DIEU KHIEN HE THONG GIA NHIET CRT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT
CRT
Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:
Họ và tên

MSSV

THÁI NGUYÊN, NĂM 2018

Lớp


TRƯỜNG ĐHKTCN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN TỬ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Sinh viên:
TT

MSSV

Tên

Lớp sinh viên

1
Ngành học: Kỹ Thuật Điều Khiển
Giáo viên hướng dẫn:
1. Tên đề tài tốt nghiệp : “Điều khiển hệ thống gia nhiệt CRT sử dụng Arduino Board’’
2. Các số liệu ban đầu (nếu có).
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
- Nguyên lý hoạt động hệ thống gia nhiệt CRT và ứng dụng của mạch Arduino Board
- Xây dựng mô hình mạch để nhận dạng đối tượng
- Xây dựng các mô hình để điều khiển đối tượng
- Thiết kế bộ điều khiển kinh điển, mờ, neural và đưa ra nhận xét so sánh
- Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm
4. Số lượng các phần mềm, bảng biểu, bản vẽ (kích thước A0)
5. Ngày giao nhiệm vụ: 01/08/2018
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/10/2018
BAN CHỦ NHIỆM KHOA
(Ký và ghi rõ họ tên)

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
LỜI CÁM ƠN........................................................................................................................ 2

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GIA NHIỆT CRT................................................... 4
1.1

Tổng quan về hệ thống gia nhiệt CRT..................................................................... 4

1.2

Mô tả nguyên lý làm việc của hệ thống. .................................................................. 4

1.3

Mục tiêu điều khiển của hệ thống. .......................................................................... 5

1.4

Xây dựng mô hình hàm truyền của hệ thống CRT................................................... 7

CHƯƠNG 2 NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ..................................................... 13
2.1

Mô hình hóa đối tượng. ...................................................................................... 13

2.2

Nhận dạng hệ thống điều khiển........................................................................... 14

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ........................................................................ 19
3.1 Thiết kế bộ điều khiển PI .................................................................................... 19
3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID ................................................................................ 20
3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control-FLC)...................................... 22

a Yêu cầu khi thiết kế bộ điều khiển mờ .................................................................. 22
3.5 Thiết kế bộ điều khiển mờ động PD................................................................... 22
3.4 Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh........................................................................... 27
CHƯƠNG 4 :MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG .................................................................. 32
4.4 Bộ điều khiển PI ............................................................................................. 34
4.2 Bộ điều khiển PID .......................................................................................... 35
4.5 Bộ điều khiển mờ tĩnh..................................................................................... 37
4.4 Bộ điều khiển mờ động ................................................................................... 39
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 41


MỞ ĐẦU
Công nghiệp hóa-hiện đại hóa đã và đang đóng vai trò quan trọng trong công cuộc đổi
mới kinh tế nước nhà, từng bước hội nhập với nền kinh tế quốc tế. Quá trình này mang
đến những cơ hội thuận lợi đồng thời cũng tồn tại những khó khăn thách thức lớn.Vì
vậy việc tìm hiểu và phát triển các ứng dụng khoa học công nghệ là rất cần thiết.Ngày
nay sự phát triển nhanh chóng của cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung và trong
lĩnh vực điện–điện tử nói riêng đã làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng
ngày.Như chúng ta đã biết,nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý quan
trọng,được sử dụng rộng rãi ở nhiều ngành khác nhau như: luyện kim,thực phầm,y
tế…
Việc thay đổi thất thường nhiệt độ không chỉ gây hư hại đến chính thiết bị đang hoạt
động mà còn ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, ngay cả trên chính sản phẩm ấy. Vấn
đề ổn định nhiệt độ cho hệ thống gia nhiệt gặp nhiều khó khăn do các hệ thống này
thường cóquán tính nhiệt rất lớn, nhất là khi có nhiễu tác động và có sai lệch về giá trị
đo.Thực tế có nhiều phương pháp để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt. Nắm được tầm quan
trọng của ổn định nhiệt độ, chúng em đã thực hiện và nghiên cứu đồ án “ điều khiển
hệ thống gia nhiệt CRT tại phòng thí nghiệm khoa điện tử”. Nó đã nói lên phần
nào về vấn đề nhận dạng và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống gia nhiệt. Trong nội

