Tiểu luận: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc...Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tiểu luận: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID  Tiểu luậnĐề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PIDĐề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Mở đầu Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vaitrò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệkhác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc...Vì vậy việc sử dụng nguồnnăng lượng này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết. Lò điện trở được ứng dụngrộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. Ở lò điện trở,yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò.Chúng em chọn làm đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùngPID” trên cơ sở những lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lý thuyết điềukhiển, kèm theo đó là kiến thức của các môn học cơ sở ngành và các môn học có liênquan như Kỹ thuật cảm biến, Cơ sở kỹ thuật đo … Vì lý do lượng kiến thức còn hạn hẹpvà đây là lần đầu tiên được tự làm nghiên cứu đề tài nên trong quá trình làm chúng emcòn gặp nhiều khó khăn, khúc mắc chưa rõ và chưa giải quyết được. Đề tài được chialàm 3 chương như sau:Chương 1: Tổng quan về bộ điều khiển PID 1. Thành phần tỉ lệ (P) 2. Thành phần tích phân (I) 3. Thành phần vi phân (D) 4. Các bộ điều khiển tích hợp 5. Các Phương pháp xác định tham số Km, Ti, Td cho hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PIDChương 2: Mô tả toán học của lò điện trở 1. Giới thiệu chung về lò điện trở 2. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học 3. Mô tả toán học của lòChương 3: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng PID -1-Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Chương 1: Tổng quan về bộ điều khiển PIDMột hệ thống điều khiển PID nói chung đều có mô hình tổng quan dưới dạng: Quá trình điều khiển theo mô hình trên là một quá trình khép kín. Giá trị setpoint-SP là giá trị đặt trước mà hệ thống phải làm việc xung quanh giá trị đó tùy thuộc vàoyêu cầu chất lượng của hệ thống. Việc đảm bảo tính ổn định cũng như chất lượng củahệ thống thực chất là đưa hệ thống luôn bám sát SP với độ sai lệch nhỏ nhất và thời gianquá độ nhanh nhất. Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: Tỉ lệ (P), Vi phân (D), Tích phân (I).Mỗi thành phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống. Cụ thể:1. Thành phần Tỉ lệ (P):Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t)Phương trình sai phân mô tả động học: u(t) = Km.e(t) trong đó: u(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển e(t): tín hiệu vào Km : hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển -2-Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID + Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace: W(p) = U(p)/E(p) = Km + Hàm truyền đạt trong miền tần số: W(jω) = Km + Hàm quá độ là hàm mô tả tác động tín hiệu vào 1(t): h(t) = Km.1(t) + Hàm quá độ xung: (δ(t) là xung Dirac) + Biểu diễn đồ thị đặc tính: . W(jω) = A(ω).ejφ(ω) trong đó: . Đồ thị đăc tính: Hình I.1.1 -3-Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Từ các đặc tính trên ta thấy quy luật tỉ lệ phản ứng như nhau đối với tín hiệuở mọi dải tần số, góc lệch pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra bằng 0, tín hiệu ra sẽtác động ngay khi có tín hiệu vào. + Sai lệch hệ thống: Hình I.1.2 Sai lệch của hệ thống được tính: Theo hình I.1.2, ta có: E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) – Km .Wdt(p).E(p) Từ các phân tích trên ta thấy thành phần tỉ lệ (P) có tác dụng làm giảm sai lệchtĩnh, thời gian tác động nhanh.2. Thành phần tích phân (I):Tín hiệu điều khiển ut) tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch e(t)Phương trình vi phân mô tả động học: trong đó: U(t): tín hiệu điều khiển e(t) : tín hiệu vào của bộ điều khiển Ti : hằng số thời gian tích phân -4-Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID + Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace: + Hàm truyền trong miền tần số: trong đó: + Hàm quá độ: + Hàm quá độ xung: + Đồ thị đặc tính: Hình I.2.2 -5-Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy luật điều khiển tích phân tác động kém với cáctín hiệu có tần số cao. Trong tất cả các giải tần số, tín hiệu ra phản ứng chậm pha so với tín hiệu vào mộtgóc 900, điêu này ...