(Đồ án tốt nghiệp) ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) trong mô hình lò nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG ÐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRONG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT GVHD: ThS VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH: HUỲNH NGỌC CHÂU MSSV: 12146013 NGUYỄN LÊ MINH HẠC MSSV: 12146048 BÙI LÊ QUỐC KHÁNH MSSV: 12146080 SKL004769 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRONG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Khố: Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRONG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Khoá: Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS.Võ Lâm Chương MSSV: 12146013 Sinh viên thực hiện: Huỳnh Ngọc Châu Nguyễn Lê Minh Hạc MSSV: 12146048 Bùi Lê Quốc Khánh MSSV: 12146080 Tên đề tài: Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Các số liệu, tài liệu ban đầu: Các thơng số tính tốn kích thước thùng gia nhiệt Hàm truyền hệ thống Nội dung đồ án: Hồn thiện mơ hình lị nhiệt: thiết kế lại tủ điện, hiển thị led Nghiên cứu sử dụng card PCI thu thập liệu điều khiển từ Matlab Nghiên cứu điều khiển dự báo MPC (Model Predictive Control) So sánh đáp ứng ngõ điều khiển khác có nhiễu q trình (disturbance) tác động Các sản phẩm dự kiến: Mơ hình lị nhiệt hồn chỉnh Điều khiển mơ hình thuật tốn DMC Ngày giao đồ án:27/07/2016 Ngày nộp đồ án: 28/07/2016 TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt - GVHD: ThS Võ Lâm Chương - Họ tên sinh viên:Huỳnh Ngọc Châu Địa sinh viên: Quận 9, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 0932408429 - Họ tên sinh viên:Nguyễn Lê Minh Hạc MSSV:12146048Lớp: 121461C Địa sinh viên: Quận Bình Thạnh, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 01223962617 Email: hacnguyen94@gmail.com - Họ tên sinh viên:Bùi Lê Quốc Khánh Địa sinh viên: Quận Thủ Đức, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 01666575969 - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 28/07/2016 Lời cam kết: “Chúng xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình chúng tơi nghiên cứu thực Chúng không chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 07 năm 2016 Ký tên Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mô hình lị nhiệt LỜI CẢM ƠN  Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Nhà trường, khoa Cơ khí chế tạo máy, Bộ mơn Cơ điện tử, thầy tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức sở, chuyên môn suốt năm học vừa qua Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS Võ Lâm Chương, thầy trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình, định hướng, góp ý cung cấp ý tưởng dẫn tài liệu thực đồ án Sự hướng dẫn thầy yếu tố quan trọng để chúng em hồn thành đồ án Xin cảm ơn bạn lớp Cơ điện tử 121461 góp ý, giúp đỡ nhóm nhiều trình làm đồ án Cuối chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người ln sát cánh, ni dưỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt cho chúng em học tập để có kết tốt ngày hơm Mặc dù cố gắng nỗ lực nhiều, song đồ án chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận thông cảm dẫn tận tình q thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt TĨM TẮT ĐỒ ÁN ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRONG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT Trong đồ án này, nhóm chọn chủ đề nghiên cứu điều khiển trình gia nhiệt lò nhiệt sử dụng điều khiển dự báo (MPC) Để đánh giá chất lượng điều khiển, nhóm so sánh đáp ứng ngõ điều khiển dự báo thuật toán điều chỉnh PID Zigler – Nischols, Tyreus-Luyben, IMC-PID Nhóm sử dùng Card PCI 6052E làm phần cứng thu thập liệu Về phần mềm, nhóm dùng phần mềm MATLAB để sử dụng điều khiển dự báo (MPC) điều khiển nhiệt độ mơ hình Sau thời gian nghiên cứu, kết đạt điều khiển nhiệt độ lò phương pháp dùng điều khiển dự báo (MPC), từ đạt mục tiêu kiểm chứng lý thuyết điều khiển trình mơ hình thực nghiệm Tóm tắt chương đề tài: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Xây dựng thiết kế điều khiển Chương 4: Đề xuất công nghệ, tính tốn thiết kế Chương 5: Thực nghiệm đánh giá ứng dụng điều khiển mơ hình lị nhiệt Sinh viên thực Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt ABSTRACT APPLICATION MODEL PREDICTIVE CONTROL IN HEATING PROCESS In this project, we carry out research into a controller of heating process of a heat furnace adopting model predictive control (MPC) algorithm In order to assess quality, we use several kinds of tuning algorithms, such as Zigler – Nischols, Tyreus-Luyben, IMCPID, to compare output responses each other We also use PCI 6052E card for data acquisition In term of software, we use MPC controller in Matlab to control the whole system The MPC algorithm is applied in the heat furnace to control output temperature, so we achieve verifiable target about theory of process control by experimental model Contents: Chapter 1: Overview Chapter 2: Theory of Predictive Control Chapter 3: Formulation and Design Controllers Chapter 4: Design model Chapter 5: Experiment, Assessment and Application of Controllers for Heat furnace Thay giá trị Kp, Ki, Kd, Kb vào sơ đồ Simulink, quan sát đáp ứng ngõ mơ hình 70 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Hình 5.25 Đáp ứng ngõ mơ hình có điều khiển IMCPID Sau mơ thành cơng ta tiến hành chạy với mơ hình thực Hình 5.26 Chương trình điều khiển hệ thống o Đặt nhiệt độ khối SP 70 ( C) Đáp ứng hệ thống sau: 71 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt o Hình 5.27 Đáp ứng hệ thống với SP = 70 C 5.6 So sánh đáp ứng ngõ giải thuật điều khiển DMC với giải thuật điều khiển khác 5.6.1 So sánh DMC PID  DMC Đáp ứng bướ PID o Hình 5.28 Đáp ứng bước với giá trị ngõ vào 70 C 72 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Hình 5.29 Giá trị áp ngõ điều khiển SCR Nhận xét: Về mặt đáp ứng ngõ hai phương pháp có thời gian đáp ứng nhau, PID có vọt lố dao động DMC Về điều khiển giá trị áp điều khiển SCR phương pháp DMC mịn ổn định phương pháp PID Phương pháp PID xuất tín hiệu điều khiển dao động lớn làm giảm thời gian sử dụng SCR Bảng 5.1 So sánh DMC PID Phương pháp Thời gian xác lập (s) Thơi gian tăng (s) Độ vọt lố (%)  Đáp ứng theo hàm dố DMC Hình 5.30 Đáp ứng theo hàm dốc 73 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Hình 5.31 Giá trị áp ngõ điều khiển SCR Nhận xét: Đáp ứng DMC tốt so với PID DMC có khả dự báo trước thay đổi đáp ứng hệ nên bám sát SetPoint Điện áp điều khiển ngỏ DMC mịn mượt PID, dao động  Nhiễu q trình DMC PID Hình 5.32 Nhiễu trình trường hợp quạt đột ngột ngừng thổi phút Nhận xét: Khơng có khác giá trị nhiệt độ vọt lố hai phương pháp 73 C, DMC thời gian để đáp ứng bám theo trở lại setpoint nhanh nhiều so với PID DMC khoảng 300s PID khoảng 450s o  Độ ổn định ( sai số xác lập ) 74 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mô hình lị nhiệt Hình 5.33 Sai lệch setpoint đáp ứng hệ sử dụng phương pháp DMC 75 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mô hình lị nhiệt Hình 5.34 Sai lệch setpoint đáp ứng hệ sử dụng phương pháp PID 76 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mô hình lị nhiệt Nhận xét: Sai lệch setpoint đáp ứng hệ sử dụng phương pháp DMC nhỏ nhiều so với phương pháp PID Bảng 5.2 Sai lệch setpoint đáp ứng phương pháp Phương pháp o Trung bình cơng sai số xác lập ( C) 5.6.2 So sánh đáp ứng chung DMC – PID (Z – L) – IMC-PID  Đáp ứng bước với giá trị Setpoint 70 C Hình 5.35 So sánh đáp ứng phương pháp điều khiển 77 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt Bảng 5.3 So sánh phương pháp điều khiển khác Phương pháp Thời gian xác lập (s) Thời gian tăng (s) Độ vọt lố (%) Trung bình cơng sai số xác o lập ( C) 78 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt KẾT LUẬN –KIẾN NGHỊ Kết luận: Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu thực nghiệm, nhóm thu kết sau: - Mơ hình lị nhiệt hồn thiện, đáp ứng yêu cầu nghiên cứu đề tài: hai gia nhiệt đảm bảo cung cấp đủ nhiệt lượng cho q trình, kích thước thùng gia nhiệt đảm bảo việc mơ q trình gia nhiệt xác, mơ hình đảm bảo độ cứng vững, thẩm mỹ - Từ kết mơ hình nhận dạng được, tiến hành điều khiển nhiệt độ hệ thống điều khiển DMC - Đã so sánh điều khiển DMC điều khiển khiển khác Về bản, đề tài đạt mục tiêu nghiên cứu đặt ra, nhiên nhiều điểm hạn chế: - Một số phương pháp giải thuật khác điều khiển dự báo chưa nghiên cứu Kiến nghị, định hướng phát triển đề tài: Với kết đạt điểm hạn chế đề tài, nhóm có đề xuất hướng phát triển đề tài, là: Tiếp tục nghiên cứu thêm điều khiển khác đại nhằm khắc phục hạn chế hệ thống Do đặc điểm trình cơng nghiệp nói chung mơ hình nói riêng đặc tính trễ ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển Do đó, từ kết đề tài đạt được, áp dụng số giải thuật điều khiển khác để tăng chất lượng điều khiển, nâng cao tính kháng nhiễu hệ (Disturbance Rejection) Ngoài ra, để phục vụ cho việc giảng dạy nghiên cứu lĩnh vực điều khiển trình cần cải tiến giao diện hệ thống liên kết bảng điều khiển phần mềm máy tính để tạo trực quan, dễ dàng việc tiếp cận, nghiên cứu đề tài 79 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hồng Minh Sơn, Điều khiển q trình nâng cao, NXB Bách khoa Hà Nội, 2009 Huỳnh Thái Hoàng, Bài giảng mơ hình hóa nhận dạng hệ thống, http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/, 2012 [2] [3] Phạm Hữu Đức Dục, Mơ hình điều khiển dự báo – Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ - Số 1(45) Tập 1/Năm 2008 [4] Trường Đại học Hàng Hải – khoa Điện – Điện Tử, Bài giảng điều khiển trình [5] Báo cáo đồ án tốt nghiệp đề tài “Chế tạo điều khiển mô hình lị nhiệt” khóa 2011, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM ( GVHD: Th.S Võ Lâm Chương ) Tiếng Anh [6] Sigurd Skogestad, PID tuning using the SIMC rules, September 2008 http://www.cc.ntut.edu.tw/~jcjeng/Model-based%20Tuning.pdf [7] Tatjewski, Chapter – Advanced Control of Industrial Processes [8] Eduardo F Camacho and Carlos Bordons, Model Predictive Control [9] Truong Nguyen Luan Vu, Jietae Lee, Moonyong Lee, Consider the generalized IMC-PID method for PID controller tuning of time-delay processes [10] J B Rawlings and D Q Mayne, Model Predictive Control: Theory and Design [11] Lam Chuong Vo, Luan Vu Truong Nguyen, Hieu Giang Le, Application of MPC Algorithm for tracking control [14] Le Linh, Truong Nguyen Luan Vu, Le Hieu Giang, Design of IMC-PID Controller Cascaded Filter for Simplified Decoupling Control System [15] Le Linh, Truong Nguyen Luan Vu, Le Hieu Giang, Analytical Design of IMC-PID Controller for Ideal Decoupling Embedded in Multivariable Smith Predictor Control System [16] Daniel E Rivera , Internal Model Control: A Comprehensive View 80 Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt PHỤ LỤC 81 ... thực Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt TÓM TẮT ĐỒ ÁN ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO (MPC) TRONG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT Trong đồ án này, nhóm chọn chủ đề nghiên cứu điều khiển trình gia nhiệt. .. đánh giá ứng dụng điều khiển mơ hình lò nhiệt Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC) mơ hình lị nhiệt CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Điều khiển dự báo đời cách khoảng vài thập kỷ (từ năm 1960 có nhiều ứng. .. dụng chiến lược điều khiển dự báo cho hệ phi tuyến gặp nhiều khó khăn Thứ phải xây dựng mơ hình tốn để dự báo xác trạng thái q trình cần điều khiển phạm vi dự báo Ứng dụng điều khiển dự báo (MPC)