Nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN MINH HÙNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BỀN VỮNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - NĂM 2012 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: T.S Nguyễn Văn Minh Trí Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hồng Anh Phản biện 2: TS Võ Như Tiến Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 09 tháng năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn : - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu , Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Lý chọn ñề tài Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, tự ñộng hóa trình sản xuất ngày chiếm vị trí quan trọng trình phát triển công nghiệp giới Tính tự ñộng hóa cao với việc sử dụng hiệu nguồn lượng, nâng cao suất lao ñộng, nâng cao chất lượng sản lượng sản phẩm, bảo vệ môi trường, nâng cao ñời sống người ñang mục tiêu hàng ñầu trình công nghiệp hóa, ñại hóa Việc nghiên cứu tìm ñiều khiển ñáp ứng ñầy ñủ trình làm việc hệ thống, nâng cao chất lượng ñiều khiển ñơn giản vận hành yêu cầu cấp thiết ñể phát triển công nghiệp ñại Các trình nhiệt công nghiệp ñòi hỏi yêu cầu chất lượng ñiều khiển cao tính phi tuyến nó, mặt khác, phương pháp ñiều khiển cũ ñáp ứng ñầy ñủ trình vận hành thiết bị Mục ñích nghiên cứu Nâng cao chất lượng ñiều khiển PID bền vững cho hệ thống ñiều khiển ổn ñịnh nhiệt ñộ nói riêng hệ thống phi tuyến quán tính bậc có trễ công nghiệp nói chung Đánh giá ñược ưu ñiểm ñiều khiển PID bền vững so với ñiều khiển PID cổ ñiển, lựa chọn phương pháp hợp lý ñể áp dụng vào trình nghiên cứu sản xuất Tìm hướng phát triển cho việc nghiên cứu ñiều khiển PID, cải thiện tính làm việc liên tục trình công nghiệp, nâng cao chất lượng sản xuất Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tập trung nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng cho ñiều khiển PID bền vững, áp dụng cho hệ thống phi tuyến công nghiệp Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế PID bền vững cho lò nhiệt ñiển hình Mô Matlab-Simulink trình làm việc hệ thống lò nhiệt nhiều vùng khác nhau, tùy thuộc tình hình sản xuất Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết xây dựng nâng cao chất lượng ñiều khiển PID bền vững Nghiên cứu chỉnh ñịnh tham số ñiều khiển PID cổ ñiển Footer Page of 126 Header Page of 126 Nghiên cứu lựa chọn thông số hợp lý cho ñiều khiển PID bền vững Nghiên cứu mô phần mềm Matlab Simlink Nghiên cứu thực nghiệm mô hình lò nhiệt công nhiệp Ý nghĩa khoa học thực tiễn ñề tài Bộ ñiều khiển ñược thiết kế ñiều khiển PID bền vững theo phương pháp mới, ñược kiểm chứng phương pháp ñảm bảo tính hoạt ñộng ổn ñịnh hệ thống Với kết mô phần mềm Matlab-Simulink ñể thấy ñược ñiều khiển PID ñã bám theo tốt tín hiệu ñặt hệ thống, hoạt ñộng ổn ñịnh nhiều vùng khác hệ thống Nâng cao chất lượng tín hiệu so với ñiều khiển cổ ñiển khác Những kết nghiên cứu thực nghiệm mô hình ñề tài tài liệu tham khảo nghiên cứu ứng dụng vào trình sản xuất tạo tiền ñề cho việc phát triển ñề tài mức cao hơn, áp dụng cho hệ thống thực tế Phát triển ñược ñiều khiển PID áp dụng cho hệ thống phi tuyến quán tính bậc có trễ công nghiệp với mô hình xác ñịnh Cấu trúc luận văn Luận văn nghiên cứu bao gồm chương CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP Nội dung tập trung giới thiệu hệ thống tự ñộng hóa sản xuất công nghiệp, với ñặc ñiểm hàm truyền ñạt hệ quán tính bậc có trễ Mô hình hóa hệ thống, ñưa hàm truyền ñạt chung hệ thống CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID VÀ BỘ PID MỚI Nội dung nghiên cứu ñiều khiển trình công nghiệp Phân tích lựa chọn tham số PID cổ ñiển Ứng dụng ñiều khiển PID cho hệ thống CHƯƠNG ÁP DỤNG CÔNG THỨC TÍNH CHỌN THAM SỐ PID MỚI CHO HỆ THỐNG LÒ NHIỆT TRONG CÔNG NGHIỆP Áp dụng ñiều khiển PID cho hệ thống lò nhiệt Lựa chọn vùng làm việc hệ thống thông số PID tương ứng Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG TÍNH TOÁN THAM SỐ C TỪ CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG PHI TUYẾN QUÁN TÍNH BẬC NHẤT CÓ TRỄ Tính toán tham số C từ tham số hệ thống Xây dựng mô hệ thống Matlab-Simulink Đánh giá chất lượng ñiều khiển PID so với phương pháp chỉnh ñịnh tham số PID cổ ñiển Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG 1.2.1 Sơ ñồ cấu trúc Các hệ thống quán tính bậc công nghiệp thường có dạng hàm truyền ñạt sau: H (s) = Trong ñó: K e − Ls Ts + L: thời gian trễ hệ thống; T: thời gian quán tính hệ thống; K: hệ số khuếch ñại Các thông số hệ thống ñược tính toán từ mô hình thực tế, với hệ thống phi tuyến, thông số thay ñổi liên tục trình sản xuất, tùy thuộc vào tình hình sản xuất, trình công nghệ, tác ñộng nhiễu… Với thông số {K,T} thay ñổi nhận giá trị nằm dãi hoạt ñộng ổn ñịnh hệ thống, với hệ số thời gian trễ hệ thống L cố ñịnh Để thực trình ñiều khiển hệ thống, ñưa hệ thộng làm việc vùng ổn ñịnh, phải tùy thuộc vào ñặc trưng trình sản xuất số lượng biến ñiều khiển Với trình chưng cất, sản xuất xi măng ta thực trình ñiều khiển liên tục, trình sản xuất ñóng bao, ñóng chai, lắp ráp ta thực ñiều khiển rời rạc, trình trộn bê tông, phản ứng hóa chất, nung sản phẩm ta thực trình ñiều khiển theo mẻ Mục ñích việc ñiều khiển ñảm bảo mục tiêu sau: + Đảm bảo hệ thống vận hành ổn ñịnh, trơn tru: ñảm bảo ñiều kiện vận hành bình thường, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện + Đảm bảo suất chất lượng sản phẩm: thay ñổi tốc ñộ sản xuất theo ý muốn, giữ thông số chất lượng sản phẩm biến ñộng giới hạn quy ñịnh + Đảm bảo vận hành an toàn: nhằm mục ñích bảo vệ người, máy móc, thiết bị môi trường + Bảo vệ môi trường: giảm nồng ñộ chất ñộc hại khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu nhiên liệu + Nâng cao hiệu kinh tế tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân công, nguyên liệu nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay ñổi thị trường Footer Page of 126 Header Page of 126 1.2.2 Mô hình hóa hệ thống Mục ñích việc mô hình hóa hệ thống là: + Hiểu rõ trình sản xuất công nghệ + Thiết kế cấu trúc ñiều khiển lựa chọn ñiều khiển hợp lý + Tính toán chỉnh ñịnh tham số ñiều khiển + Xác ñịnh ñiểm làm việc tối ưu cho hệ thống + Mô ñào tạo người vận hành hệ thống 1.3 KẾT LUẬN Với hệ thống phi tuyến, trình hoạt ñộng hệ thống thường xuyên thay ñổi tác ñộng nhiều yếu tố, yêu cầu ñặt cần thiết kế mộ hệ ñiều khiển hệ thống, ñảm bảo trình ñiều khiển theo dõi hệ thống, nâng cao chất lượng ổn ñịnh trình sản xuất Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID VÀ BỘ PID MỚI 2.1 NHỮNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHIỆP Trong hệ thống công nghiệp sử dụng nhiều ñiều khiển khác nhau, ñó ñiều khiển PID ñiều khiển ñược sử dụng rộng rãi với cấu tạo gồm khâu ñiều khiển bản: khâu tỉ lệ - P, khâu tích phân - I, khâu vi phân - D Sự kết hợp luật ñiều khiển tạo nên nhiều ñiều khiển khác ñược sử dụng rộng rãi hệ thống thực nghiệm như: P, PI, PD PID Tuy nhiên, thấy rằng, ñiều khiển PID thực trình ñiều khiển cách liên tục theo sai lệch, dạng ñơn giản ñiều khiển theo sai lệch ñiều khiển vị trí On-Off 2.1.1 Bộ ñiều khiển On - Off 2.1.2 Bộ ñiều khiển tỉ lệ - P 2.1.3 Bộ ñiều khiển PI 2.1.4 Bộ ñiều khiển PID 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID Có nhiều phương pháp xác ñịnh tham số ñiều khiển PID ñã biết mô hình toán học dựa vào ñặc tính thực nghiệm hệ thống chưa biết mô hình toán học Một số phương pháp thường ñược sử dụng cho hệ thống quán tính bậc có trễ sau: + Điều chỉnh tham số theo phương pháp Ziegler-Nichols + Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2.2.1 Điều chỉnh tham số theo phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols ñược dụng cho ñiều khiển P, PI PID Phương pháp dùng ñể ñiều khiển không dùng ñược ñể theo dõi trình Vì phương pháp thường ñược dùng tốt ñể giảm nhiễu loạn hệ thống, lại khó khăn có thay ñổi tham số hệ thống Phương pháp áp ụng cho ñối tượng có ñáp ứng ñối với tín hiệu vào hàm nấc có dạng chữ S như: nhiệt ñộ lò nhiệt, tốc ñộ ñộng cơ…có dạng hàm truyền ñạt sau: H (s) = K e − Ls Ts + 2.2.1.1 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ Thông số ñiều khiển ñược chọn theo bảng sau: Footer Page of 126 Header Page of 126 Bảng 2.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Thống số Bộ ñiều khiển KP T K L 0,9.T K L 1,2.T P PI PID song song TI TD - - L 0,3 - L 0,5.L L L K L 0,6.T PID nối tiếp K L 2.2.1.2 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai Phương pháp sử dụng cho hệ thống chưa biết trước mô hình toán học Tất trình ñều dựa vào việc ño lường ñể nhận biết Dựa Kth Tth, Ziegler-Nichols ñã ñưa bảng xác ñịnh thông số ñiều khiển sau: Bảng 2.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols Thông số KP TI TD P 0,5.K th - - PI 0,45.K th 0,833.Tth - PID song song 0,6.K th 0,5Tth 0,125Tth 0,6.K th Tth Tth Bộ ñiều khiển PID nối tiếp 2.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick (CHR) Phương pháp CHR phương pháp ñược sử dụng ñể ñiều chỉnh tham số ñiều khiển phổ biến công nghiệp Phương pháp dựa tham số thời gian hệ thống với ñáp ứng hàm step Chien, Hrones Reswick ñưa nhiều lựa chọn ñiều khiển hệ thống tùy thuộc vào tham số R, cho bảng sau: Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 Bảng 2.3 Lựa chọn ñiều khiển theo phương pháp CHR T = L µ Loại ñiều khiển R= P R>10 PI 7,5