Mô hình hoá và mô phỏng mô hình thí nghiệm điều khiển lò nhiệt trên phần mềm matlab

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Minh Chiến Giảng viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Đồn Phong HẢI PHỊNG – NĂM 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HỐ VÀ MƠ PHỎNG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN LỊ NHIỆT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Minh Chiến Giảng viên hướng dẫn : Th.S Nguyễn Đồn Phong HẢI PHỊNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Minh Chiến MSV: 1913102009 Lớp : DCL2301 Ngành : Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài: Mơ hình hố mơ mơ hình thí nghiệm điều khiển lị nhiệt phần mềm Matlab NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1.Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn 3.Địa điểm thực tập tốt nghiệp ……………… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ tên : Nguyễn Đoàn Phong Học hàm, học vị : Thạc sĩ Cơ quan công tác : Trường Đại học Quản lý Công nghệ Hải Phịng Nội dung hướng dẫn: Mơ hình hóa mơ mơ hình thí nghiệm điều khiển lị nhiệt phần mềm Matlab Đề tài tốt nghiệp giao ngày 12 tháng 10 năm 2020 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 31 tháng 12 năm 2020 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên Cán hướng dẫn Đ.T.T.N Nguyễn Minh Chiến Th.S Nguyễn Đồn Phong Hải Phịng, ngày…….tháng …… năm 2020 TRƯỞNG KHOA TS Đồn Hữu Chức CỘNG HỊA 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: Nguyễn Đồn Phong Đơn vị cơng tác:Trường Đại học Quản lý Cơng nghệ Hải Phịng Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Chiến Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp Nội dung hướng dẫn : Toàn đề tài Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng đồ án ( 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 Khơng bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phịng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn Ths.Nguyễn Đoàn Phong 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: Phần nhận xét giảng 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 2020 Giảng viên chấm phản biện LỜI MỞ ĐẦU Ngày nhu cầu sử dụng lượng nhiệt công nghiệp đời sống lớn Năng lượng nhiệt dùng để sấy khơ, nung cháy, hay nhiệt luyện để tạo sản phẩm với chất lượng cao Một số ứng dụng phổ biến lượng nhiệt dùng để sấy Thiết bị sấy phần quan trọng ngành sản xuất ứng dụng cần sử dụng thiết bị sấy lớn sấy sản phẩm nơng nghiệp thóc, ngơ, hay cà phê, hạt điều, vải…,trong ngành thủy sản để sấy khô sản phẩm tôm cá…,và đặc biệt ngành công nghiệp dệt, may, sơn, sản xuất gạch, thức ăn chăn ni lị sấy thiết bị khơng thể thiếu Với mong muốn tìm hiểu sâu lò sấy khoa học kĩ thuật áp dụng vào đó, em lựa chọn đề tài“Mơ hình hóa mơ mơ hình thí nghiệm điều khiển lò nhiệt phần mềm Matlab” Đề tài tập trung vào việc: - Tìm hiểu tổng quan cơng nghệ lị sấy, giới thiệu phương pháp điều khiển nhiệt độ lò sấy chọn phương pháp để nghiên cứu, nhận dạng, xác định thiết bị tiến hành thiết kế, chế tạo mơ hình điều khiển giám sát lị sấy - Mơ hình hóa mơ mơ hình thí nghiệm điều khiển lị nhiệt phần mềm Matlab MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT 1.1 Khái niệm chung 1.2 Phân loại lò nhiệt 1.2.1 So sánh lò điện trở, lò hồ quang, lò cảm ứng 1.2.2 Ứng dụng lò nhiệt 1.3 Cấu tạo lò điện trở 1.3.1 Vỏ lò 10 1.3.2 Lớp lót 10 1.3.3 Dây nung 11 1.4 Nguyên lí làm việc tổn thất lò điện trở 11 1.4.1 Nguyên lí làm việc 11 1.4.2 Tổn thất nhiệt lò 11 1.5 Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò 12 1.5.1 Phương phápdùngmáy biến áp 12 1.5.2 Phương pháp dùng rơle 12 1.5.3 Phương pháp dùngrơlekết hợp với thysisor 12 1.5.4 Phương pháp dùng hai thysistor mắc song song ngược 12 1.5.5 Phương pháp dùng triac 13 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHẦN TỬ TRONG MƠ HÌNH 11 2.1 Sơ đồ khối phần tử mơ hình 11 2.2 Bộ điều khiển nhiệt độ 12 2.3 Giới thiệu chung điều khiển nhiệt độ 13 2.3.1 Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TK4S-Series 13 2.3.2 Bộ điều khiển nhiệt độ Omron dòng E5CD 17 2.4 Cảm biến nhiệt độ 18 2.4.1 Cảm biến RTD 18 2.4.2 Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 19 2.4.3 Can nhiệtK 20 2.5 Rơle bán dẫn HSR 24 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH 26 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 26 3.2 Tính chọn trang thiết bị cho mơ hình 26 3.2.1 Thiết kế lò nhiệt 26 3.2.2 Bộ điều khiển TK4S-B4CR 32 3.2.3 Rơle bán dẫn HSR-2D304Z 30A 36 3.2.4 Bộ điều chỉnh nguồn SPC1-35 39 3.2.5 Cảm biến nhiệt E52MY-CA10C D6.3MM SUS316 Omron 42 3.3 Thiết kế modul 43 3.3.1 Modul van công suất 43 3.3.2 Modul điều khiển lò nhiệt TK4S-B4CR 45 3.4 Các chức điều khiển 46 3.4.1 Chức điều khiển ON/OFF 46 3.4.2 Chức tự dò tham số PID (Auto-turning) 48 3.5 Nhận dạng đối tượng mơ hình thí nghiệm 51 3.5.1 Mơ tả tốn học lị nhiêt 53 3.5.2 Xác định hàm truyền điều khiển nguồn cảm biến 55 3.5.3 Tìm tham số điều khiển 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 Chương 3- Thiết kế mơ hình Hình 36.PID Chien-Hrones-Reswick tối ưu Hình 37.Kết khảo sát với thông số PI SCR theo phương pháp Haalman thu phần mềm Độ điều chỉnh δ = 2.5% Thời gian độ Tqđ = 900s Nhận xét:Sau nhập thông số vào điều khiển cho chạy ta thấy độ điều chỉnh nhỏ, thời gian độ gần với mơ tả Simulink.Sau có nhiễu cách mở cửa lị ta thấy nhanh lò ổn định nhiệt độ cài đặt.Điều cho thấy điều khiển tốt 66 Chương 3- Thiết kế mơ hình Hình 38.Kết khảo sát với thông số PI SCR phương pháp ChienHrones-Reswick thu phần mềm Độ điều chỉnh δ = 2.5% Thời gian độ Tqđ = 720 (s) Nhận xét:Sau cài đặt thông số điều khiển cơng nghiệp độ q điều chỉnh nhỏ, số lần dao động thời gian độ gần mô Simulink chưa tối ưu hóa.Sau nhiễu tác động lị bị ảnh hưởng nhiều, lâu sau ổn định lại Hình 39.Kết khảo sát với thông số PID SCR theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick thu phần mềm 67 Chương 3- Thiết kế mô hình Độ điều chỉnh δ = 2% Thời gian độ Tqđ = 840 (s) Nhận xét:Sau cài đặt thơng số điều khiển cơng nghiệp độ điều chỉnh nhỏ 5% , số lần dao động ≤ thời gian độ gần mô Simulink chưa tối ưu hóa Sơ đồ hàm truyền Simulink SSR: Hình 40.Sơ đồ hàm truyền Simulink Kết khảo sát Scope: Hình 41.Kết khảo sát Scope PI theo phương pháp Haalman chưa tối ưu 68 Chương 3- Thiết kế mô hình Hình 42.Kết khảo sát PI theo phương pháp Haalman tối ưu y= 1, ymax=1.1156 Suy độ điều chỉnh δ =11.56% Tqd=6500s Số lần dao động n =1 Sai lệch tĩnh e(t)=0 Nhận xét: - Độ điều chỉnh hàm độHaalman chưa tối ưu 50% lớn 20% độ điều chỉnh hàm độHaalman tối ưu 11.56% nhỏ 20% - Thời gian độHaalman tối ưu 6500s dài chưa tối ưu 350s - Số lần dao động Haalman tối ưu n =1 chưa tối ưu n=3 69 Chương 3- Thiết kế mô hình Hình 43.Kết khảo sát Scope PI theo phương pháp ChienHrones-Reswick chưa tối ưu Nhận xét: Độ điều chỉnh δ = 75% Thời gian độ Tqđ = 550 (s) Số lần dao động n =3 Sai lệch tĩnh e(t)=0 70 Chương 3- Thiết kế mơ hình Hình 44.Kết khảo sát PI theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick tối ưu y.= 1, ymax=1.1156 suy Độ điều chỉnh δ =11.56% Tqd=6500s Số lần dao động n =1 Sai lệch tĩnh e(t)=0 Nhận xét: - Sau độ điều chỉnh hàm độChien-Hrones-Reswick chưa tối ưu 75% lớn 20% độ điều chỉnh hàm độChien-HronesReswick chưa tối ưu 11.56% nhỏ 20% - Thời gian độtối ưu 6500s dài chưa tối ưu 550s - Số lần dao động tối ưu n =1 chưa tối ưu n=3 71 Chương 3- Thiết kế mơ hình Hình 45.Kết khảo sát Scope PID theo phương pháp ChienHrones-Reswick chưa tối ưu Độ điều chỉnh δ = 42% Thời gian độ Tqđ = 400 (s) Số lần dao động n =2 Sai lệch tĩnh e(t)=0 Nhận xét:Độ điều chỉnh cịn lớn, thời gian q độ cịn dài Hình 46.Kết khảo sát PID theo phương pháp Chien-HronesReswick tối ưu y.= 1, ymax=1.1156 Suy Độ điều chỉnh δ =11.56% Tqd=3500 (s) Số lần dao động n =1 72 Chương 3- Thiết kế mơ hình Sai lệch tĩnh e(t)=0 Nhận xét: Sau độ điều chỉnh hàm độChien-Hrones-Reswick chưa tối ưu 42% lớn 20% độ điều chỉnh hàm độChien-HronesReswickđã tối ưu 11.56% nhỏ 20%.Số lần dao động Chien-HronesReswick tối ưu n =1 chưa tối ưu n=2.Thời gian độChien-HronesReswick tối ưu 3500s dài chưa tối ưu 400s, lâu Kết thu phần mềm DAQ Master: Hình 47.Kết khảo sát với thơng số PI SSR phương pháp Haalman thu phần mềm có nhiễu tác động Độ điều chỉnh δ = 2% Thời gian độ Tqđ =600 (s) Nhận xét:Độ điều chỉnh bé, thời gian độ dài, số lần dao động nhiều 73 Chương 3- Thiết kế mơ hình Hình 48.Kết khảo sát với thông số PI SSR phương pháp ChienHrones-Reswick thu phần mềm cho nhiễu tác động Độ điều chỉnh δ = 1% Thời gian độ Tqđ = 780 (s) Nhận xét:Độ điều chỉnh gần lý tưởng, thời gian độ dài Hình 49.Kết khảo sát với thông số PID SSR phương pháp Chien-Hrones-Reswick thu phần mềm Độ điều chỉnh δmax = 0.001% Thời gian độ Tqđ = 660 (s) 74 Chương 3- Thiết kế mơ hình Nhận xét:Độ điều chỉnh nhỏ, lý tưởng để ổn định đối tượng, thời gian độ lâu Điều gây tổn hao điện nhiều cơng nghiệp áp dụng Khảo sát tham số Simulink miền số Ta có: Hàm truyền hệ thống: H(s) = Bộ điều khiển: 𝐺𝑃𝐼𝐷 (𝑠) = 4,3(1 + 14.76 1067𝑠+1 40𝑠 × 𝑒 −20s + 8,4s) Kp = 4,3 ; Ti = 40 ; Td = 8.4 Giả sử xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật thành phần D theo bậc    T z 1  T GPID ( s)  K p 1   Tv s   GPID ( z )  K P 1   v  z 1  1 T  TC s   TC  z   Biến đổi ta có: GPID ( z )  Với: r0  K P 1   r0  r1 z 1  r2 z 2  z 1 T Tv  2T 1 v ; r1  K P  T  T  TC  T ; r1  K P v T  Suy ra: 𝑟0 = 4,3(1 + 𝑟1 = 4,3( 8,4 ) = 22,3 −1− 40 2.8,4 ) = - 40.2 8,4 𝑟2 = 4,3( ) = 18.06 𝐺𝑃𝐼𝐷 (𝑧) = 22,3− 40,2.𝑧 −1 + 18,06.𝑧 −2 1− 𝑧 −1 Thời gian trích mẫu = 2(s) 75  Chương 3- Thiết kế mơ hình - Sơ đồ khối Simulink: Hình 50.Sơ đồ hàm truyền PID số Simulink 76 Chương 3- Thiết kế mơ hình - Kết thu Scope Hình 51.Hàm q độ thơng số PID số theo phương pháp Chien-HronesReswick cho SSR Simulink Nhận xét: - Lượng điều chỉnh  max = 100% - Thời gian độ Tqd = 300(s) 77 Chương 3- Thiết kế mơ hình KẾT LUẬN: Tất đặc tính độ PID ổn định, số lần dao động ≤ sai lệch tĩnh St=0 Theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick Haahman chưa tối ưu hóa, ta thấy hàm độ PID mô simulink đưa độ điều chỉnh lớn, lớn 20%, chí 50% nên chưa đáp ứng yêu cầu sử dụng Sau tối ưu hóa hàm độ PID mô Simulink đưa độ điều chỉnh 20% thời gian độ dài hơn, số lần dao động ≤ Trong đó, hàm độ PID cài đặt thông số vào điều khiển công nghiệp đưa độ điều chỉnh nhỏ, 20%, thời gian q độ ngắn Khi có nhiễu tác động hàm truyền ổn định nhanh, nhanh chóng điều chỉnh trở giá trị ban đầu nên đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển 78 KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài“Mơ hình hóa mơ mơ hình thí nghiệm điều khiển lò nhiệt phần mềm Matlab” em thu kết sau: - Hiểu yêu cầu tốn điều khiển nhiệt độ cơng nghiệp -Thiết kế, thi công, vận hành thành công mô hình thiết bị thí nghiệm điều khiển nhiệt độ bao gồm: Modul điều khiển, modul cơng suất, modul lị nhiệt cảm biến - Cài đặt hiệu chỉnh thơng số điều khiển TK4S-B4CR cho đối tượng lị nhiệt điện trở - Mơ hình hóa mơ mơ hình thí nghiệm điều khiển lị nhiệt phần mềm Matlab Tuy nhiên kiến thức thời gian cịn hạn chế nên đề tài cịn thiếu sót: - Chất lượng điều khiển chưa cao - Lò nhiệt điện trở có thời gian làm mát lâu - Nhiệt độ bên ngồi lớn dẫn tới nóng vỏ - Tổng hợp thông số điều khiển, tối ưu hóa, cài đặt điều khiển nhiệt độ, mơ toolbox Simulink Ngồi thành cơng đạt được, em mong muốn tiếp tục phát triển đề tài nhằm hoàn thiện thân tốt Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm Sinh viên Nguyễn Minh Chiến 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồng Minh Sơn Giáo trình – Cơ sở hệ thống điều khiển trình Nhà xuất BáchKhoa Hà Nội, 2006 [2] Giáo trình điện tử cơng suất , PGS TS Trần Xuân Minh ( chủ biên ), TS Đỗ Trung Hải NXB KH-KT,2005 [3] Công ty cổ phần công nghệ Hợp Long Tài liệu kỹ thuật Truy cập từ http://hoplongteach.com/taiieu/tk4s-b4cr.%2001/07/2020 [4] Lý thuyết điều khiển tự động, Nguyễn Thị Phương Hà ( Chủ biên ) Huỳnh Thái Hoàng NXB Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh – 2005 [5] Lý thuyết điều khiển tự động, Lê Hùng Lân, Trường ĐH Giao Thông Vận Tải, 2004 [6] Điện tử cơng suất, Nguyễn Bính, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2006 [7] Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nguyễn Dỗn Phước, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2002 [8] tailieu.vn [9] dientuvietnam.net 80 ... điều khiển van on off, điều khiển van tuyến tính, điều khiển PID, điều khiển ON/OFF Một số hãng sản xuất điều khiển:  Bộ điều khiển nhiệt độ Omron  Bộ điều khiển nhiệt độ Autonic  Bộ điều khiển. .. nhiệm vụ đo nhiệt độ bên lò phản hồi điều khiển nhiệt 11 Chương 2- Giới thiệu phần tử mơ hình 2.2 Bộ điều khiển nhiệt độ Khái niệm: Bộ điều khiển nhiệt độ thiết bị dùng để điều khiển nhiệt độ địa... thống - Bộ điều khiển nhiệt: Có nhiệm vụ điều khiển, hiển thị ổn định nhiệt độ bên lò - Bộ điều khiển nguồn: Có nhiệm vụ điều khiển nguồn cung cấp cho lò nhiệt - Lò nhiệt: Đối tượng gia nhiệt -