dung đồ án này sẽ nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định nhiệt độ bình gia nhiệt
theo PID trên cơ sở những lý thuyết đã học .
Trong quãng thời gian ngồi trên ghế nhà trường chúng em đã tích lũy cho mình
được khá nhiều kiến thức đại cương cũng như kiến thức chuyên ngành. Trong quá
trình thực hiện đồ án ngoài sự cố gắng của nhóm chúng em đã nhận được sự giúp đỡ
và chỉ bảo tận tình của các thầy,cô giáo trong bộ môn. Chúng em xin gửi lời cảm ơn
sâu sắc tới:
Các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, các
thầy cô trong khoa Điện Tử và các thầy cô trong bộ môn và đặc biệt tới các thầy
hướng người đã trực tiếp hướng dẫn chúng em và tận tình chỉ bảo để chúng em hoàn
thành tốt đồ án này. Do kiến thức còn hạn chế nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Em mong
được sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 5 tháng 10 năm 2018
sinh viên

1


LỜI CÁM ƠN
Trong quãng thời gian ngồi trên ghế nhà trường em đã tích lũy cho mình được khá
nhiều kiến thức đại cương cũng như kiến thức chuyên ngành. Trong quá trình thực
hiện đồ án ngoài sự cố gắng của em đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của
các thầy, cô giáo trong bộ môn đo lường điều khiển. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới:
Các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Kĩ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, các
thầy cô trong khoa Điện Tử và các thầy cô trong bộ môn để nhóm em hoàn thành tốt
đồ án này.
Em xinchân thànhcảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 5 tháng 10 năm 2018
Sinh viên thực hiện:

2


Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

Thái Nguyên,Ngày 5 Tháng 10 Năm 2018
Giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nhận xét của giáo viên chấm:
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

Thái nguyên,Ngày 5 Tháng 10 Năm 2018
Giáo viên chấm
(Ký,ghi rõ họ tên)

3


CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GIA NHIỆT CRT
1.1 Tổng quan về hệ thống gia nhiệt CRT

Hình 1: Hệ thống thí nghiệm điều khiển
khiển gia nhiệt CRT

Hình 2:Mô hình hệ thống thí nghiệm điều
CRT

Hệ thống thí nghiệm CRT là một trong những hệ thống thí nghiệm giúp sinh viên áp
dụng kiến thực đã học vào thực tế. Hệ thống này cho phép sinh viên nghiên cứu về
mạch điều khiển, về các thiết bị gia nhiệt, nắm vững vấn đề ổn định hệ thống điều
khiển và quá trình hoạt động của một hệ thống gia nhiệt.
Trên bộ thí nghiệm này ta có thể tiến hành các bài thí nghiệm sau:
Điều khiển nhiệt độ kiểu ON/OFF bằng mạch phần cứng.
Ø

Điều khiển nhiệt độ kiểu PID, PI, P bằng máy tính…
Ø Điều khiển nhiệt độ kiểu ON/OFF bằng thiết bị ngoài MiniReg.

1.2 Mô tả nguyên lý làm việc của hệ thống.
Nước trong bình 13 được bơm từ bình chứa nước 1 bởi bơm 2. Chúng ta có thể điều
khiển sự làm việc của van 3 bằng tay. Ta cũng có thể thay đổi lưu lượng để tạo nhiễu
nhờ van 6 và van 8 sau khi đã mở van 5 và van 7.
Nước trong bình 13 được gia nhiệt bởi điện trở nhiệt 12 và nhiệt độ đạt được được
đo bởi hai sensor nhiệt PT100. Một sensor nhiệt nằm ở bên trái được dùng để bảo vệ:

khi đã đạt được nhiệt độ đặt lớn nhất, nhiệt điện trở sẽ ngay lập tức được tắt nhờ thiết
bị điều nhiệt an toàn Tmax được lắp trong khối thiết bị điện. Còn sensor thứ hai nằm ở
bên phải cho phép ta có thể đọc giá trị của đại lượng được điều khiển, để tiến hành quá
trình điều khiển.
4


Nước sau khi được đun nóng sẽ trở lại bình chứa chính.
Tín hiệu điều khiển X đi ra từ thiết bị điều khiển được truyền tới nhiệt điện trở, còn
nhiệt độ đo được Y cũng chính là đại lượng được điều khi ển được truyền tới thiết bị
điều khiển.
Mục đích của quá trình này là đ ể điều khiển nhiệt độ nước trong bể chứa Pirex (12)
với sự có mặt của các nhiễu tác động .
Nước được lấy từ bể chứa (1) thông qua một máy bơm ly tâm (2) và được đưa vào
mạch.
Nước được bơm tuần hoàn qua bể chứa (12), trong bể chứa nước được làm nóng bởi
dây nhiệt điện trở(11). Từ bể chứa (12) nước quay trở lại bể chứa (1).
Lưu lượng nước đưa vào được điều chỉnh thông qua van (8) và được đo lường bởi
đồng hồ đo lưu lượng (7).
Van (4) và (6) tạo ra nhiễu lưu lượng một cách độc lập.
Để đo nhiệt độ (Y) dùng cảm biến nhiệt độ Pt100.
Cảm biến Pt100 khác cung cấp một tín hiệu (Tmax) đến một bộ điều nhiệt trong thiết
bị điện (9). Từ đó giúp cho nó có thể cài đặt nhiệt độ lớn nhất được thực hiện bằng tay,
nó cũng có thể được sử dụng như một bộ điều khiển On-Off.
Điều khiển hệ thống có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau:
• thông qua phần mềm, bằng cách sử dụng các chương trình phần mềm CRS/T trên
các máy tính cá nhân (10);
• thông qua bộ điều chỉnh điện tử tùy chọn, MiniReg (8);
• thông qua máy điều chỉnh nhiệt trong thiết bị điện (9).
Các bộ điều khiển là một trong hai loại PID (Proportional Derivative Integral) hoặc

On-Off, và có thể đạt được bằng cách so sánh các tín hiệu tương ứng với nhiệt độ nước
trong bể (Y) với một tín hiệu đặt Set-Point được lựa chọn bởi người sử dụng.
Do đó việc điều chỉnh tạo ra một tín hiệu khởi động (X) cái mà tác động trên các dòng
điện trong điện trở (11).
Hơn nữa, máy tính cá nhân có thể kiểm soát nhiễu tốc độ dòng chảy bằng cách tạo ra
tín hiệu (n) có tác dụng trên van điện từ (4).
Thiết bị điện (9) bao gồm bộ điều chỉnh nhiệt an toàn,điều khiển cho các thành phần
điện chính của đối tượng,bộ biến đổi AD / DA chuyển đổi sao cho phù hợp với các
máy tính cá nhân thông qua cổng USB,chỉ thị số dùng để hiển thị giá trị nhiệt độ tức
thời.
1.3 Mục tiêu điều khiển của hệ thống.
Hệ thống bơm nước ly tâm theo một vòng tuần hoàn khép kín, tính toán và hiển thị
các giá trị nhiệt độ, lưu lượng dòng chảy. Điều khiển ổn định nhiệt độ trong bình
Pirex trong quá trình hoạt động nhờ các thông số đo được và tính toán các nhiễu loạn
tác động và đưa nước trở về bể chứa. Trong quá trình đưa nước vào Pirex nước được
xáo trộn và được đo đạc thông số để việc làm nóng và ổn định nhiệt độ được chính xác
hơn.
5


Sơ đồ cấu trúc hệ thống
Nước trong
bể chứa

Nước trong
đường ống về

Nước trên
đường ống đi

Nước trong
bình Pirex

1.bể chứa nước
2.bơm li tâm
3.van điều chỉnh tốc độ dòng chảy điều khiển bằng tay
4.van mở đầu nhiễu
5.van điều khiển nhiễu tốc độ dòng chảy điều chỉnh bằng tay
6.van điều chỉnh bằng tay
7.đồng hồ đo lưu lượng dùng để điều khiển lưu lượng dòng chảy
8.máy điều chỉnh điện tử
9.thiết bị điện
10.máy tính cá nhân
11.điện trở đốt nóng bằng điện
12.hai cảm biến nhiệt độ PT100 đo nhiệt độ bình Pirex
13.van tháo nước ra ngoài
X. tín hiệu khởi động
Y. tín hiệu điều khiển khi có thay đổi
n. tín hiệu nhiễu
Tmax. tín hiệu bộ chỉnh nhiệt an toàn

6


1.4 Xây dựng mô hình hàm truyền của hệ thống CRT

Hình 3. Mô hình hệ thống gia nhiệt CRT
Nước được bơm từ bồn chứa đưa vào bồn gia nhiệt với lưu lượng q1 và nhiệt độ T1
Lưu lượng ra khỏi buồng gia nhiệt bằng với lưu lượng vào,nhiệt độ đầu ra của nước
là T0 , nhiệt độ T0 . Gọi thể tích bồn gia nhiệt là V.

