Tóm tắt Luận án Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng trong điều khiển quá trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm

 1 
MỞ ĐẦU 
1. Lý do chọn đề tài 
Đối tượng (quá trình) nhiệt tồn tại phổ biến trong các hệ thống điều 
khiển công nghiệp. Đặc điểm của lớp đối tượng này là thường có quán tính 
lớn, có trễ vận tải và thường xuyên thay đổi bất thường theo phụ tải. Ngoài 
ra trong quá trình điều khiển thường xuất hiện các loại nhiễu ảnh hưởng khá 
mạnh đến thông số công nghệ đầu ra. 
Lò hơi trong nhà máy nhiệt điện là một loại đối tượng nhiệt điển hình 
trong đó có nhiều hệ thống điều khiển như điều khiển nhiệt độ, điều khiển 
mức nước, điều khiển áp suất. Các quá trình nhiệt trong lò hơi là những quá 
trình rất phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Ví dụ khi 
thay đổi công suất lò hơi bằng cách thay đổi lưu lượng nhiên liệu cấp vào 
buồng đốt, sẽ đồng thời kéo theo sự thay đổi của nhiệt độ hơi ra và áp suất 
trong buồng đốt. Tác động điều khiển lưu lượng không khí cấp vào buồng 
đốt sẽ làm thay đổi trực tiếp áp suất trong buồng đốt. Một số hệ thống điều 
khiển chính của lò hơi là hệ thống điều khiển mức nước trong bao hơi, hệ 
thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt, hệ thống điều khiển độ kinh tế quá 
trình cháy. Với các hệ thống này luôn cần phải có cơ cấu chấp hành đó là 
các van điều khiển. Trong quá trình hoạt động, có nhiều nguồn nhiễu ảnh 
hưởng đến van và do đặc tính của chính bản thân van là phi tuyến và bất 
định. Do vậy giải pháp sử dụng cấu trúc điều khiển tầng là phù hợp đối với 
các hệ thống điều khiển trên bởi vì ưu điểm nổi bật của điều khiển tầng là 
cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ cũng như khử tính phi tuyến và bất 
định của đối tượng vòng trong. 
Các phương pháp chỉnh định đã biết trước đây áp dụng cho các hệ thống 
điều khiển quá trình trong nhà máy nhiệt điện còn khó khăn và/hoặc chưa 
đạt hiệu quả cao. Ví dụ phương pháp chỉnh định Zigler – Nichols [65] dễ áp 
dụng nhưng dẫn đến hệ thống có độ dao động lớn. Phương pháp mô hình 
nội (IMC) [41] cho chất lượng đáp ứng giá trị đặt rất tốt nhưng khử nhiễu 
quá trình lại kém. Phương pháp ổn định bền vững [69] cho chất lượng hệ 
thống tốt cả với giá trị đặt và nhiễu nhưng bộ điều khiển có cấu trúc phức 
tạp, khó thực thi. Vì vậy ở các nhà máy nhiệt điện người ta thường chỉnh 
định hệ thống phần lớn dựa vào kiến thức chuyên gia và kinh nghiệm. 
Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ điều khiển nhiều 
tầng (hệ tầng), trong đó hầu hết tập trung vào việc giải quyết bài toán tổng 
hợp các bộ điều chỉnh theo mục đích bám giá trị đặt và có lưu ý đến khử 
nhiễu. Bên cạnh đó, bài toán khảo sát về tính ổn định cũng như dự trữ ổn 
định của hệ tầng còn ít được quan tâm nghiên cứu. 
Các khái niệm “chỉ số dao động mềm”, “đặc tính mềm”, “đường biên 
mềm” [67] được áp dụng hiệu quả để khảo sát tính ổn định của hệ thống 
 2 
điều khiển một vòng cho các đối tượng có trễ vận tải. Thêm vào đó, việc kết 
hợp với quan điểm“điều khiển bền vững chất lượng cao” [69] đã đơn giản 
hóa bài toán chỉnh định hệ một vòng. Tuy vậy việc áp dụng các khái niệm 
và quan điểm trên vẫn chưa được xét đến cho hệ tầng kể cả vấn đề đánh giá 
động học mà cụ thể là đánh giá độ dự trữ ổn định của hệ nhiều tầng cũng 
như bài toán tổng hợp và chỉnh định các bộ điều khiển trong hệ tầng. 
Thực tiễn nêu trên đã định hướng tác giả lựa chọn nội dung nghiên cứu 
của luận án: “Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng trong 
điều khiển quá trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm”. 
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 
Mục đích của luận án là phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng về 
các vấn đề đánh giá động học và chỉnh định các bộ điều khiển trong hệ tầng. 
Đối tượng mà luận án áp dụng để nghiên cứu là các đối tượng nhiệt với 
đặc điểm là có quán tính và có trễ. 
Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án nghiên cứu phát triển lý thuyết 
cho các hệ điều khiển tầng tổng quát (hệ nhiều tầng nói chung), sau đó áp 
dụng để điều khiển đối tượng nhiệt. 
3. Ý nghĩa khoa học của luận án 
Luận án nêu ra phương pháp đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống điều 
khiển tầng, đóng góp thêm phần lý thuyết mới về tổng hợp các bộ điều 
khiển trong hệ tầng và chỉnh định (hay lựa chọn) tham số cho chúng. Độ tin 
cậy của kết quả nghiên cứu được đánh giá thông qua so sánh chất lượng 
điều khiển của hệ thống khi sử dụng kết quả nghiên cứu này với khi sử dụng 
các phương pháp nghiên khác (thể hiện trong mục 3.7 ở chương 3 của luận 
án) và được chứng minh bằng thực nghiệm. 
Mặt khác, khi lựa chọn các tham số bộ điều khiển, các tham số này được 
lựa chọn có phụ thuộc vào tham số trễ của đối tượng (thể hiện ở công thức 
(3.63)) nên kết quả của luận án có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu điều 
khiển tầng cho các đối tượng có trễ, đặc biệt là đối với các đối tượng nhiệt. 
Các kết quả của luận án làm cơ sở cho các nghiên cứu về sau để phát 
triển hoàn thiện lý thuyết về hệ điều khiển tầng trong vấn đề chỉnh định hệ 
thống. 
4. Nội dung của luận án 
Chương 1 giới thiệu khái niệm, ý nghĩa của hệ thống điều khiển tầng, 
trình bày một số ứng dụng điển hình trong lĩnh vực công nghệ nhiệt, đặc 
điểm và mô hình đối tượng quá trình nhiệt. Tiếp theo, tổng quan và phân 
tích phương pháp đánh giá dự trữ ổn định cũng như tổng hợp hệ thống điều 
khiển tầng trên thế giới. 
Chương 2 trình bày phương pháp nghiên cứu động học hệ tầng. Trên cơ 
sở khái niệm “chỉ số dao động mềm”, “đặc tính mềm”, “đường biên mềm” 
 3 
của hệ thống và các tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm, tiêu chuẩn Parabol, 
luận án đã phân tích, đánh giá và nêu ra phương pháp đánh giá dự trữ ổn 
định của hệ nhiều tầng trong công nghiệp nói chung và quá trình nhiệt nói 
riêng. Chương 2 cũng trình bày phương pháp xác định nghiệm đặc tính của 
hệ tầng dựa trên đặc tính mềm bằng phương pháp đồ thị. 
Chương 3 xây dựng phương pháp chỉnh định hệ điều khiển quá trình 
nhiệt nhiều tầng dựa trên “chỉ số dao động mềm” và “cấu trúc bền vững 
chất lượng cao của hệ thống”. Dựa trên nền tảng lý thuyết, chương này trình 
bày phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển trong hệ tầng để đưa ra công 
thức các bộ điều khiển bền vững, sau đó thực thi chúng. Trong chương này, 
luận án cũng rút ra phương pháp và quy trình chỉnh định các bộ điều khiển 
trong hệ thống tầng nói chung và hệ hai tầng nói riêng. Đánh giá và so sánh 
chất lượng của một hệ thống quá trình nhiệt được chỉnh định theo phương 
pháp đề xuất với một số phương pháp chỉnh định khác. 
Chương 4 trình bày hệ thống thử nghiệm kiểm chứng các kết quả nghiên 
cứu lý thuyết thu được. Hệ thực nghiệm xây dựng theo cấu trúc hai vòng 
điều khiển mức nước trong thùng chứa có dòng chảy liên tục, bao gồm hai 
bộ điều khiển PID được chỉnh định theo phương pháp đã đề xuất trong luận 
án. 
5. Những kết quả khoa học chủ yếu của luận án 
- Dựa trên khái niệm về chỉ số dao động mềm, đặc tính mềm, luận án rút ra 
công thức đặc tính mềm của hệ điều khiển nhiều tầng có trễ vận tải trong 
công nghệ nhiệt. Chứng minh đặc tính mềm này hội tụ. Điều đó cho phép áp 
dụng tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm và tiêu chuẩn Parabol để đánh giá dự 
trữ ổn định của hệ tầng. 
- Dựa trên khái niệm về chỉ số dao động mềm và quan điểm về điều khiển 
bền vững chất lượng cao, luận án rút ra cấu trúc của các bộ điều khiển trong 
hệ tầng. 
- Luận án đề xuất phương pháp lựa chọn tham số các bộ điều khiển hệ nhiều 
tầng dựa vào chỉ số dao động mềm tại tần số cắt và thời gian trễ của đối 
tượng. 
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN 
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 
1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ thống điều khiển tầng 
Trên thực tế đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ điều khiển nhiều 
tầng (hay hệ tầng) [12, 15, 27, 31, 60], tuy nhiên hầu như các công trình này 
chỉ đưa ra cấu trúc hai tầng. 
Theo tác giả Nguyễn Văn Mạnh [69], một hệ thống điều khiển tầng là 
hệ thống gồm nhiều vòng điều chỉnh lồng nhau, trong đó nhiệm vụ chủ yếu 
 4 
của mỗi bộ điều khiển là điều khiển đối tượng thuộc cùng vòng. Sơ đồ cấu 
trúc của hệ tầng như hình 1.3. 
Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ điều khiển tầng theo Nguyễn Văn Mạnh 
Trong đó: z là tín hiệu giá trị đặt; u là tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển 
vòng trong cùng; d1, d2, ..., dn là các tín hiệu nhiễu tác động quy về đầu ra 
của các đối tượng; Fi , Ri , Oi, Bi lần lượt là hàm truyền của khâu 
Hệ thống điều khiển tầng được ứng dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm [1, 
10, 11, 12, 31, 40, 43, 45, 59] sau: 
- Tăng độ ổn định của hệ thống nói chung so với hệ một vòng 
- Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ 
- Giảm sự phi tuyến và tính bất định của đối tượng vòng trong đặc biệt do 
cơ cấu chấp hành (các van điều chỉnh) gây ra 
1.2 Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt nhiều tầng 
Hệ thống điều khiển tầng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, đặc 
biệt là trong các hệ thống điều khiển quá trình nhiệt ví dụ trong lò hơi nhà 
máy nhiệt điện có hệ thống điều khiển độ kinh tế quá trình cháy, hệ thống 
điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt, hệ thống điều khiển mức nước bao hơi ... 
1.3 Đặc tính và mô hình đối tƣợng quá trình nhiệt 
Điểm đặc trưng của các đối tượng nhiệt là có trễ vận tải và có quán tính 
lớn. Do có quán tính lớn và trễ vận tải nên hầu hết các đối tượng nhiệt cũng 
như hệ thống điều khiển tương ứng là những bộ lọc tần số thấp [2]. Theo 
tính chất động học, tồn tại phổ biến hai lớp đối tượng điều chỉnh: lớp đối 
tượng tĩnh và lớp đối tượng phi tĩnh. 
Các đối tượng tĩnh có khả năng thiết lập trạng thái cân bằng tương ứng 
với độ lớn của xung đầu vào, nên có tên gọi là đối tượng “có tự cân bằng”. 
Các đối tượng điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, v.v là có tự cân 
bằng [2]. 
Các đối tượng phi tĩnh không có khả năng tự thiết lập trạng thái cân 
bằng nên có tên gọi là đối tượng "không có tự cân bằng". Ví dụ, các đối 
 5 
tượng điều chỉnh mức chất lỏng thường là những đối tượng không có tự cân 
bằng [2] 
Mô hình đặc trưng của đối tượng nhiệt [2] là: 
1 2
1
( )
(1 )(1 )...(1 )
 
s
t q
n
K
O s e
s T s T s T s
 (1.2) 
Mô hình (1.2) cho phép mô tả cả ba đặc điểm cơ bản của các đối tượng 
nhiệt: trễ vận tải, tính chất quán tính và tích phân. 
1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu hệ điều khiển tầng 
1.4.1 Dự trữ ổn định hệ thống điều khiển tầng 
Một số tiêu chuẩn dự trữ ổn định được sử dụng để đánh giá dự trữ ổn 
định của hệ thống tầng đó là: Dự trữ ổn định Pha và Biên độ theo đường 
cong Nyquist, dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol, dự trữ ổn định theo 
chỉ số dao động mềm. 
1.4.2 Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiều tầng 
Có thể chia thành các hướng nghiên cứu chính: 
- Cách tiếp cận theo cách chọn cấu trúc bộ điều khiển dạng PID sau đó chọn 
tham số. 
- Cách tiếp cận dựa theo cấu trúc mô hình nội (IMC). 
- Cách tiếp cận dựa trên điều kiện ổn định bền vững cho tất cả các vòng. 
1.5 Kết luận 
Các hệ thống điều khiển quá trình nhiệt trong đó có hệ thống lò hơi của 
nhà máy nhiệt điện sử dụng cấu trúc điều khiển tầng rất phổ biến. 
Điểm đặc trưng của các đối tượng nhiệt là có trễ, có quán tính và có tính 
bất định. Các đối tượng này có thể phân thành hai lớp với hai dạng hàm 
truyền đặc trưng là: khâu quán tính bậc cao có trễ và khâu tích phân có quán 
tính có trễ. 
Để tính toán chỉnh định hệ nhiều tầng nói chung và trong lĩnh vực điều 
khiển quá trình nhiệt nói riêng có thể áp dụng một số phương pháp điển 
hình như: Phương pháp Zigler-Nichol, phương pháp mô hình nội IMC, 
phương pháp bền vững chất lượng cao. Nhưng hiệu quả áp dụng các 
phương pháp này còn nhiều hạn chế vì: 
- Phương pháp Zigler – Nichol đơn giản nhưng cho độ quá điều chỉnh 
của hệ thống kín lớn và dao động nhiều. 
- Phương pháp IMC cho chất lượng đáp ứng vòng kín theo kênh đặt tốt 
nhưng khả năng kháng nhiễu kém. 
- Phương pháp bền vững chất lượng cao cho chất lượng hệ thống tốt cả 
với giá trị đặt và nhiễu nhưng bộ điều khiển có cấu trúc phức tạp, khó 
thực thi. Phương pháp này cần phải phát triển hoàn thiện hơn khi áp 
dụng cho hệ nhiều tầng. 
 6 
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC HỆ 
TẦNG 
2.1 Nền tảng lý thuyết 
2.1.1 Chỉ số dao động và dự trữ ổn định của hệ thống 
Xét hệ tuyến tính có phương trình đặc tính sau: 
1
0 1 ... 0 
n n
na s a s a
 (2.15) 
(2.15) có p nghiệm thực sk = –k và q cặp nghiệm phức si,i+1 = –i ji 
 mi = βi/ωi gọi là chỉ số dao động của cặp nghiệm phức thứ i. 
Cặp nghiệm phức theo chỉ sô dao động là: 
i i i is m j  (2.16) 
Cặp nghiệm trội là: 
c c c cs m j  (2.17) 
Với min{ } min ic i
i i
i
β
m m

 
 
 
Cặp nghiệm trội làm ảnh hưởng tới quá trình quá độ của hệ thống kéo 
dài và tắt chậm và do đó nó quyết định tính ổn định và dự trữ ổn định của hệ 
thống. Vậy, chỉ số dao động và hệ số tắt dần của hệ thống được xác định 
theo cặp nghiệm trội. 
2.1.2 Chỉ số dao động mềm, đường biên mềm và đặc tính mềm 
Chỉ số dao động mềm [67] có công thức như sau: 
0
1
( )
 

 
e
m m (2.18) 
Với α ≥ 0 là hệ số mềm hóa, m0 = const là hệ số hay chỉ số dao động ứng 
với tần số ω =0 
Khi  thay đổi từ đến + , thì s = m||+j biến thiên dọc theo đường 
cong MON đối xứng qua trục thực gọi là đường biên mềm (hình 2.3) [67]. 
Do tính đối xứng nên luận án chỉ xét với  0. 
Hình 2.3. Các đường giới hạn nghiệm khác nhau 
 7 
Vì tính đối xứng nên trong luận án sử dụng s = m+j thay cho 
s = m||+j để ngầm hiểu là xét với  ≥ 0, còn lại khi  ≤ 0 sẽ đối xứng 
qua trục thực. 
Đường biên mềm được áp dụng để xác định dự trữ ổn định của hệ thống 
theo vị trí các điểm cực. Nếu tất cả các điểm cực của hệ thống nằm bên trái 
hoặc nằm trên đường biên mềm cho trước, thì hệ đó có dự trữ ổn định mềm 
[67] cho trước. 
Nếu thay s = m+j vào hàm truyền của hệ hở thì được: H(-mω+jω) 
gọi là đặc tính mềm của hệ hở [67]. 
Trường hợp riêng: α =0, khi đó m = m0 = const. 
Nếu thay s = m0 +j vào hàm truyền của hệ hở thì được: 
H(-m0ω+jω) gọi là đặc tính cứng của hệ hở [67]. 
2.1.4 Tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm 
Giả sử hệ hở có chỉ số dao động mềm cho trước (m0 > 0 và α > 0) tức 
các nghiệm đặc tính của nó nằm bên trái đường biên mềm đã cho, tiêu 
chuẩn dự trữ ổn định mềm [67] như sau: 
Điều kiện cần và đủ để các nghiệm đặc tính của hệ kín và hệ hở cùng 
nằm bên trái đường biên mềm cho trước là đặc tính mềm của hệ hở không 
bao điểm ( 1,j0). 
2.1.5 Ổn định và dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol 
2.1.5.1 Tiêu chuẩn ổn định Parabol [68] 
Giả sử hệ hở có q nghiệm đặc tính nằm bên phải và n-q nghiệm nằm bên 
trái đường biên mềm đã cho. 
Tiêu chuẩn parabol 1 : Điều kiện cần và đủ để hệ kín ổn định là đặc tính 
tần số của hệ hở cắt nửa dương parabol (P = Q2 1) (Q>0) với số điểm 
“cắt ra” nhiều hơn số điểm “cắt vào” là q/2, trong đó q là số điểm cực 
phải của hệ hở. 
Tiêu chuẩn parabol 2: Nếu hệ hở ổn định, thì điều kiện cần và đủ để hệ 
kín ổn định là số điểm “cắt ra” và số điểm “cắt vào” giữa đặc tính tần số 
của hệ hở và nửa parabol dương, bằng nhau. 
2.1.5.2 Tiêu chuẩn dự trữ ổn định Parabol theo chỉ số dao động mềm [68] 
Giả sử hệ hở có q nghiệm đặc tính nằm bên phải và n-q nghiệm nằm bên 
trái ...  thì không cần phải thực hiện mô hình hóa, lúc này 
'
2 2O O . 
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc2) sao cho mc2 ≥ mc1. 
- Tính hằng số quán tính θ2 theo công thức (3.63) với k =2. 
Lưu ý hằng số thời gian trễ trong công thức (3.63) là hằng số thời gian 
trễ của đối tượng 
'
2O . 
