BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng, xây dựng bộ điều khiển mức cho đối tuợng. Mô phỏng trên Simulink với các khối SingleTank và Tank GUI: ❖ Mô phỏng:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN HỌC ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Giảng viên hướng dẫn: ThS Đặng Văn Mỹ Họ tên sinh viên: Phạm Quốc Huy Mã số sinh viên: 20181534 Mã lớp thí nghiệm: 707433 Mã lớp lí thuyết: 124689 * Thơng số cho thí nghiệm: Course: 63 Class: 33 Number: 34 Stoptime: 3400 BÀI 1: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÌNH MỨC Xác dịnh tín hiệu vào, tín hiệu nhiễu hệ thống: • Tín hiệu vào: F1 (In Flow, tỉ lệ với độ mở In Valve) • Tín hiệu ra: h (Level, mức chất lỏng) • Nhiễu: F2 (Out Flow, tỉ lệ với độ mở Out Valve) 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: d (V ) dh dh = F1. − F2 A = F1 − F2 = ( F1 − F2 ) dt dt dt A (1) Trong đó: V thể tích bình; A tiết diện đáy bình; ρ khối lượng riêng chất lỏng bình Thay giá trị biến biến chênh lệch ∆ vào phương trình (1): d h = ( F1 − F2 ) dt A (2) Đặt y = ∆h ; u = ∆𝐹1 ; d = ∆𝐹2 : Phương trình (2) trở thành: dy = (u − d ) dt A Tại trạng thái ban đầu, biến y, u, d Laplace vế, ta được: s y ( s ) = Mơ hình hàm truyền đạt: y ( s ) = dy dt 1 u ( s ) − d ( s ) A A k k u ( s) − d ( s) biểu diễn khâu s s tích phân ( d(s) nhiễu đầu vào; k = giây/m2 ; τ/giây = A/m2 ) Do van khâu quán tính bậc nên hàm truyền đối tượng có dạng: G( s) = 1 k = A( s) Ts + s(Ts + 1) Ðối tuợng bình mức đuợc mơ khối Single-Tank Toolbox thí nghiệm điều khiển trình Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình trên, áp dụng phương pháp nhận dạng học: ❖ Mô phỏng: ❖ Thông số cho Single – Tank: Chọn Stop Time 34 ❖ Kết quả: Nhận xét: Đầu hàm q độ có dạng qn tính bậc ❖ Tham số tính tốn từ đồ thị: Sử dụng phương pháp nhận dạng học Từ đồ thị chọn: T = K = tanα = = 1,67 6−3 ❖ Kiểm tra mơ hình với tham số trên: • Mơ phỏng: • Đồ thị: Nhận xét: Đồ thị mơ đồ thị nhận dạng có sai khác lớn • Điều chỉnh hệ số: K = 2.4; T = 4.Ta đồ thị: Nhận xét: Với thông số đồ thị mô đồ thị nhận dạng có sai khác nhỏ Xác định (các) sách luợc điều chỉnh sử dụng (các) sách luợc điều chỉnh sử dụng cho tốn này, giải thích: ❖ Các sách lược sử dụng: • Điều khiển phản hồi: yêu cầu ban đầu nước dâng từ thấp lên cao, đạt mức h giữ ổn định Nên h biến bắt buộc phải đo • Điều khiển tầng: kết hợp điều khiển phản hồi với bù nhiễu hay tỉ lệ để chất lượng điều khiển hệ thống tốt ❖ Các sách lược khơng thể sử dụng: • Điều khiển truyền thẳng: dùng truyền thẳng (khơng đo h) khơng biết cần dừng, làm mức bình chứa tăng lên nên khơng đạt u cầu an tồn • Điều khiển tỷ lệ: phương pháp trì tỉ lệ biến vào: In valve Out valve; có tác dụng giữ mức mốc h hệ ổn định; cịn có đoạn tăng mức từ lên đến h nên sử dụng riêng lẻ phương pháp • Điều khiển lựa chọn, điều khiển phân vùng: có biến điều khiển -> không cần thiết sử dụng phương pháp Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng: * Lựa chọn phương pháp Ziegler Nichol để tính tốn tham số cho điều khiển ta biết đặc tính q độ q trình với giá trị đặt dạng bậc thang đối tượng mơ hình qn tính tích phân bậc nên phù hợp áp dụng phương pháp * Bảng tính tốn tham số điều khiển với thông số: K=2.4; T= Bộ điều khiển KP P / K = 0.42 PI 0.9 / K = 0.38 3.3T = 13.2 PID 1.2 / K = 0.5 2T = Ti Td 0.5T = Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng, xây dựng điều khiển mức cho đối tuợng Mô Simulink với khối Single-Tank Tank GUI: ❖ Mô phỏng: Bộ tham số cho Single-Tank Stop Time bìa; độ mở van 0,3; Set Point 200 ❖ Chọn điều khiển P: P = 0,42 Nhận xét: Sau mô phỏng, ta nhận kết dạng đồ thị với mức nước Level đường thẳng xiên chạy đến vơ Giải thích: Do sai lệch e Set Point Out Flow lớn qua P cho tín hiệu điều khiển u lớn nên đầu Level tăng lên vô 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 ❖ Mô phỏng: Bộ tham số cho Single-Tank Stop Time bìa; độ mở van 0,3; Set Point 200 ❖ Kết quả: • Bộ điều khiển P: Kp = 0.42 Nhận xét: Bộ điều khiển đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian cỡ 150 ( lớn ) • Bộ điều khiển PI: KP = 0,38; Ti = 13,2 Bình 1: Bình 2: Nhận xét: Đồ thị mô đồ thị nhận dạng bình có sai khác lớn • Điều chỉnh hệ số: T1 = 3; K1 = 0.8 τ = 3; T2 = 12; K2 = 0,46 • Ta đồ thị: Bình 1: Bình 2: Nhận xét: Với thông số đồ thị mơ đồ thị nhận dạng có sai khác nhỏ 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: • Điều khiển phản hồi: yêu cầu ban đầu nước dâng từ thấp lên cao, đạt mức h1,h2 giữ ổn định Nên h1,h2 biến bắt buộc phải đo • Điều khiển tầng: kết hợp điều khiển phản hồi với bù nhiễu hay tỉ lệ để chất lượng điều khiển hệ thống tốt ❖ Các sách lược khơng thể sử dụng: • Điều khiển truyền thẳng: dùng truyền thẳng (khơng đo h1,h2) khơng biết cần dừng, làm mức bình chứa tăng lên nên khơng đạt u cầu an tồn • Điều khiển tỷ lệ: phương pháp trì tỉ lệ biến vào: Valve Valve 2, Valve Valve 3; có tác dụng giữ mức mốc h1,h2 hệ ổn định; cịn có đoạn tăng mức từ lên đến giá trị đặt nên sử dụng riêng lẻ phương pháp Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng: * Lựa chọn phương pháp Ziegler Nichol để tính tốn tham số cho điều khiển ta biết đặc tính q độ trình với giá trị đặt dạng bậc thang đối tượng mơ hình qn tính tích phân bậc nên phù hợp áp dụng phương pháp * Bảng tính tốn tham số điều khiển : • Bình 1: T1 = 3; K1 = 0.8 Bộ điều khiển KP P / K = 1.25 PI 0.9 / K = 1.125 3.3T = 9.9 PID 1.2 / K = 1.5 2T = Ti Td 0.5T = 1.5 • Bình 2: T2 = 12; K2 = 0,46 Bộ điều khiển KP P / K = 2.17 PI 0.9 / K = 1.96 3.3T = 39.6 PID 1.2 / K = 2.61 2T = 24 Ti Td 0.5T = 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 tốn: ❖ Mơ phỏng: ❖ Bộ điều khiển P: • Chọn thơng số: Theo phương pháp Ziegler – Nichol 1: Bình 1: KP = 1,125 Bình 2: KP = 1,96 • Kết quả: Bình 1: Bình 2: Nhận xét: Bộ điều khiển cho tín hiệu bám sát với giá trị đặt, cịn độ điều chỉnh ❖ Bộ điều khiển PI-RW: • Chọn thông số: Theo phương pháp Ziegler – Nichol 1: Bình 1: KP = 1,125 Ki = 1/Ti = 0,1 Ku = (0 < Ku < Ti) Bình 2: KP = 1,96 Ki = 1/Ti = 0,03 Ku = 16 (0 < Ku < Ti) • Kết quả: Bình 1: Bình 2: Nhận xét: Bộ điều khiển PI –RW cho tín hiệu bám sát với tín hiệu đặt, gần khơng có độ q điều chỉnh Sử dụng sách luợc điều khiển tầng (cascade control), xây dựng điều khiển cho đối tuợng: ❖ Xác định vòng điều khiển cần xây dựng Nhiệm vụ đặc điểm vòng Cần phải đo (những) đại luợng nào? • Vịng ngồi (sơ cấp): Có chức đáp ứng với giá trị đặt thay đổi, giúp trì biến điều khiển giá trị đặt Vịng bình 1: Đo mức nước h1 phản hồi lại so sánh với SP1 Vịng bình 2: Đo mức nước h2 phản hồi lại so sánh với SP2 • Vịng (thứ cấp): Có chức loại trừ giảm đáng kể ảnh hưởng tới biến cần điều khiển thực Vịng bình 1:Đo lưu lượng vào Flow 1(với trường hợp không đo lưu lượng ra); đo hiệu lưu lượng Flow 1, Flow (với trường hợp đo lưu lượng ra) Vịng bình 2:Đo lưu lượng vào Flow 2(với trường hợp không đo lưu lượng ra); đo hiệu lưu lượng Flow 2, Flow (với trường hợp đo lưu lượng ra) ❖ Xây dựng vịng điều khiển xác định trên: * Tính tốn thơng số cho điều khiển: Bộ tham số cho Two-Tank Stop Time bìa; độ mở van 0,3; Set Point 500, Set Point 300 ( thay đổi trình mơ phỏng) Van khâu qn tính bậc nhất, nhận dạng giá trị: - Bình 1: T1 = 3; K1 = 0.8 + Vịng trong: • Bộ P vịng trong: KP_trong = 1/K = 1,25 • Bộ PI-RW vịng trong: KP_trong = 0.9/K = 1,125 Ki = 1/(3.3T) = 0,1 + Vịng ngồi: Dùng P: KP_ngồi = 10000 - Bình 2: T2 = 12; K2 = 0,46 + Vịng trong: • Bộ P vịng trong: KP_trong = 1/K = 2,17 • Bộ PI-RW vịng trong: KP_trong = 0.9/K = 1,96 Ki = 1/(3.3T) = 0,03 + Vịng ngồi: Dùng P: KP_ngồi = 10000 * Mơ phỏng: * Bộ điều khiển P (vịng ngồi)/P (vịng trong): • Kết quả: Set Point – Level 1: Set Point – Level 2: Flow – Flow – Flow 3: Nhận xét: Ta thấy tín hiệu bám sát tín hiệu đặt bị ảnh hưởng nhiễu nhiều, độ sai lệch tĩnh * Bộ điều khiển P (vịng ngồi)/PI-RW (vịng trong): • Kết quả: Set Point – Level 1: Set Point – Level 2: Flow – Flow – Flow 3: Nhận xét: Ta thấy tín hiệu bám sát tín hiệu đặt bị ảnh hưởng nhiễu nhiều, độ sai lệch tĩnh ... hòa tích phân (PI-RW, PID-RW) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn sử dụng điều khiển PI - chống bão hịa tích phân PID - chống bão hịa tích phân: ❖ Bộ điều khiển PI - chống bão hịa tích... PI-RW vịng trong: KP_trong = 0.9/K = 1,125 Ki = 1/(3.3T) = 0,1 + Vòng ngồi: Dùng P: KP_ngồi = 10000 - Bình 2: T2 = 12; K2 = 0,46 + Vịng trong: • Bộ P vịng trong: KP_trong = 1/K = 2,17 • Bộ PI-RW... cho Single-Tank Stop Time bìa; độ mở van 0,3; Set Point 200 Van khâu quán tính bậc nhất, nhận dạng giá trị: K = 2, 4; T = + Vịng trong: • Bộ P vịng trong: KP_trong = 1/K = 0,42 • Bộ PI-RW vòng