BÁO CÁO THÍ NGHIỆMĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN Bộ mơn Điều khiển Tự động BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GV Hướng dẫn: Hà Quang Thịnh Họ tên sinh viên: Nguyễn Quốc Anh SHSV: 20181325 Mã lớp TN: 707446 Nhóm: 28 Thơng số cho thí nghiệm: Course: 63 Class: 46 Number: 25 Stoptime: 25 2500 Hà Nội, 2020 Bài Xây dựng hệ thống điều khiển bình mức Mục đích thí nghiệm Bài thí nghiệm xây dựng duới dạng tập tổng hợp thí nghiệm đơn thuần, nhằm giúp học viên biết cách vận dụng cách tổng hợp kiến thức học vào tốn cụ thể hồn chỉnh Do đó, học viên cần phải dành luợng thời gian thích hợp để chuẩn bị truớc cho thí nghiệm Bài thí nghiệm giúp học viên biết cách xây dựng mô hình cho đối tuợng điều khiển đơn giản thiết kế điều khiển cho đối tuợng Học viên thử nghiệm sách lược điều chỉnh khác xét ảnh huởng nhiễu đến hệ thống, từ rút kinh nghiệm việc xây dựng hệ thống điều khiển Các kiến thức sở liên quan đến thí nghiệm bao gồm: • Xây dựng mơ hình cho đối tuợng phương pháp lý thuyết; • Xây dựng mơ hình cho đối tuợng phương pháp thực nghiệm; • Luu dồ P&ID; • Các sách luợc điều chỉnh: điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi, điều khiển tầng; • Thuật toán PID điều chỉnh PID thực Ðối tuợng yêu cầu thí nghiệm Ðối tuợng thí nghiệm hệ thống bình mức với van vào van (hình vẽ) Chiều cao bình, giá trị tối đa mức chất lỏng bình, 1000 Lưu lượng chất lỏng chảy qua van (van vào van ra) tính tích độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 dến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua van khơng thiết số Có thể đo không đo lưu lượng Yêu cầu đặt xây dựng điều khiển cho hệ thống để điều chỉnh mức chất lỏng bình ổn định giá trị đặt (do nguời sử dụng đặt) Bộ điều khiển tác động tới van vào (thay đổi độ mở van vào), van nguời sử dụng tùy ý điều khiển Nhiệm vụ thí nghiệm 1) Xác định tín hiệu vào, tín hiệu nhiễu hệ thống - Tín hiệu vào : Độ mở van vào (In Valve), lưu lượng vào (In Flow) - Tín hiệu : Mức nước bình (Level) - Nhiễu : Độ mở van (Out Valve), lưu lượng (Out Flow) 2) Trên sở nguyên lý làm việc bình mức, xây dựng mơ hình tốn học cho đối tuợng với tham số hình thức (Viết pt cân bằng, xác định số bậc tự do, biến đổi Laplace, xác định pt hàm truyền) - Phương trình cân vật chất hệ : : tiết diện cắt ngang bình chứa chiều cao bình chứa : Thể tích bình chứa - Phương trình mơ hình trạng thái xác lập : (2) - Trừ (1) cho (2) ta được: - Đặt , phương trình trở thành : - Ở trạng thái ban đầu (tại điểm làm việc) tất biến chênh lệch y, u, d đạo hàm = nên ta lấy Laplace phương trình ta được: - Do van khâu quán tình bậc nên hàm truyền hệ thống bình chứa có dạng: 3) Ðối tuợng bình mức đuợc mơ khối Single-Tank Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình trên, áp dụng phương pháp nhận dạng học - Phương pháp kẻ tiếp tuyến: Cho tín hiệu bước nhảy (step) tác động đầu vào Single-tank Matlab ta có đáp ứng độ có dạng qn tính bậc hình : Từ đồ thị Scope, tính giá trị K T: (lấy giao điểm tiếp tuyến với trục hoành) Kiểm tra lại mơ hình tiến hành hiệu chỉnh tham số K T Nhận xét: Sau hiệu chỉnh chọn tham số K = T = hai đường đồ thị gần giống 4) Xác định (các) sách luợc điều chỉnh sử dụng (các) sách luợc điều chỉnh khơng thể sử dụng cho tốn này, giải thích  Các sách lược sử dụng cho toán này: Điều khiển phản hồi điều khiển tầng Giải thích: Bộ điều khiển phản hồi có tác dụng: ổn định hệ thống, loại bỏ nhiễu bất định, bền vững với sai lệch mơ hình (sai lệch mơ hình ảnh hưởng tới hàm truyền đạt hệ kín) sách lược điều khiển tầng giữ vai trò: cải thiện khả loại bỏ nhiễu cục bộ, giảm độ điều chỉnh, cải thiện tính ổn định tồn hệ kín, nâng cao tính bền vững hệ  Các sách lược sử dụng toán này: điều khiển tỉ lệ, điều khiển truyền thẳng, điều khiển phân vùng, điều khiển lựa chọn 10 Giải thích: - Q trình bình định mức khâu tích phân khơng có tính tự cân bằng, điều khiển truyền thẳng khơng làm thay đổi tính ổn định hệ thống Nên tác động nhỏ nhiễu làm hệ thống tới trạng thái cân - Điều khiển tỉ lệ áp dụng cho hệ thống: trì quan hệ biến nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3, mà điều khiển bình mức có biến điều khiển nên không áp dụng - Điều khiển lựa chọn điều khiển phân vùng cần biến điều khiển mà bình định mức có biến điều khiển 5) Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng Nêu phương pháp xác định tham số cho đk PID, cần giải thích rõ chọn phương pháp ? - Hàm truyền đạt PID có dạng: - Ta chọn phương pháp Ziegler Nichol I vì: ta biết đặc tính q độ q trình từ đầu vào có dạng hàm bước nhảy (Step) Hơn đối tượng khâu qn tính tích phân van khâu qn tính độ mở valve tỉ lệ với lưu lượng nước chảy vào bình chưa, cịn mức nước (level) dâng lên bình khâu tích phân nên hệ kín phù hợp với phương pháp Ziegler Nichol I để tìm điều khiển cho hệ thống - Các tham số: K = 3; T = Bộ điều khiển K p P Ti T d - - PI - PID 6) Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng, xây dựng điều khiển mức cho đối tuợng Mô Simulink với khối Single-Tank Tank GUI (xem thêm phần Huớng dẫn xây dựng mơ hình Simulink với Toolbox thí nghiệm điều khiển trình) 11 Lưu đồ P&ID với sách lược điều khiển truyền thẳng (bù nhiễu): Mô Matlab Simulink với stoptime = 2500 - Bộ điều khiển P (Kp = 0.333) : Mối tương quan giá trị đặt SP = 200 level theo thời gian thể qua hình sau : 12 - Bộ điều khiển PI (Kp = 0.3, Ti = 20) : Mối tương quan giá trị đặt SP = 200 level theo thời gian thể qua hình sau : - Bộ điều khiển PID (Kp = 0.4, Ti = 12, Td = 3) : Mối tương quan giá trị đặt SP = 200 level theo thời gian thể qua hình sau : Nhận xét khả áp dụng sách lược điều khiển : Từ kết mơ trên, thấy tín hiệu đầu khơng bám sát với tín hiệu đặt, hệ thống không dần đến ổn định nên áp dụng sách lược điều khiển cho hệ thống Giải thích : Để áp dụng sách lược truyền thẳng yêu cầu đặt phải biết rõ thơng tin q trình ảnh hưởng nhiễu chất điều khiển truyền thẳng bù nhiễu Tuy nhiên, mơ hình đối tượng mơ hình nhiễu khơng xác, khơng phải nhiễu đo được, nên sai lệch tĩnh tồn 13 7) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn, xây dựng điều khiển mức cho đối tuợng Mô Simulink Thử sử dụng điều khiển khác P, PI PID cho đối tượng Lưu đồ P&ID với sách lược điều khiển phản hồi vịng đơn Mơ Matlab Simulink, thông số stoptime = 2500, Set point = 200 Trường hợp sử dụng điều khiển P (Kp=0.333): Tương quan giá trị Setpoint Level theo thời gian biểu diễn hình Nhận xét : Đáp ứng đầu bám sát với Setpoint, nhiên thời gian độ lớn (t =155s) Trường hợp sử dụng điều khiển PI(Kp=0.3, Ti=20): Tương quan giá trị Setpoint Level theo thời gian biểu diễn hình 14 Nhận xét: Đáp ứng đầu xuất nhiều dao động xung quanh Setpoint ban đầu, hệ kín khơng dần tới ổn định, có độ điều chỉnh lớn nhiều so với P chứa thêm khâu tích phân Trường hợp sử dụng điều khiển PID(Kp=0.4, Ti=12, Td=3 ): Tương quan giá trị Setpoint Level theo thời gian biểu diễn hình Nhận xét: Tương tự trường hợp PI, đáp ứng đầu xuất nhiều dao động xung quanh Setpoint ban đầu, hệ kín khơng dần tới ổn định, có độ q điều chỉnh lớn nhiều so với P chứa thêm khâu tích phân Có cần đo lưu lượng hay không? Tại sao? : Không cần đo lưu lượng nước