Nghiên cứu các phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ điều khiển công nghiệp

luận văn, thạc sĩ, tiến sĩ, cao học, khóa luận, đề tài

Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut . - 1 - Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học nông nghiệp hà nội -------------***------------- Nguyễn thị phơng thuý Nghiên cứu các phơng pháp hiệu chỉnh Thông số bộ điều khiển công nghiệp Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Điện khí hoá sản xuất Nông nghiệp và Nông thôn Mã số : 60.52.54 Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn văn hoà hà nội - 2010 Lê xuân h ải * Luận văn thạc sĩ kỹ thuật * Hà Nội - 2010 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam ñoan rằng: mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn. Nguyễn Thị Phương Thuý Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ nhiệt tình của các tập thể và cá nhân các Thầy Cô giáo: Trường ðHNN Hà Nội, Trường ðHBK Hà Nội và của các bạn bè, ñồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Hoà - ðHBK Hà Nội. Cảm ơn các Thầy Cô giáo trong bộ môn ðiện, Khoa cơ ñiện, Viện sau ðại học Trường ðHNN Hà Nội. Cảm ơn Bộ môn ðiều khiển tự ñộng - Trường ðHBK Hà Nội và Khoa ðiện – Trường Cao ñẳng nghề Kinh tế - Kỹ Thuật Bắc Ninh. Cảm ơn các bạn bè và ñồng nghiệp ñã tận tình giúp ñỡ tôi nghiên cứu hoàn thành luận văn này. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, vì thời gian và trình ñộ có hạn, nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận ñược ý kiến ñóng góp chân thành của các Thầy Cô và bạn bè ñồng nghiệp. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Phương Thuý Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . iii MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN i LỜI CAM ðOAN ii DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi MỞ ðẦU 1 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP 3 1. ðối tượng ñiều chỉnh công nghiệp. 4 1.1. Các ñặc tính của ñối tượng ñiều chỉnh. 4 1.1.1.Tính dung lượng. 5 1.1.2.Tính tự cân bằng. 5 1.1.3. Hàm quá ñộ. 6 1.1.4. Xác ñịnh hàm truyền ñạt của ñối tượng từ hàm quá ñộ h(t). 8 1.1.4.1. ðối tượng tự cân bằng. 8 1.1.4.2. ðối tượng không tự cân bằng. 15 1.2. Thiết bị ñiều chỉnh. 16 1.2.1. Các quy luật ñiều chỉnh. 17 1.2.1.1. ðiều khiển vị trí. 17 1.2.1.2. Quy luật ñiều khiển liên tục. 19 1.2.1.2.1. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ (P). 19 1.2.1.2.2. Quy luật ñiều chỉnh tích phân (I) . 20 1.2.1.2.3. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD). 20 1.2.1.2.4. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI). 22 1.2.1.2.5. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID). 23 1.2.2. Thiết bị ñiều khiển công nghiệp. 25 1.2.2.1. Những vấn ñề cơ bản về PID. 25 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . iv 1.2.2.1.1. Mô hình bộ ñiều khiển. 25 1.2.2.1.2. Tác ñộng tỷ lệ. 26 1.2.2.1.3. Tác ñộng tích phân. 27 1.2.2.1.4. Tác ñộng vi phân. 27 1.2.2.2. Bộ ñiều khiển PID thực. 28 1.2.2.2.1. Hiện tượng Windup và các biện pháp khắc phục. 28 1.2.2.2.2. Khâu vi phân thực. 29 1.2.2.2.3. Trọng số cho giá trị ñặt. 29 1.2.2.3. Bộ ñiều khiển PID theo chuẩn ISA. 30 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU CHỈNH THAM SỐ BỘ ðIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP. 32 2.1. Các phương pháp chỉnh ñịnh dựa theo mô hình ñối tượng. 33 2.1.1. Phương pháp Haalman. 33 2.1.2. Phương pháp tối ưu ñộ lớn. 34 2.1.2.1. ðiều khiển ñối tượng quán tính bậc nhất. 36 2.1.2.3. ðiều khiển ñối tượng quán tính bậc hai. 37 2.1.2.4. ðiều khiển ñối tượng quán tính bậc ba. 37 2.1.3. Phương pháp tối ưu ñối xứng. 39 2.1.4. Phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm 0. 41 2.1.5. Phương pháp mô hình IMC (Internal model Control). 43 2.2. Các phương pháp chỉnh ñịnh dựa theo ñường ñặc tính. 48 2.2.1. Phương pháp Ziegler- Nichols. 48 2.2.1.1. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất. 48 2.2.1.2. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ hai. 50 2.2.1.3. Phương pháp Chien-Hrones-Resweick. 52 2.2.1.4. Phương pháp tổng T của Kuhn. 55 2.3. Phương pháp thực nghiệm xác ñịnh thông số bộ ñiều khiển PI. 57 2.4. Những kết luận chung về việc lựa chọn luật ñiều chỉnh PID. 63 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . v CHƯƠNG 3. ðỐI TƯỢNG LÒ GIÓ NÓNG. 65 3.1. Giới thiệu hệ thống thí nghiệm( lò gió nóng). 65 3.1.1. Buồng ñốt. 67 3.1.2. Quạt gió. 67 3.1.3. Sợi ñốt. 67 3.1.4. Nhiệt kế ñiện trở. 68 3.1.5. Bộ chuyển ñổi R/U. 69 3.1.6. Máy tính. 69 3.1.7. Card ghép nối DAS 1601. 70 3.1.8. Bộ ñiều khiển công suất. 70 3.2. Khảo sát ñặc tính của ñối tượng. 71 3.2.1. Xác ñịnh ñặc tính tĩnh. 71 3.2.2. Xác ñịnh ñặc tính ñộng. 72 3.2.2.1. ðặt nhiễu bậc thang 1(t) hoặc dạng xung. 72 3.2.2.1.1. Phương pháp tiến hành thực nghiệm. 72 3.2.2.1.2. Xác ñịnh tham số mô hình quán tính bậc nhất không có trễ. 73 3.2.2.1.3. Xác ñịnh tham số cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ. 74 3.2.2.1.4. Xác ñịnh tham số mô hình PT 2 74 3.2.2.2. Xác ñịnh ñặc tính ñộng của ñối tượng khi có s ự tham gia của bộ ñiều khiển. 75 3.2.3. Nhận dạng lò gió nóng. 76 3.3. Khảo sát mô phỏng hệ thống ñiều khiển. 78 3.3. Khảo sát mô phỏng hệ thống ñiều khiển. 79 3.3.1. Phương pháp Haalman. 79 3.3.2. Phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm không. 80 3.3.3. Phương pháp mô hình nội IMC. 81 3.3.4. Phương pháp Ziegler-Nichols. 83 3.3.4.1. Phương pháp Ziegler-Nichols I. 83 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . vi 3.3.4.2. Phương pháp Ziegler-Nichols II. 84 3.4. Khảo sát hệ thống ñiều khiển thực. 88 3.4.1. Phương pháp Haalman. 89 3.4.2. Phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm không. 89 3.4.3. Phương pháp mô hình nội IMC. 89 3.4.4. Phương pháp Ziegler – Nichols. 90 3.4.4.1. Phương pháp Ziegler – Nichols I. 90 3.4.4.2. Phương pháp Ziegler – Nichols II. 91 3.4.5. Phương pháp thực nghiệm xác ñịnh thông số bộ ñiều khiển PI. 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . vii DANH MỤC CÁC BẢNG. Số bảng Tên bảng Trang Bảng 2.1 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Haalman cho các ñối tượng giả ñịnh. 34 Bảng 2.2 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm 0. 42 Bảng 2.3 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm 0 áp dụng cho các ñối tượng giả ñịnh. 43 Bảng 2.4 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp mô hình IMC cho các ñối tượng thường gặp. 45 Bảng 2.5 Tính toán tương ñương thông số bộ ñiều khiển nối tiếp và song song theo phương pháp mô hình IMC. 46 Bảng 2.6 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols I. 49 Bảng 2.7 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II. 50 Bảng 2.8 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho ñối tượng giả ñịnh. 51 Bảng 2.9 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien- Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh 0% = σ 53 Bảng 2.10 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien- Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh không quá 20% 53 Bảng 2.11 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien- Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo tín hiệu ñặt 54 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . viii trước và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh max h∆ Bảng 2.12 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien- Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo tín hiệu ñặt trước và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh max h∆ không vượt quá 20% so với )(lim thK t ∞→ = 54 Bảng 2.13 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp tổng T của Kuhn. 56 Bảng 3.1 Tính thông số bộ ñiều khiển. 79 Bảng 3.2 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm 0. 80 Bảng 3.3 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp mô hình nội IMC cho ñối tượng lò gió nóng. 82 Bảng 3.4 Tính thông số của bộ ñiều khiển theo công thức Ziegler-Nichols I. 83 Bảng 3.5 Thông số của bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols I cho ñối tượng lò gió nóng. 83 Bảng 3.6 Tính thông số của bộ ñiều khiển theo công thức Ziegler-Nichols II. 87 Bảng 3.7 Thông số của bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho ñối tượng lò gió nóng. 87 Bảng 3.8 Tổng hợp các chỉ tiêu ñánh giá chất lượng hệ thống ñiều khiển thực theo các phương pháp kinh ñiển. 92 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang Hình 1.1 Sơ ñồ khối các phần tử trong hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng. 3 Hình 1.2 Sơ ñồ tổng quát của hệ ñiều chỉnh tự ñộng. 4 Hình 1.3 Sơ ñồ cấu trúc vào ra của ñối tượng ñiều chỉnh. 5 Hình 1.4 Hàm quá ñộ của ñối tượng tự cân bằng. 6 Hình 1.5 Hàm quá ñộ của ñối tượng không tự cân bằng. 7 Hình 1.6 Hàm quá ñộ của ñối tượng tự cân bằng. 9 Hình 1.7 Sơ ñồ khối cấu trúc ñối tượng. 9 Hình 1.8 Trình tự cách chọn hàm W 1 (p). 9 Hình 1.9 Hình 1.9: Xác ñịnh thông số mô hình. 10 Hình 1.10 Xác ñịnh các hệ số. 11 Hình 1.11 Sơ ñồ cấu trúc của W 1 (s). 14 Hình 1.12 Xác ñịnh các thông số hàm truyền ñạt của ñối tượng không tự cân bằng. 15 Hình 1.13 Sơ ñồ khối cấu trúc của ñối tượng. 16 Hình 1.14 Xác ñịnh thông số của ñối tượng phi tĩnh. 16 Hình 1.15 Quá trình quá ñộ ñiều khiển hai vị trí. 17 Hình 1.16 ðiều khiển ba vị trí. 18 Hình 1.17 Các ñặc tính của quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ vi phân. 21 Hình 1.18 Các ñặc tính của quy luật PI. 23 Hình 1.19 Các ñặc tính của quy luật ñiều chỉnh PID. 24 Hình 1.20 Bộ ñiều chỉnh với trọng số cho giá trị ñặt. 30 Hình 1.21 Cấu hình PID ISA 2 bậc tự do. 31 Hình 2.1 Kết quả mô phỏng theo phương pháp Haalman cho các ñối tượng giả ñịnh. 34 Hình 2.2 Kết quả mô phỏng theo phương pháp tối ưu ñộ lớn cho các ñối tượng giả ñịnh. 39 [...]... 1: Nghiên c u h th ng ñi u ch nh t ñ ng trong công nghi p Chương này trình bày m t s v n ñ cơ b n v ñ i tư ng ñi u ch nh trong công nghi p và các v n ñ cơ b n v b ñi u khi n PID Chương 2: Nghiên c u các phương pháp xác ñ nh thông s b ñi u khi n Chương này gi i thi u v cách hi u ch nh thông s PID theo các phương pháp kinh ñi n Trong m i phương pháp ñ u l y ñ i tư ng gi ñ nh ñ mô ph ng Chương 3: Nghiên. .. khăn trong vi c t ng h p phương pháp hi u ch nh các thông s c a b ñi u khi n - T ng h p b ñi u khi n công nghi p theo phương pháp kinh ñi n 4 Ph m vi và n i dung nghiên c u N i dung nghiên c u chính c a lu n văn ñ c p ñ n v n ñ sau: - Các ñ c tính c a ñ i tư ng - ð c tính c a b ñi u khi n - Các phương pháp hi u ch nh thông s c a b ñi u khi n - Ti n hành th c nghi m các k t qu nghiên c u 5 Tóm t t n... TRONG CÔNG NGHI P Sơ ñ kh i c u trúc c a m t h th ng ñi u ch nh t ñ ng trong công nghi p ñư c mô t trên hình 1.1 Trong ñó TBCN là thi t b công nghi p Thi t b công nghi p th c hi n nh ng quá trình công ngh c n thi t Nh ng quy trình công ngh ñư c ñ c trưng b ng các thông s công ngh (TSCN) nh t ñ nh ð b o ñ m cho các TSCN ñ t ñư c các giá tr c n thi t ph i có các tác ñ ng công ngh (TðCN) ðây là các tác... mô ph ng theo phương pháp kh ñi m c c và 43 ñi m 0 cho các ñ i tư ng gi ñ nh Hình 2.4 Mô hình h th ng theo phương pháp IMC 44 Hình 2.5 Mô hình h th ng feedback truy n th ng 44 Hình 2.6 Sơ ñ mô ph ng theo phương pháp mô hình IMC 47 Hình 2.7 K t qu mô ph ng v i mô hình gi ñ nh 48 Hình 2.8 ðáp ng b c thang ñơn v theo phương pháp Ziegler- 49 Nichols I Hình 2.9 K t qu mô ph ng theo phương pháp Ziegler-Nichols... ngày càng nâng cao ch t lư ng các h th ng ñi u khi n t ñ ng Tuy nhiên, trên th c t có r t nhi u ñ i tư ng ñi u khi n khác nhau v i các ñ c tính ph c t p Do ñó c n ph i ti n hành nghiên c u, tìm ra các phương pháp ñi u khi n khác nhau ñ ng d ng ñi u khi n các ñ i tư ng công nghi p như v n ñ ñi u khi n thông s nhi t ñ c a lò ñi n tr , lò nung, lò s y ðã có nhi u công trình nghiên c u trư c ñây, nhi u k... ñi u ch nh các ñ i tư ng trong công nghi p thì b ñi u khi n PID ñư c ng d ng h u h t trong ñ i tư ng công nghi p Tuy nhiên, ñ v n hành t t h th ng thì ph i bi t s d ng các thu t toán PID Do ñó c n ph i nghiên c u ñ c tính c a ñ i tư ng, ñ c tính c a b ñi u khi n, trên cơ s ñó ph i xác ñ nh ñư c các thông s ñ i tư ng, t ñó m i l a ch n ñư c tham s cho b ñi u khi n 2 Phương pháp nghiên c u - Nghiên c u... theo c n ph i th c hi n là xác ñ nh các thông s c a hàm W1(s) d a trên ñ th hàm σ (t ) N u W1(s) có d ng: W1 ( s) = e −τ 1s thì thông s c a nó có th xác ñ nh b ng 2 cách: cách th Ts + 1 nh t ñư c g i là phương pháp ñ th Trên ñ th σ (t ) ch n ñi m u n và k ti p tuy n v i ñư ng cong t i ñi m u n s xác ñ nh ñư c σ(t) các thông s τ1 và T (hình 1.9) Ưu ñi m c a phương pháp ñ th 1 τ1 T là ñơn gi n còn như... ñ ng t i h n theo phương pháp Ziegler- 51 Nichols II c a ñ i tư ng gi ñ nh Hình 2.11 K t qu mô ph ng theo phương pháp Ziegler-Nichols II 52 cho ñ i tư ng gi ñ nh Hình 2.12 ðư ng ñ c tính quá ñ c a ñ i tư ng theo phương 52 pháp( C-H-R) Hình 2.13 ð c tính quá ñ c a ñ i tư ng gi ñ nh theo phương 55 phápChien-Hrones-Resweick Hình 2.14 K t qu mô ph ng cho ñ i tư ng gi ñ nh theo phương 55 pháp Chien-Hrones-Resweick... ñ i tư ng Các quá trình này ñư c ph n ánh thông qua m t s thông s k thu t c a ñ i tư ng và ñư c g i là tín hi u ra c a ñ i tư ng Thông s k thu t ñ c trưng nh t cho các quá trình x y ra trong ñ i tư ng ñư c g i là thông s công ngh và nó chính là ñ i lư ng c n ñi u ch nh y Tác ñ ng nh hư ng tr c ti p lên thông s công ngh ñư c g i là tác ñ ng công ngh Tác ñ ng công ngh thư ng ñư c s d ng là dòng vào c... Sơ ñ mô ph ng theo phương pháp Haalman cho ñ i tư ng lò gió nóng K t qu mô ph ng theo phương pháp Haalman cho ñ i tư ng lò gió nóng K t qu mô ph ng theo phương pháp kh ñi m c c và ñi m 0 cho ñ i tư ng lò gió nóng K t qu mô ph ng theo phương pháp mô hình n i IMC cho ñ i tư ng lò gió nóng 79 Hình 2.29 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 62 63 80 81 82 84 Hình 3.12 K t qu mô ph ng theo phương pháp Ziegler-Nichols