3.1. Yêu cầu đề tài
Như mục tiêu đề tài đặt ra, yêu cầu đối với đề tài là phải nhận dạng được hệ thống gia nhiệt đã thiết kế và chế tạo, đưa ra được hàm truyền mô hình và kiểm chứng mô hình vừa nhận dạng được. Từ đó điều khiển nhiệt độ của hệ thống bằng bộ điều khiển PID.
3.2. Lưu đồ P&ID
Từ mối liên hệ giữa các thiết bị và quá trình hoạt động của hệ thống ta có lưu đồ P&ID như sau:
TT
TC
TT
4-20 mA
4-20 mA 4-20 mA
Wi,Ti W0,T1
Wi,T0
°C
°C
YIC
YIC
SP 4-20 mA
Hình 3.1 Lưu đồ P&ID của hệ thống.
Các biến điều khiển trong mô hình:
Điều khiển theo phương pháp Cascade Control.
- CV: T0 (Nhiệt độ ngõ ra).
- MV: Ti (Nhiệt độ ngõ vào).
- DV: W0 (Lưu lượng của dòng lạnh).
Điều khiển theo phương pháp Feed forward.
- CV: T0 (Nhiệt độ ngõ ra).
- MV: W0 (Lưu lượng của dòng lạnh).
- DV: Ti (Nhiệt độ ngõ vào).
11 3.3. Các phương pháp nhận dạng hệ thống
Hệ thống điều khiển nhiệt độ lý tưởng thường là một hệ thống có khâu quán tính bậc nhất (có trễ hoặc không có trễ). Tuy nhiên trong thực tế, các hệ thống thuờng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố làm thay đổi hàm truyền, trong đồ án này là kích thước bồn trao đổi nhiệt, kích thước bồn nóng và công suất thanh gia nhiệt, sự thất thoát nhiệt ra môi trường,… Chính vì lẽ đó, ta có nhiều phương pháp nhận dạng tùy vào dạng hàm truyền muốn tạo ra.
3.3.1. Hàm truyền của khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ - Khâu quán tính bậc một
Hàm truyền: G(s) = 𝐾
𝜏𝑠+1 (3.1)
K: là hệ số khuếch đại.
: hằng số thời gian của hệ thống.
Giải pháp:
Cho tín hiệu đầu vào là hàm nấc. Hệ thống hoạt động với công suất lớn nhất. Tín hiệu đầu ra có dạng như hình vẽ:
Hình 3.2 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất.
12 K được tính theo công thức: K = ∆𝑌
∆𝑈 (3.2)
được tính theo công thức: = 𝑡2 − 𝑡1 (3.3) - Khâu quán tính bậc một có trễ
Hàm truyền: G(s) = 𝐾
𝜏𝑠 + 1𝑒−𝜃𝑠 (3.4) 𝜃 là khâu trễ
Giải pháp:
Cách làm giống như phương pháp trên.
Tín hiệu đầu ra có dạng như hình vẽ:
Hình 3.3 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ.
K được tính theo công thức: K = ∆𝑌
∆𝑈 (3.5)
Dựa vào phương pháp hai điểm quy chiếu tương ứng với 0.283∆𝑌 và 0.632∆𝑌.
được tính theo công thức: = 1.5( 𝑡2− 𝑡1) (3.6) được tính theo công thức: = t2 - (3.7)
13 3.3.2. Khâu quán tính bậc cao
Hàm truyền: G(s) = 𝐾(τd1s + 1)(τd2s + 1)…..(τdns + 1)
(τ1s+1)(τ2s+1)….(τns+1) 𝑒−𝜃𝑠 (3.8) Mỗi thừa số dưới mẫu biểu diễn cho một nghiệm cực của mô hình, mỗi thừa số trên tử biểu diễn cho một điểm không (nghiệm zero).
Đối với hàm truyền dạng này, để tìm ra các tham số là khá khó khăn nếu chỉ đơn thuần dùng các biến đổi toán học, ta nên dùng thêm phần mềm chuyên dụng để việc tính toán được dễ dàng hơn.
Ở mô hình đây ta tính toán chuyển từ bậc một có trể lên bâc hai không trể.
G(s) = 𝐾1
(𝜏1𝑠+1)(𝜏2𝑠+1) (3.9)
Với:
K= K1.
𝜏2 = 2𝜃.
𝜏1 = - 𝜃.
3.3.3. Lựa chọn giải pháp nhận dạng hệ thống
Trong các mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ thực tế hàm truyền có nhiều dạng khác nhau. Trong quá trình thực hiện và thu thập số liệu nhóm thấy rằng tín hiệu vào ra là hàm truyền khâu quán tính bậc một có trễ, nhưng để ứng tốt hơn nhóm dùng phương pháp xấp xỉ để đưa về dạng bậc hai.
3.4. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID
Trong thực tế có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID. Có các phương pháp thường được sử dụng như bên dưới là:
3.4.1. Phương pháp điều chỉnh bằng tay
Đặt 𝐾𝐼, 𝐾𝐷 =0. Tăng 𝐾𝑃 đến khi nào hệ thống dao động tuần hoàn. Đặt thời gian tích phân bằng chu kỳ dao động. Điều chỉnh lại giá trị 𝐾𝑃 cho phù hợp. Nếu có dao động thì điều chỉnh giá trị 𝐾𝐷 .
Ưu điểm: không cần hiểu biết về toán. Phương pháp online.
Nhược điểm: yêu cầu người thực hiện có kinh nghiệm.
3.4.2. Xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp thực nghiệm (Phương pháp thứ hai của Zieger- Nichols)
Đặt 𝐾𝐼, 𝐾𝐷 =0. Tăng 𝐾𝑃 đến khi nào hệ thống dao động tuần hoàn. Đặt 𝐾𝑃 này bằng 𝐾𝑐𝑟𝑖𝑡 .
Đo chu kỳ dao động đặt là 𝑇𝑐𝑟𝑖𝑡 .
14 Bảng 3.1 Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols.
3.4.3. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR) Hàm truyền của đối tượng cần điều khiển:
G(s) =𝐾.𝑒
−𝜃𝑠
𝑇𝑠+1 (3.10)
Phương pháp CHR cũng là phương pháp dùng để điều chỉnh tham số của bộ điều khiển trong công nghiệp. Phương pháp này dựa trên tham số thời gian của hệ thống với đáp ứng hàm nấc. Chien – Hrones – Reswick đưa ra nhiều sự lựa chọn bộ điều khiển của hệ thống tuỳ thuộc vào tham số R, cho ở bảng sau:
Bảng 3.2 Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp CHR.
Phương pháp này thường được dùng khi:
Đường đặc tính hàm truyền đạt hệ kín không điều hoà.
Đường đặc tính hàm truyền đạt hệ kín dao động với độ vọt lố khoảng 20%.
3.4.4. Phương pháp Cohen-Coon
Là phương pháp thiết kế dựa trên một số đáp ứng điển hình của hệ thống, cung cấp khả năng ước lượng để tính toán các thông số của hệ thống.
15 3.4.5. Phương pháp sử dụng phần mềm
Phần mềm điều chỉnh PID tối ưu hóa vòng lặp được dùng để đảm bảo khả năng đáp ứng của hệ thống tốt và hiệu suất cao. Những gói phần mềm này sẽ tập hợp dữ liệu, xây dựng mô hình toán của hệ thống và đề xuất phương pháp điều chỉnh tối ưu.
Nhiều phát minh hiện nay đã được nhúng sẵn vào trong các module phần mềm và phần cứng để điều chỉnh PID.
3.5. Lựa chọn phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID
Có nhiều phương pháp để lựa chọn thông số cho bộ điều khiển PID. Từ hàm truyền mô hình thu được và sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng nhóm thấy đồ thị đáp ứng không có dao động. Do đó nhóm sử dụng phương pháp điều chỉnh bằng tay để tìm thông số PID
16