Điều khiển đối tượng nhiệt bằng Module Pid mềm của phần mềm Step 7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Thúy Sinh ngày 05 tháng 12 năm 1976 Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự đ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA

GS.TS PHAN XUẤN MINH

PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC

THÁI NGUYÊN - NĂM 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Thúy

Sinh ngày 05 tháng 12 năm 1976

Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Yên Bái

Tôi xin cam đoan đây là toàn bộ nội dung luận văn “Điều khiển đối tượng nhiệt bằng module PID của phần mềm Step7” được GS.TS Phan Xuân Minh hướng dẫn; các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn

Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tôi xin cam đoan nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm./

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Nguyễn Thị Thúy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến GS.TS Phan Xuân Minh

đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở phòng thí nghiệm

đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Mặc dù đã rất cố gắng, song do thời gian nghiên cứu có hạn, nên có thể luận văn vẫn còn những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Nguyễn Thị Thúy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iv

DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG GIA NHIỆT 2

1.1 Giới thiệu mô hình hệ thống gia nhiệt 2

1.1.1 Bình gia nhiệt 3

1.1.2 Dây điện trở dùng để gia nhiệt 3

1.1.3 Cảm biến đo nhiệt độ 3

1.1.4 Mạch biến đổi xoay chiều xoay chiều 1 pha 4

1.1.5 Bộ chuyển đổi AD/DA – Dùng cho điều khiển bằng máy tính 5

1.1.6 Máy bơm và hai van điện từ 6

1.2 Quy trình hệ thống gia nhiệt và các yêu cầu 6

1.3 Tìm hiểu Toolbox Identification của Matlab 8

1.4 Nhận dạng hệ thống gia nhiệt sử dụng Toolbox Indenfication 16

1.4.1 Thu thập số liệu 16

1.4.2 Tiến hành nhận dạng sử dụng Toolbox Indenfication 17

Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT 22

2.1 Phương pháp IMC 22

2.2 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn 24

2.3 Phương pháp Ziegler- Nichols 1 25

2.4 Phương pháp tối ưu mô dun 27

Kết luận chương 2 29

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT 30

BẰNG PLC S7-300 30

3.1 Lựa chọn giải pháp kỹ thuật 30

3.2 Module điều khiển quá trình của phần mềm STEP 7 33

3.2.1 Modul xử lý tín hiệu đo FC105 33

3.2.2 Modul xử lý tín hiệu ra FC106 34

3.2.3 Module điều khiển PID 35

3.3 Lập trình và cài đặt bộ điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt 40

3.3.1 Khởi động phần mền SIMATIC 40

3.3.2 Cài đặt giao thức truyền thông cho PLC 40

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

vi

3.3.3 Xây dựng phần cứng cho PLC, cài đặt thời gian chương trình ngắt 41

3.3.4 Định địa chỉ vào ra cho module analog 42

3.3.5 Khởi tạo chương trình chính OB1, chương trình ngắt OB35 43

3.3.6 Lập trình chương trình cho OB35 và OB1 46

3.4 Lập trình giao diện người máy trên nền WinCC 49

3.4.1 Các bước để tạo một Project mới với WinCC 49

3.4.2 Giới thiệu sơ lược các bước 49

3.5 Kết quả thực nghiệm 55

Kết luận chương 3 60

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 2

Hình 1.2: Bình gia nhiệt……… 3

Hình 1.3: Dây điện trở……… ………3

Hình 1.4: Cảm biến đo nhiệt độ……… …4

Hình 1.5: Bộ giao tiếp AD/DA 5

Hình 1.6: Mô hình hệ thống gia nhiệt 6

Hình 1.7: Cửa sổ mô hình nhận dạng 8

Hình 1.8 : Nhập đối tượng vào công cụ nhận dạng 9

Hình 1.9: Loại bỏ giá trị trung bình 9

Hình 1.10: Di chuyển mô hình iddatad thả vào working data 10

Hình 1.11: Hình vẽ của bộ dữ liệu gốc và mới 10

Hình 1.12: Bộ dữ liệu iddatade 11

Hình 1.13: Mô hình ước lượng iddatade 11

Hình 1.14: Hình vẽ bộ dữ liệu iddatade 12

Hình 1.15: Bộ dữ liệu iddatadv 12

Hình 1.16: Mô hình ước lượng iddatadv 13

