Nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TỐN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử HàNội – 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TỐN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CƠNG NGHIỆP Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 8520114.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng HàNội – 2019 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CƠNG NGHIỆP Trần Thị Thu Trang Khóa QH-2016-I, ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Tóm tắt luận văn thạc sĩ Ngày nay, điều khiển PID đóng vai trò quan trọng sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt điều khiển phản hồi.Mơ–đun kiểm sốt nhiệt độ chất lỏng RYC-TAG hãng EDIBON thiết kế điều khiển PID cho phép người dùng đo đạc nhiệt độ chất lỏng, điều khiển hoạt động mô– đun thơng qua phần mềm RYC Để tí nh tốn thông số 𝐾𝑃 , 𝑇𝐼 , 𝑇𝐷 điều khiển PID đưa vào hệ thống để tiến hành điều khiển, luận văn sử dụng phần mềm Matlab Luận văn tập trung nghiên cứu, xây dựng điều khiển PID điều khiển nhiệt độ chất lỏng Việc đo đạc nhiệt độ vàtính tốn thơng số dựa số tài liệu cung cấp từ nhàsản xuất vàquátrình thực nghiệm, từ kiểm chứng độ chí nh xác thiết bị đo tác dụng điều khiển PID trình điều khiển nhiệt độ Từ khóa: RYC-TAG, MATLAB, RYC Software, PID LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu xây dựng mơ hình đo điều khiển nhiệt độ theo thuật tốn PID với cảm biến cơng nghiệp” hoàn thành hướng dẫn thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài làtrung thực chưa công bố hì nh thức trước HàNội, ngày 20 tháng 04 năm 2019 Sinh viên thực Trần Thị Thu Trang LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng người hướng dẫn, bảo vàtạo điều kiện tốt cho em suốt quátrì nh thực luận văn thạc sĩ, giúp em hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa Cơ học kỹ thuật & Tự động hóa, trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc Gia HàNội tận tình giúp đỡ, cung cấp cho em kiến thức quýgiávàtạo điều kiện cho em suốt quátrì nh học tập trường Mặc dù cố gắng song luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Kí nh mong thầy cơcùng tồn thể bạn bè đóng góp ýkiến để luận văn hồn thiện Em xin kính chúc thầy cô sức khỏe, thành công công việc đào tạo hệ tri thức tương lai Em xin chân thành cảm ơn! HàNội, ngày 20 tháng 04 năm 2019 Sinh viên thực Trần Thị Thu Trang MỤC LỤC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT PID 12 1.1 Khái quát điều khiển PID 12 1.1.1 1.1.1.1 Hoạt động tỷ lệ 12 1.1.1.2 Đáp ứng hệ thống theo điều khiển tỷ lệ 15 1.1.1.3 Các ứng dụng điều khiển theo tỷ lệ 19 1.1.2 Điều khiển tích phân 22 1.1.2.1 Điều khiển thả 22 1.1.2.2 Hoạt động tích phân 22 1.1.2.3 Đáp ứng hệ thống điều khiển tí ch phân 23 1.1.2.4 Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí ch phân 24 1.1.2.5 Đáp ứng hệ thống điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí ch phân 26 1.1.3 1.2 Điều khiển tỷ lệ 12 Điều khiển vi phân 29 1.1.3.1 Hoạt động vi phân 29 1.1.3.2 Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân 30 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID 33 1.2.1 Phương pháp Ziegler – Nichols 33 1.2.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 35 1.2.3 Phương pháp lấy giátrị phần mềm 37 1.3 Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển 37 1.3.1 Sai số xác lập 37 1.3.2 Đáp ứng độ 38 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT MƠ HÌNH VÀ NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ NƯỚC 40 2.1 Cấu tạo vànguyên lýhoạt động thiết bị điều khiển nhiệt độ RYC-TAG 40 2.1.1 Cấu tạo 40 2.1.2 Nguyên lýhoạt động 42 2.2 Mô–đun RYC 44 2.3 Phần mềm RYC 48 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH ĐO ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƯỚC 50 3.1 Mục tiêu nghiên cứu 50 3.2 Mô–đun RYC 50 3.2.1 Đáp ứng hệ thống bậc miền thời gian 50 3.2.2 Cấu trúc điều khiển PID 53 3.2.3 Điều khiển PID hệ thống bậc 58 3.3 Mô–đun RYC-TAG 60 3.3.1 Mơhình tốn học hệ thống trao đổi nhiệt 60 3.3.2 Xác định đặc tính mơ–đun điều khiển nhiệt độ dòng chất lỏng 63 3.3.3 Môphỏng Matlab 65 3.3.3.1 Giới thiệu phần mềm Matlab 65 3.3.3.2 Sơ đồ môphỏng 67 3.3.3.3 3.3.4 Môphỏng với giátrị 𝑲𝑷, 𝑻𝑰, 𝑻𝑫 68 Điều khiển nhiệt độ dòng chảy mơ–đun RYC-TAG PID 70 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển tỷ lệ tí ch phân vi phân MATLAB MATrix LABoratory Phần mềm lập trì nh vàtí nh tốn B.P BandPass Dải GUI Graphical User Interface Giao diện đồ họa người dùng CPU Central Processing Unit Bộ vi xử lýtrung tâm ST Sensor Temperature Cảm biến nhiệt độ AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LAG/LEAD Hệ thống bù Cold Fluid Dòng nước lạnh Hot Fluid Dòng nước nóng 𝐾𝑃 Hệ số tỷ lệ 𝑇𝐼 Hệ số tí ch phân 𝑇𝐷 Hệ số vi phân IN Đầu vào OUT Đầu A Khu vực trao đổi nhiệt 𝐶𝑝,𝑐 Nhiệt dung riêng chất lỏng lạnh 𝐶𝑝,𝐻 Nhiệt dung riêng chất lỏng nóng 𝐹𝑐 Tốc độ dòng chảy chất lỏng lạnh 𝐹𝐻 Tốc độ dòng chảy chất lỏng nóng 𝑚̇ 𝑐 Khối lượng chất lỏng lạnh 𝑚𝐻 ̇ Khối lượng chất lỏng nóng 𝑇𝑐 Nhiệt độ đầu chất lỏng lạnh 𝑇𝑐0 Nhiệt độ đầu vào chất lỏng lạnh 𝑇𝐻 Nhiệt độ đầu chất lỏng nóng 𝑇𝐻0 Nhiệt độ đầu vào chất lỏng nóng U Hệ số truyền nhiệt DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ 34 Bảng 1.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai 35 Bảng 1.3 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 36 Bảng 1.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 36 Bảng 1.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 36 Bảng 1.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 37 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Điều khiển theo tỷ lệ .12 Hình 1.2 Thay đổi độ nghiêng đường hoạt động điều khiển theo tỷ lệ 13 Hì nh 1.3 Sự biến thiên dải tỷ lệ 14 Hình 1.4 Đáp ứng điều khiển theo tỷ lệ 15 Hình 1.5 Điều khiển tự động nhiệt độ đầu chất lỏng trao đổi nhiệt[10, pp.28] 15 Hình 1.6 Đường tải quátrình 16 Hình 1.7 Các điều kiện hoạt động hệ thống theo số liệu thiết kế 16 Hì nh 1.8 Hệ thống điều khiển theo tỷ lệ 17 Hì nh 1.9 Sự biến thiên tải quátrình .18 Hình 1.10 Điều chỉnh thủ cơng biến thiên tải 18 Hì nh 1.11 Chuyển dịch pha biến vàhoạt động hiệu chỉnh 20 Hì nh 1.12 Hệ thống điều khiển với độ trễ động học đáng kể 20 Hình 1.13 Đồ thị dao động biến điều khiển 21 Hình 1.14 Đáp ứng điều khiển tí ch phân 23 Hình 1.15 Đáp ứng quátrình điều khiển tí ch phân 24 Hình 1.16 Đáp ứng điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí ch phân 25 Hình 1.17 Đáp ứng quátrình với điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tí ch phân 27 Hình 1.18 Tác động tỷ lệ đặt lại đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ kết hợp tí ch phân 28 Hình 1.19 Tác động biên độ dải tỷ lệ đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ + tí ch phân 28 Hình 1.20 Đáp ứng điều khiển vi phân 30 Hì nh 1.21 Sự đáp ứng điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân 31 Hì nh 1.22 Thời gian tỷ lệ 32 Hình 1.23 Tác động hoạt động vi phân 33 Hình 1.24 Đáp ứng nấc hệ hở códạng S 34 Hình 1.25 Xác định số khuyếch đại tới hạn 34 Hình 1.26 Đáp ứng nấc hệ kí n k=𝑘𝑡ℎ 35 Hình 1.27 Đáp ứng nấc hệ thí ch hợp theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick .35 Hì nh 1.28 Hệ thống hồi tiếp âm 37 Hì nh 1.29 Sai số xác lập 38 Hì nh 1.30 Hiện tượng vọt lố 38 Hình 1.31 Độ vọt lố .38 Hì nh 1.32 Thời gian độ 39 Hì nh 1.33 Thời gian lên 39 Hì nh 2.1 Mơ–đun RYC-TAG [12, pp.2] .40 Hì nh 2.2 Mơ–đun kiểm sốt nhiệt độ chất lỏng 41 Hì nh 2.3 Cấu tạo hộp giao diện điều khiển 42 Hình 2.4 Mơ hình dòng trao đổi nhiệt 43 Hì nh 2.5 Mơ–đun RYC [11, pp.2] 44 Hì nh 2.6 Mơ–đun tín hiệu tham chiếu 45 Hì nh 2.7 Mô–đun điều khiển PID vàLAG/LEAD .46 Hì nh 2.8 Mơ–đun hệ thống bậc 46 60 - 𝐾𝑐 = 1, 𝑇𝐼 = 10𝑚𝑠 Hình 3.19 Phản ứng hệ thống bậc dùng PID với 𝐾𝑐 = 1,𝑇𝐼 = 1𝑚𝑠 - 𝐾𝑐 = 1, 𝑇𝐼 = 10𝑚𝑠, 𝑇𝐷 = 0𝑚𝑠 Hì nh 3.20 Phản ứng hệ thống bậc dùng PID với 𝐾𝑐 = 1,𝑇𝐼 = 10𝑚𝑠, 𝑇𝐷 = 0𝑚𝑠 - 3.3 Nhận xét:  Đường tín hiệu màu đen tín hiệu đầu vào hì nh vng có biên độ 5V, tần số 5Hz  Đường tín hiệu màu đỏ làtí n hiệu đầu hệ thống bậc  Quan sát tham số tí ch phân 𝑇𝐼 làm giảm lỗi chế độ ổn định làm tăng tính khơng ổn định cho hệ thống (vượt nhẹ) Giátrị 𝑇𝐼 tăng thấy độ vọt giảm Mơ–đun RYC-TAG 3.3.1 Mơhì nh tốn học hệ thống trao đổi nhiệt Mô–đun điều khiển nhiệt độ dòng chảy nước gồm hai hệ thống: hệ thống máy bơm hệ thống trao đổi nhiệt Hì nh 3.21 giải thí ch mơhì nh trao đổi nhiệt 61 Hình 3.21 Hệ thống trao đổi nhiệt Sự cân lượng chất lỏng trao đổi nhiệt xác định theo phương trình (3.1): 𝑚̇ 𝑐𝑝 𝑑𝑇(𝑡) 𝑑𝑡 = F 𝑐𝑝 ∆𝑇 ± 𝑞̇ (3.1) 𝑞̇ = 𝑈.𝐴.∆𝑇𝑙𝑚 (3.2) Áp dụng phương trình (3.1) và(3.2) cho chất lỏng nóng vàlạnh, kết là: 2 𝑚̇ 𝑐 𝑐𝑝,𝑐 𝑚𝐻 ̇ 𝑐𝑝,𝐻 𝑑𝑇𝑐 (𝑡) 𝑑𝑡 = 𝐹𝑐 (𝑡 ) 𝑐𝑝,𝑐 (𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐 (t)) + 𝑈.𝐴.∆𝑇𝑙𝑚 (𝑡) 𝑑𝑇𝐻 (𝑡) 𝑑𝑡 = 𝐹𝐻 (𝑡 ) 𝑐𝑝,𝐻 (𝑇𝐻0 − 𝑇𝐻 (𝑡 ))– 𝑈.𝐴.∆𝑇𝑙𝑚 (𝑡) (3.3) (3.4) Lưu ý dấu 𝑞 phụ thuộc chất lỏng thu nhiệt hay tỏa nhiệt Hằng số vàcác biến định nghĩa sau: ∆𝑇𝑙𝑚 [K]: hiệu số truyền nhiệt Nó tính theo cơng thức (3.5): ∆𝑇𝑙𝑚 = (𝑇𝐻0 −𝑇𝑐 )−(𝑇𝐻 −𝑇𝑐0 ) (3.5) 𝑇 −𝑇 ) ln( 𝐻0 𝑐 ) 𝑇𝐻 −𝑇𝑐0 Mặt khác nólàhiệu số nhiệt độ nên cóthể viết: ∆𝑇𝑙𝑚 = 𝑇𝐻0 +𝑇𝐻 − 𝑇𝑐0 +𝑇𝑐 = 𝑇𝐻0 +𝑇𝐻 −𝑇𝑐0 −𝑇𝑐 A [𝑚2 ]: Diện tích khu vực trao đổi nhiệt 𝐶𝑝,𝑐 [ 𝐽 𝐾𝑔.𝐾 𝑐𝑝,𝐻 [ ]: Nhiệt dung riêng chất lỏng lạnh 𝐽 𝐾𝑔.𝐾 ]: Nhiệt dung riêng chất lỏng nóng (3.6) 62 𝐾𝑔 𝐹𝑐 [ ]: Tốc độ dòng chảy chất lỏng lạnh 𝑠 𝐾𝑔 𝐹𝐻 [ ]: Tốc độ dòng chảy chất lỏng nóng 𝑠 𝑚̇ 𝑐 [Kg]: Khối lượng chất lỏng lạnh ống 𝑚𝐻 ̇ [Kg]: Khối lượng chất lỏng nóng ống 𝑇𝑐 [K]: Nhiệt độ đầu chất lỏng lạnh 𝑇𝑐0 [K]: Nhiệt độ đầu vào chất lỏng lạnh 𝑇𝐻 [K]: Nhiệt độ đầu chất lỏng nóng 𝑇𝐻0 [K]: Nhiệt độ đầu vào chất lỏng nóng 𝑈[ 𝑊 𝑚2 𝐾 ]: Hệ số truyền nhiệt khu vực A Thay ∆𝑇𝑙𝑚 vào phương trình chất lỏng lạnh (3.3), ta phương trình: 𝑚̇ 𝑐 𝑐𝑝,𝑐 𝑑𝑇𝑐 𝑑𝑡 = 𝐹𝑐 (𝑡).𝑐𝑝,𝑐 (𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐 (𝑡)) + 𝑈 𝐴 (𝑇𝐻0 + 𝑇𝐻 − 𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐 ) (3.7) Phương trình (3.7) khơng tuyến tính, tuyến tính phương trình (3.8): 𝑚̇ 𝑐 𝑐𝑝,𝑐 ̅̅̅𝑐 𝑑𝑇 𝑑𝑡 𝑈𝐴 𝑈𝐴 ̅̅̅ = 𝑐𝑝,𝑐 (𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐𝑠 )𝐹̅𝑐 − 𝐹𝑐𝑠 𝑐𝑝,𝑐 𝑇̅𝑐 − 𝑇̅𝑐 + 𝑇 𝐻 2 (3.8) “s” giátrị thông số đạt tới trạng thái ổn định Sử dụng phép biến đổi Laplace, phương trình viết dạng: 𝑇𝑐 = 𝑐𝑝,𝑐 (𝑇𝑐0 −𝑇𝑐𝑠 ) 𝑈𝐴 𝐹𝑐 + 𝑚̇ 𝑐 𝑠+ 𝐹𝑐𝑠 𝑐𝑝,𝑐+ 𝑐 𝑝,𝑐 𝑈𝐴 𝑈𝐴 𝑚̇ 𝑐 𝑠+ 𝐹𝑐𝑠.𝑐𝑝,𝑐 + 𝑐 𝑝,𝑐 𝑇𝐻 (3.9) Hệ thống cấu tạo hai hàm truyền: đầu vào Tuy nhiên, xem xét 𝐹𝑐 biến vìvậy hàm truyền cóliên quan nhiệt độ chất lỏng nóng nhiệt độ chất lỏng lạnh 𝐺1 = 𝑇𝑐 (𝑠) 𝑇𝐻 (𝑠) = 𝑈𝐴 𝑈𝐴 𝐹𝑠𝑐 𝑐𝑝,𝑐 + 𝑚̇ 𝑐 𝑐𝑝,𝑐 𝑈𝐴𝑠+1 𝐹𝑠𝑐 𝑐𝑝,𝑐 + = 𝑘1 𝜏1 𝑠+1 (3.10) Đối với phương trình chất lỏng nóng cần thay nhiệt độ chất lỏng lạnh cách sử dụng phương trình: 𝑄 = 𝐹𝐻 (𝑇𝐻0 − 𝑇𝐻 ) = 2𝑈𝐴(𝑇𝐻0 + 𝑇𝐻 − 𝑇𝑐0 − 𝑇𝑐 ) (3.11) Phương trình kết phụ thuộc hai tham biến: 𝑇𝑐 và𝐹𝐻 Áp dụng phép biến đổi Laplace vào phương trình tuyến tính phương trình liên quan nhiệt độ chất lỏng nóng với tốc độ dòng chảy chất lỏng nóng: 63 𝐺2 = 𝑇𝐻 (𝑠) 𝐹𝐻 (𝑠) 𝑇𝐻0 −𝑇𝑠𝐻 𝐹𝑠𝐻 𝑚 ̇ 𝑐 𝐻 𝑝,𝐻 𝑠+1 𝐹𝑠𝐻 (𝐶𝑝,𝐻 +1) = = 𝑘2 𝜏2 𝑠+1 (3.12) Vìvậy, hàm truyền liên quan nhiệt độ chất lỏng lạnh với tốc độ dòng chất lỏng nóng là: 𝐺 (𝑠) = 𝐺1 (𝑠) 𝐺2 (𝑠) = 𝑘1 𝑘2 (𝜏1 𝑠+1)(𝜏2 𝑠+1) (3.13) 3.3.2 Xác định đặc tính mơ–đun điều khiển nhiệt độ dòng chất lỏng Xem xét tính truyền hệ thống hồn chỉnh Hệ thống gồm hai dòng nước: dòng nước lạnh nóng lên nhờ trao đổi nhiệt, nhiệt độ đo lối Hệ thống có dòng nước nóng bao gồm bể chứa với phận làm nóng máy bơm Trước thiết kế điều khiển hệ thống, cần mơ hình tốn học đại diện cho hệ thống Mơ–đun điều khiển nhiệt độ dòng chảy nước gồm hai hệ thống con: hệ thống bơm nước vàhệ thống trao đổi nhiệt Mơhì nh tốn học máy bơm hệ thống bậc Mơhình trao đổi nhiệt tạo thành hàm truyền bậc Vìvậy, nhân hai động lực học có mơhì nh tốn học hồn chỉnh dòng chảy nước mơ–đun kiểm sốt nhiệt độ điều khiển tốc độ dòng chảy: Hình 3.22 Sơ đồ khối đặc tí nh RYC-TAG Hệ thống tạo thành ba hàm bậc Để đơn giản hóa hệ thống, cóthể coi hệ thống bậc với số sau: 𝐾𝑇 = 𝐾 𝐾1 𝐾2 𝑑 (3.14) 𝑇𝑇 = 𝑇 + 𝑇1 + 𝑇2 (3.15) 64 Do đó, hệ thống thiết kế làhệ thống bậc nhất: Hình 3.23 Sơ đồ khối đơn giản RYC-TAG Các yếu tố cần thiết - Mơ–đun tín hiệu tham khảo Mơ–đun kiểm sốt nhiệt độ dòng nước (RYC-TAG) Phương pháp thực - Thực kết nối mơ–đun hình 3.24, đảm bảo mức nước bể chứa ngưỡng cho phép, lưu lượng nước khoảng lí t/phút Hì nh 3.24 Kết nối thực hành đặc tí nh mơ–đun kiểm sốt dòng chất lỏng [12, pp.20] - - Bật phận làm nóng vàbật bơm, chờ nhiệt độ nước bể ST-1đạt 50℃ Thiết lập tín hiệu bước theo thông số:  Biên độ: 3V  Tần số: 0Hz Kết thực nghiệm: 65 Hì nh 3.25 Phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng chất lỏng tần số 5Hz - - - Quan sát cách van điện tử tỷ lệ cho phép nước chảy qua trao đổi nhiệt, nhiệt độ nước đầu ST-2 tăng Giátrị K thu làsự chênh lệch nhiệt độ cuối đầu ST-2 biên độ tí n hiệu đầu vào Thơng số T làthời gian cần thiết để đạt khoảng 63% giátrị cuối Nhiệt độ cuối cóthể coi lànhiệt độ xung quanh giátrị cuối Khi thiết lập thông số tí n hiệu trên, quan sát thấy van điện tử cho dòng nước nóng chảy qua mạnh vàliên tục Khi thay đổi tần số van điện tử dòng nước chảy ngắt qng Vìvậy, tốc độ lưu lượng dòng nước nóng chảy qua van điện tử hoạt động tỷ lệ điện áp đầu vào Độ mở van điện tử lớn tương ứng điện áp đầu vào lớn, lưu lượng dòng chảy nước nóng tăng Nhiệt độ nước đầu ST-2 tăng điện áp cấp vào hệ thống tăng Thơng qua qtrình thực nghiệm, thu hàm truyền tương ứng T=11ms, K=1 𝐻 (𝑠 ) = 1+0.011𝑠 (3.16) 3.3.3 Môphỏng Matlab 3.3.3.1 Giới thiệu phần mềm Matlab Matlab làmột ngơn ngữ lập trì nh thực hành bậc cao sử dụng để giải tốn kỹ thuật Matlab tích hợp việc tí nh tốn, thể kết quả, cho phép lập trì nh, giao diện làm việc dễ dàng cho người sử dụng Dữ liệu với thư viện lập trì nh sẵn cho phép người sử dụng cóthể có ứng dụng dưới: - Sử dụng hàm có sẵn thư viện, phép tí nh tốn học thơng thường Cho phép lập trình tạo ứng dụng Cho phép mơphỏng mơhì nh thực tế Phân tích, khảo sát vàhiển thị liệu 66 - Phần mềm đồ họa mạnh Cho phép giao tiếp, phát triển với số phần mềm khác C++, Fotran Hình 3.26 Giao diện Matlab Matlab làmột hệ thống tương giao, cốt lõi phần mềm làdữ liệu lưu dạng mảng vàcác phép tính tốn ma trận, giúp việc tí nh toán Matlab nhanh thuận tiện so với lập trình C hay Fortran Đặc biệt, khả tính tốn Matlab cóthể dễ dàng mở rộng thơng qua toolbox Toolbox làtập hợp hàm Matlab (Mfile) giúp giải toán cụ thể Người thiết kế viết code (tí nh tốn, mơ phỏng,…) cách chọn New  File  M-file Một cửa sổ lệnh ta sau lưu dạng *.m Simulink làphần mềm gói gọn sử dụng xây dựng mơhì nh, mơphỏng tí nh tốn hệ thống tự động Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tí nh, phi tuyến, mơ hình thời gian gián đoạn liên tục kết hợp hai Mơ hì nh Simulink cung cấp giao diện đồ hoạ (GUI) cho việc xây dựng mơ khối (block), người dùng kéo thả 67 Hình 3.27 Giao diện Simulink Matlab cung cấp công cụ tự động lựa chọn giátrị điều khiển PID Người dùng truy cập vào thuật tốn điều chỉnh trực tiếp sử dụng pidtune thông qua giao diện người dùng đồ họa (GUI) cách sử dụng pidTuner Thuật toán lựa chọn tự động giátrị PID Matlab để cân hiệu suất (thời gian đáp ứng, biên độ) độ bền (mức độ ổn định) Câu lệnh: pidtune(P,’pid’) 3.3.3.2 Sơ đồ môphỏng Sơ đồ môphỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng chảy mơ–đun RYC-TAG Hình 3.28 Sơ đồ môphỏng mô–đun RYC-TAG 68 3.3.3.3 Môphỏng với giátrị 𝑲𝑷 , 𝑻𝑰 , 𝑻𝑫 Tiến hành tính 𝐾𝑃 , 𝐾𝐼 , 𝐾𝐷 cách sử dụng phần mềm Matlab với câu lệnh pidtune Hình 3.29 Tí nh tốn thơng số PID Matlab Sau tính tốn thu kết quả: 𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = Kết đáp ứng tín hiệu đầu so với tí n hiệu đặt trước cơng cụ Simulink Hình 3.30 Tune PIDvới𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = 69 Hình 3.31 Thơng số chất lượngvới 𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = Màn hình Scope: Hình 3.32 Đáp ứng đầu với 𝐾𝑃 = 1.43, 𝐾𝐼 = 236, 𝐾𝐷 = Nhận xét: thấy đồ thị đáp ứng đầu bị vọt lố so với tí n hiệu đầu vào 70 Có: 𝑇𝐼 = 𝐾𝑃 1.43 = = 𝑚𝑠 𝐾𝐼 236 𝐾𝐶 = 𝐾𝑃 = 1.43 Do đó, thơng số thu theo môphỏng phần mềm Matlab: 𝐾𝑃 = 1.43 𝑇𝐼 = 𝑚𝑠 𝑇𝐷 = 𝑚𝑠 Chỉnh tay giátrị thông số P, I, D vàthử nghiệm MatLab thu 𝐾𝑃 = 10, 𝐾𝐼 = 333, 𝐾𝐷 = cho kết phùhợp nhất; tương ứng giátrị: 𝑇𝐼 = 𝐾𝑃 10 = = 30 𝑚𝑠 𝐾𝐼 333 𝐾𝐶 = 𝐾𝑃 = 10 Màn hình Scope tương ứng: Hình 3.33 Đáp ứng đầu với 𝐾𝑃 = 10, 𝐾𝐼 = 333, 𝐾𝐷 = 3.3.4 Điều khiển nhiệt độ dòng chảy mơ–đun RYC-TAG PID Mục tiêu Bài thực hành thiết kế điều khiển để thực kiểm sốt nước thơng qua kiểm sốt dòng chảy Các yếu tố cần thiết - Mơ–đun tín hiệu tham khảo 71 - Mô–đun điều khiển PID Mô–đun kiểm sốt nhiệt độ dòng nước (RYC-TAG) Phương pháp thực - Kết nối mơ–đun hình 3.34 Hì nh 3.34 Mơ–đun điều khiển dòng nước với điều khiển PID [12, pp.22] - - Bật phận làm nóng bơm Chờ nhiệt độ cảm biến ST-1 đạt 50℃ Thiết lập thơng số tí n hiệu bước  Biên độ: 3V  Tần số: 0Hz 𝐾𝑐 = 2.5, 𝑇𝐼 = 𝑚𝑠, 𝑇𝐷 = 𝑚𝑠 Hình 3.35 Đồ thị (1) phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ nước Quan sát thấy hình 3.35 thấy có tượng vọt đầu Hì nh 3.36 cho thấy tăng 𝑇𝐼 thấy tượng vọt đầu giảm sai số tăng 72 Hình 3.36 Đồ thị (2) phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ nước 𝑇𝐼 tăng dẫn đến hệ thống phản ứng tí nh ổn định đầu bước tí n hiệu hình 3.34 Hình 3.37 Đồ thị (3) phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ nước - Quátrình thực nghiệm thu được: 𝐾𝑃 = 10, 𝑇𝐼 = 30 𝑚𝑠, 𝑇𝐷 = 𝑚𝑠 Hình 3.38 Đồ thị (4) phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ nước Từ hình 3.38 thấy tín hiệu phản hồi bám sát tín hiệu điều khiển, độ ổn định cao hơn, giảm độ vọt lố Trong qtrì nh thực nghiệm thấy tí n hiệu thu từ cảm biến nhiệt độ, thông số thu qua phần mềm có độ trễ, kết thực nghiệm thu vàthực tế cósự sai khác Mặt khác, việc quan sát, đo đạc trì nh thực nghiệm ảnh hưởng tác động bên nên kết thu chưa hoàn toàn lý tưởng 73 KẾT LUẬN Mục tiêu hệ thống điều khiển lànâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động Trên thực tế córất nhiều đối tượng cần điều khiển khơng có đủ tham số cần thiết, vìvậy việc thiết kế điều khiển kinh điển gặp nhiều khó khăn Luận văn chútrọng nghiên cứu xây dựng mơ hình đo điều khiển nhiệt độ theo thuật tốn PID với cảm biến cơng nghiệp Với kết thu từ mơ qtrì nh thực nghiệm, luận văn có đóng góp:  Luận văn nghiên cứu xây dựng vàmô hệ thống điều khiển nhiệt độ nước, hoạt động theo lý thuyết đề  Với điều khiển luận văn xây dựng, thông số chất lượng điều chỉnh: sai lệch, độ điều chỉnh, thời gian độ tương đối ổn Như vậy, điều khiển nghiên cứu luận văn đáp ứng yêu cầu chất lượng điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ  Luận văn giải vấn đề đặt ra.Tuy nhiên số hạn chế kiến thức chuyên sâu lĩnh vực điều khiển PID, kinh nghiệm sử dụng PID giới hạn mặt thời gian nên kết dừng lại việc đánh giá phù hợp lý thuyết Trong tương lai, hướng nghiên cứu mở rộng hơn: điều khiển nhiệt độ lò nung, điều khiển PH, điều khiển tốc độ hệ thống 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab&Simulink, Nhàxuất khoa học vàkỹ thuật, HàNội, tr.6-65 Nguyễn Đình Thúc (2000), Trítuệ nhân tạo – Mạng nơron – Phương pháp ứng dụng, Nhàxuất giáo dục, tr.16-38 Đặng Thế Ba (chủ biên), Đinh Trần Hiệp, Matlab ứng dụng kỹ thuật, Nhàxuất đại học Quốc gia Nguyễn Thị Phương Hà – Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB ĐHQGTPHCM, tr.156-157 http://www.dientuvietnam.net/forums/forum/ http://webdien.com/ https://codientu.org/threads/ https://www.youtube.com/ https://tailieu.vn Tiếng Anh 10 Elettronica Veneta, PID Control, Volume 1/2 Theory, Teacher/Student Handbook, Elettronica Veneta 11 Edibon, RYCPractical Exercises Manual, Edibon 12 Edibon, RYC-TAGPractical Exercises Manual, Edibon ... HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TỐN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CƠNG NGHIỆP Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật. .. nghiên cứu xây dựng mơ hình đo điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với cảm biến công nghiệp Phương pháp nghiên cứu Để thực nghiên cứu đề tài cần kết hợp hai phương pháp sau: - Phương pháp nghiên. .. Software, PID 2 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài Nghiên cứu xây dựng mơ hình đo điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với cảm biến cơng nghiệp hồn thành hướng dẫn thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng Các