Doituongnhiet Do An Bve

THIẾT KẾ HỆ THỐNG 

§Ò Tµi:X©y dùng m« h×nh ®èi t­îng vµ thiÕt kÕ bé ®iều khiÓn cho ®èi t­îng nhiÖt. Gi¸o viªn h­íng dÉn: Lê Minh Kiên Sinh viªn thùc hiÖn : Nguyễn Văn Quỳnh Nguyễn Hoài Trung Đặng Mạnh Tùng Phạm Văn Hiệu Líp

11/27/09

:ĐKCN4 1

Tãm t¾t b¸o c¸o Báo cáo gồm: +PhÇn 1 : X©y dùng m« h×nh to¸n häc cho ®èi t­îng nhiÖt. +PhÇn 2 : C¸c ph­¬ng ph¸p thiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn cho đối tượng nhiệt. *Nguyên lý chung. *Thiết kế bộ điều khiển PI cho đối tượng nhiệt . -Phương pháp Minimum IEA-Shinskey: -Phương pháp tối ưu modul : *Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng nhiệt. -Phương pháp Halman. -Phương pháp tổng hợp trực tiếp(Direct SyntheisDS). -Phương pháp tối ưu đối xứng. -Phương pháp Ziegler-Nichol. -Phương pháp hằng số thời gian tổng kuln -Các phương pháp thực nghiệm khác.

2

PhÇn 1: X©y dùng m« h×nh to¸n häc cho ®èi t­îng nhiÖt



Trong thực tế có rất nhiều phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển.Ta có thể thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng dưới dạng hàm truyền,không gian trạng thái…Nhưng phương pháp hay được sử dụng nhất đó là phương pháp thiết kế bộ điều khiển sử dụng hàm truyền đạt của đối tượng.Vì những phương pháp này thường đơn giản dễ thực hiện và có độ chính xác cao. Những phương pháp dưới đây là phương pháp điều chỉnh trong công nghiệp.

11/27/09

3

X©y dùng m« h×nh to¸n häc cho ®èi t­îng nhiÖt

*Nh­ ta ®· biÕt ®Ó cã thÓ ®iªu khiÓn ®­îc mét ®èi t­îng m c¸ch chÝnh x¸c theo yªu cÇu cu¶ nhµ c«ng nghÖ th× nhiÖm vô ®Çu tiªn cña ng­êi lµm ®iªï khiÓn lµ x©y dùng m« h×nh to¸n häc cho ®èi t­¬ng ®ã. *ý nghÜa cña m« h×nh to¸n häc: +Thiªt kÕ cÊu tróc vµ s¸ch l­îc ®iÒu khiÓn. +TÝnh to¸n vµ chØnh ®Þnh c¸c tham sè cña bé ®iÒu kh +x¸c ®Þnh ®iÓm lµm viÖc tèi ­u cho hÖ thèng.

11/27/09

4

X©y dùng m« h×nh to¸n häc cho ®èi t­ îng nhiÖt

Cã 3 ph­¬ng ph¸p c¬ b¶n ®ể x©y dùng m« h×nh to¸n häc Cña ®èi t­îng: +Ph­¬ng ph¸p thùc nghiÖm. +Ph­¬ng ph¸p lý thuyÕt. +Ph­¬ng ph¸p kÕt hîp. ë ®©y ta l­a chän ph­¬ng ph¸p thùc nghiÖm.ph­¬ng ph¸p ®­îc thùc hiÖn theo 2 c¸ch: +­íc l­îng m« h×nh. +NhËn d¹ng m« h×nh. Vµ ta chØ cÇn dõng l¹i ë viÖc ø¬c l­îng m« h×nh.§©y nh­ lµ ph­¬ng ph¸p ®¬n gi¶n ®Ó x©y dùng. 11/27/09

5

X©y dùng m« h×nh to¸n häc cho ®èi t­ îng nhiÖt Đặc tính thực nghiệm của đối tượng có dạng : Nhiệt độ

δ

(t)

K

δB

Thời gian

a L

T

δA

δ(t3)

t3

t7 6

X©y dùng m« h×nh to¸n häc cho ®èi t­îng nhiÖt Ta có thể xấp xỉ đặc tính đó bởi hàm truyền :

7

Môc ®Ých thiÕt kÕ: §¶m b¶o chØ tiªu chÊt l­îng hÖ thèng nh­: - §¶m b¶o tÝnh æn ®Þnh cña hÖ thèng - §¶m b¶o chÊt l­îng tèt nh­ thêi gian qu¸ ®é vµ ®é qu¸ ®iÒu chØnh



11/27/09

8

PhÇn2: C¸c ph­¬ng ph¸p thiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn cho đối tượng nhiệt I.Nguyên lý chung: Cấu trúc điều khiển sẽ được thiết kế theo sơ đồ sau:

Trong đó :  W* là tín hiệu đặt.  e là sai lệch điều khiển : e=w*-y .  u là tín hiệu điều khiển.  y là tín hiệu đầu ra.  G (s) là bộ điều khiển. c 

11/27/09

Gdt (s) là đối tượng nhiệt cần điều khiển

9

Trong thực tế bộ điều khiển được sử dụng ở đây sẽ là bộ điều khiển PI hoặc PID.Nhưng đối tượng nhiệt là đối tượng mà có thời gian quán tính tương đối lớn ,do đó nếu ta sử dụng chỉ mình bộ điều khiển PI không thì sẽ không mang lại hiệu quả mong muốn:Nếu ta tăng hệ số khuếch đại của bộ điều khiển lên thì thời gian quá độ sẽ nhanh lên nhưng bù lại lượng quá điều chỉnh sẽ lớn lên rất nhiều,nếu ta giảm hệ số khuếch đại đi và tăng hằng số tích phân lên thì lượng quá điều chỉnh sẽ giảm nhưng thời gian quá độ sẽ quá dài.Vì vậy ta cần sử dụng thêm thành phần D để tăng thời gian quá độ mà vẫn đảm bảo là lượng quá điều chỉnh trong giới hạn cho phép. Ta lấy ví dụ về đối tượng nhiệt:



Để thực hiện việc mô phỏng kết quả của bộ điều khiển điều chỉnh được dễ dàng ,ta sẽ xấp xỉ khâu SOSPD(second order system plus time delay) thành khâu TOS(third order system):



10

11/27/09

11

II.Thiết kế bộ điều khiển PI cho đối tượng nhiệt: Bộ điều khiển PI có dạng tổng quát:

Để thiết kế bộ điều khiển PI cho đối tượng nhiệt ta sử dụng 2 phương pháp: Phương pháp Minimum IEA-Shinskey Phương pháp tối ưu modul 11/27/09

12

1. Ph­¬ng ph¸p Minimum IEA-Shinskey

11/27/09

13

Mô phỏng bằng simulink:

Nhận xét: -Không còn sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị đầu ra -Thời gian quá độ đã giảm -Lượng quá điều chỉnh còn lớn. 14

2.Ph­¬ng ph¸p tèi ­u modul Thích hợp với đối tượng điều khiển có thể đưa về dạng :

Luật điều khiển PI: Với đối tượng điều khiển :

Ta có:

11/27/09

15

Kết quả mô phỏng

11/27/09

16

Nhận xét: Nhược điểm mà chỉ sử dụng một bộ điều khiển PI mang lại:Thời gian qúa độ giảm nhưng đồng nghĩa với việc là lượng quá điều chỉnh tăng.Muốn khắc phục được điều này ,ta có thể sử dụng thêm thành phần D để tăng đáp ứng .

11/27/09

17

III.Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng nhiệt: Bộ điều khiển PID cổ điển có dạng:

Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trên thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau như lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa....lý do để bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt tỉêu sai số xác lập tăng đáp ứng quá độ nếu các tham số của bộ điều jhiển được chọn thích hợp. Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị đã sản xuất ra bộ điều khiển thương mại rất thông dụng. Trên thực tế có rất nhiều phương pháp để thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng là khâu quán tính bậc 2 có trễ nói chung và đối tượng nhiệt nói riêng.Dưới đây là những phương pháp hay được sử dụng để thiết kế.Những phương pháp dưới đây rất đơn giản để thiết kế, và hiệu quả đem lại cao.

11/27/09

18

1.Ph­¬ng ph¸p Halman: Ứng dụng: cho đối tượng có mô hình quán tính bậc nhất có trễ và mô hình quán tính bậc hai có trễ. Tư tưởng chính: tìm các tham số của bộ điều khiển K(s):

Sao cho hàm truyền đạt của hệ hở có dạng: L(s)=K(s)*G(s)= Tần số cắt ωc=2*t/3;và độ dự trữ pha Фm=50 Các tham số của bộ điều khiển được xác định dựa vào phép tính ngược: K(s)=L(s)/G(s) Kết quả thiết kế:

11/27/09

19

Mô phỏng bằng simulink :

Nhận xét: •Phương pháp thiết kế này chỉ phù hợp với các đối tượng có dao động tắt nhanh và thời gian trễ tương đối lớn.Đối tượng nhiệt rất phù hợp đế sử dụng phương pháp này để thiết kế. •Dù vậy phương pháp này cũng có nhược điểm là nếu t rất bé thì ωc sẽ rất lớn suy ra đáp ứng hệ kín có thể quá nhanh và nhạy cảm với nhiễu. 11/27/09

20

2.Phương pháp tổng hợp trực tiếp(Direct Syntheis-DS): Ứng dụng : Cho những đối tượng có mô hình quán tính bậc nhất có trễ và mô hình quán tính bậc hai có trễ. Tư tưởng chính:tính toán bộ điều khiển trực tiếp từ mô hình hàm truyền đạt của đối tượng và mô hình hàm truyền đạt mong muốn của hệ kín. Tm(s): mô hình hàm truyền đạt mong muốn của hệ kín.

Kết quả thiết kế: Tc:hằng số thời gian quán tính

11/27/09

21

Kết quả mô phỏng

11/27/09

22

11/27/09

Nhận xét: •Ta thấy rằng khi hằng số thời gian quán tính Tc của hệ càng nhỏ thì đáp ứng của hệ càng nhanh.(đặc tính bám giá trị đặt khá tốt).Nhưng cũng làm cho tín hiệu điều khiển thay đổi mạnh hơn. •So với phương pháp của Haalman thì phương pháp này có ưu điểm là thời gian quá độ nhỏ hơn,nhưng lượng quá điều chỉnh lại lớn hơn.Như vậy với những bài toán điều khiển mà yêu cầu không cao về lượng quá điều chỉnh mà chỉ yêu cầu về thời gian quá độ thì sử dụng phương pháp này rất 23 hiệu quả.

3.Phương pháp tối ưu đối xứng Phương pháp này được áp dụng cho đối tượng có hàm truyền :

Vậy để áp dụng được phương pháp này ta thêm vào một khâu tích phân.

Nhược điểm của phương pháp này là : Do đó ta dùng thêm bộ lọc : Với : Ta có : Kết quả thiết kế :

11/27/09

24

Kết quả mô phỏng

25

4.Phương pháp ziegler-nichols : N hiệt độ

K

Thời gian

a L

T

Phương pháp này là một phương pháp thực nghiệm các tham số được xác định theo hình vẽ trên. Trong đó : T : hằng số thời gian. L : thời gian trễ. K : độ lợi tĩnh.

11/27/09

26

Theo bài toán ta có:

11/27/09

27

Các tham số của bộ điều khiển PID được tính theo bảng sau:

11/27/09

28

Kết quả thực hiện :

11/27/09

29

5.Phương pháp hằng số thời gian tổng kuhn: Đối tượng điều khiển được xấp xỉ bằng : Trong đó Các tham số của bộ điều khiển theo luật PID được xác định như sau :

11/27/09

30

Kết quả thực hiện:

11/27/09

31

6.Các phương pháp thực nghiệm khác: •Phương pháp Pemberton: Nếu đối tượng đã cho có:

•Phương pháp Pemberton1:

•Phương pháp Pemberton2:

11/27/09

32

Phương pháp Suyama:

Phương pháp Miluse: Phương pháp này chỉ được sử dụng khi mà đối tượng không có lượng quá điều chỉnh:

11/27/09

33

Phương pháp Lee: •Nếu hàm truyền của đối tượng mong muốn có dạng:

Khi đó bộ điều khiển được điều chỉnh theo công thức:

11/27/09

34

Kết luận: Ta nhận thấy các phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PI cho chất lượng không bằng chất lượng của bộ điều khiển PID, lượng quá điều chỉnh quá lớn,nhưng bù lại thì ta chỉ cần chỉnh định 2 tham số của bộ điều khiển.Nếu chỉnh định bộ điều khiển PID thì sẽ đạt được chất lượng tốt hơn nhưng đổi lại ta phải chỉnh định 3 tham số,điều này nhiều khi rất khó khăn.Đối tượng nhiệt là đối tượng có quán tính lớn vì vậy thời gian qúa độ không cần quá nhanh vì vậy ta lên sử dụng sấp xỉ đối tượng về dạng :

Khi đó ta chỉ cần thay đổi hệ số λ để được đặc tính qúa độ theo yêu cầu.Với chú ý rằng nếu ta tăng hệ số λ thì thời gian quá độ sẽ tăng lên nhưng bù lại lượng quá điều chỉnh sẽ giảm dần,còn khi ta giảm hệ số này đi thì thời gian quá độ giảm xuống nhưng lượng quá điều chỉnh cũng tăng lên,vì vậy cần phải tùy thuộc vào yêu cầu của công nghệ để thiết kế cho tốt.Đây là phương pháp hay được sử dụng trong thực tế.

11/27/09

35

KÕt luËn chung: Trên đây là những phương pháp hay được dùng điều chỉnh trong công nghiệp .Ngoài ra các bạn có thể sử dụng các phương pháp tối ưu module hoặc tối ưu đối xứng.Hoặc xác định các thông số ban đầu của bộ điều khiển theo phương pháp Zigler-Niclcol,tổng Kaln…để làm thông số chỉnh định tiếp bộ điều khiển.Những phương pháp này đều có thể tìm được trong những quyển sách điều khiển tuyến tính của thầy Nguyễn Doãn Phước và cô Pham Xuân Minh,hoặc quyển sách hệ thống điều khiển quá trình của thầy Hoàng Minh Sơn. Nói chung phương pháp nào cũng chỉ là dựa trên kinh nghiệm ,do đó đối với đối tượng thực chúng ta cũng chỉ nên sử dụng các phương pháp này như là bước đầu xác định tham số của bộ điều khiển,sau đó dựa vào đáp ứng riêng của đối tượng ta chỉnh định tiếp đến khi đạt được chất lượng mong muốn. 11/27/09

36