Phương pháp xây dựng bộ điều khiển pid số trong công nghiệp

Nội dung text: Phương pháp xây dựng bộ điều khiển pid số trong công nghiệp

1. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Phương pháp xây dựng bộ điều khiển pid số trong công nghiệp Nguyễn Đức Khoát 1, *, Phạm Minh Hải 2 1 Khoa Cơ – Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt nam, nguyenduckhoat@humg.edu.vn 2 Khoa Cơ – Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt nam, phamminhhaitdh@humg.edu.vn THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT Quá trình: Việc thiết kế một bộ điều khiển PID số và kiểm tra chất lượng điều khiển của Nhận bài 17/06/2021 nó giữ một vai trò quan trọng trong các bài toán xây dựng bộ điều khiển Chấp nhận 17/7/2021 cho các đối tượng trong tự động hóa qúa trình sản xuất. Bài báo trình bày Đăng online 19/12/2021 chi tiết bài toán xây dựng và kiểm chứng bộ điều khiển số cho hệ thống tự Từ khóa: động trên Matlab. PID, ADC, DAC, Lò nhiệt, © 2020 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. Matlab 1. Mở đầu Đối với bài toán xây dựng bộ điều khiển số thì việc xác định mô hình toán học của đối tượng điều Với sự phát triển không ngừng của khoa học, khiển và dựa trên mô hình này cũng như yêu cầu kỹ thuật và công nghệ về phần cứng cũng như của công nghệ mà từ đó lựa chọn bộ điều khiển phần mềm đã mang lại nhiều thành tựu to lớn thích hợp để cài đặt hay lập trình trên máy tính số. trong các lĩnh vực công nghiệp đặc biệt trong lĩnh Trên cơ sở này, bài báo đi vào giới thiệu chi tiết vực sử dụng máy tính số (Vi xử lý, Vi điều khiển các bước xây dựng một bộ điều khiển PID số qua hay bộ logic khả trình PLC) như một thiết bị điều một ví dụ về điều khiển lò nhiệt. khiển. Mô hình của một hệ thống tự động hóa sử Phần còn lại của bài báo được bố cục như sau: dụng máy tính số được biểu diễn ở Hình 1(ND phần 2 đi sâu vào giới thiệu bài toán điều khiển, Khoat, 2012). Trong đó: thuật toán điều khiển lò nhiệt, và một chương a) Máy tính số chứa đựng chương trình điều trình mô phỏng bộ điều khiển trên nền Matlab khiển bao hàm các luật điều khiển; Simulink được trình bày trong phần 3, cuối bài b) Bộ giao tiếp bao gồm: báo là phần kết luận. • Bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC chuyển đổi tín hiệu phản hồi từ đối tượng điều khiển về máy tính số. • Bộ chuyển đổi số sang tương tự DAC chuyển đối tín hiệu số từ máy tính số sang tín hiệu liên tục để điều khiển đối tượng. c) Đối tượng điều khiển là lò nhiệt. 186
2. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống tự động sử dụng máy tính số 2. Bài toán điều khiển Ở bài toán điều khiển nhiệt độ, việc thực hiện thay đổi nhiệt độ, giữ ổn định nhiệt một thời gian, và giảm dần nhiệt độ có một vai trò vô cùng quan trọng quyết định tới chất lượng của sản phẩm. Để thực hiện được quá trình này cần sử dụng bộ điều khiển số nhiệt độ. Hình 4. Đặc tính lò nhiệt thực nghiệm Hình 2. Đường đặc tính nhiệt độ yêu cầu Hình 5. Mô hình toán hàm truyền Theo yêu cầu của công nghệ gia nhiệt, sai lệnh nhiệt độ ở chế độ xác lập sau khi nhiệt độ đạt tới giá trị đặt là phải bằng 0 và quá trình gia nhiệt phải đảm bảo bám theo đường đặc tính kỹ thuật ở Hình 2 với yêu cầu giữ nhiệt độ cố định ở trong 2200C trong 2 tiếng và nhiệt độ thay đổi không quá 1000C/h. Yêu cầu gia nhiệt này được thực Hình 3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển của lò nhiệt 187
3. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) hiện trên mô hình lò nhiệt ở phòng thí nghiệm có • lsb: Bít; cấu trúc như ở Hình 3. • v: điện áp volt; Trên cơ sở cấu trúc này, nhiệm vụ của bài toán Trên cơ sở các tham số vừa xác định (3), tiến cần giải quyết đầu tiên là xác định mô hình toán hành xây dựng sơ đồ của hệ trên miền số khi bỏ học của lò nhiệt (ND Khoat, 2012). Mô hình toán qua tác động của nhiễu xem Hình 6. được xác định trên cơ sở thực nghiệm bằng cách tiến hành lấy mẫu tìm đường cong thực nghiệm. Với phương pháp này tác giả thu được đường cong thực nghiệm cho ở Hình 4. Từ đó xác định được hàm truyền hay mô hình toán của lò gia nhiệt cho ở Hình 5. Thực hiện biến đổi sang miền Z mô hình toán của hệ: 2lsb12 K== 819.2 lsb / v A/N 5v (1) 5v Hình 6. Sơ đồ khối trên miền số hệ điều khiển K== 2* 10v / lsb -7 N/A 12 nhiệt độ 2lsb Trong đó: • Yd(z): Tín hiệu đầu ra trên miền số; BoGpH() z = • Md(z): Tín hiệu điều khiển; −520s • E(z): Sai lệch điêu khiển; z −1 KeKN// AA*156.4 0.0104* N Z • R(z): Mong muốn điều khiển; zss (34801)+ • Mf(z): Tín hiệu điều khiển dự báo; • Gc(z): Bộ điều khiển PID số; ze−11.6266  −520s = Z  • Gf(z): Bộ điều khiển dự báo; zss (34801)+  (2) 2.1. Bộ điều khiển PID số 1.6266(1)−e −T /3480 Trong bài báo này, bộ điều khiển được lựa BoGpHz()= z() ze− −T /3480 chọn cho đối tượng là bộ điều khiển công nghiệp PID (tỷ lệ, tích phân, vi phân), việc xác định các b1 tham số bộ điều khiển PID số có cấu trúc trên = z(2) zb− Hình 7 cho hệ gia nhiệt được xác định (3) (N.D.Khoat, 2008): Trong đó: Trong đó: • KA/N : Hệ số chuyển đổi của bộ biến đổi • R(z): Mong muốn điều khiển; tương tự sang sô ADC; • M(z): Tín hiệu điều khiển; • K : Hệ số chuyển đổi của bộ biến đổi số N/A • Cm(z): giá trị thực của đối tượng điều sang tương tự DAC; khiển; • Bo(s): Khâu lưu giữ bậc không trên miền • Kp: Tham số bộ điều khiển tỷ lệ; laplace s; • Ki: Tham số bộ điều khiển tích phân; • Gp(s): Hàm truyền lò nhiệt trên miền laplace s; • Kd: Tham số bộ điều khiển vi phân; • H(s): Hàm truyền cảm biến nhiệt độ; • T: Chu kỳ lấy mẫu −T /3480 be1=− 1.6266(1 ) ( ) ( + 1) − 1 −T /3480 = 퐾 + 퐾 + 퐾 • be2= ; ( ) 푖 2( − 1) 188
4. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) ( ) 푄 2 + 푄 + 푄 푒( ) = ( ) − ( ) (6) = 0 1 2 ( ) ( − 1) Với yêu cầu kỹ thuật của bài toán điều khiển Với: nhiệt độ theo đường đặc tính kỹ thuật, bộ điều 퐾푖 퐾 퐾푖 khiển PD được sử dụng trong bài báo này 푄 = 퐾 + + ; 푄 = −퐾 + − 0 2 1 2 Với: 퐾 퐾 2 ; 푄 = 푄0 +푄1 2 ( ) = (7) −1 Vậy: 1 ( − 2) ( ) = = (8) 푄 2 + 푄 + 푄 표 ( ) 1 ( ) = 0 1 2 ( ) (4) ( − 1) Từ (7) và (8) để đảm bảo yêu cầu của bài toán đặt ra là sai lệch bằng không ở chế độ xác lập và Để cụ thể hóa tín hiệu điều khiển số trên máy độ quá điều chỉnh bằng không thì cần loại bỏ tính hoặc vi điều khiển, công thức (4) được xây điểm cực và điểm không của hệ trong hệ. Khi đó dựng lại trên miền thời gian có dạng: sơ đồ khối hệ điều khiển trên miền số được biến đổi thành (Hình 8) với: 2 ( ) − ( ) = (푄 2 + 푄 + 푄 ) ( ) 푄0 1 0 1 2 푌 ( ) ( − 1) ( ) − −1 ( ) = 푄 ( ) + 푄 −1 ( ) + = 0.0104퐾 0 1 푅( ) 푄 1 푄 −2 ( ) 0 + 1 2 ( − 1) ( ) − ( − 1) = 푄0푒( ) + 푄1푒( − 1) + 푄0 1 푄2푒( − 2) = 0.0104퐾 푄0 1 + ( − 1) ( ) = ( − 1) + 푄0푒( ) + 푄1푒( − 1) + 푄0 1 푄2푒( − 2) (5) = 0.0104퐾 Bộ điều khiển PID số 훥( ) R(z) E(z) M(z) Kp + (-) Trong đó: Ei(z) Ki 2 훥( ) = − + 푄0 1; 2 2 2 − + 푄0 1 = − 2훼 + 훼 Ed(z) Kd 훼 = 0.5 2 푄0 1 = 훼 0.25 C (z) 푄0 = m 1 = 2훼 } → 1 (9) Hình 7. Sơ đồ bộ điều khiển PID số 푄 = − 푄 2 1 2 0 푄1 = −0.25 { 1 Từ (9) bộ điều khiển số trên máy tính (vi điều khiển ) được xác định Hình 9. Hình 8. Sơ đồ hệ điều khiển lò nhiệt trên miền số khi loại bỏ điểm cực và điểm không Từ (5) bộ điều khiển cần thực hiện trong máy tính số hoặc vi điều khiển có phương trình như sau: ( ) = ( − 1) + 푄0푒( ) + 푄1푒( − 1) + 푄2푒( − 2) Hình 9. Bộ điều khiển trên máy tính số 189
5. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) 2.2 Lưu đồ thuật toán và chương trình Hình 10. Lưu đồ thuật toán chương trình chính Hình 11. Lưu đồ thuật toán chương trình con Lưu đồ thuật toán PID số nhúng trong máy ( ) = ( − 1) + 푄0푒( ) + 푄1푒( − 1) tính số (vi điều khiển) được xây dựng, với các 푒( ) = ( ) − ( ) tham số điều khiển được xác định như sau: ( ) = ( ) + ( ) ( ) = 0.0104퐾 ( ) 1 2 ( ) = ( + 2) − ( + 1) 1 1 190
6. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) 3. Chương trình trên Simulink Hình 12. Mô phỏng hệ điều khiển lò nhiệt trên Matlab Simulink Hình 13. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển lò nhiệt trên Matlab Simulink 191
7. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) 4. Kết luận Bài báo đã trình bày chi tiết các bước cũng như thuật toán, Chi-Tsong Chen (1993), Analog and Digital chương trình và kết quả mô phỏng trên Control System Design: Transfer-Function, Matlab cho bài toán xây dựng bộ điều khiển State-Space, and Algebraic Methods, Saunders PID số trong công nghiệp qua một ví dụ sử College Publishing/Harcourt Brace. dụng bộ điều khiển tỷ lệ tích phân cho đối Nguyễn Đức Khoát (2008), Bài giảng điều khiển tượng lò gia nhiệt. Thuật toán này có thể số. được sử dụng để cài đặt và lập trình cho các bộ điều khiển logic khả trình (PLC), vi điều Nguyễn Đức Khoát (2012), Xây dựng và mô phỏng khiển để đưa vào ứng dụng trong thực tế sản bộ điều khiển đa thức số cho đối tượng máy cán thép trong công nghiệp, Tạp chí Khoa học xuất. kỹ thuật Mỏ- Địa chất, 29-33. Tài liệu tham khảo Nguyễn Đức Khoát (2012), Xây dựng và mô Farid Golnaraghi, Benjamin C. Kuo, Automatic phỏng bộ điều khiển số cho đối tượng lò Control Systems, John Wiley & Sons Ltd. nhiệt trong công nghiệp luyện kim, Tạp chí Cơ khí, 51-57, 2012. 192