BÁO cáo THỰC HÀNH THỰC HÀNH THIẾT bị đo và QUÁ TRÌNH điều KHIỂN bài 1 điều KHIỂN NHIỆT độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC BÁO CÁO THỰC HÀNH THỰC HÀNH THIẾT BỊ ĐO VÀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Minh Tiến Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hạnh Hịa Trà My 20029221 Mơn học phần: Thực Hành Thiết Bị Đo Lớp học phần: DHPT16 Mã lớp học phần: 420300324404 Ngày thực hành : 19/04/2023 Năm học: 2022 - 2023 BÀI 1: ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Mục đích thí nghiệm: - Mơ hình thí nghiệm cho phép nghiên cứu trình điều khiển nhiệt độ Nó mơ hình điều khiển đơn giản, bao gồm: đầu dò, điều khiển gia nhiệt - Mơ hình trang thiết bị cần thiết dùng để khảo sát:  Các thông số hệ thống điều khiển vòng lặp hở với khái niệm Độ khuếch đại tĩnh Hằng số thời gian Thời gian trễ  Xác định thông số điều khiển chế độ khác Ở chế độ vòng lặp hở: Tự điều chỉnh bàn tay Ở chế độ vịng lặp kín: Sử dụng phương pháp Nichols Ziegler  Vận dụng thơng số tìm để Khảo sát ảnh hưởng tới việc thay đổi cài đặt Khảo sát ảnh hưởng nhiễu Tối ưu hóa thơng số cài đặt Cơ sở lý thuyết : 2.1 Nguyên lý đo nhiệt độ: - Điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ Sự tăng điện trở tỉ lệ với nhiệt độ xác định hệ số nhiệt độ dương Trong thực tế, để chế tạo đầu dò nhiệt độ tốt, phải sử dụng vật liệu vật liệu có hệ số nhiệt độ cao, đường biểu diễn phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ đường thẳng Chúng ta chọn vật liệu mà chịu nhiệt độ cao loại có điện trở chuẩn phù hợp - Platin liệu tốt sử dụng làm đầu dị điện trở đo nhiệt độ cơng nghiệp,nó có ưu điểm độ bền hóa học cao, độ tinh khiết cao dễ điều khiển, 2.2 Khảo sát hệ thống gia nhiệt: - Nguyên lí gia nhiệt buồng sau: dòng điện chạy qua đai gia nhiệt mica làm kích thích tăng nhiệt độ bên vòng đai Vòng đai kết nối với điều khiển công suất điện xoay chiều mà điều khiển điều khiển dòng điện – 20mA Bộ điều khiển việc gia nhiệt với điện áp thấp (24V AC) biến áp từ nguồn điện áp cao (220V 50Hz ) Tiến hành thực nghiệm : 3.1 Các thao tác cần thiết: - Chuẩn bị  Công tắc nguồn phải vị trí OFF  Cắm chi điện vào nguồn cấp  Khơng mở tủ điện suốt q trình làm thí nghiệm  Bật cơng tắc nguồn sang vị trí ON  Chỉnh điều khiển sang chế độ Manual đặt giá trị OUTPUT 0%  Sử dụng bốn đầu cắm kết nối điều khiển với hệ thống  Đầu “ temperature” màu đỏ kết nối với đầu “measure” màu đỏ  Đầu “ temperature” màu đen kết nối với đầu “measure” màu đen  Đầu “ Output” màu đỏ kết nối với đầu “Heater” màu đỏ  Đầu “ Output” màu đen kết nối với đầu “Heater” màu đen - Cách điều chỉnh nhiễu Công tắc “Perturbation” cho phép điều chỉnh nguồn ggia nhiệt  Tại vị trí “0”, ống gia nhiệt hoạt động