ỨNG DỤNG CASCADE và FEED FORWARD CONTROL TRONG hệ THỐNG TRAO đổi NHIỆT

TÓM TẮT ĐỒ ÁN ỨNG DỤNG CASCADE VÀ FEED FORWARD CONTROL TRONG HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT Trong đồ án này, nhóm ứng dụng các phương pháp Cascade và Feed Forward Control để điều khiển nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH



BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài: ỨNG DỤNG CASCADE VÀ FEED FORWARD CONTROL

TRONG HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT

Giảng viên hướng dẫn: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Sinh viên thực hiện: CAO VĂN LINH

NGUYỄN MINH TIỀN

12146193 PHAN NGỌC TRIỀU 12146204

Khoá: 2012 - 2016

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Bộ môn Cơ điện tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: Th.s Võ Lâm Chương

Nguyễn Minh Tiền MSSV: 12146193 Phan Ngọc Triều MSSV: 12146204

1 Tên đề tài:

Ứng dụng Cascade và Feed forward Control trong hệ thống trao đổi nhiệt

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Mô hình hệ thống trao đổi nhiệt chưa hoàn chỉnh

3 Nội dung chính của đồ án:

 Hoàn thiện phần cứng

 Tìm hàm truyền của các bộ phận trong mô hình

 Sử dụng thuật toán điều khiển PID

 Ứng dụng phương pháp Cascade và Feed forward Control để điều khiển nhiệt độ

chất lỏng (nước)

 Dùng phần miềm WINCC để điều khiển và giám sát hệ thống

4 Các sản phẩm dự kiến

Mô hình hoàn chỉnh ứng dụng Cascade và Feed forward Control trong môn học thí

nghiệm điều khiển quá trình

5 Ngày giao đồ án:

6 Ngày nộp đồ án: 28/7/2016

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ ………

(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

Địa chỉ sinh viên: 26/1A/9 Đường 34, KP8, P.Linh Đông, Quận Thủ Đức

Số điện thoại liên lạc: 01647202577 Email: vanlinh1401@gmail.com

- Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Tiền

Địa chỉ sinh viên: 9/7/9 Đường số 7, KP5, P.Linh Chiểu, Quận Thủ Đức

Số điện thoại liên lạc: 01692556828

Email: 12146193@student.hcmute.edu.vn

- Họ tên sinh viên: Phan Ngọc Triều

Địa chỉ sinh viên: 380/1 Lê Trọng Tấn, P.Tây Thạnh, Q.Tân Phú, TpHCM

Số điện thoại liên lạc: 01677474120

Email: phanngoctrieu29694@gmail.com

- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 28/7/2016

- Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công

trình do chúng tôi nghiên cứu và thực hiện Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ

một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ

một sự vi phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 7 năm 2016

Ký tên

LỜI CẢM ƠN



Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Nhà trường, khoa Cơ khí chế tạo

máy, Bộ môn Cơ điện tử, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em

những kiến thức cơ sở, chuyên môn trong suốt những năm học vừa qua

Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS Võ Lâm Chương, thầy đã trực tiếp hướng dẫn,

chỉ bảo tận tình, định hướng, góp ý và cung cấp những ý tưởng cũng như chỉ dẫn tài liệu

thực hiện đồ án Sự hướng dẫn của thầy là yếu tố quan trọng để chúng em có thể hoàn

thành đồ án này

Xin cảm ơn các bạn lớp Cơ điện tử 121461 đã góp ý, giúp đỡ nhóm rất nhiều trong

quá trình làm đồ án

Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những người luôn sát

cánh, nuôi dưỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có

kết quả tốt như ngày hôm nay

Mặc dù đã cố gắng nỗ lực rất nhiều, song đồ án chắc chắn không thể tránh khỏi những

thiếu sót Kính mong nhận được sự thông cảm và chỉ dẫn tận tình của quý thầy cô

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện

Cao Văn Linh Nguyễn Minh Tiền Phan Ngọc Triều

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

ỨNG DỤNG CASCADE VÀ FEED FORWARD CONTROL TRONG

HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT

Trong đồ án này, nhóm ứng dụng các phương pháp Cascade và Feed Forward

Control để điều khiển nhiệt độ của hệ thống trao đổi nhiệt trong điều khiển quá trình

Nhóm sử dụng phần mềm WinCC, SIMATIC Manager để giám sát và điều khiển

nhiệt độ ngõ ra của mô hình Từ dữ liệu thu thập được bằng WinCC, nhóm sử dụng phần

mềm Matlab để mô phỏng và tìm hàm truyền của các phần tử trong hệ thống

Sau một thời gian thực hiện, kết quả đạt được là ứng dụng được phương pháp

Cascade và Feed forward Control điều khiển nhiệt độ ngõ ra của mô hình như mục tiêu

đưa ra, từ đó đạt được mục tiêu kiểm chứng được các lý thuyết về điều khiển quá trình

bằng mô hình thực nghiệm

Cao Văn Linh Nguyễn Minh Tiền Phan Ngọc Triều

ABSTRACT

APPLY CASCADE AND FEED FORWARD CONTROL IN

A HEAT EXCHANGER SYSTEM

In this project, we carry out research on Cascade and Feed forward Control to

control temperature of a heat exchanger in process control

We use WinCC and SIMATIC Manager software to monitor and control the

temperature output of the model From data acquisition by WinCC, we use Matlab

software to simulate and find out transfer functions of each part of the system

After a period of implementation, the results achieved are application methods of

