Đang tải... (xem toàn văn)
Hàm truyền của lò : để áp dụng cho hệ tuyến tính ta lấy khai triển Taylor của hàm eLs, hàm truyền trở nên . Từ thực nghiệm, ta có các thông số sau : T=450 s, L=60s, K=nhiệt độ xác lập phần trăm công suất Thực hiện hiệu chỉnh PID, từ hàm truyền GPID(s) = Kp(1 + 1TiS+TdS) = Kp + KiS + KdSVới Kp=1.2TL = 9 Ti=2L=120, Ki=0.075Td=L2=30, Kd=270Ta có : GPID = 9 ( 1+1120S+30S)Cho rằng hệ thống không ổn định và có thông số Kr, Ki, Kd thay đổi trong khoảng KK’Kr=94K’r=94Ki=0.0750.03K’i=0.0750.03Kd=27030K’d=27030Từ đó : Krmax = 13, Krmin = 5 5 Kr 13Kdmax =300, Kdmin = 240 240 Kd 300
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT PHẦN 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG GVHD : BÙI THANH HUYỀN &103& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT CHƯƠNG 1 LÒ NHIỆT, XÁC ĐỊNH HÀM TRUYỀN VÀ THÔNG SỐ CHO HÀM PID Hàm truyền của lò : ( ) 1+ = − Ts Ke sH Ls để áp dụng cho hệ tuyến tính ta lấy khai triển Taylor của hàm e -Ls , hàm truyền trở nên ( ) )1)(1( ++ = LsTs K sH . Từ thực nghiệm, ta có các thông số sau : T=450 s, L=60s, K=nhiệt độ xác lập / phần trăm công suất Thực hiện hiệu chỉnh PID, từ hàm truyền G PID (s) = Kp(1 + 1/TiS+TdS) = Kp + Ki/S + KdS Với Kp=1.2T/L = 9 Ti=2L=120, Ki=0.075 Td=L/2=30, Kd=270 Ta có : G PID = 9 ( 1+1/120S+30S) Cho rằng hệ thống không ổn định và có thông số Kr, Ki, Kd thay đổi trong khoảng K ∆ K’ Kr=9 4 K’r=9±4 Ki=0.075 0.03 K’i=0.075±0.03 Kd=270 30 K’d=270±30 Từ đó : Kr max = 13, Kr min = 5 ⇒ 5 ≤ Kr ≤ 13 Kd max =300, Kd min = 240⇒ 240 ≤ Kd ≤ 300 Theo phương pháp Zhao Tomizuka và Isaka (xem phần 2, chương 3 : hệ mờ lai), giá trị Kr và Kd được chuẩn hóa thành minmax min minmax min , KdKd KdKd Kd KrKr KrKr Kr chch − − = − − = (1) mà 0 ≤ Kr ch ≤ 1 ; 0 ≤ Kd ch ≤ 1 từ (1) ⇒ Kr = 8 Kr ch + Kr min = 8 Kr ch + 5 Kd = 60Kd cj + Kd min = 60Kd cj + 240 Đây là những giá trị thực tế mà ta sẽ chuyển đổi về từ ngõ ra của bộ xử lý mờ để đưa vào hàm PID của PLC thực hiện chỉnh định GVHD : BÙI THANH HUYỀN &104& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT Chương 3 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB 3.1. Giới thiệu về Matlab : Matlab là một ngôn ngữ cực kỳ mạnh trong tính tốn và chạy mô phỏng về đồ họa, ở đây ta chỉ ứng dụng Simulink để chạy mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí, từ đó ta có cơ sở để so sánh sự khác nhau giữa lý thuyết và thiết kế. Simulink là một công cụ (Tool) trực quan của phần mềm Matlab dùng để mô phỏng hệ thống điều khiển tự động. Simulink gồm những khối trong cửa sổ đồ họa được định nghĩa bằng những ngõ vào/ra và quan hệ của chúng trong miền thời gian tương ứng với các phần tử cơ bản trong hệ thống tự động. Người dùng có thể kéo thả (drag and drop) các khối này giữa các cửa sổ, dùng chuột nối các ngõ vào ra để tạo mô hình của hệ thống cần khảo sát. Như vậy Simulink mô tả hệ thống dưới dạng sơ đồ khối, cho phép ta xem đáp ứng của hệ thống theo thời gian. 3.2. Đầu vào là hàm nấc : đối với hệ thống trên, giá trị đặt là hàm nấc, đáp ứng ngõ ra có vọt lố POT = (118-100)*100/100= 18 % Đặc điểm của mạch này là tuy có vọt lố nhưng hệ thống nhanh chóng xác lập sau một lần qua điểm đặt và đặc tuyến chạy thẳng theo điểm đặt với sai số 0%, chứng tỏ bộ điều khiển hoạt động tốt (xem hình minh họa ) 3.3. Đầu vào là hàm nấc nhưng đã được làm trễ lại (làm mềm trị đặt ) : GVHD : BÙI THANH HUYỀN &105& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT Ý nghĩa của việc làm mềm giá trị đặt : Do khâu vi phân có tác dụng làm trễ đáp ứng ngõ ra nên ta ứng dụng nó làm cho giá trị đặt lúc này không phải là một hàm nấc nữa mà nó tăng giá trị lên từ từ bám theo hàm nấc, thời gian đạt được giá trị đặt phụ thuộc vào hằng số tích phân Ti, còn khâu PID ngay sau hàm Sum trong sơ đồ chỉ có tác dụng như khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại bằng 1 (Xem hình minh họa giá trị đặêt đã được làm mềm và đáp ứng ngõ ra trong trường hợp này ) GVHD : BÙI THANH HUYỀN &106& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LỊ NHIỆT CHƯƠNG 2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 2.1. Giới thiệu hệ thống : 1.Lưu đồ : 2. Giải thích : 1- Giao tiếp giữa PLC và PC : Tín hiệu từ PC thơng qua phần mềm WinCC (Windows Control Center ) truyền xuống PLC thực hiện điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu. Ta có thể ra lệnh cho PLC bắt đầu thực hiện chương trình, bật quạt gây nhiễu kiểm tra đáp ứng của lò khi có nhiễu xảy ra. Đồng thời chương trình điều khiển cũng có thể giám sát hoạt động của hệ thống như trạng thái của PLC, trạng thái của lò, trạng thái của quạt đang chạy hay đang tắt. Và hiển thị lên màn hình điều khiển và thu thập dữ liệu đang được xử lý như nhiệt độ hiện hành, sai lệch ET và tất cả các giá trị đang được PLC xử lý (điều này phụ thuộc vào số thẻ (tag) mà WinCC có thể quản lý ), các giá trị này được thu thập lại dưới dạng bảng (table) hay dạng đồ thị (trend) hoặc cả hai. GVHD : BÙI THANH HUYỀN &107& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM Quạt gây nhiễu Lò nhiệt PLC điều khiển Công suất Cảm biến SCADA PC Module analog LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT 2- Cảm biến và PLC : Cảm biến sử dụng trong luận văn là Thermocouple loại K (có độ nhạy nhiệt là 40µV/°C ). Cảm biến Thermocouple TC ghi nhận giá trị nhiệt độ từ lò nhiệt và đưa ra tín hiệu điện áp V cở (mV) V = S(T d – T a ) = S.T d – S.T a Với Td là nhiệt độ cần đo. Ta là nhiệt độ môi trường. S là độ nhạy của thermocouple Như vậy tín hiệu ra từ TC bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường mà ta gọi là đầu tự do, khi xử lý tín hiệu cần phải có biện pháp trừ khử giá trị này. Thông thường thì ta phải làm mạch bù nhiệt để loại bỏ sai số, tuy nhiên, do sử dụng PLC S7- 300 với module Analog SM331 AI 8x12bit, đây là molule chuyên dụng có khả năng nhận trực tiếp tín hiệu từ TC mà không cần phải qua bộ khuếch đại, bù nhiệt cho đầu tự do và tuyến tính hóa bằng phần mềm đặc tuyến ngõ ra của TC Tín hiệu này được đổi tầm khi đưa vào PLC và kết quả thu được là giá trị thực của nhiệt độ. 3- Lò nhiệt và PLC : PLC nhận tín hiệu từ TC, chương trình điều khiển so sánh nhiệt độ hiện tại với trị đặt và đưa ra quyết định điều khiển (xem phần giải thuật điều khiển của PLC ) đóng hay ngắt lò thông qua phần công suất là Opto TriAc có sơ đồ như hình vẽ GVHD : BÙI THANH HUYỀN &108& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM I/O power supply OP-TO TRIAC I/O Unit của PLC 220VAC V 0G 1 2 Lò nhiệt LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT Mục đích của khối mạch công suất là cách ly điều khiển giữa thiết bị chấp hành và PLC nhằm tránh rủi ro có thể xảy ra do hỏng hóc ở lò nhiệt làm hư hại đến PLC 4- Quạt gây nhiễu : Có thể nói một cách không quá đáng rằng đây chính là ưu điểm của phương pháp mờ lai, đối với phương pháp điều khiển PID thông thường thì khi có nhiễu xảy ra hay hệ thống bị thay đổi đặc tính, ta phải thiết lập lại thông số PID thì hệ mới trở về trạng thái xác lập, còn trong luận văn này, khi bật quạt gây nhiễu để làm thay đổi đặc tính lò nhiệt, hệ bị mất ổn định nhưng sau đó nhanh chóng tự động trở về trạng thái xác lập, xem hình minh họa GVHD : BÙI THANH HUYỀN &109& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM Hệ thống đang ổn định Hệ thống mất ổn định LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT Hình minh họa đáp ứng của lò nhiệt khi có nhiễu Từ hình minh họa, ta thấy lò đang ổn định ở nhiệt độ 50 o C, khi có tác động của nhiễu, hệ thống bị mất ổn định, vọt lố hơi cao là do ở nhiệt độ thấp, quán tính của lò lớn, trường hợp tương tự khi điều khiển lò ở nhiệt độ thấp. Sau đó lò đã trở về trạng thái ổn định GVHD : BÙI THANH HUYỀN &110& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LỊ NHIỆT 2.2. Chương trình chính : 1.Lưu đồ : 2. Giải thích lưu đồ giải thuật điều khiển : GVHD : BÙI THANH HUYỀN &111& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM Bắt đầu Nhiệt độ đặt nhập thông số PID Đọc nhiệt độ lò lệnh chạy PLC N Y Hiệu chỉnh PID Xử lý mờ thông số PID Điều rộng xung Hệ thống bình thường ? N Y Điều khiển lò Kết thúc Cảm biến đứt ? N Y Điện trở đứt ? N Y Báo động LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT 1- Khi nạp chương trình từ máy tính xuống, chuyển PLC sang chế độ RUN, nó sẽ đọc nhiệt độ đặt về từ máy tính thông qua phần mềm WinCC, thông số của bộ PID, 2- Nếu có lệnh chạy PLC từ WinCC thì chường trình điều khiển mới bắt đầu hoạt động, còn không thì nó ở trạng thái chờ Có lệnh chạy, PLC sẽ kiểm tra tình trạng của lò có bình thường hay không, tức là kiểm tra cảm biến hay điện trở lò có bị đứt ?, nếu có nó sẽ ra thông báo lỗi và dừng chương trình 3- Đọc nhiệt độ lò từ TC, giá trị này có kiểu định dạng Integer, đã được đổi thang và hiển thị giá trị thực của lò. 4- Bộ điều khiển thực hiện xử lý mờ tham số PID được thực hiện do module mờ FB30 được tích hợp trong PLC, do lò nhiệt cố định nên trong lần đọc đầu tiên của PLC, nó sẽ lấy tham số mặc định được người lập trình đưa vào Tiến hành hiệu chỉnh tham số PID thông qua module FB41, kết quả đưa trực tiếp vào module điều rộng xung FB43 (xem phần 1, chương 5) 5- Xuất lệnh điều khiển lò, tùy thuộc vào giá trị ngõ ra của bộ điều rộng xung mà trạng thái của lò được đóng hay mở. 6- Kết thúc một vòng điều khiển GVHD : BÙI THANH HUYỀN &112& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM [...]... nên hồn thiện hơn là : Ứng dụng PLC điều khiển lò nhiệt nhiều điểm GVHD : BÙI THANH HUYỀN &122& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LỊ NHIỆT hay nối mạng lò nhiệt Điều này phù hợp với thực tế, chẳng ai đem PLC chỉ để điều khiển một cái lò nhiệt duy nhất, mà phải là hệ thống lò Cuối cùng, thơng qua đối tượng là lò nhiệt, một lý thuyết điều khiển khá mới : Chỉnh định mờ tham... điều khiển từ ngõ vào digital của PLC mà khơng cần máy tính - Điều khiển quạt : khi đã xác lập, muốn kiểm tra đáp ứng của lò khi có nhiễu, ta điều khiển bật hay tắt quạt - Thu thập dữ liệu : đây là màn hình giúp ta có thể giám sát nhiệt độ của lò và đồ thị hay bảng dữ liệu đang xảy ra của đối tượng cần giám sát GVHD : BÙI THANH HUYỀN &116& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - ĐIỀU KHIỂN & GIÁM... chỉnh PID Kết thúc GVHD : BÙI THANH HUYỀN &114& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LỊ NHIỆT PHẦN 4 KẾT QUẢ THI CƠNG GVHD : BÙI THANH HUYỀN &115& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LỊ NHIỆT CHƯƠNG 1 GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 4.1 Giao diện chương trình điều khiển viết bằng WinCC : 1- Chú thích giao diện : - Trị đặt : từ màn hình giao diện ta có thể... NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LỊ NHIỆT Mức cao : ET2 = (50.5-50)*100/50 = 1% Trung bình sai số : ET = (ET1 +ET2)/2 = (1+0.2)/2 = 0.6 % - rất tốt Ta có nhận xét ở nhiệt độ thấp, do qn tính của lò lớn nên xảy ra vọt lố lớn, nếu muốn chính xác, ta phải đặt lại tham số của bộ PID, điều này khơng còn xảy ra khi điều khiển ở nhiệt độ cao 2- Nhiệt độ đặt là 70 oC : POT Thời gian... được u cầu điều khiển hệ thống lò nhiệt cơng nghiệp Từ đó cũng cố thêm lý thuyết điều khiển mới : PID chỉnh định tham số bằng phương pháp mờ lai, có ý nghĩa lớn khi ứng dụng vào thực tế như cải tiến các hệ thống điều khiển kinh điển bằng PID hay tối ưu hệ mờ thuần túy Đánh giá hồn thành nhiệm vụ được giao 2 Hướng phát triển mới : Đối với đơí tượng lò nhiệt : tăng cường khả năng đáp ứng ở tầm nhiệt độ... ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LỊ NHIỆT Báo động và báo cáo : các trường hơp hệ thống xảy ra sự cố thì chương trình sẽ đưa ra các cảnh báo và báo cáo sau buổi làm việc Sau khi nhập trị đặt và ra lệnh cho hệ thống hoạt động, PLC kiểm tra điều kiện vận hành và bắt đầu điều khiển lò nhiệt nếu khơng có sự cố, màn hình giao diện giám sát hiển thị trạng thái PLC, trạng thái quạt gây nhiễu, trạng thái lò, theo ngun tắc... Tomizuka và Isaka được kiểm định và cho kết quả tốt Từ đây củng cố một hướng phát triển mới trong điều khiển học và có thể ứng dụng tốt hơn trong thực tế : tối ưu các hệ thống điều khiển thuần túy bằng mờ hay PID GVHD : BÙI THANH HUYỀN &123& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LỊ NHIỆT CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1 Đánh giá kết quả thực hiện luận văn : Luận... dạng bảng : * Nhận xét chung : Kết quả điều khiển tốt ở nhiệt độ cao, vọt lố thấp, thời gian xác lập chấp nhận được, kết quả tương tự khi cho điều khiển tổng hợp, thay đổi nhiệt độ khi hệ thống đã xác lập So sánh kết quả thực nghiệm với mơ phỏng bằng Matlab ta thấy lý thuyết được kiểm chứng một cách thuyết phục, chỉ có điều thời gian xác lập khơng giống nhau, do lò nhiệt có qn tính lớn… Phần làm mềm trị... SÁT LỊ NHIỆT CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ THỰC THI 1- Nhiệt độ đặt là 50oC : GVHD : BÙI THANH HUYỀN &118& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LỊ NHIỆT a Dạng đồ thị : POT Thời gian xác lập b Dạng bảng : * Từ đồ thị ta thấy - Độ vọt lố : POT = (72-50)*100/50 = 44 % -Thời gian xác lập theo chuẩn 2% : txác lập = 52-41 = 11 phút Đặc tuyến điều khiển rất tốt, đáp ứng chỉ qua điểm đặt có... = 43-34 = 9 phút 4- Nhiệt độ đặt là 120 o C : POT Thời gian xác lập GVHD : BÙI THANH HUYỀN &121& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LỊ NHIỆT Từ đồ thị, ta thấy : * Độ vọt lố : POT = (130.5 – 120)*100/120 = 8.75 % * Thời gian xác lập theo chuẩn 5% : Txác lập 5% = 27-21 = 6 phút * Thời gian xác lập theo chuẩn 2% : Txác lập 2% = 29-21 = 8 phút * Khi lò nhiệt hồn tồn xác lập, . NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT PHẦN 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG GVHD : BÙI THANH HUYỀN &103& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT CHƯƠNG. TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT PHẦN 4 KẾT QUẢ THI CÔNG GVHD : BÙI THANH HUYỀN &115& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT CHƯƠNG. & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ THỰC THI 1- Nhiệt độ đặt là 50 o C : GVHD : BÙI THANH HUYỀN &118& SVTH : NGUYỄN MINH TÂM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT