BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Sinh viên: Lê Hải Đăng MSSV: 20090710 Nhóm thí nghiệm : 14 Bài 1: Xây dựng hệ thống điều khiển bình mức Tín hiệu vào độ mở (hoặc lưu lượng) van vào In Flow, tín hiệu mức chất lỏng bình lever cịn nhiễu độ mở van Out Flow Xây dựng mô hình tốn học cho hệ thống F1 F2 Hệ thống h Phương trình cân vật chất: dV dh =A = F1 − F dt dt (1) Trong đó: A tiết diện cắt ngang bình chứa (coi từ xuống) Phương trình mơ hình trạng thái xác lập: 0= A dh = F1 − F dt (2) Trừ vế (1) – (2) ta được: A d ∆V h = ∆F1 − V ∆F dt Đặt: y = ∆h; u = ∆F 2; d = ∆F1 Phương trình trở thành: dy = (d − u ) dt A dy Tại trạng thái ban đầu tất biến chênh lệch y, u, d dt Laplace vế ta sy ( s) = − 1 u ( s) + d ( s) A A Do van khâu quán tính bậc nên hàm truyền hệ thống có dạng: Mơ đối tượng bình mức khối Single-Tank matlab • Phương pháp đường cong đáp ứng Với thông số • Course Number = 54 ( khoá 54 ) • Class Number = 14 ( nhóm 14 ) • Namelist Number = 10 ( SHSV 20090710) Cho tín hiệu tác động bậc thang đầu vào ta có đáp ứng hàm q độ có dạng qn tính bậc Từ lý thuyết đồ thị ta xác định tham số mơ sau: T=2.6 K=9/(7-2.6) = 2.1 Để kiểm chứng mơ hình ta dùng mơ hình sau: Nhận thấy đồ thị mơ đồ thị nhận dạng có sai khác định Để đạt sai số tối thiểu, ta điều chỉnh tham số K T Với K = 2.4 T = 3.9, ta có đồ thị • Các sách lược điều khiển Sách lược sử dụng: điều khiển phản hồi điều khiển tầng Sách lược không sử dụng được: điều khiển truyền thẳng, điều khiển tỉ lệ, điều khiển lựa chọn điều khiển phân vùng 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 • 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 khơng áp dụng • Điều khiển lựa chọn điều khiển phân vùng cần biến điều khiển mà bình định mức có biến điều khiển Hàm truyền đạt đầy đủ PID: K ( s ) = k c (1 + + τ d s) τis Thiết kế sách lược điều khiển cho hệ thống Tính tốn thơng số điều khiển theo công thức Ziegler Nichol với thông số sau: K=2.4; T=3.9 Bộ điều khiển P PI PID Kc 1/K=0.42 0.9/K=0.375 1.2/K=0.5 Ti Td 10T/3 = 13 2T=5.8 0.5T=1.95 Dạng hàm truyền đạt PID : K(s) = Kc(1 + +Td*s) Ta có sách lược điều khiển sách lược điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi điều khiển tầng Sách lược điều khiển truyền thẳng Lưu đồ P&ID: Sơ đồ simulink So sánh giá trị SP Level (bằng scope), chọn stoptime = 710 = SHSV Bộ điều khiển P (P = 0.42) Bộ điều khiển PI (P = 0.375, I = 0.03) Bộ điều khiển PID (P = 0.5, I = 0.09, D = 0.975) Kết ta thấy tín hiệu đầu khơng bám theo tín hiệu chủ đạo, q trình khơng đến ổn định Khơng thể áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng Vì sách lược truyền thẳng địi hỏi phải biết rõ thơng tin q trình ảnh hưởng nhiễu Tuy nhiên, mơ hình đối tượng mơ hình nhiễu khơng xác, khơng phải nhiễu đo được, nên sai lệch tĩnh tồn Thực tế, điều khiển lý tưởng tính khả thi Sách lược điều khiển phản hồi : Lưu đồ P&ID: Sơ đồ simulink: So sánh giá trị SP Level (bằng scope), Bộ điều khiển PI (P = 0.42), chọn stoptime = 710 = SHSV Nhận xét: Bộ điều khiển đạt giá trị đặt thời gian độ lớn Bộ điều khiển PI (P = 0.375, I = 0.03), stoptime = 2*SHSV = 1420 Nhận xét: Bộ điều khiển đạt giá trị đặt có độ điều chỉnh lớn nhiều so với điều khiển P, có khâu tích phân Bộ điều khiển PID (P = 0.5, I = 0.09, D = 0.975), stoptime = 3*SHSV =2130 Nhận xét: Bộ điều khiển PID có tính chất tương tự PI, nhiên thời gian độ lớn Với sách lược điều khiển phản hồi vịng đơn cần P đáp ứng đủ yêu cầu bám giá trị đặt Khi thực mô với điều khiển PI PID xảy tượng mức nước vượt quá, đạt ổn định Đây tượng bão hịa tích phân (Reset Winup), thường xảy điều khiển có chứa khâu I (Integral), có đặc điểm: - Độ điều chỉnh lớn - Thời gian độ dài - Tồn sai lệch tĩnh lớn Để khắc phục ta xây dựng sơ đồ có thêm khâu chống bão hịa tích phân Sử dụng khâu chống bão hịa tích phân: + PI-RW: Sơ đồ:Khâu PI nối tiếp với khâu chống bão hòa tích phân: Trong đó: Thơng số khâu PI-RW xác định theo Zinger Nichol sau: Gain: K=Kc=0.375 Gain1: K=1/Ti=0.077 Gain2: chọn khoảng từ -> Ti, K = Sơ đồ simulink: Kết mô phỏng: với stoptime = SHSV = 710 10 Do van khâu quán tính bậc nên hàm truyền G 1(S), G2(S) có dạng: Mơ đối tượng khối TwoTank simulink Với thơng số • Course Number = 54 ( khố 54 ) • Class Number = 14 ( nhóm 14 ) • Namelist Number = 10 ( SHSV 20090710) • Cho tín hiệu tác động dạng bậc thang đầu vào, ta có đồ thị đáp ứng hệ thống hình vẽ 23 Bình : Đối tượng có mơ hình khâu qn tính bậc G(s) = K1/(S*(Ts+1)) Trong :T1 = 2.5 ; K1 = 22/(10-2.5) = 2.9 Bình : Đối tượng có mơ hình khâu qn tính bậc G(s) = K2*/(S*(Ts+1)) Trong :T2 = 4.2 ; K2 = 3.3/(10-4.2) = 0.57 Kiểm chứng mơ hình ta dùng mơ hình sau: 24 Kết mô sau: 25 Hiệu chỉnh lại thông số T2 = 5, K2 = 0.56 Thiết kế sách lược điều khiển cho hệ thống Tính tốn thơng số điều khiển theo cơng thức ziegler Nichol với thông số K1=2.9,T1=2.5 T2=5, K2=0.56 , có bảng sau BĐK P PI PID Kc Ti Td Bình Bình Bình Bình Bình Bình 0.345 0.31 0.41 1.79 1.6 2.14 8.25 16.5 10 1.25 2.5 Các sách lược sử dụng sách lược điều khiển phản hồi sách lược điều khiển tầng Không thể sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng Ta lựa chọn sách lược điều khiển tầng để triệt tiêu tối đa sai lệch tĩnh cho chất lượng điều khiển hệ thống tốt sách lược điều khiển phản hồi Sách lược điều khiển phản hồi kết hợp bù nhiễu 26 a Lưu đồ P&ID b.Sơ đồ Simulink: +) Bộ điều khiển P 27 +) Bộ điều khiển PI-RW Sơ đồ: Khâu PI nối tiếp với khâu chống bão hòa tích phân: Sơ đồ simulink: 28 Trong : - Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo ziegler Nichol là: Gain: K=Kc=0.31 Gain1:K=1/Ti=0.12 Gain2: lấy K = - Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo ziegler Nichol là: Gain: K=Kc= 1.6 Gain1:K=1/Ti=0.061 Gain2: lấy K = 10 Kết mô phỏng: 29 +) Bộ điều khiển PID-RW: Sơ đồ: Khâu PID nối tiếp với khâu chống bão hịa tích phân Trong : 30 - Bộ điều khiển PID-RW có thơng số xác định theo ziegler Nichol là: Gain: K=Kc=0.41 Gain1:K=1/Ti=0.2 Gain2: lấy K = Gain3:K=Td= 1.25 - Bộ điều khiển PID-RW có thơng số xác định theo ziegler Nichol là: Gain: K=Kc= 2.14 Gain1:K=1/Ti=0.1 Gain2: lấy K = Gain3:K=Td=2.5 Kết mô phỏng: 31 Khi sử dụng chống bão hịa tích phân giảm đáng kể tượng dao động, độ điều chỉnh nhỏ, nhiên tồn sai lệch tĩnh Sách lược điều khiển tầng Lưu đồ P&ID • • • • Xác định vòng điều khiển cần xây dựng: Vòng thứ nhất: điều khiển độ mở van InValve Vòng thứ hai: điều khiển độ mở van InValve Đặc điểm, nhiệm vụ vòng: Vòng thứ nhất: điều khiển độ mở van 1, có đặc tính động học biến đổi nhanh vòng thứ hai Vòng thứ hai: điều khiển độ mở van 2, có đặc tính động học biến đổi chậm vịng thứ 32 • Mơ với điều khiển: +) Vịng ngồi điều khiển P (lấy Kp = 1000) vòng điều khiển P (Kp = 10000) để tăng đáp ứng hệ thống Sơ đồ: Bộ P/P Kết mô phỏng: 33 Nhận xét: Ở điều khiển P đạt chất lượng điều khiển nhanh tín hiệu level ln bám sát tín hiệu đặt SP Bộ P/PI-RW +)Vịng ngồi điều khiển P (Kp =1000) để tăng đáp ứng hệ thống, vòng điều khiển PI-RW để triệt tiêu sai lệch tĩnh Trong thơng số điều khiển PI-RW lấy phần Sơ đồ simulink: Kết mô phỏng: 34 Nhận xét: Dù có chống bão hịa tích phân giá trị cần điều khiển chưa đạt giá trị đặt SP Bộ P/PID-RW 35 +)Vịng ngồi điều khiển P (Kp =1000), vòng điều khiển PID-RW Trong thơng số điều khiển PID-RW lấy phần - Sơ đồ simulink: Kết mô phỏng: 36 37