Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut .................
- 1 -Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học nông nghiệp hà nội
-------------***-------------
Nguyễn thị phơng thuý

Nghiên cứu các phơng pháp hiệu chỉnh
Thông số bộ điều khiển công nghiệp Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành: Điện khí hoá sản xuất Nông nghiệp và Nông thôn
Mã số : 60.52.54
Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn văn hoà


Nguyễn Thị Phương Thuý
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
iiLỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này, tôi ñã nhận ñược
sự giúp ñỡ nhiệt tình của các tập thể và cá nhân các Thầy Cô giáo: Trường
ðHNN Hà Nội, Trường ðHBK Hà Nội và của các bạn bè, ñồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Hoà - ðHBK Hà Nội. Cảm
ơn các Thầy Cô giáo trong bộ môn ðiện, Khoa cơ ñiện, Viện sau ðại học
Trường ðHNN Hà Nội. Cảm ơn Bộ môn ðiều khiển tự ñộng - Trường ðHBK
Hà Nội và Khoa ðiện – Trường Cao ñẳng nghề Kinh tế - Kỹ Thuật Bắc Ninh.
Cảm ơn các bạn bè và ñồng nghiệp ñã tận tình giúp ñỡ tôi nghiên cứu hoàn thành
luận văn này.
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, vì thời gian và trình
ñộ có hạn, nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận ñược ý kiến
ñóng góp chân thành của các Thầy Cô và bạn bè ñồng nghiệp.

1.2. Thiết bị ñiều chỉnh. 16
1.2.1. Các quy luật ñiều chỉnh. 17
1.2.1.1. ðiều khiển vị trí. 17
1.2.1.2. Quy luật ñiều khiển liên tục. 19
1.2.1.2.1. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ (P). 19
1.2.1.2.2. Quy luật ñiều chỉnh tích phân (I) . 20
1.2.1.2.3. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD). 20
1.2.1.2.4. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI). 22
1.2.1.2.5. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID). 23
1.2.2. Thiết bị ñiều khiển công nghiệp. 25
1.2.2.1. Những vấn ñề cơ bản về PID. 25

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
iv1.2.2.1.1. Mô hình bộ ñiều khiển. 25
1.2.2.1.2. Tác ñộng tỷ lệ. 26
1.2.2.1.3. Tác ñộng tích phân. 27
1.2.2.1.4. Tác ñộng vi phân. 27
1.2.2.2. Bộ ñiều khiển PID thực. 28
1.2.2.2.1. Hiện tượng Windup và các biện pháp khắc phục. 28
1.2.2.2.2. Khâu vi phân thực. 29
1.2.2.2.3. Trọng số cho giá trị ñặt. 29
1.2.2.3. Bộ ñiều khiển PID theo chuẩn ISA. 30
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU CHỈNH THAM SỐ
BỘ ðIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP.
32
2.1. Các phương pháp chỉnh ñịnh dựa theo mô hình ñối tượng. 33
2.1.1. Phương pháp Haalman. 33

3.1.8. Bộ ñiều khiển công suất. 70
3.2. Khảo sát ñặc tính của ñối tượng. 71
3.2.1. Xác ñịnh ñặc tính tĩnh. 71
3.2.2. Xác ñịnh ñặc tính ñộng. 72
3.2.2.1. ðặt nhiễu bậc thang 1(t) hoặc dạng xung. 72
3.2.2.1.1. Phương pháp tiến hành thực nghiệm. 72
3.2.2.1.2. Xác ñịnh tham số mô hình quán tính bậc nhất không có trễ. 73
3.2.2.1.3. Xác ñịnh tham số cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ. 74
3.2.2.1.4. Xác ñịnh tham số mô hình PT
2
74
3.2.2.2. Xác ñịnh ñặc tính ñộng của ñối tượng khi có s
ự tham gia của
bộ ñiều khiển.
75
3.2.3. Nhận dạng lò gió nóng. 76
3.3. Khảo sát mô phỏng hệ thống ñiều khiển. 78
3.3. Khảo sát mô phỏng hệ thống ñiều khiển. 79
3.3.1. Phương pháp Haalman. 79
3.3.2. Phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm không. 80
3.3.3. Phương pháp mô hình nội IMC. 81
3.3.4. Phương pháp Ziegler-Nichols. 83
3.3.4.1. Phương pháp Ziegler-Nichols I. 83

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
vi3.3.4.2. Phương pháp Ziegler-Nichols II. 84
3.4. Khảo sát hệ thống ñiều khiển thực. 88

Bảng 2.3 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp khử
ñiểm cực và ñiểm 0 áp dụng cho các ñối tượng giả
ñịnh.
43
Bảng 2.4 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp mô hình
IMC cho các ñối tượng thường gặp.
45
Bảng 2.5 Tính toán tương ñương thông số bộ ñiều khiển nối tiếp
và song song theo phương pháp mô hình IMC.
46
Bảng 2.6 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler-
Nichols I.
49
Bảng 2.7 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler-
Nichols II.
50
Bảng 2.8 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler-
Nichols II cho ñối tượng giả ñịnh.
51
Bảng 2.9 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-
Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ
kín không có ñộ quá ñiều chỉnh
0% =
σ

53
Bảng 2.10 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-
Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ
kín có ñộ quá ñiều chỉnh không quá 20%
53

Bảng 3.1 Tính thông số bộ ñiều khiển. 79
Bảng 3.2 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp khử
ñiểm cực và ñiểm 0.
80
Bảng 3.3 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp mô hình
nội IMC cho ñối tượng lò gió nóng.
82
Bảng 3.4 Tính thông số của bộ ñiều khiển theo công thức
Ziegler-Nichols I.
83
Bảng 3.5 Thông số của bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler-
Nichols I cho ñối tượng lò gió nóng.
83
Bảng 3.6 Tính thông số của bộ ñiều khiển theo công thức
Ziegler-Nichols II.
87
Bảng 3.7 Thông số của bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler-
Nichols II cho ñối tượng lò gió nóng.
87
Bảng 3.8 Tổng hợp các chỉ tiêu ñánh giá chất lượng hệ thống
ñiều khiển thực theo các phương pháp kinh ñiển.
92 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
ixDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình Tên hình Trang

Hình 2.2 Kết quả mô phỏng theo phương pháp tối ưu ñộ lớn cho
các ñối tượng giả ñịnh.
39

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
xHình 2.3 Kết quả mô phỏng theo phương pháp khử ñiểm cực và
ñiểm 0 cho các ñối tượng giả ñịnh.
43
Hình 2.4 Mô hình hệ thống theo phương pháp IMC. 44
Hình 2.5 Mô hình hệ thống feedback truyền thống. 44
Hình 2.6 Sơ ñồ mô phỏng theo phương pháp mô hình IMC. 47
Hình 2.7 Kết quả mô phỏng với mô hình giả ñịnh. 48
Hình 2.8 ðáp ứng bậc thang ñơn vị theo phương pháp Ziegler-
Nichols I.
49
Hình 2.9 Kết quả mô phỏng theo phương pháp Ziegler-Nichols I
cho ñối tượng giả ñịnh.
50
Hình 2.10 ðặc tính dao ñộng tới hạn theo phương pháp Ziegler-
Nichols II của ñối tượng giả ñịnh.
51
Hình 2.11 Kết quả mô phỏng theo phương pháp Ziegler-Nichols II
cho ñối tượng giả ñịnh.
52
Hình 2.12 ðường ñặc tính quá ñộ của ñối tượng theo phương
pháp(C-H-R).
52

m
= 0,2 T
i
= 290.
62
Hình 2.26
Kết quả mô phỏng với quy luật tỉ lệ a và tỉ lệ tích phân b. 62
Hình 2.27
Kết quả mô phỏng với quy luật tỉ lệ. 62
Hình 2.28 Kết quả mô phỏng với quy
Luật tỉ lệ tích phân K
m
= 0,8 T
i
=520s
63
Hình 2.29 Kết quả mô phỏng sử dụng quy luật tỉ lệ a và tỉ lệ tích
phân b.
63
Hình 3.1 Sơ ñồ hệ thống lò gió nóng. 66
Hình 3.2 ðường ñặc tính ñối tượng quán tính bậc nhất không có trễ. 73
Hình 3.3 ðặc tính ñối tượng quán tính bậc nhất có trễ. 74
Hình 3.4 ðặc tính ñối tượng PT
2
74
Hình 3.5 ðường ñặc tính ñối tượng ghi trên máy Recorder. 76
Hình 3.6 Mô hình ñối tượng. 77
Hình 3.7 Sơ ñồ mô phỏng theo phương pháp Haalman cho ñối
tượng lò gió nóng.
79

Hình 3.16 Sơ ñồ thí nghiệm hệ thống ñiều khiển thực lò gió nóng. 88
Hình 3.17 Kết quả thí nghiệm thực theo phương pháp Haalman cho
ñối tượng lò gió nóng.
89
Hình 3.18 Kết quả thí nghiệm thực theo phương pháp khử ñiểm cực
và ñiểm 0 cho ñối tượng lò gió nóng.
89
Hình 3.19 Kết quả thí nghiệm thực theo phương pháp mô hình nội
IMC cho ñối tượng lò gió nóng.
90
Hình 3.20 Kết quả thí nghiệm thực theo phương pháp Ziegler-
Nichols I cho ñối tượng lò gió nóng.
91
Hình 3.21 Kết quả thí nghiệm thực theo phương pháp Ziegler-
Nichols II cho ñối tượng lò gió nóng.
91
Hình 3.22 Quá trình quá ñộ ñiều khiển nhiệt ñộ gió nóng sử dụng
quy luật tỉ lệ với K
m
= 4,5 nhiệt ñộ ñặt 50
0
C.
93
Hình 3.23 ðồ thị quá trình ñiều khiển khi sử dụng quy luật tỉ lệ tích
phân với K
m
= 4,5 và T
i
= 155.
94

thiết kế vì nó góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao ñộng, cải tiến
chất lượng sản phẩm. 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 các ñặc tính phức tạp. Do ñó cần phải tiến hành nghiên
cứu, tìm ra các phương pháp ñiều khiển khác nhau ñể ứng dụng ñiều khiển các
ñối tượng công nghiệp như vấn ñề ñiều khiển thông số nhiệt ñộ của lò ñiện trở,
lò nung, lò sấy...ðã có nhiều công trình nghiên cứu trước ñây, nhiều kết quả ứng
dụng tốt.
ðể ñiều chỉnh các ñối tượng trong công nghiệp thì bộ ñiều khiển PID
ñược ứng dụng hầu hết trong ñối tượng công nghiệp. Tuy nhiên, ñể vận hành tốt
hệ thống thì phải biết sử dụng các thuật toán PID. Do ñó cần phải nghiên cứu ñặc
tính của ñối tượng, ñặc tính của bộ ñiều khiển, trên cơ sở ñó phải xác ñịnh ñược
các thông số ñối tượng, từ ñó mới lựa chọn ñược tham số cho bộ ñiều khiển.
2. Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết ñể xây dựng thuật toán.
- Dùng mô phỏng ñể kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết.
- Dùng thực nghiệm ñể khẳng ñịnh kết quả nghiên cứu.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài.
Về khoa học: Luận văn ñã góp phần hoàn thiện và chuẩn hoá việc tổng hợp
phương pháp hiệu chỉnh các thông số của bộ ñiều khiển.
Về thực tiễn: Với kết quả thu ñược của ñề tài ñã góp phần:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
2- Giải quyết một phần những khó khăn trong việc tổng hợp phương pháp hiệu
chỉnh các thông số của bộ ñiều khiển.
- Tổng hợp bộ ñiều khiển công nghiệp theo phương pháp kinh ñiển.
4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu .

CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG
TRONG CÔNG NGHIỆP.
Sơ ñồ khối cấu trúc của một hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng trong công
nghiệp ñược mô tả trên hình 1.1. Trong ñó TBCN là thiết bị công nghiệp. Thiết
bị công nghiệp thực hiện những quá trình công nghệ cần thiết. Những quy trình
công nghệ ñược ñặc trưng bằng các thông số công nghệ (TSCN) nhất ñịnh. ðể
bảo ñảm cho các TSCN ñạt ñược các giá trị cần thiết phải có các tác ñộng công
nghệ (TðCN). ðây là các tác ñộng cần thiết ñể bảo ñảm cho các thông số công
nghệ ñạt ñược giá trị mong muốn (giá trị chủ ñạo x). ðể ñạt ñược mục ñích này,
trong hệ thống phải có hệ thống ño thông số công nghệ bao gồm: Cảm biến ño
(CBð) và chuyển ñổi ño (Cðð) ñể xác ñịnh giá trị ñại lượng cần ñiều chỉnh y.
Giá trị ño ñược của ñại lượng cần ñiều chỉnh y ñược so sánh với tín hiệu chủ ñạo
x ñể xác ñịnh giá trị sai lệch e (e = x-y)
Phương thức ñiều khiển trong công nghiệp thường dùng là phương thức
ñiều khiển theo sai lệch. Dựa trên giá trị sai lệch nhận ñược, khối chức năng
(KCN) sẽ tạo ra tác ñộng ñiều chỉnh u
d
. Qua hệ thống, thiết bị chấp hành bao
gồm cơ cấu chấp hành (CCCH) và cơ quan ñiều khiển (CQðK) tác ñộng ñiều
chỉnh u
d
sẽ làm thay ñổi tác ñộng công nghệ u bảo ñảm sao cho thông số công
nghệ ñạt ñược mục ñích mong muốn. Về phương diện chức năng, các phần tử
trên có thể hợp thành 2 khối chính trong hệ thống ñược mô tả trên hình 1.2.
Hình 1.1. Sơ ñồ khối các phần tử trong hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng.
CQðK
CCCH
TBCN
TðCN
vào

