Nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt độ theo thuật toán pid với các cảm biến công nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TỐN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công ngh ệ kỹ thuật Cơ điện tử Hà N ội – 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CƠNG NGHIỆP Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 8520114.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công ngh ệ kỹ thuật Cơ điện tử NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng Hà N ội – 2019 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TỐN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CƠNG NGHIỆP Trần Thị Thu Trang Khóa QH-2016-I, ngành Cơng ngh ệ Kỹ thuật Cơ điện tử Tóm t luận văn thạc sĩ Ngày nay, b ộ điều khiển PID đóng vai trò quan trọng sử dụng rộng rãi h ệ thống điều khiển công nghi ệp, đặc biệt điều khiển phản hồi.Mơ –đun kiểm sốt nhi ệt độ chất lỏng RYC-TAG hãng EDIBON thiết kế b ộ điều khiển PID cho phép người dùng đo đạc nhiệt độ chất lỏng, điều khiển hoạt động mô– đun thông qua ph ần mềm RYC Để tính tốn thơng s ố 𝐾𝑃, 𝑇𝐼, 𝑇𝐷 điều khiển PID đưa vào hệ thống để tiến hành điều khiển, luận văn sử dụng phần mềm Matlab Luận văn tập trung nghiên c ứu, xây d ựng điều khiển PID điều khiển nhiệt độ chất lỏng Việc đo đạc nhiệt độ vàtính tốn thơng s ố dựa m ột số tài li ệu cung cấp từ nhà sản xuất quátrình th ực nghiệm, từ kiểm chứng độ xác c thiết bị đo tác dụng điều khiển PID trình điều khiển nhiệt độ Từ khóa : RYC-TAG, MATLAB, RYC Software, PID LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu xây d ựng mơ hình đo điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID v ới c ảm biến cơng nghi ệp” hồn thành hướng dẫn thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng Các n ội dung nghiên c ứu, kết đề tài làtrung th ực chưa công bố hình th ức trước Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2019 Sinh viên th ực Trần Thị Thu Trang LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành lu ận văn này, em xin bày tỏ lòng bi ết ơn đến thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng người hướng dẫn, bảo vàt ạo điều kiện tốt cho em suốt quátrình th ực luận văn thạc sĩ, giúp em hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới th ầy khoa Cơ học kỹ thuật & Tự động hóa, trường Đại học Công ngh ệ, Đại học Quốc Gia Hà N ội tận tình giúp đỡ, cung cấp cho em kiến thức quý giá t ạo điều kiện cho em suốt trình h ọc tập trường Mặc dù cố gắng song luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy tồn th ể bạn bè đóng góp ý ki ến để luận văn hồn thi ện Em xin kính chúc th ầy s ức khỏe, thành công công vi ệc đào tạo hệ tri thức tương lai Em xin chân thành c ảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2019 Sinh viên th ực Trần Thị Thu Trang MỤC LỤC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH V Ẽ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT PID 12 1.1 Khái quát b ộ điều khiển PID 12 1.1.1 1.1.1.1 Hoạt động tỷ lệ 12 1.1.1.2 Đáp ứng hệ thống theo điều khiển tỷ lệ 15 1.1.1.3 Các ứng dụng điều khiển theo tỷ lệ 19 1.1.2 Điều khiển tích phân 22 1.1.2.1 Điều khiển thả 22 1.1.2.2 Hoạt động tích phân 22 1.1.2.3 Đáp ứng hệ thống điều khiển tích phân 23 1.1.2.4 Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân 24 1.1.2.5 Đáp ứng hệ thống điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân 26 1.1.3 1.2 Điều khiển tỷ lệ 12 Điều khiển vi phân 29 1.1.3.1 Hoạt động vi phân 29 1.1.3.2 Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân 30 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID 33 1.2.1 Phương pháp Ziegler – Nichols 33 1.2.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 35 1.2.3 Phương pháp lấy giátr ị phần mềm 37 1.3 Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển 37 1.3.1 Sai số xác l ập 37 1.3.2 Đáp ứng độ 38 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT MƠ HÌNH VÀ NGUN LÝ HO ẠT ĐỘNG HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ NƯỚC 40 2.1 Cấu tạo vànguyên lý ho ạt động thiết bị điều khiển nhiệt độ RYC-TAG 40 2.1.1 Cấu tạo 40 2.1.2 Nguyên lý ho ạt động 42 2.2 Mô–đun RYC 44 2.3 Phần mềm RYC 48 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH ĐO ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƯỚC 50 3.1 Mục tiêu nghiên c ứu 50 3.2 Mô–đun RYC 50 3.2.1 Đáp ứng hệ thống bậc miền thời gian 50 3.2.2 Cấu trúc b ộ điều khiển PID 53 3.2.3 Điều khiển PID hệ thống bậc 58 3.3 Mô–đun RYC-TAG 60 3.3.1 Mơ hình tốn h ọc hệ thống trao đổi nhiệt 60 3.3.2 Xác định đặc tính mơ –đun điều khiển nhiệt độ dịng ch ất lỏng 63 3.3.3 Mô ph ỏng Matlab 65 3.3.3.1 Giới thiệu phần mềm Matlab 65 3.3.3.2 Sơ đồ mô ph ỏng 67 3.3.3.3 3.3.4 Mô ph ỏng với giátr ị 𝑲𝑷, 𝑻𝑰, 𝑻𝑫 68 Điều khiển nhiệt độ dịng ch ảy mơ–đun RYC-TAG PID 70 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân MATLAB MATrix LABoratory Phần mềm lập trình vàtính tốn B.P BandPass Dải GUI Graphical User Interface Giao diện đồ họa người dùng CPU Central Processing Unit Bộ vi xử lý trung tâm ST Sensor Temperature Cảm biến nhiệt độ AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LAG/LEAD Hệ thống bù Cold Fluid Dòng nước lạnh Hot Fluid Dịng nước nóng 𝐾𝑃 Hệ số tỷ lệ 𝑇𝐼 Hệ số tích phân 𝑇𝐷 Hệ số vi phân IN Đầu vào OUT Đầu A Khu vực trao đổi nhiệt 𝐶𝑝,𝑐 Nhiệt dung riêng ch ất lỏng lạnh 𝐶𝑝,𝐻 Nhiệt dung riêng ch ất lỏng nóng 𝐹𝑐 Tốc độ dòng ch ảy chất lỏng lạnh 𝐹𝐻 Tốc độ dịng ch ảy chất lỏng nóng 𝑚̇𝑐 Khối lượng chất lỏng lạnh 𝑚̇𝐻 Khối lượng chất lỏng nóng 𝑇𝑐 Nhiệt độ đầu chất lỏng lạnh 𝑇𝑐0 Nhiệt độ đầu vào ch ất lỏng lạnh 𝑇𝐻 Nhiệt độ đầu chất lỏng nóng 𝑇𝐻0 Nhiệt độ đầu vào ch ất lỏng nóng U Hệ số truyền nhiệt DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Các tham s ố PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ 34 Các tham s ố PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai 35 Các tham s ố PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 36 Các tham s ố PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 36 Các tham s ố PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 36 Các tham s ố PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 37 DANH MỤC CÁC HÌNH V Ẽ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Điều khiển theo tỷ lệ 12 Hình 1.2 Thay đổi độ nghiêng đường hoạt động điều khiển theo tỷ lệ 13 Hình 1.3 S ự biến thiên c dải tỷ lệ 14 Hình 1.4 Đáp ứng điều khiển theo tỷ lệ 15 Hình 1.5 Điều khiển tự động nhiệt độ đầu chất lỏng trao đổi nhiệt[10, pp.28] 15 Hình 1.6 Đường tải quátrình 16 Hình 1.7 Các điều kiện hoạt động hệ thống theo số liệu thiết kế 16 Hình 1.8 H ệ thống điều khiển theo tỷ lệ 17 Hình 1.9 S ự biến thiên t ải trình 18 Hình 1.10 Điều chỉnh thủ cơng biến thiên t ải 18 Hình 1.11 Chuy ển dịch pha biến vàho ạt động hiệu chỉnh 20 Hình 1.12 H ệ thống điều khiển với độ trễ động học đáng kể 20 Hình 1.13 Đồ thị dao động biến điều khiển 21 Hình 1.14 Đáp ứng điều khiển tích phân 23 Hình 1.15 Đáp ứng qtrình b ằng điều khiển tích phân 24 Hình 1.16 Đáp ứng điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân 25 Hình 1.17 Đáp ứng quátrình v ới điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân 27 Hình 1.18 Tác động tỷ lệ đặt lại đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ kết hợp tcíh phân 28 Hình 1.19 Tác động biên độ dải tỷ lệ đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ + tcíh phân 28 Hình 1.20 Đáp ứng điều khiển vi phân 30 Hình 1.21 S ự đáp ứng điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân 31 Hình 1.22 Th ời gian tỷ lệ 32 Hình 1.23 Tác động hoạt động vi phân 33 Hình 1.24 Đáp ứng nấc hệ hở có d ạng S 34 Hình 1.25 Xác định số khuyếch đại tới hạn 34 Hình 1.26 Đáp ứng nấc hệ kín k= 𝑘𝑡ℎ 35 Hình 1.27 Đáp ứng nấc hệ thích h ợp theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick .35 Hình 1.28 H ệ thống hồi tiếp âm 37 Hình 1.29 Sai s ố xác l ập 38 Hình 1.30 Hi ện tượng vọt lố 38 Hình 1.31 Độ vọt lố 38 Hình 1.32 Th ời gian độ 39 Hình 1.33 Th ời gian lên 39 Hình 2.1 Mơ –đun RYC-TAG [12, pp.2] 40 Hình 2.2 Mơ –đun kiểm sốt nhi ệt độ chất lỏng 41 Hình 2.3 C ấu tạo hộp giao diện điều khiển 42 Hình 2.4 Mơ hình dịng trao đổi nhiệt 43 Hình 2.5 Mô –đun RYC [11, pp.2] 44 Hình 2.6 Mơ –đun tín hiệu tham chiếu 45 Hình 2.7 Mô –đun điều khiển PID vàLAG/LEAD 46 Hình 2.8 Mơ –đun hệ thống bậc 46 60 - 𝐾𝑐= 1, 𝑇𝐼 = 10𝑚̇𝑠 Hình 3.1 Phản ứng hệ thống bậc dùng PID với 𝐾𝑐= 1,𝑇𝐼 = 1𝑚̇𝑠 - 𝐾𝑐= 1, 𝑇𝐼 = 10𝑚̇𝑠, 𝑇𝐷 = 0𝑚̇𝑠 Hình 20 Phản ứng hệ thống bậc dùng PID v ới 𝐾𝑐= 1,𝑇𝐼 = 10𝑚̇𝑠, 𝑇𝐷 = 0𝑚̇𝑠 - 3.3 Nhận xét:  Đường tín hi ệu màu đen tín hiệu đầu vào hình vng có biên độ 5V, tần số 5Hz  Đường tín hi ệu màu đỏ làtín hi ệu đầu hệ thống bậc  Quan sát tham s ố tích phân 𝑇𝐼 làm gi ảm lỗi chế độ ổn định làm tăng tính khơng ổn định cho hệ thống (vượt nhẹ) Giátr ị 𝑇𝐼 tăng thấy độ vọt giảm Mô–đun RYC-TAG 3.3.1 Mơ hình tốn h ọc hệ thống trao đổi nhiệt Mơ–đun điều khiển nhiệt độ dịng ch ảy nước gồm hai hệ thống: hệ thống máy bơm hệ thống trao đổi nhiệt Hình 3.21 giải thích v ề mơ hình b ộ trao đổi nhiệt 61 Hình 3.21 Hệ thống trao đổi nhiệt Sự cân b ằng lượng chất lỏng trao đổi nhiệt xác định theo phương trình (3.1): 𝑚̇ 𝑐𝑝 𝑑𝑇(𝑡) = F 𝑐𝑝 ∆𝑇 ± 𝑞 (3.1) 𝑑𝑡 𝑞 = 𝑈.𝐴.∆𝑇𝑙𝑚̇ (3.2) Áp dụng phương trình (3.1) và( 3.2) cho chất lỏng nóng vàl ạnh, kết là: 𝑚̇𝑐 𝑐𝑝,𝑐 𝑑𝑇𝑐(𝑡) = 𝐹𝑐(𝑡) 𝑐𝑝,𝑐 (𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐(t)) + 𝑈.𝐴.∆𝑇𝑙𝑚̇(𝑡) (3.3) 𝑑𝑡 𝑚̇𝐻 𝑐𝑝,𝐻 𝑑𝑇𝐻(𝑡) = 𝐹𝐻 (𝑡) 𝑐𝑝,𝐻 (𝑇𝐻0 − 𝑇𝐻 (𝑡))– 𝑈.𝐴.∆𝑇𝑙𝑚̇ (𝑡) (3.4) 𝑑𝑡 Lưu ý dấu 𝑞 phụ thuộc chất lỏng thu nhiệt hay tỏa nhiệt Hằng số vàcác bi ến định nghĩa sau: ∆𝑇𝑙𝑚̇ [K]: hiệu số truyền nhiệt Nó tính theo công th ức (3.5): ∆𝑇𝑙𝑚̇ = (𝑇𝐻0−𝑇𝑐)−(𝑇𝐻−𝑇𝑐0) 𝑇 (3.5) −𝑇𝑐) 𝑐0 𝐻 ln( 𝑇𝐻0−𝑇 ) Mặt khác làhi ệu số nhiệt độ nên có th ể viết: ∆𝑇𝑙𝑚̇ = 𝑇𝐻0+𝑇𝐻 − 𝑇𝑐0+𝑇𝑐 = 𝑇𝐻0+𝑇𝐻−𝑇𝑐0−𝑇𝑐 A [𝑚̇2]: Diện tích khu v ực trao đổi nhiệt 𝐶𝑝,𝑐 [ 𝐽 𝐾𝑔.𝐾 𝐽 ]: Nhiệt dung riêng ch ất lỏng lạnh 𝑐𝑝,𝐻 [ 𝐾𝑔.𝐾 ]: Nhiệt dung riêng ch ất lỏng nóng (3.6) 62 𝐹𝑐 [𝐾𝑔]: Tốc độ dịng ch ảy chất lỏng lạnh 𝑠 𝐹𝐻 [𝐾𝑔]: Tốc độ dòng ch ảy chất lỏng nóng 𝑠 𝑚̇𝑐 [Kg]: Khối lượng chất lỏng lạnh ống 𝑚̇𝐻 [Kg]: Khối lượng chất lỏng nóng ống 𝑇𝑐 [K]: Nhiệt độ đầu chất lỏng lạnh 𝑇𝑐0 [K]: Nhiệt độ đầu vào ch ất lỏng lạnh 𝑇𝐻 [K]: Nhiệt độ đầu chất lỏng nóng 𝑇𝐻0 [K]: Nhiệt độ đầu vào ch ất lỏng nóng 𝑈[ 𝑊 𝑚̇ 𝐾 ]: Hệ số truyền nhiệt khu vực A Thay ∆𝑇𝑙𝑚̇ vào phương trình chất lỏng lạnh (3.3), ta phương trình: 𝑚̇𝑐 𝑐𝑝,𝑐 𝑑𝑇𝑐 = 𝐹𝑐(𝑡).𝑐𝑝,𝑐 (𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐(𝑡)) + 𝑈 𝐴 (𝑇𝐻0 + 𝑇𝐻 − 𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐) 𝑑𝑡 Phương trình (3.7) khơng ến tính, ến tính phương trình (3.8): 𝑚̇ 𝑐 𝑑̅𝑇̅𝑐 (𝑇 − 𝑇 𝑠 )𝐹̅− 𝐹 𝑠 𝑐 𝑇̅− 𝑈𝐴 𝑇̅+ 𝑈𝐴 ̅𝑇 = 𝑐 𝑝,𝑐 𝑐0 𝑐 𝑐 𝑐 𝑝,𝑐 𝑐 𝑐 𝑝,𝑐 𝑐 𝐻 (3.7) 𝑑𝑡 (3.8) “s” giátr ị thông s ố đạt tới trạng thái ổn định Sử dụng phép bi ến đổi Laplace, phương trình viết dạng: 𝑇𝑐 = 𝑐𝑝,𝑐(𝑇𝑐0−𝑇𝑐𝑠) 𝑈𝐴 𝐹𝑐 𝑚̇𝑐.𝑐𝑝,𝑐 𝑠+ 𝐹𝑠.𝑐𝑝,𝑐+ 𝑐 + 𝑈𝐴 𝑚̇𝑐 𝑐𝑝,𝑐 𝑠+ 𝐹 𝑠.𝑐𝑝,𝑐+ 2 𝑐 𝑈𝐴 𝑇𝐻 (3.9) Hệ thống cấu tạo hai hàm truy ền: đầu vào Tuy nhiên, xem xét 𝐹𝑐 biến vìv ậy hàm truy ền có liên quan nhi ệt độ chất lỏng nóng nhiệt độ chất lỏng lạnh 𝑇 (𝑠) 𝐺1 = 𝑐 = 𝑇𝐻(𝑠) 𝑈𝐴 𝑈𝐴 𝑠 𝐹 𝑐 𝑝,𝑐 + 𝑐 𝑚̇ 𝑐 𝑐 𝑝,𝑐 𝑈𝐴 𝑠+1 𝐹 𝑠.𝑐 𝑝,𝑐 + 𝑐 𝑘 = 𝑐1𝑠+1 (3.10) Đối với phương trình chất lỏng nóng ch ỉ cần thay nhiệt độ chất lỏng lạnh cách s dụng phương trình: 𝑄 = 𝐹𝐻(𝑇𝐻0 − 𝑇𝐻) = 2𝑈𝐴(𝑇𝐻0 + 𝑇𝐻 − 𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐) (3.11) Phương trình kết phụ thuộc hai tham biến: 𝑇𝑐 𝐹𝐻 Áp dụng phép bi ến đổi Laplace vào phương trình tuyến tính phương trình liên quan nhiệt độ chất lỏng nóng v ới tốc độ dịng ch ảy chất lỏng nóng: 63 𝑇𝐻0−𝑇𝑠 𝐹𝑠 𝐻 𝑇 (𝑠) 𝐺2 = 𝐻 = 𝐹𝐻(𝑠) 𝐻 2𝑚̇𝐻 𝑐𝑝,𝐻 𝐹 𝑠𝐻 (𝐶𝑝,𝐻 +1) = 𝑠+1 𝑘 (3.12) 𝑐2𝑠+1 Vìv ậy, hàm truy ền liên quan nhi ệt độ chất lỏng lạnh với tốc độ dòng ch ất lỏng nóng là: 𝐺(𝑠) = 𝐺 1(𝑠) 𝐺 2(𝑠) = 𝑘1.𝑘2 (𝑐1𝑠+1)(𝑐2𝑠+1) (3.13) 3.3.2 Xác định đặc tính mơ –đun điều khiển nhiệt độ dịng ch ất lỏng Xem xét tính truyền hệ thống hoàn ch ỉnh Hệ thống gồm hai dịng nước: dịng nước lạnh nóng lên nh trao đổi nhiệt, nhiệt độ đo lối Hệ thống có dịng nước nóng b ao gồm bể chứa với phận làm nóng máy bơm Trước thiết kế điều khiển hệ thống, c ần mơ hình tốn h ọc đại diện cho hệ thống Mơ–đun điều khiển nhiệt độ dịng ch ảy nước gồm hai hệ thống con: hệ thống bơm nước h ệ thống trao đổi nhiệt Mơ hình tốn h ọc máy bơm hệ thống bậc Mô hình b ộ trao đổi nhiệt tạo thành b ởi hàm truy ền bậc Vìv ậy, nhân hai động lực học s ẽ có mơ hình tốn h ọc hồn ch ỉnh dịng chảy nước mơ–đun kiểm sốt nhi ệt độ điều khiển tốc độ dịng ch ảy: Hình 22 Sơ đồ khối đặc tính RYC -TAG Hệ thống tạo thành b ởi ba hàm b ậc Để đơn giản hóa h ệ thống, có th ể coi hệ thống bậc với số sau: 𝐾𝑇 = 𝐾 𝐾1 𝐾2 𝑑 (3.14) 𝑇𝑇 = 𝑇 + 𝑇1 + 𝑇2 (3.15) 64 Do đó, hệ thống thiết kế làh ệ thống bậc nhất: Hình 3.23 Sơ đồ khối đơn giản RYC-TAG Các y ếu tố cần thiết - Mô–đun tín hiệu tham khảo Mơ–đun kiểm sốt nhi ệt độ dòng nước (RYC-TAG) Phương pháp thực - Thực kết nối mơ–đun hình 3.24, đảm bảo mức nước bể chứa ngưỡng cho phép, lưu lượng nước khoảng lít/phút Hình 24 Kết nối th ực hành đặc tính mơ –đun kiểm sốt dịng ch ất lỏng [12, pp.20] - - Bật phận làm nóng vàb ật bơm, chờ nhiệt độ nước bể ST-1đạt 50℃ Thiết lập tín hi ệu bước theo thơng s ố:  Biên độ: 3V  Tần số: 0Hz Kết thực nghiệm: 65 Hình 3.25 Ph ản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng ch ất lỏng tần số 5Hz - - - Quan sát cách van điện tử tỷ lệ cho phép nước chảy qua trao đổi nhiệt, nhiệt độ nước đầu ST-2 tăng Giá tr ị K thu s ự chênh l ệch nhiệt độ cuối đầu ST-2 biên độ tín hi ệu đầu vào Thông s ố T làth ời gian cần thiết để đạt khoảng 63% giátr ị cuối Nhi ệt độ cuối có th ể coi lànhi ệt độ xung quanh giátr ị cuối Khi thiết lập thông s ố tín hi ệu trên, quan sát thấy van điện tử cho dịng nước nóng ch ảy qua mạnh liên t ục Khi thay đổi tần số van điện tử dịng nước chảy ngắt qng Vìv ậy, tốc độ lưu lượng dịng nước nóng chảy qua van điện tử hoạt động tỷ lệ điện áp đầu vào Độ mở van điện tử l ớn tương ứng điện áp đầu vào l ớn, lưu lượng dòng ch ảy nước nóng tăng Nhiệt độ nước đầu ST-2 tăng điện áp c ấp vào h ệ thống tăng Thơng qua q trình th ực nghiệm, thu hàm truy ền tương ứng T=11ms, K=1 𝐻(𝑠) = 1+0.011𝑠 (3.16) 3.3.3 Mô ph ỏng Matlab 3.3.3.1 Giới thiệu phần mềm Matlab Matlab m ột ngôn ng ữ lập trình th ực hành b ậc cao sử dụng để giải toán v ề kỹ thuật Matlab tích h ợp việc tính tốn, th ể kết quả, cho phép l ập trình, giao di ện làm vi ệc dễ dàng cho người sử dụng Dữ liệu với thư viện lập trình s ẵn cho phép người sử dụng có th ể có ứng dụng dưới: - Sử dụng hàm có s ẵn thư viện, phép tính tố n học thơng thường Cho phép l ập trình t ạo ứng dụng Cho phép mô ph ỏng mơ hình th ực tế Phân tích, kh ảo sát vàhi ển thị liệu 66 - Phần mềm đồ họa mạnh Cho phép giao ti ếp, phát tri ển với số phần mềm khác C++, Fotran Hình 3.26 Giao diện Matlab Matlab m ột hệ thống tương giao, cốt lõi c phần mềm d ữ liệu lưu dạng mảng phép tính tốn ma tr ận, giúp vi ệc tính tốn Matlab nhanh thuận tiện so với lập trình C hay Fortran Đặc biệt, khả tính tốn Matlab có th ể dễ dàng m rộng thông qua b ộ toolbox Toolbox làt ập hợp hàm Matlab (M file) giúp gi ải toán c ụ thể Người thiết kế viết code (tính tốn, mơ phỏng,…) cách ch ọn New  File  M-file Một cửa sổ lệnh ta sau lưu dạng *.m Simulink ph ần mềm gói g ọn sử dụng xây d ựng mơ hình, mơ ph ỏng tính tốn h ệ thống tự động Simulink cho phép mơ t ả hệ thống tuyến tính, phi ến, mơ hình th ời gian gián đoạn liên t ục kết hợp hai Mơ hình Simulink cung cấp giao diện đồ hoạ (GUI) cho việc xây d ựng mơ khối (block), người dùng kéo th ả 67 Hình 3.27 Giao di ện Simulink Matlab cung cấp công c ụ tự động lựa chọn giá tr ị điều khiển PID Người dùng có th ể truy cập vào thu ật toán điều chỉnh trực tiếp sử dụng pidtune thông qua giao di ện người dùng đồ họa (GUI) cách s dụng pidTuner Thuật toán lựa chọn tự động giátr ị PID Matlab để cân b ằng hiệu suất (thời gian đáp ứng, biên độ) độ bền (mức độ ổn định) Câu l ệnh: pidtune(P,’pid’) 3.3.3.2 Sơ đồ mô ph ỏng Sơ đồ mô ph ỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng ch ảy mơ–đun RYC-TAG Hình 3.28 Sơ đồ mơ ph ỏng mơ–đun RYC-TAG 68 3.3.3.3 Mô ph ỏng với giá tr ị 𝑲𝑷, 𝑻𝑰, 𝑻𝑫 Tiến hành tính 𝐾𝑃, 𝐾𝐼, 𝐾𝐷 cách s dụng phần mềm Matlab với câu l ệnh pidtune Hình 3.29 Tính tốn thơng s ố PID Matlab Sau tính tốn thu kết quả: 𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = Kết đáp ứng tín hi ệu đầu so với tín hi ệu đặt trước cơng c ụ Simulink Hình 3.30 Tune PIDvới𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = 69 Hình 3.3 Thơng s ố chất lượngvới 𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = Màn hình Scope: Hình 3.3 Đáp ứng đầu với 𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = Nhận xét: th đồ thị đáp ứng đầu bị vọt lố so với tín hi ệu đầu vào 70 Có: 𝑇= 𝐼 𝐾𝑃 𝐾𝐼 = 1.43 = 𝑚̇𝑠 236 𝐾𝐶 = 𝐾𝑃 = 1.43 Do đó, thơng s ố thu theo mơ ph ỏng phần mềm Matlab: 𝐾𝑃 = 1.43 𝑇𝐼 = 𝑚̇𝑠 𝑇𝐷 = 𝑚̇𝑠 Chỉnh tay giá tr ị thông s ố P, I, D th nghiệm MatLab thu 𝐾𝑃 = 10, 𝐾𝐼 = 333, 𝐾𝐷 = cho kết phù h ợp nhất; tương ứng giátr ị: 𝑇𝐼 = 𝐾𝑃 10 = 30 𝑚̇𝑠 = 𝐾𝐼 333 𝐾𝐶 = 𝐾𝑃 = 10 Màn hình Scope tương ứng: Hình 3.3 Đáp ứng đầu với 𝐾𝑃 = 10, 𝐾𝐼 = 333, 𝐾𝐷 = 3.3.4 Điều khiển nhiệt độ dòng ch ảy mô–đun RYC-TAG PID Mục tiêu Bài th ực hành s ẽ thiết kế điều khiển để thực kiểm sốt nước thơng qua kiểm sốt dịng ch ảy Các y ếu tố cần thiết - Mơ–đun tín hiệu tham khảo 71 - Mô–đun điều khiển PID Mơ–đun kiểm sốt nhi ệt độ dịng nước (RYC-TAG) Phương pháp thực - Kết nối mô –đun hình 3.34 Hình 34 Mơ–đun điều khiển dịng nước với điều khiển PID [12, pp.22] - - Bật phận làm nóng bơm Chờ nhiệt độ cảm biến ST-1 đạt 50℃ Thiết lập thơng s ố tín hi ệu bước  Biên độ: 3V  Tần số: 0Hz 𝐾𝑐 = 2.5, 𝑇𝐼 = 𝑚̇𝑠, 𝑇𝐷 = 𝑚̇𝑠 Hình 3.3 Đồ thị (1) phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ nước Quan sát thấy hình 3.3 thấy có hi ện tượng vọt đầu Hình 3.3 cho thấy tăng 𝑇𝐼 thấy tượng vọt đầu giảm sai số tăng 72 Hình 3.3 Đồ thị (2) phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ nước 𝑇𝐼 tăng dẫn đến hệ thống phản ứng tính ổn định đầu bước tín hi ệu hình 3.34 Hình 3.3 Đồ thị (3) phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ nước - Quátrình th ực nghiệm thu được: 𝐾𝑃 = 10, 𝑇𝐼 = 30 𝑚̇𝑠, 𝑇𝐷 = 𝑚̇𝑠 Hình 3.3 Đồ thị (4) phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ nước Từ hình 3.3 thấy tín hi ệu phản hồi bám sát tín hi ệu điều khiển, độ ổn định cao hơn, giảm độ vọt lố Trong trình th ực nghiệm thấy tín hi ệu thu từ cảm biến nhiệt độ, thơng s ố thu qua phần mềm có độ trễ, kết thực nghiệm thu thực tế có s ự sai khác M ặt khác, việc quan sát, đo đạc trình th ực nghiệm ảnh hưởng tác động bên nên k ết thu chưa hoàn toàn lý tưởng 73 KẾT LUẬN Mục tiêu c hệ thống điều khiển lànâng cao ch ất lượng hệ thống điều khiển tự động Trên th ực tế có r ất nhiều đối tượng cần điều khiển khơng có đủ tham s ố cần thiết, vìv ậy việc thiết kế b ộ điều khiển kinh điển gặp nhiều khó khăn Luận văn tr ọng nghiên c ứu xây d ựng mơ hình đo điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với c ảm biến công nghi ệp Với kết thu từ mơ ph ỏng q trình th ực nghiệm, luận văn có đóng góp:  Luận văn nghiên cứu xây d ựng mô ph ỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ nước, hoạt động theo lý thuyết đề  Với điều khiển luận văn xây dựng, thông s ố chất lượng điều chỉnh: sai lệch, độ điều chỉnh, thời gian độ tương đối ổn Như vậy, điều khiển nghiên c ứu luận văn đáp ứng yêu c ầu chất lượng điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ  Luận văn giải vấn đề đặt ra.Tuy nhiên m ột số hạn chế kiến thức chuyên sâu lĩnh vực điều khiển PID, kinh nghiệm sử dụng PID giới hạn mặt thời gian nên k ết dừng lại việc đánh giá phù hợp lý thuyết Trong tương lai, hướng nghiên c ứu có th ể mở rộng hơn: điều khiển nhiệt độ lò nung, điều khiển PH, điều khiển tốc độ hệ thống 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab&Simulink, Nhà xu ất khoa học k ỹ thuật, Hà N ội, tr.6-65 Nguyễn Đình Thúc (2000), Trítu ệ nhân t ạo – Mạng nơron – Phương pháp ứng dụng, Nhàxu ất giáo d ục, tr.16-38 Đặng Thế Ba (chủ biên), Đinh Trần Hiệp, Matlab ứng dụng kỹ thuật, Nhàxu ất đại học Quốc gia Nguyễn Thị Phương Hà – Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuy ết điều khiển tự động, NXB ĐHQGTPHCM, tr.156-157 http://www.dientuvietnam.net/forums/forum/ http://webdien.com/ https://codientu.org/threads/ https://www.youtube.com/ https://tailieu.vn Tiếng Anh 10 Elettronica Veneta, PID Control, Volume 1/2 Theory, Teacher/Student Handbook, Elettronica Veneta 11 Edibon, RYCPractical Exercises Manual, Edibon 12 Edibon, RYC-TAGPractical Exercises Manual, Edibon ... HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TỐN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CƠNG NGHIỆP Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật. .. Ngành: Công ngh ệ kỹ thuật Cơ điện tử NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng Hà N ội – 2019 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN... Cảm biến nhiệt độ nước nóng (ST -1): đo nhiệt độ nước nóng đầu vào trao đổi nhiệt - Cảm biến nhiệt độ nước lạnh (ST-2): đo nhiệt độ nước lối thoát nước lạnh Nó sử dụng điều khiển điều chỉnh nhiệt