- 52 - V r là vận tốc hỗn hợp dòng khí ở đầu ra. Để xác định được mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra chúng ta thực hiện bằng thực nghiệm. Tức đi tìm phương trình trạng thái hay hàm truyền của chúng đây là cơ sở cho việc xây dựng sơ đồ cấu trúc cho hệ thống. Từ sơ đồ cấu trúc chúng ta sẽ thấy được quá trình làm việc của hệ. Hình 3.11. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống Trên đây là sơ đồ cấu trúc cụ thể của hệ thống điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí trong quá trình thí nghiệm sấy. Trong đó R 1, R 2 là hai bộ điều khiển ở hai vòng khác nhau nhưng chúng có mối quan hệ tác động qua lại lẫn nhau. Nhờ sự kết hợp điều khiển hai vòng mà độ chính xác và ổn định trong quá trình làm việc của hệ thống được nâng cao. Chúng là các bộ PID số được xây dựng trên nền vi điều khiển 8051. R 11 , R 22 là các bộ điều khiển chúng đóng vai trò là cơ cấu chấp hành trực tiếp tác động vào đối tượng (động cơ) đó là các bộ biến tần. W 11 , W 22 là các hàm truyền của phần tử trong hệ thống chúng bao gồm toàn bộ ống dẫn hỗn hợp khí + động cơ quạt + cảm biến, và buồng sấy. Trên sơ đồ cấu trúc trên V d là giá trị tốc độ đặt ban đầu mà người làm thí nghiệm đặt. Khi đó ở đầu ra của hệ thống ta sẽ có giá trị vận tốc mong muốn V ra . Vận tốc ra này sẽ được cảm biến đo và tạo tín hiệu phản hồi về đầu vào để so sánh với tín hiệu đặt. Nếu có sự sai lệch giữa hai giá trị này thì đầu ra của bộ điều khiển sẽ tạo ra một tín hiệu điều khiển. Đây chính là tín hiệu đặt vào các bộ biến tần để điều khiển động cơ sao cho giá trị vậ n tốc đầu ra luôn bám sát giá trị đặt đầu vào. Mặt khác trên sơ đồ cấu trúc ta thấy việc điều khiển thực hiện thông - 53 - qua hai vòng lồng nhau. Như vậy tín hiệu ra sau khối W 11 sẽ chính là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển R 2 . Việc điều khiển đa vòng như vậy sẽ đem lại cho hệ thống tính ổn định và chính xác cao. Xong trên thực tế để xác định mô tả động học cho từng đối tượng riêng lẻ là rất khó thực hiện. Hơn thế nữa nếu xác định được thì khi tổng hợp hàm truyền của hệ thống sẽ có bậc rất cao. Điều này gây ảnh hưởng rấ t lớn cho việc khảo sát hệ thống, và có thể sẽ không tổng hợp được. Vì thế để tự động điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí trong thí nghiệm quá trình sấy của hệ thống. Ta sẽ đi khảo sát bằng thực nghiệm toàn bộ hệ thống để xác định hàm truyền của đối tượng. Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống nh ư sau. Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc hệ Trong đó: R là bộ điều chỉnh. S là đối tượng điều khiển (hệ thống thí nghiệm quá trình sấy). V d là giá trị đặt ban đầu. E là sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo. U là tín hiệu điều khiển. V r là tín hiệu ra. Như vậy ta sẽ phải khảo sát bằng thực nghiệm để tìm ra hàm truyền của đối tượng. Việc này được thực hiện thông qua bước tiếp theo của nội dung đề tài là tổng hợp hệ thống điều khiển ở chương 4. - 54 - 3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Trong chương này đã giải quyết được một số nội dung tiếp theo của đề tài, đưa ra được một số các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha. Từ đó lựa chọn thiết bị để điều khiển chúng cho phù hợp là các bộ biến tần. Áp dụng các nguyên tắc điều chỉnh, điều khiển khiển cho hệ thống thí nghiệm. Đặc biệt đã lựa chọn phương pháp điều chỉnh đa vòng cho hệ điều khiển tốc độ gió, để xây dựng được sơ đồ cấu trúc cho hệ thống. - 55 - CHƯƠNG IV TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Để khảo sát thí nghiệm quá trình sấy ta phải điều chỉnh tốc độ hỗn hợp dòng khí. Vì vậy nhiệm vụ đầu tiên là phải tổng hợp hệ thống điều chỉnh tốc độ gió. Muốn làm được điều đó ta thực hiện theo các bước sau: Xác định đặc tính động học của đối tượng(nhận dạng), xác định các thông số của bộ điều ch ỉnh, và cuối cùng là khảo sát hệ thống. 4.1. NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Với một bài toán điều khiển cụ thể trước khi bước vào xây dựng thuật toán điều khiển cho đối tượng. Hay nói cách khác là tìm cách điều khiển nó thì bước đầu tiên là phải tìm hiểu xây dựng mô tả toán học cho đối tượng. Để thực hiện được mục đích này ta có các phương pháp nhận dạng đối tượng điều khiển. Đối tượng điều khiển ở đây có thể là một thiết bị cụ thể như động cơ, máy nén khí… hay cả một hệ thống phức tạp cần điều khiển. 4.1.1. Những vấn đề chung về nhận dạng hệ thống điều khiển Nhận dạng hệ thống là xây dựng mô hình toán học của hệ thống dựa trên các thực nghiệm đo được. Quá trình nhận dạng là quá trình hiệu chỉnh các tham số của mô hình sao cho tín hiệu ra của mô hình tiến trùng với tín hiệu đo của hệ thống. Để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống, người ta có hai phương pháp lý thuyết và thực nghiệm Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên các định luật có s ẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên ngoài của hệ thống. Các quan hệ này được mô tả theo định luật vật lý như định luật Newton, định luật cân bằng…dưới dạng những phương trình toán học. Phương pháp thực nghiệm được thực hiện trong trường hợp, mà ở đó sự hiểu biết về những qui luật giao tiếp bên trong hệ thống, cùng với mố i quan hệ - 56 - giữa hệ thống với môi trường bên ngoài không đầy đủ để có thể xây dựng được một mô hình hoàn chỉnh. Nhưng ít nhất từ đó có thể cho biết các thông tin ban đầu về dạng mô hình để khoanh vùng. Hay tập hợp lớp các mô hình thích hợp cho hệ thống. Thì ta phải áp dụng phương pháp thực nghiệm để xây dựng mô hình cho hệ thống. Bằng cách tìm một mô hình thuộc lớp mô hình thích hợp đó trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào ra, sao cho sai lệch gi ữa nó với hệ thống so với mô hình khác là nhỏ nhất. Trong điều khiển nhận dạng là một khâu quan trọng nó quyết định đến chất lượng và hiệu quả của việc điều khiển sau này, nhằm xây dựng mô hình toán học cho đối tượng. Một số đối tượng quen thuộc như các loại động cơ, máy biến áp, máy phát điện, mạch khuyếch đại, mạch tích phân, vi phân…đã được nghiên cứu kỹ bằng phương pháp giải tích. Nên mô hình toán học của chúng dưới dạng hàm truyền thường có thể tra cứu được trong cẩm nang kỹ thuật. Trong thực tế có nhiều đối tượng có cấu tạo phức tạp và không có sẵn mô hình toán học cho trước vì vậy cần phải làm thực nghiệm để nhận dạng tham số mô hình. Có nhiều cách phân loại phương pháp nhận dạng: Nhận dạng từ mô hình không tham số như từ hàm quá độ h(t), nhận dạng tham số từ mô hình AR, MA, ARMA… Theo cách quan sát tín hiệu vào ra người ta phân ra phương pháp nhận dạng chủ động và bị động. Nếu đối tượng có thể tách rời khỏi hệ thống ta có thể tiến hành nhận dạng ngoại tuyến bằng phương pháp chủ động có nghĩa là chọn tín hiệu vào x(t) như tín hiệu nhảy cấp, ngẫu nhiên, lúc này chỉ cần đo tín hiệu ra y(t) mà thôi, như v ậy bài toán nhận dạng sẽ đơn giản. Trong trường hợp đối tượng không thể tách rời khỏi hệ thống người ta phải đồng thời quan sát cả tín hiệu vào lẫn tín hiệu ra tức là phải tiến hành nhận dạng trực tuyến. Phương pháp nhận dạng loại này gọi là phương pháp nhận dạng bị động. Phương pháp nhận dạng trực tuyến đặc biệt quan trọng đố i với hệ điều khiển thích nghi, trong đó - 57 - phải nhận dạng trực tuyến tham số của đối tượng để hiệu chỉnh lại tham số của bộ điều khiển. Trong điều khiển có hai phương pháp nhận dạng chính thường được dùng đó là nhận dạng không tham số và nhận dạng tham số. + Nhận dạng không tham số là phương pháp nhận dạng mà mô hình để nhận dạng là các đường cong quá độ hoặc các hàm mà véc tơ tham số không nhất thiết phải có kích thước hữu hạn. Nhận dạng không tham số thường dùng các phương pháp sau đây: - Phân tích hàm quá độ h(t), hàm này nhận được ở đầu ra của hệ thống khi đầu vào là hàm bậc thang đơn vị 1(t). - Phân tích tần số, đối với hệ thống tuyến tính ổn định khi tín hiệu vào là hàm sin thì tín hiệu ra cũng là hình sin. Bằng cách thay đổi biên độ và pha của tín hiệu vào ta thu được đáp ứng ra có tần số thay đổi. - Phân tích hàm t ương quan, tín hiệu vào là nhiễu trắng, tín hiệu ra là hàm tương quan. - Phân tích phổ, với tín hiệu vào tuỳ ý người ta phân tích phổ của tín hiệu vào và tín hiệu ra. + Nhận dạng tham số là phương pháp nhận dạng chủ động. Người ta đưa vào hệ thống tín hiệu vào xác định u(t), sau đó đo tín hiệu ra y(t). Người ta mô tả hệ thống bằng một mô hình tham số và dùng phương pháp bình phương tối thiểu để hiệu chỉnh sao cho đánh giá củ a véc tơ tham số trùng với véc tơ tín hiệu ra của hệ thống. Ngày nay, nhận dạng tham số được ứng dụng rất rộng dãi nhất là trong điều khiển số. Nhận dạng tham số dùng để nhận dạng các hệ thống phức tạp, trong trường hợp này hệ thống được gọi là “Hộp đen”. Vì vậy phương pháp nhận dạng tham số còn có tên là nhận dạng hộp đen. Do trong đề tài này đối tượng của chúng tôi là cả hệ thống thí nghiệm quá trình sấy. Đây là một đối tượng tương đối phức tạp, mà ở đó sự hiểu biết giữa - 58 - các mối quan hệ vật lý bên trong và bên ngoài không rõ dàng. Nên để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống, chúng tôi sử dụng phương pháp nhận dạng bằng thực nghiệm. Vì thế, sau đây chúng tôi chỉ giới thiệu phương pháp xây dựng mô hình toán học cho hệ thống bằng phương pháp thực nghiệm. 4.1.2. Nhận dạng đối tượng bằng thực nghiệm + Phương pháp nhận dạng Đối tượng có hai loại cơ bản là đối tượng có tính tự cân bằng và đối tượng không tự cân bằng, nên sẽ có hai thuật toán để xác định hàm truyền. Do giới hạn của đề tài nên ở đây ta chỉ xét đối tượng có tính tự cân bằng và phương pháp xác định hàm truyền tương ứng. Tính tự cân bằng là khả năng của đối tượng sau khi có nhiễu tác động phá vỡ tr ạng thái cân bằng thì nó sẽ tự hiệu chỉnh để trở lại trạng thái cân bằng mà không có sự tác động từ bên ngoài, đối tượng tự cân bằng được gọi là đối tượng tĩnh. Đường quá độ của đối tượng tự cân bằng được biểu diễn ở Hình 4.1. Hình 4.1. Đường cong quá độ của đối tượng tự cân bằng Để xác định đặc tính động học của đối tượng điều khiển, trong trường hợp này, ta sử dụng phương pháp thực nghiệm chủ động bằng cách đặt ở đầu vào đối tượng một nhiễu bậc thang và ghi lại phản ứng của nó ở đầu ra. Dựa vào phản ứng này ta có thể xác định được hàm truyền của đối tượng. - 59 - Dạng tổng quát hàm truyền của đối tượng có tính tự cân bằng được mô tả như sau: o o dt -τ s W=W(s).e Trong đó τ o được gọi là thời gian trễ vận chuyển nó là khoảng thời gian kể từ thời điểm phát tín hiệu vào cho đến thời điểm tín hiệu ra bắt đầu thay đổi. Nhiệm vụ của ta ở đây là phải xác định hàm truyền W o (s). Chuyển trục tung sang toạ độ t = τ o ta sẽ nhận được đường quá độ h 1 (t) trong hệ toạ độ mới, h 1 (t) chính là đường quá độ của phần tử có hàm truyền đạt là W o (s). Tổng quát hàm truyền đạt của đối tượng được xác định bởi: mm1 o 1m1 o nn1 o 1n1 b sbs bs1 W(s) a s a s a s 1 − − − − + ++ + = + ++ + (n > m) Xong thông thường trong thực tế khâu tĩnh có đường quá độ như h 1 (t) có hàm truyền đạt lấy gần đúng ở một trong các dạng sau: + Khâu quán tính bậc nhất: dt o K W(s) 1Ts = + + Khâu quán tính bậc nhất có trễ: dt o τs K.e W(s) 1Ts − = + + Khâu quán tính bậc hai: dt o 12 K W(s) (1 Ts)(1 T s) = ++ + Khâu quán tính bậc hai có trễ: dt o 12 τs K.e W(s) (1 Ts)(1 T s) − = ++ Việc chọn hàm truyền đạt của đối tượng xác định theo các bước sau: - 60 - * Xây dựng hàm so chuẩn σ(t) từ đường quá độ h 1 (t). 1 1 h(t) σ(t) h( ) = ∞ Với h 1 (∞) là trị số xác lập của h 1 (t). - Xác định t 7 sao cho σ(t 7 ) = 0,7 - Xác định t 3 = t 7 /3 từ đó xác định σ(t 3 ) + Nếu σ(t 3 ) > 0,31 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc nhất có trễ. dt o τs K.e W(s) 1Ts − = + + Nếu 0,195 ≤ σ(t 3 ) ≤ 0,31 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc hai. dt o 12 K W(s) (1 Ts)(1 T s) = ++ + Nếu σ(t 3 ) ≤ 0,195 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc hai có trễ. dt o 12 τs K.e W(s) (1 Ts)(1 T s) − = ++ Hệ số truyền của đối tượng được xác định theo công thức: dt h( ) K A ∞ = A – Biên độ của xung bậc thang Các giá trị thời gian τ, T, T 1 , T 2 có các thuật toán xác định gần đúng dựa trên đường quá độ h 1 (t). Trong phần này sẽ không nêu ra tất cả các phương pháp đó mà chỉ trường hợp cụ thể của đối tượng điều khiển được nghiên cứu trong đề tài này là hệ thống thí nghiệm. Mặt khác do điều kiện phòng thí nghiệm thiếu thốn về trang thiết bị đo đạc tốc độ gió, nên để tiến hành làm thực nghiệm xác định hàm truyền là hết sức - 61 - khó. Vì vậy sau đây chúng tôi chỉ nêu ra được cơ sở lý thuyết của phương pháp sẽ thực hiện làm thực nghiệm. + Xác định mô tả động học - Bước 1: Xác định đường quá độ h(t) bằng thực nghiệm. Trước hết khởi động đồng thời các bộ phận trong hệ thống thí nghiệm sấy như bộ phận tạo nhiệt, tạo ẩm. Sau đó đặt một đ iện áp có tần số nhất định vào động cơ quạt là U = 220V, f = 50Hz, tương ứng với tốc độ đặt đầu vào là lớn nhất. Đồng thời cùng lúc đó khởi động máy ghi để ghi lại sự thay đổi của tốc độ hỗn hợp dòng khí sấy ở đầu ra hệ thống. Sử dụng tốc độ kế để đo vận tốc đầu ra. Ta sẽ dừng việ c lấy kết quả khi nào hệ thống ở trạng thái ổn định. - Bước 2: Chọn dạng hàm truyền đạt Theo đồ thị xác định được giá trị thời gian trễ vận chuyển kéo dài là khoảng thời gian tính từ gốc toạ độ đền thời điểm bắt đầu có phản ứng đầu ra của hệ thống. Trừ thời gian vận chuyển phần còn lại củ a đường h(t) là h 1 (t). Từ đồ thị ta đi xác định các giá trị h 1 (∞)→ 0,7h 1 (∞) = h 1 (t 7 ) biết được giá trị của h 1 (t 7 ) từ đồ thị ta suy ra được giá trị t 7 . Chuyển đổi ngược hàm truyền đạt sang miền thời gian ta được hàm chuẩn σ(t). + Xác định σ(t 3 ) Ta sẽ đi xác định t 3 bằng các công thức sau đây: t 3 = t 7 /3 → h 1 (t 3 ) Suy ra σ(t 3 ) = 3 h(t ) h( ) ∞ Sau đó ta so sánh giá trị σ(t 3 ) với 0,31 và 0,195. Khi đó hàm truyền đạt của đối tượng sẽ được chọn tuỳ thuộc vào kết quả so sánh của σ(t 3 ) với 0,31 và 0,195. . Với một bài toán điều khiển cụ thể trước khi bước vào xây dựng thuật toán điều khiển cho đối tượng. Hay nói cách khác là tìm cách điều khiển nó thì bước đầu tiên là phải tìm hiểu xây dựng mô. theo các bước sau: Xác định đặc tính động học của đối tượng(nhận dạng), xác định các thông số của bộ điều ch ỉnh, và cuối cùng là khảo sát hệ thống. 4.1. NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Với. là các bộ PID số được xây dựng trên nền vi điều khiển 8051. R 11 , R 22 là các bộ điều khiển chúng đóng vai trò là cơ cấu chấp hành trực tiếp tác động vào đối tượng (động cơ) đó là các bộ