Tiểu luận Điều khiển hiện đại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ========= BÁO CÁO TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI Đề tài THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CÓ MÔ HÌNH CHUẨN Giáo viên hướng dẫn PGS TS NGUYỄN HOA LƯ Th S HỒ SỸ PHƯƠNG Nhóm 4 Sinh viên thực hiện Nguyễn Xuân Nam MSSV 1755252021600054 Nghệ An, 2021 MỤC LỤC Trang Mục lục 1 Danh mục hình ảnh 3 Đánh giá và nhận xét 4 Phần 1 Cơ sở lý thuyết 5 Tổng quan về lò sấy 5 Phân loại hệ thống sấy 5 Hệ thống sấy tự nhiên 5 Hệ thống sấy nhân tạo 6 Các dạng lò.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

=====***====

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI

Đề tài:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CÓ MÔ HÌNH CHUẨN

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN HOA LƯ

Th.S HỒ SỸ PHƯƠNG Nhóm: 4

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Nam MSSV: 1755252021600054

Nghệ An, 2021

1.3.1 Lò sấy gia nhiệt bằng khói lò 10

1.3.2 Lò sấy gia nhiệt bằng hơi nước 11

1.3.3 Lò dấy gia nhiệt bằng điện trở 11

1.4 Định nghĩa về hệ điều khiển thích nghi 11

1.5 Ưu điểm của hệ thích nghi 12

1.6 Phân loại hệ thống điều khiển thích nghi 12

1.7 Hệ thống tự chỉnh có mô hình thích nghi (MRAS) 12

1.8 Luật thích nghi 15

1.8.1 Phương pháp độ nhạy (luật MIT) 15

1.8.2 Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí đánh giá

hàm chi phí sai số 16

1.8.3 Hàm Lyapunov 17

Phần 2: Thiết kế và tính toán 18

2.1 Mô hình hóa đối tượng lò sấy 18

2.2 Mô hình toán học của lò sấy 19

2.3 Xây dựng hàm truyền đối tượng 20

Phần 3: Mô phỏng đánh giá kết quả và kết luận 23

3.1 Mô hình vòng hở lò sấy23

3.2 Xây dựng bộ điều khiển thích nghi 24

3.3 Mô hình chuẩn lò sấy 25

3.4 Bộ điều khiển PID 25

Hình 1.9 Phân loại hệ thống điều khiển thích nghi 12

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự chỉnh có mô hình chuẩn 13

Hình 1.11 Bộ điều khiển loại trực tiếp (DMRAC) 14

Hình 1.12 Bộ điều khiển loại gián tiếp (IRMAC) 15

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ20

Hình 2.2 Nguyên lý điều khiển công suất vào 20

Hình 2.3 Mô hình hóa lò sấy 21

Hình 3.7 Mô hình với giá trị = 0; = 0.00375; = 864 27

Hình 3.8 Mô hình với giá trị = 3.6; = 0; = 864 28Hình 3.9 Mô hình với giá trị = 3.6; = 0.00375; = 0 28

Hình 3.10 Mô hình với giá trị = 10; = 0,00052; = 2400 29

PHẦN 1

CỞ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan về lò sấy

Sấy là một trong những khâu quan trọng trong dây chuyền công nghệ, được

sử dụng nhiều trong các ngành chế biến nông – lâm – hải sản, đây là phương phápbảo quản sản phẩm đơn giản, an toàn và dễ dàng

Sấy không đơn thuần là tách nước ra khỏi vật liệu mà là quá trình công nghệphức tạp, đòi hỏi vật liệu sau khi sấy phải đảm bảo chất lượng theo chỉ tiêu nào đóvới mức phí năng lượng tối thiểu

Diễn biến của quá trình sấy khô như sau: vật thể được gia nhiệt để đưa nhiệt

độ lên đến nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất của hơi nước trên bề mặt vật thể, vậtthể được cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm

1.2 Phân loại hệ thống sấy

Phân loại các hệ thống sấy: hệ thống sấy tự nhiên, hệ thống sấy nhân tạo

1.2.1 Hệ thống sấy tự nhiên

Quá trình phơi vật liệu ngoài trời, không có sử dụng thiết bị Vật liệu sấyđược sấy bằng cách phơi năng lấy nguồn nhiệt trực tiếp từ mặt trời để làm khô vậtliệu cần sấy Do vậy, hệ thống sấy này được sử dụng rộng rãi trong chế biến nôngsản

Hình 1.1 Hệ thống sấy thực phẩm tự nhiên

- Ưu điểm:

 Công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và vận hành thấp

 Không đòi hỏi cung cấp năng lượng và nhân công lành nghề

 Có thể sấy lượng lớn vụ mùa với chi phí thấp

- Nhược điểm:

 Kiểm soát điều kiện sấy rất kém

 Tốc độ sấy chậm hơn so với sấy bằng thiết bị, do đó chất lượng sản phẩmcũng kém và dao động hơn

 Quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày

 Đòi hỏi nhiều nhân công

1.2.2 Hệ thống sấy nhân tạo

Được thực hiện trong các thiết bị sấy và căn cứ vào phương pháp cung cấpnhiệt, có thể chia thành các loại: Sấy đối lưu, sấy bức xạ, sấy thăng hoa, sấy bằngđiện trường dòng cao tần, sấy điện trở,

- Sấy đối lưu:

Không khí nóng hoặc khói lò được dùng làm tác nhân sấy có nhiệt độ, độ

ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm trong vật sấybay hơi rồi đi theo tác nhân sấy Không khí có thể chuyển động cùng chiều, ngượcchiều hoặc cắt ngang dòng chuyển động của sản phẩm

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống sấy đối lưu

- Sấy buồng:

Cấu tạo chủ yếu của sấy buồng là buồng sấy Trong buồng sấy có bố trí cácthiết bị đỡ vật liệu gọi chung là thiết bị truyền tải Nếu dung lượng buồng sấy bé vàthiết bị truyền tải là các khay sấy thì được gọi là tủ sấy Nếu dung lượng buồng sấylớn và thiết bị truyền tải là các xe goòng thì được gọi là hệ thống sấy buồng kiểu xegoòng

Hình 1.3 Hệ thống sấy buồng

- Sấy hầm:

Là hệ thống sấy mà thiết bị sấy là một hầm dài, vật liệu sấy đi vào bằng đầunày và ra bằng đầu kia của hầm Thiết bị truyền tải trong hệ thống thường là các xegoòng với các khay chứa vật liệu sấy hoặc băng tải

Hình 1.4 Hệ thống sấy hầm

- Sấy tháp:

Là hệ thống sấy chuyên sử dùng để sấy các vật liệu sấy dạng hạt như thóc,ngô, lúa mỳ, Thiết bị sấy trong hệ thống là một tháp sấy, trong đó người ta đặtmột loạt các kênh dẫn xen kẽ với một loạt các kênh thải Vật liệu sấy đi từ trênxuống cà tác nhân sấy từ kênh dẫn xuyên qua vật liệu sấy thực hiện quá trình traođổi nhiệt - ầm với vật liệu rồi đi vào môi trường

Hình 1.5 Hệ thống sấy tháp

- Sấy thùng quay:

Hình 1.6 Hệ thống sấy thùng quay

Là một hệ thống sấy chuyên dụng để sấy các vật liệu dạng cục, hạt Thiết bịsấy trong hệ thống là một hình trụ tròn được đặt nghiêng một góc nhất định Trongthùng sấy có bố trị các cánh để xáo trộn vật liệu hoặc không Khi thùng sấy quay,vật liệu sấy dịch chuyển từ đầu này đến đâu kia vừa bị xáo trộn vừa thực hiện quátrình trao đổi nhiệt - ẩm với tác nhân sấy

- Sấy khí động:

Có nhiều dạng khí động thiết bị sấy trong hệ thống sấy có thể là một ống trònhoặc phễu, trong đó tác nhân sấy có nhiệt độ thích hợp với tốc độ cao vừa làmnhiệm vụ trao đổi nhiệt - ẩm vừa làm nhiệm vụ đưa vật liệu sấy từ đầu này đến đầukia của thiết bị sấy

Hình 1.7 Hệ thống sấy khí động kiểu đứng

- Sấy phun:

Là hệ thống sấy dùng để sấy các dung dịch huyền thù như trong công nghệsản xuất sữa bột Thiết bị sấy trong hệ thống này là một hình chóp trụ, phần chópquay xuống dưới Dung dịch huyền thù được bơm cao áp đưa vào thiết bị tạo sương

mù Tác nhân sấy có nhiệt độ thích hợp đi vào thiết bị sấy thực hiện quá trình traođổi nhiệt - ẩm với sương mù vật liệu sấy và thải vào môi trường

Hình 1.8 Hệ thống sấy phun 1.3 Các dạng lò sấy

1.3.1 Lò sấy gia nhiệt bằng khói lò

Trong các hệ thống sấy, khói lò có thể được dùng với tư cách là tác nhân sấyhoặc là nguồn cấp nhiệt lượng để đốt nóng không khí trong các calorifer khí – khói

Khói lò gồm khí khô và hơi nước vốn có trong nhiên liệu và do phản ứngcháy với hydro sinh ra Khói lò bao giờ cũng chứa một lượng nhất định tro bay theo

và những chất độc hại như lưu huỳnh vốn có trogn nhiên liệu Do đó, khói lò chỉdùng làm tác nhân sấy trong trường hợp vật liệu sấy không sợ bám bẩn như thức ăngia súc hoặc vật liệu xây dựng

Ưu điểm sấy bằng khói lò:

- Có thể điều chỉnh nhiệt độ dung môi chất sấy trong một khoảng rất rộng.

- Cấu trúc hệ thống đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt.

- Năng lượng tiêu hao điện năng giảm do giảm trở lực hệ thống.

- Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt của thiết bị sấy.

1.3.2 Lò sấy gia nhiệt bằng hơi nước

Nước được đun nóng thành hơn thông qua lò hơi, hơi quá nhiệt được đưa vàothiết bị trao đổi nhiệt sau đó được quạt gió để cho không khí được đối lưu làm cho

hệ thống trao đổi nhiệt thông qua tiết xúc với vật liệu sấy

Ưu điểm của hệ thống gia nhiệt bằng hơi nước:

- Dễ thao tác.

- Thời gian đốt lò sấy nhanh, có thể dùng nhiều chất đốt khác nhau.

- Chất lượng sản phẩm sạch hơn không bị bám bẩn.

1.3.3 Lò sấy gia nhiệt bằng điện trở

Lò sấy sử dụng năng lượng điện – nhiệt để gia nhiệt cho lò sấy Dòng điện điqua điện trở của dây dẫn đấu trong mạch điện phát nóng, sau đó được quạt gió đốilưu tới vật liệu sấy

Ưu điểm:

- Thao tác và tác động nhanh, dễ điều khiển khống chế theo yêu cầu đặc biệt

của các công nghệ khác nhau

- Bỏ qua giai đoạn tích nhiệt, tiết kiệm thời gian và công sức.

- Dễ thực hiện tối ưu hóa các quá trình công nghệ nhiệt, nâng cao năng suất,

hiệu quả và chất lượng sản phẩm trong trồng trọt, chăn nuôi và chế biến

1.4 Định nghĩa hệ điều khiển thích nghi

Có nhiều định nghĩa về hệ thích nghi và nói chung chúng không có sự khauđáng kể về ý nghĩa

“Thích nghi là quá trình thay đổi thông số và cấu trúc hay tác động điềukhiển trên cơ sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việc với mục đích đạtđược một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thông tin ban đầucũng như khi điều kiện làm việc thay đổi”

Hay nói cách khác:

“Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các

bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất

định chất lượng của hệ khi thông số của quá tình được điều khiển không biết trướchay thay đổi theo thời gian”.

1.5 Ưu điểm của hệ thích nghi

Hệ thích nghi có những ưu điểm về hiệu quả kinh tế kỹ thuật:

- Cải thiện chất lượng sản phẩm,

- Gia tăng sản lượng,

- Tiết kiệm năng lượng,

- Giảm thời gian bảo dưỡng,

- Phát hiện sớm hỏng hóc,

- Luận chứng kinh tế vững chắc

1.6 Phân loại hệ thống điều khiển thích nghi

Hệ điều khiển thích nghi được phân thành 3 loại sau:

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống tự chỉnh có mô hình chuẩn:

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự chỉnh có mô hình chuẩn

Trong đó:

- O: đối tượng điều khiển

- C: bộ điều khiển

- Mo: Mô hình chuẩn

- AU: Khối thích nghi

- : Giá trị đặt

- : Tọa độ ra của mô hình chuẩn

- : Tọa độ ra của đối tượng điều khiển

- : Tín hiệu điều khiển

- : Sai số giữa tọa độ ra của đối tường điều khiển và tọa độ ra của mô hình

Để giữ cho chế độ cực trị trong hoạt động của hệ thống tự chỉnh có mô hìnhchuẩn ta cần đưa mô hình chuẩn đó vào trong mạch tự chỉnh Khi đó các quá trìnhtrong mô hình chuẩn phải tương ứng với các điều kiện cực trị đã cho.

Bằng cách so sánh các quá trình xảy ra đồng thời trong đối tượng điều khiểnvới các quá trình trong mô hình chuẩn và trên cơ sở đó xây dựng các thuật toánđiều chỉnh các đặc tính của đối tượng điều khiển nhờ đó ta có thể đạt được múcđích thích nghi và đảm bảo cho hoạt động của hệ thống ở chế độ cực trị

Hệ thống thích nghi mô hình mẫu có thể được phân thành 2 loại: trực tiếp vàgián tiếp

- Bộ điều khiển loại trực tiếp (DMRAC) có các vecto tham số của bộ điềukhiển được cập nhật trực tiếp bởi một luật thích nghi

Hình 1.11 Bộ điều khiển loại trực tiếp (DMRAC)

- Bộ điều khiển loại gián tiếp (IRMAC) có các vecto tham số của bộ điềukhiển được tính toán tại mỗi thời điểm t bằng cách giải phương trình đại sốnào đó có mối quan hệ của tham số với sự ước lượng trực tuyến các tham sốcủa hệ thống

Hình 1.12 Bộ điều khiển loại gián tiếp (IRMAC) 1.8 Luật thích nghi

Theo Ionnaou and Sun (1996), bộ điều khiển thích nghi có thể được xem như

là sự kết hợp của một bộ ước lượng các tham số trực tuyến và một luật điều khiển

mà nó nhận được từ trường hợp tham số đã được rõ Sự kết hợp này làm xuất hiệnnhiều ước lượng tham số và luật thích nghi cho các bộ điều khiển khác nhau vớicác tính chất khác nhau Một vài phương pháp cơ bản được sử dụng để thiết kế luậtthích nghi là:

1.8.1 Phương pháp độ nhạy (luật MIT)

Phương pháp độ nhạy được sử dụng để thiết kế luật thích nghi sao cho cáctham số ước lượng được điều chỉnh theo hướng tối thiểu hóa một hàm đặc tính nào

đó Luật thích nghi được cho bởi đạo hàm riêng của hàm đặc tính với các tham sốđánh giá tương ứng nhân với sai số giữa đáp ứng mong muốn và đáp ứng thực tế

Nhược điểm của phương pháp này là luật thích nghi không thế được thực thinếu nó không thể tạo được ra tham số trực tuyến Việc sử dụng hàm độ nhạy ướclượng để có thể thực hiện được dẫn đến các sơ đồ điều khiển thích nghi mà tính ổnđịnh của nó rất thấp hoặc không thể thiết lập được

Luật MIT chỉ được thực hiện tốt nếu độ lớn thích nghi γ là nhỏ Độ lớn của γphụ thuộc vào biên độ của tín hiệu mẫu và độ lợi của đối tượng Vì vậy, không thể

có một giới hạn an toàn Do đó, luật MIT có thể cho một vòng kín không an toàn

Sự thiếu ổn định của luật MIT cho nên các nhà nghiên cứu đã tìm ra các phươngpháp khác để thiết kế luật thích nghi như phương pháp Lyapunov hoặc phươngpháp Gradient và bình phương nhỏ nhất sai số

1.8.2 Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí đánh giá

hàm chi phí sai số

Phương pháp Gradient và các hàm chi phí được sử dụng cho việc triển khailuật thích nghi để ước lượng các tham số quan tâm θ trong mô hình tham số.Phương pháp gradient bao gồm việc khai triển một phương trình sai số ước lượngđại số làm động cơ thúc đẩy việc lựa chọn một hàm chi phí gần đúng J(θ) mà nó làmột hàm lồi trong toàn bộ không gian của θ(t) Sau đó, hàm chi phí sẽ được cựctiểu hóa theo tham số θ(t) bởi phương pháp gradient như sau:

Phương pháp bình phương bé nhất là một phương pháp khá xưa được pháttriển bởi Gauss ở thế kỷ 18, mà ở thời điểm đó ông ta sử dụng để xác định quĩ đạocủa các hành tinh Ý tưởng cơ bản của phương pháp này là xác định một mô hìnhtoán học với một chuỗi các dữ liệu quan sát bằng cách cực tiểu hóa tổng bìnhphương của các hiệu số giữa dữ liệu quan sát và dữ liệu tính toán Trong cách làmnhư vậy, nhiễu và sự không chính xác trong dữ liệu quan sát được hy vọng là khôngảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình toán học Phương pháp bình phương bénhất được sử dụng rộng rãi trong việc ước lượng tham số trong cả hai dạng hồi qui

và không hồi qui Phương pháp này thì đơn giản trong việc áp dụng và phân tíchtrong trường hơp các tham số chưa biết xuất hiện trong dạng tuyến tính:

1.8.3 Hàm Lyapunov

Trong phương pháp này, lý thuyết về sự ổn định của Lyapunov (tiêu chuẩn

ổn định thứ hai) có thể dùng để thiết kế luật thích nghi, đảm bảo sự ổn định cho hệthống vòng kín Do đó, sơ đồ điều khiển thích nghi dựa trên lý thuyết ổn địnhLyapunov không gặp những trở ngại như sơ đồ sử dụng luật MIT

Tiêu chuẩn ổn định thứ hai Lyapunov chỉ là điều kiện đủ, không phải là điềukiện cần Nếu thỏa tiêu chuẩn thì hệ ổn định, nếu không thỏa thì vấn đề kết luận vềtính ổn định còn bỏ ngõ, phụ thuộc vào cách chọn hàm mục tiêu xác định dươngV(x) và biến trạng thái x

PHẦN 2 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 2.1 Mô hình hóa đối tượng lò sấy

Ta có phương trình không gian trạng thái của hệ m bậc tự do ở dạng vi phân:

Trong đó:

- là p biến tín hiệu vào,

- là n biến trạng thái,

- là m biến tín hiệu ra

Với yêu cầu thỏa mãn điều kiện ổn định, điều khiển được, quán sát được.Nếu u(t), x(t), y(t) là các biến trạng thái rời rạc thì phương trình không giantrạng thái trên có thể viết lại như sau:

Ở đây f là hàm phi tuyến của y(k) và u(k) Phương trình (2.23) có bốn dạngdiểu diễn cụ thể hơn (m n):

Trong đó: u(k), là cặp tín hiệu vào ra của hệ thống tại thời điểm k

2.2 Mô hình toán học của lò sấy

Dựa vào số mô hình toán học và số liệu thu thập từ lò sấy thực tế ta có môhình toán học sau:

- Nhiệt độ môi trường

- : Nhiệt độ thiết bị đo

y(k+1) = y(k) + t ( + + )

2.3 Xây dựng hàm truyền đối tượng

Hệ thống điều khiển nhiệt độ gồm có bộ điều khiển và lò sấy có sơ đồ sau:

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ

Với quán tính lò nhiệt thường khá lớn, người ta thường đóng cắt nguồn đểthay đổi công suất đặt vào lò thay vì điều khiển điện áp Do đó từ mạch điều khiển

sẽ xuất ra có độ rộng thay đổi trong khoảng thời gian T nhất định để thay đổi côngsuất cấp cho lò:

Hình 2.2 Nguyên lý điều khiển công suất vào

Như vậy trong thời gian Lò Sấy được cấp nguồn, thời gian (T - ) cắt nguồn Ứng với sự thay đổi của từ 0 –T thì công suất cung cấp cho lò sấy thay đổi từ 0 - :

Ta sử dụng mô hình Lò Sấy với đầu vào là phần trăm công suất, đầu ra là giá trị nhiệt độ như hình sau: