TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT KHOA CƠ ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP MỎ DẦU KHÍ *** BÁO CÁO THỰC TẬP LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Đề tài Thiết kế và xây dựng bộ PID để điều khiển mực nước, lưu lượng c[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT KHOA CƠ ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA XÍ NGHIỆP MỎ DẦU KHÍ -*** - BÁO CÁO THỰC TẬP LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Đề tài: Thiết kế xây dựng PID để điều khiển mực nước, lưu lượng chất lỏng tự động Giảng viên hướng dẫn: GV.TS Phạm Thị Thanh Loan Lớp: DCCDTD64-B Chuyên ngành: Tự động hóa – K64B Nhóm: Hà Nội, tháng năm 2021 Nhóm gồm thành viên: ST T Tên sinh viên Hoàng Sỹỹ Anh Mã sinh viên Điểm tự chấm 1921060530 Trịnh Xuân Tùng 1921060475 Hoàng Văn Quang 1921060471 Tạ Minh Dương 1921060296 Lê Nguỹên Tài 1921060024 Đỗỹ Đức Chính 1921060272 7 Đỗỹ Văn Nam 1921060381 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU III Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI IV PHẠM VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Nguyên tắc điều khiển hệ thống 1.1.1 Phương thức điều khiển bơm 1.1.2 Những ưu điểm điều khiển tốc độ bơm thiết bị biến tần 1.1.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống 1.2.Hệ thống điều khiển áp suất PHẦN II: XÁC ĐỊNH MƠ HÌNH TỐN HỌC 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHẬN DẠNG 2.1.1 Tổng quan nhận dạng trình 2.1.1.1 Nhận dạng trình gì? 2.1.1.2 Các bước tiến hành dể nhận dạng trình 2.1.1.3 Phân loại lựa chọn phương pháp nhận dạng 2.1.2 Nhận dạng trình theo phương pháp kinh điển 2.1.2.1Xác định cấu trúc mơ hình tốn học (hàm truyền đạt) đối tượng 2.2 Xác định tham số hàm truyền đạt 2.3 ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG 2.3.1 Mô đối tượng phần mềm matlab 2.3.2 Xác định tham số theo phương pháp điểm quy chiếu PHẦN III: XÁC ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1.1 Tổng quan điều khiển PID 3.1.1.1 Giới thiệu điều khiển 3.1.1.2 Chỉnh định PID 3.1.1.3 Lựa chọn luật điều khiển 3.2.2 Tổng hợp điều khiển PID 3.2.2.1 Thiết kế điều khiển PI theo ziegler-Nichols 3.2.2.2 Hai phương pháp xác định tham số PID Ziegler-Nichols 3.2.2.3 Mô Matlab hệ liên tục 3.2.2.4 Mô Matlab gián đoạn 3.3.3 chương trình mơ hàm truyền hệ với tác động PI PHẦN IV: Vai trò tham số PID LỜI MỞ ĐẦU I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Trên giới Việt Nam nhu cầu tiêu thụ lượng ngày tăng dần có nhiều cảnh báo tiết kiệm lượng Các ngành cơng nghiệp nói chung ngành nước nói chung sử dụng cơng nghệ truyền động khơng thích hợp,điều khiển thụ động, không linh hoạt Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần lớn chi phí điện bơm nước( 30-35%) Trước tồn quan điểm việc đầu tư vào tiết kiệm lượng công việc tốn không mang lại hiệu thiết thực Với công nghệ biến tần tính tốn việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm lượng cho trạm bơm cấp II có thời gian hồn vốn đầu tư ngắn giảm chi phí cho công tác quản lý vận hành thiết bị Máy bơm quạt gió ứng dụng thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm lượng II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực đề tài chúng em đã: Nghiên cứu hệ thống bơm cấp nước thực tế Nghiên cứu kiến thức điều khiển tự động, mơ hình hóa mơ Lập trình PID để điều khiển máy bơm III IV Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài cho thấy việc ứng dụng tự động hóa vào sống cần thiết,nó giúp ta tiết kiệm thời gian công sức, tiền bạc mang lại hiệu kinh tế cao hoạt động ổn định Từ đề tài nghiên cứu điều khiển ổn định áp suất cho đường ống nước, mở rộng cho hệ thống điều khiển lị nhiệt,hệ thống điều hịa khơng khí…… PHẠM VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Từ kiến thức sở học trường thực tế, hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp tài liệu/ số liệu từ giảng viên hướng dẫn Chúng em thực số công việc : 3 Tìm hiểu, thuyết minh cơng nghệ hệ thống Xác định hàm truyền đối tượng Xác định điều khiển PID Mô tả hệ liên tục/ gián đoạn MATLAB Thay đổi nhận xét tác dụng thành phần PID PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cấp nước vào đường ống Áp lực lưu lượng đường ống thay đổi hàng theo yêu cầu Bơm thiết bị kèm đường ống van,đài nước thiết kế với lưu lượng nước bơm lớn Vì điều chỉnh lưu lượng nước bơm thực phương pháp sau: - Điều chỉnh cách khép van ống đẩy bơm - Điều chỉnh đóng mở máy bơm hoạt động đồng thời - Điều khiển thay đổi tốc độ quay khớp nối thủy lực Điều khiển theo phương pháp không tiết kiệm lượng điện tiêu thụ mà cịn gây nên hỏng hóc thiết bị đường ống chấn động đóng mở van gây nên Để giải vấn đề kể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần thiết bị điều chỉnh biến đổi quay động cách thay đổi tần số dòng điện cung cấp cho động 1.1 Nguyên tắc điều khiển hệ thống Đầu PLC nối với biến tần để điều khiển biến tần từ biến tần điều khiển tốc độ động Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh cách linh hoạt lưu lượng áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi PLC PLC so sánh giá trị truyền với giá trị đặt để từ lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ động cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào động để đảm bảo áp suất nước đường ống ổn định Sự điều chỉnh linh hoạt máy bơm sử dụng biến tần cụ thể sau: Điều chỉnh tốc độ quay áp suất thay đổi Đa dạng phương thức điều khiển máy bơm trạm bơm (Một thiết bị biến tần điều khiển tới máy bơm) 1.1.1 Phương thức điều khiển bơm Ta dùng phương pháp thay đổi tốc độ động (giữ nguyên độ mở van) Trên sở tín hiệu mực chất lỏng bể hút hồi tiếp PLC Bộ vi xử lý so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng cài đặt Trên sở kết so sánh PLC điều khiển đóng mở máy bơm cho phù hợp để mực chất lỏng - bể giá trị cài đặt Ngược lại tín hiệu hồi tiếp lớn giá trị cài đặt,biến tần điều khiển bơm để mực chất lỏng đạt giá trị đặt 1.1.2 Những ưu điểm điều khiển tốc độ bơm thiết bị biến tần: - Hạn chế dòng khởi động cao - Tiết kiệm lượng - Điều khiển linh hoạt máy bơm - Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400Kw - Tự động ngừng đạt tới điểm cài đặt Tự - Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ thời động Bảo động tăng tốc giảm tốc tránh tải điện áp khởi động vệ động khi: ngắn mạch,mất pha,lệch pha,quá tải,quá dịng, Kết nối với máy tính chạy hệ điều hành Windows 1.1.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 1.2 Hệ thống điều khiển áp suất Yêu cầu công nghệ Sử dụng biến tần ABB ACS150 điều khiển trơn cho động bơm, công suất tiêu thụ động biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải Một sensor áp suất đưa vào đầu nước cấp Nhà máy để đo áp lực nước đưa hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển PLC S7-1200, CPU 1215C đảm bảo cho việc tự động hóa hồn tồn q trình bơm cấp nước Nhà máy.Vận hành hệ thống thông qua WinCC Hệ thống hoạt động chế độ:bằng tay WinCC.Việc chuyển đổi hai chế độ tự động tay thực công tắc chuyển đổi vị trí Hệ thống cũ đấu nối đảm bảo xác, vận hành an tồn tình Đảm bảo tính an tồn cao hệ thống Như với việc đưa biến tần vào hệ thống hoạt động bám sát theo thực tế lưu lượng phụ tải, giảm đáng kể lượng tiêu hao không cần thiết vào phụ tải Hệ thống tự động giám sát áp suất nước đường ống mạng điều khiển ngược lại để đảm bảo giữ áp suất theo yêu cầu PLC điều khiển áp suất nước đường ống mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức hệ thống điều khiển áp suất theo thời gian thực Hệ thống điều khiển tự động số chức sau: ✔ Đo lường: đo đầu đo áp suất đo lường chuyển đổi để đưa CPU S7-1200 ✔ Xử lý thông tin: điều khiển trung tâm đảm nhiệm vấn đề ✔ Điều khiển: S7-1200 phối hợp với biến tần làm việc theo yêu cầu ✔ Giám sát: S7-1200 kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động ✔ Giao tiếp người vận hành thiết bị: sử dụng phần mềm giao diện người máy (HMI) WinCC ✔ Hệ thống chuyển đổi qua lại motor bơm chạy với biến tần nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng mà khơng làm gián đoạn sản xuất PHẦN II: XÁC ĐỊNH MƠ HÌNH TỐN HỌC 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHẬN DẠNG 2.1.1 Tổng quan nhận dạng trình 2.1.1.1 Nhận dạng trình gì? Phương pháp xây dựng mơ hình toán học sở liệu vào- thực nghiệm gọi mơ hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (system identification) Khái niệm nhận dạng hệ thống định nghĩa chuẩn IEC 60050- 351 “ thủ tục suy luận mô hình tốn học biễn diễn đặc tính tĩnh đặc tính độ hệ thống từ đáp ứng với tín hiệu đầu vào xác định, ví dụ hàm bậc thang, xung nhiễu ồn trắng” 2.1.1.2 Các bước tiến hành dể nhận dạng q trình Giống nhiều cơng việc phát triển hệ thống khác, nhận dạng trình phức tạp Những bước xây dựng mơ hình thực nghiệm cho q trình công nghiệp bao gồm: ● Thu thập, khai thác thông tin ban đầu trình ● Lựa chọn phương pháp nhận dạng ● Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho cặp biến vào / ● Quyết định dạng mơ hình ● Xác định tham số mơ hình ● Mơ phỏng, kiểm chứng đánh giá mơ hình 2.1.1.3 Phân loại lựa chọn phương pháp nhận dạng Các phương pháp nhận dạng vơ phong phú Tuy nhiên, ta phân loại phương pháp nhận dạng từ nhiều góc độ khác nhau, ví dụ theo dạng mơ hình sử dụng, dạng tín hiệu thực nghiệm, thuật tốn áp dụng mục đích sử dụng mơ hình ● Nhận dạng dựa vào dạng mơ hình sử dụng trực tiếp ● Nhận dạng chủ động / Nhận dạng bị động ● Nhân dạng vịng hở / Nhận dạng vịng kín ● Nhận dạng trực tuyến / Nhận dạng ngoại tuyến ● Nhận dạng dựa vào ước lượng mơ hình Việc lựa chọn phương pháp nhận dạng phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố u cầu chất lượng mơ hình, khả nhận dạng chủ động, khối lượng tính tốn mục đích sử dụng mơ hình Mỗi phương pháp có ưu điểm nhược điểm riêng, dẫn đến khả áp dụng khác tùy theo tốn 2.1.2 Nhận dạng q trình theo phương pháp kinh điển Để nhận dạng đối tượng, cần xác định cấu trúc mơ hình tốn học phù hợp cho đối tượng Trong điều khiển trình với phương pháp kinh điển, mơ hình tuyến tính bậc bậc hai (có khơng có trễ, có khơng dao động, có khơng thành phần tích phân) dạng thực dụng Sau xác định tham số mơ hình Để nhận dạng tham số này, tác động tín hiệu kích thích phù hợp đến đầu vào q trình, ghi lại đáp ứng đầu q trình, từ xác định tham số phù hợp với mơ hình sử dụng Cuối bước mô – kiểm chứng – đánh giá mơ hình xác định bước 2.1.2.1Xác định cấu trúc mơ hình toán học (hàm truyền đạt) đối tượng Đối tượng cần xác định mơ hình tốn học động Bơm nước Hàm truyền động bơm xác định phương pháp thực nghiệm Cấp công suất tối đa cho bơm, áp suất nước bơm tạo tăng dần Sau thời gian áp suất đạt đến giá trị bão hịa.Đặc tính áp suất theo thời gian biểu diễn hình (2.1a).Do đặc tính xác động bơm phức tạp nên ta xấp xĩ đáp ứng gần hình (2.1b) Cơ Hình 2.1: Sơ đồ khối mơ tả đối tượng điều khiển P(atm) L T a) Đặc tính xác ● t(sec) L T t(sec) b) Đặc tính gần Ta xác định hàm truyền gần động bơm dùng định nghĩa: 0,283Δy∞ t (sec) t1 t2 Hình 2.5: Phương pháp đồ thị đáp ứng độ sử dụng điểm quy chiếu Khi đó, theo kết tính tốn MATLAB: Đầu đối tượng đạt giá trị: 0,283 Δy∞ (= 0,283*1,7= 0,4811) sau 27 lần lấy mẫu, tức là: t1 = 27 * T = 27 * 0,01 = 0,27 (s) Đầu đối tượng đạt giá trị: 0,632Δy∞ (= 0,632*1,7= 1,0744) sau 61 lần lấy mẫu, tức là: t2 = 60 * T = 61 * 0,01 = 0,61 (s) Vậy Với tín hiệu đầu vào hàm nấc đơn vị (Δu = 1), dễ nhận thấy: tham số (với T= 0,01s) là: Tương tự, tiếp tục giảm chu kỳ lấy mẫu, ta có kết sau: ● T=0.005s ● T=0.0016s Và tổng hợp bảng đây: Thời gian lấy mẫu Hệ số khuếch đại tĩnh Thời gian trễ xấp xỉ Hằng số thời gian T (s) 0,0100 k T1 (s) 1,7 T2 0,5100 0,0050 0,0016 0,0010 0,0008 1,7 1,7 1,7 1,7 0,1000 0,0875 0,0824 0,0820 0,0812 0,5025 0,5016 0,5010 0,5004 16 ● Nhận xét : Tại giá trị chu kỳ lấy mẫu T = 0,0008 (giây), ta có: Sai số tương đối: Đây sai số chấp nhận Như vậy, giảm dần chu kỳ lấy mẫu (tức tăng tần suất lấy mẫu), ta nhận thấy, giá trị T1 T2 dần tiến đến sát giá trị ban đầu xác định qua thực nghiệm (T1= 0,08 ; T2 = 0,5) Nói cách khác, q trình nhận dạng đối tượng dựa đáp ứng độ theo phương pháp kinh điển kiểm chứng mơ hình tốn học đối tượng rút từ khảo sát thực nghiệm Vậy, đối tượng điều khiển (động bơm) có dạng truyền đạt: PHẦN III: XÁC ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1.1 Tổng quan điều khiển PID 3.1.1.1 Giới thiệu điều khiển Từ sáu thập kỷ nay,PID điều khiển thông dụng hệ thống điều khiển trình lý sau: ● Cấu trúc nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ hiểu dễ sử dụng người làm thực tế 17 ● Có nhiều phương pháp cơng cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định tham số điều khiển ● Các luật điều khiển P, PI, PID thích hợp cho phần lớn q trình công nghiệp Nhiều báo cáo đưa số thống kê 90% toán điều khiển q trình cơng nghiệp giải với điều khiển PID, số khoảng 90% thực luật PI, 5% thực luật P túy 3% thực luật PID đầy đủ, lại dạng dẫn xuất khác Hình 3.1 sơ đồ khối PID 3.1.1.2 Chỉnh định PID: Các phương pháp chỉnh định tham số cho PID phân loại thành nhóm sau: - Các phương pháp dựa đặc tính sử dụng số đặc điểm q trình tính tốn tham số điều khiển để thu đặc tính vịng kín mong muốn 18