Tài liệu Nhận dạng thông số hệ biến tần động cơ và điều khiển bằng plc

MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC.............................................................................................i LỜI CAM ĐOAN................................................................................................ ....ii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................iii TÓM TẮT ..............................................................................................................iv MỤC LỤC ............................................................................................................. . v DANH SÁCH CÁC HÌNH ...................................................................................viii Chƣơng 1 TỔNG QUAN.........................................................................................1 1.1.Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu...........................................................1 1.2.Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc......................................................2 1.3. Mục đích của đề tài...........................................................................................4 Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................5 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài. .............................................................5 Nhiệm vụ của đề tài................................................................................... .5 Giới hạn đề tài............................................................................................6 Kết cấu của luận văn.........................................................................................6 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................... .........6 2.1.Các phƣơng pháp nhận dạng............................................................................. .6 2.1.1.Tổng quan về nhận dạng ............................................................................ .6 2.1.2.Mô hình hóa toán - lý (lý thuyết).................................................................6 2.1.3.Mô hình hóa thực nghiệm (thực tế) .............................................................7 2.2.Bộ điều khiển PID .............................................................................................7 Khái niệm ..................................................................................................7 Khâu P (Proportional) ............................................................................. . 10 Khâu I (Integral)...................................................................................... . 11 Khâu D (Derivative)................................................................................ . 13 Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển PID:.................................................... 14 Xây dựng hàm truyền cho mô hình PID ................................................... 15 Thiết kế bộ điều khiển PID:..................................................................... . 16 .Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp (V/f) ............................ 17 Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi................................................. 18 2.3.2.Trƣờng hợp tốc độ động cơ thấp................................................................ 19 2.3.3.Trƣờng hợp tốc độ lớn hơn tốc độ định mức.............................................. 19 2.3.4.Đặc tính cơ............................................................................................... . 20 GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Chƣơng 3 NHẬN DẠNG THÔNG SỐ MÔ HÌNH ................................................ 22 Phƣơng pháp xây dựng mô hình ..................................................................... 22 Xét hệ thống mô hình tuyến tính ổn định.................................................. 22 Cấu trúc mô hình ARX............................................................................ . 24 Nhập thông số tuần tự ............................................................................. . 26 Ƣớc tính nhiều mô hình đồng thời ............................................................ 26 Mô hình đa đầu vào (multi-input models)................................................. 26 Phƣơng pháp ƣớc lƣợng (estimation Methods)................................................ 26 Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu (Least Squares)................................. 27 Phƣơng pháp biến thể công cụ.................................................................. 27 Mô hình đa-đầu ra........................................................................................... 27 Ƣớc lƣợng tham số mô hình .................................................................... . 28 Phƣơng pháp ƣớc lƣợng .......................................................................... . 29 Chƣơng 4 QUÁ TRÌNH THU THẬP DỮ LIỆU .................................................... 31 Các thiết bị sử dụng trong mô hình ................................................................. 31 Biến tần:................................................................................................... 31 PLC Siemens S7-200 .............................................................................. . 32 Giới thiệu cấu trúc PID trong PLC s7-200................................................ 32 4.1.3.1 Giải thuật của công cụ PID ................................................................ 33 Khâu tỉ lệ ......................................................................................... . 35 Khâu tích phân.................................................................................. 35 Khâu vi phân ................................................................................... . 36 4.1.3.5. Bảng định nghĩa các biến của vòng PID............................................ 37 4.1.3.6. Thông số vòng lặp “Loop” ................................................................ 42 Giới thiêu bộ đếm cao tốc trong S7_200................................................... 42 Tổng quan........................................................................................ . 42 Các chế độ của bộ đếm cao tốc ......................................................... 46 4.1.4.3. Nguyên lý hoạt động của các chế độ đếm: ........................................ 46 Modul analog EM235............................................................................... 58 Giới thiệu encoder................................................................................... . 59 Động cơ không đồng bộ 3 pha.................................................................. 61 Hệ biến tần động cơ ....................................................................................... . 63 Sơ đồ kết nối hệ thống biến tần động cơ ................................................... 63 Mô tả hệ thống: ........................................................................................ 64 Kết quả thực nghiệm hệ biến tần động cơ ....................................................... 65 GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Kết quả khảo sát...................................................................................... . 65 Hàm truyền hệ thống ............................................................................... . 69 Khảo sát đáp ứng hàm bƣớc ..................................................................... 72 GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Khảo sát đáp ứng hàm số bằng Matlab............................................................ 75 Nhận xét đánh giá .......................................................................................... . 77 Chƣơng 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG....................................... 78 Chƣơng trình plc cho việc thu thập dữ liệu ..................................................... 78 Thuật giải ................................................................................................ . 78 Chƣơng trình thu thập dữ liệu................................................................... 78 Chƣơng trình plc cho việc điều khiển hệ biến tần động cơ .............................. 79 Thuật giải ................................................................................................ . 79 Chƣơng trình điều khiển.......................................................................... . 80 Kết quả kiểm chứng thực nghiệm đạt đƣợc ..................................................... 82 Kết quả đạt đƣợc khi động cơ không tải ................................................... 82 Kết quả đạt đƣợc khi động cơ có mang tải thay đổi .................................. 85 Kết luận ......................................................................................................... . 87 Chƣơng 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................. 