ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THẾ ANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ CÓ THAM SỐ PHÂN BỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THẾ ANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ CÓ THAM SỐ PHÂN BỐ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Hữu Công THÁI NGUYÊN – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thế Anh Sinh ngày 18 tháng 08 năm 1980 Học viên cao học khóa 14, chuyên ngành Tự động hóa, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại Khoa Điện – trường Cao đẳng nghề Yên Bái Tôi xin cam đoan: Đề tài “ Nghiên cứu điều khiển cho hệ có tham số phân bố ” do thầy giáo, PGS TS Nguyễn Hữu Công hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu đều có xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu có nội dung gì trong nội dung của luận văn thì tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình Thái Nguyên, ngày 7 tháng 5 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Thế Anh ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, PGS – TS Nguyễn Hữu Công, người đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt thời gian qua Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Sau đại học Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, lãnh đạo Trường Cao đẳng nghề Yên Bái cùng đông đảo bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã cổ vũ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành luận văn này Mặc dù được sự chỉ bảo sát sao của thầy giáo hướng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của bản thân, song vì kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn luận văn này không tránh khỏi những thiếu xót nhất định Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và đóng góp chân thành của các bạn để nội dung nghiên cứu của em được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 7 tháng 5 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Thế Anh iii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v Danh mục các hình vii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THAM SỐ PHÂN BỐ 5 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỰ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH NUNG KIM LOẠI TRONG LÒ TĨNH 15 2 1 3 1 Bài toán nung nhanh nhất 19 2 1 3 3 Bài toán nung chính xác nhất 20 2 2 1 Đặt vấn đề 21 2 2 2 Mô hình phân bố nhiệt độ 23 2 2 2 1 Mô hình tính sự phân bố nhiệt độ trong thỏi 23 2 2 2 2 Hệ số truyền nhiệt tổng cộng bên ngoài α 1 và α 2 27 2 2 2 3 Cơ sở toán học lập mô hình tính 29 CHƯƠNG 3: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO PHÔI NUNG TRONG LÒ ĐIỆN TRỞ 35 3 1 Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng điều khiển 35 3 1 1 Các phương pháp xác định đặc tính động học của đối tượng 35 3 1 2 Giới thiệu lò điện trở trên quan điểm điều khiển 37 3 2 Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển 39 3 2 1 Tổng quan về bộ điều khiển PID 39 3 2 2 Các bước xác định thông số của bộ điều khiển 41 iv 3 2 3 Trường hợp biết trước mô hình toán học của đối tượng 43 3 2 3 1 Phương pháp bù hằng số thời gian trội 43 3 2 3 2 Thiết kế bộ điều khiển theo tiêu chuẩn phẳng 43 3 2 3 3 Khảo sát chất lượng động của hệ theo tiêu chuẩn phẳng 46 3 2 3 4 Xác định bộ điều khiển theo Phương pháp Cohen-coon 48 3 2 4 Trường hợp không biết trước mô hình toán học của đối tượng 49 3 2 4 1 Phương pháp hiệu chỉnh mạch vòng kín Ziegler-Nichols 49 3 2 4 2 Phương pháp Jassen và Offerein 50 3 3 3 Xác định bộ điều khiển theo Phương pháp Cohen-coon 54 CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ ĐIỆN TRỞ 58 4 1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm lò điện trở trong PTN (Hình 4 1) 58 4 2 1 Thiết bị đo 60 4 2 2 Bộ khuếch đại 61 4 2 3 Bộ điều khiển công suất 62 4 2 4 Giao tiếp với máy tính dung Card NIDAQ USB- 6008 65 4 2 5 Ghép nối Matlab-Simulink dùng Data Acquistion Toolbox của Matlab 67 4 2 6 Ghép nối Card NIDAQ USB-6008 với máy tính để nhận dạng hệ thống 67 KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Derivative / t Đạo hàm riêng theo thời gian / , , x y z Đạo hàm riêng theo không gian x, y, z v I Đối lưu J Truyền dẫn D Hệ số khuếch tán [m 2 /s] C Mật độ [kg/m 3 ] e J Dòng năng lượng [W/m 2 ] 0 J Mô men quán tính Tốc độ góc Thế năng u Nội năng Hệ số dẫn nhiệt [Wm -1o C -1 ] a Hệ số dẫn nhiệt độ [m 2 s -1 ] Hệ số nhớt động học [Ns/m 2 ] P Áp suất [N/m 2 ] x v Lượng vào x R Lượng ra t Nhiệt độ thực của vật [ 0 C] t* Nhiệt độ yêu cầu của vật nung [ 0 C] Thời gian nung [s] l Chiều dầy của thỏi [m] vi T Nhiệt độ kim loại [ 0 C] Q Dòng nhiệt [ W(m 2 ) -1 ] C 1 , C 2 Hệ số bức xạ [ W(m 2 ) -1 K -4 ] k1 , k2 , Hệ số truyền nhiệt đối lưu [ W(m 2 ) -1 C -1 ] T p1 , T p2 Nhiệt độ khí trong lò [ 0 C] β sp , β m Các hệ số ghi ảnh hưởng hấp thụ s Bức xạ k Đối lưu h Chiều dầy của mối lớp 1 , 2 Hệ số truyền nhiệt tổng cộng bên ngoài C n Hệ số bức xạ quy dẫn F m , F s Diện tích mặt bức xạ của vật liệu tường lò [m 2 ] ε m , ε p Độ đen của vật liệu và của khí T 1 T 7 Nhiệt độ các lớp [ 0 C ] W PID (P) Hàm truyền bộ điều khiển PID m K Hệ số khuếch đại T i Hằng số thời gian tích phân T D Hằng số thời gian vi phân vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình vẽ Trang Hình 2 1 Mô hình chia lớp để tính nhiệt độ trong vật 30 Hình 2 2 Sơ đồ tính hệ số 31 Hình 2 3 Sơ đồ tính hệ số 32 Hình 2 4 Sơ đồ tính nhiệt độ các lớp 33 Hình 2 5 Đặc tính các lớp nhiệt độ phôi theo theo nhiệt độ lò 34 Hình 3 1 Điều khiển với bộ điều khiển PID 39 Hình 3 2 Vùng phân nghiệm số của phương trình đặc tính 42 Hình 3 3 Đặc tính tần biên pha 45 Hình 3 4 Khảo sát hàm quá độ với tín hiệu đặt 46 Hình 3 5 Khảo sát tác động của nhiễu 47 Hình 3 6 Đặc tính quá độ khi có tác động của nhiễu 48 Hình 3 7 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hai mạch vòng 51 Hình 3 8 Sơ đồ nhận dạng lò điện trở 52 Hình 3 9 Sơ đồ điều khiển mạch vòng trong 52 Hình 3 10 Cấu trúc điều khiển phản hồi -1 53 Hình 3 11 Bộ điều khiển theo tiêu chuẩn phẳng 53 Hình 3 12 Đặc tính quá độ khi có bộ điều khiển PI 54 Hình 3 13 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 55 Hình 3 14 Dạng dao động hình sin 55 Hình 3 15 Sơ đồ hiệu chỉnh mô hình 7 lớp 57 Hình 4 1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm lò gia nhiệt trong PTN 59 Hình 4 2 Đặc tính của các loại cặp nhiệt điện 61 viii Hình 4 3 Sơ đồ đo nhiệt độ tích hợp mạch bù nhiệt độ đầu tự do khi nhiệt độ môi trường từ 10 0 C – 37 0 C, sai số bù 1 0 C 61 Hình 4 4 Sơ đồ điều chế xung 62 Hình 4 5 Hình ảnh bộ Card NIDAQ USB - 6008 65 Hình 4 6 Sơ đồ nhận dạng đối tượng 68 Hình 4 7 Sơ đồ nhiệt độ nhận dạng đối tượng 68 Hình 4 8 Xác định hệ số và T 69 Hình 4 9 sơ đồ điều khiển nhiệt độ với bộ PI đã tĩnh chọn 69 Hình 4 10 Kết quả ghi lại trên máy tính băng Matlab-Toolbox với PI (P =7,3; I = 0 06) 70 Hình 4 11 Xác định hằng số khuyếch đại tới hạn 70 Hình 4 12 Dạng dao động hình sin 70 Hình 4 13 Sơ đồ chạy thực nghiệm các giá trị của hệ số K và điều khiển nhiệt độ hệ thống lò-vật theo phương pháp Ziegler - Nichols 71 Hình 4 14 Kết quả chạy thực nghiệm bộ điều khiển hai mạch vòng sử dụng mô hình 7 lớp 72
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THẾ ANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ CÓ THAM SỐ PHÂN BỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THẾ ANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ CÓ THAM SỐ PHÂN BỐ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công THÁI NGUYÊN – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thế Anh Sinh ngày 18 tháng 08 năm 1980 Học viên cao học khóa 14, chuyên ngành Tự động hóa, Trường đại học kỹ thuật cơng nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác Khoa Điện – trường Cao đẳng nghề Yên Bái Tôi xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu điều khiển cho hệ có tham số phân bố” thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu có xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có nội dung nội dung luận văn tác giả xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Thế Anh ii LỜI CẢM ƠN Lời em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, PGS – TS Nguyễn Hữu Công, người trực tiếp bảo, hướng dẫn em suốt thời gian qua Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô giáo khoa Sau đại học Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, lãnh đạo Trường Cao đẳng nghề Yên Bái đơng đảo bạn bè đồng nghiệp gia đình cổ vũ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn Mặc dù bảo sát thầy giáo hướng dẫn, nỗ lực cố gắng thân, song kiến thức cịn hạn chế nên chắn luận văn khơng tránh khỏi thiếu xót định Em mong bảo thầy giáo đóng góp chân thành bạn để nội dung nghiên cứu em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Thế Anh iii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt v Danh mục hình vii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THAM SỐ PHÂN BỐ CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN SỰ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH NUNG KIM LOẠI TRONG LÒ TĨNH .15 2.1.3.1 Bài toán nung nhanh 19 2.1.3.3 Bài tốn nung xác 20 2.2.1 Đặt vấn đề 21 2.2.2 Mơ hình phân bố nhiệt độ 23 2.2.2.1 Mơ hình tính phân bố nhiệt độ thỏi 23 2.2.2.2 Hệ số truyền nhiệt tổng cộng bên α1 α2 27 2.2.2.3 Cơ sở tốn học lập mơ hình tính 29 CHƯƠNG 3: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO PHƠI NUNG TRONG LỊ ĐIỆN TRỞ 35 3.1 Xây dựng mơ hình toán học cho đối tượng điều khiển 35 3.1.1 Các phương pháp xác định đặc tính động học đối tượng 35 3.1.2 Giới thiệu lò điện trở quan điểm điều khiển 37 3.2 Phương pháp tổng hợp điều khiển .39 3.2.1 Tổng quan điều khiển PID 39 3.2.2 Các bước xác định thông số điều khiển .41 iv 3.2.3 Trường hợp biết trước mơ hình tốn học đối tượng 43 3.2.3.1.Phương pháp bù số thời gian trội 43 3.2.3.2.Thiết kế điều khiển theo tiêu chuẩn phẳng .43 3.2.3.3.Khảo sát chất lượng động hệ theo tiêu chuẩn phẳng .46 3.2.3.4 Xác định điều khiển theo Phương pháp Cohen-coon 48 3.2.4 Trường hợp trước mô hình tốn học đối tượng .49 3.2.4.1 Phương pháp hiệu chỉnh mạch vịng kín Ziegler-Nichols 49 3.2.4.2.Phương pháp Jassen Offerein 50 3.3.3 Xác định điều khiển theo Phương pháp Cohen-coon 54 CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ ĐIỆN TRỞ .58 4.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm lị điện trở PTN (Hình 4.1) 58 4.2.1 Thiết bị đo 60 4.2.2 Bộ khuếch đại 61 4.2.3 Bộ điều khiển công suất .62 4.2.4 Giao tiếp với máy tính dung Card NIDAQ USB- 6008 65 4.2.5 Ghép nối Matlab-Simulink dùng Data Acquistion Toolbox Matlab 67 4.2.6 Ghép nối Card NIDAQ USB-6008 với máy tính để nhận dạng hệ thống .67 KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Derivative /t Đạo hàm riêng theo thời gian Đạo hàm riêng theo không gian x, y, z / x, y, z Đối lưu I v Truyền dẫn J Hệ số khuếch tán [m2/s] D Mật độ [kg/m3] Dịng lượng [W/m2] C Mơ men qn tính J e Tốc độ góc J Thế Nội Hệ số dẫn nhiệt [Wm-1oC-1] Hệ số dẫn nhiệt độ [m2s-1] u Hệ số nhớt động học [Ns/m2] Áp suất [N/m2] Lượng vào Lượng a Nhiệt độ thực vật [0C] Nhiệt độ yêu cầu vật nung [0C] Thời gian nung [s] Chiều dầy thỏi [m] P xv xR t t* l T vi Q C1 , C2 Nhiệt độ kim loại [0C] k1, k2, Dòng nhiệt [ W(m2)-1 ] Tp1, Tp2 βsp, βm -1 -4 s Hệ số xạ [ W(m ) K ] k Hệ số truyền nhiệt đối lưu [ W(m2)-1 C-1] Nhiệt độ khí lị [0C] h Các hệ số ghi ảnh hưởng hấp thụ 1 , 2 Bức xạ Cn Đối lưu Fm, Fs Chiều dầy mối lớp εm, εp Hệ số truyền nhiệt tổng cộng bên T1 T7 Hệ số xạ quy dẫn WPID(P) Diện tích mặt xạ vật liệu tường lị [m2] Độ đen vật liệu khí K m Nhiệt độ lớp [0C ] Hàm truyền điều khiển PID Ti Hệ số khuếch đại TD Hằng số thời gian tích phân Hằng số thời gian vi phân vii Trang 30 DANH MỤC CÁC HÌNH 31 Hình vẽ 32 33 Hình 2.1 Mơ hình chia lớp để tính nhiệt độ vật 34 Hình 2.2 Sơ đồ tính hệ số 39 Hình 2.3 Sơ đồ tính hệ số 42 Hình 2.4 Sơ đồ tính nhiệt độ lớp 45 Hình 2.5 Đặc tính lớp nhiệt độ phơi theo theo nhiệt độ lị 46 Hình 3.1 Điều khiển với điều khiển PID 47 Hình 3.2 Vùng phân nghiệm số phương trình đặc tính 48 Hình 3.3 Đặc tính tần biên pha 51 Hình 3.4 Khảo sát hàm độ với tín hiệu đặt 52 Hình 3.5 Khảo sát tác động nhiễu 52 Hình 3.6 Đặc tính q độ có tác động nhiễu 53 Hình 3.7 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hai mạch vịng 53 Hình 3.8 Sơ đồ nhận dạng lò điện trở 54 Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển mạch vòng 55 Hình 3.10 Cấu trúc điều khiển phản hồi -1 55 Hình 3.11 Bộ điều khiển theo tiêu chuẩn phẳng 57 Hình 3.12 Đặc tính q độ có điều khiển PI 59 Hình 3.13 Xác định số khuếch đại tới hạn 61 Hình 3.14 Dạng dao động hình sin Hình 3.15 Sơ đồ hiệu chỉnh mơ hình lớp Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm lị gia nhiệt PTN Hình 4.2 Đặc tính loại cặp nhiệt điện viii Hình 4.3 Sơ đồ đo nhiệt độ tích hợp mạch bù nhiệt độ đầu tự 61 nhiệt độ môi trường từ 100C – 370C, sai số bù 10C Hình 4.4 Sơ đồ điều chế xung 62 Hình 4.5 Hình ảnh Card NIDAQ USB - 6008 65 Hình 4.6 Sơ đồ nhận dạng đối tượng 68 Hình 4.7 Sơ đồ nhiệt độ nhận dạng đối tượng 68 Hình 4.8 Xác định hệ số T 69 Hình 4.9 sơ đồ điều khiển nhiệt độ với PI tĩnh chọn 69 Hình 4.10 Kết ghi lại máy tính băng Matlab-Toolbox 70 với PI (P =7,3; I = 0.06) Hình 4.11.Xác định số khuyếch đại tới hạn 70 Hình 4.12 Dạng dao động hình sin 70 Hình 4.13 Sơ đồ chạy thực nghiệm giá trị hệ số K 71 điều khiển nhiệt độ hệ thống lò-vật theo phương pháp Ziegler - Nichols Hình 4.14 Kết chạy thực nghiệm điều khiển hai mạch 72 vịng sử dụng mơ hình lớp