Bài giảng Điện khiển quá trình - Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID

Chương 6: Chỉnh ₫ịnh bộ ₫iều khiển PID
Điều khiển quá trình
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
2Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Nội dung chương 6
6.1 Những vấn đề cơ bản
6.2 Các phương pháp dựa trên đặc tính
6.3 Các phương pháp dựa trên mô hình mẫu
6.4 Bù trễ sử dụng bộ dự báo Smith
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Mục ₫ích bài giảng
ƒ Nắm được những vấn đề cơ bản về chỉnh định các 
tham số P/PI/PID
ƒ Nắm được những phương pháp chỉnh định tham số bộ 
điều khiển PID thông dụng nhất trong điều khiển quá
trình
ƒ Có khả năng lựa chọn và áp dụng phương pháp phù
hợp với một quá trình thực tế
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
1. Những vấn ₫ề cơ bản
ƒ Các phương pháp tiếp cận (tổng quan phương pháp 
chỉnh định)
ƒ Vấn đề mô hình đối tượng sử dụng
ƒ Vấn đề lựa chọn kiểu bộ điều khiển
ƒ Đặc tính các vòng điều khiển sử dụng bộ điều khiển 
P/PI/PID
ƒ Ý nghĩa của việc thay đổi, hiệu chỉnh các tham số
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
5Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Các phương pháp tiếp cận
ƒ Dựa trên đặc tính của quá trình (đặc tính thời gian 
hoặc tần số): Ziegler–Nichols (I và II), phản hồi rơ-le 
(Åström và Hägglund),
ƒ Dựa trên mô hình quá trình:
– Tổng hợp theo mô hình mẫu (hệ kín hoặc hệ hở): tổng hợp trực 
tiếp (Chen và Seborg), chỉnh định lam-da (Dahlin), IMC 
(Morari và Zafiriou), xấp xỉ đặc tính tần,
– Nắn đặc tính tần số (hệ kín hoặc hệ hở): tối ưu mô-đun 
(Kessler), dự trữ biên-pha (Åström và Hägglund,...),...
– Tối ưu hóa tham số (theo các chỉ tiêu IAE, ISE, H∞,...)
ƒ Dựa trên kinh nghiệm: Chỉnh định mờ, hệ chuyên gia
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
6Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Các mô hình quá trình thông dụng
ƒ Bậc nhất:
ƒ Bậc hai:
1( ) 1
skeG s s
θ
τ
−
=
+
5 2( ) 2 1
skeG s
s s
θ
τ τζ
−
=
+ +
'
5
1 2
( ) ( 1)( 1)
skeG s s s
θ
τ τ
−
=
+ +
2( )
skeG s s
θ−
=
4( ) ( 1)
skeG s s s
θ
τ
−
=
+
6 2
( 1)( )
2 1
s
ak s eG s
s s
θτ
τ τζ
−+=
+ +
'
6
1 2
( 1)( ) ( 1)( 1)
s
ak s eG s s s
θτ
τ τ
−+=
+ +
7 2
( 1)( )
2 1
s
ak s eG s
s s
θτ
τ τζ
−− +=
+ +
'
7
1 2
( 1)( ) ( 1)( 1)
s
ak s eG s s s
θτ
τ τ
−− +=
+ +
3( ) 1
skeG s s
θ
τ
−
= −
8
1 2
( ) ( 1)( 1)
skeG s s s
θ
τ τ
−
= − + 9 1 2( ) ( 1)( 1)
skeG s s s
θ
τ τ
−
= − −
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
7Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Quá trình có ₫ộng học bậc cao?
Ba cách tiếp cận:
1. Nhận dạng xấp xỉ về mô hình bậc thấp
2. Nhận dạng về mô hình bậc cao, sau đó xấp xỉ về mô 
hình bậc thấp (xấp xỉ giảm bậc)
3. Thiết kế bộ điều khiển bậc cao, sau đó xấp xỉ về cấu 
trúc P/PI/PID
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Xấp xỉ theo phương pháp Skogestad -
Luật chia ₫ôi (half-rule)
ƒ Khi cắt bỏ các thành phần quán tính bậc cao của đối 
tượng, các hằng số thời gian quán tính bị cắt bỏ được 
cộng vào hằng số thời gian trễ. 
ƒ Riêng hằng số thời gian bị cắt bỏ lớn nhất được chia 
đôi một nửa cộng vào hằng số thời gian trễ, một nửa 
cộng vào hằng số thời gian quán tính được giữ lại nhỏ
nhất. 
ƒ Đối với thành phần đáp ứng ngược bị cắt bỏ, hằng số
thời gian đáp ứng ngược cũng được cộng vào hằng số
thời gian trễ.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
9Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Công thức xấp xỉ
( )
( )
( )
01
1
1
1
m
i
n
pj
j
zi
s
k s
G s e
s
τ
τ
τ
=
=
−
− +
=
+
∏
∏
τp1 > τp2 > τp3 
( )
1
skeG s s
θ
τ
−
=
+

2
1 2
p
p
ττ τ= +
2
0
3 12
n m
p
pj zi
j i
τθ τ τ τ
= =
= + + +∑ ∑
( )
( )( )1 21 1
skeG s s s
θ
τ τ
−
=
+ +

3
1 1 2 2, 2
p
p p
ττ τ τ τ= = +
3
0
4 12
n m
p
pj zi
j i
τθ τ τ τ
= =
= + + +∑ ∑
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
10Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Căn cứ chọn kiểu bộ ₫iều khiển?
ƒ Đặc điểm của quá trình và thiết bị
– Động học của quá trình
– Động học của thiết bị đo
– Đặc điểm của nhiễu đo
– ...
ƒ Mục đích, yêu cầu của bài toán điều khiển
ƒ Vai trò, đặc điểm của từng luật điều khiển
– Vai trò ổn định hệ thống?
– Vai trò triệt tiêu sai lệch tĩnh?
– Vai trò cải thiện đặc tính động học?
– Tính nhạy cảm với nhiễu đo?
– ...
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
11Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Đặc tính 
vòng ₫iều 
khiển PI
(khi tăng kc)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
12Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Đặc tính vòng 
₫iều khiển PI
(khi tăng τi)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
13Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Đặc tính vòng 
₫iều khiển PID
(so sánh với PI)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
14Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Ảnh hưởng của thay ₫ổi tham số PID
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
15Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Chọn luật ₫iều khiển cho các bài toán tiêu biểu
ƒ Vòng điều khiển lưu lượng: Động học của đối tượng phụ
thuộc chủ yếu vào van điều khiển, nhiễu đo cao tần => hầu 
như chỉ cần sử dụng luật PI.
ƒ Vòng điều khiển mức: Quá trình có đặc tính tích phân, phép 
đo mức thường rất bị ảnh hưởng của nhiễu => luật P cho 
điều khiển lỏng và luật PI cho điều khiển chặt. 
ƒ Vòng điều khiển áp suất chất khí: Động học của đối tượng 
phụ thuộc chủ yếu vào thiết bị chấp hành, quá trình cũng có 
đặc tính tích phân tương tự như bài toán điều khiển mức 
nhưng cao hơn về độ chính xác => Luật PI là chủ yếu. 
ƒ Vòng điều khiển nhiệt độ: Động học chậm, phép đo ít chịu 
ảnh hưởng của nhiễu cao tần => sử dụng luật PID. 
ƒ Vòng điều khiển thành phần: Tương tự như vòng điều khiển 
nhiệt độ => thường sử dụng PID.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
16Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
2. Các phương pháp dựa trên ₫ặc tính
ƒ Ziegler-Nichols 1 (ZN-1): Dựa trên đồ thị đáp ứng quá 
độ, cho hệ số tắt dần ≈ 1/4, độ quá điều chỉnh ≈ 25%
ƒ Ziegler-Nichols 2 (ZN-2): Dựa trên đặc tính dao động 
tới hạn (đặc tính tần số), cho chất lượng tương đương 
ZN-1
ƒ Åström-Hägglund (AH) Phản hồi rơ-le: Cải tiến cách 
nhận dạng đặc tính dao động tới hạn của ZN-2 (chấp 
nhận kém chính xác hơn)
ƒ Tyreus-Luyben (TL): Cải tiến ZN-2, giảm hệ số khuếch 
đại, tăng thời gian vi phân và thời gian tích phân => 
bộ tham số “thận trọng hơn”
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
17Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Ziegler-
Nichols 1
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
18Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Ziegler-Nichols 2
1. Đặt hệ thống ở chế độ điều khiển bằng tay và đưa dần hệ
thống tới điểm làm việc, chờ hệ thống ổn định tại điểm làm 
việc 
2. Chuyển hệ thống sang chế độ điều khiển tự động với bộ 
điều khiển P. Đặt hệ số khuếch đại kc tương đối bé.
3. Tăng dần kc cho tới trạng thái dao động điều hòa => hệ số
khuếch đại tới hạn (ku) và chu kỳ dao động tới hạn (Tu).
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
19Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Åström-Hägglund (phản hồi rơ-le)
4 /uk d aπ=
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
20Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Tyreus-Luyben
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
21Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Ví dụ ₫iều khiển thiết bị trao ₫ổi nhiệt
1.210.75( ) (30 1)(5 1)(2 1)
seG s s s s
−
=
+ + +
Xấp xỉ về mô hình FOPDT theo “luật chia đôi”:
5.710.75( ) 32.5 1
seG s s
−
=
+

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
22Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
PI
PID
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
23Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Đọc tài liệu (sách và tài liệu điện tử) về các phương pháp:
ƒ Phương pháp Haalman
ƒ Phương pháp Dahlin (chỉnh định lamda)
ƒ Phương pháp DS (Direct Synthesis)
ƒ Phương pháp DS-d (Direct Synthesis with disturbance 
rejection preference)
ƒ Phương pháp IMC (Internal Model Control)
ƒ Phương pháp xấp xỉ đặc tính tần số (xem thêm tạp chí
Kỹ thuật điều khiển, 6/2006 và Kỷ yếu Hội nghị KH 50 
năm thành lập trường ĐHBKHN, phân ban Điện)
3. Các phương pháp mô hình mẫu
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
24Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
3. Các phương pháp mô hình mẫu
( )( ) ( )
L sK s G s⇒ =
( ) ( )( ) 1 ( ) ( )
K s G sT s K s G s= +
Cho mô hình mẫu (mô hình mong muốn) của hệ hở/hệ kín:
( ) ( ) ( )L s K s G s=
( )( ) ( )(1 ( ))
T sK s G s T s⇒ = −
( )( ) ( )
L sK s G s⇒ ≈
( )( ) ( )(1 ( ))
T sK s G s T s⇒ ≈ −
hoặc:
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
25Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Các vấn ₫ề cần giải quyết
ƒ Hàm truyền đạt nhận được không có cấu trúc PI/PID: Xấp 
xỉ bộ điều khiển hoặc chọn mô hình mẫu và mô hình đối 
tượng phù hợp
ƒ Hệ kín có thể không ổn định nội: Chọn mô hình mẫu thích 
hợp, mô hình đối tượng thông thường không có điểm cực 
hoặc điểm không nằm bên phải trục ảo
ƒ Hệ dễ nhạy cảm với sai lệch mô hình: Chọn mô hình mẫu 
theo hướng “thận trọng”
ƒ Tóm lại: Hai vấn đề then chốt là chọn mô hình mẫu phù
hợp và phương pháp xấp xỉ mô hình!
ƒ Các dạng mô hình mẫu thường được lựa chọn:
1( ) s
o
L s es
θ
τ
−= ( ) 1
s
c
eT s s
θ
τ
−
=
+ 2
( )
2 1
s
c c
eT s
s s
θ
τ τ ζ
−
=
+ +
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
26Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Ví dụ ₫iều khiển thiết bị trao ₫ổi nhiệt
1.210.75( ) (30 1)(5 1)(2 1)
seG s s s s
−
=
+ + +
Xấp xỉ về mô hình SOPDT theo “luật chia đôi”:
2.210.75ˆ( ) (30 1)(6 1)
seG s s s
−
=
+ +
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
27Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Kết quảmô phỏng với luật PID
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
28Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Cải thiện chất lượng bằng bộ lọc giá trị ₫ặt
(cho trường hợp sử dụng DS-d)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
29Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
4. Bù trễ với bộ dự báo Smith
ƒ Mô hình lý tưởng của đối tượng: 
ƒ Vấn đề: Đầu ra đo được bị chậm trễ, ảnh hưởng lớn tới 
chất lượng điều khiển
ƒ Ý tưởng khắc phục: Dự báo đầu ra không có trễ dựa 
trên mô hình
0( ) ( ) sG s G s e θ−=
0( ) ( ) sG s G s e θ−=
 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
30Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
4. Bù trễ với bộ dự báo Smith
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0
ˆ ( )
( )
s
s
y y y y e
y y y e
y y y
y
θ
θ
−
−
= + −
≈ + −
≈ + −
=
 
 
 
Giả sử đầu ra thực không có trễ là y0:
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
31Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Ví dụmô phỏng
ƒ Chỉnh định bộ PID theo phương pháp xấp xỉ đáp ứng tần số
10
3( ) ( 1)
seG s
s
−
=
+
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
32Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Nhiệm vụ luyện tập ở nhà
ƒ Sử dụng SIMULINK và mô phỏng, thử nghiệm các 
phương pháp dựa trên đặc tính
ƒ Đọc tài liệu về các phương pháp dựa trên mô hình mẫu, 
thử nghiệm mô phỏng trên MATLAB
ƒ Đọc tài liệu đi kèm và sử dụng 3 chương trình phần 
mềm đã nhận được để tìm hiểu luyện tập các phương 
pháp chỉnh định khác
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt