Sai số xác lập là sai số hệ thống ở trạng thái xác lập, đặc trƣng độ chính xác.
( )
1.3.2. Đáp ứng quá độ
Hiện tƣợng vọt lố là hiện tƣợng đáp ứng của hệ thống vƣợt quá giá trị xác lập của nó.
Hình 1.30 Hiện tượng vọt lố
Độ vọt lố (Percent of Overshoot – POT): là sai lệch giữa giá trị cực đại và giá trị xác lập của đáp ứng.
Hình 1.31 Độ vọt lố
Thời gian quá độ ( ) là thời gian cần thiết để sai lệch giữa đáp ứng của hệ thống và giá trị xác lập của nó không vƣợt quá , thƣờng hoặc .
Thời gian lên ( ) là thời gian cần thiết để đáp ứng hệ thống tăng từ đến giá trị xác lập của nó.
Hình 1.33 Thời gian lên
Tổng kết lại, chƣơng 1 đã đƣa ra những kiến thức chung nhất về bộ điều khiển PID; sự kết hợp giữa các thành phần P, I, D. Đồng thời đƣa ra một số phƣơng pháp xác định thông số và đánh giá chất lƣợng điều khiển PID.
2. CHƢƠNG 2: KHẢO SÁT MÔ HÌNH VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ NƢỚC THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ NƢỚC
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bị điều khiển nhiệt độ RYC-TAG 2.1.1. Cấu tạo 2.1.1. Cấu tạo
RYC-TAG là mô–đun ứng dụng điều khiển PID đƣợc thiết kế bởi EDIBON. Nó cho phép nghiên cứu về kiểm soát nhiệt độ trong bể chứa nƣớc. Mô–đun gồm hai thành phần: hệ thống bể chứa và hộp giao diện điều khiển.
Hình 2.1 Mô–đun RYC-TAG [12, pp.2]
Hệ thống bể chứa gồm các cảm biến và bộ truyền động nhƣ cảm biến nhiệt, đồng hồ đo lƣu lƣợng, bơm nƣớc…
Hộp giao diện điều khiển chứa các thành phần cần thiết nhƣ nguồn cấp, chuyển đổi tín hiệu…
Trong phạm vi thực nghiệm của nghiên cứu, chất lỏng đƣợc sử dụng là nƣớc.
Hệ thống bể chứa gồm:
- Cảm biến nhiệt độ nƣớc nóng (ST-1): đo nhiệt độ nƣớc nóng đầu vào bộ trao đổi nhiệt.
- Cảm biến nhiệt độ nƣớc lạnh (ST-2): đo nhiệt độ nƣớc trong lối thoát nƣớc lạnh. Nó đƣợc sử dụng bởi bộ điều khiển điều chỉnh nhiệt độ nƣớc lạnh.
- Van điện tử tỷ lệ: đƣợc điều khiển bởi bộ điều khiển nhiệt độ tại lối thoát nƣớc.
- Bể chứa: đƣợc sử dụng chứa nƣớc nóng.
- Bơm: dùng bơm nƣớc nóng từ bể chứa đến bộ trao đổi nhiệt. - Van tay: đảm bảo nguồn nƣớc luôn đƣợc luân chuyển.
- Van điều tiết: van nằm trong khu vực nƣớc lạnh để điều chỉnh lƣu lƣợng nƣớc phù hợp.
- Lƣu lƣợng kế: đo lƣu lƣợng nƣớc lạnh đầu vào bộ trao đổi nhiệt. Nó đƣợc sử dụng đảm bảo dòng nƣớc lạnh chính xác.
- Thành phần làm nóng: sử dụng để tăng nhiệt độ nƣớc trong bể chứa. Bể chứa là bể chứa nƣớc nóng.
- Máy bơm và hộp điều khiển: có hai điều khiển kích hoạt bơm và thành phần làm nóng.
Hình 2.2 Mô–đun kiểm soát nhiệt độ chất lỏng
Hộp giao diện điều khiển gồm:
- Khối cấp nguồn - Công tắc nguồn
- Nguồn cung cấp thành phần làm nóng - Ổ cắm AVP-1, ST-1, ST-2.
Hình 2.3 Cấu tạo hộp giao diện điều khiển
Thông số kỹ thuật:
- Bể chứa nƣớc lạnh đầu vào: khoảng 3 lít. - Bể chứa: khoảng 15 lít.
- Bể điều khiển nhiệt độ: khoảng 1.9 lít.
- Bộ chuyển đổi: bộ cảm biến chuyển đổi ON/OFF. - Bơm nƣớc: lƣu lƣợng nƣớc tối đa 8 lít/phút. - Điện áp điều khiển đầu vào: 0 đến 3V.
- Đồng hồ đo tƣơng tự: phạm vi 0 đến 2 lít /phút. - Cảm biến nhiệt độ: loại nhiệt kế J, đầu ra 0.1V/
- Van điện tử: điện áp đầu ra 0 đến 3V, độ mở van 0 đến 100%. - Bộ phận làm nóng: công suất 1500W, điện áp đầu vào +/-10V. - Kích thƣớc: 900x900x700 mm.
- Trọng lƣợng: 50kg.
- Điện áp 220V/110V AC, 50/60 Hz.
2.1.2. Nguyên lý hoạt động
Thiết bị gồm hai phần: khối thiết bị chính và bộ trao đổi nhiệt.Bộ thiết bị trao đổi nhiệt của EDIBON cho phép nghiên cứu về sự trao đổi nhiệt giữa các dòng trong thiết bị.
Khối thiết bị chính thực hiện các nhiệm vụ sau: - Cung cấp nguồn nƣớc nóng.
- Đo các nhiệt độ dòng nƣớc nóng và lạnh. - Bơm nƣớc nóng.
Bộ trao đổi nhiệt: cho phép đo nhiệt độ nóng và lạnh tại các thời điểm khác nhau, tại đầu vào và đầu ra của bộ trao đổi nhiệt.
Hệ thống có hai dòng nƣớc nóng và lạnh đƣợc tạo bởi bơm nƣớc, hệ thống đƣờng ống và bể chứa nƣớc.
Các thành phần trên dòng nước nóng
Dòng nƣớc nóng chảy trong một sơ đồ kín. Một thành phần làm nóng đƣợc đặt ngập trong bể nƣớc đến một nhiệt độ nhất định (ST-1). Nƣớc nóng đi ra khỏi bể và đƣợc bơm đƣa tới bộ trao đổi nhiệt. Một lƣợng nƣớc sẽ đi vào bộ trao đổi nhiệt. Nƣớc đƣợc làm mát khi qua bộ trao đổi nhiệt và đi qua cảm biến lƣu lƣợng dòng nƣớc nóng. Sau đó nƣớc đƣợc hồi lƣu lại bể đun nƣớc nóng để bắt đầu chu trình mới. Hoạt động này diễn ra tuần tự và lặp lại tạo nên dòng nƣớc nóng đƣợc vận hành liên tục.
Các thành phần trên dòng nước lạnh
Nƣớc lạnh đƣợc đƣa vào từ bể chứa bên ngoài mô–đun, qua van điều chỉnh lƣu lƣợng. Sau đó nó đi qua cảm biến về nhiệt độ ST-2 và tiếp tục đi đến bộ trao đổi nhiệt, đƣợc nóng lên. Nƣớc sau khi qua bộ trao đổi nhiệt và đƣợc dẫn ra thoát ra khỏi hệ thống. Có một thiết bị đo lƣu lƣợng dòng chảy, một van tay để điều chỉnh dòng nƣớc.
2.2. Mô–đun RYC
RYC là một mô–đun điều khiển đƣợc thiết kế bởi EDIBON. Nó cho phép ngƣời dùng hiểu về hệ thống tích hợp, hệ thống bậc nhất, hệ thống bậc hai, nguyên lý hoạt động bộ điều khiển PID,…
Hình 2.5 Mô–đun RYC [11, pp.2]
RYC gồm các mô–đun:
- Tín hiệu tham khảo: gồm 5 loại tín hiệu khác nhau
Bƣớc: biên độ 0-5V, tần số 0-200 Hz.
Vuông: biên độ 10V, tần số 0-200Hz.
Dốc: biên độ 10V, tần số 0-200Hz.
Sin: biên độ 10V, tần số 0-200Hz.
Hình 2.6 Mô–đun tín hiệu tham chiếu
- Bộ điều khiển PID: mô–đun chia thành tỷ lệ, tích phân và vi phân. Mỗi khối có một đèn LED để xác định khối bật hay tắt. Các thông số của mỗi khối có thể điều chỉnh qua phần mềm.
Thành phần tỷ lệ: có hệ số từ -10 đến 10.
Thành phần tích phân: có hệ số từ 0 đến 100s.
Thành phần vi phân: có hệ số từ 0 đến 100s.
- Mô–đun điều khiển Lead/Lag: thể hiện hệ thống bù đắp trong miền Laplace. Mỗi khối có một đèn Led riêng để biết nó bật hoặc tắt. Các thông số của khối có thể điều chỉnh qua phần mềm.
Gain: 1 đến 10.
K lead: 1 đến 100s.
Hình 2.7 Mô–đun điều khiển PID và LAG/LEAD
- Mô–đun tạo nhiễu: cho phép gây xáo trộn trong hệ thống và nghiên cứu đáp ứng của hệ thống với nó. Sự nhiễu này có thể chèn vào vị trí vòng điều khiển. - Mô–đun hệ thống bậc một: đại diện hệ thống bậc nhất trong miền Laplce. Độ
lợi K và tham số thời gian T chỉnh bằng phần mềm.
T: 0 đến 100s.
Gain: 0 đến 10.
Hình 2.8 Mô–đun hệ thống bậc một
- Mô–đun hệ thống bậc hai: đại diện cho hệ thống bậc 2 trong miền Laplace. K, tần số tự nhiên , hệ số độ dốc có thể đƣợc điều chỉnh bằng phần mềm.
Hệ số : từ 0 đến 1.5 tại bƣớc 0.1.
Gain: 1 đến 10.
Hình 2.9 Mô–đun hệ thống bậc hai
- Mô–đun hệ thống tích hợp: đại diện cho một bộ tích hợp trong miền Laplace. Có thể điều chỉnh thông qua phần mềm.
- Mô–đun bù: cho phép bù đắp tín hiệu đầu vào
Hình 2.11 Mô–đun bù
- Mô–đun đầu vào tƣơng tự
Hình 2.12 Mô–đun đầu vào [11, pp.11]
2.3. Phần mềm RYC
Phần mềm RYC cho phép ngƣời dùng điều khiển hệ thống thông qua việc đặt các thông số: biên độ, tần số đầu vào, bộ điều khiển PID, điều khiển Lead/Lag,… Phần mềm giúp ngƣời dùng quan sát tín hiệu đầu ra hệ thống qua miền thời gian, phân tích tần số thông qua việc cài đặt và quan sát biểu đồ Bode.
Phần mềm RYC gồm các phần: - Điều khiển Start/Stop. - Miền thời gian.
- Miền tần số.
Hình 2.13 Phần mềm RYC [11, pp.41]
Chƣơng 2 đã khảo sát mô hình và các thành phần cơ bản của các mô–đun RYC, RYC-TAG. Đồng thời đƣa ra nguyên lý hoạt động cơ bản của mô–đun điều khiển nhiệt độ nƣớc.
3. CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH ĐO ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƢỚC MÔ HÌNH ĐO ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƢỚC
3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục đích:
- Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab. - Xác định đặc tính của mô–đun điều khiển RYC.
- Xác định đặc tính mô–đun điều khiển nhiệt độ dòng chảy chất lỏng RYC-TAG.
- Điều khiển nhiệt độ dòng chảy bằng PID.
Yêu cầu:
- Mô–đun RYC-TAG.
- Máy tính, phần mềm Matlab. - Các phụ kiện kết nối.
3.2. Mô–đun RYC
3.2.1. Đáp ứng của hệ thống bậc nhất trong miền thời gian
Mục tiêu
Mục tiêu bài tập thực hành là nghiên cứu đáp ứng theo thời gian của hệ thống bậc nhất với các kích thích hoặc tín hiệu tham khảo khác nhau. Quan sát phản ứng phụ thuộc thời gian với hằng số thời gian T.
Các thiết bị cần thiết
- Mô–đun tín hiệu tham khảo. - Mô–đun hệ thống bậc nhất.
Phương pháp thực hiện
- Kết nối các mô–đun nhƣ hình 3.1
- Thiết lập tín hiệu hình vuông với các thông số:
Biên độ: 5Vp.
Tần số: 5Hz.
- Thiết lập Time Constant (T) = 10ms và Gain (K) = 1 cho hệ thống bậc nhất. Quan sát bằng cách sử dụng phần mềm trong màn hình “TIME DOMAIN” đầu ra của hệ thống bậc nhất thay đổi theo số mũ theo thời gian.
Hình 3.1 Kết nối bài thực hành hệ thống bậc nhất miền thời gian [11, pp.59]
- Thay đổi tham số T để đạt điện áp đầu ra khoảng 63,2% giá trị cuối cùng tại thời điểm t = 10ms. Cuối cùng kiểm tra đầu ra là phẳng tại thời điểm 5T.
- Thực hiện thử nghiệm trên với tín hiệu ramp và sin. Kiểm tra đầu ra hệ thống tƣơng tự các tín hiệu đƣợc hiển thị trong phần lý thuyết.
Kết quả thực nghiệm
- Tín hiệu vuông, K = 1, T = 10ms
- Tín hiệu vuông, K = 1, T = 11ms
Hình 3.3 Đồ thị (2) thể hiện bước phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian
- Tín hiệu dốc, K = 1, T = 10ms
Hình 3.4Đồ thị (3) thể hiện bước phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian
- Tín hiệu ram, K = 1, T = 10ms
Nhận xét
- Đƣờng tín hiệu màu đỏ là tín hiệu đầu vào vuông có biên độ 5V, tần số 5Hz.
- Đƣờng tín hiệu màu đen là tín hiệu đầu ra hệ thống bậc nhất cùng biên độ và tần số với tín hiệu đầu vào.
- Qua đồ thị thấy phản hồitín hiệu đầu rahệ thống bậc nhất không chính xác nhƣ tín hiệu đầu vào.
- Đồ thị hình 3.3 có tín hiệu phản hồi gần với tín hiệu đầu vào hơn hình 3.2.
- Tham số T là hằng số thời gian, tại đó bƣớc phản hồi đạt giá trị 63.2% giá trị cuối cùng, cụ thể 63.2% của 5V. 5T là khoảng thời gian tại đó biên độ bƣớc phản hồi đạt giá trị xấp xỉ 5V.
3.2.2. Cấu trúc bộ điều khiển PID
Mục tiêu
Mục tiêu bài thực hành là nghiên cứu cấu trúc bộ điều khiển PID và cách thức hoạt động khối tỷ lệ, tích phân, vi phân.
Các thiết bị cần thiết
- Mô–đun tín hiệu tham khảo. - Mô–đun PID.
Phương pháp thực hiện
- Thực hiện kết nối mô–đun nhƣ hình 3.7.
Hình 3.7 Kết nối bài thực hành cấu trúc bộ điều khiển PID [11, pp.75]
Hoạt động khối tỷ lệ
- Thiết lập tín hiệu vuông và công tắc bật tắt phần mềm theo thông số
Biên độ: 2V.
Tần số: 10Hz.
Điều khiển tỷ lệ (P): Bật.
Điều khiển tích phân (I): Tắt.
Điều khiển vi phân (D): Tắt.
- Thiết lập các tham số tỷ lệ với các giá trị khác nhau và quan sát thấy đầu ra PID có tín hiệu tham chiếu khuyếch đại bởi tham số .
- =0.5
- =1 Hình 3.9 Phản ứng bộ P với =1 - =1.5 Hình 3.10 Phản ứng bộ P với =1.5 - = 2 Hình 3.11 Phản ứng bộ P với =2
- Nhận xét:Khi thay đổi giá trị thấy biên độ tín hiệu đầu ra thay đổi tỷ lệ theo tín hiệu đầu vào.
Hoạt động khối tích phân
- Thiết lập tín hiệu tham chiếu vuông và công tắc bật tắt chức năng theo thông số:
Biên độ: 2Vp.
Tần số: 10Hz.
Điều khiển tỷ lệ (P): Tắt.
Điều khiển tích phân (I): Bật.
Điều khiển vi phân (D): Tắt.
- Thiết lập , thay đổi và quan sát thấy đầu ra của PID có sự tích hợp của tín hiệu tham chiếu. Trong trƣờng hợp này, tích hợp của một tín hiệu vuông tƣơng ứng một tín hiệu tam giác.
Hình 3.12 Phản ứng khi có I và =2
Hoạt động khối vi phân
- Thiết lập tín hiệu tham chiếu vuông và công tắc bật tắt chức năng theo thông số
Biên độ: 2Vp.
Tần số: 10Hz.
Điều khiển tỷ lệ (P): Tắt.
Điều khiển tích phân (I): Tắt.
Điều khiển vi phân (D): Bật.
- Thiết lập và thay đổi tham số để có vi phân của tín hiệu tham chiếu. Trong trƣờng hợp này xuất hiện một xung có sự chuyển tiếp giữa mức cao và mức thấp của tín hiệu vuông.
- = 10ms Hình 3.13 Phản ứng bộ D với =10ms - = 80ms Hình 3.14 Phản ứng bộ D với =80ms - = 150ms Hình 3.15 Phản ứng bộ D với =150ms
- Nhận xét: Khi có sự tham gia của bộ vi phân D, tín hiệu đầu ra có hiện tƣợng vọt đầu, giảm tại các vị trí biên của bƣớc tín hiệu. Độ vọt giảm khi giá trị tăng.
3.2.3. Điều khiển PID của hệ thống bậc nhất
Mục tiêu
Mục tiêu bài thực hành là nghiên cứu đáp ứng của hệ thống bậc nhất đối với bộ điều khiển PID đồng thời điều chỉnh bộ điều khiển PID.
- Đáp ứng của hệ thống bậc nhất trong vòng lặp mở mà không có bộ điều khiển PID.
- Sử dụng PID và quan sát ảnh hƣởng tham số PID đến đầu ra hệ thống trong vòng kín.
- Xác định thông số PID đạt yêu cầu hệ thống
Các thiết bị cần thiết
- Mô–đun tín hiệu tham khảo. - Mô–đun hệ thống bậc một. - Mô–đun PID.
Phương pháp thực hiện
- Thực hiện kết nối mô–đun nhƣ hình 3.16
Hình 3.16 Kết nối điều khiển PID cho hệ thống bậc nhất [11, pp.78]
- Thiết lập tín hiệu bƣớc với thông số:
Biên độ: 5Vp.
- Thiết lập Time Constant (T) = 10ms và Gain (K) = 1 cho hệ thống bậc nhất. Kiểm tra tại thời điểm T điện áp đầu ra xấp xỉ 63,2% giá trị cuối cùng. Đầu ra phẳng tại thời điểm 5T.
- Thiết lập tham số điều khiển tỷ lệ của bộ điều khiển PID
Điều khiển tỷ lệ (P): Bật.
Điều khiển tích phân: Tắt.