dieu khien tu dong nang cao

Quá trình nhận dạng thông số của mô hình Ghi chú: có 2 hàm truyền cần nhậnCâu 1: Nguyên lí hoạt động của hệ thốngHeat Exchanger là một hệ thống được sử dụng để truyền nhiệt giữa hai hoặc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

–––– 🙠🙠🙠🙠🙠 ––––

BÀI TÂP V! NHÀ 3 MÔN: HÊ TH&NG ĐI!U KHI'N NÂNG CAO

GVHD: PGS.TS NGUY*N MINH TÂM SVTH: NGUY*N MINH HOÀNG MSSV: 19151127

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 6 năm 2022

Tên : Trần Đoàn Tuấn Minh

MSSV :19151008

1 Hãy giải thích nguyên lý hoạt động của hệ thống

2 Quá trình nhận dạng thông số của mô hình (Ghi chú: có 2 hàm truyền cần nhận dạng thông số)

3 Cách thiết kế các bộ điều khiển (chưa điều khiển: Open-Loop, FB, FF, kết hợp

FF và FB)

11Equation Section (Next)

Câu 1: Nguyên lí hoạt động của hệ thống

Heat Exchanger là một hệ thống được sử dụng để truyền nhiệt giữa hai hoặc nhiều chất lỏng Bộ trao đổi nhiệt được sử dụng trong cả quá trình làm mát và sưởi ấm Các chất lỏng có thể được ngăn cách bởi một bức tường vững chắc để ngăn sự trộn lẫn hoặc chúng có thể tiếp xúc trực tiếp Chúng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống sưởi không gian, làm lạnh, điều hòa không khí, nhà máy điện, nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu, nhà máy lọc dầu, chế biến khí đốt tự nhiên và xử lý nước thải

Ví dụ:

Bộ trao đổi nhiệt được tìm thấy trong động cơ đốt trong, trong đó chất lỏng tuần hoàn được gọi là chất làm mát động cơ chảy qua các cuộn dây tản nhiệt và không khí chảy qua các cuộn dây, làm mát chất làm mát và làm nóng không khí đi vào

Một ví dụ khác là bộ tản nhiệt có thể tìm được trong các thiết bị máy tính hoặc các nhà máy, lò hơi, là một bộ trao đổi nhiệt thụ động truyền nhiệt được tạo ra bởi một thiết bị điện tử hoặc cơ khí sang môi trường chất lỏng, thường là không khí hoặc chất làm mát lỏng

Nguyên lí hoạt động của hệ thống:

Đầu vào của hệ thống là chất lỏng được cấp ở trên cùng, được trộn trong một cái bể Chất lỏng trong bồn chứa phải được duy trì ở nhiệt độ không đổi bằng cách thay đổi lượng hơi nước cung cấp cho bộ trao đổi nhiệt (đường ống phía dưới) thông qua van điều khiển của nó Sự thay đổi nhiệt độ của dòng vào là nguồn chính gây ra nhiễu trong quá trình này

Như vậy ta có đầu vào của hệ thống chính là điện áp điều chỉnh van điều khiển và nhiễu động bên ngoài, đầu ra của hệ thống chính là nhiệt độ duy trì

Hình 1: Sơ đồ khối mô tả hệ thống

Hình 2: Lò phản ứng khuấy với thiết bị trao đổi nhiệt.

Câu 2: Quá trình nhận dạng thông số của mô hình

Bước 1: Mô phỏng vòng hở của hệ thống

Ở đây để thuận tiện thì ta chia nhỏ hệ thống làm 2 công đoạn: công đoạn thứ nhất là điện

áp điều chỉnh van cấp dòng chảy vào cho hệ thống Công đoạn thứ hai là nhiễu động bên ngoài cấp vào hệ thống

Hình 3: Mô phỏng Simulink để nhận dạng hàm truyền của hệ thống

Hình 4: Tín hiệu đầu vào và đáp ứng của công đoạn 1

Hình 5: Tín hiệu nhiễu và đáp ứng ngõ ra của hệ thống

Bước 2: Nhận dạng hệ thống

Hình 6 : Plot tín hiệu để phân tích

Ta có phương trình hàm truyền có khâu trễ có dạng:

P s P P

P

Y s K e

G s

u s T s 1 212\* MERGEFORMAT (.)

Tìm y : nhìn vào đồ thị hình 6 thì ta có thể xác định y 1

Tìm u: nhìn vào đồ thị hình 6 thì ta có thể xác định u 1

Tính K P: Áp dụng công thức P 1

y K u

Tính: t t1,2với t t1,2là thời điểm mà giá trị đáp ứng đạt 28,3% và63.2%

Dựa vào dữ liệu đầu vào và đầu ra ta xác định được:

1 2

Hình 7: thời gian mà ở đó đáp ứng của công đoạn 1 đạt 63.2%

Hình 8 thời gian mà ở đó đáp ứng của công đoạn 1 đạt 28.3%

Tính TP dựa trên công thức: P 2 1

3

2

Tính P t2 TP 37 21.3150 15.6850

Thế các giá trị đã tìm được ở trên vào công thức 12 ta có hàm truyền đã nhận dạng được:

15.6850s P

e

G s

Hình 9: Mô phỏng kiểm chứng lại trên simulink

Hình 10: tín hiệu đáp ứng của hệ thống và hệ thống đã nhận dạng

Hình 11: Sai số ngõ ra giữa 2 tín hiệu

Nhận xét:

Như vậy ta đã nhận dạng được hàm truyền của công đoạn thứ nhất của hệ thống với sai

số rất nhỏ

Tiếp theo ta nhận dạng công đoạn thứ hai

Ta áp dụng tương tự các bước làm như trên:

Hình 12: Tín hiệu đặt và đáp ứng ngõ ra của hệ thống

1 2

Hình 13 thời gian mà ở đó đáp ứng của công đoạn 2 đạt 63.2%

Hình 14 thời gian mà ở đó đáp ứng của công đoạn 1 đạt 28.3%

Tính TP dựa trên công thức: P 2 1

3

2

Tính P t2 TP 60 25.0650 34.9350

Thế các giá trị đã tìm được ở trên vào công thức 12 ta có hàm truyền đã nhận dạng được:

-34.9350s P

e

G s

Hình 15: Tín hiệu đáp ứng của hệ thống và hệ thống đã nhận dạng

Hình 16 Sai số ngõ ra giữa 2 tín hiệu

Nhận xét:

Như vậy ta đã nhận dạng được hàm truyền của công đoạn thứ hai của hệ thống với sai số rất nhỏ

Câu 3:

Cách thiết kế của bộ điều khiển hồi tiếp (Feedback Controller):

Hình 17:Sơ đồ vòng hở của hệ thống

Từ Hình 17 ta có thể tìm được hàm truyền thể hiện sự thay đổi điện áp V dẫn đến việc

mở van hơi ảnh hưởng như thế nài đến nhiệt độ lò T

14.7s P

e

G s

Và một hàm truyền thể hiện sự thay đổi nhiễu ảnh hưởng đến nhiệt độ T

35s P

e

G s

Để có thể điều chỉnh nhiệt độ T ổn định quanh một điểm đặt Setpoint cho trước, ta có thể thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp để điều khiển điện áp V (độ mở van) Trong hệ thống này,

bộ điều khiển tích phân tỉ lệ (PI) có cấu trúc như sau:

C c

1

T s 919\* MERGEFORMAT (.) Như vậy sơ đồ hình 17 sẽ trở thành:

Hình 18: Bộ điều khiển PI cho hệ thống

Để có thể tính được các thông số Kcvà TCcho bộ điều khiển ta có thể sử dụng tiêu chuẩn ITAE (tích phạn của thời gian nhân với trị tuyệt đối của sai số):

0.977 C

0.68 C

T

Với 14.7, 21.3

Sau khi ta tìm được Kcvà TC ta sẽ tìm C với công thức được trình bày ở phương trình 19:

1

5 2341* 1

Tiếp đó ta quan sát hệ thống được mô phỏng:

Hình 19: Đáp ứng của hệ thống sau khi có bộ diều khiển PI

Hình 20: Bộ điều khiển PI cho hệ thống

Nhận xét: Bộ điều khiển hồi tiếp PI làm cho đáp ứng của hệ thống bám theo tín hiệu đặt nhưng lại gây ra độ vọt lố khá cao Để làm độ vọt lố ta có thể giảm hệ số khuếch đại Kc

Cách thiết kế của bộ điều khiển hồi tiếp (FeedForward Controller):

Bộ điều khiển này sử dụng tín hiệu nhiễu động để điều chỉnh điện áp V (điều chỉnh độ

mở van)

Hình 21: Sơ đồ khối của bộ điều khiển FeedForward

Hệ số truyền thẳng của bộ điều khiển cho thấy sự ảnh hưởng của nhiễu tác động lên nhiệt độ T được tính bằng công thức:

P d

Từ công thức 112 ta tính được hệ số F:

20.3s d

P

G 21.3s 1

G 25s 1 13113\* MERGEFORMAT (.)

Hình 22: ảnh hưởng của nhiễu động lên hệ thống

Hình 23: Bộ điều khiển Feedforward cho hệ thống

Nhận xét: Như vậy bộ điều khiển FeedForward có tác dụng là giảm thiểu sự dao động nhiệt độ do nhiễu động

Cách thiết kế bộ điều khiển kết hợp Feedback-FeedForward

(Feedback-FeedForward Controller):

Ta thấy được ưu điểm của hai bộ điều khiển như sau: Điều khiển hồi tiếp cho ta thấy đáp ứng đầu ra bám theo điểm đặt, còn điều khiển chuyển tiếp giúp ta có thể loại bỏ các nhiễu động Chính vì những yếu tố này, ta có thể kết hợp 2 bộ điều khiển riêng biệt trên thành 1 bộ điều khiển có thể có nhiều ưu điểm hơn:

Hình 24: Sơ đồ khối bộ điều khiển kết hợp

Các thông ở hai bộ điều khiển thì

Hình 25 Bộ điều khiển kết hợp