Cascade and Feed Forward Control in temperature control as requirements So, we

achieve the target – verify the theory of process control by a experimental model

Cao Văn Linh Nguyễn Minh Tiền Phan Ngọc Triều

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM KẾT ii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu: 2

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

1.6 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 2

1.7 Kết cấu luận văn 2

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THYẾT 3

2.1 Mô hình hóa nhận dạng hệ thống 3

2.1.1 Phân loại mô hình 3

2.1.2 Phương pháp xây dựng mô hình toán học 3

2.2 Bộ điều khiển PID 4

2.3 Điều khiển nối tiếp Cascade Control 8

2.4 Điều khiển sớm Feed forward Control 9

Chương 3 : PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP VỀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG 10

3.1 Yêu cầu đề tài 10

3.2 Lưu đồ P&ID 10

3.3 Các phương pháp nhận dạng hệ thống 11

3.3.1 Hàm truyền của khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ 11

3.3.2 Khâu quán tính bậc cao 13

3.3.3 Lựa chọn giải pháp nhận dạng hệ thống 13

3.4 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID 13

3.4.1 Phương pháp điều chỉnh bằng tay 13

3.4.2 Xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp thực nghiệm (Phương pháp thứ hai của Zieger- Nichols) 13

3.4.3 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR) 14

3.4.4 Phương pháp Cohen-Coon 14

3.4.5 Phương pháp sử dụng phần mềm 15

3.5 Lựa chọn phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID 15

Chương 4 : ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 16

4.1 Đề xuất công nghệ 16

4.1.1 SIMATIC Manager 16

4.1.2 Phần mềm mô phỏng WINCC 17

4.1.3 Khối công suất 18

4.1.4 Các module mở rộng PLC 20

4.2 Tính toán thiết kế 21

4.2.1 Bồn nóng 21

4.2.2 Thanh điện trở đốt nóng 22

4.2.3 Cảm biến nhiệt độ PT100 23

4.2.4 Tủ điện 24

4.2.5 Mô hình hoàn chỉnh 25

Chương 5 : THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ 26

5.1 Thu thập dữ liệu, hàm truyền 26

5.1.1 Bồn nóng 26

5.1.2 Bồn trao đổi nhiệt 33

5.1.3 Đặc tính bồn trao đổi nhiệt khi thay đổi lưu lượng dòng lạnh 37

5.2 Tính toán bộ điều khiển PID 44

5.2.1 Bộ điều khiển PID cho bồn nóng 44

5.2.2 Bộ điều khiển PID cho bồn trao đổi nhiệt khi lưu lượng thay đổi 46

5.3 Hệ thống giám sát bằng Win CC 47

5.4 Điều khiển Cascade 50

5.4.1 Điều khiển Cascade Control với nhiễu W không đổi 50

5.4.2 Điều khiển Cascade Control với nhiễu thay đổi của van tuyến tính 51

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang Báng 2.1: Các thông số 𝐾𝑃, 𝐾𝐼, 𝐾𝐷 điều khiển ảnh hưởng đến đáp ứng của hệ 5

Báng 3.1: Xác định thông số PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols 14

Báng 3.2: Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp CHR 14

Ghi chú:

- Chữ số thứ nhất chỉ tên chương

- Chữ số thứ hai chỉ thứ tự bảng biểu trong mỗi chương

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Hình 2 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển 4

