Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ứng dụng cho lò điện trở

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG

DỤNG CHO LÒ ĐIỆN TRỞ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

THÁI NGUYÊN 2019

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG CHO LÒ ĐIỆN TRỞ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TRƯỞNG KHOA

TS. NGUYỄN THỊ THANH NGA

PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN - 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Vương Xuân Trường

Sinh ngày: 06/03/1992

Học viên lớp cao học CK20_TĐH - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp

– Đại học Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Nghề số 1 – Bộ Quốc Phòng

Xin cam đoan: Đề tài “Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ứng dụng cho

lò điện trở” do Cô giáo TS. Nguyễn Thị Thanh Nga hướng dẫn là công trình

nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ

ràng.

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội

dung trong đề cương và yêu cầu của cô giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.

Vương Xuân Trường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

iii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên,

giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Cô giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Thanh

Nga, luận văn với đề tài “Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ứng dụng cho lò

điện trở” đã hoàn thành.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Cô giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Thanh Nga đã tận tình chỉ dẫn, giúp

đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

Khoa sau đại học, các thầy, cô giáo trong Khoa Điện – Trường Đại học kỹ

thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

cũng như thực hiện luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên,

khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành

luận văn này.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

VƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

iv

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iv

MỤC LỤC ................................................................................................................... v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ vii

DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ x

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... xi

CHƯƠNG 1 ................................................................................................................ 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÙNG ........................... 1

ĐIỆN TRỞ .................................................................................................................. 1

1.1 Giới thiệu về lò điện trở ...................................................................................... 1 1.1.1 Khái niệm ....................................................................................................... 1 1.1.2 Nguyên lý làm việc ........................................................................................ 2 1.1.3. Một số loại cảm biến nhiệt độ ....................................................................... 7 1.1.4 Ứng dụng ....................................................................................................... 8 1.2 Giới thiệu lò điện trở tại phòng Thí nghiệm Bộ môn Tự động hóa .................... 9 1.3. Lịch sử nghiên cứu ........................................................................................... 13 1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................ 14

CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 15

TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ ............................................. 15

2.1. Ý nghĩa của việc xây dựng mô hình toán học [2] ............................................ 15 2.2. Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp thực nghiệm ......................... 16 2.2.1. Khái niệm xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm [2] ................... 16 2.2.2. Dữ liệu để xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm ......................... 17 2.2.3. Một số phương pháp xây dựng mô hình toán bằng thực nghiệm [2] ......... 19 2.2.4. Sử dụng System Identification Toolbox trong Matlab ............................... 21 2.3. Tổng hợp bộ điều khiển ................................................................................... 27 2.3.1. Phương pháp Ziegler- Nichols 1 ................................................................. 29 2.3.2 Phương pháp modul tối ưu đối xứng ........................................................... 30 2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................ 33

CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 34

TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ ...................... 34

3.1. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển .................................................................... 34 3.1.1.Điều chỉnh thủ công ..................................................................................... 35 3.1.2.Phương pháp Ziegler–Nichols ..................................................................... 35 3.2.Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật Relay Feedback .............. 36 3.3. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật thực hiện luật điều khiển .................................... 38

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

MỤC LỤC

v

3.3.1. Giới thiệu chung họ PLC S7- 200 .............................................................. 39 3.3.2. Giới thiệu chung Modul mở rộng EM235 .................................................. 40 3.3.3 Bộ điều khiển PID của S7-200 .................................................................... 43 3.3.4 Bộ phát xung tốc độ cao trên PLC - S7 200 ................................................ 46 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................ 50

CHƯƠNG 4 .............................................................................................................. 51

THỰC NGHIỆM ....................................................................................................... 51

4.1 Kết nối các thiết bị thí nghiệm .......................................................................... 51 4.2. Chương trình thực nghiệm điều khiển ............................................................. 52

4.2.1. Bước 1: Cài đặt bộ điều chỉnh PID với tham số có được từ tổng hợp kinh điển

................................................................................................................................... 52 4.2.2. Bước 2: Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ................................................. 57 4.2.3. Bước 3: Cập nhật tham số tối ưu. ............................................................... 58 4.3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 63 4.4 Kết luận chương 4 ............................................................................................. 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 66

Kết luận ................................................................................................................... 66 Kiến nghị ................................................................................................................. 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 68

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

1 ADC Analog to Digital Converter, chuyển đổi tương tự - số

2 DAC Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tương tự

3 TBĐK Thiết bị điều khiển

4 Đối tượng điều khiển ĐTĐK

5 BĐK Bộ điều khiển

6 TBĐL Thiết bị đo lường

7 PLC Programmable logic controller

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

8 DCS Distributed Control System

vii

Hình 1. 1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở ............................................................. 2

Hình 1. 2. Các loại lò điện trở ..................................................................................... 6

Hình 1. 3. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thủy ngân ............................. 7

Hình 1. 4 Lò điện trở PU-1 ......................................................................................... 9

Hình 1. 5. Dạng điện áp ra của Bộ biến đổi với điện áp ra là 9V ............................ 10

Hình 1. 6 Dạng điện áp ra của Bộ biến đổi với điện áp ra là 2.45V ......................... 10

Hình 1.7. Điện trở và quạt gió của lò điện trở .......................................................... 11

Hình 1.8. Mạch khuếch đại tín hiệu nhiệt độ và mạch lực bộ biến đổi .................... 12

Hình 1.9. Mạch phát xung điều khiển triac ............................................................... 12

Hình 1.10. Cảm biến đo nhiệt độ .............................................................................. 13

Hình 2.1. Cấu trúc Điều khiển theo nguyên tắc phản hồi ......................................... 15

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý thu thập dữ liệu lò gia nhiệt ........................................... 17

Hình 2.3 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng ............................................................... 17

Hình 2.4. Dữ liệu điện áp (volt) ................................................................................ 18

Hình 2.5. Dữ liệu nhiệt độ (oC) ................................................................................ 19

Hình 2.6. Giao diện công cụ System Identification Tool.......................................... 21

Hình 2.7 Chọn nhập dữ liệu trong miền thời gian .................................................... 22

Hình 2.8 Nhập dữ liệu nhận dạng mô hình ............................................................... 22

Hình 2.9 Đưa dữ liệu vào Working data và Validation Data .................................... 23

Hình 2.10. Hình vẽ của bộ dữ liệu theo thời gian ..................................................... 23

Hình 2.11. Giao diện Process Models ....................................................................... 24

Hình 2.12. Lựa chọn mô hình ................................................................................... 24

Hình 2.13. Kết quả nhận dạng ................................................................................... 25

Hình 2.14. Đánh giá kết quả nhận dạng mô hình ...................................................... 25

Hình 2.15. Giao diện kết quả nhận dạng ................................................................... 26

Hình 2.16. Đặc tính quá độ đối tượng ....................................................................... 27

Hình 2. 17. Cấu trúc bộ điều khiển PID .................................................................... 28

Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID ........................................................... 29

Hình 2. 19. Đặc tính quá độ hệ thống với bộ điều khiển tổng hợp bằng phương pháp Ziegler- Nichols 1 ..................................................................................................... 30

Hình 2. 20. Tổng hợp bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu đối xứng ................. 31

Hình 2. 21 Đặc tính nhiệt độ với BĐK bằng phương pháp tối ưu đối xứng ............. 32

Hình 3.1. Cấu trúc tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ............................................... 36

theo kỹ thuật Relay Feeedback ................................................................................. 36

Hình 3.2. Tín hiệu đặt khi thực hiện tối ưu hóa ........................................................ 37

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

DANH MỤC HÌNH VẼ

viii

Hình 3.3. Đáp ứng để tính toán tham số cho tối ưu hóa ........................................... 37

Hình 3.4. PLC S7-200 .............................................................................................. 39

Hình 3.5. Giao tiếp Modbus giữa các PLC S7-200 .................................................. 40

Hình 3.6. Modul mở rộng tương tự EM235 ............................................................. 41

Hình 3.7 Sơ đồ khối đầu vào Analog của modul EM235 ......................................... 41

Hình 3.8. Sơ đồ khối đầu ra Analog của modul EM235 ........................................... 41

Hình 3.9. Cấu trúc bộ điều khiển PID trên PLC S7 200 ........................................... 43

Hình 3.10. Dạng xung PWM..................................................................................... 46

Hình 3.11. Lệnh phát xung PWM ............................................................................. 47

Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại xung PWM ....................................... 49

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý vi mạch ULN2803 ........................................................ 49

Hình 3.14. Mạch khuếch đại xung PWM .................................................................. 50

Hình 4. 1 Kết nối các thiết bị thí nghiệm .................................................................. 52

Hình 4.2. Chọn Mode hoạt động cho Wizard ........................................................... 53

Hình 4.3. Lựa chọn PID ............................................................................................ 53

Hình 4.4. Cài đặt các tham số ................................................................................... 54

Hình 4.5. Lựa chọn dạng tín hiệu vào và ra của PID ................................................ 55

Hình 4.6. Cảnh báo giá trị của tín hiệu phản hồi ...................................................... 55

Hình 4.7 Vùng nhớ Wizard sử dụng để cấu hình PID .............................................. 56

Hình 4.8. Đặt tên chương trình mã hóa PID ............................................................ 56

Hình 4.9. Tối ưu hóa tham số PID online ................................................................. 58

Hình 4.10. Giao diện PID Tune control panel ......................................................... 64

Hình 4.11. Đáp ứng nhiệt độ hệ thống ...................................................................... 64

Hình 4.12. Đáp ứng nhiệt độ hệ khi có nhiễu tác động ............................................. 65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ix

Bảng 2.1 Tổng hợp bộ điều khiển theo Ziegler- Nichols .......................................... 29

Bảng 3.1. Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp thủ công .............. 35

Bảng 3.2. Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp Ziegler–Nichols .. 36

Bảng 3.3. Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp Relay Feedback .. 38

Bảng 3.4 Các thành phần modul mở rộng EM235.................................................... 42

Bảng 3.5. Bảng cầu hình đầu vào modul EM235 ..................................................... 42

Bảng 3.6. Địa chỉ bộ điều khiển PID trên S7-200 ..................................................... 43

Bảng 3.7. Bảng điều khiển giá trị xung PWM .......................................................... 47

Bảng 3.8. Bảng cấu hình điều khiển xung PWM ...................................................... 48

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

DANH MỤC BẢNG BIỂU

x

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, trong công nghiệp rất nhiều bài toán điều khiển quá trình được đặt ra như điều khiển mức, lưu lượng, độ ẩm, áp suất, nhiệt độ .. Trong các bài toán đó thì bài toán về sử dụng nhiệt năng là rất lớn. Trong các ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt năng có thể dùng để nung, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy các chất... Nguồn nhiệt năng này được chuyển từ điện năng qua các lò điện là phổ biến vì nó rất thuận tiện, dễ tự động hoá điều chỉnh nhiệt độ trong lò. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây nên khói, bụi nên không ảnh hưởng tới môi trường sống, sử dụng thuận tiện, dễ dàng.

Trong điều khiển quá trình, xu hướng hiện nay là tích hợp cả phần cứng và phần mềm vì các thiết bị này có độ bền cao, độ hỏng hóc thấp, khả năng thay đổi chế độ làm việc cũng như các tham số rất linh hoạt. Đó chính là các hệ PLC, DCS...

Để tiếp cận với thực tế này, trong nội dung chương trình đào tạo ngành Tự động hóa XNCN đã xây dựng môn học Điều khiển ghép nối PLC. Bộ môn Tự động hóa đang triển khai việc xây dựng bàn thực hành cho môn học này ứng dụng cho đối tượng nhiệt. Đã có đề tài nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển cho đối tượng này. Chất lượng điều khiển một hệ thống như thế nào hoàn toàn phụ thuộc vào bộ điều khiển. Với điều khiển quá trình, bộ điều khiển PID tỏ ra rất hiệu quả bởi thuật toán điều khiển đơn giản, dễ áp dụng, cho chất lượng điều khiển tốt. Tuy nhiên, việc xác định tham số bộ điều khiển hoàn toàn phụ thuộc vào độ chính xác trong quá trình nhận dạng đối tượng, mà đối tượng lại luôn biến đổi. Chính vì vậy, tối ưu hóa tham số bộ điều khiển là một bài toán đặt ra trong điều khiển quá trình hiện nay.

Từ những yêu cầu trên, đề tài luân văn của tôi sẽ nghiên cứu ”Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ứng dụng cho lò điện trở” giúp nâng cao chất lượng, hiệu suất của các thiết bị gia nhiệt.

Kết quả của luận văn ngoài việc cung cấp các kết quả về mặt lý thuyết giúp

cho việc học tập và nghiên cứu còn có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tế.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Điều khiển lò điện trở (mô hình vật lý) đảm bảo chỉ tiêu chất lượng yêu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

cầu.

xi

3. Dự kiến các kết quả đạt được

- Cấu trúc và thuật toán điều khiển cho thiết bị gia nhiệt.

- Mô hình điều khiển kiểm chứng thuật toán điều khiển sử dụng PLC.

4. Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp xác định mô hình toán của đối tượng điều khiển, các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển, các phương pháp tối ưu hóa tham số bộ điều khiển.

- Nghiên cứu đối tượng: Nghiên cứu lò điện trở, bộ điều khiển logic khả

trình PLC.

- Áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm để kiểm chứng.

5. Cấu trúc của luận văn

Luận văn được chia làm 4 chương:

Chương 1. Tổng quan về điều khiển thiết bị gia nhiệt dùng điện trở

Chương 2. Tổng hợp bộ điều khiển cho lò điện trở

Chương 3. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển cho lò điện trở

Chương 4. Thực nghiệm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Kết luận và kiến nghị.

xii

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÙNG

ĐIỆN TRỞ

1.1 Giới thiệu về lò điện trở

1.1.1 Khái niệm

Trong đời sống cũng như sản xuất, yêu cầu về sử dụng nhiệt năng rất lớn.

Trong các ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt năng dùng để nung, sấy, nhiệt

luyện, nấu chảy các chất... Nguồn nhiệt năng này được chuyển từ điện năng qua

các lò điện là phổ biến vì nó rất thuận tiện, dễ tự động hoá điều chỉnh nhiệt độ

trong lò. Trong sinh hoạt đời sống, nhiệt năng chủ yếu để đun, nấu, nướng, sưởi...

Nguồn nhiệt năng cũng được chuyển từ điện năng qua các thiết bị điện như bàn

là điện, bếp điện, nồi cơm điện, bình nóng lạnh... Đây là nguồn năng lượng sạch,

không gây nên khói, bụi nên không ảnh hưởng tới môi trường sống, sử dụng thuận

tiện, dễ dàng.

Việc biến đổi điện năng thành nhiệt năng có nhiều cách: nhờ hiệu ứng Juole

(lò điện trở, bếp điện), nhờ phóng điện hồ quang (lò hồ quang, hàn điện), nhờ tác

dụng nhiệt của dòng điện xoáy Foucault thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ

(bếp từ)... Các lò điện trở dùng trong sinh hoạt trừ lò vi sóng và bếp từ, còn hầu

hết dùng dây điện trở như bàn là, bếp điện, nồi cơm điện, siêu điện, bình nóng

lạnh...

Những dây điện trở sử dụng thường là hợp kim Nikel-Crôm có điện trở suất

r = 1,1 Wmm2/m, nhiệt độ làm việc đến 11000c. Các dây điện trở dùng để chế tạo

các dụng cụ sinh hoạt thường được đặt trong ống kín, trong ống lèn chặt bằng chất

chịu nhiệt, dẫn nhiệt và cách điện với vỏ ống. Việc đặt dây điện trở trong ống kín

sẽ tránh hơi ẩm và ôxy lọt vào, giảm được sự ôxy hoá, tăng độ bền và tuổi thọ cho

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

lò điện trở.

1

Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, dùng trong công

nghệ nung nóng, nấu chảy vật liệu. Lò điện trở được dùng rất phổ biến trong nhiều

ngành công nghiệp.

1.1.2 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của lò điện trở dựa trên định luật Joule -Lence: khi cho

dòng điện chạy qua dây dẫn, thì trên dây dẫn toả ra một nhiệt lượng, nhiệt lượng

này được tính theo biểu thức (1.1). Sơ đồ nguyên lý làm việc của lò điện trở thể

hiện trên hình 1.1.

(1.1) 𝑄 = 𝐼2 ∙ 𝑅 ∙ 𝑡

Trong đó:

Q – Nhiệt lượng (J)

I – Cường độ dòng điện (A)

R – Điện trở (Ω)

a - đốt nóng trực tiếp b - đốt nóng gián tiếp

t – Thời gian (s)

Hình 1. 1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

2

Trong đó:

1. Vật liệu được nung nóng trực tiếp

2. Cầu dao

3. Biến áp

4. Đầu cấp điện

5. Dây đốt (dây điện trở)

6. Vật liệu được nung nóng gián tiếp

- Phân loại:

Phân loại theo phương pháp toả nhiệt:

+ Lò điện trở tác dụng trực tiếp: lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở

mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm của

lò này là tốc độ nung nhanh, cấu trúc lò đơn giản. Để đảm bảo nung đều thì vật

nung có tiết diện như nhau theo suốt chiều dài của vật.

+ Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt năng toả ra ở dây

điện trở (dây đốt). Sau đó, dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối

lưu hoặc dẫn nhiệt.

Phân loại theo nhiệt độ làm việc:

+ Lò nhiệt độ thấp có nhiệt độ làm việc của lò dưới 650oC.

+ Lò nhiệt trung bình có nhiệt độ làm việc của lò từ 650oC đến 1200oC.

+ Lò nhiệt độ cao có nhiệt độ làm việc của lò trên 1200oC.

Phân loại theo nơi sử dụng:

+ Lò dùng trong công nghiệp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

+ Lò dùng trong phòng thí nghiệm.

3

+ Lò dùng trong gia đình.

Phân loại theo đặc tính làm việc:

+ Lò làm việc liên tục.

+ Lò làm việc gián đoạn.

+ Lò làm việc liên tục được cấp điện liên tục và nhiệt độ giữ ổn định ở một

giá trị nào đó sau quá trình khởi động. Khi khống chế nhiệt độ bằng cách đóng cắt

nguồn thì nhiệt độ sẽ dao động quanh giá trị nhiệt độ ổn định.

Phân loại theo kết cấu lò: lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể, …

Phân loại theo mục đích sử dụng: lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung, …

- Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt:

Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt

năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ các vật liệu thoả mãn các

yêu cầu sau:

+ Chịu được nhiệt độ cao

+ Độ bền cơ khí cao

+ Có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài, khó bố trí

trong lò hoặc tiết diện dây phải nhỏ, không bền)

+ Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt độ, đảm bảo

công suất lò)

+ Chậm già hóa (tức dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo

tuổi thọ của lò)

- Vật liệu làm dây điện trở:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Dây điện trở bằng hợp kim:

4

+ Hợp kim Crôm - Niken (Nicrôm): hợp kim này có độ bền cơ học cao vì

có lớp màng Oxit Crôm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở suất lớn, hệ số

nhiệt điện trở bé, sử dụng với lò có nhiệt độ làm việc dưới 1200oC.

+ Hợp kim Crôm - Nhôm (Fexran) có các đặc điểm như hợp kim Nicrôm

nhưng có nhược điểm là giòn, khó gia công, độ bền cơ học kém trong môi trường

nhiệt độ cao.

Dây điện trở bằng kim loại:

Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden (Mo),

Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện

trở có khí bảo vệ.

Điện trở nung nóng bằng vật liệu phi kim loại:

+ Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu được nhiệt độ cao tới 14500C, thường dùng

cho lò điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tôi dụng cụ cắt gọt.

+ Cripton là hỗn hợp của graphic, cacbuarun và đất sét, chúng được chế tạo

dưới dạng hạt có đường kính 2-3mm, thường dùng cho lò điện trở trong phòng thí

nghiệm yêu cầu nhiệt độ lên đến 18000C.

- Các loại lò điện trở thông dụng:

Theo chế độ nung, lò điện trở được phân thành hai nhóm chính: Lò nung

theo chu kỳ, Lò nung nóng liên tục.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Lò nung theo chu kỳ:

5

a – lò buồng b - lò giếng c - lò đẩy

Hình 1. 2. Các loại lò điện trở

+ Lò buồng thường dùng để nhiệt luyện kim loại (thường hoá, ủ, thấm than

v.v...). Lò buồng được chế tạo với cấp công suất từ 25kW đến 75kW. Lò buồng

dùng để tôi dụng cụ có nhiệt độ làm việc tới 1350°C, dùng dây điện trở bằng các

thanh nung cacbuarun.

+ Lò giếng thường dùng để tôi kim loại và nhiệt luyện kim loại. Buồng lò

có dạng hình trụ tròn được chôn sâu trong lòng đất có nắp đậy. Lò giếng được chế

tạo với cấp công suất từ 30 ÷ 75kW.

+ Lò đẩy có buồng kích thước chữ nhật dài. Các chi tiết cần nung được đặt

lên giá và tôi theo từng mẻ. Giá đỡ chi tiết được đưa vào buồng lò theo đường ray

bằng một bộ đẩy dùng kích thuỷ lực hoặc kích khí nén.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Lò nung nóng liên tục:

6

+ Lò băng: buồng lò có tiết diện chữ nhật dài, có băng tải chuyển động liên

tục trong buồng lò. Chi tiết cần gia nhiệt được sắp xếp trên băng tải. Lò băng

thường dùng để sấy chai, lọ trong công nghiệp chế biến thực phẩm.

+ Lò quay thường dùng để nhiệt luyện các chi tiết có kích thước nhỏ (bi,

con lăn, vòng bi), các chi tiết cần gia nhiệt được bỏ trong thùng, trong quá trình

nung nóng, thùng quay liên tục nhờ một hệ thống truyền động điện.

1.1.3. Một số loại cảm biến nhiệt độ

a. Nhiệt kế thuỷ ngân: chiều cao của cột thuỷ ngân tỷ lệ thuận với nhiệt

độ của lò.

Hình 1. 3. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thủy ngân

Trong đó:

1. Điện cực tĩnh, có thể dịch chuyển được nhờ nam châm vĩnh cửu

2. Thuỷ ngân đóng vai trò như một cực động

3. Vỏ thuỷ tinh

Như vậy, điện cực 1 và 2 tạo thành một cặp tiếp điểm. Khi nhiệt độ trong

lò nhỏ hơn trị số nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1-2 hở, còn khi nhiệt độ của lò bằng hoặc

lớn hơn nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1-2 kín. Việc thay đổi trị số nhiệt độ đặt thực hiện

bằng cách dịch chuyển điện cực tĩnh 1.

- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, cùng một lúc thực hiện ba chức năng: cảm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

biến, khâu chấp hành và chỉ thị nhiệt độ.

7

- Nhược điểm: Chỉ dùng được đối với lò điện nhiệt độ thấp (t°< 650°C), độ

nhạy không cao do quán tính nhiệt của thuỷ ngân lỏng lớn.

b. Nhiệt điện trở (RN): Trị số điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo

nhiệt độ theo biểu thức sau:

(1.2) 𝑅𝑅𝑁 = 𝑅𝑅𝑁𝑂(1 + 𝛼𝑡0)

Trong đó:

𝑅𝑅𝑁 - Trị số điện trở của nhiệt điện trở

𝑅𝑅𝑁𝑂 - Trị số điện trở của nhiệt điện trở trong điều kiện tiêu chuẩn

(nhiệt độ môi trường)

𝛼 - Hệ số nhiệt điện trở

Với công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn, người ta có thể chế tạo được nhiệt

điện trở với α > 0 và α < 0.

- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, dễ gá lắp trong lò.

- Nhược điểm: chỉ dùng được đối với lò nhiệt độ thấp (t°<650°C), trị số

điện trở của nó chỉ tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong một dải nhất định.

c. Cặp nhiệt ngẫu (CNN) có tên gọi thường dùng là can nhiệt. Khi đưa can

nhiệt vào lò, nó sẽ xuất hiện một sức nhiệt điện e, trị số của e tỷ lệ tuyến tính với

nhiệt độ của lò.

- Ưu điểm: trị số sức nhiệt điện e tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong một dải

rộng, dùng được trong tất cả các loại lò nhiệt độ làm việc tới 1350°C.

- Nhược điểm: trị số sức nhiệt điện rất bé nên cần phải có một khâu khuếch

đại chất lượng cao.

1.1.4 Ứng dụng

Trong thực tế có rất nhiều công nghệ mô hình áp dụng phương pháp gia

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

nhiệt bằng lò điện trở như:

8

-Điều khiển nhiệt độ cho máy ấp trứng

-Điều khiển nhiệt độ cho ao nuôi tôm

-Điều khiển nhiệt độ trong lò nung, …

1.2 Giới thiệu lò điện trở tại phòng Thí nghiệm Bộ môn Tự động hóa

Lò điện trở PU-1 do hãng ElettonicaVeneta sản xuất được trường đại học

Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên mua về từ năm 2000. Cấu tạo của hệ thống

gồm:

Hình 1. 4 Lò điện trở PU-1

+ Lò gia nhiệt,

+ Dây điện trở dùng để gia nhiệt,

+ Cảm biến đo nhiệt độ,

+ Mạch biến đổi điện áp AC/AC (220VAC-24VAC),

+ Bộ khuếch đại tín hiệu cảm biến nhiệt độ,

+ Quạt gió, công tắc bật/tắt quạt gió,

+ Bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiệu 1 pha sử dụng van triac. Tuy nhiên

bộ biến đổi này không phải điều chỉnh điện áp ra bằng cách thay đổi góc mở triac.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Xung điều khiển triac có tần số nhỏ khoảng 1-2 Hz, nhỏ hơn tần số điện áp lưới.

9

Thực hiện đo trên máy hiện sóng lần lượt với 𝑈đ𝑘 = 2.45𝑉 và 9V ta được dạng

điện áp như hình:

Hình 1. 5. Dạng điện áp ra của Bộ biến đổi với điện áp ra là 9V

Hình 1. 6 Dạng điện áp ra của Bộ biến đổi với điện áp ra là 2.45V

Thông số bộ thí nghiệm lò điện trở:

Nguồn nuôi: 220VAC

Điện áp cấp cho điện trở gia nhiệt: 24VAC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Dải nhiệt độ làm việc: 250oC

10

Đầu ra mạch khuếch đại tín hiệu nhiệt độ: 0÷10VDC

Điện áp đầu vào mạch phát xung: 0÷10VD

Hình 1.7. Điện trở và quạt gió của lò điện trở

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

11 Hình 1.8. Mạch khuếch đại tín hiệu nhiệt độ và mạch lực bộ biến đổi

Hình 1.9. Mạch phát xung điều khiển triac

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

12 Hình 1.10. Cảm biến đo nhiệt độ

1.3. Lịch sử nghiên cứu

Trong luận văn trước nghiên cứu về hệ thống này [8]:

- Tổng hợp được bộ điều khiển cho lò điện trở theo phương pháp modul tối

ưu.

- Sử dụng modul tương tự của PLC S7-200 để thực hiện thuật toán điều

khiển đã tìm ra.

Tuy nhiên trong đề tài cũng đã chỉ ra:

- Qua thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển PID với tham số và cấu trúc được

tổng hợp theo phương pháp Modul tối ưu cho chất lượng điều khiển không được

như khi mô phỏng, điều này do mô hình nhận dạng và mô hình thực có sự sai

khác, vì vậy trong quá trình thực nghiệm đã hiệu chỉnh lại tham số bộ điều khiển.

Tuy nhiên, quá trình hiệu chỉnh tham số này là theo kinh nghiệm.

- Hệ thống xây dựng mới chỉ thay đổi tải được ở 3 mức cố định: 700C, 900C

và 1200C.

- Khi điều chỉnh giảm nhiệt độ, thời gian lâu do hệ thống không có thiết bị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

xả nhiệt ra môi trường.

13

1.4. Kết luận chương 1

Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, dùng trong công

nghệ nung nóng, nấu chảy vật liệu, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ

thuật. Lò điện trở có nhiều ưu điểm hơn so với các lò sử dụng nhiên liệu. Lò điện

trở PU-1 được sử dụng vào phục vụ cho thực hành học phần Điều khiển ghép nối

PLC thông qua đề tài luận văn [8]. Tuy nhiên, nâng cao chất lượng điều khiển là

bài toán luôn được đặt ra. Chương 2 luận văn sẽ đi tổng hợp bộ điều khiển cho lò

điện trở này. Từ đó làm cơ sở cho việc thực hiện tối ưu hóa tham số bộ điều khiển.

Đồng thời sẽ khắc những hạn chế của hệ thống đã xây dựng như có thể thay đổi

giá trị tải như người dùng mong muốn và thiết kế thêm thiết bị xả nhiệt để giúp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

rút ngắn thời gian quá độ khi giảm nhiệt độ.

14

CHƯƠNG 2

TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ

2.1. Ý nghĩa của việc xây dựng mô hình toán học [2]

Xét một bài toán điều khiển theo nguyên tắc phản hồi đầu ra như ở

(Hình 2.1). Muốn tổng hợp được bộ điều khiển cho đối tượng để hệ kín có được

chất lượng như mong muốn thì trước tiên cần phải hiểu biết về đối tượng, tức là

cần phải có một mô hình toán học mô tả đối tượng. Không thể điều khiển đối

tượng khi không hiểu biết hoặc hiểu không đúng về nó. Kết quả tổng hợp bộ điều

khiển phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của mô hình toán mô tả đối tượng. Mô

hình càng chính xác, việc xác định cấu trúc và tham số bộ điều khiển thông qua

mô hình toán càng chính xác dẫn đến chất lượng điều khiển đối tượng vật lý sẽ

đáp ứng được yêu cầu.

Bộ điều khiển

Đối tượng điều khiển

Hình 2.1. Cấu trúc Điều khiển theo nguyên tắc phản hồi

Việc xây dựng mô hình toán cho đối tượng được gọi là mô tả toán học hay

mô hình hóa. Người ta thường phân chia các phương pháp mô hình hóa ra làm hai

loại:

- Phương pháp lý thuyết

- Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên các định

luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên

ngoài của đối tượng. Các quan hệ này được mô tả theo quy luật lý - hóa, quy luật

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

cân bằng,… dưới dạng những phương trình toán học.

15

Trong các trường hợp mà ở đó sự hiểu biết về những quy luật bên trong đối

tượng cũng về mối quan hệ giữa đối tượng với môi trường bên ngoài không được

đầy đủ để có thể xây dựng được một mô hình hoàn chỉnh, nhưng ít nhất từ đó có

thể cho biết các thông tin ban đầu về dạng mô hình thì tiếp theo người ta phải áp

dụng phương pháp thực nghiệm để hoàn thiện nốt việc xây dựng mô hình đối

tượng trên cơ sở quan sát tín hiệu vào u(t) và ra y(t) của đối tượng sao cho mô

hình thu được bằng phương pháp thực nghiệm thỏa mãn các yêu cầu của phương

pháp lý thuyết đề ra. Phương pháp thực nghiệm đó được gọi là nhận dạng đối

tượng điều khiển. Việc nhận dạng đối tượng sẽ được tiến hành qua các bước sau:

- Lấy số liệu thực nghiệm.

- Nghiên cứu và sử dụng các phương pháp nhận dạng để xây dựng mô hình

toán của đối tượng.

2.2. Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp thực nghiệm

2.2.1. Khái niệm xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm [2]

Khái niệm về bài toán nhận dạng đã được Zadeh định nghĩa với hai đặc

trưng cơ bản sau:

- Nhận dạng là phương pháp thực nghiệm nhằm xác định một mô hình cụ

thể trong lớp các mô hình thích hợp đã cho trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào ra.

- Mô hình tìm được phải có sai số với đối tượng là nhỏ nhất.

Như vậy bài toán nhận dạng sẽ được phân biệt qua các đặc trưng:

- Lớp mô hình thích hợp. Chẳng hạn lớp các mô hình tuyến tính không có

cấu trúc (không biết bậc của mô hình) hoặc có cấu trúc, lớp các mô hình lưỡng

tuyến tính (bilinear), …

- Loại tín hiệu quan sát được (tiền định/ngẫu nhiên).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Phương thức mô tả sai lệch giữa mô hình và đối tượng thực.

16

2.2.2. Dữ liệu để xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm

Để nhận dạng mô hình toán học đối tượng (lò điện trở) ta thực hiện cấp

điện áp dây đốt và đo đáp ứng nhiệt độ của hệ thống. Vì năng lượng phát nóng

của dây đốt do thành phần điện trở gây ra, nên để chính xác ta sử dụng điện áp

một chiều cấp cho dây đốt. Tín hiệu điện áp, nhiệt độ được đưa vào bo mạch

Arduino UNO và chuyển lên Matlab/Simulink [4], [5]. Sơ đồ nguyên lý quá trình

thu thập dữ liệu được thể hiện trên (Hình 2.2). Sơ đồ cấu trúc thu thập dữ liệu trên

Simulink thể hiện ở (Hình 2.3).

K +

Khuếch đại

Cảm biến nhiệt R1

24V

Matlab Simulink

A4 A5 Arduino UNO

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý thu thập dữ liệu lò gia nhiệt

Hình 2.3 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

17

Sau khi thực hiện thu thập dữ liệu điện áp và nhiệt độ theo thời gian với

chu kỳ trích mẫu 200ms của đối tượng gia nhiệt tại phòng thí nghiệm Tự động

hóa, ta thu được đặc tính của các dữ liệu như (Hình 2.4) và (Hình 2.5)

Hình 2.4. Dữ liệu điện áp (volt)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

18 Hình 2.5. Dữ liệu nhiệt độ (oC)

2.2.3. Một số phương pháp xây dựng mô hình toán bằng thực nghiệm [2]

a. Nhận dạng mô hình không tham số nhờ phân tích phổ tín hiệu

Việc nhận dạng mô hình không tham số sẽ đồng nghĩa với việc nhận dạng

hàm quá độ h(t) hay hàm trọng lượng g(t). Một trong những phương pháp nhận

dạng mô hình không tham số đơn giản nhất cho đối tượng tuyến tính là phương

pháp chủ động (active) xác định hàm quá độ h(t) bằng cách kích thích đối tượng

với tín hiệu đầu vào rồi đo tín hiệu đầu ra.

Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có các điều kiện lý tưởng để áp dụng

được phương pháp nhận dạng chủ động. Trong thực tế đối tượng luôn chịu ảnh

hưởng của nhiễu môi trường và nhiễu đo lường dẫn tới kết quả thu được có sự sai

khác. Mặt khác bài toán nhận dạng chủ động luôn yêu cầu đối tượng phải được

tách rời khỏi hệ thống và phải được kích thích bằng một tín hiệu chọn trước mà

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

điều này không phải lúc nào cũng thực hiện được.

19

b. Nhận dạng mô hình liên tục, tuyến tính có tham số từ mô hình không

tham số

Mô hình liên tục có tham số để mô tả đối tượng tuyến tính biểu diễn dưới

𝑌(𝑠)

dạng hàm truyền đạt như sau:

(2.1)

𝐺(𝑠) =

=

𝐺(𝑠)

𝑏0+𝑏1𝑠+𝑏2𝑠2+⋯+𝑏𝑛𝑏𝑠𝑛𝑏 𝑎0+𝑎1𝑠+𝑎2𝑠2+⋯+𝑎𝑛𝑎𝑠𝑛𝑎

Trong đó na, nb có thể là cho trước (mô hình có cấu trúc) hoặc là những

tham số cần phải được xác định (mô hình không có cấu trúc). Bài toán đặt ra là từ

mô hình không tham số đã có, hãy xác định b0, b1, …, bnb, a0, a1, …, ana thuộc tập

các số thực cho phương trình (2.1).

Mô hình không tham số đã có là hàm quá độ h(t) thu được tại đầu ra nhờ

phương pháp nhận dạng chủ động với tín hiệu chọn trước là hàm Heaviside 1(t) ở

đầu vào, hoặc dãy các giá trị ảnh Fourier của hàm trọng lượng g(t) thu được trên

cơ sở quan sát các tín hiệu vào/ra.

c. Nhận dạng tham số mô hình ARMA (Autoregressivemovingaverage)

Nội dung chính của phương pháp này là nhận dạng tham số K, 𝑎 = ( ),

𝑎1 … 𝑎𝑛𝑎

𝑏 = ( ) cho mô hình rời rạc ARMA (1.4)

𝑌(𝑧)

𝑏1 … 𝑏𝑛𝑏

(2.2)

𝐺(𝑧) =

= 𝐾

𝐺(𝑧)

1+𝑏1𝑧+𝑏2𝑧2+⋯+𝑏𝑛𝑏𝑧𝑛𝑏 1+𝑎1𝑧+𝑎2𝑧2+⋯+𝑎𝑛𝑎𝑧𝑛𝑎

trên cơ sở quan sát, đo tín hiệu vào u(t) và ra y(t) sao cho sai lệch giữa mô

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

hình và đối tượng là nhỏ nhất.

20

2.2.4. Sử dụng System Identification Toolbox trong Matlab

Sau khi thu thập được dữ liệu vào ra theo thời gian hoặc là phổ tín hiệu của

đối tượng, nhiệm vụ tiếp theo là tìm mô hình toán học dưới dạng hàm truyền đạt

thích hợp mô tả gần đúng nhất đối tượng thực. Một phương pháp khác được sử

dụng để nhận dạng đối tượng điều khiển khi có bộ dữ liệu vào ra đó là sử dụng

công cụ System Identification toolbox trong phần mềm Matlab. Các bước tiến

hành nhận dạng trên Matlab như sau:

Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu nhận dạng

Dữ liệu vào (U), ra (T) của hệ thống thu thập trong mục 2.2.2 được lưu

trong file.mat.

Bước 2: Mở System Identification Tool, gõ lệnh

>>ident

Hình 2.6. Giao diện công cụ System Identification Tool

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Bước 3: Nhập dữ liệu trong miền thời gian vào công cụ nhận dạng

21 Hình 2.7 Chọn nhập dữ liệu trong miền thời gian

Nhập dữ liệu vào/ra theo thời gian với thời gian trích mẫu 0.2s:

Hình 2.8 Nhập dữ liệu nhận dạng mô hình

Đưa dữ liệu vào Working Data để tiếp tục nhận dạng, Validation Data để

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

so sánh.

22 Hình 2.9 Đưa dữ liệu vào Working data và Validation Data

Chọn Time plot để xem hình vẽ của bộ dữ liệu

Hình 2.10. Hình vẽ của bộ dữ liệu theo thời gian

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

23

Bước 4: Ước lượng mô hình: Để ước lượng mô hình tự động và nhanh

chóng ta chọn Estimate → Process Models

Hình 2.11. Giao diện Process Models

Lựa chọn loại mô hình và nhận dạng: Theo [2], đối tượng là lò điện trở nên

có thể chọn mô hình đối được là khâu quán tính bậc 1.

Hình 2.12. Lựa chọn mô hình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Kết quả thu được:

24 Hình 2.13. Kết quả nhận dạng

Mức độ phù hợp giữa mô hình nhận dạng và dữ liệu đạt 95.23% (độ fit:

95.23%)

Hình 2.14. Đánh giá kết quả nhận dạng mô hình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Mô hình toán học nhận dạng mô tả hệ thống:

25 Hình 2.15. Giao diện kết quả nhận dạng

𝑇(𝑠)

𝐾

Mô hình toán học đối tượng:

𝑈(𝑠)

1+τ𝑠

(2.3) 𝑊(𝑠) = =

Trong đó: K = 4.689

τ = 272.51

𝑇(𝑠)

4.689

Thay số ta được hàm truyền hệ thống:

𝑈(𝑠)

1+272.51𝑠

(2.4) 𝑊(𝑠) = =

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Đặc tính quá độ của đối tượng:

26 Hình 2.16. Đặc tính quá độ đối tượng

2.3. Tổng hợp bộ điều khiển

Trong mục 2.2.4, mô hình toán học của thiết bị gia nhiệt đã được xác định

bằng phương pháp thực nghiệm sử dụng Toolbox của Matlab và được biểu diễn

𝑇(𝑠)

4.689

bằng mô hình hàm truyền sau đây:

𝑈(𝑠)

1+272.51𝑠

(2.4) 𝑊(𝑠) = =

Ngoài ra, nhiệt độ của thiết bị gia nhiệt được điều chỉnh bằng cách thay đổi

điện áp cấp cho dây đốt qua bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều một pha từ nguồn

xoay chiều 36V, điện áp điều khiển bộ biến đổi này có điện áp từ 0÷10V. Từ đó

ta xác định được hàm truyền bộ biến đổi:

𝑈(𝑠) 𝑢đ𝑘(𝑠)

𝐾𝑏 1+τ𝑏𝑠

= 𝑊𝑏(𝑠) =

Trong đó:

= 3.6 𝐾𝑏 – hệ số khuếch đại bộ biến đổi, 𝐾𝑏 =

2𝑚𝑓

2∙2∙50

= = 0.005𝑠 τ𝑏 – hằng số thời gian, τ𝑏 =

𝑚 – số lần đập mạch trong 1 chu kì điện áp nguồn, 𝑚 = 2

𝑓 – tần số điện áp nguồn, 𝑓 = 50𝐻𝑧

3.6

Thay số ta có:

1+0.005𝑠

𝑈(𝑠) 𝑢đ𝑘(𝑠)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.5) = 𝑊𝑏(𝑠) =

27

Hàm truyền của hệ hở gồm hai khâu mắc nối tiếp:

4.689

3.6

16.8804

𝐺(𝑠) = 𝑊(𝑠) ∙ 𝑊𝑏(𝑠)

1+272.51𝑠

1+0.005𝑠

(2.6) 𝐺(𝑠) = ∙ = (1+272.51𝑠)(1+0.005𝑠)

Như vậy đối tượng điều khiển (bao gồm: bộ biến đổi và thiết bị gia nhiệt)

là lớp đối tượng 02 khâu quán tính bậc 1 mắc nối tiếp. Trong chuơng này, một số

phương pháp tổng hợp bộ điều khiển cho lớp đối tượng này sẽ được trình bày. Bộ

điều khiển thiết kế cho thiết bị gia nhiệt sẽ được mô phỏng kiểm chứng bằng phần

mềm Matlab-Simulink. Luật điều khiển cài đặt trong PLC sẽ được lựa chọn trên

cơ sở tổng hợp này.

Bộ điều khiển PID được viết tắt từ 3 thành phần cơ bản trong bộ điều khiển:

e(t)

u(t)

khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D).

Hình 2. 17. Cấu trúc bộ điều khiển PID

e(t)

u(t)

Biến đổi tương đương:

với u(t) = uP + uI + uD

Bộ điều khiển PID đảm bảo bổ sung hoàn hảo 3 trạng thái, 3 tính cách khác

nhau:

Phục tùng và làm việc chính xác (P)

Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Có khả năng phản ứng nhanh nhạy và sáng tạo (D)

28

Bộ điều khiển PID được ứng dụng rất rộng rãi đối với các đối tượng SISO

e(t)

u(t)

x(t)

theo nguyên lý phản hồi (feedback) như hình vẽ:

ĐTĐK

y(t)

(-)

PID

Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được mô tả:

(2.7)

(2.8)

Việc xác định các thông số KP, TI, TD quyết định chất lượng hệ thống và ta

có các phương pháp thường gặp:

- Phương pháp Ziegler- Nichols 1 (phương pháp thực nghiệm dựa trên hàm

h(t))

- Phương pháp modul đối xứng (phương pháp thiết kế trên miền tần số).

2.3.1. Phương pháp Ziegler- Nichols 1

Ziegler và Nichols đã đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định

tham số bộ điều khiển động. Mô hình thiết bị gia nhiệt thích hợp với phương pháp

Ziegler-Nichols 1. Từ bảng tra theo Ziegler -Nichols 1 ta cần xác định các tham

số sau đây từ thực nghiệm: Hệ số khuếch đại K, hằng số thời T và thời gian chậm

trễ τ của đối tượng. Bảng thiết kế theo phương pháp Ziegler-Nichols được biểu

Bảng 2.1).

diễn trong (

Bảng 2.1 Tổng hợp bộ điều khiển theo Ziegler- Nichols

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Luật điều khiển

29

P: - -

PI: -

PID:

Theo bảng thiết kế ta được tham số của bộ điều khiển PID cho hệ thống gia

nhiệt:

0.0125

(2.9) 𝑠 + 0.0025𝑠) 𝐺𝑑𝑘(𝑠) = 3936.9756(1 +

Đặc tính quá độ của hệ thống như (Hình 2. 19). Đặc tính này được xác định

từ mô phỏng theo cấu trúc (Hình 2.17) với bộ điều khiển PID được xác định theo

phương pháp tổng hợp Ziegler- Nichols 1 có dạng (2.9).

Hình 2. 19. Đặc tính quá độ hệ thống với bộ điều khiển tổng hợp bằng phương pháp Ziegler- Nichols 1

Nhận xét: hệ dao động, độ quá điều chỉnh khoảng 63% và thời gian quá độ

lớn. Chất lượng điều khiển hệ kín không đáp ứng được yêu cầu.

2.3.2 Phương pháp modul tối ưu đối xứng

Phương pháp tối ưu đối xứng được thực hiện theo ý tưởng: Chọn cấu trúc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

và tham số của bộ điều khiển sao cho module véc tơ đặc tính tần số của hệ kín

30

và được gọi là thiết kế bộ điều khiển sao cho véc tơ đặc tính tần số

của hệ kín là tối ưu.

Theo [1] ta có bộ điều khiển tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng

như sau:

Giả sử hệ thống có hàm truyền hệ hở là WH(s) (Hình 2. 20). Ta phải tìm

khâu hiệu chỉnh WHC (s) sao cho hàm truyền hệ thống kín WK(s) với phản hồi đơn

vị (-1)

Thoả mãn điều kiện chuẩn Modul tối ưu sau:

Trong đó:

(2.10)

(2.11)

(2.12) W0(s) = WH(s) · WHC(s)

Thay vào ta tìm được

WHC(s)

WH(s)

(-)

W0(s)

(-)

WK(s)

(2.13)

Hình 2. 20. Tổng hợp bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu đối xứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

31

Để thiết bị hiệu chỉnh đơn giản ta chọn  thỏa mãn điều kiện về thời gian

quá độ và trùng với hằng số thời gian nhỏ nào đó của WH (bù được khâu có hằng

số thời gian lớn).

(2.14)

Áp dụng cho hệ điều khiển gia nhiệt ta có:

Hình 2. 2 Đặc tính nhiệt độ với BĐK bằng phương pháp tối ưu đối xứng

Nhận xét: Từ đặc tính quá độ của hệ ta thấy chất lượng hệ thống điều khiển

đạt được với độ quá điều chỉnh khoảng 5.0% và thời gian quá độ ngắn khoảng

150s.

2.3.3 Kết luận

Trong 2 phương pháp thiết kế được lựa chọn để nghiên cứu, phương pháp

tối ưu đối xứng cho chất lượng điều khiển tốt hơn. Các kết quả được kiểm chứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

bằng mô phỏng sử dụng Matlab-Simulink. Từ các kết quả mô phỏng tác giả lựa

32

chọn BĐK được tổng hợp từ phương pháp tối ưu đối xứng làm BĐK đối tượng.

BĐK có dạng:

2.4. Kết luận chương 2

Chương 2 đã đi nhận dạng đối tượng sử dụng công cụ System Identification

của Matlab và tổng hợp bộ điều khiển theo phương pháp tối ưu. Bộ điều khiển

được tìm ra ở chương 2 sẽ làm cơ sở để cài đặt trong PLC và làm tham số ban đầu

cho quá trình tự động tối ưu hóa tham số bộ điều khiển sẽ được trình bày trong

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

chương 3.

33

CHƯƠNG 3

TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ

3.1. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển

Có nhiều phương pháp thiết kế bộ điều khiển như đã đề cập đến trong

chương 2. Nhưng tất cả các phương pháp đó đều chưa khẳng định được các tham

số của bộ điều khiển đó đã đạt đến giá trị đáp ứng điều khiển tối ưu hay chưa. Độ

ổn định là một yêu cầu căn bản, nhưng ngoài ra, các hệ thống khác nhau, có những

yêu cầu khác nhau, và vài yêu cầu lại mâu thuẫn với nhau. Hơn nữa, vài quá trình

có một mức độ phi tuyến nào đấy khiến các thông số làm việc tốt ở điều kiện đầy

tải sẽ không làm việc khi quá trình khởi động từ không tải. Vì vậy, sau khi tính

toán được tham số bộ điều khiển, dựa vào yêu cầu cụ thể của hệ thống chúng ta

cần thiết phải tối ưu hóa tham số bộ điều khiển.

Bộ điều chỉnh PID có biểu thức sau:

(3.1)

Bộ điều chỉnh PID số có biểu thức sau:

(3.2)

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID. Lựa chọn

phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay không vòng lặp có

thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống. Nếu hệ thống có thể

thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thống

thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian, sử

dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển.

Một số phương pháp tối ưu hóa tham số bộ điều khiển hay được sử dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

có thể kể đến như: Điều chỉnh thủ công, Phương pháp Ziegler–Nichols…

34

3.1.1.Điều chỉnh thủ công

Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là

thiết lập giá trị đầu tiên của TI và TD bằng không. Tăng dần KP cho đến khi đầu ra

của vòng điều khiển dao động, sau đó KP có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá

trị đó để đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ". Sau đó tăng TI đến

giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý. Tuy nhiên, KI quá lớn sẽ gây mất ổn

định. Cuối cùng, tăng TD, nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể

chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên,

TD quá lớn sẽ gây quá điều chỉnh.

Bảng 3.1. Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp thủ công

Tác động của việc tăng một thông số độc lập

Quá độ

Sai số ổn định

Độ ổn định

Thông số

Thời gian khởi động

Thời gian xác lập

Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm cấp KP

Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp TI

Giảm ít TD Giảm ít Giảm ít Về lý thuyết không tác động Cải thiện nếu KD nhỏ

3.1.2.Phương pháp Ziegler–Nichols

Một phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm khác là phương pháp

Ziegler–Nichols, được đưa ra bởi John G. Ziegler và Nathaniel B. Nichols vào

những năm 1940.

Giống phương pháp trên, hệ số KI và KD lúc đầu được gán bằng không. Hệ

số P được tăng cho đến khi nó tiến tới tới hạn, Ku, ở đầu ra của vòng điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

bắt đầu dao động. Ku và thời gian dao động Pu được dùng để gán hệ số như sau:

35 Bảng 3.2. Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp Ziegler–Nichols

Dạng điều khiển KP TI TD

P - - 0.50Ku

KP.Pu/8

PI - 0.45Ku 1.2KP/Pu

PID 0.60Ku 2KP/Pu

3.2.Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật Relay Feedback

Phương pháp Ziegler và Nichols được giới thiệu năm 1942, phương pháp này

mặc dù được ứng dụng nhưng có nhược điểm là không định hướng được trước do

không báo được.

Để khắc phục nhược điểm này Astrom và Hagglund [6] đã đề xuất phương

pháp Relay feedback năm 1984.

Khái niệm “relay feedback” là tạo ra dao động nhỏ như duy trì liên tục trong một

quá trình ổn định. Dựa vào chu kì của dao động và biên độ thay đổi quan sát được

của biến quá trình, chu kì và hệ số khuếch đại được xác định. Sau đó dựa vào các

giá trị này để tính toán các tham số điều chỉnh.

Mô hình tối ưu hóa tham số bộ điều chỉnh PID cho thiết bị gia nhiệt. Bộ Relay

được tích hợp cùng với bộ điều chỉnh PID theo cấu trúc như hình sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.1. Cấu trúc tối ưu hóa tham số bộ điều khiển theo kỹ thuật Relay Feeedback

36

Quá trình tự động tối ưu tham số bộ điều chỉnh thực hiện như sau: khi hệ vi

xử lý kích hoạt tự động điều chỉnh, bộ điều chỉnh PID không được kích hoạt, điều

khiển chuyển qua Relay, sau khi xác định được các tham số, bộ điều chỉnh PID

được kích hoạt trở lại với các kết quả tính toán được.

Hình 3.2. Tín hiệu đặt khi thực hiện tối ưu hóa

Hình 3.3. Đáp ứng để tính toán tham số cho tối ưu hóa

Trường hợp sử dụng Relay có trễ hệ số khuếch đại được tính theo biểu thức:

(3.3)

Trong đó là biên độ của kích thích sử dụng trong relay, là độ trễ và là biên

độ của dao động đầu ra. Chu kì của dao động có được trực tiếp từ dao động

như hình 3.3.

Khi có được và có thể tính được các tham số của bộ điều chỉnh PID theo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

bảng sau:

37 Bảng 3.3. Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp Relay Feedback

điều KP TI TD Dạng khiển

P - - 0.5Ku

PI - 0.4Ku 0.8Pu

PID 0.6Ku 0.5Pu 0.125Pu

Về lý thuyết, nếu cấu trúc mô hình là đúng thì hệ số và tần số xác định được là

đúng. Với cấu trúc và mô hình chính xác hơn sẽ giảm thời gian tối ưu tham số dẫn

đến kết quả tối ưu chính xác hơn. Để đơn giản, trong nội dung này đã sử dụng

thuật toán nhận dạng mô hình trên phần mềm matlab/simulink để xác định mô

hình toán từ đó tổng hợp sơ bộ ra tham số của bộ điều chỉnh PID.

3.3. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật thực hiện luật điều khiển

Hiện nay, các thiết bị điều khiển quá trình như các hệ PLC (Programmable

logic controller), DCS (Distributed Control System) được sử dụng rất nhiều trong

công nghiệp. Ưu điểm cơ bản của hệ thống thiết bị này là tính tiện ích trong việc

tích hợp hệ thống tự động hóa do ngoài cung cấp các thiết bị phần cứng, các hãng

còn cung cấp các phần mềm hỗ trợ cho công việc tích hợp hệ thống. Trong điều

khiển quá trình, các hệ thống tự động hóa tích hợp trên cơ sở các thiết bị này có

độ bền cao, ít hỏng hóc và khả năng thay đổi chế độ công tác cũng như các tham

số rất linh hoạt.

Điển hình là bộ điều khiển PLC S7-200 của hãng Siemens, trong đó nhà

sản xuất tích hợp công cụ tối ưu hóa tham số của bộ điều chỉnh PID dựa trên kỹ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

thuật “relay feedback”.

38

3.3.1. Giới thiệu chung họ PLC S7- 200

S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của hãng Siemens, có

cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng như (Hình 3.4). Các module

này đươc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau.

Hình 3.4. PLC S7-200

- S7-200 thuộc nhóm PLC loại nhỏ, quản lý một số lượng đầu vào/ra ít.

- Có từ 6 đầu vào/4 đầu ra số (CPU221) đến 24 đầu vào/16 đầu ra số

(CPU226). Có thể mở rộng các đầu vào/ra số bằng các module mở rộng

- Kiểu đầu vào IEC 1131-2 hoặc SIMATIC. Đầu vào sử dụng mức điện áp

24VDC, thích hợp với các cảm biến.

- Có 2 kiểu đầu ra là Relay và Transitor cấp dòng.

- Tích hợp sẵn cổng Profibus hay sử dụng một module mở rộng, cho phép

tham gia vào mạng Profibus như một Slave thông minh.

- Có cổng truyền thông nối tiếp RS485 với đầu nối 9 chân. Tốc độ truyền

cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 bauds, theo kiểu tự do là 300 – 38.400 bauds.

- Tập lệnh có đủ lệnh bit logic, so sánh, bộ đếm, dịch/quay thanh ghi, timer

cho phép lập trình điều khiển Logic dễ dàng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Ngôn ngữ lập trình: LAD, STL, FBD.

39

CPU S7-200 kết hợp bộ vi xử lý, bộ nguồn, mạch đầu vào và mạch đầu ra.

PLC S7-200 có thể mở rộng đầu vào/ra bằng cách ghép nối thêm các module mở

rộng về phía bên phải của CPU.

PLC S7-200 giao tiếp với PC qua cổng RS-232 cần có cáp nối PC/PPI với

bộ chuyển đổi từ RS232 sang RS485.

Giữa các PLC S7-200 kết nối với nhau theo giao thức Modbus như hình 3.5

Hình 3.5. Giao tiếp Modbus giữa các PLC S7-200

3.3.2. Giới thiệu chung Modul mở rộng EM235

Để thực hiện các bài toán điều khiển tương tự ta sử dụng modul mở rộng

tương tự EM235.

EM 235: là một module tương tự gồm có 4 đầu vào tương tự (AI – analog

input) và 1 đầu ra tương tự (AO – analog output) 12bit (có tích hợp các bộ chuyển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong) như (Hình 3.6)

40 Hình 3.6. Modul mở rộng tương tự EM235

Hình 3.7 Sơ đồ khối đầu vào Analog của modul EM235

Hình 3.8. Sơ đồ khối đầu ra Analog của modul EM235

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

41

Thành phần trong modul EM235 thể hiện trên (Bảng 3.4):

Bảng 3.4 Các thành phần modul mở rộng EM235

Thành phần Mô tả

A+, A-, RA Các đầu nối của đầu vào A

B+, B-, RB Các đầu nối của đầu vào B

C+, C-, RC Các đầu nối của đầu vào C

D+,D-, RD Các đầu nối của đầu vào D

MO, VO, IO Các đầu nối của đầu ra

Gain Chỉnh hệ số khuếch đại

Offset Chỉnh trôi điểm không

Bit cấu hình Cho phép chọn dải đầu vào và độ phân giải

Bảng cấu hình dải đầu vào và độ phân giải như (Bảng 3.5).

Bảng 3.5. Bảng cầu hình đầu vào modul EM235

Dải đầu vào không đối xứng Dải đầu vào Độ phân giải

SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6

ON OFF OFF ON OFF ON 0–50mV 12.5uV

OFF ON OFF ON OFF ON 0-100mV 25uV

ON OFF OFF OFF ON ON 0-500mV 125uV

OFF ON OFF OFF ON ON 0-1V 250uV

ON OFF OFF OFF OFF ON 0-5V 1.25mV

ON OFF OFF OFF OFF ON 0-20mA 5uA

OFF ON OFF OFF OFF ON 0-10V 2.5mV

Dải đầu vào đối xứng Dải đầu vào Độ phân giải

SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6

ON OFF OFF ON OFF OFF ±25mV 12.5uV

OFF ON OFF ON OFF OFF ±50mV 25uV

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

OFF OFF ON ON OFF OFF ±100mV 50uV

42

ON OFF OFF OFF ON OFF ±250mV 125uV

OFF ON OFF OFF ON OFF ±500mV 250uV

OFF OFF ON OFF ON OFF ±1V 500uV

ON OFF OFF OFF OFF OFF ±2.5V 1.25mV

OFF ON OFF OFF OFF OFF ±5V 2.5mV

OFF OFF ON OFF OFF OFF ±10V 5mV

Tín hiệu đầu ra: VO 0÷10V, IO 0÷20mA.

Nguồn nuôi: 24VDC.

3.3.3 Bộ điều khiển PID của S7-200

Sơ đồ cấu trúc thực hiện bộ điều khiển PID bằng PLC S7-200 như (Hình 3.9).

Hình 3.9. Cấu trúc bộ điều khiển PID trên PLC S7 200

Vùng nhớ dùng cho PID gồm có 36 byte như (Bảng 3.6). Những thông số

được đặt trong vùng nhớ V và tất cả đều dùng là double word (VD).

Bảng 3.6. Địa chỉ bộ điều khiển PID trên S7-200

Định dạng vào/ra Mô tả

Thông số tính toán

Khoảng cách so với địa chỉ bắt đầu Người dùng có thể định nghĩa

PV Double word - real vào NO 0

SP Double word - real IN YES 4

M Double word - real In/Out NO 8

Kp Double word - real In YES 12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hệ số khuếch đại P

43

16 TS Double word - real In YES

Thời gian trích mẫu

20 Ti Double word - real In YES

Thời gian tích phân

24 Td Double word - real In YES

Thời gian vi phân

28 Double word - real In/Out Tổng tích phân YES

Bias (MX)

(bias MX or integral sum)

32 PVN-1 Double word - real In/Out NO

Hệ điều khiển PID liên tục thực hiện luật điều khiển liên tục như sau:

𝑑𝑒(𝑡)

Luật điều khiển PID:

𝑑𝑡

𝐾𝑐 𝑇𝐼

(3.4) M(t)=𝐾𝑐 ∙e(t)+ +Minitial+𝐾𝑐 ∙ 𝑇𝑑 ∙

Trong đó:

M(t) : Tín hiệu ra của khối điều khiển ở thời điểm (t)

Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển : 𝐾𝑐

Sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi từ quá trình e(t) :

: Hằng số thời gian tích phân 𝑇𝐼

Minitial: Giá trị ban đầu của tích phân

: Hằng số thời gian vi phân 𝑇𝑑

Chuyển sang hệ điều khiển số bằng PLC công thức (1) có thể viết thành:

(3.5)

Thành phần tỷ lệ Thành phần Tích phân Thành phần vi phân

Mn = MPn + MIn + MDn

Trong công thức (3.5):

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

MPn : Thành phần tỷ lệ

44

MPn =𝐾𝑐 ∙ ( SPn - PVn )

MPn : Thành phần tỷ lệ trong tín hiệu ra tại thời điểm n

𝐾𝑐

Hệ số khuếch đại

SPn : Tín hiệu đặt tai thời điểm thứ n

PVn : Tín hiệu ra của bộ điều khiển tại thời điểm thứ n

∙ ( SPn - PVn) + MX

MIn = 𝐾𝑐 ∙

𝑇𝑠 𝑇𝐼

MIn : Thành phần tích phân

Trong đó:

MIn Thành phần tích phân trong tín hiệu ra tại thời điểm thứ n :

𝐾𝑐

: Hệ số khuếch đại

𝑇𝑠

: Chu kỳ cắt mẫu

𝑇𝐼

: Hằng số thời gian tích phân

: SPn Giá trị đặt tại thời điểm thứ n

PVn : Giá trị ra của quá trình tại thời điểm thứ n

MX : Giá trị đầu của tích phân(giá trị ra của PID tại thời điểm thứ n-1)

∙ ( ( SPn- PVn ) - (SPn - PVn-1 ))

MDn = 𝐾𝑐 ∙ 𝑇𝐷 𝑇𝑠

∙ ( PVn -1 - PVn )

MDn = 𝐾𝑐 ∙ 𝑇𝐷 𝑇𝑠

MDn : Thành phần vi phân

Trong đó:

MDn : Thành phần vi phân trong tín hiệu ra tại thời điểm thứ n

𝐾𝑐

: Hệ số khuếch đại

𝑇𝐷

: Hằng số thời gian vi phân

𝑇𝑠 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

: Chu kỳ cắt mẫu.

45

SPn : Giá trị đặt

PVn : Giá trị đầu ra của quá trình tại thời điểm thứ n

Các thành phần này cùng các tham số 𝐾𝑐, 𝑇𝐼, 𝑇𝐷, 𝑇𝑠 đều có ảnh hưởng đến

các đặc tính đầu ra của quá trình như: Độ ổn định của hệ thống, Sai số tĩnh-sai số

trong chế độ xác lập, Độ quá điều chỉnh, Thời gian quá độ, số lần dao động.v.v..

3.3.4 Bộ phát xung tốc độ cao trên PLC - S7 200

3.3.4.1. Bộ phát xung PWM

Trong PLC S7-200 có hỗ trợ chúng ta phát xung tốc độ cao (tức là tạo một

chuỗi xung ngõ ra) tại 2 chân Q0.0 và Q0.1 dùng lệnh instruction PLS để thực

hiện phát xung.

PWM (Pulse Width Modulation) là một dãy xung tuần hoàn có chu kỳ là

một số nguyên trong khoảng 250s65.535s hoặc từ 2ms65.535ms. Khác với

PTO, độ rộng của mỗi xung có thể quy định được là một số nguyên nằm trong

khoảng 0s65.535s hoặc 0ms65.535ms. Nếu độ rộng xung được quy định lớn

hơn chu kỳ của PWM thì một tín hiệu có giá trị logic bằng 1, ngược lại sẽ có một

tín hiệu logic 0.

Hình 3.10. Dạng xung PWM

Khi ta sử dụng cũng như thiết kế phát xung tốc độ cao trong PLC S7-200

sẽ có 1 vùng nhớ đặc biệt SM để điều khiển chúng gồm:

- Một ô nhớ 8bit cho điều khiển.

- Một vùng nhớ 32bit không dấu dành cho giá trị xung đếm.

- Một vùng nhớ không dấu 16bit cho thời gian 1 chu kì.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Một vùng nhớ không dấu 16bit cho độ rộng xung.

46

Địa chỉ những ô nhớ này như sau:

Bảng 3.7. Bảng điều khiển giá trị xung PWM

Cổng ra Byte điều khiển Chu kỳ Độ rộng xung Số xung

Q0.0 SMB67 SMW68 SMW70 SMD72

Q0.1 SMB77 SMW78 SMW80 SMD8s

Các ô nhớ này phải được nạp những giá trị thích hợp trước khi thực hiện

lệnh tạo xung.Lệnh PLS phát xung tại cổng Q0.0 hoặc Q0.1 theo cấu trúc được

định nghĩa trong byte điều khiển và các ô nhớ về chu kỳ, độ rộng. Cổng xung phát

ra được chỉ định trong toán hạng x (0 cho Q0.0 và 1 cho Q0.1) của lệnh.

Nếu trong chương trình độ rộng xung mà lớn hơn hoặc bằng giá trị của cycle

time thì PLC sẽ hiểu là độ rộng bằng 100% cycle time ngõ ra sẽ On liên tục.

Nếu trong chương trình độ rộng xung mà bằng 0 thì PLC sẽ hiểu là ngõ

ra OFF.

Cú pháp sử dụng lệnh PLS như sau:

Hình 3.11. Lệnh phát xung PWM

Khi ta sử dụng chức năng phát xung tại các chân Q0.0 và Q0.1 thì các lệnh

xử lý tại các chân này đều được bỏ qua và chú ý rằng trước khi sử dụng phát xung

trên 2 chân này ta phải reset chúng về 0 trước.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Có 2 cách để thay đổi đặc tính sóng ngõ ra trong PWM của PLC S7-200:

47

- Phương pháp đồng bộ (Synchronous Update): Siemens nói rằng nếu trong

chương trình của chúng ta không cần thay đổi đơn vị thời gian time base thì chọn

phương pháp điều rộng xung đồng bộ. Việc thay đổi đặc tính sóng ngỏ ra tại vùng

biên của 1 chu kì khi mà đơn vị thời gian time base không thay đổi vẫn đảm bảo

sóng ngõ ra mịn và ổn định.

- Phương pháp không đồng bộ (Asynchronous Update): Trong 1 số trường

hợp ta cần thay đổi đơn vị thời gian time base trong chương trình thì cần phải

chọn phương pháp điều chế rộng xung bất đồng bộ. Trong chế độ này bộ phát

xung của chúng ta sẽ ngừng hoạt động trong giây lát mỗi khi đặc tính sóng ngỏ ra

thay đổi, chính vì vậy nên sóng ngõ ra cũng sẽ không đồng bộ và điều này dẫn

đến hiện tượng gọi là rung pha.

Cấu hinh Byte điều khiển SMB67 (cho cổng Q0.0) và SMB77 (cho cổng

Q0.1) theo cấu trúc như bảng 3.8 sau:

Bảng 3.8. Bảng cấu hình điều khiển xung PWM

Q0.0 Q0.1 Mục đích

SM67.0 SM77.0 Thay đổi thời gian chu kỳ:1 - cho phép, 0 – không

SM67.1 SM77.1 Thay đổi độ rộng xung:1 – cho phép, 0 – không

SM67.2 SM77.2 Dùng cho cấu hình PTO

SM67.3 SM77.3 Đơn vị thời gian time base:1 – ms, 0 - µs

SM67.4 SM77.4 Phương pháp PWM:1 – đồng bộ, 0 – bất đồng bộ

SM67.5 SM77.5 Dùng cho cấu hình PTO

SM67.6 SM77.6 Chọn kiểu xung:1 – PWM, 0 - PTO

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

SM67.7 SM77.7 Modul phát xung hoạt động: 1-cho phép, 0- không

48

3.3.4.2 Mạch khuếch đại công suất xung PWM

- Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất xung PWM

Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại xung PWM

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý vi mạch ULN2803

ULN 2803 là một vi mạch đệm, bản chất cấu tạo là các mảng darlington

chịu được dòng điện lớn và điện áp cao, bên trong có chứa 7 cặp darlington cực

góp hở với cực phát chung tạo nên 8 ngõ vào (1 – 8), 8 ngõ ra (11-18) chân số 10

nối Vcc. Mỗi kênh có một diode chặn có thể sử dụng trong trường hợp tải có tính

cảm.

- Nguyên lý hoạt động :

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Nếu các chân đầu vào (1 ÷ 8) là mức 0 thì ngõ ra hở mạch.

49

Nếu các chân đầu vào (1 ÷ 8) là mức 1 thì ngõ ra ở mức 0.

Khi xung PWM được đưa vào chân In1 hoặc In2 của sơ đồ mạch nếu xung

vào là mức 1 thì ngõ ra sẽ là mức 0 khi đó động cơ sẽ được tạo mạch vòng kín

khiến động cơ quay, đồng thời trong khoảng thời gian xung PWM ở mức 1, đèn

D1 hoặc D2 sẽ sáng báo hiệu mức cao.

- Mạch thực

Hình 3.14. Mạch khuếch đại xung PWM

3.4. Kết luận chương 3

Trong chương 3 luận văn đã trình bày các phương pháp tối ưu hóa tham số

bộ điều khiển và đề xuất phương pháp áp dụng cho lò điện trở là kỹ thuật Relay

Feedback. Đồng thời cũng đưa ra giải pháp kỹ thuật để thực hiện bài toán điều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

khiển yêu cầu.

50

CHƯƠNG 4

THỰC NGHIỆM

4.1 Kết nối các thiết bị thí nghiệm

Thiết bị gia nhiệt PLC S7 200

Đầu ra mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến nhiệt độ AIW0

Đầu vào mạch phát xung điều khiển Triac AQW0

Đầu vào mạch khuếch đại xung PWM điều khiển tải Q0.0

Đầu vào mạch khuếch đại xung PWM điểu khiển quạt hút Q0.1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Mô hình thực nghiệm:

51 Hình 4. 1 Kết nối các thiết bị thí nghiệm

4.2. Chương trình thực nghiệm điều khiển

4.2.1. Bước 1: Cài đặt bộ điều chỉnh PID với tham số có được từ tổng hợp kinh

điển

Trong luận văn sử dụng công cụ lập trình bộ điều khiển PID cho S7-200

trên phần mềm lập trình Step-7 MicroWin để cài đặt luật điều khiển (3.5) cho lò

điện trở.

Để lập trình PID cho S7-200 cũng có thể sử dụng WIZARD để lập trình

Instruction Wizard sẽ cho phép người dùng dễ dàng cấu hình các thao tác phức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

tạp một cách nhanh chóng. Người dùng sẽ có một loạt các tùy chọn và khai báo

52

thông số do Instruction Wizard yêu cầu. Khi hoàn thành, wizard sẽ tạo mã chương

trình cho cấu hình đã chọn.

Cài đặt công cụ lập trình nhanh như sau :

Hình 4.2. Chọn Mode hoạt động cho Wizard

Hình 4.3. Lựa chọn PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

53 Hình 4.4. Cài đặt các tham số

Tham số cần cài đặt:

Low Range: Gía trị nhiệt độ min của bộ gia nhiệt đã chuyển đổi

High Range: Gía trị nhiệt độ max của bộ gia nhiệt đã chuyển đổi

Gain: Hệ số khuếch đại Kc = 3

Sample Time: Thời gian trích mẫu Ts = 0.5s

Integral Time: Hằng số thời gian tích phân Ti = 10m

Derivative Time: Hằng số thời gian vi phân Td = 0.1m

Loop input options (Scaling) :

Unipolar ứng với tín hiệu vào đơn cực

Bipolar ứng với tín hiệu vào lưỡng cực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Loop output options (Scaling) :

54

Unipolar ứng với tín hiệu ra đơn cực

Bipolar ứng với tín hiệu ra lưỡng cực

Hình 4.5. Lựa chọn dạng tín hiệu vào và ra của PID

Hình 4.6. Cảnh báo giá trị của tín hiệu phản hồi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

55 Hình 4.7 Vùng nhớ Wizard sử dụng để cấu hình PID

Hình 4.8. Đặt tên chương trình mã hóa PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

56

4.2.2. Bước 2: Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Kết nối máy tính với PLC và thực hiện thuật toán tối ưu hóa tham số của PID online.

57 Hình 4.9. Tối ưu hóa tham số PID online

4.2.3. Bước 3: Cập nhật tham số tối ưu.

Kết thúc quá trình tối ưu, có được tham số tối ưu của bộ điều chỉnh PID sử dụng

thuật toán Relay feedback.

Kp=9.404403 Ti=5.808333 Td=1.452083

Chương trình MAIN lập trình cho PLC S7-200:

- Khai báo PID và gọi các chương trình con:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Xuất tín hiệu đầu ra PID ra đối tượng điều khiển:

58

- Phát xung PWM điều khiển quạt hút:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Thay đổi giá trị đặt:

59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Thay đổi giá trị tải

61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Phát xung PWM cho tải (Q0.1)

62

4.3. Kết quả thực nghiệm

Sử dụng công cụ PID Tune control panel để quan sát các tín hiệu BĐK PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

điều khiển thiết bị gia nhiệt.

63 Hình 4.10. Giao diện PID Tune control panel

Hình 4.11. Đáp ứng nhiệt độ hệ thống

- Vùng (1) : Đáp ứng nhiệt độ đầu ra ứng với nhiệt độ đặt là 120℃ ta thấy

độ quá điều chỉnh nhỏ, thời gian quá độ khoảng 5% và thời gian quá độ khoảng

330 giây.

- Vùng (2) : Đáp ứng nhiệt độ đầu ra ứng với nhiệt độ thay đổi từ 120℃

lên 160℃ ta thấy khi cho tín hiệu đặt biến thiên tín hiệu ra bám theo tín hiệu đặt.

- Vùng (3) : Đáp ứng nhiệt độ đầu ra ứng với nhiệt độ 160℃ khi thêm tải

50% tải quạt gió ta thấy nhiệt độ giảm nhưng sau 1 khoảng thời gian tín hiệu ra

bám theo tín hiệu vào.

- Vùng (4) : Đáp ứng nhiệt độ đầu ra ứng với nhiệt độ giảm 160℃ xuống

120ºC ta thấy nhiệt độ giảm nhưng sau 1 khoảng thời gian tín hiệu ra bám theo tín

hiệu vào. Đáp ứng nhiệt độ đầu ra ứng với nhiệt độ thay đổi từ 120℃ xuống 80℃

ta thấy thời gian quá độ xấp xỉ 250s.

Đáp ứng hệ khi có nhiễu tác động

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Tín hiệu nhiệt độ đặt Tref = 80oC

64

Nhiễu

Cho nhiễu tác động ở thời điểm 700s

Hình 4.12. Đáp ứng nhiệt độ hệ khi có nhiễu tác động

Nhận xét: Khi cho nhiễu (quạt) tác động ở thời điểm 700s sau khoảng thời

gian gần 210s tín hiệu ra lại bám tín hiệu vào do hệ điều khiển theo sai lệch.

4.4 Kết luận chương 4

Chương 4 đã trình bày về hệ thống thực nghiệm điều khiển thiết bị gia nhiệt

với bộ điều khiển được thực hiện bởi PLC S7-200 CPU 224 sử dụng kỹ thuật

“relay feedback” để tối ưu hóa tham số điều khiển đã được cài đặt trên PLC S7-

200. Kết quả thực nghiệm điều khiển hệ với các dạng nhiệt độ đặt khác nhau cũng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

như nhiễu tác động đã kiểm chứng bộ điều khiển đã tổng hợp và tối ưu hóa ở trên.

65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Về cơ bản nội dung bản luận văn đáp ứng được mục tiêu đề ra đó là: điều

khiển đối tượng gia nhiệt (mô hình vật lý) đảm bảo chỉ tiêu chất lượng yêu cầu.

Để thực hiện mục tiêu đề ra, luận văn lần lượt giải quyết các vấn đề sau:

- Tìm hiểu về công nghệ của lò điện trở.

- Tìm hiểu về thiết bị gia nhiệt tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động hóa.

- Xây dựng mô hình toán học cho lò điện trở.

- Tổng hợp bộ điều khiển cho lò điện trở.

- Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển.

- Tìm hiểu và lập trình được bộ điều khiển PID và bộ phát xung PWM cho

PLC S7-200.

- Mô phỏng và thực nghiệm.

Qua mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PID với tham số và cấu trúc được

tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng có độ quá điều chỉnh xấp xỉ 5.0%,

thời gian quá độ khoảng 150s, hệ không dao động.

Qua thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển PID với tham số và cấu trúc được

tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng cho chất lượng điều khiển không được

như khi mô phỏng, điều này do mô hình nhận dạng và mô hình thực có sự sai

khác, vì vậy luận văn đã đi thực hiện kỹ thuật tối ưu hóa tham số bộ điều khiển

online, kỹ thuật Relay feedback. Kỹ thuật này đã được cài đặt trong PLC S7-200

và được luận văn sử dụng. Các kết quả cho thấy chất lượng điều khiển đáp ứng

được yêu cầu điều khiển với thiết bị gia nhiệt là một hệ điều khiển quá trình có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

quán tính lớn.

66

Ngoài ra, Hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt thiết kế có đặc điểm như

- Khi thêm tải hoặc bớt tải người dùng đã có thể thay đổi được nhiều giá trị

tải khác nhau.

- Khi điều chỉnh giảm nhiệt độ đã rút ngắn được thời gian quá độ do hệ

thống có thiết bị để điều khiển để xả nhiệt.

Kiến nghị

Tiếp tục nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển nâng cao vào điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

mô hình vật lý thiết bị gia nhiệt.

67

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học

Kỹ thuật, 2010

[2] Nguyễn Doãn Phước - Phan Xuân Minh, Nhận dạng hệ thống điều khiển,

NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2005

[3] Nguyễn Doãn Phước - Phan Xuân Minh - Vũ Việt Hà, Tự động hóa với

SIMATIC S7-200, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2007

[4] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB và SIMULINK dành cho kỹ sư điều

khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2006

[5] Trần Đức Quân, Ứng dụng thư viện ArduinoIO phần mềm Matlab trong

hệ thống điều khiển tự động, Kỷ yếu hội nghị khoa học trẻ Đại học Thái Nguyên

[6] Åström, K. J. and T. Hägglund (1988), Automatic tuning of PID

lần thứ 3, 2016, trang 68 – 75

[7] Stephen Hornsey, A Review of Relay Auto-tuning Methods for the Tuning of

PID-type Controllers, Journal Archive, Volume 5 Issue 2

controllers, NC: Instrument Society of America

[8] Nguyễn Thị Phương Chi, Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển sử dụng

modul tương tự của PLC cho đối tượng gia nhiệt, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ngành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa,

Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ứng dụng cho lò điện trở

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là điều khiển lò điện trở (mô hình vật lý) đảm bảo chỉ tiêu chất lượng yêu cầu. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung luận văn này.

VƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG

DỤNG CHO LÒ ĐIỆN TRỞ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

i

VƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG CHO LÒ ĐIỆN TRỞ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TRƯỞNG KHOA

TS. NGUYỄN THỊ THANH NGA

PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN - 2019

ii

Vương Xuân Trường

iii

iv

v

vi

vii

viii

ix

x

xi

xii

1

Hình 1. 1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở

2

3

4

5

Hình 1. 2. Các loại lò điện trở

6

Hình 1. 3. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thủy ngân

7

8

Hình 1. 4 Lò điện trở PU-1

9

Hình 1. 5. Dạng điện áp ra của Bộ biến đổi với điện áp ra là 9V

Hình 1. 6 Dạng điện áp ra của Bộ biến đổi với điện áp ra là 2.45V

10

Hình 1.7. Điện trở và quạt gió của lò điện trở

11

Hình 1.8. Mạch khuếch đại tín hiệu nhiệt độ và mạch lực bộ biến đổi

Hình 1.9. Mạch phát xung điều khiển triac

12

Hình 1.10. Cảm biến đo nhiệt độ

13

14

Bộ điều khiển

Đối tượng điều khiển

Hình 2.1. Cấu trúc Điều khiển theo nguyên tắc phản hồi

15

16

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý thu thập dữ liệu lò gia nhiệt

Hình 2.3 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng

17

Hình 2.4. Dữ liệu điện áp (volt)

18

Hình 2.5. Dữ liệu nhiệt độ (oC)

19

𝐺(𝑠) =

=

𝐺(𝑧) =

= 𝐾

20

Hình 2.6. Giao diện công cụ System Identification Tool

21

Hình 2.7 Chọn nhập dữ liệu trong miền thời gian

Hình 2.8 Nhập dữ liệu nhận dạng mô hình

22

Hình 2.9 Đưa dữ liệu vào Working data và Validation Data

Hình 2.10. Hình vẽ của bộ dữ liệu theo thời gian

23