MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Nhƣ chúng ta biết, nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý rất quan trọng. Việc thay đổi nhiệt độ của một vật chất ảnh hƣởng đến cấu tạo, tính chất và các đại lƣợng vật lý khác của vật chất. Ví dụ, sự thay đổi nhiệt độ của một chất khí sẽ làm thay đổi thể tích, áp suất chất khí trong bình. Vì vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và đời sống sinh hoạt, thu thập các thông số và điều khiển nhiệt độ là điều cần thiết.
Có nhiều phƣơng pháp điều khiển nhiệt độ. Mỗi phƣơng pháp đều mang đến một kết quả khác nhau thông qua các phƣơng pháp khác nhau đó.Đối với các phƣơng pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) đƣợc dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp. Chất lƣợng hệ thống phụ thuộc vào các tham số , , của bộ điều khiển PID. Vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ đƣợc tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này phù hợp thực tế để phát huy tốt hiệu quả bộ điều khiển.
Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lƣợng các hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tƣợng điều khiển khác nhau, với yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phƣơng pháp điều khiển cụ thể cho từng đối tƣợng. Trong luận văn, em sử dụng phƣơng pháp bộ điều khiển PID và phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển, đây là công cụ đắc lực trợ giúp việc nghiên cứu, mô phỏng mô hình đo và điều khiển nhiệt độ.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: RYC-TAG là một ứng dụng điều khiển nhiệt độ đƣợc thiết kế bởi EDIBON. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp. Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện nghiên cứu đề tài này cần kết hợp hai phƣơng pháp sau: - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các vấn đề về ứng dụng điềukhiển thích nghi, mô hình điều khiển nhiệt độ, các hàm tối ƣu trong Matlab và tính toán hỗ trợ hàm tối ƣu. - Phƣơng pháp mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán tìm tối ƣu trong phần mềm Matlab và RYC, tạo dữ liệu mô phỏng, kiểm tra.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài Thông qua việc tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị, chúng ta có thể hiểu đƣợc cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị có liên quan ứng dụng trong công nghiệp, sản xuất, đời sống hàng ngày. Cấu trúc luận văn Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp. Bố cục luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Lý thuyết PID. Chƣơng 2: Khảo sát mô hình và nguyên lý hoạt động hệ thống đo nhiệt độ nƣớc.
Chƣơng 3: Nghiên cứu xây dựng và kết quả thực nghiệm mô hình đo điều khiển nhiệt độ nƣớc. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT PID 1. Khái quát bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp.
Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách biến điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào dựa trên sự kết hợp của ba bộ điều khiển: tỷ lệ, tích phân và vi phân. Điều khiển tỷ lệ 1. Hoạt động tỷ lệ Một dụng cụ điều khiển tiến hành điều khiển theo tỷ lệ khi có tỷ lệ đôi một giữa các tín hiệu đầu ra và đầu vào.
Phƣơng trình đặc trƣng của bộ điều khiển theo tỷ lệ có thể đƣợc viết nhƣ sau: y =y0 k(x-x0) (1.1) y và y0 là các giá trị tức thời và ban đầu của sự mở van điều khiển, x và x0 là các giá trị tức thời và ban đầu của biến, k là hệ số tỷ lệ. Ký hiệu phụ thuộc vào loại quá trình điều khiển. Nó là cộng khi van mở thêm khi biến tăng, trừ trong trƣờng hợp ngƣợc lại, tức là việc mở van bị giảm khi biến tăng. Trƣờng hợp trừ đƣợc thể hiện trong hình 1.1 Điều khiển theo tỷ lệ Trong hình 1.1, x2 và x1 tƣơng ứng giá trị cực đại của khoảng biến thiên của biến đƣợc điều khiển.
Khi giá trị ban đầu x0 trùng điểm đặt thì sự chênh lệch x0-x trùng độ lệch biến, tức là có sai số. Độ nghiêng đƣờng hoạt động phƣơng trình (1.1) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 phụ thuộc vào giá trị của hệ số tỷ lệ k và biểu thị độ nhạy dụng cụ. Nếu độ nhạy tăng, đƣờng hoạt động sẽ giảm độ nghiêng của nó.2 Thay đổi độ nghiêng đường hoạt động bộ điều khiển theo tỷ lệ Theo hình 1.2, sự biến thiên x2’ – x1’ của biến cần để van điều khiển đi qua toàn bộ phạm vi là thấp hơn so với sự biến thiên trƣớc đó x2 – x1. Phƣơng trình biểu diễn đƣờng b) có thể đƣợc viết nhƣ sau: = y0 + k1(x0 – x) (1.2) Nếu p = y/100, p0 = x0/100 và sai số phần trăm tƣơng ứng với e = (x0 – x)/(x2 – x1), phƣơng trình (1.2 thể hiện rằng: = = (1.4) Thay vào phƣơng trình (1.3) đƣợc kết quả: p= +e (1.5) nếu b = đƣợc kết quả: p= (1.6) Phƣơng trình (1.6) là công thức thƣờng đƣợc sử dụng biểu diễn dải tỷ lệ; hằng số b là dải tỷ lệ của dụng cụ; nó là kết quả của hệ số giữa sự chênh lệch của các giá trị của LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 biến tƣơng ứng với các vị trí cực đại của van điều khiển và sự chênh lệch của các giá trị của biến giới hạn khoảng hoạt động dụng cụ.
Do đó dải tỷ lệ là kết quả của một phần khoảng hoạt động của dụng cụ đƣợc bao gồm bằng sự biến thiên của biến để tín hiệu đầu ra có thể thay đổi 100%.3 cho thấy một số đƣờng hoạt động của bộ điều khiển tỷ lệ tƣơng ứng với các giá trị khác nhau của dải tỷ lệ.3 Sự biến thiên của dải tỷ lệ Theo hình 1.3, dải tỷ lệ có thể vƣợt quá 100%, van điều khiển không đạt tới vị trí đóng và mở toàn bộ, khoảng hoạt động của nó nằm giữa hai vị trí trung gian. Khi dải tỷ lệ càng rộng thì sự biến thiên của sự mở van càng thấp. Do đó, độ nhạy dụng cụ cũng phụ thuộc biên độ dải tỷ lệ. Dải tỷ lệ càng hẹp thì độ nhạy càng cao.
Nếu cả hai vế phƣơng trình (1.6) liên quan thời gian, kết quả: = (1.7) Phƣơng trình (1.7) liên kết tốc độ dịch chuyển của bộ khởi động với tốc độ biến thiên của biến.4 cho thấy xu hƣớng của đặc điểm đáp ứng bộ điều khiển theo tỷ lệ với biến thiên của biến trong trƣờng hợp lý tƣởng của bộ điều khiển hoạt động theo phƣơng trình (1. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4 Đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ Nếu tín hiệu đầu vào là sóng hình sin thì tín hiệu đầu ra của dụng cụ tỷ lệ thuận và trong pha có sai số. Đáp ứng của hệ thống theo điều khiển tỷ lệ Xem xét hệ thống trong hình 1. Trong một bộ trao đổi nhiệt, chất lỏng A đƣợc làm nóng thông qua một chất lỏng B nóng hơn.
Biến số đƣợc điều khiển là nhiệt độ ống xả của chất lỏng A.5 Điều khiển tự động nhiệt độ đầu ra chất lỏng trong bộ trao đổi nhiệt[10, pp.28] Bộ điều khiển theo tỷ lệ C phải giữ cho vận tốc dòng chảy của chất lỏng gia nhiệt B không thay đổi, bằng cách điều khiển phù hợp thông qua van điều khiển của nó. Nếu vận tốc dòng chảy chất lỏng B không thay đổi, nhiệt độ đầu ra của nó tăng theo tỷ lệ khi lƣu lƣợng chất lỏng B tăng, tức là, khi van điều khiển mở rộng. Trong trƣờng hợp này, đƣờng tải của quá trình là đƣờng thẳng nhƣ hình 1. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.6 Đường tải quá trình Hai giá trị tối thiểu và tối đa của phạm vi biến đổi của nhiệt độ đƣợc điều khiển tƣơng ứng với hai vị trí cực đại đóng và mở của van, trong khi đó nhiệt độ = ( + )/2 tƣơng ứng vị trí mở trung gian 0.
Trong giai đoạn thiết kế, thực hiện cố định vị trí trung gian của van điều khiển tƣơng ứng với điểm đặt của biến đƣợc điều khiển. Theo cách này, nó có khả năng tác động nhƣ nhau theo cả hai hƣớng, mở rộng hoặc giảm theo hƣớng lệch của biến. Do đó, bộ điều khiển đƣợc giả sử hoạt động với dải tỷ lệ 100% và điểm đặt biến .7 thể hiện hoạt động của hệ thống; lƣu ý đƣờng tải quá trình và đƣờng hoạt động của dụng cụ đƣợc xếp chồng lên nhau. Giao điểm H của hai đƣờng biểu diễn điểm hoạt động của hệ thống.7 Các điều kiện hoạt động hệ thống theo số liệu thiết kế Trên thực tế, nhiệt độ đầu ra chất lỏng A phụ thuộc vào mức độ mở van theo đƣờng tải biểu diễn kết quả sự cân bằng năng lƣợng; nhờ vào hoạt động của dụng cụ điều khiển mà nhiệt này cũng đƣợc liên kết với mức độ mở van theo sự tƣơng ứng đƣợc cố định bởi đƣờng hoạt động.
Do đó, điểm cân bằng của hệ thống chỉ tƣơng ứng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 17 với giao điểm của hai đƣờng này. Nếu nhiệt độ đƣợc điều khiển giảm xuống dƣới điểm đặt, van mở nhiều hơn cho phép vận tốc dòng chảy của chất lỏng gia nhiệt lớn hơn. Điều này gây ra sự tăng nhiệt độ đƣợc điều khiển. Ngƣợc lại, nếu nhiệt độ này vƣợt quá điểm đặt, dụng cụ sẽ làm giảm sự mở van dẫn đến việc giảm nhiệt đƣợc cung cấp.8 Hệ thống điều khiển theo tỷ lệ Vận tốc dòng chảy U của chất lỏng chảy ra khỏi bể đƣợc điều khiển sao cho mức độ không thay đổi trong bể dù đầu vào I của chất lỏng khác.