Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Đo Và Điều Khiển Nhiệt Độ Theo Thuật Toán Pid Với Các Cảm Biến Công Nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN

PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Hà Nội – 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN

PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số: 8520114.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng

Hà Nội – 2019

1

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP

Trần Thị Thu Trang

Khóa QH-2016-I, ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử

Tóm tắt luận văn thạc sĩ

Ngày nay, bộ điều khiển PID đóng vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi

trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt trong điều khiển phản hồi.Mô–đun

kiểm soát nhiệt độ chất lỏng RYC-TAG của hãng EDIBON được thiết kế cùng bộ điều

khiển PID cho phép người dùng đo đạc nhiệt độ chất lỏng, điều khiển hoạt động mô–

đun thông qua phần mềm RYC. Để tính toán các thông số ����, ����

, ���� của bộ điều khiển

PID đưa vào hệ thống để tiến hành điều khiển, luận văn sử dụng phần mềm Matlab.

Luận văn tập trung nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ chất

lỏng. Việc đo đạc nhiệt độ và tính toán các thông số dựa trên một số tài liệu được cung

cấp từ nhàsản xuất và quá trình thực nghiệm, từ đó kiểm chứng độ chính xác của thiết

bị đo cũng như tác dụng của bộ điều khiển PID trong quá trình điều khiển nhiệt độ.

Từ khóa: RYC-TAG, MATLAB, RYC Software, PID.

2

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt

độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp” được hoàn thành dưới sự hướng

dẫn của thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề

tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Thu Trang

3

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS.TS Phạm

Mạnh Thắng người đã hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt

quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ, giúp em hoàn thành luận văn.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô khoa Cơ học kỹ thuật & Tự động hóa,

trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, cung cấp

cho em những kiến thức quý giá và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập

tại trường.

Mặc dù đã hết sức cố gắng song luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Kính

mong thầy cô cùng toàn thể bạn bè đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn thiện hơn.

Em xin kính chúc thầy cô sức khỏe, thành công trong công việc đào tạo những

thế hệ tri thức tương lai.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Thu Trang

4

MỤC LỤC

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO

THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP ......................................1

LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................2

LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................3

MỤC LỤC.......................................................................................................................4

DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT .....................................................6

DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................................7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ....................................................................8

MỞ ĐẦU .......................................................................................................................10

1. CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT PID ............................................................................12

1.1. Khái quát bộ điều khiển PID............................................................................12

1.1.1. Điều khiển tỷ lệ .........................................................................................12

1.1.1.1. Hoạt động tỷ lệ ...................................................................................12

1.1.1.2. Đáp ứng của hệ thống theo điều khiển tỷ lệ .......................................15

1.1.1.3. Các ứng dụng của điều khiển theo tỷ lệ .............................................19

1.1.2. Điều khiển tích phân .................................................................................22

1.1.2.1. Điều khiển thả nổi ..............................................................................22

1.1.2.2. Hoạt động tích phân ...........................................................................22

1.1.2.3. Đáp ứng của hệ thống điều khiển tích phân .......................................23

1.1.2.4. Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân..............................................24

1.1.2.5. Đáp ứng của hệ thống điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân ..........26

1.1.3. Điều khiển vi phân ....................................................................................29

1.1.3.1. Hoạt động vi phân ..............................................................................29

1.1.3.2. Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân ................................................30

1.2. Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID...................................33

1.2.1. Phương pháp Ziegler – Nichols ................................................................33

1.2.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick..................................................35

1.2.3. Phương pháp lấy giá trị bằng phần mềm...................................................37

1.3. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển ........................................................37

1.3.1. Sai số xác lập.............................................................................................37

5

1.3.2. Đáp ứng quá độ .........................................................................................38

2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT MÔ HÌNH VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG HỆ

THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ NƯỚC..................................................................................40

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bị điều khiển nhiệt độ RYC-TAG........40

2.1.1. Cấu tạo.......................................................................................................40

2.1.2. Nguyên lý hoạt động .................................................................................42

2.2. Mô–đun RYC...................................................................................................44

2.3. Phần mềm RYC ...............................................................................................48

3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ

HÌNH ĐO ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƯỚC..............................................................50

3.1. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................50

3.2. Mô–đun RYC...................................................................................................50

3.2.1. Đáp ứng của hệ thống bậc nhất trong miền thời gian ...............................50

3.2.2. Cấu trúc bộ điều khiển PID.......................................................................53

3.2.3. Điều khiển PID của hệ thống bậc nhất......................................................58

3.3. Mô–đun RYC-TAG .........................................................................................60

3.3.1. Mô hình toán học của hệ thống trao đổi nhiệt...........................................60

3.3.2. Xác định đặc tính mô–đun điều khiển nhiệt độ dòng chất lỏng................63

3.3.3. Mô phỏng trong Matlab ............................................................................65

3.3.3.1. Giới thiệu phần mềm Matlab..............................................................65

3.3.3.2. Sơ đồ mô phỏng..................................................................................67

3.3.3.3. Mô phỏng với các giá trị ����, ����, ���� ...................................................68

3.3.4. Điều khiển nhiệt độ dòng chảy mô–đun RYC-TAG bằng PID ................70

4. KẾT LUẬN.............................................................................................................73

5. TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................74