ĐIỀU KHIỂN.
5.1. Đề xuất mô hình điều khiển.
Từ sơ đồ mô hình hóa hệ thống, ta thiết kế mô hình điều khiển.
Hình 15: Sơ đồ mô hình điều khiển tối ưu
Ghi chú: S1, S2 lần lượt là Sensor 1 và Sensor 2 Tank 1 D1 L1 S1 d1 Tank 2 D2 L2 V p S2 d2 Cung cấp nước cho sinh hoạt
Bộ biến
tần
PLC S7-1200
5.2. Đề xuất bộ điều khiển PID cho thiết kế hệ thống.
5.2.1. Bộ điều khiển PID.
Hình 16: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative)[8] là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi.
Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P,I, và D.
P trong Proportional - Để chỉ đến một phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, thông qua
đó tạo ra một tín hiệu thông báo về điều chỉnh tỷ lệ so với sai lệch đầu vào theo thời gian tiến hành lấy mẫu.
I trong Integral - Hiểu đơn giản thì nó mang ý nghĩa là sự phân tích đối với các
sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về mức 0 thì cần sử dụng phương pháp điều khiển tích phân. Từ đó mà người dùng có thể dễ dàng biết được tổng sai số tức thời tính theo thời gian hay chính là sai số tích lũy được trong quá khứ. Điều chỉnh phân tích càng mạnh khi thời gian tác động thể hiện càng nhỏ, tương ứng với đó là độ lệch cùng nhỏ theo.
D trong Derivative - Có nghĩa là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân sẽ có
nhiệm vụ trong việc tạo ra các tín hiệu điều chỉnh để có thể cho tỷ lệ phù hợp nhất với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Vấn đề vi phạm điều chỉnh vi phân càng mạnh khi thời gian càng lớn và tương ứng với bộ điều chỉnh để đáp ứng cho thay đổi đầu vào sẽ càng nhanh.
Khi nhắc tới điều khiển tới PID chúng ta thường nghe tới các thuât ngữ như: tỉ lệ, tích phân, đạo hàm. Mỗi thông số này được sử dụng và điều chỉnh riêng cho từng mục đích điều khiển. chỉ cần thay đổi một thông số cũng tác động lớn tới quá trình điều khiển.
Chúng ta có 4 loại điều khiển:
• Bộ điều khiển tỉ lệ P (Proportional Controller.)
• PI viết tắt của Proportional and Integral ( PI ) Controller được gọi là bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân.
• PD viết tắt của Proportional and Derivative (PD) Controller được gọi là bộ điều khiển đạo hàm.
• PID viết tắt của Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller được gọi là bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm.
Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID. Hệ thống điều khiển PID tự động bao gồm:
- Thiết bị điều khiển và cài đặt (PLC, HMI). - Cơ cấu chấp hành ( thiết bị gia nhiệt).
- Thiết bị hồi tiếp ( cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất).
5.2.2. Chứng minh bộ điều khiển PID ổn định.
Phương pháp Ziegler–Nichols[9] là một phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID được phát triển bởi John G. Ziegler và Nathaniel B. Nichols. Phương pháp này được thực hiện bằng cách thiết lập thông số độ lợi khâu I (tích phân) và khâu D (vi phân) về không (0, zero). Độ lợi khâu P (tỷ lệ, khuếch đại), độ lợi Kp được tăng lên từ không (0) cho đến khi nó đạt đến độ lợi Ku tối đa, mà đầu ra của vòng điều khiển dao động với biên độ không đổi.
Bảng 2: Công thức tính Ziegler – Nichols
Hình 17: Đường cong phản hồi cho Ziegler – Nichols
• Cài đặt hàm truyền
Hình 19: Cài đặt giá trị cho Num/Den • Kết quả
Hình 20: Chạy mô phỏng tín hiệu biên độ 1 Hình 18: Mô phỏng hàm truyền ở biên độ 1
• Từ mô phỏng ở hình ta xác định được hệ số K, L, T.
Hình 21: Xác định các hệ số K, L, T theo phương pháp Ziegler – Nichols Ta có:
K = 0.46 L = 1.416 T = 13.33
• Từ (bảng 2) ta tính toán được các thông số Kp, Ki, Kd K = 0.46 L = 1.416 T = 13.33 KP0 = 1,2T/KL = 24.5578 KI0 = KP0/2L = 8.6718 KD0 = KP0L/2 = 17.3870
Hàm truyền bộ điều khiển PID: GC(s) = KP0 + KI0/s + KD0.s
L T
• Test các thông số PID trên. >> cont = pid(24.5578, 8.6718, 17.3870) >> cont = 1 Kp + Ki * --- + Kd * s s with Kp = 24.6, Ki = 8.67, Kd = 17.4
Continuous-time PID controller in parallel form. >> step(feedback(cont*Gs,1))
Hình 22: Thời gian đáp ứng xung
Giá trị cuối là 1 tương ứng với mỗi đơn vị đầu vào.
5.2.2.2. Mô phỏng PID trên Simulink.
Hình 23: Cài đặt các thông số cho PID • Tín hiệu đầu vào cố định là 1.
Hình 24: Mô phỏng PID tín hiệu đầu vào cố định
Hình 25: Chạy mô phỏng Simulink PID
Sai lệch tĩnh
Hình 26: Chạy mô phỏng Simulink PID có sai lệch tĩnh
Hệ thống phản hồi về đúng giá trị đặt, thời gian ổn định (khoảng 15 giây), độ vọt thấp => Bộ điều khiển PID có đặc tính tốt cho hệ thống.
5.2.2.3. So sánh các bộ điều khiển để đưa ra bộ điều khiển tối ưu nhất.
Ở trên thì ta đã xác định PID theo phương pháp Ziegler – Nichols và cũng đã đưa ra kết luận cho bộ điều khiển PID. Và để chứng minh kĩ hơn về tính ổn định của bộ điều khiển thì ta đưa ra các phép so sánh cho bộ điều khiển PID, PI, PD, P.
• Bộ điều khiển PID
Hình 27: Mô phỏng so sánh PID
Ta đưa ra ba bộ điều khiển PID với ba thông số cài đặt khác nhau và chỉ có PID Controller 1, là đúng với thông số tính toán. Còn lại PID Controller 2 và PID Controller 3 là thông số tự chọn. Ta xét độ ổn định của bộ điều khiển trên.
• Chạy mô phỏng
Nhận xét: bộ điều khiển PID cho ra ba tín hiệu Reponse 1, Reponse 2 và Reponse. Cả ba tín hiệu đều nhanh chóng ổn định tại khoảng thời gian 20 giây và độ vọt lố thấp. Đáp ứng được tiêu chuẩn của hệ thống.
• Bộ điều khiển PI
Hình 29: Mô phỏng so sánh PI
Cũng như ở bộ điều khiển PID thì ta cũng đưa ra ba bộ điều khiển PI để so sánh tính ổn định của hệ thống.
• Chạy mô phỏng
Hình 30: Mô phỏng Simulink so sánh PI
Nhận xét: Bộ điều khiển PI có độ vọt lố cao hơn bộ điều khiển PID và độ ổn định rơi vào khoảng thời gian 35 giây.
• Bộ điều khiển PD
Hình 31: Mô phỏng so sánh PD • Chạy mô phỏng
Hình 32: Chạy mô phỏng Simulink so sánh PD
Nhận xét: Bộ điều khiển PD cho ra tín hiệu có độ vọt lố thấp nhưng không đáp ứng được tín hiệu biên độ đầu vào cố định là 1.
• Bộ điều khiển P
Hình 33: Mô phỏng so sánh P • Chạy mô phỏng
Hình 34: Chạy mô phỏng Simulink so sánh P
Nhận xét: Cũng như bộ điều khiển PD thì thời gian ổn định rơi vào khoảng 15 giây, độ vọt lố thấp, nhưng không đáp ứng được tính hiệu biên độ là 1.
Khi so sánh năm bộ điều khiển PID, PI, PD, P thì ta cũng thấy được nhưng ưu điểm và nhược điểm của từng bộ điều khiển. Nhưng để nói về độ tối ưu nhất trong năm bộ điều khiển thì ta cũng có thể thấy bộ điều khiển PID cho ta nhưng thông số chính xác nhất về mô phỏng và tối ưu nhất trong năm bộ điều khiển đưa ra để so sánh.
Và ta sẽ chọn PID để đưa nó vào mô hình điều khiển và kết hợp với PLC để thiết kế hệ thống tối ưu nhất cho đề tài:
- Thứ nhất, giúp giảm các sai số xác lập ở mức tối thiểu nhất có thể. - Thứ hai, các thiết bị dùng PID sẽ hạn chế được độ dao động. - Thứ ba, giúp giảm đi thời gian xác lập và độ vọt lố.
5.3. Thiết kế bộ điều khiển.
5.2.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển.
Hình 35: Sơ đồ khối bộ điều khiển
5.2.2. Lựa chọn thiết bị.
• Bộ điều khiển PLC S7-1200
Bộ điều khiển PLC S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động. Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau.
Chọn bộ điều khiển PLC S7-1200: 6ES7214-1AG40-0XB0 – PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC
u Giá trị đặt
+
PID Biến tần Bơm Bồn
-
Sensor đo mức nước
Thông số kĩ thuật: SIMATIC S7-1200, CPU 1214C, COMPACT CPU, DC/DC/DC, ONBOARD I/O: 14 DI 24V DC; 10 DO 24 V DC; 2 AI 0 – 10V DC, POWER SUPPLY: DC 20.4 – 28.8 V DC, PROGRAM/DATA MEMORY: 100 KB (6ES7214-1AG40-0XB0) Hình 36: Bộ điều khiển PLC S7- 1200 • Bộ biến tần
Là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ.
Có nhiều loại biến tần như: Biến tần AC, biến tần DC; biến tần 1 pha 220V, biến tần 3 pha 220V, biến tần 3 pha 380V, biến tần 3 pha 660V, biến tần trung thế... Bên cạnh các dòng biến tần đa năng, các hãng cũng sản xuất các dòng biến tần chuyên dụng: biến tần chuyên dùng cho bơm, quạt; biến tần chuyên dùng cho nâng hạ, cẩu trục; biến tần chuyên dùng cho thang máy; biến tần chuyên dùng cho hệ thống HVAC;...
Chọn biến tần LS SV008IG5A-2:
Biến tần dùng cho bơm, quạt, biến tần dùng cho các băng tải vừa và nhỏ. Động cơ hoạt động 150% moment ở tần số 0.5Hz.
Hình 37: Bộ biến tần LS IG5A-2 • Sensor đo mức nước
Chọn Sensor WiKa S11:
Cảm biến áp suất kiểu S-11 với màng ngăn xả được thiết kế đặc biệt để đo chất lỏng dạng sệt, chất kết dính, kết tinh, chứa nhiều hạt và môi trường bị ô nhiễm, có thể làm tắc nghẽn kênh áp suất của các kết nối quy trình thông thường. Thông qua thiết kế tối ưu hóa của nó, kết nối quy trình xả cho phép khả năng làm sạch với màng ngăn được làm ướt được tích hợp vào quy trình.
Do đó, việc đo áp suất bảo trì thấp và không gặp sự cố cũng được đảm bảo trong các ứng dụng quan trọng với phương tiện thay đổi thường xuyên. Độ chính xác cao, thiết kế mạnh mẽ, tay nghề chất lượng cao và tính linh hoạt cao của cấu hình là những đặc điểm chính của mẫu S-11.
Thông số kĩ thuật: Pressume Sensor 0 – 250mbar 4 – 20mA 10 – 30V (DC) Hình 38: Sensor đo mức nước WiKa S11
5.2.3. Ứng dụng PID cho từng thiết bị.
Trong PLC có sẵn các hàm PID để điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng với kết quả chính xác như các bộ điều khiển PID độc lập.
Việc khó khăn hơn của PLC chính là tự chọn các thông số để chạy thực nghiệm để cho ra một hệ số PID chính xác nhất. Trong khi các bộ điều khiển PID 4-20mA đều có chức năng Auto turning để có thể tự dò các hệ số này với độ chính xác tới 98%.
Chỉ cần chúng ta hiểu các thông số PI PD PID thì việc tăng hoặc giảm các giá trị tham số để có kết quả như mong muốn trở nên đơn giản.
• Điều khiển PID trong biến tần
Biến tần được xem là một thiết bị phù thuỷ trong ngành điều khiển bởi chỉ cần có liên quan tới chuyển động, công suất thì biến tần gần như giải quyết được mọi bài toán khó. Trong mô hình điều khiển này, bồn được chảy vào một lượng nước nhất định và phải điều khiển được mức nước sao cho tối ưu nhất.
Để làm được điều này cần có sự kết hợp của các thiết bị :
• Van điều khiển lưu lượng
• Cảm biến mức nước
• Biến tần điều khiển PID cho động cơ
• Bộ điều khiển PID cho van điều khiển
Việc tăng hay giảm lượng nước phụ thuộc rất nhiều vào lưu lượng nước đi qua van điều khiển. Việc lượng nước chảy đều và nhanh hay chậm lại phụ thuộc rất nhiều vào hồi tiếp của biến tần.
Thông qua một cảm biến mức nước chúng ta có thể điều khiển tốc độ của biến tần và lưu lượng nuớc đi qua van điều khiển để đảm bảo lượng nước trong bồn.
• Điều khiển PID trong điều khiển mức nước
Hệ thống điều khiển tự động cho độ chính xác cao hơn khi có đầy đủ các thiết bị điều khiển :
- Cảm biến đo mức nước 4-20mA.
- Van điều khiển nước xả ra tín hiệu 4-20mA - Bộ điều khiển nhận 4-20mA ngõ ra PID 4-20mA
• Điều khiển PID trong cảm biến
Điều khiển PID không chỉ dùng cho nhiệt độ mà còn có thể dùng cho lưu lượng, áp suất và nhiều loại tín hiệu khác. Các bộ điều khiển PID 4-20mA thường nhận được tín hiệu 4-20mA và cho ra 4-20mA PID.
Tín hiệu 4-20mA là tín hiệu hồi tiếp từ các thiết bị đo. Còn tín hiệu 4-20mA xuất ra từ bộ điều khiển PID lại là một tín hiệu hoàn toàn khác so với tín hiệu 4-20mA đầu vào. Dù rằng chúng ta thấy cả hai tín hiệu đều là 4-20mA.
Điều khiển PID nhiệt độ cũng dùng tín hiệu 4-20mA khi chuyển đổi tín hiệu của cảm biến mức nước thành tín hiệu 4-20mA trước khi vào bộ điều khiển. Điều khiển mức nước dùng PID 4-20mA mang độ chính xác cao hơn, thời gian phản hồi nhanh hơn khá nhiều so với dùng cảm biến mức nước đưa trực tiếp vào bộ điều khiển PID.
5.2.4. Nguyên lí hoạt động.
Điện áp cấp vào cho máy bơm, bơm hoạt động đưa nước vào bồn chứa nước khi đó PLC thông qua cảm biến đo mức nước sẽ đo mức nước trong bồn, rồi đưa tín hiệu về lại PLC, chúng ta chỉ cần điều khiển trên màn hình HMI kết nối với PLC để truyền tín hiệu xuống van điều khiển. Lưu lượng tăng hoặc giảm không phụ thuộc vào áp suất trong đường ống hay công suất của bơm nữa mà sẽ được điều khiển theo tín hiệu của đồng hồ đo lưu lượng truyền về.
Như vậy việc điều khiển lưu lượng trở nên chính xác hơn mà không phụ thuộc vào công suất bơm hay áp suất đường ống khi có sự rẽ nhánh của lưu lượng.
ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI
Nhìn chung, khi sử dụng bộ điều khiển PID, người điều khiển cần quan tâm đến