Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM BÀI THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI PID AUTO-TUNING I MỤC ĐÍCH Trong thí nghiệm sinh viên khảo sát đối tượng có trễ lò nhiệt xây dựng điều khiển thích nghi PID auto-tuning cho đối tượng lò nhiệt Bộ điều khiển nhiệt độ phổ biến ứng dụng rộng rãi công nghiệp Việc điều khiển xác nhiệt độ với độ vọt lố nhỏ sai số xác lập nhỏ cần thiết định tới chất lượng sản phẩm cần gia nhiệt Dựa vào kết thu thập từ đáp ứng vòng kín, sinh viên tìm độ lợi tới hạn chu kỳ tới hạn hệ thống Sau tìm thống số này, sinh viên xây dựng điều khiển PID auto-tuning để điều khiển nhiệt độ Mục tiêu sau hoàn thành thí nghiệm này: Tìm độ lợi tới hạn chu kỳ tới hạn mô hình lò nhiệt từ điều khiển ONOFF để thiết kế điều khiển PID Xây dựng điều khiển PID auto-tuning cho đối tượng lò nhiệt II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô tả toán học đối tượng lò nhiệt Lò nhiệt có đầu vào điện áp xoay chiều 220VAC cung cấp cho dây điện trở ngõ nhiệt độ bên lò Để thành lập hàm truyền lò nhiệt ta phải khảo sát phương trình vi phân mô tả quan hệ nhiệt độ - lượng Đây phương trình phức tạp muốn mô tả xác phương trình vi phân mô tả tính phi tuyến hệ thống Do đó, bỏ qua đặc tính phi tuyến xem xét đặc trưng quan trọng đối tượng lò nhiệt khâu quán tính nhiệt Nhiệt độ lò tăng lên từ từ cung cấp lượng Nhiệt độ lò tăng chậm chứng tỏ thời lò nhiệt lớn Hàm truyền đối tượng lò nhiệt mô tả gần sau: G (s) Y ( s ) Ke T1s P ( s ) T2 s đó: K: T1 : hệ số khuyếch đại thời gian trễ T2 : thời lò nhiệt p (t ) : công suất cung cấp cho lò nhiệt (đơn vị: %) y (t ) : nhiệt độ lò (đơn vị: OC ) 1/9 Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM 2.2 Nguyên lý hoạt động điều khiển thích nghi PID auto-tuning Hình mô tả cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi PID auto-tuning Hệ thống bao gồm khối: khối điều khiển ON-OFF khối điều khiển PID Ban đầu, điều khiển ON-OFF hoạt động để dò tìm độ lợi tới hạn chu kỳ tới hạn hệ thống Sau xác định thông số này, hệ thống tính toán thông số Kp, Ki, Kd chuyển sang chế độ điều khiển PID Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID auto-tuning Hệ thống sử dụng điều khiển ON-OFF chế độ chỉnh định (D) điều khiển PID chế độ điều khiển (C) 2.2.1 Tìm độ lợi tới hạn chu kỳ tới hạn hệ thống Khi hệ thống Hình hoạt động chế độ điều khiển ON-OFF, nhiệt độ ngõ y (t ) lò nhiệt r (t ) 70 có dạng Hình Khi đáp ứng ngõ dao động ổn định, ta tìm biên độ dao động M ( ymax ymin ) / chu kỳ dao động TC minh họa Hình Hình Đáp ứng nhiệt độ ngõ y (t ) chế độ điều khiển ON-OFF 2/9 Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM Giả sử biên độ điều khiển khâu ON-OFF d , hệ số khuếch đại phức khâu điều khiển ON-OFF là: 2d N (M ) (1) M Hệ số khuếch đại phức độ lợi tới hạn K C hệ thống, TC chu kỳ tới hạn hệ thống 2.2.2 Xác định thông số điều khiển PID Sau tìm độ lợi tới hạn K C chu kỳ tới hạn TC hệ thống Các thông số điều khiển PID xác định phương pháp hiệu chỉnh độ dự trữ biên - pha sau: PID( s ) K p (1 với Td s ) Ti s (2) K p K C cos M (3) Ti Td (4) Td TC tan M tan M 4 (5) Trong đó, hệ số tương quan thành phần tích phân vi phân, M độ dự trữ pha mong muốn Đối với hệ thống lò nhiệt, thông thường ta chọn M 450 10 100 2.2.3 Xây dựng điều khiển PID auto-tuning Nguyên lý hoạt động điều khiển PID auto-tuning mô tả Hình Ban đầu, hệ thống sử dụng điều khiển ON-OFF để dò tìm độ lợi tới hạn K C chu kỳ tới hạn TC hệ thống Trong giai đoạn từ thời điểm A tới thời điểm B Hình 2, giá trị K C TC phải xác định Sau thời điểm B, thông số K p , K i , K d tính toán theo công thức (3)-(5) hệ thống chuyển sang điều khiển PID Yếu tố định đến chất lượng điều khiển PID auto-tuning hệ thống phải chuyển sang điều khiển PID nhanh để thời gian độ nhỏ độ vọt lố thấp Hơn nữa, để điều khiển ON-OFF không gây vọt lố lớn thời điểm ban đầu ta cài đặt r (t ) khoản ½ giá trị đặt mong muốn Sau hệ thống chuyển sang điều khiển PID ta cài đặt r (t ) giá trị đặt mong muốn Hình minh họa giá trị r (t ) 700 chế độ điều khiển ON-OFF r (t ) 1000 chế độ điều khiển PID (1000C giá trị đặt mong muốn) Kết quả, hệ thống không bị vọt lố 1000 chế độ điều khiển ON-OFF thời gian xác định giá trị K C TC nhanh 3/9 Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM Hình Giá trị đặt r(t)=700 chế độ ON-OFF r(t) = 1000 chế độ PID III MÔ TẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Phần cứng Sơ đồ khối phần cứng mô tả Hình Trong đó, bo mạch PC104CARD phần cứng trung tâm thí nghiệm Bo mạch PC104CARD xây dựng tảng FPGA Altera có khả giao tiếp với máy tính thông qua phần mềm Matlab/ Simulink/ Real-time Windows Target với tính sau: Điều rộng xung (PWM): kênh độ phân giải 0.1% (~ 10bit) ADC: kênh 12bit đọc giá trị điện áp từ cảm biến nhiệt độ Giao tiếp với máy tính thông qua cổng máy in theo chuẩn EPP Lò nhiệt sử dụng thí nghiệm có điện áp định mức 220VAC/1000W, cảm biến nhiệt độ loại K Bộ hiển thị nhiệt độ Autonics mã hiệu TZN4W – A4S có chức đọc nhiệt độ từ cảm biến nhiệt độ chuyển sang giá trị điện áp Sơ đồ mô tả phần cứng hệ thống Hình Trong đó: Điện áp cấp cho lò nhiệt sau qua SSR (Solid-State Relay) TPWM * 220 / 1000 (VAC), TPWM giá trị điều rộng xung từ (0 – 1000) tương ứng với độ phân giải 0.1% Chu kỳ điều rộng xung cho lò nhiệt 2s Nhiệt độ lò nhiệt có tầm từ (0 – 200oC) tương ứng với dòng điện (4 – 20mA) hay tương ứng với điện áp đọc vào kênh ADC1 (0.4 – 2VDC) Chu kỳ điều khiển cập nhật giá trị nhiệt độ T = 1s 4/9 Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM Hình Sơ đồ phần cứng thí nghiệm 3.2 Phần mềm Phần mềm sử dụng thí nghiệm phần mềm Matlab/ Simulink/ Real-time Windows Target Công cụ Real-time Windows Target cho phép mô hình Simulink có khả kết nối với phần cứng bên chạy theo thời gian thực Để biên dịch chạy mô hình Simulink liên kết với phần cứng sinh viên phải thực trình tự bước sau: Run Connect To Target Incremental Build Hình Mô hình Simulink kết nối phần cứng 5/9 Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM Tạo mở file simulink Hình Vào menu Simulation -> Configuration, chọn mục Solver để cài đặt thông số thời gian mô (Stop time), chu kỳ lấy mẫu (Fixed step size) phương pháp mô (Solver Options) Hình Vào menu Tool -> Real-Time Workshop -> Build Model (hoặc nhấn chuột trái vào biểu tượng Incremental Build) để biên dịch mô hình Sau mô hình biên dịch thành công, vào menu Simulation -> Connect To Target (hoặc nhấn chuột trái vào biểu tượng Connect To Target) để kết nối mô hình Simulink tới phần cứng Vào menu Simulation -> Run (hoặc biểu tượng Run) để tiến hành chạy mô hình Hình Cài đặt thông số mô IV CHUẨN BỊ TRƯỚC THÍ NGHIỆM 4.1 Xây dựng điều khiển PID theo phương pháp hiệu chỉnh độ dự trữ biên pha cho đối tượng lò nhiệt Để thực tốt thí nghiệm lớp, sinh viên cần chuẩn bị trước phần lý thuyết thực mô máy tính Xây dựng mô hình Simulink để điều khiển đối tượng lò nhiệt Hình Trong đó, đối tượng lò nhiệt có hàm truyền: G (s) 400 120 s (6) Khâu ‘Transport Delay’ có giá trị 20 6/9 Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM Khâu ‘Saturation’ có giá trị Upper limit = Lower limit = Khâu ‘Relay’ có giá trị Switch on point = 0.002, Switch off point = -0.002, Output when on = 0.5, Output when off = ( d Output.when.on 0.5 ) Giá trị đặt ‘Set point’ = 100 Dữ liệu ngõ đưa vào Scope để hiển thị lưu vào Workspace để phục vụ vẽ đồ thị ngõ ek Set point (degree) uk yellow ucontrol Discrete PID Controller 400 Saturation Manual Switch 200s+1 magenta Scope Transport Transfer Fcn Delay temperature (deg) Relay Hình Mô hình điều khiển nhiệt độ a) Tạo file mô hình simulink Hình Chỉnh thời gian lấy mẫu T = 1s thời gian mô 1000s b) Chuyển ‘Switch’ chế độ điều khiển ON-OFF Chạy mô c) Mở Scope để xem đáp ứng ngõ Tính độ lợi tới hạn K C chu kỳ tới hạn TC hệ thống (xem hướng dẫn Mục 2.2) điền vào bảng sau: d M TC KC 0.5 d) Chọn M 450 , Dựa vào giá trị K C TC trên, tính thông số điều khiển PID theo công thức (3)-(5) nhập vào khối ‘Discrete PID controller’ e) Chuyển ‘Switch’ sang chế độ điều khiển PID Chạy mô để xem đáp ứng ngõ f) Lặp lại Bước d e với giá trị điền vào bảng sau Nhận xét ảnh hưởng tới chất lượng hệ thống: 7/9 Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM 20 40 60 80 100 Kp Ki Kd POT exl V THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 5.1 Tìm độ lợi tới hạn chu kỳ tới hạn hệ thống để cài đặt thông số cho điều khiển PID Các bước thí nghiệm: a) b) c) d) Mở file temp_pid_relay.mdl Cài đặt chu kỳ lấy mẫu T = 1s thời gian mô 1500s Chuyển ‘Switch’ chế độ ON-OFF Biên dịch chạy chương trình Mở Scope để xem đáp ứng ngõ Tính độ lợi tới hạn K C chu kỳ tới hạn TC hệ thống điền vào Bảng 1: Bảng Giá trị K C , TC d TC M KC 0.3 Chú ý: Sau chạy lấy số liệu xong Bước d, sinh viên tắt lò nhiệt, mở cửa lò nhiệt dùng quạt để làm nguội nhanh cho mục thí nghiệm sau e) Chọn M 450 , 60 Dựa vào giá trị K C TC Bảng 1, tính thông số điều khiển PID theo công thức (3)-(5) nhập vào khối ‘Discrete PID controller’ f) Chuyển ‘Switch’ sang chế độ điều khiển PID Cài đặt chu kỳ lấy mẫu T = 1s thời gian mô 1200s Biên dịch chạy chương trình g) Mở Scope xem đáp ứng ngõ điền vào Bảng Bảng Chất lượng hệ thống Kp Ki Kd POT exl 5.2 Điều khiển thích nghi PID auto-tuning Các bước thí nghiệm: 8/9 Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM a) Mở file temp_autotuning.mdl b) Mở khối ‘PID computation’ tham khảo code để biết cách tính thời điểm A, B tính K C , TC trực tiếp Giải thích biến cnt có chức gì? Giá trị biên độ dao động M tính nào? Thời điểm A, B xác định cách nào? c) Cài đặt thời gian lấy mẫu T = 1s thời gian chạy 1800s Biên dịch chạy chương trình d) Mở Scope để xem đáp ứng Nhận xét sau thời gian hệ thống chuyển từ chế độ ON-OFF sang PID Báo cáo thí nghiệm Họ tên: Nhóm: Ngày: Từ bảng số liệu Bảng 1, xác định độ lợi tới hạn chu kỳ tới hạn hệ thống? Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển PID thiết kế theo công thức (3) – (5)? Ảnh hưởng hệ số lên chất lượng hệ thống? Dựa vào kết thí nghiệm Mục 5.2 Nhận xét sau thời gian hệ thống chuyển từ chế độ ON-OFF sang chế độ PID? Làm cách để giảm khoảng thời gian này? Nhận xét chất lượng hệ thống sử dụng điều khiển PID auto-tuning (độ vọt lố, thời gian độ, sai số xác lập)? 9/9