III. Sử dụng SIMULINK trong mô phỏng các hệ động lực
2. Chức năng và thao tác trên các khối thông dụng
2.3.3. Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON – OFF
ON – OFF.
1. Mục đích.
Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON- OFF, xét ảnh hưởng của rơle có trễ.
2 Nguyên lý điều khiển on-off(dùng khâu rơle có trễ)
Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý điều khiển on-of
Phương pháp điều khiển on-of còn được gọi là phương pháp đóng ngắt hay dùng khâu rơle có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp cho năng lượng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu nhiệt độ đặt θ đặt lớn hơn nhiệt độ lò θ phản hồi, ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng lượng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ thực của lò. Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối trên:
nguồn chỉ được đóng khi sai lệch nhiệt độ e lớn hơn một lượng ∆ và ngắt khi e bé hơn ∆. Như vậy, nhiệt độ phản hồi θ phản hồi sẽ dao động quanh giá trị đặt θ đặt và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của rơle.
Khâu rơle có trễ còn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử, và như vậy ∆ là giá trị thềm hay ngưỡng.
Điều khiển on-of có ưu điểm là:
-Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống hoạt động được với mọi tải.
-Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng.
Nhưng có khuyết điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùng trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất.
Việc điều khiển nhiệt độ với chất lượng cao có thể thực hiện bằng sơ đồ điều khiển tuyến tính với hàm truyền hiệu chỉnh thích hợp.
3. Trình tự thí nghiệm.
Bước 1: Dùng SIMULINK để xây dựng hệ
thống điều khiển nhiệt độ on – off như sau:
Hình 1.18. Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ Trong đó:
-Step: là tín hiệu hàm nấc thể hiện nhiệt độ đặt của lò.
-Transfer Fcn – Transfer Fcn1: mô hình lò nhiệt tuyến tính hóa.
-Khối Relay là bộ điều khiển ON-OFF. -Ngõ ra của Transfer Fcn1 là nhiệt độ thực của lò, đưa vào Scope để quan sát.
-Hệ có hồi tiếp âm đơn vị.
-Khối Gain dùng để khuếch đại tín hiệu ngõ ra khối Relay để quan sát cho rõ. Lưu ý rằng giá trị này không làm thay đổi cấu trúc của hệ thống mà chỉ hỗ trợ việc quan sát tín hiệu.
Bước 2: Chỉnh giá trị của hàm nấc: Step time
=0, Initial value = 0, Final value = 100, giá trị khối Gain = 50. Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 600s. Chỉnh thông số khối Relay theo bảng sau: Vùng trễ ( Switch on /off point) Ngõ ra cao (Output when on) Ngõ ra thấp (Output when off) +1 / -1 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%) +5 / -5 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%) +10 / -10 1 (công suất 100%) 0 (công suất0%) +20 / -20 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%)
Bước 3: Nhấn Run để mô phỏng quá trình.
Khi vùng trễ: +1 / -1; thời gian mô phỏng biến đổi, bước mô phỏng 0.00001
Hình 1.19.
a.Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ với Gian=120
b. Đặc tính quá độ khi vùng trễ là: +1/-1
STT Đại lượng Giá trị Ghi chú 1 Đáp ứng quá độ
Cmax
117 2 Lượng quá điều
chỉnh (σ %) max 17% 3 Sai lệch điều chỉnh trên ∆e1= 17 4 Sai lệch điều chỉnh dưới ∆e2= -3 5 Chu kỳ đóng cắt (T) 5,2 Khi vùng trễ: +5 / -5 Hình 1.20.
a. Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ với Gian=120
b. Đặc tính quá độ khi vùng trễ là: +5/-5
STT Đại lượng Giá trị Ghi
chú 1 Đáp ứng quá độ Cmax 120 2 Lượng quá điều chỉnh
(σmax%) 20%
∆e1=
4 Sai lệch điều chỉnh dưới ∆e2=
-8 5 Chu kỳ đóng cắt (T) 3,2 Khi vùng trễ: +10 / -10
Hình 1.21.
a Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ với Gian=120
b. Đặc tính quá độ khi vùng trễ là: +10/-10
STT Đại lượng Giá trị Ghi chú 1 Đáp ứng quá độ
Cmax 125
2 Lượng quá điều chỉnh (σ %) max 25% 3 Sai lệch điều chỉnh trên ∆e1= 25 4 Sai lệch điều chỉnh dưới ∆e2= -12 5 Chu kỳ đóng cắt (T) 2,4 Khi vùng trễ: +20 / -20 Hình 1.22.
a.Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ với Gian=120
b Đặc tính quá độ khi vùng trễ là: +10/-10
STT Đại lượng Giá
trị
Ghi chú 1 Đáp ứng quá độ
Cmax
133 2 Lượng quá điều
chỉnh (σ %) max 33% 3 Sai lệch điều chỉnh trên ∆e1= 33 4 Sai lệch điều chỉnh dưới ∆e2= -12 5 Chu kỳ đóng cắt (T) 2,2 Bước 4: Kết luận:
-Khi vùng trễ của khâu roley tăng thì đáp ứng quá độ Cmax, lượng quá điều chỉnh (σ %), Saimax lệch điều chỉnh đều tăng còn số lần dao động (n) giảm.
-Để sai số đầu ra xấp xỉ bằng 0 thì ta phải cho vùng trễ tiến về 0, chu kì đóng ngắt lúc này cũng xấp xỉ bằng 0.
-Trong thực tế ta dường như không thể thực hiện được bộ điều khiển như vậy, vì ở giai đoạn xác lập bộ điều khiển phải đóng ngắt liên tục. Ta nên lựa chọn vùng trễ thích hợp để có sự dung hòa giữa sai số và chu kì đóng ngắt, sai số không quá lớn và bộ điều khiển không phải đóng ngắt liên tục để tăng tuổi thọ.