Báo cáo thu hoạch học phần Điều khiển quá trình xét quá trình Điều khiển Ổn Định nhiệt Độ của nước trong bể bơi mùa Đông với cơ chế tự tràn Được minh họa như hình dưới nước chảy vào bể có khối lượng riêng 1=const

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO THU HOẠCH HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Sinh viên thực hiện: Lớp: Mã sinh viên: Giảng viên phụ trách: HÀ NỘI - 2021 Phần I:Đề Bài Bài (3đ) Xét trình điều khiển ổn định nhiệt độ nước bể bơi mùa đông với chế tự tràn minh họa hình Nước chảy vào bể có khối lượng riêng 1=const [kg/m3], nhiệt dung riêng C1=const [J/kgoC], lưu lượng thể tích f1 [m3/s] nhiệt độ T1 [oC] Nước chảy khỏi bể có lưu lượng thể tích f2=f1 nhiệt độ T2 [oC] Nước bể có nhiệt độ đồng T2 [oC] gia nhiệt nóng có lưu lượng vào/ra f3 [m3/s], nhiệt dung riêng C2=const [J/kgoC], nhiệt độ nóng vào/ra dàn trao đổi nhiệt T3, T4 [oC] Thể tích bể đầy tràn nước V=const [m3] Anh/chị trình bày tối thiểu 03 chiến lược điều khiển P&ID sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ bể với giá trị đặt T2sp Bài (7đ) Khảo sát hệ thống cung cấp nước liên kết với van tay cần trì chiều cao mức nước bể theo giá trị đặt l2sp [m] Hai bể hình trụ có tiết diện đáy A1, A2 [m2], chiều cao mức nước l1, l2 [m]; nước bể có khối lượng riêng =const [kg/m3]; Tiết diện van tay V 2, V3 a2, a3 [m2]; Độ mở van tay V2, V3 C2, C3 [%]; Lưu lượng nước vào, bể f1, f2 [m3/s]; lưu lượng nước vào, bể f2, f3 [m3/s] Câu Xác định biến trình (vào/ra/nhiễu), tham số trình, sơ đồ khối, cho biết bậc tự trình Câu Xác định hàm truyền đạt trình ổn định mức nước bể 2, lân cận giá trị mức đặt bể hai l2sp [m] số Câu Áp dụng chiến lược truyền thẳng cho hệ thống, tiến hành xây dựng lưu đồ P&ID sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển cho trình điều khiển ổn định mức nước bể 2, giá trị mức đặt l2sp Câu Xây dựng lưu đồ chiến lược P&ID có tích hợp vịng điều khiển phản hồi kín, sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển xác định thông số điều khiển PID cho trình điều khiển ổn định mức nước bể 2, giá trị mức đặt l2sp Câu Xây dựng sơ đồ mơ Matlab/Simulink q trình ổn định mức nước bể giá trị mức đặt l2sp Hãy nhận xét chất lượng hệ thống điều khiển mức nước bể Câu Tiến hành chỉnh định thông số PID (có câu 5) để: + Giảm thời gian độ hệ thống tối thiểu 10% (với MSV lẻ) (181602385) Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển đạt Biết rằng: thiết bị định vị chuyển đổi điện-khí nén khâu tỷ lệ kI/P, van điều khiển có hệ số khuyếch đại kv [m3/s/mA], số thời gian v [s]; thiết bị đo mức nước có hệ số khuếch đại km [mA/m], số thời gian m [s]; =1.0; l2sp=1.2; A1=2.5; A2=3; a2=a3=0.08; C2=60%;C3=50%; kI/P=4; kv= 85 =8.5; v=4;km=1.2; 10 85 =0.85 m= 100 Phần II: Bài Làm Bài 1: Bài 2: Câu 1)  Phân tích q trình  Biến q trình - Biến điều khiển: f1 - Biến cần điều khiển: l2 - Biến nhiễu: f3; f2; l1  Thơng số q trình: a3; a2; c3; c2; A1; A2; ρ  Khối hóa trình Biến nhiễu l1,f2,f3 Biến điều khiển Biến cần điều khiển Quá trình l2 f1 l2 - Bậc tự q trình bậc có biến can thiệp độc lập đến đầu l2 Câu 2) Xác định hàm truyền đạt trình ổn định mức nước bể 2, lân cận giá trị mức đặt bể hai l2sp [m] số  Thành lập PT tốn QT, tính tốn lưu lượng mức biến trình điểm làm việc l 2=l sp=1.2 , l 2=F ¿ 1)  Thành lập PT tốn Q trình mức bình 2: - AD định luật bảo toàn khối lượng toàn phần: +) Cho bình 1: d ( A1 ρ l 1) =ρ f −ρ f dt +) Cho bình 2: d ( A2 ρ l 2) =ρ f 2−ρ f dt { d l1 = (f 1−f ) dt A1 → d l2 = (f −f ) dt A2 - Áp dụng Phương trình Bernoulli +) Cho chất lỏng điểm A B ta có: 2 2 vA PA vB P B v2 ρ g l + + Z A = + + Z B↔ + + 0= +0+ 2g γ 2g γ 2g ρ.g 2g f  v 2=√ g l mà v 2= a c 2  f 2=a c √ g l +) Cho chất lỏng điểm C D ta có: 2 2 vC P C v D PD v3 ρ g l + + Z C = + +Z D↔ + + 0= +0+ 2g γ 2g γ 2g ρ.g 2g f  v 3=√ g l mà v 3= a c 3  f 3=a c √2 g l → PTVP toán QT l là: { d l1 = (f −a c √ g l 1) dt A 1 2 d l2 = (a c √2 g l 1−a3 c √2 g l 2) dt A 2  Tính tốn lưu lượng mức biến QT điểm làm việc l 2=l sp=1.2 - Ta có: l 2=l sp=1.2 → f 3=f sp=a3 c3 √ g l ¿ , 08.0 , √ 2.9 , 8.1 ,2=0,194 dl dl d (1.2) 2 sp Mà dt = dt = A (f 2−f )= dt =0  f 2−f 3=0 → f 2=f 3=0,194=f sp Mà f 2=f sp=a2 c √2 g l 1=0 , 08.0 ,6 √ 2.9 , l 1=0,194  l 1=0,833=l sp dl dl d (0.833) =0 dt 1 sp Ta có: dt = A (f 1−f 2)= dt =  f 1−f 2=0 → f 1=f 2=0,194=f sp  f 3=f 1=f  Xác định hàm truyền đạt QT lân cận điểm làm việc l 2=l sp=1 ,  Tại điểm làm việc l2=l2 sp=1 , → { l 1=l sp=0.833 f 1=f sp=0.194  Tại lân cận điểm làm việc l 2=l sp +∆ l 2=1.2+ ∆ l2 { l =l + ∆ l =0,833+ ∆l  f1 =f1 sp + ∆ 1f =0,194+ f 1 sp 1 Thay vào PTVP ta được: { d (l sp +∆ l ) = (f sp + ∆ f −a2 c √ g (l sp+ ∆ l 1)) dt A1 (*) d(l sp+ ∆ l 2) = (a2 c2 √ g(l1 sp+ ∆ l1 )−a3 c3 √ g(l2 sp+ ∆ l 2)) dt A2 x.n Theo sấp xỉ newton ta có (1+x) n ≈ 1+ ! √ l1sp + ∆ l1 = √ l1sp √ 1+ với xa3 Do đối tượng khâu quán tính bậc Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu độ lớn MO ta có thơng số PID là: a +a 37+21 ,5  K P= k a = 2.503,7168 , 85 =0,01197 K 0,01197 P  T I =a1 +a2 =37+21 , 5=58 ,  K I = T = 58 , =2.10-4 I  T D= a1 a 37.21 , = =13,598 K D=K P T D=0,01197.13,598=0,1627 a1 +a2 37+21 , Vậy thông số PID là: K p=0,01197; K I =2 10−4 ; K D=0,1627 Câu 5) Xây dựng sơ đồ mô Matlab/Simulink trình ổn định mức nước bể giá trị mức đặt l2sp Hãy nhận xét chất lượng hệ thống điều khiển mức nước bể Sơ đồ mơ hình dưới: 17 Cài đặt tham số PID: Khi đặt mức nước bể tương ứng với tín hiệu đặt đầu vào chuẩn hóa 1, ta thu đáp ứng hệ thống sau: 18 -Quá hiệu chỉnh (1,041-1)/1=4.1% -Thời gian xác lập: 21,134s -Sai số xác lập 1-1=0 -Thời gian tăng trưởng : 19,233 -4,4894=14,744s Nhận xét: Bộ PID cho đáp ứng tốt không dao động nhiều ,quá hiệu chỉnh thấp, thời gian tăng trưởng nhỏ, thời gian xác lập nhỏ sai số xác lập 19 Câu 6: Tiến hành chỉnh định thơng số PID (có câu 5) để: + giảm thời gian độ hệ thống tối thiểu 10% (với MSV lẻ: 181602385) Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển đạt Ta dựa theo bảng giáo trình: Để giảm thời gian độ ta cần tăng giá trị K I K D tăng đồng thời Ta có thời gian độ là: 17,57 s Tiến hành chỉnh lại thông số PID Thông số sau chỉnh: K p=0.01197 ; K I =0 , 0002 ; K D =0 205 Cài đặt tham số PID: 20 Ta đáp ứng hình dưới: 21 -Độ hiệu chỉnh :0% -Thời gian độ ngắn(18.971) < 21* 90% (Thỏa mãn yêu cầu đề ) - Sai lệch tĩnh 1-1=0 - Thời gian tăng trưởng :17,595-4.096=13,499s Nhận xét: Sau thay đổi giá trị K D=0.205 ta thu đáp ứng tốt so ban đầu Thông số PID sau hiệu chỉnh : K p=0.01197 ; K I =0 , 0002 ; K D =0 205  Ngoài phương pháp xác định thơng số PID tiến hành tìm thơng số PID công cụ Matlab hỗ trợ  Sử dụng công cụ pidTuner Matlab -Khai báo lệnh Command Window 22 -Đáp ứng thông số thu được: + Đối tượng ổn định có đáp ứng xác lập K = 23 + Sai lệch tĩnh: E=1-1=0 + Đáp ứng có hiệu chỉnh 5.48% + Thời gian xác lập: Txl=196s + Thời gian tăng trưởng: Ttt= 38.3s +Thông số PID là: Kp=0.0037778, Ki= 0.000052466 24