Ứng dụng Simulink để tổng hợp hệ thống điều khiển tự động

Hiện nay, trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp các dây chuyền công nghệ ngày càng hiện đại, phức tạp. Yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế yếu tố công nghệ của đối tượng công nghệ. Vì vậy việc xây dựng và thiết kế hệ thống điều khiển tự động ứng dụng công nghiệp hiện đại là tất yếu. Điều này, giúp ổn định hệ thống, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, tối ưu chi phí sản xuất. Vì thế, khi tiếp cận hệ thống, chúng ta phải biết cách phân tích và tổng hợp những thuộc tính của nó để điều chỉnh sao cho hệ đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật mà chúng đặt ra. Matlab là một trong những phần mềm thông dụng nhất dùng để phân tích, thiết kế và mô phỏng các hệ thống điều khiển tự động. Simulink là một công cụ rất mạnh của Matlab, cho phép ta dễ dàng xây dựng hệ thống điều khiển một cách chính xác, dể hiểu , đặc biệt là đem lại sự trực quan cho người sử dụng. Thông qua đó, Chúng ta sẽ tiến hành mô phỏng hệ thống để xem xét ảnh hưởng của bộ điều khiển đến đáp ứng quá độ và đánh giá chất lượng hệ thống. Vì vậy, việc giải quyết bài tập lớn “Ứng dụng Simulink để tổng hợp hệ thống điều khiển tự động” mà Thầy đặt ra, là rất hữu ích cho sinh viên Giúp chúng em ôn lại và nắm chắt những kiến thức cơ bản về môn học để chuẩn bị cho kì thi sắp tới, đồng thời hiểu rõ hơn các vấn đề điều khiển tự động trong bài toán thực tế. Đây là nền tảng, giúp sinh viên tiếp cận, rèn luyện những kĩ năng tính toán, thiết kế các bài toán công nghệ thực tế ứng dựng trong lĩnh vực công nghệ trong môi trường làm việc tương lai sau này. Bài toán công nghệ Một Caloriphe được sử dụng để đốt nóng không khí trước khi đưa vào buồng sấy bằng cách sử dụng chất tải nhiệt là hơi nước từ nồi hơi công nghiệp có lưu lượng là Gs, áp suất Ps, nhiệt độ hơi đốt th và nhiệt độ nước sau ngưng tụ là tN. Không khí vào Caloriphe là không khí ngoài trời có nhiệt độ tkk1, độ ẩm tương đối

Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hố học MƠN HỌC CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH BÀI TẬP LỚN ỨNG DỤNG SIMULINK TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Giảng Viên : Bùi Ngọc Pha Danh sách thành viên: Nhóm 12: Hồ Thị Hồng Kim 1611710 Phạm Tiến Lân Vũ Văn Phú 1611769 1612632 Đinh Thành Thung 1513349 Năm học 2018-2019 Mục Lục PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN: I Quy trình cơng nghệ: 2 Sách lược điều khiển Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điều khiển phản hồi : 4 Lưu đồ điều khiển P&ID hệ thống điều khiển phản hồi: II THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG: Xây dựng mơ hình đối tượng công nghệ: Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ ON – OF: 2.1 Nguyên lý điều khiển ON/OFF : 2.2 Đánh giá điều khiển ON/OFF: 2.3 Xây dựng, khảo sát hệ thống điều khiển nhiệt độ ON-OFF Simulink : 2.4 Khảo sát vùng trễ cho điều khiển ON/OFF: 2.5 Phân tích, đánh giá chất lượng hệ thống: 12 Thiết kế mô phỏng, khảo sát chất lượng hệ thống điều khiển P, PI, PID: 12 3.1 Cơ sở lý thuyết: 12 3.2 Tính toán, xác định thông số điều khiển PID: 13 3.3 Thiết lập hệ thống điều khiển giao diện simulink: 14 3.3.1 Bộ P Controller: 14 3.3.2 Bộ PI Controller: 16 3.3.3 Bộ điều khiển PID: 17 3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống: 18 Mở đầu Hiện nay, nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp dây chuyền công nghệ ngày đại, phức tạp Yêu cầu kỹ thuật quan trọng phải điều chỉnh khống chế yếu tố công nghệ đối tượng cơng nghệ Vì việc xây dựng thiết kế hệ thống điều khiển tự động ứng dụng công nghiệp đại tất yếu Điều này, giúp ổn định hệ thống, nâng cao suất, chất lượng sản phẩm, tối ưu chi phí sản xuất Vì thế, tiếp cận hệ thống, phải biết cách phân tích tổng hợp thuộc tính để điều chỉnh cho hệ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mà chúng đặt Matlab phần mềm thơng dụng dùng để phân tích, thiết kế mô hệ thống điều khiển tự động Simulink công cụ mạnh Matlab, cho phép ta dễ dàng xây dựng hệ thống điều khiển cách xác, dể hiểu , đặc biệt đem lại trực quan cho người sử dụng Thơng qua đó, Chúng ta tiến hành mơ hệ thống để xem xét ảnh hưởng điều khiển đến đáp ứng độ đánh giá chất lượng hệ thống Vì vậy, việc giải tập lớn “Ứng dụng Simulink để tổng hợp hệ thống điều khiển tự động” mà Thầy đặt ra, hữu ích cho sinh viên Giúp chúng em ôn lại nắm chắt kiến thức môn học để chuẩn bị cho kì thi tới, đồng thời hiểu rõ vấn đề điều khiển tự động toán thực tế Đây tảng, giúp sinh viên tiếp cận, rèn luyện kĩ tính tốn, thiết kế tốn cơng nghệ thực tế ứng dựng lĩnh vực công nghệ môi trường làm việc tương lai sau Bài tốn cơng nghệ Một Caloriphe sử dụng để đốt nóng khơng khí trước đưa vào buồng sấy cách sử dụng chất tải nhiệt nước từ nồi công nghiệp có lưu lượng Gs, áp suất Ps, nhiệt độ đốt th nhiệt độ nước sau ngưng tụ tN Khơng khí vào Caloriphe khơng khí ngồi trời có nhiệt độ tkk1, độ ẩm tương đối 𝜑1 , lưu lượng Gkk1 Khơng khí sau khỏi Caloriphe tkk2 cần đảm bảo nhiệt độ ổn định giá trị chủ đạo tsp I  PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN: Quy trình công nghệ: Nhiệm vụ: Thiết kế hệ thống điều khiển cho Caloriphe sử dụng để đốt nóng khơng khí trước đưa vào buồng sấy cách sử dụng chất tải nhiệt nước từ nồi cơng nghiệp có lưu lượng GS, áp suất PS, nhiệt độ đốt th nhiệt độ nước ngưng tụ Tn Khơng khí vào caloriphe khơng khí ngồi trới có nhiệt độ Tkk1, độ ẩm φ1, lưu lượng Gkk1 Nhiệt độ khơng khí sau khỏi caloriphe tkk2 cần đảm bảo nhiệt độ ổn định giá trị chủ đạo Tsp  Sơ đồ quy trình cơng nghệ: Hình Sơ đồ quy trình cơng nghệ  Giả thiết xây dựng mơ hình:  Hơi nước từ nồi dòng bão hòa: Th = const, Ps= const  Caloriphe hoạt động môi trường có độ ẩm xác định: φ1 = const  Mục đích: Điều khiển lưu lượng bão hịa cấp vào Caloriphe (thiết bị trao đổi nhiệt ) để kiểm sốt nhiệt độ dịng khí sau khỏi Caloriphe (Tkk2) cho ổn định nhiệt độ thiết kế (Tsp) trước vào buồng sấy  Các biến trình bao gồm: o Biến đầu vào: GS, PS, Gkk1  Biến điều khiển Gs  Biến nhiễu là: Gkk1, Tkk1 o Biến đầu ra: Tkk2  Biến cần điều khiển Tkk2  Bậc tự do: o Theo mơ hình thiết bị chọn, số biến mô tả hệ Fv = o Phương trình cân nhiệt hệ có dạng: Gkk1 Ckk1 (Tkk2 − Tkk1 ) = Gs λ Như vậy, số phương trình mơ tả quan hệ biến Fe = o Bậc tự hệ, số vòng điều khiển đơn tối đa sử dụng xác định sau: F = Fv − Fe = − = Do đó, can thiệp đến biến đầu Tkk2 theo cách sau:  Điều khiển lưu lượng dòng bão hòa Gs  Điều khiển lưu lượng dịng khơng khí Gkk  Điều khiển nhiệt độ khơng khí vào: Tkk1 Vì vậy, việc phân tích cấu trúc mơ hình thuận tiện cho việc lựa chọn sách lựa phù hợp để thiết kế hệ thống điều khiển Sách lược điều khiển Sách lược/cấu trúc điều khiển: thể nguyên tắc mặt cấu trúc việc sử dụng thông tin biến trình để đưa tác động điều khiển Tùy theo quan hệ biến chủ đạo, biến đo biến điều khiển mà ta có sách lược điều khiển sau:  Điều khiển phản hồi:  Dựa nguyên tắc đo giá trị biến điều khiển phản hồi thông tin bọ điều khiển để điều khiển tính tốn lại giá trị biến điều khiển  Sách lược điều khiển phản hồi triệt tiêu ảnh hưởng nhiễu khơng biết trước khơng đo được, có khả tạo đáp ứng xác; nhiên q trình hiệu chỉnh chậm bù nhiễu  Điều khiển truyền thẳng:  Dựa nguyên tắc giá trị biến nhiễu, điều khiển dựa thơng tin tính toán giá trị biến điều khiển  Phương pháp dùng để ngăn chặn bù trừ ảnh hưởng nhiễu Gkk1 tkk1 gây cách nhanh chóng, nhiên khơng thể loại trừ ảnh hưởng nhiễu trước không đo Do đó, đáp ứng khơng xác chất lượng thấp, thiết lập công thức điều khiển phức tạp có nhiều biến nhiễu  Điều khiển tỷ lệ:  Là trì tỷ lệ biến giá trị đặt R nhằm đièuu khiển gián tiếp biến thứ Biến cần điều khiển khơng đo lúc điều khiển tỷ lệ trường hợp riêng điều khiển truyền thẳng Giá trị cài đặt R tỷ lệ biến điều khiển  Khi áp dụng sách lược điều khiển tỷ lệ, yêu cầu phải trì nhiệt độ khơng khí đầu vào nhiệt độ định  Điều khiển tầng:  Là cấu trúc mở rộng điều khiển phản hồi Ý tưởng phân cấp điều khiển để loại bỏ nhiễu nơi phát sinh  Sử dụng thêm vịng điều khiển đơn để triệt tiêu sớm nhiễu (độ chênh áp), nhờ tốc độ điều khiển tăng lên Mặc dù tối ưu phức tạp nên áp dụng việc áp dụng sách lược điều khiển phản hồi vịng đơn khơng hiệu  Ngồi ra, để khác phục nhược điểm lẫn sách lược ta cịn có sách lược kết hợp sau: điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi, điều khiển tỷ lệ kết hợp phản hồi…khắc phục hạn chế sách lược trên, làm phức tạp hệ thống điều khiển  Trong sách lược điều khiển trên, sách lược điều khiển phản hồi đáp ứng tương đối xác không phức tạp, hợp lý với hệ thống Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điều khiển phản hồi : Hình Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điều khiển phản hồi Lưu đồ điều khiển P&ID hệ thống điều khiển phản hồi: Hình Lưu đồ điều khiển P&ID hệ thống điều khiển phản hồi Dòng nước bão hòa cấp từ lị điều chỉnh lưu lượng thơng qua van điều khiển trước vào caloriphe để gia nhiệt cho dịng khơng khí Van điều chỉnh lưu lượng nhận tín hiệu nhiệt độ đầu Tkk2 dịng khơng khí sau gia nhiệt, qua thiết bị đo truyền tín hiệu nhiệt độ truyền đến thiết bị điều khiển nhiệt độ Thiết bị đưa tác động đến van để điều khiển lưu lượng dịng bão hịa Gs thơng qua tín hiệu khí nén:  Nếu T2 < TSP, tăng độ mở van  Nếu T2 > TSP, giảm độ mở van II THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG: Xây dựng mơ hình đối tượng cơng nghệ: Trong tốn điều khiển tự động, nhiệm vụ hàng đầu việc thiết kế hệ thống điều khiển việc xác định mơ hình tốn học đối tượng điều khiển Trong đề tài này, tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ cho Caloriphe từ số liệu thực nghiệm Caloriphe có đầu vào lưu lượng dòng bão hòa ngõ nhiệt độ đến buồng sấy Để lập hàm truyền cho đối tượng, phải vẽ đồ thị mơ tả đáp ứng, từ khảo sát xây dựng mơ hình tốn học  Bảng số liệu ghi nhận theo dõi diễn biến nhiệt độ theo thời gian: Thời gian( s) Nhiệt độ( °C) Thời gian( s) Nhiệt độ( °C) Thời gian( s) Nhiệt độ( °C) Thời gian( s) Nhiệt độ( °C) Thời gian( s) Nhiệt độ( °C) 0.5 1.5 2.5 3.5 30 30 30.5 30.5 31 33 36 40.7 10 11 12 13 14 74.2 78.2 81.5 84.4 86.8 88.8 90.5 92 19 20 21 22 23 24 25 26 96.5 97 97.5 97.9 98.2 98.5 98.7 98.9 31 32 33 34 35 36 37 38 99.5 99.6 99.7 99.7 99.8 99.8 99.8 99.9 43 44 99.9 99.9 49.8 15 93.2 27 99.1 39 99.9 4.5 57.5 16 94.3 28 99.2 40 99.9 64.1 17 95.1 29 99.3 41 99.9 69.6 18 95.9 30 99.4 42 99.9  Từ số liệu thực nghiệm, vẽ công cụ matlab ta thu đáp ứng nhiệt độ caloriphe theo thời gian sau: Hình Đồ thị đáp ứng hàm truyền quy trình Nhìn vào đồ thị ta thấy, hàm truyền thuộc mô tả đáp ứng bậc độ có thời gian trễ Theo Ziegler-Nichols hệ thống biểu diễn dạng hàm truyền sau : K e−Ls Gp = Ts + Trong đó:  K hệ số khuếch đại  T thời  L khâu trễ thời gian  Theo phương pháp Ziegler-Nichols 1, ta xác định thông số cho hàm nấc sau: KM Hình Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng độ trình Từ ta kẻ tiếp tuyến qua điểm uốn ( tai nơi có độ dốc cao nhất), cắt trục y= yss Ta xác định giá trị tham số cho mơ hình xấp xỉ L, T, K hình vẽ: K= 70;  L= 55; Mơ hình xấp xỉ khâu qn tính bậc có trễ : 𝐆𝐩 = 2.1 T= 506; 𝟕𝟎 𝐞−𝟓𝟓𝐬 𝟓𝟎𝟔𝐬 + 𝟏 Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ ON – OF: Nguyên lý điều khiển ON/OFF : W(k) W(k) u(k) y(k) Khâu relay Hình : Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ theo kiểu on/off Phương pháp điều cung cấp khiển on/off hay cịn gọi phương pháp đóng ngắt hay relay có trễ Cơ cấu chấp hành mở van mức tối đa nhiệt độ đặt Tsp lớn nhiệt độ đo Tkk2 Còn ngược lại van ngắt nguồn, van đóng lại Tkk2> Tsp Một vùng trễ đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt để đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài hệ thống Vì vậy, nguồn đóng sai số e(k) lớn ∆ ngắt e(k) nhỏ ∆ Vì thế, nhiệt độ Tkk2 dao động quanh giá trị đặt Tsp khoảng sai số giá trị gọi vùng trễ relay 2.2 Đánh giá điều khiển ON/OFF:  Ưu điểm:  Thiết bị tin cậy, đơn giản,chắc chắn hệ thống ln hoạt động với tải  Tính tốn thết kế phức tạp cân chỉnh dễ dàng  Nhược điểm:  Sai số xác lập lớn hệ cân động quanh nhiệt độ đặt thay đổi theo tải Khuyết điểm thay đổi giảm vùng trễ Relay Việc điều khiển nhiệt độ với chất lượng cao thực sơ đồ điều khiển tuyến tính với hàm truyền hiệu chỉnh thích hợp – PID Xây dựng, khảo sát hệ thống điều khiển nhiệt độ ON-OFF Simulink : 2.3 Hình Hệ thống điều khiển chung bơ điều khiển role trễ Khảo sát q trình q độ hệ thống với giá trị khâu Relay điều khiển rơle vị trí có trễ (cịn gọi điều khiển ON-OFF) Các thơng số : o o o o Chỉnh thời gian mô -Stop time = 3000s Giá trị final value ( khối Step): 30 ( giá trị đặt để khảo sát) Giá trị độ lợi khối Gain = 20 để khuếch đại tín hiệu quan sát cho rõ Khối Relay: + Vùng trễ: ( Switch on /off point), tùy chỉnh để khảo sát + Ngõ cao (Output when on =1- công suất 100%) + Ngõ thấp (Out put when off = - công suất 0%)  Phương pháp khảo sát: Trong thiết kế sử dụng điều khiển này, khảo sát vùng trễ relay Từ khảo sát hệ đáp ứng tương ứng hệ thống Đánh giá, lựa chọn khâu relay thích hợp áp dụng cho q trình cơng nghệ Hình Đồ thị đáp ứng điều khiển On/Off 2.4 Khảo sát vùng trễ cho điều khiển ON/OFF:  Switch On = +1 ; Off Point = -1, thu mơ đáp ứng: Hình Đồ thị ường biểu diễn đáp ứng độ điều khiển   Tính giá trị sai số chu kì đóng ngắt: Sai số: e1 = 35 – 30 = 50 e2 = 30-26= 40  Chu kì: T = 270 (s)  Khi Switch On = +3; Off Point = -3, ta thu mơ đáp ứng: Hình 10 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng độ điều khiển  Tính giá trị sai số chu kì đóng ngắt:  Sai số: e1 = 37 – 30 = 70 e2 = 30- 24= 60  Chu kì: T = 380 (s)  Khi Switch On = +5; Off Point = -5, ta thu mô đáp ứng: 10 Hình 11 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng độ điều khiển   Tính giá trị sai số chu kì đóng ngắt: Sai số: e1  39 – 30 = 90 e2 = 30-22= 80   Chu kì: T = 486 (s) Khi Switch On = +10; Off Point = -10, ta thu mơ đáp ứng: Hình 12 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng độ điều khiển 11   Tính giá trị sai số chu kì đóng ngắt: Sai số: e1 = 43 – 30 = 130 e2 = 30 - 18=120  2.5 Chu kì: T = 780 (s) Phân tích, đánh giá chất lượng hệ thống:  Tóm tắt sai số ngõ so với tín hiệu đặt thời gian đóng ngắt ứng với trường hợp khâu Relay : Vùng trễ e1 e2 Chu kỳ đóng ngắt +1/-1 +3/-3 +5/-5 +10/-10 10 13 12 270 380 486 780  Nhận xét:  Khi vùng trễ khâu relay tăng đáp ứng độ tăng, lượng điều chỉnh cực đại, sai lệch điều chỉnh tăng, không đáp ứng chất lượng hệ thống  Giá trị vùng trễ nhỏ sai số ngõ nhỏ tần số đóng ngắt tăng lên  làm giảm tuổi thọ điều khiển ON-OFF  Để sai số ngõ xấp xỉ ta thay đổi giá trị vùng trễ  Chu kỳ đóng ngắt lúc Relay liên tục Trong thực tế ta thực điều khiển ON-OFF giai đoạn xác lập điều khiển phải đóng ngắt liên tục  Ta nên lựa chọn vùng trễ thích hợp để có dung hịa sai số chu kì đóng ngắt, sai số khơng q lớn điều khiển khơng phải đóng ngắt liên tục để tăng tuổi thọ Thiết kế mô phỏng, khảo sát chất lượng hệ thống điều khiển P, PI, PID: 3.1 Cơ sở lý thuyết:  Nguyên lý điều khiển: Khác với nguyên lý on-off có hai giá trị công suất đầu ra, hệ thống điều khiển tuyến PID van điều khiển thay đổi lưu lượng cung cấp cho Caloriphe cách liên tục theo sai lệch nhiệt độ đặt nhiệt độ thực Bộ hiệu chỉnh xử lý tín hiệu sai lệch đặt - phản hồi, cho tín hiệu điều khiển làm sai lệch tiến với đặc tính độ mong muốn Như chế độ xác lập, nhiệt độ lò độ mở van có giá trị xác lập, phụ thuộc vào đặc tính hệ thống Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào hiệu chỉnh thơng số phù hợp để tạo tín hiệu điều khiển xác, phù hợp thoả mãn yêu cầu tiêu kỹ thuật  Hàm truyền có dạng: H(s) = K P (1 + TI s + TD s) = K P + KI s + KDs Trong đó: 12  KP độ lợi khâu tỷ lệ (Proportional gain)  KI độ lợi khâu tích phân (Integral gain)  KD độ lợi khâu vi phân (Derivative gain)  Luật điều khiển: Bộ điều khiển PID xây dưng ba luật điều khiển : Tỉ lệ (P), Vi phân (D), Tích phân (I) Mỗi thành phần có tác động khác tới trình điều khiển hệ thống Cụ thể:  Thành phần Tỉ lệ (P): Kp tăng có tác dụng làm giảm sai lệch tĩnh độ vọt lố tăng, thời gian xác lập ảnh hưởng không đáng kể  Thành phần tích phân (I): KI tác dụng làm độ vọt lố, thời gian xác lập tăng , sai số xác lập tiến  Thành phần vi phân (D): KD tác dụng làm độ vọt lố thời gian xác lập giảm, sai số xác lập thay đổi nhỏ Vì vậy, tùy theo yêu cầu chất lượng hệ thống tính phức tạp công nghệ, thiết kế thành phần mà người thiết kế thường sử dụng kết hợp thành phần thành các hệ thống điều khiển P, PI hay PID Tính toán, xác định thơng số điều khiển PID: Trong lý thuyết điều khiển, có nhiều phương pháp để hiệu chỉnh thông số điều khiển PID, phổ biến phương pháp Ziegler-Nichols Nó dựa liệu đáp ứng nấc để xác định tham số điều khiển PID theo công thức bảng sau: 3.2 P KP T K L PI 0,9 PID 1,2 T K.L T K.L L T ∞ 3,33.L 2L 0,5L Theo đồ thị ta có: K= 70; L= 55; T= 506  Thu được, bảng giá trị tương ứng vào công thức ta tính KP ; TI ; TD : KP Ti TD P 0.131 ∞ PI 0.118 183.333 PID 0.158 110 27.5  Bảng giá trị hệ số KP ; KI ; KD tương ứng cho điều khiển P, PI & PID KP Ki KD P 0.131 0 PI 0.118 6,436.10-4 PID 0.158 14,364.10-4 4,345 13  Bảng hàm truyền điều khiển: P 𝐇 = 𝟎 𝟏𝟑𝟏 3.3 PI D 𝟔, 𝟒𝟑𝟔 𝟏𝟎−𝟒 𝐇 = 𝟎, 𝟏𝟏𝟖 + 𝐬 𝐇 = 𝟎, 𝟏𝟓𝟖 + 𝟏𝟒,𝟑𝟔.𝟏𝟎−𝟒 𝐬 + 𝟒, 𝟑𝟒𝟓𝐬 Thiết lập hệ thống điều khiển giao diện simulink: Hình 12 Hệ thống điều khiển khát quát  Mô tả giá trị nhập:  Chỉnh thời gian mô Stop time = 3000s  Step : tín hiệu hàm nấc thể độ mở lưu lượng van Giá trị hàm nấc từ 0÷1 tương ứng độ mở 0%÷100% Chỉnh giá trị hàm nấc: Step time = 0, Initial value = 0, Final value =  Sum: Thiết lập phép tính cho tín hiệu đầu vào hàm nấc tín hiệu phản hồi  PID controller: mô tả hàm truyền điều khiển  Transfer Fcn: mơ hình Caloriphe tuyến tính hóa bậc  Transport delay: thời gian trễ mơ hình  Scope: hiển thị tín hiệu để quan sát 3.3.1 Bộ P Controller:  Nhập giá trị KP = 0,131 vào hệ thống điều khiển sau: 14 Hình 13 Hệ thống điều khiển điều khiển P  Ta nhận mô đáp ứng độ với điều khiển P thể hình vẽ: Hình 14 Đồ thị biểu diễn đáp ứng độ điều khiển P  Xác định tiêu chất lượng: + Độ vọt lố: Dựa vào đồ thị ta có: ymax = 1.35; yxl = 0.902; Áp dụng công thức: ymax − yxl 1.35 − 0.902 POT = × 100% = × 100% = 50 % yxl 0.902 + Sai số xác lập: Ta có: H = 0.131; G = 70e−55s 506s+1 ; 15 Áp dụng công thức: s R exl = lim = lim s→0 + GH s→0 s s 70e−55s + 0.131 × 506s + = 0.098 + Thời gian xác lập: cho phép sai số: 5%, dựa vào đồ thị ta thấy: t xl = 342- 55 = 287 (s) 3.3.2 Bộ PI Controller:  Nhập giá trị KP = 0,118; KI = 6,436.10-4 vào hệ thống điều khiển hình minh họa: Hình 15 Hệ thống điều khiển điều khiển PI  Chạy hệ thống, ta mô đáp ứng độ với PI hình vẽ: Hình 16 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng độ điều khiển PI 16  Xác định tiêu chất lượng: + Độ vọt lố: Dựa vào đồ thị ta có: ymax = 1.28; yxl = 1; Áp dụng công thức: ymax − yxl 1.28 − POT = × 100% = × 100% = 28 % yxl + Sai số xác lập: Ta có: H = 0,118 + 6,436.10−4 s ; G= 70e−55s 506s+1 ; Áp dụng công thức: s R exl = lim = lim s→0 + GH s→0 s =0 6,436 10−4 70e−55s + (0,118 + )× s 506s + s + Thời gian xác lập: cho phép sai số: 5%, dựa vào đồ thị ta thấy: t xl = 838 - 55 = 783 (s) 3.3.3 Bộ điều khiển PID:  Nhập giá trị: KP = 0,158; KI = 14.36.10-4 ; KD = 4,345 (ở matlab mặc định công thức hàm truyền PID thực, ta chọn N=10 ), thiết lập điều khiển mô tả: Hình 17 Hệ thống điều khiển điều khiển PID 17  Chạy hệ thống, ta nhận mô đáp ứng độ với PID hình vẽ:  Hình 18 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng độ điều khiển PID Xác định tiêu chất lượng: + Độ vọt lố: Dựa vào đồ thị ta có: ymax = 1.57; yxl = 1; Áp dụng công thức: POT = ymax − yxl 1.57 − × 100% = × 100% = 57 % yxl + Sai số xác lập: Ta có: H = 0,158 + 14,36.10−4 s + 4,345s ; G = 70e−55s 506s+1 ; Áp dụng công thức: s R exl = lim = lim s→0 + GH s→0 s s 14,36 10−4 70e−55s + (0,158 + + 4,345s ) × s 506s + = + Thời gian xác lập: cho phép sai số: 5%, dựa vào đồ thị ta thấy: t xl = 531 - 55 = 476 (s) 3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống: 18 Trong hoạt động điều khiển PID, luật điều khiển tương tác qua lại, liên quan trực tiếp chất lượng trình Vì vậy, khảo sát chất lượng dựa đồ thị đáp ứng hệ thống để tính tốn, đánh giá tiêu chất lượng Từ phân tích, lựa chọn, hiệu chỉnh thông số P, I, D điều khiển cho phù hợp hệ thống Ta thu đặc tính mong muốn, đáp ứng tính tác động nhanh, tăng chất lượng điều khiển trình  Mô ba điều khiển hệ thống: Hình 19 Hệ thống điều khiển chung ba điều khiển  Chạy hệ thống, ta nhận mô đáp ứng độ với tương ứng với điều khiển hình vẽ: 19 Hình 20 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng độ điều khiển PID  Tóm tắt tiêu chất lượng ứng với điều khiển: Chỉ tiêu P PI PID Độ vọt lố POT % 50 28 57 Thời gian xác lập (s) 287 783 476 0,098 0 Sai số xác lập  Nhận xét:  Bộ điều khiển tỉ lệ (P): có tượng vọt lố lớn, có sai số xác lập nhỏ  Khi thêm KI độ vọt lố giảm, sai số xác lập giảm tiến 0, dẫn đến chất lượng hệ thống tăng lên  Khi có thành phần vi phân KD có độ vọt lố tăng (trong theo lý thuyết độ vọt lốt giảm) thời gian xác lập giảm  Bộ điều khiển PI cho đáp ứng độ tốt nhất, thời gian để hệ thống đạt ổn định quanh giá trị thiết lập ngắn nhất, sai số xác lập  Kết luận ON/OFF P&ID:  Ta nên chọn điều khiển P&ID để điều khiển hệ thống tín phản hồi cách liên tục đến điều khiển để điều chỉnh độ đóng mở van, cho đáp ứng xác nhanh => Bộ P&ID áp dụng điều khiển công nghệ phức tạp  Trong điều khiển ON/OFF tác động đến van cách gián đoạn để điều khiển việc đóng/mở van tuyệt đối => Bộ ON/OFF áp dụng điều khiển công nghệ đơn giản 20 ... sát 3.3 .1 Bộ P Controller:  Nhập giá trị KP = 0 ,13 1 vào hệ thống điều khiển sau: 14 Hình 13 Hệ thống điều khiển điều khiển P  Ta nhận mô đáp ứng độ với điều khiển P thể hình vẽ: Hình 14 Đồ thị... 0 ,11 8; KI = 6,436 .10 -4 vào hệ thống điều khiển hình minh họa: Hình 15 Hệ thống điều khiển điều khiển PI  Chạy hệ thống, ta mô đáp ứng độ với PI hình vẽ: Hình 16 Đồ thị đường biểu diễn đáp ứng. .. D điều khiển cho phù hợp hệ thống Ta thu đặc tính mong muốn, đáp ứng tính tác động nhanh, tăng chất lượng điều khiển q trình  Mơ ba điều khiển hệ thống: Hình 19 Hệ thống điều khiển chung ba điều