Báo cáo thực hành điều khiển quá trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ============ BÁO CÁO THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Sinh viên thực hiện: Đào Phi Dương Mã số sinh viên: 20181432 Khóa: K63 Mã lớp TN: 707429 Mã lớp lý thuyết: 124684 Dữ liệu làm báo cáo Course: 63 Class: 29 Number: 32 Stoptime: 3200 Hà Nội, T82021 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1 BÀI 1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT BÌNH NƯỚC 1. Xác định tín hiệu vào, tín hiệu rs và nhiễu của hệ thống Tín hiệu vào: Độ mở van vào (In Valve) F1 Tín hiệu ra: Mức nước trong bình (Level) h Nhiễu hệ thống: Độ mở van ra (Out Valve) F2 Số biến vào là: 2 Số biến ra là : 1 Số bậc tự do là: 31 =2 và bằng số biến vào. Hệ thống điều khiển được 2. Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng với các tham số hình thức Phương trình cân bằng:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ============ BÁO CÁO THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Sinh viên thực hiện: Đào Phi Dương Mã số sinh viên: 20181432 Khóa: K63 Mã lớp TN: 707429 Mã lớp lý thuyết: Dữ liệu làm báo cáo Course: 63 Class: 29 Number: 32 Stoptime: 3200 Hà Nội, T8/2021 124684 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội BÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT BÌNH NƯỚC Xác định tín hiệu vào, tín hiệu rs nhiễu hệ thống Tín hiệu vào: Độ mở van vào (In Valve) - F1 Tín hiệu ra: Mức nước bình (Level) Nhiễu hệ thống: Độ mở van (Out Valve) - F2 -h Số biến vào là: Số biến : Số bậc tự là: 3-1 =2 số biến vào Hệ thống điều khiển Xây dựng mô hình tốn học cho đối tượng với tham số hình thức Phương trình cân bằng: Biến đổi Laplace: 𝐴 𝒅𝒉 𝒅𝒕 = 𝐹1 − 𝐹2 A.s.h(s)= 𝐹1 (𝑠) − 𝐹2 (𝑠) Khi khơng có nhiễu: A.s.h(s)= 𝐹1 (𝑠) => G’(s)= ℎ(𝑠) 𝐹1 = (𝑠) 𝐴.𝑠 Do đặc tính van nên hàm truyền đạt có dạng qn tính bậc : G(s)= 𝑘 𝑠.(𝑇𝑠+1) Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình Cho tín hiệu tác động bậc thang đầu vào Xác định hệ số k,T: Từ lý thuyết đồ thị thực nghiệm ta tính tốn tham số: T = 3.4 k= tan(𝛼) = 22−7.25 10−5 = 2,95 Như ta xác định hàm truyền đạt hệ là: G(s)= 2,95 𝑠.(3,4𝑠+1) Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Kiểm tra lại đáp ứng độ Matlab: Đường màu đỏ thêm vào đường mức nước với đầu vào quán tính bậc vừa tính Các sách lược điều chỉnh a Sách lược điều chỉnh sử dụng: Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Sách lược điều khiển phản hồi: Vì sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định hệ thống không ổn định cụ thể hệ thống bình mức Sách lược điều khiển tầng: Vì sách lược điều khiển tầng có tác dụng ổn định hệ thống khơng ổn định ngồi giảm tối thiểu ảnh hưởng nhiễu b Sách lược điều chỉnh sử dụng: - Sách lược điều khiển truyền thẳng:  Điều khiển truyền thẳng khơng có tác dụng ổn định hệ thống khơng ổnđịnh, cụ thể hệ thống bình mức thí nghiệm có thành phần tích phân  Điều khiển truyền thẳng đáp ứng nhanh với nhiễu, cảm biến đo khơng xác họặc sai số mơ hình lớn làm mực nước bình bị tràn cạn hết - Sách lược điều khiển tỉ lê: Do nguyên lý điều khiển sách lược điều khiển tỉ lệ trì quan hệ hai biến điều khiển nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ Nhưng điều khiển bình mức có biến điều khiển F1 nên áp dụng - Sách lược điều khiển lựa chọn: Do điều khiển lựa chon yêu cầu hai biến điều khiển mà hệ thống bình mức có biến điều khiển nên khơng xác định tín hiệu điều khiển lấn át lên áp dụng sách lược điều khiển Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol phương pháp áp dụng cho đối tượng có đặc tính khâu qn trính bậc khâu tích phân có thời gian trễ tương đối nhỏ 𝑾𝑷𝑰𝑫 (𝒔) = 𝑲𝒑 (𝟏 + 𝟏 + 𝑻𝒅 𝒔) 𝑻𝒊 𝒔 𝑲𝒑 𝑻𝒊 𝑻𝒅 P 𝟏 = 𝟎, 𝟑𝟒 𝒌 - - PI 𝟎,𝟗 3,3.T= 11,22 - 𝒌 = 0,31 Báo cáo thực hành điều khiển trình PID 𝟏,𝟐 𝒌 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội = 0,41 2.T= 6,8 0,5.T =1,7 Dạng hàm truyền điều khiển PID: Nhờ điều chỉnh thông số 𝑲𝒑 , 𝑻𝒊 , 𝑻𝒅 ta có điều khiển P, PI PID tương ứng hình vẽ Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng a Mơ hình sách lược điều khiển truyền thẳng b Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển truyền thẳng Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội c Mơ hình mơ Simulink d Sử dụng sách lược điêu khiển truyền thẳng với ba điều khiển P, PI,PID  Trường hợp sở dụng điều khiển P với 𝑲𝒑 =0,34 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội  Trường hợp sở dụng điều khiển PI với 𝑲𝒑 =0,31; 𝑻𝒊 =11,22  𝐓𝐫ườ𝐧𝐠 𝐡ợ𝐩 𝐬ở 𝐝ụ𝐧𝐠 𝐛ộ đ𝐢ề𝐮 𝐤𝐡𝐢ể𝐧 𝐏𝐈𝐃 𝐯ớ𝐢 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟏, 𝑻𝒊 = 𝟔, 𝟖 ; 𝑻𝒅 = 1,7 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nhận xét: Cả trường hợp đầu khơng bám xác theo tín hiệu chủ đạo Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn a Mơ hình sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn b Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển phản hồi vịng đơn c Mơ hình mơ Simulink Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội d Sử Dụng Sách Lược Điêu Khiển Phản Hồi Vòng Đơn Với Ba Bộ Điều Khiển P, PI, PID  Trường hợp sở dụng điều khiển P với 𝑲𝒑 =0,34 Nhận Xét:  Hệ thống hoạt động ổn định, độ điều chỉnh nhỏ  Thời gian độ ngắn  Lưu lượng ổn đinh Như vậy, sử dụng điều khiển P đơn giản (đặc biệt hệ mô bình nước thân hệ có thành phần tích phân), tác động nhanh mức chất lỏng gần sát với giá trị đặt có tính ổn định cao  Trường hợp sử dụng điều khiển PI với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟑𝟏; 𝑻𝒊 =11,22 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội  Sử dụng điều khiển P/P với Kp ngoài= 3150 ; Kp = 18 Báo cáo thực hành điều khiển trình  Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Sử dụng điều khiển P/PI-RW với P : Kp = 3150 ; PI-RW : Kp=0,9; Ti=Tt=0,089 19 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nhận xét: So sánh sách lược điều khiển phản hồi điều khiển tầng - Cả hai sách lược điều khiển phản hồi tầng đem lại kết điều khiển tốt, thời gian xác lập nhanh, độ điều chỉnh sai lệch tĩnh nhỏ - Tuy nhiên thay đổi giá trị đặt lưu lượng ra, ta thấy điều khiển tầng có đáp ứng nhanh với độ điều chỉnh nhỏ điều khiển phản hồi Vì điều khiển tầng có khâu tỷ lệ P vịng ngồi nên tác động nhanh với thay đổi nhiễu đầu vào có tác dụng triệt tiêu nhiễu Biện pháp: - Khi sai lệch điều khiển 0, tách bỏ thành phần tích phân ĐK, xóa trạng thái thành phần tích phân - Giảm hệ số khuếch đại nằm giới hạn cho phép - Đặt khâu giới hạn đầu ĐK bị giới hạn, phản hồi ĐK để thực thuật toán bù nhằm giảm thành phần tích phân Hệ thống có bù 20 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nhiễu nhận tín hiệu từ mức nước đầu điều khiển dễ dàng ổn định hệ thống khơng có BÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HAI BÌNH NƯỚC THƠNG NHAU Xây dựng mơ hình cho đối tượng Xác định tín hiệu vào, tín hiệu ra, nhiễu hệ thống số bậc tự - Tín hiệu vào: độ mở van F1, độ mở van F2 độ mở van F3 - Tín hiệu ra: Mức hai bình mức: level1: h1 level 2: h2 - Nhiễu: Độ mở van F3 - Số bậc tự do: 5-2 =3 số biến vào  Hệ có khả điều khiển Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng với cá tham số hình thức Phương trình cân bằng: 21 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 𝑨𝟏 𝑨𝟐 𝒅𝒉𝟏 𝒅𝒕 𝒅𝒉𝟐 𝒅𝒕 = 𝑭𝟏 − 𝑭𝟐 = 𝑭𝟐 − 𝑭𝟑 Biến đổi Laplace: 𝑨𝟏 s.𝑯𝟏 (s)= 𝑭𝟏 (𝒔) − 𝑭𝟐 (𝒔) 𝑨𝟐 s.𝑯𝟐 (s)= 𝑭𝟐 (𝒔) − 𝑭𝟑 (𝒔) Nếu khơng tính đến đặc tính qn tính bậc van, => 𝑮𝟏 ’(s)= 𝑮𝟐’(s) = 𝟏 𝑨𝟏 𝒔 𝟏 𝑨𝟐 𝒔 Do đặc tính van khâu có hàm truyền khâu qn tính bậc hai bình thơng nên đặc tính van khâu có hàm truyền khâu qn tính bậc có trễ Vì ta có hàm truyền đạt bình sau 𝑮𝟏 (s)= 𝑮𝟐 (s)= a 𝒌𝟏 𝒔.(𝑻𝒔+𝟏) 𝒌𝟐 𝒔.(𝑻𝒔+𝟏) 𝒆−𝜽𝒔 Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình Bình 1: 22 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Qua phương pháp kẻ tiệm cận, ta xác định hàm truyền đạt bình có dạng: 𝑮𝟏 (s)= 𝟎,𝟕𝟑 𝒔.(𝟑.𝟗𝒔+𝟏) Bình 2: Qua phương pháp kẻ tiệp cận, ta xác định hàm truyền đạt 𝑮𝟐 (s)= 𝟎,𝟕𝟑 𝒔.(𝟏𝟑.𝟕𝒔+𝟏) 𝒆−𝟒𝒔 23 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Kiểm chứng mơ hình ta dùng mơ hình sau Kết mơ sau:  Bình 1:  Bình 2: 24 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các sách lược điều chỉnh b Sách lược điều chỉnh sử dụng Sách lược điều khiển phản hồi: sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định thệ thống không ổn định, cụ thể hệ thống bình nước Sách lược điều khiển tầng: sách ược điều khiển tầng có tác dụng ổn đinh hệ thống khơng ổn định, ngồi cịn giảm ảnh hưởng nhiễu, triệt tiêu sai lệch tĩnh cho chất ;ượng tốt điều khiển phản hồi c Sách lược điều khiển sử dụng Sách lược điều khiển truyền thẳng Điều khiển truyền thẳng khơng có tác dụng ổn định hệ thống không ổn đinh, cụ thể hệ thống bình nước thí nghiệm có thành phần tích phân Điều khiển truyền thẳng đáp ứng nhanh với nhiễu, cảm biến đo khơng xác sai số mơ hình lớn làm mực nước bình bị tràn cạn hết Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng Sử dụng phương pháp Ziegler Nichol Bình 1: 𝑮𝟏 (s)= P PI 𝟎,𝟕𝟑 𝒔.(𝟑.𝟗𝒔+𝟏) 𝑲𝒑 𝑻𝒊 𝑻𝒅 𝟏 = 𝟏, 𝟑𝟕 𝒌 𝟎, 𝟗 = 𝟏, 𝟐𝟑 𝒌 - - 10.T/k= 53,42 - 25 Báo cáo thực hành điều khiển trình PID Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 𝟏, 𝟐 = 𝟏, 𝟔𝟒 𝐤 2T= 7,8 0,5T =1,95 𝑲𝒑 𝑻𝒊 𝑻𝒅 𝟏 = 𝟏, 𝟑𝟕 𝒌 𝟎, 𝟗 = 𝟏, 𝟐𝟑 𝒌 - - 10T/k= 187,67 - 2.T= 27,4 0,5T =6,85 Bình 2: 𝑮𝟐 (s)= 𝟎,𝟕𝟑 𝒔.(𝟏𝟑.𝟕𝒔+𝟏) P PI PID 𝒆−𝟒𝒔 𝟏, 𝟐 = 𝟏, 𝟔𝟒 𝐤 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn sử dụng hai điều khiển P PI-RW a Lưu đồ P&ID b Sơ đồ Simulink 26 Báo cáo thực hành điều khiển trình  - Bộ điều khiển P Bình 1: - Bình 2: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội  Tồn sai lệch tĩnh  Nhạy cảm với nhiễu  Bộ điều khiển PI-RW: Trong đó: Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định Kết mô 27 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bình 1: Bình 2:  Bám tốt, sai lệch tĩnh nhỏ  Không bị điều chỉnh Sách lược điều khiển tầng a Lưu đồ P&ID 28 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội b Xác định vòng điều khiển cần xây dựng:  Vòng thứ nhất: Điều khiển độ mở van InValve1  Vòng thứ hai: Điều khiển độ mở van InValve2 Đặc điểm nhiệm vụ vòng:  Vòng thứ nhất: Điều khiển độ mở van 1, có đặc tính động học biến đổi nhanh vòng thứ hai  Vòng thứ hai: Điều khiển độ mở van 2, có đặc tính động học biến đổi chậm vòng thứ c Tính tốn tham số điều khiển Bình  Gọi điều khiển vòng P1, điều khiển vịng ngồi P2  Ta có hàm truyền van IN VALVE Gv= 2,4𝑠+1  Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol ta tính hệ số sau - Bộ điều khiển P1: Kp = - Bộ điều khiển PI1: Kp = 0.9; Ti = 35.82 - Bộ điều khiển PI1-RW: gain =kp=0.9; gain1 = 1/Ti =0.03; gain2=0; Gain3 =  Để tính điều khiển ta cần tìm hàm truyền tương ứng , hàm truyền hệ  Gv hồi tiếp âm nối tiếp với Gb (hàm truyền bình) => Hàm truyền tính G=  1+𝐺𝑣 0.34 Gb= (1.2𝑠+1)𝑠 Hệ số điều khiển P2 Kp = 2.8∗105 ∗14 1.103 = 3920 Bình  Hệ số điều khiển vịng - Bộ điều khiển P1: Kp = 29 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - Bộ điều khiển PI1: Kp = 0.9; Ti = 272.65 - Bộ điều khiển PI1-RW: gain =kp=0.9; gain1 = 1/Ti =0.004; gain2 =0; Gain3 =  Hệ số vịng ngồi Kp= d 1.3∗105 ∗12 1.103 = 1560 Bộ điều khiển P/P Vịng ngồi điều khiển P (lấy Kp=10000 để tăng đáp ứng cho điều khiển) vòng điều khiển P (Kp=1) Bình : Bình 2: 30 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nhận xét  Bám giá trị đặt  Sai lệch tĩnh nhỏ  Giảm ảnh hưởng nhiễu  Giao động lớn binh tăng mức bình e Bộ P/PI-RW Vịng ngồi điều khiển P(Kp=20000) để tăng đáp ứng hệ thống Vòng điều khiển Pi-RW để triệt tiêu sai lệch tĩnh Trong đó: Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo Ziegler Nichol là:  Gain: K=Kp=0.9  Gain1: K=1/Ti=0.03  Gain 2: K=Td =0  Gain 3: K=0.2 Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo Ziegler Nichol là:  Gain: K=Kp=0.9  Gain1: K=1/Ti=0.004  Gain 2: K=Td =0  Gain 3: K=0.05 Kết mô phỏng: 31 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bình 1: Bình 2:     Sai lệch tĩnh nhỏ Ít nhạy cảm với nhiễu Độ điều chỉnh nhỏ Giao động nhỏ bình tăng mức bình 32