Hình 2 2 Giao diện điều khiển nhiễu và Kp 5

Hình 2 3 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) 6

Hình 2 4 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số) 7

Hình 2 5 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) 8

Hình 2 6 Sơ đồ điều khiển Cascade Control 8

Hình 2 7 Sơ đồ điều khiển Feed forward Control 9

Hình 3 1 Lưu đồ P&ID của hệ thống 10

Hình 3 2 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất 11

Hình 3 3 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ 12

Hình 4 1 Sơ đồ đọc và xử lý tín hiệu analog và dòng hoặc áp 16

Hình 4 2 Sơ đồ xử lý tín hiêu analog là nhiệt độ 17

Hình 4 3 Khối công suất 18

Hình 4 4 Sơ đồ mắc dây khối công suất 19

Hình 4 5 Cách mắc dây cho tải 19

Hình 4 6 Đồ thị dạng sóng điện áp tải R 20

Hình 4 7 Mô hình tổng thể 21

Hình 4 8 Bản vẽ chi tiết bồn nóng 22

Hình 4 9 Thanh điện trở đốt nóng 22

Hình 4 10 Cảm biến nhiệt độ PT100 23

Hình 4 11 Sơ đồ mạch khởi động hệ thống 24

Hình 4 12 Mô hình hoàn chỉnh 25

Hình 5 1 Đồ thị biểu diễn đáp ứng vòng hở 28

Hình 5 2 Đồ thị đáp ứng của hai hàm truyền 29

Hình 5 3 Đồ thị đáp ứng của hàm truyền bậc hai và đặc tính vòng hở 30

Hình 5 4 Đồ thị đặc tính hai hàm truyền 30

Hình 5 5 Đồ thị đáp ứng của hàm truyền bậc hai và đặc tính vòng hở 31

Hình 5 6 Đồ thị đặc tính hai hàm truyền 31

Hình 5 7 Đồ thị đáp ứng của hàm truyền bậc hai và đặc tính vòng hở 32

Hình 5 8 Đồ thị đặc tính giữa ngõ ra và bồn nóng 37

Hình 5 9 Đồ thị bồn trao đổi nhiệt khi thay đổi lưu lượng của hệ thống 39

Hình 5 10 So sánh đặc tính hai hàm truyền 40

Hình 5 11 Đồ thị đáp ứng hai hàm truyền 40

Hình 5 12 Đồ thị so sánh đáp ứng bồn trao đổi nhiệt và hàm truyền bậc hai 41

Hình 5 13 Đồ thị so sánh đáp ứng của hai hàm truyền 41

Hình 5 14 Đồ thị đáp ứng của bồn trao đổi nhiệt và hàm truyền bậc hai 42

Hình 5 15 Đồ thị so sánh đáp ứng của hai hàm truyền 42

Hình 5 16 Đồ thị đáp ứng của bồn trao đổi nhiệt và hàm truyền bậc hai…… …………43

Hình 5 17 Mô phỏng thông số PID 44

Hình 5 18 Đồ thị đáp ứng ngõ ra khi có bộ điều khiển PID 44

Hình 5.19 Đồ thị đáp ứng ngõ ra khi có bộ điều khiển PID chạy trên mô hình 44

Hình 5 20 Mô phỏng trên Simulink bộ PID của bồn trao đổi nhiệt 45

Hình 5 21 Đáp ứng nhiệt độ ngõ ra mô phỏng khi có PID 45

Hình 5 22 Đáp ứng nhiệt độ ngõ ra khi có PID chạy trên mô hình 46

Hình 5 24 Giao diện điều khiển giám sát bằng WinCC 47

Hình 5 25 Giao diện điều chỉnh thông số PID 48

Hình 5 26 Giao diện điều khiển nhiễu và Kp 49

Hình 5 27 Đồ thị đáp ứng của mô hình với nhiễu không đổi 49

Hình 5 28 Đồ thị đáp ứng của mô hình 51

Ghi chú:

- Chữ số thứ nhất chỉ tên chương

- Chữ số thứ hai chỉ thứ tự sơ đồ, hình… trong mỗi chương

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CHR : Chien – Hrones – Reswick

MES : Manuafacturing Excution System

HIM : Human Machine Interface

SCADA : Supervisory Control And Data Acquisition

PID : Proportional – Integral – Derivative

CV : Biến quá trình

MV : Biến điều khiển quá trình

DV : Biến nhiễu quá trình

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển vượt trội của khoa học kỹ thuật, tự động hoá quá trình sản xuất

cũng ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong quá trình phát triển của nền công nghiệp

trong nước và thế giới

Trong công nghiệp và sinh hoạt hằng ngày, năng lượng nhiệt là một thành phần rất

quan trọng và được ứng dụng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nấu vật

liệu, sấy khô, sưởi ấm…vì vậy việc nghiên cứu, thu thập thông số và điều khiển nhiệt độ

để sử dụng nguồn năng lượng này một cách một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần

thiết

Thực tế có rất nhiều phương pháp điều khiển nhiệt độ khác nhau Trong số đó

phương pháp điều khiển Cascade và Feed forward Control mang lại hiệu quả cao và

được ứng dụng nhiều trong các hệ thống trao đổi nhiệt trong công nghiệp

Với những tiền đề trên, nhóm đã nghiên cứu, hoàn thiện mô hình ứng dụng phương

pháp Cascade và Feed forward Control để điều khiển nhiệt độ tương đối hiệu quả

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài

Các hệ thống điều khiển khi thiết kế đều yêu cầu thoả mãn các chỉ tiêu chất lượng cơ

bản của một hệ thống điều khiển tự động:

- Thời gian quá độ ngắn

- Độ quá điều chỉnh nhỏ

- Sai lệch tĩnh nhỏ

- Năng lượng tiêu thụ trong hệ thống ít

Với những kết quả nghiên cứu và thực nghiệm trên mô hình của đề tài sẽ góp phần

tăng nguồn tư liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy và học tập trong trường;

tạo tiền đề cho việc phát triển đề tài ở mức cao hơn để có thể áp dụng cho các hệ thống

thực tế và trong các quá trình sản xuất

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển quá trình, đặc biệt là quá trình nhiệt

Chế tạo hoàn chỉnh mô hình, nhận dạng và áp dụng các phương pháp điều khiển hợp

lý cho mô hình thật

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là nhiệt độ của mô hình Nhóm cần phải khảo sát kỹ để tìm ra

mô hình toán học tương ứng Từ đó sẽ giải quyết bài toán điều khiển bằng các giải thuật

điều khiển phù hợp

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Điều khiển nhiệt độ chất lỏng trong bồn trao đổi nhiệt bằng điều khiển Cascade và

Feed forward Control

Mô phỏng và thực nghiệm quá trình điều khiển nhiệt độ của mô hình

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết điều khiển quá trình

Tìm hiểu các pháp nhận dạng hệ thống

Thực nghiệm trên mô hình

1.6 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

Khảo sát đặt tính thiết bị trong mô hình

Sử dụng phần mềm điều khiển SIMANTIC Manager, giám sát WinCC và Matlab để

tính toán

1.7 Kết cấu luận văn

Toàn bộ nội dung luận văn tốt nghiệp được trình bày trong 5 chương:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Phương hướng và các giải pháp về nhận dạng hệ thống và bộ điều khiển

PID

Chương 4: Đề xuất công nghệ, tính toán thiết kế

Chương 5: Thực nghiệm - đánh giá

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THYẾT

2.1 Mô hình hóa nhận dạng hệ thống

Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của

một hệ thống thực, có thể đã có sẵn hoặc cần phải xây dựng Mô hình có thể được sử

dụng để xây dựng các bộ điều khiển, mô phỏng, dự báo, phát hiện, chẩn đoán lỗi và tối

ưu hóa hệ thống

2.1.1 Phân loại mô hình

Mô hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật toán,… Mô hình đồ họa phù

hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các

thành phần

Mô hình toán học: phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền, mô hình

trạng thái Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu về các đặc tính của

từng thành phần cũng như bản chất các mối liên kết và tương tác

Mô hình máy tính: chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thống

Mô hình suy luận: là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính của hệ thống

thực dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng ngôn ngữ bậc cao

2.1.2 Phương pháp xây dựng mô hình toán học

Mô hình toán học là các biểu thức toán học mô tả hệ thống Một hệ thống có thể được

thể hiện bằng nhiều cách khác nhau, do vậy có thể có nhiều mô hình toán khác nhau cho

một hệ thống Do đó cũng có nhiều phương pháp để xây dựng mô hình toán học cho hệ

thống

Phương pháp lý thuyết (mô hình hóa): Phương pháp này là cách xây dựng mô hình

trên nên tảng các định luật vật lý, hóa học cơ bản kết hợp với các thông số kỹ thuật của

thiết bị trong mô hình Ta sẽ phân tích quá trình và mô hình hóa theo lý thuyết, mô hình

này sẽ là một hệ các phương trình vi phân và phương trình đại số

Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng hệ thống): Phương pháp này còn được gọi

là nhận dạng hệ thống hay phương pháp hộp đen vì hàm truyền được ước lượng trên cơ

sở thông tin ban đầu của quá trình, quan sát và phân tích số liệu của các tín hiệu vào-ra

của hệ thống thực

Pháp lý thuyết có ưu điểm phản ánh các quan hệ vật lý, hóa học giữa các đại lượng

bên trong hệ thống, từ đó xác định được cấu trúc mô hình hệ thống Tuy nhiên, mô hình

thu được từ phương pháp này chỉ phản ánh được đặc tính động học của quá trình công

nghệ mà bỏ qua đặc tính của các thiết bị đo và cơ cấu chấp hành, do vậy làm giảm đi độ

chính xác của mô hình lý thuyết Phương pháp này phù hợp hơn cho việc khảo sát tính

động học, cấu trúc mô hình, hơn là việc xác định các tham số của mô hình

Phương pháp thực nghiệm có ưu điểm là tất cả các thông số đều được lấy từ hệ thống

thực, loại bỏ được các sai số do các phép tính toán lý thuyết,từ đó xác định tương đối

chính xác các tham số của mô hình Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chất

lượng

Nhiệt độ là đại lượng vật lý khá phức tạp và khó tính toán chính xác trong điều khiển

quá trình, đặc biệt là nhiệt độ mực chất lỏng Trong mô hình này không phải là mô hình

lý tưởng và có khâu quán tính bậc 1 có trễ, trên thực tế thì tùy vào đặc điểm của mỗi mô

hình thực nghiêm mà có thể cho ra các mô hình bậc cao phức tạp; người nghiên cứu cần

có kiến thức chuyên sâu về các quan hệ vật lý của các thiết bị và đối tượng trong mô hình

mới hy vọng tìm ra được mô hình tốt nhất Do vậy trong khuôn khổ đề tài này, nhóm đã

chọn phương pháp thực nghiệm để xây dựng mô hình toán học của hệ thống

2.2 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional – Integral – Derivative) là bộ điều khiển hồi tiếp

vòng kín được sử dụng rộng rải trong các hệ thống điều khiển tự động Một bộ điều khiển

PID sẽ cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào, sau đó đưa ra 1 tín

hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp Qua đó giúp hệ thống có thể đạt tới

giá trị đặt với thời gian xác lập nhỏ, triệt tiêu sai số xác lập và giảm độ vọt lố, hạn chế

u(t): Tín hiệu điều khiển

PV : Giá trị hiện tại của hệ thống

PVht : Giá trị hồi tiếp

Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: khâu khuyếch đại (P); khâu tích

phân (I), khâu vi phân (D) được thể hiện trong hình 2.2 theo tài liệu

Hình 2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Tín hiệu ra của bộ điều khiển:

Trong đó: 𝐾𝑃 là độ lợi của khâu tỉ lệ (Proportional gain)

𝐾𝐼 là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain)

𝐾𝐷 là độ lợi của khâu vi phân (Derivative gain) Các thông số 𝐾𝑃, 𝐾𝐼, 𝐾𝐷 điều khiển ảnh hưởng đến đáp ứng của hệ thống theo tài liệu được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các thông số 𝐾𝑃, 𝐾𝐼, 𝐾𝐷 điều khiển ảnh hưởng đến đáp ứng của hệ

Giảm Tăng Thay đổi ít Giảm Giảm cấp

Giảm ít Giảm Giảm Về lý thuyết không

tác động

Cải thiện nếu 𝐾𝐷 nhỏ

𝐾𝑃

𝐾𝐼

𝐾𝐷

- Khâu tỉ lệ P:

Khâu tỉ lệ P (còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số

hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số

𝐾𝑃

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

Trong đó:

𝑃𝑜𝑢𝑡 : thừa số tỉ lệ đầu ra

𝐾𝑃: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

e: sai số ( e = SP - P𝑉ℎ𝑡 )

t: thời gian tức thời

Hình 2.2 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki, Kd = hằng số)

Khâu tỉ lệ P giúp giảm thời gian đáp ứng, giảm sai lệch tĩnh nhưng không triệt tiêu

được sai lệch tĩnh 𝐾𝑃 càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, sai số xác lập càng nhỏ, hệ

thống dao động càng nhiều, độ vọt lố càng cao Nếu 𝐾𝑃 tăng quá giá trị giới hạn thì hệ

thống sẽ dao động không tắt dần gây ra mất ổn định

- Khâu tích phân I:

Khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn khoảng thời gian xảy ra sai số

Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta luỹ thừa bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích

luỹ sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều

khiển

Thừa số tích phân được cho bởi:

𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝐼∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏0𝑡

Trong đó:

𝐼𝑜𝑢𝑡: thừa số tích phân của đầu ra

𝐾𝐼: độ lợi tích phân

e: sai số ( e = SP - P𝑉ℎ𝑡 )

t: thời gian tức thời

𝜏: một biến tích phân trung gian

Hình 2.3 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Ki (Kp, Kd = hằng số)

Bộ điều khiển tích phân I có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh, nhưng nó có thể làm

cho đáp ứng quá độ tồi tệ hơn 𝐾𝐼 càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ nhưng độ vọt lố

càng cao

- Khâu vi phân D:

Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai

số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc 1 theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi 𝐾𝐷

Thừa số vi phân được cho bởi:

Hình 2.4 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki, Kd = hằng số)

Bộ điều khiển vi phân D giúp giảm độ quá điều chỉnh, cải thiện đáp ứng quá độ của

hệ thống 𝐾𝐷 càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ Tuy nhiên đôi khi làm hệ mất ổn định do

khá nhạy cảm với nhiễu Khâu vi phân không thể sử dụng một mình mà phải dùng kết

hợp với cái khâu P hoặc I

2.3 Điều khiển nối tiếp Cascade Control

Điều khiển nối tiếp là kỹ thuật điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển bên trong một

vòng điều khiển

Một bộ điều khiển được lồng vào trong một bộ điều khiển khác, đầu ra của bộ điều

khiển thứ nhất là giá trị đặt SP của bộ điều khiển thứ hai Điều này có nghĩa rằng hai bộ

điều khiển không độc lập nhau mà liên kết cùng nhau nhằm mục đích điều khiển cho biến

quá trình PV đạt đến giá trị mong muốn SP.Điều khiển nối tiếp có thể cải thiện được tính

phản hồi và đạt đến tính dễ điều khiển cho quá trình, đặt biệt là đối với những quá trình

mà có thời gian trễ đáng kể, hoặc thời gian đáp ứng của bộ điều khiển thứ nhất rất lớn

SP e

w

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển Cascade Control

Các trường hợp sử dụng Cascade Control:

- Cải thiện đáp ứng của hệ thống và tăng tính dễ điều khiển

- Thời gian chết của vòng điều khiển thứ nhất phải lớn Nếu điều nầy không đáp

ứng thì điều khiển Cascade sẽ không hiệu quả

- Động lực học toàn bộ của vòng thứ hai phải nhanh hơn vòng thứ nhất

2.4 Điều khiển sớm Feed forward Control

Điều khiển Feed forward còn gọi là kỹ thuật điều khiển sớm, với kỹ thuật này, thiết

bị điều khiển sẽ đo sự nhiễu loạn ảnh hưởng đến quá trình và phản ứng lại tương ứng

Điều này có nghĩa là chất lượng của quá trình điều khiển sẽ được cải thiện đáng kể vì

biến nhiễu sẽ không gây tác động đến hệ thống, nó đã được đo và điều khiển trước bởi bộ

Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển Feed forward Control

Các trường hợp sử dụng Feed forward:

- Phải biết được độ lớn của biến nhiễu, biến nhiễu thường gặp nhất là nhiệt độ và lưu

lượng

- Biết được cách thức mà nhiễu tác động lên quá trình

Chương 3 : PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP VỀ

NHẬN DẠNG HỆ THỐNG

3.1 Yêu cầu đề tài

Như mục tiêu đề tài đặt ra, yêu cầu đối với đề tài là phải nhận dạng được hệ thống

gia nhiệt đã thiết kế và chế tạo, đưa ra được hàm truyền mô hình và kiểm chứng mô hình

vừa nhận dạng được Từ đó điều khiển nhiệt độ của hệ thống bằng bộ điều khiển PID

3.2 Lưu đồ P&ID

Từ mối liên hệ giữa các thiết bị và quá trình hoạt động của hệ thống ta có lưu đồ

P&ID như sau:

Hình 3.1 Lưu đồ P&ID của hệ thống.

Các biến điều khiển trong mô hình:

 Điều khiển theo phương pháp Cascade Control

- CV: T0 (Nhiệt độ ngõ ra)

- MV: Ti (Nhiệt độ ngõ vào)

- DV: W0 (Lưu lượng của dòng lạnh)

 Điều khiển theo phương pháp Feed forward

- CV: T0 (Nhiệt độ ngõ ra)

- MV: W0 (Lưu lượng của dòng lạnh)

- DV: Ti (Nhiệt độ ngõ vào)

3.3 Các phương pháp nhận dạng hệ thống

Hệ thống điều khiển nhiệt độ lý tưởng thường là một hệ thống có khâu quán tính bậc

nhất (có trễ hoặc không có trễ) Tuy nhiên trong thực tế, các hệ thống thuờng bị ảnh

hưởng bởi nhiều yếu tố làm thay đổi hàm truyền, trong đồ án này là kích thước bồn trao

đổi nhiệt, kích thước bồn nóng và công suất thanh gia nhiệt, sự thất thoát nhiệt ra môi

trường,… Chính vì lẽ đó, ta có nhiều phương pháp nhận dạng tùy vào dạng hàm truyền

muốn tạo ra

3.3.1 Hàm truyền của khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ

Cho tín hiệu đầu vào là hàm nấc Hệ thống hoạt động với công suất lớn nhất Tín

hiệu đầu ra có dạng như hình vẽ:

Hình 3.2 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất

K được tính theo công thức: K = ∆𝑌

Cách làm giống như phương pháp trên

Tín hiệu đầu ra có dạng như hình vẽ:

Hình 3.3 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ

K được tính theo công thức: K = ∆𝑌

Dựa vào phương pháp hai điểm quy chiếu tương ứng với 0.283∆𝑌 và 0.632∆𝑌

 được tính theo công thức:  = 1.5( 𝑡2− 𝑡1) (3.6)

 được tính theo công thức:  = t2 -  (3.7)

3.3.2 Khâu quán tính bậc cao

Hàm truyền: G(s) = 𝐾(τd1 s + 1)(τd2s + 1)… (τdns + 1)

(τ1s+1)(τ2s+1)….(τns+1) 𝑒−𝜃𝑠 (3.8) Mỗi thừa số dưới mẫu biểu diễn cho một nghiệm cực của mô hình, mỗi thừa số trên

tử biểu diễn cho một điểm không (nghiệm zero)

Đối với hàm truyền dạng này, để tìm ra các tham số là khá khó khăn nếu chỉ đơn

thuần dùng các biến đổi toán học, ta nên dùng thêm phần mềm chuyên dụng để việc tính

toán được dễ dàng hơn

Ở mô hình đây ta tính toán chuyển từ bậc một có trể lên bâc hai không trể

Trong các mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ thực tế hàm truyền có nhiều dạng

khác nhau Trong quá trình thực hiện và thu thập số liệu nhóm thấy rằng tín hiệu vào ra là

hàm truyền khâu quán tính bậc một có trễ, nhưng để ứng tốt hơn nhóm dùng phương

pháp xấp xỉ để đưa về dạng bậc hai

3.4 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID

Trong thực tế có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID Có các

phương pháp thường được sử dụng như bên dưới là:

3.4.1 Phương pháp điều chỉnh bằng tay

Đặt 𝐾𝐼, 𝐾𝐷 =0 Tăng 𝐾𝑃 đến khi nào hệ thống dao động tuần hoàn Đặt thời gian tích

phân bằng chu kỳ dao động Điều chỉnh lại giá trị 𝐾𝑃 cho phù hợp Nếu có dao động thì

điều chỉnh giá trị 𝐾𝐷

Ưu điểm: không cần hiểu biết về toán Phương pháp online

Nhược điểm: yêu cầu người thực hiện có kinh nghiệm

3.4.2 Xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp thực nghiệm

(Phương pháp thứ hai của Zieger- Nichols)

Đặt 𝐾𝐼, 𝐾𝐷 =0 Tăng 𝐾𝑃 đến khi nào hệ thống dao động tuần hoàn Đặt 𝐾𝑃 này bằng

𝐾𝑐𝑟𝑖𝑡

Đo chu kỳ dao động đặt là 𝑇𝑐𝑟𝑖𝑡

Bảng 3.1 Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols

3.4.3 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR)

Hàm truyền của đối tượng cần điều khiển:

−𝜃𝑠

Phương pháp CHR cũng là phương pháp dùng để điều chỉnh tham số của bộ điều

khiển trong công nghiệp Phương pháp này dựa trên tham số thời gian của hệ thống với

đáp ứng hàm nấc Chien – Hrones – Reswick đưa ra nhiều sự lựa chọn bộ điều khiển của

hệ thống tuỳ thuộc vào tham số R, cho ở bảng sau:

Bảng 3.2 Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp CHR

Phương pháp này thường được dùng khi:

 Đường đặc tính hàm truyền đạt hệ kín không điều hoà

 Đường đặc tính hàm truyền đạt hệ kín dao động với độ vọt lố khoảng 20%

3.4.4 Phương pháp Cohen-Coon

Là phương pháp thiết kế dựa trên một số đáp ứng điển hình của hệ thống, cung cấp

khả năng ước lượng để tính toán các thông số của hệ thống

3.4.5 Phương pháp sử dụng phần mềm

Phần mềm điều chỉnh PID tối ưu hóa vòng lặp được dùng để đảm bảo khả năng đáp

ứng của hệ thống tốt và hiệu suất cao Những gói phần mềm này sẽ tập hợp dữ liệu, xây

dựng mô hình toán của hệ thống và đề xuất phương pháp điều chỉnh tối ưu

Nhiều phát minh hiện nay đã được nhúng sẵn vào trong các module phần mềm và

phần cứng để điều chỉnh PID

3.5 Lựa chọn phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID

Có nhiều phương pháp để lựa chọn thông số cho bộ điều khiển PID Từ hàm truyền

mô hình thu được và sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng nhóm thấy đồ thị đáp ứng

không có dao động Do đó nhóm sử dụng phương pháp điều chỉnh bằng tay để tìm thông

số PID

Chương 4 : ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

4.1 Đề xuất công nghệ

Để thực hiện mục tiêu đề tài, ta cần thu thập được dữ liệu từ hệ thống thực, phân tích

dữ liệu đó để tìm ra hàm truyền mô tả hệ thống, sau đó đưa hàm truyền này vào chương

trình điều khiển để viết giải thuật điều khiển cho hệ thống thực

Để làm được những việc trên, ta cần một hệ thống với các thiết bị và công cụ có thể

tương tác và hỗ trợ nhau như: phần cứng thu thập dữ liệu, trung tâm điều khiển (máy

tính, PLC, WINCC ), phần mềm và công cụ hỗ trợ ( Matlab, SIMATIC Manager )

Trong đồ án này nhóm chọn hướng kết hợp giữa phần cứng thu thập dữ liệu là PLC với

trung tâm điều khiển là máy tính và phần mềm WINCC

4.1.1 SIMATIC Manager

SIMATIC Manager là phần mềm cho phép viết các chương trình điều khiển cho các

thiết bị trong một dự án Với các thư viện được Siemens viết sẵn thuộc các loại FC, FB,

SFC, SFB giúp cho người dùng dễ dàng lập trình Có thể liên kết với phần mềm WINCC

thông qua các biến địa chỉ để điều khiển và giám sát hệ thống

- Xử lý tín hiệu analog

- Sơ đồ khối đọc và xử lý tín hiệu analog là dòng hoặc áp:

Hình 4.1 Sơ đồ đọc và xử lý tín hiệu analog và dòng hoặc áp

- Sơ đồ khối đọc và xử lý tín hiệu analog là nhiệt độ lấy trực tiếp từ thermocoupler

hoăc PT:

Hình 4.2 Sơ đồ xử lý tín hiêu analog là nhiệt độ

- Khối điều khiển PID

Sử dụng khối DB58 để điều khiển PID

4.1.2 Phần mềm mô phỏng WINCC

Là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HIM ( Human

Machine Interface ) trong một hệ thống SCADA ( Supervisory Control And Data

Acquisition ) với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản

xuất

Với WINCC có thể tận dụng nhiều giải pháp khác nhau từ thiết kế cho hệ thống có

quy mô nhỏ đến quy mô lớn, hệ thống thực hiện sản xuất MES ( Manuafacturing

Excution System ) WINCC có thể mô phỏng bằng hình ảnh, các sự kiện xảy ra trong quá

trình điều khiển dưới dạng chuổi sự kiện, cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích

hiển thị thông báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lường…

WINCC sử dụng chức năng phổ biến sau:

 Graphics Designer: Thực hiện dể dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động qua

các đối tượng đồ họa của chương trình WINCC, I/O , Windows

 TagLogging: Thu thập, lưu trử và xuất ra dưới nhiều dạng khác nhau từ các quá

trình đang thực thi

 Alarm Logging: Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các cảnh báo khi hệ

thống đang vận hành, nhận thông tin từ các quá trình, hiển thị hồi đáp và lưu trử

chúng Alarm Logging còn giúp chúng ta phát hiện ra nguyên nhân của lỗi

 Report Designer: Tạo ra các thông báo, kết quả và các thông báo này được lưu

dưới dạng sự kiện

 User Achivers: Cho phép người dùng lưu trử dữ liệu từ các chương trình ứng dụng

và có khả năng trao đỏi dữ liệu với các thiết bị khác

4.1.3 Khối công suất

Khối công suất trong hệ thống giữ một vị trí rất quan trọng vì khối công suất sẽ đảm

nhiệm việc điều khiển công suất cho thanh gia nhiệt trong lò nhiệt khi nhận được tín hiệu

điều khiển từ bộ điều khiển từ PLC và WINCC Ở đây do thanh gia nhiệt dùng ở mạng

lưới điện xoay chiều 1 pha 220V nên khối công suất G3PX- 220EH đáp ứng được yêu

cầu điều khiển được thanh gia nhiệt này

Tín hiệu điều khiển từ trung tâm điều khiển (máy tính) xuất ra modul AO của PLC là

dạng tín hiệu analog ( 4 – 20 mA ), trong khi đối tượng điều khiển (thanh gia nhiệt) là

loại dùng điện xoay chiều 220VAC Do vậy cần có một khối công suất nhằm chuyển đổi

tín hiệu từ 4 -20mA thành 0÷220VAC mà vẫn đảm bảo tính liên tục của tín hiệu

Từ yêu cầu đó, nhóm đã chọn bộ công suất G3PX- 220EH của OMRON

Hình 4.3 Khối công suất

Thông số kỹ thuật:

- Tín hiệu điều khiển: 5V - 24V, ON/OFF, 4mA - 20mA

- Khả năng chịu áp: 100 - 240 VAC

- Khả năng chịu dòng: 20A 50/60 Hz

- Điện áp cung cấp: 110VAC - 220VAC 50Hz

Sơ đồ đấu dây:

Hình 4.4 Sơ đồ mắc dây khối công suất

Chân số 1 và 2: kết nối với biến trở để chỉnh ở chế độ bằng tay

Chân số 3 và số 5: nhận tín hiệu điện áp 5 ÷ 24VDC

Chân số 4 và số 5: nhận tín hiệu điện áp 1 ÷ 5VDC hoặc tín hiệu dòng từ 4 ÷ 20 mA

Chân số 6 và số 7: điều chỉnh độ rộng xung

Chân số 8 và số 10: nguồn cung cấp là 200/220VAC 50/60Hz

Chân số 9 và số 10: nguồn cung cấp là 100/110VAC 50/60 Hz

Chân số 11 và số 12: đo dòng ở tải

Chân số 13 và số 14: reset

Chân số 15, 16 và 17: alarm

Ngõ A và B được nối với tải

Hình 4.5 Cách mắc dây cho tải

- Nguyên lý hoạt đông

- Chế độ ON-OFF:

Khi tín hiệu điều khiển được nối vào chân kích số 3 và 5 thì ngõ ra sẽ là bộ

điềukhiển ON-OFF.Tín hiệu điều khiển mức 0 là 0V, mức 1 là 5 ÷ 24VDC

- Chế độ điều chỉnh dòng điện ngõ ra:

Khi cấp tín hiệu dòng điện từ 4 ÷ 20 mA vào chân kích 4 và 5 thì bộ công suất sẽ

xử lý đưa ra góc kích α cho solid state relay (G3PX-220EH) để điều chỉnh điện áp ngõ

ra cấp cho thanh gia nhiệt Ta có đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R như sau:

4.2 Tính toán thiết kế

Dựa vào định hướng nghiêng cứu của đề tài, mô hình đã có những bộ phận đã có sẳn

và kích thước mô hình hạn chế Nhóm đã tiến hành thiết kế và chỉnh sửa lại phần cơ khí

cho mô hình như sau:

Hình 4.7 Mô hình tổng thể

4.2.1 Bồn nóng

Chọn vật liệu: Trong môi trường nhiệt độ cao nên chọn vật liệu chịu nhiệt, chống gỉ

và biến dạng nên nhóm chọn vật liệu là inox 304

Bồn nóng là bộ phận chứa chất lỏng được đun nóng trực tiếp bởi điện trở nhiệt Dưới

đây là bản vẽ chi tiết bồn nóng

Hình 4.7 Bản vẽ chi tiết bồn nóng

4.2.2 Thanh điện trở đốt nóng

Hình 4.8 Thanh điện trở đốt nóng

Thanh điện trở là bộ phận phát nhiệt của lò làm việc ở điều kiện khắc nghiệt đòi hỏi

phải chịu được nhiệt độ cao, ít bị oxi hoá, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao

Trong đề tài này thanh điện trở đốt nóng dùng để đun nóng chất lỏng trong bồn và

kích thước bồn nóng nhỏ, nhiệt độ yêu cầu từ 50 – 100 °𝐶 nên nhóm chọn thanh điện trở

có công suất 800W

Khi nhiệt độ thay đổi thì giá trị điện trở giữa hai đầu dây sẽ thay đổi, mỗi giá trị nhiệt

độ ứng với một giá trị điện trở khác nhau và có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ

- Tín hiệu đầu ra là tuyến tính, chống oxy hóa cao, độ nhạy cao

- Được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và thời gian đo

4.2.4 Tủ điện

Nhằm làm hệ thống đảm bảo đặc tính an toàn về điện, thẩm mỹ cho mô hình và nhỏ

gọn nên tủ điện được đề xuất và sử dụng trong hệ thống với nhiệm vụ gá đặt các thiết bị