Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ thống bình mức

Hình 3.1: Mô hình bình mức1. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát2. Thiết kế sách lược điều khiển tầng để điều khiển mức nước trong bình chứa.3. Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ. Mô phỏng hệ hở trên Simulink4. Thiết kế Bộ điều khiển cho quá trình bình mức, xác định giá trị của bộ điều khiển.Mô phỏng kết quả điều khiển với bộ điều khiển vừa tính được.a) Mô hình điều khiển b. Kết quả Mô phỏng trên matlab.

Bộ mơn Điều khiển Tự động hóa BÁO CÁO MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Đề Tài: Thiết kế hệ thống điều khiển trình cho hệ thống bình mức Năm học: 2022-2023 Thái Nguyên, tháng năm 2023 MỤC LỤ DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1.Sự phát triển kĩ thuật điều khiển trình 1.2 Tính cấp thiết điều khiển trình 1.3.Điều khiển trình .12 CHƯƠNG 2: MÔ HINH HÓA HỆ THỐNG 13 2.1 Giới thiệu chung 13 2.1.1 Các bước mơ hình hóa 13 2.2 Các dạng mô hình hóa 14 2.2.1 Mơ hình tuyến tính mơ hình phi tuyến 14 2.2.2 Mơ hình liên tục mơ hình gián đoạn 14 2.2.3 Mô hình đơn biến mơ hình đa biến 15 2.2.4 Mơ hình tham số mơ hình tham số biến thiên .15 2.3 Mơ hình hóa lý thuyết .15 2.3.1 Các bước mơ hình hóa 15 2.3.2 Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc .16 2.4 Mơ hình hóa thực nghiệm 18 2.4.1 Nhận dạng hệ thống 18 2.5 Động học điều khiển qua trình 19 2.5.1 Động học khâu có thời gian chết 19 2.5.2 Động học mạch vòng điều khiển lưu lượng 20 2.5.3 Động học trình tích lũy 20 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BÀI TỐN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 21 3.1 Yêu cầu toán 21 3.2 Phân tích tốn điều khiển, xác định biến mơ hình mơ hình tổng qt 22 3.3 Thiết kế sách lược .24 3.3.1 Xây dựng mơ hình điều khiển phản hồi .25 3.4 Tìm hàm truyền đạt xây dựng hệ thống hở Simulink .27 3.4.1 Phương trình cân tồn phần 27 3.4.3 Tuyến tính hóa mơ hình hàm truyền đạt .28 3.4.4 Xây dựng hệ thống Simulink 29 3.4.5 Kết mô hệ thống 32 KẾT LUẬN 36 TAI LIỆU THAM KHẢO .37 Y DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Q trình phân loại biến trình Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng biến quán trình Hình 1.3: Bộ gia nhiệt biến trình Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống ĐKQT Hình 1.5: Các thành phần hệ thống ĐKQT Hình 2.1: Tổng quan bước mơ hình hố q trình phức hợp Hình2.2: Các phương án điều khiển lưu lượng Hình 2.3: Mơ hình bình chứa chất lỏng Hình 3.1: Mơ hình bình mức Hình3.2: Các biến q trình Hình 3.3: Mơ hình tổng quan hệ thống ổn định mức Hình 3.4: Sơ đồ mắc nối tiếp Hình3.5: Sơ đồ mắc song song Hình3.6: Sơ đồ điều khiển tầng Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc P&ID Hình 3.8: Mơ hình hệ thống Hình 3.9: Sơ đồ tính mực chất lịng Hình 3.10: Phương trình cân tồn phần Hình 3.11: Thơng số hệ thống Hình 3.12: Tín hiệu thu chiều cao chất lỏng Hình 3.13: Sự thay đổi lưu lượng w3 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển xã hội, đời sống người dân ngày nâng cao, việc thay hoạt động thủ công thiết bị tự động người dân ứng dụng nhiều công nghiệp sinh hoạt Trong kỳ em thực đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển trình cho hệ thống bình mức” Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình giáo Th.S Hồng Thị Thương thầy giáo khoa để em thực tốt đề tài Tuy nhiên kiến thức, kinh nghiệm chưa hoàn chỉnh nên cịn có số thiếu sót q trình thực đề tài, mong bảo, đóng góp ý kiến thầy giáo bạn đọc quan tâm đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH 1.1 Sự phát triển kĩ thuật điều khiển q trình Cơng nghệ thiết bị đo trình tiếp tục phát triển hai lĩnh vực ứng dụng nghiên cứu Vào năm 1774, Jame Watt lần sử dụng hệ thống điều khiển có phản hồi áp dụng vào văng để điều chỉnh tốc độ động nước Mười năm sau Oliver Evans vận dụng kĩ thuật điều khiển để tự động hoá nhà máy xay bột Philadelphia Ban đầu, thiết bị đo trình phát triển chậm , có q trình cơng nghệ để ứng dụng Vì vào cuối kỉ 20 công nghiệp bắt đầu phát triển thiết bị đo trình phát triển theo Tuy nhiên, có thiết bị đo q trình trực tiếp thực cuối năm 30 Vào năm 40, hệ thống truyền động khí nén làm cho hệ thống phức tạp phịng điều khiển trung tâm thực Thiết bị đo điện tử trở lên phổ biến vào năm 50 tính phổ biến làm cho cơng nghệ thiết bị đo q trình phát triển nhanh chóng từ Và chủ yếu vịng 10 năm đó, xuất cơng nghệ máy tính số giải vướng mắc trình phức tạp Tuy nhiên yêu cầu đặt lúc là thiết bị trình tương laisẽ phải kết hợp hệ thống số hệ thống tương tự 1.2 Tính cấp thiết điều khiển trình Ngày tất nhà máy xí nghiệp cơng nghiệp trang bị hệ thống tự động hoá mức cao Các hệ thống nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao suất lao động, giảm chi phí sản xuất giải phóng người lao động khỏi vị trí làm việc độc hại.v.v Các hệ thống tự động hoá giúp theo dõi, giám sát quy trình cơng nghệ thơng qua số hệ thống đo lường kiểm tra Các hệ thống tự động hoá thực chức điều chỉnh thơng số cơng nghệ nói riêng điều khiển tồn q trình cơng nghệ tồn xí nghiệp nói chung Hệ thống tự động hố đảm bảo cho q trình cơng nghệ xảy điều kiện cần thiết bảo đảm nhịp độ sản xuất mong muốn cơng đoạn q trình cơng nghệ Chất lượng sản phẩm suất lao động phần xưởng, nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc lớn vào chất lượng làm việc hệ thống tự động hoá Để phát triển sản xuất, việc nghiên cứu hoàn thiện trình cơng nghệ ứng dụng cơng nghệ hướng nghiên cứu không phần quan trọng nâng cao mức độ tự động hố q trình công nghệ Do phát triển mạnh mẽ công nghệ vi điện tử công nghệ chế tạo khí xác, thiết bị đo lường điều khiển q trình cơng nghệ chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy xác Ngày thiết bị đo lường ngày sử dụng rộng rãi nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hố q trình sản xuất cơng nghệ công tác nghiên cứu khoa học tất lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác Để thực nhiệm vụ cần thiết phải tiến hành đo đại lượng vật lý khác đại lượng điện, đại lượng hình học, học, nhiệt học, hoá học, đại lượng từ, đại lượng hạt nhân nguyên tử Trên sở đánh giá đắn vai trò to lớn việc áp dụng điều khiển trình vào hệ thống sản xuất, nhà máy, xí nghiệp cơng nghiệp ta tiến hành tìm hiểu sâu tìm hiểu thiết bị đo lường chuyển đổi dùng điều khiển trình 1.3 Điều khiển trình 1.3.1 Khái quát chung Khái niệm điều khiển trình hiểu ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát q trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm , hiệu sản xuất an tồn cho người, máy móc Quá trình trình tự diễn biến vật lý, hố học chuyển đổi sinh học, vật chất, lượng thông tin biến đổi, vận chuyển lưu trữ Q trình cơng nghệ trình liên quan tới biến đổi vận chuyển lưu trữ vật chất , lượng , dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất Quá trình kỹ thuật trình với đại lượng đo hoặc/và can thiệp Khi nói tới trình kỹ thuật ta hiểu trình cơng nghệ với phương tiện kỹ thuật phương tiện kỹ thuật thiết bị đo, thiết bị chấp hành Một cách tổng quát nhiệm vụ hệ thống điều khiển trình can thiệp vào biến điều khiển cách hợp lý để biến thoả mãn tiêu cho trước đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu trình đến mơi trường người xung quanh Trạng thái hoạt động diễn biến trình thể qua biến trình Các biến trình bao gồm biến vào biến Biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động từ bên ngồi vào q trình, ví dụ dòng nguyên liệu, nhiệt độ nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở rơle sợi đốt Biến đại lượng điều kiện thể tác động q trình bên ngồi, ví dụ nồng độ sản phẩm lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải 1.3.2.Các biến trình Biến trạng thái biến mang thơng tin trạng thái bên q trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi, mức chất lỏng nhiều trường hợp biển Hình 1.1: Quá trình phân loại biến trình Biến cần điều khiển ( controlled variable ) biến biến trạng thái trình điều khiển , điều chỉnh ổn định giá trị đặt bám theo tín hiệu chủ đạo ( tín hiệu mẫu ) Biến điều khiển ( manipulated variable ) biến can thiệp trực tiếp từ bên ngồi , qua tác động tới biến theo ý muốn Những biến cịn lại khơng can thiệp cách trực tiếp gián tiếp phạm vi trình quan tâm coi nhiều Nhiễu: Biến vào khơng can thiệp được: + Nhiễu trình (disturbance, process disturbance):  Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên thông số đầu vào (lưu lượng, nhiệt độ thành phần nguyên liệu, nhiên liệu)  Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng dòng chảy, áp suất nước, )  Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài, + Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise) Ví dụ 1: Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng biến qn trình Ví dụ 2: Bộ gia nhiệt Hình 1.3: Bộ gia nhiệt biến trình 1.4: Cấu trúc hệ thống điều khiển trình Một hệ thống điều khiển trình bao gồm thành phần chính: 10