(Đồ án hcmute) ứng dụng điều khiển dự báo (mpc) trong mô hình lò nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG ÐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRONG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT GVHD: ThS VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH: HUỲNH NGỌC CHÂU NGUYỄN LÊ MINH HẠC BÙI LÊ QUỐC KHÁNH S KL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 an MSSV: 12146013 MSSV: 12146048 MSSV: 12146080 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRONG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: MSSV: ThS VÕ LÂM CHƯƠNG HUỲNH NGỌC CHÂU 12146013 NGUYỄN LÊ MINH HẠC 12146048 Lớp: Khoá: BÙI LÊ QUỐC KHÁNH 12146080 121461 2012 – 2016 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRONG MƠ HÌNH LÒ NHIỆT Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: MSSV: ThS VÕ LÂM CHƯƠNG HUỲNH NGỌC CHÂU 12146013 NGUYỄN LÊ MINH HẠC 12146048 BÙI LÊ QUỐC KHÁNH Lớp: Khoá: 12146080 121461 2012 – 2016 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS.Võ Lâm Chương Sinh viên thực hiện: Huỳnh Ngọc Châu MSSV: 12146013 Nguyễn Lê Minh Hạc MSSV: 12146048 Bùi Lê Quốc Khánh MSSV: 12146080 Tên đề tài: Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lò nhiệt Các số liệu, tài liệu ban đầu: Các thơng số tính tốn kích thước thùng gia nhiệt Hàm truyền hệ thống Nội dung đồ án: Hồn thiện mơ hình lị nhiệt: thiết kế lại tủ điện, hiển thị led Nghiên cứu sử dụng card PCI thu thập liệu điều khiển từ Matlab Nghiên cứu điều khiển dự báo MPC (Model Predictive Control) So sánh đáp ứng ngõ điều khiển khác có nhiễu trình (disturbance) tác động Các sản phẩm dự kiến: Mơ hình lị nhiệt hồn chỉnh Điều khiển mơ hình thuật tốn DMC Ngày giao đồ án: 27/07/2016 Ngày nộp đồ án: 28/07/2016 TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt - GVHD: ThS Võ Lâm Chương - Họ tên sinh viên: MSSV: Huỳnh Ngọc Châu 12146013 Lớp: 121461C Địa sinh viên: Quận 9, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 0932408429 Email: chauhuynhngoc1994@gmail.com - Họ tên sinh viên: MSSV: Nguyễn Lê Minh Hạc 12146048 Lớp: 121461C Địa sinh viên: Quận Bình Thạnh, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 01223962617 Email: hacnguyen94@gmail.com - Họ tên sinh viên: MSSV: Bùi Lê Quốc Khánh 12146080 Lớp: 121461D Địa sinh viên: Quận Thủ Đức, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 01666575969 Email: khanhquocbui1994@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 28/07/2016 Lời cam kết: “Chúng tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình nghiên cứu thực Chúng không chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 07 năm 2016 Ký tên an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mô hình lị nhiệt LỜI CẢM ƠN  Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Nhà trường, khoa Cơ khí chế tạo máy, Bộ mơn Cơ điện tử, thầy tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức sở, chuyên môn suốt năm học vừa qua Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS Võ Lâm Chương, thầy trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình, định hướng, góp ý cung cấp ý tưởng dẫn tài liệu thực đồ án Sự hướng dẫn thầy yếu tố quan trọng để chúng em hồn thành đồ án Xin cảm ơn bạn lớp Cơ điện tử 121461 góp ý, giúp đỡ nhóm nhiều trình làm đồ án Cuối chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người ln sát cánh, ni dưỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt cho chúng em học tập để có kết tốt ngày hơm Mặc dù cố gắng nỗ lực nhiều, song đồ án chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận thông cảm dẫn tận tình q thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt TÓM TẮT ĐỒ ÁN ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRONG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT Trong đồ án này, nhóm chọn chủ đề nghiên cứu điều khiển q trình gia nhiệt lị nhiệt sử dụng điều khiển dự báo (MPC) Để đánh giá chất lượng điều khiển, nhóm so sánh đáp ứng ngõ điều khiển dự báo thuật toán điều chỉnh PID Zigler – Nischols, Tyreus-Luyben, IMC-PID Nhóm sử dùng Card PCI 6052E làm phần cứng thu thập liệu Về phần mềm, nhóm dùng phần mềm MATLAB để sử dụng điều khiển dự báo (MPC) điều khiển nhiệt độ mơ hình Sau thời gian nghiên cứu, kết đạt điều khiển nhiệt độ lò phương pháp dùng điều khiển dự báo (MPC), từ đạt mục tiêu kiểm chứng lý thuyết điều khiển trình mơ hình thực nghiệm Tóm tắt chương đề tài: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Xây dựng thiết kế điều khiển Chương 4: Đề xuất cơng nghệ, tính tốn thiết kế Chương 5: Thực nghiệm đánh giá ứng dụng điều khiển mô hình lị nhiệt Sinh viên thực an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lò nhiệt ABSTRACT APPLICATION MODEL PREDICTIVE CONTROL IN HEATING PROCESS In this project, we carry out research into a controller of heating process of a heat furnace adopting model predictive control (MPC) algorithm In order to assess quality, we use several kinds of tuning algorithms, such as Zigler – Nischols, Tyreus-Luyben, IMCPID, to compare output responses each other We also use PCI 6052E card for data acquisition In term of software, we use MPC controller in Matlab to control the whole system The MPC algorithm is applied in the heat furnace to control output temperature, so we achieve verifiable target about theory of process control by experimental model Contents: Chapter 1: Overview Chapter 2: Theory of Predictive Control Chapter 3: Formulation and Design Controllers Chapter 4: Design model Chapter 5: Experiment, Assessment and Application of Controllers for Heat furnace an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT .ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5 Kết cấu luận văn CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan điều khiển dự báo 2.2 Xây dựng hệ MPC 2.3 Một số mơ hình dự báo thuật tốn cụ thể 12 CHƯƠNG 3: 16 XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 16 3.1 Yêu cầu đề tài 16 3.2 Lưu đồ P&ID 16 3.3 Phương pháp thiết kế điều khiển DMC cho hệ SISO 16 3.4 Các phương pháp thiết kế điều khiển PID 18 3.5 Phương pháp thiết kế điều khiển IMC-PID 19 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt CHƯƠNG 4: 25 ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ, TÍNH TỐN THIẾT KẾ 25 4.1 Đề xuất công nghệ 25 4.2 Phần khí 35 CHƯƠNG 5: 53 THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ 53 5.1 Các bước chuẩn bị 53 5.2 Dữ liệu ban đầu mơ hình 54 5.3 Điều khiển mơ hình điều khiển DMC 55 5.4 Điều khiển mơ hình điều khiển PID 64 5.5 Điều khiển mơ hình điều khiển IMC-PID 70 5.6 So sánh đáp ứng ngõ giải thuật điều khiển DMC với giải thuật điều khiển khác 72 KẾT LUẬN –KIẾN NGHỊ 79 PHỤ LỤC 81 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Hình 5.21 Chương trình điều khiển hệ thống Đặt nhiệt độ khối SP 70 (oC) Đáp ứng hệ thống sau: Hình 5.22 Đáp ứng hệ thống với SP = 70 oC 68 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Nhiễu q trình: Hình 5.23 Nhiễu trình với điều khiển PID Đặt nhiệt độ SP ba nấc nhiệt độ: 50 oC , 70oC 90 oC Đáp ứng hệ thống sau: Hình 5.24 Đáp ứng hệ SP 50, 70 90oC 69 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt 5.5 Điều khiển mơ hình điều khiển IMC-PID Hàm truyền mơ hình : G( s)  18.157 564.6s  e13.034 s (994.8s  1)(91.641s 1)(26.81s 1) (5.7) Hạ bậc hàm truyền (5.7), theo tài liệu [6], ta có: G( s)  10.305  10.305 e6.652 s (91.641s  1)(33.462s  1) e6.652 s 3066.491142s  125.103s  Từ bảng (3.3), ta tính hệ số sau:  Ti = 2    2(   )  Td = = 125.103  2(0.8 * 6.652  6.652) = 126.9507778 6(   ) I  3066.491142   2(   ) 6.6523 6.6522 6(0.8*6.652  6.652) = 25.97046577  126.950778 2(0.8*6.652  6.652) = Kp = 6.6522 I K (   ) =  126.9507778 10.305*(0.8*6.652  6.652) =1.028875023 Từ ta tính giá trị Kp, Ki, Kd sau: Ki = Kp/Ti = 1.028875023/126.9507778 = 0.008104519254 Kd = Kp*Td = 1.028875023*25.97046577= 26.72036357 Kb thành phần anti-windup, tính theo cơng thức sau: Kb= 1 = =0.01741576 Td*Ti 126.9507778*25.97046577 Thay giá trị Kp, Ki, Kd, Kb vào sơ đồ Simulink, quan sát đáp ứng ngõ mơ hình 70 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Hình 5.25 Đáp ứng ngõ mơ hình có điều khiển IMC-PID Sau mô thành công ta tiến hành chạy với mơ hình thực Hình 5.26 Chương trình điều khiển hệ thống Đặt nhiệt độ khối SP 70 (oC) Đáp ứng hệ thống sau: 71 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Hình 5.27 Đáp ứng hệ thống với SP = 70 oC 5.6 So sánh đáp ứng ngõ giải thuật điều khiển DMC với giải thuật điều khiển khác 5.6.1 So sánh DMC PID  Đáp ứng bướ DMC PID Hình 5.28 Đáp ứng bước với giá trị ngõ vào 70oC 72 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Hình 5.29 Giá trị áp ngõ điều khiển SCR Nhận xét: Về mặt đáp ứng ngõ hai phương pháp có thời gian đáp ứng nhau, PID có vọt lố dao động DMC Về điều khiển giá trị áp điều khiển SCR phương pháp DMC mịn ổn định phương pháp PID Phương pháp PID xuất tín hiệu điều khiển dao động lớn làm giảm thời gian sử dụng SCR Bảng 5.1 So sánh DMC PID Phương pháp DMC PID Thời gian xác lập (s) 168.5 173.8 Thơi gian tăng (s) 85.9 93.4 Độ vọt lố (%) 0.37 1.34  Đáp ứng theo hàm dố DMC PID Hình 5.30 Đáp ứng theo hàm dốc 73 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Hình 5.31 Giá trị áp ngõ điều khiển SCR Nhận xét: Đáp ứng DMC tốt so với PID DMC có khả dự báo trước thay đổi đáp ứng hệ nên bám sát SetPoint Điện áp điều khiển ngỏ DMC mịn mượt PID, khơng có dao động  Nhiễu trình DMC PID Hình 5.32 Nhiễu trình trường hợp quạt đột ngột ngừng thổi phút Nhận xét: Khơng có khác giá trị nhiệt độ vọt lố hai phương pháp 73 C, DMC thời gian để đáp ứng bám theo trở lại setpoint nhanh nhiều so với PID DMC khoảng 300s PID khoảng 450s o  Độ ổn định ( sai số xác lập ) 74 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Hình 5.33 Sai lệch setpoint đáp ứng hệ sử dụng phương pháp DMC 75 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mô hình lị nhiệt Hình 5.34 Sai lệch setpoint đáp ứng hệ sử dụng phương pháp PID 76 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Nhận xét: Sai lệch setpoint đáp ứng hệ sử dụng phương pháp DMC nhỏ nhiều so với phương pháp PID Bảng 5.2 Sai lệch setpoint đáp ứng phương pháp Phương pháp Trung bình cơng sai số xác lập (oC) DMC PID ± 0.2 ± 0.7 5.6.2 So sánh đáp ứng chung DMC – PID (Z – L) – IMC-PID  Đáp ứng bước với giá trị Setpoint 700C Hình 5.35 So sánh đáp ứng phương pháp điều khiển 77 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lò nhiệt Bảng 5.3 So sánh phương pháp điều khiển khác Phương pháp DMC IMC-PID PID (Z-N) Thời gian xác lập (s) 168 193 205 Thời gian tăng (s) 85 90 103 0.37 0.56 1.53 ± 0.25 ±0.55 ± 0.73 Độ vọt lố (%) Trung bình cơng sai số xác lập (oC) 78 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt KẾT LUẬN –KIẾN NGHỊ Kết luận: Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu thực nghiệm, nhóm thu kết sau: - Mơ hình lị nhiệt hoàn thiện, đáp ứng yêu cầu nghiên cứu đề tài: hai gia nhiệt đảm bảo cung cấp đủ nhiệt lượng cho q trình, kích thước thùng gia nhiệt đảm bảo việc mơ q trình gia nhiệt xác, mơ hình đảm bảo độ cứng vững, thẩm mỹ - Từ kết mơ hình nhận dạng được, tiến hành điều khiển nhiệt độ hệ thống điều khiển DMC - Đã so sánh điều khiển DMC điều khiển khiển khác Về bản, đề tài đạt mục tiêu nghiên cứu đặt ra, nhiên nhiều điểm hạn chế: - Một số phương pháp giải thuật khác điều khiển dự báo chưa nghiên cứu Kiến nghị, định hướng phát triển đề tài: Với kết đạt điểm hạn chế đề tài, nhóm có đề xuất hướng phát triển đề tài, là: Tiếp tục nghiên cứu thêm điều khiển khác đại nhằm khắc phục hạn chế hệ thống Do đặc điểm q trình cơng nghiệp nói chung mơ hình nói riêng đặc tính trễ ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển Do đó, từ kết đề tài đạt được, áp dụng số giải thuật điều khiển khác để tăng chất lượng điều khiển, nâng cao tính kháng nhiễu hệ (Disturbance Rejection) Ngoài ra, để phục vụ cho việc giảng dạy nghiên cứu lĩnh vực điều khiển trình cần cải tiến giao diện hệ thống liên kết bảng điều khiển phần mềm máy tính để tạo trực quan, dễ dàng việc tiếp cận, nghiên cứu đề tài 79 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hoàng Minh Sơn, Điều khiển trình nâng cao, NXB Bách khoa Hà Nội, 2009 [2] Huỳnh Thái Hồng, Bài giảng mơ hình hóa nhận dạng hệ thống, http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/, 2012 [3] Phạm Hữu Đức Dục, Mơ hình điều khiển dự báo – Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Số 1(45) Tập 1/Năm 2008 [4] Trường Đại học Hàng Hải – khoa Điện – Điện Tử, Bài giảng điều khiển trình [5] Báo cáo đồ án tốt nghiệp đề tài “Chế tạo điều khiển mơ hình lị nhiệt” khóa 2011, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM ( GVHD: Th.S Võ Lâm Chương ) Tiếng Anh [6] Sigurd Skogestad, PID tuning using the SIMC rules, September 2008 http://www.cc.ntut.edu.tw/~jcjeng/Model-based%20Tuning.pdf [7] Tatjewski, Chapter – Advanced Control of Industrial Processes [8] Eduardo F Camacho and Carlos Bordons, Model Predictive Control [9] Truong Nguyen Luan Vu, Jietae Lee, Moonyong Lee, Consider the generalized IMC-PID method for PID controller tuning of time-delay processes [10] J B Rawlings and D Q Mayne, Model Predictive Control: Theory and Design [11] Lam Chuong Vo, Luan Vu Truong Nguyen, Hieu Giang Le, Application of MPC Algorithm for tracking control [14] Le Linh, Truong Nguyen Luan Vu, Le Hieu Giang, Design of IMC-PID Controller Cascaded Filter for Simplified Decoupling Control System [15] Le Linh, Truong Nguyen Luan Vu, Le Hieu Giang, Analytical Design of IMC-PID Controller for Ideal Decoupling Embedded in Multivariable Smith Predictor Control System [16] Daniel E Rivera , Internal Model Control: A Comprehensive View 80 an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt PHỤ LỤC 81 an an ... DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRONG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT Trong đồ án này, nhóm chọn chủ đề nghiên cứu điều khiển q trình gia nhiệt lị nhiệt sử dụng điều khiển dự báo (MPC) Để đánh giá chất lượng điều. .. phải xây dựng mơ hình tốn để dự báo xác trạng thái q trình cần điều khiển phạm vi dự báo an Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Hình 2.1 (a) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo (b)... để sử dụng điều khiển dự báo (MPC) điều khiển nhiệt độ mơ hình Sau thời gian nghiên cứu, kết đạt điều khiển nhiệt độ lò phương pháp dùng điều khiển dự báo (MPC), từ đạt mục tiêu kiểm chứng lý