Kĩ thuật đo lượng và lý thuyết điều khiển tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Giáo viên hướng dẫn: KS NGUYỄN TUẤN LINH TS PHẠM NGỌC HƯNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Họ tên : Nguyễn Trung Hiếu MSSV : 20161550 Lớp : KTTP 01 - K61 BÀI 1+2 : MƠ HÌNH HĨA ĐỘI TƯỢNG A LÝ THUYẾT I CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mơ hình đối tượng điều khiển Trong trình nghiên cứu thiết kế hệ thống, tuỳ theo toán cụ thể người ta sử dụng mơ hình đối tượng dạng phương trình vi phân, hệ phương trình trạng thái, dạng hàm truyền, hàm trọng lượng hàm độ đối tượng Do vậy, toán nhận dạng thường nhằm vào mục đích mơ hình hóa đối tượng bốn dạng Các dạng mơ hình dễ dàng chuyển đổi lẫn nên cần tìm dạng Để giải toán nhận dạng cách đơn giản hiệu quả, đồng thời thuận tiện cho việc sử dụng sau này, cần chọn dạng mơ hình thích hợp Đặc điểm mơ hình đối tượng cơng nghiệp thực phẩm Tính chất tính động học đối tượng thể đặc tính tần số đặc tính thời gian, đó, đặc tính q độ (đáp ứng bước) phản ánh đầy đủ trực quan đặc điểm động học đối tượng Điểm đặc trưng đối tượng cơng nghiệp có trễ vận tải có qn tính lớn Trễ vận tải gọi trễ tuyệt đối, trễ thời gian chết (dead time), v,v…, thời gian kể từ thời điểm xuất xung đầu vào đến đại lượng bắt đầu thay đổi so với giá trị xác lập ban đầu Độ quán tính đối tượng phản ánh tốc độ phản ứng nó, kể từ đại lượng bắt đầu thay đổi Do có qn tính lớn trễ vận tải nên hầu hết đối tượng điều khiển công nghiệp hệ thống điều khiển tương ứng lọc tần số thấp Trong thực tế, đối tượng tĩnh có khả thiết lập trạng thái cân tương ứng với độ lớn xung đầu vào, nên có tên gọi đối tượng “có tự cân bằng” Các đối tượng điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, v.v… nói chung đối tượng có tự cân Sự phân tích đặc tính độ đối tượng có tự cân thực tế cho thấy chúng có bốn dạng phổ biến y(t ) O u₀ y(∞) O τ t c) t a) y(t) u₀ y(∞) y(t) y(t) y(∞) O tu y(∞) t b) O τ tu t d) Hình 1.Dạng đặc tính độ phổ biến đối tượng tự cân  Trên hình 1-a, đường cong độ thể đặc điểm động học khâu quán tính bậc Tốc độ biến thiên đại lượng đạt giá trị lớn thời điểm xuất xung đầu vào  Trên hình 1-b, đường cong độ có điểm uốn tu (điểm dốc nhất) có hình dạng chữ S Đó dáng điệu khâu quán tính bậc cao, bao gồm số khâu quán tính bậc mắc nối tiếp Độ quán tính đối tượng loại tương đương với tổng độ quán tính khâu quán tính bậc hợp thành  Trên hình 1-c, đường cong độ thể đặc điểm đối tượng quán tính bậc có trễ, tạo khâu qn tính bậc mắc nối tiếp với khâu trễ  Trên hình 1-d, đường cong q độ có hình chữ S với điểm uốn, nằm dịch bên phải khoảng τ , kể từ gốc toạ độ Đó đặc tính độ đối tượng quán tính bậc cao có trễ, hình thành mạch mắc nối tiếp số khâu quán tính bậc khâu trễ Tóm lại, đối tượng có tự cân với đặc tính q độ hình 1, biểu diễn khâu quán tính bậc n mắc nối tiếp với khâu trễ Hàm truyền chúng có dạng: Och(s)= Trong - trễ vận tải đối tượng K - hệ số truyền T1 , T2 , ,Tn - số quán tính, tương ứng với khâu quán tình bậc n - bậc quán tính, số khâu quán tính bậc hợp thành II MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Nắm vững quy trình xây dựng hàm truyền đối tượng từ số liệu thu thập thực tế Nắm vững bước sử dụng phần mềm CASCAD để xác định hàm truyền đối tượng từ đặc tính thời gian III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Kiểm tra: - Hệ thống thiết bị thí nghiệm điều khiển giám sát nhiệt độ dung dịch - Máy tính có cài phần mềm CASCAD Chuẩn bị: - Khởi động hệ thống gia nhiệt dung dịch Tiến hành thí nghiệm: - Ghi lại số nhiệt độ nước 15s/ lần Tiến hành nhiệt độ nước đến 60°C ngừng thí nghiệm - Khởi động phần mềm CASCAD - Click Processing/^DATA để nhập liệu - Để xác định làm truyền, click M/2-Langbend/Variables, sau chọn Run Optim - Chờ 3p chương trình chạy thuật tốn, sau hồn thành click End-Exit để hiển thị hệ số hàm truyền cần tìm - Nhấn R để xóa đồ thị thực nghiệm - Ấn Exit để quay lại hình ban đầu Chọn Mdat ghi lại giá trị hiển thị hình - Ctrl + F5 để chụp ảnh hình CASCAD Dừng thí nghiệm: - Tạm dừng hệ thống - Vệ sinh thiết bị thí nghiệm - Báo cáo với cán thí nghiệm ghi nhật ký PTN - Dọn dẹp nơi thí nghiệm IV SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM Bảng kết thí nghiệm STT V THỜI GIAN NHIỆT ĐỘ HƯỚNG DẪN XỬ LÝ SỐ LIỆU Xác định mơ hình qn tính bậc có trễ y(t) B u₀ A τ y(∞) C Ta t Hình 2: Đáp ứng độ đối tượng qn tính bậc có trễ  Mơ hình qn tính bậc có trễ có dạng: O(s) = Các tham số mơ hình qn tính bậc có trễ, xác định theo đồ thị (hình 2) Trước hết, kẻ đường tiệm cận ngang xác định giá trị tiệm cận y( ∞) Tiêp theo, kẻ tiếp tuyến qua A, cắt đường tiệm cận ngang y( ∞) B Từ B hạ đường vng góc cắt trục Ox C  1) 2) 3) Các tham số mơ hình Q1T xác định sau: Hệ số truyền K = , u₀ - độ lớn xung bậc thang đầu vào Hệ số quán tính T = Ta , Ta = AC -hình chiếu AB trục hồnh Thời gian trễ – hồnh độ điểm A Xác định mơ hình qn tính bậc hai có trễ y(t) B u u₀ y(∞) yu A tu C t Ta Hình 3: Đáp ứng độ đối tượng quán tính bậc hai có trễ  Mơ hình qn tính bậc có trễ có dạng: O(s) = Cơng thức để tính tham số mơ hình theo trình tự sau: Bước - Xác định đại lượng theo đáp ứng bước đối tượng (hình 3): - y (∞) – giá trị tiệm cận, tức giá trị xác lập đáp ứng bước - U (tu , yu ) – điểm uốn, xác định đồng thời với việc kẻ tiếp tuyến - Ta – số quán tính biểu trưng Bước - Tính hệ số truyền tung độ tương đối điểm uốn: - Hệ số truyền K = , u₀ - độ lớn xung bậc thang đầu vào Tung độ tương đối điểm uốn : g = Bước – Các tham số cịn lại, tính theo trường hợp sau: a) Nếu g ≤ 0.264 - Tính tham số trung gian : v = 0.3215 + - Các số quán tính : T1 = Ta v ; T2 = Ta.( – g ) – T1 - Thời gian trễ : τ = tu + T1 ln(v) b) Nếu g > 0.264 - Tính độ vượt ngưỡng : δ = g – + - Các số quán tính : T1 = ; T2 = T1 Thời gian trễ : τ = tu – T1 – 1.2δTₐ B.THỰC HÀNH I Mục đích thí nghiệm - Biết cách thức xác định hàm truyền đạt cảm biến đo nhiệt độ, cách vận hành thiết bị cách đo nhiệt độ môi chất - Biết cách sử dụng phần mềm CASCAD để xác định hàm truyền thực hành với số liệu có việc thí nghiệm II Thiết bị nguyên lý hoạt động 1) Sơ đồ điều khiển tự động Tsp T pv Bộ điều khiển hiển thị Thiết bị gia nhiệt Nước Cảm biến - Cảm biến : Cảm biến PT100 cấu tạo từ kim loại Platinum, quấn tùy theo hình dáng đầu dị nhiệt, có giá trị điện trở 0ᵒC 100Ω Đây loại cảm biến thụ động nên sử dụng cần phải cấp nguồn ổn định Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với thay đổi nhiệt độ - Thiết bị gia nhiệt : Thanh gia nhiệt - Bộ điều khiển hiển thị : Thiết bị điều khiển theo chế độ ON/OFF 2) Nguyên lý hoạt động - Sau cấp nước ổn định thể tích tiến hành thí nghiệm Chọn nhiệt độ muốn cấp cho nước (Tsp=60ᵒC) bật máy chế độ AUTO Thông tin nhiệt độ nước thông qua cảm biến truyền đến điều khiển hiển thị - Nếu nhiệt độ nước chưa đạt ( T py < Tsp ) cảm biến báo cấp nhiệt →bộ điều khiển bật nguồn cấp điện cho thiết bị gia nhiệt → gia nhiệt cấp nhiệt cho nước - Nếu nhiệt độ nước vượt ( T py > Tsp ) cảm biến báo ngừng cấp nhiệt → điều khiển tắt nguồn cấp điện cho thiết bị gia nhiệt → gia nhiệt ngừng cấp nhiệt cho nước 3) Kết luận Yêu cầu điểu khiển : - Cảm biến phải có dải đo >= dải đo thí nghiệm - Cảm biến có khả truyền xa để đưa thơng tin điều khiển - Bộ điều khiển tự động nhận tín hiệu từ cảm biến thực bật/tắt nguồn - Bộ điều khiển có rơ-le thường mở (Khi cần cấp nhiệt rơ-le đóng, thiết bị gia nhiệt nối với nguồn, gia nhiệt cấp nhiệt Khi đủ nhiệt rơ-le trở trạng thái mở, mạch thiết bị gia nhiệt với nguồn hở, gia nhiệt ngừng cấp nhiệt III Kết tính tốn : Bảng kết thí nghiệm IV STT THỜI GIAN(s) NHIỆT ĐỘ(ᵒC) STT THỜI GIAN(s) NHIỆT ĐỘ(ᵒC) 10 11 12 13 14 15 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 25.1 25.1 25.1 26.3 28.1 29.9 31.4 32.8 34.1 35.4 36.5 38.1 39.3 40.9 42.1 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360 375 390 405 416 476 43.1 44.8 46.2 47.6 48.7 50.1 51.3 52.8 54.1 55.3 56.8 57.8 59.1 60 60 Nhập số liệu vào bảng phần mềm CASCAD Tính tốn kết nhận xét: a Đồ thị miêu tả phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ: Hình 1: Đồ thị thực kết thực nghiệm Hình : Đồ thị tương đối hàm truyền kết thực nghiệm Qua đô thị ta thấy nhiệt độ đạt đo qua thời điểm quan hệ tiệm cận với điểm đặt nhiệt Nhiệt độ tăng ổn định Đồ thị có dạng mơ hình qn tính bậc có trễ b Tính tốn hàm truyền đối tượng Sau chạy phần mềm ta thu kết sau: Ta có hàm truyền đạt tính theo công thức sau: Os= (k*e-Ts)/[(1+T1s)*(1+T2s)] Với Ts=Tr ; T1s = a1 ; T2s = a2 ; K=b0 Kết ta có hàm truyền đạt đồ thị là: Os= (62.603*e-2.268*10^-5 )/[(1+457.689)*(1+59.572)] = 62.603/(467.689*60.572) = 2.25*10-3 TI TI V10 PI PI Nguyên liệu vào TIT TC V9 Sản phẩm Khoang V4 Khoang V8 V2 V3 BÀI : THIẾT BỊ V5 THANH TRÙNG LIÊN TỤC I SƠ ĐỒ V6 TIT V7 TC Hơi nước gia nhiệt V1 Nước Sơ đồ điều khiển thiết bị trùng liên tục II Nguyên lý làm việc - - Nước cấp vào thiết bị mở van V1 Mở van V2 để cấp nước vào khoang ( khoang chứa nước nóng ) van V3 để cấp nước vào khoang ( khoang chứa nước ấm ) Van V4 khóa Sau khoang khoang chứa đầy nước Khóa van V2 V3 đến bắt đầu cho ngun liệu vào mở khóa van V3 V4 Cấp nhiệt vào khoang khoang nước với phương pháp phun trực tiếp nước vào nước Khi van V5 mở, van V6 mở van tự động V7 cấp nhiệt cho khoang Van V7 cấp nhiệt để trì nhiệt độ khoang Nếu van V6 cấp gần đủ cho lượng nhiệt trình vận hành van V7 hoạt động ổn định ( phải đóng ngắt ) Nhiệt độ áp suất nước khoang khoang cấp hiển thị thông qua thiết bị đo nhiệt độ áp suất đặt đường ống Ngoài nhiệt độ cấp khoang gắn thêm cảm biến nhiệt độ giúp cho việc hiển thị trì nhiệt độ cấp khoang Nước từ khoang khoang đưa qua lưới lọc trước tưới vào nguyên liệu Nguyên liệu vào thiết bị phun nước nóng cấp từ khoang thơng qua hệ thống vịi phun gắn thiết bị Sau tiếp tục phun nước ấm cấp từ khoang cuối phun nước lạnh ( nước cấp vào ) thông qua vòi phun gắn thiết bị Nước sau phun hồi lưu quay trở khoang khoang tiếp tục cấp nhiệt  số ý : Quá trình trùng trình nâng nhiệt hạ nhiệt đột ngột q trình thí nghiệm sau nâng nhiệt ngun liệu vào cần thông qua giai đoạn nước ấm trước phun nước lạnh để tránh trình xảy đột ngột làm bình chứa thủy tinh bị nứt, vỡ làm hỏng sản phẩm Van V10 mở để nước ấm từ khoang cấp vào khoang Vì trình vận hành nước khoang bị ( nước bay bị bám lại nguyên liệu ) nên phải bổ sung thêm nước để bù lại lượng Nhưng cấp nước lạnh cần tăng lượng nhiệt phải cung cấp cần tốn thêm thời gian cấp nước từ nước ấm khoang lượng nhiệt cần cấp thời gian tiêu tốn hơn, đảm bảo hiệu suất làm việc cao