4. Cấu trúc của luận văn
2.1 Nhiệt độ và điều khiển nhiệt độ quá trình sấy
Nhiệt độ là một trong những mối quan tâm hàng đầu cho quá trình sấy và điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những nhiệm vụ quan trong trong công nghệ sấy. Tùy theo tính chất, yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phƣơng pháp điều khiển thích hợp. Tính ổn định và chính xác của nhiệt độ cũng đƣợc đòi hỏi ở đây đặt ra các vấn đề cần phải giải quyết.
Một điều thực sự cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tƣợng cung cấp nhiệt mà ta cần phải điều khiển để dẫn đến mô hình toán học cụ thể. Từ đó chúng ta sẽ giải quyết bài toán điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu sẵn. Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại: hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control system) .
- Điều khiển hồi tiếp thƣờng đƣợc xác định và giám sát kết quả điều khiển, so sánh nó với yêu cầu thực thi (ví dụ điểm đặt) và tự động điều chỉnh đúng .
- Điều khiển tuần tự thực hiện từng bƣớc điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trƣớc khi xác định tuần tự .
Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về so sánh với tín hiệu vào và ra sẽ đƣợc gởi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra. Hệ thống điều khiển hồi tiếp có nhiều ƣu điểm nên thƣờng đƣợc thấy trong các hệ thống tự động.
Một hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa trên nguyên tắc hệ thống hồi tiếp có dạng tổng quát nhƣ hình 2.1 :
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ có hồi tiếp
Đây là một hệ thống hồi tiếp qua bộ cảm biến cho tín hiệu đo lƣờng nhiệt độ về so sánh với giá trị đặt, sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo sẽ đƣợc đƣa tới bộ điều khiển tạo tín
Bộ điều khiển Thiết bị gia nhiệt
Cảm biến nhiệt
Nhiệt độ lò Nhiệt độ đặt
25
hiệu điều khiển công suất cấp cho bộ phận gia nhiệt. Nhƣ vậy các phƣơng pháp điều khiển khác nhau về bản chất là do các bộ điều khiển khác nhau tạo nên.
Quá trình gia nhiệt và cấp nhiệt trong hệ thống sấy là đa dạng và luôn biến đổi, theo từng giai đoạn sấy. Muốn quá trình điều khiển nhiệt độ đảm bảo chất lƣợng thì sự đa dạng của hệ điều khiển phải tƣơng xứng với sự đa dạng của đối tƣợng .Tính đa dạng của hệ điều khiển có thể dùng để chế ngự đối tƣợng thể hiện ở: khả năng thu thập thông tin , lƣu trữ, phân tích xử lý ,chọn quyết định, tổ chức thực hiện.
Ngày nay ta có rất nhiều phƣơng án để lựa chọn bộ điều khiển sao cho phù hợp với từng yêu cầu cụ thể của mỗi bài toán, đảm bảo chất lƣợng và đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Các bộ điều khiển đƣợc chọn dựa trên các phƣơng pháp điều khiển.
2.2. Các phương pháp điều khiển nhiệt độ trong hệ thống sấy
2.2.1 Phương pháp điều khiển on –off [1]
Điều khiển on- off là lặp lại trạng thái on- off của hệ thống điều khiển theo điểm đặt. Điều khiển on-off thƣờng đƣợc ứng dụng phần lớn cho quá trình nhiệt trong các lò nung, lò tôi với các phần tử gia nhiệt dùng các thanh điện trở, đối tƣợng này có quán tính lớn. Các bộ điều khiển đƣợc dùng đơn lẻ chủ yếu là các bộ điều khiển nhiệt độ. Khối đầu ra điều khiển là rơle điện từ hoặc solid state. Cơ cấu chấp hành là các công tắc tơ hay thyristor, triac...
Hình 2.2. Cấu trúc bộ điều khiển on-off
Do đối tƣợng là khâu quán tính lớn nên có thể xấp xỉ đối tƣợng khảo sát là khâu tính phân có trễ Gp= 1
p.se s . Vì vậy đáp ứng đầu ra có dạng đƣờng thẳng. Hoạt động của bộ điều khiển đƣợc mô tả qua phƣơng trình:
u={OFF khi y yON khi y<ysp sp (2.1) K Gp ysp y d - m u - +
26
là dải chết ( dead band).
Khi đầu ra điều khiển ở trạng thái on, y tăng theo phƣơng trình:
y=∫ m1 d p t1
0
(2.2)
Khi đầu ra điều khiển ở trạng thái off, y giảm theo phƣơng trình:
y=∫ m0 d p t2
0
(2.3)
Trong đó m0,m1 là giá trị min, max của biến điều khiển; p là hằng số thời gian tích phân qua trình.
Đáp ứng của hệ đƣợc trình bày
Hình 2.3. Đáp ứng của hệ khi điều khiển on-off
Đối tƣợng có thành phần trễ nên mặc dù khi tín hiệu điều khiển off giá trị y(t) vẫn tiếp tục tăng lớn hơn giá trị ysp + d và đạt tới giá trị ymax sau đó mới giảm xuống. Tƣơng tự ngƣợc lại trong trƣờng hợp giá trị y(t) giảm đến giá trị ymin
Ta có đáp ứng đầu ra là dao động hình tam giác có biên độ:
A= ymax ymin 2 . 1 p (2.4) m0 m1 y(t) ymax ymin ysp - 0
27
Nếu nhiễu tải d không nằm chính xác giữa 2 trạng của biến điều khiển m thì chu kỳ dao động không đều, tốc độ tăng và giảm các đại lƣợng cần điều khiển cũng sẽ khác nhau. Tuy vậy biên độ và chu kỳ dao động 0 vẫn giữ nguyên:
0 = 2. . p( 1
m1 d 1
m0 d) (2.5)
Khi giảm thì tần số đóng cắt sẽ tăng đến mức nào đó sẽ vƣợt tần số đóng cắt cho phép của thiết bị chấp hành. Nhƣng nếu để lớn thì độ chính xác lại giảm. Tùy thuộc vào chất lƣợng yêu cầu ta chọn thiết bị đóng cắt của bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành sao cho phù hợp. Thƣờng chọn thiết bị đóng cắt thiết bị công suất nhƣ soild stat thyristor, triac ... có tần số đóng cắt lớn, tuổi thọ cao.
Để làm chủ đƣợc hiện tƣợng không làm chủ đƣợc tần số đóng cắt, ngƣời ta dùng bộ điều khiển on-off theo nguyên lý thời gian tỷ lệ. Bản chất của phƣơng pháp này là : khi y < ysp - bộ điều khiển on. Khi y ysp thì bộ điều khiển off. Khi y nằm trong dải chết thì bộ điều khiển sẽ đóng cắt theo chu kỳ định trƣớc. Tùy thuộc vào sai lệch, bộ điều khiển sẽ có thời gian đóng cắt theo kiểu biến đổi độ rộng xung. Nhƣ vậy tăng đƣợc độ chính xác và làm chủ đƣợc tần số đóng cắt. Đáp ứng của hệ đƣợc trình bày trên hình 2.4 trong đó Tm là chu kỳ định trƣớc có thể cài đặt.
Hình 2.4. Đáp ứng on – off theo nguyên lý thời gian tỷ lệ.
Trong một số các bộ điều khiển ngƣời ta cũng sử dụng nguyên lý này cho bộ điều khiển PID (Propotional Integral Derivative ). Thay vì xuất tín hiệu liên tục u(t) ta dùng
OFF m0 m1 ysp - ON Tm
28
tín hiệu on-off theo nguyên lý thời tỷ lệ u(t . Ngƣời ta gọi đó là kiểu điều khiển PID – on/off ( thiết bị đầu ra không phải là anlog mà là thiết bị đóng cắt).
Ƣu điểm của bộ điều khiển on – off là hệ ổn định, tác động nhanh. Tuy nhiên độ chính xác và tác động không cao.
2.2.2 Bộ điều khiển PID [1]
Bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tƣợng SISO theo nguyên lý hồi tiếp.
a)Các thành phần cơ bản
b) Nguyên lý hồi tiếp
Hình 2.5. Bộ điều khiển PID
Lý do bộ PID đƣợc sử dụng rộng rãi là tính chất đơn giản của nó về cả cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID gồm 3 thành phần khuếch đại (tỷ lệ P), tích phân (I) và vi phân (D). Bộ PID có nhiệm vụ đƣa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lƣợng:
- Nếu hệ thống có sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uP(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn ( vai trò của khâu khuếch đại kp ).
- Nếu sai lệch e(t) chƣa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh ( vai trò của tích phân TI ).
- Nếu sự thay đổi sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh ( vai trò của vi phân TD ).
Bộ điều khiển PID đƣợc mô tả bằng mô hình vào ra: ysp up kp 1 𝑇𝐼𝑠 TDs uI uD u
PID Đối tƣợng điều khiển
ysp e u y
29 u(t =kp[e(t 1 TI∫ e( d TDde(t dt t 0 ] (2.6)
Trong đó: e(t) = ysp – y(t) là sai lệch điều khiển ( dựa vào bộ điều khiển).
u(t) là đại lƣợng đầu ra của bộ điều khiển PID đồng thời cũng là tác động tới đối tƣợng điều khiển.
kp đƣợc gọi là hệ số khuếch đại. TI là hằng số tích phân.
