ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG: Thiết kế điều khiển hệ thống quạt gió cánh phẳng

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG I. ĐỀ TÀI 6 CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 8 2.1. Phương pháp nhận dạng lý thuyết 8 2.2. Phương pháp nhận dạng thực nghiệm 11 2.3. Ưu nhược điểm của hai phương pháp 14 CHƯƠNG III. XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH TOÁN HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ 16 CHƯƠNG IV. LỰA CHỌN THAM SỐ CHO BỘ PID 29 KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP MỎ - DẦU KHÍ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Đề tài: Thiết kế điều khiển hệ thống quạt gió cánh phẳng GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN ThS PHẠM THỊ THANH LOAN TRẦN THỊ YẾN PHƯỢNG PHẠM HỒNG PHONG TRẦN THỊ PHƯỢNG TRẦN NGỌC QUÍ BÙI VĂN SƠN NGUYỄN VĂN SƠN TRẦN NGỌC SƠN VŨ NGỌC SƠN HÀ NỘI 2016 BẢNG CHẤM CÔNG Thành viên Công việc Điểm MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I.ĐỀ TÀI CHƯƠNG II.PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 2.1.Phương pháp nhận dạng lý thuyết 2.2.Phương pháp nhận dạng thực nghiệm 2.3.Ưu nhược điểm hai phương pháp CHƯƠNG III.XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH TOÁN HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ CHƯƠNG IV.LỰA CHỌN THAM SỐ CHO BỘ PID KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO MỤC LỤC HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU Ngày công nghệ khoa học không ngừng phát triển, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa kỹ thuật chiếm nhiều thành tựu khoa học – kỹ thuật hẳn Cùng với phát triển vượt bậc ngành ngày khẳng định vai trò quan trọng sống đại người với tầm nhìn cho tương lai Trong phần lớn nhà máy, phân xưởng có góp mặt tự động hóa Trong dây chuyền sản xuất, băng tải sử dụng phương tiện vận chuyển hàng hóa, vật liệu cách nhanh chóng thuận tiện Sử dụng hệ thống độ an toàn cao Nên chúng em hướng dẫn giúp đỡ ThS Phạm Thị Thanh Loan thực đề tài: “Thiết kế điều khiển hệ thống quạt gió cánh phẳng” Trong trình nghiên cứu thực đề tài, chúng em không tránh khỏi thiếu sót kiến thức hiểu biết mình, kính mong thầy cô bạn sinh viên giúp chúng em hoàn thiện tốt CHƯƠNG I ĐỀ TÀI Cho đối tượng điều khiển quạt gió cánh phẳng Đầu vào hệ thống điện áp U(t) đặt lên động cơ, đầu hệ thống góc tạo thành cánh nhôm trục thẳng đứng ψ(t ) Số liệu sau: TT U(t) ᴪ(t) TT U(t) ᴪ(t) 1 0.02 21 -1 4.085 0.02 22 -1 3.453 1.66 23 -1 2.830 3.643 24 -1 2.441 3.609 25 -1 2.409 6 -1 3.463 26 -1 2.376 -1 3.535 27 -1 1.875 3.095 28 1.707 3.333 29 1.991 10 4.014 30 2.73 11 4.553 31 3.669 12 4.946 32 3.484 13 4.916 33 3.761 14 4.884 34 4.151 15 5.114 35 4.558 16 -1 5.078 36 4.846 17 4.599 37 5.088 18 -1 4.279 38 5.254 19 4.123 39 -1 5.198 20 -1 4.443 40 -1 4.881 Giả thiết quan hệ góc quay điện áp ᴪ = 2U+1 Yêu cầu thiết kế điều khiển: - Trình bày phương pháp nhận dạng lý thuyết thực nghiệm So sánh ưu nhược điểm hai phương pháp - Xác định mô hình toán học quạt gió cánh phẳng với số liệu cho phương pháp ước lượng tham số ARX - Lựa chọn tham số cho PID - Mô phỏng, giải thích kết thu CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp nhận dạng lý thuyết 2.1.1 Các bước nhận dạng lý thuyết Phương pháp gọi mô hình hóa vật lý tử định luật vật lý hóa học kết hợp với thông số kỹ thuật thiết bị công nghệ, kết phương trình vi phân phương trình đại số • Bước 1: Phân tích toán mô hình - Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng mô hình, từ xác định mức độ chi tiết độ xác mô hình cần xây dựng - Phân chia thành trình - Liệt kê giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hoá mô hình - Nhận biết đặt tên biến trình tham số trình • Bước 2: Xây dựng phương trình mô hình - Nhận biết phần tử hệ thống, viết phương trình cân phương trình đại số khác dựa sở định luật bảo toàn, định luật nhiệt động học, vận chuyển,c ân pha… - Đơn giản hóa mô hình cách thay thế, rút gọn đưa dạng phương trình vi phân chuẩn tắc - Tính toán tham số mô hình dựa tham số công nghệ đặc tả • Bước 3: Kiểm chứng mô hình - Phân tích bậc tự trình dựa số lượng biến trình số lượng quan hệ phụ thuộc - Phân tích khả giải mô hình, khả điều khiển - Đánh giá mô hình mức độ phù hợp với yêu cầu dựa phân tích tính chất mô hình kết hợp mô máy tính • Bước 4: Phát triển mô hình - Phân tích đặc tính mô hình - Chuyển đổi mô hình dạng thích hợp - Tuyến tính hóa mô hình điểm làm việc cần thiết - Mô phỏng, so sánh mô hình tuyến tính hóa với mô hình phi tuyến ban đầu • Bước 5: Thiểt kế hệ thống điều khiển tự động: - Thực chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu phương pháp phân tích thiết kế điều khiển • Bước 6: Lặp lại bước cần 2.1.2 Nhận biết trình • Nhận biết biến trình - Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng mô hình, từ xác định mức độ chi tiết độ xác mô hình cần xây dựng - Phân chia thành trình con, nhận xét đặt tên biến trình tham số trình Liệt kê giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hóa mô hình - Phân chia thành trình con, nhận xét đặt tên biến trình tham số trình Liệt kê giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hóa mô hình - Phân biệt tham số công nghệ biến trình • Nhận biết biến cần điều khiển theo mục đích điều khiển thường áp suất, nồng độ, mức • Nhận biết biến điều khiển tiềm năng: thường lưu lượng, công suất nhiệt 2.1.3 Xây dựng phương trình mô hình • Viết phương trình cân phương trình cấu thành - Các phương trình cân có tính tảng, viết dạng phương trình vi phân phương trình đại số, xây dựng sở định luật bảo toàn vật chất, bảo toàn lượng định luật khác - Các phương trình cấu thành liên quan nhiều tới trình cụ thể đưa dạng phương trình đại số • Đơn giản hóa mô hình cách thay thế, rút gọn đưa dạng phương trình vi phân chuẩn tắc • Tính toán tham số mô hình dựa thông số công nghệ đặc tả 2.1.4 Phân tích bậc tự mô hình • Khả mô liên quan tới khả điều khiển • Bậc tự mô hình: số biến trình trừ số phương trình độc lập • Số biến tự có mô hình số lượng tối đa vòng điều khiển đơn tác động độc lập sử dụng 10 Hình 7: Kết tiền xử lý liệu • Bước 5: Chọn cấu trúc mô hình; ước lượng mô hình; đánh giá chọn mô hình thích hợp 21 - Mở cửa sổ [stale Space models] tùy chọn [Estemate] - Trên cửa sổ chọn cấu trúc ARX - Chọn bậc mô hình cách nhập vào ô orders - Ước lượng tự động cách nhấp chuột vào [Estemate] - Lặp lại với bậc mô hình: [3 1], [1 1], [2 1], [3 2] 22 - Cửa sổ ident: Untiled Mô hình sau thiết lập bậc Hình 8: Mô hình sau thiết lập • Bước 6: Đánh giá mô hình, trở cửa sổ ident, đánh giá mô hình cách quan sát - 23 Ngõ mô hình (Model output) Hình 9: Quan sát ngõ mô hình - Thặng dư mô hình (Model residuals) Hình 10: Quan sát thặng dư mô hình - 24 Đáp ứng độ (Transient respone) Hình 11: Quan sát đáp ứng độ - Đáp ứng tần số (Frequency respone) Hình 12: Quan sát đáp ứng tần số - 25 Giản đồ cực zero (Zero and poles) Hình 13: Quan sát giản đồ cực Zero - Phổ nhiễu (Noise spectrum) Hình 14: Quan sát phổ nhiễu  Dựa tiêu chí lựa chọn sau:  Mô tả đặc tính động đối tượng cần nhận dạng với sai số nhỏ  Bậc nhỏ tốt 26  Cực Zero mô hình năm đường tròn đơn vị  Thặng dư lại sau nhận dạng nhiễu trắng  Nhận thấy mô hình ARX [3 1] cho kết đồ thị dự đoán sát với đồ thị thực nghiệm Hình 15: Ngõ mô hình ARX[3 1] Hình 16: Thặng dư mô hình ARX[3 1] 27 Hình 17: Đáp ứng độ mô hình ARX[3 1] Hình 18: Đáp ứng tần số mô hình ARX[3 1] 28 Hình 19: Giản đồ cực Zero mô hình ARX[3 1] Hình 20: Phổ nhiễu mô hình ARX[3 1]  Kết ước lượng thông số sau: 29 Hình 21: Thông số ước lượng  Tính toán mô hình toán học hệ thống: B(q) 0.3325q −1 + 0.2093q −2 G(q) = = A(q ) − 1.08q −1 + 0.7256q − − 0.3972q −3 0.3325q + 0.2093q  G(q) = q − 1.08q + 0.7256q − 0.3972 0.3325 z + 0.2093z => G(z) = z − 1.08 z + 0.7256 z − 0.3972 30 CHƯƠNG IV LỰA CHỌN THAM SỐ CHO BỘ PID • Mô hình mô Simulink Hình 22: Mô mô hình Simulink • Bô điều khiển PID Hình 23: Mô điều khiển PID Simulink 31 • Dựa vào bảng sau • Điều chỉnh thông số PID ta tìm thông số Kp, Ki, Kd để có mô hình phù hợp Hình 24: Thông số Kp Ki điều khiển Hình 25: Thông số Kd điều khiển 32 Kết thu được: Hình 26: Kết mô 33 KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Thị Thanh Loan; “Thiết kế hệ thống điều khiển tự động”; Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội; 2014 [2] Internet; “”; ; 35 [...]... PID bằng Simulink 31 • Dựa vào bảng sau • Điều chỉnh thông số PID ta tìm được thông số Kp, Ki, Kd để có mô hình phù hợp nhất Hình 24: Thông số Kp và Ki của bộ điều khiển Hình 25: Thông số Kd của bộ điều khiển 32 Kết quả thu được: Hình 26: Kết quả mô phỏng 33 KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Thị Thanh Loan; Thiết kế hệ thống điều khiển tự động”; Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội; 2014 [2] Internet;... hợp cho thiết kế điều khiển miền tần số - Nếu chất lượng mô hình cần cao hơn thì nên áp dụng các phương pháp bình phương tối thiều • Quá trình hoàn toàn không cho phép nhận dạng chủ động - Nếu phương pháp thiết kế điều khiển sử dụng trực tiếp mô hình gián đoạn thì các phương pháp bình phương tối thiểu là phù hợp nhất - Chỉ nên sử dụng phương pháp phân tích tín hiệu khi phương pháp thiết kế điều khiển. .. trực quan nhất - Nếu có nhiễu đo và thuật toán được thực hiện trên máy tính thì phương pháp đại diện cho kết quả chính xác hơn • Quá trình cho phép nhận dạng chủ động và phương pháp thiết kế điều khiển sử dụng trực tiếp mô hình gián đoạn - Nên chọn các phương pháp ước lượng dựa trên nguyên lý bình phương tối thiểu áp dụng cho mô hình phù hợp với bài toán điều khiển (FIR, ARX, ARMAX,…) • Quá trình không... có thể giả thiết không hoàn toàn thực tế về điều kiện vận hành, thành phần nguyên liệu, đặc tính dòng chảy, tốc độ phản ứng… - Phương pháp lý thuyết thông thường rất khó áp dụng cho xác định mô hình nhiễu, đặc biệt là các loại nhiễu không đo được  Một mô hình lý thuyết rất có ích cho việc tìm hiểu và khảo sát đặc tính động học của quá trình, thiết kế sách lược điều khiển (cấu trúc điều khiển) và lựa... kết quả đồ thị dự đoán sát nhất với đồ thị thực nghiệm Hình 15: Ngõ ra mô hình ARX[3 2 1] Hình 16: Thặng dư của mô hình ARX[3 2 1] 27 Hình 17: Đáp ứng quá độ mô hình ARX[3 2 1] Hình 18: Đáp ứng tần số mô hình ARX[3 2 1] 28 Hình 19: Giản đồ cực Zero mô hình ARX[3 2 1] Hình 20: Phổ nhiễu mô hình ARX[3 2 1]  Kết quả ước lượng thông số như sau: 29 Hình 21: Thông số ước lượng  Tính toán mô hình toán học. .. nghiệm được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống Khái niệm nhận dạng hệ thống là những thủ tục suy luận một mô hình toán học biểu diễn đặc tính tĩng và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nó với một tín hiệu đầu vào xác định 2.2.1 Các yếu tố cơ bản của nhận dạng • Số liệu vào và ra thực nghiệm 11 - Xác định như nào, ở điều kiện gì? - Nhiễu (nhiễu quá trình, nhiễu đo), độ lớn... tuyến và liên tục hoặc phục vụ tối ưu hóa thời gian thực hệ thống điều khiển, các tham số cần cập nhật liên tục - Nhận dạng ngoại tuyến: Mô hình được tính toán tách biệt với quá trình thu thập dữ liệu Đánh giá và kiểm chứng mô hình • Tốt nhất: Bộ số liệu phục vụ kiểm chứng khác bộ số liệu phục vụ ước lượng mô hình • Đánh giá trên miền thời gian • Đánh giá trên miền tần số 2.2.5 Lựa chọn phương pháp nhận... Dạng mô hình,cấu trúc mô hình - Mô hình phi tuyến/tuyến tính: liên tục/gián đoạn, hàm truyền/không gian trạng thái… - Bậc mô hình, thời gian trễ • Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô hình - Mô phỏng và so sánh với số liệu đo như thế nào? • Thuật toán xác đinh tham số - 2.2.2 Do rất đa dạng nên cần chọn thuật toán nào phù hợp với bài toán Các bước tiến hành • Bước 1: Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về... nhiều lý do như: Khả năng thực thi, điều kiện ràng buộc, ảnh hưởng của nhiễu  Phương pháp mô hình hóa tốt nhất là kết hợp giữa phân tích lý thuyết và nhận dạng quá trình, phân tích quá trình để tìm ra cấu trúc của mô hình, sau đó tiến hành nhận dạng để xác định các tham số của mô hình 17 CHƯƠNG III XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH TOÁN HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ Sử dụng hệ thống the System Indentification... Indentification Tool GUI / Matlab Simulink để xác định mô hình toán học của hệ thống • Bước 1: Đưa dữ liệu vào bằng file Excel Tạo file exel có tên Data chứa dữ liệu vào u và đầu ra y,sau đó đưa vào matlab bằng các lệnh: >> x=xlsread('F:\Data.xls'); >> u=x(:,2); >> y=x(:,3); Hình 3: Đưa dữ liệu từ Excel vào Matlab • Bước 2: Kích hoạt bộ công cụ nhận dạng hệ thống của matlab bằng lệnh: >> ident, để mở cửa sổ System