với cơng suất tối đa  Tại vị trí “1”, cơng suất gia nhiệt giảm khoảng 10% Cơng tắc “Ventilation” kích hoạt cho quạt làm mát hoạt động, làm giảm nhiệt độ buồng gia nhiệt Nó có chế độ  Tại vị trí “Auto”, quạt làm việc theo điều khiển điều khiển  Tại vị trí “1”, quạt hoạt động với công suất tối đa mà không chịu tác động điều khiển - Dừng khẩn cấp Trong trường hợp bất thường  Thao tác đầu nối, chuyển cơng tắc “perturbation” sang vị trí “1” để làm giảm nhiệt độ buồng gia nhiệt  Nếu cháy,rút điện khỏi nguồn cung cấp,sử dụng bình chữa cháy phù hợp để dập tắt lửa - Dừng máy kết thúc thí nghiệm  Thay đổi giá trị đặt  Chuyển đổi công tắc “perturbation” vị trí “1”  Đợi phút cho nhiệt độ buồng gia nhiệt giảm 60% đảm bảo khơng tăng trở lại  Chuyển đổi cơng tắc nguồn sang vị trí OFF  Ngắt nguồn điện cấp 3.2 Khảo sát số thời gian, thời gian trễ thông số điều khiển PID theo phương pháp Broida : - Xác định số thời gian thời gian trễ hệ thống mức OP = 40% +Chỉnh điều khiển chế độ điều khiển Manual + Chỉnh gia trị OP =40% đợi hệ thống đạt ổn định, ghi nhận lại kết nhiệt độ + Tiếp theo,đặt giá trị OP = 50% ,ghi nhận giá trị hệ thống sau 15 giây hệ thống đạt trạng thái ổn định +Biểu diễn giá trị đo đồ thị + Xác định chênh lệch nhiệt độ bắt đầu tăng từ mức OP =40% lên OP=50% đến hệ thống ổn định mức OP =50% , kí kiệu t + Xác định thời gian để đáp ứng hệ thống đạt 28% t ( gọi t1), 40% t (gọi t2), 63% t hình vẽ sau: + Xác định số thời gian sau: t= 5,5(t2- t1) + Xác định thời gian trễ tm hình vẽ lấy thời gian để đáp ứng hệ thống đạt 63% t trừ cho số thời gian  Xác định thông số điều khiển PID theo phương pháp Broida Từ kết ta chọn điều khiển phù hợp với hệ thống theo mối quan hệ sau Tỷ số Sau đó, xác định thơng số điều khiển sau: Bảng 1: Cách xác định thông số cho điều khiển PID Bộ điều khiển ON - OFF P PI PID Lưu ý: Trong thí nghiệm này, độ khuếch đại Kp tính thông qua PB khoảng đo từ – 4000C nên thơng số cài đặt máy khác Ví dụ: Nếu KP = 9,13 PB = 100 Kp = 100 = 10,9% 9,13 Do PB cài đặt máy tính sau : PB = 0,109 400 = 43,60 C - 3.3 Kiểm định thông sau thay đổi thiết lập: Thiết lập thông số PB, Ti, Td xác định phần Chỉnh điều khiển chế độ Auto Đặt giá trị Setpoint 90 Ghi nhận lại giá trị nhiệt độ đạt ổn định Thay đổi giá trị lên 100 Ghi nhận lại giá trị nhiệt độ đạt ổn định Thay đổi giá trị xuống 90 Ghi nhận lại giá trị nhiệt độ đạt ổn định Thay đổi giá trị xuống 80 Ghi nhận lại giá trị nhiệt độ đạt ổn định Thay đổi giá trị đặt trở lại 90 Ghi nhận lại giá trị nhiệt độ đạt ổn định Biểu diễn giá trị đồ thị Nhận xét kết đạt 3.4 Kiểm chứng thông số với tác động nhiễu: - Hai loại nhiễu: loại gây cách cho quạt hoạt động nhanh khoảng đến giây, loại nhiễu khác gây cách thay đổi công suất gia nhiệt ( tức chuyển công tắc “Perturbation” sang vị trí khoảng giây chuyển sang vị trí suốt q trình đo) - Ghi nhận lại đáp ứng hệ thống Kết thực nghiệm: 4.1 Xác định thông số điều khiển theo phương pháp Broida : Bảng 2: Giá trị PV mức OP =40% OP =50% chế độ điều khiển Manual Thời gian (s) 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050 1080 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 1350 1380 4.2 Kiểm chứng thông số sau thay đổi thiết lập : Bảng 3: Đáp ứng hệ thống chế độ điều khiển Auto khơng có tác động nhiễu : 4.3 Kiểm chứng thông số với tác động nhiễu: Bảng 4: Đáp ứng hệ thống chế độ điều khiển Auto với tác động nhiễu : Thời gian nhiệt độ ổn định (s) Setpoint, SP (0 C) Giá trị nhiệt độ, PV(0 C) 400 100 100.2 4.4 Xử lý số liệu vẽ đồ thị: Bảng 5: Xác định thời gian trễ số thời gian t (0 C) 19.3 Bảng 6: Xác định thông số điều khiển theo phương pháp Broida: Bộ điều khiển PID PV (0 C) 150 140 130 120 110 100 90 80 70 20 60 50 10 40 30 0 1 Thời gian (s) Bàn luận thí nghiệm: Các số liệu đo thí nghiệm có nhiều sai xót: thiết bị cũ dẫn kết có độ lệch tĩnh người vận hành thiếu kinh nghiệm Khi điều khiển chế độ Manual tốc độ thay đổi giá trị đo chậm để đạt đến giá trị ổn định mong muốn, sau tìm điều khiển để chế độ Auto tốc độ thay đổi nhanh chóng đạt đến kết mong muốn Khi có tác động nhiễu lên hệ thống phá vỡ ổn định, giá trị đo lệch khỏi giá trị mong muốn Và cần thời gian định để trở ổn định ban đầu Ứng dụng q trình điều khiển nhiệt độ cơng nghiệp: hỗ trợ kiểm sốt trì nhiệt độ ổn định trình chế biến sản phẩm, điều khiển máy móc vận hành hiệu Thơng thường sử dụng hệ thống gia nhiệt, máy ép nhựa, lò sấy, lò nướng, nồi hơi, hệ thống khí nén, điều khiển loại van - Mở van cấp khí V1, điều chỉnh áp suất vào bar - Khi nhấn nút Star, điều khiển UDC2500 bắt đầu chế độ manual - Mở van nhiễu V3- vòng - Mở van V4 5 Kết thí nghiệm đồ thị Xác định PBc, Tc PB (%) 10 1.5 0.5 PBc=3 Quan hệ dải tác động tỉ lệ với độ 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 00 5.2 Tính tốn điều khiển cho hệ thống P PID nối PID song PID hỗn 11 BP Ti 50 Td 5.3 Đánh giá lựa chọn điều khiển hệ hoạt động áp suất bar Bộ điều khiển P PI nối tiếp PI song song PID nối tiếp PID song song PID hỗn hợp Bàn luận - Với giá trị SP (giá trị đặt trước) giá trị PB (tỷ lệ phân bố), điều khiển cho giá trị OP (điều khiển đầu ra) PV (giá trị đầu vào) khác - Sau cài đặt thông số cho điều khiển, trình điều khiển bắt đầu Áp suất tăng dần sau khoảng thời gian, đạt đến giá trị SP đặt trước Các tham số điều khiển (PB, Ti, Td) định đến lựa chọn điều khiển cho trình - Điều khiển vi phân thường làm giảm %OP PV tăng, tăng %OP PV giảm Vi phân điều khiển giúp trình tránh vọt