điều khiển phản hồi đo mức bình chứa phản hồi van để điều khiển độ mở van, qua đồng thời gián tiếp điều khiển lưu lượng 15 Bài Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức thơng Mục đích thí nghiệm Tiếp theo thí nghiệm 1, thí nghiệm giúp học viên củng cố nâng cao kiến thức học áp dụng kiến thức vào toán phức tạp Yêu cầu để thực thí nghiệm học viên phải thực hoàn chỉnh thí nghiệm thứ Các kiến thức sở liên quan đến thí nghiệm bao gồm: • Xây dựng mơ hình cho đối tuợng MIMO (bằng phương pháp lý thuyết phương pháp thực nghiệm) • Phân tích RGA, cặp đơi vào-ra • Thiết kế sách luợc điều khiển tầng • Thiết kế sách lược điều khiển nhiều vòng (điều khiển phân tán) Ðối tuợng yêu cầu thí nghiệm Ðối tượng thí nghiệm hệ thống gồm hai bình mức thơng (hình vẽ) Chiều cao hai bình, giá trị tối đa mức chất lỏng bình, 1000 Lưu luợng chất lỏng chảy qua van đuợc tính tích độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 dến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua van không thiết số Tất giá trị lưu lượng qua đuờng ống đo Yêu cầu đặt xây dựng điều khiển cho hệ thống để diều chỉnh mức chất lỏng hai bình ổn định giá trị đặt (do nguời sử dụng đặt) Bộ điều khiển tác động tới van van (thay đổi độ mở van), van nguời sử dụng tùy ý điều khiển Nhiệm vụ thí nghiệm 1) Xây dựng mơ hình cho đối tuợng xác dịnh tín hiệu vào, tín hiệu nhiễu hệ thống (Phần sinh viên phải làm trước nhà) F3 - Tín hiệu vào: F1, F2 - Tín hiệu ra: h1, h2 - Nhiễu: F3 F1 F2 HỆ THỐNG HAI BÌNH MỨC h1 h2 2) Trên sở nguyên lý làm việc bình mức, xây dựng mơ hình tốn học cho đối tuợng với tham số hình thức (Do hệ thống bình mức thơng nhau, nên đáp ứng bình có thời gian trễ đáng kể so với bình nên mơ hình bình phải có thêm khâu trễ với thời gian trễ ) (Phần sinh viên phải làm trước nhà) Phương trình cân vật chất: = Phương trình cân vật chất cho bình mức 1: = Từ (1) (2) ta có: = = Do van khâu quán tính bậc nên hàm truyền G1(S), G2(S) có dạng: 3) Ðối tuợng bình mức đuợc mô khối Single-Tank Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình trên, áp dụng phương pháp nhận dạng học Phương pháp kẻ tiếp tuyến: Cho tín hiệu bước nhảy (step) tác động đầu vào Two-tank Matlab ta có đáp ứng q độ có dạng qn tính bậc hình : Kiểm tra lại mơ hình: Với số K1=0.57, T1=4.3 K2=0.09, T2=6.5, , ta thu cặp đồ thị gần giống nhau, nên chọn số hiệu chỉnh 4) Xác định (các) sách luợc điều chỉnh sử dụng (các) sách luợc điều chỉnh sử dụng cho tốn này, giải thích (Phần sinh viên phải làm trước nhà)   Các sách lược điều khiển sử dụng: sách lược điều khiển phản hồi sách lược điều khiển tầng sách lược điều khiển giúp triệt tiêu giảm tối thiểu sai lệch tĩnh, cho chất lượng điều khiển tốt, hệ ổn định, thời gian đáp ứng nhanh Các sách lược điều khiển sử dụng cho tốn này: sách lược điều khiển truyền thẳng vì: q trình bình định mức khâu tích phân khơng có tính tự cân bằng, điều khiển truyền thẳng khơng làm thay đổi tính ổn định hệ thống Nên tác động nhỏ nhiễu làm hệ thống tới trạng thái cân 5) Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng Bình Nêu phương pháp xác định tham số đk PID, giải thích lại chọn phương pháp ? (Phần sinh viên phải làm trước nhà)   Ta chọn phương pháp Ziegler Nichol I vì: ta biết đặc tính q độ q trình từ đầu vào có dạng hàm bước nhảy (Step) Hơn đối tượng khâu quán tính tích phân valve khâu qn tính độ mở valve tỉ lệ với lưu lượng nước chảy vào bình chưa, cịn mức nước (level) dâng lên bình khâu tích phân nên hệ kín phù hợp với phương pháp Ziegler Nichol I để tìm điều khiển cho hệ thống Thông số K1=0.57, T1=4.3 Giá trị tham số đk Bộ điều khiển K p P Ti Td - - PI - PID Bình Nêu phương pháp xác định tham số đk PID, giải thích (Phần sinh viên phải làm trước nhà)  Tương tự ta sử dụng phương pháp Ziegler Nichol I để thiết kế điều khiển PID:  Thông số K2=0.09, T2=6.5 Giá trị tham số đk Bộ điều khiển K p P PI Ti Td - - PID 15 6) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vịng đơn cho bình, xây dựng điều khiển mức cho đối tuợng Mô Simulink Sử dụng loại điều khiển khác (P, PI-RW) cho toán  Lưu đồ P&ID Nhận xét: Trường hợp sử dụng điều khiển P: Kp1=1.754, Kp2=11.111 Kết mô với stoptime = 2500 16 Nhận xét : Ở bình 1, đáp ứng đầu bám sát giá trị đặt, thời gian độ lớn Ở bình 2, đáp ứng đầu có bám theo giá trị đặt sai lệch tĩnh lớn, thời gian độ lớn -> Bộ điều khiển chưa đáp ứng nhu cầu 17 Trường hợp sử dụng điều khiển PI-RW Thông số : Kp1=1.579, , hệ số gain K nằm phần Ti -> K1=5 Kp2=10, , hệ số gain K nằm phần Ti -> K2=5 Kết mô phỏng: Nhận xét: Ở bình 1, đáp ứng đầu tốt, bám sát giá trị đặt, thời gian độ rút ngắn so với trường hợp Ở bình 2, chất lượng đáp ứng đầu tốt hơn, bám sát giá trị đặt, thời gian độ ngắn nhiều so với trường hợp 7) Sử dụng sách luợc điều khiển tầng (cascade control), xây dựng điều khiển cho đối tuợng theo buớc sau: a Xác dịnh vòng điều khiển cần xây dựng Nhiệm vụ đặc điểm vòng Cần phải đo (những) đại luợng nào?  Xác định vòng điều khiển cần xây dựng: − Vòng thứ nhất: Vòng điều khiển độ mở valve valve − Vòng thứ hai: Vòng điều khiển độ mở valve valve  Đặc điểm, nhiệm vụ vòng: − Vòng 1: điều khiển độ mở valve 1, có đặc tính động học q trình nhanh vịng − Vịng 2: điều chỉnh độ mở valve 2, có đặc tính động học q trình chậm vịng b Xây dựng vòng điều khiển xác định cho trường hợp có đo lưu lượng • Mô Simulink hiệu chỉnh tham số điều khiển (nếu cần) • Sử dụng khối scope để quan sát lưu lượng vào Thay đổi giá trị đặt và/hoặc độ mở van q trình mơ Trường hợp sử dụng điều khiển P (vịng ngồi)/P (vịng trong) Tham số đk (có thể hiệu chỉnh cần thiết): Giả sử Kp =1.754, Kp = 11.111 Kết mô (độ mở van 0.3, giá trị đặt thay đổi q trình mơ phỏng) Nhận xét : Bộ điều khiển không đáp ứng nhu cầu đầu hai bình mức khơng bám theo giá trị đặt, khơng kiểm sốt-> Cần hiệu chỉnh Kp ngồi hai bình mức Lấy giá trị , ta có - Bộ P vịng ngồi 1: - Bộ P vịng ngồi : Kết mô (độ mở van 0.3, giá trị đặt thay đổi q trình mơ phỏng) Nhận xét: +) Ở bình 1, đáp ứng đầu bám sát giá trị đặt, tốc độ đáp ứng nhanh, nhiên cịn tồn sai lệch tĩnh có xuất dao động +) Ở bình 2, đáp ứng đầu bám sát giá trị đặt sai lệch tĩnh lớn, tốc độ đáp ứng chậm với bình Trường hợp sử dụng điều khiển P (vịng ngồi)/PI-RW (vịng trong) Tham số đk (có thể hiệu chỉnh cần thiết): , chọn hệ số Gain K = Kết mô (độ mở van 0.3, giá trị đặt thay đổi q trình mơ phỏng) Nhận xét: +) Ở bình 1, đầu bám sát giá trị đặt, sai lệch tĩnh giảm khơng triệt tiêu hồn tồn, tốc độ đáp ứng nhanh +) Ở bình 2, đầu bám sát giá trị đặt tồn sai lệch tĩnh, tốc độ đáp ứng nhanh  Sử dụng bão hịa tích phân giúp cải thiện điều khiển giảm sai lệch tĩnh, tăng tốc độ đáp ứng ... Mối tương quan giá trị đặt SP = 200 level theo thời gian thể qua hình sau : 12 - Bộ điều khiển PI (Kp = 0.3, Ti = 20) : Mối tương quan giá trị đặt SP = 200 level theo thời gian thể qua hình sau... 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua van không thi? ??t số Tất giá trị lưu lượng qua đuờng ống đo Yêu cầu đặt xây dựng điều khiển cho hệ thống... trị từ 0.0 dến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua van không thi? ??t số Có thể đo khơng đo lưu lượng Yêu cầu đặt xây dựng điều khiển cho