Bai 4 dieu khien nhiet do dung PID auto tuning

Sau khi tìm được các thống số này, sinh viên sẽ xây dựng bộ điều khiển PID auto-tuning để điều khiển nhiệt độ.. Mục tiêu sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này:  Tìm độ lợi tới hạn và c

BÀI THÍ NGHIỆM 4

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

THÍCH NGHI PID AUTO-TUNING

I MỤC ĐÍCH

Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ khảo sát đối tượng có trễ là lò nhiệt và xây dựng bộ điều khiển thích nghi PID auto-tuning cho đối tượng lò nhiệt Bộ điều khiển nhiệt độ rất phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Việc điều khiển chính xác nhiệt độ với độ vọt lố nhỏ và sai số xác lập nhỏ là cần thiết và quyết định tới chất lượng sản phẩm cần gia nhiệt

Dựa vào các kết quả thu thập từ đáp ứng vòng kín, sinh viên sẽ tìm được độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống Sau khi tìm được các thống số này, sinh viên sẽ xây dựng bộ điều khiển PID auto-tuning để điều khiển nhiệt độ

Mục tiêu sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này:

 Tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của mô hình lò nhiệt từ bộ điều khiển ON-OFF để thiết kế bộ điều khiển PID

 Xây dựng bộ điều khiển PID auto-tuning cho đối tượng lò nhiệt

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mô tả toán học đối tượng lò nhiệt

Lò nhiệt có đầu vào là điện áp xoay chiều 220VAC cung cấp cho dây điện trở

và ngõ ra là nhiệt độ bên trong lò Để thành lập hàm truyền lò nhiệt ta phải khảo sát phương trình vi phân mô tả các quan hệ nhiệt độ - năng lượng Đây là một phương trình phức tạp nếu muốn mô tả chính xác phương trình vi phân mô tả tính phi tuyến của hệ thống Do đó, chúng ta sẽ bỏ qua các đặc tính phi tuyến và chỉ xem xét đặc trưng quan trọng của đối tượng lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt Nhiệt độ lò sẽ tăng lên

từ từ khi được cung cấp năng lượng Nhiệt độ lò tăng càng chậm thì chứng tỏ thời hằng của lò nhiệt càng lớn

Hàm truyền đối tượng lò nhiệt được mô tả gần đúng như sau:

1

2

( ) ( )

T s

G s



 trong đó:

 T1: thời gian trễ

 p t( ): công suất cung cấp cho lò nhiệt (đơn vị: %)

Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển thích nghi PID auto-tuning

Hình 1 mô tả cấu trúc của hệ thống điều khiển thích nghi PID auto-tuning Hệ thống bao gồm 2 khối: khối điều khiển ON-OFF và khối điều khiển PID Ban đầu, bộ điều khiển ON-OFF sẽ hoạt động để dò tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống Sau khi xác định được 2 thông số này, hệ thống sẽ tính toán các thông số Kp,

Ki, Kd và chuyển sang chế độ điều khiển PID

Hình 1 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID auto-tuning Hệ thống sử dụng

bộ điều khiển ON-OFF ở chế độ chỉnh định (D) và bộ điều khiển PID ở

chế độ điều khiển (C)

2.2.1 Tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống

Khi hệ thống ở Hình 1 hoạt động ở chế độ điều khiển ON-OFF, nhiệt độ ngõ ra ( )

y t của lò nhiệt khi ( )r t 70 sẽ có dạng như ở Hình 2 Khi đáp ứng ngõ ra dao động

ổn định, ta tìm được biên độ dao động M (ymax ymin) / 2 và chu kỳ dao động T C

như minh họa ở Hình 2

Hình 2 Đáp ứng nhiệt độ ngõ ra ( ) y t ở chế độ điều khiển ON-OFF

Giả sử biên độ điều khiển của khâu ON-OFF là 0 d , hệ số khuếch đại phức của khâu điều khiển ON-OFF sẽ là:

2

N M

M



Hệ số khuếch đại phức cũng chính là độ lợi tới hạn K của hệ thống, và C T là C

chu kỳ tới hạn của hệ thống

2.2.2 Xác định thông số bộ điều khiển PID

Sau khi tìm được độ lợi tới hạn K và chu kỳ tới hạn C T của hệ thống Các C

thông số của bộ điều khiển PID được xác định bằng phương pháp hiệu chỉnh độ dự trữ biên - pha như sau:

1

i

T s

i d

2 4

4

C

T T

(5)

Trong đó,  là hệ số tương quan giữa thành phần tích phân và vi phân, M là

độ dự trữ pha mong muốn Đối với hệ thống lò nhiệt, thông thường ta chọn M 450

và  10 100

2.2.3 Xây dựng bộ điều khiển PID auto-tuning

Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID auto-tuning như mô tả ở Hình 1 Ban đầu, hệ thống sử dụng bộ điều khiển ON-OFF để dò tìm độ lợi tới hạn K Cvà chu

kỳ tới hạn T của hệ thống Trong giai đoạn từ thời điểm A tới thời điểm B ở Hình 2, C

các giá trị K và C T phải được xác định Sau thời điểm B, các thông số C K p,K K i, d được tính toán theo công thức (3)-(5) và hệ thống sẽ chuyển sang bộ điều khiển PID

Yếu tố quyết định đến chất lượng điều khiển của bộ PID auto-tuning là hệ thống phải chuyển sang bộ điều khiển PID nhanh nhất có thể để thời gian quá độ nhỏ

và độ vọt lố thấp Hơn nữa, để bộ điều khiển ON-OFF không gây ra vọt lố lớn thì ở thời điểm ban đầu ta cài đặt ( )r t bằng khoản ½ giá trị đặt mong muốn Sau khi hệ thống chuyển sang bộ điều khiển PID ta mới cài đặt ( )r t bằng giá trị đặt mong muốn Hình 3 minh họa giá trị r t ( ) 700 khi ở chế độ điều khiển ON-OFF và r t ( ) 1000 khi

ở chế độ điều khiển PID (1000C là giá trị đặt mong muốn) Kết quả, hệ thống không bị vọt lố trên 1000 khi ở chế độ điều khiển ON-OFF và thời gian xác định các giá trị

C

Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

Hình 3 Giá trị đặt r(t)=70 0 ở chế độ ON-OFF và r(t) = 100 0 ở chế độ PID

III MÔ TẢ THÍ NGHIỆM

3.1 Phần cứng

Sơ đồ khối phần cứng được mô tả như ở Hình 4 Trong đó, bo mạch PC104CARD là phần cứng trung tâm trong bài thí nghiệm Bo mạch PC104CARD xây dựng trên nền tảng FPGA của Altera có khả năng giao tiếp với máy tính thông qua phần mềm Matlab/ Simulink/ Real-time Windows Target với các tính năng sau:

 Điều rộng xung (PWM): 4 kênh độ phân giải 0.1% (~ 10bit)

 ADC: 4 kênh 12bit đọc giá trị điện áp từ cảm biến nhiệt độ

 Giao tiếp với máy tính thông qua cổng máy in theo chuẩn EPP

Lò nhiệt sử dụng trong bài thí nghiệm có điện áp định mức 220VAC/1000W, cảm biến nhiệt độ loại K Bộ hiển thị nhiệt độ của Autonics mã hiệu TZN4W – A4S

có chức năng đọc nhiệt độ từ cảm biến nhiệt độ và chuyển sang giá trị điện áp Sơ đồ

mô tả phần cứng hệ thống như ở Hình 4 Trong đó:

 Điện áp cấp cho lò nhiệt sau khi qua SSR (Solid-State Relay) sẽ bằng

* 220 / 1000

PWM

T (VAC), trong đó T PWM là giá trị điều rộng xung từ (0 – 1000) tương ứng với độ phân giải 0.1% Chu kỳ điều rộng xung cho lò nhiệt là 2s

 Nhiệt độ của lò nhiệt có tầm từ (0 – 200oC) tương ứng với dòng điện (4 – 20mA) hay tương ứng với điện áp đọc vào kênh ADC1 là (0.4 – 2VDC)

 Chu kỳ điều khiển và cập nhật giá trị nhiệt độ là T = 1s

Hình 4 Sơ đồ phần cứng bài thí nghiệm

3.2 Phần mềm

Phần mềm sử dụng trong các bài thí nghiệm này là bộ phần mềm Matlab/ Simulink/ Real-time Windows Target Công cụ Real-time Windows Target cho phép

mô hình Simulink có khả năng kết nối với phần cứng bên ngoài và chạy theo thời gian thực Để biên dịch và chạy mô hình Simulink liên kết với phần cứng sinh viên phải thực hiện trình tự các bước sau:

Hình 5 Mô hình Simulink kết nối phần cứng

Connect To Target Incremental Build Run

Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

 Tạo hoặc mở một file simulink như ở Hình 5

 Vào menu Simulation -> Configuration, chọn mục Solver để cài đặt các thông

số về thời gian mô phỏng (Stop time), chu kỳ lấy mẫu (Fixed step size) và phương pháp mô phỏng (Solver Options) như ở Hình 6

 Vào menu Tool -> Real-Time Workshop -> Build Model (hoặc nhấn chuột trái vào biểu tượng Incremental Build) để biên dịch mô hình

 Sau khi mô hình biên dịch thành công, vào menu Simulation -> Connect To Target (hoặc nhấn chuột trái vào biểu tượng Connect To Target) để kết nối

mô hình Simulink tới phần cứng

 Vào menu Simulation -> Run (hoặc biểu tượng Run) để tiến hành chạy mô hình

Hình 6 Cài đặt các thông số mô phỏng

IV CHUẨN BỊ TRƯỚC THÍ NGHIỆM

4.1 Xây dựng bộ điều khiển PID theo phương pháp hiệu chỉnh độ dự trữ biên - pha cho đối tượng lò nhiệt

Để thực hiện tốt thí nghiệm trên lớp, sinh viên cần chuẩn bị trước phần lý thuyết và thực hiện mô phỏng trên máy tính

Xây dựng mô hình Simulink để điều khiển đối tượng lò nhiệt như ở Hình 7 Trong đó, đối tượng lò nhiệt có hàm truyền:

400 ( )

G s

s



 Khâu ‘Transport Delay’ có giá trị bằng 20

 Khâu ‘Saturation’ có giá trị Upper limit = 1 và Lower limit = 0

 Khâu ‘Relay’ có giá trị Switch on point = 0.002, Switch off point = -0.002,

 Giá trị đặt ‘Set point’ = 100

 Dữ liệu ngõ ra được đưa vào Scope để hiển thị và lưu vào Workspace để phục vụ vẽ đồ thị ngõ ra

yellow magenta ucontrol

temperature (deg)

Transport Delay 200s+1

400 Transfer Fcn

Set point

(degree)

Scope Saturation

Relay

Manual Switch

Discrete PID Controller

Hình 7 Mô hình điều khiển nhiệt độ

a) Tạo file mô hình simulink như ở Hình 7 Chỉnh thời gian lấy mẫu T = 1s và thời gian mô phỏng 1000s

b) Chuyển ‘Switch’ ở chế độ điều khiển ON-OFF Chạy mô phỏng

c) Mở Scope để xem đáp ứng ngõ ra Tính độ lợi tới hạn K và chu kỳ tới hạn C

C

T của hệ thống (xem hướng dẫn ở Mục 2.2) và điền vào bảng sau:

0.5

d) Chọn M 450,   Dựa vào giá trị 1 K và C T ở trên, tính thông số của bộ C

điều khiển PID theo công thức (3)-(5) và nhập vào khối ‘Discrete PID controller’

e) Chuyển ‘Switch’ sang chế độ điều khiển PID Chạy mô phỏng để xem đáp ứng ngõ ra

f) Lặp lại Bước d và e với các giá trị của  và điền vào bảng sau Nhận xét ảnh hưởng của  tới chất lượng hệ thống:

Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

p

K

i

K

d

K

POT

xl

e

V THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM

5.1 Tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống để cài đặt thông số cho bộ điều khiển PID

Các bước thí nghiệm:

a) Mở file temp_pid_relay.mdl

b) Cài đặt chu kỳ lấy mẫu T = 1s và thời gian mô phỏng 1500s

c) Chuyển ‘Switch’ ở chế độ ON-OFF Biên dịch và chạy chương trình

d) Mở Scope để xem đáp ứng ngõ ra Tính độ lợi tới hạn K và chu kỳ tới hạn C T C

của hệ thống và điền vào Bảng 1:

Bảng 1 Giá trị K C, T C

0.3

Chú ý: Sau khi chạy lấy số liệu xong ở Bước d, sinh viên tắt lò nhiệt, mở cửa lò

nhiệt và dùng quạt để làm nguội nhanh cho các mục thí nghiệm sau

e) Chọn M 450,  60 Dựa vào giá trị K và C T ở Bảng 1, tính thông số C

của bộ điều khiển PID theo công thức (3)-(5) và nhập vào khối ‘Discrete PID controller’

f) Chuyển ‘Switch’ sang chế độ điều khiển PID Cài đặt chu kỳ lấy mẫu T = 1s và thời gian mô phỏng 1200s Biên dịch và chạy chương trình

g) Mở Scope xem đáp ứng ngõ ra và điền vào Bảng 2

Bảng 2 Chất lượng hệ thống

p

5.2 Điều khiển thích nghi PID auto-tuning

Các bước thí nghiệm:

a) Mở file temp_autotuning.mdl

b) Mở khối ‘PID computation’ tham khảo code để biết cách tính thời điểm A, B

và tính K , C T trực tiếp Giải thích biến cnt có chức năng gì? Giá trị biên độ C

dao động M được tính như thế nào? Thời điểm A, B được xác định bằng cách

nào?

c) Cài đặt thời gian lấy mẫu T = 1s và thời gian chạy 1800s Biên dịch và chạy chương trình

d) Mở Scope để xem đáp ứng Nhận xét sau thời gian bao lâu thì hệ thống chuyển

từ chế độ ON-OFF sang PID

Báo cáo thí nghiệm

Họ và tên: Nhóm: Ngày:

1 Từ bảng số liệu ở Bảng 1, xác định độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống? Đánh giá chất lượng của hệ thống khi bộ điều khiển PID được thiết kế theo công thức (3) – (5)? Ảnh hưởng của hệ số  lên chất lượng hệ thống?

2 Dựa vào kết quả thí nghiệm ở Mục 5.2 Nhận xét sau thời gian bao lâu thì hệ thống chuyển từ chế độ ON-OFF sang chế độ PID? Làm cách nào để giảm khoảng thời gian này?

3 Nhận xét về chất lượng của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PID auto-tuning (độ vọt lố, thời gian quá độ, sai số xác lập)?