Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho nhiệt độ bình phản ứng

1 Mục Lục Lời mở đầu 3 CHUYÊN ĐỀ I: MÔ HÌNH HÓA 4 1.1. Mô hình hóa lý thuyết 4 1.2. Các phương pháp nhận dạng thực nghiệm 7 1.2.1. Các phương pháp nhận dạng 7 1.2.2. Các phương pháp có thể áp dụng trên đối tượng 9 1.3. Sử dụng công cụ Identification Toolbox 14 1.3.1. Tìm hiểu về Identification Toolbox 14 1.3.2. Sử dụng công cụ Identification Toolbox 16 CHUYÊN ĐỀ II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG TRÊN MIỀN TẦN SỐ 20 2.1. Bộ điều khiển PID 20 2.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế tối ưu modul 20 2.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế tối ưu đối xứng 22 2.2. Thiết kế bộ điều khiển dự báo Smith 23 2.2.1. Cơ sơ lý thuyết 23 2.2.2. Áp dụng cho đối tượng bài toán 24 2.3. Phương pháp thiết kế theo mô hình nội (IMC) 25 2.3.1. Cơ sơ lý thuyết 25 2.3.2. Áp dụng cho đối tượng bài toán 28 2.4. Kỹ thuật chống bão hòa tích phân cho bộ điều khiển PID 30 2.4.1. Cơ sở lý thuyết 30 2.4.2. Áp dụng cho đối tượng bài toán 32 2.5. Sử dụng công cụ PID Tuner 33 2.6. Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp quỹ đạo nghiệm số 35 2.6.1. Xác định tham số khâu hiệu chỉnh sớm pha 36 2.6.2. Xác định tham số khâu hiệu chỉnh trễ pha 37 2.6.3. Xác định tham số khâu hiệu chỉnh sớm-trễ pha 38 2.6.4. Áp dụng cho đối tượng bài toán 38 2.7. Thiết kế bộ điều khiển cân bang hàm truyền hệ hở (Loop Shaping) 44 2 CHUYÊN ĐỀ III: PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI 48 3.1. Thiết kế mạch nguốn cho khối xử lý tín hiệu 48 3.2. Xử lý tín hiệu đo về từ cảm biến 48 3.3. Xử lý tín hiệu Analog trên PLC S7 – 300 51 3.4. Module PID mềm FB41 52 3.5. Kết nối PLC với máy tính 57 CHUYÊN ĐỀ IV: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 60 4.1. Cơ sở lý thuyết 60 4.2. Triển khai bộ điều khiển với PLC S7-300 60 4.3. Mô phỏng bộ điều khiển với Matlab 65 Tài liệu tham khảo 69 3 Lời mở đầu Nhiệt độ là một yếu tố ảnh hưởng đến mọi mặt của đời sống. Và trong công nghiệp cũng vậy, nhiệt độ quyết định chất lượng của rất nhiều quá trình. Chính vì vậy mà đề tài điều khiển nhiệt độ luôn thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu… Do đó, khi đươc giao bài tập lớn môn thiết kế hệ thống điều khiển tự động, chúng em đã chọn đề tài “ Điều khiển nhiệt độ bình phản ứng”. Trong thời lượng của môn học, chúng em đã tìm hiểu được cách nhận dạng, cách thiết kế các bộ điều khiển và cách triển khai lên PLC S7-300. Chúng em xin chân thành cảm ơn Thạc sỹ Chu Đức Việt đã tận tình hướng dẫn chúng em hoàn thành bài tập lớn này. Dù đã hết sức cố gắng, nhưng chắc chắn bản báo cáo này vẫn còn nhiều sai sót. Chúng em rất mong sự góp ý và phê bình từ thầy. Vhungs em xin chân thành cảm ơn! 4 CHUYÊN ĐỀ I: MÔ HÌNH HÓA 1.1. Mô hình hóa lý thuyết Hình trên là mô hình bình phản ứng. Đối tượng của bài toán là quá trình nhiệt độ của bình phản ứng. Vì vậy, trong phần này, ta sẽ đi xây dựng mô hình toán học cho quá trình nhiệt độ, tức là xác định lớp đối tượng của quá trình nhiệt độ. Để đơn giản trong bài toán điều khiển nhiệt độ, không xét tới bài toán điều khiển mức, ta coi mức trong bình và lưu lượng ra là hằng số biết trước từ đó ta có: Phương trình cân bằng vật chất là: Q 1 + Q 2 = Q 3 = conts (1.1) Trong đó + Q 1 là lưu lượng qua van thứ nhất + Q 2 là lưu lượng qua van thứ hai + Q 3 là lưu lượng van ra 5 Như vậy ta đưa bài toán về dạng chỉ điều khiển 1 van (Q 1 ) còn van thứ hai sẽ được điều khiển phụ thuộc vào van thứ nhất : Q 2 = Q 3 - Q 1 Ta có phương trình cân bằng năng lượng :         = Dc p Q 1 T 1 + Dc p ( Q 3 - Q 1 )T 2 – Dc p Q 3 T +Dc p AhT 0 (1.2) Trong đó + T 1 là nhiệt độ dòng nước vào van 1 + T 2 là nhiệt độ dòng nước vào van 2 + c p là nhiệt dung riêng của nước + T là nhiệt độ xác lập mong muốn + h là mức nước trong bình + A là diện tích đáy bình ( coi bình là hình trụ ) + D là khối lượng riêng của nước + T max = 100 o C + q 1 là độ mở van thứ nhất + T 0 là nhiệt độ nước trong bình ban đầu Khi đó phương trình (1.2) trở thành: Ah       +Q 3     =           + Q 3 T 2 + AhT 0 (1.3) Trong đó:      là nhiệt độ bình và độ mở van 1 đã được chuẩn hóa. Laplace hóa phương trình (1.3) ta được: (AhT max .s + Q 3 T max )   = q 1max (T 1 – T 2 )   + Q 3 T 2 + AhT 0 (1.4) 6 Coi Q 3 T 2 , AhT 0 là nhiễu, ta được quan hệ hàm truyền giữa    và    như sau:   =        =              =                   (1.5) Đặt:               = k       = T a Hàm truyền (1.5) trở thành:    =     Thực tế, quá trình nhiệt độ của bình phản ứng phải chịu một thời gian trễ do khi có tín hiệu điều khiển, this au một khoảng thời gian cơ cấu chấp hành (là bộ điều khiển van và van) mới đưa ra được tín hiệu độ mở cho dòng nước. Vì vậy, hàm truyền thực tế của quá trình nhiệt độ của bình phản ứng sẽ là: W(s) =       (1.6) Tham khảo các số liệu và kết quả đo thực tế ở nghiên cứu trước, ta có bảng số liệu: q 1max (m 3 /s) q 2max (m 3 /s) q 3max (m 3 /s) T 1 ( o C) T 2 ( o C) A (m 2 ) H max (m)  (s) 4.107e-5 2.421e-5 4.6e-5 75 30 0.0165 0.28 4 Thay các thông số ở bảng trên vào công thức (1.6), với điều kiện van ra mở 100% và chiều cao của bình là h = 50%H max , ta được hàm truyền: W(s) =     (1.7) 7 Nhận xét: Toàn bộ quá trình nhiệt độ của bình phản ứng là một khâu quán tính bậc nhất có trễ. Trong một số trường hợp, ta có thể xấp xỉ khâu trễ bằng một khâu quán tính. Khi đó, hàm truyền xấp xỉ sẽ là:         (1.8) 1.2. Các phương pháp nhận dạng thực nghiệm 1.2.1. Các phương pháp nhận dạng Các phương pháp nhận dạng hiện nay vô cùng phong phú. Vì vậy, trong phần này chỉ đưa ra một cách tổng quát các phương pháp nhận dạng. Các phương pháp nhận dạng có thể phân loại từ nhiều góc nhìn khác nhau, ví dụ theo dạng mô hình, dạng tín hiệu thực nghiệm, thuật toán áp dụng hoặc mục đích sử dụng mô hình. Theo dạng mô hình sử dụng: Dựa theo dạng mô hình sử dụng trực tiếp, ta phân biệt các phương pháp tương ứng như nhận dạng hệ phi tuyến/hệ tuyến tính, nhận dạng hệ lien tục/hệ gián đoạn, nhận dạng trên miền thời gian/trên miền tần số, nhận dạng mô hình không tham số/mô hình có tham số, nhận dạng mô hình rõ/mô hình mờ… Nhận dạng theo tín hiệu thực nghiệm: Ta có thể chia ra thành nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động. Nhận dạng chủ động là phương pháp nhận dạng mà tín hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích. Khi điều kiện thực tế cho phép thì nhận dạng chủ động là phương pháp tốt nhất. Khi hệ thống đang vận hành ổn định và không cho phép bất kỳ tác động nào gây ảnh hưởng đến quá trình thì ta không sử dụng được phương pháp nhận dạng chủ động. Khi đó, ta sử dụng phương pháp nhận dạng bị động. Nhận dạng bị động là phương pháp nhận dạng mà ta phải sử dụng ác số liệu vào ra trực tiếp của quá trình vận hành. Phương pháp này chủ yếu cho phép xác định đặc tính của hệ thống ở trạng thái xác lập, chưa ít thông tin cho bài toán điều khiển. Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín : Mô hình của quá trình có thể được xác định trực tiếp trên cơ sở quá trình thực nghiệm và tính toán với các tín hiệu vào /ra của nó. Trong trường hợp đó người ta gọi là nhận dạng trực tiếp hay nhận dạng vòng hở . Tuy nhiên, đối tượng với nhiều quá trình công nghiệp điều này gặp nhiều trở ngại bởi việc trực tiếp đưa tín hiệu vào với biên độ lớn 8 có thể thông số đưa vào vượt quá phạm vi cho phép và ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm đặc biệt với các quá trình không ổn định. Trong khi đó nếu sử dụng kích thích với biên độ nhỏ sẽ khó phân biệt đáp ứng đầu ra giữa tín hiệu kích thích và nhiễu. Một biện pháp khắc phục vấn đề nêu trên chính là sử dụng phương pháp nhận dạng dán tiếp, hay nhận dạng vòng kín. Một bộ điều khiển phản hồi gián tiếp được đưa vào nhằm duy trì hệ thống trong phạm vi cho phép. Tín hiệu thử này chính là tín hiệu chủ đạo được đưa vào bộ điều khiển còn tín hiệu ra được đo bình thường. Nhận dạng trực tuyến và nhận dạng ngoại tuyến: tùy theo yêu cầu của việc nhận dạng : nếu phục vụ chỉnh định trực tuyến và liên tục tham số của bộ điều khiển ,tối ưu hóa thời gian thực hệ thống điều khiển thì ta sử dụng nhận dạng trực tuyến. Nếu quá trình thu thập dữ liệu được tách biệt với quá trình tính toán nghĩa là sau khi có bộ số liệu vào-ra, ta tính toán mô hình thì ta sử dụng nhận dạng ngoại tuyến. Theo thuật toán ước lượng : Việc phân loại từ góc nhìn này có thể là khó khan hơn cả , bởi các thuật toán tương đối phong phú và đa dạng. Có thể kể ra các thuật toán thong dụng như bình phương tối thiểu, xác suất cực đại, tích phân tương quan , phân tích phổ , phân tích thành phần cơ bản, phương pháp lỗi dự báo, phương pháp không gian con. Những phương pháp này không hoàn toàn khác biệt mà nhiều khi là dẫn xuất của nhau. 9 1.2.2. Các phương pháp có thể áp dụng trên đối tượng 1.2.2.1. Phương pháp dựa trên đáp ứng quá độ a) Phương pháp tiếp tuyến Xét hệ thống có hàm truyền: W(s) =       (1) Trong đó: k là hệ số khuếch đại tĩnh của đối tượng T a là hằng số thời gian của đối tượng  là thời gian trễ của đối tượng Sauk hi thu được các số liệu thực nghiệm, ta vẽ được đồ thị đáp ứng quá độ h(t). Ta xác định hàm truyền của đối tượng bằng cách thực hiện các bước sau: Bước 1: Kẻ đường tiệm cận với h(t) khi t   , đường tiệm cận này cắt trục tung tại k. Bước 2: Kẻ đường tiếp tuyến tại điểm mà đường cong h(t) có độ dốc lớn nhất. Giao điểm của tiếp tuyến với trục t là thời gian trễ . 10 Bước 3: Từ phương trình hàm truyền của đối tượng (1), ta có: h(t) = k(1 -      )  h(T a + ) = k(1 – e -1 ) = 0.632k Ta xác định điểm có tung độ là 0.632k Bước 4: Hoành độ của điểm vừa xác định là T a + , từ đó ta xác định được hằng số thời gian T a của đối tượng. Ưu điểm của phương pháp trên: Đơn giản, dễ thực hiện, thích hợp với những mô hình không yêu cầu độ chính xác cao. Nhược điểm: Chất lượng nhận dạng không tốt, bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Áp dụng cho đối tượng: Đáp ứng quá độ. [...]... M(s) = 1 1+4𝑇2 𝑠 Tuy nhiên, khi thiết kế bộ điều khiển theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thì đáp ứng của hệ thống luôn có độ quá điều chỉnh ∆h khá lớn Để khắc phục nhược điểm này thì người ta đưa thêm vào hệ thống khâu tiền xử lý M(s) Khắc phục: Sử dụng bộ tiền xử lý M(s) Nhận xét: Không áp dụng được phương pháp tối ưu đối xứng cho đối tượng bài toán 2.2 Thiết kế bộ điều khiển dự báo Smith 2.2.1 Cơ sơ... 4 Bước 1: Thiết kế bộ điều khiển R(s) cho đối tượng là S(s) = 0,40 1+50𝑠 Theo phần (2.1.1) khi đối tượng là khâu quán tính bậc nhất thì bộ điều khiển là bộ điều khiển tích phân: R(s) = Tức là: 𝑘𝑝 𝑠.𝑇 𝐼 với 𝑘𝑝 𝑇𝐼 R(s) = = 1 2𝑘𝑇 = 1 2.0,40.50 0.025 𝑠 Bước 2: Thiết kế bộ điều khiển theo công thức: GR(s) = 𝑅 1+𝑅𝑆(1−𝑒 −𝜏𝑠 ) Mô phỏng bằng công cụ Simulink: 24 = 0.025 Kết quả: Nhận xét: Độ quá điều chỉnh... có thể sử dụng được các phương pháp thiết kế trên cho đối tượng có trễ Xét đối tượng có trễ: GS(s) = 𝑒 −𝜏𝑠 S(s) Các bước tiến hành thiết kế bộ điều khiển dự báo Smith: Bước 1: Thiết kế bộ điều khiển R(s) cho thành phần không trễ của đối tượng (dùng các phương pháp đã biết trên) 23 Bước 2: Xây dựng bộ điều khiển GR = 𝑅 1+𝑅𝑆(1−𝑒 −𝜏𝑠 ) theo cấu trúc sau 2.2.2 Áp dụng cho đối tượng bài toán GS(s) = W(s)... xét: Độ quá điều chỉnh là khá lớn (khoảng 10%); thời gian quá độ của hệ thống khi dùng bộ điều khiển dự báo Smith là khá lớn (khoảng hơn 400s) 2.3 Phương pháp thiết kế theo mô hình nội (IMC) 2.3.1 Cơ sơ lý thuyết Phương pháp thiết kế theo mô hình nội IMC dựa trên mô hình hàm truyền của đối tượng và cho kết quả là bộ điều khiển phản hồi truyền thống Xét đối tượng tuyến tính có sơ đồ cấu trúc truyền thẳng:... tối ưu modul thì bộ điều khiển cho đối tượng quán tính bậc 2 là bộ điều khiển PI R(s) = kp(1+ Trong đó, các hệ số được chọn như sau: Vậy bộ điều khiển là 1 𝑠.𝑇 𝐼 ) TI=T1=50; Kp= R(s) = 15.6(1+ 1 50𝑠 Mô phỏng bằng Matlab Simulink: Kết quả: 21 𝑇1 2𝑘𝑇2 ) = 15.6 Nhận xét: Chất lượng điều khiển tốt: Sai lệch tĩnh bằng 0, Độ quá điều chỉnh gần như bằng rất nhỏ khoảng 2%, thời gian quá độ khá tốt (khoảng 40s,... thời gian quá độ tăng lên khoảng 7 lần 32 2.5 Sử dụng công cụ PID Tuner Khi đã có mô hình của đối tượng trên Simulink,việc bây giờ là thiết kế bộ điều khiển. Ở đây sẽ sử dụng công cụ PID tunner để tìm ra bộ điều khiển cho đối tượng Đầu tiên ta vào Simulink-Continuous chọn khối PID Controller rồi cho vào trước mô hình đối tượng để thiết lập cấu trúc điều khiển Sau khi chọn cấu trúc điều khiển tại khung... lượng như hình vẽ dưới thì ta 1 s thu được bộ điều khiển có dạng: P  I  D N 1 1 N s với P = 33.3585; I = 0.67908; D = 34.871; N = 0.4639 34 Kết quả mô phỏng trên Simulink: 2.6 Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp quỹ đạo nghiệm số Nguyên tắc thiết kế hệ thống dùng phương pháp hiệu chỉnh thông số hay còn gọi là QĐNS là dựa vào phương trình đặc tính của hệ thống sau khi hiệu chỉnh: 1  GC ( s )G (... s)G ( s)  180 0 Ta cần chọn thông số của bộ điều khiển sao cho phương trình trên có nghiệm tại vị trí mong muốn.Sau đây là một số dạng của bộ điều khiển 35 Yêu cầu chất lượng Khâu hiệu chỉnh Đáp ứng quá độ (thời gian Hiệu chỉnh sớm pha xác lập, độ quá điều chỉnh) Sai lệch tĩnh (mà không Hiệu chỉnh trễ pha ảnh hưởng đến đáp ứng quá độ) Cả đáp ứng quá độ và sai Hiệu chỉnh sớm trễ pha lệch tĩnh Cấu... Triển khai bộ điều khiển trong thực tế khá đơn giản 2.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế tối ưu đối xứng Nhận thấy tiêu chuẩn tối ưu modul chỉ áp dụng được cho những đối tượng là các khâu quán tính Khi đối tượng có chứa thành phần tích phân thì không áp dụng đươc Vì vậy, cần một tiêu chuẩn khác để thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng có chứa thành phàn tích phân Đó chính là tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Tiêu chuẩn... của bộ điều chỉnh vẫn tiếp tục tăng quá mức giới hạn khi sai lệch điều khiển đã trở về không 30 Hiện tượng này có thể xảy ra khi bộ điều khiển chứa thành phần tích phân và tín hiệu điều khiển bị hạn chế Các biện pháp khắc phục hiện tượng này:  Cắt bỏ thành phần tích phân khi giá trị được điều khiển đạt tới giá trị đặt, loại trừ hoàn toàn hiện tượng windup  Giảm hệ số khuếch đại để đầu ra của bộ điều