V
và chảy ra Q
R
từ ñối tượng, tạo nên môi trường hoạt ñộng của quy trình công
nghệ. Khi Q
V
= Q
R
các quá trình trong ñối tượng tồn tại ở trạng thái dừng, ñối
tượng ở trạng thái cân bằng. Khi Q
V
≠ Q
R
sẽ tồn tại sự vận ñộng trong môi
trường hoạt ñộng của ñối tượng. Giá trị ∆Q = Q
V
- Q
R
ñược gọi là tác ñộng nhiễu
lên ñối tượng. Nó là ñại lượng ñặc trưng cho tác ñộng vào của ñối tượng. Năng
lượng hoặc vật chất sẽ ñược tích luỹ hay chuyển hoá trong lòng ñối tượng. Các
quá trình này ñược phản ánh thông qua một số thông số kỹ thuật của ñối tượng
và ñược gọi là tín hiệu ra của ñối tượng.
Thông số kỹ thuật ñặc trưng nhất cho các quá trình xảy ra trong ñối tượng
ñược gọi là thông số công nghệ và nó chính là ñại lượng cần ñiều chỉnh y. Tác
ñộng ảnh hưởng trực tiếp lên thông số công nghệ ñược gọi là tác ñộng công
nghệ. Tác ñộng công nghệ thường ñược sử dụng là dòng vào của ñối tượng
(trong một số trường hợp tác ñộng công nghệ có thể là dòng ra). Tác ñộng ñiều
chỉnh u từ thiết bị ñiều chỉnh thường ảnh hưởng trực tiếp lên dòng vào của ñối
Hình 1.2. Sơ ñồ tổng quát của hệ ñiều chỉnh tự ñộng.

V
≠ Q
R
, tích luỹ trong lòng ñối tượng sẽ thay ñổi làm thay ñổi ñại
lượng cần ñiều khiển.
ðối tượng có dung lượng càng nhỏ thì tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần
ñiều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân bằng giữa dòng ra và dòng vào dẫn ñến
quá trình ñiều chỉnh càng phức tạp. Ngược lại, dung lượng của ñối tượng càng
lớn thì tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần ñiều chỉnh càng chậm, quá trình ñiều
chỉnh càng ñơn giản.
1.1.2. Tính tự cân bằng.
Là khả năng của ñối tượng sau khi có nhiễu tác ñộng phá vỡ trạng thái cân
bằng của ñối tượng thì nó sẽ tự ñiều chỉnh ñể trở lại trạng thái cân bằng mà
Hình 1.3. Sơ ñồ cấu trúc vào ra của ñối tượng ñiều chỉnh.
CQðC
CCCH
ðTðC
Nguồn
Dòng vào
Dòng ra
u
Q
R
Q
V
yTrường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
6

).()(
0
τ
= (1.1)
Trong ñó, K
d
là hệ số truyền của ñối tượng;
0
τ
là thời gian trễ vận chuyển;

1......
1......
)(
1
1
10
1
1
10
0
++++
++++
=
=
−
=
−
sasasa
sbsbsb

K

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
7
s
d
e
sT
K
sW
0
1.
)(
τ
−
+
=
(1.3)
Nếu khâu tĩnh là hàm bậc nhất có trễ thì ñối tượng ñược mô tả bằng hàm truyền
ñạt dạng:
s
d
d
e
sT
K
sW


Trường hợp khâu tĩnh là bậc hai có trễ thì
hàm truyền ñạt ñối tượng có dạng:
s
d
d
e
sTsT
K
sW
)(
2
2
1
0
1..
)(
ττ
+−
++
=
Các thông số của khâu tĩnh có thể xác ñịnh
bằng phương pháp ñồ thị hoặc ñồ thị giải
tích.
Hàm quá ñộ của ñối tượng không tự cân bằng ñược mô tả trên hình 1.5.
Từ ñường quá ñộ này có thể nhận thấy cấu trúc của ñối tượng có thành phần trễ
với thời gian trễ bằng ι
0
, có thành phần quán tính và có thành phần tích phân. Do
có thành phần quán tính nên tốc

)(
1
1
10
1
1
10
0
++++
++++
=
−
−
−
−
sasasa
sbsbsb
sW
n
nn
m
mm
(1.6)
Hình 1.5: Hàm quá ñộ của ñối tượng
không tự cân bằng.

t
h(t)
0


* Tích phân có trễ:
sT
e
sW
s
d
.
)(
τ
−
=
(1.9)
* Quán tính tích phân có trễ:
)1.(.
)(
1
0
+
=
−
sTsT
e
sW
s
d
τ
(1.10)
Các thông số của ñối tượng hoàn toàn có thể xác ñịnh ñược gần ñúng từ hàm quá
ñộ bằng phương pháp thuần tuý ñồ thị giải tích.
1.1.4. Xác ñịnh hàm truyền ñạt của ñối tượng từ hàm quá ñộ h(t).

Sơ ñồ khối cấu trúc của ñối tượng ñược mô tả trong hình 1.7. Từ sơ ñồ
khối cấu trúc của ñối tượng ta nhận thấy: h
1
(t) = h(t+ τ
0
).
Như vậy, chuyển trục tung ñến vị trí τ
0
sẽ nhận ñược hàm h
1
(t). Còn
)(
t
σ
=h
1
(t)/k ñược gọi là hàm so chuẩn. Nhiệm vụ cuối cùng ở ñây là phải xác
ñịnh ñược hàm truyền ñạt
W
1
(s) từ hàm so chuẩn

W
1
(s)
K
e
-τs
1(t)
h
1
(t)
h(t)
σ
(t)
t
t
3

t
7

0t
3
=
3
7
t


7
. Tính t
3
= t
7
/3.
Từ ñiểm thời gian t
3
chiếu lên ñồ thị
)(
t
σ
xác ñịnh ñược ñiểm
)(
3
t
σ
.Từ ñiểm ñồ
thị này chiếu lên trục tung sẽ xác ñịnh ñược giá trị của
)(
3
t
σ
. Dạng hàm truyền
ñạt W
1
(s) ñược chọn theo kinh nghiệm sau:
Nếu
)(
3

(1.13)

Còn nếu
)(
3
t
σ
< 0,19 thì chọn:
)1.)(1.(
)(
21
1
1
++
=
−
sTsT
e
sW
s
τ
(1.14)
Trong ñó τ
1
ñược gọi là trễ dung lượng. Bước tiếp theo cần phải thực hiện
là xác ñịnh các thông số của hàm W
1
(s) dựa trên ñồ thị hàm
)(
t

ñồ thị là ñơn giản còn
nhược ñiểm cơ bản của nó
là sai số tương ñối lớn. ðể
tăng ñộ chính xác có thể sử
dụng phương pháp ñồ thị
giải tích. Phương pháp ñồ
σ(t)
0
t
T
τ
1
1
Hình 1.9: Xác ñịnh thông số mô hình.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
11thị giải tích ñược trình bày như sau:
Từ hàm truyền ñạt:
1
)(
1
1
+
=
−
Ts
e

B
σ
= 0,7 ÷ 0,8 xác ñịnh ñược t
B
Như vậy, ta có:
A
σ
= 1-
T
t
A
e
1
τ
−
−
T
t
A
A
e
1
1
τ
σ
−
−
=−⇒

B

τ
−
−
và ln(1-
B
σ
) =
T
t
B 1
τ
−
−

Suy ra:
1
1
)1ln(
)1ln(
τ
τ
σ
σ
−
−
=
−
−
B
A

+
=
−
sT
ek
sW
s
d
τ
(1.17) với τ = τ
0
+ τ
1

Nếu dạng hàm truyền
ñạt của W
1
(s) là khâu
bậc hai quán tính:
)1.)(1.(
1
)(
21
1
++
=
sTsT
sW

thì các thông số của