Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt

BÁO CÁO HỌC PHẦN LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN II ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ NHIỆT Giảng viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Thị Chính Nhóm thực hiện : NHÓM 5 1. Thái Mai Thao 1651050117 TD16B 2. Phạm Ngọc Thảo 1651050049 TD16A 3. Trương Nguyễn Duy Thiên 1651050053 TD16A 4. Hồ Tấn Thức 1651050054 TD16A 5. Trần Thị Thủy Tiên 1651050040 TD16A 6. Nguyễn Lê Phước Trí 1551030340 TD15B 7. Nguyễn Ngọc Trinh 1651050056 TD16A 8. Mai Xuân Trường 1651050057 TD16A 9. Nguyễn Trần Minh Tú 1651050041 TD16A 10. Hà Thúc Tuấn 1651050043 TD16A TP.HCM tháng 05 năm 2020 LỜI NÓI ĐẦU Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc…Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lí và hiệu quả là rất cần thiết. Lò nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. Ở lò nhiệt, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò. Chúng em chọn đề tài “Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt” trên cơ sở những lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lí thuyết điều khiển, kèm theo đó là kiến thức của các môn học cơ sở ngành và các môn học có liên quan như Kĩ thuật đo II, Lí thuyết điều khiển I… Vì lí do lượng kiến thức còn hạn hẹp và học online nên trong quá trình làm chúng em còn gặp nhiều khó khăn, khúc mắc chưa rõ và chưa giải quyết được. Đề tài được chia làm 5 phần như sau: 1. Tìm hàm truyền của đối tượng 2. Vẽ quỹ đạo nghiệm số. Nhận xét về tính ổn định của đối tượng 3. Thiết kế bộ điều khiển PID 4. Thiết kế bằng phương pháp không gian trạng thái 5. Thiết kế bộ điều khiển mờ Qua một thời gian thực hiện cùng với sự nổ lực của các thành viên trong nhóm cũng như sự chỉ bảo tận tình của giáo viên hướng dẫn, nhóm chúng em đã hoàn thành bài tiểu luận đúng thời hạn. Tuy nhiên với một lĩnh vực tương đối khó và đòi hỏi độ chính xác cao mà chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn chắc chắn báo cáo này còn nhiều điều thiếu sót, chúng em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Chính đã giúp đỡ nhóm hoàn thành bài tiều luận này này.

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG - - BÁO CÁO HỌC PHẦN LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN II ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ NHIỆT Giảng viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Thị Chính Nhóm thực : NHĨM Thái Mai Thao 1651050117 TD16B Phạm Ngọc Thảo 1651050049 TD16A Trương Nguyễn Duy Thiên 1651050053 TD16A Hồ Tấn Thức 1651050054 TD16A Trần Thị Thủy Tiên 1651050040 TD16A Nguyễn Lê Phước Trí 1551030340 TD15B Nguyễn Ngọc Trinh 1651050056 TD16A Mai Xuân Trường 1651050057 TD16A Nguyễn Trần Minh Tú 1651050041 TD16A 10 Hà Thúc Tuấn 1651050043 TD16A TP.HCM tháng 05 năm 2020 LỜI NÓI ĐẦU Trong thực tế công nghiệp sinh hoạt hàng ngày, lượng nhiệt đóng vai trị quan trọng Năng lượng nhiệt dùng trình cơng nghệ khác nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khn đúc…Vì việc sử dụng nguồn lượng cách hợp lí hiệu cần thiết Lò nhiệt ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp đáp ứng nhiều u cầu thực tiễn đặt Ở lò nhiệt, yêu cầu kỹ thuật quan trọng phải điều chỉnh khống chế nhiệt độ lò Chúng em chọn đề tài “Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt” sở lý thuyết học chủ yếu mơn học lí thuyết điều khiển, kèm theo kiến thức mơn học sở ngành mơn học có liên quan Kĩ thuật đo II, Lí thuyết điều khiển I… Vì lí lượng kiến thức cịn hạn hẹp học online nên q trình làm chúng em cịn gặp nhiều khó khăn, khúc mắc chưa rõ chưa giải Đề tài chia làm phần sau: Tìm hàm truyền đối tượng Vẽ quỹ đạo nghiệm số Nhận xét tính ổn định đối tượng Thiết kế điều khiển PID Thiết kế phương pháp không gian trạng thái Thiết kế điều khiển mờ Qua thời gian thực với nổ lực thành viên nhóm bảo tận tình giáo viên hướng dẫn, nhóm chúng em hoàn thành tiểu luận thời hạn Tuy nhiên với lĩnh vực tương đối khó địi hỏi độ xác cao mà tiếp xúc thời gian ngắn chắn báo cáo nhiều điều thiếu sót, chúng em xin cảm ơn Nguyễn Thị Chính giúp đỡ nhóm hồn thành tiều luận này Tp.HCM, ngày 20 tháng 05 năm 2020 Nhóm thực Nhóm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tp HCM, ngày … tháng … năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Th.s Nguyễn Thị Chính MỤC LỤC PHẦN I: HÀM TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG .5 PHẦN II: VẼ QUỸ ĐẠO NGHIỆM SỐ I Tính tốn vẽ quỹ đạo nghiệm số .7 II Tìm K để hệ thống ổn định III Nhận xét tính ổn định hệ thống .8 PHẦN III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN P, PI, PID I Vẽ đáp ứng vòng hở hệ thống II Vẽ đáp ứng vịng kín hệ thống 10 III Phương pháp Ziegler-Nichols 12 IV Thiết kế điều khiển P 13 V Thiết kế điều khiển PI .15 VI Thiết kế điều khiển PID 18 PHẦN IV: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐẶT CỰC, BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI 21 I Thành lập hệ phương trình trạng thái mơ tả hệ thống 21 II Kiểm tra tính điều khiển quan sát hệ thống 21 Kiểm tra tính điều khiển 21 Kiểm tra tính quan sát 22 III Thiết kế điều khiển phương pháp đặt cực 22 Xác định cặp cực phức cặp cực thực 22 Xác định ma trận K .22 Thiết kế hệ thống phương pháp đặt cực 23 Thiết kế Simulink 23 IV Thiết kế điều khiển quan sát trạng thái .27 PHẦN V: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 30 I Thiết lập biến vào 30 II Xác định tập mờ 30 III Luật hợp thành hệ thống lò nhiệt: 32 IV Thiết kế điều khiển Simulink 33 Simulink PI - FUZZY 34 Simulink PID – FUZZY 36 NHĨM – ĐIỀU KHIỂN LỊ NHIỆT GVHD: NGUYỄN THỊ CHÍNH PHẦN I: HÀM TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG I Xác định hàm truyền Mơ tả tốn học lị nhiệt phịng thí nghiệm: Hình 1.1 Thí nghiệm xác định hàm truyền lị nhiệt Lị nhiệt có đầu vào điện áp hay công suất cung cấp cho dây đốt ngõ nhiệt độ sản phẩm cần nung hay nhiệt độ vùng sử dụng Hàm truyền lò nhiệt xác định phương pháp thực nghiệm Cấp nhiệt tối đa cho lị (cơng suất vào P = 100%), nhiệt độ lò tăng dần Sau thời gian nhiệt độ lò đạt đến giá trị bão hịa Đặc tính nhiệt độ theo thời gian biểu diễn hình 1.2a Do đặc tính xác lị nhiệt phức tạp nên ta xấp xỉ đáp ứng gần hình 1.2b Hình 1.2 Đặc tính lị nhiệt a Đặc tính xác; b Đặc tính gần (lí tưởng) Hàm truyền có dạng: G(s) = C(s) R(s) Vì nhiệt độ đầu vào C(s) tăng theo công suất điện áp cấp vào theo phương trình tuyến tính, phương trình bậc đường thẳng nên đầu vào có dạng hàm nấc đơn vị (P = 100%) nên: R(s) =  Tín hiệu gần (H.1.2.b) hàm: −t 2 c(t) = f(t – T1) f(t) = K(1 - e ) K: hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ ngõ vào ngõ trạng thái xác lập T1: thời gian trễ Nếu xem thời gian trễ lí tưởng T1 = T2: số thời gian thể qn tính hệ thống NHĨM – ĐIỀU KHIỂN LỊ NHIỆT GVHD: NGUYỄN THỊ CHÍNH F(s) = Biến đổi Laplace hàm f(t) được: K s(1+T2s) Áp dụng định lí chậm trễ, ta được: C(s) = Ke−T1s s(1+T2s) Suy hàm truyền lò nhiệt là: G(s) = C(s) R(s) Ke−T1s = 1+T2s Bao gồm khâu quán tính hệ số khuếch đại K thời T2, khâu trễ thời gian T1 Hệ số khuếch đại K tính sau: Nhiệt độ xáC lập−Nhiệt độ ban đầu K= %Công suất Khi nhiệt độ ban đầu khác 0, K tính từ độ tăng nhiệt độ đầu so với môi trường Để áp dụng cho hệ tuyến tính, ta lấy khai triển Taylor e−� 1�: Áp dụng định lí Taylor: ex S ≈ + x + S3 + ! Với x = -T1s => −1 −−1 e T1s Ta có:  +…+S! ! =1- - T1s = (1 − T1s).(1+ T1s) 1+ T1s = (T (1 − 1s) ) 1+ T1s ≈ 1+ T1s Vậy ta hàm truyền hệ thống tuyến tính bậc 2: Chọn thông số thực tế: G(s) =K K = 200 (1+T1s).(1+T2s) T1 = 380s T2 = 1350s Suy hàm truyền lò nhiệt: G(s) =200 513000�2 + 173 0+1 PHẦN II: VẼ QUỸ ĐẠO NGHIỆM SỐ I Tính tốn vẽ quỹ đạo nghiệm số Hàm truyền kín hệ thống: G(s) Gk(s) = 1+G(s).H(s) Với H(s)=1 ta có PTĐT là: + G(s) = 1+ 200 = 513000�2 + 173 0+1 Biểu diễn Matlab num = [200] den = [513000 1730 1] g = tf(num,den) rlocus(g) grid on • Giao diện Matlab Hình 2.1 • Kết quả: Hình 2.2 II Tìm K để hệ thống ổn định Phương trình đặc trưng hệ thống: + KG(s) =  + 0 20 51300 02 + 1730 + =0  513000s2 + 1730s + + 200K = Lập bảng Routh: α3= 513000 1730 = 296,5 s2 513000 + 200K s1 1730 s0 (1 + 200K) – 296,5.0 = + 200K Hệ thống ổn định tất phần tử cột bảng Routh dương  + 200K >  K > -0.005 Giao với điều kiện K > 0, suy hệ thống ổn định K∈ (0;+∞) III Nhận xét tính ổn định hệ thống Ta thấy quỹ đạo nghiệm số nằm hoàn toàn bên trái trục ảo nên hệ thống ổn định với K>0 PHẦN III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN P, PI, PID I Vẽ đáp ứng vòng hở hệ thống Ta có ngõ vào hàm nấc đơn vị: R(s) =  Đáp ứng ngõ đối tượng: C(s) = R(s) G(s)  C(s) = 513000 200 + 173  0+1  Biểu diễn Matlab num = [200] den = [513000 1730 1] g = tf(num,den) step(g) • Giao diện Matlab Hình 3.1 • Kết Hình 3.2 Đáp ứng nấc hệ hở lò nhiệt II Vẽ đáp ứng vịng kín hệ thống Hàm truyền kín hệ thống: Gk(s) = G(s) 1+G(s).H(s) Với H(s)=1 ta có: Gk(s) = 200 51300 + 1730s + 201 Với ngõ vào hàm nấc đơn vị: R(s) = � Đáp ứng ngõ đối tượng: C(s) = R(s) Gk(s) 200  C(s) = � 513000�2 + 1730s + 201 num = [200] den = [513000 1730 201] g = tf(num,den) step(g) Biểu diễn Matlab ... Ở lò nhiệt, yêu cầu kỹ thuật quan trọng phải điều chỉnh khống chế nhiệt độ lò Chúng em chọn đề tài ? ?Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt? ?? sở lý thuyết học chủ yếu mơn học lí thuyết điều khiển, ... điều khiển P 13 V Thiết kế điều khiển PI .15 VI Thiết kế điều khiển PID 18 PHẦN IV: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐẶT CỰC, BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI ... .22 Thiết kế hệ thống phương pháp đặt cực 23 Thiết kế Simulink 23 IV Thiết kế điều khiển quan sát trạng thái .27 PHẦN V: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 30 I Thiết lập