Báo cáo thí nghiệm điều khiển quá trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN Báo cáo thí nghiệm Điều khiển quá trình Giảng viên hướng dẫn: Cao Thành Trung Sinh viên thực hiện: Lê Minh Đức MSSV: 20181404 Mã lớp thí nghiệm: 707425 Thông số cho bài thí nghiệm: Course: 63 Class: 25 Number list: 02 Stoptime: 4300 Page 1 Bài 1 Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức 1. Mục đích thí nghiệm Bài thí nghiệm được xây dựng dưới dạng một bài tập tổng hợp hơn là một bài thí nghiệm đơn thuần, nhằm giúp học viên biết cách vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học vào một bài toán cụ thể và hoàn chỉnh. Do đó, học viên cần phải dành một lượng thời gian thích hợp để chuẩn bị trước cho bài thí nghiệm. Bài thí nghiệm này giúp học viên biết cách xây dựng mô hình cho một đối tượng điều khiển đơn giản và thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng đó. Học viên cũng được thử nghiệm các sách lược điều chỉnh khác nhau và xét ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống, từ đó rút ra được những kinh nghiệm cơ bản trong việc xây dựng một hệ thống điều khiển. Các kiến thức cơ sở liên quan đến bài thí nghiệm bao gồm:  Xây dựng mô hình cho đối tượng bằng phương pháp lý thuyết ;  Xây dựng mô hình cho đối tượng bằng phương pháp thực nghiệm ;  Lưu đồ PID ;  Các sách lược điều chỉnh: điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi, điều khiển tầng ;  Thuật toán PID và bộ điều chỉnh PID thực. 2. Đối tượng và yêu cầu của thí nghiệm Đối tượng thí nghiệm là hệ thống một bình mức với một van vào và van ra (hình vẽ). Chiều cao của bình chính là giá trị tối đa của mức chất lỏng trong bình, là 1000. Lưu lượng chất lỏng chảy qua các van (van vào và van ra) được tính là tích của độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 đến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van. Giá trị lưu lượng tối đa qua mỗi van không nhất thiết là một hằng số. Có thể đo hoặc không đo lưu lượng ra. Yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống này để điều chỉnh mức chất lỏng trong bình ổn định ở giá trị đặt (do người sử dụng đặt). Bộ điều khiển chỉ có thể tác động tới van vào (thay đổi độ mở van vào), còn van ra do người sử dụng tùy ý điều khiển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN Báo cáo thí nghiệm Điều khiển q trình Giảng viên hướng dẫn: Cao Thành Trung Sinh viên thực hiện: Lê Minh Đức MSSV: 20181404 Mã lớp thí nghiệm: 707425 Thơng số cho thí nghiệm: Course: 63 Class: 25 Number list: 02 Stoptime: 4300 Bài Xây dựng hệ thống điều khiển bình mức Mục đích thí nghiệm Bài thí nghiệm xây dựng dạng tập tổng hợp thí nghiệm đơn thuần, nhằm giúp học viên biết cách vận dụng cách tổng hợp kiến thức học vào tốn cụ thể hồn chỉnh Do đó, học viên cần phải dành lượng thời gian thích hợp để chuẩn bị trước cho thí nghiệm Bài thí nghiệm giúp học viên biết cách xây dựng mơ hình cho đối tượng điều khiển đơn giản thiết kế điều khiển cho đối tượng Học viên thử nghiệm sách lược điều chỉnh khác xét ảnh hưởng nhiễu đến hệ thống, từ rút kinh nghiệm việc xây dựng hệ thống điều khiển Các kiến thức sở liên quan đến thí nghiệm bao gồm: Xây dựng mơ hình cho đối tượng phương pháp lý thuyết ; Xây dựng mơ hình cho đối tượng phương pháp thực nghiệm ; Lưu đồ P&ID ; Các sách lược điều chỉnh: điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi, điều khiển tầng ; Thuật toán PID điều chỉnh PID thực      Đối tượng yêu cầu thí nghiệm Đối tượng thí nghiệm hệ thống bình mức với van vào van (hình vẽ) Chiều cao bình giá trị tối đa mức chất lỏng bình, 1000 Lưu lượng chất lỏng chảy qua van (van vào van ra) tính tích độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 đến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua van không thiết số Có thể đo khơng đo lưu lượng Yêu cầu đặt xây dựng điều khiển cho hệ thống để điều chỉnh mức chất lỏng bình ổn định giá trị đặt (do người sử dụng đặt) Bộ điều khiển tác động tới van vào (thay đổi độ mở van vào), van người sử dụng tùy ý điều khiển Page Nhiệm vụ thí nghiệm 1) Xác định tín hiệu vào, tín hiệu nhiễu hệ thống Tín hiệu vào độ mở (hoặc lưu lượng) van vào In Flow, tín hiệu mức chất lỏng bình level cịn nhiễu độ mở van Out Flow 2) Trên sở nguyên lý làm việc bình mức, xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng với tham số hình thức (Viết pt cân bằng, xác định số bậc tự do, biến đổi Laplace, xác định pt hàm truyền) Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống Số bậc tự do: Phương trình cân vật chất: 𝑑𝑉 𝑑ℎ = A = F1 - F2 (1) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 Trong đó: A tiết diện cắt ngang bình chứa (coi từ xuống) Phương trình mơ hình trạng thái xác lập Page 𝑑ℎ = A = 𝐹1 - 𝐹2 (2) 𝑑𝑡 Trừ vế theo vế (1) (2) ta được: 𝑑∆ℎ A = ∆F1 − ∆F2 𝑑𝑡 Đặt: y = ∆h; u = ∆F2; d = ∆F1 Phương trình trở thành: 𝑑𝑦 = (d-u) 𝑑𝑡 𝐴 𝑑𝑦 Tại trạng thái ban đầu tất biến chênh lệch y, u, d 𝑑𝑡 Laplace vế ta 1 sy(s) = - u(s) + d(s) 𝐴 𝐴 Do van khâu quán tính bậc nên hàm truyền hệ thống có dạng: 1 𝑘 G(s) = = 𝐴𝑠 𝑇𝑠+1 𝑠(𝑇𝑠+1) 3) Đối tượng bình mức mơ khối Single-Tank Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình Sử dụng Simulink để xác định tham số mô hình trên, áp dụng phương pháp nhận dạng học Phương pháp đường cong đáp ứng Với thông số Course Number = 63 (Khóa 63) Class Number = 25 (Lớp TN 707425) Namelist Number = 02 (STT 02) Page Cho tín hiệu tác động bậc thang đầu vào ta có đáp ứng hàm độ có dạng quán tính bậc (stoptime=20s, để tiện xác định K T) Từ lý thuyết đồ thị ta xác định tham số mơ sau: T = 4.4 K = 3.4 Để kiểm chứng ta dùng mơ hình sau: Nhận thấy đồ thị mơ đồ thị nhận dạng có sai định Để đạt sai số tối thiểu, ta điều chỉnh tham số K, T Page Với K = 3.4 T = 4.4, ta có đồ thị: 4) Xác định sách lược điều chỉnh sử dụng sách lược điều chỉnh sử dụng cho tốn này, giải thích - Sách lược sử dụng: điều khiển phản hồi điều khiển tầng - Sách lược không sử dụng được: điều khiển truyền thằng, điều khiển tỉ lệ, điều khiển lựa chọn điều khiển phân vùng Quá trình bình định mức khâu tích phân khơng có tính tự cân bằng, điều khiển truyền thẳng khơng làm thay đổi tính ổn định hệ thống Nên tác động nhỏ nhiễu làm hệ thống tới trạng thái cân Điều khiển tỉ lệ áp dụng cho hệ thống: trì quan hệ biến nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3, mà điều khiển bình mức có biến điều khiển nên không áp dụng Điều khiển lựa chọn điều khiển phân vùng cần biến điều khiển mà bình định mức có biến điều khiển nên khơng sử dụng Hàm truyền đạt đầy đủ PID: K(s) = kc (1+ +τds) τis 5) Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng -Nêu phương pháp xác định tham số cho điều khiển PID, cần giải thích rõ chọn phương pháp này? Phương pháp xác định tham số cho điều khiển PID phương pháp Ziegler-Nichol Vì ta khảo sát hàm truyền đạt đối tượng Page Tính tốn thơng số điều khiển theo công thức Ziegler Nichol với thông số sau: K=2.7 T=3.6 Bộ điều Kc Ti Td khiển P 1/K = 0.37 PI 0.9/K = 0.33 10T/3 = 12 PID 1.2/K = 0.44 2T = 7.2 0.5T = 1.8 Dạng hàm truyền đạt PID: K(s) = Kc (1 + + Tds) 𝑇𝑖𝑠 Ta có sách lược điều khiển sách lược điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi điều khiển tầng 6) Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng, xây dựng điều khiển mức cho đối tượng Mô Simulink với khối Single-Tank Tank GUI Lưu đồ P&ID: Page Sơ đồ Simulink: (Giá trị đặt SP = 400, so sánh giá trị đặt Level (bằng scope), chọn stoptime = 4300) Bộ điều khiển PI (P = 0.33, Ti = 12) Page Bộ điều khiển PID (P = 0.44, Ti = 7.2, Td=1.8) -Nhận xét khả áp dụng sách lược điều chỉnh Kết ta thấy tín hiệu đầu khơng bám theo tín hiệu chủ đạo, q trình khơng đến ổn định Không thể áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng Giải thích Vì sách lược điều khiển truyền thẳng địi hỏi phải biết rõ thơng tin trình ảnh hưởng nhiễu Tuy nhiên, mơ hình đối tượng mơ hình nhiễu khơng xác, khơng phải nhiễu đo được, nên sai lệch tĩnh tồn Thực tế, điều khiển lý tưởng tính khả thi 7) Sử dụng sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn, xây dựng điều khiển mức cho đối tượng Mô Simulink Thử dùng điều khiển khác P, PI PID cho đối tượng Lưu đồ P&ID: Page Sơ đồ Simulink Trường hợp sử dụng điều khiển P Bộ điều khiển P (P = 0.37) Nhận xét Bộ điều khiển đạt giá trị đặt, đẹp Page Kết mô với Kp =0.37, Stoptime =4300 sau: Nhận xét: Hệ đạt xấp xỉ giá trị đặt Trường hợp sử dụng điều khiển P (vịng ngồi)/PI-RW (vịng trong) Bộ điều khiển thứ cấp điều khiển sơ cấp giống trường hợp không đo lưu lượng Simulink Page 17 Kết mô với kp =0.33, Ti=12, Stoptime =4300 sau: Nhận xét: Hệ bám tốt So sánh hai trường hợp đo lưu lượng không đo lưu lượng ra: ta thấy điều khiển tầng với thơng số hợp lí cho chất lượng điều khiển tốt Và theo kết mô trường hợp đo lưu lượng không đo lưu lượng cho kết hệ thống có chất lượng tốt Chứng tỏ thiết kế điều khiển PID tốt Theo lí thuyết điều khiển tầng cho đáp ứng nhanh thay đổi đột ngột giá trị đặt so với điều khiển phản hồi vịng đơn túy Kết mơ thay đổi SP từ 400 lên 800 theo thiết kế P/PI-RW (đo lưu lượng ra): Page 18 Bài Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức Mục đích thí nghiệm Tiếp theo thí nghiệm 1, thí nghiệm giúp học viên củng cố nâng cao kiến thức học áp dụng kiến thức vào toán phức tạp Yêu cầu để thực thí nghiệm học viên phải thực hoàn chỉnh thí nghiệm thứ Các kiến thức sở liên quan đến thí nghiệm bao gồm: Xây dựng mơ hình cho đối tượng MIMO (bằng phương pháp lý thuyết phương pháp thực nghiệm) Phân tích RGA, cặp đơi vào Thiết kế sách lược điều khiển tầng Thiết kế sách lược điều khiển vòng (điều khiển phân tán) Đối tượng yêu cầu thí nghiệm Đối tượng thí nghiệm hệ thống gồm hai bình mức thơng (hình vẽ) Chiều cao hai bình, giá trị tối đa mức chất lỏng bình 1000 Lưu lượng chất lỏng chảy qua van tính tích độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 đến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua van không thiết số Tất giá trị lưu lượng qua đường ống đo Yêu cầu đặt xây dựng điều khiển cho hệ thống để điều chỉnh mức chất lỏng hai bình ổn định giá trị đặt (do người sử dụng đặt) Bộ điều khiển tác động tới van van (thay đổi độ mở van), van người sử dụng tùy ý điều khiển     Nhiệm vụ thí nghiệm 1) Xây dựng mơ hình cho đối tượng xác định tín hiệu vào, tín hiệu nhiễu hệ thống - Tín hiệu vào F1, F2 - Tín hiệu h1, h2 - Nhiễu F3 Page 19 2) Trên sở nguyên lý làm việc bình mức, xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng với tham số hình thức Phương trình cân vật chất cho bình 1: dh1 A = F1 - F2 dt dh1 1 dh2 1 = F1 - F2 dt 𝐴 𝐴 Phương trình cân vật chất cho bình 2: dh2 A = F2 - F3 dt = F2 - F3 dt 𝐴 𝐴 Thực phép biến đổi Laplace hệ thống bình mức, van khâu qn tính bậc nên hàm truyền bình G1(s) có dạng 1 k G1(s) = = As Ts+1 s(Ts+1) Do hai bình mức thơng nhau, nên đáp ứng bình có thời gian trễ đáng kể so với bình Bình thể khâu qn tính tích phân có trễ, hàm truyền có dạng G2(s): 1 k G2(s) = 𝑒 −τs = 𝑒 −τs As Ts+1 s(Ts+1) 3) Đối tượng bình mức mơ khối Two-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 Sơ đồ Simulink Với số Course = 63 (Khóa 63) Class = 25 (Lớp thí nghiệm 707425) Number = 02 (STT 02) Page 20 Cho tín hiệu đáp ứng bậc thang đầu vào, ta có đồ thị đáp ứng hệ thống hình vẽ: Bình 1: Đối tượng có mơ hình khâu qn tính bậc có trễ 0.6 G1(s)= *𝑒 −1,5∗𝑠 4.3∗𝑠+1 Bình 2: Đối tượng có mơ hình khâu qn tính bậc có trễ 0.18 G2(s)= * 𝑒 −5.5∗𝑠 4.5∗𝑠+1 Thiết kế sách lược điều khiển cho hệ thống Page 21 Tính tốn điều khiển theo phương pháp Ziegler-Nichols I đối tượng qn tính bậc có trễ (phương pháp tối ưu đối xứng không quan tâm đến trễ hệ thống) BĐK P PI PID Kp Bình 4.78 4.3 5.73 Ti Bình 4.55 4.09 5.45 Td Bình Bình Bình Bình 18.33 11 0.75 2.75 3.Các sách lược sử dụng: Sách lược điều khiển phản hồi sách lược điều khiển tầng Không thể sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng, điều khiển tỉ lệ: sách lược điều khiển truyền thẳng có nhiệm vụ bù nhiễu, sách lược điều khiển truyền thẳng khơng có khả ổn định hệ thống Ta lựa chọn sách lược điều khiển tầng để triệt tiêu tối đa sai lệch tĩnh cho chất lượng điều khiển hệ thống tốt sách lược điều khiển phản hồi 4.Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn + Bộ điều khiển P Sơ đồ simulink: Page 22 Kết mô phỏng: Bình 1: với giá trị SP1=400, kp=4.78, stoptime = 4300 Bình 2: với giá trị SP2 = 300, kp=4.55, stoptime = 4300 Nhận xét: điều khiển hoạt động tốt sai lệch tĩnh gần Page 23 Bộ điều khiển PI-RW Khâu PI nối tiếp với khâu chống bão hịa tích phân Kết mơ : Bình : SP1=400, kp=4.3 ,Ti=5, stoptime=4300 Page 24 Bình 2: SP2=300,kp=1.59 ,Ti=18.15 stoptime=7000 Nhận xét: điều khiển hoạt động tốt sai lệch tĩnh gần Sách lược điều khiển tầng Xác định vòng điều khiển cần xây dựng: Đặc điểm, nhiệm vụ vịng: Bình 1: Vịng ngồi: điều khiển phản hồi mực nước bình, điều khiển cho hệ thống bám theo giá trị đặt Vòng thứ hai: điều khiển độ mở van InValve 1, giúp cho hệ thống phát nhanh với thay đổi nhiễu Binh 2: Vịng ngồi: điều khiển phản hồi mực nước bình, điều khiển cho hệ thống bám theo giá trị đặt Vòng thứ hai: điều khiển độ mở van InValve 2, giúp cho hệ thống phát nhanh với thay đổi nhiễu Page 25 Đo lưu lượng max: Inflow valve 1=1 (mở tối đa) : 19 ∗ 104 Page 26 Inflow valve = (mở tối đa): 19 ∗ 104 Mơ với điều khiển: Bộ P (vịng ngồi) / P (vịng trong) Theo lập luận thiết kế p-p điều khiển tầng ta có: 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤1 𝑚𝑎𝑥 19∗104 + K gain1( vịng ngồi )= 𝑑𝑒𝑡𝑎𝑙 𝐿 𝑚𝑎𝑥 = 1000 =190; Kp1′(vịngtrong)=4.78 (theo tính tốn Zieger Nichols trên); Kp1 (vịng trong) = 4.78 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑜𝑤1 𝑚𝑎𝑥 7.6∗104 + K gain2( vịng ngồi )= = = 76; 𝑑𝑒𝑡𝑎𝑙 𝐿 𝑚𝑎𝑥 1000 Kp2′(vịngtrong)=4.55(theo tính tốn Zieger Nichols trên); Kp2(vòng trong) =4.55 Page 27 Simulink kết mơ : Bình 1 với SP1 = 400, kp=4.78, stoptime = 4300 : Page 28 Bình 2 với SP2 = 300, kp=4.55, stoptime = 4300 Nhận xét: Bộ điều khiển P đạt chất lượng điều khiển nhanh tín hiệu mức nước bám sát tín hiệu đặt SP Bộ P/PI-RW Sơ đồ simulink +) Vòng điều khiển điều khiển p (kgain1 vòng ngoai =145; kgain2 vịng ngồi =58) để tăng đáp ứng hệ thống, vòng điều khiển PI-RW để triệt tiêu sai lệch tĩnh Trong thơng số điều khiển PI-RW lấy phần Page 29 Bình : Sơ đồ simulink: Kết mô phỏng: SP = 400, Kp = 4.3, Ti = 5, stoptime = 4300 Nhận xét: Bộ điều khiển P đạt chất lượng điều khiển nhanh tín hiệu mức nước bám sát tín hiệu đặt SP Page 30 Bình 2: Kết mô phỏng: SP = 300, Kp = 4.09, Ti = 18.33, stoptime = 4300 Nhận xét: Bộ điều khiển P đạt chất lượng điều khiển nhanh tín hiệu mức nước bám sát tín hiệu đặt SP Page 31