Đồ án Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH LÒ NHIỆT GVHD: ThS. VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH: NGÔ ĐÌNH LẬP MSSV: 11146060 SVTH: NGUYỄN TIẾN HƯNG MSSV: 11146052 S K L 0 0 3 7 7 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH LÒ NHIỆT Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. VÕ LÂM CHƢƠNG Sinh viên thực hiện: NGÔ ĐÌNH LẬP MSSV: 11146060 NGUYỄN TIẾN HƢNG 11146052 Lớp: 111461 Khoá: 2011 – 2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
3. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: ThS.Võ Lâm Chƣơng Sinh viên thực hiện: Ngô Đình Lập MSSV: 11146060 Nguyễn Tiến Hƣng MSSV: 11146052 1. Tên đề tài: Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: 3. Nội dung chính của đồ án: Thiết kế, chế tạo mô hình lò nhiệt. Nhận dạng và điều khiển mô hình. 4. Các sản phẩm dự kiến Mô hình lò nhiệt. Chƣơng trình nhận dạng và điều khiển mô hình. 5. Ngày giao đồ án: 6. Ngày nộp đồ án: 31/07/2015 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
4. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt. - GVHD: ThS. Võ Lâm Chƣơng - Họ tên sinh viên: Ngô Đình Lập MSSV: 11146060 Lớp: 111461 Địa chỉ sinh viên: 268/17, Lê Văn Việt, Quận 9, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 01668528627 Email:ngodinhlap93@gmail.com - Họ tên sinh viên: Nguyễn Tiến Hƣng MSSV: 11146052 Lớp: 111461 Địa chỉ sinh viên: 268/17, Lê Văn Việt, Quận 9, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 01657797673 Email:hung051193@yahoo.com.vn - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN):27/07/2015 - Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã đƣợc công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày . tháng 07năm 2015 Ký tên ii
5. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt LỜI CẢM ƠN  Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Nhà trƣờng, khoa Cơ khí chế tạo máy, Bộ môn Cơ điện tử, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ sở, chuyên môn trong suốt 4 năm học vừa qua. Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS. Võ Lâm Chƣơng, thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình, định hƣớng, góp ý và cung cấp những ý tƣởng cũng nhƣ chỉ dẫn tài liệu thực hiện đồ án. Sự hƣớng dẫn của thầy là yếu tố quan trọng để chúng em có thể hoàn thành đồ án này. Xin cảm ơn các bạn lớp Cơ điện tử 111461 đã góp ý, giúp đỡ nhóm rất nhiều trong quá trình làm đồ án. Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những ngƣời luôn sát cánh, nuôi dƣỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có kết quả tốt nhƣ ngày hôm nay. Mặc dù đã cố gắng nỗ lực rất nhiều, song đồ án chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự thông cảm và chỉ dẫn tận tình của quý thầy cô. Chúng em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện iii
6. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt TÓM TẮT ĐỒ ÁN CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH LÒ NHIỆT Trong đồ án này, nhóm chọn chủ đề nghiên cứu là điều khiển quá trình gia nhiệt của lò nhiệt, bao gồm khâu thiết kế, chế tạo mô hình, nhận dạng hàm truyền mô hình và điều khiển nhiệt độ của mô hình lò nhiệt. Về phần cứng, nhóm đã thiết kế và chế tạo đƣợc mô hình lò nhiệt hoàn thiện, với giải pháp gia nhiệt cho lò bằng thanh điện trở, dùng Card PCI 6052E làm phần cứng thu thập dữ liệu. Về phần mềm, nhóm đã sử dụng công cụ System Identification Toolbox phục vụ việc nhận dạng mô hình lò nhiệt và bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ của mô hình. Sau thời gian nghiên cứu, kết quả đạt đƣợc là tìm đƣợc hàm truyền mô tả hệ thống lò nhiệt và điều khiển đƣợc nhiệt độ của lò bằng phƣơng pháp dùng bộ điều khiển PID, từ đó đạt đƣợc mục tiêu kiểm chứng đƣợc các lý thuyết về điều khiển quá trình bằng mô hình thực nghiệm. Tóm tắt các chƣơng trong đề tài: Chƣơng 1: Tổng quan đề tài Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 3: Phƣơng hƣớng và các giải pháp về nhận dạng hệ thống và bộ điềukhiển PID Chƣơng 4: Đề xuất công nghệ, tính toán thiết kế Chƣơng 5: Thực nghiệm đánh giá Sinh viên thực hiện iv
7. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt ABSTRACT DESIGN AND CONTROL HEATER FURNACE MODEL In this project, we research on heating process of heater furnace including design, implement model, model identification and temperature control. About system hardware, we designed and implement a complete model. We use heating resistors to heat the model, and use card PCI 6052E for data acquisition. About software, we use System Identification Toolbox to identify the system and use PID controller to control the system temperature. The transfer function of model is identified and PID controller is applied to control the temperature output of the furnace. So, we achieve the target – verify the theory of process control by experimental model. v
8. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. 1 1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2 1.4.1. Đối tƣợng nghiên cứu: 2 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu: 2 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu 2 1.6. Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể 2 1.7. Kết cấu luận văn. 2 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 2.1. Mô hình hóa, nhận dạng hệ thống 3 2.1.1. Phân loại mô hình 3 2.1.2. Phƣơng pháp xây dựng mô hình toán học 3 2.1.3. Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín 4 2.1.4. Các bƣớc nhận dạng hệ thống 6 2.2. Bộ điều khiển PID 10 vi
9. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt CHƢƠNG 3: PHƢƠNG HƢỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 16 3.1. Yêu cầu đề tài 16 3.2. Lƣu đồ P&ID 16 3.3. Lƣu đồ giải thuật của hệ thống 17 3.4. Các giải pháp nhận dạng hệ thống 18 3.4.1. Hàm truyền của khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ 18 3.4.2. Khâu quán tính bậc cao 20 3.4.3. Lựa chọn giải pháp nhận dạng hệ thống 20 3.5. Các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID 20 3.5.1. Phƣơng pháp điều chỉnh bằng tay: 20 3.5.2. Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phƣơng pháp thực nghiệm (phƣơng pháp thứ 2 của Ziegler-Nichols) 21 3.5.3. Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR). 21 3.5.4. Phƣơng pháp Cohen-Coon. 22 3.5.5. Phƣơng pháp Tyreus-Luyben. 22 3.5.6. Sử dụng phần mềm. 23 3.6. Lựa chọn phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID 23 CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 24 4.1. Đề xuất công nghệ 24 4.1.1. Matlab 24 Matlab Real-time Workshop 24 System Identification Toolbox 26 4.1.2. Phần cứng thu thập dữ liệu – Card PCI 6052E 26 4.1.3. Khối công suất 31 4.2. Tính toán thiết kế 34 vii
10. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt 4.2.1. Tính toán lựa chọn kích thƣớc thùng gia nhiệt 34 4.2.2. Thiết kế cơ khí 36 4.2.3. Thiết kế mạch điện 49 4.2.4. Mô hình thực tế: 52 CHƢƠNG 5: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ 53 5.1. Các bƣớc chuẩn bị 53 5.1.1. Phần mềm, công cụ 53 5.1.2. Cài đặt chƣơng trình 53 5.2. Nhận dạng hệ thống 54 5.2.1. Dữ liệu ban đầu về mô hình 54 5.2.2. Nhận dạng hệ thống bằng System Identification Toolbox 55 5.3. Điều khiển hệ thống 79 KẾT LUẬN –KIẾN NGHỊ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC 87 viii
11. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Nhận dạng vòng hở 5 Hình 2.2 Nhận dạng vòng kín 5 Hình 2.3 Vòng lặp nhận dạng hệ thống 6 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển 10 Hình 2.5 Cấu trúc bộ điều khiển PID. 11 Hình 2.6 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) 13 Hình 2.7 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số) 14 Hình 2.8 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) 15 Hình 2.9. Sơ đồ PID kết hợp với bộ anti-windup 15 Hình 3.1 Lƣu đồ P&ID. 16 Hình 3.2. Lƣu đồ giải thuật của hệ thống 17 Hình 3.3 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất 18 Hình 3.4 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ 19 Hình 4.1 Sơ đồ khối Real-time Workshop 25 Hình 4.2 Card NI 6052E 26 Hình 4.3 Sơ đồ chân card PCI 6052E 28 Hình 4.4 Sơ đồ khối card PCI 6052E 29 Hình 4.5 Bộ công suất 31 Hình 4.6 Sơ đồ mắc dây bộ công suất 32 Hình 4.7 Cách mắc dây cho tải 32 Hình 4.8 Đồ thị dạng sóng điện áp tải R 33 Hình 4.9 Quá trình đốt nóng không khí. 34 Hình 4.10 Mô hình tổng thể 36 Hình 4.11 Cấu tạo lò nhiệt 37 Hình 4.12 Bản vẽ chi tiết thùng gia nhiệt 38 Hình 4.13 Thân và nắp đậy thùng gia nhiệt 39 Hình 4.14 Thanh điện trở đốt nóng 39 Hình 4.15 Thiết kế quạt cấp khí 40 Hình 4.16 Quạt cấp khí 40 Hình 4.17 Bông thủy tinh 41 Hình 4.18 Thùng bọc ngoài 43 Hình 4.19 Cách gá đặt giữa hai lớp thùng 44 Hình 4.20 Cảm biến Thermocouple loại K 44 Hình 4.21 Bảng điều khiển 47 Hình 4.22 Tủ điện 48 Hình 4.23 Sơ đồ khối mạch điện 49 ix
12. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt Hình 4.24 Mạch điện mô phỏng 50 Hình 4.25 Sơ đồ mạch điều khiển khởi động hệ thống 51 Hình 4.26 Mô hình thực tế. 52 Hình 5.1 Chƣơng trình khảo sát đặc tính vòng hở của hệ thống 54 Hình 5.2 Đồ thị biểu diễn đáp ứng vòng hở của hệ thống 55 Hình 5.3 Chƣơng trình thu thập dữ liệu 56 Hình 5.4 Cửa sổ Ident Tool 57 Hình 5.5 Import Data 58 Hình 5.6 Đồ thị biểu diễn tín hiệu input và output của các mẫu dữ liệu 59 Hình 5.7 Polynomial Models 60 Hình 5.8 Nhận dạng mô hình miền rời rạc 61 Hình 5.9 So sánh ngõ ra các mô hình ARX với ngõ ra hệ thống 63 Hình 5.10 Sai số của các mô hình ARX 63 Hình 5.11 Giản đồ cực – zero của các mô hình ARX 64 Hình 5.12 So sánh ngõ ra các mô hình ARMAX với ngõ ra hệ thống 65 Hình 5.13 So sánh ngõ ra các mô hình OE với ngõ ra hệ thống 66 Hình 5.14 Giản đồ cực – zero của các mô hình OE 67 Hình 5.15 So sánh ngõ ra các mô hình BJ với ngõ ra hệ thống 68 Hình 5.16 Giản đồ cực – zero của các mô hình BJ 69 Hình 5.17 Cửa sổ Process Models 70 Hình 5.18 Đáp ứng quá độ của hệ khoảng thời gian đầu 72 Hình 5.19 So sánh ngõ ra mô hình P2DZ với ngõ ra hệ thống 73 Hình 5.20 Giản đồ cực-zero của mô hình P2DZ 74 Hình 5.21 Đáp ứng quá độ của mô hình P2DZ 74 Hình 5.22 Chƣơng trình dự đoán thông số mô hình 75 Hình 5.23 So sánh đáp ứng quá độ của hàm truyền dự đoán và hệ thống 76 Hình 5.24 So sánh ngõ ra mô hình P3DZ với ngõ ra hệ thống 77 Hình 5.25 Giản đồ cực – zero của mô hình P3DZ 78 Hình 5.26 So sánh đáp ứng quá độ của mô hình P3DZ với hệ thống 78 Hình 5.27 Cấu trúc điều khiển 79 Hình 5.28 Cấu trúc bộ điều khiển PID 80 Hình 5.29 Đồ thị biểu diễn đáp ứng của hệ khi Kth =0.92 80 Hình 5.30 Đồ thị biểu diễn chu kỳ của dao động điều hòa 81 Hình 5.31 Đáp ứng ngõ ra của mô hình khi có bộ điều khiển PID 82 Hình 5.32 Chƣơng trình điều khiển hệ thống 83 o Hình 5.33 Đáp ứng của hệ thống với SP = 70 C 83 o Hình 5.34 Đáp ứng của hệ khi SP là 50, 70 và 90 C 84 x
13. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tác động của việc tăng các thông số độc lập 12 Bảng 3.1 Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phƣơng pháp Ziegler-Nichols 21 Bảng 3.2 Lựa chọn bộ điều khiển theo phƣơng pháp CHR. 21 Bảng 3.3 Các tham số bộ PID theo phƣơng pháp CHR 22 Bảng 3.4 Các thông số điều khiển của phƣơng pháp Tyreus-Luyben 22 Bảng 4.1 Phạm vi thực tế và độ chính xác phép đo card PCI 6052E 27 Bảng 4.2 Các chuẩn kết nối input 29 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật bông thủy tinh 42 xi
14. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT P&ID : Piping and Instrumentation Diagram RGS : Random Gaussian Signal RBS: Random Binary Signal PRBS: Pseudo Random Binary Signal AR: Auto-Regressive ARX: Auto-Regressive eXternal Input ARMA: Auto-Regressive Moving Average ARMAX: Auto-Regressive Moving Average eXternal Input FIR: Finite Impulse Response OE: Output Error BJ: Box Jenkin PID : Proportional Integral Derivative DAQ: Data Acquisition Ident Tool: System Identification Toolbox xii
15. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển vƣợt trội của khoa học kỹ thuật, tự động hoá quá trình sản xuất cũng ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong quá trình phát triển của nền công nghiệp trong nƣớc và thế giới. Mặc khác, trong công nghiệp và sinh hoạt hằng ngày, năng lƣợng nhiệt đóng vai trò rất quan trọng. Năng lƣợng nhiệt là một thành phần vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh vực.Năng lƣợng nhiệt có thể đƣợc dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau nhƣ nung nấu vật liệu, nấu gang thép, khung đúc, sấy khô, sƣởi ấm vì vậy việc nghiên cứu, thu thập các thông số và điều khiển nhiệt độ để sử dụng nguồn năng lƣợng này một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết. Vấn đề này là mối quan tâm hàng đầu của các nhà thiết kế máy, điều khiển nhiệt độ; trở thành một trong những mục tiêu của ngành điều khiển tự động. Tuy nhiên, các thiết bị phục vụ cho việc giảng dạy trong lĩnh vực tự động hoá này còn hạn chế, trong khi nhu cầu ngoài thị trƣờng là rất cao. Với những tiền đề trên, nhóm đã nghiên cứu, chế tạomô hình điều khiển nhiệt độ mô phỏng theo mô hình lò nhiệt trong công nghiệp, đem lại năng suất và hiệu quả tƣơng đối cao. 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Các hệ thống điều khiển khi thiết kế đều yêu cầu thoả mãn các chỉ tiêu chất lƣợng cơ bản của một hệ thống điều khiển tự động: - Thời gian quá độngắn. - Độ quá điều chỉnh nhỏ. - Sai lệch tĩnh nhỏ. - Năng lƣợng tiêu thụ trong hệ thống ít. Với những kết quả nghiên cứu và thực nghiệm trên mô hình của đề tài sẽ góp phần tăng nguồn tƣ liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy và học tập trong trƣờng; tạo tiền đề cho việc phát triển đề tài ở mức cao hơn để có thể áp dụng cho các hệ thống thực tế và trong các quá trình sản xuất. 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển quá trình, đặc biệt là quá trình nhiệt. 1
16. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt Thiết kế mô hình nhằm khảo sát, đánh giá, kiểm chứng những lý thuyết đó. Chế tạo hoàn chỉnh mô hình; nhận dạng và áp dụng các phƣơng pháp điều khiển khác nhau cho mô hình thật. 1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1. Đối tƣợng nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu là lò nhiệt. Nhóm cần phải khảo sát kỹ để tìm ra mô hình toán học tƣơng ứng. Từ đó sẽ giải quyết bài toán điều khiển bằng các giải thuật điều khiển phù hợp. 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo mô hình lò nhiệt. Nhận dạng mô hình hệ thống bằng công cụ Ident tools trong Matlab Điều khiển nhiệt độ lò điện trở sự dụng thuật toán PID. Mô phỏng và thực nghiệm quá trình điều khiển nhiệt độ lò nhiệt. 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết điều khiển quá trình. Tìm hiểu các pháp nhận dạng hệ thống và tiến hành mô phỏng bằng Matlab – Simulink. Thực nghiệm trên mô hình lò nhiệt. 1.6. Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể Khảo sát đặc tính lò nhiệt. Thiết kế chƣơng trình điều khiển nhiệt độ bằng Matlab. 1.7. Kết cấ u luận văn. Toàn bộ nội dung luận văn tốt nghiệp đƣợc trình bày trong 5 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan đề tài. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết. Chƣơng 3: Phƣơng hƣớng và các giải pháp về nhận dạng hệ thống và bộ điềukhiển PID. Chƣơng 4: Đề xuất công nghệ, tính toán thiết kế. Chƣơng 5: Thực nghiệm - đánh giá. 2
17. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Mô hình hóa, nhận dạng hệ thống Nội dung phần này đƣợc tham khảo và trích dẫn chủ yếu trong tài liệu [1], [2]. Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể đã có sẵn hoặc cần phải xây dựng.Mô hình có thể đƣợc sử dụng để xây dựng các bộ điều khiển, mô phỏng, dự báo, phát hiện, chẩn đoán lỗi và tối ƣu hóa hệ thống. 2.1.1. Phân loại mô hình Mô hình đồ họa: Sơ đồ khối, lƣu đồ P&ID, lƣu đồ thuật toán, Mô hình đồ họa phù hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tƣơng tác giữa các thành phần. Mô hình toán học: phƣơng trình vi phân, phƣơng trình đại số, hàm truyền, mô hình trạng thái. Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu về các đặc tính của từng thành phần cũng nhƣ bản chất các mối liên kết và tƣơng tác. Mô hình máy tính: chƣơng trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thống. Mô hình suy luận: là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính của hệ thống thực dƣới dạng các luật suy diễn, sử dụng ngôn ngữ bậc cao. 2.1.2. Phƣơng pháp xây dựng mô hình toán học Mô hình toán học là các biểu thức toán học mô tả hệ thống. Một hệ thống có thể đƣợc thể hiện bằng nhiều cách khác nhau, do vậy có thể có nhiều mô hình toán khác nhau cho một hệ thống. Do đó cũng có nhiều phƣơng pháp để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống. Phương pháp lý thuyết (mô hình hóa): Phƣơng pháp này là cách xây dựng mô hình trên nên tảng các định luật vật lý, hóa học cơ bản kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị trong mô hình. Ta sẽ phân tích quá trình và mô hình hóa theo lý thuyết, mô hình này sẽ là một hệ các phƣơng trình vi phân và phƣơng trình đại số. Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng hệ thống): Phƣơng pháp này còn đƣợc gọi là nhận dạng hệ thống hay phƣơng pháp hộp đen vì hàm truyền đƣợc ƣớc lƣợng trên cơ sở thông tin ban đầu của quá trình, quan sát và phân tích số liệu của các tín hiệu vào-ra của hệ thống thực. 3
18. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt Phƣơng pháp lý thuyết có ƣu điểm phản ánh các quan hệ vật lý, hóa học giữa các đại lƣợng bên trong hệ thống, từ đó xác định đƣợc cấu trúc mô hình hệ thống. Tuy nhiên, mô hình thu đƣợc từ phƣơng pháp này chỉ phản ánh đƣợc đặc tính động học của quá trình công nghệ mà bỏ qua đặc tính của các thiết bị đo và cơ cấu chấp hành, do vậy làm giảm đi độ chính xác của mô hình lý thuyết. Phƣơng pháp này phù hợp hơn cho việc khảo sát tính động học, cấu trúc mô hình, hơn là việc xác định các tham số của mô hình. Phƣơng pháp thực nghiệm có ƣu điểm là tất cả các thông số đều đƣợc lấy từ hệ thống thực, loại bỏ đƣợc các sai số do các phép tính toán lý thuyết,từ đó xác định tƣơng đối chính xác các tham số của mô hình. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là chất lƣợng mô hình thu đƣợc phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của thiết bị đo, nhiễu tác dộng lên mô hình trong quá trình thu thập dữ liệu. Nhiệt độ là đại lƣợng vật lý khá phức tạp và khó tính toán trong điều khiển quá trình, đặc biệt là nhiệt độ không khí; mô hình lò nhiệt lý tƣởng thƣờng là khâu quán tính bậc 1 có hoặc không có trễ, nhƣng thực tế thì tùy vào đặc điểm của mỗi mô hình thực nghiêm mà có thể cho ra các mô hình bậc cao phức tạp; ngƣời nghiên cứu cần có kiến thức chuyên sâu về các quan hệ vật lý của các thiết bị và đối tƣợng trong mô hình mới hy vọng tìm ra đƣợc mô hình tốt nhất. Do vậy trong khuôn khổ đề tài này, nhóm đã chọn phƣơng pháp thực nghiệm để xây dựng mô hình toán học của hệ thống, bằng cách sử dụng công cụ hỗ trợ khá mạnh trong Matlab là System Identification Toolboxđể tìm ra các tham số của mô hình. Ngoài ra ta còn có phƣơng pháp kết hợp hai phƣơng pháp trên để cho ra kết quả chính xác nhất. 2.1.3. Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín Việc thu thập dữ liệu đòi hỏi phải tạo ra đƣợc sự biến thiên tín hiệu vào-ra của hệ thống, do vậy tín hiệu đầu vào biến thiên đƣợc tác động vào hệ thống đang vận hành. Độ chính xác và khả thi của dữ liệu thu đƣợc phụ thuộc vào cƣờng độ biến thiên của tín hiệu, dạng tín hiệu kích thích (xung vuông, bậc thang, dao động điều hòa), Do vậy nếu hệ thống là thí nghiệm hoặc chƣa đƣa vào sản xuất thì sẽ dễ dàng chọn các yếu tố trên, dẫn đến chất lƣợng dữ liệu thu thập đƣợc rất tốt và khả năng nhận dạng gần đúng hệ thống là rất cao. Ta có phƣơng pháp nhận dạng vòng hở nhƣ sau: 4
19. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt Hình 2.1 Nhận dạng vòng hở Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã đƣa vào sản xuất, ta không thể tách rời bộ điều ra khỏi hệ thống;do đó, ta có phƣơng pháp điều khiển vòng kín nhƣ sau: Hình 2.2 Nhận dạng vòng kín Để khảo nghiệm mô hình của hệ thống đã đƣa vào sản xuất thì không thể dùng các tín hiệu có cƣờng độ lớn, vì sẽ ảnh hƣởng đến quá trình sản xuất. Vì vậy, chỉ có thể đƣa các tín hiệu có cƣờng độ nhỏ vào hệ thống, và tất nhiên sẽ làm giảm độ chính xác và khả thi của dữ liệu thu thập đƣợc. Trong đồ án này, nhóm đã chế tạo mô hình thực nghiệm nên sẽ dùng phƣơng pháp nhận dạng vòng hở. 5
20. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt 2.1.4. Các bƣớc nhận dạng hệ thống Nội dung phần này đƣợc tham khảo và trích dẫn chủ yếu trong tài liệu [3]. Quy trình nhận dạng hệ thống theo tài liệu [2] đƣợc thể hiển trong vòng lặp sau: Hình 2.3 Vòng lặp nhận dạng hệ thống Thu thập dữ liệu: Để nhận dạng đƣợc mô hình hệ thống, trƣớc tiên ta phải chọn tín hiệu thử có biên độ và băng thông thích hợp cho ngõ vào và thu thập tín hiệu đáp ứng ngõ ra của hệ thống. Tín hiệu thử ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng mô hình thu đƣợc, nếu tín hiệu thử không tốt thì sẽ không lấy đƣợc đặc tính của hệ thống, từ đó tạo ra sai số cho các bƣớc tiếp theo trong quá trình nhận dạng. 6
21. Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt Các vấn đề khi thu thập dữ liệu: - Chọn tín hiệu vào: Trong giới hạn đề tài, chỉ nhận dạng hệ thống tuyến tính hoặc có thể tuyến tính hóa nên có thể chọn các loại tín hiệu sau: + Tín hiệu ngẫu nhiên phân bố Gauss (RGS – Random Gaussian Signal) + Tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên (RBS – Random Binary Signal) + Tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên giả (PRBS – Pseudo Random Binary Signal) + Tín hiệu đa hài (Multi – sines) - Xác định chu kỳ lấy mẫu Nếu lấy mẫu quá nhanh (tức là chu kỳ lấy mẫu nhỏ) thì ở miền tần số cao, độ chính xác của mô hình ƣớc lƣợng sẽ thấp. Hơn nữa, đối với hệ thống có thời gian trễ nhƣ lò nhiệt thì trong nhiều chu kỳ lấy mẫu, khâu trễ kéo dài, dẫn đến dữ liệu thu đƣợc không tốt, nên việc mô hình hóa sẽ gặp khó khăn. Tuy nhiên nếu lấy mẫu quá chậm, đến mức chu kỳ lấy mẫu vƣợt quá hằng số thời gian của hệ thống thì phƣơng sai tăng đột ngột. Chu kỳ lấy mẫu tối ƣu là xấp xỉ hằng số thời gian của hệ thống. Trong trƣờng hợp không biết trƣớc hằng số này thì ta phải ƣớc lƣợng (phụ thuộc vào kinh nghiệm ngƣời thu thập dữ liệu). - Xác định số mẫu cần thu thập Số mẫu dữ liệu càng nhiều càng tốt, vì càng có nhiều thông tin và càng dễ nhận dạng hệ thống. Cấu trúc mô hình: Đƣa ra đƣợc cấu trúc mô hình phù hợp là bƣớc quan trọng và khó khăn nhất trong quá trình nhận dạng. Hàm toán học mô tả hệ thống có thể liên quan hoặc không liên quan đến các định luật vật lý, nhƣng phải thể hiện đƣợc quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra. Với các hệ thống có ít hoặc rất ít thông tin, ngƣời ta dùng mô hình hộp đen để nhận dạng. Các hệ thống thực đều là những hệ phi tuyến, lúc đó, quá trình nhận dạng sẽ khó khăn hơn rất nhiều, vì vậy ngƣời ta có thể tuyến tính hóa các hệ thống để việc tính toán đƣợc dễ dàng hơn, với sai lệch ở mức chấp nhận đƣợc. Xét hệ thống có tín hiệu vào là u(t), tín hiệu ra là y(t). Cấu trúc mô hình tuyến tính sẽ đƣợc biểu diễn nhƣ sau: 7