Hình 1.17: Hình vẽ bộ dữ liệu iddatade 13

Hình 1.18: Di chuyển identdata de và identdata dv vào các vùng làm việc 14

Hình 1.19: Ước lượng mô hình 14

Hình 1.20: Đáp ứng tần số 15

Hình 1.21: Đồ thị so sánh mô hình ARX ước lượng theo phương pháp LSE 15

Hình 1.22: Mô hình toán học của ARX221 16

Hình 2.1 Mô hình điều khiển sử dụng IMC 22

Hình 2.2 Mô hình biến đổi tương đương 23

Hình 2.3: Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển bằng phương pháp IMC 24

Hình 2.4: Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển bằng phương pháp Kuhn 25

Bảng 2.2: Thiết kế bộ điều khiển theo Ziegler- Nichols 1 26

Hình 2.5: Đặc tính quá độ hệ thống điều khiển đối tượng gia nhiệt 26

theo Ziegler-Nichols 26

Bảng 2.3: Tổng hợp bộ điều khiển tố ưu mô dun 27

Hình 2.6: Đặc tính quá độ hệ thống điều khiển 28

đối tượng gia nhiệt theo PI 28

Hình 3.1: Mô hình điều khiển hệ thống gia nhiệt sử dụng S7- 300 30

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

viii Hình 3.2.Giao diện WinCC cho hệ thống gia nhiệt sử dụng S7- 300 55

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu của luận văn

Hiện nay, các thiết bị điều khiển quá trình như các hệ PLC, DCS được

sử dụng rất nhiều trong công nghiệp Ưu điểm cơ bản của hệ thống thiết bị này là tính tiện ích trong việc tích hợp hệ thống tự động hóa do ngoài cung cấp các thiết bị phần cứng, các hãng còn cung cấp các phần mềm hỗ trợ cho công việc tích hợp hệ thống Trong điều khiển quá trình, các hệ thống tự động hóa tích hợp trên cơ sở các thiết bị này có độ bền cao, ít hỏng hóc và khả năng thay đổi chế độ công tác cũng như các tham số rất linh hoạt

Để giúp cho công tác đào tạo tại Trường Cao đẳng nghề Yên Bái trong lĩnh vực tự động hóa, kết hợp với việc khai thác các thiết bị phục vụ giảng dạy của trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, học viên chọn đề tài:

“Điều khiển đối tượng nhiệt bằng module PID mềm của phần mềm STEP7”

Với đề tài này học viên có cơ hội tìm hiểu về thiết bị PLC của hãng Siemens, thực hành thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển tự động cho đối tượng công nghiệp (cụ thể là đối tượng nhiệt) bằng các thiết bị và công cụ phần mềm của Trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên

2 Mục tiêu nghiên cứu

Trang bị cho học viên các kiến thức và phương pháp mô hình hóa đối tượng bằng thực nghiệm Sử dụng thành thạo công cụ nhận dạng hệ thống của

phần mềm Matlab Simulink (Identification Tool) để mô hình hóa đối tượng

điều khiển tuyến tính với độ chính xác tương đối cao Khai thác sử dụng thành thạo các module điều khiển quá trình của STEP7 và nâng kỹ năng lập trình hệ thống điều khiển Về lý thuyết trang bị cho học viên các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID, khả năng phân tích và lựa chọn phương pháp thiết kế phù hợp cho đối tượng điều khiển

3 Nội dung luận văn

Nội dung luận văn gồm 3 chương:

Chương I: Nhận dạng hệ thống gia nhiệt

Chương II: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống gia nhiệt

Chương III: Tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống gia nhiệt bằng PLC S7-300

2

CHƯƠNG 1: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG GIA NHIỆT

1.1 Giới thiệu mô hình hệ thống gia nhiệt

Hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 đã được trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trang bị cho phòng thí nghiệm chuyên ngành điều khiển tự động có cấu tạo như sau:

Hình 1.1: Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921

Mô hình bao gồm các khối như sau:

+ Bình gia nhiệt

+ Dây điện trở dùng để gia nhiệt

+ Cảm biến đo nhiệt độ

+ Mạch biến đổi điện áp AC/AC

+ Bộ chuyển đổi AD/DA

+ Máy bơm

+ Bồn chứa nước

+ Hai van điện từ

+ Màn hình hiển thị nhiệt độ sử dụng LED 7 thanh

+ Máy tính

Trong đó các khối có chức năng như sau:

1 đầu vào lấy nước thông qua bơm từ bồn chứa

Hình 1.2: Bình gia nhiệt

1.1.2 Dây điện trở dùng để gia nhiệt

Dây điện trở nhận điện áp từ mạch công suất có dải trong khoảng từ 0V đến 220V, nó sẽ đốt nóng và làm cho nước trong bình gia nhiệt tăng lên theo yêu cầu của bài toán Các đặc tính và thông số kỹ thuật cho như sau:

1.1.3 Cảm biến đo nhiệt độ

Để đo nhiệt độ, dùng cảm biến PT 100 (RTD) được cấu tạo từ kim loại Platinum và quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở

00C là 100 Ohm, đây là một loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần một nguồn ngoài ổn định, có dải đo từ 500C đến 2000

C PT100 có hình dạng và các thông số kỹ thuật được cho như dưới bảng sau:

4

Hình 1.4: Cảm biến đo nhiệt độ

- Bảng thông số kỹ thuật cảm biến đo nhiệt độ:

Thông số kỹ thuật

Nguyên lý đo Đo áp Khoảng đo -50 đến 2000C Thời gian đáp ứng < 5 giây

Thời gian hiệu chuẩn Không cần thiết Khoảng nhiệt độ -50 đến 2000C Sai lệch giá trị đo ± 10C

1.1.4 Mạch biến đổi xoay chiều xoay chiều 1 pha

Mạch biến đổi AC/AC có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển đặt vào các van T1 và T2, sau đó biến đổi điện áp đầu ra trong dải từ 0V đến 220V để cung cấp cho dây điện trở dùng gia nhiệt Sơ đồ nguyên lý, giản đồ điện áp và dòng điện đƣợc cho nhƣ sau:

2

T

1T

1

1

3

1

1.1.5 Bộ chuyển đổi AD/DA – Dùng cho điều khiển bằng máy tính

Bộ chuyển đổi có nhiệm vụ đọc tín hiệu đo, thông qua chuyển đổi ADC

để đƣa vào máy tính thông qua cổng RS232 Sau đó, tín hiệu điều khiển từ máy tính thông qua bộ DAC để xuất ra điều khiển đối tƣợng Tuy nhiên, trong

đề tài do có sử dụng bộ PLC S7-300 nên ta không cần thông qua bộ giao tiếp trên

Hình 1.5: Bộ giao tiếp AD/DA

6

1.1.6 Máy bơm và hai van điện từ

Hai bơm (pump1 và pump2) dùng để bơm nước lạnh vào bình gia nhiệt (coi là nhiễu phụ tải), lượng nước bơm vào phụ thuộc vào độ mở van tính

theo phần trăm (0% đến 100%) của van Noise

Hình 1.6: Mô hình hệ thống gia nhiệt

1.2 Quy trình hệ thống gia nhiệt và các yêu cầu

Tín hiệu nhiệt độ phản hồi về (được quy đổi sang dải từ 0 đến 5V – tương ứng từ 0% đến 100%) được so sánh với tín hiệu nhiệt độ đặt (được quy đổi từ 0% đến 100%), sai lệch tín hiệu điều khiển được đưa đến bộ điều khiển

PID, dựa trên thuật toán của bộ điều khiển, sẽ xuất ra tín hiệu điều khiển tương ứng có dải từ 0V đến 5V đưa đến bộ biến đổi AC/AC, bộ biến đổi sẽ biến đổi điện áp từ 0 đến 220V tùy theo độ lớn của tín hiệu điều khiển, nếu tín hiệu điều khiển là 0V thì điện áp đầu ra tương ứng 220V và nếu tín hiệu điều khiển là 5V thì điện áp đầu ra là 0V Dây điện trở gia nhiệt nhận điện

áp từ bộ biến đổi xoay chiều xoay chiều để đốt nóng và làm cho nhiệt độ bình chứa tăng

Trong quá trình gia nhiệt thì nước lạnh từ bồn chứa (coi là nhiễu phụ tải) được bơm vào trong bình gia nhiệt thông qua máy bơm nước được điều

khiển ON/OFF bằng tay Lưu lượng nước vào được điều khiển thông qua 2

van điện từ 1 và 2 Bình gia nhiệt là loại bình tự tràn (khi nước đầy thì nó được thoát ra theo đường ống đặt bên trên miệng bình)

Các biến quá trình như sau:

Bộ điều khiển PID

Đối tượng gia nhiệt

Tín hiệu

nhiệt độ đặt

Tín hiệu điều khiển 0V-5V

Điện áp 0V- 220 V

Bộ biến đổi

Nhiệt độ đầu

ra của bình gia nhiệt

- Biến vào: Nhiệt độ đặt được quy ra phần trăm từ 0% – 100%

- Biến điều khiển: Điện áp điều khiển lấy từ đầu ra của bộ PID có dải từ 0V đến 5V Thông qua bộ chỉnh lưu AC/AC biến đổi điện áp đặt vào điện trở gia nhiệt có dải từ 0V – 220V

- Biến ra: Nhiệt độ đầu ra của bình gia nhiệt được xác định từ sensor nhiệt PT 100 có dải từ - 200C đến 2000C và thông qua một mạch chuyển đổi chuẩn hóa đầu ra từ 0V đến 5V

- Nhiễu tải: Là độ mở của hai van điện từ để tăng lưu lượng nước vào

bình gia nhiệt (van từ được đóng mở ON/OFF bằng tay)

Theo đó, các yêu cầu về gia nhiệt được cho như sau:

- Sai số tuyệt đối của phép đo nhiệt độ đo nằm trong khoảng ±10C

- Độ quá điều chỉnh trong quá trình gia nhiệt: 10% nhiệt độ đặt

- Sai lệch khi hê thống ở trạng thái xác lập: ± 5% nhiệt độ đặt

- Thời gian gia nhiệt (thời gian đáp ứng): Tối đa là 60 giây sau khi bắt

đầu gia nhiệt

Thiết bị gia nhiệt CRT 916921 được trường ĐHKTCN Thái Nguyên mua về từ năm 2000 Phần mềm được tích hợp sẵn, viết trên ngôn ngữ C sử dụng chuẩn giao tiếp RS232 Các tài liệu chuyển giao hiện nay hầu như không dùng được và các máy tính hiện tại không còn sử dụng đĩa mềm

Hơn nữa sau khoảng thời gian dài làm việc, các thông số của đối tượng

bị thay đổi, hàm truyền của đối tượng không còn đúng Do vậy việc nhận dạng lại hệ thống là cần thiết Việc nhận dạng hệ thống sẽ được tiến hành qua các bước sau:

- Lấy số liệu thực nghiệm

8

- Sử dụng Toolbox Indenfication trong Matlab để tiến hành nhận dạng

1.3 Tìm hiểu Toolbox Identification của Matlab

Nhận dạng đối là một trong những bước đầu tiên và quan trọng để thực hiện quá trình thiết kế điều khiển cho đối tượng Sau khi thu thập được dữ liệu vào ra theo thời gian hoặc là phổ tín hiệu của đối tượng nhiệm vụ của việc nhận dạng đối tượng là tìm mô hình toán học, hàm truyền đạt thích hợp mô tả gần đúng nhất đối tượng thực Để dễ dàng cho quá trình nhận dạng thì trong matlab có toolbox system identification toolbox để giúp chúng ta thực hiện dễ dàng trực quan, nhanh chóng

Các bước thực hiện quá trình nhận dạng được tiến hành như sau:

Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu nhận dạng

1 Dữ liệu được nhập trước tiếp từ cửa sổ Matlab

Ta nhập giá trị vào u1,y1 rồi lưu nó vào trong file.mat

>>u1= [1.2;1.3;…];

>>y1=[3;6;; ];

>>save identdata u1 y1

2 Dữ liệu lưu trong exel

Để đọc dữ liệu từ trong exel ta dùng lệnh xlsread

Sử dụng lệnh trong Matlab: data1=iddata(y,u,T); T: Chu kỳ trích mẫu

Hình 1.8 : Nhập đối tượng vào công cụ nhận dạng

Bước 4: Vẽ và tiền xử lý dữ liệu Bộ tiền xử lý sẽ loại bỏ giá trị trung bình và

tự động đặt thêm ký tự d

Sử dụng lệnh trong Matlab: data2 = detrend(data1)

Hình 1.9: Loại bỏ giá trị trung bình

Di chuyển mô hình iddatad thả vào working data để tiếp tục nhận dạng mô hình

10

Hình 1.10: Di chuyển mô hình iddatad thả vào working data

Chọn Time plot để xem hình vẽ của cả bộ dữ liệu gốc và bộ dữ liệu mới

đã loại bỏ giá trị trung bình

Hình 1.11: Hình vẽ của bộ dữ liệu gốc và mới Chia dữ liệu iddatad thành 2 phần, một phần iddatade để ƣớc lƣợng mô hình, phần còn lại iddatadv dùng để so sánh

Sử dụng lệnh trong Matlab: data1e = data2(1:a(:,1)/2);a=size(u)

data1v = data2((a(:,1)/2+1):a(:,1));

Hình 1.12: Bộ dữ liệu iddatade

Hình 1.13: Mô hình ước lượng iddatade

12

Hình 1.14: Hình vẽ bộ dữ liệu iddatade

Hình 1.15: Bộ dữ liệu iddatadv

Hình 1.16: Mô hình ước lượng iddatadv

Hình 1.17: Hình vẽ bộ dữ liệu iddatade

14

Di chuyển identdatade vào mục Working Data để tiến hành ước lượng

mô hình và di chuyển identdatadv vào mục Validation Data (Xác nhận dữ

liệu) để so sánh mô hình

Hình 1.18: Di chuyển identdata de và identdata dv vào các vùng làm việc

Bước 5: Ước lượng mô hình: Để ước lượng mô hình tự động và nhanh chóng ta

chọn Estimate Quick start Kết quả thu được các mô hình ở các ô bên phải

giao diện

Sử dụng lệnh: ARX2u1y1=arx(data1e,[2 2 1])

Hình 1.19: Ước lượng mô hình

Hình 1.20: Đáp ứng tần số

Chọn Model output để xem độ fit – độ phù hợp của mô hình

Hình 1.21: Đồ thị so sánh mô hình ARX ước lượng theo phương pháp LSE

16

Bước 6: Di chuyển ARX221 vào mục To Workspace để xem mô hình toán

học:

Hình 1.22: Mô hình toán học của ARX221

Bước 7: Di chuyển ARX221 vào mục LTI view để xem đáp ứng của mô hình

Bộ biến đổi

Nhiệt độ đầu ra của bình gia nhiệt

Do ta có thể tách riêng phần điều khiển và đối tượng gia nhiệt Vì vậy mà

dữ liệu sẽ được thu thập theo phương pháp nhận dạng trực tiếp vòng hở Việc thu thập dữ liệu bắt đầu bằng việc thay đổi điểm đặt của tín hiệu điều khiển một cách ngẫu nhiên và các thay đổi của biến đầu ra được ghi nhận với chu

kỳ lấy mẫu là 200ms Các dữ liệu sau khi được thu thập cần phải loại bỏ giá trị trung bình để thực hiện nhận dạng

Việc thu thập số liệu được lấy trực tiếp trên giao diện điều khiển sử dụng phần mềm WinCC và thông số được lưu sang file.dat

1.4.2 Tiến hành nhận dạng sử dụng Toolbox Indenfication

- Tập dữ liệu vào/ ra được thu thập có dạng như sau:

Ta sử dụng bộ số liệu data1 để nhận dạng và kiểm chứng mô hình gia nhiệt Bộ số liệu này gồm 1294 mẫu, ta chia làm hai phần, phần 1 từ [1: 647]

sẽ dùng để ước lượng Từ [648:1294] sẽ sử dụng để kiểm chứng Việc đóng gói dữ liệu và loại bỏ giá trị trung bình cho các biến vào ra xem phụ lục 1 kèm theo

- Loại bỏ giá trị trung bình đầu vào/ đầu ra:

- Mô hình hệ thống gia nhiệt thu được theo phương pháp ARX

Từ mô hình toán học của hệ thống QGCP sau khi nhân dạng bằng công cụ

System Identification Toolbox là:

ARX2u1y1 =

Discrete-time ARX model: A(z)y(t) = B(z)u(t) + e(t)

A(z) = 1 - 1.937z^-1 + 0.9371z^-2 B(z) = -6.453e-05z^-1 + 7.494e-05z^-2

Sample time: 0.02 seconds

2 5 1

5

2 1

10

*494.710

*453.6)(

9371.0937

.11)(

)()()()()(

q B

q q

q A

t e t u q B t y q A

Để chuyển từ miền rời rạc sang miền liên tục để tìm hàm truyền đối tượng gia nhiệt ta sử dụng lệnh trong matlab:

Sample time: 0.02 seconds

Discrete-time transfer function

02688

0003604

0)

s s

G (1.1)

Vì 0.003604 << 0.02688 nên ta xấp xỉ hàm truyền có dạng:

s

e s s

s s

18051.322

6748.201005

.0247.3

02688

0)

- Để thu đƣợc mô hình phù hợp với mục đích điều khiển ta bắt đầu từ

mô hình ARX bậc 2, bậc 5, bậc 10 với na = 2; nb = 2; nk = 1 Kết quả thu đƣợc mô hình bậc hai cho kết quả với độ phù hợp với dữ liệu kiểm chứng lên

Kết luận chương 1

Trong quá trình hệ thống vận hành từ năm 2000 đến nay, do còn thiếu tài liệu thí nghiệm và sau khoảng thời gian dài làm việc, các thông số của đối tượng bị thay đổi, hàm truyền của đối tượng không còn đúng Do đó, hệ thống không còn đạt chất lượng yêu cầu, mà mô hình càng chính xác thì hiệu quả công việc điều khiển càng cao Vì vậy, việc nhận dạng lại hệ thống là cần thiết và rất quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự động Ngoài ra nhận dạng còn có ưu điểm là xác định được cấu trúc và tham số mô hình đối tượng, tạo

cơ sở để thiết kế bộ điều khiển

Để nhận dạng hệ thống gia nhiệt ta chọn phương pháp bình phương tối

thiểu (LSE), phương pháp này được áp dụng rộng rãi đối với cả hệ thống phi

tuyến và tuyến tính trên miền thời gian cũng như miền tần số, đạt chất lượng tốt, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về mặt tiêu chuẩn Do vậy ta chọn phương pháp ước lượng tham số mô hình ARX theo nguyên tắc bình phương tối thiểu

22

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT

Trong chương 1, mô hình toán học của thiết bị gia nhiệt đã được xác định bằng phương pháp thực nghiệm và được biểu diễn bằng mô hình hàm truyền sau đây:

s

e s s

18051,

322

6748,

2)

- Phương pháp IMC

- Phương pháp hằng số thời gian tổng nhỏ nhất của Kuhn

- Phương pháp Ziegler và Nichols 1

- Phương pháp tối ưu mô đun

2.1 Phương pháp IMC

IMC là một phương pháp thiết kế bộ điều khiển mà trong thành phần

bộ điều khiển có sự tham gia của mô hình đối tượng điều khiển [1] Cấu trúc của hệ thống điều khiển tổng hợp bằng phương pháp IMC (hình 2.1) Trong (hình 2.2) là sự biến đổi sơ đồ cấu trúc trong (hình 2.1) để tách riêng bộ điều khiển và đối tượng điều khiển

ĐTĐK

G(s)

R(t)

)(

Hình 2.1 Mô hình điều khiển sử dụng IMC

G(s)

)(

GIMC s

Hình 2.2 Mô hình biến đổi tương đương

Vậy ta có [1]:

)()

(1

)()

()

(

s G s G

s G s G s

G

IMC

IMC

đk   (2.2)

Với : GIMC(s) = G-1(s)GLOC(s) (2.3)

Áp dụng cho hệ thống gia nhiệt với đối tƣợng xấp xỉ về dạng

)3083,

01)(

8051,3221

(

6748,

2)

(

s s

s G

,2

)8051,3221

()()

()

31,011.323

11

(805,391)

()

(1

)()

()

s s

G s G

s G s G

24

Hình 2.3: Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển bằng phương pháp IMC

Nhưng do đối tượng có hằng số thời gian chậm trễ nhỏ nên phương pháp thiết kế này không phù hợp, hệ kín không ổn định

2.2 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn

Phương pháp thiết kế của Kuhn [1] là phương pháp thực nghiệm rất dễ dàng thực hiện mà không cần biết chính xác mô hình đối tượng, thay vào đó

là ta phải xác định được các tham số đặc trưng của đối tượng điều khiển bằng phương pháp thực nghiệm Các tham số cần xác định từ thực nghiệm là: Hệ

số khuếch đại của đối tượng K, hằng số thời gian tổng nhỏ nhất Ts Nếu có mô hình hàm truyền của đối tượng, ta có thể xác định các tham số này từ mô hình với

m

j Dj s

T

T T

1

1

 (2.7) Trong đó, TDj là hằng số thời gian vi phân, T i hằng số thời gian quán tính và τ hằng số thời gian chậm trễ Theo (2.7), ta có hằng số thời gian nhỏ nhất của hệ thống gia nhiệt là: T S  322,8051 0,3083 323,1134   Sau khi có được các tham số của đối tượng từ thực nghiệm ta có thể tra bảng thiết kế của phương pháp (Bảng 2.1) để xác định bộ điều khiển cần tìm

Luật điều khiển

Bảng 2.1: Tổng hợp bộ điều khiển theo Kuhn

Theo bảng 1, ta có bộ điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt:

)49,6269

,257

11

(3739,0)()

s s

G s

G dk  PID    (2.8)

Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển thiết kế theo phương pháp tổng Kuhn được biểu diễn tại (hình 2.4)

Hình 2.4: Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển bằng phương pháp Kuhn

Từ độ đặc tính quá độ của hệ kín ta xác định được chất lượng của hệ thống điều khiển: hệ không có độ quá điều chỉnh nhưng thời gian quá độ lại rất lớn khoảng 800 giây

2.3 Phương pháp Ziegler- Nichols 1

Ziegler và Nichols đã đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển động Mô hình thiết bị gia nhiệt thích hợp với phương pháp Ziegler-Nichols 1 Để tra được bảng thiết kế theo Ziegler -Nichols 1 ta

cần xác định các tham số sau đây từ thực nghiệm: Hệ số khuếch đại K, hằng

26

số thời T và thời gian chậm trễ τ của đối tượng Bảng thiết kế theo phương

pháp Ziegler-Nichols được biểu diễn trong (Bảng 2.2)

Luật điều khiển

T

PI: (1 1 )

s T

K

I

p 

.9,0

K

T

0,33 τ PID:

Bảng 2.2: Thiết kế bộ điều khiển theo Ziegler- Nichols 1

Theo bảng thiết kế ta được tham số của bộ điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt:

)1542,07708,0

11

(7292,469)

()

s s

G s

Đặc tính quá độ của hệ được biểu diễn ở hình 2.5

Hình 2.5: Đặc tính quá độ hệ thống điều khiển đối tượng gia nhiệt

theo Ziegler-Nichols

Cũng giống như phương pháp IMC, vì thời gian chậm trễ quá nhỏ nên phương pháp thiết kế này không phù hợp Bộ điều khiển và các tham số lựa chọn theo phương pháp cho chất lượng hệ kín không tốt.

2.4 Phương pháp tối ưu mô dun

Những phương pháp trên cho thấy ứng với một đối tượng cần chọn phương pháp thiết kế phù hợp thì mới đạt chất lượng tốt Đối với đối tượng có hằng số thời gian trễ nhỏ và sự chênh lệch giữa hai hằng số thời gian là quá lớn thì phương pháp thiết kế thích hợp nhất là phương pháp tối ưu mô đun

Phương pháp tối ưu mô đun được thực hiện theo ý tưởng: Chọn cấu trúc và tham số của bộ điều khiển sao cho module véc tơ đặc tính tần số của

hệ kín G K ( j) 1và được gọi là thiết kế bộ điều khiển sao cho véc tơ đặc tính tần số của hệ kín là tối ưu

Theo [1] ta có bẳng thiết kế của phương pháp tối ưu mô đun biểu diễn ở bảng 3

Hằng số thời gian vi phân

2 Tùy chọn

)1

s T

)1)(

s T

I

T T

2

2

2 1

2 1

T T

T T



Bảng 2.3: Tổng hợp bộ điều khiển tố ưu mô dun

Đối tượng gia nhiệt được xấp xỉ về dạng khâu quán tính bậc 2:

)3083,

01)(

8051,3221

(

6748,

2)

(

s s

s G







Với K=2,6848; T1322.8051và T=0,3083, tra bảng thiết kế của phương

pháp ta chọn được luật điều khiển PI với các tham số: