Tải bản đầy đủ

Ứng dụng PID mờ điều khiển nhiệt độ cho lò nướng bánh Chocovina

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ TẤN DUY

ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO
LÒ NƢỚNG BÁNH CHOCOVINA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình đƣợc hoàn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI


Phản biện 1: TS. NGUYỄN BÊ

Phản biện 2: TS. NGÔ ĐÌNH THANH

Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại Trƣờng Đại
học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 12 năm 2018.

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trƣờng Đại học Bách
khoa
-Thƣ viện Khoa điện, Trƣờng Đại học Bách


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Hiện nay tại nhà máy Bánh Kẹo Biscafun có 02 dây chuyền
sản xuất bánh Chocovina. Công suất mỗi dây chuyền là 650Kg/giờ.
Để cấu thành một chiếc bánh gồm 3 phần : bánh nền, kem
mashmallow và lớp phủ chocolate lên bánh.
Trong công nghệ sản xuất bánh Chocovina, lò nƣớng là một
trong những khâu cực kỳ quang trọng vì ảnh hƣởng trực tiếp đến chất
lƣợng bánh nền và bánh thành phẩm, do vậy việc điều khiển nhiệt độ
trong mỗi vùng của lò nƣớng luôn yêu cầu phải chính xác, sai lệch so
với điểm cài đặt phải đáp ứng yêu cầu công nghệ để tạo ra cấu trúc
bánh nền ổn định, mềm xốp, màu sắc và đƣờng kính bánh đồng
đều,….
Những nghiên cứu đã có cho thấy, điều khiển phi tuyến cho
các đối tƣợng thực thƣờng có độ chính xác cao hơn so với điều khiển
tuyến tính. Các bộ điều khiển phi tuyến nhƣ mờ, trƣợt, PID phi tuyến
đã đƣợc ứng dụng nhiều nơi và phát huy hiệu quả rất tốt.
Điều khiển nhiệt độ là thông dụng đối với thiết bị công nghiệp
nhƣng để điều khiển chính xác những đối tƣợng có quán tính lớn là
một mục tiêu khó khăn trong điều khiển hiện nay. Đối tƣợng điều
khiển mà đề tài muốn nghiên cứu là điều khiển nhiệt độ để nƣớng
bánh trong bốn vùng của lò. Đ y là quá trình đối lƣu dòng không khí
thông qua bộ gia nhiệt điện trở đến nhiệt độ cài đặt theo yêu cầu của
công nghệ sản xuất. Hiện tại nhiệt độ của lò nƣớng Chocovina tại
Nhà máy Bánh kẹo Biscafun dao động so với điểm cài đặt từ -0.5
đến +1.40C (theo Bảng 1) chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu công nghệ sản
xuất dòng sản phẩm này theo công nghệ chuẩn của Hàn Quốc chuyển
giao với dao động nhiệt độ so với điểm cài đặt là ≤ 0.50C.
Tác giả đã thu thập dữ liệu nhiệt độ tại lò nƣớng bánh
Chocovina, nhà máy Bánh kẹo Biscafun. Kết quả cho thấy nhiệt độ
dao động nhƣ Bảng 1.


2
Bảng 1: Sai lệch nhiệt độ thực tế các lò nướng.
TT
Lò nƣớng
Nhiệt độ dao động
Dao động trung
0
( C)
bình
1
Lò nƣớng 1
-0.5 –1.4 (1.90C)
±0.95
2
Lò nƣớng 2
-0.6 – 1.1 (1.70C)
±0.85
3
Lò nƣớng 3
-0.7 – 0.9 (1.60C)
±0.8
0
4
Lò nƣớng 4
-0.8 – 1 (1.8 C)
±0.6
Từ những vấn đề trên, tác giả đề xuất “Ứng dụng PID mờ
điều khiển nhiệt độ cho lò nướng bánh Chocovina” nhằm khắc
phục việc dao động nhiệt độ ngoài phạm vi cho phép nhƣ hiện nay.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
uá trình điều khiển nhiệt độ lò nƣớng là quá trình I
bao
gồm hai ng vào là nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp bởi bộ gia nhiệt điện
trở và góc mở van lƣu lƣợng khí tuần hoàn trong mỗi vùng. Ngõ ra là
nhiệt độ trong mỗi vùng của lò nƣớng.
Đ y là hệ thống có quán tính lớn, mô hình toán phức tạp và có
sự tƣơng tác chéo giữa các ngõ vào và ra, vì thế việc áp dụng các
phƣơng pháp điều khiển kinh điển nhƣ PID để điều khiển đối tƣợng
trở nên không chính xác.
Trong khuôn khổ đề tài này tác giả đề xuất sử dụng bộ điều
khiển PID-Mờ mà ở đó các thông số p, i, d có thể tự chỉnh định
theo từng giai đoạn và có khả năng đáp ứng tốt khi có sự thay đổi
của điểm làm việc, tính phi tuyến của hệ thống, c ng nhƣ sự thay đổi
ở ngõ ra nhằm mục tiêu đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định
đồng thời dao động nhiệt độ trong lò nằm trong phạm vi cho phép là
0.50C (so với điểm cài đặt) theo yêu cầu công nghệ chuẩn Hàn Quốc
khuyến cáo.
3. Đối tƣợng nghiên cứu.
Đối tƣợng nghiên cứu là điều khiển nhiệt độ lò nƣớng bánh
Chocovina thuộc Nhà máy Bánh kẹo BiscaFun – Công ty Cổ phần
Đƣờng uảng Ngãi. Lò có nhiệm vụ gia nhiệt làm nóng không khí
đối lƣu trong mỗi vùng lò đến nhiệt độ cài đặt khoảng 1200C (lò 1),


1850C (lò 2) và 1700C (lò 3) và 1650C (lò 4).
4. Phạm vi nghiên cứu.


3
- Thiết kế bộ điều khiển hai ng vào là nhiệt lƣợng đƣợc cung
cấp bởi bộ gia nhiệt điện trở và góc mở van điều khiển lƣu lƣợng khí
tuần hoàn trong mỗi vùng lò. Ng ra là nhiệt độ trong mỗi vùng của
lò nƣớng sử dụng các thiết bị công nghiệp nhƣ cảm biến nhiệt độ
Pt100, van gạt và thiết bị thyristor điều khiển điện trở gia nhiệt.
- hảo sát sự dao động của nhiệt độ thực tế so với nhiệt độ cài
đặt trong mỗi vùng của lò nƣớng.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Dựa vào lý thuyết và thực tế, thiết lập mô hình toán học cho
đối tƣợng, nghiên cứu l thuyết điều khiển PID, lý thuyết điều khiển
mờ, lập trình mô phỏng bằng Matlab/ Simulink để khẳng định kết
quả nghiên cứu. Sau đó nếu có điều kiện thời gian và Nhà máy cho
phép sẽ thực hiện kiểm chứng trên mô hình thực nghiệm.
6. Nội dung đề tài.
MỞ ĐẦU
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG LÒ
NƢỚNG.
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ.
Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID-MỜ CHO HỆ
THỐNG LÒ NƢỚNG.
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HỆ THỐNG LÒ
NƢỚNG BẰNG MATLAB SIMULINK.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.


4
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG LÒ
NƢỚNG.
1.1. Giới thiệu lò nƣớng.
1.1.1. Tổng quan về lò nướng.
Công suất 650 g/h, đƣợc thiết kế với dạng trao đổi nhiệt gián
tiếp, nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp thông qua quạt đối lƣu dòng không
khí qua bộ điện trở gia nhiệt. Dòng không khí đối lƣu đƣợc chia
thành 2 phần dùng để nƣớng mặt trên và dƣới của bánh. Tỉ lệ phân
chia tùy thuộc vào công nghệ, Với dòng bánh Chocovina, tỉ lệ 6/4
tƣơng ứng với mặt trên và mặt dƣới.

Hình 1.1b: Kích thước lò nướng.
Chiều dài lò nƣớng là 36 mét chia thành 4 vùng lò. Lò nƣớng
có nhiệm vụ gia nhiệt dòng không khí đối lƣu trong lò đến nhiệt độ
theo yêu cầu công nghệ khoảng : 1200C (lò 1), 1850C (lò 2) và 1700C
(lò 3) và 1650C (lò 4) cung cấp nhiệt lƣợng để nƣớng bánh.
1.2. Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống lò nƣớng.
Trong quá trình tìm hiểu thực tế tại hệ thống lò nƣớng, Tác giả
nhận thấy có nhiều vòng điều khiển và sự ảnh hƣởng chéo của các
thông số. Trong khuôn khổ nội dung luận văn này, tác giả đề xuất mô
hình rút gọn với 2 thông số đầu vào là điện áp điều khiển, lƣu lƣợng
không khí đối lƣu tuần hoàn trong lò và đầu ra là nhiệt độ trong mỗi
vùng lò nƣớng. hi đã điều khiển tốt đƣợc mô hình 2 thông số này,
sau đó có thể kế thừa và phát triển tiếp theo cho mô hình đầy đủ của
lò nƣớng.

Hình 1.11 : Mô hình hóa tín hiệu điều khiển đối tượng lò nướng.
1.2.1. Vấn đề điều khiển đặt ra cho đề tài.


5
Vấn đề điều khiển đặt ra cho đề tài là sử dụng bộ điều khiển
PID-Mờ điều khiển ng vào là nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp bởi bộ gia
nhiệt điện trở và lƣu lƣợng khí tuần hoàn trong mỗi vùng. Ng ra là
nhiệt độ trong mỗi vùng của lò nƣớng nhằm mục tiêu giảm dao động
nhiệt độ từ ±10C xuống còn ≤ 0.50C đáp ứng yêu cầu công nghệ
chuẩn bánh Chocovina mà nhà chuyển giao công nghệ Hàn Quốc
khuyến cáo.
1.2.2. Phương trình toán học mô tả đối tượng lò nướng.
Dựa vào tài liệu [6], [7], [8]. Tác giả có sơ đồ khối diễn giải
hoạt động trao đổi nhiệt của đối tƣợng lò nƣớng nhƣ Hình 1.12.

