báo cáo thí nghiệm điều khiển quá trình 2

Sinh viên xử lýkết quả thực nghiệm, tiến hành nhận dạng đối tượng và so sánh các giá trị thực nghiệm vớimô hình ước lượng bằng Matlab.CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRAĐọc kỹ phần mô hì

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - -

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Điều khiển quá trình

Giảng viên hướng dẫn: ThS Trần Thị Kim Bích

Hà Nội - 07/2023

MỤC LỤC

I HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT 3

( BÀI 1 – BÀI 3) 3

BÀI 1 Mô Hình hóa quá trình điều khiển áp suất 5

MỤC TIÊU 5

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA 5

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH 5

1 Lập Mô Hình Toán Học Của Đối Tượng Bình Chứa Áp suất 5

2 Xác Định tham số mô hình từ thực nghiệm 6

3 Mô phỏng đối tượng áp suất trên matlab 6

BÀI 2 Thiết kế bộ điều khiển áp suất bằng phương pháp lý thuyết 12

MỤC TIÊU 12

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH 12

1 Thiết kế bộ điều khiển cho quá trình áp suất bằng phương pháp lý thuyết 12

2 Mô phỏng hệ thống điều khiển áp suất trên matlab 12

II.HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 14

(BÀI 4 – BÀI 6) 14

BÀI 4 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 16

MỤC TIÊU 16

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA 16

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH 16

1 LẬP MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG QUÁ TRÌNH LƯU LƯƠNG 16

2 XÁC ĐỊNH THAM SỐ MÔ HÌNH TỪ THỰC NGHIỆM 17

BÀI 5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT 21

MỤC TIÊU 21

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA 21

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH 21

1 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO QUÁ TRÌNH LƯU LƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT 21

2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRÊN MATLAB 22

Mô tả hệ thống

TE3300 / 02 là module di động cho các thí nghiệm điều khiển quá trình áp suất Nó cầnmột nguồn cung cấp, khí nén và nước sạch để hoạt động

Một máy bơm ba tốc bơm nước từ bể cấp nước, thông qua Van điều khiển áp suất (PCV) đến

bể chứa (bể mức, lưu lượng,áp suất), làm tăng áp suất không khí trong bộ chứa Một cảmbiến để đo giá trị áp suất trong bể chứa (PT), cảm biến sẽ gửi tín hiệu bộ điều khiển trungtâm (PIC)

Nước trở lại bể chứa thông qua một van vận hành bằng tay (van xả) Một van bypass vận hànhbằng tay cho phép người dùng làm xáo trộn dòng chảy trong bể chứa

Bộ điều khiển trung tâm xuất tín hiệu tới bộ điều áp (I / P), dựa theo tín hiệu điều khiển bộđiều áp sẽ điều chỉnh 1 lượng áp suất để điều khiển góc mở cho van áp suất (PCV) (xem Hình2)

Tất cả các thiết bị đo đều đạt tiêu chuẩn công nghiệp Đường ống bằng thép không gỉ với cácphụ kiện nén

TỪ KHÓA ĐỂ BIỂU TƯỢNG

PR = Màn hình ghi áp suất PIC = Bộ điều khiển trung tâm I / P = Bộ điều áp

PT = Bộ chuyển đổi áp suất PCV = Điều khiển áp suất (Van)

DV = Van xả (thủ công)

BV = Van Bypass (thủ công)

4Hình 2 Sơ đồ dòng chảy của Hệ thống đào tạo quy trình áp suất TE3300 / 02

BÀI 1 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài tập này, sinh viên có thể đo đạc các giá trị áp suất Sinh viên xử lýkết quả thực nghiệm, tiến hành nhận dạng đối tượng và so sánh các giá trị thực nghiệm với

mô hình ước lượng bằng Matlab

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

Đọc kỹ phần mô hình hóa quá trình ( chương 2)

a Xác dịnh các tín hiệu vào, tín hiệu ra và nhiễu của hệ thống

b Trên cơ sở nguyên lý làm việc của áp suất , xây dựng mô hình toán học cho đối tuợng

c Cách xác định các tham số bằng thực nghiệm

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH

1 LẬP MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG BÌNH CHỨA ÁP SUẤT

Ở bài thí nghiệm này, ta nhận dạng hàm truyền đạt đối tượng điều khiển từ đồ thị đáp ứng quá độ của đối tượng ứng với một giá trị đầu vào do ta đặt trước :

do thi dap ung qua do cua qua trinh 2

- L: là khoảng thời gian kể từ khi đặt giá trị đầu vào tới khi có sự thay đổi ở đáp ứng đầu ra

- T: là khoảng thời gian kể từ khi có sự thay đổi ở đầu ra đến khi đầu ra đạt 0,632 lần giá trị xác lập

- K: hệ số tỉ lệ giữa giá trị xác lập ở đầu ra và giá trị đặt ở đầu vào

Mô hình đối tượng điều khiển áp suất sẽ được xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất có hàm truyền đạt:

G(s) =

2 XÁC ĐỊNH THAM SỐ MÔ HÌNH TỪ THỰC NGHIỆM

Xác định tham số mô hình từ thực nghiệm bằng cách đặt tín hiệu giá trị đặt là tín hiệu bước nhảy 1(t), kết quả thu được hàm quá độ ở đầu ra

Bước 1: Xác định tham số k bằng các công thức sau: � = �∞ = lim �(�).

�→ ∞

Bước 2: Xác định giá trị 0.63

2

2 2∞ ta xác định được tham số T.

Bước 3: Xác định tham số L là khoảng thời gian trễ dựa trên hàm quá độ

3 MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG ÁP SUẤT TRÊN MATLAB

Hình 2 Mô phỏng chỉnh định tham số của mô hình nhận dạng

Nhập lệnh đọc dữ liệu từ file excel export từ quá trình lấy số liệu:

Với as.xlsx là tên file lưu dữ liệu xuất từ thiết bị

Truy cập APPS và chọn app [System Identification]

Chọn Import data → Time domain data để nhập dữ liệu theo miền thời gian, với input u và output y

1 Chọn Time Plot để xem đáp ứng đầu ra

2 Chọn Estimate → Process Models → Auto selected để xấp xỉ dữ liệu về mô hình quán tính bậc nhất và thu được hàm truyền:

Ta được K=0.059306; L=2.867; T=0.000001

3 Chọn Model Output để thấy mô hình quá trình :

4.Chọn Frequency Response để thấy đáp ứng tần số:

5.Chọn Step Response để thấy đáp ứng quá độ:

BÀI 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT

2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT TRÊN MATLAB

Sử dụng Toolbox Simulink để xây dựng hệ thống điều khiển áp suất

Hình 4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển áp suất

Sử dụng PID Tuner để tính toán tham số của bộ điều khiển I

Kết quả mô phỏng :

II.HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG (BÀI 4 – BÀI 6)

Hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình lưu lượng TE3300/03 là hệ thống nhỏ gọncho thí nghiệm điều khiển lưu lượng Nó giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cách thiết kế các sáchlược điều khiển đơn giản cũng như việc định chuẩn các thiết bị đo và chỉnh định bộ điềukhiển

Mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất TE3300/03 của hãng TECQUIPMENT đượcthiết kế để sinh viên làm quen và thực hành việc đo lường và điều khiển một quá trình thực tế

Hình 5 Hệ thống điều khiển quá trình lưu lượng TE3300/03

Ưu điểm của hệ thống thí nghiệm điều khiển lưu lượng TE3300/03:

Điều khiển lưu lượng sử dụng bộ điều khiển P, PI, PID.

Sử dụng các tiêu chuẩn công nghiệp làm cho hệ thống trở nên phù hợp cho đào tạo trong công nghiệp hay trong trường học.

Có các chức năng định chuẩn van, bộ chuyển đổi và các thiết bị đo, chỉnh định bộ điềukhiển

Các phần chính của hệ thống điều khiển quá trình lưu lượng:

Bộ điều khiển công nghiệp với tính năng tự động điều chỉnh

Bộ ghi biểu đồ 2 kênh

Bộ chuyển đổi dòng điện sang áp suất

Đồng hồ đo lưu lượng

Nguồn cung cấp 0.5l/s không khí sạch, khô, không dầu ở 2-10 bar

Máy tính điều khiển cài đặt phần mềm giám sát

Điều kiện hoạt động:

Môi trường hoạt động: phòng thí nghiệm

Nhiệt độ hoạt động: 5 C – 40o oC

Độ ẩm: 80% ở nhiệt độ < 31 C và giảm tuyến tính xuống 50% ở 40o oC

Nhiệt độ bảo quản: -25 C – 55o oC

Nguồn cấp: 230V – 0.3A hoặc 110V – 0.6A, 50/60 Hz

Để tiến hành thí nghiệm, cần đổ đầy nước sạch vào bình chứa và cài đặt hệ thống Sau đó,cài đặt bộ điều khiển điều chỉnh lưu lượng nước bằng van khí nén Thiết bị đo lưu lượng hiểnthị giá trị lưu lượng đo được Cố định độ mở van và đồng hồ đo áp suất truyền tín hiệu phảnhồi về bộ điều khiển

BÀI 4 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài tập này, sinh viên có thể đo đạc các giá trị lưu lượng Sinh viên xử

lý kết quả thực nghiệm, tiến hành nhận dạng đối tượng và so sánh các giá trị thực nghiệmvới mô hình ước lượng bằng Matlab

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

Đọc kỹ phần mô hình hóa quá trình ( chương 2)

a Xác dịnh các tín hiệu vào, tín hiệu ra và nhiễu của hệ thống

b Trên cơ sở nguyên lý làm việc của áp suất , xây dựng mô hình toán học cho đối tuợng

c Cách xác định các tham số bằng thực nghiệm

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH

1 LẬP MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG QUÁ TRÌNH LƯU LƯƠNG

Ở bài thí nghiệm này,ta nhận dạng hàm truyền đạt đối tượng điều khiển từ đồ thị đáp ứng quá độ của đối tượng ứng với một giá trị đầu vào do ta đặt trước :

do thi dap ung qua do cua qua trinh 2

- T: là khoảng thời gian kể từ khi có sự thay đổi ở đầu ra đến khi đầu ra đạt 0,632 lần giá trị xác lập.

- K: hệ số tỉ lệ giữa giá trị xác lập ở đầu ra và giá trị đặt ở đầu vào

Mô hình đối tượng điều khiển áp suất sẽ được xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất có hàm truyền đạt:

G(s) =

2 XÁC ĐỊNH THAM SỐ MÔ HÌNH TỪ THỰC NGHIỆM

Xác định tham số mô hình từ thực nghiệm bằng cách đặt tín hiệu giá trị đặt là tín hiệu bước nhảy 1(t), kết quả thu được hàm quá độ ở đầu ra

Bước 1: Xác định tham số k bằng các công thức sau: � = �∞ = lim �(�)

�→ ∞Bước 2: Xác định giá trị 0.63

2

2

Bước 3: Xác định tham số L là khoảng thời gian trễ dựa trên hàm quá độ

Bước 4: Sử dụng Toolbox Simulink để kiểm tra mô hình nhận dạng:

Hình 7 Mô phỏng chỉnh định tham số của mô hình nhận dạng

Kết quả thu được từ quá trình thí nghiệm :

Thực hiện các thao tác tương tự bài 1 để thu được:

1.Đáp ứng đầu ra:

2.Xấp xỉ hàm truyền đạt ta được K=0.005673; L= 0.0000483794; T=0.000001

3.Mô hình quá trình

4.Đáp ứng tần số

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

1 Đọc kỹ phần thiết kế bộ điều khiển ( chương 6) và các sách lược điều khiển ( chương 3)

2 Xác định các tham số của bộ điều khiển PID theo các chỉ tiêu chất lượng: thời gianđáp ứng, thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh, hệ số tắt dần, sai lệch tĩnh, độ dự trữ ổnđịnh, bền vững với nhiễu đo

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH

1 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO QUÁ TRÌNH LƯU LƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT

Cách 1 Thiết kế bộ điều khiển dự báo Smith cho đối tượng có trễ:

Hình 8 Bộ dự báo Smith cho đối tượng có trễTrong đó �

Cách 2 Thiết kế tham số bộ điều khiển PID theo Ziegler Nichol

2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRÊN MATLAB

Hình 9 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển lưu lượng

Sử dụng PID Tuner để tính toán các tham số của bộ PID

Kết quả mô phỏng thu được :