TÓM tắt LUẬN văn thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng phương pháp PID tự chỉnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HOÀNG DUY KHÁNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP PID TỰ CHỈNH Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Mã số: 60 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2016 N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đoàn Quang Vinh Phản biện 1: TS Nguyễn Lê Hịa Phản biện 2: TS Nguyễn Hồng Mai Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 08 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong thực tế công nghiệp sinh hoạt hàng ngày, lượng nhiệt đóng vai trị quan trọng Năng lượng nhiệt dùng q trình cơng nghệ khác nhau, việc sử dụng nguồn lượng cách hợp lý hiệu cần thiết Lò điện trở ứng dụng đại phổ biến nguồn lượng này, sử dụng cơng nghiệp, phịng thí nghiệm gia đình Ở lị điện trở, để đáp ứng điều kiện mà nhu cầu sản xuất đặt đòi hỏi phải khống chế nhiệt độ điều khiển cho nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ đặt Có nhiều phương pháp để điều khiển nhiệt độ phương pháp điều khiển ON/OFF, phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy), phương pháp điều khiển khâu tỉ lệ P, phương pháp điều khiển khâu tích phân tỉ lệ PI, phương pháp điều khiển khâu vi tích phân tỉ lệ PID,… Trong đối tượng lị nhiệt có đặc tính khâu qn tính bậc có trễ nên thực tế điều khiển PID sử dụng phổ biến để điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt Việc xác định tham số điều khiển PID định đến chất lượng điều khiển Có nhiều phương pháp đưa nhằm xác định tham số điều khiển PID Có hướng chính: Hướng thứ sử dụng mơ hình tốn học đặc tính đối tượng, tiêu biểu cho hướng thứ phương pháp Chien – Hrones – Reswich phương pháp Ziegler – Nichols Hướng thứ hai sử dụng phương pháp thực nghiệm, phổ biến hướng nghiên cứu thứ hai phương pháp xác định hệ số khuếch đại KU tới hạn N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a Tuy nhiên thực tế khó xác định tham số điều khiển PID đúng, địi hỏi người sử dụng phải có kiến thức kinh nghiệm điều khiển PID Nhu cầu việc tự động xác định tham số điều khiển PID thiết yếu tơi đề xuất phương pháp tự chỉnh để xác định tham số điều khiển PID PID tự chỉnh chức dò tự động tham số cho điều khiển PID Thực trạng điều khiển nhiệt độ xác, chất lượng cao đồng thời giá thành hệ thống cao Bên cạnh việc làm chủ công nghệ điều cần thiết thời đại hội nhập kinh tế giới Chính lý nên lựa chọn đề tài “Thiết kế điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng phương pháp PID tự chỉnh” MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Với phương pháp điều khiển PID tự chỉnh mong muốn việc tự dò tham số điều khiển PID cho nhiều đối tượng lị nhiệt có thơng số khác mà trước Bộ điều khiển cho kết khống chế nhiệt độ, điều khiển nhiệt độ nhiệt độ đặt, thời gian đạt tới nhiệt độ đặt chấp nhận được, độ điều chỉnh nhỏ, đáp ứng nhanh với nhiễu tác động ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Điều khiển nhiệt độ lị điện trở có cơng suất vừa nhỏ Lị nhiệt có đặc tính khâu qn tính bậc cao xấp xỉ khâu quán tính bậc có trễ với hàm truyền là: Thực mơ matlab để đánh giá kết N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động Thu thập, nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài, báo, cơng trình khoa học công bố, phương pháp đo lường nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ nhằm xác định rõ mục tiêu nhiệm vụ Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng mô hình thuật tốn Mơ hệ thống điều khiển nhiệt độ phần mềm matlab simulink nhằm kiểm chứng thuật toán điều khiển, chất lượng điều khiển Phân tích kết so sánh kết đạt Đánh giá toàn luận văn, đề nghị hướng phát triển đề tài BỐ CỤC ĐỀ TÀI Luận văn gồm có chương Chương 1: Tổng quan lò điện trở hệ thống đo lường nhiệt độ Chương 2: Tổng quan phương pháp điều khiển nhiệt độ Chương 3: Thiết kế điều khiển PID tự chỉnh TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG NHIỆT ĐỘ 1.1 TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ 1.1.1 Giới thiệu lò điện trở a Định nghĩa b Phân loại lò điện trở c Yêu cầu vật liệu làm dây đốt N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 1.1.2 Vật liệu làm dây điện trở a Dây điện trở hợp kim b Dây điện trở kim loại c Điện trở nung nóng vật liệu kim loại 1.1.3 Tính tốn kích thƣớc dây điện trở a Với dây điện trở có tiết diện trịn b Với dây điện trở có tiết diện chữ nhật (m = b/a) 1.1.4 Khống chế ổn định nhiệt độ lò điện trở 1.2 HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG NHIỆT ĐỘ 1.2.1 Tổng quan đo lƣờng 1.2.2 Các phƣơng pháp đo nhiệt độ 1.2.3 Các loại cảm biến dùng đo lƣờng nhiệt độ a Nhiệt điện trở kim loại (RTD) b Điện trở oxit kim loại (Thermistor) c Cảm biến nhiệt bán dẫn d Cặp nhiệt điện (thermocouple) 1.2.4 Bù nhiệt môi trƣờng 1.2.5 Tổng quát hệ thống điều khiển nhiệt độ 1.3 KẾT LUẬN Chương nhằm mục đích nghiên cứu tổng quan đối tượng lò điện trở, loại điện trở nhiệt, từ xây dựng mơ hình đối tượng mơ lị nhiệt Khái niệm hệ thống đo lường điều khiển nhiệt độ, loại cảm biến nhiệt độ, phương pháp đo lường nhiệt độ Qua tìm hiểu phân tích giúp người thực có sở lựa giải pháp điều khiển, lựa chọn cảm biến nhiệt độ phù hợp với yêu cầu N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 2.1 XÂY DỰNG HÀM TRUYỀN ĐỐI TƢỢNG Lị nhiệt mơ hình phi tuyến Đặc trưng lò nhiệt khâu quán tính nhiệt Từ bắt đầu cung cấp lượng đầu vào lò nhiệt, nhiệt độ lò bắt đầu tăng lên từ từ Để nhiệt độ lò đạt tới giá trị nhiệt độ cần thiết phải khoảng thời gian dài Đây đặc tính quán tính lị nhiệt Khi tuyến tính hóa mơ hình lị nhiệt, ta xem hàm truyền lò nhiệt khâu quán tính bậc nối tiếp khâu trễ Hình 2.1 Mơ hình lị nhiệt 2.1.1 Hàm truyền lò nhiệt đƣợc xác định phƣơng pháp thực nghiệm Từ mơ hình lị nhiệt hình 2.1, cấp cơng suất tối đa cho lị (cơng suất vào P = 100%) nhiệt độ tăng dần, sau khoảng thời gian định nhiệt độ lò đạt đến giá trị bão hịa Đặc tính theo thời gian gọi đặc tính tự nhiên lị nhiệt Hình 2.2 Đặc tính lò nhiệt N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 2.1.2 Mơ đặc tính tự nhiên lị nhiệt matlab simulink 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRUYỀN THỐNG 2.2.1 Điều khiển ON/OFF a Phương pháp điều khiển Điều khiển ON/OFF lặp lại trạng thái ON/OFF hệ thống điều khiển theo điểm đặt Với ngõ điều khiển ON/OFF có hai vị trí, ngõ ON cấp điện cho sợi nung giá trị nhiệt độ lò giá trị đặt, ngõ OFF giá trị nhiệt độ lò giá trị đặt b Mô điều khiển ON/OFF c Kết mô điều khiển ON/OFF Mô matlab simulink với điều khiển ON/OFF cho lị nhiệt có thông số cho biết trước K = 400℃, T = 450s, L=60s Nhiệt độ đặt SP = 200℃ có kết hình 2.8 DAP UNG NGO RA HE THONG VOI BO DIEU KHIEN RELAY 140 Ngo relay Nhiet ngo Sai lech e 120 Nhiet (oC) 100 80 60 40 20 -20 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Thoi gian (giay) Hình 2.8 Đáp ứng ngõ hệ thống với điều khiển ON/OFF  Nhận xét kết Bộ điều khiển ON/OFF cho chất lượng ngõ chưa tốt, với ngõ dao động quanh giá trị đặt mà chưa thể ổn định giá trị đặt Tuy nhiên độ dao động hạn chế với đối tượng có đáp ứng chậm Do điều khiển phù hợp với đối tượng cho N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a phép khoảng nhiệt rộng máy điều hòa, lò ấp trứng 2.2.2 Tổng quan điều khiển PID phƣơng pháp xác định tham số điều khiển PID a Tổng quan điều khiển PID b Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID điều khiển nhiệt độ 2.3 GIẢI PHÁP ANTI-WINDUP 2.3.1 Định nghĩa “Windup” “Windup” tượng gây tương tác khâu tích phân PID bão hòa Trong hệ thống điều khiển với dải tần hoạt động rộng, biến điều khiển đạt tới giới hạn cấu chấp hành Khi điều xảy ra, vòng phản hồi bị phá vỡ, hệ thống hoạt động hệ hở, cấu chấp hành giới hạn khơng phụ thuộc vào đầu vào trình Nếu điều khiển có khâu tích phân sử dụng, sai lệch tiếp tục tích phân lên Điều có nghĩa đại lượng tích phân trở nên lớn, hay nói cách khác, “windup” Khi đó, yêu cầu sai lệch phải có dấu ngược lại khoảng thời gian dài trước thứ trở lại bình thường Kết với điều khiển khâu tích phân đưa khoảng độ lớn cấu chấp hành bão hòa 2.3.2 Các biện pháp chống bão hịa tích phân (Anti-windup) a Phương pháp PID sử dụng tích phân có điều kiện b Phương pháp tăng điểm đặt với độ dốc thích hợp Với phương pháp mục đích để điểm đặt tăng từ nhiệt độ môi trường đến giá trị đặt cách chậm để đầu tín hiệu điều khiển nằm giới hạn cho phép không vượt điều chỉnh, điều làm tránh tượng bão hịa tích phân N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a Trong phương pháp ta đưa vào sau khối nhiệt độ đặt hàm truyền có khâu qn tính bậc hình 2.20 Chọn thời gian trễ cho khâu qn tính bậc khoảng 30% thời gian quán tính T Khi có khâu giúp tránh tăng đột ngột tín hiệu đặt điều làm tín hiệu sai lệch giá trị đặt giá trị đo thay đổi theo độ dốc thích hợp Với phương pháp giúp tránh tượng bão hịa tích phân nhiên làm hệ thống tác động chậm thời gian độ kéo dài Hình 2.20 Mơ hình mơ hệ thống PID ổn định nhiệt độ Kết mô điều khiển PID có khâu bão hịa kết điều khiển PID kết hợp giải pháp dốc hóa điểm đặt để so sánh đánh giá kết DAP UNG NGO RA HE THONG VOI BO DIEU KHIEN PID 300 250 Nhiet (oC) 200 150 100 50 Nhiet dat -50 Nhiet ngo doc hoa diem dat Sai lech e -100 Nhiet ngo 500 1000 1500 2000 2500 Thoi gian (giay) Hình 2.21 Đáp ứng hệ thống với điều khiển PID Ta thấy kết đáp ứng ngõ hệ thống ổn định nhiệt độ có điều khiển PID kết hợp giải pháp dốc hóa điểm đặt khắc phục đáng kể độ điều chỉnh, thời gian xác lập nhanh thời điểm N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 10 Hình 2.23 Mơ hình mơ hệ thống PID tracking anti-windup Chọn KS = 20 tiến hành chạy mơ thu kết hình 2.24 Ta nhận thấy với tác dụng “anti-windup” sơ đồ cải thiện hơn, hệ thống đáp ứng tốt, nhiệt đọ ngõ có thời gian ổn định nhiệt độ nhanh t = 600s, độ điều chỉnh giảm đáng kể so với điều khiển PID thường, sai số xác lập khơng cịn DAP UNG NGO RA HE THONG VOI BO DIEU KHIEN PID 220 200 180 Nhiet dat 160 Nhiet ngo Sai lech e Nhiet (oC) 140 120 100 80 60 40 20 0 500 1000 1500 Thoi gian (giay) Hình 2.24 Đáp ứng hệ thống với điều khiển PID anti-windup Tuy nhiên để đạt trạng thái ổn định phụ thuộc vào giá trị KS Giá trị KS đạt trạng thái ổn định bão hịa nhanh chóng giá trị KS phải lớn Do việc chọn KS phải cân nhắc việc nhanh chóng đạt ổn định khả vượt bão hịa Ngồi việc chọn giá trị KS phụ thuộc vào đối tượng điều khiển Trong phương pháp thay đổi đối tượng điều khiển đồng nghĩa phải chọn lại giá trị KS cho phù hợp phương pháp tạo tracking anti-windup cải biên đưa hình 2.25 để giải vấn đề N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 11 Hình 2.25 Sơ đồ điều khiển PID có tracking anti-windup cải biên Theo sơ đồ vòng hồi tiếp khâu tích phân tạo tích sai lệch e khuếch đại lên với hệ số (KP2 / KI) lần nhân với sai lệch đầu điều khiển trước khâu bão hòa sau khâu bão hòa Sơ đồ hình 2.25 cho phép hạn chế khâu tích phân nhanh chóng tùy theo tín hiệu sai lệch e Mơ hình mơ hệ thống với điều khiển PID tracking anti-windup cải biên hình 2.26 Hình 2.26 Hệ thống PID tracking anti-windup cải biên DAP UNG NGO RA HE THONG VOI BO DIEU KHIEN PID ANTI-WINDUP 220 200 180 Nhiet dat 160 Nhiet ngo Sai lech e Nhiet (oC) 140 120 100 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Thoi gian (giay) Hình 2.27 Đáp ứng hệ thống với điều khiển PID anti-windup N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 12 Kết mơ hệ thống thể hình 2.27 Đáp ứng hệ thống với điều khiển PID có tracking anti-windup có thời gian đáp ứng hệ thống nhanh sơ với đặc tính tự nhiên lò nhiệt, t = 400s độ điều chỉnh loại bỏ hồn tồn Do phương pháp điều khiển PID với tracking anti-windup cải biên dùng để khống chế hoạt động khâu tích phân Với phương pháp chống bão hịa tích phân phương pháp PID tracking anti-windup cho kết tốt nhất, khơng phụ thuộc nhiều vào đối tượng điều khiển 2.3.3 Mô điều khiển PID với biện pháp chống windup a Phương pháp tăng điểm đặt với độ dốc thích hợp b Phương pháp PID tracking anti-windup 2.4 KẾT LUẬN Bộ điều khiển PID áp dụng cho hệ thống điều khiển nhiệt độ cho chất lượng điều khiển tốt, tiết kiệm lượng, đơn giản, dễ thực thi Tuy nhiên điều chỉnh PID tốn khó, địi hỏi phải điều chỉnh tham số (độ lợi, tích phân, vi phân) xác Nếu tham số chọn sai cho kết điều khiển khơng tốt chí dẫn đến hệ thống ổn định Trong phương pháp tìm tham số điều khiển PID thường dị tìm theo cách thủ công điều chỉnh theo kinh nghiệm trình bày mục 2.2.2.b Do kết tìm gần dẫn đến hệ thống có độ điều chỉnh lớn Tuy nhiên tượng độ điều chỉnh lớn tượng bão hòa tích phân gây để khắc phục sai số dùng điều khiển PID kết hợp với giải pháp chống bão hịa tích phân trình bày mục 2.3.2 áp dụng để khắc phục tượng N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 13 Từ kết ta thấy với điều khiển PID để điều khiển đối tượng lị nhiệt có đặc tính khâu qn tính bậc có trễ cho kết tốt Do với điều khiển PID có tracking anti-windup cải biên áp dụng vào việc điều khiển nhiệt độ Tuy nhiên việc tính tốn, xác định tham số điều khiển PID theo phương pháp trình bày mục 2.2.2.b gặp nhiều khó khăn, địi hỏi người sử dụng phải có kiến thức điều khiển tự động kinh nghiệm điều khiển PID Vì việc tự động dị tìm tham số điều khiển PID cần thiết cho điều khiển nhiệt độ CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TỰ CHỈNH 3.1 GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TỰ CHỈNH PID tự chỉnh chức tự động xác định tham số KP, KI, KD cho điều khiển PID ổn định nhiệt độ mà ta chưa biết trước thông số đối tượng điều khiển 3.2 ỨNG DỤNG PID TỰ CHỈNH TRONG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Bộ điều khiển PID sử dụng rộng rãi việc điều khiển nhiệt độ với đối tượng trao đổi nhiệt Tuy nhiên thực tế khó xác định tham số điều khiển PID đúng, địi hỏi người sử dụng phải có kiến thức kinh nghiệm điều khiển PID, ngồi nhiễu tác động, lão hóa điện trở nhiệt sau thời gian dài sử dụng dẫn đến làm thay đổi đối tượng điều khiển làm cho hệ thống ổn định với tham số điều khiển PID Vì nhu cầu việc tự động xác định tham số điều khiển PID thiết yếu N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 14 3.3 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID TỰ CHỈNH TRONG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ 3.3.1 Phƣơng pháp relay-feedback Khi cần tự động dò tham số điều khiển PID, ta thay điều khiển PID điều khiển relay vị trí hình 2.2 Lúc đầu y(t) hệ thống dao động điều hịa Khi đó, ta xác định hệ số khuếch đại tới hạn KU chu kỳ dao động tới hạn TU, từ hai hệ số tính tốn chọn tham số cho điều khiển PID Sau đó, ta đưa tham số xác định vào PID trở lại điều khiển hệ thống Phương pháp relay – feedback thể hình vẽ cụ thể sau: Hình 3.1 Mơ hình hệ thống với điều khiển PID tự chỉnh Hình 3.2 Mơ hình hệ thống với điều khiển relay hai vị trí 3.3.2 Xác định tham số điều khiển PID cho hệ thống điều khiển nhiệt độ lị điện trở a Xác định phương trình trạng thái điều khiển PID Bộ trao đổi nhiệt độ đối tượng điều khiển có hàm truyền khâu qn tính bậc có trễ Xét miền thời gian liên tục, mơ hình hệ thống N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 15 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ Xét đối tượng trao đổi nhiệt hàm truyền dạng hàm quán tính bậc có trễ xấp xỉ mơ hình qn tính bậc ( )( (3.17) ) Phân tích theo (3.17) ta có: * + Đặt: Suy phương trình trạng thái: (3.18) Với: [ ]; * +; [ ] Xét miền thời gian rời rạc với thời gian lấy mẫu TS Xấp xỉ vi phân ta có: (3.19) Thay (3.18) vào (3.19) ta được: (3.20) Ở viết tắt i = iTS thời điểm lấy mẫu thứ i N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 16 Suy ra: (3.21) [ Với: ] [ (3.22) ] [ (3.23) ] (3.24) Từ phương trình (3.21) ta tính giá trị đầu y hệ thống miền thời gian rời rạc b Thuật toán xác định tham số PID điều khiển lò nhiệt Cho hệ thống giá trị đặt trước SP, điều khiển relay vị trí u, đầu y Trong thực tế ngõ điều khiển relay vị trí có hệ số trễ hys dạng sau: { (3.25) Trong mô chọn hys = 0.222 Các bước tiến hành: * Bước 1: Bước 2: Với: + * + i=i+1 [ ] [ ] N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 17 [ ] { Bước 3: Lặp lại bước hết thời điểm cần mô Bước 4: Xác định biên độ a tín hiệu sai lệch Chọn nửa sau mảng giá trị đầu y (đoạn y dao động ổn định quanh giá trị SP) a = (ymax - ymin)/2 Bước 5: Xác định KU (3.26) Bước 6: Xác định chu kỳ dao động TU tín hiệu đầu Chu kỳ dao động tín hiệu đầu với chu kỳ dao động tín hiệu điều khiển từ relay u Xác định thời điểm u lật trạng thái lần thứ tstart, bắt đầu thời điểm tính chu kỳ dao động Cho qua thời điểm u lật trạng thái lần thứ hai Đợi đến thời điểm u lật trạng thái lần thứ ba tend Bước 7: Xác định tham số điều khiển PID 3.3.3 Lập trình tính tốn tham số điều khiển a Đối tượng Hàm truyền đối tượng lò nhiệt có dạng khâu qn tính bậc có trễ sau b Chương trình N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 18 c Kết mô Để đánh giá kết việc sử dụng phương pháp relayfeedback để tự động xác định tham số điều khiển PID ổn định nhiệt độ lập trình matlab mô matlab simulink Trên thực tế lò nhiệt điện trở xem hộp đen, thông số mà biết đáp ứng tự nhiên ngõ đưa vào ngõ vào hàm nấc đơn vị Ở ta mô matlab simulink, nên việc dò tham số điều khiển hoạt động có đối tượng cụ thể Do thơng số lị nhiệt thời gian trễ L, thời gian quán tính T, hệ số khuếch đại hệ thống K phải có cụ thể Tuy nhiên thơng số khơng dùng để tính toán tham số điều khiển PID Với điều khiển PID tự chỉnh cho kết ngõ có chất lượng tốt, điều khiển nhiều đối tượng lị nhiệt khác mà khơng cần biết trước thơng số lị Để kiểm nghiệm lại điều khiển PID tự chỉnh cho nhiều đối tượng lò nhiệt khác Ta cho điều khiển hoạt động mơ hình đối tượng khác nhau, từ đánh giá chất lượng cho điều khiển Cho lị nhiệt có thơng số cụ thể bảng sau Bảng 3.1 Thơng số đối tượng lị nhiệt Thơng số Lị nhiệt Nhiệt độ đặt Hệ số khuếch Thời gian Thời gian đại K trễ L (s) độ T (s) SP (℃) Lò nhiệt 200 400 20 380 Lò nhiệt 200 400 200 1200 Lò nhiệt 400 800 200 1200 N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 19  Mô với điều khiển PID tự chỉnh cho lò nhiệt Kết xác định hệ số khuếch đại tới hạn KU = 1.5253, chu kỳ dao động tới hạn TU = 32.25s Từ hai kết ta tính tham số KP, KI, KD điều khiển PID Sau đưa kết vào mơ hình matlab simulink để tiến hành mô Những công việc thực file “pid_autotuning.m” DAP UNG NGO RA LO NHIET VOI BO DIEU KHIEN PID TU CHINH 220 200 Nhiet dat 180 Nhiet ngo Sai lech e 160 Nhiet (oC) 140 120 100 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Thoi gian (giay) Hình 3.10 Đáp ứng ngõ hệ thống với điều khiển PID tự chỉnh Tại thời điểm t = 500s có nhiễu tác động (tương ứng với việc mở cửa lò đưa sản phẩm vào lò) với nhiệt độ - 20℃ DAP UNG NGO RA LO NHIET VOI BO DIEU KHIEN PID TU CHINH 220 200 Nhiet (oC) 180 160 Nhiet dat 140 Nhiet ngo Sai lech e 120 100 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Thoi gian (giay) Hình 3.11 Đáp ứng ngõ hệ thống có nhiễu t=500s N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 20 Ta nhận thấy với điều khiển PID tự chỉnh cho thơng số lị nhiệt cho đáp ứng ngõ chất lượng tốt, thời gian đáp ứng nhanh, khắc phục độ q điều chỉnh, khơng có sai số xác lập, khắc phục với nhiễu tác động nhanh sau thời gian 80s  Mô với điều khiển PID tự chỉnh cho lò nhiệt Kết xác định hệ số khuếch đại tới hạn KU = 0.5229, chu kỳ dao động tới hạn TU = 280s Từ hai kết ta tính tham số KP, KI, KD điều khiển PID Sau đưa kết vào mơ hình matlab simulink để tiến hành mô Kết ngõ hệ thống với điều khiển PID tự chỉnh thể hình 3.13 có nhiễu tác động thể hình 3.14 Ta nhận thấy với điều khiển PID tự chỉnh điều khiển lò nhiệt 2, cho đáp ứng ngõ chất lượng tốt, thời gian đáp ứng nhanh, không xảy độ q điều chỉnh, khơng có sai số xác lập, khắc phục với nhiễu tác động nhanh sau thời gian 350s DAP UNG NGO RA LO NHIET VOI BO DIEU KHIEN PID TU CHINH 220 200 180 Nhiet dat 160 Nhiet ngo Sai lech e Nhiet (oC) 140 120 100 80 60 40 20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Thoi gian (giay) Hình 3.13 Đáp ứng ngõ hệ thống với điều khiển PID tự chỉnh Tại thời điểm t = 1500s có nhiễu tác động (tương ứng với việc mở cửa lò đưa sản phẩm vào lò) với nhiệt độ - 20℃ N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 21 DAP UNG NGO RA LO NHIET VOI BO DIEU KHIEN PID TU CHINH 220 200 Nhiet (oC) 180 160 Nhiet dat 140 Nhiet ngo Sai lech e 120 100 80 60 40 20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Thoi gian (giay) Hình 3.14 Đáp ứng ngõ hệ thống có nhiễu t=1500s  Mô với điều khiển PID tự chỉnh cho lò nhiệt Kết xác định hệ số khuếch đại tới hạn KU = 0.2914, Chu kỳ dao động tới hạn TU = 262.98s Từ hai kết ta tính tham số KP, KI, KD điều khiển PID Sau đưa kết vào mơ hình matlab simulink để tiến hành mô Kết ngõ hệ thống với điều khiển PID tự chỉnh thể hình 3.16 DAP UNG NGO RA LO NHIET VOI BO DIEU KHIEN PID TU CHINH 400 Nhiet dat 350 Nhiet ngo Sai lech e Nhiet (oC) 300 250 200 150 100 50 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Thoi gian (giay) Hình 3.16 Đáp ứng ngõ hệ thống với điều khiển PID tự chỉnh N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 22 K t ngõ có nhiễu tác động thời điểm t=1500s thể hình 3.17 DAP UNG NGO RA LO NHIET VOI BO DIEU KHIEN PID TU CHINH 400 350 Nhiet dat Nhiet (oC) 300 Nhiet ngo Sai lech e 250 200 150 100 50 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Thoi gian (giay) Hình 3.17 Đáp ứng ngõ hệ thống có nhiễu t=1500s Ta nhận thấy với điều khiển PID tự chỉnh điều khiển lò nhiệt 3, cho đáp ứng ngõ chất lượng tốt, thời gian đáp ứng nhanh, không xảy độ điều chỉnh, khơng có sai số xác lập, đáp ứng nhanh với nhiễu tác động nhanh sau thời gian 350s 3.4 KẾT LUẬN Từ kết ta thấy với điều khiển PID tự chỉnh kết hợp tracking anti-windup cải biên cho kết tốt với hệ thống điều khiển nhiệt độ, khắc phục độ điều chỉnh điều khiển PID truyền thống, thời gian xác lập nhanh, đáp ứng với nhiễu tác động Ngoài điều khiển PID tự chỉnh ổn định nhiệt độ cho phép tự dò tham số điều khiển cách tự động mà không cần biết trước thơng số lị, thay đổi lị nhiệt dị lại thơng số điều khiển PID cách tự động Sau thời gian dài thông số lị nhiệt thay đổi ta dị lại thông số điều khiển PID cách tự động với điều khiển N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Kết luận Luận văn trình bày phương pháp điều khiển nhiệt độ truyền thống, mô đánh giá ưu khuyết điểm từng phương pháp Để nâng cao chất lượng điều khiển vấn đề bão hịa tích phân xảy điều khiển PID ổn định nhiệt độ trình bày biện pháp chống bão hịa tích phân Mơ so sánh đánh giá kết điều khiển PID truyền thống với điều khiển PID có biện pháp chống bão hịa tích phân Bộ điều khiển PID tracking anti-windup cải biên có khả điều chế hoạt động khâu tích phân tốt việc điều khiển nhiệt độ lò nhiệt Luận văn thiết kế điều khiển PID tự chỉnh ổn định nhiệt độ, sử dụng phương pháp relay-feedback kết hợp giải pháp “antiwindup” Kết mô cho thấy đáp ứng chất lượng đặt với điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt Bộ điều khiển PID tự chỉnh có nhiều ưu điểm so với điều khiển PID truyền thống, ưu điểm bật điều khiển điều khiển cho nhiều đối tượng lò nhiệt khác mà chưa biết thơng số lị, giúp cho người vận hành khơng tốn nhiều thời gian để tìm hiểu đối tượng mà đảm bảo chất lượng điều khiển, hạn chế độ điều chỉnh (điều quan trọng điều khiển nhiệt độ), thời gian đáp ứng nhanh, khơng cịn sai số xác lập Bộ điều khiển PID tự chỉnh dùng phương pháp relay-feedback đơn giản, kết hợp “anti-windup” áp dụng vào điều khiển ổn định nhiệt độ thực tế lò nhiệt Chương trình matlab áp dụng vào vi điều khiển, kết hợp thêm công suất, đo lường để điều khiển nhiệt độ đối tượng thực thực tế Luận văn trình bày thuật tốn điều khiển PID tự chỉnh, ứng N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a 24 dụng thuật tốn viết chương trình matlab thực lại việc mô phỏng, đánh giá chất lượng điều khiển PID tự chỉnh kết hợp “anti-windup” cho nhiều đối tượng lò nhiệt khác mà khơng biết thơng số lị Kết mơ đảm bảo tính ổn định hệ thống Bộ điều khiển PID tự chỉnh kết hợp “anti-windup” ứng dụng điều khiển ổn định nhiệt độ Chương trình matlab áp dụng vào điều khiển nhiệt độ thực tế  Kiến nghị Đề tài dừng lại việc mô matlab simulink Việc đánh giá chất lượng dựa đối tượng lò nhiệt khác Trên thực tế hệ thống điều khiển nhiệt độ, khâu đo lường từ ngõ hệ thống hồi tiếp thực tế có tỷ lệ có thời gian trễ, để áp dụng vào đối tượng thực cần phải thêm khâu đo lường Hướng phát triển đề tài đưa chương trình matlab vào vi điều khiển kết hợp nghiên cứu khâu đo lường nhiệt độ, phát triển phần công suất để áp dụng điều khiển lò nhiệt thực có cơng suất vừa nhỏ N CHAT LUONG download : add luanvanchat@a ... đề tài ? ?Thiết kế điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng phương pháp PID tự chỉnh? ?? MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Với phương pháp điều khiển PID tự chỉnh mong muốn việc tự dò tham số điều khiển PID cho... động dị tìm tham số điều khiển PID cần thiết cho điều khiển nhiệt độ CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TỰ CHỈNH 3.1 GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TỰ CHỈNH PID tự chỉnh chức tự động xác định tham... chế nhiệt độ điều khiển cho nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ đặt Có nhiều phương pháp để điều khiển nhiệt độ phương pháp điều khiển ON/OFF, phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy), phương pháp điều khiển khâu