Nghiên cứu và phát triển hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình dùng trong trường đại học sư phạm kỹ thuật hưng yên

5 DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC KÝ HIỆU  : Khối lượng riêng chất lỏng trong bình C: Diện tích đáy bình mức C= const L: Chiều cao cột chất lỏng trong bình V: Thể tích chất lỏng trong bình

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Ph ạm Đức Hùng

NGHIÊN C ỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH DÙNG TRONG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành : Điều khiển tự động

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS HOÀNG MINH SƠN

HÀ NỘI, 2011

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Nghiên cứu và phát triển hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình dùng trong trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên”

là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, với sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Hoàng Minh Sơn Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực Để phục vụ hoàn thành luận văn, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo mà không sử dụng từ bất kỳ một nguồn nào khác

Tác giả

Phạm Đức Hùng

2

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Hoàng Minh Sơn, người đã tận tình hướng dẫn và đưa ra những lời khuyên quý báu trong suốt thời gian em làm luận văn Nếu không có những lời khuyên và sự định hướng của thầy, em sẽ khó có thể hoàn thành đề tài này trong khoảng thời gian như vậy Em cũng xin được gửi lời cám

ơn chân thành tới các thầy cô trong bộ môn Điều khiển tự động đã dạy bảo, giúp đỡ em trong suốt hai năm qua để em có được thành quả như ngày hôm nay

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC KÝ HIỆU 5

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 10

1.1 Bài toán điều khiển quá trình 10

1.2 Hệ thống điều khiển quá trình 11

1.3 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 13

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 17

2.1 Bộ thí nghiệm bình mức-lưu lượng 19

Bộ điều khiển máy bơm 25

2.2 Bộ thí nghiệm nhiệt độ 33

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 45

3.1 Bài thí nghiệm bình mức-lưu lượng 46

3.1.1 Xây dựng bài thí nghiệm điều khiển ổn định lưu lượng 46

3.1.2 Xây dựng bài thí nghiệm điều khiển ổn định mức nước 47

3.2 Thiết kế bài thí nghiệm điều khiển đối tượng nhiệt độ 48

4

3.3 Danh mục các bài thí nghiệm 50

CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG ÁN PHÁT TRIỂN PHÒNG THÍ NGHIỆM 51

4.1 Ứng dụng PLC và giám sát WinCC vào bài toán trộn hai chất lỏng theo tỉ lệ 51

4.2 Khai thác và sử dụng mạng CAN-bus trong hệ thống thí nghiệm 53

Phương tiện và phương pháp nghiên cứu 53

KẾT LUẬN 54

KIẾN NGHỊ VÀ BÀN LUẬN 55

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

Phụ lục 1: Phiếu bài tập các bài thí nghiệm 58

Phụ lục 2: Kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng Simulink bài thí nghiệm bình mức 79

Phụ lục 3: Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển nhiệt 96

5

DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC KÝ HIỆU

 : Khối lượng riêng chất lỏng trong bình

C: Diện tích đáy bình mức (C= const)

L: Chiều cao cột chất lỏng trong bình

V: Thể tích chất lỏng trong bình thí nghiệm

A: Tiết diện đáy bình mức chất lỏng

a: Tiết diện lỗ thủng ở đáy bình mức chất lỏng

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

SISO Single-input, single-output

(Một tín hiệu vào, một tín hiệu ra) P&ID Piping and instrumentation diagram

(Lưu đồ ống dẫn và thiết bị) DCS Distributed control system

(Hệ thống điều khiển phân tán) PLC Programme logic controller

(Thiết bị lô gic khả trình) PID Proportional integrate devirative

(Bô điều khiển tỉ lệ, tích phân, vi phân)

6

AC/DC Asynchronous current/direct current

(Bộ biến đổi xoay chiều/ một chiều) LCD Liquid crystal display

(Màn hình tinh thể lỏng) GLCD Graphic liquid crystal display

(Màn hình tinh thể lỏng đồ họa) PTC Positive temperature coefficient

(Nhiệt điện trở dương) DS-d Direct synthesis with diturbance jerection preference

( Phương pháp tổng hợp trực tiếp ưu tiên kháng nhiễu)

( Phương pháp tổng hợp trực tiếp)

IMC Internal model control

(Phương pháp mô hình nội) FOPDT First order plus dead time

(Mô hình quán tính bậc nhất có trễ)

7

MỞ ĐẦU

Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên tiền thân là trường Cao đẳng sư phạm kỹ thuật I thuộc xã Dân Tiến, huyện Khoái Châu, tỉnh Hưng Yên, Bộ Giáo dục và Đào tạo là đơn vị chủ quản, trường lên đại học từ ngày 06 tháng 01 năm 2003 có những bước trung chyển từ Cao đẳng lên Đại học, và hiện nay là Đào tạo sau đại học và nâng cao trình độ ggiảng viên Vì vậy yêu cầu thí nghiệm ở trình độ đại học và nghiên cứu sau đại học là nhu cầu hết sức cần thiết cho các chương trình đào tạo của trường nói chung và khoa Điện – Điện tử nói riêng Trường đã được hỗ trợ thiết bị từ Tổng cục dạy nghề, các chương trình hợp tác Đào tạo nghề Việt – Đức, Dự án giáo dục Việt Nam - Hà Lan Trong chương trình hợp tác đó có chương trình thí nghiệm điều khiển quá trình (Process control experiment) do dự án KFW hợp tác với cộng hòa Liên bang Đức tài trợ, thiết bị được hãng Lucas - Nulle cung cấp dưới dạng gói gọn và một vài chương trình thí nghiệm mẫu đơn giản

Trường Đại học SPKT Hưng Yên nằm ở vị trí địa lý thuận lợi, gần với khu công nghiệp dệt may Phố Nối, khu công nghiệp chế biến như nhà máy bánh kẹo Kinh Đô, nhà máy bia và nước giải khát Hà Nội tại Hưng Yên và nhà máy xử lý nước thải cho khu đô thị và cụm công nghiệp Phố Nối Do vậy sinh viên trong trường có thể thực tập

và làm quen với môi trường sản xuất công nghiệp hiện đại ngay khi còn ngồi trên giảng đường Đáp ứng nhu cầu đó, trường đã và đang xây dựng các phòng thí nghiệm chuyên ngành giúp người học có điều kiện tiếp xúc gần nhất với thực tế Nhu cầu nghiên cứu, triển khai hệ thống thí nghiệm nhằm: Nâng cao trình độ sinh viên lên một mức cao hơn cho sinh viên có thực hành trên các thiết bị thực tế nhằm giúp sinh viên hiểu sâu hơn về các hệ thống sản xuất công nghiệp Bên cạnh đó tác giả là người có nhiệm vụ trực tiếp khai thác thiết bị phục vụ giảng dạy Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài cho luận văn cao

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là các thiết bị sẵn có bình mức, đối tượng nhiệt và động cơ một chiều…

Phạm vi nghiên cứu là hệ thống thiết bị trong phòng thí nghiệm Điều khiển quá trình (ĐKQT) của khoa Điện – Điện tử, trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên

Luận văn được trình bầy có nội dung gồm 4 chương với bố cục như sau:

 Chương 1: Điều khiển quá trình Chương này trình bày ngắn gọn những vấn đề

cơ sở chung về điều khiển quá trình nhằm giúp người đọc nắm bắt được liên hệ giữa lý thuyết và hệ thống điều khiển quá trình thực tế

 Chương 2: Hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình Chương này giới thiệu về

hệ thống thiết bị thí nghiệm sẵn có trong phòng thí nghiệm, cụ thể về cấu tạo, hoạt động và ứng dụng của từng thiết bị nhằm giúp người đọc có cái nhìn tổng thể về công nghệ và thiết bị trong phòng thí nghiệm điều khiển quá trình

Ngoài ra, chương này đã thiết kế phần cứng và phần mềm hỗ trợ, bổ làm phong phú thêm các phần thí nghiệm ĐKQT Phần mềm là bộ điều khiển máy bơm, phần cứng là bộ khuếch đại công suất phần còn thiếu trong bộ thí nghiệm nhiệt

 Chương 3: Xây dựng các bài thí nghiệm Chương này trình bày thiết kế cấu trúc điều khiển và nội dung các bài thí nghiệm điều khiển quá trình cho sinh viên đại học chính qui.Các bài thí nghiệm có thể khai thác tối đa các thiết bị thí nghiệm hiện có Sau đó, khảo sát và thực hành trên hệ thống thí nghiệm trên các thiết bị

Luận văn đã đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực hành, thực nghiệm thí nghiệm trên các các thiết bị nhằm tạo ra một hệ thống bài thực hành thí nghiệm chi tiết, tối ƣu với các thiết bị sẵn có và thiết kế chế tạo các thiết bị mới bổ sung thiết bị cho phòng thí nghiệm

Mặc dù đã đạt đƣợc hầu hết mục tiêu đề ra, song luận văn không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót, tác giả mong muốn nhận đƣợc những ý kiến đóng góp, trao đổi của Hội đồng chấm luận văn cũng nhƣ bạn đọc để tác giả có thể hoàn chỉnh hơn nữa luận văn này Tác giả xin chân thành cám ơn!

10

CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp chế biến (công nghiệp hóa chất và năng lượng) Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động với các bài toán của quá trình công nghệ Phạm vi đề cập ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng quá trình công nghệ

Điều khiển quá trình được định nghĩa là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

Nội dung đề tài là thiết kế và xây dựng hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình với mục đích giúp người đọc nắm bắt được liên hệ giữa lý thuyết và thí nghiệm tác giả trình bày lại ngắn gọn một số vấn đề cơ sở chung về điều khiển quá trình Nội dung chương này tác giả đã tổng hợp và trích dẫn theo [1,2,3] để người đọc có cách tiếp cận đơn giản nhất về nội dung của luận văn

1.1 Bài toán điều khiển quá trình

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh Hơn nữa, các diễn biến của quá trình kỹ thuật cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ Tuy nhiên, trong một quá trình kỹ thuật thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển

11

Đại lượng được điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal) Các đại lượng được điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình không được điều khiển, nhưng có thể được ghi chép hoặc hiển thị Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những đại lượng được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình

Phạm vi của điều khiển quá trình tập trung vào các giải pháp ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng Vì vậy từ đây về sau khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

1.2 Hệ thống điều khiển quá trình

Thiết bị đo

Trong đại đa số các trường hợp, để có thể thực hiện tốt chức năng điều khiển và vận hành hệ thống ta cần phải liên tục có thông tin về trạng thái hiện tại của quá trình kỹ thuật Thông thường thì đại lượng được điều khiển cũng là biến được đo, tuy nhiên trong nhiều trường hợp thì đại lượng được điều khiển không đo được trực tiếp mà phải quan sát/ước lượng thông qua các đại lượng khác Mặt khác, người ta cũng có thể thực hiện đo một số biến khác để điều khiển được tốt hơn Tín hiệu ra từ thiết bị đo được gọi tín hiệu đo, đồng thời cũng là đầu vào của bộ điều khiển Ví dụ, lưu lượng chất lỏng trong một đường ống được chuyển đổi thành tín hiệu dòng điện 4-20 mA tỉ lệ thuận với giá trị lưu lượng, trạng thái đóng mở một tiếp điểm được chuyển thành tín hiệu điện áp 0/ 24 V

12

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

Thành phần cốt lõi của một thiết bị đo là cảm biến (sensor) hay phần tử cảm biến (sensor element) Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật (thường là đại lượng không điện) và cho đầu ra là một tín hiệu điện tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với giá trị cần đo Thông thường, tín hiệu từ cảm biến rất nhỏ nên cần phải được khuếch đại và chuyển đổi sang một dạng thích hợp để

có thể truyền xa và xử lý tiếp một cách dễ dàng Vì thế, một thiết bị đo công nghiệp thường có thêm bộ chuyển đổi (transducer) Một bộ chuyển đổi có đầu ra là một tín hiệu chuẩn (0 – 10 V, 0-20 mA, 4-20 mA, RS-485, tín hiệu bus trường) còn được gọi là

một bộ truyền (transmitter)

Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển (control equipment) là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp Trong các văn phạm khoa học thiết bị điều khiển được gọi là bộ điều khiển (controller) Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ

bộ điều khiển nhiệt độ), một thành phần cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ

13

khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ một trạm PLC/DCS) Trên cơ sở các tín hiệu đo và một sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành

Thiết bị chấp hành

Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system) nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và thực hiện can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ và máy bơm Thông qua các thiết bị chấp hành mà

hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật Ví dụ tùy theo tín hiệu điều khiển mà một máy bơm có thể tăng hoặc giảm tốc độ hút chất lỏng

để thay đổi lưu lượng chất lỏng trong đường ống hay làm thay đổi mức bình chứa Một tín hiệu điều khiển có thể làm thay đổi nhiệt độ của bình gia nhiệt qua đó làm thay đổi nhiệt độ đầu ra

1.3 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống

Xây dựng mô hình toán học

Xây dựng mô hình toán học cho một quá trình có 2 phương pháp:

Mô hình hóa bằng lý thuyết hay còn gọi là mô hình vật lý đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là các phương trình vi phân và phương trình đại số

Mô hình hóa bằng thực nghiệm là dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào-ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và các tham số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp

Phương pháp mô hình hóa tốt nhất là kết hợp được giữa phân tích lý thuyết và nhận dạng quá trình Phương pháp kết hợp dựa trên phân tích quá trình để tìm ra cấu trúc mô

14

hình, sau đó tiến hành nhận dạng để xác định các tham số của mô hình Phân tích lý thuyết giúp ta có được cấu trúc mô hình cũng như cơ sở cho việc xác định sách lược và lựa chọn bộ điều khiển

Xây dựng cấu trúc/sách lược điều khiển

Sau khi làm rõ chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển nhằm làm rõ cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống Đây là công việc quan trong đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết

và kinh nghiệm thực tế để tránh nhầm lẫn Tiếp theo là lựa chọn biến được điều khiển, các biến điều khiển tương ứng và các biến nhiễu và liên kết chúng thông qua sơ đồ để xây dựng các sách lược điều khiển cụ thể Các sách lược điều khiển chia thành hai phần sách lược đơn biến như sách lược phản hồi, tỉ lệ… và sách lược đa biến như sách lược điều khiển tập trung và sách lược phi tập trung Các sách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên lưu đồ công nghệ P&ID

Thiết kế/chỉnh định bộ điều khiển

Thiết kế thuật toán điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tính toán và công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển Thiết kế bộ điều khiển gồm hai bước: lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển, công việc thiết kế gắn liền với việc phân tích hệ thống

Lựa chọn giải pháp hệ thống

Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều khiển

và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với yêu cầu của qui trình công nghệ Việc này đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải có cái nhìn tổng thể

về công nghệ hệ thống điều khiển cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau

16

1 Phân tích chức năng hệ thống

2 Xây dựng mô hình quá trình

3 Thiết kế cấu trúc điều khiển

4 Thiết kế thuật toán điều khiển

5 Lựa chọn giải pháp hệ thống

6 Phát triển phần mềm ứng dụng

7 Chỉnh định và đưa vào vận hành

Các mục đích điều khiển

cơ bản

Hình 1.2: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống

17

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Phòng thí nghiệm điều khiển quá trình được hãng Lucas-Nulle, Cộng hòa liên bang Đức cung cấp, phục vụ môn học Điều khiển quá trình do bộ môn Đo lường và Điều khiển tự động, khoa Điện – Điện tử giảng dạy Hệ thống thí nghiệm này có ứng dụng trong đào tạo và thực tiễn, gồm thí nghiệm bình mức chất lỏng, đối tượng nhiệt, động

cơ một chiều và các đối tượng trong công nghiệp khác Với số lượng 16 bộ thí nghiệm bình mức và 16 bộ thí nghiệm mô đun nhiệt nên hệ thống thí nghiệm tương đối đầy đủ phục vụ giảng dạy thường xuyên cho một lượng sinh viên lớn

Hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình gồm một bộ thí nghiệm bình mức chất lỏng bình mức chất lỏng và một bộ thí nghiệm đối tượng nhiệt Thiết bị thí nghiệm cho đối tượng bình mức gồm: Khối nguồn, bộ điều khiển đa năng số, bình mức chất lỏng có tích hợp sẵn khối khuếch đại công suất tín hiệu Với bình mức, học viên có thể đo mức chất lỏng và lưu lượng thực hiện được trên cùng một thiết bị Người thực hiện có thể điều chỉnh chiều cao chất lỏng trong bình tự động hoặc bằng tay, dễ dàng quan sát sự thay đổi đó trực tiếp hay qua giao diện phần mềm

18

Hình 2.1: Bộ thí nghiệm bình mức chất lỏng

Bộ thí nghiệm đối tƣợng nhiệt gồm: bộ biến đổi điện xoay chiều/một chiều AC/DC, bộ điều khiển số đa năng (universal digital controller), khối khuếch đại công suất tín hiệu (power amplifier) và đối tƣợng điều chỉnh nhiệt độ (temperature controlled system) Các khối đƣợc minh họa trên hình 2.2, từ trái sang phải là khối nguồn, khối điều khiển, khối khuếch đại và khối đối tƣợng nhiệt

Hình 2.2: Bộ thí nghiệm điều chỉnh nhiệt độ

có chức năng xác định mức chất lỏng L (level) trong bình thí nghiệm để tạo tín hiệu điều khiển phản hồi về bộ điều khiển, được học viên khỏa sát và sử dụng trong thí nghiệm Ngoài ra, bình mức chất lỏng có cảm biến lưu lượng FT (flow transmit) đo lưu lượng vào bình thí nghiệm F1, van điều khiển bằng tay V1, V2 để thay đổi lưu lượng chất lỏng vào và ra bình thí nghiệm Cuối cùng là bơm hút chất lỏng, bơm hút là động

cơ một chiều để hút chất lỏng từ bình chứa lên bình thí nghiệm Đối tượng bình mức được minh họa trên hình 2.3

20 Hình 2.3: Đối tƣợng bình mức

Sơ đồ công nghệ chi tiết của bình mức đƣợc minh họa trên hình 2.4

FT 1

Hình 2.5: Ký hiệu thiết bị trong lưu đồ công nghệ bình mức

Biến cần điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái

của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal) Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của

hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị

Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của quá trình có thể can

thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn Trong ĐKQT thì lưu lượng là biến ra tiêu biểu nhất

22

Những biến vào còn lại không can thiệp một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi

quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu Nhiễu tác động tới quá trình một cách

không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất giảm thiểu ảnh

hưởng của nó Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise) Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên

quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần hóa chất vào, thành phần tạp chất trong dầu mỏ còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được

Cần phân biệt rạch ròi giữa các đầu vào/ra công nghệ và đầu vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống Nhìn từ phía công nghệ thì các đầu vào và đầu ra của một quá trình có thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới thông tin thể hiện qua các biến quá trình

Với bình mức chất lỏng ta coi thành bình là đồng đều nhau trong bình, và mức chất lỏng trong bình có dung môi là nước tinh khiết nghĩa lý tưởng có khối lượng riêng  =

1 (g/cm3)

Chúng ta đơn giản hệ thống theo cách biểu diễn quan hệ giữa các biến vào là lưu lượng chất lỏng vào F1 thay đổi tốc độ theo độ mở của van bằng tay V1 đóng vai trò biến được điều khiển Lưu lượng chất lỏng ra từ bình thí nghiệm xuống bình chứa qua van điều khiển bằng tay V2 là biến nhiễu Ngoài ra độ mở van phần trăm (0 ÷ 100%) của van V1 nên F1 cũng là nhiễu của quá trình Sơ đồ khối bình mức chất lỏng được minh họa trên hình 2.6

A: Diện tích đáy bình mức (A = const)

h: Chiều cao cột chất lỏng trong bình

Lưu lượng ra của bình mức phụ thuộc vào mức theo phương trình:

25

Bộ điều khiển máy bơm

Bài toán điều khiển mức và lưu lượng bình mức chất lỏng thực chất là qui về bài toán điều khiển tốc độ và thời gian mở bơm hút, bằng cách dùng lý thuyết điều khiển hiện đại như lý thuyết điều khiển mờ hai vị trí, ba vị trí, điều khiển mờ tĩnh kết hợp với các khâu động học để tạo ra bộ điều khiển mờ động điều khiển các đối tượng phi tuyến Nên chương này tác giả đi nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, động cơ này có vai trò là bơm hút chất lỏng trong hệ thống thí nghiệm bình mức

Thiết kế bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều đóng vai trò là bơm hút chất lỏng trong thí nghiệm bình mức Với mục đích thiết kế bộ điều khiển mở PI cho đối tượng là động cơ bơm nước là động cơ một chiều, tác giả đã lấy thông số kỹ thuật của động cơ một chiều và tiến hành xây dựng và mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PI

Động cơ điện có mô tả toán học là khâu quán tính bậc nhất:

K: hệ số khuếch đại của động cơ

T: hằng số thời gian quán tính

26

Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản tin cậy nên được dùng phổ biến trong các hệ

điều khiển tự động Hàm truyền của bộ điều khiển PID đầu vào e(t) là:

Hình 2.8: Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID

Bộ chỉnh định mờ có hai đầu vào là e (sai lệch tốc độ)-biến trong Matlab là ET, de/dt

(biến thiên sai lệch tốc độ)-biến trong Matlab là DET và 3 đầu ra Kr, KD,  trong đó:

r I D

T

K

K K T

T



(2.7) Như vậy có thể thu gọn 3 đầu ra trên thành 1 đầu ra KI khi mô phỏng trên Matlab –

Simulink Chỉnh định mờ cho bộ tham số PI ta có hai cách điều chỉnh tham số của bộ

PI: Giữ nguyên Kr và điều khiển TI và giữ nguyên TI và điều khiển Kr

27

Đầu vào gồm hai biến: ET là sai lệch giữa tốc độ đo và tốc độ đặt, ET = tốc độ đo – tốc

độ đặt Biến thiên tốc độ DET=ET(i+1)-E(i)

T ; với T là chu kỳ lấy mẫu

Đầu ra gồm một biến T I

Đầu vào sai lệch tốc độ ET được xác định thông qua 7 giá trị ngôn ngữ là âm nhiều NB (negative big), âm ít NS (negative small), âm NM (negative medium), không ZE (zero), dương ít PS (positive small), dương PM (positive medium), dương nhiều PB (positive big)

Hình 2.9: Mô tả các giá trị ngôn ngữ của ET bằng tập mờ

Đầu vào DET được xác định thông qua 7 giá trị ngôn ngữ là âm nhiều, âm, âm ít, không, dương ít, dương, dương nhiều

Hình 2.10: Mô tả các giá trị ngôn ngữ của DET bằng tập mờ

28

Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ này là từ 0 đến 1 đƣợc minh họa trên hình sau:

B: lớn, S: nhỏ Hình 2.11: Mô tả các giá trị ngôn ngữ của TI bằng tập mờ

Luật điều khiển để chỉnh định đƣợc xây dựng theo ma trận sau:

Hình 2.12: Luật điều khiển mờ

Hợp thành (suy diễn và hợp mờ)

Hợp mờ: Chọn luật hợp thành max – min, ta có đầu ra R của thiết bị hợp thành đƣợc

xác định theo công thức sau:

R[i] = max {R1[i], R2[i], R3[i], , R47[i], R48[i], R49[i]}

Giải mờ

29

Để thực hiện việc giải mờ ta chọn phương pháp giải mờ thông dụng là phương pháp điểm trọng tâm Vì miền giá trị của là miền rời rạc lên ta có thể thay thế phép tính tích phân như trường hợp miền giá trị liên tục bằng phép cộng Kết quả thu được giá trị

rõ của T I là:

[ ][ ]

I

i R i T

R i

Mô phỏng trên Matlab – Simulink:

Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ được minh họa trên hình 5.15

Hình 2.13: Bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ gồm hai biến đầu vào và một biến đầu ra:

Biến đầu vào ET có dải giá trị được minh họa trên hình 5.16

30

Hình 2.14: Dải đầu vào ET

Biến đầu vào DET có dải giá trị đƣợc minh họa trên hình 5.17

Hình 2.15: Dải đầu vào DET

32

Hình 2.18: Đáp ứng quá độ của mạch vòng kín

Qua hình về đáp ứng quá độ của vòng kín, ta nhận thấy với bộ điều khiển mờ PI hệ thống bám đến giá trị đặt trong thời gian rất ngắn và sai lệch tĩnh gần nhƣ bằng 0, thời gian xác lập nhỏ chƣa đến 2 giây

Để đánh giá khả năng chống nhiễu tải là mô men cản do ta tác đông hoặc do phát sinh khi động cơ quay ta thay đổi giá trị mô men cản và đƣợc đláp ứng quá độ vòng kín đƣợc minh họa trên hình 5.22

Hình 2.19: Sơ đồ mô phỏng vòng kín nhiễu là mô men cản

33

Hình 2.20: Đáp ứng quá độ của mạch vòng kín có nhiễu

Để kháng nhiễu cần thay đổi tham số KI của bộ điều khiển theo qui luật bù trừ và hiệu chỉnh nhiều lần Đáp ứng vòng kín cho ta kết quả khá tốt về độ bám so với giá trị đặt trước, cũng như sai lệch tĩnh gần như bằng 0, thời gian quá độ ngắn có thể chấp nhận được trong giới hạn cho phép

2.2 Bộ thí nghiệm nhiệt độ

Thí nghiệm trên đối tượng nhiệt độ (modul nhiệt độ) có chức năng đo đại lượng đầu vào là nhiệt độ thay đổi theo giá trị đặt Cảm biến dùng trong modul là cảm biến nhiệt dương nên trở kháng cảm biến sẽ tỉ lệ với nhiệt độ đầu vào, cảm biến nhiệt dương PTC (positive temperature coefficient)

35

Hình 2.22: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến

Đây là mạch trung gian giữa bộ cảm biến và vi điều khiển

Với mạch này thì đầu vào là điện trở nhiệt dương PTC, theo [11] PTC là loại nhiệt điện điện trở có trị số biến thiên tỉ lệ thuận với nhiệt độ môi trường xung quanh và bản thân

nó Giá trị của PTC xác định theo công thức:

R K T

K: Giá trị của hệ số nhiệt điện trở ở 0 oC

T: Biến thiên nhiệt độ

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC của bộ điều khiển có mức điện áp từ 0 V

÷ 5 V

Bộ điều khiển đa năng số

Bộ điều khiển đa năng số là bộ điều khiển gồm 6 đầu vào trong đó có 2 đầu vào tương

tự I1, I2 và 4 đầu vào số W1, X1, W2, X2; 6 đầu ra trong đó có 2 đầu ra tương tự Q1, Q2

và 4 đầu ra số y1, y2, ya, yb Hình ảnh bộ điều khiển đa năng số được minh họa trên hình 2.8

số còn có khả năng tích hợp với điều khiển quá trình và hiển thị quá trình điều khiển thông qua các giao tiếp truyền thông hay công nghệ Bus, với bộ điều khiển này là giao tiếp chuẩn RS 232 và truyền thông CAN-Bus (control area network bus), chuẩn truyền

37

nội bộ CAN xuất hiện trong công nghệ xe hơi Bộ điều khiển đa năng số tổ hợp chức năng của bộ điều khiển số “kiểu công nghiệp“ với khả năng tích hợp hệ thống huấn luyện đã được thiết kế và thử nghiệm, bao phủ toàn bộ lĩnh vực công nghệ điều khiển

tự động Hệ thống huẫn luyện được bổ sung một lớp “mặt nạ“ đặc biệt, giấu đi tất cả các chức năng yêu cầu trong chương trình ứng dụng bằng các câu hỏi, cũng như các gói phần mềm sử dụng để tối ưu hóa vòng điều khiển dùng máy tính

Sơ đồ chức năng của bộ điều khiển đa năng được minh họa trên hình 2.25

Hình 2.25: Sơ đồ chức năng của bộ điều khiển số đa năng

Hình 2.9 minh họa chức năng của từng chi tiết trên thiết bị theo số thứ tự từ 1 đến 14 Trong đó chi tiết số 4 là: V1: núm điều chỉnh điện áp từ 0 ÷ 10 V,

V2 là núm điều chỉnh điện áp từ -10 V đến +10 V, V1, V2: núm điều chỉnh tạo các tín hiệu đặt cho bộ điều khiển

Chi tiết 10 và 11 là RS 232 và CAN là các cổng giao tiếp với máy tính Khi sử dụng các cổng giao tiếp không thể sử dụng tiếp các nút nhấn và màn hình trên bộ điều khiển

38

Chúng ta có thể sử dụng chuẩn RS 232 thông thường kết nối với máy tính qua phần mềm giám sát đi kèm theo thiết bị chính hãng, và kết nối CAN bus theo dạng chuẩn thường thấy trong công nghệ xe hơi hiện nay

Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển đa năng số:

Khối xử lý là trung tâm điều khiển bao gồm việc xử lý tín hiệu liên tục từ khối khuếch đại, thực hiện chuyển đổi ADC sang tín hiệu số và xử lý Nhận tín hiệu tác động từ khối nút nhấn, từ đó cấp xung điều khiển cho khối công suất, thực hiện thuật toán PID, các thuật toán điểu khiển hai vị trí, ba vị trí, bốn vị trí với tham số điều khiển thể hiện trên khối hiển thị GLCD Thạch anh dao động dùng là thạch anh 20 MHz

Ngoài ra còn có khối nguồn được minh họa trên hình 2.26

Hình 2.26: Khối nguồn

39

Thành phần/thiết bị trong bộ thí nghiệm nhiệt độ

Trước tiên khối nguồn có chức năng chuyển đồi nguồn điện xoay chiều 220 V thành nguồn điện một chiều Khối nguồn có chức năng tạo ra các mức điện áp cung cấp cho mạch Cụ thể như sau: 5 V cấp cho vi điều khiển, màn hình trên bộ điều khiển LCD (liquid crystal display), ±5 V cấp cho mạch đồng pha, mạch điều khiển, màn hình tinh thể lỏng đồ họa GLCD (graphic liquid crystal display), ±15 V cấp cho khối khuếch đại tín hiệu thu được từ cảm biến, modul nhiệt

Từ đó ta có thể tạo được sơ đồ khối bộ thí nghiệm đối tượng nhiệt được minh họa như hình 2.10 với 7 khối: modul nhiệt độ có dải nhiệt độ từ 0 oC ÷ 99 o

nhiệt độ được minh họa trên hình 2.10 Với các đường liền là đường cấp nguồn, các đường nét đứt là đường tín hiệu điện

KHỐI ĐIỀU KHIỂN

KHỐI NGUỒN KHỐI CẢM BIẾN KHỐI KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU

PHẦN TỬ NHIỆT GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN

KHỐI HIỂN THỊ

Hình 2.27: Sơ đồ khối bộ điều khiển nhiệt độ

Khối cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ có chức năng đo đại lượng đầu vào là nhiệt độ môi trường bên trong

lò nhiệt Cảm biến dùng trong đề tài là loại nhiệt điện trở PTC nên trở kháng cảm biến

sẽ tỉ lệ với nhiệt độ đầu vào Giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ sẽ được lấy làm đại