Download: https://uploading.vn/5m42oxstplom

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRẦN THỊ THU TRANG
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN
PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngà
nh: Cô
ng nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
HàNội – 2019

2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRẦN THỊ THU TRANG
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN
PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP
Ngà
nh: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
Chuyê
n ngà
nh: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số: 8520114.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngà
nh: Cô
ng nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng
HàNội – 2019

3. 1
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP
Trần Thị Thu Trang
Khó
a QH-2016-I, ngà
nh Cô
ng nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
Tó
m tắt luận văn thạc sĩ
Ngà
y nay, bộ điều khiển PID đóng vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rã
i
trong cá
c hệ thống điều khiển cô
ng nghiệp, đặc biệt trong điều khiển phản hồi.Mô
–đun
kiểm soá
t nhiệt độ chất lỏng RYC-TAG của hãng EDIBON được thiết kế cù
ng bộ điều
khiển PID cho phép người dùng đo đạc nhiệt độ chất lỏng, điều khiển hoạt động mô
–
đun thô
ng qua phần mềm RYC. Để tí
nh toá
n cá
c thô
ng số 𝐾𝑃, 𝑇𝐼, 𝑇𝐷 của bộ điều khiển
PID đưa vào hệ thống để tiến hành điều khiển, luận văn sử dụng phần mềm Matlab.
Luận văn tập trung nghiê
n cứu, xâ
y dựng bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ chất
lỏng. Việc đo đạc nhiệt độ vàtí
nh toá
n cá
c thô
ng số dựa trê
n một số tà
i liệu được cung
cấp từ nhàsản xuất vàquátrì
nh thực nghiệm, từ đó kiểm chứng độ chí
nh xá
c của thiết
bị đo cũng như tác dụng của bộ điều khiển PID trong quá trình điều khiển nhiệt độ.
Từ khó
a: RYC-TAG, MATLAB, RYC Software, PID.

4. 2
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu xâ
y dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt
độ theo thuật toá
n PID với cá
c cảm biến cô
ng nghiệp” được hoàn thành dưới sự hướng
dẫn của thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng. Cá
c nội dung nghiê
n cứu, kết quả trong đề
tà
i nà
y làtrung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hì
nh thức nào trước đây.
HàNội, ngà
y 20 thá
ng 04 năm 2019
Sinh viê
n thực hiện
Trần Thị Thu Trang

5. 3
LỜI CẢM ƠN
Để hoà
n thà
nh luận văn này, em xin bày tỏ lò
ng biết ơn đến thầy PGS.TS Phạm
Mạnh Thắng người đã hướng dẫn, chỉ bảo vàtạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt
quátrì
nh thực hiện luận văn thạc sĩ, giúp em hoàn thành luận văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới cá
c thầy cô khoa Cơ học kỹ thuật & Tự động hó
a,
trường Đại học Cô
ng nghệ, Đại học Quốc Gia HàNội đã tận tình giúp đỡ, cung cấp
cho em những kiến thức quýgiávàtạo điều kiện cho em trong suốt quátrì
nh học tập
tại trường.
Mặc dù đã hết sức cố gắng song luận văn không tránh khỏi những thiếu só
t. Kí
nh
mong thầy côcù
ng toà
n thể bạn bè đóng gó
p ýkiến để luận văn được hoà
n thiện hơn.
Em xin kí
nh chú
c thầy côsức khỏe, thà
nh cô
ng trong cô
ng việc đào tạo những
thế hệ tri thức tương lai.
Em xin châ
n thà
nh cảm ơn!
HàNội, ngà
y 20 thá
ng 04 năm 2019
Sinh viê
n thực hiện
Trần Thị Thu Trang

6. 4
MỤC LỤC
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO
THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP......................................1
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................2
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................3
MỤC LỤC.......................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT .....................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌ
NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ....................................................................8
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................10
1. CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT PID ............................................................................12
1.1. Khá
i quá
t bộ điều khiển PID............................................................................12
1.1.1. Điều khiển tỷ lệ .........................................................................................12
1.1.1.1. Hoạt động tỷ lệ ...................................................................................12
1.1.1.2. Đáp ứng của hệ thống theo điều khiển tỷ lệ.......................................15
1.1.1.3. Cá
c ứng dụng của điều khiển theo tỷ lệ .............................................19
1.1.2. Điều khiển tí
ch phâ
n .................................................................................22
1.1.2.1. Điều khiển thả nổi ..............................................................................22
1.1.2.2. Hoạt động tí
ch phâ
n ...........................................................................22
1.1.2.3. Đáp ứng của hệ thống điều khiển tí
ch phâ
n.......................................23
1.1.2.4. Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n..............................................24
1.1.2.5. Đáp ứng của hệ thống điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n ..........26
1.1.3. Điều khiển vi phâ
n ....................................................................................29
1.1.3.1. Hoạt động vi phâ
n ..............................................................................29
1.1.3.2. Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phâ
n ................................................30
1.2. Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID...................................33
1.2.1. Phương pháp Ziegler – Nichols ................................................................33
1.2.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick..................................................35
1.2.3. Phương pháp lấy giátrị bằng phần mềm...................................................37
1.3. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển ........................................................37
1.3.1. Sai số xá
c lập.............................................................................................37

7. 5
1.3.2. Đáp ứng quá độ .........................................................................................38
2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT MÔ HÌ
NH VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG HỆ
THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ NƯỚC..................................................................................40
2.1. Cấu tạo vànguyê
n lýhoạt động thiết bị điều khiển nhiệt độ RYC-TAG........40
2.1.1. Cấu tạo.......................................................................................................40
2.1.2. Nguyê
n lýhoạt động .................................................................................42
2.2. Mô
–đun RYC...................................................................................................44
2.3. Phần mềm RYC ...............................................................................................48
3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ
HÌNH ĐO ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƯỚC..............................................................50
3.1. Mục tiê
u nghiê
n cứu ........................................................................................50
3.2. Mô
–đun RYC...................................................................................................50
3.2.1. Đáp ứng của hệ thống bậc nhất trong miền thời gian ...............................50
3.2.2. Cấu trú
c bộ điều khiển PID.......................................................................53
3.2.3. Điều khiển PID của hệ thống bậc nhất......................................................58
3.3. Mô
–đun RYC-TAG .........................................................................................60
3.3.1. Môhì
nh toá
n học của hệ thống trao đổi nhiệt...........................................60
3.3.2. Xác định đặc tí
nh mô
–đun điều khiển nhiệt độ dò
ng chất lỏng................63
3.3.3. Môphỏng trong Matlab ............................................................................65
3.3.3.1. Giới thiệu phần mềm Matlab..............................................................65
3.3.3.2. Sơ đồ môphỏng..................................................................................67
3.3.3.3. Môphỏng với cá
c giátrị 𝑲𝑷, 𝑻𝑰, 𝑻𝑫 ...................................................68
3.3.4. Điều khiển nhiệt độ dò
ng chảy mô
–đun RYC-TAG bằng PID ................70
4. KẾT LUẬN.............................................................................................................73
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................74

8. 6
DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển tỷ lệ tí
ch phâ
n vi phâ
n
MATLAB MATrix LABoratory Phần mềm lập trì
nh vàtí
nh toá
n
B.P
GUI
CPU
ST
AC
LED
LAG/LEAD
Cold Fluid
Hot Fluid
𝐾𝑃
𝑇𝐼
𝑇𝐷
IN
OUT
A
𝐶𝑝,𝑐
𝐶𝑝,𝐻
𝐹𝑐
𝐹𝐻
𝑚𝑐
̇
BandPass
Graphical User Interface
Central Processing Unit
Sensor Temperature
Alternating Current
Light Emitting Diode
Dải
Giao diện đồ họa người dù
ng
Bộ vi xử lýtrung tâ
m
Cảm biến nhiệt độ
Dòng điện xoay chiều
Điốt phá
t quang
Hệ thống bù
Dòng nước lạnh
Dòng nước nó
ng
Hệ số tỷ lệ
Hệ số tí
ch phâ
n
Hệ số vi phâ
n
Đầu và
o
Đầu ra
Khu vực trao đổi nhiệt
Nhiệt dung riê
ng chất lỏng lạnh
Nhiệt dung riê
ng chất lỏng nó
ng
Tốc độ dò
ng chảy chất lỏng lạnh
Tốc độ dò
ng chảy chất lỏng nó
ng
Khối lượng chất lỏng lạnh
𝑚𝐻
̇
𝑇𝑐
𝑇𝑐0
𝑇𝐻
𝑇𝐻0
U
Khối lượng chất lỏng nó
ng
Nhiệt độ đầu ra chất lỏng lạnh
Nhiệt độ đầu và
o chất lỏng lạnh
Nhiệt độ đầu ra chất lỏng nó
ng
Nhiệt độ đầu và
o chất lỏng nó
ng
Hệ số truyền nhiệt

9. 7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Cá
c tham số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất...................34
Bảng 1.2 Cá
c tham số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai.....................35
Bảng 1.3 Cá
c tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 1 ...............36
Bảng 1.4 Cá
c tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 2 ...............36
Bảng 1.5 Cá
c tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 3 ...............36
Bảng 1.6 Cá
c tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 4 ...............37

10. 8
DANH MỤC CÁC HÌ
NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Điều khiển theo tỷ lệ.......................................................................................12
Hình 1.2 Thay đổi độ nghiêng đường hoạt động bộ điều khiển theo tỷ lệ....................13
Hì
nh 1.3 Sự biến thiê
n của dải tỷ lệ ..............................................................................14
Hình 1.4 Đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ.............................................................15
Hình 1.5 Điều khiển tự động nhiệt độ đầu ra chất lỏng trong bộ trao đổi nhiệt[10,
pp.28].............................................................................................................................15
Hình 1.6 Đường tải quátrì
nh.........................................................................................16
Hình 1.7 Các điều kiện hoạt động hệ thống theo số liệu thiết kế..................................16
Hì
nh 1.8 Hệ thống điều khiển theo tỷ lệ........................................................................17
Hì
nh 1.9 Sự biến thiê
n tải trong quátrì
nh.....................................................................18
Hình 1.10 Điều chỉnh thủ công đối với biến thiê
n tải ...................................................18
Hì
nh 1.11 Chuyển dịch pha giữa biến vàhoạt động hiệu chỉnh ...................................20
Hì
nh 1.12 Hệ thống được điều khiển với độ trễ động học đáng kể...............................20
Hình 1.13 Đồ thị dao động của biến điều khiển............................................................21
Hình 1.14 Đáp ứng của bộ điều khiển tí
ch phâ
n...........................................................23
Hình 1.15 Đáp ứng quátrì
nh bằng điều khiển tí
ch phâ
n ..............................................24
Hình 1.16 Đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n ..............................25
Hình 1.17 Đáp ứng quátrì
nh với điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n....................27
Hình 1.18 Tác động tỷ lệ đặt lại đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n .28
Hình 1.19 Tác động biên độ dải tỷ lệ đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ + tí
ch phâ
n ...28
Hình 1.20 Đáp ứng của bộ điều khiển vi phâ
n..............................................................30
Hì
nh 1.21 Sự đáp ứng bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phâ
n...................................31
Hì
nh 1.22 Thời gian tỷ lệ...............................................................................................32
Hình 1.23 Tác động của hoạt động vi phâ
n...................................................................33
Hình 1.24 Đáp ứng nấc của hệ hở códạng S ................................................................34
Hình 1.25 Xác định hằng số khuyếch đại tới hạn..........................................................34
Hình 1.26 Đáp ứng nấc của hệ kí
n khi k=𝑘𝑡ℎ..............................................................35
Hình 1.27 Đáp ứng nấc của hệ thí
ch hợp theo phương phá
p Chien – Hrones – Reswick
.......................................................................................................................................35
Hì
nh 1.28 Hệ thống hồi tiếp â
m ....................................................................................37
Hì
nh 1.29 Sai số xá
c lập................................................................................................38
Hì
nh 1.30 Hiện tượng vọt lố..........................................................................................38
Hình 1.31 Độ vọt lố.......................................................................................................38
Hì
nh 1.32 Thời gian quá độ..........................................................................................39
Hì
nh 1.33 Thời gian lê
n.................................................................................................39
Hì
nh 2.1 Mô
–đun RYC-TAG [12, pp.2].......................................................................40
Hì
nh 2.2 Mô
–đun kiểm soá
t nhiệt độ chất lỏng ............................................................41
Hì
nh 2.3 Cấu tạo hộp giao diện điều khiển ...................................................................42
Hình 2.4 Mô hình dòng trao đổi nhiệt...........................................................................43
Hì
nh 2.5 Mô
–đun RYC [11, pp.2].................................................................................44
Hì
nh 2.6 Mô
–đun tín hiệu tham chiếu...........................................................................45
Hì
nh 2.7 Mô
–đun điều khiển PID vàLAG/LEAD .......................................................46
Hì
nh 2.8 Mô
–đun hệ thống bậc một..............................................................................46

