Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ HỮU THÀNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Thái Nguyên - 2013 Số hóa Trung tâm Học liệu Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ HỮU THÀNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢƠNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHỊNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC KHOA CHUN MƠN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Bùi Quốc Khánh Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Thái Nguyên - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình tơi tự thực tổng hợp nghiên cứu hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nêu phần tài liệu tham khảo chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Hữu Thành Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC MỤC LỤC …………………………………………………………………………… I DANH MỤC BẢNG BIỂU VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VII LỜI NÓI ĐẦU VIII CHƢƠNG LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN .1 1.1 Tổng quan điều khiển trình .1 1.1.1 Khái niệm trình biến trình 1.1.2 Mục đích điều khiển trình 1.2 Khái niệm chung hệ điều khiển trình đa biến .4 1.3 Các thành phần hệ thống điều khiển trình 1.3.1 Thiết bị đo 1.3.2 Thiết bị chấp hành 10 1.3.3 Thiết bị điều khiển 12 CHƢƠNG GIỚI THIỆU MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN14 2.1 Giới thiệu bàn thí nghiệm 14 2.1.1 Các thiết bị chấp hành 14 2.1.2 Các thiết bị đo 16 2.1.3 Các thiết bị khác 18 2.1.4 Bộ điều khiển 21 2.2 Giới thiệu phần mềm thiết kế giao diện 29 2.3 Cấu trúc điều khiển mô hình thí nghiệm 38 2.3.1 Cấu trúc tổng quan mơ hình thí nghiệm 38 2.3.2 Mơ hình đối tượng điều khiển 39 2.4 Các vòng điều khiển .44 CHƢƠNG NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 45 3.1 Nhận dạng hệ thống 45 3.1.1 Nhận dạng tác động dịng nóng đến nhiệt độ T3 (G11) 45 3.1.2 Nhận dạng tác động dòng lạnh đến nhiệt độ T3 (G12) 46 3.1.3 Nhận dạng tác động dịng nóng đến mức L (G21) 47 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.1.4 Nhận dạng tác động dòng lạnh đến mức L (G22) 48 3.2 Nghiên cứu tác động xen kênh hệ thống 50 3.2.1 Khi hệ thống chưa có tách kênh De - Coupler 50 3.2.2 Khi hệ thống có tách kênh De - Coupler 52 3.3 Phân tích ảnh hƣởng tham số đến chất lƣợng hệ điều khiển .53 3.3.1 Xét ảnh hưởng hệ số khuyếch đại xen kênh đến tương tác 53 3.3.2 Chỉnh định lại điều khiển hệ số khuyếch đại tương tác nhỏ    54 3.3.3 Xét ảnh hưởng tham số mạch vòng tương tác tới tác động xen kênh 55 3.3.4 Điều khiển phân ly hệ đa biến 56 3.3.5 Điều kiện điều khiển phân ly feedforward hệ đa biến 57 3.3.6 Ảnh hưởng Kp vòng điều khiển 58 3.3.7 Ảnh hưởng số thời gian τp tới vòng điều khiển 60 3.3.8 Ảnh hưởng thời gian chết θp tới vòng điều khiển 61 3.3.9 Ảnh hưởng KP loại bỏ tác động xen kênh 62 CHƢƠNG THIẾT KẾ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐA BIẾN .62 4.1 Tính tốn tách kênh 62 4.2 Thiết lập điều khiển .63 4.2.1 Phương pháp điều khiển sử dụng tối ưu module 63 4.2.2 Phương pháp điều khiển sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS (Direct Synthesis) 66 4.2.3 Phương pháp điều khiển sử dụng mơ hình nội IMC (InternalModel Control) 69 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 73 5.1 Hƣớng dẫn vận hành 73 5.2 Vận hành hệ thống .74 5.2.1 Quá trình khởi động 75 5.2.2 Thay đổi giá trị đặt mức L 76 5.2.3 Thay đổi giá trị đặt nhiệt độ T3 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC .81 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Minh họa trình biến trình Hình 1.2 Nguyên lý điều khiển pha trộn Hình 1.3 Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến Hình 1.4 Cấu trúc hệ đa biến (MIMO) Hình 1.5 Các thành phần hệ thống điều khiển trình Hình 1.6 Cấu trúc thiết bị đo 10 Hình 1.7 Cấu trúc cấu chấp hành 11 Hình 1.8 cấu tạo van điều khiển 11 Hình 1.9 Cấu trúc thiết bị điều khiển 12 Hình 2.1 Hình ảnh thực tế van điều khiển 14 Hình 2.2 Hình dáng van từ thực tế 15 Hình 2.3 Hình ảnh rơ-le MY4N sử dụng bàn thí nghiệm 16 Hình 2.4 Hình ảnh cảm biến mức thực tế 16 Hình 2.5 Hình ảnh thực tế cảm biến đo nhiệt sử dụng mơ hình 17 Hình 2.6 Hình ảnh Quick Disconnect thực tế 17 Hình 2.7 Hình ảnh thiết bị đo lưu lượng OMEGA 18 Hình 2.8 Hình ảnh thực tế bình nóng lạnh 19 Hình 2.9 Hình ảnh bơm thực tế 19 Hình 2.10 Hình ảnh nguồn cấp chiều SD823 thực tế 20 Hình 2.11 Hình ảnh máy biến áp thực tế 20 Hình 2.12 Hình ảnh thực tế bình chứa mơ hình thí nghiệm 21 Hình 2.13 Hình ảnh bình trộn thực tế 21 Hình 2.14 Hình ảnh AC800 22 Hình 2.15 Hình ảnh dạng kết nối I/O tới điều khiển 23 Hình 2.16 Hình ảnh thực tế điều khiển I/O 25 Hình 2.17 Hình ảnh AI810 26 Hình 2.18 Hình ảnh AO810 27 Hình 2.19 Hình ảnh DO810 28 Hình 2.20 Hình ảnh tổng thể mơ hình sau lắp đặt 29 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.21 Hình ảnh giao diện Control Builder 29 Hình 2.22 Tạo thư viện kết nối với thư viện yêu cầu 30 Hình 2.23 Tạo dạng liệu Control Builder M 31 Hình 2.24 Tạo khối Control Modules Control Builder M 32 Hình 2.25 Cấu hình kết nối đầu vào Control Builder M 33 Hình 2.26 Hình ảnh giao diện My ePlant 34 Hình 2.27 Công cụ thiết kế giao diện Process Graphic Editor 34 Hình 2.28 Cài đặt thơng số cho Trend Display Trend Template 35 Hình 2.29 Đồ thị xu hướng Trend Display 36 Hình 2.30 Màn hình giao diện hệ thống 37 Hình 2.31 Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến 38 Hình 2.32 Cấu trúc tổng quan mơ hình 39 Hình 2.33 Xác định biến trình đối tượng bình trộn 40 Hình 3.1 Nhận dạng tác động dịng nóng tới nhiệt độ T3 45 Hình 3.2 Nhận dạng tác động dịng lạnh tới nhiệt độ T3 46 Hình 3.3 Nhận dạng tác động dịng nóng tới mức L 47 Hình 3.4 Nhận dạng tác động dòng lạnh tới mức L 49 Hình 3.5 Mơ q trình đa biến chưa có tách kênh 50 Hình 3.6 Đáp ứng nhiệt độ T3 trình đa biến chưa có tách kênh 51 Hình 3.7 Mơ q trình đa biến có tách kênh De - Coupler 52 Hình 3.8 Đáp ứng nhiệt độ T3 trình đa biến chưa có tách kênh 53 Hình 3.9 Cán thép dây xây dựng 56 Hình 3.10 Điều khiển phân ly 56 Hình 3.11 Nguyên lý điều khiển feedforward có đo biến điều khiển 56 Hình 4.1 Mô hệ thống chưa sử dụng De-coupler theo chuẩn tối ưu 64 Hình 4.2 Kết mô chưa sử dụng De-coupler theo chuẩn tối ưu 64 Hình 4.3 Mơ hệ thống sử dụng De-coupler theo chuẩn tối ưu 65 Hình 4.4 Kết mơ sử dụng De-coupler theo chuẩn tối ưu 65 Hình 4.5 Mơ hệ thống chưa sử dụng De-coupler theo phương pháp DS 67 Hình 4.6 Kết mơ chưa sử dụng De-coupler theo phương pháp DS 67 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4.7 Mơ hệ thống sử dụng De-coupler theo phương pháp DS 68 Hình 4.8 Kết mô sử dụng De-coupler theo phương pháp DS 68 Hình 4.9 Mơ hệ thống chưa sử dụng De-coupler theo phương pháp IMC 70 Hình 4.10 Kết mô chưa sử dụng De-coupler theo phương pháp IMC 70 Hình 4.11 Mơ hệ thống sử dụng De-coupler theo phương pháp IMC 71 Hình 4.12 Kết mơ sử dụng De-coupler theo phương pháp IMC 71 Hình 5.1 Khởi động OPC Server Configuration 73 Hình 5.2 Thiết lập giá trị đặt cho biến trình 73 Hình 5.3 Bảng điều khiển tay 74 Hình 5.4 Bảng điều khiển PID 74 Hình 5.5 Q trình khởi động chưa có De-coupler 75 Hình 5.6 Quá trình khởi động có De-Coupler 76 Hình 5.7 Thay đổi giá trị lượng đặt mức chưa có De-coupler 76 Hình 5.8 Thay đổi giá trị lượng đặt mức có De-coupler 77 Hình 5.9 Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ chưa có De-coupler 77 Hình 5.10 Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ có De-coupler 77 Hình 5.11 Thay đổi giá trị lưu lượng đầu chưa có De-coupler 78 Hình 5.12 Thay đổi giá trị lưu lượng đầu có De-coupler 78 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật điều khiển 24 Bảng 2.2 Bảng liệt kê thiết bị kết nối với điều khiển .25 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật AI810 .26 Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật AO810 .27 Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật AO810 .28 Bảng 3.1 Tìm hiểu hệ số khuếch đại xen kênh – yếu tố thể tác động qua lại vòng điều khiển .59 Bảng 5.1 Bảng ký hiệu màu 74 Bảng P3 Bảng đấu nối kênh cho khối đầu tương tự DO810 .84 Bảng P4 Bảng đấu nối AI810 tủ 86 Bảng P5 Bảng đấu nối van từ tủ 87 Bảng P6 Bảng đấu nối DO810 88 Bảng P8 Bảng đấu nối bơm mơ hình 89 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt MV Manual Valve Van tay CV Control Valve Van điều khiển PV Proportioning Valve Van tỉ lệ SV Solenoid Valve Van từ LT Level Transmitter Thiết bị đo mức TT Temperature Transmitter Thiết bị đo nhiệt FT Flow Transmitter Thiết bị đo lưu lượng PI Pump In Bơm đầu vào PO Pump Out Bơm đầu DS Driect Synthesis Tổng hợp trực tiếp Internal Model Control Điều khiển mơ hình nội IMC Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -90- P2 Code lập trình P2.1 Dạng liệu (Data Type) Auto_Type Name Data Type Attributes On_Off_SV1_auto bool retain On_Off_SV2_auto bool retain On_Off_SV3_auto bool retain In_Pump_auto bool retain Out_Pump_auto bool retain Udk_CV1_auto real retain Udk_CV2_auto real retain Udk_CV3_auto real retain Initial value Description Initial value Description Cold_Water_Type Name Data Type Attributes FT2_thuc RealIO retain TT2_thuc RealIO retain TT2_chuan_hoa real retain FT2_chuan_hoa real retain FT2_hien_thi real retain TT2_hien_thi real retain Udk_CV2_thuc RealIO retain ON_OFF_SV2_thuc BoolIO retain GV_Type Name Cold Data Type Cold_Water_Type Attributes retain Hot Hot_Water_Type retain Warm Warm_Water_Type retain Auto Auto_Type Số hóa Trung tâm Học liệu Initial value retain http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Description Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -91- Manual Manual_Type retain Pump Pump_Type retain Auto_Manual bool retain false Hot_Water_Type Name Data Type Attributes FT1_thuc RealIO retain TT1_thuc RealIO retain FT1_chuan_hoa real retain TT1_chuan_hoa real retain FT1_hien_thi real retain TT1_hien_thi real retain Udk_CV1_thuc RealIO retain ON_OFF_SV1_thuc BoolIO retain Initial value Description Manual_Type Name Data Type Attributes Udk_CV1_man real retain Udk_CV2_man real retain Udk_CV3_man real retain On_Off_SV1_man bool retain On_Off_SV2_man bool retain On_Off_SV3_man bool retain In_Pump_man bool retain Out_Pump_man bool retain Initial value Description Pump_Type Name Data Type Attributes IN_PUMP BoolIO retain OUT_PUMP BoolIO retain Số hóa Trung tâm Học liệu Initial value http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Description Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -92- Warm_Water_Type 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Name FT3_thuc FT3_chuan_hoa FT3_hien_thi Udk_CV3_thuc ON_OFF_SV3_thuc TT3_thuc TT3_chuan_hoa LT_thuc LT_hienthi TT3_hienthi LT_chuan_hoa SP_Level_hien_thi SP_Temp_hien_thi SP_Level_chuan_hoa SP_Temp_chuan_hoa SP_Level_deco SP_Temp_deco DK_Level_Par DK_Temp_Par SP_Temp_deco_real SP_Level_deco_real PID_Level_TRACK PID_Temp_TRACK SP_Level_ramp SP_Temp_ramp Ramp_Level_par Ramp_Temp_par Ramp_Level_TRACK 29 Ramp_Temp_TRACK bool Số hóa Trung tâm Học liệu Data Type RealIO real real RealIO BoolIO RealIO ControlConnection RealIO real real ControlConnection real real ControlConnection ControlConnection ControlConnection ControlConnection PidCCPar PidCCPar real real bool bool ControlConnection ControlConnection real AccelerationLimCCP bool ar Attributes Initial retain value retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain retain http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Description Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -93- P2.2 ControlModule De-coupler Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -94- P2.3 Code lập trình cho Control Module Auto_Manual IF GV.Auto_Manual=true then GV.Hot.Udk_CV1_thuc.Value:=GV.Auto.Udk_CV1_auto; GV.Cold.Udk_CV2_thuc.Value:=GV.Auto.Udk_CV2_auto; GV.Warm.Udk_CV3_thuc.Value:=GV.Auto.Udk_CV3_auto; GV.Hot.ON_OFF_SV1_thuc.Value:=GV.Auto.On_Off_SV1_auto; GV.Cold.ON_OFF_SV2_thuc.Value:=GV.Auto.On_Off_SV2_auto; GV.Warm.ON_OFF_SV3_thuc.Value:=Gv.Auto.On_Off_SV3_auto; GV.Pump.IN_PUMP.Value:=GV.Auto.In_Pump_auto; GV.Pump.OUT_PUMP.Value:=Gv.Auto.Out_Pump_auto; else GV.Hot.Udk_CV1_thuc.Value:=GV.Manual.Udk_CV1_man; GV.Cold.Udk_CV2_thuc.Value:=GV.Manual.Udk_CV2_man; GV.Warm.Udk_CV3_thuc.Value:=GV.Manual.Udk_CV3_man; GV.Hot.ON_OFF_SV1_thuc.Value:=GV.Manual.On_Off_SV1_man; GV.Cold.ON_OFF_SV2_thuc.Value:=GV.Manual.On_Off_SV2_man; GV.Warm.ON_OFF_SV3_thuc.Value:=Gv.Manual.On_Off_SV3_man; GV.Pump.IN_PUMP.Value:=GV.Manual.In_Pump_man; GV.Pump.OUT_PUMP.Value:=GV.Manual.Out_Pump_man; end_if; If(GV.Warm.LT_hienthi>28) then GV.Auto.On_Off_SV1_auto :=0; GV.Auto.On_Off_SV2_auto :=0; else GV.Auto.On_Off_SV1_auto :=1; GV.Auto.On_Off_SV2_auto :=1; End_If; If((GV.Auto.On_Off_SV1_auto=1 and GV.Auto.Udk_CV1_auto>0) or Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -95- (GV.Auto.On_Off_SV1_auto =1 and GV.Auto.Udk_CV2_auto>0)) then GV.Auto.In_Pump_auto:=1; else GV.Auto.In_Pump_auto :=0; End_If; If(GV.Warm.LT_hienthi