Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc điều khiển chính xác các thiết bị gia nhiệt đóng vai trò quan trọng trong nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm năng lượng. Theo ước tính, thiết bị gia nhiệt chiếm một phần lớn trong tiêu thụ điện năng công nghiệp, đặc biệt là các lò điện trở sử dụng trong nung, sấy và nhiệt luyện. Tuy nhiên, việc áp dụng các thuật toán điều khiển tương tự trên các bộ điều khiển logic khả trình (PLC) vẫn còn hạn chế, đặc biệt trong các bài thực hành đào tạo kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển sử dụng modul tương tự của PLC cho đối tượng gia nhiệt nhằm mục tiêu phát triển một giải pháp điều khiển hiệu quả, dễ áp dụng trong thực tế và phục vụ công tác đào tạo.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc xây dựng mô hình toán học và tổng hợp bộ điều khiển PID cho thiết bị gia nhiệt dạng lò điện trở, sử dụng PLC S7-200 của Siemens với modul mở rộng tương tự. Thời gian nghiên cứu tập trung vào năm 2017 tại phòng thí nghiệm Tự động hóa, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một mô hình toán học chính xác với mức độ phù hợp 95.23%, đồng thời phát triển thuật toán điều khiển PID được cài đặt trực tiếp trên PLC, giúp nâng cao chất lượng điều khiển nhiệt độ, giảm thời gian quá độ và độ quá điều chỉnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình toán học đối tượng gia nhiệt: Được xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm sử dụng công cụ System Identification Toolbox trong Matlab, mô hình nhận dạng là khâu quán tính bậc nhất với hàm truyền đạt:

    [ G(s) = \frac{4.51}{s + 4.51} ]

  • Bộ điều khiển PID: Bao gồm ba thành phần chính là khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), được mô tả bằng phương trình:

    [ u(t) = K_P \left( e(t) + \frac{1}{T_I} \int e(t) dt + T_D \frac{de(t)}{dt} \right) ]

  • Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển: Áp dụng các phương pháp thực nghiệm như Kuhn, Ziegler-Nichols và phương pháp thiết kế điều khiển ở miền tần số (phương pháp modul tối ưu) để xác định tham số PID phù hợp cho đối tượng gia nhiệt.

  • PLC S7-200: Thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của Siemens, có khả năng mở rộng modul tương tự, hỗ trợ lập trình thuật toán PID và tích hợp trong hệ thống điều khiển tự động.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu đầu vào (điện áp cấp cho dây đốt) và đầu ra (nhiệt độ lò điện trở) được thu thập thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Tự động hóa, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Chu kỳ trích mẫu là 200ms, dữ liệu được xử lý và phân tích trên Matlab/Simulink.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng công cụ System Identification Toolbox để nhận dạng mô hình toán học của đối tượng gia nhiệt. Tiếp đó, mô hình được dùng để tổng hợp bộ điều khiển PID bằng các phương pháp thực nghiệm và thiết kế miền tần số. Thuật toán điều khiển được lập trình và kiểm chứng trên PLC S7-200 với modul tương tự mở rộng EM-235.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thu thập dữ liệu, nhận dạng mô hình, tổng hợp bộ điều khiển và thực nghiệm được thực hiện trong năm 2017, với các bước cụ thể: thu thập dữ liệu → nhận dạng mô hình → thiết kế bộ điều khiển → lập trình PLC → kiểm chứng thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình toán học đối tượng gia nhiệt: Mô hình nhận dạng bằng phương pháp thực nghiệm cho thấy đối tượng lò điện trở có thể mô tả bằng hàm truyền khâu quán tính bậc nhất với hệ số khuếch đại 4.51 và hằng số thời gian tương ứng, đạt mức độ phù hợp 95.23% so với dữ liệu thực nghiệm.

  2. Tổng hợp bộ điều khiển PID:

    • Phương pháp Kuhn xác định tham số PID với hệ số tỷ lệ (K_P = 0.012), cho đặc tính quá độ không có quá điều chỉnh nhưng thời gian quá độ dài khoảng 632 giây.
    • Phương pháp Ziegler-Nichols 1 cho bộ điều khiển với độ quá điều chỉnh khoảng 63% và hệ thống dao động, không đáp ứng yêu cầu chất lượng.
    • Phương pháp modul tối ưu thiết kế bộ điều khiển PI đạt độ quá điều chỉnh chỉ 4.0% và thời gian quá độ rất ngắn, tuy nhiên tín hiệu điều khiển có biên độ lớn khoảng 120V.

  3. Kiểm chứng thực nghiệm trên PLC S7-200: Thuật toán PID được lập trình trên PLC sử dụng modul tương tự mở rộng EM-235, cho phép điều khiển chính xác nhiệt độ lò điện trở với tín hiệu điều khiển ổn định và đáp ứng nhanh nhạy.

Thảo luận kết quả

Kết quả nhận dạng mô hình toán học phù hợp với đặc tính vật lý của lò điện trở, cho phép mô phỏng và thiết kế bộ điều khiển chính xác. So sánh các phương pháp tổng hợp PID cho thấy phương pháp modul tối ưu vượt trội về mặt chất lượng điều khiển so với các phương pháp thực nghiệm truyền thống, phù hợp với yêu cầu công nghiệp hiện đại.

Việc cài đặt thuật toán PID trên PLC S7-200 với modul tương tự mở rộng không chỉ giúp kiểm chứng mô hình và thuật toán mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho ứng dụng thực tế và đào tạo kỹ thuật viên. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng nhiệt độ theo thời gian và tín hiệu điều khiển, minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương pháp điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng bộ điều khiển PID trên PLC S7-200 trong các hệ thống gia nhiệt công nghiệp: Tăng cường sử dụng modul tương tự mở rộng để nâng cao độ chính xác và linh hoạt trong điều khiển nhiệt độ, giảm thiểu thời gian quá độ và độ quá điều chỉnh.

  2. Phát triển các bài thực hành đào tạo kỹ thuật điều khiển tương tự sử dụng PLC: Cung cấp tài liệu và mô hình thực nghiệm cho sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nhằm nâng cao kỹ năng thực hành và hiểu biết về điều khiển tương tự.

  3. Nâng cấp phần mềm lập trình và công cụ mô phỏng: Tích hợp sâu hơn các công cụ như Matlab/Simulink với PLC để hỗ trợ thiết kế, mô phỏng và kiểm chứng thuật toán điều khiển trước khi triển khai thực tế.

  4. Mở rộng nghiên cứu sang các loại thiết bị gia nhiệt khác: Áp dụng phương pháp xây dựng mô hình và tổng hợp bộ điều khiển cho các loại lò cảm ứng, lò hồ quang nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả điều khiển trong công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu cung cấp mô hình thực nghiệm và thuật toán điều khiển PID ứng dụng thực tế, hỗ trợ công tác giảng dạy và học tập.

  2. Kỹ sư tự động hóa trong công nghiệp: Tài liệu giúp hiểu rõ về xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển PID cho thiết bị gia nhiệt, từ đó áp dụng vào các hệ thống điều khiển thực tế.

  3. Nhà nghiên cứu phát triển thiết bị điều khiển: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm để phát triển các giải pháp điều khiển tương tự tích hợp trên PLC.

  4. Các đơn vị đào tạo và trung tâm thực hành kỹ thuật: Tài liệu là nguồn tham khảo để xây dựng các bài thực hành điều khiển tương tự sử dụng PLC, nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xây dựng mô hình toán học cho đối tượng gia nhiệt?
    Mô hình toán học giúp hiểu rõ đặc tính động học của thiết bị, từ đó thiết kế bộ điều khiển chính xác, giảm sai số và nâng cao hiệu quả điều khiển.

  2. Phương pháp nhận dạng mô hình nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Phương pháp thực nghiệm sử dụng System Identification Toolbox trong Matlab, thu thập dữ liệu đầu vào/ra và ước lượng mô hình khâu quán tính bậc nhất với độ phù hợp 95.23%.

  3. Ưu điểm của bộ điều khiển PID trong điều khiển nhiệt độ là gì?
    PID kết hợp ba thành phần P, I, D giúp điều chỉnh nhanh, chính xác và ổn định nhiệt độ, phù hợp với các hệ thống có đặc tính phi tuyến và có độ trễ.

  4. Tại sao chọn PLC S7-200 cho việc cài đặt bộ điều khiển?
    PLC S7-200 có cấu trúc module, hỗ trợ modul tương tự mở rộng, dễ lập trình và tích hợp, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển công nghiệp nhỏ và trung bình.

  5. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển nào cho kết quả tốt nhất?
    Phương pháp modul tối ưu cho bộ điều khiển PI đạt độ quá điều chỉnh thấp (4.0%) và thời gian quá độ ngắn, vượt trội so với các phương pháp thực nghiệm truyền thống.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình toán học khâu quán tính bậc nhất cho đối tượng lò điện trở với độ phù hợp 95.23%.
  • Tổng hợp và so sánh các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID, trong đó phương pháp modul tối ưu cho hiệu quả điều khiển tốt nhất.
  • Lập trình và kiểm chứng thuật toán PID trên PLC S7-200 với modul tương tự mở rộng, đảm bảo điều khiển nhiệt độ chính xác và ổn định.
  • Đề xuất ứng dụng rộng rãi bộ điều khiển PID trên PLC trong công nghiệp và đào tạo kỹ thuật điều khiển tương tự.
  • Khuyến nghị mở rộng nghiên cứu và phát triển các bài thực hành điều khiển tương tự sử dụng PLC trong các lĩnh vực công nghiệp khác.

Hành động tiếp theo: Áp dụng mô hình và thuật toán đã phát triển vào các hệ thống gia nhiệt thực tế, đồng thời xây dựng tài liệu đào tạo và hướng dẫn lập trình PLC cho sinh viên và kỹ sư.