11. 9
Hì
nh 2.9 Mô
–đun hệ thống bậc hai ...............................................................................47
Hì
nh 2.10 Mô
–đun hệ thống tí
ch hợp............................................................................47
Hì
nh 2.11 Mô
–đun bù....................................................................................................48
Hì
nh 2.12 Mô
–đun đầu và
o [11, pp.11] ........................................................................48
Hì
nh 2.13 Phần mềm RYC [11, pp.41] .........................................................................49
Hì
nh 3.1 Kết nối bà
i thực hà
nh hệ thống bậc nhất miền thời gian [11, pp.59] .............51
Hình 3.2 Đồ thị (1) thể hiện bước phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian.............51
Hình 3.3 Đồ thị (2) thể hiện bước phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian.............52
Hình 3.4Đồ thị (3) thể hiện bước phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian..............52
Hình 3.5 Đồ thị (4) thể hiện bước phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian.............52
Hì
nh 3.6 Cấu trú
c bộ điều khiển PID [11, pp.75] .........................................................53
Hì
nh 3.7 Kết nối bà
i thực hà
nh cấu trú
c bộ điều khiển PID [11, pp.75].......................54
Hì
nh 3.8 Phản ứng bộ P với 𝐾𝑐=0.5 .............................................................................54
Hì
nh 3.9 Phản ứng bộ P với 𝐾𝑐=1 ................................................................................55
Hì
nh 3.10 Phản ứng bộ P với 𝐾𝑐=1.5 ...........................................................................55
Hì
nh 3.11 Phản ứng bộ P với 𝐾𝑐=2 ..............................................................................55
Hì
nh 3.12 Phản ứng khi cóI và𝐾𝑐=2...........................................................................56
Hì
nh 3.13 Phản ứng bộ D với 𝑇𝐷=10ms.......................................................................57
Hì
nh 3.14 Phản ứng bộ D với 𝑇𝐷=80ms.......................................................................57
Hì
nh 3.15 Phản ứng bộ D với 𝑇𝐷=150ms.....................................................................57
Hì
nh 3.16 Kết nối điều khiển PID cho hệ thống bậc nhất [11, pp.78]..........................58
Hì
nh 3.17 Phản ứng hệ thống bậc nhất dù
ng PID với 𝐾𝑐= 1........................................59
Hì
nh 3.18 Phản ứng hệ thống bậc nhất dù
ng PID với 𝐾𝑐= 1,𝑇𝐼 = 1𝑚𝑠......................59
Hì
nh 3.19 Phản ứng hệ thống bậc nhất dù
ng PID với 𝐾𝑐= 1,𝑇𝐼 = 1𝑚𝑠......................60
Hì
nh 3.20 Phản ứng hệ thống bậc nhất dù
ng PID với 𝐾𝑐= 1,𝑇𝐼 = 10𝑚𝑠, 𝑇𝐷 = 0𝑚𝑠 60
Hì
nh 3.21 Hệ thống trao đổi nhiệt.................................................................................61
Hình 3.22 Sơ đồ khối đặc tí
nh RYC-TAG....................................................................63
Hình 3.23 Sơ đồ khối đơn giản RYC-TAG...................................................................64
Hì
nh 3.24 Kết nối bà
i thực hành đặc tí
nh mô
–đun kiểm soá
t dò
ng chất lỏng [12, pp.20]
.......................................................................................................................................64
Hì
nh 3.25 Phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ dò
ng chất lỏng tần số 5Hz .............65
Hì
nh 3.26 Giao diện Matlab ..........................................................................................66
Hì
nh 3.27 Giao diện Simulink.......................................................................................67
Hình 3.28 Sơ đồ môphỏng mô
–đun RYC-TAG...........................................................67
Hì
nh 3.29 Tí
nh toá
n thô
ng số PID bằng Matlab ...........................................................68
Hì
nh 3.30 Tune PIDvới𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = 0...............................................68
Hì
nh 3.31 Thô
ng số chất lượngvới 𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = 0 ............................69
Hình 3.32 Đáp ứng đầu ra với 𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = 0....................................69
Hình 3.33 Đáp ứng đầu ra với 𝐾𝑃 = 10, 𝐾𝐼 = 333, 𝐾𝐷 = 0.......................................70
Hì
nh 3.34 Mô
–đun điều khiển dòng nước với bộ điều khiển PID [12, pp.22] .............71
Hình 3.35 Đồ thị (1) phản ứng của hệ thống điều khiển nhiệt độ nước........................71
Hình 3.36 Đồ thị (2) phản ứng của hệ thống điều khiển nhiệt độ nước........................72
Hình 3.37 Đồ thị (3) phản ứng của hệ thống điều khiển nhiệt độ nước........................72
Hình 3.38 Đồ thị (4) phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ nước...............................72

12. 10
MỞ ĐẦU
Lýdo chọn đề tà
i
Như chúng ta biết, nhiệt độ làmột trong những thà
nh phần vật lýrất quan trọng.
Việc thay đổi nhiệt độ của một vật chất ảnh hưởng đến cấu tạo, tí
nh chất và các đại
lượng vật lýkhá
c của vật chất. Ví
dụ, sự thay đổi nhiệt độ của một chất khí
sẽ là
m thay
đổi thể tí
ch, á
p suất chất khí
trong bì
nh. Vì
vậy, trong nghiê
n cứu khoa học, trong cô
ng
nghiệp và đời sống sinh hoạt, thu thập cá
c thô
ng số và điều khiển nhiệt độ làđiều cần
thiết.
Cónhiều phương pháp điều khiển nhiệt độ. Mỗi phương pháp đều mang đến
một kết quả khác nhau thông qua các phương pháp khác nhau đó.Đối với các phương
pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản vàbền vững nê
n cá
c bộ điều khiển
PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dù
ng phổ biến trong cá
c hệ điều khiển cô
ng
nghiệp. Chất lượng hệ thống phụ thuộc và
o cá
c tham số 𝐾𝑃, 𝑇𝐼, 𝑇𝐷 của bộ điều khiển
PID. Vìcá
c hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tí
nh toá
n cho một chế độ là
m việc
cụ thể của hệ thống, do vậy trong quátrì
nh vận hà
nh luô
n phải chỉnh định cá
c hệ số
nà
y phùhợp thực tế để phá
t huy tốt hiệu quả bộ điều khiển.
Mục tiê
u của điều khiển lànâ
ng cao chất lượng cá
c hệ thống điều khiển tự động.
Tuy nhiê
n, trê
n thực tế córất nhiều đối tượng điều khiển khá
c nhau, với yê
u cầu và
đặc tí
nh phức tạp khá
c nhau. Do đó cần phải tiến hà
nh nghiê
n cứu, tìm ra các phương
pháp điều khiển cụ thể cho từng đối tượng. Trong luận văn, em sử dụng phương pháp
bộ điều khiển PID vàphần mềm Matlab Simulink, xâ
y dựng mô hì
nh hó
a vàmô
phỏng hệ thống điều khiển, đây là công cụ đắc lực trợ giú
p việc nghiê
n cứu, môphỏng
mô hình đo và điều khiển nhiệt độ.
Đối tượng vàphạm vi nghiê
n cứu
Đối tượng nghiê
n cứu: RYC-TAG làmột ứng dụng điều khiển nhiệt độ được
thiết kế bởi EDIBON.
Phạm vi nghiê
n cứu của đề tà
i lànghiê
n cứu xâ
y dựng mô hình đo và điều
khiển nhiệt độ theo thuật toá
n PID với cá
c cảm biến cô
ng nghiệp.
Phương pháp nghiê
n cứu
Để thực hiện nghiê
n cứu đề tà
i nà
y cần kết hợp hai phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu lýthuyết: nghiê
n cứu cá
c vấn đề về ứng dụng
điềukhiển thí
ch nghi, mô hình điều khiển nhiệt độ, cá
c hà
m tối ưu trong Matlab và tính
toá
n hỗ trợ hà
m tối ưu.
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng cô
ng cụ tí
nh toá
n tì
m tối ưu trong
phần mềm Matlab vàRYC, tạo dữ liệu môphỏng, kiểm tra.

13. 11
Ý nghĩa thực tiễn vàkhoa học của đề tà
i
Thô
ng qua việc tì
m hiểu về cấu tạo vànguyê
n lýhoạt động của thiết bị, chú
ng
ta cóthể hiểu được cấu tạo vànguyê
n lýhoạt động của cá
c thiết bị cóliê
n quan ứng
dụng trong cô
ng nghiệp, sản xuất, đời sống hà
ng ngà
y.
Cấu trú
c luận văn
Nội dung chí
nh của luận văn là nghiên cứu xâ
y dựng mô hình đo và điều khiển
nhiệt độ theo thuật toá
n PID với cá
c cảm biến cô
ng nghiệp. Bố cục luận văn gồm 3
chương:
Chương 1: Lý thuyết PID.
Chương 2: Khảo sá
t môhì
nh vànguyê
n lýhoạt động hệ thống đo nhiệt độ nước.
Chương 3: Nghiê
n cứu xâ
y dựng vàkết quả thực nghiệm mô hình đo điều khiển nhiệt
độ nước.

14. 12
1. CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT PID
1.1. Khá
i quá
t bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID làmột cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng
rộng rã
i trong cá
c hệ thống điều khiển cô
ng nghiệp. Bộ điều khiển PID sẽ tí
nh toá
n giátrị
“sai số” là hiệu số giữa giátrị đo thông số biến đổi vàgiátrị đặt mong muốn. Bộ điều
khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cá
ch biến điều chỉnh giátrị điều khiển đầu và
o
dựa trê
n sự kết hợp của ba bộ điều khiển: tỷ lệ, tí
ch phâ
n vàvi phâ
n.
1.1.1. Điều khiển tỷ lệ
1.1.1.1. Hoạt động tỷ lệ
Một dụng cụ điều khiển tiến hành điều khiển theo tỷ lệ khi cótỷ lệ đôi một giữa
cá
c tí
n hiệu đầu ra và đầu vào. Phương trình đặc trưng của bộ điều khiển theo tỷ lệ có
thể được viết như sau:
y =y0± k(x-x0) (1.1)
y vày0 làcá
c giátrị tức thời và ban đầu của sự mở van điều khiển, x vàx0 làcá
c giá
trị tức thời và ban đầu của biến, k làhệ số tỷ lệ. Kýhiệu ± phụ thuộc và
o loại quá
trình điều khiển. Nólàcộng khi van mở thê
m khi biến tăng, trừ trong trường hợp
ngược lại, tức làviệc mở van bị giảm khi biến tăng. Trường hợp trừ được thể hiện
trong hì
nh 1.1.
Hình 1.1 Điều khiển theo tỷ lệ
Trong hì
nh 1.1, x2 và x1 tương ứng giátrị cực đại của khoảng biến thiê
n của
biến được điều khiển. Khi giátrị ban đầu x0 trùng điểm đặt thìsự chê
nh lệch x0-x
trùng độ lệch biến, tức làcósai số. Độ nghiêng đường hoạt động phương trình (1.1)

15. 13
phụ thuộc và
o giátrị của hệ số tỷ lệ k vàbiểu thị độ nhạy dụng cụ. Nếu độ nhạy tăng,
đường hoạt động sẽ giảm độ nghiê
ng của nó
.
Hình 1.2 Thay đổi độ nghiêng đường hoạt động bộ điều khiển theo tỷ lệ
Theo hì
nh 1.2, sự biến thiên x2’ – x1’ của biến cần để van điều khiển đi qua
toà
n bộ phạm vi làthấp hơn so với sự biến thiên trước đó x2 – x1.
Phương trình biểu diễn đường b) cóthể được viết như sau:
𝑦′
= y0 + k1(x0 – x) (1.2)
Nếu p = y/100, p0 = x0/100 vàsai số phần trăm tương ứng với e = (x0 – x)/(x2 – x1),
phương trình (1.2) trở thà
nh:
p = 𝑝0 +
𝑘
100
e(𝑥2-𝑥1) (1.3)
Hì
nh 1.2 thể hiện rằng:
𝑘1 =
𝑦1 − 𝑦0
𝑥0− 𝑥
=
100
𝑥2
1 −𝑥1
1 (1.4)
Thay 𝑘1 vào phương trình (1.3) được kết quả:
p = 𝑝0 + e
𝑥2− 𝑥1
𝑥2
1− 𝑥1
1 (1.5)
nếu b =
𝑥2
1− 𝑥1
1
𝑥2− 𝑥1
được kết quả:
p = 𝑝0 +
𝑒
𝑏
(1.6)
Phương trình (1.6) là công thức thường được sử dụng biểu diễn dải tỷ lệ; hằng số
b làdải tỷ lệ của dụng cụ; nólàkết quả của hệ số giữa sự chê
nh lệch của cá
c giátrị của

16. 14
biến tương ứng với cá
c vị trí
cực đại của van điều khiển vàsự chê
nh lệch của cá
c giátrị
của biến giới hạn khoảng hoạt động dụng cụ. Do đó dải tỷ lệ làkết quả của một phần
khoảng hoạt động của dụng cụ được bao gồm bằng sự biến thiê
n của biến để tí
n hiệu
đầu ra cóthể thay đổi 100%.
Hì
nh 1.3 cho thấy một số đường hoạt động của bộ điều khiển tỷ lệ tương ứng
với cá
c giátrị khá
c nhau của dải tỷ lệ.
Hì
nh 1.3 Sự biến thiê
n của dải tỷ lệ
Theo hì
nh 1.3, dải tỷ lệ cóthể vượt quá100%, van điều khiển khô
ng đạt tới vị
trí đóng và mở toà
n bộ, khoảng hoạt động của nónằm giữa hai vị trítrung gian. Khi
dải tỷ lệ cà
ng rộng thì
sự biến thiê
n của sự mở van cà
ng thấp. Do đó, độ nhạy dụng cụ
cũng phụ thuộc biên độ dải tỷ lệ. Dải tỷ lệ cà
ng hẹp thì độ nhạy cà
ng cao.
Nếu cả hai vế phương trình (1.6) liê
n quan thời gian, kết quả:
𝑑𝑝
𝑑𝑡
=
1
𝑏
𝑑𝑒
𝑑𝑡
(1.7)
Phương trình (1.7) liên kết tốc độ dịch chuyển của bộ khởi động với tốc độ biến thiê
n
của biến.
Hì
nh 1.4 cho thấy xu hướng của đặc điểm đáp ứng bộ điều khiển theo tỷ lệ với
biến thiê
n của biến trong trường hợp lý tưởng của bộ điều khiển hoạt động theo
phương trình (1.6) không trễ.

17. 15
Hình 1.4 Đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ
Nếu tí
n hiệu đầu và
o làsó
ng hì
nh sin thìtí
n hiệu đầu ra của dụng cụ tỷ lệ thuận và
trong pha cósai số.
1.1.1.2. Đáp ứng của hệ thống theo điều khiển tỷ lệ
Xem xé
t hệ thống trong hì
nh 1.5. Trong một bộ trao đổi nhiệt, chất lỏng A được
là
m nó
ng thô
ng qua một chất lỏng B nóng hơn. Biến số được điều khiển lànhiệt độ
ống xả của chất lỏng A.
Hình 1.5 Điều khiển tự động nhiệt độ đầu ra chất lỏng trong bộ trao đổi nhiệt[10,
pp.28]
Bộ điều khiển theo tỷ lệ C phải giữ cho vận tốc dò
ng chảy của chất lỏng gia
nhiệt B không thay đổi, bằng cách điều khiển phùhợp thông qua van điều khiển của
nó
. Nếu vận tốc dò
ng chảy chất lỏng B không thay đổi, nhiệt độ đầu ra của nó tăng
theo tỷ lệ khi lưu lượng chất lỏng B tăng, tức là, khi van điều khiển mở rộng. Trong
trường hợp này, đường tải của quá trình là đường thẳng như hình 1.6.

18. 16
Hình 1.6 Đường tải quátrì
nh
Hai giátrị tối thiểu vàtối đa của phạm vi biến đổi của nhiệt độ được điều khiển
tương ứng với hai vị trícực đại đóng và mở của van, trong khi đó nhiệt độ 𝜗0 =
(𝜗2+𝜗1)/2 tương ứng vị trímở trung gian 0.5. Trong giai đoạn thiết kế, thực hiện cố
định vị trítrung gian của van điều khiển tương ứng với điểm đặt của biến được điều
khiển. Theo cá
ch nà
y, nócókhả năng tác động như nhau theo cả hai hướng, mở rộng
hoặc giảm theo hướng lệch của biến. Do đó, bộ điều khiển được giả sử hoạt động với
dải tỷ lệ 100% và điểm đặt biến 𝜗0. Hì
nh 1.7 thể hiện hoạt động của hệ thống; lưu ý
đường tải quá trình và đường hoạt động của dụng cụ được xếp chồng lê
n nhau. Giao
điểm H của hai đường biểu diễn điểm hoạt động của hệ thống.
Hình 1.7 Các điều kiện hoạt động hệ thống theo số liệu thiết kế
Trê
n thực tế, nhiệt độ đầu ra chất lỏng A phụ thuộc và
o mức độ mở van theo
đường tải biểu diễn kết quả sự câ
n bằng năng lượng; nhờ và
o hoạt động của dụng cụ
điều khiển mànhiệt này cũng được liê
n kết với mức độ mở van theo sự tương ứng
được cố định bởi đường hoạt động. Do đó, điểm câ
n bằng của hệ thống chỉ tương ứng

19. 17
với giao điểm của hai đường nà
y. Nếu nhiệt độ được điều khiển giảm xuống dưới điểm
đặt, van mở nhiều hơn cho phép vận tốc dò
ng chảy của chất lỏng gia nhiệt lớn hơn.
Điều nà
y gâ
y ra sự tăng nhiệt độ được điều khiển. Ngược lại, nếu nhiệt độ này vượt
quá điểm đặt, dụng cụ sẽ là
m giảm sự mở van dẫn đến việc giảm nhiệt được cung cấp.
Hì
nh 1.8 Hệ thống điều khiển theo tỷ lệ
Vận tốc dò
ng chảy U của chất lỏng chảy ra khỏi bể được điều khiển sao cho
mức độ không thay đổi trong bể dù đầu và
o I của chất lỏng khá
c. Thiết bị gồm phao A,
điểm đặt lực B và đòn bẩy ké
p cóliê
n quan thực hiện mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa
mức chất lỏng trong bể chứa vàcổng van C.
Giả sử vận tốc dò
ng chảy đầu và
o I là50 l/s vàcô
ng suất chảy ra của tuyến xả
50 l/s khi van mở một nửa. Hệ thống được điều khiển để van mở một nửa khi mức bể
chứa trù
ng với điểm đặt, vận tốc dò
ng chảy ra U câ
n bằng chí
nh xá
c vận tốc dò
ng chảy
và
o I vàmức không thay đổi. Nếu lượng chất lỏng nhất định đột nhiên được đổ và
o bể
chứa, vận tốc dò
ng chảy và
o tạm thời vượt quávận tốc dò
ng chảy ra vàmức tăng lên.
Điều nà
y gâ
y ra sự mở van lớn hơn cùng với việc tăng lượng xả sau đó. Tuy nhiên
thô
ng số cuối cùng này cao hơn giá trị thông thường của 50 l/s tới khi lượng chất lỏng
được đổ vào đó được xả. Sau đó mức sẽ lại trù
ng với điểm đặt và các điều kiện ban
đầu sẽ được thiết lập lại. Vì
vậy, hệ thống điều khiển theo tỷ lệ cóthể sinh ra đáp ứng
hiệu quả với sự thay đổi đột ngột vàngắn gọn trong điều kiện thông thường.
Giả sử vận tốc dò
ng chảy I đột nhiên tăng từ 50 l/s đến 75 l/s không thay đổi tại
giátrị mới nà
y. Trong lần đầu tiê
n, vận tốc dò
ng chảy vào vượt quávận tốc dò
ng chảy
của chất lỏng được xả. Sau đó mức bắt đầu tăng và giá trị mở nhiều hơn. Khi mức đã
đạt đến giátrị màsự mở van cho phé
p chảy ra 75 l/s thìchất lỏng và
o vàchất lỏng
được xả lại như nhau. Khi đó mức ngừng tăng và duy trì giá trị không đổi khá
c với giá
trị ban đầu. Sau đó hệ thống sẽ khởi động lại điều khiển quá trình để biến được điều
khiển không đổi. Sự chê
nh lệch giữa hai giátrị nà
y gâ
y ra sự mở van rộng hơn để
lượng chất lỏng được xả cóthể bằng với giátrị vận tốc dò
ng chảy vào. Trong trường

20. 18
hợp nà
y, sự điều khiển theo tỷ lệ không đủ để đảm bảo sự trù
ng khớp không đổi của
biến với điểm đặt cónó
.
Bắt đầu từ các điều kiện hoạt động được thể hiện trong hì
nh 1.7. Giả sử rằng tại
một thời điểm nhất định, nhiệt độ đầu vàchất lỏng gia nhiệt B đột giảm. Trong trường
hợp nà
y, vận tốc dò
ng chảy lớn hơn của chất lỏng B làcần thiết để đạt được nhiệt độ
đầu ra nhất định của chất lỏng A. Hì
nh 1.9 thể hiện sự hoạt động của hệ thống trong
các điều kiện mới nà
y.
Hì
nh 1.9 Sự biến thiê
n tải trong quátrì
nh
Khi tải thay đổi, sự mở van 50% là không đủ để giữ được biến điều khiển tại
điểm đặt. Do đó, nhiệt độ đầu ra của biến A giảm xuống giátrị 𝜗, ứng điểm câ
n bằng
mới 𝐻′
. Kim chỉ của dụng cụ lệch khỏi mốc trên thang chia độ của đại lượng 𝜗0 - 𝜗′
không đổi tới khi sự biến thiê
n tải của quá trình không thay đổi. Tức là
, cókhoảng
cá
ch giữa giátrị thực tế của biến được điều khiển và điểm đặt mànóphụ thuộc và
o giá
trị sự biến thiê
n tải và biên độ dải tỷ lệ của dụng cụ.
Hì
nh 1.10 Điều chỉnh thủ công đối với biến thiê
n tải

21. 19
Hì
nh 1.10 thể hiện đặc điểm đáp ứng của quátrì
nh biến lấy giátrị ban đầu sau
biến thiê
n tải, thô
ng qua dịch chuyển đúng mốc trên thang đo. Sự điều chỉnh thủ cô
ng
cóthể xảy ra khi cá
c biến thiê
n tải không thường xuyê
n, nếu không người vận hà
nh
phải liê
n tục thao tá
c với dụng cụ là
m mất khả năng tự vận hà
nh. Hì
nh 1.10, từ thời
điểm t1 khi tải thay đổi, biến được giữ không đổi tại giátrị khá
c với điểm đặt của đại
lượng m biểu diễn độ lệch. Nếu tại thời điểm t2, điểm đặt được thay đổi thô
ng qua sự
dịch chuyển mốc thủ công trên thang chia độ của đại lượng thí
ch hợp m’, biến trù
ng
với giátrị ban đầu của nódùkhá
c với điểm đặt mới.
1.1.1.3. Cá
c ứng dụng của điều khiển theo tỷ lệ
Đối với điều khiển đóng – mở, điều khiển theo tỷ lệ thuận lợi trong việc kiểm
soá
t biến thô
ng qua hoạt động liê
n tục giữ nótại vị trí không đổi màkhô
ng códao
động. Điều nà
y quan trọng bởi đôi khi trong các quá trình, biến cóthể khô
ng trải qua
xu hướng dao động. Tuy nhiên, điều khiển theo tỷ lệ khô
ng đáp ứng đủ cho những
biến thiê
n tải của quá trình gây ra độ lệch của biến từ điểm đặt đối với đại lượng tỷ lệ
với sự biến thiê
n tải vàdải tỷ lệ của dụng cụ. Mặt khá
c, việc loại bỏ độ lệch thô
ng qua
dịch chuyển mốc chỉ có được cho cá
c mục đích chịu những biến thiê
n tải hiếm.
Trong điều khiển theo tỷ lệ, dải tỷ lệ cà
ng hẹp cà
ng tốt. Bê
n cạnh việc giảm độ
lệch ngẫu nhiê
n, dải tỷ lệ hẹp gia tăng tỷ lệ can thiệp của hệ thống do độ nhạy cao hơn.
Khi dải tỷ lệ giảm, xu hướng đáp ứng của quá trình đối với nhiễu dao động đến khi
những dao động nà
y trở nê
n vĩnh viễn tại một điểm nhất định. Điều khiển theo tỷ lệ có
thể á
p dụng cho cá
c quátrì
nh cho thấy khả năng tiếp nhận cao hơn, tốc độ đáp ứng
chậm vàsự chậm trễ ngắn, bê
n cạnh việc chịu các dao động tải nhẹ vàhiếm. Sự chậm
trễ ké
o dà
i giới hạn đáng kể khả năng sử dụng dải tỷ lệ hẹp. Trê
n thực tế, chú
ng chịu
trá
ch nhiệm về sự dịch chuyển pha giữa giátrị sai số tức thời vàhoạt động hiệu chỉnh.
Sự dịch chuyển pha gó
c khô
ng chỉ phụ thuộc và
o sự chậm trễ đáp ứng màcò
n phụ
thuộc và
o tần suất dao động của hệ thống tăng khi dải tỷ lệ dụng cụ giảm. Do đó, khi
dải tỷ lệ giảm, dịch chuyển pha cóthể đạt 1800
. Trong trường hợp nà
y, sai số vàhoạt
động hiệu chỉnh là đối lập để hệ thống bắt đầu dao động.

22. 20
Hì
nh 1.11 Chuyển dịch pha giữa biến vàhoạt động hiệu chỉnh
Hì
nh 1.11 cho thấy sự tăng tần suất dao động của hệ thống (do giảm dải tỷ lệ)
cóthể đem đến hoạt động hiệu chỉnh đối lập với xu hướng của biến. Xem xé
t hệ thống
được thể hiện tại hì
nh 1.12.
Hì
nh 1.12 Hệ thống được điều khiển với độ trễ động học đáng kể
Trong hệ thống nà
y, nhiệt độ của nước chảy trong ống được kiểm soá
t thô
ng
qua việc cho thêm nước nó
ng. Hoạt động hiệu chỉnh ké
o dà
i trong thời gian nước lạnh
hơn chảy qua bì
nh chứa, dẫn đến sự hì
nh thà
nh khu vực nước nó
ng bất thường của
cùng lượng nước như nước lạnh hơn. Sau khoảng thời gian đi hết đường từ chỗ kết
hợp của hai đường ống tới bì
nh chứa nhiệt kế, nước ấm hơn tới bì
nh chứa vàthời gian
nà
y dụng cụ điều khiển phá
t hiện sự chê
nh lệch nhiệt độ của tí
n hiệu đối lập với nhiệt
độ ban đầu. Sau đó, hoạt động hiệu chỉnh điều khiển giảm nước nó
ng dẫn đến sự hì
nh

23. 21
thà
nh của khu vực nước lạnh hơn mới. Do đó, hiện tượng có xu hướng định kỳ và
nhiệt độ được đo bởi bì
nh chứa bắt đầu dao động với tần suất tỷ lệ nghịch với độ trễ
tổng thể của hệ thống. Biên độ dao động cóthể tăng lên, không đổi hoặc có xu hướng
bằng khô
ng tù
y hệ số khuyếch đại của hệ thống cao hơn hoặc thấp hơn 1.
Độ khuyếch đại của hệ thống làtỷ lệ giữa việc sửa đổi được thực hiện trong quá
trì
nh bằng hoạt động hiệu chỉnh vàsự biến thiên được phá
t hiện bởi dụng cụ đo dẫn
đến hoạt động hiệu chỉnh như nhau. Vẫn đề cập đến hệ thống của hì
nh 1.12, độ
khuyếch đại vượt quá1 khi sự biến thiê
n của quátrì
nh do sự biến thiê
n mở van (tức là
,
khu vực kết quả nước ấm hơn) vượt quásự biến thiên được đo bằng bì
nh chứa do khu
vực nước lạnh hơn. Trong trường hợp nà
y bì
nh chứa phá
t hiện có độ lệch vàdẫn đến
độ lệch lớn hơn khi hoạt động hiệu chỉnh. Sau đó đo độ lệch thứ hai nà
y vàdẫn dến
một độ lệch khá
c thậm chí
lớn hơn. Trong trường hợp nà
y biến có xu hướng dao động
với biên độ tăng. Hình 1.13 cho thấy xu hướng của biến trong ba trường hợp dao động
tăng, tĩnh và giảm.
Hì
nh 1.13 Đồ thị dao động của biến điều khiển
Biên độ của dao động khô
ng vượt giới hạn nhất định màcá
c yếu tố giảm xó
c
làm cho độ khuyếch đại thấp hơn 1. Độ khuyếch đại của hệ thống điều khiển làtỷ lệ
giữa hiệu ứng vànguyê
n nhâ
n, phụ thuộc và
o dải tần số của dụng cụ. Nó tăng khi dải
tỷ lệ giảm. Tó
m lại, điều khiển tỷ lệ chỉ cóthể được á
p dụng đối với cá
c hệ thống tại
các điều kiện như sau: độ trễ cà
ng lâ
u, dải tỷ lệ cà
ng rộng để tránh dao động; dải tỷ lệ
cà
ng rộng, độ lệch cà
ng lớn do biến thiê
n tải.

24. 22
1.1.2. Điều khiển tí
ch phâ
n
1.1.2.1. Điều khiển thả nổi
Trong điều khiển đóng – mở, van điều khiển đạt đến vị trí đóng hoặc mở hoà
n
toà
n theo biến cao hơn hoặc thấp hơn điểm đặt và ngược lại. Trong điều khiển thả nổi
như vậy, việc mở van thay đổi liê
n tục theo hướng tại tỷ lệ không đổi, mỗi lần biến
khá
c với điểm đặt.
Trong điều khiển đóng – mở, giátrị cótốc độ dịch chuyển rất nhanh bởi vì
điểm cuối phải đạt sớm nhất cóthể. Ngược lại, điều khiển thả nổi mở hoặc đóng dần
vàtốc độ dịch chuyển của nó không để van đạt đến điểm cuối trước khi khoảng chạy
của nódừng lại do biến quay lại điểm đặt. Lợi thế của điều khiển thả nổi làsự phản
ứng với sự biến thiê
n tải dần dần cóthể xảy ra thô
ng qua sự biến thiê
n của việc mở
van, để khô
ng cho biến lệch khỏi điểm đặt (độ lệch).
1.1.2.2. Hoạt động tí
ch phâ
n
Dụng cụ tiến hành điều khiển tí
ch phâ
n khi sự mở van vàgiátrị sai số tức thời
được liê
n kết thô
ng qua quan hệ được biểu diễn bằng phương trình (1.8)
p = 𝑝0 + f∫ 𝑒𝑑𝑡
𝑡
0
(1.8)
trong đó p và e tương ứng phần trăm mở van vàphần trăm độ lệch của biến được điều
khiển, f làthô
ng số phụ thuộc vào các đặc điểm hoạt động của dụng cụ. Phương trình
(1.8) cho thấy sự biến thiê
n mở của van điều khiển do sai số làtỷ lệ với phạm vi được
phân định bởi trục thời gian và đường cong xác định xu hướng của sai số nà
y với thời
gian. Do đó, giá trị cóthể được giữ tại vị tríkhá
c vị trí ban đầu, biến lại ở trên điểm
đặt và sau đó e = 0.
Điều nà
y cóthể xảy ra nếu:
∫ 𝑒𝑑𝑡
𝑡
0
≠ 0 (1.9)
Phương trình (1.8) biến đổi thà
nh:
fe =
𝑑𝑝
𝑑𝑡
(1.10)
Phương trình (1.10) cho thấy trong điều khiển tích phân, van điều khiển tại tốc
độ tỷ lệ với giátrị tức thời của sai số. Do đó, điều khiển tí
ch phâ
n trù
ng với điều khiển
theo tỷ lệ - tốc độ (thả nổi) được môtả phần trước.Tốc độ dịch chuyển của van điều
khiển tương ứng với giátrị sai số nhất định phụ thuộc và
o hệ số tỷ lệ f.

25. 23
Hì
nh 1.14 Đáp ứng của bộ điều khiển tí
ch phâ
n
Xu hướng thời gian của tí
n hiệu đầu ra của dụng cụ được xác định bằng phương
trì
nh (1.8).Tại cù
ng một thời điểm khi sự biến thiê
n nà
y cóhiệu quả, van điều khiển
bắt đầu mở với tốc độ màgiátrị của nócóthể được tính thông qua phương trình (1.10).
Tốc độ này được giữ không đổi trong toà
n bộ thời gian khi sai số không đổi. Sau đó,
việc mở van tiếp tục tăng đều với xu hướng thẳng. Van điều khiển về vị trí ban đầu sau
khi cómột sai số khá
c cótí
n hiệu đối lập vàgiátrị như vậy màphạm vi được phâ
n
định bằng trục thời gian và đường cong sai số - thời gian tương ứng với độ lệch đầu
tiê
n của biến.
Tuy nhiê
n tham khảo hì
nh 1.14: tỷ lệ P/(TA) tương ứng tỷ lệ thả nối của điều
khiển tích phân. Nó được biểu diễn chung bằng phần trăm toàn bộ khoảng chạy của
van mỗi phú
t (P/T) tại sự biến thiê
n phần trăm của biến (A), đối với toà
n bộ khoảng
hoạt động cuả dụng cụ. Cóthể dễ dà
ng nhận thấy rằng tỷ lệ thả nổi của điều khiển tí
ch
phâ
n trù
ng với hệ số f của phương trình (1.8).Ngoài ra, hình 1.14 cho thấy sai số cóxu
hướng hì
nh sin, tốc độ biến thiê
n của tí
n hiệu đầu ra tỷ lệ với sai số vàthí
ch ứng pha
với nó
, trong khi đó biên độ của tí
n hiệu đầu ra có độ trễ pha 900
.
1.1.2.3. Đáp ứng của hệ thống điều khiển tí
ch phâ
n
Trong quátrì
nh điều khiển tỷ lệ, hệ thống cóthể đạt điều kiện câ
n bằng màbiến
được điều khiển khá
c với điểm đặt phụ thuộc và
o giátrị biến thiê
n tải và biên độ dải tỷ
lệ của dụng cụ. Hoạt động hiệu chỉnh của bộ điều khiển theo tỷ lệ cótá
c dụng khi độ
mở van đáp ứng yê
u cầu phương trình (1.6) tương ứng đường tải. Khi điều kiện nà
y
đạt, hoạt động hiệu chỉnh sẽ dừng.
Ngược lại, trong điều khiển tích phân, độ mở van tiếp tục thay đổi theo phương
trì
nh (1.10) tới khi sai số được triệt tiêu. Do đó, điều kiện câ
n bằng cóthể xảy ra trong
hệ thống tương ứng với sai số khô
ng. Hoạt động hiệu chỉnh cótá
c dụng cho tới khi

26. 24
điều kiện này đạt. Van điều khiển tiếp tục thay đổi độ mở của nó
, chỉ dừng khi giátrị
biến trùng điểm đặt.
Hì
nh 1.15 cho thấy đặc điểm đáp ứng của quá trình được cung cấp bằng bộ điều
khiển tích phân trong trường hợp tiê
u biểu sự biến thiên bước của tải.
Hì
nh 1.15 Đáp ứng quátrì
nh bằng điều khiển tí
ch phâ
n
Hì
nh 1.15 chỉ ra tỷ lệ thả nổi của dụng cụ càng cao thì xu hướng sinh ra dao
động của hệ thống cà
ng mạnh. Trê
n thực tế, khi tỷ lệ thả nổi tăng, hoạt động hiệu
chỉnh trở nên rõ hơn và sự điều khiển tí
ch phâ
n ngà
y cà
ng giống với điều khiển đóng –
mở. Tỷ lệ thả nổi cólợi vànócóthể được sử dụng khi tỷ lệ phản ứng của quátrì
nh cao
và độ trễ ngắn.Thông thường sử dụng giátrị tỷ lệ thả nổi màcóthể gâ
y ra sự tắt dần
chậm của đặc điểm đáp ứng; biến cóthể quay lại điểm đặt trong thời gian ngắn và
khô
ng cónhiều dao động.
Điều khiển tích phân thường được kết hợp với cá
c loại điều khiển khá
c. Điều
khiển nà
y được sử dụng trong quátrì
nh với độ trễ ngắn vàtốc độ đáp ứng cao, sự biến
thiê
n tải nhỏ vàdần dần. Ngược lại, khi cá
c biến thiên này có đỉnh cao, hoạt động hiệu
chỉnh thấp vàsai số sẽ ké
o dà
i.
1.1.2.4. Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n
Điều khiển tí
ch phâ
n cólợi thế làloại bỏ độ lệch của biến do ké
o dà
i cá
c biến
thiê
n tải trong quátrì
nh. Mặt khá
c, cá
c tác động của điều khiển nà
y trở nê
n cóhiệu
quả với độ trễ nhất định. Khi biến chịu sự mất câ
n bằng, tí
n hiệu tí
ch phâ
n sinh bởi
dụng cụ bắt đầu thay đổi bởi sự mở dần van. Van nà
y di chuyển cà
ng nhanh thì
sự mất
câ
n bằng cà
ng cao; tuy nhiê
n, trong những thời điểm đầu tiê
n, sự can thiệp của nó
khô
ng thể hiệu chỉnh sự mất câ
n bằng đáng kể. Điều khiển tí
ch phâ
n chỉ cóhiệu quả
sau một thời gian nhất định vàtiếp tục tiến hà
nh hoạt động hiệu chỉnh tới khi độ lệch
được triệt tiê
u hoà
n toà
n.

27. 25
Trong điều khiển tỷ lệ, tốc độ dịch chuyển của van điều khiển tỷ lệ với tốc độ
biến thiê
n sai số theo phương trình (1.7). Nếu biến lệch khỏi điểm đặt, hoạt động hiệu
chỉnh phải nhanh. Ngược lại, trong điều khiển tí
ch phâ
n, tốc độ dịch chuyển của van tỷ
lệ thuận với giátrị sai số, hoạt động hiệu chỉnh cóhiệu quả khi cósai số nhất định. Khi
cả hai hoạt động điều khiển được thê
m và
o, kết quả điều khiển được đặc trưng bởi độ
nhanh và độ ổn định của điều khiển tỷ lệ, bê
n cạnh đảm bảo sự trù
ng khớp của điểm
điều khiển với điểm đặt (điều khiển tí
ch phâ
n).
Trong bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n, mối quan hệ liê
n kết độ mở
của van điều khiển vàsai số được biểu diễn qua phương trình sau:
p = 𝑝0 +
𝑒
𝑏
+ h∫ 𝑒𝑑𝑡
𝑡
0
(1.11)
Trong đó số hạng
𝑒
𝑏
đại diện điều khiển theo tỷ lệ, ∫ 𝑒𝑑𝑡
𝑡
0
tương ứng điều khiển tí
ch
phâ
n.
Hì
nh 1.16 thể hiện đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n khi
biến chịu độ lệch bước từ điểm đặt.
Hì
nh 1.16 Đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n
Hì
nh 1.16 thể hiện sự thay đổi vị trícủa van tương ứng do điều khiển tỷ lệ và
tí
ch phâ
n riê
ng biệt vàtừ hai hoạt động kết hợp.
Trong loại bộ điều khiển này, cường độ của hoạt động tích phân được biểu diễn
bằng tỷ lệ đặt lại. Tỷ lệ nà
y làkết quả của tỷ lệ giữa sự dịch chuyển của van điều khiển
theo đơn vị thời gian (do điều khiển tí
ch phâ
n) vàsự thay đổi tương ứng về vị trí
van
(do điều khiển theo tỷ lệ). Trong trường hợp được thể hiện hì
nh 1.16, tỷ lệ đặt lại bằng

28. 26
với P(BT). Nóchỉ ra số lần thay đổi vị trícủa phần tử điều khiển cuối cù
ng do hoạt
động tí
ch phâ
n (P), lặp lại do điều khiển theo tỷ lệ (B). Do đó, tỷ lệ đặt lại thường
được biểu diễn theo số lần lặp lại mỗi phú
t. Tỷ lệ đặt lại của bộ điều khiển theo tỷ lệ
kết hợp tí
ch phâ
n xác định dốc đường cong của tí
n hiệu đầu ra vàkhô
ng phụ thuộc độ
lệch biến vàbiên độ dải tỷ lệ.
Trong hì
nh 1.16 chỉ ra hằng số h trong phương trình (1.11) tương ứng với:
ℎ =
𝑟
𝑏
(1.12)
trong đó r là tỷ lệ đặt lại (số lần lặp mỗi phú
t) vàb làdải tỷ lệ của dụng cụ
Hì
nh 1.16 thể hiện:
𝑝1 = 𝑝0 +
𝐸
𝑏
(1.13)
Áp dụng vào phương trình (1.11):
𝑝2 = 𝑝1 + hEt (1.14)
Theo định nghĩa, tỷ lệ đặt lại được biểu diễn như sau:
r =
𝑝2− 𝑝1
(𝑝1− 𝑝0)𝑡
(1.15)
Nếu cá
c giátrị (𝑝2 − 𝑝1) và(𝑝1 − 𝑝0) có được qua phương trình (1.14) và(1.13)
được thay đổi trong phương trình (1.15), kết quả sẽ là
:
r = bh (1.16)
bắt nguồn từ phương trình (1.12).
Do đó, phương trình của bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n cóthể được viết:
p = 𝑝0 +
𝑒
𝑏
+
𝑟
𝑏
∫ 𝑒𝑑𝑡
𝑡
0
(1.17)
1.1.2.5. Đáp ứng của hệ thống điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n
Hì
nh 1.17 làsự biểu diễn bằng đồ thị về sự đáp ứng của hệ thống điều khiển
theo tỷ lệ kết hợp tích phân đối với sự biến thiên bước của tải. Nếu dải tỷ lệ vàtỷ lệ đặt
lại của dụng cụ được đặt đúng, hoạt động hiệu chỉnh sẽ nhanh chó
ng là
m biến trù
ng
với điểm đặt thông qua xu hướng giống như đường cong (b).

29. 27
Hì
nh 1.17 Đáp ứng quátrì
nh với điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n
Đường cong (c) cho thấy bộ phận của van điều khiển do điều khiển theo tỷ lệ,
trong khi đường cong (d) cho thấy bộ phận của van điều khiển do điều khiển tí
ch phâ
n.
Việc thêm hai đường cong (c) và (d) đưa đến sự di chuyển toà
n bộ của van điều khiển
theo hoạt động tỷ lệ vàtí
ch phâ
n – đường cong (e).
Điều khiển theo tỷ lệ - đường cong (c) – mở rộng sự mở van điều khiển khi biến
có xu hướng giảm; khi biến có xu hướng tăng, sự mở van giảm. Nhưng điều khiển nà
y
khô
ng cóhiệu quả khi xác định vị trí
cuối cù
ng của van bởi vì
hoạt động của nóbị hủy
bỏ khi độ lệch của biến bằng khô
ng. Hoạt động tí
ch phâ
n – đường cong (d) – là
m tốc
độ dịch chuyển của van điều khiển tỷ lệ với sai số. Nómở van cho tới khi giátrị biến
vượt quá điểm đặt và đóng van khi giá trị nà
y thấp hơn. Van duy trì
tại vị trí tương ứng
với giátrị tải mới của quátrì
nh. Theo cá
ch nà
y, biến được điều khiển quay về điểm đặt.
Hoạt động tích phân được thêm vào điều khiển theo tỷ lệ chủ yếu do tí
nh chất triệt tiê
u
độ lệch của nó. Điều nà
y tự động gâ
y ra sự đặt lại biến về điểm đặt. Bộ điều khiển tỷ lệ
kết hợp tích phân cũng được gọi làbộ điều khiển đặt lại tự động. Bởi vì đáp ứng của
hệ thống điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n làkết quả của cá
c hoạt động kết hợp
cả hai loại điều khiển nà
y nê
n nóphụ thuộc và
o cá
c giátrị đặt trước của dải tỷ lệ vàtỷ
lệ đặt lại.
Hì
nh 1.18 vàhì
nh 1.19 chỉ ra đặc điểm đáp ứng khi một trong hai đại lượng
thay đổi.

30. 28
Hì
nh 1.18 Tác động tỷ lệ đặt lại đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n
Hì
nh 1.19 Tác động biên độ dải tỷ lệ đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ + tí
ch phâ
n
Tăng tỷ lệ đặt lại vàgiảm dải tỷ lệ gâ
y ra sự tăng dao động. Điều khiển tí
ch
phâ
n lặp lại tác động của hoạt động theo tỷ lệ trong toà
n bộ thời gian khi cósai số xảy
ra. Nếu nếu dải tỷ lệ rộng, vị trí
của van điều khiển chịu biến thiê
n nhẹ do điều khiển
theo tỷ lệ và van được điều khiển được đặt lại chậm về điểm đặt. Trong trường hợp
này, điều khiển tích phân làm tăng tốc độ quay về của biến vàviệc đặt lại này đôi khi
gây ra các dao động vàsẽ không được sinh ra với hoạt động theo tỷ lệ.
Trong bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n, vị trícủa phần tử điều khiển
cuối cù
ng khô
ng chỉ phụ thuộc vào biên độ màcò
n phụ thuộc và
o sự kéo dài độ lệch
của biến từ điểm đặt; do đó, hoạt động hiệu chỉnh cuối cù
ng cóthể quámức khi việc
đặt lại biến bị chậm do sự chậm trễ hoặc thời gian chết của hệ thống.Trê
n thực tế, bởi
vì
sự mất câ
n bằng xảy ra giữa biến và điểm đặt nên van điều khiển ngay lập tức thay
đổi độ mở cho tới khi biến trùng điểm đặt. Nếu hệ thống bị chậm trễ thì xu hướng của

31. 29
biến sẽ theo sự dịch chuyển của van cósự chậm trễ; do đó, khi sai số bị triệt tiêu, độ
mở của van vượt quágiátrị tương ứng với điều kiện câ
n bằng mới. Trong cá
c quá
trì
nh cósự chậm trễ, việc thê
m một điều khiển tí
ch phâ
n cho hoạt động tỷ lệ sẽ tạo ra
các dao động. Điều nà
y cóthể tránh được thô
ng qua việc là
m chậm hoạt động hiệu
chỉnh được thực hiện tại tỷ lệ hồi tiếp của quá trình. Điều nà
y cóthể đạt được thô
ng
qua việc mở rộng dải tỷ lệ vàgiảm tỷ lệ đặt lại. Nhưng theo cách này, biến đặt lại
chậm về điểm đặt vàhệ thống khô
ng cò
n hoạt động tốt. Khi đó, nếu độ lệch của biến
được điều khiển từ điểm đặt vẫn tồn tại trong thời gian dài thì van điều khiển cóthể
đạt vị trí
giới hạn vàngừng đóng hoặc mở hoà
n toà
n. Từ thời điểm nà
y trở đi, hệ thống
ngừng hoạt động điều khiển. Tí
n hiệu đầu ra không thay đổi cho tới khi biến đi qua
phía bên kia điểm đặt.
Tó
m lại, điều khiển tỷ lệ kết hợp tí
ch phâ
n cóthể được sử dụng tốt hơn trong
cá
c quátrì
nh với cá
c biến thiê
n tải rộng và thường xuyê
n vìnócung cấp phản ứng
hiệu quả cho những thay đổi giữ biến được điều khiển trên điểm đặt. Tuy nhiê
n, hoạt
động của nókhô
ng hoà
n toà
n tốt khi cósự trễ đáng kể.
1.1.3. Điều khiển vi phâ
n
1.1.3.1. Hoạt động vi phâ
n
Điều khiển theo tỷ lệ vàtí
ch phâ
n khótiến hà
nh trong quátrì
nh cótrễ ké
o dà
i.
Khi cótrễ, cá
c dải tỷ lệ rộng vàtỷ lệ đặt lại chậm phải được sử dụng để tránh dao động
quámức trong hệ thống. Trong các điều kiện nà
y, khi một số biến thiê
n tải xảy ra
trong quátrì
nh, dải tỷ lệ rộng gây ra độ lệch đáng kể của biến từ điểm đặt. Tuy nhiê
n,
những độ lệch nà
y chỉ được loại bỏ sau một thời gian nhất định do tỷ lệ đặt lại chậm.
Các bài toán liên quan đến điều khiển trong cá
c tì
nh huống này được giải thô
ng
qua một chế độ hoạt động khá
c của bộ điều khiển tự động, tức làthô
ng qua hoạt động
vi phân. Đặc điểm chí
nh của loại hoạt động nà
y bao gồm trong mối quan hệ tuyến tí
nh
của tỷ lệ giữa tí
n hiệu đầu ra vàtốc độ biến thiê
n của sai số đầu vào được thực hiện
thô
ng qua dụng cụ điều khiển. Mối quan hệ này được biểu diễn bằng phương trình
(1.18):
p = 𝑝0 + m
𝑑𝑒
𝑑𝑡
(1.18)
trong đó p và e tương ứng độ mở của van điều khiển (bằng phần trăm) và phần trăm
sai số của biến; m làhệ số tỷ lệ.
Phương trình (1.18) cho thấy khô
ng cóhoạt động hiệu chỉnh nào được thực
hiện trong điều khiển vi phâ
n tới khi sai số được giữ không đổi. Trong loại điều khiển
nà
y, hoạt động hiệu chỉnh hiệu quả khi độ lệch biến thay đổi, tức làkhi
𝑑𝑒
𝑑𝑡
khá
c 0.

32. 30
Hì
nh 1.20 chỉ ra đặc điểm đáp ứng của bộ điều khiển vi phân đối với hai tí
n
hiệu đầu và
o màmột tí
n hiệu của nólàhì
nh sin. Trong trường hợp nà
y, tí
n hiệu đầu ra
làsó
ng sin cógó
c nghiê
ng 900
đối với tí
n hiệu đầu và
o.
Hì
nh 1.20 Đáp ứng của bộ điều khiển vi phâ
n
Tốc độ dịch chuyển của phần từ điều khiển cuối cù
ng cóthể được tì
m thô
ng
qua sự phâ
n hó
a của phương trình (1.18):
𝑑𝑝
𝑑𝑡
= m
𝑑2𝑒
𝑑𝑡2
(1.19)
1.1.3.2. Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phâ
n
Cá
c dụng cụ điều khiển khô
ng bao giờ chỉ sử dụng hoạt động vi phâ
n, bởi vì
nó
khô
ng cóbất kỳ phản ứng nà
o với độ lệch không đổi của biến. Hoạt động vi phâ
n
thường được kết hợp với các điều khiển theo tỷ lệ vàtí
ch phâ
n.
Phương trình của bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân có được thô
ng qua sự kết
hợp của phương trình (1.6) và (1.18):
p = 𝑝0 +
𝑒
𝑏
+ m
𝑑𝑒
𝑑𝑡
(1.20)
Hì
nh 1.21 thể hiện sự đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phâ
n
tương ứng phương trình (1.20), với đường cong sai số nhất định.

33. 31
Hì
nh 1.21 Sự đáp ứng bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phâ
n
Khi cósai số vàbiến bắt đầu lệch khỏi điểm đặt, hoạt động dẫn xuất gâ
y ra sự
dịch chuyển nhanh của van điều khiển vượt quágiátrị cóthể nhận được thô
ng qua
điều khiển theo tỷ lệ. Sự mở van cung cấp quátrì
nh với hoạt động hiệu chỉnh mạnh mẽ
ban đầu ngay lập tức chống lại độ lệch của biến từ điểm đặt. Sau đó, do tốc độ tăng
của sai số giảm nê
n hoạt động dẫn xuất mất dần cho đến khi nóhoà
n toà
n bị triệt tiê
u
khi sai số không đổi. Từ bâ
y giờ trở đi, dụng cụ điều khiển hoạt động chỉ với dải theo
tỷ lệ. Sự can thiệp nhanh chó
ng của hoạt động vi phâ
n gâ
y ra việc mở van điều khiển
sớm. Tại thời điểm t1 hì
nh 1.21, điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phâ
n là
m mở van (p1)
bằng với mở van tương ứng với điều khiển theo tỷ lệ tại thời điểm t2, tức làsau
khoảng thời gian (t2-t1).
Hệ số tỷ lệ m của phương trình (1.18) biểu diễn giátrị của hoạt động vi phâ
n
thường được viết như sau:
m =
𝑞
𝑏
(1.21)
Trong đó b là dải tỷ lệ của dung cụ và q là đại lượng đặc trưng gọi làthời gian tỷ lệ.
Thô
ng số này được biểu diễn bằng đơn vị thời gian vàgiátrị của nócho thấy tầm quan
trọng của hoạt động vi phâ
n từ quan điểm định lượng.
Ý nghĩa của thời gian tỷ lệ cóthể được hiểu tốt hơn nếu trường hợp sai số thay đổi liê
n
tục với xu hướng tuyến tí
nh, tức là
:
m =
𝑞
𝑏
(1.21)
Đá
p ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ vàbộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân được
biểu diễn bằng các phương trình (1.18) và (1.20), trong đó e = kt và
𝑑𝑒
𝑑𝑡
= k:

34. 32
p = 𝑝0 +
𝑘𝑡
𝑏
(1.22)
p = 𝑝0 +
𝑘𝑡
𝑏
+ mk (1.23)
Các phương trình (1.22) và (1.23) được trì
nh bà
y bằng đồ thị thô
ng qua hì
nh
1.22, trong đó thời gian được tí
nh kể từ thời điểm khi biến bắt đầu lệch khỏi giátrị
được xem xé
t.
Hì
nh 1.22 Thời gian tỷ lệ
Thời gian cần thiết để van điều khiển nhận được giátrị mở nhất định 𝑝∗
được tí
nh
trong hai trường hợp thông qua các phương trình (1.21) và (1.22), trong đó:
p + 𝑝∗
và𝑝0 = 0
𝑝∗
=
𝑘𝑡2
𝑏
(1.24)
𝑝∗
=
𝑘𝑡1
𝑏
+ mk (1.25)
Từ hai phương trình (1.24) và (1.25), ta có:
𝑡1 - 𝑡2 = mb (1.26)
Cuối cù
ng, kết quả là
:
m =
𝑡2−𝑡1
𝑏
(1.27)
So sánh phương trình (1.18) với phương trình (1.21), có thể nhận thấy:
q = 𝑡1 - 𝑡2 (1.28)
Thời gian tỷ lệ q biểu diễn khoảng thời gian của điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi
phân trên điều khiển theo tỷ lệ. Thời gian tỷ lệ q cũng biểu diễn khoảng thời gian của
điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phâ
n khi gấp đôi sự dịch chuyển của van gâ
y ra chỉ bởi
điều khiển tỷ lệ. Thời gian tỷ lệ cóthể được đặt trong dụng cụ tại giátrị phùhợp nhất
với thời gian chậm trễ của hệ thống.

35. 33
Thay m từ phương trình (1.21) được thay thế trong phương trì
nh (1.20) thìkết
quả sẽ là
:
p = 𝑝0 +
𝑒
𝑏
+
𝑞
𝑏
+
𝑑𝑒
𝑑𝑡
(1.29)
Hoạt động vi phân có tác động giảm chấn lên các dao động của biến xung
quanh điểm đặt. Hoạt động nà
y chống lại bất kỳ thay đổi hướng nà
o của biến để xu
hướng của nóluô
n song song với trục thời gian.
Trê
n thực tế, xem xét trường hợp điều khiển nhiệt độ được thực hiện thô
ng qua
một biến thí
ch hợp của vận tốc dò
ng chảy của chất lỏng gia nhiệt. Theo định nghĩa sai
số, nócóthể biểu diễn như sau:
e = n (𝜃0 – 𝜃) (1.30)
trong đó𝜃0 là điểm đặt nhiệt độ, 𝜃 làgiátrị tức thời vàn làhệ số tỷ lệ tương ứng với
nghịch đảo của khoảng hoạt động của dụng cụ.
Phương trình (1.30) được vi phâ
n, kết quả sẽ là
:
𝑑𝑒
𝑑𝑡
= -n
𝑑𝜃
𝑑𝑡
(1.31)
Tốc độ dò
ng chảy của chất lỏng gia nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng, trong khi
chúng tăng khi nhiệt độ giảm. Điều nà
y khô
ng phụ thuộc và
o vị trí
của giátrị tức thời
𝜃 đối với điểm đặt.
Hì
nh 1.23 thể hiện hướng của hoạt động vi phâ
n trong suốt dao động của biến.
Hì
nh 1.23 Tác động của hoạt động vi phâ
n
1.2. Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID
1.2.1. Phương pháp Ziegler – Nichols
Phương pháp Ziegler – Nichols là phương pháp thực nghiệm xác định tham số
bộ điều khiển P, PI, PID bằng cá
ch dự vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển.

36. 34
Tùy theo đặc điểm từng đối tượng, Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp lựa
chọn tham số của bộ điều khiển.
 Phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất
Phương pháp này áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tí
n hiệu và
o là
hà
m nấc códạng chữ S như nhiệt độ lò
, tốc độ động cơ…
Hì
nh 1.24 Đáp ứng nấc của hệ hở códạng S
Thô
ng số của cá
c bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:
Bảng 1.1 Cá
c tham số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất
Thô
ng số
Bộ điều khiển
𝑘𝑃 𝑇𝐼 𝑇𝐷
P 𝑇2/(k𝑇1) - -
PI 0.9𝑇2/(k𝑇1) 𝑇1/0.3 -
PID 1.2𝑇2/(k𝑇1) 2𝑇1 0.5𝑇1
 Phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai
Phương pháp này áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất
lỏng trong bồn chứa, vị tríhệ truyền động dùng động cơ…Đáp ứng quá độ của hệ hở
của đối tượng tăng đến vôcù
ng. Phương pháp này được thực hiện như sau:
w e u y
Hì
nh 1.25 Xác định hằng số khuyếch đại tới hạn
𝑘𝑡ℎ
Đối tượng
điều khiển

37. 35
- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kí
n bằng bộ khuyếch đại hì
nh 1.26.
- Tăng hệ số khuyếch đại tới giátrị tới hạn 𝑘𝑡ℎ để hệ kí
n ở chế độ biê
n ổn
định, tức h(t) códạng dao động điều hò
a.
- Xác định chu kỳ 𝑇𝑡ℎ của dao động.
Hì
nh 1.26 Đáp ứng nấc của hệ kí
n khi k=𝑘𝑡ℎ
Thô
ng số của bộ điều khiển được xác định theo bảng sau:
Bảng 1.2 Cá
c tham số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai
Thô
ng số
Bộ điều khiển
𝑘𝑃 𝑇𝐼 𝑇𝐷
P 0.5𝑘𝑡ℎ - -
PI 0.45𝑘𝑡ℎ 0.85𝑇𝑡ℎ -
PID 0.6𝑘𝑡ℎ 0.5𝑇𝑡ℎ 0.125𝑇𝑡ℎ
1.2.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick
Phương pháp này cũng áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tí
n hiệu
và
o làhà
m nấc códạng chữ S như hình 1.27 và có thêm điều kiện:
𝑏
𝑎
> 3 (1.32)
Hì
nh 1.27 Đáp ứng nấc của hệ thí
ch hợp theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick

38. 36
- Yê
u cầu tối ưu theo nhiễu vàhệ kí
n khô
ng có độ quá điều khiển:
Bảng 1.3 Cá
c tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 1
Thô
ng số
Bộ điều khiển
𝑘𝑃 𝑇𝐼 𝑇𝐷
P 3b/10ak - -
PI 6b/10ak 4a -
PID 19b/20ak 12a/5 21a/50
- Yê
u cầu tối ưu theo nhiễu vàhệ kín có độ quá điều chỉnh ∆ℎ không vượt
quá20% so với ℎ∞ = lim
𝑡→∞
ℎ(𝑡):
Bảng 1.4 Cá
c tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 2
Thô
ng số
Bộ điều khiển
𝑘𝑃 𝑇𝐼 𝑇𝐷
P 7b/10ak - -
PI 7b/10ak 23a/10 -
PID 6b/5ak 2a 21a/50
- Yê
u cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước vàhệ kín không có độ quá điều chỉnh:
Bảng 1.5 Cá
c tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 3
Thô
ng số
Bộ điều khiển
𝑘𝑃 𝑇𝐼 𝑇𝐷
P 3b/10ak - -
PI 7b/20ak 6b/5 -
PID 3b/5ak B a/2
- Yê
u cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước vàhệ kín có độ quá điều chỉnh ∆ℎ
không vượt quá20% so với ℎ∞ = lim
𝑡→∞
ℎ(𝑡):

39. 37
Bảng 1.6 Cá
c tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 4
Thô
ng số
Bộ điều khiển
𝑘𝑃 𝑇𝐼 𝑇𝐷
P 7b/10ak - -
PI 6b/5ak B -
PID 19b/20ak 27b/20 47a/100
1.2.3. Phương pháp lấy giátrị bằng phần mềm
Phương pháp này sử dụng cá
c cô
ng cụ phần mềm như Matlab, Labview… để
lấy cá
c giátrị 𝐾𝑃, 𝑇𝐼, 𝑇𝐷. Ưu điểm phương pháp là điều chỉnh chắc chắn, cho phé
p
người dù
ng cóthể môphỏng hệ thống bằng đồ thị. Điều này giúp người thiết kế cóthể
tối ưu hóa việc điều chỉnh giátrị.
1.3. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển
1.3.1. Sai số xá
c lập
Sai số làsai lệch giữa tí
n hiệu đặt vàtí
n hiệu hồi tiếp.
𝑒(𝑡) = 𝑟(𝑡) − 𝑐ℎ𝑡(𝑡) ↔ 𝐸(𝑠) = 𝑅(𝑠) − 𝐶ℎ𝑡(𝑠)
Hì
nh 1.28 Hệ thống hồi tiếp â
m
Sai số xá
c lập làsai số hệ thống ở trạng thá
i xá
c lập, đặc trưng độ chí
nh xá
c.
𝑒𝑥𝑙 = lim
t→∞
e(t) ↔ 𝑒𝑥𝑙 = lim
s→0
sE(s)

40. 38
Hì
nh 1.29 Sai số xá
c lập
1.3.2. Đáp ứng quá độ
Hiện tượng vọt lố làhiện tượng đáp ứng của hệ thống vượt quágiátrị xá
c lập của nó
.
Hì
nh 1.30 Hiện tượng vọt lố
Độ vọt lố (Percent of Overshoot – POT): làsai lệch giữa giátrị cực đại vàgiá
trị xá
c lập của đáp ứng.
𝑃𝑂𝑇 =
𝐶𝑚𝑎𝑥 − 𝐶𝑥𝑙
𝐶𝑥𝑙
100%
Hì
nh 1.31 Độ vọt lố
Thời gian quá độ (𝑡𝑞đ) làthời gian cần thiết để sai lệch giữa đáp ứng của hệ
thống vàgiátrị xá
c lập của nó không vượt quá𝜀%, thường 2% hoặc 5%.

41. 39
Hì
nh 1.32 Thời gian quá độ
Thời gian lê
n (𝑡𝑟) làthời gian cần thiết để đáp ứng hệ thống tăng từ 10% đến
90% giátrị xá
c lập của nó
.
Hì
nh 1.33 Thời gian lê
n
Tổng kết lại, chương 1 đã đưa ra những kiến thức chung nhất về bộ điều khiển
PID; sự kết hợp giữa cá
c thà
nh phần P, I, D. Đồng thời đưa ra một số phương pháp xác
định thô
ng số và đánh giá chất lượng điều khiển PID.

42. 40
2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT MÔ HÌ
NH VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG HỆ
THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ NƯỚC
2.1. Cấu tạo vànguyê
n lýhoạt động thiết bị điều khiển nhiệt độ RYC-TAG
2.1.1. Cấu tạo
RYC-TAG làmô
–đun ứng dụng điều khiển PID được thiết kế bởi EDIBON. Nó
cho phé
p nghiê
n cứu về kiểm soá
t nhiệt độ trong bể chứa nước. Mô
–đun gồm hai
thà
nh phần: hệ thống bể chứa vàhộp giao diện điều khiển.
Hì
nh 2.1 Mô
–đun RYC-TAG [12, pp.2]
Hệ thống bể chứa gồm cá
c cảm biến vàbộ truyền động như cảm biến nhiệt, đồng hồ
đo lưu lượng, bơm nước…
Hộp giao diện điều khiển chứa cá
c thà
nh phần cần thiết như nguồn cấp, chuyển đổi tí
n
hiệu…
Trong phạm vi thực nghiệm của nghiê
n cứu, chất lỏng được sử dụng là nước.
 Hệ thống bể chứa gồm:
- Cảm biến nhiệt độ nước nó
ng (ST-1): đo nhiệt độ nước nó
ng đầu và
o bộ
trao đổi nhiệt.
- Cảm biến nhiệt độ nước lạnh (ST-2): đo nhiệt độ nước trong lối thoá
t
nước lạnh. Nó được sử dụng bởi bộ điều khiển điều chỉnh nhiệt độ nước
lạnh.
- Bộ trao đổi nhiệt: thiết bị truyền nhiệt giữa dò
ng nó
ng vàlạnh.

43. 41
- Van điện tử tỷ lệ: được điều khiển bởi bộ điều khiển nhiệt độ tại lối thoá
t
nước.
- Bể chứa: được sử dụng chứa nước nó
ng.
- Bơm: dùng bơm nước nó
ng từ bể chứa đến bộ trao đổi nhiệt.
- Van tay: đảm bảo nguồn nước luô
n được luâ
n chuyển.
- Van điều tiết: van nằm trong khu vực nước lạnh để điều chỉnh lưu lượng
nước phùhợp.
- Lưu lượng kế: đo lưu lượng nước lạnh đầu và
o bộ trao đổi nhiệt. Nó
được sử dụng đảm bảo dòng nước lạnh chí
nh xá
c.
- Thà
nh phần là
m nó
ng: sử dụng để tăng nhiệt độ nước trong bể chứa. Bể
chứa làbể chứa nước nó
ng.
- Má
y bơm và hộp điều khiển: có hai điều khiển kí
ch hoạt bơm và thành
phần là
m nó
ng.
Hì
nh 2.2 Mô
–đun kiểm soá
t nhiệt độ chất lỏng
 Hộp giao diện điều khiển gồm:
- Khối cấp nguồn
- Cô
ng tắc nguồn
- Đầu và
o ST-1 vàST-2
- Bộ chọn cảm biến nhiệt độ vàmà
n hì
nh: hiển thị nhiệt độ cảm biến.

44. 42
- Nguồn cung cấp thà
nh phần là
m nó
ng
- Ổ cắm AVP-1, ST-1, ST-2.
Hì
nh 2.3 Cấu tạo hộp giao diện điều khiển
 Thô
ng số kỹ thuật:
- Bể chứa nước lạnh đầu và
o: khoảng 3 lí
t.
- Bể chứa: khoảng 15 lí
t.
- Bể điều khiển nhiệt độ: khoảng 1.9 lí
t.
- Bộ chuyển đổi: bộ cảm biến chuyển đổi ON/OFF.
- Bơm nước: lưu lượng nước tối đa 8 lít/phút.
- Điện áp điều khiển đầu vào: 0 đến 3V.
- Đồng hồ đo tương tự: phạm vi 0 đến 2 lí
t /phú
t.
- Cảm biến nhiệt độ: loại nhiệt kế J, đầu ra 0.1V/℃
- Van điện tử: điện áp đầu ra 0 đến 3V, độ mở van 0 đến 100%.
- Bộ phận là
m nó
ng: cô
ng suất 1500W, điện áp đầu và
o +/-10V.
- Kích thước: 900x900x700 mm.
- Trọng lượng: 50kg.
- Điện á
p 220V/110V AC, 50/60 Hz.
2.1.2. Nguyê
n lýhoạt động
Thiết bị gồm hai phần: khối thiết bị chí
nh vàbộ trao đổi nhiệt.Bộ thiết bị trao đổi
nhiệt của EDIBON cho phé
p nghiê
n cứu về sự trao đổi nhiệt giữa cá
c dò
ng trong thiết
bị.

45. 43
 Khối thiết bị chí
nh thực hiện cá
c nhiệm vụ sau:
- Cung cấp nguồn nước nó
ng.
- Đo các nhiệt độ dò
ng nước nó
ng vàlạnh.
- Bơm nước nó
ng.
 Bộ trao đổi nhiệt: cho phép đo nhiệt độ nó
ng vàlạnh tại cá
c thời điểm khá
c
nhau, tại đầu vào và đầu ra của bộ trao đổi nhiệt.
Hệ thống có hai dòng nước nó
ng vàlạnh được tạo bởi bơm nước, hệ thống
đường ống vàbể chứa nước.
Cá
c thà
nh phần trên dòng nước nó
ng
Dòng nước nó
ng chảy trong một sơ đồ kí
n. Một thà
nh phần làm nóng được đặt
ngập trong bể nước đến một nhiệt độ nhất định (ST-1). Nước nóng đi ra khỏi bể và
được bơm đưa tới bộ trao đổi nhiệt. Một lượng nước sẽ đi vào bộ trao đổi nhiệt. Nước
được là
m má
t khi qua bộ trao đổi nhiệt và đi qua cảm biến lưu lượng dòng nước nó
ng.
Sau đó nước được hồi lưu lại bể đun nước nóng để bắt đầu chu trì
nh mới. Hoạt động
nà
y diễn ra tuần tự vàlặp lại tạo nên dòng nước nóng được vận hà
nh liê
n tục.
Hình 2.4 Mô hình dòng trao đổi nhiệt

46. 44
Cá
c thà
nh phần trên dòng nước lạnh
Nước lạnh được đưa vào từ bể chứa bê
n ngoà
i mô
–đun, qua van điều chỉnh lưu
lượng. Sau đó nó đi qua cảm biến về nhiệt độ ST-2 vàtiếp tục đi đến bộ trao đổi nhiệt,
được nó
ng lê
n. Nước sau khi qua bộ trao đổi nhiệt và được dẫn ra thoá
t ra khỏi hệ
thống. Cómột thiết bị đo lưu lượng dò
ng chảy, một van tay để điều chỉnh dòng nước.
2.2. Mô
–đun RYC
RYC làmột mô
–đun điều khiển được thiết kế bởi EDIBON. Nócho phé
p người
dù
ng hiểu về hệ thống tí
ch hợp, hệ thống bậc nhất, hệ thống bậc hai, nguyê
n lýhoạt
động bộ điều khiển PID,…
Hì
nh 2.5 Mô
–đun RYC [11, pp.2]
RYC gồm cá
c mô
–đun:
- Tí
n hiệu tham khảo: gồm 5 loại tí
n hiệu khá
c nhau
 Bước: biên độ 0-5V, tần số 0-200 Hz.
 Vuông: biên độ 10V, tần số 0-200Hz.
 Dốc: biên độ 10V, tần số 0-200Hz.
 Sin: biên độ 10V, tần số 0-200Hz.
 Qué
t

47. 45
Hì
nh 2.6 Mô
–đun tín hiệu tham chiếu
- Bộ điều khiển PID: mô
–đun chia thành tỷ lệ, tí
ch phâ
n vàvi phâ
n. Mỗi khối có
một đèn LED để xác định khối bật hay tắt. Cá
c thô
ng số của mỗi khối cóthể
điều chỉnh qua phần mềm.
 Thà
nh phần tỷ lệ: cóhệ số 𝐾𝑐 từ -10 đến 10.
 Thà
nh phần tí
ch phâ
n: cóhệ số 𝑇𝐼 từ 0 đến 100s.
 Thà
nh phần vi phâ
n: cóhệ số 𝑇𝐷 từ 0 đến 100s.
- Mô
–đun điều khiển Lead/Lag: thể hiện hệ thống bù đắp trong miền Laplace.
Mỗi khối cómột đèn Led riêng để biết nóbật hoặc tắt. Cá
c thô
ng số của khối có
thể điều chỉnh qua phần mềm.
 Gain: 1 đến 10.
 K lead: 1 đến 100s.
 K lag: 1 đến 90s.

48. 46
Hì
nh 2.7 Mô
–đun điều khiển PID vàLAG/LEAD
- Mô
–đun tạo nhiễu: cho phé
p gâ
y xá
o trộn trong hệ thống vànghiê
n cứu đáp
ứng của hệ thống với nó
. Sự nhiễu nà
y cóthể chè
n và
o vị trí vòng điều khiển.
- Mô
–đun hệ thống bậc một: đại diện hệ thống bậc nhất trong miền Laplce. Độ
lợi K vàtham số thời gian T chỉnh bằng phần mềm.
 T: 0 đến 100s.
 Gain: 0 đến 10.
Hì
nh 2.8 Mô
–đun hệ thống bậc một
- Mô
–đun hệ thống bậc hai: đại diện cho hệ thống bậc 2 trong miền Laplace. K,
tần số tự nhiê
n𝜔𝑛, hệ số độ dốc cóthể được điều chỉnh bằng phần mềm.
 Hệ số : từ 0 đến 1.5 tại bước 0.1.
 Tần số 𝜔𝑛: từ 1Hz đến 2𝜋*100 rad/s (100Hz).

49. 47
 Gain: 1 đến 10.
Hì
nh 2.9 Mô
–đun hệ thống bậc hai
- Mô
–đun hệ thống tí
ch hợp: đại diện cho một bộ tí
ch hợp trong miền Laplace.
Cóthể điều chỉnh 𝐾𝐼 thô
ng qua phần mềm.
Hì
nh 2.10 Mô
–đun hệ thống tí
ch hợp

50. 48
- Mô
–đun bù: cho phép bù đắp tí
n hiệu đầu và
o
Hì
nh 2.11 Mô
–đun bù
- Mô
–đun đầu vào tương tự
Hì
nh 2.12 Mô
–đun đầu và
o [11, pp.11]
2.3. Phần mềm RYC
Phần mềm RYC cho phép người dùng điều khiển hệ thống thô
ng qua việc đặt
cá
c thô
ng số: biên độ, tần số đầu và
o, bộ điều khiển PID, điều khiển Lead/Lag,… Phần
mềm giúp người dù
ng quan sá
t tí
n hiệu đầu ra hệ thống qua miền thời gian, phâ
n tí
ch
tần số thô
ng qua việc cài đặt vàquan sá
t biểu đồ Bode.
Phần mềm RYC gồm cá
c phần:
- Điều khiển Start/Stop.
- Miền thời gian.
- Miền tần số.
- Điều khiển thô
ng số tí
n hiệu.

51. 49
Hì
nh 2.13 Phần mềm RYC [11, pp.41]
Chương 2 đã khảo sá
t môhì
nh vàcá
c thà
nh phần cơ bản của cá
c mô
–đun RYC,
RYC-TAG. Đồng thời đưa ra nguyên lý hoạt động cơ bản của mô
–đun điều khiển
nhiệt độ nước.

52. 50
3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
MÔ HÌNH ĐO ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƯỚC
3.1. Mục tiê
u nghiê
n cứu
 Mục đích:
- Môphỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab.
- Xác định đặc tí
nh của mô
–đun điều khiển RYC.
- Xác định đặc tí
nh mô
–đun điều khiển nhiệt độ dò
ng chảy chất lỏng
RYC-TAG.
- Điều khiển nhiệt độ dò
ng chảy bằng PID.
 Yê
u cầu:
- Mô
–đun RYC-TAG.
- Má
y tí
nh, phần mềm Matlab.
- Cá
c phụ kiện kết nối.
3.2. Mô
–đun RYC
3.2.1. Đáp ứng của hệ thống bậc nhất trong miền thời gian
 Mục tiê
u
Mục tiê
u bà
i tập thực hà
nh lànghiê
n cứu đáp ứng theo thời gian của hệ thống
bậc nhất với cá
c kí
ch thí
ch hoặc tí
n hiệu tham khảo khá
c nhau. Quan sá
t phản ứng phụ
thuộc thời gian với hằng số thời gian T.
 Cá
c thiết bị cần thiết
- Mô
–đun tín hiệu tham khảo.
- Mô
–đun hệ thống bậc nhất.
 Phương pháp thực hiện
- Kết nối cá
c mô
–đun như hình 3.1
- Thiết lập tí
n hiệu hì
nh vuô
ng với cá
c thô
ng số:
 Biên độ: 5Vp.
 Tần số: 5Hz.
- Thiết lập Time Constant (T) = 10ms vàGain (K) = 1 cho hệ thống bậc
nhất. Quan sá
t bằng cá
ch sử dụng phần mềm trong màn hình “TIME
DOMAIN” đầu ra của hệ thống bậc nhất thay đổi theo số mũ theo thời
gian.

53. 51
Hì
nh 3.1 Kết nối bà
i thực hà
nh hệ thống bậc nhất miền thời gian [11, pp.59]
- Thay đổi tham số T để đạt điện áp đầu ra khoảng 63,2% giátrị cuối cù
ng
tại thời điểm t = 10ms. Cuối cù
ng kiểm tra đầu ra làphẳng tại thời điểm
5T.
- Thực hiện thử nghiệm trê
n với tí
n hiệu ramp vàsin. Kiểm tra đầu ra hệ
thống tương tự cá
c tí
n hiệu được hiển thị trong phần lýthuyết.
 Kết quả thực nghiệm
- Tí
n hiệu vuô
ng, K = 1, T = 10ms
Hình 3.2 Đồ thị (1) thể hiện bước phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian

54. 52
- Tí
n hiệu vuô
ng, K = 1, T = 11ms
Hình 3.3 Đồ thị (2) thể hiện bước phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian
- Tí
n hiệu dốc, K = 1, T = 10ms
Hình 3.4Đồ thị (3) thể hiện bước phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian
- Tí
n hiệu ram, K = 1, T = 10ms
Hình 3.5 Đồ thị (4) thể hiện bước phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian

55. 53
 Nhận xé
t
- Đường tí
n hiệu màu đỏ làtí
n hiệu đầu vào vuông có biên độ 5V, tần số
5Hz.
- Đường tí
n hiệu màu đen là tín hiệu đầu ra hệ thống bậc nhất cù
ng biê
n
độ vàtần số với tí
n hiệu đầu và
o.
- Qua đồ thị thấy phản hồití
n hiệu đầu rahệ thống bậc nhất khô
ng chí
nh
xác như tín hiệu đầu và
o.
- Đồ thị hì
nh 3.3 cótí
n hiệu phản hồi gần với tí
n hiệu đầu vào hơn hình
3.2.
- Tham số T làhằng số thời gian, tại đó bước phản hồi đạt giátrị 63.2%
giátrị cuối cù
ng, cụ thể 63.2% của 5V. 5T làkhoảng thời gian tại đó
biên độ bước phản hồi đạt giátrị xấp xỉ 5V.
3.2.2. Cấu trú
c bộ điều khiển PID
 Mục tiê
u
Mục tiê
u bà
i thực hà
nh lànghiê
n cứu cấu trú
c bộ điều khiển PID vàcá
ch thức
hoạt động khối tỷ lệ, tí
ch phâ
n, vi phâ
n.
 Cá
c thiết bị cần thiết
- Mô
–đun tín hiệu tham khảo.
- Mô
–đun PID.
Hì
nh 3.6 Cấu trú
c bộ điều khiển PID [11, pp.75]

56. 54
 Phương pháp thực hiện
- Thực hiện kết nối mô
–đun như hình 3.7.
Hì
nh 3.7 Kết nối bà
i thực hà
nh cấu trú
c bộ điều khiển PID [11, pp.75]
 Hoạt động khối tỷ lệ
- Thiết lập tí
n hiệu vuô
ng vàcô
ng tắc bật tắt phần mềm theo thô
ng số
 Biên độ: 2V.
 Tần số: 10Hz.
 Điều khiển tỷ lệ (P): Bật.
 Điều khiển tí
ch phâ
n (I): Tắt.
 Điều khiển vi phâ
n (D): Tắt.
- Thiết lập cá
c tham số tỷ lệ 𝐾𝑐 với cá
c giátrị khá
c nhau vàquan sá
t thấy
đầu ra PID cótí
n hiệu tham chiếu khuyếch đại bởi tham số 𝐾𝑐.
- 𝐾𝑐=0.5
Hì
nh 3.8 Phản ứng bộ P với 𝐾𝑐=0.5

57. 55
- 𝐾𝑐=1
Hì
nh 3.9 Phản ứng bộ P với 𝐾𝑐=1
- 𝐾𝑐=1.5
Hì
nh 3.10 Phản ứng bộ P với 𝐾𝑐=1.5
- 𝐾𝑐= 2
Hì
nh 3.11 Phản ứng bộ P với 𝐾𝑐=2

58. 56
- Nhận xé
t:Khi thay đổi giátrị 𝐾𝑐 thấy biên độ tí
n hiệu đầu ra thay đổi tỷ
lệ 𝐾𝑐 theo tí
n hiệu đầu và
o.
 Hoạt động khối tí
ch phâ
n
- Thiết lập tí
n hiệu tham chiếu vuô
ng vàcô
ng tắc bật tắt chức năng theo
thô
ng số:
 Biên độ: 2Vp.
 Tần số: 10Hz.
 Điều khiển tỷ lệ (P): Tắt.
 Điều khiển tí
ch phâ
n (I): Bật.
 Điều khiển vi phâ
n (D): Tắt.
- Thiết lập 𝐾𝑐 = 1, thay đổi 𝑇𝐼vàquan sá
t thấy đầu ra của PID cósự tí
ch
hợp của tí
n hiệu tham chiếu. Trong trường hợp nà
y, tí
ch hợp của một tí
n
hiệu vuông tương ứng một tí
n hiệu tam giá
c.
Hì
nh 3.12 Phản ứng khi cóI và𝐾𝑐=2
 Hoạt động khối vi phâ
n
- Thiết lập tí
n hiệu tham chiếu vuô
ng vàcô
ng tắc bật tắt chức năng theo
thô
ng số
 Biên độ: 2Vp.
 Tần số: 10Hz.
 Điều khiển tỷ lệ (P): Tắt.
 Điều khiển tí
ch phâ
n (I): Tắt.
 Điều khiển vi phâ
n (D): Bật.
- Thiết lập𝐾𝑐 = 1 và thay đổi tham số 𝑇𝐷 để cóvi phâ
n của tí
n hiệu tham
chiếu. Trong trường hợp nà
y xuất hiện một xung cósự chuyển tiếp giữa
mức cao vàmức thấp của tí
n hiệu vuô
ng.

59. 57
- 𝑇𝐷= 10ms
Hì
nh 3.13 Phản ứng bộ D với 𝑇𝐷=10ms
- 𝑇𝐷= 80ms
Hì
nh 3.14 Phản ứng bộ D với 𝑇𝐷=80ms
- 𝑇𝐷= 150ms
Hì
nh 3.15 Phản ứng bộ D với 𝑇𝐷=150ms

60. 58
- Nhận xé
t: Khi cósự tham gia của bộ vi phâ
n D, tí
n hiệu đầu ra cóhiện
tượng vọt đầu, giảm tại cá
c vị trí
biê
n của bước tí
n hiệu. Độ vọt giảm khi
giátrị 𝑇𝐷 tăng.
3.2.3. Điều khiển PID của hệ thống bậc nhất
Mục tiê
u
Mục tiê
u bà
i thực hà
nh lànghiê
n cứu đáp ứng của hệ thống bậc nhất đối với bộ
điều khiển PID đồng thời điều chỉnh bộ điều khiển PID.
- Đáp ứng của hệ thống bậc nhất trong vò
ng lặp mở màkhô
ng cóbộ điều
khiển PID.
- Sử dụng PID vàquan sá
t ảnh hưởng tham số PID đến đầu ra hệ thống
trong vò
ng kí
n.
- Xác định thô
ng số PID đạt yê
u cầu hệ thống
Cá
c thiết bị cần thiết
- Mô
–đun tín hiệu tham khảo.
- Mô
–đun hệ thống bậc một.
- Mô
–đun PID.
Phương pháp thực hiện
- Thực hiện kết nối mô
–đun như hình 3.16
Hì
nh 3.16 Kết nối điều khiển PID cho hệ thống bậc nhất [11, pp.78]
- Thiết lập tí
n hiệu bước với thô
ng số:
 Biên độ: 5Vp.
 Tần số: 1 Hz.

61. 59
- Thiết lập Time Constant (T) = 10ms vàGain (K) = 1 cho hệ thống bậc
nhất. Kiểm tra tại thời điểm T điện áp đầu ra xấp xỉ 63,2% giátrị cuối
cùng. Đầu ra phẳng tại thời điểm 5T.
- Thiết lập tham số điều khiển tỷ lệ của bộ điều khiển PID
 Điều khiển tỷ lệ (P): Bật.
 Điều khiển tí
ch phâ
n: Tắt.
 Điều khiển vi phâ
n: Tắt.
- 𝐾𝑐= 1
Hì
nh 3.17 Phản ứng hệ thống bậc nhất dù
ng PID với 𝐾𝑐= 1
- Thiết lập tham số điều khiển tỷ lệ vàtí
ch phâ
n của bộ điều khiển PID
 Điều khiển tỷ lệ: Bật.
 Điều khiển tí
ch phâ
n: Bật.
 Điều khiển vi phâ
n: Tắt.
- 𝐾𝑐= 1, 𝑇𝐼 = 1𝑚𝑠
Hì
nh 3.18 Phản ứng hệ thống bậc nhất dù
ng PID với 𝐾𝑐= 1,𝑇𝐼 = 1𝑚𝑠

62. 60
- 𝐾𝑐= 1, 𝑇𝐼 = 10𝑚𝑠
Hì
nh 3.19 Phản ứng hệ thống bậc nhất dù
ng PID với 𝐾𝑐= 1,𝑇𝐼 = 1𝑚𝑠
- 𝐾𝑐= 1, 𝑇𝐼 = 10𝑚𝑠, 𝑇𝐷 = 0𝑚𝑠
Hì
nh 3.20 Phản ứng hệ thống bậc nhất dù
ng PID với 𝐾𝑐= 1,𝑇𝐼 = 10𝑚𝑠, 𝑇𝐷 = 0𝑚𝑠
- Nhận xé
t:
 Đường tí
n hiệu màu đen là tín hiệu đầu và
o hì
nh vuô
ng cóbiê
n
độ 5V, tần số 5Hz.
 Đường tí
n hiệu màu đỏ làtí
n hiệu đầu ra hệ thống bậc nhất.
 Quan sá
t tham số tí
ch phâ
n 𝑇𝐼 là
m giảm lỗi trong chế độ ổn định
nhưng nó cũng làm tăng tính không ổn định cho hệ thống (vượt
nhẹ). Giátrị 𝑇𝐼 tăng thấy độ vọt giảm.
3.3. Mô
–đun RYC-TAG
3.3.1. Môhì
nh toá
n học của hệ thống trao đổi nhiệt
Mô
–đun điều khiển nhiệt độ dò
ng chảy nước gồm hai hệ thống: hệ thống má
y
bơm và hệ thống trao đổi nhiệt. Hì
nh 3.21 giải thí
ch về môhì
nh bộ trao đổi nhiệt.

63. 61
Hì
nh 3.21 Hệ thống trao đổi nhiệt
Sự câ
n bằng năng lượng của chất lỏng trong bộ trao đổi nhiệt được xác định
theo phương trình (3.1):
1
2
𝑚
̇ . 𝑐𝑝.
𝑑𝑇(𝑡)
𝑑𝑡
= F. 𝑐𝑝. ∆𝑇 ± 𝑞̇ (3.1)
𝑞̇ = 𝑈.𝐴.∆𝑇𝑙𝑚 (3.2)
Áp dụng phương trình (3.1) và(3.2) cho chất lỏng nó
ng vàlạnh, kết quả là
:
1
2
𝑚𝑐
̇ . 𝑐𝑝,𝑐
𝑑𝑇𝑐(𝑡)
𝑑𝑡
= 𝐹𝑐(𝑡). 𝑐𝑝,𝑐. (𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐(t)) + 𝑈.𝐴.∆𝑇𝑙𝑚(𝑡) (3.3)
1
2
𝑚𝐻
̇ .𝑐𝑝,𝐻
𝑑𝑇𝐻(𝑡)
𝑑𝑡
= 𝐹𝐻(𝑡). 𝑐𝑝,𝐻. (𝑇𝐻0 − 𝑇𝐻(𝑡))– 𝑈.𝐴.∆𝑇𝑙𝑚(𝑡) (3.4)
Lưu ý dấu của 𝑞.
phụ thuộc chất lỏng thu nhiệt hay tỏa nhiệt.
Hằng số vàcá
c biến được định nghĩa như sau:
∆𝑇𝑙𝑚 [K]: hiệu số truyền nhiệt. Nó được tí
nh theo cô
ng thức (3.5):
∆𝑇𝑙𝑚 =
(𝑇𝐻0−𝑇𝑐)−(𝑇𝐻−𝑇𝑐0)
ln(
𝑇𝐻0−𝑇𝑐)
𝑇𝐻−𝑇𝑐0
)
(3.5)
Mặt khá
c nólàhiệu số nhiệt độ nê
n cóthể viết:
∆𝑇𝑙𝑚 =
𝑇𝐻0+𝑇𝐻
2
−
𝑇𝑐0+𝑇𝑐
2
=
𝑇𝐻0+𝑇𝐻−𝑇𝑐0−𝑇𝑐
2
(3.6)
A [𝑚2
]: Diện tí
ch khu vực trao đổi nhiệt.
𝐶𝑝,𝑐 [
𝐽
𝐾𝑔.𝐾
]: Nhiệt dung riê
ng chất lỏng lạnh.
𝑐𝑝,𝐻 [
𝐽
𝐾𝑔.𝐾
]: Nhiệt dung riê
ng chất lỏng nó
ng.

64. 62
𝐹𝑐 [
𝐾𝑔
𝑠
]: Tốc độ dò
ng chảy chất lỏng lạnh.
𝐹𝐻 [
𝐾𝑔
𝑠
]: Tốc độ dò
ng chảy chất lỏng nó
ng.
𝑚𝑐
̇ [Kg]: Khối lượng chất lỏng lạnh trong ống.
𝑚𝐻
̇ [Kg]: Khối lượng chất lỏng nó
ng trong ống.
𝑇𝑐 [K]: Nhiệt độ đầu ra chất lỏng lạnh.
𝑇𝑐0 [K]: Nhiệt độ đầu và
o chất lỏng lạnh.
𝑇𝐻 [K]: Nhiệt độ đầu ra chất lỏng nó
ng.
𝑇𝐻0 [K]: Nhiệt độ đầu và
o chất lỏng nó
ng.
𝑈 [
𝑊
𝑚2𝐾
]: Hệ số truyền nhiệt khu vực A.
Thay thế ∆𝑇𝑙𝑚 vào phương trình chất lỏng lạnh (3.3), ta được phương trình:
1
2
𝑚𝑐
̇ . 𝑐𝑝,𝑐
𝑑𝑇𝑐
𝑑𝑡
= 𝐹𝑐(𝑡).𝑐𝑝,𝑐. (𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐(𝑡)) +
1
2
𝑈. 𝐴. (𝑇𝐻0 + 𝑇𝐻 − 𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐) (3.7)
Phương trình (3.7) khô
ng tuyến tí
nh, tuyến tính được phương trình (3.8):
1
2
𝑚𝑐
̇ . 𝑐𝑝,𝑐
𝑑𝑇𝑐
̅̅̅
𝑑𝑡
= 𝑐𝑝,𝑐(𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐
𝑠)𝐹𝑐
̅ − 𝐹𝑐
𝑠
. 𝑐𝑝,𝑐. 𝑇𝑐
̅ −
𝑈𝐴
2
𝑇𝑐
̅ +
𝑈𝐴
2
𝑇𝐻
̅̅̅ (3.8)
“s” chỉ giátrị thô
ng số khi đạt tới trạng thá
i ổn định.
Sử dụng phé
p biến đổi Laplace, phương trình có thể viết dưới dạng:
𝑇𝑐 =
𝑐𝑝,𝑐(𝑇𝑐0−𝑇𝑐
𝑠)
1
2
𝑚𝑐
̇ .𝑐𝑝,𝑐.𝑠+ 𝐹𝑐
𝑠.𝑐𝑝,𝑐+
𝑈𝐴
2
𝐹𝑐 +
𝑈𝐴
2
1
2
𝑚𝑐
̇ .𝑐𝑝,𝑐.𝑠+ 𝐹𝑐
𝑠.𝑐𝑝,𝑐+
𝑈𝐴
2
𝑇𝐻 (3.9)
Hệ thống được cấu tạo bởi hai hà
m truyền: lần lượt bởi mỗi đầu và
o. Tuy nhiê
n,
xem xé
t 𝐹𝑐 như là một biến vì
vậy hà
m truyền cóliê
n quan nhiệt độ chất lỏng nó
ng và
nhiệt độ chất lỏng lạnh.
𝐺1 =
𝑇𝑐(𝑠)
𝑇𝐻(𝑠)
=
𝑈𝐴
2
𝐹𝑐
𝑠.𝑐𝑝,𝑐+
𝑈𝐴
2
1
2
𝑚𝑐
̇ .𝑐𝑝,𝑐
𝐹𝑐
𝑠.𝑐𝑝,𝑐+
𝑈𝐴
2
𝑠+1
=
𝑘1
𝜏1𝑠+1
(3.10)
Đối với phương trình chất lỏng nó
ng chỉ cần thay thế nhiệt độ chất lỏng lạnh bằng
cá
ch sử dụng phương trình:
𝑄 = 𝐹𝐻(𝑇𝐻0 − 𝑇𝐻) = 2𝑈𝐴(𝑇𝐻0 + 𝑇𝐻 − 𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐) (3.11)
Phương trình kết quả phụ thuộc hai tham biến: 𝑇𝑐 và𝐹𝐻 . Áp dụng phé
p biến đổi
Laplace vào phương trình tuyến tính được phương trình liên quan nhiệt độ chất lỏng
nó
ng với tốc độ dò
ng chảy của chất lỏng nó
ng: