Báo cáo thí nghiệm môn điều khiển quá trình bài 1 xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN Báo cáo thí nghiệm mơn: Điều khiển q trình Giảng viên hướng dẫn : Đặng Văn Mỹ Họ tên sinh viên: Nguyễn Anh Thư MSSV: 20181775 Mã lớp thí nghiệm: 707427 Mã lớp lí thuyết: 124687 Stop time: 7500 Bài Xây dựng hệ thống điều khiển bình mức Mục đích thí nghiệm: Đối tượng thí nghiệm: CHƯƠNG Xác định tham số mơ hình: 1) Xác định tín hiệu vào, tín hiệu hệ thống - Tín hiệu vào độ mở van van vào InputFlow F1 - Tín hiệu mức chất lỏng bình mức h - Nhiễu độ mở van OutputFlow F2 2) Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng tham số hình thức: 𝑑𝑉 - Phương trình cân vật chất: 𝑑𝑡 =𝐴 𝑑ℎ 𝑑𝑡 = 𝐹1 − 𝐹2 (1) (A tiết diện cắt ngang bình chứa) - Phương trình mơ hình trạng thái xấc lập: = 𝐴 - Lấy (1) – (2) ta được: 𝐴 - Phương trình trở thành: 𝑠 𝑌 (𝑠 ) = −1 𝐴 Δℎ Δ𝑡 𝑑𝑦 𝑑𝑥 𝑑ℎ 𝑑𝑡 = 𝐹1 − 𝐹2 (2) = ∆𝐹1 − ∆𝐹2 Đặt y = ∆ℎ, 𝑢 = ∆𝐹1, 𝑑 = ∆𝐹2 = 𝑈 (𝑠 ) + 𝐴 𝐴 (𝑑 − 𝑢) Laplace vế: 𝐷(𝑠) - Phương trình hàm truyền: 𝐺 (𝑠) = 𝑘 𝑠.(𝑇𝑠+1) - Van khâu quán tính bậc 3) Xác định tham số kiểm tra lại mơ hình: Mơ hình simulink: T = 12s K = 517/(180-120) = 3.077 Chọn time stop = 200s ( Chọn 7500s đồ thị giống đường thẳng qua gốc tọa độ khó nhận diện phương trình hàm truyền mơ hình ) - Kiểm chứng lại mơ hình: Nhận xét: Mơ hình nhận dạng xác 4) Xác định sách lược điều khiển sử dụng khơng sử dụng cho tốn này: - Sách lược sử dụng: điều khiển phản hồi điều khiển tầng - Sách lược không dùng được: điều khiển truyền thẳng, điều khiển tỉ lệ, điều khiển lựa chọn, điều khiển phân vùng Vì: - Quá 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 cân - Điều khiển tỉ lệ áp dụng cho hệ thống: trì quan hệ biến nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ mà điều khiển bình mức có biến điều khiển nên khơng sử dụng - Điều khiển lựa chọn điều khiển phân vùng cần biến nên khơng sử dụng 5) Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng: - Phương pháp xác định tham số: Tính tốn thơng số điều khiển theo cơng thức Ziegler – Nichol với thông số K = 3.1 T = 12(s) Vì đối tượng khâu qn tính bậc cơng thêm thành phần tích phân Bộ điều khiển P PI PID Kp 1/K = 0.32 0.9/K = 0.29 1.2/K = 0.39 Ti 10T/3 = 40 2T = 24 6) Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng: Lưu đồ P&ID: Mơ hình Td 0.5T = -Với điều khiển P: kp = 0.32 - Với điều khiển PI: kp = 0.29, Ti = 40: - Với điều khiển PID: kp= 0.39, Ti = 24, Td = 6 - Nhận xét khả áp dụng sách lược điều khiển này: Không áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng - Giải thích: sách lược truyền thẳng địi hỏi phải rõ thơng tin q trính ảnh hưởng nhiễu Tuy nhiên, mơ hình đối tượng mơ hình mơ phỏng, mơ hình nhiễu khơng xác, nên sai lệch tĩnh lúc tồn - Nhận xét kết quả: điều khiển cho thấy tín hiệu khơng bám theo đường SetPoint, q trình khơng đến ổn định 7) Sử dụng sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn: Lưu đồ P&ID: Mô phỏng: - Kết quả: +Với điều khiển P Nhận xét: Bộ điều khiển đạt giá trị đặt thời gian độ lớn +Với điều khiển PI: Nhận xét: Bộ điều khiển đạt giá trị đặt có độ điều chỉnh lớn nhiều so với điều khiển P, có khâu tích phân +Với điều khiển PID: Nhận xét: Bộ điều khiển PID có tính chất tương tự PI, nhiên thời gian độ lớn - Đo lưu lượng để bù nhiễu kết hợp với khâu truyền thẳng để hệ thống tốt 8) Nếu sử dụng điều khiển có thành phần tích phân: - Nhận xét độ điều dao động: Với sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn mô với điều khiển PI PID xảy tượng mức nước vượt quá, đạt ổn định - Giải thích nguyên nhân: Đây tượng bão hịa tích phân ( Reset Winup) thường xảy điều khiển có chứa khâu I ( Integrator) có đặc điểm: + Độ điều chỉnh lớn + Thời gian độ lớn + Tồn sai lệch tĩnh lớn - Nêu biện pháp khắc phục: Xây dựng sơ đồ có thêm khâu chống bão hịa tích phân 9) Sử dụng sách lược phản hồi vịng đơn – chống bão hịa tích phân: Mơ hình Simulink: a Sử dụng sách lược phản hồi vòng đơn sử dụng điều khiển PI – chống bão hịa tích phân Subsystem: 10 Gain: K = kp = 0.29 Gain1 = 1/Ti = 1/40 Gain2 = Kết quả: Nhận xét: có chống bão hịa giảm bớt độ điều chỉnh Chất lượng điều khiển tốt b Sử dụng sách lược phản hồi vòng đơn sử dụng điều khiển PID – chống bão hịa tích phân: Subsystem: 11 Gain = K = Kp = 0.39 Gain1 = 1/Ti = 1/24 Gain2 = Gain3 = Td = Kết quả: Nhận xét: Sử dụng điều khiển PI - RW PID - RW ta thấy giảm tượng bão hịa tích phân, tín hiệu nhanh chóng bám tới tín hiệu chủ đạo mà khơng dao động q nhiều, q trình nhanh chóng đến ổn định : - Độ điều chỉnh nhỏ - Thời gian độ nhanh - Đã giảm sai lệch tĩnh xuống mức thấp 10) Sử dụng sách lược điều khiển tầng (Cascade Control): a Giải thích cần sử dụng điều khiển tầng: Một vấn đề điều khiển vòng đơn ảnh hưởng nhiễu trình tới biến đầu Độ điều chỉnh lớn, thời gian đáp ứng chậm Điều khiển tầng xây dựng để đáp ứng vấn đề b Xác định vòng điều khiển cần xây dựng Nhiệm vụ đặc điểm vòng Cần phản đo đại lượng - Bộ điều khiển vòng (thứ cấp) có chức loại trừ đáng kể ảnh hưởng tới biến cần điều khiển thực 12 - Bộ điều khiển vịng ngồi (sơ cấp) có chức đáp ứng giá trị đặt thay đổi, loại trừ ảnh hưởng nguồn nhiễu cịn lại, nhằm trì biến điều khiển thời gian đặt - Vòng (vịng ngồi) đo mức bình phản hổi lại so sánh với SP - Vòng (vòng trong) đo lưu lượng In, Out Flow cho tín hiệu điều khiển van phù hợp c Xây dựng vòng điều khiển: Mơ hình Simulink: Trường hợp đo lưu lượng ra: Trường hợp sử dụng điều khiển P - P 13 Kết quả: SetPoint Level Lưu lượng vào ra: Tham số điều khiển: Ptrong = Pngoai = 1000 Nhận xét: Độ điều chỉnh nhỏ, hệ thống đạt xấp xỉ giá trị đặt 14 Trường hợp sử dụng điều khiển P – PI – RW: Mơ hình Simulink Kết quả: SetPoint and Level 15 Lưu lượng vào ra: Tham số điều khiển: Kp ngồi = 1000; vịng điều khiển PI – RW có thơng số điều khiển phản hồi Trường hợp không đo lưu lượng ra: Mô hình: 16 Trường hợp sử dụng điều khiển P – P: Kết Tham số điều khiển: K = 1000 Nhận xét: Hệ thống cải thiện đặt sát giá trị đặt, giảm nhiễu Trường hợp sử dụng điều khiển P – PI-RW: Kết quả: Tham số điều khiển: Kp = 1000, tham số PI- RW Nhận xét: Độ điều chỉnh lớn So sánh trường hợp không đo lưu lượng đo lưu lượng ra: Khi đo giá trị ta giảm nhiễu, giá trị sai lệch In, OutFlow nhỏ so với điều khiển không đo giá trị lưu lượng 17 Bài Xây dựng hệ thống điều khiển bình mức Mục đích thí nghiệm: Đối tượng yêu cầu thí nghiệm: Nhiệm vụ thí nghiệm: 1) Xây dựng mơ hình thí nghiệm xác định tín hiệu vào, nhiễu hệ thống: - Tín hiệu vào F1, F2 - Tín hiệu h1, h2 - Nhiễu F3 2) Xây dựng mơ hình tốn học: (tương tự điều khiển bình mức) 3) Xác định tham số nhận dạng mơ hình: Mơ kiểm tra lại đối tượng: Kết mô tính tốn Bình mức 1: K1 = 0.8 T1 = 12 18 Level2: K2 = 0.78 T2 = 32 4) Xác định sách lược sử dụng khơng sử dụng: - Các sách lược sử dụng: Sách lược điều khiển phản hồi điều khiển tầng - Các sách lược không sử dụng: Sách lược truyền thẳng Sử dụng sách lược điều khiển tầng để triệt tiêu sai lệch tĩnh cho chất lược điều khiển hệ thống tốt điều khiển phản hồi 5) Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng 19 Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol Bình Bộ điều khiển P PI PID Bình Kp 1/K = 1.25 0.9/K = 1.125 1.2/K = 1.5 Ti 10T/3 = 40 2T = 24 Td 0.5T = Bộ điều khiển P PI PID Kp 1/K = 1.28 0.9/K = 1.15 1.2/K = 1.54 Ti 10T/3 = 107 2T = 64 Td 0.5T = 12 6) Sử dụng sách lược điều khiển vòng đơn: Lưu đồ P&ID: Sơ đồ Simulink: Trường hợp sử dụng điều khiển P: 20 P1: K = 1.25 P2: K = 1.28 SP1 and Level1: SP2 and Level2: Nhận xét: Bộ điều khiển gần đạt giá trị đặt thời gian độ lớn Trường hợp sử dụng điều khiển PI – RW: Tham số giống với điều khiển PI -RW tính tốn 21 Subsystem: SP and Level1 SP and Level2: 22 Nhận xét: Khi sử dụng chống bão hịa tích phân PI - RW giảm đáng kể tượng dao động, độ điều chỉnh nhỏ, nhiên tồn sai lệch tĩnh 7) Sử dụng sách lược điều khiển tầng (cascade control): a Xác định vòng điều khiển cần xây dựng: - Vòng 1: điều khiển độ mở van InValve1 - Vòng 2: điều khiển mở van InValve2 Đặc điểm nhiệm vụ vòng: - Vòng 1: điều khiển độ mở van 1, có đặc tính động học biến đổi nhanh vòng - Vòng 2: điều khiển độ mở van 2, có đặc tính động học biến đổi chậm vòng Lưu đồ P&ID: b Xây dựng vòng điều khiển xác định cho trường hợp đo lưu lượng ra: Mơ hình Simulink - Trường hợp sử dụng điều khiển P (vịng ngồi)/ P (vòng trong): Chọn Pngoai = 1000 Ptrong = 10000 23 SP and Level1 SP and Level2 Nhận xét: chất lượng điều khiển tốt, tín hiệu Level bám sát tín hiệu đặt SP Trường hợp sử dụng điều khiển P (vịng ngồi)/ PI – RW (vịng trong) SP and Level1 24 SP and Level2: Nhận xét: dù sử dụng điều khiển có chống bão hịa tích phân khơng đạt giá trị đặt 25 ... so với điều khiển không đo giá trị lưu lượng 17 Bài Xây dựng hệ thống điều khiển bình mức Mục đích thí nghiệm: Đối tượng yêu cầu thí nghiệm: Nhiệm vụ thí nghiệm: 1) Xây dựng mơ hình thí nghiệm. .. Nichol Bình Bộ điều khiển P PI PID Bình Kp 1/ K = 1. 25 0.9/K = 1. 125 1. 2/K = 1. 5 Ti 10 T/3 = 40 2T = 24 Td 0.5T = Bộ điều khiển P PI PID Kp 1/ K = 1. 28 0.9/K = 1. 15 1. 2/K = 1. 54 Ti 10 T/3 = 10 7 2T = 64... cân - Điều khiển tỉ lệ áp dụng cho hệ thống: trì quan hệ biến nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ mà điều khiển bình mức có biến điều khiển nên khơng sử dụng - Điều khiển lựa chọn điều khiển phân