Hình 1.12: Mô tả sơ đồ khối đối tượng lò nướng.
Và mô hình toán học là phƣơng trình sai ph n liên tục nhƣ phƣơng
trình (1.2).
ρ Vcp

d
T(t) = ρcpq(ʋ (t- τʋ ))(T0-T(t))+U(T1-T(t))+Gu2(t- τu) - Q
dt

(1.2)
Với
Q = Qt+ Q
Trong đó:
- Q: Nhiệt lƣợng cần cung cấp (KJ).
- Q1, 2, 3, 4: Nhiệt lƣợng yêu cầu của tải trong mỗi vùng lò.
- Q: đại lƣợng nhiễu bao gồm: thất thoát nhiệt ra môi trƣờng,
tràn nhiệt giữa các vùng; là hàm không mô tả đƣợc nên sẽ biểu
diễn dƣới dạng ngẫu nhiên có hạn chế.
- ʋ : khoảng mở van.


6

-

 : Khối lƣợng riêng không khí (g/l).
V: Thể tích của lò nƣớng (l).
Cp : Nhiệt dung riêng (J/g C).
q: Lƣu lƣợng không khí (l/s).
k : hệ số quạt (l/s).
1
G: Điện dẫn ( ).
U: Độ truyền nhiệt của bộ gia nhiệt (J/0C s).
Q: Nhiệt lƣợng ( J).
T: Nhiệt độ không khí trong lò 0C.
T0: Nhiệt độ đầu (trƣớc khi gia nhiệt) 0C.
T1: Nhiệt độ cuối (sau khi gia nhiệt) 0C.
τʋ : Thời gian trễ đóng mở van (s).
τu: Thời gian trễ điện áp điều khiển (s).
Ta đặt:
= ρ.V.cp
= ρ.cp.q.v
A=

B=

C=

Suy ra mô hình toán học của 1 vùng lò nƣớng nhƣ phƣơng trình(1.3).
+C
– BQ)).dt
(1.3)
∫ u
1.2.3. Những nghiên cứu trong nước.
1.2.4. Những nghiên cứu ngoài nước.
1.3. Kết luận chương 1.
Trong chƣơng 1, tác giả đã trình bày tổng quan về đối tƣợng lò
nƣớng. Các thành phần chính của lò, định nghĩa về quá trình và điều
khiển quá trình, đƣa ra mô hình toán học của lò nƣớng.
ua những nghiên cứu tại ục 1.2.3; 1.2.4 cho thấy nếu áp
dụng kết quả này vào lò nƣớng tại nhà máy Biscafun là chƣa đạt
đƣợc nhƣ công nghệ yêu cầu vì tính thực tế chƣa cao, sai số xác lập
không đạt nhƣ mong muốn. Vì vậy tác giả chọn hƣớng nghiên cứu
điều khiển PID- ờ kết hợp để giải quyết quá trình quá độ và xác lập
bám theo giá trị đặt, khắc phục các nhƣợc điểm đƣợc biểu diễn theo
đồ thị ở Hình 1a, 1b, 1c, 1d. Từ những nghiên cứu này, kết hợp với
mô hình toán học của lò nƣớng (1.3). Đ y là phần chính và rất quan


7
trọng để ứng dụng bộ điều khiển PID- ờ trong quá trình điều khiển
nhiệt độ đối tƣợng lò nƣớng mà tác giả đã nêu ra, đáp ứng bài toán
điều khiển cần nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài luận văn này. ua
đó bộ điều khiển PID- ờ sẽ đƣợc trình bày một cách chi tiết trong
các chƣơng tiếp theo.


8
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ.
Trong chƣơng này tác giả trình bày về lý thuyết điều khiển
PID và điều khiển mờ trong lý thuyết điều khiển tự động.
2.1. Lý thuyết điều khiển PID [1].
2.1.1. Bộ điều khiển PID.
2.1.2. Mô tả hiệu chỉnh PID.
2.1.3 . Một số phương pháp hiệu chỉnh trên thực tế.
2.1.4. Chọn thông số PID bằng phương pháp Ziegler– Nichols.
2.2. Lý thuyết điều khiển mờ [2].
2.2.1. Giới thiệu về điều khiển mờ
2.2.2. Cơ sở toán học của Logic mờ.
2.2.3. Logic mờ.
2.2.4. Bộ điều khiển mờ.
2.3. Kết luận chƣơng 2.
Trong nội dung của Chƣơng 2, tác giả đã trình bày một cách
tổng quát về l thuyết điều khiển PID, l thuyết điều khiển mờ. Sự ra
đời và phát triển của bộ điều khiển PID và mờ. Những tính chất ƣu
việt với những khả năng mới trong quá trình lựa chọn và kết hợp của
bộ điều khiển PID và mờ so với các bộ điều khiển kinh điển khác.
Với bộ điều khiển PID- ờ cho phép tác giả tận dụng kinh
nghiệm của mình để x y dựng luật điều khiển cho đối tƣợng lò
nƣớng một cách đúng đắng và tối ƣu nhất có thể. Bên cạnh đó làm
cho công việc thiết kế đƣợc giảm đi đáng kể và quá trình điều khiển
c ng đƣợc dễ dàng hơn.
Áp dụng l thuyết điều khiển PID, l thuyết điều khiển mờ và
kinh ngiệm của bản th n làm cơ sở để tác giả thiết kế bộ điều khiển
PID- ờ trong Chƣơng 3.


