Ứng dụng điều khiển thích nghi trong điều khiển lò sấy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHỊNG ISO 9001:2015 ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG ĐIỀU KHIỂN LÒ SẤY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG Sinh viên: Phạm Thành Đạt Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Dương HẢI PHỊNG - 2020 Cộng hồ xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự – Hạnh phúc o0o BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Phạm Thành Đạt – MSV: 1412103001 Lớp : DT1801- Ngành Điện Tử Truyền Thông Tên đề tài : Ứng dụng điều khiển thích nghi điều khiển lị sấy i NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính toán vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn Địa điểm thực tập tốt nghiệp ii CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ tên Học hàm, học vị : : Cơ quan công tác: Nội dung hướng dẫn : Nguyễn Văn Dương Thạc Sỹ Trường Đại Học Dân Lập hải phịng Tồn đề tài Người hướng dẫn thứ hai: Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn: Đề tài tốt nghiệp giao ngày tháng năm 2019 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm 2020 Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Cán hướng dẫn Đ.T.T.N Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên Phạm Thành Đạt Th.S Nguyễn Văn Dương Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 HIỆU TRƯỞNG GS.TS.NGƯT TRẦN HỮU NGHỊ iii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Nội dung hướng dẫn: Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng đồ án/khóa luận (so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T T.N mặt lý luận, thực tiễn, tính tốn số liệu…) Ý kiến giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày … tháng … năm Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM PHẢN BIỆN Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: 1.Phần nhận xét giáo viên chấm phản biện Những mặt hạn chế Ý kiến giảng viên chấm phản biện Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày … tháng … năm Giảng viên chấm phản biện (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LÒ SẤY 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1.1 Phân loại thệ thống sấy (HTS) 1.1.2 Các dạng lò sấy 1.2 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 18 1.2.1 Quá trình biến trình 18 1.2.2 Đặc điểm điều khiển trình 20 1.2.3 Các thành phần hệ thống 21 1.3 MƠ HÌNH HĨA ĐỐI TƯỢNG LÒ SẤY 22 1.3.1 Phương trình trạng thái hệ thống 22 1.3.2 Mơ hình tốn học lị sấy 24 Chương HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 25 2.1 HỆ THÍCH NGHI MƠ HÌNH THAM CHIẾU – MRAS .25 2.1.1 Sơ đồ chức 25 2.1.2 Luật MIT 26 2.1.3 Nội dung, phương pháp thiết kế MRAS 28 2.1.4 Thiết kế MRAS dùng lý thuyết ổn định Lyapunov 34 2.1.5 Kết luận 36 2.2 BỘ TỰ CHỈNH ĐỊNH - STR 37 2.2.1 Bộ tự chỉnh định gián tiếp 39 2.2.2 Bộ tự chỉnh định trực tiếp 42 2.2.3 Kết nối MRAS STR 50 2.2.4 Điều khiển dự báo thích nghi 51 2.2.5 Kết luận 60 2.3 CHỈNH ĐỊNH TỰ ĐỘNG VÀ LỊCH TRÌNH ĐỘ LỢI 61 2.3.1 Kỹ thuật chỉnh định 61 2.3.2 Lịch trình độ lợi 66 2.3.3 Xây dựng lịch trình 67 2.3.4 Ứng dụng 68 2.3.5 Kết luận 68 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO LÒ SẤY 69 3.1 XÂY DỰNG HÀM TRUYỀN ĐỐI TƯỢNG 69 3.2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 71 LỜI CẢM ƠN Trong khoảng 50 năm gần đây, lý thuyết điều khiển thích nghi hình thành mơn khoa học, từ tư trở thành thực nghiêm túc, từ cách giải vấn đề trở thành toán tổng quát, từ vấn đề tồn khả giải đến ứng dụng có tính bền vững chất lượng Với ý nghĩa lợi ích to lớn điều khiển thích nghi, cấp bách cần nghiện cứu, ứng dụng điều khiển thíchh nghi sản xuất thực tiễn sản xuất, em lựa chọn đề tài nghiên “Ứng dụng hệ thống thích nghi điều khiển nhiệt lị sấy” Chương Tổng quan lò sấy Chương Hệ thống điều khiển thích nghi Chương Tính tốn thiết kế điều khiển PID thích nghi cho lị sấy Tuy nhiên khả trình độ có hạn nên cịn nhiều thiếu sót, mong bảo, giúp đỡ tận tình thầy góp ý bạn bè để đồ án hoàn thiện Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô, bạn bè khoa Điện – Điện tử trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng, đặc biệt thầy Nguyễn Văn Dương, giảng viên trực tiếp hướng dẫn, nhiệt tình bảo để em hồn thành đề tài tốt nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LÒ SẤY 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Sấy khâu quan trọng dây chuyền công nghệ, sử dụng nhiều ngành chế biến nông – lâm – hải sản phương pháp bảo quản sản phẩm đơn giản, an tồn dễ dàng Sấy khơng đơn tách nước khỏi vật liệu ẩm mà q trình cơng nghệ phức tạp, địi hỏi vật liệu sau sấy phải đảm bảo chất lượng theo tiêu với mức chi phí lượng (điện năng, nhiệt năng) tối thiểu Quá trình sấy trình làm khơ vật thể, vật liệu, sản phẩm phương pháp làm bay nước khỏi VLS Do vậy, q trình sấy khơ vật thể diễn biến sau: Vật thể gia nhiệt để đưa nhiệt độ lên đến nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất nước bề mặt vật thể, vật thể cấp nhiệt để làm bay ẩm 1.1.1 Phân loại thệ thống sấy (HTS) 1.1.1.1 HTS tự nhiên Q trình phơi vật liệu ngồi trời, khơng có sử dụng thiết bị VLS sấy cách phơi nắng lấy nguồn nhiệt trực tiếp từ mặt trời để làm khô vật liệu cần sấy Do vậy, HTS sử dụng rộng rãi chế biến nông sản - Ưu điểm Công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư vận hành thấp Khơng địi hỏi cung cấp lượng lớn nhân công lành nghề Có thể sấy lượng lớn vụ mùa với chi phí thấp - Nhược điểm Kiểm sốt điều kiện sấy k A A1 L+T T+L= T= 63 * Ý Phương pháp đáp ứng tần số tưởng: Cho chạy điều khiển tỉ lệ, tăng độ lợi hệ thống bắt đầu dao động Quan sát “Độ lợi Ku giới hạn” “Chu kỳ giới hạn Tu” Lặp lại: Xác định đặc tính đáp ứng tần số G(jω) Các thông số điều khiển: Bộ điều Kc/ Ti / T u khiển Ku P 0.5 PI 0.4 0.8 PID 0.6 0.5 Tp / Tu Thực nghiệm: 64 PID Td / Tu 1.4 0.12 0.85 Σ Quá T Relay -1 Kết thực tế - Thông tin biết trước? - Bắt đầu thực nghiệm nào? - Hồi tiếp đến biên độ giới hạn dao động - Hiệu chỉnh luật Zeigler – Nichols: - Ý  Thay đổi giá trị bảng  Sử dụng thông số: Ku, Tu Kp Làm để đương đầu với nhiễu  Nhiễu tải  Nhiễu đo  Từ trễ tưởng: Tìm nét đặc trưng đáp ứng trực tuyến điểm đặt nhiễu tải Hiệu chỉnh điều khiển dựa đặc tính quan sát 65 e1 e e2 T p Đặc tính: hệ số tắt d độ vọt lố σ Bộ điều khiển hiệu chỉnh dựa luật thử sai Dễ dàng PI khó khăn PID  Thông tin biết trước  Tiền chỉnh định 2.3.2 Lịch trình độ lợi Thỉnh thoảng tìm thấy biến đổi phụ có tương quan tốt với thay đổi trình động học Vì làm giảm ảnh hưởng tham số biến động đơn giản việc thay đổi tham số điều chỉnh hàm biến phụ 66 Các thơng số điều khiển Lịch trình độ lợi Điều khiển vận hành Tín hiệu vào Bộ điều khiển Q Tín hiệu điều khiển trình Ngõ Hình 2.6 Mơ hình lịch trình độ lợi Lịch trình độ lợi xem hệ thống điều khiển hồi tiếp mà độ lợi hồi tiếp chỉnh bù cung cấp trước  Ưu, khuyết điểm lịch trình độ lợi Mặt hạn chế lịch trình độ lợi bù vịng hở Khơng có hồi tiếp để bù cho sai số lịch trình Hạn chế khác lịch trình độ lợi việc thiết kế tốn nhiều thời gian Tham số điều chỉnh phải chọn cho nhiều điều kiện vận hành đặc tính kĩ thuật phải kiểm tra nhiều q trình mơ Những khó khăn tránh lịch trình dựa vào phép chuyển đổi phi tuyến Lịch trình độ lợi có ưu điểm tham số điều chỉnh đáp ứng nhanh với thay đổi q trình Khi khơng có ước lượng tham số, nhân tố giới hạn phụ thuộc vào tốc độ đáp ứng phép đo phụ với thay đổi trình 2.3.3 Xây dựng lịch trình Lựa chọn biến lịch trình Hồn thiện việc thiết kế điều khiển cho điều kiện vận hành khác  Sử dụng việc chỉnh định tự động  Sự biến đổi 67 Thật khó để tìm luật chung cho việc thiết kế điều chỉnh theo lịch trình độ lợi Vấn đề việc định biến sử dụng làm biến lịch trình Rõ ràng tín hiệu phụ phải phản ánh điều kiện vận hành đối tượng Sẽ có trình bày lí tưởng đơn giản cho tham số điều chỉnh liên quan đến biến lịch trình Vì cần có kiến thức tốt hệ động học trình lịch trình độ lợi sử dụng Các khái niệm tổng quát sau phục vụ cho mục đích - Tuyến tính hố cấu dẫn động phi tuyến - Lập trình độ lợi dựa vào đo đạc biến phụ - Vận hành dựa vào hiệu suất - Các phép biến đổi phi tuyến 2.3.4 Ứng dụng Lịch trình độ lợi phương pháp hữu dụng Nó yêu cầu phải có kiến thức tốt q trình biến phụ đo đạc Một thuận lợi lớn phương pháp điều chỉnh thích nghi (đáp ứng) nhanh điều kiện thay đổi Một số ứng dụng như: định hướng cho tàu, kiểm soát nồng độ pH, kiểm sốt khí đốt, điều khiển động điều khiển bay 2.3.5 Kết luận Lịch trình độ lợi cách tốt để bù cho đặc tính phi tuyến biết trước Bộ điều chỉnh phản ứng nhanh với thay đổi điều kiện Mặt hạn chế kĩ thuật thiết kế tốn nhiều thời gian không dùng phép chuyển đổi phi tuyến tự động chỉnh định Mặt hạn chế khác tham số điều khiển thay đổi vòng hở, khơng có hồi tiếp từ đặc tính làm việc hệ thống Phương pháp dùng đặc tính động học q trình nhiễu khơng biết trước đầy đủ, xác 68 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO LÒ SẤY 3.1 XÂY DỰNG HÀM TRUYỀN ĐỐI TƯỢNG Hệ thống điều khiển nhiệt độ gồm có điều khiển Lị Sấy có sơ đồ sau: Nguồn Mạch Điều khiển Mạch Động lực ĐK Phản hồi Mạch Đo thị BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT Hình 3.1 - Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ Dây đốt TC Cặp Nhiệt điện LỊ ĐIỆN Với qn tính lị nhiệt thường lớn, người ta thường đóng cắt nguồn để thay đổi cơng suất đặt vào lị 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 lị: Hình 3.2 - Ngun lý điều khiển công suất vào 69 Như thời gian Ton Lò Sấy cấp nguồn, thời gian (T-Ton) cắt nguồn Ứng với thay đổi Ton từ 0-T cơng suất cung cấp cho lị thay đổi từ 0-Pmax: Pcc=(Ton/T).Pmax Ta sử dụng mơ hình Lị Sấy với đầu vào phần trăm công suất, đầu giá trị nhiệt độ hình sau: % cơng suất Nhiệt độ Lị sấy Hình 3.3 - Mơ hình hóa lị sấy Bảng 3.1 Các thơng số theo phần trăm công suất đầu vào tham khảo Phần trăm công suất Nhiệt độ xác lập K T L 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 (%) (OC) Nhận xét: - Các thông số đo khơng tải (Lị Sấy chưa có sản phẩm) - Các thông số K, L, T đối tượng mà ta biết khơng xác, bị thay đổi giả sử nằm phạm vi: 70 K=K0+∆K L=L0+∆L T=T0+∆T - Ở dải nhiệt độ làm việc xác lập Lò Sấy (từ 80- 200OC), phần trăm cơng suất cấp vào hệ kín xác lập nằm khoảng 10-25% Để thuận lợi việc tính toán thiết kế điều khiển, ta chọn tham số hàm truyền đạt đối tượng ứng với khoảng Chọn K, T, L theo thông số 25% cơng suất, ta có hàm truyền đạt lị sấy: (3.11) 3.2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI Sơ đồ nguyên lý điều khiển thích nghi PID cho đối tượng Lị Sấy sau: Mơ hình mẫu ym Tham số Kp, Ki, Kd Cơ cấu hiệu chỉnh x Bộ điều khiển PID Đối tượng Hình 3.4 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 Lò Sấy - ym: giá trị nhiệt độ mong muốn đầu 71 y - e = y - ym: sai số cần điều khiển Khối mơ hình mẫu: tạo giá trị nhiệt độ mong muốn y m tương ứng với giá trị đặt x Bộ điều khiển PID: có tham số Kp, Ki, Kd 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 tượng: đối tượng cần điều khiển Lị Sấy , với đầu y: giá trị nhiệt độ Mơ hình đối tượng: Hình 3.5 Mơ hình đối tượng Hàm truyền đạt điều khiển PID: C(s) = Kp + Ki + Kd.s 72 (3.13) Hình 3.6 Sơ đồ khối điều khiển PID Hàm truyền đạt vịng kín gồm C(s) P(s): Gk(s) = (3.14) Mơ hình vịng kín: Hình 3.7 Hệ kín với điều khiển PID Mơ hình mẫu hệ thích nghi phải có bậc đa thức tử mẫu bậc với hệ kín, ta chọn: Gm(s) = 73 (3.15) Áp dụng luật hiệu chỉnh MIT bổ sung, ta có luật cập nhật tham số Kp, Ki, Kd điều khiển PID: (3.16) (3.17) (3.18) Đặt: Kết quả: (3.43) Tìm hàm truyền đạt mơ hình mẫu Gm(s): Gm(s) = (3.44) - Chọn: Cm(s): PID tính theo phương pháp C-H-R tối ưu theo nhiễu khơng có độ q điều chỉnh Pm(s): đối tượng xấp xỉ: Pm(s) = Trong Matlab Editot soạn code: 74 (3.45) Kp_PIDm=19*Tm/(20*Lm*Km) Ti_PIDm=2.4*Tm; Td_PIDm=0.42*Lm; 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 75 KẾT LUẬN Điều khiển q trình nhiệt lị sấy đối tượng phức tạp nhiều khâu cần điều khiển, mục tiêu cuối đảm bảo chất lượng tín hiệu điều khiển.Với mơ hình đối tượng phi tuyến, trễ bậc ba lị sấy sử dụng điều khiển thích nghi với thơng số thiết lập, luật điều khiển cho ta kết mô nhiệt độ bám tốt, chất lượng điều khiển đảm bảo thông số chất lượng điều chỉnh sai lệch tĩnh, độ điều chỉnh, thời gian độ, số lần dao động điều khiển thích nghi tốt so với điều khiển kinh điển Và 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 lượng hệ thơng số q trình khơng biết trước hay thay đổi theo thời gian.Trong đồ án em đề cập cách tổng quan hệ điền khiển thích nghi q trình điều khiển nhiệt lị sấy Một lần em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, hướng dẫn tận tình thầy Th.S Nguyễn Văn Dương, giúp đỡ em suốt q trình hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn Thầy Cô ngành Điện tử Viễn thông Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng giúp đỡ em thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn! 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thương Ngô (2005), Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại, 4, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [2] Phạm Công Ngô (2006), Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [3] Nguyễn Phương, Nguyễn Thị Phương Giang (2005), Cơ sở tự động hoá sử dụng ngành khí, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [4] Amerongen, J van (2004); Intelligent Control (part 1)-MRAS, Lecture notes; University of Twente, The Netherlands, March [5] Amerongen, J.van (2006); A MRAS-based learning feed-forward controller; University of Twente, The Netherlands [6] http://www.20sim.com [7] http://dieukhien.net/vn/discuss.php?ftopid=8&fcatid=43 77 ... tài nghi? ?n ? ?Ứng dụng hệ thống thích nghi điều khiển nhiệt lò sấy? ?? Chương Tổng quan lò sấy Chương Hệ thống điều khiển thích nghi Chương Tính tốn thiết kế điều khiển PID thích nghi cho lò sấy. .. từ vấn đề tồn khả giải đến ứng dụng có tính bền vững chất lượng Với ý nghĩa lợi ích to lớn điều khiển thích nghi, cấp bách cần nghi? ??n cứu, ứng dụng điều khiển thíchh nghi sản xuất thực tiễn sản... NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHI? ??P Sinh viên : Phạm Thành Đạt – MSV: 1412103001 Lớp : DT1801- Ngành Điện Tử Truyền Thông Tên đề tài : Ứng dụng điều khiển thích nghi điều khiển lò sấy i NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI