Tieu luan thiet ke he thong trong mien tan so

t ài li ệu tham kh ảo Lời nói đầu : Hiện xu hội nhập kinh tế giới nhu cầu tất yếu quốc gia Nền kinh tế thị trường cạnh tranh liệt, ngành công nghiệp luôn phải đại hóa để đáp ứng yêu cầu ngày cao người tiêu dùng Một đòi hỏi đặt với nhà sản xuất phải tìm cách đưa thị trường sản phẩm bền, đẹp, uy tín Chính địi hỏi nhà sản xuất phải trọng đến công tác sản xuất Mà vấn đề đầu tư trang thiết bị, dây chuyền sản xuất tự động để rút ngắn thời gian, tiết kiệm nhân lực nâng cao chất lượng sản phẩm Cũng thế, lĩnh vực kĩ thuật mà nói đội ngũ kĩ sư, cơng nhân phải nắm vững yêu cầu kĩ thuật, làm chủ công nghệ nên họ cần trang bị vững vàng lí thuyết thực hành Trong “ thiết kế hệ thống” lĩnh vực quan trọng kỹ thuật.Vì có nắm vững lý thuyết thiết kế tiết kiệm tối đa nguồn vốn đầu tư vào dây chuyền cơng nghệ tránh đầu tư lãng phí, hoạt động khơng hiệu đảm bảo dáp ứng đầy đủ tiêu chất lượng Vì vậy, chúng em chọn hướng làm đồ án “ Thiết kế hệ thống miền tần số” Chúng em xác định đề tài gần với thực tiễn công nghiệp Để “Thiết kế hệ thống miền tần số”, ta phải giải vấn đề sau : 1) Tìm hiểu chất trình (đối tượng điều khiểtn) để từ xác định tín hiệu vào thực đối tượng 2) Xây dựng mơ hình mơ tả đối tượng, mơ hình tốn học biểu diễn mối quan hệ tín hiệu vào-ra đối tượng 3) Phân tích hệ thống để chọn phương pháp thiết kế thích hợp 4) Xác định luật điều khiển tính tốn tham số luật điều khiển 5) Chọn thiết bị điều khiển viết chương trình điều khiển 6) Lắp đặt hệ thống, cài đặt chương trình điều khiển chỉnh đỉnh tham số điều khiển Nội dung đề cập đến đồ án phương pháp thiết kế sở hàm truyền đối tượng ứng dụng số phương pháp để điều khiển lị điện trở 2,3 KVA phịng thí nghiệm môn ĐKTĐ Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Xuân Minh thầy cô giáo môn Điều Khiển Tự Động – Khoa Điện nhiệt tình giúp đỡ chúng em để chúng em hồn thành đồ án t ài li ệu tham kh ảo Nhóm sinh viên Lê Văn Tảo Nội dung đồ án : CHƯƠNG : MƠ HÌNH HỐ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN…………………….4 1.1 Tại phải mơ hình hố đối tượng…………………………………………4 1.2 Các phương pháp mơ hình hố đối tượng điều khiển………………………4 1.2.1 Phương pháp lý thuyết……………………………………………………… 1.2.2 Phương pháp thực nghiệm chủ động…………………………………………7 1.3 Các tính chất mơ hình………………………………………………… 12 1.3.1 Điểm khơng điểm cực……………………………………………………12 1.3.2 Đặc tính pha cực tiểu……………………………………………………… 12 1.3.3 Bậc tương đối mơ hình………………………………………………….12 CHƯƠNG : PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TRONG MIỀN TẦN SỐ……… 13 2.1 Phát biểu toán điều khiển thiết kế … …………………………….13 2.1.1 Bài toán thiết kế………………………………………………………….13 2.1.2 Các bước thiết kế……………………………………………………… 15 2.2 Luật điều khiển PID…………………………………………………… 16 2.2.1 Luật tỷ lệ…………………………………………………………………17 2.2.2 Luật tích phân……………………………………………………………18 2.2.3 Luật vi phân…………………………………………………………… 18 2.2.4 Luật tỷ lệ -tích phân……………………………………………………19 2.2.5 Luật tỷ lệ- vi phân…………………………………………………… 19 t ài li ệu tham kh ảo 2.2.6 Luật tỷ lệ- vi phân- tích phân……………………………………………20 2.3 Các phương pháp thiết kế miền tần số……………………………… 21 2.3.1 Mục đích thiết kế……………………………………………………… 21 2.3.2 Phương pháp tối ưu module…………………………………………… 21 2.3.3 Phương pháp tối ưu đối xứng 31 2.3.4 Thiết kế điều khiển sở mơ hình nội (IMC Internal Model Control)…………………………………………………… 2.3.5 Thiết kế điều khiển sở dự báo Smith…………………… 67 2.4 Phương pháp chỉnh định thực nghiệm…………………………………… 2.4.1 Phương pháp Ziegler – Nichol………………45 2.4.2 Phương pháp Chien – Hroness – Reswick………………………………50 2.4.3 Phương pháp số thời gian tổng Kuhn…………………………… 54 CHƯƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ ĐIỆN TRỞ TRONG PHỊNG THÍ NHGIỆM………………………………………………………… 72 3.1 Mơ tả tốn học đối tượng lò điện trở……….………………………… 72 3.2 Lựa chọn phương pháp thiết kế cho đối tượng nhiệt xác định tham số, cấu trúc luật điều khiển 3.2.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế cho đối tượng nhiệt 3.2.2 Xác định tham số cấu trúc luật điều khiển 3.2.3 Mô kiểm chứng kết thiết kế miền Matlab_Simulink 3.3 Chọn thiết bị điều khiển 3.3.1 Sơ lược PLC S7-300 3.3.2 Điều khiẻn liên tục với FB41”CONT_C” 3.3.3 Khối hàm tạo xung FB43”PULSEGEN” 3.4 Cài đặt luật điều khiển u(t) 3.4.1 Khai báo cấu hình phần cứng 3.4.2 Cấu trúc điền khiển t ài li ệu tham kh ảo 3.4.3 Chương trình điều khiển lị điện trở 3.5 Kết 3.5.1 Đặc tính thu nhận xét 3.5.2 Một số lưu ý hệ thống điều khiển lò điện trở CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN CHƯƠNG : Mơ hình hóa đối tượng Đối tượng điều khiển động điện , lị nhiệt, hệ thống mức lưu lượng, áp suất bình…là thiết bị q trình cơng nghệ Trong thưc tế đối tượng điều khiển thường phi tuyến, để thuận lợi cho việc thiết kế thường xấp xỉ mơ hình đối tượng dạng tuyến tính 1.1 Tại phải mơ hình hố đối tượng ? Mơ hình hố đối tượng nhằm biếu diễn lại hiểu biết ta hệ thống cách khoa học từ ta phân tích, tổng hợp hệ thống Một mơ hình đối tượng phản ánh hệ thống thực từ góc nhìn đó, giúp ích cho việc nghiên cứu thiết kế Nó giúp ta hiểu rõ giới thực phát triển hệ thống mà không cần q trình hệ thống thiết bị thực Từ mơ hình đối tượng giúp ta lựa chọn phương pháp thiết kế cho phù hợp Mơ hình đối tượng điều khiển từ đối tượng thực khơng xác gặp sai số chấp nhận điều việc thiết kế cho hệ thống đảm bảo chất lượng đặt 1.2 Các phương pháp mơ hình hố đối tượng điều khiển : 1.2.1 Phương pháp lý thuyết : t ài li ệu tham kh ảo Là phương pháp thiết kế mơ hình dựa định luật cân chất Trên sở định luật cân chất, ta xây dựng mơ hình tốn học : - Mơ tả tốn học miền thời gian - Xây dựng mơ hình tốn học miền tần số - Xây dựng mơ hình tốn học khơng gian trạng thái Trong hệ thống điều khiển, muốn thiết kế điều khiển thoả mãn yêu cầu đề ta cần phải sử dụng đến cơng cụ toán học Muốn vậy, đối tượng cần điều khiển phải mơ tả mơ hình tốn học ♦ Mô tả quan hệ vào phương trình vi phân (mơ tả tốn học miền thời gian) n n−1 m m−1 d y d y d u d u dy a0 dt n + a1 dt n−1 + + an  dt + an y (t ) = b0 dt m + b1 dt m−1 + + bmu (t ) (1.1) u (t ) tín hiệu vào đối tượng y (t ) tín hiệu đối tượng Tuy nhiên, sử dụng trực tiếp phương trình vi phân để khảo sát phân tích hệ sau gặp nhiều khó khăn Do vây, người ta tìm cách biến đổi phương trình vi phân dạng đại số bình thường Từ đó, thay đạo hàm tốn tử Lapace, ta phương trình đại số mơ tả quan hệ vào có hàm truyền ảnh Laplace tín hiệu vào hay mơ hình khơng gian trạng thái Y ( s ) b0 s m  b1s m   bm W ( s)   n U ( s ) a0 s  a1s n    an ♦ Mơ hình hàm truyền : (1.2) ♦ Đặc tính tần số (thay s  jw ) : Y ( j ) b0 ( j ) m  b1 ( j ) m   bm W ( j )   U ( j ) a0 ( j ) n  a1 ( j ) n    an (1.3) ♦ Mô hình trạng thái  x  Ax  Bu   y Cx  Du (1.4) t ài li ệu tham kh ảo A  n * n  : Ma trận hệ thống B  n *1 : Ma trận điều khiển C  1* n  : Ma trận quan sát D  1*1  x1 (t )   x (t )  x (t )        xn (t )  : Vectơ trạng thái u (t ) : Tín hiệu điều khiển y (t ) : Tín hiệu Ví dụ : Xây dựng mơ hình tốn học cho động chiều kích từ độc lập U : Điện áp đặt vào phần ứng U kt : Điện áp kích từ n : tốc độ quay động M c : Mômen học tác động lên Roto - Đại lượng cần điều khiển : Tốc độ động n (đây thông số công nghệ) - Tác động điều khiển (đại lượng điều khiển) : Điện áp đặt vào phần ứng U (đây tác động công nghệ) - Xét điều kiện đại lượng cịn lại khơng đổi U kt const M c const R : Điện trở phần ứng động K1 , K hệ số tỷ lệ (coi K1 , K const ) L : Điện cảm phần ứng J : Mơ men qn tính tất phần quay đặt lên Roto động Đặt Tc  JR K1 K Tt  L R : số thời gian điện : số thời gian điện từ t ài li ệu tham kh ảo Tc Tt Ta có PT vi phân : (1.5) K d 2n dn  Tc  n K u (t ) dt dt K1 : hệ số truyền Đặt Ta có PT vi phân miền s : (Tc Tt s  Tc s  1).N ( s ) K U ( s ) (1.6) Ta có hàm truyền đéng c¬ : N ( s) K W ( s)   U ( s) Tc Tt s  Tc s  (1.7) Yêu cầu : Phải có thiết bị đo tốc độ Hình 1.1 Hàm truyền TBCB N ( s) K dl Y (s) Thiết bị chấp hành : Hình 1.2 Hàm truyền TBCH UW d (s) c U  Ta có đối tượng điều chỉnh : Ud Wc ( s ) K Tc Tt s  Tc s  U (s) KNdl Hình 1.3 Hàm truyền đối tượng điều khiển Y (s) t ài li ệu tham kh ảo Vậy hàm truyền đối tượng điều chỉnh : Wd ( s) Wc ( s ) K K dl Tc Tt s  Tc s  (1.4) Nhận xét : + Ưu điểm : Cho ta hiểu sâu sắc quan hệ bên trình liên quan trực tiếp đến tượng vật lý, hố học Cấu trúc mơ hình thể rõ qua phương trình vi phân phương trình đại số mơ hình (khuếch đại, tích phân, vi phân, trễ) biểu diễn trực quan sơ đồ khối + Nhược điểm : Phụ thuộc vào mức độ chi tiết mơ hình Thực tế ta khó xây dựng mơ hình lý thuyết phản ánh xác động học q trình Việc xác định thơng số mơ hình khó xác cỏc tham phụ thuộc vào nhà chế tạo Để xác định mô hình tơng đối xác khắ phục cacs nhợc điểm phơng pháp lý thut ta sư dơng phương pháp thực nghiệm 1.2.2 Phương pháp thực nghiệm chủ động : Được sử dụng hiểu biết quy luật giao tiếp bên hệ thống mối quan hệ hệ thống với mơi trường bên ngồi khơng đầy đủ để xây dựng mơ hình hồn chỉnh từ cho biết thơng tin ban đầu để khoanh vùng lớp mơ hình thích hợp Để từ hồn thiện nốt việc xây dựng mơ hình hệ thống cách tìm mơ hình thích hợp cho hệ thống sở quan sát tín hiệu vào cho sai lệch với hệ thống so với mơ hình khác nhỏ u (t ) y (t ) ĐTĐK u (t ) y (t ) xác định từ thực nghiệm Khi có trước u (t )  xác định y (t ) x lý liệu ( loại bỏ nhiễu )  đánh giá liệu đề xuất mơ hình  ước lượng tham số, nhận dạng tham số  đánh giá mơ hình dựa sai lệch thực tế mơ hình Nếu sai lệch lớn so với cho phép, ta phải quay lại đánh giá đề xuất mơ hình Cịn sai số cho phép chấp nhận mơ hình chấp nhận Hình 1.4 Hàm truyền đối tượng điều khiển t ài li ệu tham kh ảo Đây phương pháp thực nghiệm có ưu điểm từ đáp ứng đầu ta chọn mơ hình đối tượng tương đối đơn giản Chọn đầu vào u (t ) 1(t ) ghi li đáp ứng u l hàm độ h(t ) Chọn đầu vào u (t ) t.1(t ) ghi lại đầu y (t ) Nhận xét : + Ưu điểm : Tương đối xác xác định thơng số cấu trúc mơ hình biết trước Hơn hỗ trợ mạnh phần mềm + Nhược điểm : Trong thực tế gặp khó khăn tiến hành xác định thông số thực nghiệm điều kiện ràng buộc biến trình, ảnh hưởng nhiễu Do : Phương pháp mơ hình hố tốt kết hợp phân tích lý thuyết thực nghiệm chủ động Việc phận tích lý thuyết để tìm cấu trúc mơ hình tạo sở cho việc địng hướng, lựa chọn kiểu điều khiển Bước thực nghiệm tổng hợp điều khiển mô sơ nhằm đánh giá chất lượng điều khiển trước đưa vào thực tế Phân loại mơ hình Có loại : - Mơ hình đối tượng có tính tự cân - Mơ hình đối tượng khơng có tính tự cân a) Mơ hình đối tượng có tính tự cân : - Là đối tượng mà xuất giá trị nhiễu đánh bật hệ khỏi điểm cân hệ vận động trở trạng thái cân mà khơng cần có tác động điều khiển (tác động bên ngồi) Điều kiện để tín hiệu tự cân phải có hồi tiếp âm Ví dụ cho loại mơ hình đối tượng có tính tự cân khâu quán tính bậc khâu quán tính bậc hai * Khâu quán tính bậc : K G ( s)   Ts với K , T  - Khâu qn tính bậc có hàm truyền : t ài li ệu tham kh ảo Trong K gọi hệ số khuếch đại T số thời gian  t T Khâu qn tính bậc có hàm q độ h(t ) K (1  e ) với ảnh G(s) H (s)  s Lapace h(t ) A K 0.632K t T Hình 1.5 Đặc tính q độ khâu qn tính bậc - Xác định K , T hàm truyền đạt từ đồ thị h(t ) Ta kẻ tiếp tuyến với h(t ) điểm gọi góc đường tiếp tuyến  Khi ta có : tan  lim s.G (s)= lim s  Khi t   : s  Ks K   Ts T K K s   Ts lim h(t ) lim sH ( s) lim G ( s ) lim t  s s