Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ứng dụng cho lò điện trở

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP VƯƠNG XUÂN TRƯỜNG TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG CHO LÒ ĐIỆN TRỞ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN i http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CƠNG NGHIỆP VƯƠNG XN TRƯỜNG TỐI ƯU HĨA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG CHO LÒ ĐIỆN TRỞ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA TS NGUYỄN THỊ THANH NGA PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN ii http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên là: Vương Xuân Trường Sinh ngày: 06/03/1992 Học viên lớp cao học CK20_TĐH - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng Nghề số – Bộ Quốc Phòng Xin cam đoan: Đề tài “Tối ưu hóa tham số điều khiển ứng dụng cho lị điện trở” Cô giáo TS Nguyễn Thị Thanh Nga hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu cô giáo hướng dẫn Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học trước pháp luật Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Vương Xuân Trường Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN iii http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc, động viên, giúp đỡ hướng dẫn tận tình Cơ giáo hướng dẫn TS Ngũn Thị Thanh Nga, luận văn với đề tài “Tối ưu hóa tham số điều khiển ứng dụng cho lị điện trở” hồn thành Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến: Cô giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thị Thanh Nga tận tình dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành ḷn văn Khoa sau đại học, thầy, cô giáo Khoa Điện – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Ngun giúp đỡ tơi q trình học tập thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập, thực hồn thành luận văn TÁC GIẢ LUẬN VĂN VƯƠNG XUÂN TRƯỜNG Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN iv http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU x MỞ ĐẦU xi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÙNG ĐIỆN TRỞ 1.1 Giới thiệu lò điện trở 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Nguyên lý làm việc 1.1.3 Một số loại cảm biến nhiệt độ 1.1.4 Ứng dụng 1.2 Giới thiệu lị điện trở phịng Thí nghiệm Bộ mơn Tự động hóa 1.3 Lịch sử nghiên cứu 13 1.4 Kết luận chương 14 CHƯƠNG 15 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 15 2.1 Ý nghĩa việc xây dựng mơ hình tốn học [2] 15 2.2 Xây dựng mơ hình toán học phương pháp thực nghiệm 16 2.2.1 Khái niệm xây dựng mơ hình tốn học thực nghiệm [2] 16 2.2.2 Dữ liệu để xây dựng mơ hình tốn học thực nghiệm 17 2.2.3 Một số phương pháp xây dựng mơ hình tốn thực nghiệm [2] 19 2.2.4 Sử dụng System Identification Toolbox Matlab 21 2.3 Tổng hợp điều khiển 27 2.3.1 Phương pháp Ziegler- Nichols 29 2.3.2 Phương pháp modul tối ưu đối xứng 30 2.4 Kết luận chương 33 CHƯƠNG 34 TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 34 3.1 Tối ưu hóa tham số điều khiển 34 3.1.1.Điều chỉnh thủ công 35 3.1.2.Phương pháp Ziegler–Nichols 35 3.2.Tối ưu hóa tham số điều khiển sử dụng kỹ thuật Relay Feedback 36 3.3 Lựa chọn giải pháp kỹ thuật thực luật điều khiển 38 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN v http://lrc.tnu.edu.vn 3.3.1 Giới thiệu chung họ PLC S7- 200 39 3.3.2 Giới thiệu chung Modul mở rộng EM235 40 3.3.3 Bộ điều khiển PID S7-200 43 3.3.4 Bộ phát xung tốc độ cao PLC - S7 200 46 3.4 Kết luận chương 50 CHƯƠNG 51 THỰC NGHIỆM 51 4.1 Kết nối thiết bị thí nghiệm 51 4.2 Chương trình thực nghiệm điều khiển 52 4.2.1 Bước 1: Cài đặt điều chỉnh PID với tham số có từ tổng hợp kinh điển 52 4.2.2 Bước 2: Tối ưu hóa tham số điều khiển 57 4.2.3 Bước 3: Cập nhật tham số tối ưu 58 4.3 Kết thực nghiệm 63 4.4 Kết luận chương 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 Kết luận 66 Kiến nghị 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN vi http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Diễn giải nội dung đầy đủ TT Ký hiệu ADC Analog to Digital Converter, chuyển đổi tương tự - số DAC Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tương tự TBĐK Thiết bị điều khiển ĐTĐK Đối tượng điều khiển BĐK Bộ điều khiển TBĐL Thiết bị đo lường PLC Programmable logic controller DCS Distributed Control System Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN vii http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Ngun lý làm việc lò điện trở Hình Các loại lị điện trở Hình Cấu tạo cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thủy ngân Hình Lị điện trở PU-1 Hình Dạng điện áp Bộ biến đổi với điện áp 9V 10 Hình Dạng điện áp Bộ biến đổi với điện áp 2.45V 10 Hình 1.7 Điện trở quạt gió lị điện trở 11 Hình 1.8 Mạch khuếch đại tín hiệu nhiệt độ mạch lực biến đổi 12 Hình 1.9 Mạch phát xung điều khiển triac 12 Hình 1.10 Cảm biến đo nhiệt độ 13 Hình 2.1 Cấu trúc Điều khiển theo nguyên tắc phản hồi 15 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý thu thập liệu lò gia nhiệt 17 Hình 2.3 Sơ đồ thu thập liệu nhận dạng 17 Hình 2.4 Dữ liệu điện áp (volt) 18 Hình 2.5 Dữ liệu nhiệt độ (oC) 19 Hình 2.6 Giao diện cơng cụ System Identification Tool 21 Hình 2.7 Chọn nhập liệu miền thời gian 22 Hình 2.8 Nhập liệu nhận dạng mơ hình 22 Hình 2.9 Đưa liệu vào Working data Validation Data 23 Hình 2.10 Hình vẽ liệu theo thời gian 23 Hình 2.11 Giao diện Process Models 24 Hình 2.12 Lựa chọn mơ hình 24 Hình 2.13 Kết nhận dạng 25 Hình 2.14 Đánh giá kết nhận dạng mơ hình 25 Hình 2.15 Giao diện kết nhận dạng 26 Hình 2.16 Đặc tính q độ đối tượng 27 Hình 17 Cấu trúc điều khiển PID 28 Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 29 Hình 19 Đặc tính q độ hệ thống với điều khiển tổng hợp phương pháp Ziegler- Nichols 30 Hình 20 Tổng hợp điều khiển phương pháp tối ưu đối xứng 31 Hình 21 Đặc tính nhiệt độ với BĐK phương pháp tối ưu đối xứng 32 Hình 3.1 Cấu trúc tối ưu hóa tham số điều khiển 36 theo kỹ thuật Relay Feeedback 36 Hình 3.2 Tín hiệu đặt thực tối ưu hóa 37 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN viii http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.3 Đáp ứng để tính tốn tham số cho tối ưu hóa 37 Hình 3.4 PLC S7-200 39 Hình 3.5 Giao tiếp Modbus PLC S7-200 40 Hình 3.6 Modul mở rộng tương tự EM235 41 Hình 3.7 Sơ đồ khối đầu vào Analog modul EM235 41 Hình 3.8 Sơ đồ khối đầu Analog modul EM235 41 Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển PID PLC S7 200 43 Hình 3.10 Dạng xung PWM 46 Hình 3.11 Lệnh phát xung PWM 47 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại xung PWM 49 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý vi mạch ULN2803 49 Hình 3.14 Mạch khuếch đại xung PWM 50 Hình Kết nối thiết bị thí nghiệm 52 Hình 4.2 Chọn Mode hoạt động cho Wizard 53 Hình 4.3 Lựa chọn PID 53 Hình 4.4 Cài đặt tham số 54 Hình 4.5 Lựa chọn dạng tín hiệu vào PID 55 Hình 4.6 Cảnh báo giá trị tín hiệu phản hồi 55 Hình 4.7 Vùng nhớ Wizard sử dụng để cấu hình PID 56 Hình 4.8 Đặt tên chương trình mã hóa PID 56 Hình 4.9 Tối ưu hóa tham số PID online 58 Hình 4.10 Giao diện PID Tune control panel 64 Hình 4.11 Đáp ứng nhiệt độ hệ thống 64 Hình 4.12 Đáp ứng nhiệt độ hệ có nhiễu tác động 65 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN ix http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tổng hợp điều khiển theo Ziegler- Nichols 29 Bảng 3.1 Chỉnh định thông số điều chỉnh theo phương pháp thủ công 35 Bảng 3.2 Chỉnh định thông số điều chỉnh theo phương pháp Ziegler–Nichols 36 Bảng 3.3 Chỉnh định thông số điều chỉnh theo phương pháp Relay Feedback 38 Bảng 3.4 Các thành phần modul mở rộng EM235 42 Bảng 3.5 Bảng cầu hình đầu vào modul EM235 42 Bảng 3.6 Địa điều khiển PID S7-200 43 Bảng 3.7 Bảng điều khiển giá trị xung PWM 47 Bảng 3.8 Bảng cấu hình điều khiển xung PWM 48 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN x http://lrc.tnu.edu.vn Unipolar ứng với tín hiệu đơn cực Bipolar ứng với tín hiệu lưỡng cực Hình 4.5 Lựa chọn dạng tín hiệu vào PID Hình 4.6 Cảnh báo giá trị tín hiệu phản hồi Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN 55 http://lrc.tnu.edu.vn Hình 4.7 Vùng nhớ Wizard sử dụng để cấu hình PID Hình 4.8 Đặt tên chương trình mã hóa PID Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN 56 http://lrc.tnu.edu.vn 4.2.2 Bước 2: Tối ưu hóa tham số điều khiển Kết nối máy tính với PLC thực tḥt tốn tối ưu hóa tham số PID online Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN 57 http://lrc.tnu.edu.vn Hình 4.9 Tối ưu hóa tham số PID online 4.2.3 Bước 3: Cập nhật tham số tối ưu Kết thúc q trình tối ưu, có tham số tối ưu điều chỉnh PID sử dụng thuật toán Relay feedback Kp=9.404403 Ti=5.808333 Td=1.452083 Chương trình MAIN lập trình cho PLC S7-200: - Khai báo PID gọi chương trình con: - Xuất tín hiệu đầu PID đối tượng điều khiển: Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN 58 http://lrc.tnu.edu.vn - Phát xung PWM điều khiển quạt hút: - Thay đổi giá trị đặt: Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN 59 http://lrc.tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN 60 http://lrc.tnu.edu.vn - Thay đổi giá trị tải Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN 61 http://lrc.tnu.edu.vn - Phát xung PWM cho tải (Q0.1) Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN 62 http://lrc.tnu.edu.vn 4.3 Kết thực nghiệm Sử dụng công cụ PID Tune control panel để quan sát tín hiệu BĐK PID điều khiển thiết bị gia nhiệt Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN 63 http://lrc.tnu.edu.vn Hình 4.10 Giao diện PID Tune control panel Hình 4.11 Đáp ứng nhiệt độ hệ thống - Vùng (1) : Đáp ứng nhiệt độ đầu ứng với nhiệt độ đặt 120℃ ta thấy độ điều chỉnh nhỏ, thời gian độ khoảng 5% thời gian độ khoảng 330 giây - Vùng (2) : Đáp ứng nhiệt độ đầu ứng với nhiệt độ thay đổi từ 120℃ lên 160℃ ta thấy cho tín hiệu đặt biến thiên tín hiệu bám theo tín hiệu đặt - Vùng (3) : Đáp ứng nhiệt độ đầu ứng với nhiệt độ 160℃ thêm tải 50% tải quạt gió ta thấy nhiệt độ giảm sau khoảng thời gian tín hiệu bám theo tín hiệu vào - Vùng (4) : Đáp ứng nhiệt độ đầu ứng với nhiệt độ giảm 160℃ xuống 120ºC ta thấy nhiệt độ giảm sau khoảng thời gian tín hiệu bám theo tín hiệu vào Đáp ứng nhiệt độ đầu ứng với nhiệt độ thay đổi từ 120℃ xuống 80℃ ta thấy thời gian độ xấp xỉ 250s Đáp ứng hệ có nhiễu tác động Tín hiệu nhiệt độ đặt Tref = 80oC Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN 64 http://lrc.tnu.edu.vn Cho nhiễu tác động thời điểm 700s Dap ung Nhiet he thong (oC) 90 80 70 T.ref T.real L.Top L.Un Nhiễu 60 T (oC) 50 40 30 20 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Time (s) 1000 1200 1400 1600 Hình 4.12 Đáp ứng nhiệt độ hệ có nhiễu tác động Nhận xét: Khi cho nhiễu (quạt) tác động thời điểm 700s sau khoảng thời gian gần 210s tín hiệu lại bám tín hiệu vào hệ điều khiển theo sai lệch 4.4 Kết luận chương Chương trình bày hệ thống thực nghiệm điều khiển thiết bị gia nhiệt với điều khiển thực PLC S7-200 CPU 224 sử dụng kỹ thuật “relay feedback” để tối ưu hóa tham số điều khiển cài đặt PLC S7200 Kết thực nghiệm điều khiển hệ với dạng nhiệt độ đặt khác nhiễu tác động kiểm chứng điều khiển tổng hợp tối ưu hóa Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN 65 http://lrc.tnu.edu.vn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Về nội dung luận văn đáp ứng mục tiêu đề là: điều khiển đối tượng gia nhiệt (mơ hình vật lý) đảm bảo tiêu chất lượng yêu cầu Để thực mục tiêu đề ra, luận văn giải vấn đề sau: - Tìm hiểu cơng nghệ lị điện trở - Tìm hiểu thiết bị gia nhiệt phịng thí nghiệm Bộ mơn Tự động hóa - Xây dựng mơ hình tốn học cho lị điện trở - Tổng hợp điều khiển cho lị điện trở - Tối ưu hóa tham số điều khiển - Tìm hiểu lập trình điều khiển PID phát xung PWM cho PLC S7-200 - Mô thực nghiệm Qua mô cho thấy điều khiển PID với tham số cấu trúc tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng có độ điều chỉnh xấp xỉ 5.0%, thời gian độ khoảng 150s, hệ không dao động Qua thực nghiệm cho thấy điều khiển PID với tham số cấu trúc tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng cho chất lượng điều khiển không mô phỏng, điều mơ hình nhận dạng mơ hình thực có sai khác, vậy ḷn văn thực kỹ thuật tối ưu hóa tham số điều khiển online, kỹ thuật Relay feedback Kỹ thuật cài đặt PLC S7-200 luận văn sử dụng Các kết cho thấy chất lượng điều khiển đáp ứng yêu cầu điều khiển với thiết bị gia nhiệt hệ điều khiển trình có qn tính lớn Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN 66 http://lrc.tnu.edu.vn Ngoài ra, Hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt thiết kế có đặc điểm sau: - Khi thêm tải bớt tải người dùng thay đổi nhiều giá trị tải khác - Khi điều chỉnh giảm nhiệt độ rút ngắn thời gian độ hệ thống có thiết bị để điều khiển để xả nhiệt Kiến nghị Tiếp tục nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển nâng cao vào điều khiển mơ hình vật lý thiết bị gia nhiệt Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN 67 http://lrc.tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ tḥt, 2010 [2] Nguyễn Dỗn Phước - Phan Xuân Minh, Nhận dạng hệ thống điều khiển, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 [3] Nguyễn Doãn Phước - Phan Xuân Minh - Vũ Việt Hà, Tự động hóa với SIMATIC S7-200, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [4] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [5] Trần Đức Quân, Ứng dụng thư viện ArduinoIO phần mềm Matlab hệ thống điều khiển tự động, Kỷ yếu hội nghị khoa học trẻ Đại học Thái Nguyên lần thứ 3, 2016, trang 68 – 75 [6] Åström, K J and T Hägglund (1988), Automatic tuning of PID controllers, NC: Instrument Society of America [7] Stephen Hornsey, A Review of Relay Auto-tuning Methods for the Tuning of PID-type Controllers, Journal Archive, Volume Issue [8] Nguyễn Thị Phương Chi, Nghiên cứu xây dựng điều khiển sử dụng modul tương tự PLC cho đối tượng gia nhiệt, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN 68 http://lrc.tnu.edu.vn ... CHƯƠNG TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LỊ ĐIỆN TRỞ 3.1 Tối ưu hóa tham số điều khiển Có nhiều phương pháp thiết kế điều khiển đề cập đến chương Nhưng tất phương pháp chưa khẳng định tham số điều. .. pháp modul tối ưu đối xứng 30 2.4 Kết luận chương 33 CHƯƠNG 34 TỐI ƯU HĨA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LỊ ĐIỆN TRỞ 34 3.1 Tối ưu hóa tham số điều khiển ... Matlab tổng hợp điều khiển theo phương pháp tối ưu Bộ điều khiển tìm chương làm sở để cài đặt PLC làm tham số ban đầu cho trình tự động tối ưu hóa tham số điều khiển trình bày chương Số hóa Trung tâm