Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở

Trong một số trường hợp thì tham số động học của lò thay đổi theo thời gian 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 củ

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã dạy dỗ và giúp đỡ chúng em đến ngày hôm nay, đặc biệt là các thầy, các cô trong Khoa Điện trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Vinh đã trực tiếp hướng dẫn 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 tốt nhất 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 những thiếu sót, xin được các thầy, các cô chỉ dẫn thêm để chúng em có thể hoàn thành tốt 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 công nghiệp hóa chất, thực phẩm, sinh học, luyện kim, lọc dầu,xi măng…Ở đó đòi hỏi phải đảm bảo nhiệt độ ở mức cần thiết theo yêu cầu công nghệ, trong đó ổn định 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 thời gian 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 cho lò điện trở”

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

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

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

Để thực hiện đề tài và hoàn thiện sản phẩm chúng em đã tìm tòi nghiên cứu, thí nghiệm 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 đó vào thực tế Nó giúp chúng em hình thành được một hệ thống kiến thức, kinh nghiệm và kĩ năng cấn thiết để có thể vận dụng lý thuyết vào thực hành một cách thành thạo

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

-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, thưởng thì 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 công nghệ Khi nhiệt độ của lò không thay đổi theo thời gian thì :

tLO =0

∂

∂

τ (1-2)

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 độ không 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 ta thường dựa vào yêu cầu công nghệ để lựa chọn chế độ nhiệt độ của lò Sau khi xác lập được chế độ nhiệt độ của lò, người ta tiến hành tính toán việc cấp nhiệt cho 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 nghệ nung 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 thể tích nhỏ

- Do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao nên lò có tốc độ nung nóng lớn,năng suất 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 môi trường 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 đạt được một nhiệt độ tương đối cao Được dùng cho nhiều hoạt động chẳng hạn như làm nóng chảy, nung, ủ, tôi, luyện, tráng men, xử lý nhiệt các mối hàn Tuỳ theo trường hợp mà chúng được gọi là lò cất, lò chuông, lò chậu, lò luyện, lò hầm Một số lò bao gồm các bộ phận cho phép, chẳng hạn lật nghiêng lò, hoặc một phòng đặc biệt để xử lý các nguyên liệu trong áp lực khí quyển thấp Theo cách thức đun nóng được dùng, người ta phân biệt: Các lò điện công nghiệp hoặc trong phòng thí nghiệm, kể cả các lò hoạt động do cảm ứng hoặc do hao phí 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 bởi dòng điện tần số thấp của cuộn sơ cấp, tạo ra các dòng từ cảm, chúng đưa vật liệu lên nhiệt độ cần thiết Trong một số lò, vật liệu nung chảy đi qua từ nơi lò chính 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 thường một 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 giữa hai miếng kim loại nối với một nguồn điện xoay chiều có tần số rất cao Tổng

thể hoạt động theo một nguyên tắc tương tự như nguyên tắc của tụ điện, sức nóng 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 các điện 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 các thùng 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 loại nóng chảy, dầu nhờn, muối nóng chảy ) bồn tắm ở nhiệt độ đòi hỏi thông qua các điện cực nhúng ngập

g.Các lò hồ quang

Trong đó sức nóng phát sinh bởi một hồ quang điện giữa các điện cực hoặc giữa một điện cực và vật liệu để nóng chảy Các lò thuộc loại này được vận dụng 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 quang với 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 là đèn 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 cảm ứng ở tần số cao hoặc thấp cho kim loại, hoặc cho một số lò bánh bích quy, điển hình 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 dây đốt (dây điện trở) Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt

năng 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

Q= 2

(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 trực tiếp 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 điện trở rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hay truyền nhiệt

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 đổi điện trở vậ dẫn (R), thay đổi dòng điện (I) chảy qua vật dẫn hoặc thay đổi thời gian (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 dẫn đến 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 nhiên việc 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 ra những 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 công nghệ 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.

Mạch có sơ đồ trên hình 1.2.a Bằng cách thay đổi xung ở chân B cung cấp cho Transistor, ta có thể thay đổi thời gian chạy qua Để khống chế thời giantồn tại dòng điện sấy của lò, ta có thế thay đổi chu kỳ xung T, giữ nguyên Tx, cũng có thể giữ nguyên chu kỳ xung thay đổi thời gian Tx (hình 1.2.b).

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

U Z

d) c)

b)

I

2 1

4

3

K G A

Volt-b.Đặc tính Vôn-Ampe của tiristor

Đoạn 1: Ứng với trạng thái khoá của Tiristor chỉ có dòng rò chạy qua khi điện áp chuyển trạng thái quá trình tăng nhanh chóng của dòng điện Tiristor chuyển 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 lớn điện 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 dưới trạng 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.

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

UL

t

G A

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lí (a) đồ thị thời gian mạch khống chế dòng điện chạy

qua lò không sử dụng cầu chỉnh lưu

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

L

U U

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 của L

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

O U

coi như hai Thiristor đấu song song ngược

t

UL

U

t t

d Sơ đồ khống chế thời gian dòng điện chạy qua

Bằng cách thay đổi góc mở, ta có thể thay đổi thời gian dòng chạy qua

1.3.5 Giới thiệu lò điện trở có mạch vòng 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 trờn hỡnh 1.9.a Mạch tạo xung được cỏch li với mạch động lực nhở bộ quang điện MOC3021 Triac loại TBA10 cho phộp dũng điện phụ tải đến 10A từ nguồn điện ỏp lưới AC220V/50Hz

AC220V/50Hz 4

6

2 1

Hỡnh 1.9 Sơ đồnguyờn lớ mạch cung cấp năng lượng cho lũ điện (a) và cảm biến

nhiệt độ LM35 (b) c.Cơ cấu đo

Với yờu càu độ chớnh xỏc khụng cao, tại lũ điện thực nghiệm sử dụng cảm biến nhiệt độ loại bỏn dẫn LM35 (xem hỡnh 1.9.b) Điện ỏp đầu ra (U ) của nú O

tỉ lệ tuyến tớnh với nhiệt độ tại nơi cần đo the thang độ Celsius Họ này cho r điện ỏp 10mV ứng với thay đổi nhiệt độ là C10 Đầu ra LM35 được đưa trực tiếp đến cửa vào bộ chuyển đổi ADC 0808

d Đối tượng điều khiển

Mụ hỡnh lũ điện được thiết kế bằng hộp nhựa chịu nhiệt 2 lớp Giữa 2 lớp

Hình1.10 Mô hình thiêt kế lò nhiệt điện trở

Chương 2

2.1 Cơ sở lý thuyết nhận dạng

Xây dụng mô hình toán học của đối tượng điều khiể là nhiệm vụ đầu tiên của 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 phương trình vi phân này có thể rút ra các phương trình dạng hàm truyền hoặc diễn tả trạng tương ứng, tuy nhiên các công cụ phân tích hệ thống điều khiển được sử dụng về sau Phương pháp này có ưu điểm là cho phép người thiết kế bản chất bên 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 tích hết sức tỉ mỉ, sâu sắc và toàn diện, nhiều khi dẫn đến các phương trình vi phân bặc 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 tiến hành trên đối tượng Cụ thể ta sẽ làm thay đổi đại lượng vào một lượng nhỏ xung 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 đối tượng với độ chính xác nhất định Các mô hình này thường là tuyến tính, đơn giản, 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 mô hình Mỗi phương pháp sẽ được minh họa qua một số ví dụ Cuối cùng một số các 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 đối tượng 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 sau bước 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 tượng 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 nghiệm xõy dựng và thực hiện cẩn thận Từ lưu đồ trờn hỡnh 2.1 dễ thấy thử tục đũi hỏi phải cú một lượng thụng tin nào đú cú sẵn cú về đối tượng để lập kế hoạch thớ nghiệm và về bản chất, thường là một quỏ trỡnh lặp như cỏc đường nột đứt thể hiện Khi hoàn chỉnh, kết thỳc thử tục người nghiờn cứu cú thể cú mụ hỡnh phự hợp hoặc ớt nhất cũng biết mụ hỡnh cần thiết chưa nhận dạng được, cần phải tiến hành 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 nghiệm tất cả cỏc phương trỡnh nhận dạng đều đũi hỏi một kớch thớch nào đú với tớn hiệu vào, vỡ vậy kế hoạch thực nghiệm phải nờu ra được dạng độ lớn và thời gian cần thiết 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 đòi hỏi 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 ảnh hưởng đến quá trình thí nghiệm

b.Tiến hành thí nghiệm

Thí nghiệm cần được tiến hành trên càng sát đối tượng càng tốt Quá trình hoạt 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 Thông thường thí nghiệm mà các giá trị đầu vào thay đổi khác có thể số liệu không cần thiết cho mục đích nhận dạng mô hình mô hình đối tượng Quá trình giám sát thí nghiệm 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 cấu trúc 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 Nói chung 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 các thông tin nghiên cứu trước như phân tích bản chất vật lý của đối tượng hoặc số liệu mẫu về đối tượng đã được thu thập trước đó Giả thiết này đánh giá tưng bước chuẩn đoán về sau trong thu tục này

d.Đánh giá tham số

Đến đây thì cấu trúc mô hình đã được xác định và các số liệu đã được thu thập xong.

Trong chương này đưa ra hai phương pháp đánh giá các giá trị tham số của mô hình sao cho mô hình thể hiện sự phù hợp với các số liệu thực nghiệm phương pháp thứ nhất sử dụng kỹ thuật đồ thị, còn phương pháp thứ hai sử dụng nguyên 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 và thời 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 số đánh 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 hai cách 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 giá tham số đã chọn

Cần lưu ý một lần nữa rằng mô hình nhận dạng được thông qua trên đây phản 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 và cảm biến Đây không phải là hạn chế của mô hình, mà ngược lại mô hình thực

nghiệm thể hiện lượng thông tin phù hợp cho điều khiển mà nó chứa đựng tất cả các thành phần của vòng điều khiển.

Cuối cùng cần phải cân đối giữa hai mục tiêu đối nghịch nhau trong tiến hành thí nghiệm Một mặt cần phải đảm bảo vận hành là việc của đối tượng một cách an toàn hơn, đúng đắn và như vậy thì không được làm tín hiệu vào có sai lệch đáng kể Nhưng mặt khác để xây dựng được mô hình chính xác phục vụ điều khiển thì tín hiệu vào phải được kích thích đủ lớn Một thủ tục thí nghiêm hợp lý sẽ phải cần đử hai mục tiêu bằng cách đưa ra nhiều tác động nhanh sao cho 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 thông dụng 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 hợp trong 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 gồm các 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 ra y(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 các tham 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 qua thực 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 tượng điều chỉnh bậc 1, đối tượng điều chỉnh từ bậc 2 và có bậc cao hơn Ta lần lượt xét 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 tượng như ở hình 2.2.a Từ đặc tính quá độ xác định được hệ số K:

Δα

Δy

K =

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 điều chỉnh như mô tả ở hình 2.2.b Hãy coi giá trị thông số điều chỉnh khi kết thúc quá 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

§iÓm uèn

t i

i y

u

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 τu

Bậc của đối tượng

0,0000,2640,3230,3530,3710,3840,3940,4010,4070,413

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

Hình 2.2 Cách tính các hằng số thời gian cho đối tượng bậc 2

Với quan hệ:

1,2564

tT

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

b.Nếu giá trị τu ≥0,218, thì bậc của đối tượng điều chỉnh có thể là 3, 4 và

cao 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.i

n

1)(Tp

K(p)

t

−

=

Hệ số K được xác định như ở trên mục 1

b.2 Khi τucó giá trị nằm giữa giá trị ở bảng 2 Ta làm tròn giá trị τu, lấy

giá trị gần thấp hơn Ví dụ, giá trị đo được của τutrên đồ thì là 1

u

τ trong bảng có giá trị

T

e1)p1)(Tp(T

K(p)

W

2 1

0

−

++

n e1)(Tp

K(p)

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 theo các bước nêu trên có lúc ta phải chọn theo giá trị tương ứng gần hơn Phương

pháp này thuận tiện cho việc xác định hàm truyền đạt của các buồng sấy, lò nung…

Trên cơ sở lý thuyết trên chúng em đã tiến hành khảo sát mô hình trên thực nghiệm 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 nhất định (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

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

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

STT Thời gian(phút) Nhiệt độ(0C) Thời gian(phút) Nhiệt độ(0C)

c)Bước 3: Xác định các tham số của hệ thống.

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)

6482564

,1

Lại có:

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

y = 2,5 => tra bảng 2.2 ta tìm được τ = 0,1049

Có :

T1 + T2 = 515,76(s)

2564,1

6482564

,1

1049,

0T

T

2 2

1 =τ = (2

 Hàm truyền có dạng: W (p) (Tp 1)(KT p 1)

2 1

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

28

++

d) Khảo sát hệ trên phần mềm Matlap & Simulink

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 hiện trên 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 điều khiển Gồm: P- thành phần tỉ lệ với tín hiệu vào, I- thành phần tỉ lệ với tích phân tín 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 tượng SISO 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 lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ trở về 0 sao cho 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 (triệt tiêu sai lệch tĩnh)

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

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, song Dkhả 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 trễ cho 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 sỏ Dđối tượng có thể được mô tả xấp xỉ với hàm truyền đạt dạng:

Tp -

ep)T(1

KP(p)

ΔhhMAX ≤0.4

∞

Bằng thực nghiệm, ta xây dựng được đặc tính qua độ như trên hình 3.1.a hoặc 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(∞), T- hằng số thời gian của đối tương

Phương pháp Ziegler – Nichols hướng cho ta lựa chọn các tham số đề nghị sử dụng tham số K , P T , I T cho bộ điều khiển PID theo các phương án Dsau:

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

 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)

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