15
2.3.1.1. Khảo sát hệ hở, nhận dạng hệ thống theo mô hình Ziegler -Nichols
Mục đích:
Đặc trưng của lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt. Từằ̀ khi bắt đầu cung cấp năă̆ng lượng đầu vào cho lò nhiệt, nhiệt độ của lò bắt đầu tăă̆ng lên từằ̀ từằ̀. Để nhiệt độ lò đạt tới giá trị cần nung thì thường phải mất một khoảng thời gian khá dài. Đây chính là đặc tính quán tính của lò nhiệt. Khi tuyến tính hoá mô hình lò nhiệt, ta xem hàm truyền của lò nhiệt như một khâu quán tính bậc 2 hoặc như là một khâu quán tính bậc nhất nối tiếp với khâu trễ. Thí nghiệm này ta xem mô hình lò nhiệt như một khâu quán tính bậc 2.
Nhóm nghiên cứu sẽ khảo sát khâu quán tính bậc 2 cho trước. Dùng phương pháp Ziegler-Nichols nhận dạng hệ thống sau đó xây dựng lại hàm truyền. So sánh giá trị thông số trong hàm truyền vừằ̀a tìm được với khâu quán tính bậc 2 cho trước này.
Thí nghiệm:
Dùng SIMULINK xây dựng mô hình hệ thống lò nhiệt vòng hở như sau:
a. Chỉnh giá trị của hàm nấc bằằ̀ng 1 để công suất cung cấp 0÷100% (Step time = 0, Initial time = 0, Final time = 1). Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 600s. Mô phỏng và vẽ quá trình quá độ của hệ thống.
- Hình vẽ sau khi mô phỏng:
16
b. Trên hình vẽ ở câu trên, vẽ tiếp tuyến tại điểm uốn để tính thông số L và T theo hướng dẫn trong bài thí nghiệm 5. Chỉ rõ các giá trị này trên hình vẽ. So sánh giá trị L, T tìm được với giá trị của mô hình lò nhiệt tuyến tính hoá.
Từằ̀ hình vẽ, ta có các giá trị:
+ Điểm uốn (t, T) = (53.99; 439°C)
+ L = 15.1s, T = 217.6s
2.3.1.2. Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON-OFF
Mục đích
Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON-OFF, xét ảnh hưởng của khâu rơle có trễ.
Thí nghiệm
17
Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ ON-OFF như sau: Trong đó:
+ Tín hiệu đặt đầu vào hàm nấc u(t)=100 (nhiệt độ đặt 100oC). Khối Relay là bộ điều khiển ON-OFF.
+ Hệ có hồi tiếp âm đơn vị
+ Ngõ ra của Transfer Fcn1 là nhiệt độ thực của lò, được đưa vào Scope để quan sát.
+ Giá trị độ lợi ở khối Gain = 150 dùng đề khuếch đại tín hiệu ngõ ra khối Relay để quan sát cho rõ. Lưu ý rằằ̀ng giá trị này không làm thay đổi cấu trúc của hệ thống mà chỉ hỗ trợ việc quan sát tín hiệu.
b. Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 600s để quan sát được 5 chu kyằ̀ điều khiển.
Khảo sát quá trình quá độ của hệ thống với các giá trị của khâu Relay theo bảng sau: Trường hợp 1 2 3 4
Khi mô phỏng lần lượt các trường hợp, ta có kết quả như sau: + Trường hợp 1:
18
+ Trường hợp 2:
+ Trường hợp 3:
+ Trường hợp 4:
19
b. Tính sai số ngõ ra so với tín hiệu đặt và thời gian đóng ngắt ứng với các trường hợp của khâu Relay ở câu a theo bảng sau:
Vùng trễ
Vùng trễ càng lớn thì sai số ngõ ra càng lớn, chu kyằ̀ đóng cắt càng lớn (tức là tần số đóng cắt càng nhỏ và ngược lại.
c. Lưu quá trình quá độ của trường hợp vùng trễ (+5/-5) để viết báo cáo. Trên hình vẽ chỉ rõ 2 sai số +∆e1 / -∆e2 quanh giá trị đặt và chu kyằ̀ đóng ngắt.
d. Để sai số đầu ra xấp xỉ bằằ̀ng 0 thì ta phải cho vùng trễ tiến về 0, chu kì đóng ngắt lúc này cũũ̃ng xấp xỉ bằằ̀ng 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 tụụ̣c. 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 tụụ̣c để tăă̆ng tuổi thọ.
2.3.1.3. Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ dùng phương pháp Ziegler-Nichols (điều khiển PID)
Mục đích: Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ dùng bộ điều khiển PID, các thông số của bộ PID được tính theo phương pháp Ziegler-Nichols. Trên cơ sở đó, so sánh chất lượng của hệ thống ở 2 bộ điều khiển PID với bộ điều khiển ON-OFF.
Thí nghiệm: Xây dựng mô hình điều khiển nhiệt độ PID như sau:
Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ PID Trong đó:
+ Tín hiệu đặt đầu vào hàm nấc u(t)=100 (tượng trung nhiệt độ đặt 100oC).
+ Khâu bão hoà Saturation có giới hạn là upper limit = 1, lower limit = 0 (tượng trưng ngõ ra bộ điều khiển có công suất cung cấp từằ̀ 0- 100%).
+ Bộ điều khiển PID có các thông số cần tính toán nhứ: KP, KI, KD.
+ Hệ có hồi tiếp âm đơn vị
+ Transfer Fcn, Transfer Fcn1: mô hình lò nhiệt tuyến tính hoá.
+ Giá trị độ lợi ở khối Gain = 50 dùng đề khuếch đại tín hiệu ngõ ra khối Relay để quan sát cho rõ. Lưu ý rằằ̀ng giá trị này không làm thay đổi cấu trúc của hệ thống mà chỉ hỗ trợ việc quan sát tín hiệu.
b. Tính giá trị các thông số KP, KI, KD của khâu PID theo phương pháp Ziegler- Nichols từằ̀ thông số L và T tìm được ở phần 2.3.1.1.b?
+ Theo phương pháp Ziegler-Nichols:PID(s)=K P + K sI + K D s Với: L = 15.1s, T = 217.6s và K = 306 x 7=2142; ta có KP= 1.2T = 1.2 ×217.6 =0.0081 LK 15.1 ×2142 KI= KP = 0.0081 =0.000267 2 L 2 ×15.1 K D=0.5 K P L=0.5 ×0.0081 ×15.1=0.061
b. Chạy mô phỏng và lưu đáp ứng các tín hiệu ở Scope để viết báo cáo. Có thể chọn Stop time cho phù hợp. Trong hình vẽ phải chú thích rõ tên và các tín hiệu.
22
c. Nhận xét về chất lượng ngõ ra ở 2 phương pháp PID và ON – OFF?
- Đột vọt lố POT: PID > ON-OFF. Bộ điều khiển PID có độ vọt lố rất lớn, trong khi đó bộ ON-OFF có thể thiết kế cho độ vọt lố nhỏ hơn.
- Sai số ngõ ra: PID < ON-OFF. Bộ điều khiển PID sai số ngõ ra xem như 0 nhỏ hơn sai số ngõ ra bộ điều khiển ON-OFF.
- Thời gian xác lập: PID > ON-OFF.
- Đáp ứng ngõ ra ở trạng thái xác lập của bộ PID không có dao động, còn đối với bộ ON-OFF thì dao động quanh giá trị đặt.