Điều khiển hệ truyền động biến tần cân băng định lượng dùng Matlab Simulink

Xây dựng thuật toán và ứng dụng Matlab Simulink điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ trong cân băng định lượng. Giải pháp tự động hóa hiệu quả.

• Tác giả: Trần Đức Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Trung Hải
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Xây dựng thuật toán và ứng dụng phần mềm Matlab - Simulink điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ trong công nghệ cân băng định lượng
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• MỞ ĐẦU
• 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG
• 2. TỔNG HỢP HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG
• 3. THỰC NGHIỆM HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc
• 1.4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận
• 1.5. Cấu trúc của luận văn
• 1.6. Kết luận và kiến nghị
• 1. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG
• 1.1. Lý thuyết chung về hệ thống cân băng định lƣợng
• 1.1.1. Nguyên lý tính lưu lượng
• 1.1.2. Đo trọng lượng liệu trên băng tải
• 1.1.3. Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng
• 1.1.4. Cấu trúc hệ thống cân băng
• 1.1.5. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần
• 1.1.6. Cảm biến trọng lực Loadcell
• 1.1.7. Băng tải cao su
• 1.1.8. Đo vận tốc băng tải
• 1.1.9. Đo khối lƣợng liệu trên băng
• 1.2. Kết luận chƣơng 1
• 2. TỔNG HỢP HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG
• 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lƣợng
• 2.2. Nhận dạng mô hình toán học đối tƣợng
• 2.3. Xác định bộ điều khiển
• 2.4. Card ghép nối và điều khiển
• 2.5. Kết luận chƣơng 2
• 3. CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG
• 3.1. Các thiết bị thực nghiệm
• 3.2. Loadcell và mạch khuếch đại tín hiệu đầu cân
• 3.3. Thiết bị đo vận tốc băng tải
• 3.4. Bảng điều khiển
• 3.5. Tạo tín hiệu điều khiển
• 3.6. Thiết bị hiển thị
• 3.7. Card ghép nối và điều khiển – Bo mạch ArduinoDue
• 3.8. Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lƣợng
• 3.9. Cấu trúc thực nghiệm
• 3.10. Kết quả thực nghiệm
• 3.11. Kết luận chƣơng 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Hướng dẫn tổng quan điều khiển cân băng định lượng Matlab

Hệ thống cân băng định lượng là một thành phần cốt lõi trong nhiều dây chuyền sản xuất công nghiệp, từ nhà máy xi măng đến chế biến thực phẩm. Nhiệm vụ chính của hệ thống là cung cấp một lưu lượng vật liệu ổn định và chính xác theo giá trị đặt trước. Việc ứng dụng Matlab và Simulink để thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho cân băng mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Nó cho phép các kỹ sư thực hiện mô phỏng hệ thống định lượng một cách trực quan, kiểm tra và tối ưu hóa bộ điều khiển trước khi triển khai trên phần cứng thực tế. Điều này không chỉ rút ngắn thời gian phát triển mà còn giảm thiểu rủi ro và chi phí. Luận văn của Trần Đức Hùng (2014) đã chứng minh hiệu quả của phương pháp này khi xây dựng thành công mô hình và thuật toán điều khiển cho hệ thống cân băng thực tế. Cấu trúc của hệ thống thường bao gồm các thành phần chính như băng tải, động cơ truyền động, biến tần, cảm biến trọng lượng (loadcell) và cảm biến tốc độ (encoder). Tín hiệu từ các cảm biến này được đưa về bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển sẽ so sánh lưu lượng thực tế với giá trị đặt và đưa ra tín hiệu điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua biến tần. Quá trình này đảm bảo lưu lượng vật liệu luôn bám theo yêu cầu công nghệ, quyết định trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Do đó, việc làm chủ công nghệ điều khiển cân băng định lượng bằng Matlab Simulink là một kỹ năng quan trọng cho các kỹ sư tự động hóa hiện đại.

1.1. Vai trò của hệ thống cân băng trong công nghiệp hiện đại

Hệ thống cân băng định lượng đóng vai trò không thể thiếu trong các điều khiển quá trình công nghiệp. Chức năng chính là đảm bảo tỷ lệ phối trộn nguyên liệu chính xác và liên tục. Ví dụ, trong hệ thống trạm trộn bê tông, việc định lượng chính xác xi măng, cát, đá là yếu tố quyết định đến mác bê tông. Tương tự, trong các nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi hay thực phẩm, việc định lượng các thành phần theo công thức là bắt buộc để đảm bảo chất lượng và dinh dưỡng. Các hệ thống cũ, vận hành thủ công hoặc bán tự động thường có độ chính xác thấp, phụ thuộc vào con người và khó đáp ứng năng suất cao. Việc tự động hóa quá trình này bằng các hệ thống điều khiển hiện đại giúp nâng cao năng suất, ổn định chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất. Hơn nữa, các hệ thống tự động cho phép thu thập dữ liệu sản xuất, phục vụ cho việc quản lý và tối ưu hóa toàn bộ dây chuyền.

1.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống

Một hệ thống cân băng định lượng điển hình được cấu thành từ các bộ phận cơ và điện tử. Phần cơ khí bao gồm phễu cấp liệu, băng tải cao su, tang chủ động, tang bị động và hệ thống con lăn đỡ. Phần điện-điện tử gồm động cơ không đồng bộ, biến tần điều khiển tốc độ, cảm biến trọng lượng (loadcell) và cảm biến đo tốc độ (encoder). Nguyên lý hoạt động dựa trên việc tính toán lưu lượng tức thời (Q) bằng tích của khối lượng vật liệu trên một đơn vị dài băng tải (m) và vận tốc dài của băng tải (V), tức là Q = m * V. Tín hiệu trọng lượng từ loadcell và tín hiệu tốc độ từ encoder được đưa về bộ điều khiển. Bộ điều khiển so sánh lưu lượng tính toán được (Q) với lưu lượng đặt (Qđ) và tạo ra tín hiệu điều khiển (Uđk) để điều chỉnh tần số của biến tần, từ đó thay đổi tốc độ động cơ và vận tốc băng tải (V) nhằm đưa sai lệch về không. Quá trình này diễn ra liên tục để duy trì lưu lượng ổn định.

II. Thách thức chính khi thiết kế điều khiển cân băng định lượng

Thiết kế một hệ thống điều khiển cân băng định lượng chính xác và ổn định đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Một trong những khó khăn lớn nhất là đặc tính phi tuyến và thay đổi theo thời gian của đối tượng điều khiển. Khối lượng vật liệu trên băng (m) không phải lúc nào cũng là hằng số do sự không đồng nhất của nguyên liệu từ phễu cấp. Điều này tạo ra một yếu tố nhiễu loạn lớn cho hệ thống. Thêm vào đó, các thành phần cơ khí như băng tải, hộp số có độ trễ, quán tính và ma sát, làm cho đáp ứng của hệ thống không tức thời. Việc xử lý tín hiệu loadcell cũng là một bài toán phức tạp. Tín hiệu từ loadcell rất nhỏ (cỡ mV), dễ bị nhiễu bởi các yếu tố môi trường như rung động cơ khí, nhiễu điện từ. Do đó, cần có các mạch khuếch đại và bộ lọc tín hiệu hiệu quả để thu được giá trị đo chính xác. Ngoài ra, việc lựa chọn thuật toán điều khiển cân băng định lượng phù hợp cũng là một yếu tố quyết định. Một bộ điều khiển quá nhạy có thể gây ra dao động lớn cho hệ thống, trong khi một bộ điều khiển quá chậm sẽ không thể bám kịp các thay đổi của giá trị đặt hoặc nhiễu. Việc mô hình hóa hệ thống cơ điện tử một cách chính xác là bước đầu tiên và quan trọng nhất để giải quyết các thách thức này, tạo cơ sở cho việc thiết kế một bộ điều khiển hiệu quả.

2.1. Phân tích các yếu tố phi tuyến và trễ trong hệ thống

Tính phi tuyến của hệ thống cân băng định lượng xuất phát từ nhiều nguồn. Mối quan hệ giữa tín hiệu điều khiển biến tần và tốc độ động cơ không phải lúc nào cũng tuyến tính hoàn toàn, đặc biệt ở dải tốc độ thấp. Ma sát trong các bộ phận cơ khí cũng là một yếu tố phi tuyến điển hình. Quan trọng hơn, phương trình tính lưu lượng Q = m * V là một phép nhân, bản chất là một hành vi phi tuyến. Độ trễ trong hệ thống đến từ thời gian vận chuyển vật liệu từ điểm cấp liệu đến vị trí của loadcell, và từ quán tính của động cơ và băng tải. Khi bộ điều khiển ra lệnh thay đổi tốc độ, phải mất một khoảng thời gian để hệ thống cơ khí đạt được tốc độ mới. Những yếu tố này làm cho việc thiết kế bộ điều khiển tuyến tính kinh điển như PID trở nên khó khăn hơn và đòi hỏi các kỹ thuật hiệu chỉnh và tối ưu hóa cẩn thận.

2.2. Khó khăn trong việc xử lý tín hiệu và chống nhiễu

Tín hiệu từ cảm biến là nền tảng cho mọi hệ thống điều khiển vòng kín. Trong hệ thống cân băng, tín hiệu từ loadcell và encoder quyết định độ chính xác của việc tính toán lưu lượng. Tín hiệu analog từ loadcell rất nhạy cảm với nhiễu. Rung động từ động cơ, từ quá trình cấp liệu, và nhiễu điện từ từ biến tần có thể làm sai lệch tín hiệu đo trọng lượng. Do đó, việc thiết kế mạch khuếch đại vi sai và các bộ lọc số (ví dụ: bộ lọc trung bình trượt, bộ lọc Kalman) là cực kỳ cần thiết. Tương tự, tín hiệu xung từ encoder cũng có thể bị mất hoặc sai nếu dây dẫn quá dài hoặc không được bọc chống nhiễu tốt. Việc lập trình Matlab điều khiển phải bao gồm các thuật toán xử lý tín hiệu để đảm bảo dữ liệu đầu vào cho bộ điều khiển là đáng tin cậy.

III. Phương pháp mô hình hóa hệ thống cơ điện tử bằng Matlab

Để thiết kế một bộ điều khiển hiệu quả, bước đầu tiên là phải xây dựng được mô hình toán học mô tả chính xác động học của hệ thống. Thay vì phương pháp phân tích lý thuyết phức tạp, nghiên cứu của Trần Đức Hùng (2014) đã áp dụng phương pháp nhận dạng thực nghiệm bằng công cụ System Identification Toolbox trong Matlab. Đây là một cách tiếp cận hiện đại và hiệu quả cho các mô hình hóa hệ thống cơ điện tử phức tạp. Quá trình này bao gồm việc thu thập dữ liệu đầu vào-đầu ra của đối tượng thực. Tín hiệu đầu vào là điện áp điều khiển biến tần (Uđk), và tín hiệu đầu ra là vận tốc dài của băng tải (V) được đo bằng encoder. Dữ liệu này sau đó được nhập vào công cụ nhận dạng. Công cụ sẽ sử dụng các thuật toán để tìm ra một hàm truyền (transfer function) hoặc một mô hình không gian trạng thái (state-space model) phù hợp nhất với bộ dữ liệu thực nghiệm. Kết quả nhận dạng cho phép có được một mô hình toán học tin cậy, phản ánh đúng các đặc tính động học như độ lợi, hằng số thời gian, và độ trễ của hệ thống thực. Mô hình này chính là cơ sở để tiến hành mô phỏng hệ thống định lượng và thiết kế bộ điều khiển trong môi trường Simulink.

3.1. Thu thập dữ liệu thực nghiệm từ đối tượng điều khiển

Quá trình thu thập dữ liệu là bước quan trọng quyết định chất lượng của mô hình nhận dạng. Tín hiệu kích thích đầu vào (Uđk) cần phải đủ phong phú để hệ thống bộc lộ hết các đặc tính động học của nó. Thông thường, người ta sử dụng các tín hiệu dạng bước nhảy (step), xung hoặc tín hiệu giả ngẫu nhiên nhị phân (PRBS - Pseudo-Random Binary Sequence). Trong nghiên cứu được đề cập, tín hiệu điều khiển biến tần được cấp theo dạng hàm bước nhảy. Dữ liệu đáp ứng vận tốc băng tải (V) được ghi lại đồng thời với một tần số lấy mẫu phù hợp, ví dụ 1ms. Việc kết nối phần cứng với Matlab để thu thập dữ liệu có thể được thực hiện thông qua các card thu thập dữ liệu (DAQ) hoặc các vi điều khiển như Arduino. Bộ dữ liệu thu thập được sau đó sẽ được chia thành hai phần: một phần để nhận dạng (estimation data) và một phần để kiểm tra (validation data).

3.2. Sử dụng System Identification Toolbox để nhận dạng mô hình

Sau khi có dữ liệu, công cụ System Identification Toolbox của Matlab cung cấp một giao diện đồ họa trực quan để thực hiện quá trình nhận dạng. Người dùng nhập dữ liệu vào, chọn cấu trúc mô hình mong muốn (ví dụ: hàm truyền bậc hai, mô hình ARX, ARMAX) và ra lệnh cho công cụ thực hiện ước lượng tham số. Công cụ sẽ tính toán và trả về mô hình có độ tương thích (fit) cao nhất so với dữ liệu thực nghiệm. Ví dụ, kết quả có thể là một hàm truyền dạng WDT = K / ((1 + τ1s)(1 + τ2s)). Độ chính xác của mô hình được đánh giá thông qua chỉ số phần trăm tương thích (fit percentage) và bằng cách so sánh đáp ứng của mô hình với bộ dữ liệu kiểm tra. Một mô hình tốt sẽ có đáp ứng gần như trùng khớp với đáp ứng của hệ thống thực. Đây là bước then chốt để đảm bảo bộ điều khiển được thiết kế sau này sẽ hoạt động tốt trên hệ thống thật.

IV. Bí quyết thiết kế bộ điều khiển PID cho cân định lượng

Sau khi có mô hình toán học của đối tượng, giai đoạn tiếp theo là tổng hợp bộ điều khiển. Đối với hệ thống cân băng định lượng, bộ điều khiển PID cho cân là một lựa chọn phổ biến và hiệu quả. Luận văn của Trần Đức Hùng (2014) đã trình bày việc tổng hợp bộ điều khiển lưu lượng (RQ) theo phương pháp modul tối ưu (modulus optimum). Phương pháp này nhằm mục đích thiết kế bộ điều khiển sao cho hàm truyền của hệ thống vòng kín có dạng chuẩn, đảm bảo đáp ứng nhanh, không vọt lố và sai lệch tĩnh bằng không. Để áp dụng phương pháp này, một giả thiết quan trọng được đưa ra là coi khối lượng vật liệu trên băng (m) là một hằng số trong quá trình tổng hợp. Dựa trên hàm truyền của đối tượng (WDT) đã nhận dạng và hàm truyền hệ kín mong muốn, các tham số của bộ điều khiển PI (Proportional-Integral) được tính toán. Thuật toán điều khiển cân băng định lượng này sau đó được cài đặt dưới dạng các khối trong Simulink. Việc sử dụng Simulink cho phép kiểm tra và tinh chỉnh các tham số bộ điều khiển một cách dễ dàng thông qua mô phỏng. Kỹ sư có thể quan sát đáp ứng của hệ thống với các tín hiệu đặt khác nhau và tác động của nhiễu, từ đó thực hiện tối ưu hóa bộ điều khiển để đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất.

4.1. Tổng hợp bộ điều khiển lưu lượng theo phương pháp Modul tối ưu

Phương pháp Modul tối ưu là một kỹ thuật tổng hợp bộ điều khiển kinh điển trong kỹ thuật điều khiển tự động. Mục tiêu là làm cho hàm truyền hệ kín Wk(s) có dạng của một khâu lọc bậc hai chuẩn. Từ hàm truyền đối tượng Wh(s) và yêu cầu của Wk(s), hàm truyền của bộ điều khiển RQ(s) được suy ra. Với giả thiết m là hằng số, hệ thống trở thành tuyến tính và có thể áp dụng phương pháp này. Kết quả tính toán thường cho ra một bộ điều khiển dạng PI với các tham số Kp (hệ số khuếch đại) và Ti (hằng số thời gian tích phân) được xác định một cách tường minh dựa trên các tham số của đối tượng (K, τ1, τ2). Công thức này cung cấp một điểm khởi đầu rất tốt cho việc tinh chỉnh bộ điều khiển trên thực tế.

4.2. Triển khai thuật toán điều khiển trên môi trường Simulink

Simulink là môi trường mô phỏng dựa trên sơ đồ khối của Matlab. Việc triển khai thuật toán điều khiển trên Simulink rất trực quan. Người dùng chỉ cần kéo thả các khối chức năng như 'Sum', 'Gain', 'Integrator', 'Transfer Fcn' để xây dựng cấu trúc vòng điều khiển. Mô hình đối tượng đã nhận dạng được biểu diễn bằng khối 'Transfer Fcn'. Bộ điều khiển PI được xây dựng từ khối 'Gain' (cho khâu P) và khối 'Integrator' kết hợp 'Gain' (cho khâu I). Tín hiệu đặt, tín hiệu phản hồi và tín hiệu nhiễu đều có thể được tạo ra và đưa vào mô hình. Simulink Real-Time còn cho phép chạy mô phỏng đồng bộ với thời gian thực, là một bước đệm quan trọng trước khi triển khai trên phần cứng. Môi trường này cho phép đánh giá chất lượng hệ thống thông qua các chỉ tiêu như thời gian quá độ, độ vọt lố, sai lệch xác lập một cách nhanh chóng.

V. Cách kết nối phần cứng với Matlab qua Arduino và kết quả

Một trong những bước tiến quan trọng trong các nghiên cứu ứng dụng là khả năng kết nối phần cứng với Matlab để thực hiện điều khiển thời gian thực. Nghiên cứu trong tài liệu gốc đã sử dụng bo mạch Arduino Due làm cầu nối giữa máy tính chạy Matlab/Simulink và các thiết bị ngoại vi của hệ thống cân băng. Thư viện ArduinoIO Support Package for Simulink của MathWorks cung cấp các khối chức năng cho phép Simulink đọc tín hiệu analog (từ mạch khuếch đại loadcell), đếm xung (từ encoder) và xuất tín hiệu analog (để điều khiển biến tần) thông qua Arduino. Cấu trúc thực nghiệm bao gồm máy tính cài đặt Matlab, bo mạch Arduino Due, mạch khuếch đại tín hiệu điều khiển, biến tần Commander SE, động cơ Toshiba, và các cảm biến. Sơ đồ điều khiển được xây dựng hoàn toàn trên Simulink. Khi chạy mô phỏng ở chế độ 'External', Simulink sẽ biên dịch mô hình thành mã và tải xuống Arduino, biến máy tính và Arduino thành một bộ điều khiển thời gian thực. Các kết quả thực nghiệm đã cho thấy hệ thống đáp ứng tốt với tín hiệu đặt dạng bước nhảy và tín hiệu thay đổi theo thời gian, lưu lượng thực tế bám sát giá trị đặt với sai số nhỏ. Ngay cả khi có nhiễu (thay đổi đột ngột khối lượng liệu), bộ điều khiển vẫn có khả năng hiệu chỉnh và đưa hệ thống về trạng thái ổn định, chứng tỏ tính hiệu quả của thuật toán và phương pháp thiết kế.

5.1. Thiết lập giao tiếp Arduino với Matlab sử dụng Simulink

Việc thiết lập giao tiếp Arduino với Matlab yêu cầu cài đặt gói hỗ trợ phần cứng tương ứng từ MathWorks. Sau khi cài đặt, trong thư viện Simulink sẽ xuất hiện các khối chức năng dành riêng cho Arduino như 'Analog Read', 'Digital Write', 'PWM', 'Encoder Read'. Người dùng cần xây dựng mô hình Simulink, trong đó các khối giao tiếp này thay thế cho các cảm biến và cơ cấu chấp hành trong mô hình mô phỏng thuần túy. Ví dụ, khối 'Analog Read' sẽ được cấu hình để đọc tín hiệu từ chân analog của Arduino nơi kết nối với tín hiệu loadcell. Khối 'Analog Write' (hoặc PWM) sẽ xuất tín hiệu điều khiển tới biến tần. Cấu hình mô phỏng được chuyển sang chế độ 'External' để Simulink có thể giao tiếp trực tiếp với bo mạch Arduino trong thời gian thực, cho phép giám sát và điều khiển hệ thống vật lý ngay từ máy tính.

5.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm và hiệu suất hệ thống

Kết quả thực nghiệm là bằng chứng thuyết phục nhất về sự thành công của một thiết kế điều khiển. Trong nghiên cứu, các đáp ứng của hệ thống đã được ghi lại và phân tích. Với tín hiệu đặt dạng bước nhảy, lưu lượng đầu ra tăng và ổn định tại giá trị mới trong một khoảng thời gian ngắn, độ vọt lố thấp, chứng tỏ hệ thống vừa nhanh vừa ổn định. Khi tín hiệu đặt thay đổi liên tục, đáp ứng lưu lượng bám theo một cách trơn tru. Đặc biệt, khi có nhiễu tác động (mô phỏng bằng cách thay đổi khối lượng liệu trên băng), hệ thống đã tự điều chỉnh tốc độ băng tải để bù lại sự thay đổi này và nhanh chóng đưa lưu lượng về giá trị mong muốn. Những kết quả này khẳng định rằng việc mô hình hóa hệ thống cơ điện tử bằng phương pháp nhận dạng và tổng hợp bộ điều khiển PID cho cân theo modul tối ưu là một hướng đi đúng đắn và hiệu quả cho các bài toán cân đóng bao tự động và định lượng công nghiệp.

VI. Tương lai của điều khiển quá trình công nghiệp với Simulink

Phương pháp điều khiển cân băng định lượng bằng Matlab Simulink đã mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng cho lĩnh vực điều khiển quá trình công nghiệp. Thành công của mô hình này không chỉ giới hạn ở ứng dụng cân định lượng mà còn có thể mở rộng ra nhiều hệ thống tương tự như điều khiển nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng. Tương lai của lĩnh vực này nằm ở việc tích hợp các thuật toán điều khiển thông minh và tiên tiến hơn. Thay vì bộ điều khiển PID kinh điển, các nhà nghiên cứu có thể phát triển các bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic), mạng nơ-ron (Neural Networks), hoặc điều khiển thích nghi (Adaptive Control) ngay trên nền tảng Simulink. Các thuật toán này có khả năng xử lý tốt hơn các yếu tố phi tuyến và bất định của hệ thống, hứa hẹn mang lại độ chính xác và độ bền vững cao hơn. Hơn nữa, việc phát triển các Matlab GUI cho hệ thống cân sẽ giúp giao diện vận hành trở nên thân thiện và trực quan hơn. Người vận hành có thể dễ dàng đặt thông số, theo dõi quá trình và chẩn đoán lỗi mà không cần có kiến thức sâu về lập trình. Sự kết hợp giữa sức mạnh tính toán của Matlab, tính trực quan của Simulink và khả năng kết nối phần cứng linh hoạt sẽ tiếp tục là động lực thúc đẩy sự đổi mới trong ngành tự động hóa công nghiệp.

6.1. Tóm tắt các kết quả chính và đóng góp của phương pháp

Phương pháp tiếp cận dựa trên nhận dạng mô hình và mô phỏng trên Matlab/Simulink đã chứng tỏ hiệu quả vượt trội. Các đóng góp chính bao gồm: (1) Xây dựng thành công mô hình toán học tin cậy cho hệ thống cân băng mà không cần phân tích cơ học phức tạp. (2) Thiết kế và tối ưu hóa bộ điều khiển PID một cách khoa học, dựa trên phương pháp modul tối ưu. (3) Triển khai thành công hệ thống điều khiển thời gian thực với chi phí thấp bằng cách sử dụng bo mạch Arduino làm giao diện phần cứng. (4) Kết quả thực nghiệm đã xác nhận tính đúng đắn và hiệu quả của toàn bộ quy trình thiết kế, từ lý thuyết đến thực tiễn. Đây là một quy trình mẫu, có thể áp dụng rộng rãi cho nhiều bài toán thiết kế hệ thống điều khiển tự động khác.

6.2. Hướng phát triển và tối ưu hóa hệ thống trong tương lai

Để nâng cao hơn nữa hiệu suất hệ thống, có một số hướng phát triển tiềm năng. Thứ nhất, có thể áp dụng các bộ điều khiển tiên tiến hơn như điều khiển dự báo mô hình (MPC - Model Predictive Control) để xử lý các ràng buộc và độ trễ của hệ thống một cách tối ưu. Thứ hai, có thể xây dựng một bộ điều khiển thích nghi có khả năng tự động cập nhật tham số khi đặc tính của vật liệu thay đổi. Thứ ba, việc tích hợp hệ thống với các nền tảng IIoT (Industrial Internet of Things) sẽ cho phép giám sát và điều khiển từ xa, thu thập dữ liệu lớn để phân tích và bảo trì dự đoán. Việc phát triển một Matlab GUI cho hệ thống cân hoàn chỉnh cũng là một bước cần thiết để thương mại hóa và triển khai rộng rãi sản phẩm trong môi trường công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Việc đo lƣờng và kiểm soát khối lƣợng trong các nhà máy, xí nghiệp là cực kỳ quan trọng. Trong rất nhiều quá trình, việc đo lƣờng và kiểm soát khối lƣợng là không thể thiếu để có thể đạt đƣợc chất lƣợng sản phẩm cuối cùng là tốt nhất, với năng suất cao nhất và giá thành thấp nhất. Trƣớc kia chúng ta có các hệ thống đo khối lƣợng dùng đối trọng hoặc lò xo bằng các kết cấu cơ khí, việc sử dụng các loại cân này rất cồng kềnh và độ chính xác không cao. Ngày nay các hệ thống hiện đại đòi hỏi phải có độ chính xác rất cao trong việc đo lƣờng của thiết bị.

Vấn đề công nghệ đo phù hợp, hiển thị chính xác các thông số đo lƣờng hiện đang là vấn đề đƣợc rất nhiều kỹ sƣ tích hợp, đo lƣờng và điều khiển quan tâm. Hệ thống cân băng định lƣợng là một trong các hệ thống có vai trò rất quan trọng trong các dây truyền sản xuất trong công nghiệp, thƣơng mại. Các quá trình công nghệ nói chung đều đi từ xử lý các nguyên liệu thô ban đầu để tạo ra các thành phẩm. Vậy làm thế nào để định lƣợng đƣợc khối lƣợng nguyên liệu đầu vào một cách chính xác và để cho ra đời các sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lƣợng với chi phí sản xuất thấp nhất? Trong các nhà máy, xí nghiệp mọi công đoạn xử lý nguyên liệu đều cần đƣợc định lƣợng, từ các lĩnh vực đơn giản nhƣ đƣa ra một khối lƣợng nguyên liệu đầu vào để sản xuất, đến các công việc phức tạp nhƣ sử dụng trong thƣơng mại để buôn bán, trao đổi.

Vai trò của việc cân định lƣợng là không thể thiếu trong các hệ thống tự động hoá nhƣ: trong các nhà máy xi măng, nhà máy nhiệt điện. Hệ thống cân băng định lƣợng tham gia vào quá trình sản xuất xi măng bao gồm: cân đo các nguyên liệu cho máy nghiền nguyên liệu theo các tỷ lệ, thành phần và năng suất đặt trƣớc, cung cấp nhiên liệu để đốt đảm bảo lƣu lƣợng sao cho phù hợp với điều kiện trƣớc, trong và sau lò nung. Ngoài ra hệ thống cân băng định lƣợng còn cân đo các nguyên liệu nhƣ than, thạch cao… cho các máy nghiền clinker, nghiền than, máy đóng bao, máy sản xuất gạch men…. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.

Khái niệm Cân băng định lƣợng là bao gồm các thiết bị ghép nối với nhau mà thành, nó thuộc dạng cân định lƣợng băng tải, đƣợc dùng cho hệ thống cân liên tục (liên tục theo chế độ dài hạn lặp lại). Thực hiện việc phối liệu một cách liên tục theo tỷ lệ yêu cầu công nghệ đặt ra. Trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, hệ thống cân băng định lƣợng còn đáp ứng sự ổn định về lƣu lƣợng liệu và điều khiển lƣợng liệu cho phù hợp với yêu cầu, chính vì nó đóng một vai trò rất quan trọng trong việc điều phối và hoạch định sản xuất, do đó nó quyết định vào chất lƣợng sản phẩm, góp phần vào sự thành công của công ty. Cân băng định lƣợng trong luận văn đề xuất nghiên cứu là cân băng tải, nó là thiết bị cung cấp kiểu trọng lƣợng vật liệu đƣợc chuyên trở trên băng tải mà tốc độ của nó đƣợc điều chỉnh để nhận đƣợc lƣu lƣợng vật liệu ứng với giá trị do ngƣời vận hành đặt trƣớc.

Cấu tạo của cân băng định lƣợng 1 3 6 7 4 8 9 10 2 5 Hình 1. 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng Cấu tạo của cân băng định lƣợng gồm các phân sau: 1: Phễu cấp liệu 2: Cảm biến trọng lƣợng (Load Cell) 3: Băng truyền 4: Tang bị động 5: Bulông cơ khí 6: Tang chủ động 7: Hộp số 8: SenSor đo tốc độ 9: Động cơ không đống bộ (đƣợc nối với biến tần) 10: Cảm biến vị trí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Nguyên lý tính lƣu lƣợng của cân băng định lƣợng 1. Nguyên lý tính lưu lượng Cân băng định lƣợng (cân băng tải) là thiết bị cung cấp liệu kiểu trọng lƣợng.

Vật liệu đƣợc chuyên trở trên băng tải, mà tốc độ của băng tải đƣợc điều chỉnh để nhận đƣợc lƣu lƣợng đặt trƣớc khi có nhiễu tác động lên hệ (ví dụ liệu không xuống đều). Cầu cân về cơ bản bao gồm: Một cảm biến trọng lƣợng (LoadCell) gắn trên giá mang nhiều con lăn. Trọng lƣợng của vật liệu trên băng đƣợc các cảm biến trọng lƣợng (LoadCell) chuyển đổi thành tín hiệu điện đƣa về bộ xử lý để tính toán lƣu lƣợng. Để xác định lƣu lƣợng vật liệu chuyển tới nơi đổ liệu thì phải xác định đồng thời vận tốc của băng tải và trọng lƣợng của vật liệu trên 1 đơn vị chiều dài ∂ (kg/m).

Trong đó tốc độ của băng tải đƣợc đo bằng cảm biến tốc độ có liên hệ động học với động cơ. Tốc độ băng tải V (m/s) là tốc độ của vật liệu đƣợc truyền tải. Tải của băng truyền (ƍ) là trọng lƣợng vật liệu đƣợc truyền tải trên một đơn vị chiều dài ∂ (kg/m). Cân băng tải có bộ phận đo trọng lƣợng để đo ∂ và bộ điều khiển để điều chỉnh tốc độ băng tải sao cho điểm đổ liệu, lƣu lƣợng dòng chảy liệu bằng giá trị đặt do ngƣời vận hành đặt trƣớc.

Bộ điều khiển đo tải trọng trên băng truyền và điều chỉnh tốc độ băng đảm bảo lƣu lƣợng không đổi ở điểm đổ liệu.1) Trọng lƣợng tổng trên băng là lực Fc(N) đƣợc đo bởi hệ thống cân trọng lƣợng và ∂, đƣợc tính theo biểu thức: FC ƍ (1.2) L g 2 Trong đó: L: Chiều dài của cầu cân g: Gia tốc trọng trƣờng (g=9,8 m/s2) Lực hiệu dụng Fm(N) do trọng lƣợng của vật liệu trên băng tải gây nên: Fm =Fc – F0 (1.3) Trong đó: F0 là lực đo trọng lƣợng của băng tải cả con lăn và giá đỡ cầu cân. Tải trọng trên băng truyền có thể tính là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.4) Trong đó: : Khối lƣợng riêng của vật liệu (kg/m3) S: Tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng (m2) Do đó lƣu lƣợng có thể tính là: Fc * V 2 Fc * V Q= (1. Đo trọng lượng liệu trên băng tải Trọng lƣợng đo nhờ tín hiệu của LoadCell bao gồm trọng lƣợng của băng tải và trọng lƣợng vật liệu trên băng. Vì vậy để đo đƣợc trọng lƣợng của liệu thì ta phải tiến hành trừ bì (tức là trừ đi trọng lƣợng của băng tải ).

Bộ điều khiển xác định trọng lƣợng của liệu nhờ trừ bì tự động các phân đoạn băng tải. * Nguyên lý của quá trình trừ bì nhƣ sau: Băng tải phải đƣợc chia thành các phân đoạn xác định. Trong lúc trừ bì băng tải rỗng (không có liệu trên băng) trọng lƣợng của mỗi đoạn băng đƣợc ghi vào bộ nhớ. Khi vận hành bình thƣờng cân băng tải trọng lƣợng của mỗi vật liệu trên mỗi phân đoạn đƣợc xác định bằng cách lấy trọng lƣợng đo đƣợc trên đoạn đó trừ đi trọng lƣợng băng tải tƣơng ứng đã ghi trong bộ nhớ.

Điều này đảm bảo cân chính xác trọng lƣợng liệu ngay cả khi dùng băng tải có độ dày không đều trên chiều dài của nó. Việc điều chỉnh trọng lƣợng cần phải thực hiện đồng bộ với vị trí của băng (belt index đƣợc gắn trên băng) mới bắt đầu thực hiện trừ bì. Khi ngừng cân vị trí của băng tải đƣợc giữ lại trong bộ nhớ do đó ở lần khởi động tiếp theo việc trừ bì đƣợc thực hiện ngay. Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng Việc điều chỉnh cấp liệu cho băng cân định lƣợng chính là điều chỉnh lƣu lƣợng liệu cấp cho băng cân và đƣợc thực hiện bằng 3 phƣơng pháp.

- Phƣơng pháp 1 (Điều chỉnh cấp liệu gián đoạn) Phƣơng pháp này điều chỉnh cấp liệu bằng tín hiệu của sensơr cấp liệu kiểu trôi để điều khiển một số thiết bị cấp liệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. 2 Định lượng gián đoạn Vị trí của sensor cấp liệu theo kiểu trôi đƣợc đặt ở phía cuối của ống liệu. - Phƣơng pháp 2 (Điều chỉnh cấp liệu liên tục) Hình 1.

3 Định lượng liên tục Phƣơng pháp này điều chỉnh cấp liệu liên tục cho băng cân định lƣợng sử dụng bộ điều chỉnh PID để điều chỉnh cấp liệu (có thể là van cấp liệu hoặc van quay) để đảm bảo cho lƣợng tải trên một đơn vị chiều dài băng tải là không đổi. Bộ PID có tác dụng điều chỉnh nếu lƣu lƣợng thể tích của liệu trên băng thay đổi theo phạm vi ±15% và bộ PID chỉ hoạt động sau khi băng đã hoạt động. Nhận xét 2 phương pháp trên: Hai phƣơng pháp trên điều chỉnh cấp liệu khác hẳn nhau về bản chất. Xét về độ chính xác điều chỉnh thì phƣơng pháp 2 hơn hẳn phƣơng pháp 1, thời gian điều chỉnh nhỏ, thiết bị cấp liệu làm việc ổn định không bị ngắt quãng, nhƣng phạm vi điều chỉnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ -6- không rộng.

Phƣơng pháp 1 đơn giản hơn, phạm vi điều khiển rộng hơn và có thể dƣợc đặt bởi ngƣời sử dụng, nhƣng trong phạm vi điều chỉnh thiết bị phải làm việc gián đoạn thì ảnh hƣởng không tốt đến tuổi thọ của thiết bị. - Phƣơng pháp 3 (Điều chỉnh mức vật liệu trong ngăn xếp) Phƣơng pháp điều chỉnh mức liệu trong ngăn xếp có thể coi là sự kết hợp của 2 phƣơng pháp trên: phƣơng pháp điều chỉnh gián đoạn và điều chỉnh liên tục. Phƣơng pháp này tận dụng những ƣu điểm và khắc phục nhƣng nhƣợc điểm của 2 phƣơng pháp trên và đƣợc thiết kế đặc biệt cho các băng cân định lƣợng. Cấu trúc hệ thống cân băng Hộp giảm Máy phát Động cơ Load Cell tốc tốc KĐB Nt FT M BỘ KHUYẾCH AC MÁY ĐẠI PHÁT XUNG P BỘ BIẾN ĐIỀU TẦN V KHIỂN Hình 1.

4 Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng Trong đó: - Động cơ sử dụng là động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc, tốc độ của động cơ đo đƣợc nhờ sensơ đo tốc độ (máy phát xung). - Số xung phát ra từ máy phát xung tỷ lệ với tốc độ động cơ và đƣợc đƣa về bộ điều khiển. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ -7- - Bộ điều khiển (dùng vi xử lý) điều chỉnh tốc độ của băng tải và lƣu lƣợng liệu ở điểm đổ liệu sao cho tƣơng ứng với giá trị đặt. - Bộ cảm biến trọng lƣợng (LoadCell) biến đổi trọng lƣợng nhận đƣợc trên băng thành tín hiệu điện đƣa về bộ khuyếch đại.

- Điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh tần số cấp nguồn cho 1. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần 1. Động cơ không đồng bộ 1.