điều khiển và giám sát lò nhiệt phần 3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT PHẦN 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG GVHD : BÙI THANH HUYỀN &103& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT CHƯƠNG 1 LÒ NHIỆT, XÁC ĐỊNH HÀM TRUYỀN VÀ THÔNG SỐ CHO HÀM PID Hàm truyền của lò : ( ) 1+ = − Ts Ke sH Ls để áp dụng cho hệ tuyến tính ta lấy khai triển Taylor của hàm e -Ls , hàm truyền trở nên ( ) )1)(1( ++ = LsTs K sH . Từ thực nghiệm, ta có các thông số sau : T=450 s, L=60s, K=nhiệt độ xác lập / phần trăm công suất Thực hiện hiệu chỉnh PID, từ hàm truyền G PID (s) = Kp(1 + 1/TiS+TdS) = Kp + Ki/S + KdS Với Kp=1.2T/L = 9 Ti=2L=120, Ki=0.075 Td=L/2=30, Kd=270 Ta có : G PID = 9 ( 1+1/120S+30S) Cho rằng hệ thống không ổn đònh và có thông số Kr, Ki, Kd thay đổi trong khoảng K ∆ K’ Kr=9 4 K’r=9±4 Ki=0.075 0.03 K’i=0.075±0.03 Kd=270 30 K’d=270±30 Từ đó : Kr max = 13, Kr min = 5 ⇒ 5 ≤ Kr ≤ 13 Kd max =300, Kd min = 240⇒ 240 ≤ Kd ≤ 300 Theo phương pháp Zhao Tomizuka và Isaka (xem phần 2, chương 3 : hệ mờ lai), giá trò Kr và Kd được chuẩn hóa thành minmax min minmax min , KdKd KdKd Kd KrKr KrKr Kr chch − − = − − = (1) mà 0 ≤ Kr ch ≤ 1 ; 0 ≤ Kd ch ≤ 1 từ (1) ⇒ Kr = 8 Kr ch + Kr min = 8 Kr ch + 5 GVHD : BÙI THANH HUYỀN &104& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT Kd = 60Kd cj + Kd min = 60Kd cj + 240 Đây là những giá trò thực tế mà ta sẽ chuyển đổi về từ ngõ ra của bộ xử lý mờ để đưa vào hàm PID của PLC thực hiện chỉnh đònh GVHD : BÙI THANH HUYỀN &105& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT Chương 3 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB 3.1. Giới thiệu về Matlab : Matlab là một ngôn ngữ cực kỳ mạnh trong tính toán và chạy mô phỏng về đồ họa, ở đây ta chỉ ứng dụng Simulink để chạy mô phỏng hệ thống điều khiển vò trí, từ đó ta có cơ sở để so sánh sự khác nhau giữa lý thuyết và thiết kế. Simulink là một công cụ (Tool) trực quan của phần mềm Matlab dùng để mô phỏng hệ thống điều khiển tự động. Simulink gồm những khối trong cửa sổ đồ họa được đònh nghóa bằng những ngõ vào/ra và quan hệ của chúng trong miền thời gian tương ứng với các phần tử cơ bản trong hệ thống tự động. Người dùng có thể kéo thả (drag and drop) các khối này giữa các cửa sổ, dùng chuột nối các ngõ vào ra để tạo mô hình của hệ thống cần khảo sát. Như vậy Simulink mô tả hệ thống dưới dạng sơ đồ khối, cho phép ta xem đáp ứng của hệ thống theo thời gian. 3.2. Đầu vào là hàm nấc : đối với hệ thống trên, giá trò đặt là hàm nấc, đáp ứng ngõ ra có vọt lố POT = (118-100)*100/100= 18 % Đặc điểm của mạch này là tuy có vọt lố nhưng hệ thống nhanh chóng xác lập sau một lần qua điểm đặt và đặc tuyến chạy thẳng theo điểm đặt với sai số 0%, chứng tỏ bộ điều khiển hoạt động tốt (xem hình minh họa ) GVHD : BÙI THANH HUYỀN &106& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT 3.3. Đầu vào là hàm nấc nhưng đã được làm trễ lại (làm mềm trò đặt ) : Ý nghóa của việc làm mềm giá trò đặt : Do khâu vi phân có tác dụng làm trễ đáp ứng ngõ ra nên ta ứng dụng nó làm cho giá trò đặt lúc này không phải là một hàm nấc nữa mà nó tăng giá trò lên từ từ bám theo hàm nấc, thời gian đạt được giá trò đặt phụ thuộc vào hằng số tích phân Ti, còn khâu PID ngay sau hàm Sum trong sơ đồ chỉ có tác dụng như khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại bằng 1 (Xem hình minh họa giá trò đặêt đã được làm mềm và đáp ứng ngõ ra trong trường hợp này ) GVHD : BÙI THANH HUYỀN &107& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT CHƯƠNG 2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 2.1. Giới thiệu hệ thống : 1.Lưu đồ : 2. Giải thích : 1- Giao tiếp giữa PLC và PC : Tín hiệu từ PC thông qua phần mềm WinCC (Windows Control Center ) truyền xuống PLC thực hiện điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu. Ta có thể ra lệnh cho PLC bắt đầu thực hiện chương trình, bật quạt gây nhiễu kiểm tra đáp ứng của lò khi có nhiễu xảy ra. GVHD : BÙI THANH HUYỀN &108& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM Quạt gây nhiễu Lò nhiệt PLC điều khiển Công suất Cảm biến SCADA PC Module analog LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT Đồng thời chương trình điều khiển cũng có thể giám sát hoạt động của hệ thống như trạng thái của PLC, trạng thái của lò, trạng thái của quạt đang chạy hay đang tắt. Và hiển thò lên màn hình điều khiển và thu thập dữ liệu đang được xử lý như nhiệt độ hiện hành, sai lệch ET và tất cả các giá trò đang được PLC xử lý (điều này phụ thuộc vào số thẻ (tag) mà WinCC có thể quản lý ), các giá trò này được thu thập lại dưới dạng bảng (table) hay dạng đồ thò (trend) hoặc cả hai. 2- Cảm biến và PLC : Cảm biến sử dụng trong luận văn là Thermocouple loại K (có độ nhạy nhiệt là 40µV/°C ). Cảm biến Thermocouple TC ghi nhận giá trò nhiệt độ từ lò nhiệt và đưa ra tín hiệu điện áp V cở (mV) V = S(T d – T a ) = S.T d – S.T a Với Td là nhiệt độ cần đo. Ta là nhiệt độ môi trưôøng. S là độ nhạy của thermocouple Như vậy tín hiệu ra từ TC bò ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường mà ta gọi là đầu tự do, khi xử lý tín hiệu cần phải có biện pháp trừ khử giá trò này. Thông thường thì ta phải làm mạch bù nhiệt để loại bỏ sai số, tuy nhiên, do sử dụng PLC S7-300 với module Analog SM331 AI 8x12bit, đây là molule chuyên dụng có khả năng nhận trực tiếp tín hiệu từ TC mà không cần phải qua bộ khuếch đại, bù nhiệt cho đầu tự do và tuyến tính hóa bằng phần mềm đặc tuyến ngõ ra của TC Tín hiệu này được đổi tầm khi đưa vào PLC và kết quả thu được là giá trò thực của nhiệt độ. 3- Lò nhiệt và PLC : PLC nhận tín hiệu từ TC, chương trình điều khiển so sánh nhiệt độ hiện tại với trò đặt và đưa ra quyết đònh điều khiển (xem phần giải thuật điều khiển của PLC ) đóng hay ngắt lò thông qua phần công suất là Opto TriAc có sơ đồ như hình vẽ GVHD : BÙI THANH HUYỀN &109& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT Mục đích của khối mạch công suất là cách ly điều khiển giữa thiết bò chấp hành và PLC nhằm tránh rủi ro có thể xảy ra do hỏng hóc ở lò nhiệt làm hư hại đến PLC 4- Quạt gây nhiễu : Có thể nói một cách không quá đáng rằng đây chính là ưu điểm của phương pháp mờ lai, đối với phương pháp điều khiển PID thông thường thì khi có nhiễu xảy ra hay hệ thống bò thay đổi đặc tính, ta phải thiết lập lại thông số PID thì hệ mới trở về trạng thái xác lập, còn trong luận văn này, khi bật quạt gây nhiễu để làm thay đổi đặc tính lò nhiệt, hệ bò mất ổn đònh nhưng sau đó nhanh chóng tự động trở về trạng thái xác lập, xem hình minh họa GVHD : BÙI THANH HUYỀN &110& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM I/O power supply OP-TO TRIAC I/O Unit của PLC 220VAC V 0G 1 2 Lò nhiệt LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT Hình minh họa đáp ứng của lò nhiệt khi có nhiễu Từ hình minh họa, ta thấy lò đang ổn đònh ở nhiệt độ 50 o C, khi có tác động của nhiễu, hệ thống bò mất ổn đònh, vọt lố hơi cao là do ở nhiệt độ thấp, quán tính của lò lớn, trường hợp tương tự khi điều khiển lò ở nhiệt độ thấp. Sau đó lò đã trở về trạng thái ổn đònh GVHD : BÙI THANH HUYỀN &111& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM Hệ thống đang ổn đònh Hệ thống mất ổn đònh LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT 2.2. Chương trình chính : 1.Lưu đồ : GVHD : BÙI THANH HUYỀN &112& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM Bắt đầu Nhiệt độ đặt nhập thông số PID Đọc nhiệt độ lò lệnh chạy PLC N Y Hiệu chỉnh PID Xử lý mờ thông số PID Điều rộng xung Hệ thống bình thường ? N Y Điều khiển lò Kết thúc Cảm biến đứt ? N Y Điện trở đứt ? N Y Báo động [...]... (92-70)*100/70 = 31 .4 % * Thời gian xác lập theo chuẩn 5% : Txác lập 5% = 48 -39 = 9 phút * Thời gian xác lập theo tiêu chuẩn 2% : Txác lập 2% = 51 -39 Ở nhiệt độ này, vọt lố đã giảm đi rất nhiều và thời gian xác lập cũng tăng lên 3- Nhiệt độ đặt là 100oC : POT Thời gian xác lập Từ đồ thò ta thấy : * Độ vọt lố : POT = (115 –100)*100/100 = 15% * Thời gian xác lập theo chuẩn 5 % : Txác lập 5% = 41 -34 = 7 phút... module FB41, kết quả đưa trực tiếp vào module điều rộng xung FB 43 (xem phần 1, chương 5) 5- Xuất lệnh điều khiển lò, tùy thuộc vào giá trò ngõ ra của bộ điều rộng xung mà trạng thái của lò được đóng hay mở 6- Kết thúc một vòng điều khiển GVHD : BÙI THANH HUYỀN &1 13& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT 2 .3 Chương trình con : 1- Lưu đồ tính toán chi tiết của phương... theo chuẩn 5 % : Txác lập 5% = 41 -34 = 7 phút * Thời gian xác lập theo chuẩn 2 % : Txác lập 2% = 43- 34 = 9 phút 4- Nhiệt độ đặt là 120 o C : GVHD : BÙI THANH HUYỀN &122& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT POT Thời gian xác lập Từ đồ thò, ta thấy : * Độ vọt lố : POT = ( 130 .5 – 120)*100/120 = 8.75 % * Thời gian xác lập theo chuẩn 5% : Txác lập 5% = 27-21 = 6 phút *... tức là kiểm tra cảm biến hay điện trở lò có bò đứt ?, nếu có nó sẽ ra thông báo lỗi và dừng chương trình 3- Đọc nhiệt độ lò từ TC, giá trò này có kiểu đònh dạng Integer, đã được đổi thang và hiển thò giá trò thực của lò 4- Bộ điều khiển thực hiện xử lý mờ tham số PID được thực hiện do module mờ FB30 được tích hợp trong PLC, do lò nhiệt cố đònh nên trong lần đọc đầu tiên của PLC, nó sẽ lấy tham số mặc... lò nhiệt hoàn toàn xác lập, từ bảng dữ liệu : Sai số mức trên : ET1 = 0.5% Sai số mức dưới : ET2 = 0.099% Sai số trung bình : ET = (ET1 – ET2)/2 = (0.5 + 0.0999)/2 = 0 .3 % Dữûø liệu sai lệch ET dưới dạng bảng : GVHD : BÙI THANH HUYỀN &1 23& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT * Nhận xét chung : Kết quả điều khiển tốt ở nhiệt độ cao, vọt lố thấp, thời gian xác lập... ứng dụng tốt hơn trong thực tế : tối ưu các hệ thống điều khiển thuần túy bằng mờ hay PID GVHD : BÙI THANH HUYỀN &124& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1 Đánh giá kết quả thực hiện luận văn : Luận văn tốt nghiệp là môn học bắt buộc thực hiện trong một học kỳ của năm học _ khoảng thời gian khá ngắn để nghiên cứu một . K’r=9±4 Ki=0.075 0. 03 K’i=0.075±0. 03 Kd=270 30 K’d=270 30 Từ đó : Kr max = 13, Kr min = 5 ⇒ 5 ≤ Kr ≤ 13 Kd max =30 0, Kd min = 240⇒ 240 ≤ Kd ≤ 30 0 Theo phương. làm mạch bù nhiệt để loại bỏ sai số, tuy nhiên, do sử dụng PLC S7 -30 0 với module Analog SM 331 AI 8x12bit, đây là molule chuyên dụng có khả năng nhận trực