9
Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID-MỜ CHO HỆ
THỐNG LÒ NƢỚNG.
3.1. Giới thiệu lại mô hình toán học lò nƣớng.

Hình 3.1: Mô tả sơ đồ khối đối tượng lò nướng.
Mô hình toán học của đối tƣợng đã đƣợc đƣa ra từ chƣơng 1 theo phƣơng
trình (1-3):
+C
– BQ)).dt
(1.3)
∫ u
Thu thập các số liệu từ lò nƣớng tại nhà máy bánh kẹo Biscafun –
Công ty cổ phần đƣờng uảng Ngãi tác giả có các số liệu sau:
- Chiều cao lò nƣớng:
Hlò = 0,88 (m)
- Chiều rộng lò nƣớng:
Rlò = 1,5(m)
- Chiều dài 1 lò nƣớng:
Llò = 9 (m)
- Thể tích của lò nƣớng:
V = Rlò.Hlò.Llò.1000(l)
Vlò 1= Vlò 2= Vlò 3= Vlò 4= 1,5 x 0,88 x 9x1000 = 11.880 (l)



Khối lƣợng riêng không khí:
= 1,2 (g/l)
Nhiệt dung riêng không khí:
cp = 1,025 (J/g 0C).
ʋ : khoảng mở van điều chỉnh lƣu lƣợng không khí đối lƣu
trong lò.
- Lƣu lƣợng không khí:
q = 6.800 (m3/h) [9].
1
- Điện dẫn:
G = 1/Rd ( ).
- Mật độ truyền nhiệt:
U = 9.000 (J/0C s).
- Nhiệt lƣợng yêu cầu lò 1, 2, 3, 4: Q1= 50.000 ( KJ), Q2=
60.000 ( KJ), Q3= 60.000 ( KJ), Q4= 50.000 ( KJ), [10].

-


10
Nhiệt độ trong vùng lò:
T
0
T0: Nhiệt độ đầu C.
T1: Nhiệt độ cuối 0C.
Thời gian trễ đóng mở van:
τʋ = 0,55 (s).
Thời gian trễ điện áp điều khiển:τu = 0,02 (s).
Điện áp:
U = 380 (V).
Q: Nhiệt lƣợng cần cung cấp (KJ), Q = Qn+ Q, trong đó:
+ Qn: Nhiệt lƣợng yêu cầu của tải trong từng lò.
 : đại lƣợng nhiễu là hàm không mô tả đƣợc nên sẽ biểu diễn
dƣới dạng ngẫu nhiên có hạn chế. Đại lƣợng nhiễu bao gồm: thất
thoát nhiệt ra môi trƣờng, tràn nhiệt giữa các vùng theo thực tế
đƣợc diễn giải nhƣ Hình (3.2).

-

Hình 3.2: Diễn giải đại lượng nhiễu nhiệt của hệ thống lò nướng.
3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID cho lò nướng.
Trong khuôn khổ bài luận văn này, với các phƣơng pháp trên
tác giả chọn phƣơng pháp dò tìm để chọn thông số cho bộ điều khiển
PID. Với ƣu điểm là không cần tín toán phức tạp, nhƣng cần phải có
kinh nghiệm chọn các tham số cho phù hợp để tối ƣu trong điều
khiển. Do trong luận văn chính tác giả chuyên sâu vào ứng dụng bộ
điều khiển PID-Mờ nên phần PID sẽ trình trình bày các phƣơng pháp
cơ bản và tóm tắt. Các thống số PID đƣợc xác định nhƣ Hình 3.3,
3.4. Trong đó bộ thyristor theo Mục 4.1.2.

Hình 3.3. Mô hình điều khiển lò nướng bằng PID.

Bằng thuật toán dò Ziegler – Nichols xác định ra tham số nhƣ
Hình 3.4. Với các thông số Kp = 6.5, Ki = 0.003, Kd = 112 cho bộ


11
điều khiển nhiệt độ. Hệ thống điều khiển lò nƣớng sử dụng bộ điều
khiển PID trên đƣợc chạy mô phỏng và cho ra kết quả sẽ đƣợc trình
bày ở Mục 4.2.
3.3. Thiết kế bộ điều khiển PID-Mờ cho lò nƣớng.
3.3.1. Bộ điều khiển PID-Mờ.
Phƣơng pháp điều khiển PID-Mờ đƣợc tác giả chọn và mô tả tổng
quát nhƣ Hình 3.5.

Hình 3.5. Sơ đồ điều khiển PID-Mờ.

Với giả thiết là các tham số p, Kd, Ki bị giới hạn, ta có:
Kp Kp min Kp max], Ki Ki min Ki max], Kd Kd min Kd max].
Từ các thông sô PID phù hợp có đƣợc ở Mục 3.2. Bộ điều
khiển PID với [Kp, Ki, Kd] = [6.5, 0.003, 112]. Bằng phƣơng pháp dò
thủ công, xác định đƣợc vùng thông số Kp, Ki, Kd ổn định của các bộ
điều khiển.
Do bốn lò nƣớng có cùng thông số, nên tác giả chọn lò 1 để
thực hiện việc xác định vùng thông số Kp, Ki, Kd sau đó suy ra cho
các vùng lò còn lại.
3.1.1.1. Xác định khoảng [Kpmin Kpmax].
- Cài đặt nhiệt độ cho lò nƣớng là 1200C.
hi p = 160 thì độ quá điều chỉnh nhỏ 1370C. Độ sai lệch tĩnh
lớn, dao động trong khoảng 119.9 – 120.60C, thời gian xác lập tại
12 phút theo Hình 3.6a, 3.6b.
hi p = 65 thì độ quá điều chỉnh vừa 153.50C. Độ sai lệch tĩnh
vừa, dao động trong khoảng 119.7 – 120.70C thời gian xác lập tại
9 phút theo Hình 3.7a, 3.7b.
hi p = 6.5 thì độ quá điều chỉnh cao 1850C. Độ sai lệch tĩnh
nhỏ, dao động trong khoảng 119.6 – 120.50C thời gian xác lập tại
16 phút theo Hình 3.8a, 3.8b.


12
Tƣơng tự xác định cho Ki, Kd.
3.1.1.2. Xác định khoảng [Kimin Kimax].
3.1.1.3. Xác định khoảng [Kdmin Kdmax].
Từ các ục 3.3.1.1, 3.3.1.2, 3.3.1.3 ta có tham số giới hạn cho bộ
điều khiển PID nhƣ (3.1), (3.2), (3.3):
(3.1)
 Kp min, Kp max ] = [6.5, 160].
(3.2)
 Ki min, Ki max ] = [0.001, 0.009].
]
=
[32,
112].
(3.3)
 Kd min Kd max
Thế các hệ số tƣơng ứng từ (3.1), (3.2), (3.3) vào bộ điều khiển PIDMờ trong Matlab/ Simulink ta có mô hình điều khiển PID-Mờ nhƣ
Hình 3.15.

Hình 3.15. Mô hình điều khiển PID-Mờ của lò nướng.

Trong đó các thống số của bộ điều khiển PID-Mờ đƣợc thiết theo
(3.1), (3.2), (3.3)

Hình 3.16a. Mô hình bộ điều hiển

-Mờ.

Hình 3.16b. Giới hạn thông số Kp của bộ điều khiển PID-Mờ.


13

Hình 3.16c. Giới hạn thông số Ki của bộ điều khiển PID-Mờ.

Hình 3.16d. Giới hạn thông số Kd của bộ điều khiển PID-Mờ.

3.3.2. Cơ sở lý thuyết chỉnh định PID-Mờ.
Xem xét đáp ứng điều khiển chuẩn tắc một quá trình công
nghệ theo thời gian nhƣ Hình 3.18 sau:

Hình 3.18. Đáp ứng chuẩn tắc một quá trình theo thời gian.

- Lân cận a1 (e(t) âm lớn, de(t)=dƣơng ) ta cần xuất một giá trị điều
khiển lớn để rút ngắn thời gian lên, vậy cần chọn độ lợi Kp lớn, Kd
nhỏ và Ki lớn.
- Lân cận b1 (e(t)=0, de(t) âm lớn) ta cần xuất giá trị điều khiển nhỏ
để tránh quá điều chỉnh lớn, vậy nên chọn: Kp nhỏ, Kd lớn, Ki nhỏ.
- Lân cận c1 (e(t) dƣơng lớn, de(t)=dƣơng ) ta cần xuất một giá trị
điều khiển lớn để rút ngắn thời gian lên, vậy cần chọn độ lợi Kp lớn,
Kd lớn và Ki lớn


14
- Với lân cậnd1 (e(t)=0, de(t) dƣơng lớn) ta cần xuất giá trị điều khiển
nhỏ để tránh quá điều chỉnh lớn, vậy nên chọn: Kp nhỏ, Kd lớn, Ki
lớn.
Tƣơng tự quy luật nhƣ trên, 49 luật đƣợc xây dựng cho từng
thông số độ lợi Kp, Kd, Ki.
3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển PID-Mờ .
3.3.3.1. Định n h các iến n ôn n .
- Sai lệch nhiệt độ ET:
Đƣợc định nghĩa là độ chênh lệch giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ
hiện tại đo đƣợc, k hiệu là ET, trong đó: ET = nhiệt độ đặt – nhiệt
độ đo [0C].

Hình 3.19. Đồ thị sai lệch ET củ lò nướng.

Theo kết quả tại Bảng 1. Nhiệt độ lò nƣớng dao động vƣợt so
với điểm cài đặt 1.40C theo Bảng 1. Do vậy tác giả chọn giới hạn dao
động là 20C, nhiệt độ môi trƣờng 320C.
Theo diễn giải về sai lệch nhiệt độ ET nhƣ Hình 3.19, định
nghĩa ET. iền xác định của biến ET đƣợc chuẩn hóa trong khoảng:
lò 1 ϵ [-20C, 880C], lò 2 ϵ [-20C, 1530C], lò ϵ [-20C, 1380C], lò 4
ϵ [-20C, 1330C . Trong miền xác định này, sai số đƣợc định nghĩa
bởi 7 tập mờ


15
Hình 3.19a. Tập mờ của biến ET lò nướng 1.

Hình 3.19b. Tập mờ của biến ET lò nướng 2.

Hình 3.19c. Tập mờ của biến ET lò nướng 3.

Hình 3.19d. Tập mờ của biến ET lò nướng 4.

iền xác định của biến ET đƣợc phân chia thành các khoảng:
ET={ âm vừa, m ít, bằng không, dƣơng ít, dƣơng vừa, dƣơng nhiều,
dƣơng rất nhiều hay k hiệu ET={NM,NS,ZE,PS,PM,PB,PBB
đƣợc biểu diễn ở Hình 3.19.a, 3.19b, 3.19c, 3.19d.
- Độ biến thiên của sai số nhiệt độ DET:
Là độ biến đổi của sai số nhiệt độ hiện tại so với sai số trƣớc
đó sau một chu kỳ lấy mẫu, k hiệu là DET.
DET = (ET hiện tại –ET trƣớc)/thời gian lấy mẫu [oC/s].
iền xác định của biến DET đƣợc chuẩn hóa và đƣợc chọn
trong khoảng [-1oC/s, +1oC/s , trong miền xác định đó ta định nghĩa
7 tập mờ.
iền xác định của biến DET đƣợc phân chia thành các


16
khoảng: DET = { m nhiều, m vừa, m ít, bằng không, dƣơng ít,
dƣơng vừa, dƣơng nhiều
hay k
hiệu DET = {
NM,NS,ZE,PS,PM,PB,PBB biểu diễn ở Hình 3.20.

Hình 3.20. Tập mờ của biến DET hệ thốn lò nướng.

Khâu tỷ lệ Kp.
Biến ngôn ngữ kp theo (3.1) có miền xác định là [6.5 160 ,
trong miền xác định đó, ta định nghĩa 5 tập mờ, Kp= {bằng không,
nhỏ, vừa, lớn, cực lớn hay k hiệu p= { , S, , L, U đƣợc biểu
diễn ở Hình 3.21.
-

Hình 3.21. Các tập mờ của biến Kp.

- Khâu tích phân Ki.
Biến ngôn ngữ ki theo (3.2) có miền xác định là [0.001 0.009 , trong
miền xác định đó, ta định nghĩa 5 tập mờ, Ki = {bằng không, nhỏ,
vừa, lớn, cực lớn hay k hiệu i= { , S, , L, U đƣợc biểu diễn ở
Hình 3.22.

Hình 3.22. Các tập mờ của biến Ki.

- Độ lợi khâu vi phân Kd.
Biến ngôn ngữ kd theo (3.3) có miền xác định là [33 112 , trong
miền xác định đó, ta định nghĩa 5 tập mờ, Kd = {bằng không, nhỏ,


17
vừa, lớn, cực lớn hay k hiệu
Hình 3.23.

d=

{ , S,

, L, U đƣợc biểu diễn ở

Hình 3.23. Các tập mờ của biến Kd.

3.3.3.2. Thiết kế hệ luật mờ.
Hệ thống gồm 7 biến ngôn ngữ đầu vào đối với ET và 7 biến
ngôn ngữ cho biến DET nên mỗi hệ luật cho Kp, Kd, Ki là gồm
7x7=49 luật If...then...trong đó DET = { m nhiều, m vừa, m ít,
bằng không, dƣơng ít, dƣơng vừa, dƣơng nhiều và đƣợc k hiệu
DET = { NM,NS,ZE,PS,PM,PB,PBB }; ET = {bằng không, nhỏ,
vừa, lớn, cực lớn và đƣợc k hiệu ET= { , S, , L, U .
- Hệ luật cho p điều khiển nhiệt độ lò nƣớng đƣợc thiết kế nhƣ
Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Bản hệ luật cho Kp nhiệt độ.
DET
Kp
NM NS ZE PS PM PB PBB

ET

Hệ luật cho
Bảng3.3.

NM

U

U

U

U

U

L

L

NS

L

L

L

L

L

M

M

ZE

M

M

M

M

M

L

L

PS

L

L

Z

Z

Z

Z

M

PM

M

M

M

M

M

L

L

PB

L

L

L

L

L

U

U

PBB U
U
U
U
U
L
L
i điều khiển nhiệt độ lò nƣớng đƣợc thiết kế nhƣ


18
Bảng 3.3. Bản hệ luật cho Ki nhiệt độ.
DET
Ki
NM NS ZE PS PM PB PBB
NM Z
Z
Z
Z
Z
S
S
NS Z
S
M M M M
L
ZE Z
S
M M M U
U
PS S
S
S
U
U
U
U
ET
PM S
M M U
U
U
U
PB S
M M M U
U
U
PBB M
L
L
L
U
U
U
- Hệ luật cho d điều khiển nhiệt độ lò nƣớng đƣợc thiết kế
nhƣ Bảng 3.4.

Bảng 3.4. Bản hệ luật cho K nhiệt độ.
DET
NM NS ZE PS PM PB PBB
NM Z
Z
Z
Z
Z
S
S
NS S
S
S
S M M
L
ZE Z
S
S
S M M
L
PS L
L
U
U U
U
U
ET PM L
L
L
U U
U
U
PB L
L
U
U U
U
U
PBB L
L
U
U U
U
U
3.3.3.3. Chọn luật hợp thành và phươn pháp giải mờ.
Chọn luật hợp thành theo quy tắc Sum - Min.
Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm (centroid).
Xây dựng bộ điều khiển mờ bằng công cụ Fuzzy Logic trong atlab/
Simulink. Kết quả đƣợc mô tả theo các Hình 3.24; 3.25a, 3.25b,
3.25c, 3.25d, 3.25e; 3.26a, 3.26b, 3.26c, 3.26d.
Kd


19
3.4. Kết luận chƣơng 3.
Qua quá trình xây dựng mô hình đối tƣợng và thiết kế bộ điều
khiển PID-Mờ để điều khiển nhiệt độ cho lò nƣớng. Với nhiệt độ
đƣợc khảo sát từ thực nghiệm, lấy cơ sở để khảo sát và kiểm nghiệm
trên mô hình mô phỏng simulink.
Tác giả đã thử nghiệm với các giá trị đặt khác nhau trong bộ
điều khiển mờ để phát hiện những điểm không phù hợp khi thiết kế.
Nếu có thì phải quay về điều chỉnh lại bộ mờ bằng cách điều chỉnh
lại độ che phủ nhƣng đảm bảo đƣợc bao quát và nằm trong giới hạn
của vùng giá trị đƣợc chọn. Nếu quá trình làm việc của bộ điều
khiển mờ không ổn định nữa thì ta phải kiểm tra lại các luật nếu…
thì….
Sau khi thử nghiệm tất cả các giá trị, thu đƣợc tín hiệu ổn định
và không xuất hiện điểm không phù hợp thì ta tiến hành tối ƣu hệ
thống theo chất lƣợng động và tĩnh. Để chỉnh định bộ điều khiển mờ
theo các chỉ tiêu trên ta phải chỉnh lại hàm liên thuộc, thiết lập
nguyên tắt điều khiển phụ và thay đổi một số nguyên tắc cho phù
hợp với luật điều khiển. Cuối cùng ta đƣợc bộ điều khiển mờ tối ƣu
để thực hiện mô phỏng ở Chƣơng 4.


20
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HỆ THỐNG
LÒ NƢỚNG BẰNG MATLAB SIMULINK.
4.1. Xây dựng mô hình hệ thống lò trong matlab simulink.
4.1.1. Mô hình lò nướng.
Từ Phƣơng trình (1-3), Bảng 3.1, Hình 3.2. Tác giả xây dựng
mô hình hóa trên phần mềm matlab Simulink, mô hình đối tƣợng
từng lò nƣớng nhƣ Hình 4.1a, 4.1b, 4.1c, 4.1d.

Hình 4.1 : Mô hình simulin đối tượn lò nướng 1.

Hình 4.1 : Mô hình simulin đối tượn lò nướng 2.

Hình 4.1c: Mô hình simulin đối tượn lò nướng 3.


21

Hình 4.1 : Mô hình simulin đối tượn lò nướng 4.
4.1.2. Mô hình Thyristor [5].
4.1.3. Mô phỏng simulink hệ thống lò nướng.
Từ kết quả thiết kế trong chƣơng 3 và các Mục 4.1.1, 4.1.2, tác
giả xây dựng mô hình điều khiển PID-Mờ cho đối tƣợng lò nƣớng
bằng atlab Simulink nhƣ Hình 4.3.

Hình 4.3. Mô hình simulink điều khiển PID mờ lò nướng.
4.2. Kết quả mô phỏng bằng matlab simulink.
- Thực hiện kiểm nghiệm đáp ứng nhiệt, sai số xác lập nhiệt độ.
- Cài đặt hệ số góc mở van cấp khí tuần hoàn v = 100 %.
- Cài đặt nhiệt độ lò 1: 120ºC, lò 2: 185ºC, lò 3: 170ºC, lò 4: 165ºC.
- Kết quả điều khiển nhiệt độ lò nƣớng theo các Hình 4.6a, 4.6b,
4.6c, 4.6d, 4.6e và 4.7a, 4.7b, 4.7c, 4.7d, 4.7e.

Hình 4.6c.

o động nhiệt độ lò nướn 2 hi điều khiển bằng PID.


22

Hình 4.7c.

o động nhiệt độ lò nướn 2 hi điều khiển bằng PID-Mờ.

Nhận xét: So sánh kết quả đáp ứng hình 4.6a, 4.6b, 4.6c, 4.6d, 4.6e
và 4.7a, 4.7b, 4.7c, 4.7d, 4.7e cho thấy:
- Sai số xác lập khi điều khiển PID có dao động nhiệt độ là: 1.130C.
- Sai số xác lập khi điều khiển PID-Mờ có dao động nhiệt độ là:
0.270C nhỏ hơn 0.50C nhƣ yêu cầu đƣa ra.
4.3. Nhận xét chung.
4.3.1. Bộ điều khiển PID.
- Chất lƣợng điều khiển nhiệt độ thƣờng giảm, g y sai số khi thông
số hệ thống qua quá trình hoạt động bị trôi.
Nhƣợc điểm của bộ điều khiển PID:
- Tham số hệ thống thay đổi vì các giá trị p, i, d phụ thuộc vào
tham số mô hình hệ thống. Do đó ta chỉnh định ban đầu một bộ giá
trị tham số p, i, d thì nó chỉ thích hợp với mô hình ban đầu đó.
Nếu trong quá trình hoạt động, tham số hệ thống thay đổi thì bộ giá
trị tham số p, i, kd đó sẽ không tƣơng thích và chỉ tiêu chất lƣợng
điều khiển sẽ giảm xuống.
- hi bị nhiễu mạnh, giá trị điều khiển có thể vƣợt ra khỏi vùng giới
hạn, do đó có thể hệ thống có thể không về lại trạng thái xác lập hoặc
g y ra dao động lớn.
4.3.2. Bộ điều khiển PID-Mờ.
- uá trình điều khiển nhiệt độ đƣợc bám nhanh tới giá trị đặt.
- hi thay đổi thông số hệ thống (góc mở valve cấp khí tuần hoàn,
thay đổi giá trị cài đặt nhiệt độ), chất lƣợng điều khiển ít bị ảnh
hƣởng, ổn định và bám sát giá trị cài đặt.
- Độ quá điều chỉnh nhiệt độ rất nhỏ khi thay đổi góc mở van.


23
- Sai số xác lập nhiệt độ nhỏ, đáp ứng yêu cầu đề ra và ≤ 0.50C.
- Thời gian tiến tới xác lập nhanh hơn điều khiển PID là 10 phút.
- Tốc độ xử l trong quá trình mô phỏng chậm, do vậy để mô phỏng
cần có cấu hình phần cứng hiện đại và tốc độ đủ mạnh để thực hiện.
4.4. Kết luận.
- Hiểu và thiết kế đƣợc bộ điều khiển PID- ờ trong công nghiệp và
có thể dùng kiến thức để áp dụng, cải tiến các quá trình điều khiển
trong Nhà máy Bánh kẹo Biscafun nhằm đem lại an toàn, ổn định,
n ng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh của nhà máy.
- Sử dụng atlab Simulink phục vụ cho việc thiết kế, mô phỏng, tinh
chỉnh các mô hình điều khiển, các bộ điều khiển trong công nghiệp
mà không ảnh hƣởng đến quá trình vận hành của nhà máy nhằm tối
ƣu sản xuất.
- N ng cao hơn nữa kiến thức tinh chỉnh bộ điều khiển PID, phục vụ
tốt hơn công tác tối ƣu hơn 200 bộ điều khiển PID tại đơn vị.
Từ các kết quả chạy mô phỏng và nhận xét trên, bộ điều khiển
PID-Mờ hoạt động có chất lƣợng điều khiển tốt hơn, ổn định hơn bộ
điều khiển PID về các tiêu chí độ quá điều chỉnh, sai số xác lập, thời
gian xác lập, thích nghi với quá trình thay đổi thông số của hệ thống.
Tác giả tổng kết kết quả điều khiển nhiệt độ lò nƣớng theo bảng 4.2.

Bảng 4.2. Bảng so sánh kết quả mô phỏng
nhiệt độ lò nướng gi a bộ điều hiển
v PID-Mờ.
Điều
khiển
PID

PIDMờ

Đối
Sai số xác lập
Sai số nhiệt độ
Kết quả
tƣợng
(0C)
dao động (0C)
Lò 1
(-0.3 – 0.83)
1.13
hông đạt
Lò 2
(-0.05 – 0.85)
0.9
hông đạt
Lò 3
(-0.15 – 0.78)
0.93
hông đạt
Lò 4
(-0.12 – 0.78)
0.9
hông đạt
Lò 1
(-0.06 – 0.14)
0.2
Đạt
Lò 2
(-0.03 – 0.24)
0.27
Đạt
Lò 3
(-0.05 – 0.15)
0.2
Đạt
Lò 4
(-0.03 – 0.25)
0.28
Đạt
ết quả mô phỏng đạt mục tiêu điều khiển đề ra của đề tài,


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×