báo cáo thí nghiệm điều khiển quá trình

Chế độ TỰ ĐỘNG - Bộ điều khiển tự động thay đổi đầu ra của nó, sử dụng cài đặt PID để điều khiển.Đồng hồ điều điều khiểnMàn hình của đồng hồ hiển 2 giá trị : giá trị trên hiển thị biến b

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trường Điện – Điện Tử

_

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thế Anh

Mã số sinh viên: 2020 0033

Lớp học: 731233-N05

Giảng viên hướng dẫn: ThS Trần Thị Kim Bích

Hà Nội, T7/2023

I HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT

( BÀI 1 – BÀI 3)

Hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình áp suất TE3300/02 là hệ thống nhỏ gọn cho thí nghiệm điều khiển áp suất Nó giúp sinh viên hiểu rõ hơn về tính ổn định của các hệ thống điều khiển đơn giản

Mô tả hệ thống

TE3300 / 02 là module di động cho các thí nghiệm điều khiển quá trình áp suất Nó cần một 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 cảm biến để đo giá trị áp suất trong bể chứa (PT), cảm biến sẽ gửi tín hiệu

bộ điều khiển trung tâm (PIC)

Nước trở lại bể chứa thông qua một van vận hành bằng tay (van xả) Một van bypass vận hành bằng 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

bộ điều áp sẽ điều chỉnh 1 lượng áp suất để điều khiển góc mở cho van áp suất (PCV) (xem Hình 2)

Tất cả các thiết bị đo đều đạt tiêu chuẩn công nghiệp Đường ống bằng thép không gỉ với các phụ 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)

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

Công tắc máy bơm

Màn hình hiển thị

Bộ điều khiển

Bộ điều

áp

Van liên kết

Đầu cấp khí

Van

xả

Bể cấp nước

Hình 3 TE3300 / 02 Bộ phận

chính

Cảm biến

Bể chứa

Van áp suất

Van tạo nhiễu

Bơm ba tốc độ

Dụng cụ

Máy ghi biểu đồ

Tham khảo Hướng dẫn sử dụng đồng hồ điều khiển (kèm theo)

Đồng hồ điều khiển

Hình 4 Bộ điều khiển

Các chế độ

Đồng hồ điều khiển có hai chế độ hoạt động chính:

1 Chế độ MANUAL - Đầu ra chỉ thay đổi khi người dùng thay đổi nó

2 Chế độ TỰ ĐỘNG - Bộ điều khiển tự động thay đổi đầu ra của nó, sử dụng cài đặt PID để điều khiển

Cảnh báo

Thiết bị có 2 mực cảnh báo Alarm 1 cảnh báo mức cao và Alarm 2 cảnh báo mức thấp, đèn cảnh báo trên bộ điều khiển sẽ bật sáng

Các cảnh báo chỉ là một cảnh báo trực quan - chúng không ảnh hưởng đến bất kỳ kết quả hoặc biến số nào khác

Đồng hồ điều điều khiển

Màn hình của đồng hồ hiển 2 giá trị : giá trị trên hiển thị biến biến quá trình (hoặc biến đo lường) Giá trị dưới hiện thị một số giá trị đọc khác nhau (tham khảo Hướng dẫn sử dụng)

Màn hình cũng có thể hiển thị từ 'UNPLUG' Điều này là bình thường nếu không sử dụng Hệ thống điều khiển máy tính tùy chọn (TE3300 / 06)

Giá trị mặc định của bộ điều khiển cho TE3300 / 02

Những giá trị này là những giá trị duy nhất khác với giá trị thiết lập của nhà máy

GHI CHÚ Tất cả các giá trị khác là như thiết lập của nhà máy

Set - DISPLY UNITS F or C NONE

Set - INPUT1 IN1TYP Dạng đầu vào 4 to 20 mA (with 250 R resistor)

IN1 HI Giới hạn giá trị vào tối đa 500 (mbar) (100%)

Set - OPTION AUXOUT Đầu ra phụ trợ OUT

Set - ALARMS A1S1TY Địa chỉ nhận tín hiệu IN1

A1S1VA Giá trị cảnh báo 1 400 (mbar) (80%)