lố làm cho hệ thống tự ổn định - Khả đáp ứng hệ thống xuất nhiễu phụ thuộc vào nhiều yếu tố độ lớn tần số nhiễu, thời gian phản hồi hệ thống, cấu trúc thông số điều khiển, độ ổn định hệ thống, độ xác cảm biến áp suất,… Vì vậy, để đảm bảo khả đáp ứng tốt hệ thống xuất nhiễu, cần thiết phải thiết kế hệ thống phù hợp, hệu chỉnh cảm biến cách, lựa chọn điều khiển tốt đảm bảo ổn định hệ thống 12 BÀI 3: ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG (DELTALAB) - Mục tiêu nghiên cứu: Trình bày nguyên lý điều khiển hệ thống điều khiển lưu lượng - Mơ tả vai trị phận hệ thống điều khiển: Đầu dò lưu lượng, phận tác động, thiết bị đo chênh lệch áp suất, chuyển đổi I/P, điều khiển UDC 2500 - Xác định chế độ điều khiển tham số điều khiển (PB, Ti, Td) phương pháp điều chỉnh phương pháp Nichols – Ziegler - Đánh giá khả điều khiển hệ thống điều khiển Mơ tả thí nghiệm: Hệ thống thí nghiệm mơ tả việc điều khiển lưu lượng dòng chất lỏng hệ thống ống - Hệ thống bao gồm: bồn nước 100L, van dẫn nước vào Một bơm ly tâm, có lưu lượng kế dạng phao lưu lượng kế dạng màng chắn - Lưu lượng khiển van tay V3 phần van tự động - Hộp điện cung cấp điện cho đầu dò, điều khiển, chuyển đổi Cách tiến hành thực nghiệm: Trước bật công tắc Power, van đường ống đẩy hút phải mở hoàn toàn Kiểm tra cài đặt UDC 2500 theo Catalog nhà sản xuất Hệ thống phải hoạt động chế độ Auto - Đuổi khí hệ thống ( thực đường ống có khí) - Bật bơm cho dịng lưu chất hệ thống chạy tuần hoàn - Mở hai van M1 M5 ( shut- off valves) - Cho nước chạy vào hệ thống với lưu lượng lớn - Mở van cân M3 Cho nước chạy tuần hồn để loại bỏ khí đường ống mềm nối với màng chắn - Đóng van cân M3 Đóng van M5 (phía dưới) - Mở van cân M3 Mở van M2, M4 để đuổi khí sau đóng lại - Đóng van cân M3 Mở van M5 3.1 Khảo sát ảnh hưởng dải tác động tỉ lệ ( PB ): - Bộ điều khiển phải hoạt động chế độ điều khiển tỉ lệ cách: 13 Trên điều khiển cài đặt ALGOR → CTR ALG: giá trị “ PD + MR” để loại bỏ tác dụng tích phân cài đặt TUNING → RATE T: giá trị - Trên hình máy vi tính, trang “ control monitoring”, chọn giá trị Ti = 50 để loại bỏ tác động tích phân 3.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian tích phân Ti: Lưu lượng mong muốn 700 L/h cài đặt giá trị SP =700 L/h - Bộ điều khiển phải hoạt động chế độ điều khiển tỉ lệ tích phân cách: - Trên điều khiển cài đặt ALGOR → CTR ALG: giá trị “ PID A” cài đặt TUNING → RATE T: giá trị - Trên hình máy vi tính, trang “ control monitoring”, dải tác động tỉ lệ theo giá trị khảo sát 3.3 Tác động tỉ lệ, tích phân, vi phân: Để nhận thấy ảnh hưởng tác động vi phân hệ thống, quan sát đáp ứng hệ thống tác động nhiễu ( thời gian trở ổn định, độ vọt lố, ) chế độ điều khiển có khơng có tác động vi phân ( Td = 0.2 phút, Td =0 phút ) Kết thực nghiệm xử lý số liệu : 4.1 Khảo sát ảnh hưởng PB: PB (%) 200 100 75 50 25 4.2 Khảo sát ảnh hưởng tác động tích phân( PB chọn thí nghiệm ) : Ti ( phút ) 0.5 0.25 0.2 14 4.3 Khảo sát ảnh hưởng tác động vi phân( PB,Ti chọn thí nghiệm ) : Ti ( phút ) 0 Vẽ đồ thị : 5.1 Khảo sát ảnh hưởng tác động tỉ lệ PB đến sai số ∆Q PB (%) 200 100 75 50 25 Ảnh hưởng c 250 200 PB(%) 150 100 50 15 Ti ( phút) 1.0 0.5 0.25 0.2 Ảnh hưởng tác động tích ph 100 t (s) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Nhận xét bàn luận: 6.1 Ảnh hưởng PB (%), Ti, Td đến hệ thống: - Có thể điều chỉnh dải tác động tỉ lệ (PB) để có điều chỉnh tốt điều kiện khác quy trình Nếu giảm dải tác động 0, ta điều khiển On/ Off - Bước tích phân tăng tốc độ chuyển động trình tới điểm đặt khử sai độ lệch tĩnh điều khiển có tác động tỉ lệ Tuy nhiên, bước tích phân đáp ứng sai số tích lũy q khứ, khiến giá trị vọt lố - Tác động điều khiển vi phân có xu hướng làm giảm OP Ngược lại PV giảm, phần vi phân có xu hướng làm tăng OP Bước vi phân điều khiển giúp trình tách vọt lố làm cho hệ thống tự ổn định 6.2 Chọn điều khiển thích hợp cho hệ thống Viết phương trình hàm truyền : 16 - Bộ điều khiển thích hợp : PB=50 Ti = 0.25 Td = - Phương trình hàm truyền : OP out = ± (2× (700-890.1)+ 17 BÀI : ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG - Mục tiêu nghiên cứu: Trình bày nguyên lý điều khiển hệ thống điều khiển mức chất lỏng - Mô tả vai trò phận hệ thống điều khiển: Đầu dò, thiết bị điều khiển, thiết bị phát động,… - Xác định chế độ điều khiển tham số điều khiển (PB, Ti, Td) phương pháp điều chỉnh phương pháp Nichols – Ziegler - Đánh giá khả điều khiển hệ thống điều khiển - Mô tả thí nghiệm: Hệ thống thí nghiệm mơ tả việc điều khiển mứcchất lỏng cột Hệ thống bao gồm: cột trụ Plexiglas có đường kính 190mm, chiều cao 1250mm - Một bơm ly tâm dùng để bơm nước liên tục từ bồn chứa vào cột Lưu lượng nước phần điều khiển van tay để thiết lập khoảng làm việc phần van tự động Nước dẫn ngồi thơng qua van ri đặt đáy cột Ngồi cịn có van xả đáy để tháo nước cột Ống chảy tràn để nước ngồi mức nước cao.Một cảm biếp áp suất, đặt đáy tháp, để đo mức nước cột Bộ truyền tín hiệu lấy giá trị áp suất đọc gửi điều khiển UDC 2500 dạng tín hiệu Analog 4-20 mA - điều khiển UDC 2500 có giao diện người- máy Nó nhận tín hiệu từ truyền hiển thị cho người sử dụng , từ ta thay đổi giá trị cài đặt - Van tỉ lệ soleniod thiết bị tác động vịng điều khiển Nó vận hành điều khiển Đây van tỉ lệ, độ mở van có mức khoảng từ 0-100% Van điều khiển thông qua chuyển đổi cường độ (I) /Áp suất (P) Trong đó, giá trị đầu điều khển khoảng 4-20 mA chuyển thành áp suất khí nén tương ứng để xác định mức độ mở van Cách tiến hành thực nghiệm: 3.1 Xác định tác động PID: Có hai phương pháp sử dụng phổ biến - Phương pháp điều chỉnh - Phương pháp Ziegler – Nichols 18 3.2 Cài đặt theo phương pháp điều chỉnh a Khảo sát ảnh hưởng dải tác động tỉ lệ ( PB ): - Bộ điều khiển phải hoạt động chế độ điều khiển tỉ lệ cách: Trên điều khiển cài đặt ALGOR → CTR ALG: giá trị “ PD + MR” để loại bỏ tác dụng tích phân, cài đặt TUNING → RATE T: giá trị - Trên hình máy vi tính, trang “ control monitoring”, chọn giá trị Ti = 50 để loại bỏ tác động tích phân b Khảo sát ảnh hưởng thời gian tích phân Ti: Lưu lượng mong muốn 700 L/h cài đặt giá trị SP =700 L/h - Bộ điều khiển phải hoạt động chế độ điều khiển tỉ lệ tích phân cách: - Trên điều khiển cài đặt ALGOR → CTR ALG: giá trị “ PID A” cài đặt TUNING → RATE T: giá trị - Cài đặt giá trị SP giá trị PB tìm Trên hình máy vi tính, trang “ control monitoring”, dải tác động tỉ lệ theo giá trị khảo sát c Tác động tỉ lệ, tích phân, vi phân: Để nhận thấy ảnh hưởng tác động vi phân hệ thống, quan sát đáp ứng hệ thống tác động nhiễu ( thời gian trở ổn định, độ vọt lố, ) chế độ điều khiển có khơng có tác động vi phân ( Td = 0.2 phút, Td =0 phút ) Kết thực nghiệm xử lý số liệu : 4.1 Khảo sát ảnh hưởng PB: PB (%) 200 100 50 25 15  Chọn giá trị PB = 25% 19 4.2 Khảo sát ảnh hưởng tác động tích phân( PB chọn thí nghiệm ) : Ti ( phút ) 0.5  Chọn giá trị Ti = 0.5 4.3 Khảo sát ảnh hưởng tác động vi phân( PB,Ti chọn thí nghiệm ) : Td ( phút ) 0.2  Chọn giá trị Td = 0.2 Vẽ đồ thị : 5.1 Khảo sát ảnh hưởng tác động tỉ lệ PB đến sai số ∆Q PB (%) 200 100 50 25 15 20 PB (%) 250 200 150 100 50 5.2 Khảo sát ảnh hưởng Ti đến thời gian đạt trạng thái ổn định ( t ): Ti ( phút ) 0.5 21 120 t(s) 100 80 60 40 20 Ti (s) 5.3 Khảo sát theo phương pháp Nichols – Ziegler: Cài đặt điều khiển UDC 2500 SP 40 50 60 Bộ điều khiển có PB =25% , Ti = 0.5 (min) Td =0.2 (min) đáp ứng cho giá trị cài đặt điều khiển từ 50- 60 l/h Nhận xét bàn luận: 6.1 Ảnh hưởng PB (%), Ti, Td đến hệ thống: - Có thể điều chỉnh dải tác động tỉ lệ (PB) để có điều chỉnh tốt điều kiện khác quy trình Nếu giảm dải tác động 0, ta điều khiển On/ Off 22 - Bước tích phân tăng tốc độ chuyển động trình tới điểm đặt khử sai độ lệch tĩnh điều khiển có tác động tỉ lệ Tuy nhiên, bước tích phân đáp ứng sai số tích lũy khứ, khiến giá trị vọt lố - Tác động điều khiển vi phân có xu hướng làm giảm OP Ngược lại PV giảm, phần vi phân có xu hướng làm tăng OP Bước vi phân điều khiển giúp trình tách vọt lố làm cho hệ thống tự ổn định 6.2 Chọn điều khiển thích hợp cho hệ thống Viết phương trình hàm truyền : - Bộ điều khiển thích hợp : PB=25 Ti = 0.5 Td = 0.2 - Phương trình hàm truyền : OP out = ± (4× (50-42.12)+ 23