›
›

Bài giảng Điều khiển quá trình - Chương 3: Các sách lược điều khiển

Download
Điều khiển quá trình  
Chương 3: Các sách lược ₫iều khiển  
13/09/2005  
Nội dung chương 3  
3.1 Khái niệm  
3.2 Điều khiển truyền thẳng  
3.3 Điều khiển phản hồi  
3.4 Điều khiển cascade  
3.5 Điều khiển tỉ lệ  
3.6 Điều khiển lựa chọn  
3.7 Điều khiển phân vùng  
3.8 Các cấu trúc ₫iều khiển hệ MIMO  
3.9 Thiết kế cấu trúc ₫iều khiển hệ MIMO  
© HMS  
2
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
3.1 Khái niệm  
Lưu ý:  
u, r, y, d  
là các biến  
của mô hình  
chuẩn hóa G(s)  
Nhiễu d  
Các biến  
₫iều khiển u  
Các biến cần  
₫iều khiển y  
Quá trình  
ƒ Bài toán ₫iều khiển quá trình: duy trì y ≈ r trong khi  
— thay ₫ổi giá trị ₫ặt r  
— có tác ₫ộng của nhiễu d  
— tồn tại nhiễu ₫o n  
— mô hình quá trình không chính xác  
© HMS  
3
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Các mục tiêu cụ thể của ₫iều khiển  
ƒ Ổn ₫ịnh hệ thống  
ƒ Tốc ₫ộ ₫áp ứng nhanh và chất lượng ₫áp ứng tốt:  
— Đáp ứng với thay ₫ổi giá trị ₫ặt  
— Đáp ứng với nhiễu quá trình  
— Ít nhạy cảm với nhiễu ₫o  
ƒ Giá trị biến ₫iều khiển thay ₫ổi chậm hoặc thay ₫ổi ít  
ƒ Bền vững:  
— Ổn ₫ịnh bền vững  
— Chất lượng bền vững  
© HMS  
4
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Các vấn ₫ề phức tạp  
ƒ Nhiều quá trình phức tạp, khó ₫iều khiển (tương  
tác nhiều chiều, hệ pha không cực tiểu, giới hạn  
về giá trị và tốc ₫ộ thay ₫ổi của biến ₫iều khiển,  
giới hạn về phạm vi thay ₫ổi cho phép của biến  
₫ược ₫iều khiển,...)  
ƒ Mô hình khó xây dựng chính xác  
ƒ Nhiễu khó ₫o, khó biết trước  
ƒ Khả năng thực thi, cài ₫ặt luật ₫iều khiển có giới  
hạn  
ƒ Trình ₫ộ hiểu biết của kỹ sư vận hành về lý  
thuyết ₫iều khiển hạn chế  
ƒ ...  
© HMS  
5
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Sách lược ₫iều khiển  
Giá trị  
₫ặt r  
Nhiễu d  
Các biến  
₫o ₫ược ym  
Các biến  
₫iều khiển u  
Quá trình  
ƒ Sách lược/cấu trúc ₫iều khiển (control strategy/structure):  
nguyên tắc về mặt cấu trúc trong sử dụng thông tin về các  
biến quá trình để đưa ra tác động điều khiển.  
ƒ Sách lược ₫iều khiển  
— Điều khiển ₫ơn biến hay ₫a biến?  
— Phối hợp sử dụng các biến vào nào và như thế nào ₫ể ₫iều  
khiển những biến ra nào?  
© HMS  
6
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Các sách lược ₫iều khiển cơ bản  
ƒ Hệ SISO:  
— Điều khiển truyền thẳng (feedforward control)  
— Điều khiển phản hồi (feedback control)  
— Điều khiển tầng (cascade control)  
— Điều khiển tỉ lệ (ratio control)  
— Điều khiển lựa chọn (selective control)  
— Điều khiển phân vùng (split-range control)  
ƒ Hệ MIMO:  
— Điều khiển tập trung (centralized control)  
z Điều khiển tách kênh  
z Điều khiển nhiều chiều  
— Điều khiển phi tập trung (decentralized control)  
— Điều khiển phân cấp (hierarchical control)  
© HMS  
7
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
3.2 Điều khiển truyền thẳng  
ƒ Ví dụ ₫iều khiển quá trình trao ₫ổi nhiệt:  
— Điều chỉnh lưu lượng hơi nóng vào Fs ₫ể duy trì nhiệt ₫ộ dầu  
ra T2 tại giá trị ₫ặt mong muốn  
© HMS  
8
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Cấu trúc cơ bản  
ƒ Nguyên lý:  
— Giả thiết: Mô hình chính xác, nhiễu ₫o ₫ược  
— Đo nhiễu quá trình d, tính toán u sao cho y ≈ r :  
u = Kr (s)(r − Gd (s)d)  
Kr (s) ≈ G(s)−1  
(3.1)  
— Không thực hiện ₫o y  
© HMS  
9
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Phân tích chất lượng  
a) Điều khiển lý tưởng  
Kr = G−1  
u = Kr (r − Gd d) = G−1 (r − Gd d)  
⇒ y = Gu + Gd d = GG−1 (r − Gd d) + Gd d = r  
(3.2)  
b) Sai lệch mô hình ₫ối tượng (giả sử d = 0):  
Gthùc = G + ΔG  
ΔG  
G
⇒ y = (G + ΔG)G−1r = r +  
r
(3.3)  
(3.4)  
sai lệch ₫iều khiển  
c) Sai lệch mô hình nhiễu:  
Gd thùc = Gd + ΔGd  
⇒ y = r − Gd d + (Gd + ΔGd )d = r + ΔGd d  
© HMS  
10  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
d) Tồn tại nhiễu không ₫o ₫ược:  
y = Gu + Gd d + Gd 2 d2 = r + Gd 2 d2  
(3.5)  
sai lệch ₫iều khiển  
=> Hệ mất ổn ₫ịnh khi Gd2 không ổn ₫ịnh  
e) Mô hình có ₫iểm không nằm nửa bên phải mặt phẳng phức  
=> Bộ ₫iều khiển lý tưởng không ổn ₫ịnh, cần xấp xỉ!  
1 − s  
1 + s  
Ví dụ mô hình ₫ối tượng:  
G(s) =  
Bộ ₫iều khiển lý tưởng không ổn ₫ịnh => hệ mất ổn ₫ịnh nội!  
1 + s  
Kr1(s) = G(s)−1 =  
1 − s  
Bộ ₫iều khiển xấp xỉ (cho trạng thái xác lập):  
Kr2 = G(0)−1 = 1  
© HMS  
11  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
© HMS  
12  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Phân tích chất lượng (tiếp)  
f) Mô hình có thời gian trễ hoặc có bậc mẫu số lớn hơn bậc tử số  
=> Bộ ₫iều khiển lý tưởng không có tính nhân quả (non-causal)  
1 + s  
1 − s + s2  
e −s  
Ví dụ mô hình ₫ối tượng:  
G(s) =  
1 − s + s2  
1 + s  
e s  
Bộ ₫iều khiển lý tưởng không có tính nhân quả:  
Kr (s) =  
=> Chỉ thực hiện ₫ược khi bù tín hiệu chủ ₫ạo biết trước, không  
dùng cho bù nhiễu, hoặc phải xấp xỉ bộ ₫iều khiển  
g) Quá trình không ổn ₫ịnh: Bộ ₫iều khiển lý tưởng triệt tiêu ₫iểm cực  
không ổn ₫ịnh => Hệ thống không có tính ổn ₫ịnh nội, chỉ cần có  
nhiễu ₫ầu vào rất nhỏ có thể làm cho hệ mất ổn ₫ịnh  
(3.6)  
y = G(u + du ) + Gd d = r + Gdu  
© HMS  
13  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Ví dụ: Điều khiển mức  
ƒ Nguyên lý ₫iều khiển: Lưu lượng vào phải bằng lưu lượng ra  
ƒ Vấn ₫ề: Chỉ cần sai số nhỏ trong giá trị ₫o lưu lượng hoặc  
sai số nhỏ trong mô hình van ₫iều khiển cũng có thể làm  
tràn bình hoặc cạn bình  
© HMS  
14  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Tóm lược về ₫iều khiển truyền thẳng  
ƒ Ưu ₫iểm:  
— Đơn giản  
— Tác ₫ộng nhanh (bù nhiễu kịp thời trước khi ảnh hưởng tới ₫ầu  
ra)  
ƒ Hạn chế:  
— Phải ₫ặt thiết bị ₫o nhiễu  
— Không loại trừ ₫ược ảnh hưởng của nhiễu không ₫o ₫ược  
— Nhạy cảm với sai lệch mô hình (mô hình quá trình và mô hình  
nhiễu)  
— Bộ ₫iều khiển lý tưởng có thể không ổn ₫ịnh hoặc không thực  
hiện ₫ược => phương pháp xấp xỉ  
— Không có khả năng ổn ₫ịnh một quá trình không ổn ₫ịnh  
ƒ Ứng dụng chủ yếu:  
— Các bài toán ₫ơn giản, quá trình pha cực tiểu, yêu cầu chất  
lượng không cao  
— Kết hợp với ĐK phản hồi nhằm cải thiện tốc ₫ộ ₫áp ứng của hệ  
kín: Bù nhiễu ₫o ₫ược (chủ yếu là bù tĩnh), lọc trước (tiền xử lý)  
tín hiệu chủ ₫ạo  
© HMS  
— Điều khiển tỉ lệ (mục 3.5)  
15  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Các bước thiết kế khâu bù tĩnh  
1. Xác ₫ịnh biến cần ₫iều khiển, chọn biến ₫iều khiển và các biến  
nhiễu ₫o ₫ược.  
2. Xây dựng mô hình ₫ối tượng, viết các phương trình cân bằng vật  
chất hoặc/và phương trình cân bằng năng lượng ở trạng thái xác  
lập.  
3. Thay thế biến ₫ược ₫iều khiển bằng giá trị ₫ặt, giải phương trình  
cân bằng cho biến ₫iều khiển theo giá trị ₫ặt và các biến nhiễu.  
4. Phân tích và ₫ánh giá ảnh hưởng của sai lệch mô hình tới chất  
lượng ₫iều khiển.  
5. Loại bỏ các nguồn nhiễu có ảnh hưởng không ₫áng kể ₫ể tiết kiệm  
chi phí ₫ặt cảm biến.  
6. Chỉnh ₫ịnh lại các tham số của khâu truyền thẳng cho ₫iểm làm  
việc quan tâm ₫ể bù lại sai lệch mô hình và các nguồn nhiễu ₫ã  
loại bỏ.  
7. Bổ sung các bộ ₫iều khiển phản hồi ₫ể triệt tiêu sai lệch tĩnh, giảm  
tác ₫ộng của sai lệch mô hình và của nhiễu không ₫o ₫ược.  
© HMS  
16  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Ví dụ: Điều khiển quá trình trao ₫ổi nhiệt  
Bỏ qua tổn thất nhiệt, ta có  
phương trình cân bằng năng  
lượng:  
FoCp (T2 −T1) = λFs (3.7)  
trong ₫ó:  
Cp — nhiệt dung của dầu  
λ — hệ số nhiệt tỏa ra do quá  
trình hơi nước ngưng tụ.  
Thay thế T2 bằng giá trị ₫ặt (SP):  
Cp  
(3.8)  
Fs = Fo  
(S P −T1)  
λ
© HMS  
17  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Ví dụ: Điều khiển quá trình trộn  
Giả thiết:  
- c1 và c2 là hằng số  
- lưu lượng w ra tùy ý (tự chảy)  
Phương trình cân bằng:  
w1c1 + w2 c2 = (w1 + w2 )c  
(3.9)  
Thay thế c bằng giá trị ₫ặt (SP):  
w1(S P − c1)  
(3.10)  
w2 =  
c2 − S P  
© HMS  
18  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
3.3 Điều khiển phản hồi  
ƒ Ví dụ: Điều khiển quá trình trao ₫ổi nhiệt  
‰ Nguyên lý ₫iều khiển: Điều chỉnh lưu lượng hơi nóng (biến ₫iều  
khiển) dựa trên sai lệch giữa nhiệt ₫ộ dầu ra (biến ₫ược ₫iều  
© HMS  
khiển) và giá trị ₫ặt (SP)  
19  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Chiều tác ₫ộng của bộ ₫iều khiển phản hồi  
ƒ Tác ₫ộng thuận (direct acting, DA): Đầu ra của bộ ₫iều khiển  
tăng khi biến ₫ược ₫iều khiển tăng và ngược lại  
ƒ Tác ₫ộng nghịch (reverse acting, RA): Đầu ra của bộ ₫iều  
khiển giảm khi biến ₫ược ₫iều khiển tăng và ngược lại  
ƒ Sự lựa chọn chiều tác ₫ộng phụ thuộc:  
— Đặc ₫iểm của quá trình: quan hệ giữa biến ₫iều khiển và biến  
₫ược ₫iều khiển  
— Kiểu tác ₫ộng của van ₫iều khiển (chú ý chiều mũi tên trên ký  
hiệu van ₫iều khiển):  
z Đóng an toàn (fail close, air-to-open), chiều tác ₫ộng thuận  
z Mở an toàn (fail open, air-to-close), chiều tác ₫ộng nghịch  
) Coi ₫ối tượng ₫iều khiển = quá trình + van ₫iều khiển => chiều  
tác ₫ộng phụ thuộc vào dấu của hệ số khuếch ₫ại tĩnh của ₫ối  
tượng  
ƒ Trong ví dụ: tác ₫ộng nghịch  
— Quá trình: Hơi nóng nhiều -> nhiệt ₫ộ tăng  
— Van ₫iều khiển: Đóng an toàn  
© HMS  
20  
Chương 3: Các sách lược điều khiển  
© 2005 - HMS  
Tải về để xem bản đầy đủ
pdf 59 trang Thùy Anh 16741 Free
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Điều khiển quá trình - Chương 3: Các sách lược điều khiển", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_dieu_khien_qua_trinh_chuong_3_cac_sach_luoc_dieu_k.pdf