Luận văn Nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội – 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 8520114.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng Hà Nội – 2019
3. 1 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP Trần Thị Thu Trang Khóa QH-2016-I, ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Tóm tắt luận văn thạc sĩ Ngày nay, bộ điều khiển PID đóng vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt trong điều khiển phản hồi.Mô–đun kiểm soát nhiệt độ chất lỏng RYC-TAG của hãng EDIBON được thiết kế cùng bộ điều khiển PID cho phép người dùng đo đạc nhiệt độ chất lỏng, điều khiển hoạt động mô– đun thông qua phần mềm RYC. Để tính toán các thông số 퐾푃, , của bộ điều khiển PID đưa vào hệ thống để tiến hành điều khiển, luận văn sử dụng phần mềm Matlab. Luận văn tập trung nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ chất lỏng. Việc đo đạc nhiệt độ và tính toán các thông số dựa trên một số tài liệu được cung cấp từ nhà sản xuất và quá trình thực nghiệm, từ đó kiểm chứng độ chính xác của thiết bị đo cũng như tác dụng của bộ điều khiển PID trong quá trình điều khiển nhiệt độ. Từ khóa: RYC-TAG, MATLAB, RYC Software, PID.
4. 2 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2019 Sinh viên thực hiện Trần Thị Thu Trang
5. 3 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng người đã hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ, giúp em hoàn thành luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô khoa Cơ học kỹ thuật & Tự động hóa, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, cung cấp cho em những kiến thức quý giá và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập tại trường. Mặc dù đã hết sức cố gắng song luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong thầy cô cùng toàn thể bạn bè đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin kính chúc thầy cô sức khỏe, thành công trong công việc đào tạo những thế hệ tri thức tương lai. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2019 Sinh viên thực hiện Trần Thị Thu Trang
6. 4 MỤC LỤC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP ...................................... 1 LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 2 LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 3 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ..................................................... 6 DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................... 8 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 10 1. CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT PID ............................................................................ 12 1.1. Khái quát bộ điều khiển PID ............................................................................ 12 1.1.1. Điều khiển tỷ lệ ......................................................................................... 12 1.1.1.1. Hoạt động tỷ lệ ................................................................................... 12 1.1.1.2. Đáp ứng của hệ thống theo điều khiển tỷ lệ ....................................... 15 1.1.1.3. Các ứng dụng của điều khiển theo tỷ lệ ............................................. 19 1.1.2. Điều khiển tích phân ................................................................................. 22 1.1.2.1. Điều khiển thả nổi .............................................................................. 22 1.1.2.2. Hoạt động tích phân ........................................................................... 22 1.1.2.3. Đáp ứng của hệ thống điều khiển tích phân ....................................... 23 1.1.2.4. Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân .............................................. 24 1.1.2.5. Đáp ứng của hệ thống điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân .......... 26 1.1.3. Điều khiển vi phân .................................................................................... 29 1.1.3.1. Hoạt động vi phân .............................................................................. 29 1.1.3.2. Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân ................................................ 30 1.2. Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID ................................... 33 1.2.1. Phương pháp Ziegler – Nichols ................................................................ 33 1.2.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick.................................................. 35 1.2.3. Phương pháp lấy giá trị bằng phần mềm................................................... 37 1.3. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển ........................................................ 37 1.3.1. Sai số xác lập ............................................................................................. 37
7. 5 1.3.2. Đáp ứng quá độ ......................................................................................... 38 2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT MÔ HÌNH VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ NƯỚC .................................................................................. 40 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bị điều khiển nhiệt độ RYC-TAG ........ 40 2.1.1. Cấu tạo....................................................................................................... 40 2.1.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 42 2.2. Mô–đun RYC ................................................................................................... 44 2.3. Phần mềm RYC ............................................................................................... 48 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH ĐO ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƯỚC .............................................................. 50 3.1. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 50 3.2. Mô–đun RYC ................................................................................................... 50 3.2.1. Đáp ứng của hệ thống bậc nhất trong miền thời gian ............................... 50 3.2.2. Cấu trúc bộ điều khiển PID ....................................................................... 53 3.2.3. Điều khiển PID của hệ thống bậc nhất ...................................................... 58 3.3. Mô–đun RYC-TAG ......................................................................................... 60 3.3.1. Mô hình toán học của hệ thống trao đổi nhiệt ........................................... 60 3.3.2. Xác định đặc tính mô–đun điều khiển nhiệt độ dòng chất lỏng ................ 63 3.3.3. Mô phỏng trong Matlab ............................................................................ 65 3.3.3.1. Giới thiệu phần mềm Matlab .............................................................. 65 3.3.3.2. Sơ đồ mô phỏng .................................................................................. 67 3.3.3.3. Mô phỏng với các giá trị 푲푷, 푻푰, 푻푫 ................................................... 68 3.3.4. Điều khiển nhiệt độ dòng chảy mô–đun RYC-TAG bằng PID ................ 70 4. KẾT LUẬN............................................................................................................. 73 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 74
8. 6 DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân MATLAB MATrix LABoratory Phần mềm lập trình và tính toán B.P BandPass Dải GUI Graphical User Interface Giao diện đồ họa người dùng CPU Central Processing Unit Bộ vi xử lý trung tâm ST Sensor Temperature Cảm biến nhiệt độ AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LAG/LEAD Hệ thống bù Cold Fluid Dòng nước lạnh Hot Fluid Dòng nước nóng 퐾푃 Hệ số tỷ lệ Hệ số tích phân Hệ số vi phân IN Đầu vào OUT Đầu ra A Khu vực trao đổi nhiệt , Nhiệt dung riêng chất lỏng lạnh Nhiệt dung riêng chất lỏng nóng , Tốc độ dòng chảy chất lỏng lạnh 퐹 Tốc độ dòng chảy chất lỏng nóng 퐹 Khối lượng chất lỏng lạnh ̇ ̇ Khối lượng chất lỏng nóng Nhiệt độ đầu ra chất lỏng lạnh 0 Nhiệt độ đầu vào chất lỏng lạnh Nhiệt độ đầu ra chất lỏng nóng 0 Nhiệt độ đầu vào chất lỏng nóng U Hệ số truyền nhiệt
9. 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất ................... 34 Bảng 1.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai ..................... 35 Bảng 1.3 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 1 ............... 36 Bảng 1.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 2 ............... 36 Bảng 1.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 3 ............... 36 Bảng 1.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick 4 ............... 37
10. 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Điều khiển theo tỷ lệ ....................................................................................... 12 Hình 1.2 Thay đổi độ nghiêng đường hoạt động bộ điều khiển theo tỷ lệ .................... 13 Hình 1.3 Sự biến thiên của dải tỷ lệ .............................................................................. 14 Hình 1.4 Đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ ............................................................. 15 Hình 1.5 Điều khiển tự động nhiệt độ đầu ra chất lỏng trong bộ trao đổi nhiệt[10, pp.28] ............................................................................................................................. 15 Hình 1.6 Đường tải quá trình ......................................................................................... 16 Hình 1.7 Các điều kiện hoạt động hệ thống theo số liệu thiết kế .................................. 16 Hình 1.8 Hệ thống điều khiển theo tỷ lệ ........................................................................ 17 Hình 1.9 Sự biến thiên tải trong quá trình ..................................................................... 18 Hình 1.10 Điều chỉnh thủ công đối với biến thiên tải ................................................... 18 Hình 1.11 Chuyển dịch pha giữa biến và hoạt động hiệu chỉnh ................................... 20 Hình 1.12 Hệ thống được điều khiển với độ trễ động học đáng kể ............................... 20 Hình 1.13 Đồ thị dao động của biến điều khiển ............................................................ 21 Hình 1.14 Đáp ứng của bộ điều khiển tích phân ........................................................... 23 Hình 1.15 Đáp ứng quá trình bằng điều khiển tích phân .............................................. 24 Hình 1.16 Đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân .............................. 25 Hình 1.17 Đáp ứng quá trình với điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân .................... 27 Hình 1.18 Tác động tỷ lệ đặt lại đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ kết hợp tích phân . 28 Hình 1.19 Tác động biên độ dải tỷ lệ đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ + tích phân ... 28 Hình 1.20 Đáp ứng của bộ điều khiển vi phân .............................................................. 30 Hình 1.21 Sự đáp ứng bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân ................................... 31 Hình 1.22 Thời gian tỷ lệ ............................................................................................... 32 Hình 1.23 Tác động của hoạt động vi phân ................................................................... 33 Hình 1.24 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ................................................................ 34 Hình 1.25 Xác định hằng số khuyếch đại tới hạn .......................................................... 34 Hình 1.26 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k= 푡ℎ .............................................................. 35 Hình 1.27 Đáp ứng nấc của hệ thích hợp theo phương pháp Chien – Hrones – Reswick ....................................................................................................................................... 35 Hình 1.28 Hệ thống hồi tiếp âm .................................................................................... 37 Hình 1.29 Sai số xác lập ................................................................................................ 38 Hình 1.30 Hiện tượng vọt lố .......................................................................................... 38 Hình 1.31 Độ vọt lố ....................................................................................................... 38 Hình 1.32 Thời gian quá độ .......................................................................................... 39 Hình 1.33 Thời gian lên ................................................................................................. 39 Hình 2.1 Mô–đun RYC-TAG [12, pp.2] ....................................................................... 40 Hình 2.2 Mô–đun kiểm soát nhiệt độ chất lỏng ............................................................ 41 Hình 2.3 Cấu tạo hộp giao diện điều khiển ................................................................... 42 Hình 2.4 Mô hình dòng trao đổi nhiệt ........................................................................... 43 Hình 2.5 Mô–đun RYC [11, pp.2] ................................................................................. 44 Hình 2.6 Mô–đun tín hiệu tham chiếu ........................................................................... 45 Hình 2.7 Mô–đun điều khiển PID và LAG/LEAD ....................................................... 46 Hình 2.8 Mô–đun hệ thống bậc một .............................................................................. 46