NGHIÊN cứu xây DỰNG hệ điều KHIỂN NHIỆT độ lò sấy dầu NGUYÊN LIỆU

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG


NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216



TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT







Thái Nguyên - 2013
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hồng Quang
Phản biện 1: GS. TS. Phan Xuân Minh
Phản biện 2: TS. Trần Xuân Minh
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
Phòng 202 – A8. Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên

Vào hồi 10 giờ 30.ngày 20 tháng 4 năm 2014
1

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
LỜI MỞ ĐẦU
Lò sấy dầu nguyên liệu được dùng phổ biến trong các nhà máy sử dụng dầu làm
nhiên liệu đốt lò : Nhà máy Nhiệt điện, Nhà máy Xi măng, Nhà máy hấp sấy nguyên
liệu vải cho nghành dệt may, …
Chất lượng dầu sấy thể hiện ở nhiệt độ và khối lượng dầu sấy, chính các đại
lượng này sẽ ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của quá trình cháy và nhiệt độ
của các lò nung hay lò hơi trong các nhà máy.
Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển cho các lò sấy dầu nguyên liệu sẽ nâng
cao được chất lượng và số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công
nghiệp nước ta.
1. Lý do chọn đề tài:
- Trên thực tế khảo sát ở nhà máy TAIRONG VN tại KCN Việt Trì là nhà máy
sử dụng nguyên liệu dầu để đốt cho các lò hơi chuyên sử lý vải, quần áo cho các nhà
máy dệt may trong khu vực. Tuy nhiên hệ thống sấy dầu được thực hiện thủ công, bán
tự động nên chất lượng của dầu chưa đạt làm ảnh hưởng tới quá trình cháy và nhiệt độ
của các lò hơi. Từ đó làm ảnh hưởng tới năng suất và chất lượng của sản phẩm sấy. Vì
vậy việc cần có lò sấy tự động ổn định nhiệt độ để nâng cao năng suất và chất lượng là
hết sức cần thiết.
- Xuất phát nhu cầu thực tế trên, học viên đã đề xuất thực hiện đề tài luận văn
thạc sỹ “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu”.
2. Mục tiêu của đề tài này là: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy
dầu nguyên liệu”:
- Xây dựng được đầy đủ phương pháp luận để phân tích, tổng hợp, thiết kế
được bộ điều khiển cho lò sấy dầu nguyên liệu.
- Thiết kế, chế tạo, lắp ráp được bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống nhiệt
độ lò sấy dầu nguyên liệu.

- Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
* Đối tượng nghiên cứu:
- Thiết bị sấy dầu công nghiệp .
- Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế.
* Phạm vi nghiên cứu:
2

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
- Điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu.
- Mô phỏng bằng các phần mềm mô phỏng. Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.
4. Dự kiến kết quả đạt được:
- Viết được mô hình toán của đối tượng.
- Xây dựng được thuật toán điều khiển theo chỉ tiêu chất lượng cao.
- Thiết kế và lắp đặt được bộ điều khiển PID nhiệt độ trong phòng thí nghiệm.
Qua đó để đánh giá độ tin cậy, hoạt động ổn định của phần cứng cũng như chương
trình phần mềm khi hoạt động trong thực tế.
Nội dung chính của luận văn:
Chương 1: Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp.
1. Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp.
2. Tổng quan về sản phẩm sản phẩm nguyên liệu dầu, các đặc tính kỹ
thuật và quá trình sấy dầu.
Chương 2: Xây dựng mô hình toán của lò sấy dầu công nghiệp .
1. Giới thiệu chung về lò điện trở
2. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học
3. Mô tả toán học lò điện trở.
Chương 3: Xác định thuật toán điều khiển hệ thống .
1. Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh.
2. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển bộ PID.
3.Thiết kế bộ điều khiển.

Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm.
1. Mô phỏng
2. Thực nghiệm.
5. Phương pháp nghiên cứu :
- Gắn lý thuyết với đối tượng thực tế.
- Dùng máy tính với các phần mềm mô phỏng.
6 .Các công cụ, thiết bị cần thiết cần thiết cho nghiên cứu
- Máy tính, phần mềm mô phỏng Matlab và Simulink
- Đối tượng thực tế - Phòng thí nghiệm Tự động hoá
3

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều
khiển tự động và bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp trường Đại học KTCN
Thái Nguyên, đặc biệt là Thầy giáo TS. Nguyễn Hồng Quang - Giảng viên Trường ĐH
Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm
luận văn.
Thái Nguyên, Ngày 14 tháng 12 năm 2013
Học viên


Nguyễn Xuân Trường

4

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ SẤY CÔNG NGHIỆP
1.1. Tổng quan về lò công nghiệp.

1.1.1. Khái niệm.
Lò công nghiệp (LCN) là thiết bị trao đổi nhiệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao
để thực hiện các quá trình công nghệ: nung, nấu chảy, sấy…
1.1.2. Phân loại LCN
1.1.2.1. LCN theo đặc điểm nguồn nhiệt:
a. Các lò nhiên liệu.
b. Các lò điện.
c. Các lò tự phát nhiệt.
1.1.2.2. LCN theo đặc điểm công nghệ.
a. Các lò nấu chảy.
b. Các lò nung.
1.1.2.3. LCN theo chế độ nhiệt.
a. Các lò làm việc ở chế độ bức xạ nhiệt.
b. Các lò làm việc ở chế độ đối lưu.
c. Các lò làm việc ở chế độ theo lớp. Ở chế độ lớp có 3 dạng:
- Lớp chặt.
- Lớp sôi.
- Lớp lơ lửng.
1.1.2.4. LCN theo đặc điểm cấu trúc.
Dựa vào hình dạng, cấu trúc có các loại lò như: lò buồng, lò bể, lò ống quay, lò
hầm, lò nung liên tục.
1.1.3. Các đặc trưng cơ bản của LCN
1.1.3.1. Chế độ nhiệt độ của lò.
a. Nhiệt độ lò.
b. Chế độ nhiệt độ của lò.
1.1.3.2. Chế độ nhiệt của lò.
1.1.3.3. Công suất nhiệt của lò.
Công suất nhiệt của lò là phụ tải nhiệt lớn nhất mà lò có thể tiếp nhận được trong một
đơn vị thời gian; được ký hiệu bằng Q hoặc P, đơn vị đo kW.
5

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
1.1.3.4. Năng suất của lò
1.1.4. Các chế độ làm việc của LCN
1.1.4.1. Chế độ làm việc bức xạ.
1.1.4.2. Chế độ làm việc đối lưu
1.2. Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp
1.2.1. Cấu trúc của hệ thống lò sấy
1.2.1.1. Các bộ phận cơ bản của hệ thống lò sấy
a. Buồng sấy
b. Bộ phận cung cấp nhiệt.
c. Bộ phận thông gió và tải ẩm
d. Bộ phận cấp vật liệu và lấy sản phẩm.
e. Hệ thống đo lường, điều khiển.
1.2.1.2. Các dạng cấu trúc hệ thống lò sấy
a. Hệ thống sấy công suất nhỏ.
b. Hệ thống sấy công suất lớn.
1.2.2. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO)
1.2.2.1. Khái quát chung
Dầu FO hay còn gọi là dầu Mazút là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu
thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không. Trước khi bị đốt cháy
dầu FO được gia nhiệt để có độ nhớt nhất định, độ nhớt của dầu ảnh hưởng đến việc
trộn lẫn của nhiên liệu với khả năng bay hơi, trở lực ma sát trong hệ thống bơm. Quá
trình cháy và phát thải ra môi trường bên ngoài. Sau khi được sấy dầu được phun dưới
dạng sương, nó sẽ bay hõi tạo với không khí hỗn hợp cháy.
Vì vậy dầu FO cần phải được sấy trước khi đưa vào buồng đốt trong lò hơi.
1.2.2.2. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO)
a. Hàm lượng lưu huỳnh:
b. Độ nhớt:
c.Tỷ trọng

d. Hàm lượng nước
e. Cặn Carbon:
f. Hàm lượng tro.
g. Nhiệt trị.
6

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
h. Điểm chớp cháy.
Cũng giống như những sản phẩm dầu mỏ khác, đối với nhiên liệu đốt lò thì điểm
chớp cháy cũng đặc trưng cho mức độ hoả hoạn của nó.
Ngoài những chỉ tiêu trên thì nhiên liệu đốt lò còn phải đạt những chỉ tiêu chất
lượng khác như điểm đông đặc, độ ổn định oxy hoá . . .
Bảng 1.1. Đặc tính của dầu thô (FO)
Khối
lượng
riêng
Kg/m
3
Nhiệt
độ
đông
đặc
0
C
Độ
nhớt
động
học
m
2

/s
Nhiệt
dung
riêng
J/kg.K
Hệ số
dẫn
nhiệt
W/m.K
Thành phần
Độ sáp
Parafin
Keo
Galatin
Lưu
huỳnh
S
Nhựa
đường
Bitum
Nitơ
N
Nước
H
2
O
927.5
19
17.44
2.683

0.1964
14.3
10.3
0.13
0
0.29
16.8


7

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
1.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy dầu FO cho nồi hơi
NỒI HƠI
1
2
3
4
1
0
5
1
1
7
6
1
2
6
8
9

1
3
1- Bể dầu; 2- Hệ thống ống sấy dầu; 3- Đường ống dãn dầu; 4- Bình lọc thô dầu;
5- Bơm; 6- Bình gia nhiệt dầu; 7- Bình lọc tinh dầu; 8- Van điều chỉnh lưu lượng dầu;
9- Lưu lượng kế; 10- Van thường; 11- Van một chiều; 12- Đường dầu về;
13- Vòi phun dầu
8

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Dầu FO có nhiệt độ đông đặc cao, độ nhớt lớn, nhiệt độ chống cháy cao, nên để
vận chuyển dễ dàng trong hệ thống dẫn dầu, dầu cần được sấy nóng tới nhiệt độ từ 50
– 90
0
C tùy theo độ nhớt của dầu. Song song với việc sấy nóng dầu cũng có các hệ
thống lọc dầu thô tinh để loại các tạp chất, làm ảnh hưởng tới chất lượng của dầu.
Dầu được chứa trong các bể dầu, các bể này được thiết kế phù hợp với các yêu
cầu về phòng hỏa. trong bể có đặt chìm ống xoắn dẫn hơi nóng để sấy dầu, giữ cho dầu
có nhiệt độ ổn định (khoảng 70
0
C). Ở đây dầu được bơm vào nồi hơi qua các bình lọc
thô và lọc tinh. Trước khi vào bơm dầu đầu vòi phun, dầu được đưa qua bộ sấy dầu
bằng điện. Tại đây dầu được tăng nhiệt độ tới nhiệt độ dễ dàng cho sự bắt cháy nhất
(khoảng 90
0
C).

1
2
3
48

5
9
7
6





Hình 1.2: Bộ sấy dầu điện

* Bộ sấy dầu điện
Dầu được sấy nóng trong bình sấy nhờ các điện trở điện. Khi đạt tới nhiệt độ
đặt ( khoảng 90
0
C) thì bơm dầu bơm vào vòi phun. Nếu chưa đạt được nhiệt độ này
dầu quay trở lại bộ sấy để tiếp tục được hâm nóng.
1- Vỏ bộ sấy; 2- Thanh điện trở; 3- Hộp cấp điện; 4- Dầu vào; 5- Rơ-le nhiệt
độ; 6- Dầu ra; 7- Bích; 8- Áp kế; 9- Đồng hồ đo nhiệt độ

9

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
* Bộ sấy dầu dùng hơi
Khi nồi hơi đã có hơi thì đưa bộ sấy dầu bằng hơi vào làm việc. Bộ sấy này
thường được lắp trực tiếp vào bể chứa dầu chính và bể chứa trung gian. Tùy theo từng
loại bể mà ta điều chỉnh nhiệt độ sấy tới mức bao nhiêu.
Thực chất bộ sấy này là dùng chùm ống ruột gà. Hơi nước đi bên trong, truyền
nhiệt cho dầu bên ngoài. Nước ngưng được dẫn về bể thu hồi.
Trong bể chứa còn lắp các đường đo nhiệt độ dầu, đường xả nước đọng trong

dầu.

10

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
CHƯƠNG 2.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA LÒ SẤY DẦU
Hệ thống sấy sử dụng thiết bị gia nhiệt là các điện trở nhiệt. Vì thế, trong quá
trình khảo sát và xây dựng mô hình toán cho đối tượng điều khiển, tôi sử dụng lò điện
trở làm đối tượng thay thế.
2.1. Giới thiệu chung về lò điện trở
Lò điện trở là một thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt
(dây nung). Từ dây đốt nhờ bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt, nhiệt năng được đưa tới vật
cần gia nhiệt.
2.1.1. Đặc điểm.
2.1.2. Nguyên lý làm việc.
Theo định luật Joule- Lence, dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R(vật rắn
hoặc chất lỏng), nó sẽ tạo ra một nhiệt lượng. Năng lượng này sẽ đốt nóng bản thân vật
dẫn hoặc gián tiếp đốt nóng các vật nung ở gần đó:

2
Q R I t
(2.1)
Trong đó:
Q: Nhiệt độ tảo ra trên dây dẫn(J)
R: Điện trở của dây dẫn ()
I: cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn(A)
t: Thời gian dòng điện chạy qua (s)
2.1.3. Phân loại lò điện trở
* Theo phương pháp tỏa nhiệt, chia thành 2 nhóm:

- Lò điện trở trực tiếp.
- Lò điện trở tác dụng gián tiếp.
* Theo nhiệt độ của lò, chia làm 3 loại:
- Lò có nhiệt độ thấp: Nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 600
0
C
- Lò có nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 600
0
C ÷1200
0
C.
- Lò có nhiệt độ cao: Nhiệt độ trên 1200
0
C
2.1.4. Cấu tạo lò điện trở.
* Cấu tạo lò điện trở:
Lò điện trở gồm 3 phần chính: vỏ lò, lớp lót, dây nung.
11

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
- Vỏ lò: là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm
việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt và đản bảo sự kín hoàn
toàn hay tương đối của lò. Khung vỏ lò cần cứng, vững chắc đủ để chịu tải trọng của
lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các chi tiết cơ khí gắn trên vỏ lò.
- Lớp lót: thường gồm 2 phần chính: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt:
- Dây nung: Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, thường được đặt trong buồng
lò hoặc buồng phát nhiệt, chúng làm việc ở nhiệt độ cao.
2.2. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học.
Mô hình hóa giúp cho chúng ta:
- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành

- Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống
- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển
- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển
- Phân tích và kiểm chứng kết quả thiết kế
- Mô phỏng trên máy tính
Để xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển đến nay có 2 phương
pháp:
- Dựa vào các phương trình toán học mô tả mối quan hệ các đại lượng vật lý của
đối tượng và các tham số của đối tượng.
- Dựa vào đường cong thực nghiệm của đối tượng.
Trong khuôn khổ của luận văn em chỉ giới thiệu về phương pháp thực nghiệm
như sau:
2.2.1. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc nhất có trễ.
Mô hình đối tượng thường có hàm truyền đạt dạng:

( ) .
1
s
k
G s e
s





(2.2)
Trong đó: K là hệ số khuếch đại tĩnh
: hằng số thời gian, : thời gian trễ xấp xỉ.
Một số phương pháp thông dụng:

- Phương pháp kẻ tiếp tuyến: Kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn, giao điểm của tiếp
tuyến này với đường trục thời gian cho ta thời gian xấp xỉ m. Xác định điểm trên
đường cong có giá trị 0.632y
∞
cho ta giá trị +. Thực chất đây có thể coi là phương
12

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
pháp nhận dạng sử dụng một điểm quy chiếu với khâu quán tính bậc nhất có trễ thì sau
một khoảng thời gian đúng bằng thay đổi đầu ra + đúng bằng 0.632y
∞
.






Hình 2.1. Phương pháp kẻ tiếp tuyến
- Phương pháp 2 điểm quy chiếu: Ta thấy phương pháp kẻ tiếp tuyến ước lượng
tham số mô hình mang tính chủ quan thiếu chính xác mà cũng có sử dụng trên máy
tính. Vì thế để khắc phục một phần nhược điểm của phương pháp kẻ tiếp tuyến người
ta sử dụng phương pháp 2 điểm quy chiếu. Các tham số  và  được xác định theo t1
và t2 như sau:

 
21
1.5 tt



và
2
1
1.5
3
t
t






(2.3)







Hình 2.2. Phương pháp 2 điểm quy chiếu
2.2.2 Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc 2 có trễ.

Mô hình truyền đạt có thể viết dưới dạng:


  
12
()

11
s
k
G s e
ss





(2.4)
Hoặc
22
()
21
s
k
G s e
ss

 



(2.5)

13

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
- Phương pháp kẻ tiếp tuyến và 2 điểm quy chiếu: Phương pháp này cũng tương

tự như trong mô hình quán tính bậc 1, hệ số khuếch đại k được xác định bằng cách kẻ
đường tiệm cận với đồ thị đáp ứng quá độ ở chế độ xác lập. Hằng số thời gian trễ 
được xác định bằng giao điểm giữa trục thời gian và tiếp tuyến tại điểm uốn. Các tham
số 
1;

2
được xác định bằng cách lấy 2 điểm quy chiếu (33% và 67%) sau đó giải
phương trình phi tuyến:


   
22
//
21
21
()
10
tt
t t t t
i
yt
ee
y








  

với i = 1,2 (2.6)
- Phương pháp 3 điểm quy chiếu: Cũng như với mô hình quán tính bậc 1, phương
pháp 3 điểm quy chiếu được sử dụng để khắc phục những nhược điểm của phương
pháp kẻ tiếp tuyến trên nhưng không chính xác, không lập trình trên máy được…
phương pháp này lấy 3 điểm trên đặc tính quá độ, thông thường là 14%, 55%, và
911%. Giá trị xác lập và các thời điểm tương ứng là t
1
, t
2
, t
3
khi đó xác định các thông
số như sau:
 
2 2 3 2
21
2 3 4
2 3 4
2
0.50906 0.51743 0.0762284 0.041363 0.0049224 0.00
0.85818 0.6290 1.289 0.36859 0.03889
1.3902 0.52536 1.2991 0.36014 0.037605
tt
t
   

   

     
     


   
     

Trong đó:
ln
2.485





và
32
21
tt
tt





2.2.3. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình có khâu tích phân .
Mô hình có thành phần tích phân có thể được nhận dạng dựa trên việc nhận dạng
thành phần quán tính bậc 1 hoặc thành phần bậc 2 của đối tượng, Sau khi nhận dạng
được khâu quán tính tương ứng chỉ việc nhân thêm 1/s ta được khâu quán tính tích
phân

2.3. Mô tả toán học lò điện trở
2.3.1. Nhận dạng lò điện trở.
Điều kiện thực hiện thí nghiệm: đối tượng lò nhiệt đang ổn định tại điểm nhiệt độ
86
0
C (tuyến tính hóa đối tượng tại điểm làm việc 86
0
C).
Lò điện trở có các thông số: U = 220(V); R = 55()
14

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Để xác định được kết quả thí nghiệm, trong quá trình thực nghiệm có giả định tải
của lò điện trở bằng việc thực hiện mở lò với góc mở khoảng 15
0
C. (hình 2.3)

Hình 2.3. Mô hình lò nhiệt trong phòng thí nghiệm

Kết quả thu được: Thời gian thực nghiệm (4000s)
t(s)

T(
0
C)
t(s)

T(
0
C)

t(s)

T(
0
C)
t(s)

T(
0
C)
0

86

211
87,6
540
89,6
1483
92,7
32

86,1
221
87,9
559
90

1607
92,8

50

86,2
245
88

675
90,1
1635
93

63

86,3
281
88,2
698
90,2
1780
93,2
85

86,4
323
88,3
770
90,4
1870
93,5
108

86,5
351
88,4
820
90,7
2025
93,7
125
86,6
430
89

866
91

2715
94

139
87

438
89,1
965
91,3
2945
94,1
162
87,2
453

89,2
1096
91,5
3183
94,1
182
87,3
486
89,4
1192
91,7
3485
94,1
202
87,4
500
89,5
1239
92,4
4085
94,1

Bảng 2.1. Bảng số liệu thực nghiệm đặc tính đối tượng lò điện trở
trong

phòng thí
nghiệm


15

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

Hình 2.4. Đường đặc tính đối tượng lò điện trở
2.3.2. Xác định mô hình đối tượng của hệ thống
Sử dụng phương pháp hai điểm quy chiếu
Từ đồ thị thực nghiệm:



Hình 2.5. Phương pháp hai điểm quy chiếu

Với
8.1
0.81
10
y
k
u


  



21
1.5( ) 873
910 873 37
T t t
L

  
  

Vậy hàm truyền đối tượng là:

37
0.81
W
1 873
s
DT
e
s




16

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
CHƯƠNG 3
XÁC ĐỊNH THUẬT TOÁN CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
3.1. Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh.
3.1.1. Cấu trúc chung của một hệ điều khiển tự động.
Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động được giới thiệu trên hình như sau:

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động
Các tín hiệu tác động trong hệ thống:
x(t): Tín hiệu đầu vào của hệ thống. Còn gọi là giá trị đặt.
y(t): Tín hiệu ra của hệ thống. Còn gọi là lượng được điều chỉnh.
u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng.
e(t): Sai lệch điều khiển.
z(t): tín hiệu phản hồi.
f
n
(t): tín hiệu nhiễu tác động lên đối tượng.
3.1.2. Đặc tính quá độ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển tự động.
Để mô tả quá trình động hay quá trình tắt dần của hệ thống ổn định đó theo thời
gian người ta sử dụng đặc tính quá độ. Như vậy đặc tính quá độ mô tả quá trình quá
độ của hệ thống.
Có 3 loại chỉ tiêu chất lượng cơ bản:
1, Chỉ tiêu chất lượng tĩnh: Nó là trị số sai lệch còn tồn tại khi quá trình quá độ
kết thúc và được xác định theo công thức:
s = lim
t
e(t)
17

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
2, Chỉ tiêu quá độ: Chất lượng của hệ thống được đánh giá bằng ba chỉ tiêu sau:
- Thời gian quá độ:
- Số lần dao động n:
- Độ quá điều chỉnh 
max

3.1.3. Phân tích các luật điều khiển.
3.1.3.1. Luật điều khiển tỷ lệ (P)
Tín hiệu điều khiển trong quy luật (P) được xác định theo công thức:
u(t) = K
p
.e(t) (3.1)
Trong đó K
p
được gọi là hệ số khuếch đại. Theo tính chất của khâu khuếch đại
ta thấy tín hiệu ra luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào.
Ưu điểm:
- Tốc độ xử lý tín hiệu nhanh
- Tính ổn định cao
- Thời gian điều khiển ngắn
- Tăng tín hiệu điều khiển u(t)
Nhược điểm:
- Tồn tại sai lệch tĩnh
- Độ dự trữ ổn định giảm
3.1.3.2. Luật điều khiển tích phân(I)
Trong quy luật tích phân tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức:

1
( ) ( ) ( )
i
U t k e t dt e t
T


(3.2)

Trong đó: T
i
gọi là hằng số thời gian tích phân. Từ công thức 3-3 ta thấy giá trị
u(t) chỉ đạt giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kết thúc) khi e(t)=0.
Ưu điểm:
- Ở trạng thái xác lập thì triệt tiêu được sai lệch tĩnh
Nhược điểm:
- Tốc độ xử lý tín hiệu chậm
- Hệ thống kém ổn định
- Thời gian điều chỉnh dài

18

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
3.1.3.3. Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân(PI)
Để vừa tác động nhanh, vừa triệt tiêu được sai lệch tĩnh người ta kết hợp quy luật
tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo nên quy luật tỷ lệ tích phân. Tín hiệu điều khiển
được xác định theo công thức:

1
( ) ( ) ( ).
p
i
U t K e t e t dt
T






(3.3)

Trong đó: K
p
: hệ số khuếch đại
T
i
: hằng số thời gian tích phân
Ưu điểm:
- Tốc độ xử lý nhanh, triệt tiêu được sai lệch tĩnh
Nhược điểm:
- Trong cấu trúc của luật PI có 2 tham số cần điều chỉnh là K
P
, T
I
. Việc xác định
thông số thích hợp cho từng đối tượng là rất phức tạp.
- Tốc độ tác động chậm hơn so với khâu tỷ lệ. Hệ thống sử dụng luật PI kém ổn
định hơn, thời gian điều khiển kéo dài vì vậy nếu đồi hỏi tốc độ tác động nhanh thì
khâu PI chưa đáp ứng được.
3.1.3.4. Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân (PID)
Hàm truyền đạt có dạng như sau:


 
( ) 1
G s (1 )
()
i
r P d P d

i
K
Us
K T s K K s
E s Ts s
      
(3.4)
Ưu điểm:
- Tốc độ xử lý nhanh, triệt tiêu được sai lệch tĩnh
Nhược điểm:
- Trong cấu trúc của luật PID có 2 tham số cần điều chỉnh là K
P
, T
I
, T
D
. Việc xác
định thông số thích hợp cho từng đối tượng là rất phức tạp.
- Do có thành phần vi phân nên hệ thống sẽ phản ứng rất mạnh với nhiễu cao tần,
muốn hệ thống làm việc tốt phải có bộ chống nhiễu tốt.
3.1.4. Tác động của việc tăng một thông số độc lập

19

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Thông số
Thời gian
khởi động
Quá độ
Thời gian xác

lập
Sai số ổn
định
Độ ổn
định
K
p
Giảm
Tăng
Thay đổi nhỏ
Giảm
Giảm cấp
K
i
Giảm
Tăng
Tăng
Giảm đáng
kể
Giảm cấp
K
d
Giảm ít
Giảm ít
Giảm ít
Về lý thuyết
không tác
động
Cải thiện
nếu K

d

nhỏ
3.2. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển bộ PID
3.2.1. Phương pháp thực nghiệm
a. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất.
Phương pháp này thiết kế dựa trên cơ sở xấp xỉ hàm truyền đạt của đối tượng
thành khâu quán tính bậc nhất có trễ, độ quá điều chỉnh không vượt quá giới hạn cho
phép 40%

Với các k,L,T xác định từ độ thị hàm quá độ
Điều kiện để áp dụng phương pháp này là đối tượng phải ổn định, không có
dao động và hàm quá độ phải có dạng hình chữ S.
b. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ hai.
Phương pháp thực nghiệm này có đặc điểm không sử dụng mô hình toán học
của đối tượng, ngay cả mô hình xấp xỉ.
Nhược điểm của phương pháp này là chỉ cáp dụng cho đối tượng có được chế
độ biên giới ổn định khi hiệu chỉnh hệ số khuếch đại trong hệ kín.
c. Phương pháp tổng hợp T của Kuhn
Cho đối tượng có hàm truyền đạt

20

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

    
    
' ' '
12
12

1 1 1
()
1 1 1
m
s
m m m
n
T s T s T s
S s k e
T s T s T s


  

  
với m < n (3.5)
Giả thiết hàm truyền đạt h(t) có dạng hình S và ổn định







Hình 3.6. Đồ thị dạng hình S và ổn định
Phương pháp gồm 2 bước:
1. Trên cơ sở 2 giá trị k và T

có thể xác định từ hàm truyền đạt S(s) và hoặc
bằng thực nghiệm từ hàm quá độ h(t)

2. Nếu chọn PI thì
1/ 2 ; / 2
pi
K k T T



(3.6)
3. Nếu chọn PID thì
1/ ; 2 /3, 0.167
p i d
K k T T T T

  

(3.7)
3.2.2. Phương pháp thiết kế dựa trên miền tần số
3.2.2.1.Phương pháp tối ưu mô đun
Phương pháp tối ưu độ lớn được xây dựng chủ yếu chỉ phục vụ việc chọn tham số
bộ điều khiển PID để điều khiển các đối tương S(s) có
hàm
truyền dạng quán tính bậc
1, bậc 2, bậc 3.
a. Điều khiển đối tượng quán tính bậc nhất
Nếu đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất thì bộ điều khiển tích phân
với tham số
2
i
p
T

kT
k

sẽ là bộ điều khiển tối ưu độ lớn.
b. Điều khiển đối tượng quán tính bậc 2
Bài toán chọn tham số bộ điều khiển PID cho đối tượng quán tính bậc 2

12
()
(1 )(1 )
k
Ss
T s T s


(3.8)

k
A
t
21

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Với cách chọn tham số thời gian này hàm truyền đạt hệ hở trở thành

2
()
(1 )
h
R

k
Gs
T s T s


(3.9)
Tức là ta lại có được T
R
theo công thức:

2
2
2
ii
Rp
p
TT
T kT k
k kT
   
(3.10)
c. Điều khiển đối tượng quán tính bậc 3
Hàm truyền đạt khâu quán tính bậc 3

1 2 3
()
(1 )(1 )(1 )
k
Ss
T s T s T s


  
(3.11)
Sử dụng bộ điều khiển PID có
7; 1.43; 2.2
I D p
T T k  

3.2.2.2.Phương pháp tối ưu đối xứng
Khắc phục phương pháp tối ưu độ lớn là đối tượng S(s) phải ổn định và hàm h(t)
phải đi từ 0 và có dạng hình chữ S.
a. Đối tượng tích phân quán tính bậc nhất
Hàm truyền đối tượng:

()
(1 )
k
Ss
s Ts


(3.12)
Thì bộ điều khiển tối ưu sẽ là bộ điều khiển PI với các tham số như sau:
- Xác đinh a từ độ quá điều chỉnh 
h
hoặc tự chọn a > 1, a càng lớn thì 
h
càng
nhỏ, a<=1 thì hệ kín không ổn định.
- Tính

1i
T aT
(3.13)
- Tính
1
1
p
k
kT a

(3.14)
b. Đối tượng là khâu tích phân quán tính bậc 2
Hàm truyền của đối tượng:

12
()
(1 )(1 )
k
Ss
s T s T s


(3.15)
Ta sử dụng bộ điều khiển PID
22

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

  
1

11
1
( ) 1
p a b
pd
i
k T s T s
R s K T s
Ts Ts


   



(3.16)
Suy ra các tham số của bộ PID được chọn như sau:

1
1
'
1
'
2
;
1
ab
a b D
p
pp

b
TT
T T T T
T
kT
kk
T
kT a
  
  
(3.17)
c. Giảm độ quá điều chỉnh bằng bộ tiền xử lý
Quy tụ chung là tìm bộ điều khiển sao cho hệ hở có hàm truyền đạt

'
2
2
(1 )
()
(1 )
hp
k Ts
G s k
Ts T s



(3.18)
* Nếu đối tượng là tích phân quán tính bậc nhất thì
- Chọn bộ điều khiển PI với

1
1
1
4;
2
ip
T T k
kT

(3.19)
- Chọn bộ tiền xử lý là:
2
1
()
14
Ms
sT


(3.20)
* Nếu đối tượng là tích phân quán tính bậc hai thì:
- Chọn bộ điều khiển PID với

12
12
2
1 2 2
4
1
4 ; ;

48
i d p
TT
T T T T k
T T kT
   

(3.21)
- Chọn bộ tiền xử lý là:
2
1
()
14
Ms
sT


(3.22)
d. Khả năng ứng dụng cho đối tượng tích phân quán tính bậc cao
Hàm truyền đạt đối tượng có dạng:

12
()
(1 )(1 ) (1 )
n
k
Ss
s Ts T s T s

  

(3.23)
Nhờ phương pháp hằng số thời gian nhỏ ta có thể xấp xỉ mô hình về dạng

()
(1 )
k
Ss
s Ts


với
1
n
i
i
TT



(3.24)
23

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu
Hoặc
12
()
(1 )(1 )
k
Ss
s T s T s



với T
1
là hằng số thời gian lớn vượt trội nhất và
2
n
i
i
TT



(3.25)
3.3. Thiết kế bộ điều khiển
3.3.1. Phương pháp tối ưu Modul
Dựa vào phương pháp tối ưu modul ta có bộ điều khiển PI có dạng:

1
(1 )
d
i
PI K
Ts


(3.26)
Từ mô hình đối tượng:
37
0.81

1 873
s
Ge
s




(3.27)
Ta có công thức:

873
873
14.54
2 2.0,81.37
i
d
TT
T
K
KL

  

(3.28)
3.3.2. Phương pháp Ziegler- Nichols để xác định tham số cho bộ điều khiển PID
truyền thống.
a. Phương pháp Ziegler- Nichols I
Luật
K

P
T
i
T
D
P
T/KL


PI
0.9T/KL
10L/3

PID
1.2T/KL
3L
L/2
Bảng 4.1 Tham số bộ điều khiển theo phương phápZiegler- Nichols I
Đối với đối tượng lò điện trở có hàm truyền:

37
0.81
W
873 1
s
DT
e
s




(3.29)
Thì bảng thông số cho các bộ điều khiển là:
Luật
K
P
T
i
T
D
P
29.1


PI
26,22
123,33

PID
34,92
111
18,5

Bảng 4.2. Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols I cho đối tượng
lò điện trở