Bước 3: Nếu hệ thống có n tầng (n>2) thì lặp lại việc tính toán cho từng 
vòng theo bước 2 với việc chọn chỉ số dao động vòng trong lớn hơn vòng 
ngoài kế tiếp. 
Bước 4: Thay các hệ số θk tính toán được ở các bước trên vào công thức 
(3.30) để đưa ra công thức các bộ điều khiển bền vững dưới dạng PID. 
Chú ý là các đối tượng Ok trong công thức (3.30) là các đối tượng 
'
kO . 
Bước 5: Cho trước m0 và α trong công thức của đặc tính mềm (2.18) để xác 
định đường biên mềm hay độ dự trữ ổn định cho trước của hệ thống. 
Vẽ các đặc tính mềm hệ hở tương ứng với các vòng. Nếu đặc tính mềm 
của hệ hở tương ứng với vòng nào đó bao điểm (-1, j0) thì thực hiện chỉnh 
định lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển của vòng đó để hệ thống vừa đủ 
dự trữ ổn định. 
 15 
Cuối cùng vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống theo kênh đặt và theo kênh 
nhiễu để đánh giá chất lượng của hệ thống. 
3.6.3 Trường hợp hệ hai tầng 
Xét hệ thống với cấu trúc điều khiển hai tầng hình 3.4. 
Hình 3.4 Sơ đồ hệ một vòng tương đương ứng với bộ điều khiển R1 
Cách 1: Xác định các bộ điều khiển theo đối tượng từng vòng, tức là sử 
dụng công thức các bộ điều khiển trong (3.32). Trình tự tính toán các bộ 
điều khiển bền vững giống như mục 3.6.1 hoặc tính toán các bộ PID bền 
vững giống như mục 3.6.2. 
Cách 2: Xác định bộ điều khiển vòng trong theo đối tượng vòng trong (sử 
dụng công thức (3.35)), bộ điều khiển vòng ngoài theo đối tượng tương 
đương V1 thể hiện trên hình 3.7. 
Từ hình 3.7, hàm truyền của đối tượng tương đương V1 là: 
2 2 1
1
2 21
R O O
V
R O
 (3.67) 
Với V1PT là hàm truyền của V1 sau khi bỏ trễ. Tổng hợp bộ điều khiển 
R1 theo quan điểm bền vững [4, 74] sẽ được: 
 11 1
1
1
( ) ( )PTR s V s
s
 (3.68)
θ1 tính theo công thức (3.63) với τ trong công thức này là thời gian trễ 
của đối tượng tương đương V1. 
 Trình tự tính toán các bộ điều khiển bền vững trong trường hợp này 
được thực hiện như sau: 
 Bước 1: Tính toán cho vòng trong (tầng thứ 2 ứng với k =2) 
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc2). 
- Tính hằng số quán tính θ2 theo công thức (3.63) với k =2. 
Lưu ý hằng số thời gian trễ trong công thức (3.63) là hằng số thời gian 
trễ của đối tượng O2. 
- Tính toán khâu bù bậc cho bộ điều khiển vòng trong theo công thức (3.31). 
- Thay hệ số θ2 và khâu bù bậc vào công thức (3.32) ta được bộ điều khiển 
bền vững cho vòng trong. 
z y 
O2 O1 R2 R1 
- - 
V1 
 16 
Bước 2: Tính toán cho vòng ngoài (k =1) 
- Tính hàm truyền của đối tượng tương đương V1 theo công thức (3.67). 
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc1): mc1 ≤ mc2 
- Tính hằng số quán tính θ1 theo công thức (3.63) với k =1. 
Lưu ý thời gian trễ trong công thức (3.63) là thời gian trễ của đối tượng V1. 
- Tính toán khâu bù bậc cho bộ điều khiển vòng ngoài theo công thức 
(3.31). 
- Thay hệ số θ1 và khâu bù bậc vào công thức (3.32) ta được bộ điều khiển 
bền vững cho vòng ngoài. 
Bước 3: Cho trước m0 và α trong công thức của đặc tính mềm (2.18) để xác 
định đường biên mềm hay độ dự trữ ổn định cho trước của hệ thống. 
Vẽ các đặc tính mềm hệ hở tương ứng với các vòng. Nếu đặc tính mềm 
của hệ hở tương ứng với vòng nào đó bao điểm (-1, j0) thì thực hiện chỉnh 
định lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển của vòng đó để hệ thống vừa đủ 
dự trữ ổn định. 
Cuối cùng vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống theo kênh đặt và theo kênh 
nhiễu để đánh giá chất lượng của hệ thống. 
 Trình tự tính toán các bộ điều khiển PID bền vững 
Bước 1: Tính toán cho vòng trong (tầng thứ 2 ứng với k =2) 
- Nếu đối tượng O2 có dạng hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất có trễ, 
quán tính bậc hai có trễ hoặc quán tính – tích phân bậc nhất có trễ Mô hình 
hóa đối tượng O2 về dạng hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất có trễ, 
quán tính bậc hai có trễ hoặc quán tính – tích phân bậc nhất có trễ ( '
2O ). Nếu 
đối tượng O2 có dạng hàm truyền là khâu trên thì không cần phải thực hiện 
mô hình hóa, lúc này '2 2O O . 
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc2). 
- Tính hằng số quán tính θ2 theo công thức (3.63) với k =2. 
Lưu ý thời gian trễ trong công thức (3.63) là thời gian trễ của đối tượng 
'
2O . 
- Thay hệ số θ2 vào công thức (3.30) ta được bộ điều khiển PID bền vững 
cho vòng trong. 
Bước 2: Tính toán cho vòng ngoài (k =1) 
- Tính hàm truyền của đối tượng tương đương V1 theo công thức (3.67). 
- Mô hình hóa đối tượng V1 về dạng hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất 
có trễ, quán tính bậc hai có trễ hoặc quán tính – tích phân bậc nhất có trễ 
( '1V ). Nếu đối tượng V1 có dạng hàm truyền là khâu trên thì không cần phải 
thực hiện mô hình hóa, lúc này '1 1V V . 
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc1): mc1 ≤ mc2 
- Tính hằng số quán tính θ1 theo công thức (3.63) với k =1. 
 17 
Lưu ý thời gian trễ trong công thức (3.63) là thời gian trễ của đối tượng 
'
1V . 
- Thay hệ số θ1 vào công thức (3.30) ta được bộ điều khiển PID bền vững 
cho vòng ngoài. 
Bước 3: Cho trước m0 và α trong công thức của đặc tính mềm (2.18) để xác 
định đường biên mềm hay độ dự trữ ổn định cho trước của hệ thống. 
Vẽ các đặc tính mềm hệ hở tương ứng với các vòng. Nếu đặc tính mềm 
của hệ hở tương ứng với vòng nào đó bao điểm (-1, j0) thì thực hiện chỉnh 
định lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển của vòng đó để hệ thống vừa đủ 
dự trữ ổn định. 
Cuối cùng vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống theo kênh đặt và theo kênh 
nhiễu để đánh giá chất lượng của hệ thống. 
3.7 Đánh giá và so sánh chất lƣợng của hệ thống với bộ điều khiển bền 
vững 
Xét một hệ thống quá trình nhiệt [30, 35] được thể hiện trên hình 3.5. 
Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hai tầng 
Trong đó: O1, O2 là hàm truyền các đối tượng vòng ngoài và vòng trong; 
R1, R2 là hàm truyền các bộ điều khiển vòng ngoài và vòng trong; B1, B2 là 
các hàm truyền của nhiễu d1 và d2. 
Các hàm truyền là: 
0,5 3
2 2 1 1
1 1
( ) ( ) ; ( ) ( )
1 (1 10 )(1 2 )
s sB s O s e B s O s e
s s s s
Giả sử yêu cầu về dự trữ ổn định với chỉ số dao động mềm trong (2.18) sau: 
3
1
( ) 1,6
3



e
m 
Đáp ứng bước theo kênh đặt và kênh nhiễu vòng trong của hệ thống với 
bộ điều khiển bền vững nguyên bản là đường cong 1, với bộ PID bền vững 
là đường cong 2, với bộ PID theo [30] là đường cong 3 và với bộ PID theo 
[35] là đường cong 4 trên hình 3.19 và hình 3.20. 
Nhận xét: 
- Các bộ điều khiển bền vững và PID bền vững được tổng hợp tham số dựa 
vào yêu cầu về dự trữ ổn định của hệ thống, vậy chúng có tính linh hoạt. 
- Với yêu cầu về dự trữ ổn định đã cho ở trên, hệ thống sử dụng các bộ điều 
khiển bền vững và các bộ PID bền vững đều đảm bảo về dự trữ ổn định, còn 
 18 
khi hệ thống sử dụng các bộ điều khiển theo [30, 35] thì không đảm bảo về 
dự trữ ổn định. 
- Thời gian điều chỉnh nhỏ hơn nhiều khi sử dụng bộ điều khiển bền vững 
so với việc sử dụng các bộ điều khiển dạng PID, nhiễu vòng trong cũng bị 
dập nhanh hơn rõ rệt. 
Hình 3.19. Đáp ứng bước giá trị đặt của hệ thống 
Hình 3.19. Đáp ứng bước với nhiễu vòng trong của hệ thống 
3.8 Kết luận 
- Đưa ra công thức tổng quát về cấu trúc của các bộ điều khiển trong hệ 
thống điều khiển tầng dựa trên quan điểm bền vững chất lượng cao. 
- Thực thi hóa các bộ điều khiển bền vững cho hệ tầng với các đối tượng 
nhiệt. 
- Lựa chọn tham số các bộ điều khiển dựa vào chỉ số dao động mềm tại tần 
số cắt và thời gian trễ của đối tượng vòng. 
- Chỉnh định lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển để đảm bảo cho toàn hệ 
thống có độ dự trữ ổn định cho trước. 
 19 
- Đưa ra quy trình chỉnh định hệ thống điều khiển nhiều tầng nói chung và 
hệ hai tầng, chỉnh định cho hệ hai tầng cụ thể. 
- Đánh giá và so sánh chất lượng của hệ thống được chỉnh định theo phương 
pháp đề xuất với các phương pháp khác. 
CHƢƠNG 4. THÍ NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG 
4.1 Hệ thống điều khiển mức nƣớc 
Để mô phỏng quá trình động học của hệ thống điều khiển mức nước 
trong bao hơi của lò hơi tác giả luận án sử dụng mô hình mô phỏng 
(hình 4.2) như sau: Bồn nước C đặc trưng cho bao hơi. Nước được đưa vào 
bồn C thông qua hệ thống đường ống phía trên của bồn C. Trên đoạn đường 
ống trước khi vào bồn có đặt một van điều khiển (Van ĐK) bằng tín hiệu 
điện với mục đích điều chỉnh lưu lượng nước vào bồn. Nước trong bồn 
được xả thông qua van V5. Để đo lưu lượng nước vào bồn đặt một cảm 
biến lưu lượng trên đoạn đường ống trước Van ĐK, và đo mức nước trong 
bồn bằng cách đặt cảm biến mức ở bình thông nhau với bồn C. 
Dưới đây là hình ảnh mô hình thí nghiệm thực tế. 
4.1.2 Nguyên lý điều khiển của hệ thống (hình 4.2) 
Hoạt động của hệ thống như sau: Giá trị đặt của mức nước và giá trị đo 
được từ cảm biến mức H đưa vào bộ điều khiển vòng ngoài. Bộ điều khiển 
vòng ngoài tính toán và đưa ra tínhiệu làm giá trị đặt cho bộ điều khiển 
vòng trong. Tín hiệu từ cảm biến đo lưu lượng nước Wnc cũng được đưa vào 
bộ điều khiển vòng trong. Bộ điều khiển vòng trong sẽ tính toán tính toán và 
phát ra tín hiệu để điều chỉnh van ĐK. Vậy hệ thống gồm hai vòng điều 
chỉnh với sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống như trên hình 4.3. 
 20 
Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển của hệ thống điều khiển mức nước 
Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển mức nước 
Trong đó: z là tín hiệu giá trị đặt; u là tín hiệu điều khiển van; y2 là tín hiệu 
lưu lượng nước cấp Wnc; y1 là tín hiệu mức H, d2 là nhiễu áp suất trước van, 
d1 là nhiễu van xả V5. 
4.2 Tiến hành thí nghiệm và nhận dạng đối tƣợng 
Hình ảnh đồ thị số liệu trong quá trình thu thập được thể hiện trên trên 
hình 4.7 với chu kỳ lấy mẫu là 0,5s. 
Chuỗi số liệu sử dụng để mô hình hóa đối tượng được lấy trong khoảng 
thời gian Δt1 = 160s từ to = 200s đến t1 = 360s của quá trình thu thập dữ liệu 
(hình 4.7). Xử lý số liệu này trước khi thực hiện mô hình hóa đối tượng như 
sau: 
- Với số liệu thể hiện lưu lượng nước Wnc: Giữ nguyên chu kỳ lấy mẫu là 
0,5s; chuyển mốc thời gian bắt đầu lấy số liệu về 0s; xử lý làm trơn số liệu; 
mô phỏng trong khoảng thời gian 5s đầu được đáp ứng thực nghiệm như 
trên hình 4.8. 
 21 
Hình 4.7. Đường cong thu thập dữ liệu u, Wnc, H theo thời gian 
Hình 4. 8 Đáp ứng bước của vòng trong 
- Với số liệu thể hiện mức nước H: Lấy mẫu theo chu kỳ 5s, chuyển mốc 
thời gian bắt đầu lấy số liệu về 0s, chuyển giá trị mức nước về 0 mm và mô 
phỏng trong khoảng thời gian 160s đầu được đáp ứng thực nghiệm trên 
hình 4.9. 
 22 
Hình 4.9 Đáp ứng bước của hệ thống(vòng ngoài) 
Đặc tính trên hình 4.8 là đặc tính của van điều khiển hay đáp ứng đối 
tượng vòng trong) còn đặc tính trên hình 4.9 là khâu toàn phần G(s) bao 
gồm hai đối tượng van điều khiển và bồn nước C nối tiếp nhau hay chính là 
đáp ứng hệ thống (hình 4.10). 
Hình 4.10 Sơ đồ các đối tượng trong hệ thống trong quá trình thu thập dữ 
liệu để nhận dạng 
Sau khi thực hiện mô hình hóa theo phương pháp [69] ta được: 
Hàm truyền của đối tượng van điều khiển là: 
0,439
2
2
( )
1 0,23 1 0,23
sO s e
s s
Hàm truyền của đối tượng bồn nước C là: 
2,561
1
70,305(1 0,23 ) 1 0,23
( )
1 3,475 (1 26030 )
ss sO s e
s s
Đáp ứng mô hình của đối tượng van thể hiện trên hình 4.8 và đáp ứng 
mô hình của hệ thống thể hiện trên hình 4.9. 
4.3 Chỉnh định hệ thống 
Chỉnh đinh hệ thống với các bộ điều khiển bền vững nhận được là: 
 23 
 2 1
1 0,23 1 0,23 1 3,475 (1 26030 )
( ) 0,845 ; ( ) 0,003
1 0,023 (1 0,23 ) 1 0,23
s s s s
R s R s
s s s s s
Khi đó, đáp ứng bước của hệ thống theo giá trị đặt là đường cong a trên 
hình 4.13 với chất lượng hệ thống đạt được như sau: 
Hệ số tắt dần của hệ thống 0,9 , độ quá điều chỉnh δ% = 15,4%, 
thời gian điều chỉnh là: Tqt = 15,72s, chỉ tiêu tích phân sai số tuyệt đối là: 
0
| ( ) | 6,55cI t dt
Hình 4.13 Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh đặt 
Chỉnh định hệ thống với bộ PID bền vững ta được các bộ điều khiển là: 
2 1
1 1
( ) 0,389 1 0,115 ; 92,6 1 3, 455
0, 46 26033
R s s R s
s
Đáp ứng bước của hệ thống theo giá trị đặt là đường cong b trên 
hình 4.13 với chất lượng hệ thống đạt được như sau: 
Hệ số tắt dần của hệ thống 0,9 , độ quá điều chỉnh δ% = 19,4%, thời 
gian để hệ thống đi vào ổn định là: Tqt = 13,29 giây, chỉ tiêu tích phân sai số 
tuyệt đối là: 
0
| ( ) | 5,695cI t dt
4.3.3 Kết quả thử nghiệm 
Sử dụng bộ điều khiển PID bền vững vào thực nghiệm ta được đáp ứng 
bước của hệ thống theo giá trị đặt là đường cong c trên hình 4.13 với chất 
lượng hệ thống như sau: 
Hệ số tắt dần của hệ thống 0,9 , độ quá điều chỉnh δ% = 15,2%, thời 
 24 
gian để hệ thống đi vào ổn định là: Tqt = 15,9 giây, chỉ tiêu tích phân sai số 
tuyệt đối là: 
0
| ( ) | 7,54
 cI t dt . 
4.4 Kết luận 
- Các chỉ tiêu về chất lượng quá trình quá độ giữa mô phỏng và thực tế khác 
nhau thể hiện sự sai lệch giữa mô hình đối tượng mô phỏng và mô hình thực 
nghiệm. Tuy nhiên sai lệch giữa mô phỏng và thực tế không quá lớn. 
- Hệ thống đảm bảo bền vững và chất lượng đảm bảo hệ số tắt dần của hệ 
thống cả trường hợp mô phỏng trên máy tính và kết quả chạy thực không 
nhỏ hơn 0,9. 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
Những đóng góp chính của luận án: 
1. Rút ra công thức đặc tính mềm của hệ tầng hở cho các hệ thống điều 
khiển nhiều tầng có trễ vận tải trong công. Chứng minh đặc tính mềm 
này hội tụ về gốc tọa độ. Điều đó cho phép áp dụng hiệu quả tiêu chuẩn 
dự trữ ổn định mềm và tiêu chuẩn Parabol để đánh giá dự trữ ổn định 
cho các hệ thống điều khiển đa tầng. 
2. Đề xuất phương pháp xác định nghiệm đặc tính của hệ tầng dựa theo đặc 
tính mềm của hệ tầng hở. Từ đó có thể đánh giá dự trữ ổn định của hệ 
điều khiển nhiều tầng bằng cách đánh giá vị trí cặp nghiệm trội so với 
đường biên mềm trên mặt phẳng nghiệm của đa thức đặc tính. 
3. Rút ra công thức xác định cấu trúc các bộ điều khiển trong hệ thống điều 
khiển nhiều tầng cho các quá trình nhiệt dựa theo quan điểm bền vững 
chất lượng cao. Thực hiện thực thi hóa các bộ điều khiển. 
4. Chỉnh định tham số các bộ điều khiển bằng việc thiết lập mối quan hệ 
giữa các hệ số của bộ điều khiển với chỉ số dao động mềm tại tần số cắt 
và thời gian trễ của đối tượng, đồng thời chỉnh định lại hệ số khuếch đại 
của các bộ điều khiển. 
5. Xây dựng quy trình chỉnh định hệ thống điều khiển nhiều tầng nói chung 
và hệ hai tầng nói riêng. 
6. Kết quả thực nghiệm phù hợp với luận điểm của lý thuyết đề xuất. 
Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo: 
- Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp lựa chọn các hằng số quán tính 
của từng vòng bền vững mong muốn theo quan điểm tăng dần độ 
bền vững từ vòng trong ra vòng ngoài. 
- Nghiên cứu mối tương quan giữa bài toán khử nhiễu trong và vấn 
đề bất định của đối tượng cũng như mối tương quan với bài toán 
khử nhiễu ngoài. 
- Tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm.