ỨNG DỤNG CASCADE và FEED FORWARD CONTROL TRONG hệ THỐNG TRAO đổi NHIỆT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH


BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: ỨNG DỤNG CASCADE VÀ FEED FORWARD CONTROL
TRONG HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT

Giảng viên hướng dẫn:

TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Sinh viên thực hiện:

CAO VĂN LINH

MSSV:

12146095
NGUYỄN MINH TIỀN
12146193
PHAN NGỌC TRIỀU
12146204

Lớp:

121461

Khoá:

2012 - 2016

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2016


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Bộ môn Cơ điện tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn: Th.s Võ Lâm Chương
Sinh viên thực hiện: Cao Văn Linh

MSSV: 12146095

Nguyễn Minh Tiền

MSSV: 12146193

Phan Ngọc Triều

MSSV: 12146204

1. Tên đề tài:
Ứng dụng Cascade và Feed forward Control trong hệ thống trao đổi nhiệt.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
Mô hình hệ thống trao đổi nhiệt chưa hoàn chỉnh.
3. Nội dung chính của đồ án:





Hoàn thiện phần cứng.
Tìm hàm truyền của các bộ phận trong mô hình.
Sử dụng thuật toán điều khiển PID.
Ứng dụng phương pháp Cascade và Feed forward Control để điều khiển nhiệt độ
chất lỏng (nước).
 Dùng phần miềm WINCC để điều khiển và giám sát hệ thống
4. Các sản phẩm dự kiến
Mô hình hoàn chỉnh ứng dụng Cascade và Feed forward Control trong môn học thí
nghiệm điều khiển quá trình.
5. Ngày giao đồ án:
6. Ngày nộp đồ án:

28/7/2016

TRƯỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ …………………………………………
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

i


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

LỜI CAM KẾT
- Tên đề tài: Ứng dụng Cascade và Feed forward Control trong hệ thống trao đổi
nhiệt
- GVHD: Th.s Võ Lâm Chương
- Họ tên sinh viên: Cao Văn Linh
Lớp: 121461B

MSSV: 12146095

Địa chỉ sinh viên: 26/1A/9 Đường 34, KP8, P.Linh Đông, Quận Thủ Đức
Số điện thoại liên lạc: 01647202577
Email:
- Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Tiền
Lớp: 121461D

MSSV: 12146193

Địa chỉ sinh viên: 9/7/9 Đường số 7, KP5, P.Linh Chiểu, Quận Thủ Đức
Số điện thoại liên lạc: 01692556828
Email:
- Họ tên sinh viên: Phan Ngọc Triều
Lớp: 121461B

MSSV: 12146204

Địa chỉ sinh viên: 380/1 Lê Trọng Tấn, P.Tây Thạnh, Q.Tân Phú, TpHCM
Số điện thoại liên lạc: 01677474120
Email:
- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 28/7/2016
- Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công
trình do chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ
một bài viết nào đã được 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 28 tháng 7 năm 2016
Ký tên

ii


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

LỜI CẢM ƠN


Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Nhà trường, 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 những năm học vừa qua.
Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS. Võ Lâm Chương, thầy đã trực tiếp hướng dẫn,
chỉ bảo tận tình, định hướng, góp ý và cung cấp những ý tưởng cũng như chỉ dẫn tài liệu
thực hiện đồ án. Sự hướng 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 121461 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 người luôn sát
cánh, nuôi dưỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có
kết quả tốt như 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 được sự thông cảm và chỉ dẫn tận tình của quý thầy cô.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.

Sinh viên thực hiện
Cao Văn Linh
Nguyễn Minh Tiền
Phan Ngọc Triều

iii


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

ỨNG DỤNG CASCADE VÀ FEED FORWARD CONTROL TRONG
HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT
Trong đồ án này, nhóm ứng dụng các phương pháp Cascade và Feed Forward
Control để điều khiển nhiệt độ của hệ thống trao đổi nhiệt trong điều khiển quá trình.
Nhóm sử dụng phần mềm WinCC, SIMATIC Manager để giám sát và điều khiển
nhiệt độ ngõ ra của mô hình. Từ dữ liệu thu thập được bằng WinCC, nhóm sử dụng phần
mềm Matlab để mô phỏng và tìm hàm truyền của các phần tử trong hệ thống.
Sau một thời gian thực hiện, kết quả đạt được là ứng dụng được phương pháp
Cascade và Feed forward Control điều khiển nhiệt độ ngõ ra của mô hình như mục tiêu
đưa ra, từ đó đạt được mục tiêu kiểm chứng được các lý thuyết về điều khiển quá trình
bằng mô hình thực nghiệm.
Cao Văn Linh
Nguyễn Minh Tiền
Phan Ngọc Triều

ABSTRACT
APPLY CASCADE AND FEED FORWARD CONTROL IN
A HEAT EXCHANGER SYSTEM

In this project, we carry out research on Cascade and Feed forward Control to
control temperature of a heat exchanger in process control.
We use WinCC and SIMATIC Manager software to monitor and control the
temperature output of the model. From data acquisition by WinCC, we use Matlab
software to simulate and find out transfer functions of each part of the system.
After a period of implementation, the results achieved are application methods of
Cascade and Feed Forward Control in temperature control as requirements. So, we
achieve the target – verify the theory of process control by a experimental model.
Cao Văn Linh
Nguyễn Minh Tiền
Phan Ngọc Triều

iv


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................. i
LỜI CAM KẾT .................................................................................................................. ii
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ............................................................................................................ iv
MỤC LỤC .......................................................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. vii
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ................................................................................... viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................ x
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ........................................................................... 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài .................................................................. 1
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ................................................................................. 1
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu: ........................................................................................ 2
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 2
1.5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 2
1.6. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể......................................................................... 2
1.7. Kết cấu luận văn ....................................................................................................... 2
Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THYẾT ....................................................................................... 3
2.1. Mô hình hóa nhận dạng hệ thống ............................................................................. 3
2.1.1. Phân loại mô hình ............................................................................................... 3
2.1.2. Phương pháp xây dựng mô hình toán học .......................................................... 3
2.2. Bộ điều khiển PID..................................................................................................... 4

2.3. Điều khiển nối tiếp Cascade Control ........................................................................ 8
2.4. Điều khiển sớm Feed forward Control ..................................................................... 9
Chương 3 : PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP VỀ NHẬN DẠNG HỆ
THỐNG ............................................................................................................................ 10
3.1. Yêu cầu đề tài ......................................................................................................... 10
3.2. Lưu đồ P&ID .......................................................................................................... 10
3.3. Các phương pháp nhận dạng hệ thống .................................................................... 11
3.3.1. Hàm truyền của khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ.............................. 11
3.3.2. Khâu quán tính bậc cao..................................................................................... 13
3.3.3. Lựa chọn giải pháp nhận dạng hệ thống ........................................................... 13
3.4. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID ................................................................ 13
v


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

3.4.1. Phương pháp điều chỉnh bằng tay..................................................................... 13
3.4.2. Xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp thực nghiệm (Phương
pháp thứ hai của Zieger- Nichols) .............................................................................. 13
3.4.3. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR) ............................................. 14
3.4.4. Phương pháp Cohen-Coon................................................................................ 14
3.4.5. Phương pháp sử dụng phần mềm...................................................................... 15
3.5. Lựa chọn phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID ................................................ 15
Chương 4 : ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ........................ 16
4.1. Đề xuất công nghệ .................................................................................................. 16
4.1.1. SIMATIC Manager ........................................................................................... 16
4.1.2. Phần mềm mô phỏng WINCC .......................................................................... 17
4.1.3. Khối công suất .................................................................................................. 18

4.1.4. Các module mở rộng PLC ................................................................................ 20
4.2. Tính toán thiết kế .................................................................................................... 21
4.2.1. Bồn nóng ........................................................................................................... 21
4.2.2. Thanh điện trở đốt nóng.................................................................................... 22
4.2.3. Cảm biến nhiệt độ PT100 ................................................................................. 23
4.2.4. Tủ điện .............................................................................................................. 24
4.2.5. Mô hình hoàn chỉnh .......................................................................................... 25
Chương 5 : THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ ................................................................ 26
5.1. Thu thập dữ liệu, hàm truyền .................................................................................. 26
5.1.1. Bồn nóng ........................................................................................................... 26
5.1.2. Bồn trao đổi nhiệt ............................................................................................. 33
5.1.3. Đặc tính bồn trao đổi nhiệt khi thay đổi lưu lượng dòng lạnh ......................... 37
5.2. Tính toán bộ điều khiển PID ................................................................................... 44
5.2.1. Bộ điều khiển PID cho bồn nóng ...................................................................... 44
5.2.2. Bộ điều khiển PID cho bồn trao đổi nhiệt khi lưu lượng thay đổi ................... 46
5.3. Hệ thống giám sát bằng Win CC. ........................................................................... 47
5.4. Điều khiển Cascade ................................................................................................ 50
5.4.1. Điều khiển Cascade Control với nhiễu W không đổi ....................................... 50
5.4.2. Điều khiển Cascade Control với nhiễu thay đổi của van tuyến tính ................ 51
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 55
vi


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang

Báng 2.1: Các thông số 𝐾𝑃 , 𝐾𝐼 , 𝐾𝐷 điều khiển ảnh hưởng đến đáp ứng của hệ .............. 5
Báng 3.1: Xác định thông số PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols ........................ 14
Báng 3.2: Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp CHR. ........................................ 14

Ghi chú:
- Chữ số thứ nhất chỉ tên chương
- Chữ số thứ hai chỉ thứ tự bảng biểu trong mỗi chương

vii


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Hình 2. 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển ................................................................................... 4
Hình 2. 2 Giao diện điều khiển nhiễu và Kp ....................................................................... 5
Hình 2. 3 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) ............................... 6
Hình 2. 4 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số) .............................. 7
Hình 2. 5 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) ............................... 8
Hình 2. 6 Sơ đồ điều khiển Cascade Control ...................................................................... 8
Hình 2. 7 Sơ đồ điều khiển Feed forward Control. ............................................................. 9
Hình 3. 1 Lưu đồ P&ID của hệ thống. .............................................................................. 10
Hình 3. 2 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất ...................................... 11
Hình 3. 3 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ ............................ 12
Hình 4. 1 Sơ đồ đọc và xử lý tín hiệu analog và dòng hoặc áp. ........................................ 16
Hình 4. 2 Sơ đồ xử lý tín hiêu analog là nhiệt độ .............................................................. 17
Hình 4. 3 Khối công suất. .................................................................................................. 18
Hình 4. 4 Sơ đồ mắc dây khối công suất. .......................................................................... 19

Hình 4. 5 Cách mắc dây cho tải. ....................................................................................... 19
Hình 4. 6 Đồ thị dạng sóng điện áp tải R. ......................................................................... 20
Hình 4. 7 Mô hình tổng thể. .............................................................................................. 21
Hình 4. 8 Bản vẽ chi tiết bồn nóng. ................................................................................... 22
Hình 4. 9 Thanh điện trở đốt nóng. ................................................................................... 22
Hình 4. 10 Cảm biến nhiệt độ PT100. ............................................................................... 23
Hình 4. 11 Sơ đồ mạch khởi động hệ thống. ..................................................................... 24
Hình 4. 12 Mô hình hoàn chỉnh. ........................................................................................ 25
Hình 5. 1 Đồ thị biểu diễn đáp ứng vòng hở. .................................................................... 28
Hình 5. 2 Đồ thị đáp ứng của hai hàm truyền.. ................................................................. 29
Hình 5. 3 Đồ thị đáp ứng của hàm truyền bậc hai và đặc tính vòng hở. ........................... 30
Hình 5. 4 Đồ thị đặc tính hai hàm truyền. ......................................................................... 30
Hình 5. 5 Đồ thị đáp ứng của hàm truyền bậc hai và đặc tính vòng hở. ........................... 31
Hình 5. 6 Đồ thị đặc tính hai hàm truyền. ......................................................................... 31
Hình 5. 7 Đồ thị đáp ứng của hàm truyền bậc hai và đặc tính vòng hở. ........................... 32
viii


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Hình 5. 8 Đồ thị đặc tính giữa ngõ ra và bồn nóng. .......................................................... 37
Hình 5. 9 Đồ thị bồn trao đổi nhiệt khi thay đổi lưu lượng của hệ thống.. ....................... 39
Hình 5. 10 So sánh đặc tính hai hàm truyền. ..................................................................... 40
Hình 5. 11 Đồ thị đáp ứng hai hàm truyền.. ...................................................................... 40
Hình 5. 12 Đồ thị so sánh đáp ứng bồn trao đổi nhiệt và hàm truyền bậc hai.. ................ 41
Hình 5. 13 Đồ thị so sánh đáp ứng của hai hàm truyền..................................................... 41
Hình 5. 14 Đồ thị đáp ứng của bồn trao đổi nhiệt và hàm truyền bậc hai.. ....................... 42
Hình 5. 15 Đồ thị so sánh đáp ứng của hai hàm truyền..................................................... 42

Hình 5. 16 Đồ thị đáp ứng của bồn trao đổi nhiệt và hàm truyền bậc hai……..…………43
Hình 5. 17 Mô phỏng thông số PID. ................................................................................. 44
Hình 5. 18 Đồ thị đáp ứng ngõ ra khi có bộ điều khiển PID. ............................................ 44
Hình 5.19 Đồ thị đáp ứng ngõ ra khi có bộ điều khiển PID chạy trên mô hình................44
Hình 5. 20 Mô phỏng trên Simulink bộ PID của bồn trao đổi nhiệt.. ............................... 45
Hình 5. 21 Đáp ứng nhiệt độ ngõ ra mô phỏng khi có PID.............................................. 45
Hình 5. 22 Đáp ứng nhiệt độ ngõ ra khi có PID chạy trên mô hình.................................. 46
Hình 5. 24 Giao diện điều khiển giám sát bằng WinCC ................................................... 47
Hình 5. 25 Giao diện điều chỉnh thông số PID. ................................................................ 48
Hình 5. 26 Giao diện điều khiển nhiễu và Kp. .................................................................. 49
Hình 5. 27 Đồ thị đáp ứng của mô hình với nhiễu không đổi ........................................... 49
Hình 5. 28 Đồ thị đáp ứng của mô hình ............................................................................ 51
Ghi chú:
- Chữ số thứ nhất chỉ tên chương.
- Chữ số thứ hai chỉ thứ tự sơ đồ, hình… trong mỗi chương.

ix


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CHR :

Chien – Hrones – Reswick

MES :

Manuafacturing Excution System

HIM :

Human Machine Interface

SCADA :

Supervisory Control And Data Acquisition

PID :

Proportional – Integral – Derivative

CV :

Biến quá trình.

MV :

Biến điều khiển quá trình.

DV :

Biến nhiễu quá trình.

x


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển vượt 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 nước và thế giới.
Trong công nghiệp và sinh hoạt hằng ngày, năng lượng nhiệt là một thành phần rất
quan trọng và được ứng dụng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nấu vật
liệu, sấy khô, sưởi ấm…vì vậy việc nghiên cứu, thu thập thông số và điều khiển nhiệt độ
để sử dụng nguồn năng lượng này một cách một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần
thiết.
Thực tế có rất nhiều phương pháp điều khiển nhiệt độ khác nhau. Trong số đó
phương pháp điều khiển Cascade và Feed forward Control mang lại hiệu quả cao và
được ứng dụng nhiều trong các hệ thống trao đổi nhiệt trong công nghiệp.
Với những tiền đề trên, nhóm đã nghiên cứu, hoàn thiện mô hình ứng dụng phương
pháp Cascade và Feed forward Control để điều khiển nhiệt độ tương đối hiệu quả.
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài
Các hệ thống điều khiển khi thiết kế đều yêu cầu thoả mãn các chỉ tiêu chất lượng cơ
bản của một hệ thống điều khiển tự động:
-

Thời gian quá độ ngắn.
Độ quá điều chỉnh nhỏ.
Sai lệch tĩnh nhỏ.
Năng lượng 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 tư liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy và học tập trong trường;

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.
Chế tạo hoàn chỉnh mô hình, nhận dạng và áp dụng các phương pháp điều khiển hợp
lý cho mô hình thật.

1


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là nhiệt độ của mô hình. Nhóm cần phải khảo sát kỹ để tìm ra
mô hình toán học tương 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
Điều khiển nhiệt độ chất lỏng trong bồn trao đổi nhiệt bằng điều khiển Cascade và
Feed forward Control.
Mô phỏng và thực nghiệm quá trình điều khiển nhiệt độ của mô hình.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết điều khiển quá trình.
Tìm hiểu các pháp nhận dạng hệ thống.
Thực nghiệm trên mô hình.
1.6. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Khảo sát đặt tính thiết bị trong mô hình.
Sử dụng phần mềm điều khiển SIMANTIC Manager, giám sát WinCC và Matlab để

tính toán.
1.7. Kết cấu luận văn
Toàn bộ nội dung luận văn tốt nghiệp được trình bày trong 5 chương:
Chương 1: Tổng quan đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Phương hướng và các giải pháp về nhận dạng hệ thống và bộ điều khiển
PID.
Chương 4: Đề xuất công nghệ, tính toán thiết kế.
Chương 5: Thực nghiệm - đánh giá.

2


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THYẾT
2.1. Mô hình hóa nhận dạng hệ thống
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 được sử
dụng để xây dựng các bộ điều khiển, mô phỏng, dự báo, phát hiện, chẩn đoán lỗi và tối
ưu hóa hệ thống.
2.1.1. Phân loại mô hình
Mô hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật toán,… Mô hình đồ họa phù
hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các
thành phần.
Mô hình toán học: phương trình vi phân, phương 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 như bản chất các mối liên kết và tương tác.

Mô hình máy tính: chương 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 dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng ngôn ngữ bậc cao.
2.1.2. Phương 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 được
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 phương pháp để xây dựng mô hình toán học cho hệ
thống.
Phương pháp lý thuyết (mô hình hóa): Phương 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 phương trình vi phân và phương trình đại số.
Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng hệ thống): Phương pháp này còn được gọi
là nhận dạng hệ thống hay phương pháp hộp đen vì hàm truyền được ước lượng 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.
Pháp lý thuyết có ưu điểm phản ánh các quan hệ vật lý, hóa học giữa các đại lượng
bên trong hệ thống, từ đó xác định được cấu trúc mô hình hệ thống. Tuy nhiên, mô hình
thu được từ phương pháp này chỉ phản ánh được 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. Phương 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.
3


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Phương pháp thực nghiệm có ưu điểm là tất cả các thông số đều được lấy từ hệ thống

thực, loại bỏ được các sai số do các phép tính toán lý thuyết,từ đó xác định tương đối
chính xác các tham số của mô hình. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chất
lượng.
Nhiệt độ là đại lượng vật lý khá phức tạp và khó tính toán chính xác trong điều khiển
quá trình, đặc biệt là nhiệt độ mực chất lỏng. Trong mô hình này không phải là mô hình
lý tưởng và có khâu quán tính bậc 1 có trễ, trên 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; người nghiên cứu cần
có kiến thức chuyên sâu về các quan hệ vật lý của các thiết bị và đối tượng trong mô hình
mới hy vọng tìm ra được mô hình tốt nhất. Do vậy trong khuôn khổ đề tài này, nhóm đã
chọn phương pháp thực nghiệm để xây dựng mô hình toán học của hệ thống.
2.2. Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID (Proportional – Integral – Derivative) là bộ điều khiển hồi tiếp
vòng kín được sử dụng rộng rải trong các hệ thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển
PID sẽ cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào, sau đó đưa ra 1 tín
hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp. Qua đó giúp hệ thống có thể đạt tới
giá trị đặt với thời gian xác lập nhỏ, triệt tiêu sai số xác lập và giảm độ vọt lố, hạn chế
dao động.

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển.
Trong đó:
SP : Giá trị đặt.
e(t): Sai số (e = SP – PVht)
u(t): Tín hiệu điều khiển.
PV : Giá trị hiện tại của hệ thống.
PVht : Giá trị hồi tiếp.
Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: khâu khuyếch đại (P); khâu tích
phân (I), khâu vi phân (D) được thể hiện trong hình 2.2 theo tài liệu .
4

Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Hình 2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID.
Tín hiệu ra của bộ điều khiển:
𝑡

u(t) = MV(t) = 𝐾𝑃 . 𝑒(𝑡) + 𝐾𝐼 . ∫0 𝑒(𝜏)𝑑𝜏 + 𝐾𝐷 .

𝑑𝑒(𝑡)

(2.1)

𝑑𝑡

Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng:

𝐺𝑐 (s) = 𝐾𝑃 ( 1 +

1
𝑇𝐼 𝑠

+ 𝑇𝐷 s )

𝐺𝑐 (s) = 𝐾𝑃 +

Hoặc:

𝐾𝐼

𝑠

(2.2)
+𝐾𝐷 𝑠

(2.3)

Trong đó: 𝐾𝑃 là độ lợi của khâu tỉ lệ (Proportional gain)
𝐾𝐼 là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain)
𝐾𝐷 là độ lợi của khâu vi phân (Derivative gain)
Các thông số 𝐾𝑃 , 𝐾𝐼 , 𝐾𝐷 điều khiển ảnh hưởng đến đáp ứng của hệ thống theo tài liệu
được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 Các thông số 𝐾𝑃 , 𝐾𝐼 , 𝐾𝐷 điều khiển ảnh hưởng đến đáp ứng của hệ
Thời gian
Độ vọt lố
đáp ứng

Thời gian
xác lập

Sai số xác lập

Độ ổn định

𝐾𝑃

Giảm

Tăng

Thay đổi ít

Giảm

Giảm cấp

𝐾𝐼

Giảm

Tăng

Tăng

Giảm đáng kể

Giảm cấp

𝐾𝐷

Giảm ít

Giảm

Giảm

Về lý thuyết không Cải
thiện
tác động
nếu 𝐾𝐷 nhỏ

Thông
số

5


Đồ Án Tốt Nghiệp

-

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Khâu tỉ lệ P:

Khâu tỉ lệ P (còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số
hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số
𝐾𝑃 .
Khâu tỉ lệ được cho bởi:

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑃 .e(t)

(2.4)

Trong đó:
𝑃𝑜𝑢𝑡 : thừa số tỉ lệ đầu ra.
𝐾𝑃 : độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh.
e: sai số ( e = SP - P𝑉ℎ𝑡 ).
t: thời gian tức thời.

Hình 2.2 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki, Kd = hằng số).
Khâu tỉ lệ P giúp giảm thời gian đáp ứng, giảm sai lệch tĩnh nhưng không triệt tiêu
được sai lệch tĩnh. 𝐾𝑃 càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, sai số xác lập càng nhỏ, hệ
thống dao động càng nhiều, độ vọt lố càng cao. Nếu 𝐾𝑃 tăng quá giá trị giới hạn thì hệ
thống sẽ dao động không tắt dần gây ra mất ổn định.
-

Khâu tích phân I:
Khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn khoảng thời gian xảy ra sai số.
Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta luỹ thừa bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích
luỹ sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều
khiển.
Thừa số tích phân được cho bởi:
𝑡

𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝐼 ∫0 𝑒(𝜏)𝑑𝜏

6


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Trong đó:
𝐼𝑜𝑢𝑡 : thừa số tích phân của đầu ra
𝐾𝐼 : độ lợi tích phân
e: sai số ( e = SP - P𝑉ℎ𝑡 ).
t: thời gian tức thời.
𝜏: một biến tích phân trung gian

Hình 2.3 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Ki (Kp, Kd = hằng số)
Bộ điều khiển tích phân I có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh, nhưng nó có thể làm
cho đáp ứng quá độ tồi tệ hơn. 𝐾𝐼 càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ nhưng độ vọt lố
càng cao.
-

Khâu vi phân D:
Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai
số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc 1 theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi 𝐾𝐷 .
Thừa số vi phân được cho bởi:

𝐷𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝐷

𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡

(2.5)

Trong đó:
𝐷𝑜𝑢𝑡 : thừa số vi phân đầu ra.
𝐾𝐷 : độ lợi vi phân.
e: sai số ( e = SP - P𝑉ℎ𝑡 ).
t: thời gian tức thời.

7


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Hình 2.4 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki, Kd = hằng số).
Bộ điều khiển vi phân D giúp giảm độ quá điều chỉnh, cải thiện đáp ứng quá độ của
hệ thống. 𝐾𝐷 càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ. Tuy nhiên đôi khi làm hệ mất ổn định do
khá nhạy cảm với nhiễu. Khâu vi phân không thể sử dụng một mình mà phải dùng kết
hợp với cái khâu P hoặc I.
2.3. Điều khiển nối tiếp Cascade Control
Điều khiển nối tiếp là kỹ thuật điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển bên trong một
vòng điều khiển.
Một bộ điều khiển được lồng vào trong một bộ điều khiển khác, đầu ra của bộ điều
khiển thứ nhất là giá trị đặt SP của bộ điều khiển thứ hai. Điều này có nghĩa rằng hai bộ
điều khiển không độc lập nhau mà liên kết cùng nhau nhằm mục đích điều khiển cho biến
quá trình PV đạt đến giá trị mong muốn SP. Điều khiển nối tiếp có thể cải thiện được tính
phản hồi và đạt đến tính dễ điều khiển cho quá trình, đặt biệt là đối với những quá trình
mà có thời gian trễ đáng kể, hoặc thời gian đáp ứng của bộ điều khiển thứ nhất rất lớn.

w
SP

e

Kp

PID

G1(s)

G2(s)

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển Cascade Control.
Các trường hợp sử dụng Cascade Control:
-

Cải thiện đáp ứng của hệ thống và tăng tính dễ điều khiển.
Thời gian chết của vòng điều khiển thứ nhất phải lớn. Nếu điều nầy không đáp
ứng thì điều khiển Cascade sẽ không hiệu quả.
Động lực học toàn bộ của vòng thứ hai phải nhanh hơn vòng thứ nhất.
8


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

2.4. Điều khiển sớm Feed forward Control
Điều khiển Feed forward còn gọi là kỹ thuật điều khiển sớm, với kỹ thuật này, thiết
bị điều khiển sẽ đo sự nhiễu loạn ảnh hưởng đến quá trình và phản ứng lại tương ứng.
Điều này có nghĩa là chất lượng của quá trình điều khiển sẽ được cải thiện đáng kể vì
biến nhiễu sẽ không gây tác động đến hệ thống, nó đã được đo và điều khiển trước bởi bộ
điều khiển.

Feed forward
W
SP

e

G(s)

PID

T0

Feed back
Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển Feed forward Control.
Các trường hợp sử dụng Feed forward:
-

Phải biết được độ lớn của biến nhiễu, biến nhiễu thường gặp nhất là nhiệt độ và lưu
lượng.
Biết được cách thức mà nhiễu tác động lên quá trình.

9


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Chương 3 : PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP VỀ
NHẬN DẠNG HỆ THỐNG
3.1. Yêu cầu đề tài
Như mục tiêu đề tài đặt ra, yêu cầu đối với đề tài là phải nhận dạng được hệ thống
gia nhiệt đã thiết kế và chế tạo, đưa ra được hàm truyền mô hình và kiểm chứng mô hình
vừa nhận dạng được. Từ đó điều khiển nhiệt độ của hệ thống bằng bộ điều khiển PID.
3.2. Lưu đồ P&ID
Từ mối liên hệ giữa các thiết bị và quá trình hoạt động của hệ thống ta có lưu đồ
P&ID như sau:
4-20 mA

YIC

W0,T1

Wi,Ti
Wi,T0
°C

4-20 mA
TT
4-20 mA

°C
TT

TC

YIC

SP

4-20 mA

Hình 3.1 Lưu đồ P&ID của hệ thống.
Các biến điều khiển trong mô hình:
 Điều khiển theo phương pháp Cascade Control.
- CV: T0 (Nhiệt độ ngõ ra).
- MV: Ti (Nhiệt độ ngõ vào).
- DV: W0 (Lưu lượng của dòng lạnh).

 Điều khiển theo phương pháp Feed forward.
- CV: T0 (Nhiệt độ ngõ ra).
- MV: W0 (Lưu lượng của dòng lạnh).
- DV: Ti (Nhiệt độ ngõ vào).

10


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

3.3. Các phương pháp nhận dạng hệ thống
Hệ thống điều khiển nhiệt độ lý tưởng thường là một hệ thống có khâu quán tính bậc
nhất (có trễ hoặc không có trễ). Tuy nhiên trong thực tế, các hệ thống thuờng bị ảnh
hưởng bởi nhiều yếu tố làm thay đổi hàm truyền, trong đồ án này là kích thước bồn trao
đổi nhiệt, kích thước bồn nóng và công suất thanh gia nhiệt, sự thất thoát nhiệt ra môi
trường,… Chính vì lẽ đó, ta có nhiều phương pháp nhận dạng tùy vào dạng hàm truyền
muốn tạo ra.
3.3.1. Hàm truyền của khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ
- Khâu quán tính bậc một
Hàm truyền:

G(s) =

𝐾
𝜏𝑠+1

(3.1)

K: là hệ số khuếch đại.
: hằng số thời gian của hệ thống.

Giải pháp:
Cho tín hiệu đầu vào là hàm nấc. Hệ thống hoạt động với công suất lớn nhất. Tín
hiệu đầu ra có dạng như hình vẽ:

Hình 3.2 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất.

11


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

K được tính theo công thức: K =

∆𝑌
∆𝑈

 được tính theo công thức:  = 𝑡2 − 𝑡1

(3.2)
(3.3)

- Khâu quán tính bậc một có trễ
Hàm truyền: G(s) =

𝐾

𝜏𝑠 + 1

𝑒 −𝜃𝑠

(3.4)

𝜃 là khâu trễ
Giải pháp:
Cách làm giống như phương pháp trên.
Tín hiệu đầu ra có dạng như hình vẽ:

Hình 3.3 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ.
K được tính theo công thức: K =

∆𝑌
∆𝑈

(3.5)

Dựa vào phương pháp hai điểm quy chiếu tương ứng với 0.283∆𝑌 và 0.632∆𝑌.
 được tính theo công thức:  = 1.5( 𝑡2 − 𝑡1 )

(3.6)

 được tính theo công thức:  = t2 - 

(3.7)
12

Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

3.3.2. Khâu quán tính bậc cao
Hàm truyền: G(s) = 𝐾

(τd1 s + 1)(τd2 s + 1)…..(τdn s + 1)
(τ1 s+1)(τ2 s+1)….(τn s+1)

𝑒 −𝜃𝑠

(3.8)

Mỗi thừa số dưới mẫu biểu diễn cho một nghiệm cực của mô hình, mỗi thừa số trên
tử biểu diễn cho một điểm không (nghiệm zero).
Đối với hàm truyền dạng này, để tìm ra các tham số là khá khó khăn nếu chỉ đơn
thuần dùng các biến đổi toán học, ta nên dùng thêm phần mềm chuyên dụng để việc tính
toán được dễ dàng hơn.
Ở mô hình đây ta tính toán chuyển từ bậc một có trể lên bâc hai không trể.

G(s) =

𝐾1
(𝜏1 𝑠+1)(𝜏2 𝑠+1)

(3.9)

Với:
 K= K1.

 𝜏2 = 2𝜃.
 𝜏1 =  - 𝜃.
3.3.3. Lựa chọn giải pháp nhận dạng hệ thống
Trong các mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ thực tế hàm truyền có nhiều dạng
khác nhau. Trong quá trình thực hiện và thu thập số liệu nhóm thấy rằng tín hiệu vào ra là
hàm truyền khâu quán tính bậc một có trễ, nhưng để ứng tốt hơn nhóm dùng phương
pháp xấp xỉ để đưa về dạng bậc hai.
3.4. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID
Trong thực tế có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID. Có các
phương pháp thường được sử dụng như bên dưới là:
3.4.1. Phương pháp điều chỉnh bằng tay
Đặt 𝐾𝐼 , 𝐾𝐷 =0. Tăng 𝐾𝑃 đến khi nào hệ thống dao động tuần hoàn. Đặt thời gian tích
phân bằng chu kỳ dao động. Điều chỉnh lại giá trị 𝐾𝑃 cho phù hợp. Nếu có dao động thì
điều chỉnh giá trị 𝐾𝐷 .
Ưu điểm: không cần hiểu biết về toán. Phương pháp online.
Nhược điểm: yêu cầu người thực hiện có kinh nghiệm.
3.4.2. Xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp thực nghiệm
(Phương pháp thứ hai của Zieger- Nichols)
Đặt 𝐾𝐼 , 𝐾𝐷 =0. Tăng 𝐾𝑃 đến khi nào hệ thống dao động tuần hoàn. Đặt 𝐾𝑃 này bằng
𝐾𝑐𝑟𝑖𝑡 .
Đo chu kỳ dao động đặt là 𝑇𝑐𝑟𝑖𝑡 .

13


Đồ Án Tốt Nghiệp

GVHD: TH.S VÕ LÂM CHƯƠNG

Bảng 3.1 Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols.

3.4.3. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR)
Hàm truyền của đối tượng cần điều khiển:

G(s) =

𝐾.𝑒 −𝜃𝑠
𝑇𝑠+1

(3.10)

Phương pháp CHR cũng là phương pháp dùng để điều chỉnh tham số của bộ điều
khiển trong công nghiệp. Phương pháp này dựa trên tham số thời gian của hệ thống với
đáp ứng hàm nấc. Chien – Hrones – Reswick đưa ra nhiều sự lựa chọn bộ điều khiển của
hệ thống tuỳ thuộc vào tham số R, cho ở bảng sau:
Bảng 3.2 Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp CHR.

Phương pháp này thường được dùng khi:
 Đường đặc tính hàm truyền đạt hệ kín không điều hoà.
 Đường đặc tính hàm truyền đạt hệ kín dao động với độ vọt lố khoảng 20%.
3.4.4. Phương pháp Cohen-Coon
Là phương pháp thiết kế dựa trên một số đáp ứng điển hình của hệ thống, cung cấp
khả năng ước lượng để tính toán các thông số của hệ thống.

14