  θs
Với   0 thì W(s) 1.
Hàm truyền của hệ hở bền vững chất lượng cao [4, 69] là :

H ( s) 

1
θs

(3.2)

(3.6)

(3.7)

Hàm truyền của bộ điều chỉnh [4, 69], là:
1
(3.8)
R(s) 
O(s)1
θs
Theo [4], bộ điều khiển bền vững có thể được thực thi bằng cách cắt bỏ
thành phần trễ của đối tượng. Khi đó bộ điều khiển trong (3.8) có dạng:
1
R( s ) 
OPT (s)1

n
1 
Ri Oi

j  k 1 i  j




(3.12)

 

Từ (3.10) và (3.12) ta được:
R1 

1  2 s

1  2  s

O11

...
Rn 1 

1  n s n2  n1  O1
n1  n 1  n2 s  n1

(3.26)



n s

On11

On1

11

(3.27)


(3.26) và (3.27) gọi là các bộ điều khiển bền vững lý tưởng và công thức
(3.27) được sử dụng để tổng hợp hệ thống điều khiển quá trình nhiệt.
3.3 Thực thi bộ điều khiển bền vững
Khi đối tượng có thời gian trễ (τ > 0), các bộ điều khiển theo công thức
(3.27) không thực thi được bởi vì nó sẽ chứa khâu dự báo tuyệt đối (thành
phần trễ dương). Theo [4], để đơn giản nhất khi thực thi là loại bỏ thành
phần trễ này trong công thức của các bộ điều khiển. Khi đó hàm truyền các
bộ điều khiển ở công thức (3.27) như sau:
1 1
(3.30)
Rk ( s) 
O (s)
 k s kPT
Với OkPT là phần phân thức của Ok.
Mặt khác nếu n +q >1 (n, q trong công thức (1.2) thì bộ điều khiển bền
vững sẽ có hàm truyền bậc của tử số lớn hơn bậc của mẫu số. Nếu trường
hợp này xảy ra cần phải bù bậc cho bộ điều khiển bằng cách mắc nối tiếp bộ
điều khiển với khâu lọc [CT 5] có hàm truyền:

 k em

ck

 arc cot mck 

 arc cot mck 
12

(3.63)

mck 2  1


mck là chỉ số dao động cắt ở vòng thứ k; τk và thời gian trễ của đối
tượng vòng thứ k.
*) Lựa chọn chỉ số dao động cho các vòng [CT 3]
Đối với hệ nhiều tầng yêu cầu chất lượng được xác định cho tín hiệu ra
ở vòng ngoài cùng. Tức là chỉ số dao động m1 ở vòng ngoài cùng là theo
yêu cầu chất lượng hệ thống, còn chỉ số dao động của các vòng trong là
chưa biết. Độ bền vững của vòng trong phải tốt hơn hay ít nhất cũng bằng
vòng ngoài, khi đó chỉ số dao động của vòng trong lớn hơn hoặc bằng chỉ số
dao động của vòng ngoài (mi+1 ≥ mi).
3.5 Chỉnh định lại hệ số khuếch đại của các bộ điều khiển [CT4, 5]
Trong khi tính toán hệ thống, có thể xảy ra trường hợp hệ thống thiếu
dự trữ ổn định hoặc thừa dự trữ ổn định. Vậy phải điều chỉnh hệ thống sao
cho hệ thống vừa đủ dự trữ ổn định cho trước. Đối với hệ thống điều khiển
tầng, để hệ thống vừa đủ dự trữ ổn định cho trước cần phải thì cần điều
chỉnh lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển để đặc tính mềm của hệ hở
tương ứng đi qua điểm (-1, j0).

- Mô hình hóa các đối tượng trong hệ tầng O1 thành O1 có dạng hàm truyền

là các khâu quán tính bậc nhất có trễ, khâu quán tính – tích phân bậc nhất có
trễ hoặc khâu quán tính bậc hai có trễ. Nếu đối tượng O1 có dạng hàm
truyền là khâu trên thì không cần phải thực hiện mô hình hóa, lúc này
O1'  O1 .
- Theo yêu cầu chất lượng đã cho, xác định chỉ số dao động cắt của vòng
ngoài cùng mc1 cần thiết.
- Tính hằng số quán tính θ1 theo công thức (3.63) với k =1.
Lưu ý hằng số thời gian trễ trong công thức (3.63) là hằng số thời gian
'
trễ của đối tượng O1 .

Bước 2: Tính toán cho vòng thứ 2 (k =2)
- Mô hình hóa các đối tượng trong hệ tầng O2 thành O2' có dạng hàm truyền
là các khâu quán tính bậc nhất có trễ, khâu quán tính – tích phân bậc nhất có
trễ hoặc khâu quán tính bậc hai có trễ. Nếu đối tượng O2 có dạng hàm
truyền là khâu trên thì không cần phải thực hiện mô hình hóa, lúc này

O2'  O2 .
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc2) sao cho mc2 ≥ mc1.
- Tính hằng số quán tính θ2 theo công thức (3.63) với k =2.
Lưu ý hằng số thời gian trễ trong công thức (3.63) là hằng số thời gian
trễ của đối tượng O2' .
Bước 3: Nếu hệ thống có n tầng (n>2) thì lặp lại việc tính toán cho từng
vòng theo bước 2 với việc chọn chỉ số dao động vòng trong lớn hơn vòng
ngoài kế tiếp.
Bước 4: Thay các hệ số θk tính toán được ở các bước trên vào công thức
(3.30) để đưa ra công thức các bộ điều khiển bền vững dưới dạng PID.
'

O1

Hình 3.4 Sơ đồ hệ một vòng tương đương ứng với bộ điều khiển R1
Cách 1: Xác định các bộ điều khiển theo đối tượng từng vòng, tức là sử
dụng công thức các bộ điều khiển trong (3.32). Trình tự tính toán các bộ
điều khiển bền vững giống như mục 3.6.1 hoặc tính toán các bộ PID bền
vững giống như mục 3.6.2.
Cách 2: Xác định bộ điều khiển vòng trong theo đối tượng vòng trong (sử
dụng công thức (3.35)), bộ điều khiển vòng ngoài theo đối tượng tương
đương V1 thể hiện trên hình 3.7.
Từ hình 3.7, hàm truyền của đối tượng tương đương V1 là:
ROO
V1  2 2 1
1  R2O2

(3.67)

Với V1PT là hàm truyền của V1 sau khi bỏ trễ. Tổng hợp bộ điều khiển
R1 theo quan điểm bền vững [4, 74] sẽ được:
1 1
R1 ( s) 
V ( s)
1s 1PT

(3.68)

θ1 tính theo công thức (3.63) với τ trong công thức này là thời gian trễ
của đối tượng tương đương V1.
 Trình tự tính toán các bộ điều khiển bền vững trong trường hợp này
được thực hiện như sau:

- Nếu đối tượng O2 có dạng hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất có trễ,
quán tính bậc hai có trễ hoặc quán tính – tích phân bậc nhất có trễ Mô hình
hóa đối tượng O2 về dạng hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất có trễ,
quán tính bậc hai có trễ hoặc quán tính – tích phân bậc nhất có trễ ( O2' ). Nếu
đối tượng O2 có dạng hàm truyền là khâu trên thì không cần phải thực hiện
mô hình hóa, lúc này O2'  O2 .
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc2).
- Tính hằng số quán tính θ2 theo công thức (3.63) với k =2.
'
Lưu ý thời gian trễ trong công thức (3.63) là thời gian trễ của đối tượng O2 .

- Thay hệ số θ2 vào công thức (3.30) ta được bộ điều khiển PID bền vững
cho vòng trong.
Bước 2: Tính toán cho vòng ngoài (k =1)
- Tính hàm truyền của đối tượng tương đương V1 theo công thức (3.67).
- Mô hình hóa đối tượng V1 về dạng hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất
có trễ, quán tính bậc hai có trễ hoặc quán tính – tích phân bậc nhất có trễ
( V1' ). Nếu đối tượng V1 có dạng hàm truyền là khâu trên thì không cần phải
thực hiện mô hình hóa, lúc này V1'  V1 .
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc1): mc1 ≤ mc2
- Tính hằng số quán tính θ1 theo công thức (3.63) với k =1.
16


'

Lưu ý thời gian trễ trong công thức (3.63) là thời gian trễ của đối tượng V1 .
- Thay hệ số θ1 vào công thức (3.30) ta được bộ điều khiển PID bền vững
cho vòng ngoài.
Bước 3: Cho trước m0 và α trong công thức của đặc tính mềm (2.18) để xác

1 e
3

Đáp ứng bước theo kênh đặt và kênh nhiễu vòng trong của hệ thống với
bộ điều khiển bền vững nguyên bản là đường cong 1, với bộ PID bền vững
là đường cong 2, với bộ PID theo [30] là đường cong 3 và với bộ PID theo
[35] là đường cong 4 trên hình 3.19 và hình 3.20.
Nhận xét:
- Các bộ điều khiển bền vững và PID bền vững được tổng hợp tham số dựa
vào yêu cầu về dự trữ ổn định của hệ thống, vậy chúng có tính linh hoạt.
- Với yêu cầu về dự trữ ổn định đã cho ở trên, hệ thống sử dụng các bộ điều
khiển bền vững và các bộ PID bền vững đều đảm bảo về dự trữ ổn định, còn
17


khi hệ thống sử dụng các bộ điều khiển theo [30, 35] thì không đảm bảo về
dự trữ ổn định.
- Thời gian điều chỉnh nhỏ hơn nhiều khi sử dụng bộ điều khiển bền vững
so với việc sử dụng các bộ điều khiển dạng PID, nhiễu vòng trong cũng bị
dập nhanh hơn rõ rệt.

Hình 3.19. Đáp ứng bước giá trị đặt của hệ thống

Hình 3.19. Đáp ứng bước với nhiễu vòng trong của hệ thống
3.8 Kết luận
- Đưa ra công thức tổng quát về cấu trúc của các bộ điều khiển trong hệ
thống điều khiển tầng dựa trên quan điểm bền vững chất lượng cao.
- Thực thi hóa các bộ điều khiển bền vững cho hệ tầng với các đối tượng
nhiệt.
- Lựa chọn tham số các bộ điều khiển dựa vào chỉ số dao động mềm tại tần

chỉnh với sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống như trên hình 4.3.
19


Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển của hệ thống điều khiển mức nước

Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển mức nước
Trong đó: z là tín hiệu giá trị đặt; u là tín hiệu điều khiển van; y2 là tín hiệu
lưu lượng nước cấp Wnc; y1 là tín hiệu mức H, d2 là nhiễu áp suất trước van,
d1 là nhiễu van xả V5.
4.2 Tiến hành thí nghiệm và nhận dạng đối tƣợng
Hình ảnh đồ thị số liệu trong quá trình thu thập được thể hiện trên trên
hình 4.7 với chu kỳ lấy mẫu là 0,5s.
Chuỗi số liệu sử dụng để mô hình hóa đối tượng được lấy trong khoảng
thời gian Δt1 = 160s từ to = 200s đến t1 = 360s của quá trình thu thập dữ liệu
(hình 4.7). Xử lý số liệu này trước khi thực hiện mô hình hóa đối tượng như
sau:
- Với số liệu thể hiện lưu lượng nước Wnc: Giữ nguyên chu kỳ lấy mẫu là
0,5s; chuyển mốc thời gian bắt đầu lấy số liệu về 0s; xử lý làm trơn số liệu;
mô phỏng trong khoảng thời gian 5s đầu được đáp ứng thực nghiệm như
trên hình 4.8.
20


Hình 4.7. Đường cong thu thập dữ liệu u, Wnc, H theo thời gian

Hình 4. 8 Đáp ứng bước của vòng trong
- Với số liệu thể hiện mức nước H: Lấy mẫu theo chu kỳ 5s, chuyển mốc
thời gian bắt đầu lấy số liệu về 0s, chuyển giá trị mức nước về 0 mm và mô
phỏng trong khoảng thời gian 160s đầu được đáp ứng thực nghiệm trên

Chỉnh đinh hệ thống với các bộ điều khiển bền vững nhận được là:
22


R2 (s)  0,845

1  0, 23s 1  0, 23s  ;
s 1  0, 023s 

R1 (s)  0, 003

1  3, 475s  (1  26030s)
s(1  0, 23s) 1  0, 23s 

Khi đó, đáp ứng bước của hệ thống theo giá trị đặt là đường cong a trên
hình 4.13 với chất lượng hệ thống đạt được như sau:
Hệ số tắt dần của hệ thống   0,9 , độ quá điều chỉnh δ% = 15,4%,
thời gian điều chỉnh là: Tqt = 15,72s, chỉ tiêu tích phân sai số tuyệt đối là:


I c   |  (t ) | dt  6,55
0

Hình 4.13 Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh đặt
Chỉnh định hệ thống với bộ PID bền vững ta được các bộ điều khiển là:


1

1


tuyệt đối là: I  |  (t ) | dt  7,54 .
c

0

4.4 Kết luận
- Các chỉ tiêu về chất lượng quá trình quá độ giữa mô phỏng và thực tế khác
nhau thể hiện sự sai lệch giữa mô hình đối tượng mô phỏng và mô hình thực
nghiệm. Tuy nhiên sai lệch giữa mô phỏng và thực tế không quá lớn.
- Hệ thống đảm bảo bền vững và chất lượng đảm bảo hệ số tắt dần của hệ
thống cả trường hợp mô phỏng trên máy tính và kết quả chạy thực không
nhỏ hơn 0,9.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Những đóng góp chính của luận án:
1. Rút ra công thức đặc tính mềm của hệ tầng hở cho các hệ thống điều
khiển nhiều tầng có trễ vận tải trong công. Chứng minh đặc tính mềm
này hội tụ về gốc tọa độ. Điều đó cho phép áp dụng hiệu quả tiêu chuẩn
dự trữ ổn định mềm và tiêu chuẩn Parabol để đánh giá dự trữ ổn định
cho các hệ thống điều khiển đa tầng.
2. Đề xuất phương pháp xác định nghiệm đặc tính của hệ tầng dựa theo đặc
tính mềm của hệ tầng hở. Từ đó có thể đánh giá dự trữ ổn định của hệ
điều khiển nhiều tầng bằng cách đánh giá vị trí cặp nghiệm trội so với
đường biên mềm trên mặt phẳng nghiệm của đa thức đặc tính.
3. Rút ra công thức xác định cấu trúc các bộ điều khiển trong hệ thống điều
khiển nhiều tầng cho các quá trình nhiệt dựa theo quan điểm bền vững
chất lượng cao. Thực hiện thực thi hóa các bộ điều khiển.
4. Chỉnh định tham số các bộ điều khiển bằng việc thiết lập mối quan hệ
giữa các hệ số của bộ điều khiển với chỉ số dao động mềm tại tần số cắt
và thời gian trễ của đối tượng, đồng thời chỉnh định lại hệ số khuếch đại