Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt trên cơ sở vi điều khiển

b.Các lò dùng cảm ứng ở tần số thấp Trong đó vật liệu đem xử lý được đặt trong một trường điện từ tạo ra bởidòng điện tần số thấp của cuộn sơ cấp, tạo ra các dòng từ cảm, chúng đưa vậtl

Chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Vinh đã trực tiếp hướngdẫn chúng em làm đồ án, Ths.Nguyễn Thu Hà, giáo viên chủ nhiệm lớp, đã giúp

đỡ và tư vấn đồ án cho chúng em

Chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện đã tạo mọi điều kiện tốtnhất cho chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình

Dù chúng em đã có nhiều cố gắng, nhưng vẫn không thể tránh khỏi nhữngthiếu sót, xin được các thầy, các cô chỉ dẫn thêm để chúng em có thể hoàn thànhtốt đồ án này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện đồ án

LỜI GIỚI THIỆU

Hệ thống điều khiển nhiệt độ chiếm vị trí hết sức quan trọng trong côngnghiệp hóa chất, thực phẩm, sinh học, luyện kim, lọc dầu,xi măng…Ở đó đòihỏi phải đảm bảo nhiệt độ ở mức cần thiết theo yêu cầu công nghệ, trong đó ổnđịnh nhiệt độ của lò nhiệt là chiếm tỉ lệ khá cao

Trong một số trường hợp thì tham số động học của lò thay đổi theo thờigian đồi hỏi tham số của bộ điều khiển phải thay đổi hoặc phải bù trừ tham số

để phù hợp với sự thay đổi tham số của lò, nâng cao chất lượng hệ thống Xuất

phát từ nhu cầu thực tiễn đó chúng em chọn đề tài: “Tổng hợp hệ thống điều

khiển nhiệt độ lò nhiệt trên cơ sở vi điều khiển ”.

Đề tài thực hiện gồm các phần sau:

-Tìm hiểu lò điện trở theo mô hình tự xây dựng

-Nhận dạng tham số động học của hệ thống ở điều kiện chuẩn

-Tổng hợp cấu trúc và thuật toán điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở

-Giới thiệu về các phần tử mạch và thiết kế mạch điều khiển cho lò

Để thực hiện đề tài và hoàn thiện sản phẩm chúng em đã tìm tòi nghiên cứu, thínghiệm và chính điều này đã giúp chúng em hiểu sâu sắc hơn những kiến thức

mà chúng em được học và là điều kiện giúp chúng em vận dụng kiến thức đóvào thực tế Nó giúp chúng em hình thành được một hệ thống kiến thức, kinhnghiệm và kĩ năng cấn thiết để có thể vận dụng lý thuyết vào thực hành mộtcách thành thạo

Trên đây là những vấn đề cơ bản về đề tài nghiên cứu của chúng em Dotrình độ hiểu biết có hạn, thời gian thực hiện đề tài gấp rút, nên không thể tránhkhỏi những sai sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô đểchúng em có phương hướng nghiên cứu sâu hơn và hoàn thiện đề tài của mìnhhơn

-Chất lượng sản phẩm.

-Năng suất của lò và năng suất của các thiết bị liên quan tới lò

-Giảm tỷ lệ phế phẩm, giảm chi phí vật liệu ,giảm suất tiêu hao nhiên liệu.-Không làm ô nhiễm môi trường

1.1.2 Chế độ nhiệt của lò

a Nhiệt độ lò

-Nhiệt độ lò là nhiệt độ đặc trưng mang tính quy ước.Nhiệt độ lò không phải

là nhiệt độ của nguồn nhiệt ( ngọn lửa, khói lò,hoặc dây đốt )

-Nhiệt độ lò là nhiệt độ trung bình trong không gian làm việc của lò, thưởngthì nhỏ hơn nhiệt độ nguồn nhiệt

tLO = τ (1-1) Trong đó, f là hàm số , τ là thời gian.

-Việc chọn lựa chế độ của lò thích hợp thường phải xuất phát từ đòi hỏi côngnghệ Khi nhiệt độ của lò không thay đổi theo thời gian thì :

tLO =0

∂

∂

Ở chế độ này người ta gọi là chế độ ổn định nhiệt

-Khi nhiệt độ của lò thay đổi theo thời gian, người ta gọi là chế độ nhiệt độkhông ổn định.Ở chế độ nhiệt độ không ổn định có

Trong đó, Q là phụ tải nhiệt, τ là thời gian, f là hàm số.

-Chế độ nhiệt không ổn định là chế độ nhiệt thay đổi theo thời gian

Chế độ nhiệt và chế độ nhiệt độ thường có quan hệ mật thiết với nhau, người tathường dựa vào yêu cầu công nghệ để lựa chọn chế độ nhiệt độ của lò Sau khixác lập được chế độ nhiệt độ của lò, người ta tiến hành tính toán việc cấp nhiệtcho lò để đảm bảo đúng chế độ nhiệt độ đã cho

1.2 Lò điện

-Lò điện là thiết bị biển đổi điện năng thành nhiệt năng dùng trong công nghệnung nóng, nấu chảy, sấy…vật liệu

-Lò điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp

1.2.1 Đặc điểm của lò điện

- Có khả năng tạo nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thểtích nhỏ

- Do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao nên lò có tốc độ nung nóng lớn,năngsuất cao

- Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điểu chỉnh và khống chế chế độ nhiệt

và chế độ nhiệt độ của lò

- Lò đảm bảo độ kín, có thể nung nóng trong chân không hoặc trong môitrường có khí bảo vệ.

- Có khả năng tự động hoá cao, đảm bảo điều kiện vệ sinh

1.2.2 Một số loại lò điện

Các lò điện chủ yếu bao gồm một bình chứa đa phần là kín trong đó đạtđược một nhiệt độ tương đối cao Được dùng cho nhiều hoạt động chẳng hạnnhư làm nóng chảy, nung, ủ, tôi, luyện, tráng men, xử lý nhiệt các mối hàn Tuỳtheo trường hợp mà chúng được gọi là lò cất, lò chuông, lò chậu, lò luyện, lòhầm Một số lò bao gồm các bộ phận cho phép, chẳng hạn lật nghiêng lò, hoặcmột phòng đặc biệt để xử lý các nguyên liệu trong áp lực khí quyển thấp Theocách thức đun nóng được dùng, người ta phân biệt: Các lò điện công nghiệphoặc trong phòng thí nghiệm, kể cả các lò hoạt động do cảm ứng hoặc do haophí điện môi Ta thường gặp một số loại lò điện sau đây:

a.Các lò điện trở (nung nóng gián tiếp) trong đó nhiệt thu từ dòng điện

chạy qua các điện trở nóng lên

b.Các lò dùng cảm ứng ở tần số thấp

Trong đó vật liệu đem xử lý được đặt trong một trường điện từ tạo ra bởidòng điện tần số thấp của cuộn sơ cấp, tạo ra các dòng từ cảm, chúng đưa vậtliệu lên nhiệt độ cần thiết Trong một số lò, vật liệu nung chảy đi qua từ nơi lòchính sang ống ruột gà thẳng đứng, ở đó vật liệu cũng chịu tác động của dòng cảm ứng nung nóng

c.Các lò phản ứng ở tần số cao

Trong đó dòng điện của tần số cao của một mạch sơ cấp (thông thườngmột tần số rađio) gây ra các dòng Fucô trong vật liệu muốn làm nóng chảy.Khác với lò trước, lò kiểu này không có lõi từ tính

d.Các lò nung nóng bằng hao hụt điện môi

Trong đó vật liệu đem xử lý, không phải là chất dẫn điện, được giữ giữahai miếng kim loại nối với một nguồn điện xoay chiều có tần số rất cao Tổngthể hoạt động theo một nguyên tắc tương tự như nguyên tắc của tụ điện, sứcnóng gây ra từ việc mất điện môi mà vật liệu xử lý là nồi hội tụ

e.Các lò đun nóng bằng điện trở

Trong đó dòng điện chạy qua chính vật liệu xử lý, sức nóng rút ra từ cácđiện trở mà các vật liệu nói ở trên tạo ra khi điện đi qua Lò này sử dụng trước

nhất cho các thanh kim loại hoặc các sản phẩm hạt, bao gồm thông thường cácthùng chậu đựng các chất phải xử lý.

f.Các lò tắm

Trong vật phải xử lý được ngâm trong một bồn tắm phù hợp (kim loạinóng chảy, dầu nhờn, muối nóng chảy ) bồn tắm ở nhiệt độ đòi hỏi thông quacác điện cực nhúng ngập

g.Các lò hồ quang

Trong đó sức nóng phát sinh bởi một hồ quang điện giữa các điện cựchoặc giữa một điện cực và vật liệu để nóng chảy Các lò thuộc loại này được vậndụng chính cho các lò sản xuất gang, thép đặc biệt, nhôm, các loại thép hợp kim,các bua can xi, để rút muối từ sắt, để lấy azốt khí quyển Một số lò hồ quangvới nhiệt độ tương đối cao cũng được dùng cho việc sản xuất kẽm hoặc phốt pho

h.Các lò luyện sử dụng tia hồng ngoại

Trong đó vật liệu xử lý được chiếu tia của một số đèn điện đặc biệt tức làđèn hồng ngoại, hoặc từ miếng kim loại phát xạ bố trí khác nhau.Đôi khi người

ta dùng trong cùng một lò nhiều quy trình nung chảy bằng điện, chẳng hạn cảmứng ở tần số cao hoặc thấp cho kim loại, hoặc cho một số lò bánh bích quy, điểnhình là cảm ứng và các tia hồng ngoại

hờ quá tình tạo nhiệt

1.2.3 Lò điện trở

a.Khái niệm

Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dâyđốt (dây điện trở) Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệtnăng được truyền tới vật cần gia nhiệt Lò điện trở thường được dùng để nung,nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu…

b.Nguyên lý làm việc của lò điện trở

Khi dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R (vật rắn hoặc chất lỏng) nó

sẽ toả ra nhiệt lượng theo định luật Joule-Lence

tRI

(1-5)

Trong đó: R- điện trở nung, I- cường độ dòng điện, t- thời gian dòng chạy qua

c.Phân loại lò điện trở

Lò điện trở tác dụng trực tiếp: là lò điện trở mà vật nung được nung trựctiếp bằng dòng điện chạy qua nó Đặc điểm của loại này là tốc độ nung nhanh,cấu trúc lò đơn giản

Lò điện tác dụng gián tiếp: là lò điện trở mà nhiệt được toả ra ở dây điệntrở rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hay truyềnnhiệt

1.3 Một số phương pháp điều khiển lò

1.3.1.Ba phương pháp khống chế chế độ nhiệt của lò

Từ biểu thức (1-5) ta thấy, muốn thay đổi lượng nhiệt Q ta có thể thay đổiđiện trở vậ dẫn (R), thay đổi dòng điện (I) chảy qua vật dẫn hoặc thay đổi thờigian (t) cho dòng điện chảy qua vạ dẫn

a.Thay đổi R

Nếu tăng hoặc giảm R thì Q thay đổi Tuy nhiên, phương pháp này dẫnđến tốn năng lượng do đốt điện trở phụ thêm nếu như muốn thay đổi Q

b.Thay đổi I bằng cách thay đổi điện áp cung cấp

Phương pháp này thường dùng máy biến áp để hạ hoặc tăng áp Tuy nhiênviệc điều khiển nhiệt đọ không trơn

c.Thay đổi thời gian t ( thời gian dòng điện chạy qua )

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, người ta đã chế tạo ranhững thiết bị bán dẫn công suất lớn như: Diode, Tiristor, Triac, Transitor…chịu được dòng áp lớn

Ba phương pháp trên thì phương pháp thay đổi thời gian t sử dụng côngnghệ bán dẫn thuận tiện nhất, có thể tự động hoá một cách dễ dàng

1.3.2 Sử dụng Transistor khống chế thời gian dòng chạy qua

a Kí hiệu

Thông thường trong mạch điều khiển sử dụng hai loại transistor pnp và

npn có kí hiệu như trên hình 1.1.a và 1.1.b

b.Đặc tính Vôn-ampe của transitor loại npn được thể hiện trên hình 1.1.c.

Hình 1.1 Kí hiệu transitor pnp (a) và npn (b), đực tính Vôn-ampe của transitor

c Sử dụng transistor khống chế thời gian dòng chảy qua.

1.3.3 Sử dụng Tiristor khống chế thời gian dòng chạy qua lò

a.Kí hiệu Tiristor

Kí hiệu transistor như hình 1.4

d) c)

b)

I

2 1

4

3

K G A

Hình 1.3 Cấu trúc (a), mạch tương đương (b), kí hiệu (c) và đặc tính Volt-Ămpe của Tiristor

b.Đặc tính Vôn-Ampe của tiristor

Đoạn 1: Ứng với trạng thái khoá của Tiristor chỉ có dòng rò chạy qua khiđiện áp chuyển trạng thái quá trình tăng nhanh chóng của dòng điện Tiristorchuyển sang trạng thái mở Đoạn 2: Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2,trong giai đoạn này, mỗi một lượng tăng nhỏ dòng điện ứng với lượng giảm lớnđiện áp đặt trên Tiristor Đoạn 3: Ứng với trạng thái mở của Tiristor Khi này, cả

3 mặt ghép trở thành dẫn điện Đoạn 4: Ứng với trạng thái Tiristor bị đặt dướitrạng thái điện áp ngược Nếu tăng U đến quá U mặt ghép bị chọc thủng,ZTiristor bị phá huỷ

c.Sơ đồ khống chế dòng chạy qua lò.

Không sử dụng cầu chỉnh lưu

Bằng cách khống chế xung ở chân G của Tiristor ta có thể khống chế thời giantồn tại dòng điện qua R L

U L

t

G A

Có sử dụng chỉnh lưu cầu có sơ đồ nguyên lí trên hình 1.5.a.

b)

A U

t

U G

t

t U

L U U

L I

R L K

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí (a) đồ thị thời gian mạch khống chế dòng điện chạy qua lò có sử

dụng cầu chỉnh lưu với Thiristor

Để điều khiển thời gian tồn tại dòng I ta điều khiển thời gian tồn tại củaL

G

U Giản đồ xung áp của mạch thể hienj trên hình 1.5.b

1.3.4 Sử Dụng Triac khống chế thời gian dòng chạy qua

a.Kí hiệu của Triac như trên hình 1.6.a.

c) b)

n n

Triac là phần tử bỏn dẫn gồm 5 lớp bỏn dẫn, tạo nờn cấu trỳc p-n-p-n nhưtrờn hỡnh 1.6.b Khi cú dũng cực G thuạn Triac dẫn điện theo cả 2 chiều giữa cỏccực A1 và A2,do đú cú thể dẫn dũng theo cả 2 chiều giữa A1 và A2 Triac cú thể

coi như hai Thiristor đấu song song ngược

t

U L

U

t t

G U

G

b) a)

U

L I

R L

Hỡnh 1.7 Sơ đồ nguyờn lớ (a) đồ thị thời gian mạch khống chế dũng điện chạy qua lũ cú sử

dụng Triac

c Đặc tớnh dũng- ỏp thể hiện trờn hỡnh 1.6.c

d Sơ đồ khống chế thời gian dũng điện chạy qua

Bằng cỏch thay đổi gúc mở, ta cú thể thay đổi thời gian dũng chạy qua

1.3.5 Giới thiệu lũ điện trở cú mạch vũng điều khiển nhiệt độ

NhiệtNhiệt độ

Hỡnh 1.8 Sơ đồ khối mạch điều khiển nhiệt độ lũ nhiệt

b Hệ thống cung cấp năng lượng cho lũ

Sơ đồ mạch điện như trên hình 1.9.a Mạch tạo xung được cách li vớimạch động lực nhở bộ quang điện MOC3021 Triac loại TBA10 cho phép dòngđiện phụ tải đến 10A từ nguồn điện áp lưới AC220V/50Hz

AC220V/50Hz 4

6

2 1

c.Cơ cấu đo

Với yêu càu độ chính xác không cao, tại lò điện thực nghiệm sử dụng cảmbiến nhiệt độ loại bán dẫn LM35 (xem hình 1.9.b) Điện áp đầu ra (U ) của nóO

tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ tại nơi cần đo the thang độ Celsius Họ này cho rđiện áp 10mV ứng với thay đổi nhiệt độ là C10 Đầu ra LM35 được đưa trựctiếp đến cửa vào bộ chuyển đổi ADC 0808

d Đối tượng điều khiển

Mô hình lò điện được thiết kế bằng hộp nhựa chịu nhiệt 2 lớp Giữa 2 lớpnhựa tấm có lớp bảo để giữ nhiệt (hình 1.10)

Hình1.10 Mô hình thiêt kế lò nhiệt điện trở

Chương 2 NHẬN DẠNG HỆ THỐNG LÒ ĐIỆN 2.1 Cơ sở lý thuyết nhận dạng

Xây dụng mô hình toán học của đối tượng điều khiể là nhiệm vụ đầu tiêncủa người thiết kế hệ thống khi đứng trước bài toán thiết kế hệ thống điều khiển

tự động cho một đối tượng nào đó Như đã biết có hai con đường để giải quyết

nhiệm vụ này Thực chất đó là phương pháp giải tích hay nói cách khác là phân

tích lý thuyết dựa trên việc phân tích tìm ra các qui luật vật lý phản ánh động học

đối tượng để thiết lạp các phương trình vi phân mô tả đối tượng từ các phươngtrình vi phân này có thể rút ra các phương trình dạng hàm truyền hoặc diễn tảtrạng tương ứng, tuy nhiên các công cụ phân tích hệ thống điều khiển được sửdụng về sau Phương pháp này có ưu điểm là cho phép người thiết kế bản chấtbên trọng của đối tượng và có được quan hệ toán học tường minh chính xác.Mặt khác, nhược điểm cơ bản của phương pháp này là đòi hởi cách phân tíchhết sức tỉ mỉ, sâu sắc và toàn diện, nhiều khi dẫn đến các phương trình vi phânbậc cao, phi tuyến hoặc có số lượng lớn không thuận tiện cho việc thiết kế tiếp

theo Khi có thể chọn phương pháp thiết kế thứ hai, đó là nhận dạng mô hình

thực nghiệm Theo phương pháp này, mô hình toán học phản ánh mối quan hệ

động học giữa tín hiệu ra và vào chọn trước được thiết lập từ các thí nghiệm tiếnhành trên đối tượng Cụ thể ta sẽ làm thay đổi đại lượng vào một lượng nhỏxung quanh điểm làm việc của đối tượng và đo đạc các giá trị ra tương ứng Các

số liệu vào, ra thu được cho phép xây dựng được các mô hình toán học đốitượng với độ chính xác nhất định Các mô hình này thường là tuyến tính, đơngiản, thuận tiện cho các công việc thiết kế tiếp theo

Trong khuôn khổ chương này, ta sẽ xem xét hai phương pháp nhận dạng

cơ bản Phương pháp thứ nhất là đánh giá đồ thị đáp ứng đầu ra của đối tượng

sử dụng các thủ tục đồ họa đơn giản để xây dựng mô hình Phương pháp thứ hai,tổng quát hơn, sử dụng các nguyên lý thống kê để sử dụng các tham số của môhình Mỗi phương pháp sẽ được minh họa qua một số ví dụ Cuối cùng một sốcác phương pháp khác cũng đựoc điểm qua để người đọc có thể lựa chọn con

đường phự hợp cho mỡnh khi cú nhu cầu xõy dựng mụ hỡnh toỏn học của đốitượng điều khiển.

2.1.1 Thủ tục xõy dựng mụ hỡnh thực nghiệm

Quỏ trỡnh xõy dựng mụ hỡnh thực nghiệm cú thể được tổng hợp bằng saubước như trờn hỡnh 2.1

liệu khác Các dữ

Các thông tin có sẵn

Kết thúc

Bắt đầu

Mô hình xác nhận Sai số đánh giá

Đánh giá tham số Xác định cấu trúc mô hình Tiến hành thí nghiệm với đối t ợng Lập kế hoạch thí nghiệm

Hỡnh 2.1 Cỏc bước tiến hành định dạng đối tượng

Thủ tục này đảm bảo cỏc số liệu đỳng sẽ được tạo ra nếu cỏc thớ nghiệmxõy dựng và thực hiện cẩn thận Từ lưu đồ trờn hỡnh 2.1 dễ thấy thử tục đũi hỏiphải cú một lượng thụng tin nào đú cú sẵn cú về đối tượng để lập kế hoạch thớnghiệm và về bản chất, thường là một quỏ trỡnh lặp như cỏc đường nột đứt thểhiện Khi hoàn chỉnh, kết thỳc thử tục người nghiờn cứu cú thể cú mụ hỡnh phựhợp hoặc ớt nhất cũng biết mụ hỡnh cần thiết chưa nhận dạng được, cần phải tiếnhành trờn cỏc thi nghiệm khỏc

a.Lập kế hoạch thớ nghiệm

Đõy là một bước quan trọng của quỏ trỡnh xõy dựng mụ hỡnh thực nghiệmtất cả cỏc phương trỡnh nhận dạng đều đũi hỏi một kớch thớch nào đú với tớn hiệuvào, vỡ vậy kế hoạch thực nghiệm phải nờu ra được dạng độ lớn và thời gian cầnthiết của tớn hiệu kớch thớch Độ lớn tớn hiệu phải đử nhỏ để đảm bảo cho phộp

về an toàn sản xuất và chất lượng sản phẩm Rõ ràng, việc lập kế hoạc này đòihỏi phải có một lượng thông tin ban đầu nhất định về đối tượng

Kết quả của bước lập kế hoạch thí nghiệm bao gồm:

• Mô tả các điều kiện tiến hành thí nghiệm

• Xác định tín hiệu kích thích

• Xác định các giá trị cần đo đạc cũng như tần số các phép đo

• Xác định thời gian thí nghiệm

Dĩ nhiên kế hoạch này cũng cần được thông báo tới các nhân viên

khác của nơi thí nghiệm để họ không có những can thiệp khác để không ảnhhưởng đến quá trình thí nghiệm

b.Tiến hành thí nghiệm

Thí nghiệm cần được tiến hành trên càng sát đối tượng càng tốt Quá trìnhhoạt động của đối tượng cần được giám sát chặt chẽ khi tiến hành thí nghiệm.Nhất là trong điều kiện đối tượng đang hoạt động sản xuất bình thường khi đó

sự thay đổi kích thích lớn có thể gây ảnh hưởng xấu đến sản phẩm Thôngthường thí nghiệm mà các giá trị đầu vào thay đổi khác có thể số liệu không cầnthiết cho mục đích nhận dạng mô hình mô hình đối tượng Quá trình giám sát thínghiệm này phải được giữ vững trong suốt quá trình trên cơ sở sử dụng các thiết

bị đo săn có và các nguồn thông tin khác

c.Xác định cấu trúc mô hình

Hiện nay có nhiều phương pháp tính toán tham số cho mô hình có cấutrúc định trước nhưng lại có it phương pháp xác định cấu trúc của mô hình(chẳng hạn hàm truyền bậc một hay bậc hai) chỉ trên cơ sở các số liệu Nóichung người thiết kế phải giả thiết về sự cho trước của cấu trúc mô hình và sau

đó đánh giá kiểm tra giả thiết đó Cấu trúc ban đầu được chọn trên cơ sở cácthông tin nghiên cứu trước như phân tích bản chất vật lý của đối tượng hoặc sốliệu mẫu về đối tượng đã được thu thập trước đó Giả thiết này đánh giá tưngbước chuẩn đoán về sau trong thu tục này

phương pháp thứ nhất sử dụng kỹ thuật đồ thị, còn phương pháp thứ hai sử dụngnguyên lý thống kê Cả hai phương pháp đều cho phép đánh giá các tham số của

mô hình hàm truyền chẳng hạn như hệ khuếch đại (tỷ lệ), hằng số thời gian vàthời gian trễ trong mô hình và lập kế hoạch thực nghiệm

e.Đánh giá sai số mô hình

Trước khi đưa mô hình vào sử dụng trong điều khiển cần phải có mộ sốđánh giá cần thiết Bước dự đoán đánh giá này xác định mức độ phừ hợp của

mô hình với các số liệu đã sử dụng trong đánh giá các tham số Nói chung có haicách đánh giá sai số:

(1): So sánh số liệu sinh ra từ mô hình với các số liệu đo được

(2): So sánh với các giả thiết được sử dụng trong phương pháp đánh giátham số đã chọn

Cần lưu ý một lần nữa rằng mô hình nhận dạng được thông qua trên đâyphản ánh mối liên quan động học từ kích thích đầu vào cho đến đáp ứng đầu ra

Mô hình nhận dạng này chứa đựng tất cả các thiết bị giữ đầu vào và đầu ra,chẳng hạn ngoài bản thân đối tượng nó phàn ánh cả động học của các van vàcảm biến Đây không phải là hạn chế của mô hình, mà ngược lại mô hình thựcnghiệm thể hiện lượng thông tin phù hợp cho điều khiển mà nó chứa đựng tất cảcác thành phần của vòng điều khiển

Cuối cùng cần phải cân đối giữa hai mục tiêu đối nghịch nhau trong tiếnhành thí nghiệm Một mặt cần phải đảm bảo vận hành là việc của đối tượng mộtcách an toàn hơn, đúng đắn và như vậy thì không được làm tín hiệu vào có sailệch đáng kể Nhưng mặt khác để xây dựng được mô hình chính xác phục vụđiều khiển thì tín hiệu vào phải được kích thích đủ lớn Một thủ tục thí nghiêmhợp lý sẽ phải cần đử hai mục tiêu bằng cách đưa ra nhiều tác động nhanh saocho hoạt động của đối tượng trong tương lai sẽ tốt hơn do điều khiển tốt

2.1.2 Đồ thị đáp ứng đầu ra đối tượng

Có thể nói đánh giá đồ thị đáp ứng đầu ra đôi tượng là phương pháp thôngdụng nhất trong nhận dạng mô hình động học đối tượng Nó dễ dàng thực hiện

và mặc dù là phương pháp ít tổng quát nhất, lại đem lại các mô hình phù hợptrong nhiều trường hợp

Tín hiệu u(t) và y(t) là các tín hiệu vào ra của đối tượng

Phương pháp đánh giá đồ thị đáp ứng đầu ra của đối tượng trong thực tế gồmcác bước sau:

+Bước 1: Để cho đối tượng đạt tới trạng thai xác lập

+Bước 2: Biến đầu vào u(t)= u01(t) thay đổi bặc thang

+Bước 3: Đo và thu thập các giá trị tín hiệu vào u(t) và đáp ứng đầu ray(t) cho đến khi đối tượng lại đạt tới trangh thái xác lập mới

+Bước 4: Tiến hành với các tính toán với các đồ thị nhận được trước khi

đi vào xem xét cụ thể các tính toán ta phân tích mối quan hệ giữa đặc điểm của

đồ thị đáp ứng quá độ h(t) (khi tín hiệu vào là ham bặc thang đơn vị 1(t)) với cáctham số trong truyền đạt đối tượng

2.2 Định dạng đối tượng lò nhiệt bằng phương pháp thực nghiệm

Với các đối tượng dạng tích lũy năng lượng, bằng phương pháp thông quathực nghiệm, ta xây dựng đường cong quá độ của đối tượng điều chỉnh

Khi thực hiện, tạm chia đối tượng điều chỉnh làm 3 nhóm Đó là, đối tượngđiều chỉnh bậc 1, đối tượng điều chỉnh từ bậc 2 và có bậc cao hơn Ta lần lượtxét với từng trường hợp

2.2.1 Đối tượng điều chỉnh bậc 1

Bằng thực nghiệm ta có thể xây dựng được đặc tính quá độ của đối tượngnhư ở hình 2.2.a Từ đặc tính quá độ xác định được hệ số K:

Δα

Δy

Kẻ đường tiếp tuyến với đường cong tại gốc tọa độ Ta sẽ xác định được

T Từ đồ thi ta xác đinh được hàm truyền của đối tượng điều chỉnh sẽ là:

1Tp

K(p)

W

Trong đó: p toán tử Laplace

2.2.2 Đối tượng điều chỉnh từ bậc 2 và có bậc cao hơn

Sau khi dựng được đặc tuyến quá trình quá độ của đại lượng dược điềuchỉnh như mô tả ở hình 2.2.b Hãy coi giá trị thông số điều chỉnh khi kết thúcquá trình quá độ y(∞)=1 Dựng tiếp tuyến tại điểm uốn ta đo được giá trị của τu

để xác định được bậc của đối tượng điều chỉnh theo bảng 2.1

b) a)

t

t 0

Hình 2.2 Đặc tính quá độ của đối tượng điều chỉnh bậc 1 (a) và bậc cao hơn (b)

Bảng 3.1 Bậc của đối tượng điều chỉnh và giá trị τuBậc của đối tượng

0,0000,2640,3230,3530,3710,3840,394

9

10

0,6420,7090,773

0,4010,4070,413

Phụ thuộc vào giá trị τu ta có các trường hợp sau:

a.Nếu τu <0.218, bậc của đối tượng điều chỉnh là 2 và hàm truyền của đối

tượng điều chỉnh có dạng tổng quát:

1)p1)(Tp(T

K(p)

W

2 1

Trong đó,

Δα

Δy

K = Các hằng số thời gian xác định như sau:

Lấy giá trị y1=0,72y(∞), ta có giá trị tương ứng t1 Như trên hình 2.2.a

b) a)

i

t

y

y 0

ti

y ( )

0

y y

t i

2

Ta tìm theo biểu thức: t2 = 0,3574(T1 + T2) Từ đồ thị xác định được y2

Theo bảng 2.2, ta tìm τ2 theo y Và sau đó ta có được: 2 2

1

2 τT

b.Nếu giá trị τu ≥0,218, thì bậc của đối tượng điều chỉnh có thể là 3, 4 vàcao hơn Có 2 trường hợp:

b.1.Nếu τu có giá trị điều chỉnh đúng bằng một giá trị nào đố ở bảng 2.2.

Ta xác định bậc n của đối tượng điều chỉnh và giá trị y theo hàm tương ứng.iBiểu thức tổng quát của đối tượng điều chỉnh được mô tả dưới dạng:

n

1)(Tp

K(p)

b.2 Khi τucó giá trị nằm giữa giá trị ở bảng 2 Ta làm tròn giá trị τu, lấygiá trị gần thấp hơn Ví dụ, giá trị đo được của τutrên đồ thì là 1

u

τ trong bảng cógiá trị

T

e1)p1)(Tp(T

K(p)

W

2 1

0

−++

=Nếu τu2.<0,218

Hoặc dạng:

p d

T

n e1)(Tp

K(p)

W

0

−+

=

Nếu τu2≥0,218

Trong đó K và T , 1 T , T và n xác định như các trường hợp trên.2

Trong thực nghiệm, ta thường phải thực hiện một số lần nhất định nào đó

để đạt được kết quả gần với kết quả tính toán theo lý thuyết, vì khi tính toán theocác bước nêu trên có lúc ta phải chọn theo giá trị tương ứng gần hơn Phươngpháp này thuận tiện cho việc xác định hàm truyền đạt của các buồng sấy, lònung…

Trên cơ sở lý thuyết trên chúng em đã tiến hành khảo sát mô hình trên thựcnghiệm để tìm ra hàm truyền cho hệ trên qua các bước:

+ Bước 1: Tiến hành đo nhiệt độ trong lò tại mỗi khoảng thời gian nhấtđịnh (thời gian lấy mấu là 1 phút)

+ Bước 2:Vẽ đồ thị khảo sát của hệ

+ Bước 3: Xác định cácnk tham số của hệ

+ Bước 4: Khảo sát hệ trên Matlap & Simulik

+ Bước 5: Rút ra kết luận so sánh

Tiến hành đo nhiệt độ trong lò tại mỗi khoảng thời gian nhất định (thời gian lấymấu là 1 phút)

Bảng 2.3 Bảng thống kê khảo sát nhiệt độ của hệ tại từng thời điểm khác nhau

Hình 2.3 Đặc tính quá độ mô hình lò nhiệt

Xác định các tham số của đối tượng

Dựa vào biểu đồ thực nghiệm trên chúng em đã xác định được các tham số sau:

-Thời gian trễ của đầu ra h(t): L = 2,25.60 = 135 (s)

-Hằng số thời gian của đối tượng :T = 13,65.60 – 2,25.60 = 684(s)

Xác định hàm truyền của đối tượng:

Ta có : t1 = 648(s) => dựa vào đồ thị khảo sát ta có y1 = 20,16 + 33,5 = 53,66

T1 + T2 = 515,76( )

2564,1

6482564

,1

t

=

=Lại có: t2 = 0,3574.(T1 + T2 ) = 184,33(s)

y2 = 2,5 => tra bảng 2.2 ta tìm được τ2 = 0,1049

2564,1

6482564

,1

t1

=

1049,0T

T

2 2

1 =τ = (2)

Vậy hàm truyền có dạng:

)1pT)(

1pT(

K)

p(

W

2 1

0 = + + = (467p 1)(49p 1)

28

++

Chương 3 TỔNG HỢP CẤU TRÚC VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THAM SỐ HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT ĐIÊN 3.1 Thiết kế bộ PID

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt đồ lò điện trở đã được thể hiệntrên hình 1.7 Thiết bị điều khiển thường sử dụng là bộ điều khiển PID

3.1.1 Bộ điều khiển PID

Tên gọi PID là chữ viết tắt của 3 thành phần cơ bản có trong bộ điềukhiển Gồm: P- thành phần tỉ lệ với tín hiệu vào, I- thành phần tỉ lệ với tích phântín hiệu vào, D- thành phần tỉ lệ với tốc độ thay đổi tín hiệu vào

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượngSISO theo nguyên tắc phản hồi như trên hình 3.1

Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển với PID

Lý do được sử dụng rộng rãi là do tính đơn giản của nó về cả cấu trúc lẫnnguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ trở về 0 saocho quá trình quá độ thoả mãn yêu cầu cơ bản về chất lượng

- Nếu e(t) lớn thông qua khâu P tín hiệu điều chỉnh sẽ càng lớn

- Nếu e(t) chưa bằng 0, qua khâu I vẫn còn tồn tại tín hiệu điều chỉnh (triệttiêu sai lệch tĩnh)

- Nếu e(t) có tốc độ biến đổi càng lớn thông qua khâu D phản ứng càngnhanh

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng biểu thức:

= ∫ e( )dτ T de(t)dt

T

11K

0 I P

1(1K

I

Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp , T , I T D

Hiện có nhiều phương pháp để xác định các tham số Kp , T , I T cho PID, songDkhả năng ứng dụng rộng rãi nhất vẫn là:

- Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng

- Phương pháp thực nghiệm

3.1.2 Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp Ziegler-Nichols

Sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ của đối tượng

Phương pháp xác định tham số sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễcho đối tượng ở đây có tên gọi là phương pháp thứ nhất của Ziegler –Nichols

Nó có nhiệm vụ xác định tham số K , P T , I T cho bộ điều khiển PID trên cơ sỏDđối tượng có thể được mô tả xấp xỉ với hàm truyền đạt dạng:

Tp -ep)T(1

KP(p)

O

+

=Sao cho hệ nhanh chóng về chế độ xác lập và quá điều chỉnh ΔhMAX khôngvượt quá một giới hạn cho phép khoảng 40% so với gía trị ΔhMAX so với giá trịxác lập h ∞

ΔhhMAX ≤0.4

∞

Bằng thực nghiệm, ta xây dựng được đặc tính qua độ như trên hình 3.1.ahoặc 3.1.b Kẻ đường tiếp tuyến với đường cong quá độ, ta có các tham số:

a)

K

T L

K

L

h ( )

0 h

t b)

Hình 3.2 Đặc tính quá độ thực nghiệm của đối tượng

Trong đó, L- là thời gian chậm trẽ của đầu ra h(t), K- là giá trị giới hạn h(∞), hằng số thời gian của đối tương

T-Phương pháp Ziegler – Nichols hướng cho ta lựa chọn các tham số đềnghị sử dụng tham số K , P T , I T cho bộ điều khiển PID theo các phương ánDsau:

Nếu chỉ sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ chọn: KP =T/(KL)

Nếu chỉ sử dụng PI chọn: KP =0,9T/(KL) , TI =10L/3Nếu sử dụng PID chọn: KP =1,2T/(KL) , TI =2L , TD =L/2

Phương pháp 2 của Ziegler- Nichols

Nguyên lý được trình bày như sau:

Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại Sau đó tăng dần

hệ số khuếch đại đạt tới giá trị tới hạn KTH để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định,tức là h(t) có dao động điều hoà và ta xác định chu kỳ T của dao động.TH

Xác định tham số của bộ điều khiển PID như sau:

Nếu sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ chọn: KP =0,5KTH

Nếu sử dụng PI, chọn:

TH

P 0,45K

K = và TI =0,85TTH

Nếu sử dụng PID, chọn:

TH

P 0,6K

K = , TI =0,5TTH , TD =0,12TTHNhược điểm của phương pháp thứ 2 này là chỉ áp dụng cho những đốitượng có được chế độ biên giới ổn định khi hiệu chỉnh hệ số khuếch đại trongmạch kín

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick.

Về mặt lý thuyết, phương pháp Chien-Hrones-Reswick gần giống vớiphương pháp thứ nhất của Ziegler-Nichols, song nó không sử dụng mô hinhtham số gần đúng dạng quán tinh bậc nhất mà thay vào đó là trực tiếp dùng hàmquá độ của đối tượng, nhưng với điều kiện thời gian trễ đủ nhỏ so với hằng sốthời gian của đối tượng Ví dụ, ta xây dựng được đặc tính quá độ của đối tượngnhư trên hình 3.3 Nó bảo đảm điều kiện b/a>3

Hình 3.3 Đặc tính quá độ thực nghiệm của đối tượng thực hiện xác định tham số PID

theo phương pháp của Chien-Hrones-Reswick

Chien-Hrones-Reswick đã đưa bốn cách xác định tham số chô bộ điều khiển chobốn yêu cầu chất lượng như sau:

+ Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có quá độ điều chỉnh:

- Bộ điều khiển P chọn: KP =3b/(10aK)

- Bộ điều khiển PI chọn: KP =6b/(10aK) , và TI =4a

- Bộ điều khiển PID: K 19b/(10 )

P = aK , TI =12a/5 , TD =21a/50+ Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có quá độ điều chỉnh ∆hmax không vượt

quá 20% so với h(∞)

- Bộ điều khiển P chọn : KP =3b/(10aK)

- Bộ điều khiển PI chọn: KP =7b/(10aK), TI =23a/10.

- Bộ điều khiển PID chọn: KP =5b/(6aK), TI =2a và TD =21a/50.+Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá điều chỉnh:

- Bộ điều khiển P chọn : KP =3b/(10aK)

- Bộ điều khiển PI chọn: KP =7b/(10aK), TI =6b/5.

- Bộ điều khiển PID chọn: KP =3b/(5aK), TI =b và TD =a/2.

+Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín độ quá điều chỉnh không vượtquá 20% :

- Bộ điều khiển P chọn : KP =7b/(10aK)

- Bộ điều khiển PI chọn: KP =6b/(10aK), TI =b.

- Bộ điều khiển PID chọn:

)20/(

b19

KP = aK ,TI =27b/20 và TD =47a/100Phương pháp Chien-Hrones-Reswick cũng phải có giả thiết rằng, đối tượng là

ổn định, hàm quá độ không dao động và có dạng hình chữ S, tuy nhiên phươngpháp này thích ứng với các đối tượng bậc rất cao như quán tính bậc n với cùnghằng số thời gian

3.1.3 Áp dụng phương pháp Zeigler- Nichols cho mô hình thực nghiệm

Ta đã xác định được hàm truyền đạt của mo hình lò điện :

)1pT)(

1pT(

K)

p(

W

2 1

0 = + + = (467p 1)(49p 1)

28

++

Cũng từ đặc tinh quá độ trên hình 2.3, ta xác định được các tham số sau:

-Thời gian trễ của đầu ra h(t): L = 2,25.60 = 135 (s)

-Hằng số thời gian của đối tượng: T = 13,65.60 – 2,25.60 = 684(s)

-Giá trị giới hạn K: 61,2-33,2 = 28 0C

Theo phương pháp của Ziegler – Nichols1 ta lựa chọn các tham số KP , TI,

cho bộ điều khiển PID theo bảng sau: