 Tiểu luận Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 1 - Mở đầu Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết. Lò điện trở được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. Ở lò điện trở, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò. Chúng em chọn làm đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID” trên cơ sở những lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lý thuyết điều khiển, kèm theo đó là kiến thức của các môn học cơ sở ngành và các môn học có liên quan như Kỹ thuật cảm biến, Cơ sở kỹ thuật đo … Vì lý do lượng kiến thức còn hạn hẹp và đây là lần đầu tiên được tự làm nghiên cứu đề tài nên trong quá trình làm chúng em còn gặp nhiều khó khăn, khúc mắc chưa rõ và chưa giải quyết được. Đề tài được chia làm 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về bộ điều khiển PID 1. Thành phần tỉ lệ (P) 2. Thành phần tích phân (I) 3. Thành phần vi phân (D) 4. Các bộ điều khiển tích hợp 5. Các Phương pháp xác định tham số Km, Ti, Td cho hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID Chương 2: Mô tả toán học của lò điện trở 1. Giới thiệu chung về lò điện trở 2. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học 3. Mô tả toán học của lò Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng PID Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 2 - Chương 1: Tổng quan về bộ điều khiển PID Một hệ thống điều khiển PID nói chung đều có mô hình tổng quan dưới dạng: Quá trình điều khiển theo mô hình trên là một quá trình khép kín. Giá trị setpoint- SP là giá trị đặt trước mà hệ thống phải làm việc xung quanh giá trị đó tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng của hệ thống. Việc đảm bảo tính ổn định cũng như chất lượng của hệ thống thực chất là đưa hệ thống luôn bám sát SP với độ sai lệch nhỏ nhất và thời gian quá độ nhanh nhất. Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: Tỉ lệ (P), Vi phân (D), Tích phân (I). Mỗi thành phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống. Cụ thể: 1. Thành phần Tỉ lệ (P): Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t) Phương trình sai phân mô tả động học: u(t) = K m .e(t) trong đó: u(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển e(t): tín hiệu vào K m : hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 3 - + Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace: W(p) = U(p)/E(p) = K m + Hàm truyền đạt trong miền tần số: W(jω) = K m + Hàm quá độ là hàm mô tả tác động tín hiệu vào 1(t): h(t) = K m .1(t) + Hàm quá độ xung: (δ(t) là xung Dirac) + Biểu diễn đồ thị đặc tính: . W(jω) = A(ω).e jφ(ω) trong đó: . Đồ thị đăc tính: Hình I.1.1 Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 4 - Từ các đặc tính trên ta thấy quy luật tỉ lệ phản ứng như nhau đối với tín hiệu ở mọi dải tần số, góc lệch pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra bằng 0, tín hiệu ra sẽ tác động ngay khi có tín hiệu vào. + Sai lệch hệ thống: Hình I.1.2 Sai lệch của hệ thống được tính: Theo hình I.1.2, ta có: E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) – K m .W dt (p).E(p) Từ các phân tích trên ta thấy thành phần tỉ lệ (P) có tác dụng làm giảm sai lệch tĩnh, thời gian tác động nhanh. 2. Thành phần tích phân (I): Tín hiệu điều khiển ut) tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch e(t) Phương trình vi phân mô tả động học: trong đó: U(t): tín hiệu điều khiển e(t) : tín hiệu vào của bộ điều khiển T i : hằng số thời gian tích phân Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 5 - + Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace: + Hàm truyền trong miền tần số: trong đó: + Hàm quá độ: + Hàm quá độ xung: + Đồ thị đặc tính: Hình I.2.2 Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 6 - Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy luật điều khiển tích phân tác động kém với các tín hiệu có tần số cao. Trong tất cả các giải tần số, tín hiệu ra phản ứng chậm pha so với tín hiệu vào một góc 90 0 , điêu này có nghĩa là luật tích phân tác động chậm, do vậy hệ thống dễ bị dao động, phụ thuộc vào hằng số thời gian tích phân T i . + Sai lệch của hệ thống: Hình I.2.2 Sai lệch của hệ thống được tính: Từ hình I.2.2, ta có: + Ưu điểm: Bộ tích phân loại bỏ được sai lệch dư của hệ thống, ít chịu ảnh hưởng tác động của nhiễu cao tần. + Nhược điểm: Bộ điều khiển tác động chậm nên tính ổn định của hệ thống kém. 3. Thành phần vi phân (D): Tín hiệu ra của bộ điều khiển tỉ lệ với vi phân tín hiệu sai lệch e(t) Phương trình vi phân mô tả động học: Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 7 - trong đó: e(t) : tín hiệu vào của bộ điều khiển U(t): tín hiệu điều khiển T d : hằng số thời gian vi phân + Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace: + Hàm truyền đạt trong miền tần số: trong đó: + Hàm quá độ: + Hàm quá độ xung: + Đồ thị đặc tính: Hình I.3.1 Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 8 - Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy luật điều khiển vi phân tác động mạnh với các tín hiệu có tần số cao. Trong tất cả các giải tần số, tín hiệu ra phản ứng sớm pha so với tín hiệu vào một góc 90 0 , điều này có nghĩa luật điều khiển vi phân tác động nhanh. Do vậy hệ thống sẽ bị tác động bởi nhiễu cao tần, làm việc kém ổn định trong môi trường có nhiễu tác động. + Sai lệch của hệ thống: Hình I.3.2 Sai lệch của hệ thống được tính: Theo hình I.3.2, ta có: E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) – T d .p.W dt (p).E(p) + Ưu điểm: Luật điều khiển vi phân có đặc tính tác động nhanh, đây là một đặc tính mà trong điều khiển tự động thường rất mong muốn. + Nhược điểm: Khi trong hệ thống dùng bộ điều khiển có luật vi phân thì hệ thống dễ bị tác động bởi nhiễu cao tần, đây là loại nhiễu thường tồn tại trong công nghiệp. 4. Các bộ điều khiển tích hợp Trong các hệ thống điều khiển thường sử dụng kết hợp 3 thành phần trên tùy theo yêu cầu chất lượng của hệ thống và tính phức tạp khi thiết kế các thành phần mà người thiết kế có thể sử dụng khâu điều khiển P, PI hay PID. Trong các sự kết hợp đó thì khâu điều khiển PID là hoàn hảo nhất cho các hệ thống điều khiển. Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 9 - Phương trình vi phân mô tả quan hệ tín hiệu vào ra của bộ điều khiển PID: trong đó: e(t) : tín hiệu vào của bộ điều khiển U(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển K m = K 1 : hệ số khuyếch đại T d = K 3 /K 1 : hằng số thời gian vi phân T i = hằng số thời gian tích phân + Sơ đồ cấu trúc: Hình I.4.1 + Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace: + Hàm truyền đạt trong miền tần số: [...]... trễ Sử dụng PID: Kp = 1.2T/L Ti = 2L - 18 - Td = τ/L Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Chương3: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng PID Yêu cầu thiết kế: với yêu cầu của đề tài là Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng PID thì các mạch phần cứng cần thiết kế bao gồm:  Thiết kế mạch đo nhiệt độ với dải đo 0 – 2000C  Thiết kế mạch điều khiển PID  Thiết kế mạch khuyếch...Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID trong đó: + Hàm quá độ: + Hàm quá độ xung: + Đồ thị đặc tính: Hình I.4.2 - 10 - Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy rằng đặc tính làm việc của bộ điều khiển PID rất linh hoạt, mềm dẻo - Ở dải tần số thấp thì bộ điều khiển làm việc theo qui luật... khuyếch đại công suất cho đối tượng nhiệt độ đơn giản Trong khuôn khổ của môn học lý thuyết điều khiển tự động, chúng em sẽ không đi sâu vào việc thiết kế mạch đo nhiệt độ và mạch khuyếch đại công suất cho đối tượng nhiệt độ mà chỉ đề cập đến vấn đề thiết kế mạch điều khiển PID Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển: - 19 - Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Từ sơ đồ tổng... áp dụng cho các khâu quán tính - hệ biến đổi chậm 3 Phương pháp tối ưu đối xứng - chỉ áp dụng cho các khâu tích phân quán tính - độ quá điều chỉnh càng nhỏ, thời gian quá độ càng lớn - 14 - Td = 0.12Tth Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Chương 2: Mô tả toán học của lò điện trở 1 Giới thiệu chung về lò điện trở 1.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở Lò điện trở làm... lò, lớp lót và dây nung  Vỏ lò Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò - 15 - Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín; còn đối với các lò. .. Đặc tính quá độ sau khi hiệu chỉnh -độ quá điều chỉnh: δmax=1.57% -thời gian tăng tốc: 224s -thời gian quá độ: 284s Như vậy, các hệ số sau khi hiệu chỉnh cho đặc tính quá độ tốt hơn, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh nhỏ hơn Để có được các hệ số tốt nhất cho bộ điều khiển, ta có thể sử dụng thư viện Simulink - 24 - Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Tài liệu... ở nhiệt độ cao - Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao - Điện trở suất phải lớn - Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ - Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi - Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng - Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép uốn - 16 - Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người... tần số cao thì bộ điều khiển làm việc theo qui luật tỉ lệ vi phân, khi bộ điều khiển làm việc theo qui luật tỉ lệ - Bộ điều khiển có 3 tham số Km, Ti và Td + Khi ta cho Ti = ∞, Td = 0 thì bộ điều khiển làm việc theo luật tỉ lệ + Khi Ti = ∞ bộ điều khiển làm việc theo qui luật tỉ lệ - vi phân + Khi Td = 0 bộ điều khiển làm việc theo qui luật tỉ lệ - tích phân - Tín hiệu ra của bộ điều khiển lệch pha... tín hiệu vào một góc α Đây là đặc tính mềm dẻo của bộ điều khiển Nếu ta chọn được bộ tham số phù hợp cho bộ điều khiển PID thì hệ thống cho ta đặc tính như mong muốn, đáp ứng cho các hệ thống trong công nghiệp Đặc biệt nếu ta chọn bộ tham số tốt, bộ điều khiển sẽ đáp ứng được tính tác động nhanh, đây là đặc điểm nổi bật của bộ điều khiển Trong bộ điều khiển có thành phần tích phân nên hệ thống triệt... triệt tiêu được sai lệch dư Bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết ta xác định các tham số Km, Ti, Td để bộ điều khiển đáp ứng đặc tính hệ thống - 11 - Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID 5 Các Phương pháp xác định tham số Km, Ti, Td cho hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID Cấu trúc: Hình III.1 Hàm truyền đạt: Mô hình: + Km: thay đổi trực tiếp giá trị tín hiệu ra => . Tiểu luận Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 1 -. 3: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng PID Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 2 - Chương 1: Tổng quan về bộ điều khiển PID Một hệ thống điều khiển. dụng PID: Kp = 1.2T/L Ti = 2L Td = τ/L Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID - 19 - Chương3: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng PID