Tài liệu đánh giá thuật toán chỉ định mờ tham số pid với ba đầu vào

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------o0o------------------ GIÁP THỊ HẢI ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID VỚI BA ĐẦU VÀO LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------o0o------------------ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID VỚI BA ĐẦU VÀO GIÁP THỊ HẢI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN DOÃN PHƯỚC THÁI NGUYÊN - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Độc Lập - Tư Do - Hạnh Phúc *** --------------o0o-------------- THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID VỚI BA ĐẦU VÀO Học viên : GIÁP THỊ HẢI Lớp : CH-K12 Chuyên ngành : Tự động hoá Người hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Doãn Phước Ngày giao đề tài : 2/2011 Ngày hoàn thành đề tài : 9/2011 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS Nguyễn Doãn Phước BAN GIÁM HIỆU HỌC VIÊN Giáp Thị Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Doãn Phƣớc, Ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin trân thành cảm ơn Khoa Sau Đại học - Trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp luôn động viên ,giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn Tác giả luận văn Giáp Thị Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU............................................................................................................7 1.Tính cấp thiết của luận văn...............................................................................7 2.Mục tiêu của luận văn......................................................................................8 3.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn........................................8 4. Nội dung của luận văn……………………………………………………… 8 CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID......................................9 1.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID..................................................................9 1.2. Cấu trúc của bộ điều khiển PID liên tục.....................................................10 1.3. Phân tích các luật điều khiển.....................................................................11 1.3.1. Luật điều khiển tỷ lệ................................................................................11 1.3.2. Luật điều khiển tích phân........................................................................12 1.3.3. Luật điều khiển vi phân...........................................................................12 1..3.4. Luật điều khiển tỉ lệ - tích phân..............................................................13 1.3.5. Luật điều khiển tỉ lệ - Vi phân.................................................................14 1.3.6. Luật điều khiển tỉ lệ - Tích phân – vi phân..............................................14 1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp tham số cho bộ điều khiển PID......................15 1.5. Bộ điều khiển PID số..................................................................................16 1.5. 1. Đặc điểm lấy mẫu...................................................................................17 1.5.2 Hàm truyền đạt hệ xung số.......................................................................18 1.5.3 Cấu trúc bộ điều khiển PID số.................................................... .............20 1.6. Cấu trúc của một số bộ điều khiển PID trong công nghiệp........... ............23 1.6.1.Cấu trúc PID lý tƣởng............................................................. ................23 1.6.2.Cấu trúc PID kinh điển........................................................... .................24 1.6.3.Cấu trúc PID không tƣơng tác................................................ .................25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 1.7. Những hạn chế của bộ điều khiển PID và hƣớng phát triển.... ..................28 CHƢƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN MỜ...................................................................29 2.1.Tập mờ.........................................................................................................29 2.1.1. Định nghĩa tập mờ...................................................................................30 2.1.2. Các phép toán trên tập mờ.......................................................................33 2.2.Cấu trúc của bộ điều khiển mờ....................................................................43 2.2.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ. ..............................................................43 2.2.2. Mờ hóa.....................................................................................................46 2.2.3 Thiết bị hợp thành....................................................................................47 2.2.4. Giải mờ....................................................................................................57 CHƢƠNG 3: ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ PID........................................................62 3.1. Tổng quan...................................................................................................62 3.2. Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID của Zhao – Tomizuka và Isaka ............................................................................................63 CHƢƠNG 4: THUẬT TOÁN CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID VỚI 3 ĐẦU VÀO.........................................................71 4.1. Cải tiến Phƣơng pháp chỉnh định mờ của Zhao-Tomizuka-Isaka..............71 4.2. Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển PID-Fuzzy cải tiến..........................78 4.2.1. Xây dựng hàm truyền lò điện trở.............................................................78 4.2.2. Hàm truyền của bộ biến đổi xoay chiều-xoay chiều...............................79 4.2.3. Hàm truyền của cảm biến nhiệt độ..........................................................79 4.2.4. Xây dựng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển nhiệt độ lò điện trở......................................................................................................................79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 4.2.5. Xây dựng bộ điều khiển PID mờ để điều khiển nhiệt độ lò điện trở......................................................................................................................81 4.2.5.1. Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào ra...................................................81 4.2.5.2. Xây dựng luật hợp thành......................................................................82 4.2.5.3. Mô phỏng trên simulink.......................................................................84 KẾT LUẬN .....................................................................................................86 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID...........................................................10 Hình 1.2: Quá trình trích mẫu của hệ không liên tục và hệ rời rạc...................17 Hình 1.3: Hệ thống số vòng hở.........................................................................18 Hình 1.4:Hệ xung số vòng kín cơ bản...............................................................19 Hình 1.5: Hệ thống điều khiển PID số..............................................................20 Hình 1.6: Cấu trúc bộ điều khiển PID số..........................................................22 Hình 1.7 Cấu trúc bộ điều khiển PID không tƣơng tác 1..................................25 Hình 1.8 Cấu trúc bộ điều khiển PID không tƣơng tác trên cơ sở 2 bậc tự do về cấu trúc..............................................................................................................26 Hình 1.9 . Cấu trúc bộ điều khiển PID không tƣơng tác 3................................27 Hình 1.10. Cấu trúc bộ điều khiển PID không tƣơng tác 4...............................27 Hình 1.11.Cấu trúc bộ điều khiển PID không tƣơng tác 5..............................28 Hình 2.1: Hàm phụ thuộc  A ( X ) Của tập kinh điển A.......................................30 Hình 2.2 miền xác định và miềm tin cậy của tập mờ. .....................................32 Hình 2.3. Các dạng hàm thuộc thƣờng gặp.......................................................33 Hình 2.4. Hàm thuộc của hai tập mờ có cùng cơ sở. ........................................34 Hình 2.5. Hàm thuộc của hợp 2 tập hợp có cùng không gian nền....................35 Hình 2.6. Phép hợp hai tập hơp mờ không cùng cơ sở. ...................................36 Hình 2.7 Hàm thuộc của giao hai tập mờ cùng cơ sở......................................40 Hình 2.8. Phép giao hai tập mờ cùng cơ sở.......................................................40 Hình 2.9 Tập bù AC của tập mờ A. ...................................................................43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Hình 2.10: Cấu trúc một bộ điều khiển mờ. .....................................................44 Hình 2.11: Cấu trúc bên trong của một bộ điều khiển mờ................................44 Hình 2.12: Một bộ điều khiển mờ có thêm những khâu động...........................45 Hình 2.13. Ví dụ về hàm thuộc.........................................................................46 Hình 2.14. Mô tả độ thỏa mãn...........................................................................52 Hình 2.15. Giải mờ bằng phƣơng pháp cực đại. ..............................................58 Hình 2.16. Gía trị rõ y’ là hoành độ của điểm trọng tâm. ................................60 Hình 3.1. Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số PID .......................................65 Hình 3.2. Bên trong của bộ chỉnh định mờ ......................................................65 Hình 3.3. Định nghĩa tập mờ vào/ra..................................................................66 Hình 3.4. Đáp ứng step tiêu biểu của hệ thống điều khiển dùng PID:...................................................................................................................66 Hình 4.1: Cải tiến bộ chỉnh định mờ bằng cách thêm biến ngôn ngữ đầu vào:............................................................................................................73 Hình 4.2. Cải tiến việc mờ hoá các biến ngôn ngữ vào-ra................................74 Hình 4.3: Sử dụng bộ PID kinh điển điều khiển nhiệt độ lò.............................79 Hình 4.4: Đặc tính động của lò khi sử dụng bộ PID kinh điển.........................80 Hình:4.5 .Sơ đồ simulink mô phỏng thuật toán PID-Fuzzy cải tiến đề xuất ứng dụng điềukhiển nhiệt độ lò điện trở...................................................................84 Hình 4.6: Đặc tính động của lò điện trở khi sử dụng bộ PID-Fuzzy cải tiến.....................................................................................................................84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của luận văn Hiện nay,bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng rất rộng rãi để điều khiển các đối tƣợng SISO theo nguyên lý hồi tiếp ,vì tính đơn giản về cấu trúc và nguyên lý làm việc. Tuy nhiên ,sự ổn định và chất lƣợng của bộ điều khiển PID phụ thuộc vào việc lựa chọn ba tham số bộ điều khiển là: Hệ số khuếch đại Kp , thời gian tích phân TI , thời gian vi phân TD .Muốn hệ thống có chất lƣợng nhƣ mong muốn thì phải phân tích chính xác đối tƣợng, trên cơ sở đó lựa chọn tham số cho phù hợp. Nhƣng việc lựa chọn tham số cho bộ PID để đạt đƣợc hiệu quả tối ƣu không phải là bài toán đơn giản vì tính đa dang và phức tạp của đối tƣợng điều khiển. Trong thực tế,các tham số PID thƣờng đƣợc hiệu chỉnh bởi các chuyên gia có kinh nghiệm cả về công nghệ lẫn điều khiển. Do vậy dẫn đến nhu cầu về việc hiệu chỉnh tham số PID một cách tự động. Đã có nhiều công trình nghiên cứu để tạo ra bộ điều khiển này, nhƣng cách đơn giản và dễ áp dụng nhất là phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ PID của Zhao, Tomizuka và Isaka đƣợc đƣa ra trong tài liệu “Lý thuyết điều khiển mờ” của tác giả Nguyễn Doãn Phƣớc và Phan Xuân Minh . Nhƣng trong tài liệu này chỉ ứng dụng phƣơng pháp với một trƣờng hợp cụ thể. Vấn đề đặt ra là khi cải tiến phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka,Isaka với ba đầu vào thì khả năng chỉnh định có nhanh hơn không ,và lớp đối tƣợng có đƣợc mở rộng hơn không? Để trả lời hai câu hỏi trên em chọn đề tài :“Đánh giá thuật toán chỉnh định mờ tham số PID với 3 đầu vào”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 2 . Mục tiêu của luận văn + Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu cấu trúc một số bộ điều khiển PID đang đƣợc dùng trong công nghiệp,phân tích vai trò ,vị trí của các bộ điều khiển PID. + Nghiên cứu phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka Isaka đã đƣa ra. + Đề xuất cải tiến ,xây dựng chƣơng trình và đánh giá thuật toán chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka Isaka với 3 đầu vào. 3.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn +Ý nghĩa khoa học: Đánh giá thuật toán chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID trên cơ sở cải tiến phƣơng pháp của Zhao, Tomizuka¸ Isaka đã đề xuất. + Ý nghĩa thực tiễn: Nâng cao chất lƣợng và mở rộng đối tƣợng điều khiển cho bộ điều khiển + Nghiên cứu phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka Isaka đã đƣa ra. + Đề xuất cải tiến ,xây dựng chƣơng trình và đánh giá thuật toán chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka Isaka với 3 đầu vào. 4.Nội dung của luận văn Luận văn gồm có 4 chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu về bộ điều khiển PID. Chƣơng 2: Điều khiển mờ. Chƣơng 3: Áp dụng phƣơng pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID. Chƣơng 4: Thuật toán chỉnh định mờ tham số PID với 3 đầu vào. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 1.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID. Điều khiển PID đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi để điều khiển các đối tƣợng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ điều khiển này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn nhƣ điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức,… và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có tốc độ phi tuyến thấp. 98% các vòng điều khiển trong công nghiệp giấy là điều khiển PID SISO [Bialkowski,1996]. Trong các ứng dụng điều khiển quá trình, hơn 95% các bộ điều khiển là thuộc loại PID [Astrom và Hagglund, 1995]. Từ khi ra đời đến nay bộ điều khiển PID đã trải qua 3 giai đoạn phát triển từ bộ PID bằng khí nén (những năm 1930, 1940) đến bộ PID bằng các thiết bị điện tử tƣơng tự (những năm 1950) và hiện nay là các bộ PID trên nền vi xử lý. Việc sử dụng bộ điều khiển PID đầu tiên có thể kể đến là vào năm 1922 bởi Nicholas Minorsky trong hệ thống điều khiển lái tàu [Stuart Bennett,1996]. Bộ PI đầu tiên bằng khí nén đƣợc hãng Foxbro chế tạo năm 1934 - 1935 [Vance J. VanDoren,2003]. Năm 1940 hãng Taylor Instrument (hiện nay thuộc ABB) cho ra đời bộ điều khiển PID khí nén đầu tiên “Fulscope 100”. Năm 1951, hãng Swartwout (nay thuộc Prime Measurement) giới thiệu bộ PID điện tử đầu tiên dựa trên công nghệ ống phóng điện tử. Năm 1964 hãng Taylor Instruments phát triển bộ PID số đầu tiên nhƣng không đƣa vào sử dụng rộng rãi. Năm 1975, hãng Process Systems đƣa ra bộ điều khiển P-200 – bộ PID đầu tiên trên nền vi xử lý. Từ năm 1980 đến nay, cùng với sự phát triển của máy tính số, kỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 thuật vi xử lý, các bộ điều khiển PID đƣợc phát triển rất đa dạng, dựa theo nhiều cách chỉnh định tham số khác nhau. 1.2.Cấu trúc của bộ điều khiển PID liên tục Bộ điều khiển PID lý tƣởng trên miền thời gian cho đối tƣợng SISO thể hiện qua mô hình vào - ra 1  1 de(t )  u (t )  K P e(t )   e( )d  TD  TI 0 dt   (1.1) Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, Kp là hệ số khuếch đại, TI là hằng số thời gian tích phân và TD là hằng số thời gian vi phân. Đặt KI = Kp. 1 , KI đƣợc gọi là hệ số tích phân. Đặt KD = Kp . TD, KD đƣợc gọi lè hệ TI số vi phân. P e I Giá trị đặt - Kp.e(t) 1  e( )d KI. Đối tƣợng 0 D KD . de(t ) dt Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID Từ mô hình vào ra trên ta có hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID trên miền Laplace: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 1 GPID (s)  K P  K I .  K D .s s (1.2) Vấn đề là mỗi hệ thống khác nhau ta phải chọn đƣợc luật điều khiển, các bộ tham số KP, TI, Td thích hợp cho hệ thống. Bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết, ta có thể xác định các tham số này để bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu chất lƣợng của hệ thống. Tuy vậy cho đến nay đã có nhiều lý thuyết về xác định tham số cho bộ điều khiển PID, nhƣng vẫn chƣa một lý thuyết nào hoàn hảo và tiện lợi, việc xác định tham số cho bộ điều khiển là phức tạp đòi hỏi kỹ sƣ phải có chuyên môn về tích hợp hệ thống. Ngƣời thiết kế cần thiết phải hiểu đƣợc ảnh hƣởng của các khâu điều khiển đến chất lƣợng của hệ thống và bản chất của từng phƣơng pháp thiết kế thì mới có thể thiết kế đƣợc hệ thống có chất lƣợng tốt. 1.3.Phân tích các luật điều khiển Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần cơ bản: Khâu tỉ lệ (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). 1.3.1. Luật điểu khiển tỉ lệ: (P). Tín hiệu điều khiển trong luật điều khiển tỉ lệ đƣợc xác định theo công thức: U(t) = Kp.e(t) (1.3) Trong đó Kp là hệ số khuyếch đại tỉ lệ. Luật điều khiển tỉ lệ theo tính chất của khâu khuyếch đại: tạo ra sự thay đổi ở tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tỉ lệ với giá trị sai lệch. Để giảm sai lệch tĩnh phải tăng hệ số khuyếch đại Kp, tuy nhiên thành phần này không có khả năng triệt tiêu hoàn toàn sai lệch,mặt khác nếu hệ số Kp quá cao sẽ dẫn tới việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 hệ thống sẽ mất ổn định do dao động của hệ thống tăng và độ quá điều chỉnh lớn. 1.3.2. Luật điều khiển tích phân (I). Tín hiệu điều khiển đƣợc xác định theo công biểu thức: t 1 U (t )   e(t )dt Ti 0 (1.4) Trong đó Ti là hằng số thời gian tích phân. Thành phần I sẽ vẫn tạo ra sự thay đổi ở tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển khi giá trị sai lệch chƣa triệt tiêu, giá trị điều khiển U(t) chỉ đạt giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kết thúc) khi e(t) = 0, Hay cũng có thể nói tín hiệu ra đƣợc xác định bằng tích phân của tín hiệu vào. Vì vậy ƣu điểm của nó là triệt tiêu đƣợc hoàn toàn sai lệch, nhƣng tín hiệu ra luôn chậm pha so với tín hiệu vào do sự tác động chậm. Đây là nhƣợc điểm làm cho hệ thống kém ổn định. Vì vậy quy luật này ít đƣợc sử dụng trong công nghiệp. 1.3.3. Luật điều khiển vi phân (D). Tín hiệu điều khiển đƣợc xác định: U(t) = Td de(t ) dt (1.5) Trong đó Td là hằng số thời gian vi phân. Thành phần D tạo ra sự thay đổi ở tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển khi giá trị sai lệch thay đổi thành phần này đáp ứng nhanh với sự thay đổi sai lệch, rút ngắn đƣợc đáng kể thời gian quá độ. Hơn nữa, khi tác động của thành phần này lớn, tức hệ số KD lớn sẽ giảm đƣợc khả năng bị quá điều chỉnh do thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 phần tích phân gây ra. Tuy nhiên thành phần này có thể làm cho bộ điều khiển trở lên nhạy cảm với nhiễu cao tần, vì vậy có khả năng gây mất ổn định khi tác động của nhiễu là đáng kể .Bảng sau chỉ rừ ảnh hƣởng của KP, KI, KD đến đặc tính của hệ thống. Ảnh hƣởng theo chiều tăng của các tham số Tham Thời gian tăng Độ quá Thời gian quá số tốc điều chỉnh độ KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm KD Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Không ảnh Sai lệch tĩnh hƣởng 1..3.4. Luật điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI) Kết hợp quy luật tỉ lệ quy luật tích phân để hình thành quy luật tỉ lệ - tích phân. Tín hiệu điều khiển đƣợc xác định: 1   1 U (t )  Kp e  t    e(t )dt  Ti 0   (1.6) Quy luật này vừa tác động nhanh (nhanh hơn quy luật tích phân nhƣng chậm hơn quy luật tỷ lệ), vừa triệt tiêu đƣợc sai lệch dƣ. Do có những ƣu điểm nhƣ vậy nên quy luật PI đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế,đáp ứng yêu cầu về chất lƣợng của hầu hết các quy trình công nghệ. Tuy nhiên do ảnh hƣởng của thành phần tích phân nên tốc độ tác động của quy luật PI bị chậm, do đó Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 nếu đối tƣợng có nhiễu liên tục mà đòi hỏi độ chính xác cao thì quy luật PI không đáp ứng đƣợc. 1.3.5. Luật điều khiển tỉ lệ - Vi phân(PD) Tín hiệu điều khiển đƣợc xác định theo công thức: de(t )   U (t )  Kp e(t )  Td dt   (1.7) Nhờ có thêm thành phần vi phân làm cho tốc độ tác động tăng nhanh (nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ). Tuy nhiên lại chính thành phần vi phân sẽ phản ứng với các nhiễu cao tần có biên độ nhỏ, do vậy mà quy luật PD không làm giảm đƣợc sai lệch dƣ. Vì vậy trong công nghiệp quy luật này chỉ sử dụng ở những nơi đòi hỏi tới độ tác động nhanh nhƣ điểu khiển tay máy. 1.3.6. Luật điều khiển tỉ lệ - Tích phân – vi phân (PID). Để tăng tốc độ tác động cho quy luật PI, ngƣời ta ghép thêm thành phần vi phân hình thành quy luật tỉ lệ - tích phân- vi phân (PID). Tác động điểu khiển đƣợc xác định bằng công thức: 1  1 de(t )  U (t )  K P e(t )   e(t )dt  Td  Ti 0 dt   (1.8) Đây là quy luật có độ tác động nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ, đáp ứng đƣợc yêu cầu về chất lƣợng của hầu hết các quy trình công nghệ. Có thể nói quy luật PID là quy luật tối ƣu và hoàn hảo nhất. Tuy nhiên việc chỉnh tham số của nó rất phức tạp, yêu cầu ngƣời sử dụng phải có trình độ nhất định. Do vậy quy luật này chỉ sử dụng vào điều khiển quá trình ở những nơi cần thiết mà quy luật PI không đáp ứng đƣợc yêu cầu về chất lƣợng điều chỉnh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 Các bộ điều khiển số cũng đƣợc xây dựng trên cơ sở của những quy luật trên. Với bộ điều khiển PID số tác động điều khiển đƣợc xác định bằng công thức: T u T   U (k )  Kp  e(k )   e(k )  d  e(k )  e(k  1)   Ti k 1 T   (1.9) Trong đó các tín hiệu e(k), u(k) là những đại lƣợng rời rạc hoặc số, T là thời gian lấy mẫu. Mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra cho các nhà kỹ thuật là căn cứ vào cấu trúc của đối tƣợng điều khiển và các yêu cầu cụ thể về chỉ tiêu kỹ thuật để lựa chọn và thiết kế các luật điều khiển hợp lý, tạo ra tín hiệu điều khiển u(t) tác động vào đối tƣợng điều khiển để cho tín hiệu ra của đối tƣợng điều khiển y(t) tiến tới giá trị đặt, hay nói cách khác đặc tính quá độ y(t) phải tiến đến một giá trị xác lập tuy nhiên cũng phải khẳng định rằng: Đối với các luật điều khiển khác nhau thì các chỉ tiêu chất lƣợng quá trình quá độ nhƣ Gmax (lƣợng quá điều chỉnh) Tmax (thời gian điều chỉnh). Vv…. Cũng sẽ khác nhau. 1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp tham số cho bộ điều khiển PID Có khá nhiều phƣơng pháp xác định các tham số KP, TI, TD cho bộ điều khiển PID, phổ biến hơn cả trong ứng dụng là các phƣơng pháp: Các phương pháp toán học sử dụng mô hình toán học của đối tượng: + Phƣơng pháp tối ƣu mô đun + Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn + Phƣơng pháp thiết kế trên cơ sở đồ thị Bode + ….. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 Các phương pháp thực nghiệm sử dụng đặc tính đo được bằng thực nghiệm:  Phƣơng pháp Ziegler – Nichols  Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick  Phƣơng pháp tổng Kuhn  ……….. Ngoài ra, cũng có thể sử dụng các công cụ tính toàn mềm nhƣ toolbox NCD của Matlab-simulink Nhƣng việc lựa chọn các tham số cho bộ PID là một vấn đề phức tạp trong nhiều ứng dụng và không phải lúc nào cũng là dễ dàng với ngƣời sử dụng. Do đó cần phải nghiên cứu ,đề xất cải tiến việc hiệu chỉnh tham số PID một cách tự động nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của bộ điều khiển này. 1.5. Bộ điều khiển PID số Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ kỹ thuật điện tử, kỹ thuật vi xử lý và kỹ thuật máy tính làm cho ngày càng có nhiều hệ thống điều khiển số đƣợc sử dụng trong các hệ thống điều khiển tự động hiện đại. Hệ thống điều khiển số có nhiều ƣu điểm so với hệ thống điều khiển liên tục nhƣ uyển chuyển, linh hoạt, dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển, dễ dàng áp dụng các thuật toán điều khiển phức tạp bằng cách lập trình. Máy tính số còn có thể điều khiển nhiều đối tƣợng cùng một lúc. Ngoài ra, giá thành của máy tính, các bộ vi xử lý, linh kiện điện tử điều khiển ngày càng hạ trong khi đó cũng nhƣ độ tích hợp, độ tin cậy ngày càng tăng lên cũng góp phần làm cho việc sử dụng các hệ thống điều khiển số trở nên phổ biến. Hiện nay các hệ thống điều khiển số đƣợc sử dụng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 rất rộng rãi, từ các bộ điều khiển đơn giản nhƣ điều khiển nhiệt độ, điều khiển động cơ DC, AC,…. Đến các hệ thống điều khiển phức tạp nhƣ điều khiển robot, máy bay, tàu vũ trụ, các hệ thống điều khiển quá trình công nghệ hóa học và các hệ thống tự động cho những ứng dụng khác nhau 1.5. 1. Đặc điểm lấy mẫu. Hình 1.2: Quá trình trích mẫu của hệ không liên tục và hệ rời rạc Tùy thuộc vào phƣơng pháp lƣợng tử hóa tín hiệu mà ta có các loại hệ thống xử lý tín hiệu khác nhau. Trong hệ thống điều khiển số chúng ta trích mẫu một tín hiệu x t  và đƣa vào bộ điều khiển là máy tính, trƣớc tiên x t  đƣợc trích mẫu thành dãy các giá trị {x k }, với x k =x kTa  .Dãy {x k } này chính là dạng không liên tục – rời rạc của x t  , nói cách khác {x k } là tín hiệu không liên tục. Quá trình trên là quá trình lấy mẫu tín hiệu, tuy nhiên để các thuật toán Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn