Ứng dụng Simulink để tổng hợp hệ thống điều khiển tự động

Hiện nay, trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp các dây chuyền công nghệ ngày càng hiện đại, phức tạp. Yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế yếu tố công nghệ của đối tượng công nghệ. Vì vậy việc xây dựng và thiết kế hệ thống điều khiển tự động ứng dụng công nghiệp hiện đại là tất yếu. Điều này, giúp ổn định hệ thống, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, tối ưu chi phí sản xuất. Vì thế, khi tiếp cận hệ thống, chúng ta phải biết cách phân tích và tổng hợp những thuộc tính của nó để điều chỉnh sao cho hệ đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật mà chúng đặt ra. Matlab là một trong những phần mềm thông dụng nhất dùng để phân tích, thiết kế và mô phỏng các hệ thống điều khiển tự động. Simulink là một công cụ rất mạnh của Matlab, cho phép ta dễ dàng xây dựng hệ thống điều khiển một cách chính xác, dể hiểu , đặc biệt là đem lại sự trực quan cho người sử dụng. Thông qua đó, Chúng ta sẽ tiến hành mô phỏng hệ thống để xem xét ảnh hưởng của bộ điều khiển đến đáp ứng quá độ và đánh giá chất lượng hệ thống. Vì vậy, việc giải quyết bài tập lớn “Ứng dụng Simulink để tổng hợp hệ thống điều khiển tự động” mà Thầy đặt ra, là rất hữu ích cho sinh viên Giúp chúng em ôn lại và nắm chắt những kiến thức cơ bản về môn học để chuẩn bị cho kì thi sắp tới, đồng thời hiểu rõ hơn các vấn đề điều khiển tự động trong bài toán thực tế. Đây là nền tảng, giúp sinh viên tiếp cận, rèn luyện những kĩ năng tính toán, thiết kế các bài toán công nghệ thực tế ứng dựng trong lĩnh vực công nghệ trong môi trường làm việc tương lai sau này. Bài toán công nghệ Một Caloriphe được sử dụng để đốt nóng không khí trước khi đưa vào buồng sấy bằng cách sử dụng chất tải nhiệt là hơi nước từ nồi hơi công nghiệp có lưu lượng là Gs, áp suất Ps, nhiệt độ hơi đốt th và nhiệt độ nước sau ngưng tụ là tN. Không khí vào Caloriphe là không khí ngoài trời có nhiệt độ tkk1, độ ẩm tương đối

Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hoá học

MÔN HỌC

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

BÀI TẬP LỚN

ỨNG DỤNG SIMULINK TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Giảng Viên : Bùi Ngọc Pha

Danh sách thành viên:

Nhóm 12:

Hồ Thị Hồng Kim 1611710

Phạm Tiến Lân 1611769

Vũ Văn Phú 1612632 Đinh Thành Thung 1513349

Năm học 2018-2019

Mục Lục

I PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN: 2

1 Quy trình công nghệ: 2

2 Sách lược điều khiển 4

3 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điều khiển phản hồi : 4

4 Lưu đồ điều khiển P&ID hệ thống điều khiển phản hồi: 5

II THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG: 6

1 Xây dựng mô hình đối tượng công nghệ: 6

2 Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON – OF: 7

2.1 Nguyên lý bộ điều khiển ON/OFF : 7

2.2 Đánh giá của điều khiển ON/OFF: 8

2.3 Xây dựng, khảo sát hệ thống điều khiển nhiệt độ ON-OFF trên Simulink : 8

2.4 Khảo sát từng vùng trễ cho bộ điều khiển ON/OFF: 9

2.5 Phân tích, đánh giá chất lượng hệ thống: 12

3 Thiết kế mô phỏng, khảo sát chất lượng hệ thống điều khiển P, PI, PID: 12

3.1 Cơ sở lý thuyết: 12

3.2 Tính toán, xác định các thông số bộ điều khiển PID: 13

3.3 Thiết lập hệ thống điều khiển trong giao diện simulink: 14

3.3.1 Bộ P Controller: 14

3.3.2 Bộ PI Controller: 16

3.3.3 Bộ điều khiển PID: 17

3.4 Đánh giá chất lượng của hệ thống: 18

Mở đầu Hiện nay, trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp các dây chuyền công nghệ ngày càng hiện đại, phức tạp Yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế yếu tố công nghệ của đối tượng công nghệ Vì vậy việc xây dựng và thiết kế hệ thống điều khiển tự động ứng dụng công nghiệp hiện đại là tất yếu Điều này, giúp ổn định hệ thống, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, tối ưu chi phí sản xuất Vì thế, khi tiếp cận hệ thống, chúng ta phải biết cách phân tích và tổng hợp những thuộc tính của nó để điều chỉnh sao cho hệ đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật mà chúng đặt ra Matlab là một trong những phần mềm thông dụng nhất dùng để phân tích, thiết kế và mô phỏng các hệ thống điều khiển tự động Simulink là một công cụ rất mạnh của Matlab, cho phép ta dễ dàng xây dựng

hệ thống điều khiển một cách chính xác, dể hiểu , đặc biệt là đem lại sự trực quan cho người sử dụng Thông qua đó, Chúng ta sẽ tiến hành mô phỏng hệ thống để xem xét ảnh hưởng của bộ điều khiển đến đáp ứng quá độ và đánh giá chất lượng hệ thống Vì vậy, việc giải quyết bài tập lớn “Ứng dụng

Simulink để tổng hợp hệ thống điều khiển tự động” mà Thầy đặt ra, là rất hữu ích cho sinh viên Giúp chúng em ôn lại và nắm chắt những kiến thức cơ bản về môn học để chuẩn bị cho kì thi sắp tới, đồng thời hiểu rõ hơn các vấn đề điều khiển tự động trong bài toán thực tế Đây là nền tảng, giúp sinh viên tiếp cận, rèn luyện những kĩ năng tính toán, thiết kế các bài toán công nghệ thực tế ứng dựng trong lĩnh vực công nghệ trong môi trường làm việc tương lai sau này

Bài toán công nghệ

Một Caloriphe được sử dụng để đốt nóng không khí trước khi đưa vào buồng sấy bằng cách sử dụng chất tải nhiệt là hơi nước từ nồi hơi công nghiệp có lưu lượng là G s , áp suất P s , nhiệt độ hơi đốt

t h và nhiệt độ nước sau ngưng tụ là t N Không khí vào Caloriphe là không khí ngoài trời có nhiệt độ t kk1 ,

độ ẩm tương đối 𝜑1, lưu lượng G kk1 Không khí sau khi ra khỏi Caloriphe t kk2 cần đảm bảo nhiệt độ được ổn định ở giá trị chủ đạo t sp

tkk2 cần đảm bảo nhiệt độ được ổn định ở giá trị chủ đạo Tsp.

 Sơđồ quy trình công nghệ:

Hình 1 Sơ đồ quy trình công nghệ

 Giả thiết xây dựng mô hình:

 Hơi nước từ nồi hơi là dòng bão hòa: Th = const,Ps= const

 Caloriphe hoạt động trong môi trường có độ ẩm xác định: φ1 = const

 Mục đích:

Điều khiển lưu lượng hơi bão hòa cấp vào Caloriphe (thiết bị trao đổi nhiệt ) để kiểm soát nhiệt độ của dòng khí sau khi ra khỏi Caloriphe (Tkk2) sao cho ổn định ở một nhiệt độ thiết kế (Tsp) trước khi đi vào buồng sấy

 Các biến của quá trình bao gồm:

o Biến đầu vào: GS, PS, Gkk1

 Biến điều khiển là Gs

 Biến nhiễu là: Gkk1, Tkk1

o Biến đầu ra: Tkk2

 Biến cần điều khiển là Tkk2

 Bậc tự do:

o Theo mô hình thiết bị đã chọn, số biến mô tả hệ là Fv = 4

o Phương trình cân bằng nhiệt của hệ có dạng:

Gkk1Ckk1(Tkk2− Tkk1) = Gsλ Như vậy, số phương trình mô tả quan hệ giữa các biến là Fe = 1

o Bậc tự do của hệ, cũng là số vòng điều khiển đơn tối đa có thể được sử dụng được xác định như sau:

F = Fv− Fe = 4 − 1 = 3

Do đó, có thể can thiệp đến biến đầu ra Tkk2 theo 4 cách sau:

 Điều khiển lưu lượng dòng hơi bão hòa Gs

 Điều khiển lưu lượng dòng không khí Gkk

 Điều khiển nhiệt độ không khí vào: Tkk1.

Vì vậy, việc phân tích cấu trúc mô hình sẽ thuận tiện cho việc lựa chọn các sách lựa phù hợp để thiết kế hệ thống điều khiển

Sách lược/cấu trúc điều khiển: thể hiện nguyên tắc về mặt cấu trúc trong việc sử dụng thông tin

về các biến quá trình để đưa ra tác động điều khiển

Tùy theo quan hệ giữa biến chủ đạo, biến đo được và biến điều khiển mà ta có các sách lược điều khiển cơ bản sau:

 Điều khiển phản hồi:

 Dựa trên nguyên tắc đo giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bọ điều khiển để bộ điều khiển tính toán lại giá trị của biến điều khiển

 Sách lược điều khiển phản hồi như có thể triệt tiêu những ảnh hưởng của nhiễu không biết trước hoặc không đo được, có khả năng tạo đáp ứng chính xác; tuy nhiên quá trình hiệu chỉnh chậm hơn bù nhiễu

 Điều khiển truyền thẳng:

 Dựa trên nguyên tắc do giá trị biến nhiễu, bộ điều khiển dựa trên thông tin này tính toán giá trị của biến điều khiển

 Phương pháp này có thể dùng để ngăn chặn và bù trừ những ảnh hưởng của nhiễu do Gkk1 hoặc

tkk1 gây ra một cách nhanh chóng, tuy nhiên không thể loại trừ ảnh hưởng của nhiễu không biết trước hoặc không đo được Do đó, đáp ứng không chính xác và chất lượng thấp, thiết lập công thức của bộ điều khiển phức tạp do có nhiều biến nhiễu

 Điều khiển tỷ lệ:

 Là duy trì tỷ lệ giữa 2 biến tại một giá trị đặt R nhằm đièuu khiển gián tiếp biến thứ 3 Biến cần điều khiển không đo được thì lúc này điều khiển tỷ lệ là một trường hợp riêng của điều khiển truyền thẳng Giá trị cài đặt R là tỷ lệ giữa 2 biến điều khiển

 Khi áp dụng sách lược điều khiển tỷ lệ, yêu cầu phải duy trì nhiệt độ không khí đầu vào tại một nhiệt độ nhất định

 Ngoài ra, để khác phục nhược điểm lẫn nhau giữa các sách lược ta còn có các sách lược kết hợp sau: điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi, điều khiển tỷ lệ kết hợp phản hồi…khắc phục các hạn chế các sách lược trên, nhưng làm phức tạp hệ thống điều khiển

 Trong các sách lược điều khiển trên, sách lược điều khiển phản hồi đáp ứng được tương đối chính xác nhưng không phức tạp, hợp lý nhất với hệ thống

Hình 2 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điều khiển phản hồi

Hình 3 Lưu đồ điều khiển P&ID hệ thống điều khiển phản hồi Dòng hơi nước bão hòa được cấp từ lò hơi và được điều chỉnh lưu lượng thông qua van điều khiển trước khi đi vào caloriphe để gia nhiệt cho dòng không khí Van điều chỉnh lưu lượng nhận tín hiệu nhiệt độ đầu ra Tkk2 của dòng không khí sau khi gia nhiệt, qua thiết bị đo và truyền tín hiệu nhiệt

độ và truyền đến thiết bị điều khiển nhiệt độ Thiết bị này sẽ đưa ra tác động đến van để điều khiển lưu lượng dòng hơi bão hòa Gs thông qua tín hiệu khí nén:

 Nếu T2 < TSP, tăng độ mở van

 Nếu T2 > TSP, giảm độ mở van

Trong bài toán điều khiển tự động, nhiệm vụ hàng đầu của việc thiết kế hệ thống điều khiển thì việc xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển Trong đề tài này, chúng ta sẽ tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ cho Caloriphe từ số liệu thực nghiệm

Caloriphe có đầu vào là lưu lượng dòng hơi bão hòa và ngõ ra là nhiệt độ đến buồng sấy Để lập hàm truyền cho đối tượng, chúng ta phải vẽ đồ thị mô tả đáp ứng, từ đó khảo sát và xây dựng mô hình toán học

 Bảng số liệu ghi nhận theo dõi diễn biến của nhiệt độ theo thời gian:

Thời gian( s) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6 Nhiệt độ( °C) 30 30 30.5 30.5 31 33 36 40.7 49.8 57.5 64.1 69.6

Nhiệt độ( °C) 74.2 78.2 81.5 84.4 86.8 88.8 90.5 92 93.2 94.3 95.1 95.9 Thời gian( s) 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Nhiệt độ( °C) 96.5 97 97.5 97.9 98.2 98.5 98.7 98.9 99.1 99.2 99.3 99.4 Thời gian( s) 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 Nhiệt độ( °C) 99.5 99.6 99.7 99.7 99.8 99.8 99.8 99.9 99.9 99.9 99.9 99.9

Nhìn vào đồ thị ta thấy, hàm truyền thuộc mô tả đáp ứng bậc nhất quá độ có thời gian trễ Theo Ziegler-Nichols 1 thì một hệ thống như vậy có thể được biểu diễn dưới dạng hàm truyền sau :

Gp = K e

−Ls

Ts + 1 Trong đó:

 K là hệ số khuếch đại

 T là thời hằng

 L là khâu trễ thời gian

 Theo phương pháp Ziegler-Nichols 1, ta xác định các thông số cho hàm nấc như sau:

Hình 5 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng quá độ của quá trình

Từ ta kẻ tiếp tuyến qua điểm uốn ( tai nơi có độ dốc cao nhất), cắt trục y= 0 và yss Ta xác định được giá trị các tham số cho mô hình xấp xỉ L, T, K như hình vẽ:

K= 70; L= 55; T= 506;

 Mô hình xấp xỉ là một khâu quán tính bậc 1 có trễ :

𝐆𝐩 = 𝟕𝟎 𝐞

−𝟓𝟓𝐬𝟓𝟎𝟔𝐬 + 𝟏

Khâu relay

KM

Hình 6 : Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ theo kiểu on/off Phương pháp điều cung cấp năng khiển on/off hay còn gọi là phương pháp đóng ngắt hay relay

có trễ Cơ cấu chấp hành sẽ mở van ở mức tối đa nếu nhiệt độ đặt Tsp lớn hơn nhiệt độ đo được Tkk2.Còn ngược lại van sẽ ngắt nguồn, van sẽ đóng lại khi Tkk2> Tsp Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt để đảm bảo sự hoạt động ổn định lâu dài của hệ thống Vì vậy, nguồn chỉ đóng khi sai

số e(k) lớn hơn ∆ và ngắt khi e(k) nhỏ hơn ∆ Vì thế, nhiệt độ Tkk2 sẽ dao động quanh giá trị đặt Tspmột khoảng sai số và giá trị này còn được gọi là vùng trễ của relay

Hình 7 Hệ thống điều khiển chung của bô điều khiển role trễ

Khảo sát quá trình quá độ của hệ thống với các giá trị của khâu Relay là bộ điều khiển rơle 2 vị trí có trễ (còn gọi là bộ điều khiển ON-OFF) Các thông số :

o Chỉnh thời gian mô phỏng -Stop time = 3000s

o Giá trị final value ( khối Step): 30 ( giá trị đặt để khảo sát)

o Giá trị độ lợi khối Gain = 20 để khuếch đại tín hiệu quan sát cho rõ

o Khối Relay:

+ Vùng trễ: ( Switch on /off point), tùy chỉnh để khảo sát

+ Ngõ ra cao (Output when on =1- công suất 100%)

+ Ngõ ra thấp (Out put when off = 0 - công suất 0%)

 Phương pháp khảo sát:

Trong thiết kế sử dụng bộ điều khiển này, chúng ta sẽ khảo sát từng vùng trễ relay Từ đó khảo sát các hệ đáp ứng tương ứng của hệ thống Đánh giá, lựa chọn khâu relay thích hợp áp dụng cho quá trình công nghệ này

Hình 8 Đồ thị đáp ứng của bộ điều khiển On/Off

2.4 Khảo sát từng vùng trễ cho bộ điều khiển ON/OFF:

 Switch On = +1 ; Off Point = -1, thu được mô phỏng đáp ứng:

Hình 9 Đồ thị ường biểu diễn đáp ứng quá độ của bộ điều khiển

 Tính các giá trị sai số và chu kì đóng ngắt:

 Khi Switch On = +3; Off Point = -3, ta thu được mô phỏng đáp ứng:

Hình 10 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng quá độ của bộ điều khiển

 Tính các giá trị sai số và chu kì đóng ngắt:

Hình 11 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng quá độ của bộ điều khiển

 Tính các giá trị sai số và chu kì đóng ngắt:

 Sai số:

1

e

  39 – 30 = 90 2

e

 = 30-22= 80

 Chu kì: T = 486 (s)

 Khi Switch On = +10; Off Point = -10, ta thu được mô phỏng đáp ứng:

Hình 12 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng quá độ của bộ điều khiển

 Tính các giá trị sai số và chu kì đóng ngắt:

 Sai số:

1

e

 = 43 – 30 = 1302

e

 = 30 - 18=120

 Chu kì: T = 780 (s)

2.5 Phân tích, đánh giá chất lượng hệ thống:

 Tóm tắt sai số ngõ ra so với tín hiệu đặt và thời gian đóng ngắt ứng với các trường hợp của khâu

 Ta nên lựa chọn vùng trễ thích hợp để có sự dung hòa giữa sai số và chu kì đóng ngắt, sai số không quá lớn và bộ điều khiển không phải đóng ngắt liên tục để tăng tuổi thọ

3 Thiết kế mô phỏng, khảo sát chất lượng hệ thống điều khiển P, PI, PID:

 Nguyên lý điều khiển:

Khác với nguyên lý on-off chỉ có hai giá trị công suất ở đầu ra, hệ thống điều khiển tuyến PID van điều khiển thay đổi lưu lượng cung cấp cho Caloriphe một cách liên tục theo sai lệch giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực Bộ hiệu chỉnh xử lý tín hiệu sai lệch đặt - phản hồi, cho ra tín hiệu điều khiển làm sai lệch tiến về 0 với đặc tính quá độ mong muốn Như vậy ở chế độ xác lập, nhiệt độ lò và độ mở van

sẽ có một giá trị xác lập, phụ thuộc vào đặc tính hệ thống Chất lượng hệ thống như vậy sẽ phụ thuộc vào sự hiệu chỉnh các thông số phù hợp để tạo ra tín hiệu điều khiển chính xác, phù hợp thoả mãn những yêu cầu và chỉ tiêu kỹ thuật

 Hàm truyền có dạng: H(s) = KP (1 + 1

TIs+ TDs) = KP+KI

s + KDs Trong đó:

 KP là độ lợi của khâu tỷ lệ (Proportional gain)

 KI là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain)

 KD là độ lợi của khâu vi phân (Derivative gain)

 Luật điều khiển: Bộ điều khiển PID được xây dưng trên ba luật điều khiển : Tỉ lệ (P), Vi phân (D), Tích phân (I) Mỗi thành phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống

Cụ thể:

 Thành phần Tỉ lệ (P): Kp tăng có tác dụng làm giảm sai lệch tĩnh nhưng độ vọt lố tăng, thời gian xác lập ảnh hưởng không đáng kể

 Thành phần tích phân (I): KI tác dụng làm độ vọt lố, thời gian xác lập tăng , sai số xác lập tiến về 0

 Thành phần vi phân (D): KD tác dụng làm độ vọt lố và thời gian xác lập giảm, sai số xác lập thay đổi nhỏ

Vì vậy, tùy theo yêu cầu chất lượng của hệ thống và tính phức tạp của công nghệ, khi thiết kế các thành phần mà người thiết kế thường sử dụng kết hợp thành phần trên thành các các hệ thống điều khiển P, PI hay PID

3.2 Tính toán, xác định các thông số bộ điều khiển PID:

Trong lý thuyết điều khiển, có rất nhiều phương pháp để hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID, phổ biến nhất là phương pháp Ziegler-Nichols 1 Nó là dựa trên dữ liệu đáp ứng nấc để xác định các tham số của bộ điều khiển PID theo công thức bảng sau:

 Bảng hàm truyền của các bộ điều khiển:

3.3 Thiết lập hệ thống điều khiển trong giao diện simulink:

Hình 12 Hệ thống điều khiển khát quát

 Mô tả các giá trị nhập:

 Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 3000s

 Step : là tín hiệu hàm nấc thể hiện độ mở lưu lượng của van Giá trị của hàm nấc từ 0÷1 tương ứng độ mở 0%÷100% Chỉnh giá trị của hàm nấc: Step time = 0, Initial value = 0, Final value = 1

 Sum: Thiết lập phép tính cho tín hiệu đầu vào hàm nấc và tín hiệu phản hồi

 PID controller: mô tả hàm truyền bộ điều khiển

 Transfer Fcn: mô hình Caloriphe tuyến tính hóa bậc nhất

 Transport delay: thời gian trễ của mô hình

 Scope: hiển thị tín hiệu để quan sát

3.3.1 Bộ P Controller:

 Nhập giá trị KP = 0,131 vào hệ thống điều khiển như sau:

Hình 13 Hệ thống điều khiển của bộ điều khiển P

 Ta nhận được mô phỏng đáp ứng quá độ với bộ điều khiển P thể hiện như hình vẽ:

Hình 14 Đồ thị biểu diễn đáp ứng quá độ của bộ điều khiển P

Ta có:

H = 0.131; G =70e−55s

506s+1;