Nghiên cứu thiết kế ứng dụng các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ QUÝ DƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ỨNG DỤNG CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN LIỄN H NI, 2005 Lời cam đoan Thiết kế luận văn thạc sĩ khoa học tự thực Ngoài tài liệu đà liệt kê danh mục tài liệu tham khảo, đảm bảo không chép công trình thiết kế luận văn thạc sĩ khoa học người khác Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2005 Học viên thực Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học -1- danh mục hình vẽ Hình 1.1: Hệ thống điều khiển kín Hình 1.2: Hệ thống điều khiển hở Hình 1.3: Hệ thống điều khiển số Hình 1.4: Mô hình động chiều 15 Hình 1.5: Vài dạng đặc tính tần đối tượng 21 Hình 1.6: Quỹ đạo nghiệm 25 Hình 1.7: Quá trình tích phân số 26 Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc trạng thái số 28 Hình 1.9: Hàm truyền đạt hệ số hở 29 Hình 1.10: Hàm truyền đạt hệ số kín 31 Hình 1.11: Mạch lưu giữ bậc không 31 Hình 1.12: Mối quan hệ mặt phẳng s mặt phẳng Z 33 Hình 1.13: Bộ điều khiển PID số 34 Hình 2.1: Dải tần số mà L() lớn tốt 39 Hình 2.2: Đáp ứng dùng khâu điều khiển I ví dụ 2.2 41 Hình 2.3: Đáp øng dïng bé ®iỊu khiĨn PI vÝ dơ 2.2 42 Hình 2.4: Đáp ứng dùng điều khiển PID ví dụ 2.2 43 Hình 2.5: Minh hoạ nguyên lý điều khiển tối ưu đối xứng 43 Hình 2.6: Đáp ứng dùng khâu điều khiển PI ví dụ 2.3 46 Hình 2.7: Đáp ứng dùng điều khiĨn PID vÝ dơ 2.3 47 H×nh 2.8: ThiÕt kÕ khâu tiền xử lý 48 Hình 2.9: Đáp ứng dùng điều khiển PI kết hợp lọc 49 Hình 2.10: Đáp ứng dùng điều khiển PID kết hợp lọc 49 Hình 2.11: Hàm độ đối tượng quán tính có trễ 50 Hình 2.12: Hàm độ đối tượng quán tính bậc hai 51 Hình 2.13: Đáp ứng sử dụng điều khiển K ví dụ 2.4 52 Hình 2.14: Đáp ứng sư dơng bé ®iỊu khiĨn PI vÝ dơ 2.4 53 Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học -2- Hình 2.15: Đáp ứng đối tượng sử dụng điều khiển PID ví dụ 53 Hình 2.16: Bộ điều khiển tỷ lệ 54 Hình 2.17: RootLocurs 55 Hình 2.18: Xác định Tgh 55 Hình 2.19: Đáp ứng h(t) ví dụ 2.5 56 Hình 2.20: Hàm độ đối tượng ví dụ 2.6 58 Hình 2.21: Hàm độ hệ kín Ví dụ 2.6 58 Hình 2.22: Đáp ứng đối tượng sử dụng PI ví dụ 2.7 60 Hình 2.23: Đáp ứng sư dơng bé PID vÝ dơ 2.7 60 H×nh 2.24: Quá trình độ với cặp điểm cực thực âm 62 Hình 2.25: Quá trình độ với cặp điểm cực phức liên hợp 62 Hình 2.26: Quá trình độ cặp điểm cực thực dương 63 Hình 2.27: Thiết kế phản hồi trạng thái 64 Hình 2.28: Thiết kế phản hồi đầu 64 Hình 2.29: Sơ đồ cấu trúc ĐCMC kích thích độc lập 71 Hình 2.30: Sơ đồ thiết kế điều khiển gán điểm cực 71 Hình 2.31: Kết mô thiết kế điều khiển gán điểm cực 72 Hình 2.32: Kết mô lùi xa điểm cực 72 Hình 2.33: Nguyên tắc hoạt động quan sát trạng thái 73 Hình 2.34: Bộ quan sát trạng thái Luenberger 74 Hình 2.35: Điều khiển ứng dụng quan sát trạng thái Luenberger 75 Hình 2.36: Sơ đồ mô khâu quan sát động 76 Hình 2.37: Khâu Luenberger Giá trị đo liền nét, giá trị tính nét đứt 77 Hình 2.38: Bộ quan sát nhiễu 78 Hình 2.39: Khâu quan sát nhiễu 79 Hình 2.40: Điều khiển gán điểm cực sử dụng khâu quan sát trạng thái 80 Hình 2.41: Mô sử dụng khâu quan sát trạng thái 81 Hình 3.1: PID Controller 82 Hình 3.2: CÊu tróc ®iỊu khiĨn PID kinh ®iĨn 84 Häc viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học -3- Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển mực nước 84 Hình 3.4: Đáp ứng đối tượng có nhiễu lưu lượng 85 Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng 86 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc ĐCMC kích từ độc lập 89 Hình 3.7: Đồ thị độ h(t) ĐCMC 90 Hình 3.8: Đồ thị độ h(t) 91 Hình 3.9: Loại bỏ nhiễu phụ tải cấu trúc nhiều mạch vòng 92 Hình 3.10: Cấu trúc PID kinh điển 93 Hình 3.11: Các đáp ứng đối tượng với điều khiển PID 95 Hình 3.12: Hệ thống điều khiển hai bậc tự 96 Hình 3.13: Đáp ứng với điều khiển hai bËc tù 99 H×nh 3.14(a): Feedforward Type (FF Type) 101 Hình 3.14(b): Đáp ứng thành phần thứ hai 101 H×nh 3.15: Feedback Type (FB Type) 102 H×nh 3.16: Sự thay đổi đáp ứng với tín hiệu đặt ta thay đổi 103 Hình 3.17(a): Reference-Filter Type (Filter Type) 103 Hình 3.17(b): Đáp ứng lọc F(s) 104 Hình 4.1 Sơ đồ mô tả thiết bị bàn thí nghiệm 105 Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển bàn điều khiển mức lưu lượng 106 Hình 4.3 : Mức nước dao động ta đặt PB =3 108 Hình 4.4 : Quá trình độ lưu lượng vòng đơn 109 Hình 4.5 : Nhiễu tác động vào vòng ®iỊu khiĨn 110 H×nh 4.6: CÊu tróc ®iỊu khiĨn nhiỊu mạch vòng 111 Hình 4.7 : Hàm độ lưu lượng 111 Hình 4.8 : Dao động hai mạch vòng điều khiển 114 Hình 4.9 : Quá trình độ sử dụng hai vòng điều khiển 115 Hình 4.10 : Nhiễu tác đông vào hệ thống hai mạch vòng 116 Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học -4- lời nói đầu Trong vài năm chở lại đây, khoa học công nghệ nói chung lĩnh vực tự động hóa nói riêng đà có phát triển vững nhiều lĩnh vực nước ta Trong công nghiệp, vấn đề ứng dụng khoa học công nghệ tự động hoá đà nhà nước ta quan tâm đầu tư Tuy nhiên thực tế việc ứng dụng tự động hoá sản xuất công nghiệp chậm nhiều vấn đề cần phải quan tâm Việt Nam nước nông nghiệp lạc hậu, đảng nhà nước ta kiên theo đuổi mục tiêu đưa nước ta chở thành nước công nghiệp vào thập niên 20 kỷ 21, hiƯn ®ang xóc tiÕn ®Ĩ ®­a n­íc ta nhập tổ chức thương mại quốc tế WTO Nhưng để thâm nhập vào thị trường quốc tế, cạnh tranh với sản phẩm công nghiệp nước khác, đòi hỏi phải có môt công nghiệp đại, sản phẩm làm vừa đảm bảo số lượng, vừa đáp ứng chất lượng Để làm điều đó, ngành công nghiệp cần hỗ trợ đắc lực khoa học công nghệ tự động Vì lý đà chọn đề tài Nghiên cứu thiết kế ứng dụng hệ thống điều khiển tự động công nghiệp với mong muốn nâng cao trình độ chuyên môn tự động hoá góp phần nỗ lực vào việc ứng dụng khoa học công nghệ tự động công nghiệp nước ta để thúc đẩy sản xuất công nghiệp phát triển Luận văn giải vấn đề tổng hợp hệ thống cho đối tượng tuyến tính vào đà biết trước mô hình toán học (ở dạng hàm truyền đạt hay dạng phương trình vi phân) Với lý thuyết điều khiển tự động tuyến tính đà phát triển gần hoàn thiện, áp dụng phương pháp tổng hợp hệ thống mà phương pháp đà đem đến nhiều ứng dụng thực tế như: tổng hợp điều khiển PID, tổng hợp điều khiển phản hồi trạng thái, hệ thống điều khiển nhiều vòng hệ thống điều Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học -5- khiển nhiều bậc tự Ngoài để giải vấn đề biến trạng thái việc tổng hợp điều khiển trạng thái có đưa thêm phần quan sát biến trạng thái Để giải nội dung đề tài, luận văn gồm chương: - Chương 1: Tổng quan lý thuyết điều khiển tự động - Chương 2: Vấn đề thiết kế hệ thống điều khiển tự động - Chương 3: Cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng nhiều bậc tự - Chương 4: Thực nghiệm điều khiển trình Vấn đề đào tạo nguồn nhân lực phục vụ công nghiệp hoá đại hoá nước ta chở nên cấp thiết hết, luận văn mong muốn chở thành sợi dây liên kết đào tạo thực tiễn, giúp đỡ công nhân kỹ sư tự tin bắt tay vào vấn đề thực tiễn Để hoàn thành khối lượng lớn công việc mà đề tài đà đặt ra, nỗ lực thân, xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, người tận tình hướng dẫn, bảo để hoàn thành đề tài Tuy nhiên, thời gian có hạn hạn chế thân nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Tôi mong nhận bảo thầy cô giáo ý kiến đóng góp bạn để luận văn đạt kết tốt Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2005 Học viên thực Lê Quý Dương Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp I Mục lục Danh mơc h×nh vÏ lời nói đầu .4 ch­¬ng 1: tỉng quan vỊ lý thut ®iỊu khiĨn 1.1 Giíi thiƯu vỊ lý thut ®iỊu khiĨn 1.1.1 Những khái niệm .7 1.1.2 NhiÖm vơ cđa ®iỊu khiĨn 10 1.2 Mô tả hệ thống 11 1.2.1 Đặt vÊn ®Ị 11 1.2.2 Mô hình hoá phương pháp lý thuyết 12 a) Phương trình vi phân mô tả quan hệ vào .13 b) Mô hình hàm truyền đặt 13 c) Mô hình trạng th¸i .14 1.3 Ph©n tÝch hƯ thèng .17 1.3.1 Đặt vấn đề 17 1.3.2 Tính ổn định hệ thống 18 a) Tiêu chuẩn đại số 19 b) Tiêu chuẩn hình học 21 1.3.3 Tính điều khiển quan sát .22 a) Tính điều khiển 22 b) Tính quan sát 22 1.3.4 ý nghÜa cđa vÞ trí điểm cực điểm không 24 1.3.5 Phương pháp quỹ đạo nghiệm số 24 1.4 HƯ thèng ®iỊu khiĨn xung sè 26 1.4.1 Mô tả toán học 26 a) Quá trình tích phân số .26 b) Sai phân hàm rời rạc phương trình sai phân 27 1.4.2 Phương trình trạng thái 28 1.4.3 PhÐp biÕn ®ỉi Z 29 Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp II 1.4.4 Hàm truyền đạt 29 a) Hàm truyền đạt hệ xung sè hë 30 b) Hàm truyền đạt hệ xung số kín 31 1.4.5 Tính ổn định hÖ thèng 33 1.4.6 Bé ®iỊu khiĨn PID sè 34 1.4.7 Tính điều khiển quan sát .36 a) Tính điều khiển 36 b) Tính quan sát 37 ch­¬ng 2: vÊn ®Ị thiÕt kÕ hƯ thèng 38 2.1 Phương pháp thiết kế kinh điển .38 2.1.1 ThiÕt kÕ miền tần số 39 a) Phương pháp tối ưu độ lớn 40 b) Phương pháp tèi ­u ®èi xøng 45 c) Nâng cao chất lượng hệ kín ®iỊu khiĨn tiỊn xư lý .50 2.1.2 ThiÕt kÕ trªn miÒn thêi gian 53 a) Phương pháp Ziegler-Nichols thứ .53 b) Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai .57 c) Phương pháp Chien-Hrones-Reswish 60 d) Phương pháp số thời gian tổng cña Kuhn 63 2.2 ThiÕt kÕ cho tr­íc ®iĨm cùc 65 2.2.1 Đặt vấn đề 65 2.2.2 Nguyªn lý 68 2.2.3 Phương pháp Ackermann 70 a) Nguyªn lý 70 b) ThuËt to¸n 72 2.2.4 Nâng cao chất lượng tiền xử lý 74 2.2.5 VÊn ®Ị ®iĨm cùc chuÈn .75 2.2.6 Bộ quan sát trạng thái 78 a) Đặt vấn đề 78 b) Bộ quan sát trạng thái Luenberger 80 Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp III c) Bộ quan sát trạng thái Luenberger ®iỊu khiĨn 81 Ch­¬ng 3: cÊu tróc ®iỊu khiển nhiều mạch vòng 82 3.1 Cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng 83 3.1.1 Đặt vấn đề 83 3.1.2 CÊu tróc nhiều mạch vòng 86 3.2 CÊu tróc ®iỊu khiĨn nhiỊu bËc tù 93 3.2.1 Đặt vấn ®Ò 93 3.2.2 Giíi thiƯu vỊ cÊu tróc ®iỊu khiĨn nhiÒu bËc tù 96 3.2.3 Mét vài điều khiển PID hai bậc tự 99 3.2.4 Phương pháp lựa chọn tham sè .104 Ch­¬ng 4: Thùc nghiệm điều khiển trình .105 4.1 Giíi thiƯu vỊ bµn thÝ nghiƯm 105 a) CÊu t¹o 105 b) Môc ®Ých 106 c) Sơ đồ cấu trúc bàn điều khiển mức lưu lượng 106 4.2 Xây dựng vòng điều khiển cho mức 107 a) Nguyªn lý 107 b) C¸c b­íc thùc hiÖn 107 4.3 Xây dựng hai vòng điều khiển cho mức .110 a) Xây dựng vòng ®iỊu khiĨn l­u l­ỵng 111 b) Xây dựng vòng điều khiển 113 Kết luận kiến nghị 117 Tài liệu tham khảo 118 Häc viªn Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 101 hai đáp ưng với tín hiệu đặt đầu vào hàm bước nhẩy, trình bầy Hình 3.14(b) Qua đồ thị ta dễ dàng nhận đáp ứng thực bù thành phần điều chỉnh đà thể ë H×nh 3.11 Cf(s) d r C(s) P(s) y Plant C(s)=KP{(1+1/(TIs)+TDD(s))} Cf(s)=-KP{α+βTDD(s)} Hình 3.14(a): Feedforward Type (FF Type) Hình 3.14(b): ỏp ng ca thnh phn th hai Liên quan đến Hình 3.15 cấu trúc FB, nhìn vào cấu trúc điều khiển ta thấy điều khiển bù thu từ điều khiển kinh điển cách di chuyển điểm đầu vào hai thành phần bù PD sang kết nối trực tiếp với tín hiệu phản hồi, với hai thành phần định tỷ lệ tác động hai thành phần P D Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 102 d r C(s) P(s) y Cf(s) Plant C(s)=KP{(1-α)+1/(TIs)+(1-β)TDD(s)} Cf(s)=KP{α+βTDD(s)} Hình 3.15: Feedback Type (FB Type) Ví dụ 3.5: Xây dựng điều khiĨn PID hai bËc tù theo cÊu tróc FB cho đối tượng có hàm truyền đạt sau: P( s) = − 0.2 s e 1+ s H×nh 3.16 cho ta biết ảnh hưởng , đặt thay ®ỉi ®é lín tõ cho tíi 1, chóng ta thấy độ điều chỉnh giảm dần tăng dần lên Chú ý trường hợp tương đương với điều khiển PID, trường hợp ==1 tương đương với điều khiển I-PD (bộ điều khiển giới thiệu Kitamori) Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 103 ==0 = = 0.5 ==1 Hình 3.16: Sự thay đổi đáp ứng với tín hiệu đặt ta thay đổi Liên quan đến Hình 3.17(a) cấu trúc Filter, cấu trúc hai bậc tự PID thi hành cách tự nhiên nhờ có lọc thứ cấp F(s) Đáp ứng lọc F(s) cho Hình 3.17(b) Hình cho ta thấy với điều kiện ban đầu tăng vọt hàm bước nhẩy đà xoá bỏ thay vào hàm tăng dần Với dáng điệu tín hiệu đầu vào cho phép hệ thống làm việc có khả tránh ®iỊu chØnh ë ®Çu d r F(s) C(s) P(s) Plant F ( s) = + (1 − α )TI s + (1 − β )TI TD sD(s) + TI s + TI TD sD(s)   C(s) = K P 1 + + TD D(s)  TI Hình 3.17(a): Reference-Filter Type (Filter Type) Học viên Lê Quý Dương y Luận văn tốt nghiệp cao học 104 Hình 3.17(b): Đáp ứng lọc F(s) Tiếp theo xem xét tới ý (b) Gần đa dạng sản phẩm PID đà vượt lĩnh vực công nghiệp điều đặt nhu cầu thiết cho sản phẩm PID cần có đáp ứng ngày nhanh mạnh Bộ ®iỊu khiĨn PID lµ bé ®iỊu khiĨn ®đ nhanh vµ mạnh để đáp ứng nhu cầu thị trường, thực tế có hạn chế tiềm lực kinh tế đà hạn chế khả thay hoàn toàn điều khiển thị trường thành điều khiển hai bậc tự Từ thực tế nhu cầu đặt cần có phương pháp đơn giản để chuyển từ điều khiển PID thông thường thành điều khiển hai bậc tự Hình 3.17(a) đà diễn cho ta thấy cách để tạo điều khiển PID hai bËc tù víi mét bé läc ë phía trước, phương pháp để tạo điều khiển hai bậc tự đơn giản 3.2.4 Phương pháp lựa chọn tham số Trong phần trước ta đà trình bầy chức điều khiển PID hai bậc tự do, phần ta xẽ trình bầy thủ tục để chỉnh định tham số: - Bước ta chỉnh định tham số cho điều khiển PID bản, tham số điều khiển PID chọn theo tham số tối ưu theo nhiễu Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 105 - Sau chỉnh định tham số hai bậc tự cho đáp ứng hệ thống theo tín hiệu đặt trước tối ưu Các tham số tối ưu tuỳ thuộc vào đối tượng cụ thể liệt kê cho bảng từ tới bảng 14, bảng từ tới cho ta ba thành phần bù (P, I, D), bảng từ tới 14 cho ta hai thành phần bù (P, I) Các tham số tính toán cách liệt kê tất thuộc tính mong muốn đối tượng vào miền tần số, phải chắn tham số đem lại cho ta đáp ứng theo tín hiệu đặt có độ điều chỉnh không vượt 20%, đáp ứng nhiễu phải tương tự tốt đáp ứng trường hợp sử dụng công thức tối ưu Chien-Hrones-Reswick Các bảng tham số hữu ích cho kỹ sư bắt đầu chỉnh định tham số họ Với đối tượng bảng cho, tham số tèi ­u cho hƯ thèng hai bËc tù lµ thay đổi nhiều thay đổi đối tượng, điều cho ta gợi ý ảnh hưởng lớn tới hệ thèng cã thĨ sÏ kh«ng sÈy nÕu nh­ chóng ta giữ nguyên tham số tối ưu hệ thèng vÝ dơ nh­ α = 0.6 vµ β = 0.8 Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 105 chương Thực nghiệm tự điều khiển trình 4.1 giới thiệu bàn thí nghiệm a) Cấu tạo Để điều khiển lưu lượng, mức nhiệt độ người ta điều khiển dòng chẩy nước từ bể lên bể thông qua hệ thống đường ống Các bàn điều khiển trang bị thiết bị sau: - Các phần tử đo: Các cảm biến đo lưu lượng kiểu quay, cảm biến đo mức nước kiểu phao, cảm biến đo nhiệt độ, chuyển đổi (TTT38-441, FLT38-401, PLT38-421), hiển thị DDM38-490 - Các phần tử chấp hành: Các loại van (van tay, van điện từ, SERVO van), bơm (bơm ly tâm, bơm nhiệt), quạt, gia nhiệt, trao đổi nhiệt - Các phần tử điều khiển: Bộ ghép nối (PI), điều khiển COMMANDER 300 Hình 4.1: Sơ đồ mô tả thiết bị bàn thí nghiệm Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao häc 106 b) Mơc ®Ých Mơc ®Ých chÝnh cđa bài, làm thực nghiệm để kiểm chứng tính đắn lý thuyết điều khiển nhiều mạch vòng Với lý thuyết điều khiển nhiều mạch vòng đà trình bày thiết bị có phòng thÝ nghiƯm chóng ta cã thĨ ®iỊu khiĨn møc n­íc điều khiển hai mạch vòng, vòng vòng điều khiển lưu lượng, vòng vòng điều khiển mức c) Sơ đồ cấu trúc bàn điều khiển mức lưu lượng Output 4-20[mA] Bộ điều khiển commander 300 Servo van Đối tượng Mức lưu lượng PLT 38-421 FLT38-401 Input 4-20[mA] Bé hiĨn thÞ DDM 38-490 Bộ chuyển đổi Cảm biến Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển bàn điều khiển mức lưu lượng Để điều khiển mức (hoặc lưu lượng), người ta ®iỊu khiĨn th«ng qua mét Servo van theo mét chu trình Tại điều khiển COMMANDER 300 ta đặt lượng theo yêu cầu (mức lưu lượng) Lượng đặt xo xánh với tín hiệu phản hồi thông qua cảm biến (một chiết áp ®èi víi møc, mét c¶m biÕn kiĨu rotor ®èi víi lưu lượng) Sau đó, tín hiệu phản hồi đưa qua chuyển đổi FLT38-401 (hoặc PLT 38-421) đưa tới Học viên Lê Quý Dương Luận văn tèt nghiƯp cao häc 107 bé hiĨn thÞ DDM 38-490, đầu chuyển đổi đưa tới đầu vào điều khiển Tín hiệu Bộ điều khiển sai lệch lượng đặt lượng phản hồi 4.2 Xây dựng vòng điều khiển cho mức a) Nguyên lý Khi bơm bật, nước theo đường ống hai nhánh, (nhánh trên, nước chẩy qua van tay MV2 van điện từ SV6 Nhánh d­íi, n­íc chÈy qua van tay MV3), qua ®­êng èng tiếp theo, qua cảm biến đo lưu lượng qua Servo van lên bể chứa Tuỳ thuộc vào trạng thái đóng mở van tay MV van điện từ SV mà lưu lượng n­íc chÈy qua ®­êng èng nhiỊu hay Ýt Cã thĨ ®iỊu chØnh sù ®ãng më lín hay nhá cđa c¸c van tay, van điện từ có hai trạng thái đóng hoàn toàn (khi không cấp điện), mở hoàn toàn (khi cấp điện 24VDC) Thực nghiệm có quan tâm nhiều đến nhiễu lưu lượng lý trước nghiên cứu cần đặt van MV2 MV3 trạng thái mở 40%, với trạng thái dùng van điện từ SV6 tạo nhiễu lưu lượng cho phép quan sát tốt tượng diễn Lưu lượng chẩy qua quan sát cách trực quan lưu lượng kế Lưu lượng kế có thang đo từ 0ữ44[lit/phút] Điều khiển độ đóng mở Servo van cách đưa tín hiệu điều khiển từ 4ữ20[mA] b) Thực Để chọn tham số ®iỊu khiĨn cho mét vßng møc chóng ta sư dơng phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai Theo phương pháp này, ta xây dựng vòng điều khiển kín với điều khiển thành phần điều khiển khuyếch đại Ta tăng dần hệ số khuyếch đại xuất hiện tượng dao động hệ thống, thời điểm dao động thu Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học PBth (PBth = 108 )và Tth PBth hệ số khuyếch đại điều K th khiển làm cho hệ thống dao động, Tth chu kỳ dao động hệ thống có điều khiển PBth Từ hai hệ số công thức cung cấp từ phương pháp tính điều khiển cần sử dụng Sau đà thực nghiệm vài tham số, ë tham sè PB =3 chóng ta cã thĨ thÊy tượng dao động mức nước Hình 4.3 : Mức nước dao động ta đặt PB =3 Nhìn đồ thị dao động ta thấy chu kỳ dao ®éng cđa møc n­íc lµ 10[s], nh­ vËy chóng ta có đủ tham số để tìm ®iỊu khiĨn: PB th =  Tth = 10 Dựa vào công thức đà cho phương pháp Ziegler-Nichols tìm tham số cho điều khiển mức, điều khiển mức PI với tham số tính theo công thức sau: Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 109 PB 1vongmuc = PB th 2,2 = 3.2,2 = 6,6 ≈  Tht 10  = = = 8,3 ≈ Tr vongmuc  1,2 1,2 Víi bé tham số xem xét trình độ mạch vòng lưu lượng Hình 4.4 : Quá trình độ lưu lượng vòng đơn Nhận xét: Với tham số cho điều khiển thấy trình độ diễn gần độ điều chỉnh, thời gian độ ngắn khoảng 15[s], trình xác lập phẳng, điều khẳng định tham số lựa chọn chuẩn xác Cũng với tham số xem xét đáp ứng mức nước có nhiễu lưu lượng tạo van SV6 Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 110 Hình 4.5 : Nhiễu tác động vào vòng điều khiển Nhận xét: Khi cho van SV6 từ đóng hoàn toàn chuyển sang mở hoàn toàn, nhìn đồ thị ta nhận thấy trình độ mức nước diễn dài khoảng 15[s], độ lớn thay đổi mức nước lớn khoang 4[mm] Với thông số ảnh hưởng nhiễu xấu Trong thực tế nhiễu lưu lượng liên tục diễn làm cho mức nước bình dao động 4.3 Xây dựng hai vòng điều khiển cho mức Cấu trúc để cải thiện chức điều khiển cho hệ thống điều khiển vòng đơn cho mức cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng Cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng bao gồm hai bé ®iỊu khiĨn víi tÝn hiƯu cđa bé ®iỊu khiển cung cấp làm điểm đặt cho điều khiển phụ Cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng cung cấp hình bên cải tiến cho hệ thống điều khiển mức Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 111 n w R1(s) R2(s) - S2(s) S1(s) y - H×nh 4.6: Cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng a) Xây dựng mạch vòng điều khiển (vòng lưu lượng) Vòng xây dựng vòng điều khiển lưu lượng, chúng có tốc độ phản ứng nhanh với nhiễu lưu lượng, vây kỳ vọng chúng giúp hạn chế ảnh hưởng nhiễu lưu lượng vào mức (đây vấn đề cần giải hệ thống vòng đơn) Để xây dựng vòng điều khiển nhận dạng đối tượng vòng lưu lượng Cho tín hiệu điều khiển Servo van thay đổi từ 10,1[mA] tăng tới 15,7[mA] thu trình độ sau lưu lượng Hình 4.7 : Hàm độ lưu lượng Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 112 Nhận thấy hàm độ lưu lượng có nhiều nét tương đồng với hàm độ đối tượng quán tính bậc cã trƠ, vËy chóng ta xÏ sÊp xØ ®èi tượng lưu lượng dạng hàm bậc có trễ cã hµm trun nh­ sau: G ll (s) = K p e −θ p s τ p s + Dựa vào hàm độ thông số thu từ thực nghiệm có đủ kiện để mô tả đối tượng p = 1,4[s] Đo trực tiếp hàm độ p = 2[s] Đo hàm độ Kp = ∆ra ∆vao ∆ra = (30 − 10)[lit / phut ] = 20[lit / phut ]  (15,7 − 10,1)[mA] Trong ®ã:  ∆vao = = 35%[%domovan]  (20 − 4)[mA] ⇒ Kp = 20[lit / phut ] = 57[lit / phut.%domovan] 35%[%domovan] Hàm truyền đạt lưu lượng thu sau trình nhận dạng sau G ll (s) = 57.e −1, 4.s 2.s + Sö dụng phương pháp Ziegler-Nichols thứ để tìm tham số cho điều khiển mạch vòng Mong muốn ta có vòng có tốc Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 113 ®é ph¶n øng nhanh ®ã ta chän bé ®iỊu khiển có thành phần khuyếch đại sau: Rll ( s) = K c = τp K p θ p = = 0,025 = 57.1,4 40 ⇒ PBc = 40 b) Xây dựng mạch vòng điều khiển Bây không cần xem xét tới khả điều khiển điều khiển phụ vòng trong, đà chở thành thành phần vòng điều khiển Ta chọn điều khiển có thành phần tích phân PI cho vòng điều khiển ngoài, để điều khiển có khả diệt sai lệch tính biến Sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai để lựa chọn tham số cho vòng điều khiển Sau đà lắp mạch theo yêu cầu tìm tham số PBth hệ thống xuất hiện tượng dao động cho biến mức Sau đà thử vài tham số chóng ta nhËn thÊy r»ng ë PB = th× biến mức hệ thống có tương dao động Học viên Lê Quý Dương Luận văn tốt nghiệp cao học 114 Hình 4.8 : Dao động hai mạch vòng điều khiển Nhìn đồ thị ta nhận chu kỳ dao động mức T=12[s] Như có tham số sau PB th = PB =  Tth = T = 12[s] Dựa vào công thức phương pháp Ziegler-Nichols tìm tham số cho vòng điều khiển Bộ điều khiển vòng điều khiển PI với tham số tính sau PB = PB th 2,2 = 5.2,2 = 11  Tr = Tth / 1,2 = 12 / 1,2 = 10 Với tham số khảo sát trình độ mức nước Học viên Lê Quý Dương ... hiệu điều khiển Hình 1.1 sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống điều khiển kín lý thuyết điều khiển tự động Hệ thống điều khiển hở: Đối với hệ thống điều khiển. .. nghệ tự động Vì lý đà chọn đề tài Nghiên cứu thiết kế ứng dụng hệ thống điều khiển tự động công nghiệp với mong muốn nâng cao trình độ chuyên môn tự động hoá góp phần nỗ lực vào việc ứng dụng khoa... Quý Dương y(k) Luận văn tốt nghiệp cao học 10 Hệ thống điều khiển thích nghi: Hệ thống điều khiển thích nghi hệ thống hoạt động theo nguyên tắc tự chỉnh, hệ thống tự phát thay đổi tham sè bé