TD là hằng số vi phân.
Từ mô hình vào – ra ta có hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID : R( ) = p(1 1
Ts T .s
(2.7)
Chất lƣợng điều khiển của hệ thống phụ thuộc vào các tham số kp ,TI ,TD. Muốn hệ thống có đƣợc chất lƣợng nhƣ mong muốn thì phải phân tích đối tƣợng rồi trên cơ sở đó chọn các tham số đó cho phù hợp. Hiện có khá nhiều các phƣơng pháp xác định các tham số kp,TI ,TD cho bộ điều khiển PID, song tiện ích hơn cả trong các ứng dụng vẫn là :
- Phƣơng pháp Ziegler – Nichols.
- Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick. - Phƣơng pháp tổng T của Kuhn.
- Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn và phƣơng pháp tối ƣu đối xứng. - Phƣơng pháp tối ƣu theo sai lệch bám.
Tuy nhiên không phải mọi trƣờng hợp ứng dụng đều phải xác định cả ba tham số kp ,TI và TD . Chẳng hạn, khi bản thân đối tƣợng đã có thành phần tích phân thì trong bộ điều khiển ta không cần phải có thêm khâu tích phân mới làm cho sai lệch tĩnh bằng 0, hay nói cách khác khi đó ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PD là đủ (TI = ∞ .
R( ) = p(1 T .s
Hoặc khi tín hiệu trong hệ thống thay đổi tƣơng đối chậm và bản thân bộ diều khiển không cần phải có phản ứng thật nhanh với sự thay đổi của sai lệch e(t) thì ta có thể chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI (TD = 0) có hàm truyền đạt là:
R( ) = p(1 1
T s (2.8)
Điều khiển nhiệt độ quá trình sấy chính là điều khiển nhiệt độ của các giai đoạn trong quá trình sấy theo trị số đặt trƣớc theo từng yêu cầu cụ thể. Lò sấy đƣợc cấp nhiệt
30
bởi các thiết bị gia nhiệt, nhiệt độ trong quá trình sấy là một đối tƣợng có tham số biến đổi chậm, đặc tính động học của quá trình và của cảm biến nhiệt độ thƣờng chậm hơn của thiết bị chấp hành. Phép đo nhiệt độ chậm nhƣng thƣờng ít chịu ảnh hƣởng của nhiễu. Vì thế ta sẽ sử dụng luật PID có hàm truyền đạt (2.7) để cải thiện tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn.
2.3.Mô hình toán học quá trình gia nhiệt [2]
Để xây dựng mô hình toán của quá trình gia nhiệt ta cần xác định các cụ thể biến điều khiển, biến quá trình và các tham số liên quan. Căn cứ vào mô hình mô tả điều khiển nhiệt độ quá trình sấy ở hình 2.1, ta xây dựng cấu trúc mô hình quá trình nhƣ sau:
Hình 2.6. Cấu trúc mô hình quá trình sấy
Với khối khối phản hồi: là khâu thu nhập dữ liệu nhiệt độ lò thông qua một cảm biến rồi đƣa vào điều khiển (dạng trị số điện trở). Để đơn giản nếu ta quy định nhiệt độ đặt sẽ đƣợc nhân với hệ số là 2 trƣớc khi đƣa vào bộ so sánh với tín hiệu thu đƣợc từ khối đo lƣờng thì ta có thể bỏ qua hệ số khuyếch đại của khối đo lƣờng. Đồng thời, do chu kỳ giữ lấy mẫu của khâu hiệu chỉnh PID số của đối tƣợng lò nhiệt thƣờng lớn hơn 10s (lớn hơn nhiều so với T2 ), nên nếu ta quy định quá trình thu thập dữ liệu ở khối phản hồi chỉ đƣợc thực hiện tại thời điểm đầu các chu kì lấy mẫu của PID, và hàm truyền hiệu chỉnh PID chỉ đƣợc tính toán ở những thời điểm lấy mẫu rồi giữ nguyên giá trị cho đến lần lấy mẫu kế tiếp thì ta có thể bỏ qua chu kì lấy mẫu T2 tại khối cảm biến độ. Vậy ta có sơ đồ mô hình hệ thống bộ điều khiển nhiệt độ nhƣ sau:
Công suất Chuyển đổi tín hiệu
Bộ điều khiển Tín hiệu đặt
Thiết bị gia nhiệt Cảm biến nhiệt
31
Hình 2.7. Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ lò
Từ mô hình hệ thống ta tiến hành mô hình hóa xây dựng mô hình toán học cho quá trình
Về nguyên tắc có 2 phƣơng pháp cơ bản: Mô hình hóa bằng lý thuyết hay còn gọi là mô hình hóa vật lý: đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận đƣợc là các phƣơng trình vi phân ( thƣờng là đạo hàm riêng và phƣơng trình đại số.
- Mô hình hóa bằng thực nghiệm hay còn gọi là phƣơng pháp hộp đen hay nhận dạng quá trình, dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào - ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu đƣợc để xác định cấu trúc và tham số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp.
Mỗi phƣơng pháp xây dựng mô hình đều có ƣu nhƣợc điểm cụ thể:
- Trong phƣơng pháp mô hình hóa lý thuyết có ƣu điểm cho ta biết chính xác cấu trúc của mô hình, tuy nhiên phƣơng pháp này phải thực hiện trên cơ sở các giả thuyết phải đƣợc lý tƣởng hóa, kết quả thu đƣợc phụ thuộc vào các yếu tố khách quan, việc xác định thông số của mô hình khó chính xác.
Trong phƣơng pháp mô hình hóa bằng thực nghiệm có ƣu điểm là cho phép xác định chính xác tham số của mô hình, tuy nhiên nhƣợc điểm là khó xác định đƣợc cấu trúc của mô hình, thông số phụ thuộc vào độ tin cậy của phép đo.
- Hiện nay với sự ra đời của các thiết bị đo có độ chính xác tƣơng đối cao, đặc biệt là sự hỗ trợ các phần mềm trong việc xử lý thông số của quá trình nên phƣơng pháp thực nghiệm có thể thực hiện tƣơng đối hiệu quả. Để xây dựng mô hình toán học cho quá trình sấy ta có chọn phƣơng pháp thực nghiệm .
- Trong thực tế để xác định đƣợc bộ thông số cho mô hình gia nhiệt trong hệ thống sấy ta cần xác định các thông số về công suất cung cấp, nhiệt độ phân bố trong không gian sấy (phải thực hiện với nhiều điểm đo). Với quán tính gia nhiệt của lò thƣờng khá lớn ta có
Bộ điều khiển (PID)
Đối tƣợng điều khiển (Lò gia nhiệt)
ysp e u y
32 Lò sấy % P Nhiệt độ lò Triac PT100 Vi mạch đk (IC TCA785) uđ
Thiết bị gia nhiệt
Lò sấy PIW14
(PLC S7-300) WINCC
thể thay đổi điện áp cung cấp thông qua bộ điều khiển (thay đổi công suất lò – thông số
đầu vào ) để tiến hành nhận đƣợc sự thay đổi nhiệt độ của lò (thông số đầu ra )
Hình 2.8. Sơ đồ khối quá trình gia nhiệt
Trong phạm vi nghiên cứu ta tiến hành thực nghiệm với thiết bị gia nhiệt là dây điện trở 2KW – 220V đƣợc cung cấp nguồn bởi Triac LM334, điều khiển góc mở cho triac ta sử dụng IC chuyên dùng TCA785, nhiệt độ đƣợc đọc và lƣu trữ qua cảm biến PT100, qua PLC S7-300, dữ liễu đƣợc trích mẫu với thời gian1s qua phần mềm giám sát WinCC Flexible
Hình 2.9. Sơ đồ bố trí thiết bị quá trình thực nghiệm
33
Tiến hành thực nghiệm:
Đặt điện áp ra trên bộ điều khiển 22V tƣơng ứng 10% công suất lò, nhiệt độ đo đƣợc qua cảm biến nhiệt độ PT100 sẽ đƣợc đƣa tới đầu vào (PIW14) của bộ PLC S7-300 CPU 3142DP, nhiệt độ trên v ng gia nhiệt (0C sẽ làm thay đổi điện trở trên cảm biến PT100, thông PLC sẽ nhận đƣợc trị số tƣơng ứng trên khối FC105:
Hình 2.11. Chương trình đọc tín hiệu nhiệt độ bằng PLC qua PT100
Nhiệt độ trên v ng gia nhiệt sẽ tăng theo thời gian, tiến hành lƣu kết quả trên nhận đƣợc qua phần mềm WinCC, sau thời gian nhiệt độ bão hòa ta nhận đƣợc bảng thông số:
34
ảng 2.1 h ng số nhiệt độ t n v ng gia nhiệt
Thời gian (ms) Nhiệt độ (0C) Thời gian (ms) Nhiệt độ (0C) Thời gian (ms) Nhiệt độ (0C) Thời gian (ms) Nhiệt độ (0C) 0 32.7632 1896 55.9737 3665 70.8947 5345 80.8421 12 32.7632 1908 55.9737 3678 70.8947 5358 82.5