Ứng dụng điều khiển thích nghi trong điều khiển nhiệt độ tủ sấy dược liệ

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN TRƢỜNG ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TỦ SẤY DƢỢC LIỆU 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 đƣợc hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH Phản biện 1: TS NGUYỄN BÊ Phản biện 2: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Luận văn đƣợc bảo vệ Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 01 năm 2013 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - 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 Tính cấp thiết đề tài - Trong hệ điều khiển ta thƣờng giá trị xác tham số hệ thống, tham số hệ thống bị thay đổi sau thời gian sử dụng, hay đủ thông tin tham số Khi phƣơng pháp điều khiển cổ điển không áp dụng đƣợc cho kết điều khiển không xác Để giải vấn đề này, ngƣời ta xây dựng lý thuyết điều khiển thích nghi - Điều khiển thích nghi tổng hợp kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định điều chỉnh mạch điều khiển nhằm thực hay trì mức độ định chất lƣợng hệ thống thông số trình đƣợc điều khiển trƣớc hay thay đổi theo thời gian - Nhiệt độ tủ sấy đốt điện trở đối tƣợng có tính trễ phi tuyến, tham số trình nhiệt thay đổi tùy thuộc vào tải (khối lƣợng vật tủ sấy) - Thực trạng tủ sấy công ty sử dụng điều khiển theo phƣơng pháp On-Off, phƣơng pháp đại: P, PI, PID, PD Với phƣơng pháp On-Off, chất lƣợng điều khiển thấp Với phƣơng pháp điều khiển PID, tham số trình điều khiển thay đổi thông số điều khiển PID cần phải đƣợc tính toán cài đặt lại - Các thiết bị với tính điều khiển xác, chất lƣợng cao, đồng thời giá thành hệ thống cao Bên cạnh đó, Footer Page of 126 Header Page of 126 việc làm chủ công nghệ điều cần thiết thời đại hội nhập kinh tế giới - Việc nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp điều khiển đại vào thực tiễn, cụ thể để điều trình nhiệt tủ sấy dƣợc liệu, (trƣớc mắt ứng dụng tủ sấy phòng thí nghiệm) hoàn toàn cần thiết phù hợp với yêu cầu công ty hoàn cảnh Đó lý lựa chọn đề tài: “ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO TỦ SẤY DƢỢC LIỆU” Mục tiêu nghiên cứu - Thiết kế điều khiển nhiệt độ nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển nhiệt độ tủ sấy - Nghiên cứu nắm vững luật điều khiển thích nghi Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu a Đối tƣợng nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu: trình nhiệt độ tủ sấy dƣợc liệu loại nhỏ dùng phòng thí nghiệm, có kích thƣớc vỏ 40x25x25 (cm3), công suất 1kW, điện áp 220 VAC b Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp điều khiển thích nghi sử dụng mô hình mẫu – MRAS Footer Page of 126 Header Page of 126 Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài nghiên cứu đƣợc thực theo phƣơng pháp nhƣ sau: - Nghiên cứu lý thuyết: tìm kiếm, tổng hợp tài liệu có liên quan Dùng thiết bị để đo đạc tìm hàm truyền đạt đối tƣợng - Sau có hàm truyền đạt, tiến hành tính toán thông số điều khiển thích nghi cho tủ sấy - Từ kết tính toán, sử dụng Matlab để mô kiểm chứng kết Ý nghĩa đề tài Nếu đề tài đƣợc thực thành công: - Nâng cao chất lƣợng, độ xác điều khiển trình nhiệt tủ sấy - Làm chủ đƣợc công nghệ điều khiển đại - Kết thu đƣợc đƣợc áp dụng cho nhiều thiết bị với mở rộng áp dụng cho đối tƣợng lò nhiệt khác công nghiệp, cho đối tƣợng quán tính bậc có trễ, quán tính bậc 2, điều khiển giám sát hệ thống nhiệt độ nhƣ: điều khiển giám sát nhiệt độ phòng lƣu trữ mẫu, phòng sản xuất thuốc Bố cục đề tài Luận văn đƣợc trình bày thành phần chƣơng nhƣ sau: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƢƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍ CH NGHI CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO TỦ SẤY DƢỢC LIỆU CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 1.3 LÀM KHÔ DƢỢC LIỆU 1.3.1 Phơi 1.3.2 Sấy 1.3.3 Làm khô tủ sấy áp suất giảm: 1.3.4 Đông khô 1.4 TỦ SẤY DƢỢC LIỆU CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 2.1 SƠ LƢỢC 2.2 ĐIỀU KHIỂN PID 2.2.1 Bộ điều khiển tỉ lệ P 2.2.2 Bộ điều khiển PI 2.2.3 Bộ điều khiển PID 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID 2.3.1 Điều chỉ nh tham số theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols Footer Page of 126 Header Page of 126 a Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất b Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 2.3.2 Phƣơng pháp Chien-Hrones-Reswick (CHR) 2.4 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 2.4.1 Khái niệm chung hệ điều khiển thích nghi 2.4.2 Điều khiển thích nghi trực tiếp gián tiếp 2.4.3 Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh 2.4.4 Hệ thích nghi mô hình mẫu a Sơ đồ chức b Luật MIT c Nội dung phương pháp thiết kế MRAS CHƢƠNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO TỦ SẤY DƢỢC LIỆU 3.1 XÂY DỰNG HÀM TRUYỀN ĐỐI TƢỢNG Hệ thống điều khiển nhiệt độ gồm có điều khiển tủ sấy có sơ đồ sau: Footer Page of 126 Header Page of 126 Hình 3.1 - Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ Với quán tính lò nhiệt thƣờng lớn, ngƣời ta thƣờng đóng cắt nguồn để thay đổi công suất đặt vào lò thay điều khiển điện áp Do từ mạch điều khiển xuất xung có độ rộng thay đổi khoảng thời gian T định để thay đối công suất cấp cho lò: Hình 3.2 - Nguyên lý điều khiển công suất vào Nhƣ thời gian Ton tủ sấy đƣợc cấp nguồn, thời gian (T-Ton) cắt nguồn Ứng với thay đổi Ton từ 0-T công suất cung cấp cho lò thay đổi từ 0-Pmax: Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 Pcc=(Ton/T).Pmax Ta sử dụng mô hình tủ sấy với đầu vào phần trăm công suất, đầu giá trị nhiệt độ nhƣ hình sau: Hình 3.3 - Mô hình hóa tủ sấy Tiến hành thí nghiệm để lấy thông số: Từ sơ đồ nguyên lý hình 3.1, thiết kế bo mạch sử dụng vi điều khiển PIC16F887 làm nhiệm vụ thu thập liệu nhiệt độ từ đầu dò nhiệt loại K gửi máy tính Trên máy tính sử dụng phần mềm Visual Basic6.0 viết giao diện lƣu trữ liệu vào Access, sau xuất sang file Excel Sau dựa vào số liệu ta vẽ đƣợc đƣờng đồ thị đặc tính nhiệt độ theo thời gian đối tƣợng Hình 3.4 - Sơ đồ nguyên lý phần cứng thực nghiệm Footer Page 10 of 126 Header Page 11 of 126 Sơ đồ lắp ráp mô hình thực: Hình 3.5 - Mô hình thực tế Cài đặt phần trăm công suất vào 25 Nhiệt độ tủ sấy tăng dần sau thời gian nhiệt độ tủ sấy đạt giá trị bão hòa Ghi lại giá trị nhiệt độ sau giây, lƣu số liệu file excel, sau dựa vào số liệu ta vẽ đƣợc đƣờng đồ thị đặc tính nhiệt độ theo thời gian nhƣ sau: Hình 3.6 Đồ thị nhiệt độ - thời gian tủ sấy 25% công suất Footer Page 11 of 126 Header Page 12 of 126 Trong đó: 10 T: thời gian quán tính L: thời gian trễ Từ đồ thị hình 4.6, kẻ tiếp tuyến với đồ thị điểm uốn, ta có: T=1300(s) L=100 (s) K yxl / %cs =210/25=8.4 Đặt phần trăm công suất đầu vào giá trị khác tiến hành thí nghiệm tƣơng tự, ta thu đƣợc thông số: Bảng 3.1 Các thông số theo phần trăm công suất đầu vào Phần trăm công K T L suất(%) Nhiệt độ xác lập (OC) 8.8 1400 120 44 10 8.6 1350 110 86 20 8.5 1320 100 170 25 8.4 1300 100 210 30 8.37 1250 90 251 40 8.3 1200 90 332 Nhận xét: - Các thông số đƣợc đo không tải (tủ sấy chƣa có sản phẩm) Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 - 11 Nhƣ đề cập mục 3.1 phần Mở đầu, thông số K, L, T đối tƣợng mà ta biết đƣợc không xác, bị thay đổi giả sử nằm phạm vi: K=K0+∆K L=L0+∆L T=T0+∆T - Ở dải nhiệt độ làm việc xác lập tủ sấy (từ 80200OC), phần trăm công suất cấp vào hệ kin xác lập nằm khoảng 10-25% Để thuận lợi việc tính toán thiết kế điều khiển, ta chọn tham số hàm truyền đạt đối tƣợng ứng với khoảng Chọn K, T, L theo thông số 25% công suất, ta có hàm truyền đạt tủ sấy: P( s ) 8.4.e 100 s 1300s (3.11) 3.2 XÂY DƢ̣NG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍ CH NGHI Sơ đồ nguyên lý điều khiển thích nghi PID cho đối tƣợng tủ sấy dƣợc liệu nhƣ sau: Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 12 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý điều khiển thích nghi PID áp dụng cho đối tượng Trong đó: - x: giá trị nhiệt độ đặt - y: giá trị nhiệt độ tủ sấy - ym: giá trị nhiệt độ mong muốn đầu - e=y-ym: sai số cần điều khiển Khối mô hình mẫu: tạo giá trị nhiệt độ mong muốn ym tƣơng ứng với giá trị đặt x Bộ điều khiển PID: có tham số Kp, Ki, Kd đƣợc cập nhật cấu hiệu chỉnh Cơ cấu hiệu chỉnh: thành phần quan trọng điều khiển thích nghi, khối tự động cập nhật tham số Kp, Ki, Kd cho điều khiển PID Đối tƣợng: đối tƣợng cần điều khiển tủ sấy dƣợc liệu, với đầu y: giá trị nhiệt độ Mô hình đối tƣợng: Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 13 Hình 3.9 Mô hình đối tượng Hàm truyền đạt điều khiển PID: C ( s) Kp Ki K d s s (3.13) Hình 3.10 Sơ đồ khối điều khiển PID Hàm truyền đạt vòng kín gồm C(s) P(s): Gk ( s ) Footer Page 15 of 126 C ( s).P( s) C ( s).P( s) (3.14) Header Page 16 of 126 14 Mô hình vòng kín: Hình 3.11 Hệ kín với điều khiển PID Mô hình mẫu hệ thích nghi phải có bậc đa thức tử mẫu bậc với hệ kín, ta chọn: Gm ( s) Cm ( s).Pm ( s) Cm ( s).Pm ( s) (3.15) Áp dụng luật hiệu chỉnh MIT bổ sung, ta có luật cập nhật tham số Kp, Ki, Kd điều khiển PID: dKp dt dKi dt dKd dt Footer Page 16 of 126 p i e .e d e e Kp e Ki e Kd e Kp e Ki (3.17) e Kd (3.16) (3.18) Header Page 17 of 126 15 Đặt: Kp Ki e Kd Kết quả: d dt p i e 1/ s d s Gm ( s ) ( y x) Cm ( s ) (3.43) Tìm hàm truyền đạt mô hình mẫu Gm(s): Gm ( s) Cm ( s).Pm ( s) Cm ( s).Pm ( s) (3.44) - Chọn: Cm(s): PID đƣợc tính theo phƣơng pháp C-H-R tối ƣu theo nhiễu độ điều chỉnh Pm(s): đối tƣợng đƣợc xấp xỉ: Pm(s) Km Tm s Lm s Trong Matlab Editot soạn code: Kp_PIDm=19*Tm/(20*Lm*Km) Ti_PIDm=2.4*Tm; Td_PIDm=0.42*Lm; Footer Page 17 of 126 (3.45) Header Page 18 of 126 16 Ki_PIDm=Kp_PIDm/Ti_PIDm Kd_PIDm=Kp_PIDm*Td_PIDm Để tính cụ thể hàm truyền Gm(s) Gm(s)/Cm(s), Matlab Editor soạn: syms s; %khai bao bien s Pm=Km*exp(-Lm*s)/(Tm*s+1); %ham truyen doi tuong Cm=Kp_PIDm+Ki_PIDm/s+Kd_PIDm*s; % bo dk PID Gm=Pm*Cm/(1+(Pm*Cm)); %ham truyen mo hinh mau GmdivCm=Gm/Cm; Gmf=factor(Gm) %day la ham truyen Gm GmdivCmf=factor(GmdivCm) % ham truyen Gm/Cm Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 17 CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG Hệ thống điều khiển PID thích nghi: Hình 4.1 - Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID thích nghi Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 18 Hình 4.2 - Sơ đồ khối cấu hiệu chỉnh 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hình 4.3 – Đáp ứng hệ thống ban đầu T=1300, L=100 Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 19 Hình 4.4 – Đáp ứng hệ thống T=1700, L=100 Hình 4.5 – Đáp ứng hệ thống T=2000, L=120 Footer Page 21 of 126 Header Page 22 of 126 20 Hình 4.6– Đáp ứng hệ thống T=2500, L=120 Hình 4.7 Đáp ứng hệ thống T=2900, L=150 Footer Page 22 of 126 Header Page 23 of 126 21 Hình 4.8 – Đáp ứng hệ thống T=3300, L=180 NHẬN XÉT: Qua kết mô ta thấy: - Trƣớc thay đổi thông số đối tƣợng, hệ kín PID thông thƣờng không đáp ứng đƣợc yêu cầu - Hệ thích nghi PID tự động cập nhật thông số điều khiển PID vòng làm cho hệ đáp ứng tốt trƣớc thay đổi thông số đối tƣợng - Khi thay đổi T, L, độ điều chỉnh hệ PID thƣờng vƣợt xa so với hệ PID thích nghi Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết nghiên cứu đề tài: Đề tài đƣợc việc thành lập hàm truyền đối tƣợng, tính toán thiết kế điều khiển PID thích nghi Đề tài thực việc mô so sánh kết điều khiển PID thông thƣờng điều khiển PID thích nghi theo mô hình mẫu MRAC Hƣớng phát triển đề tài: Đề tài tính toán đƣợc điều khiển thích nghi PID cho đối tƣợng Tuy nhiên hạn chế dừng lại mô Matlab Simulink Do hƣớng phát triển đề tài đƣa vào kit điều khiển để điều khiển đối tƣợng thực Footer Page 24 of 126  ... kế điều khiển nhiệt độ nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển nhiệt độ tủ sấy - Nghi n cứu nắm vững luật điều khiển thích nghi Đối tƣợng phạm vi nghi n cứu a Đối tƣợng nghi n cứu: Đối tƣợng nghi n... (CHR) 2.4 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 2.4.1 Khái niệm chung hệ điều khiển thích nghi 2.4.2 Điều khiển thích nghi trực tiếp gián tiếp 2.4.3 Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh 2.4.4 Hệ thích nghi mô hình... THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 1.3 LÀM KHÔ DƢỢC LIỆU 1.3.1 Phơi 1.3.2 Sấy 1.3.3 Làm khô tủ sấy áp suất giảm: 1.3.4 Đông khô 1.4 TỦ SẤY DƢỢC LIỆU CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN PID