điều khiển nhiệt độ bằng các phương pháp điều khiển cổ điển

MỤC ĐÍCH Bài thí nghiệm này giúp sinh viên làm quen với đối tượng lò nhiệt, một đối tượng hay gặp trong công nghiệp và phương thức điều khiển chúng bằng các phương pháp điều khiển cổ điể

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

HƯỚNG DẪN

THÍ NGHIỆM

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỔ ĐIỂN

Thực hiện: Bộ môn Điều khiển Tự động

Trường đại học: Bách khoa TP HCM

TP HCM, tháng 2, 2008

Dạng tài liệu Hướng dẫn thí nghiệm

Tiêu đề ĐIỀU KHIỂN NHIỆT

ĐỘ BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỔ ĐIỂN

Ngày Trang Hình vẽ Bảng

18.02.2008

13

10

5

Coding Verdana Unicode

Khoa Điện – Điện tử

Bộ môn Điều khiển Tự động

Hướng dẫn

Thực hiện

Cố vấn

Giảng dạy

Trương Đình Châu Nguyễn Đức Hoàng Bùi Thanh Huyền

Lê Quang Thuần Nguyễn Đức Hoàng

MỤC LỤC

1 MỤC ĐÍCH 4

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 ĐIỀU KHIỂN ON-OFF 4

2.1.1 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN 4

2.1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 4

2.2 ĐIỀU KHIỂN PID 5

2.2.1 GIỚI THIỆU 5

2.2.2 KHẢO SÁT VÒNG HỞ 5

2.2.3 ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN 6

2.2.4 ĐẶC TRƯNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN P, I, D 7

3 CẤU TRÚC KÊT NỐI CÁC THÀNH PHẦN CỦA BÀI THÍ NGHIỆM 7

4 THÍ NGHIỆM 7

4.1 KHẢO SÁT VÒNG HỞ 7

4.2 ĐIỀU KHIỂN PID 9

4.3 ĐIỀU KHIỂN ON-OFF 11

5 YÊU CẦU BÁO CÁO 13

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

1 MỤC ĐÍCH

Bài thí nghiệm này giúp sinh viên làm quen với đối tượng lò nhiệt, một đối tượng hay gặp trong công nghiệp và phương thức điều khiển chúng bằng các phương pháp điều khiển cổ điển đồng thời biết cách viết chương trình hực hiện thuật toán điều khiển và giao diện dùng t công cụ lập trình Microsoft Visual C++ 6.0 trên cơ cở hệ thống máy tính, card PCI 1711 và đối tượng lò nhiệt

Trên cơ sở đặc tính vòng hở thu được từ kết quả thí nghiệm, sinh viên dựa vào phương pháp đáp ứng quá độ của Ziegler Nichols để xác định các tham số quan trọng của lò nhiệt, đó -là: thời hằng, thời gian trễ và độ lợi , để từ đó xác định các tham số của bộ điều khiển PID (Kp,

Ki, Kd)

Sinh viên sẽ thực hiện hai phương pháp điều khiển là ON OFF và PID để hiểu rõ hơn về

-lý thuyết đã học

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 ĐIỀU KHIỂN ON-OFF

2.1.1 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ điều khiển lò nhiệt được thể hiện qua hình 1

Lò Nhiệt

∆

∆

Hình 1

2.1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Phương pháp điều khiển ON OFF còn được gọi là phương pháp đóng ngắt- hay dùng khâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng lượng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ đo

Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên: nguồn chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < ∆ Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽ dao động - quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của rơ le

Khâu rơ le có trễ còn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử và như vậy ∆ là giá trị thềm hay ngưỡng

Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là:

Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng

Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùng trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất

2.2 ĐIỀU KHIỂN PID

2.2.1 GIỚI THIỆU

Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứ ,… Lý do a

bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong xây dựng hàm truyền đối tượng Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID thương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols

Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:

2.2.2 KHẢO SÁT VÒNG HỞ

Đáp ứng nấc của lò nhiệt có dạng như hình 2:

Thời gian

Nhiệt độ

Hình 2

Đáp ứng này có thể được xấp xỉ bởi hàm truyền sau:

Trong đó: K : độ lợi tĩnh

Chú ý:

Các tham số của bộ điều khiển PID được tính theo phương pháp đáp ứng nấc của Ziegler-Nichols như bảng 1

Bảng 1

2.2.3 ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN

Sơ đồ điều khiển như hình 3

Lò Nhiệt

Bộ điều khiển

Hình 3

Bộ điều khiển PID có hàm truyền dạng liên tục như sau:

Biến đổi Z của nó như sau:

Viết lại G(z) như sau:

Đặt:

Suy ra:

Từ đó, ta tính được tín hiệu điều khiển u(k) khi tín hiệu vào e(k) như sau:

Suy ra:

2.2.4 ĐẶC TRƯNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN P, I, D

Điều khiển tỉ lệ (Kp) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm nhưng không loại bỏ sai số xác lập Điều khiển tích phân (Ki) sẽ loại bỏ sai số xác lập nhưng có thể làm đáp ứng quá độ xấu đi Điều khiển vi phân (Kd) có tác dụng làm tăng sự ổn định của hệ thống, giảm vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp, Ki, Kd lên hệ thống vòng kín được tóm tắt ở bảng bên dưới (bảng 2)

Bảng 2

Đáp ứng

vòng kín Thời gian lên Vọt lố Thời gian xác lập xác lập Sai số

Chú ý rằng các mối liên hệ này không chính xác hoàn toàn bởi vì Kp, Ki và Kd phụ thuộc vào nhau Vì vậy, bảng này chỉ dùng tham khảo khi xác định các tham số Kp, Ki và Kd

3 CẤU TRÚC KẾT NỐI CÁC THÀNH PHẦN CỦA BÀI THÍ NGHIỆM

Sơ đồ cấu trúc kết nối các thành phần của bài thí nghiệm như hình 4, gồm các thành phần sau:

Máy tính: có nhiệm vụ thu thập, hiển thị và điều khiển nhiệt độ trong thời gian thực Card PCI-1711 giao tiếp giữa máy tính và đối tượng vật lý, có nhiệm vụ đọc tín hiệu: nhiệt độ rồi truyền về máy tính và xuất tín hiệu điều khiển ra bên ngoài

Ngoài ra giữa card PCI 1711 và lò nhiệt có hai mạch giao tiếp: ‘mạch công suất’ biến -đổi điện áp điều khiển DC từ 0 5V sang điện áp xoay chiều 0 220V để cấp cho lò nhiệt, ‘mạch - -biến đổi’ xử lý tín hiệu nhiệt độ đọc về từ lò nhiệt (bù nhiệt, khuếch đại)

PC, Windows XP

PCI-1711 Thu thập hiển ,

thị và điều

khiển nhiệt độ

trong thời gian

thực

Mạch công suất

Lò nhiệt Mạch

biến đổi

AO

AI

Điều khiển (Voltage)

Tín hiệu nhiệt độ (Voltage)

Hình 4

4 THÍ NGHIỆM

4.1 KHẢO SÁT VÒNG HỞ

Sinh viên tạo giao diện chương trình điều khiển khảo sát vòng hở có dạng như hình 5

Hình 5

Khi nhấn nút ‘Setting’ thì xuất hiện hộp thoại để nhập công suất đặt và thời gian lấy mẫu (hình 6)

Lưu ý: Ở thí nghiệm này khi cấp công suất 100% tương ứng xuất 5V ra kênh AO.0 Đối với lò

nhiệt thời gian lấy mẫu nên chọn 1÷2 giây

Hình 6

Khi nhấn nút ‘Heat on’ thì đốt lò Vẽ đồ thị nhiệt độ đo đồng thời hiển thị các giá trị nhiệt độ đo, phần trăm công suất đặt, đo và thời gian chạy lên màn hình ở từng thời điểm lấy mẫu

Khi nhấn nút ‘Heat off’ thì chỉ tắt lò còn những điều khiển khác thì giữ nguyên

Yêu cầu:

Đặt công suất cấp cho lò là 30%, thời gian lấy mẫu là 1 giây Khi nhiệt độ gần xác lập thì lưu lại hình vẽ Xác định các giá trị T, L, K từ đáp ứng vòng hở thu được, ghi kết quả ra bảng 3

Gợi ý: khi vẽ đồ thị ta nên vẽ nhiệt độ tương ứng với 100% công suất (từ nhiệt độ đo

được ở 30% công suất suy ra nhiệt độ ở 100% công suất) để xác định các giá trị T,L,K Cho

biết mạch đo nhiệt độ có độ nhạy là 62.5oC/V

Bảng 3

4.2 ĐIỀU KHIỂN PID

Sinh viên tạo giao diện chương trình điều khiển PID như hình 7

Hình 7

Khi nhấn nút ‘Setting’ thì một hộp thoại xuất hiện để nhập các giá trị Kp, Ki, Kd, thời gian lấy mẫu và nhiệt độ đặt Các giá trị mặc định được chọn như trên hình 8

Hình 8

Khi nhấn nút ‘Heat on’ thì bắt đầu điều khiển lò nhiệt Vẽ đồ thị nhiệt độ đặt, đo, công suất đồng thời hiển thị các giá trị nhiệt độ đặt, đo, sai số, phần trăm công suất và thời gian chạy lên màn hình ở từng thời điểm lấy mẫu

Khi nhấn nút ‘Heat off’ thì chỉ tắt lò còn những điều khiển khác thì giữ nguyên

Yêu cầu:

Bước 1: Từ các giá trị K, T, L xác định ở khảo sát vòng hở tính các giá trị Kp, Ki, Kd

theo công thức Ziegler-Nichols

Bước 2: Với các giá trị Kp, Ki, Kd vừa xác định hãy điều khiển lò nhiệt ở 80oC với thời gian lấy mẫu là 1 giây Khi nhiệt độ xác lập hoặc thời gian điều khiển quá 10 phút thì lưu lại hình vẽ, ghi các số liệ lên bảng 4 (trường hợp 1), tắt lò (mở cửa lò để hạ nhiệt độ).u

Bước 3: Khi nhiệt độ giảm xuống 40oC thì điều khiển lại lò nhiệt với các giá trị Kp, Ki,

Kd mặc định, nhiệt độ đặt và thời gian lấy mẫu giữ nguyên Khi nhiệt độ xác lập hoặc thời gian điều khiển quá 10 phút thì lưu lại hình vẽ, ghi các số liệ lên bảng 2 (trường hợp 2) tắt lò u , (mở cửa lò để hạ nhiệt độ)

Bảng 4

Bộ điều khiển

PID

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập(oC)

Trường hợp 1

Trường hợp 2

Gợi ý: vì chỉ thí nghiệm trong khoảng 10 phút với thời gian lấy mẫu là 1 giây tương ứng

khoảng 600 mẫu nên trong chương trình nên giới hạn số mẫu hiển thị lên màn hình là khoảng

600 mẫu

4.3 ĐIỀU KHIỂN ON-OFF

Sinh viên t o gạ iao diện chương trình điều khiển ON-OFF như hình 9

Hình 9

Khi nhấn nút ‘Setting’ thì một hộp thoại xuất hiện để nhập các giá trị vùng trễ, thời gian lấy mẫu và nhiệt độ đặt Các giá trị mặc định được chọn như trên hình 10

Hình 10

Khi nhấn nút ‘Heat on’ thì bắt đầu điều khiển lò nhiệt Vẽ đồ thị nhiệt độ đặt, đo, công suất đồng thời hiển thị các giá trị nhiệt độ đặt, đo, sai số phần trăm công suất và thời gian , chạy lên màn hình ở từng thời điểm lấy mẫu

Khi nhấn nút ‘Heat off’ thì chỉ tắt lò còn những điều khiển khác thì giữ nguyên

Yêu cầu:

Bước 1: Điều khiển lò nhiệt ở 80 C, thời gian lấy mẫu 1 giây với vùng trễo là 0.5 C Kho i nhiệt độ xác lập thì lưu lại hình vẽ ghi các số liệu lên bảng 5 (không tắt lò).,

Bước 2: Thay đổi vùng trễ là 1oC, khi nhiệt độ xác lập thì lưu lại hình vẽ, ghi các số liệu lên bảng 5 (không tắt lò)

Bước 3: Thay đổi vùng trễ là 0.2oC, khi nhiệt độ xác lập thì lưu lại hình vẽ, ghi các số liệu lên bảng 5 (không tắt lò)

Bước 4: Thay đổi vùng trễ là 0.1oC, khi nhiệt độ xác lập thì lưu lại hình vẽ, ghi các số liệu lên bảng 5 (tắt lò)

Bảng 5

Bộ điều khiển

ON OFF

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập(oC)

Δ = 0.1oC

Δ = 0.2oC

Δ = 0.5oC

Δ = 1.0oC

5 YÊU CẦU BÁO CÁO

Báo cáo chương trình điều khiển PID (chỉ cần đoạn chương trình đọc tín hiệu nhiệt độ, tính tín hiệu điều khiển và xuất tín hiệu điều khiển ) (1đ)

Báo cáo chương trình điều khiển ON/OFF (chỉ cần đoạn chương trình đọc tín hiệu nhiệt độ, tính tín hiệu điều khiển và xuất tín hiệu điều khiển ) (1đ)

Báo cáo các hình vẽ thu được.(2đ)

Nhận xét chất lượng (sai số xác lập, thời gian xác lập, độ vọt lố…) bộ điều khiển PID: trường hợp các giá trị Kp, Ki, Kd tính theo công thức Ziegler-Nichols và trường hợp các giá trị mặc định Từ hai trường hợp này có thể rút ra ảnh hưởng của các giá trị Kp, Ki, Kd như

thế nào?(2đ)

So sánh chất lượng bộ điều khiển ON OFF với các giá trị vùng chết khác nhau Từ đó rút ra

nhận xét.(2đ)

So sánh chất lượng của hai bộ điều khiển PID và ON/OFF Từ đó rút ra nhận xét.(1đ) Hãy cho biết một số ứng dụng của bộ điều khiển PID và ON/OFF trong thực tế.(1đ)

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Thị Phương Hà & Huỳnh Thái Hoàng Lý thuyết điều khiển tự động

Lưu ý:

Sinh viên phải chuẩn bị kĩ bài trước khi vào thí nghiệm (viết chương trình tạo các giao diện như trong phần III của phụ lục)

Nếu không có bài chuẩn bị hoặc chuẩn bị sơ sài sẽ không được vào thí nghiệm

Nếu các nhóm báo cáo giống nhau thì sẽ nhận 40% số điểm