TÀI LIỆU HƯỚNG dẫn THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM môn điều khiển quá trình

GIỚI THIỆU CHUNG 1.Mục tiêu chung của phần thực hành – thí nghiệm môn học • Giúp sinh viên nắm vững kiến thức trên lớp, mô phỏng được hệ thống trên phần mềm Matlab • Giúp sinh viên nắm rõ hơn về hoạt động của các bộ điều khiển và thiết bị quá trình. • Sinh viên có thể nắm bắt, xây dựng các hệ thống tự động điều khiển đơn giản • Giúp sinh viên tiếp cận với các phương pháp điều khiển hiện đại. 2. Thiết bị phòng thực hành – thí nghiệm - Phòng thực hành 308, 101 - 7 máy tính để bàn - Mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI

KHOA ĐIỆN - ĐTTB

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH - THÍ NGHIỆM

TÊN HỌC PHẦN : ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

MÃ HỌC PHẦN : 13309

HỆ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hải Phòng, ngày / / 20 Hải Phòng, ngày / / 20 Hải Phòng,

ngày / / 20

TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI BIÊN SOẠN (hoặc Trưởng đơn vị) (hoặc Trưởng bộ phận)

HẢI PHÒNG, /2012

M C L C C C B I TH C H NH TH NGHI M ỤC LỤC CÁC BÀI THỰC HÀNH – THÍ NGHIỆM ỤC LỤC CÁC BÀI THỰC HÀNH – THÍ NGHIỆM ÁC BÀI THỰC HÀNH – THÍ NGHIỆM ÀI THỰC HÀNH – THÍ NGHIỆM ỰC HÀNH – THÍ NGHIỆM ÀI THỰC HÀNH – THÍ NGHIỆM – THÍ NGHIỆM Í NGHIỆM ỆM

1

BM.03.QT.DT.04 15/3/12-REV:0

STT THỰC HÀNH – THÍ NGHIỆMTÊN BÀI ĐỊA ĐIỂM SỐ TIẾT (từ - đến)TRANG GHI CHÚ

1 Bài 1: Mô phỏng đối tượng

5-8

2

Bài 2: Xây dựng điều

khiển mô hình bình chứa

lỏng

3

4

5

Số bài hiện có: 2 Tổng số tiết: 6

GIỚI THIỆU CHUNG

1.Mục tiêu chung của phần thực hành – thí nghiệm môn học

 Giúp sinh viên nắm vững kiến thức trên lớp, mô phỏng được hệ thống trên phần mềm Matlab

 Giúp sinh viên nắm rõ hơn về hoạt động của các bộ điều khiển và thiết bị quá trình

 Sinh viên có thể nắm bắt, xây dựng các hệ thống tự động điều khiển đơn giản

 Giúp sinh viên tiếp cận với các phương pháp điều khiển hiện đại

2 Thiết bị phòng thực hành – thí nghiệm

- Phòng thực hành 308, 101

- 7 máy tính để bàn

- Mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình

3 Bảng tiến độ và thời lượng triển khai các bài thực hành của sinh viên

4 Phương pháp đánh giá kết quả thực hành của sinh viên

Qua quá trình thực hành, sin viên phải viết báo cáo kỹ thuật

5 Chuẩn bị của sinh viên

Sinh viên phải ôn lại kiến thức cơ bản trên lớp để nắm được nội dung lệnh Sinh viên phải đọc trước tài liệu thí nghiệm và tìm hiểu giải pháp cho vấn đề nêu ra

6 Cán bộ phụ trách, hướng dẫn thực hành môn học

KS Trần Tiến Lương

7 Tài liệu tham khảo

- Bài giảng điều khiển quá trình

- Nguyễn Minh Sơn – Điều khiển quá trình

3

Bài 1: Mô phỏng đối tượng điều khiển quá trình

1 Mục tiêu:

- Nắm được phương pháp mô hình hóa lý thuyết quá trình

- Sử dụng Matlab để tìm hiểu rõ đáp ứng của các quá trình

2 Công tác chuẩn bị của sinh viên

- Sinh viên phải đọc tài liệu hướng dẫn và chuẩn bị ở nhà

3 Trang thiết bị cần thiết:

- Máy tính cá nhân

4 Nội dung bài thực hành

4.1 Bài toán điều khiển mức

Đối với bình chứa chất lỏng có chức năng trung gian để tương tác và giảm nhiễu, mục đích điều khiển là đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, và an toàn Như vậy giá trị mức trong bình chỉ cần khống chế ở mức an toàn (điều khiển lỏng, loose control, averaging control) Ngược lại với vai trò bình chứa quá trình thì giá trị mức hầu hết phải được duy trì tương đối chính xác tại một giá trị đặt (Điều khiển chặt, tight control)

Xét bình chứa minh hoạ trên hình Chất lỏng trong bình có thể tích V(m3) và khối lượng riêng (kg/m3) Giả sử bình chứa được trang bị thiết bị khuấy lý thưởng, như vậy ta có thể coi chất lỏng đồng nhất ở mọi vị trí trong bình Dòng vào có có lưu lượng thể tích là

F0(m3/s) và khối lượng riêng 0, dòng ra có lưu lượng F và khối lượng riêng  giống như trong bình Nếu ta giả sử khối lượng riêng dòng vào thay đổi không đáng kể thì khối lượng riêng 

= 0, và được coi là tham số quá trình Dựa vào quan hệ nhân quả ta dễ dàng nhận ra thể tích

V là biến trạng thái, trong khi F và F0 là biến vào Phân tích tiếp mục đích điều khiển, ta cũng xác định được mục đích cần điều khiển là V Tuỳ từng bài toán, biến lưu lượng vào phụ thuộc vào quá trình đứng trước hoặc đứng sau sẽ được coi là nhiễu, biến còn lại phải là biến điều khiển

Trong bài toán này, ta yêu cầu phải duy trì mức/thể tích chất lỏng trong bình theo đúng giá trị đặt Chọn biến điều khiển là F0 và coi F là nhiễu của hệ thống

Tham số của hệ như sau:

- Diện tích đáy bình: A = 10m2

- F = 3m2/s

4.2 Hãy đưa ra sách lược điều khiển trên lưu đồ P&ID để điều khiển mức nước trong bình chứa

4.3 Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ và xác định giá trị của bộ điều khiển

5

4.4 Mô phỏng kết quả điều khiển với bộ điều khiển vừa tính được

a) Mô hình điều khiển

b) Kết quả mô phỏng

4.5 Vấn đề của điều khiển thực tế

Như ta đã biết, lưu lượng dòng điều khiển F0 không phải là vô hạn mà bị giới hạn Để đảm bảo tính chân thực của mô phỏng, ta cần thêm vào đó giới hạn của dòng điều khiển F0 Hãy xem xét và đánh giá đáp ứng của hệ khi F0 có các giá trị là 1m3/s,

10 m3/s, 20 m3/s

4.6 Kết luận

7

5 Các yêu cầu chủ cần đặt được đối với sinh viên khi thực hành

- Nắm được mô hình hóa quá trình

- Nám được mô phỏng trên Matlab

- Nắm được cấu trúc bộ điều khiển

Bài 2: Xây dựng điều khiển mô hình bình chứa lỏng

1 Mục tiêu:

- Thực hiện điều khiển mô hình bình chứa bình chứa lỏng

2 Công tác chuẩn bị của sinh viên

- Sinh viên phải đọc tài liệu hướng dẫn và chuẩn bị ở nhà

3 Trang thiết bị cần thiết:

- Máy tính cá nhân

4 Nội dung bài thực hành

Sinh viên phải hoàn thành các chuẩn bị của các bước sau trước khi thí nghiệm 4.1 Các thiết bị điều khiển trong mô hình

a) Mô hình thí nghiệm

9

b) Van điều khiển tuyến tính

Công suất tiêu thụ 2.0 W

Tín hiệu điều khiển đầu vào

DC 0(2) 10 V

Trọng lượng xấp xỉ 0.5 kg

Thời gian hoạt động 60.000 lần quay

Nhiệt độ môi trường xung quanh

–20° +50°C

Nhiệt độ trung bình –20° +115°C

Nhiệt độ cất giữ –30° +60°C

Độ ẩm môi trường xung quanh

5 95% rH không ngưng tụ

c) Thiết bị điều khiển bình cấp

+) Sơ đồ điều khiển

11

Hình 3.7c : Sơ đồ điều khiển Floatless switch control pack

Bộ Floatless switch control pack bao gồm 8 chân (từ 1-8) trong đó các chân 1,

8, 7 được nối với chân đo mức E3, E2, E1 Chân số 1 được nối đất Chân số 5, 6 là nối nguồn 220V tạo ra điện áp 24V đóng ngắt tiếp điểm trong Floatless switch control pack Chân số 2 được nối với một đầu cuộn hút của rơ le 220V, chân số 4 được nối với

1 dây của nguồn 220V, dây còn lại của nguồn 220V nối với đầu còn lại của cuộn hút

rơ le 220V

+) Chức năng : kiểm tra mức chất lỏng, tự động đóng, mở bơm thông qua rơ le để cấp nước cho bình chứa khi mức nước lên quá cao hoặc xuống quá thấp mức cho phép +) Nguyên lý hoạt động : Khi đóng điện để cấp nguồn 220V nếu mực nước trong bình cấp nước xuống thấp dưới đầu đo E2 thì bộ Floatless switch control pack tự động đóng tiếp điểm từ chân số 2 sang chân số 3, rơ le 220V mất điện, các tiếp điểm thường đóng của rơ le 220V đóng điện cấp nguồn cho bơm, mức nước tăng dần Khi mức nước lên cao chạm đầu đo E1 thì tiếp điểm chân số 2 đóng sang chân số 4, cuộn hút của rơ le 220V có điện, các tiếp điểm thường đóng của rơ le mở ra, ngắt nguồn cấp cho bơm Như vậy mức nước luôn duy trì dưới đầu đo E1 và trên đầu đo E2

d) Loadcell

Thông só kỹ thuật

Trọng lượng đo 40 kg Tín hiệu đầu ra 2.0 0.2 mv/v Cảm kháng đầu vào 409±6/1065±15 

Cảm kháng đầu ra 350±3/1000±10 

Điện trở cách điện ≥5000 M

Nhiệt độ cất giữ -10～+40  C Nhiệt độ hoạt động -35～+65 C

+) Chức năng : Đo lực vật tác dụng lên, khi điện trở trong nó thay đổi thì tạo ra 1 tín hiệu điện áp thay đổi (mV), tín hiệu điện áp này thông qua một bộ biến đổi sẽ cho ra tín hiệu phản hồi là dải điện áp từ 0-10V

+) Nguyên lý hoạt động : Load cell này dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ

+) Sơ đồ

Hình 3.8c : Sơ đồ dây nối cảm biến trọng lượng +) Sơ đồ mạch biến đổi tín hiệu điện áp thay đổi đầu ra của cảm biến thành tín hiệu điện áp 0-10V:

13

5 Các yêu cầu chủ cần đặt được đối với sinh viên khi thực hành

- Nắm được cấu trúc một hệ điều khiển thực

- Nắm được mô hình điều khiển mức chất lỏng bình chứa