Nước được gia nhiệt bằng dây điện trở được cấp điện thông qua bộ biến đổi có điện
áp điều khiển U dk từ 0 đến 5v để điều chỉnh điện áp đặt trên hai đầu dây gia nhiệt từ
0 đến 220v . Gọi điện trở dây gia nhiệt R, nhiệt lượng tỏa ra khi gia nhiệt là Q.
Nhiệt lượng thất thoát ra môi trường tại bồn chứa là Qtt .
1. Xây dựng mô hình phương trình vi phân
Phương trình truyền nhiệt của quá trình truyền nhiệt từ dây gia nhiệt dến nước là :
dT
ì
ïïV pC dt = qC (T1 - T ) + Q (cal / s )
í
2
ïQ = U ( J / s )
ïî
R
Vì nhiệt dung riêng của nước tính băng cal cho nên đổi nhiệt lượng
tỏa ra trên dây điện trở từ J sang cal, chuyển điện áp nguồn sang
điện áp điều khiển ta được:

7


dT
ỡ
ùV pC dt = qC (Ti - T ) + Q
ù
2
ớ
ổ 220
ử
U dk ữ

2
ù
ỗ
ứ (cal ) = 0.24 ( 44U dk )
ùQ = 0.24 ố 5
ợ
R
R
Gi thit th tớch ca nc trong bn cha ln l VB l hng s, lu
lng vo bn cha bng lu lng i ra khi bn cha. Vy quan
h gia nhit i vo bn cha ln v nhit i vo bn gia
nhit, gi thit b quan tn tht nhit trờn ng ng, l:
VB pC

dTi
= qC (T - Ti ) - Qtt
dt

(T0 = T )

Trong ú cỏc tham s ca mụ hỡnh nh sau:
Lu lng q thay i t 4 l/h n 30 l/h, tng ng l thay i t 0.00111/s n
0.00831/s, hay thay i t 0.0011 kg/s n 0.0083 kg/s
Th tớch bn gia nhit V l :
3

2

2

4 ổ 0.12 ử
ổ 0.04 ử
ổ 0.04 ử
-4
3
V = pỗ
ữ +p ỗ
ữ 0.185 - p ỗ
ữ 0.235 = 8.4195 10 = 0.00084195m
3 ố 2 ứ
ố 2 ứ
ố 2 ứ
Th tớch bn cha ln l VB = 0.7 m 0.5m 0.25m = 0.0875m3
Khi lng riờng ca nc ly trung bỡnh l p = 993.3316kg / m3
Nhit dung riờng ca nc: C = 100 cal / ( kg / C )
in tr ca dõy gia nhit: R = 40.7W

ã Nhit lng tht thoỏt l : Qtt = 0.84 cal / s
Vy mụ hỡnh h CRT c biu din bng phng trỡnh vi phõn nh
sau:
ỡ
dT
= qC (Ti - T ) + Q cal / s
ùV pC
dt
ù
dTi
ù
= qC (T - Ti ) - Qtt cal / s
ớVB pC

dt
ù
2
ù
44U dk )
(
ùQ = 0.24
cal / s
ợ
R
Vy nhit trong bn cha ph thuc vo 02 u vo ú l: in
ỏp cp cho dõy in tr, v lu lng ca dũng nc a vo bn
cha.
8


Ngoài ra ta có thể dùng đầu vào là nhiệt lượng Q thay vì dùng U dk ,
khi đó ta có sơ đồ simulink biểu diễn mô hình hệ thống bằng phương
trình vi phân tương ứng khi ta sử dụng đầu vào là nhiệt lượng Q.
Nếu coi bồn chứa có kích thước là vô hạn, khi đó nhiệt độ đầu vào Ti
không bị thay đổi bởi nhiệt độ T (hay Ti = hằng số), mô hình của hệ
thống đơn giản chỉ còn lại là:

dT
ì
ïïV pC dt = qC (Ti - T ) + Q
í
2
ïQ = 0.24 ( 44U dk )
ïî

R
2. Xây dựng mô hình phương trình Laplace của hệ thống
a. Sử dụng mô hình đơn giản, coi thể tích bồn chứa là vô hạn.
Từ phương trình vi phân :
dT
ì
ïV pC dt = qC (Ti - T ) + Q
ï
í
2
ïQ = 0.24 ( 44U dk )
îï
R

Giả thiết điểm làm việc cân bằng là ta điều khiển cho nhiệt độ trong
bồn chứa là 60℃, nhiệt độ nước đi vào bồn chứa tại điểm làm việc là 30℃,
vậy ta có : T = 600 C , T 1 = 300 C ,
lưu lượng tại điểm làm việc là 10 l/h, hay q = 0.00281 / s. từ hệ phương trình vi
phân ta tìm được Q = 84 cal , U dk = 2.71V , Chuyển phương trình vi phân trên sang dạng
tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc và sử dụng biến chênh lệch, ta có :

V pC

(

d DT + T
dt

) = (q + Dq) C (DT + T - DT - T ) + DQ - Q
i

i

= q C (DTi + Ti - DT - T ) + DqC (DTi + Ti - DT - T ) + DQ + Q
= q C (DTi - DT ) + q C (T i - T ) + Q + DqC (DTi + Ti - DT - T ) + DQ

=0

= q C (DTi - DT ) + DqC (DTi + Ti - DT - T ) + DQ
= q C (DTi - DT ) + DqC (DTi - DT ) + DqC (Ti - T ) + DQ

nho ,bo qua

= q C (DTi - DT ) + DqC (Ti - T ) + DQ
hay
9


d DT
= q C (DTi - DT ) + DqC (Ti - T ) + DQ
dt
(44U dk ) 2
Tuyến tính hóa tiếp phương trình Q = 0.24
ta được :
R
V pC

æ 0.24 ´ 442 d
ö
æ 0.24 ´ 442

ö
DQ » ç
U dk 2 U =U dk ÷ DU dk = ç
2U dk ÷ DU dk = 61.875 DU dk
dk
R
dt
R
è
ø
è
ø
Chuyển hai phương trình đã tuyến tính sang dạng toán tử Laplace ta được:

V pCs DT ( s ) = q C ( DTi ( s ) - DT ( s ) ) + Dq( s ) C (Ti - T ) + DQ( s )
V pCs DT ( s ) + q C DT ( s) = q C DTi ( s ) + Dq( s )C (Ti - T ) + DQ( s )

(V pCs + q C ) DT (s) = q C DT (s) + Dq(s)C (T - T ) + DQ(s)
i

i

( )

Đặt kTi = 1, kq = (Ti - T ) / q, kQ = 1/ C q ,t = V p / q Ta được :

DT ( s ) =

KTi

t s +1

DTi ( s ) +

Kq

t s +1

Dq ( s ) +

KQ

t s +1

DQ( s )

Thay số ta được :
KTi = 1, K q = 1.0714 ´ 104 , K Q = 0.3571,t = 298.6913

Vậy hệ CRT sau khi đã tuyến tính hóa là :
ì
1
1.0714 ´ 104
0.3571
DTi ( s ) Dq ( s ) +
DQ( s )
ïDT ( s ) =
298.6913s + 1
298.6913s + 1
298.6913s + 1

í
ïDQ = 61.875DU
dk
î

b. sử dụng mô hình thể tích bồn chứa là hữu hạn
xuất phát từ hệ phương trình
ì
d DT
= qC (Ti - T ) + Q cal / s
ïV pC
dt
ï
dTi
ï
= qC (T - Ti ) - Q cal / s
íVB pC
dt
ï
2
ï
44U dk )
(
ïQ = 0.24
cal / s
î
R

+Tại điểm làm việc cân bằng,ta sử dụng đại lượng chênh lệch nhiệt độ d T = T - Ti , khi
Đó tương ứng với các tham số tại điểm làm việc q = 10 / kg = 0.0028kg / s là :

10


ỡ
ù
ù- qCd T + Q = 0
ù
ớqCd T - Qtt = 0
ù
44U dk
ù
ùQ = 0.24
ợ
R

(

)

2

Qtt
,
qC
Tng t nh trờn ,tuyn tớnh húa phng trỡnh s 1 ti im lm vic cõn bng ta c :
Ta xỏc nh c: Q = Qtt , T = Ti +

d DT
= q C (DTi - DT ) + DqC (Ti - T ) + DQ

dt
Tuyn tớnh húa phng trỡnh s 2 ti im lm vic cõn bng ta c :
V pC

d DTi
= q C (DT - DTi ) + DqC (T - Ti )
dt
Tuyn tớnh húa phng trỡnh s 3 ti im lm vic cõn bng ta c :
VB pC

ổ 0.24 442 d
DQ ằ ỗ
U dk 2
R
dt
ố

U dk =U dk

ử
ổ 0.24 442
ử
D
U
=
2U dk ữ DU dk
ữ
ỗ
dk
R

ứ
ố
ứ

Chuyn 03 phng trỡnh trờn sang toỏn t Laplace ta dc :
DT ( s ) =

KTi

Kq

1
VB p

ị DTi ( s ) +

Dq ( s ) +

KQ

DQ( s )
t s +1
t s +1
t s +1
ổ 0.24 442
ử
DQ ằ ỗ
2U dk ữ DU dk ( s ) = K u DU dk ( s)
R
ố

ứ
sDTi ( s ) =

DTi ( s ) +

( q (DT (s) - DT (s) ) + Dq(s) (T - T ) )
i

i

K qT
KTT
DT ( s ) +
Dq ( s )
tT s +1
tT s +1

Vi KTT = 1, K qT = (T - Ti ),t T = VB p / q
Thay s ta dc :

11


Q = Qn = 0.84cal / s

d T 30 C , T = T i -

Qtt
= Ti + 0.3 C
qC

QR
0.84 ´ 40.7
=
= 0.2713
2
0.24 ´ 44
0.24 ´ 442
0.24 ´ 442
0.24 ´ 442
Ku =
2U dk =
2 ´ 0.2713 = 6.1944
R
40.7
KTi = 1, K qT = (T - Ti ) / q = -107.1429, K Q = 0.3571,t = 298.6913

U dk =

KTT = 1, K qT = (T - Ti ) = 0.3 C ,t T = VB p / q = 0.0875 ´ 993.3316 / 0.0028 = 3.1042 ´ 104

12


CHƯƠNG 2 NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
-Các bước tiến hành nhận dạng:
Bước 1: Thu thập,khai thác thông tin ban đầu về quá trình gia nhiệt.
Bước 2: Mô hình hóa đối tượng.
Bước 3: Lấy số liệu thực nghiệm,xác định dạng đặc tính của đối tượng.
Bước 4: Tính toán, xác định các thông số của đối tượng dựa trên dữ liệu thu được.

2.1 Mô hình hóa đối tượng.
a.Mô hình vào ra của hệ thống

b. Mô tả toán học các phần tử có trong hệ
* Hai bơm (pump 1 và pump 2) và van Noise.
-dùng để bơm nước lạnh vào bình gia nhiệt (coi là nhiễu phụ tải),lượng nước bơm vào
phụ thuộc vào độ mở van tính theo phần trăm (0%÷100%) của van Noise.
*khâu điều chế tiristor
-hàm truyền: G2 ( s ) = k1 * et1s với t 1 là thời gian trễ khâu chỉnh lưu
Vì t 1 << nên: G2 ( s ) = k1
*Dây nhiệt điện trở và bình gia nhiệt.
-Dây nhiệt điện trở hoạt động dựa trên định luật joule-lence :khi cho dòng điện chạy
qua dây dẫn,thì trên dây dẫn tỏa ra 1 nhiệt lượng và được tính theo biểu thức: Q=‫ܫ‬ଶ RT
(J)
trong đó: I: cường độ dòng điện qua dây dẫn (A)
R: điện trở dây dẫn (Ω)
T: thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn (s)
Hàm truyền : Gd ( s ) = kd
-Hàm truyền bình gia nhiệt : Gb ( s ) =

kb
* e -t b s
Tb s + 1
13


Trong đó: ܶ௕ :hằng số thời gian của bình gia nhiệt
߬௕ :độ trễ của bình gia nhiệt
‫ܭ‬௕ ǣ hệ số bình gia nhiệt
* Đầu dò nhiệt PT100 và mạch đo

-có giá trị điện trở ở Ͳఖ ‫ ܥ‬là 100Ω và có dải đo từ -200°C đến 600°C.
- hàm truyền: ‫ܩ‬ଷ ሺ‫ݏ‬ሻ=‫ܭ‬஽௅
=> Hàm truyền của đối tượng điều khiển là:

Gdt ( s ) =

Y ( s ) K1K d K b -t b s
*e
=
X ( s ) Tb s + 1

=

K dt
* e -t dt s
Tdt s + 1

Trong đó:
-Y(s) : là giá trị nhiệt độ của nước trong bình,tín hiệu thu được từ đầu ra của cảm
biến PT100 qua mạch đo có dải đo từ 0÷5v tương ứng với nhiệt độ có giá trị từ
0÷100ºc.
-X(s): là giá trị tín hiệu điều khiển đưa vào khối điều khiển công suất,tín hiệu thực là
giá trị điện áp từ 0÷5v.
2.2 Nhận dạng hệ thống điều khiển.
Các bước tiến hành nhận dạng:
Bước 1: Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về đối tượng.
Bước 2: Lựa chọn phương pháp nhận dạng (Phân tích đáp ứng quá độ).
Bước 3: Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử lý thô các số liệu
nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy.
Bước 4: Quyết định về dạng mô hình và giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình.

Bước 5: Xác định các tham số mô hình theo phương pháp/thuật toán đã chọn. Mô
phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình nhận được theo các tiêu chuẩn đã lựa
chọn, tốt nhất là trên cơ sở nhiều tập dữ liệu khác nhau. Nếu chưa đạt yêu cầu, cần
quay lại một trong các bước 1- bước 4.

14


Tại command window gõ lệnh ident sẽ xuất hiện cửa sổ nhận dạng System
Identification Tool:
Nhập dữ liệu trong miền thời gian vào công cụ nhận dạng: Import data Time

Hình 2.4 Cửa sổ nhận dạng
*Vào Estimate ® Process Model. Tại đây ta có thể tùy chọn dạng hàm truyền của đối
tượng để tìm ra các hệ số. Ta chọn hàm truyền có dạng như hình dưới Cửa sổ Process
Models để chọn dạng hàm truyền nhận dạng
*Cuối cùng kích chuột vào Estimate. Tại cửa sổ System Identification Tool ®
15


Model output để máy tính tìm ra hệ số K và Tp1:

Hình 2.5 Kết quả quá trình nhận dạng lò nhiệt
Qua thực nghiệm thu được tập dữ liệu đối tượng (Data1).Sử dụng lệnh matlab ta xác
định được dạng đặc tính của đối tượng điều khiển là một hàm quán tính bậc nhất có
trễ: Gdt ( s ) =

K dt
* e -t dt s
Tdt s + 1

16


-Tín hiệu điện áp đo được qua đầu dò PT100 qua bộ chuyển đổi với hệ số chuyển đổi
k=0.0497 được chuyển sang giá trị nhiệt độ tương ứng.
-Số lần trích mẫu : sample=502, thời gian trích mẫu: T=2s, điện áp vào: u=0.5v
-Lệnh matlab:
* Vẽ đường đặc tính của đối tượng với đầu ra là điện áp:
>> Load Data1
>>for i=1:502
>>U(i)=Data1.signals(1,2).values(1,1,:);
>>end;
>>plot(U)
-Mô phỏng matlab Simulink

Hình 1: Đặc tính của tượng khi đầu ra là điện áp
* Vẽ đường đặc tính của đối tượng với đầu ra là nhiệt độ:
>> Load Data4
>>u=Data1.signals(1,2).values(:);
>>k=0.0497;
>>T=u/k;
>>plot(T)

17


Hình 2: Đặc tính của đối tượng khi đầu ra là nhiệt độ
Ta có:
Hệ số : K =

y¥ 42.4431
=
= 84.89
u0
0.5

Thời gian trễ : τ = 18(s)
Hằng số thời gian : T=369(s)
Þ Hàm truyền đối tượng là :

Gdt ( s ) =

84.89
* e -18 s
369 s + 1

Như vậy đối tượng nhận dạng có hàm truyền là 1 khâu quán tính bậc nhất có trễ.

18


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
3.1 Thiết kế bộ điều khiển PI
-Đối tượng có hàm truyền:

Gdt ( s ) =

84.8862 -14 s
*e
368s + 1

-Phương pháp thiết kế: Sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp.
-Mô hình hệ thống :
U

y

‫ܩ‬௖ ሺ‫ݏ‬ሻ
(-)

-Đặt

:

-Hàmtruyềnhệ kín :

Gk ( s ) = Gm ( s ) =

Gk ( s ) =

Gc ( s ) * Gdt ( s )
1 + Gc ( s ) * Gdt ( s )

Vậy hàm truyền bộ điều khiển là: Gc ( s ) =

Gc ( s ) =

368s + 1
84.8862 * e -14 s

e -14 s
368s + 1

1
Gm ( s )
*
Gdt ( s ) 1 - Gm ( s )

e -14 s
368s + 1
1 =
* 368s-+
14 s
e
85.8862(368s + 1 - e -14 s )
1368s + 1

Xấp xỉ : e -14 s = 1 - 14 s

368s + 1
368s + 1
=
84.8862 * (368s + 14 s ) 32426.5284 s
1
= 0.0113 +
32426.5284s
Þ K p = 0.0113

Þ Gc ( s ) =

K I = 3.0839e -5

19


-Sơ đồ mô phỏng

-Mô phỏng matlab Simulink

Hình 3.1:Đặc tính làm việc của hệ thống khi có bộ điều khiển PI
3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID
a.Tác động của các thành phần P,I,D
-Thành phần P: Có tác dụng như một khâu khuếch đại với hệ số có thể thay đổi được
nó là giảm sai lệch tĩnh nhưng không thế triệt tiêu vì hệ số khuếch đại không thể quá
lớn,nếu càng tăng càng mất khả năng ổn định.
-Thành phần I: Triệt tiêu được sai lệch tĩnh,tín hiệu điều khiển của khâu này không chỉ
tỷ lệ với gá trị sai lệch ở thời điểm hiện tại mà còn tỷ lệ với tín hiệu sai lệch ở thời
điểm trước đó.Tác động của thành phần tích phân là đáp ứng chậm hơn so với sự thay
đổi của e(t) do vậy nó không thể thay đổi một cách nhanh chóng như các thành phần
khác.
-Thành phần vi phân D: Tín hiệu điều khiển đưa ra tỉ lệ với sự thay đổi của sai lệch
e(t).Vậy khi sai lệch là một hằng số thì thành phần này không có tác dụng nữa hay tín
hiệu này bằng 0.Thành phần này chỉ đưa ra tín hiệu điều khiển khi có biên độ sai lệch
đầu vào e(t) nằm trong vùng nhiễu tần số cao hoặc tín hiệu đặt thay đổi.Tác động của
tín hiệu điều khiển đáp ứng nhanh với sự thay đổi của sai lệch bởi vậy nó cũng nhạy
cảm với nhiễu.
b.Phương pháp thiết kế :
-Sử dụng phương pháp Chien-Hrones-Reswick thiết kế bộ điều khiển:
-Đặc tính của đối tượng:
20

æ

-Hàm truyền của bộ điều khiển có dạng: Gc ( s ) = K p ç 1 +

è

ö
1
+ Td s ÷
Ti s
ø

3b
3 * 354
=
= 0.1787
5aK 5 * 14 * 84.8862
Ti = b = 354

Với : K p =

Td =

a 14
= =7
2 2

1

æ
ö
Þ Gc ( s ) = 0.1787 ç1 +
+ 7s ÷
è 354 s
ø

-Sơ đồ mô phỏng:

-Mô phỏng matlab Simulink

21


Hình 3.3:Đặc tính làm việc của hệ thốngkhi có BDK PID
3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control-FLC)
a Yêu cầu khi thiết kế bộ điều khiển mờ
-Không thiết kế bộ điều khiển mờ cho các bài toán mà hệ điều khiển kinh điển có thể
dễ dàng thực hiện như các bộ điều khiển P,PI,PD,PID.
-Hạn chế sử dụng điều khiển mờ cho hệ thống cần đảm bảo an toàn cao do những yêu
cầu về chất lượng và mục đích của hệ điều khiển mờ chỉ có thể xác định và đạt được
qua thực nghiệm.
-Hệ thống điều khiển mờ là hệ thống mang tinh chuyên gia,gần với nguyên lý đi ều
khiển của con người,do đó người thiết kế phải hoàn toàn đủ hiểu biết và kinh nghiệm
về hệ thống cần điều khiển mới có thể thiết kế được hệ điều khiển mờ.
3.5 Thiết kế bộ điều khiển mờ động PD
-Thành phần của bộ điều khiển này gồm sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra ET
cùng đạo hàm của sai lệch DET,đầu ra của bộ điều khiển mờ là các biến ngôn ngữ U
để điều khiển đối tượng.
-Thành phần vi phân giúp hệ thống phản ứng chính xác hơn với những biến đổi lớn

của sai lệch theo thời gian.
Bước 1: Mô hình hệ thống bộ điều khiển mờ PD

e

Bộ điều khiển
mờ
u

22