Bai 4 dieu khien nhiet do dung PID auto tuning

Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

BÀI THÍ NGHIỆM 4

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
THÍCH NGHI PID AUTO-TUNING
I. MỤC ĐÍCH
Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ khảo sát đối tượng có trễ là lò nhiệt và xây
dựng bộ điều khiển thích nghi PID auto-tuning cho đối tượng lò nhiệt. Bộ điều khiển
nhiệt độ rất phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Việc điều khiển
chính xác nhiệt độ với độ vọt lố nhỏ và sai số xác lập nhỏ là cần thiết và quyết định tới
chất lượng sản phẩm cần gia nhiệt.
Dựa vào các kết quả thu thập từ đáp ứng vòng kín, sinh viên sẽ tìm được độ lợi tới
hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống. Sau khi tìm được các thống số này, sinh viên sẽ
xây dựng bộ điều khiển PID auto-tuning để điều khiển nhiệt độ.
Mục tiêu sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này:
 Tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của mô hình lò nhiệt từ bộ điều khiển ONOFF để thiết kế bộ điều khiển PID.
 Xây dựng bộ điều khiển PID auto-tuning cho đối tượng lò nhiệt
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mô tả toán học đối tượng lò nhiệt
Lò nhiệt có đầu vào là điện áp xoay chiều 220VAC cung cấp cho dây điện trở
và ngõ ra là nhiệt độ bên trong lò. Để thành lập hàm truyền lò nhiệt ta phải khảo sát
phương trình vi phân mô tả các quan hệ nhiệt độ - năng lượng. Đây là một phương
trình phức tạp nếu muốn mô tả chính xác phương trình vi phân mô tả tính phi tuyến
của hệ thống. Do đó, chúng ta sẽ bỏ qua các đặc tính phi tuyến và chỉ xem xét đặc
trưng quan trọng của đối tượng lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt. Nhiệt độ lò sẽ tăng lên
từ từ khi được cung cấp năng lượng. Nhiệt độ lò tăng càng chậm thì chứng tỏ thời
hằng của lò nhiệt càng lớn.
Hàm truyền đối tượng lò nhiệt được mô tả gần đúng như sau:
G (s) 

Y ( s ) Ke T1s

P ( s ) T2 s  1

trong đó:



K:
T1 :

hệ số khuyếch đại
thời gian trễ



T2 :

thời hằng của lò nhiệt



p (t ) : công suất cung cấp cho lò nhiệt (đơn vị: %)



y (t ) : nhiệt độ lò (đơn vị: OC ).
1/9

Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển thích nghi PID auto-tuning
Hình 1 mô tả cấu trúc của hệ thống điều khiển thích nghi PID auto-tuning. Hệ
thống bao gồm 2 khối: khối điều khiển ON-OFF và khối điều khiển PID. Ban đầu, bộ
điều khiển ON-OFF sẽ hoạt động để dò tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ
thống. Sau khi xác định được 2 thông số này, hệ thống sẽ tính toán các thông số Kp,
Ki, Kd và chuyển sang chế độ điều khiển PID.

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID auto-tuning. Hệ thống sử dụng
bộ điều khiển ON-OFF ở chế độ chỉnh định (D) và bộ điều khiển PID ở
chế độ điều khiển (C)
2.2.1. Tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống
Khi hệ thống ở Hình 1 hoạt động ở chế độ điều khiển ON-OFF, nhiệt độ ngõ ra
y (t ) của lò nhiệt khi r (t )  70 sẽ có dạng như ở Hình 2. Khi đáp ứng ngõ ra dao động
ổn định, ta tìm được biên độ dao động M  ( ymax  ymin ) / 2 và chu kỳ dao động TC
như minh họa ở Hình 2.

Hình 2. Đáp ứng nhiệt độ ngõ ra y (t ) ở chế độ điều khiển ON-OFF
2/9


Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

Giả sử biên độ điều khiển của khâu ON-OFF là 0  d , hệ số khuếch đại phức
của khâu điều khiển ON-OFF sẽ là:
2d
N (M ) 
(1)
M

Hệ số khuếch đại phức cũng chính là độ lợi tới hạn K C của hệ thống, và TC là
chu kỳ tới hạn của hệ thống.
2.2.2. Xác định thông số bộ điều khiển PID.
Sau khi tìm được độ lợi tới hạn K C và chu kỳ tới hạn TC của hệ thống. Các
thông số của bộ điều khiển PID được xác định bằng phương pháp hiệu chỉnh độ dự trữ
biên - pha như sau:
PID( s )  K p (1 

với

1
 Td s )
Ti s

(2)

K p  K C cos  M

(3)

Ti   Td

(4)

Td 


TC 
4
 tan 2  M 

 tan  M 
4 



(5)

Trong đó,  là hệ số tương quan giữa thành phần tích phân và vi phân,  M là
độ dự trữ pha mong muốn. Đối với hệ thống lò nhiệt, thông thường ta chọn  M  450
và   10  100 .
2.2.3. Xây dựng bộ điều khiển PID auto-tuning
Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID auto-tuning như mô tả ở Hình 1.
Ban đầu, hệ thống sử dụng bộ điều khiển ON-OFF để dò tìm độ lợi tới hạn K C và chu
kỳ tới hạn TC của hệ thống. Trong giai đoạn từ thời điểm A tới thời điểm B ở Hình 2,
các giá trị K C và TC phải được xác định. Sau thời điểm B, các thông số K p , K i , K d
được tính toán theo công thức (3)-(5) và hệ thống sẽ chuyển sang bộ điều khiển PID.
Yếu tố quyết định đến chất lượng điều khiển của bộ PID auto-tuning là hệ
thống phải chuyển sang bộ điều khiển PID nhanh nhất có thể để thời gian quá độ nhỏ
và độ vọt lố thấp. Hơn nữa, để bộ điều khiển ON-OFF không gây ra vọt lố lớn thì ở
thời điểm ban đầu ta cài đặt r (t ) bằng khoản ½ giá trị đặt mong muốn. Sau khi hệ
thống chuyển sang bộ điều khiển PID ta mới cài đặt r (t ) bằng giá trị đặt mong muốn.
Hình 3 minh họa giá trị r (t )  700 khi ở chế độ điều khiển ON-OFF và r (t )  1000 khi
ở chế độ điều khiển PID (1000C là giá trị đặt mong muốn). Kết quả, hệ thống không bị
vọt lố trên 1000 khi ở chế độ điều khiển ON-OFF và thời gian xác định các giá trị
K C và TC cũng nhanh hơn.

3/9


Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

Hình 3. Giá trị đặt r(t)=700 ở chế độ ON-OFF và r(t) = 1000 ở chế độ PID

III. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM
3.1. Phần cứng
Sơ đồ khối phần cứng được mô tả như ở Hình 4. Trong đó, bo mạch
PC104CARD là phần cứng trung tâm trong bài thí nghiệm. Bo mạch PC104CARD
xây dựng trên nền tảng FPGA của Altera có khả năng giao tiếp với máy tính thông
qua phần mềm Matlab/ Simulink/ Real-time Windows Target với các tính năng sau:
 Điều rộng xung (PWM): 4 kênh độ phân giải 0.1% (~ 10bit).
 ADC: 4 kênh 12bit đọc giá trị điện áp từ cảm biến nhiệt độ.
 Giao tiếp với máy tính thông qua cổng máy in theo chuẩn EPP.
Lò nhiệt sử dụng trong bài thí nghiệm có điện áp định mức 220VAC/1000W,
cảm biến nhiệt độ loại K. Bộ hiển thị nhiệt độ của Autonics mã hiệu TZN4W – A4S
có chức năng đọc nhiệt độ từ cảm biến nhiệt độ và chuyển sang giá trị điện áp. Sơ đồ
mô tả phần cứng hệ thống như ở Hình 4. Trong đó:
 Điện áp cấp cho lò nhiệt sau khi qua SSR (Solid-State Relay) sẽ bằng
TPWM * 220 / 1000 (VAC), trong đó TPWM là giá trị điều rộng xung từ (0 – 1000)
tương ứng với độ phân giải 0.1%. Chu kỳ điều rộng xung cho lò nhiệt là 2s.
 Nhiệt độ của lò nhiệt có tầm từ (0 – 200oC) tương ứng với dòng điện (4 –
20mA) hay tương ứng với điện áp đọc vào kênh ADC1 là (0.4 – 2VDC).
 Chu kỳ điều khiển và cập nhật giá trị nhiệt độ là T = 1s.
4/9


Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

Hình 4. Sơ đồ phần cứng bài thí nghiệm
3.2. Phần mềm
Phần mềm sử dụng trong các bài thí nghiệm này là bộ phần mềm Matlab/

Simulink/ Real-time Windows Target. Công cụ Real-time Windows Target cho phép
mô hình Simulink có khả năng kết nối với phần cứng bên ngoài và chạy theo thời gian
thực. Để biên dịch và chạy mô hình Simulink liên kết với phần cứng sinh viên phải
thực hiện trình tự các bước sau:
Run

Connect To Target

Incremental Build

Hình 5. Mô hình Simulink kết nối phần cứng
5/9


Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

 Tạo hoặc mở một file simulink như ở Hình 5.
 Vào menu Simulation -> Configuration, chọn mục Solver để cài đặt các thông
số về thời gian mô phỏng (Stop time), chu kỳ lấy mẫu (Fixed step size) và
phương pháp mô phỏng (Solver Options) như ở Hình 6.
 Vào menu Tool -> Real-Time Workshop -> Build Model (hoặc nhấn chuột
trái vào biểu tượng Incremental Build) để biên dịch mô hình.
 Sau khi mô hình biên dịch thành công, vào menu Simulation -> Connect To
Target (hoặc nhấn chuột trái vào biểu tượng Connect To Target) để kết nối
mô hình Simulink tới phần cứng.
 Vào menu Simulation -> Run (hoặc biểu tượng Run) để tiến hành chạy mô
hình.

Hình 6. Cài đặt các thông số mô phỏng

IV. CHUẨN BỊ TRƯỚC THÍ NGHIỆM
4.1. Xây dựng bộ điều khiển PID theo phương pháp hiệu chỉnh độ dự trữ biên pha cho đối tượng lò nhiệt
Để thực hiện tốt thí nghiệm trên lớp, sinh viên cần chuẩn bị trước phần lý
thuyết và thực hiện mô phỏng trên máy tính.
Xây dựng mô hình Simulink để điều khiển đối tượng lò nhiệt như ở Hình 7.
Trong đó, đối tượng lò nhiệt có hàm truyền:
G (s) 

400
120 s  1

(6)

 Khâu ‘Transport Delay’ có giá trị bằng 20.
6/9


Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

 Khâu ‘Saturation’ có giá trị Upper limit = 1 và Lower limit = 0.
 Khâu ‘Relay’ có giá trị Switch on point = 0.002, Switch off point = -0.002,
Output when on = 0.5, Output when off = 0 ( d  Output.when.on  0.5 )
 Giá trị đặt ‘Set point’ = 100.
 Dữ liệu ngõ ra được đưa vào Scope để hiển thị và lưu vào Workspace để
phục vụ vẽ đồ thị ngõ ra.

ek

Set point
(degree)

uk

yellow

ucontrol

Discrete
PID Controller

400
Saturation
Manual Switch

200s+1

magenta
Scope

Transport
Transfer Fcn
Delay
temperature (deg)

Relay

Hình 7. Mô hình điều khiển nhiệt độ
a) Tạo file mô hình simulink như ở Hình 7. Chỉnh thời gian lấy mẫu T = 1s và
thời gian mô phỏng 1000s.
b) Chuyển ‘Switch’ ở chế độ điều khiển ON-OFF. Chạy mô phỏng.

c) Mở Scope để xem đáp ứng ngõ ra. Tính độ lợi tới hạn K C và chu kỳ tới hạn
TC của hệ thống (xem hướng dẫn ở Mục 2.2) và điền vào bảng sau:
d

M

TC

KC

0.5
d) Chọn  M  450 ,   1 . Dựa vào giá trị K C và TC ở trên, tính thông số của bộ
điều khiển PID theo công thức (3)-(5) và nhập vào khối ‘Discrete PID
controller’
e) Chuyển ‘Switch’ sang chế độ điều khiển PID. Chạy mô phỏng để xem đáp ứng
ngõ ra.
f) Lặp lại Bước d và e với các giá trị của  và điền vào bảng sau. Nhận xét ảnh
hưởng của  tới chất lượng hệ thống:

7/9


Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM



1

20

40

60

80

100

Kp

Ki
Kd

POT
exl

V. THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM
5.1. Tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống để cài đặt thông số cho bộ
điều khiển PID
Các bước thí nghiệm:
a)
b)
c)
d)

Mở file temp_pid_relay.mdl.
Cài đặt chu kỳ lấy mẫu T = 1s và thời gian mô phỏng 1500s.
Chuyển ‘Switch’ ở chế độ ON-OFF. Biên dịch và chạy chương trình.
Mở Scope để xem đáp ứng ngõ ra. Tính độ lợi tới hạn K C và chu kỳ tới hạn TC
của hệ thống và điền vào Bảng 1:

Bảng 1. Giá trị K C , TC
d

TC

M

KC

0.3
Chú ý: Sau khi chạy lấy số liệu xong ở Bước d, sinh viên tắt lò nhiệt, mở cửa lò
nhiệt và dùng quạt để làm nguội nhanh cho các mục thí nghiệm sau.
e) Chọn  M  450 ,   60 . Dựa vào giá trị K C và TC ở Bảng 1, tính thông số
của bộ điều khiển PID theo công thức (3)-(5) và nhập vào khối ‘Discrete PID
controller’
f) Chuyển ‘Switch’ sang chế độ điều khiển PID. Cài đặt chu kỳ lấy mẫu T = 1s và
thời gian mô phỏng 1200s. Biên dịch và chạy chương trình.
g) Mở Scope xem đáp ứng ngõ ra và điền vào Bảng 2
Bảng 2. Chất lượng hệ thống
Kp

Ki

Kd

POT

exl

5.2. Điều khiển thích nghi PID auto-tuning

Các bước thí nghiệm:
8/9


Bộ môn Điều khiển Tự động – Khoa Điện-Điện tử - ĐH Bách Khoa TPHCM

a) Mở file temp_autotuning.mdl
b) Mở khối ‘PID computation’ tham khảo code để biết cách tính thời điểm A, B
và tính K C , TC trực tiếp. Giải thích biến cnt có chức năng gì? Giá trị biên độ
dao động M được tính như thế nào? Thời điểm A, B được xác định bằng cách
nào?
c) Cài đặt thời gian lấy mẫu T = 1s và thời gian chạy 1800s. Biên dịch và chạy
chương trình.
d) Mở Scope để xem đáp ứng. Nhận xét sau thời gian bao lâu thì hệ thống chuyển
từ chế độ ON-OFF sang PID.

Báo cáo thí nghiệm
Họ và tên:

Nhóm:

Ngày:

1. Từ bảng số liệu ở Bảng 1, xác định độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống?
Đánh giá chất lượng của hệ thống khi bộ điều khiển PID được thiết kế theo công
thức (3) – (5)? Ảnh hưởng của hệ số  lên chất lượng hệ thống?
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
2. Dựa vào kết quả thí nghiệm ở Mục 5.2. Nhận xét sau thời gian bao lâu thì hệ thống
chuyển từ chế độ ON-OFF sang chế độ PID? Làm cách nào để giảm khoảng thời
gian này?
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
3. Nhận xét về chất lượng của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PID auto-tuning
(độ vọt lố, thời gian quá độ, sai số xác lập)? .........................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
9/9