Thiết kế hệ điều khiển cho bàn thí nghiệm điều khiển áp suất sử dụng matlab simulink

Trong thời buổi khoa học kỹ thuật về tự động hóa ngày càng phát triển vượtt bậc và được ứng dụng rộng rãi ừong hầu hết các xí nghiệp, phân xưởng... Các hệ thống điều khiển quá trình dùng PLC ngày càng được sữ dụng rộng rãi và phổ biến để thay thế cho các thao tác chân tay không đạt đựơc độ chính xác cao. Ngoài ra trong công nghiệp sử dụng rất rộng rãi hệ thống khí nén trong các cơ cấu chấp hành, việc đo lường cũng như điều khiển áp suất khí nén một các tối ưu là rất quan trọng. Từ thực tế trên chúng em xin tìm hiểu đề tài :“Thiết kế hệ điều khiển cho bàn thí nghiệm điều khiển áp suất sử dụng matlab simulink” và dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Đỗ Trọng Hiếu . Nội dung đồ án gồm: Chương 1 : Giới thiệu mô hình bàn thí nghiệm điều khiển áp suất Chương 2 : Tổng quan về OPC và các giao thức Chương 3 : Xây dựng các phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm

Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ điều khiển cho bàn thí nghiệm điều khiển áp suất sử dụng matlab simulink em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Đỗ Trọng Hiếu Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hồn tồn trách nhiệm Hà Nội, ngày 12 tháng năm 2019 Sinh viên thực Trần Minh Điệp Mục lục Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ i LỜI NÓI ĐẦU Chương Giới thiệu mơ hình bàn thí nghiệm điều khiển áp suất 1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển trình 1.2 Mơ hình bàn thí nghiệm 1.2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bàn thí nghiệm 1.3 Các thiết bị sử dụng bàn thí nghiệm 1.3.1 Thiết bị điều khiển compactlogix L32E 1.3.2 I/P Converter van điều khiển khí nén 12 1.3.3 Các thiết bị khác 13 Chương Tổng quan OPC giao thức 17 2.1 Tổng quan chuẩn OPC 17 2.1.2 OPC server 20 2.1.3 OPC Client 21 2.1.4 OPC link 22 2.2 Khối OPC Toolbox matlab 23 2.3 Kết nối OPC Rslogix500 28 Chương Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm 29 3.1 Mơ hình hóa đối tượng 29 3.2 Sử dụng điều khiển PID 31 3.2.1 Lý thuyết PID chỉnh định 31 3.2.2 Chương trình điều khiển 34 Mục lục 3.3 Sử dụng điều khiển mờ 37 3.3.1 Lý thuyết điều khiển mờ 37 3.3.2 Xây dựng điều khiển PI tự chỉnh dùng điều khiển mờ 39 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình Hình 1.2 Bàn thí nghiệm thực tế Hình 1.3 Sơ đồ kết nối thiết bị bàn thí nghiệm điều khiển áp suất Hình 1.4 Cấu trúc Compactligix L32E Hình 1.5 Module 1769– IF4 Analog Input 10 Hình 1.6 Module 1769–OF2 Analog Output 11 Hình 1.7 Thiết bị chấp hành hệ thống điều khiển áp suất 12 Hình 1.8 Cấu trúc tiêu biểu van khí nén 13 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động tách nước khí nén 14 Hình 1.10 Lưu lượng kế thủy tinh 15 Hình 1.11 Đồng hồ đo áp suất 16 Hình 1.12 Máy nén khí 16 Hình 2.1 Ứng dụng OPC công nghiệp 18 Hình 2.2 Kiến trúc sơ lược OPC 19 Hình 2.3 OPC giao thức truyền nhận 20 Hình 2.4 Hình Kiến trúc Client / Server OPC 21 Hình 2.5 Tạo OPC Data Access Clinets 24 Hình 2.6 Tạo Group cho OPC 25 Hình 2.7 Khối input output OPC 25 Hình 2.8 Cài đặt thời gian thực 26 Hình 2.9 Khối đọc (OPC Read) ghi (OPC Write) liệu 27 i Danh mục hình vẽ Hình 2.10 Tạo OPC cho RSLink 28 Hình 3.1 Đồ thị đáp ứng độ trình (thực tế) 29 Hình 3.2 Đồ thị đặc tính đối tượng (simulink) 30 Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển PID 31 Hình 3.4 Thơng số PID sau chỉnh 33 Hình 3.5 Sơ đồ mơ matlab 33 Hình 3.6 Kết mô 34 Hình 3.7 Chương trình giản đồ thang 35 Hình 3.8 Bộ điều khiển PID Simulink 36 Hình 3.9 Đồ thị áp suất với điều khiển PID 36 Hình 3.10 Sơ đồ khối điều khiển 39 Hình 3.11 Khối Fuzzy cho khâu tỉ lệ Kp, Ki 41 Hình 3.12 Sơ đồ mơ khối fuzzy matlab 42 Hình 3.13 Kết mơ khồi fuzzy 42 Hình 3.14 Bộ điều khiển mờ PI cho mơ hình thực 43 Hình 3.15 Đáp ứng đối tượng điều khiển mờ PI 43 ii Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Trong thời buổi khoa học kỹ thuật tự động hóa ngày phát triển vượtt bậc ứng dụng rộng rãi ừong hầu hết xí nghiệp, phân xưởng Các hệ thống điều khiển trình dùng PLC ngày sữ dụng rộng rãi phổ biến để thay cho thao tác chân tay khơng đạt đựơc độ xác cao Ngồi cơng nghiệp sử dụng rộng rãi hệ thống khí nén cấu chấp hành, việc đo lường điều khiển áp suất khí nén tối ưu quan trọng Từ thực tế chúng em xin tìm hiểu đề tài :“Thiết kế hệ điều khiển cho bàn thí nghiệm điều khiển áp suất sử dụng matlab simulink” hướng dẫn thầy giáo TS Đỗ Trọng Hiếu Nội dung đồ án gồm: Chương : Giới thiệu mơ hình bàn thí nghiệm điều khiển áp suất Chương : Tổng quan OPC giao thức Chương : Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm Sau thời gian hướng dẫn thầy TS.Đỗ Trọng Hiếu, hoàn thành đồ án Tuy nhiên thời gian lực cịn nhiều hạn chế nên khơng tránh khỏi sai sót Vì em mong nhận dạy ý kiến đóng góp thầy (cô) Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Trần Minh Điệp Chương Giới thiệu mơ hình bàn thí nghiệm điều khiển áp suất Chương Giới thiệu mơ hình bàn thí nghiệm điều khiển áp suất 1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển trình Hệ thống điều khiển trình giúp ta can thiiệp biến vào trình cách hợp lý để biến thỏa mãn tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu trình kĩ thuật người môi trường xung quanh Đồng thời, diễn biến trình tham số, trạng thái hoạt động thành phần hệ thống cần theo dõi giám sát chặt chẽ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình Để biết chi tiết cách tổng quát hệ thống điều khiển ta cần phân tích thành phần hệ thống: Một hệ thống ĐKTĐ gồm ba thành phần đối tượng điều khiển (Object - O), thiết bị điều khiển (Controller - C) thiết bị đo lường (Measuring Device - M) Đối tượng điều khiển thành phần tồn khách quan có tín hiệu đại lượng cần điều khiển nhiệm vụ điều khiển phải tác động lên đầu vào đối tượng điều khiển cho đại lượng cần điều khiển đạt giá trị mong muốn Thiết bị điều khiển tập hợp tất phần tử hệ thống nhằm mục đích tạo giá trị điều khiển tác động lên đối tượng Giá trị gọi tác động điều khiển Chương Giới thiệu mơ hình bàn thí nghiệm điều khiển áp suất Biến cần điều khiển (control variable, CV) biến biến trạng thái trình điều khiển, điều chỉnh cho gần với giá trị mong muốn giá trị đặt (set point, SP) bám theo tín hiệu mẫu Biến điều khiển (manipulated variable, MV) biến vào q trình can thiệp trực tiếp từ bên ngồi, qua tác động biến theo ý muốn Lưu ý, biến cần điều khiển chưa biến điều khiển, thường biến cần điều khiển trình sản phầm đầu Do tính chất q trình cơng nghệ, độ xác phép đo thành phần ảnh hưởng nhiễu phản ảnh chậm thay đổi sản phẩm đầu Để khắc phục người ta thường chọn biến khác, thành phần sản phẩm có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ dễ đo phản ánh nhanh ảnh hưởng nhiễu Những tác động từ bên lên hệ thống gọi tác động nhiễu Những biến không can thiệt cách trực tiếp hay gián tiếp Có thể phân biệt hai loại nhiễu là: nhiễu trình (disturbance) – biến tác động lên trình cách cố hữu không can thiệp được; nhiễu đo (noise) tác động lên phép đo gây sai số giá trị đo Sai lệch điều khiển (Controller Error) e=r-b hiệu tín hiệu giá trị đặt tín hiệu đo từ q trình, sai lệch đưa vào điều khiển, thông qua phương pháp điều khiển đưa sai lệch tiến tới khơng làm tín hiệu cần điều khiển bám giá trị đặt  Phân loại hệ thống điều khiển tự động Có nhiều cách phân loại hệ thống ĐKTĐ Mục đích phần khơng phải nhằm sâu cách phân loại hệ thống mà sâu cách phân loại để thấy vị trí, giới hạn phần lý thuyết mà nghiên cứu Với mục đích đó, hệ thống ĐKTĐ phân làm hai loại chính, phụ thuộc vào tính chất phần tử hệ thống hệ thống tuyến tính hệ thống phi tuyến - Hệ tuyến tính hệ thống mà tất phần tử tuyến tính Chương Giới thiệu mơ hình bàn thí nghiệm điều khiển áp suất - Hệ phi tuyến hệ thống mà cần phần tử phi tuyến Nội dung lý thuyết điều khiển tự động sâu nghiên cứu hệ tuyến tính Đặc trưng phần tử tuyến tính ngun lý xếp chồng, nghĩa có tổ hợp tín hiệu tác động đầu vào phần tử tín hiệu tổ hợp tương ứng tín hiệu thành phần Hệ thống phi tuyến khơng có tính chất Dựa vào tính chất truyền tín hiệu mà hệ thống tuyến tính lại phân làm hai loại hệ thống liên tục tuyến tính hệ thống rời rạc tuyến tính Các khái niệm liên tục rời rạc hiểu theo biến thời gian - Hệ thống liên tục tuyến tính tất tín hiệu xuất hệ thống tín hiệu liên tục theo thời gian - Hệ thống rời rạc tuyến tính cần tín hiệu xuất hệ thống tín hiệu rời rạc theo thời gian Dựa vào lượng thông tin thu thập ban đầu đối tượng điều khiển tính chất mà ta phải xây dựng hệ thống thiết bị điều khiển thích hợp, đảm bảo chất lượng điều khiển Do đó, hệ thống liên tục tuyến tính phân làm hai loại hệ điều khiển thơng thường hệ điều khiển tự thích nghi Hệ thống tuyến tính xây dựng cho đối tượng mà thông tin ban đầu chúng đầy đủ Trong hệ thống này, cấu trúc tham số thiết bị điều khiển không đổi với đối tượng điều khiển cụ thể Đối với đối tượng điều khiển mà thông tin ban đầu không đầy đủ hay q trình cơng nghệ có u cầu đặc biệt hệ thống tuyến tính khơng đáp ứng phải xây dựng hệ thống thích nghi Đối với hệ thống thích nghi, ngồi cấu trúc thơng thường, thiết bị điều khiển cịn có số thiết bị đặc biệt khác thực chức riêng nhằm đảm bảo chất lượng trình điều khiển Hệ thống ĐKTĐ phân làm hai loại hệ thống hở hệ thống kín Đối với hệ thống hở, tín hiệu đại lượng cần điều chỉnh khơng sử dụng q trình tạo tác động điều khiển Hệ thống kín sử dụng phương pháp điều khiển theo sai lệch Chương Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm Độ lợi tích phân K I : giá trị lớn kéo theo sai số ổn định bị khử nhanh Đổi lại độ vọt lố lớn: sai số âm tích phân suốt đáp ứng độ phải triệt tiêu tích phân sai số dương trước tiến tới trạng thái ổn định Độ lợi vi phân K D : giá trị lớn giảm độ vọt lố, lại làm chậm đáp ứng độ dẫn đến ổn định khuếch đại nhiễu tín hiệu phép vi phân sai số Các phương pháp điều chỉnh K P , K I , K D a) Điều chỉnh thủ cơng Nếu hệ thống phải trì trạng thái online, phương pháp điều chỉnh thiết đặt giá trị K I K D không Tăng dần K P đầu vịng điều khiển dao động, sau K P đặt tới xấp xỉ nửa giá trị để đạp đạt đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Sau tăng K I đến giá trị phù hợp cho đủ thời gian xử lý Tuy nhiên, K I lớn gây ổn định Cuối cùng, tăng K D , cần thiết, vòng điều khiển nhanh chấp nhận nhanh chóng lấy lại giá trị đặt sau bị nhiễu Tuy nhiên, K D lớn gây đáp ứng dư vọt lố.Một điều chỉnh cấp tốc vòng điều khiển PID thường lố tiến tới điểm đặt nhanh chóng; nhiên, vài hệ thống khơng chấp nhận xảy vọt lố, trường hợp đó, ta cần hệ thống vịng kín giảm lố, thiết đặt giá trị K P nhỏ nửa giá trị K P gây dao động 32 Chương Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm Thông số Thời gian Quá độ khởi động Thời gian xác Sai số ổn định Độ ổn định lập KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm cấp KI Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp KD Giảm Giảm Giảm Khơng tác Cải thiện động nhỏ Ưu điểm: Khơng cần biết tốn Phương pháp online Nhược điểm: Yêu cầu người thiết kế phải có kinh nhiệm b) Sử dụng PID tune Hình 3.4 Thơng số PID sau chỉnh Hình 3.5 Sơ đồ mơ matlab 33 Chương Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm - Kết mơ Hình 3.6 Kết mơ Nhận xét - Đồ thị đáp ứng khơng có q độ, thời gian xác lập T2%=30s - Độ điều chỉnh ∆𝐻 = 4.16% - Khi có nhiễu đường đặc tính nhanh chóng trở chế độ xác lập 8s 3.2.2 Chương trình điều khiển Trong trương trình điều khiển PLC có vai trị thiết bị nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến áp suất đưa vào module analog input đến PLC Từ PLC gửi tín hiệu đến máy tính thơng qua mạng Ethernet, máy tính qua OPC đưa vào matlab để tính tốn xuất ngược trở lại PLC module analog output để điều khiển van khí nén Vì matlab coi điều khiển lâp trình khối matlab simulink 34 Chương Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm Ở chương trình giản dồ thang đây, tín hiệu đầu vào cảm biến áp suất chân có ghi Local:4:I.Ch0Data với giá trị thay đổi từ 010000 Tín hiệu điều khiển van khí nén Local:5:0.Ch1Data giá trị thay đổi 010000, ứng với phần trăm mở van áp suất từ 100%  0% Hình 3.7 Chương trình giản đồ thang 35 Chương Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm Hình 3.8 Bộ điều khiển PID Simulink Bằng phương pháp điều chỉnh thủ công ta chọn giá trị Kp, Kd kết sau  Bộ điều khiển PI với Kp=10,Ki=0.07,Kd=0.01(sau chỉnh định theo mơ phỏng) Hình 3.9 Đồ thị áp suất với điều khiển PID 36 Chương Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm Nhận xét : - Bộ điều khiển triệt tiêu sai lệch tĩnh, thời gian xác lập T2%=25s, khơng có độ điều chỉnh - Ta tăng áp suất đầu vào từ 30 lên 40 áp suất thự tăng đạt giá trị xác lập sau 30s, khơng có độ điều chỉnh - Khi áp suất đạt giá trị đặt ta tác động nhiễu vào (mở van xả thứ nhất) Trên đồ thị ta thấy sau 20s áp suất nhanh chóng trở giá trị đặt  Ta thấy điều khiển PID thực tế có đường đặc tính đối tượng giống mơ 3.3 Sử dụng điều khiển mờ 3.3.1 Lý thuyết điều khiển mờ Một điều khiển mờ gồm khâu  Khâu mờ hóa  Thực luật hợp thành  Giải mờ Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ :  Giao diện đầu vào gồm khâu : mờ hóa khâu hiệu chỉnh tỷ lệ , tích phân , vi phân ,  Thiết bị hợp thành triển khai luật hợp thành  Giao diện đầu gồm : khâu giải mờ khâu giao diện trực tiếp với đối tượng Các bước thiết kế điều khiển mờ : Bước : Định nghĩa tất biến ngôn ngữ vào / Bước : Xác định tập mờ cho biến ngôn ngữ vào / ( mờ hóa ) - Miền giá trị vật lý biến ngôn ngữ 37 Chương Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm - Số lượng tập mờ - Xác định hàm thuộc - Rời rác hóa tập mờ Bước : Xây dựng luật hợp thành Bước : Chọn thiết bị hợp thành Bước : Giải mờ tối ưu hóa Những lưu ý thiết kế điều khiển mờ : - Không dùng điều khiển mờ để giải tốn mà dễ dàn thực điều khiển kinh điển - Không nên dùng điều khiển mờ cho hệ thống cần độ an toàn cao - Thiết kế điều khiển mờ phải thực qua thực nghiệm Thiết kế PID mờ: Có thể nói lĩnh vực điều khiển, PID xem giải pháp cho ứng dụng điều khiển Analog gay Digital Thực tế có khoản 90 % điều khiển sử dụng điều khiển PID Bộ điều khiể PID thiết kế tốt có khả điều khiển hệ thống với chất lượng độ tốt (đáp ứng nhanh, độ điều chỉnh thấp) triệt tiêu sai lệch xã lập Việc thiết kế PID kinh điển thường dựa phương pháp Ziegler-Nichols , Offerein Tuy nhiên đối tượng đối tượng điều khiển ph tuyến điều khiển PID kinh điển không đảm bảo chất lượng điều khiển điểm làm việc Do để điều khiến đối tượng phi tuyến ngày người ta thường dùng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mêm ( dựa phần mềm ) Đây sở thiết kế PID mờ Hình 3.3 Mơ hình tổng qt hệ thống điều khiển 38 Chương Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm 3.3.2 Xây dựng điều khiển PI tự chỉnh dùng điều khiển mờ Mục đích thí nghiệm xây dựng thuật tốn chương trình để chỉnh định thơng số PI phù hợp với đối tượng thay đổi có bình tích khí khơng có bình tích khí Các tham số lựa chọn cho PI thí nghiệm trước có bình tích hay đối tượng có qn tính lớn khơng cịn phù hợp với đối tượng có qn tính nhỏ hay khơng có bình tích Do nhiệm vụ đặt cần tự động điều chỉnh thông số PI cho phù hợp với đối tượng Thuật toán sử dụng chỉnh định mờ thông số PI thông qua yêu cầu định tính chất lượng điều khiển q trình độ để thay đổi hệ số Kp , Ki Hình 3.10 Sơ đồ khối điều khiển Bắt đầu với tham số chọn theo phương pháp Ziegler – Nichols , dựa vào đáp ứng độ mơ hình mà ta thay đổi dần tham số Kp , Ki cho phù hợp 39 Chương Xây dựng phương pháp điều khiển cho bàn thí nghiệm  Lân cận a1 ta cần rút ngắn trình độ nên Kp phải lớn , Ki nhỏ  Lân cận b1 ta cần giảm độ điều chỉnh nên Kp nhỏ , Ki lớn (giá trị không vượt 3)  Tương tự lân cận c1 giống lân cận a1 (tuy nhiên Kp lớn a1 )  Tương tự lân cận d1 giống lân cận b1 Các bước thiết kế chỉnh định mờ Bước : Định nghĩa tất biến ngôn ngữ vào / • Từ luật chỉnh định , ta thấy chỉnh định mờ cần có biến ngôn ngữ đầu vào : - ET = sai lệch = giá trị đặt - giá trị đo = SP - PV Trong SP giá trị đặt , PV biến trình đo từ cảm biến , giá trị PV nằm đoạn từ - 10000 - Ta có ba biến ngơn ngữ đầu thơng số Kp , Ki , Kd điều khiển PID Bước : Xác định tập mờ cho biến ngôn ngữ vào / ( mờ hóa ) Biên vào ET : DT = { âm; không; dương } với giá trị  âm = [-2e+04 -2e+04 -400 -399] ; ứng với e < -400  không = [-400 -399 399 400] ; ứng với -400