88 Kết luận ......................................................................................................... . 88 Hƣớng phát triển............................................................................................. 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... . 90 PHỤ LỤC.............................................................................................. ................ 92 GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Khâu điều khiển vòng kín ........................................................................8 Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID ........................................................9 Hình 2.3: Đáp ứng của khâu P .............................................................................. . 11 Hình 2.4: Đáp ứng của khâu I và PI ....................................................................... 12 Hình 2.5: Đáp ứng bộ vi phân............................................................................... . 13 Hình 2.6: Đáp ứng của khâu P, PI và PID .............................................................. 14 Hình 2.7: Các đƣờng cong từ trễ............................................................................ 17 Hình 2.8: Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số ......................................... 20 Hình 2.9: Sơ đồ khối phƣơng pháp V/f vòng hở .................................................... 20 Hình 2.10: Sơ đồ khối phƣơng pháp V/f vòng kín.................................................. 21 Hình 3.1: Mô hình của hệ thống vòng hở............................................................... 22 Hình 3.2: Mô hình hệ thống vòng kín .................................................................... 23 Hình 3.3: Mô hình hệ thống khảo sát ARX ............................................................ 24 Hình 3.4: Hộp thoại để ƣớc tính tham số mô hình.................................................. 28 Hình 4.1: Mô hình tổng quát của một PLC ............................................................ 32 Hình 4. 2: Bảng mô tả các chế độ làm việc của bộ đếm tốc độ cao ........................ 46 Hình 4. 3: Hoạt động với tín hiệu reset mà không có tín hiệu start ......................... 46 Hình 4. 4: Hoạt động với tín hiệu reset và tín hiệu start ......................................... 47 Hình 4. 5: Hoạt động ở chế độ 0, 1, 2 .................................................................... 47 Hình 4. 6: Hoạt động ở chế độ 3, 4, 5 .................................................................... 48 Hình 4. 7: Hoạt động ở chế độ 6, 7, 8 .................................................................... 48 Hình 4. 8: Hoạt động ở chế độ 9, 10, 11................................................................. 49 Hình 4. 9: Nguyên lý cơ bản của hoạt động encoder .............................................. 60 Hình 4. 10: Encorder Omrom ................................................................................ 61 Hình 4. 11: Nguyên lý hoạt động của động cơ ....................................................... 61 Hình 4. 12: Hệ thống khảo sát thực tế .................................................................... 64 Hình 4. 13:Quá trình thu thập dữ liệu .................................................................... 65 Hình 4. 14 Quan hệ các thông số khảo sát thực tế .................................................. 68 Hình 4. 15: Quá trình nhận dạng bằng Matlab ....................................................... 71 Hình 4. 16: mô hình hàm truyền hệ thống vòng hở ................................................ 72 Hình 4. 17: đáp ứng hàm truyền hệ thống vòng hở theo hàm tuyến tinhs ............... 72 Hình 4. 18: Đáp ứng hàm step bằng thực nghiệm .................................................. 74 GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Hình 4. 19: Hàm truyền đạt của hệ thống............................................................... 75 Hình 4. 20: Đáp ứng của hàm truyền: .................................................................... 76 Hình 4. 21: Các thông số Kp, Ti, Td tìm đƣợc ....................................................... 77 Hình 5.1: Mô phỏng hàm truyền bằng Matlab ....................................................... 82 Hình 5.2: Đồ thị tốc độ động cơ điều khiển bằng PID thực tế ................................ 83 Hình 5.3: Đồ thị tốc độ động cơ có điều khiển bằng PID thực tế không tải ............ 86 Hình 5.4: Đồ thị tốc độ động cơ có điều khiển bằng PID thực tế có tải .................. 86 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 4.1 Giá trị khảo sát thực tế............................................................................ 67 Bảng 4.2 Bảng giá trị thu đƣợc từ hàm step ........................................................... 74 GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Chương 1: Tổng Quan Chƣơng 1 TỔNG QUAN Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Trong thực tế và đời sống, để truyền động cho những cơ cấu sản xuất ngƣời ta thƣờng sử dụng các động cơ điện làm cơ cấu chấp hành. Trƣớc đây, các hệ thống điều khiển và truyền động điện có yêu cầu cao về chất lƣợng điều chỉnh tốc độ là thƣờng dùng động cơ điện một chiều, loại động cơ này có nhiều nhƣợc điểm so với động cơ điện xoay chiều, nên khi công nghệ điện tử công suất phát triển, động cơ điện xoay chiều đƣợc sử dụng rộng rãi hơn. Hiện nay, với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, nhờ cải tiến, ứng dụng không ngừng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ xoay chiều đã trở thành một đối tƣợng điều khiển có nhiều ƣu thế và vì vậy, rất nhiều các hệ điều khiển đã sử dụng động cơ xoay chiều (đồng bộ hay không đồng bộ) nhƣ một đối tƣợng điều khiển có nhiều ƣu điểm vƣợt trội. Cũng nhƣ các hệ thống điều khiển khác, chất lƣợng các hệ điều khiển truyền động điện phụ thuộc rất nhiều vào các bộ điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra đƣợc khả năng thay đổi tốc độ với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lƣợng điều chỉnh ở chế độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứ quá trình quá độ nào cũng đạt đƣợc độ ổn định cao và hệ có khả năng đáp ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh. Tất cả những điều này thực sự đã đặt ra những yêu cầu càng ngày càng khắc khe hơn cho các hệ thống điều khiển tự động. Đối với động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống. Điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều còn nhiều vấn đề cần giải quyết bởi nó phụ thuộc vào nhiều thành phần phi tuyến có tham số bất GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 1 Chương 1 Tổng quan định nhƣ điện trở của rôto (phụ thuộc vào nhiệt độ), từ thông trong mạch từ, hệ số ma sát, nhiễu loạn tác động và tải thay đổi. Có nhiều công trình nghiên cứu cho lĩnh vực này, thƣờng đƣợc phân làm hai hƣớng: Hƣớng 1: Sử dụng các mô hình toán học để ƣớc lƣợng tốc độ động cơ. Hƣớng này có giá thành thấp, nhƣng hiệu quả điều khiển phụ thuộc vào nhiều thuật toán ƣớc lƣợng và độ chính xác của mô hình động cơ. Có độ tin cậy phụ thuộc vào trình độ của ngƣời nghiên cứu. Hƣớng 2: Sử dụng các bộ cảm biến để đo các tham số của động cơ xoay chiều và dựa vào đó đƣa ra các tín hiệu điều khiển phù hợp. Khi sử dụng cảm biến sẽ làm tăng giá thành của động cơ và phức tạp trong kết nối điều khiển, nhƣng hƣớng này cho độ chính xác cao mà thuật toán điều khiển lại đơn giản. Tuy nhiên do hệ động lực của động cơ xoay chiều có nhiều tham số bất định nên việc điều khiển động cơ theo các phƣơng pháp cổ truyền có cảm biến hay không có cảm biến đều không đảm bảo chất lƣợng khi có tải thay đổi lớn. Việc điều chỉnh và điều khiển tốc độ của động cơ thƣờng đƣợc sử dụng các giải thuật mới nhƣ mạng nơron, giải thuật di truyền (GA), giải thuật bầy đàn … Khoa học kỹ thuật phát triển đã cho ra đời một thiết bị điều khiển mới đó là biến tần. Thiết bị này ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản suất hiện đại.. Vấn đề đặt ra là phải tƣờng minh hệ biến tần động cơ để có phƣơng án điều khển tối ƣu nhất. Nhằm góp phần giải quyết vấn đề trên tác giả thực hiện công trình nghiên cứu hệ biến tần động cơ dựa trên thực nghiệm từ thiết bị thật. Lĩnh vực cần quan tâm trong đề tài này là “ thu thập, nhận dạng hàm truyền và tìm các thông số liên quan đến việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ trong hệ biến tần – động cơ và điều khiển bằng PLC ”. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề điều khiển động cơ trong đó có các công trình sau đây có liên quan đến đề tài: GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 2 Chương 1 Tổng quan Công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Phạm Thƣợng Cát Lê Minh Hùng, Phạm minh Tuấn. Viện công nghệ thông tin, thuộc Trƣờng Đại Học Thái Nguyên là “Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Sử Dụng Mạng Nơron Nhân Tạo”. Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ của động cơ khi sử dụng mạng nơron bám sát tốc độ đặt. Tại thời điểm tải thay đổi đột biến tốc độ có quá trình quá độ nhất định nhƣng chỉ sau một khoảng thời gian ngắn mạng nơron tự học và tác động đƣa tốc độ động cơ về với tốc độ yêu cầu, sai số trung bình 10-3 [3] Công trình nghiên cứu của Phạm Văn Lực, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha”. Kết quả mô phỏng cho thấy phƣơng pháp PID- mờ tốt hơn so với phƣơng pháp PID thông thƣờng nhƣ dòng điện khởi động nhỏ, tốc độ động cơ bám sát tốc độ đặt với sai số nhỏ [4] Công trình nghiên cứu của tác giả Huỳnh Đức Chấn Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM „Ứng dụng thuật giải bầy đàn (pso) để xác định thông số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha’. Kết quả mô phỏng cho thấy: Thời gian đáp ứng và thời gian xác lập nhanh, khoảng 0.02s, giá trị tại thời điểm xác lập bám sát giá trị đặt, vào thời điểm thay đổi tốc độ, tốc độ thực có lệch so với tốc độ đặt nhƣng rất nhỏ.[5] Công trình nghiên cứu nƣớc ngoài nhƣ Công trình nghiên cứu của hai tác giả R.Dharmaprakash, Department of Electrical and Electronics Engine ring, St.Peterís University và Joseph Henry Department of Electrical and Electronics Engine ring, Vel Tech Dr.R.R & Dr.S.R Technical University “direct torque control of induction motor using multilevel inverter” International Journal of Latest Research in Science and Technology Volume 3, Is ue 3: Page No. 70-75, May-June 2014 kết quả mô phỏng số cho thấy rằng đáp ứng tốc độ khi sử dụng biến tần hai cấp GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 3 Chương 1 Tổng quan độ hay ba cấp độ là tƣơng tự. Nhƣng độ gợn mô-men xoắn sử dụng biến tần ba cấp độ là rất ít so với hai cấp độ. Ƣu điểm chính của phƣơng pháp đƣợc đề xuất là sự đơn giản. chuyển đổi phƣơng pháp kiểm soát mô-men xoắn trực tiếp sử dụng biến tần ba cấp độ và nó rất dễ dàng để thiết kế và thực hiện. Có hiệu suất hoạt động và trạng thái ổn định tốt. [11] Mục đích của đề tài. Trong sản xuất công nghiệp, việc dùng biến tần để điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha ngày càng phổ biến nhƣng để ổn định động cơ cần phải xây dựng giải thuật điều khiển. Để xây dựng giải thuật cần phải có các thông số của mô hình đối tƣợng. Có rất nhiều cách để xác định thông số này, trong đó có phƣơng pháp ARX. Trong đề tài này, trình bày phƣơng pháp nhận dạng mô hình hệ biến tần động cơ bằng ARX. Sau đó, tiến hành mô phỏng trên cơ sở mô hình vừa tìm đƣợc. Để xây dựng giải thuật điều khiển PID cho mô hình trên, sử dụng công cụ PID tune trong Matlab để xác định các thông số Kp,TI, Td. Dùng Matlab mô phỏng hệ với sự điều khiển của khối PID. Dùng thực nghiệm lập trình trên với các thông số Kp,Ti, Td để điều khiển hệ biến tần động cơ, so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy vận tốc động cơ ổn định tại giá trị đặt. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Điều khiển và ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ biến tần động cơ khi tải thay đổi. Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu mô hình ARX cho việc xác định hàm truyền và tìm giá trị các thông số bộ điều khiển PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha. Lập trình giải thuật PID trong S7_200 để khiển tốc độ động cơ của hệ biến tần động cơ. Đối tƣợng nghiên cứu  Bộ điều khiển PID trong s7-200. GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 4 Chương 1 Tổng quan  Động cơ không đồng bộ ba pha, biến tần.  Phƣơng pháp nhận dạng (ARX) mô hình hệ biến tần động cơ.  Giải thuật điều khiển PID cho hệ biến tần động cơ. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong đề tài này tác giả đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu: - Phƣơng pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin và tài liệu từ sách, tạp chí, báo điện tử và truy cập mạng internet. - Phƣơng pháp quan sát: khảo sát một số mô hình, mô phỏng thực tế đang có từ các project trƣớc và các bài báo trên mạng internet… - Mô phỏng lại bằng phần mềm Matlab để so sánh với kết quả đã có nhằm rút ra những kinh nghiệm trong việc mô phỏng. - Phƣơng pháp thực nghiệm: từ những ý tƣởng và kiến thức vốn có kết hợp với sự hƣớng dẫn của giáo viên, ngƣời nghiên cứu làm thực nghiệm trực tiếp trên thiết bị thực tế để tìm ra các dữ liệu phục vụ cho công trình nghiên cứu của mình, dùng phƣơng pháp ARX để tìm ra hàm truyền, từ đó xác định các thông số của PID. Dùng Matlab để mô phỏng và so sánh với kết quả thực nghiệm. Tham khảo ý kiến của chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài. Nhiệm vụ của đề tài Ở công trình nghiên cứu này thực hiện các nhiệm vụ sau: - Tìm ra hàm truyền cho hệ thống bằng phƣơng pháp nhận dạng theo mô hình ARX. - Xây dựng mô hình cho hệ thống. GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 5 Chương 1 Tổng quan - Tìm ra các thông số điều khiển Kp, Ti, Td cho khâu PID để điều khiển. - Mô phỏng hàm truyền bằng simulink của MATLAB. - Điều khiển và ổn định đƣợc tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng PLC s7-200. Tất cả các công việc trên đi đến mục đích cuối cùng là xây dựng mô hình tƣơng đƣơng cho hệ thống biến tần- động cơ nhằm phục vụ cho quá trình nghiên cứu thực tiễn, phân tích và giảng dạy về biến tần cho những ngƣời làm việc với biến tần một cách sâu rộng. Từ đó áp dụng phƣơng pháp này cho các hệ thống khác trong thực tế. Giới hạn đề tài Trong khuôn khổ của đề tài này là tìm ra đƣợc hàm truyền với các thông số cụ thể Lập trình cho PLC S7-200 điều khiển ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ bằng chức năng PID trong PLC. So sánh kết quả mô phỏng bằng công cụ MATLAB với kết quả khảo sát từ thực nghiệm Kết cấu của luận văn Luận văn gồm các phần sau: Chƣơng 1: Tổng quan  Chƣơng này gồm những nội dung sau :  Đặt vấn đề .  Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.  Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.  Đối tƣợng nghiên cứu. GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 6 Chương 1 Tổng quan  Phƣơng pháp nghiên cứu. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết  Chƣơng này trình bày những nội dung sau :  Các phƣơng pháp nhận dạng  Bộ điều khiển PID.  Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp(V/f). Chƣơng 3: Nhận dạng thông số mô hình  Chƣơng này tìm hiểu các vấn đề :  Phƣơng pháp xây dựng mô hình.  Phƣơng pháp ƣớc lƣợng (estimation methods).  Mô hình đa đầu ra Chƣơng 4: Thu thập dữ liệu  Chƣơng này gồm những nội dung sau:  Các thiết bị phục vụ thí nghiệm.  Kết quả thực nghiệm hệ biến tần động cơ.  Khảo sát đáp ứng hàm số bằng Matlab.  Nhận xét đánh giá. Chƣơng 5: Kết quả kiểm chứng thực nghiệm  Chƣơng này tìm hiểu các vấn đề:  Chƣơng trình thu thập dữ liệu.  Chƣơng trình điều khiển hệ biến tần động cơ.  Kết quả kiểm chứng thực nghiệm.  Kết luận. Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển của đề tài GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 7 Chương 2 Cơ sở lý thuyết Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các phƣơng pháp nhận dạng Tổng quan về nhận dạng Tất cả các phƣơng pháp điều khiển đều dựa trên mô hình đối tƣợng, mô hình này có thể là mô hình lý thuyết hay mô hình thực nghiệm. Trong thực tế, các quá trình công nghiệp đƣợc biến đổi rất phức tạp, nó có nhiều tín hiệu nhiễu tác động không mong muốn. Do đó, việc xây dựng mô hình phản ánh quá trình một cách đầy đủ và chính xác là vô cùng khó khăn và phức tạp. Vì vậy ta có thể xây dựng mô hình tƣơng đƣơng đảm bảo các yếu tố sau: i. Độ tin cậy của thông tin có đƣợc từ mô hình ii. Công suất và chi phí tiến hành mô hình hóa iii. Yêu cầu, mục đích sử dụng, ứng dụng của mô hình iv. Khả năng nâng cấp linh hoạt Có hai phƣơng pháp xây dựng mô hình cho quá trình: 2.1.2.Mô hình hóa toán - lý (lý thuyết) Phƣơng pháp này ứng dụng các định luật, định lý cơ bản của các hiện tƣợng toán, lý và các thông số kỹ thuật của thiết bị. Phƣơng pháp này cho ra một hệ thống các phƣơng trình toán, lý đặc trƣng cho quá trình. * Đặc điểm của phương pháp Cho ngƣời nghiên cứu hiểu sâu về các mối quan hệ của các hiện tƣợng lý hóa, của quá trình.Tuy nhiên, phƣơng pháp này đòi hỏi ngƣời nghiên cứu phải có GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 6 Chương 2 Cơ sở lý thuyết nhiều kinh nghiệm và có kiến thức lĩnh vực lý hóa rất sâu rộng. Mặt khác, phƣơng pháp này lại bỏ qua sự ảnh hƣởng của các đặc tính của các thiết bị đo lƣờng và cơ cấu chấp hành. Do đó kết quả mô hình thu đƣợc chỉ phản ánh đặc tính động học của quá trình công nghệ. Điều này làm giảm tính chính xác và đầy đủ của mô hình. Do vậy mô hình lý thuyết thích hợp cho khảo sát đặc tính động học, xác định cấu trúc hoạch định sách lƣợc điều khiển cho quá trình. 2.1.3.Mô hình hóa thực nghiệm (thực tế) Dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào ra của quá trình thực tiễn và phân tích số liệu thu đƣợc để xác định mô hình. *Đặc điểm của phƣơng pháp Phƣơng pháp mô hình hóa thực nghiệm có ƣu điểm là ta có thể xác định đƣợc tƣơng đối chính xác các tham số của mô hình nếu nhƣ ta biết cấu trúc của mô hình. Tuy nhiên, việc xác định mô hình dựa vào các dữ liệu vào ra (thu đƣợc từ thực nghiệm) nên chất lƣợng mô hình thu đƣợc phụ thuộc vào độ chính xác của các thiết bị đo. Mặt khác, nhiễu tác dụng lên quá trình và thiết bị đo cũng gây ảnh hƣởng đáng kể lên dữ liệu thu thập đƣợc. Việc thu thập dữ liệu vào ra không dễ dàng vì nhiều lý do nhƣ các ràng buộc về điều kiện công nghệ khi thực hiện thu thập dữ liệu, tƣơng tác giữa các biến quá trình, chi phí vận hành trong quá trình thu thập dữ liệu. Đây là phƣơng pháp mà tác giả sử dụng trong đề tài nghiên cứu này Bộ điều khiển PID Khái niệm Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. PID là từ viết tắt của Proportional-Integral-Derivative (tỉ lệ-tích phân-vi phân). Đó là 3 khâu hoạt động trên tín hiệu sai số để tạo ra một tín hiệu điều GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 7 Chương 2 Cơ sở lý thuyết khiển bao gồm khâu khuếch đại P, khâu tích phân I, khâu vi phân D. Bộ điều khiển PID hoàn hảo thực hiện 3 tính chất khác nhau. Với Mô hình bộ điều khiển PID đƣợc cho ở hình sau Hình 2.1: Khâu điều khiển vòng kín Trong đó R(s): tín hiệu tham chiếu đầu vào, đặt trƣớc trạng thái làm việc của hệ thống. E(s): tín hiệu sai lệch xuất hiện sau khi so sánh giữa tín hiệu ra và tín hiệu tham chiếu. C(s): khối PID điều khiển hệ thống, U(s): tín hiệu điều khiển hệ thống, G(s): mô hình hệ thống Y(s): tín hiệu ra của hệ thống Tính chất của khâu điều khiển PID: - Phục tùng, thực hiện chính xác nhiệm vụ đƣợc giao (tỉ lệ-khuếch đại) - Làm việc có tích lũy thông tin để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân) - Luôn phản ứng nhanh đối với sự thay đổi tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân) GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 8 Chương 2 Cơ sở lý thuyết Điều khiển PID là một kiểu điều khiển có hồi tiếp, ngõ ra thay đổi tƣơng ứng với sự thay đổi của giá trị đo. Ngƣời ta có thể chỉ áp dụng điều khiển P, PI, hay PID. Công thức toán của bộ điều khiển PID trên miền Laplace: 1 C(s)  K p  Ki  Kd s  K p (1 Td s) Ti s s (2.1). Trong đó: Kp: độ lợi tỉ lệ. Ki: độ lợi tích phân. Kd: độ lợi vi phân. Ti=Kp/Ki: thời gian khâu vi phân. Td=Kp xKd: thời gian khâu tích phân. Việc sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo đƣợc của hệ thống pv (process variable) với giá trị đặt trƣớc sp (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra có cấu trúc bộ PID nhƣ sau: Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 9 Chương 2 Cơ sở lý thuyết P (Proportional ) tỉ lệ với sai lệch e (error - e), I (integral) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch. D (derivative) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch. Để hiểu cụ thể về PID, trƣớc tiên phải hiểu về nhiệm vụ của từng khâu trong nó. Khâu P (Proportional) Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này đƣợc thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ. Khâu P đƣợc tính dựa trên công thức: Pout  K p e(t) (2. 2) Với: Pout: giá trị ngõ ra KP: hằng số tỉ lệ e(t):sai lệch: e = sp – pv Sơ đồ khối của khâu P: Hàm truyền: G p (s)  K p GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm (2. 3) HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 10 Chương 2 Cơ sở lý thuyết Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trƣờng hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn. Trong hình (2.3) sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt. Hình 2.3: Đáp ứng của khâu P Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định. Vì thế để hạn chế đƣợc khuyết điểm này ngƣời ta trang bị thêm khâu tích phân nhƣ sau. Khâu I (Integral) Khâu I là khâu tích phân, có nhiệm vụ cộng thêm tổng các sai số trƣớc đó vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai số đƣợc thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt đƣợc bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0. Khâu I đƣợc tính theo công thức: t I out  K e( i (2. 4) )d 0 Với: Iout: giá trị ngõ ra khâu I Ki: hệ số tích phân e: sai số, e = sp – pv GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 11 Chương 2 Cơ sở lý thuyết Sơ đồ khối khâu I: Hàm truyền: G(s)  U (s)  Ki E(s) s  1 (2. 5) Ti s Khâu I thƣờng đi kèm với khâu P và hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thƣờng bị dao động. Hình (2.4) chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI: Hình 2.4: Đáp ứng của khâu I và PI Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập. Khi có hai khâu P và I trong thực tế các chuyên gia nhận thấy rằng đáp ứng của nó là khá chậm trong các trƣờng hợp có sự biến động nhanh của hệ thống. Từ đó, họ thêm vào khâu vi phân thì đáp ứng của hệ thống đƣợc cải thiện nhanh chóng. GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Phẩm Duyệt Chi Trang 12