A1S1HL Trạng thái cảnh báo 1 HIGH

A2S1TY Địa chỉ nhận tín hiệu IN1

A2S1VA Giá trị cảnh báo 2 100 (mbar) (20%)

A2S1HL Trạng thái cảnh báo LOW

Set - CONTRL SP HI Giới hạn giá trị đặt 500 (mbar) (100%) Địa chỉ IP thiết bị 10.100.0.2

Bảng 1 TE3300 / 02 Giá trị mặc định của Bộ điều khiển

Bộ điều áp

Điều chỉnh độ chính xác

Điều chỉnh điểm không

Hình 5 Bộ điều áp (Đã loại bỏ nắp)

Cảm biến

Hướng dẫn Thí nghiệm TE3300 / 02 yêu cầu học sinh điều chỉnh cài đặt của bộ truyền áp suất Để thực hiện việc này, cần phải tháo nắp trước để tiếp cận các nút ấn để thiết lập (xem Hình 6 và 7) Tham khảo Hướng dẫn sử dụng cảm biến (kèm theo) để biết thêm chi tiết.

Hình 6 Tháo nắp cảm biến

Ưu điểm của hệ thống thí nghiệm điều khiển áp suất TE3300/02:

Điều khiển áp suất 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

Hệ thống nhỏ gọn, hoàn toàn khép kín

Có các chức năng hiển thị hoạt động, điều chỉnh bộ điều khiển, bộ chuyển đổi, van

Có thể kết hợp với hệ thống điều khiển lưu lượng TE3300/03 để điều khiển tầng

Có thể kết nối với hệ thống máy tính điều khiển TE3300/06 để điều khiển phân tán

An toàn, thiết thực và thực tế

Các phần chính của hệ thống điều khiển quá trình áp suất:

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 áp suất

Van điều khiển khí nén

Bình nén áp suất.

Bơm 3 cấp độ

Bình chứa

Thiết bị phụ trợ:

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 Điều này làm thay đổi áp suất trong bình nén áp suất Thiết bị đo áp suất của bình nén áp suất đưa tín hiệu phản hồi cho

bộ điều khiển

***KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM***

.

52:38

.

52:54

.

53:10

.

53:26 .

53:42 .

53:58 .

54:14 .

54:30 .

54:46 .

55:02 .

55:18 .

55:34 .

55:50 .

56:06 .

56:22 .

56:38 .

56:54 .

57:10 .

57:26 .

57:42 .

57:58 .

58:14 .

58:30 .

58:46 .

59:02 .

59:18 .

59:34

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Giá tr áp suấất đo vềề (PV) ị Giá tr áp suấất đ t (SP) ị ặ

Đ m van (Output) ộ ở Sai l ch (Devitaton) ệ

Th i gianờ

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 lý kết 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 :

L T

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

t(s)

Hình 1 Đáp ứng của đối tượng áp suất Trên cơ sở đó xác định 3 tham số: k, T, L như sau:

- 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:

Bước 2: Xác định giá trị 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

***KẾT QUẢ MÔ PHỎNG: Lượng đặt đầu vào 100, sai lệch a = 5

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

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài tập này, sinh viên có thể thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp

lý thuyết, chỉnh định thông số bộ điều khiển cũng như thay đổi các sách lược điều khiển

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 gian đáp ứng, thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh, hệ số tắt dần, sai lệch tĩnh, độ dự trữ ổn định, bền vững với nhiễu đo

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH

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

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

Hình 3 Bộ dự báo Smith cho đối tượng có trễ Trong đó , R(s) là bộ điều khiển I được thiết kế theo phương pháp tối ưu độ lớn với đối tượng không có trễ

Bộ điều khiển I:

Theo phương pháp tối ưu độ lớn ,

Tham số của bộ điểu khiển I:

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

***KẾT QUẢ MÔ PHỎNG: Lượng đặt đầu vào 400, bộ điều khiển I theo tối ưu độ lớn,

thông số I = 2kT

BÀI 3 CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài tập này, sinh viên có thể cài đặt các thông số cho bộ điều khiển và chỉnh định thông số bộ điều khiển để đạt chất lượng mong muốn

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

Đọc kỹ phần thiết kế bộ điều khiển ( chương 6)

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH

1 Tìm hiỂu cách cài đặt thiết bị điều khiển trong hệ thống điều khiển áp suất

2 Cài đặt bộ điều khiển đã thiết kế, chạy thử

3 Hiệu chỉnh bộ điều khiển

Ảnh hưởng của tham số bộ điều khiển PID đối với các chỉ tiêu chất lượng trên là:

III HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH MỨC

(BÀI 7 – BÀI 9)

Hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình mức TE3300/04 là hệ thống nhỏ gọn cho thí nghiệm điều khiển mức Nó giúp sinh viên hiểu rõ hơn về tính ổn định của các hệ thống điều khiển đơn giản

Mô hình thí nghiệm điều khiển mức TE3300/04 của hãng TECQUIPMENT được thiết

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 mức TE3300/04

Ưu điểm của hệ thống thí nghiệm điều khiển mức TE3300/04:

Điều khiển mức 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

Hệ thống nhỏ gọn, hoàn toàn khép kín

Có các chức năng hiển thị hoạt động, điều chỉnh bộ điều khiển, bộ chuyển đổi, van

Có thể kết hợp với hệ thống điều khiển lưu lượng TE3300/03 để điều khiển tầng

Có thể kết nối với hệ thống máy tính điều khiển TE3300/06 để điều khiển phân tán

An toàn, thiết thực và thực tế

Các phần chính của hệ thống điều khiển quá trình mức:

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 áp suất

Van điều khiển khí nén

Bình trong suốt

Bơm 3 cấp độ

Bình chứa

Thiết bị phụ trợ:

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 đến 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 Điều này làm thay đổi mức nước trong bình trong suốt Bộ chuyển đổi chênh lệch áp suất của bình đưa tín hiệu phản hồi cho bộ điều khiển

***KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM***

.

53:01

.

53:15

.

53:28

.

53:42 .

53:55 .

54:09 .

54:23 .

54:36 .

54:50 .

55:03 .

55:17 .

55:31 .

55:44 .

55:58 .

56:11 .

56:25 .

56:39 .

56:52 .

57:06 .

57:19 .

57:33 .

57:47 .

58:00 .

58:14 .

58:27 .

58:41 .

58:55 .

59:08 -100

-50

0

50

100

150

200

250

300

Giá tr m c đo vềề (PV) ị ứ Giá tr m c đ t (SP) ị ứ ặ

Đ m van (Output) ộ ở Sai l ch (Devitaton) ệ

Th i gianờ

BÀI 7 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MỨC

MỤC TIÊU

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

lý kết quả thực nghiệm, tiến hành nhận dạng đối tượng và so sánh mô hình 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 bình mức, xây dựng mô hình toán học cho đối tuợng với các tham số hình thức

c Có bao nhiêu phương pháp nhận dạng đối tượng bình mức Cách xác định các tham số bằng thực nghiệm

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH

Bước 1: Đổ nước sạch vào bình chứa và khởi động hệ thống

Bước 2: Tạo một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh lưu lượng của nước bằng cách sử dụng van khí nén và ghi lại các giá trị của mức

Bước 3: Xác định tham số mô hình bằng thực nghiệm:

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 :

Hình 6 Đáp ứng của đối tượng mức

Trên cơ sở đó xác định 2 tham số: k, T như sau:

- Kẻ đường tiệm cận h (t) với h(t) tại t = ∞tc

- Xác định T là giao điểm của h (t) với trục hoànhtc

- Xác định góc nghiêng j của h (t) với trục hoành rồi tính k = tan jtc

Mô hình đối tượng mức sẽ được xấp xỉ về khâu tích phân quán tính bậc nhất có hàm truyền đạt:

Bước 4: Mô phỏng đối tượng trên Matlab , so sánh giữa mô hình ước lượng và giá trị thực nghiệm và hiệu chỉnh sao cho sai số là nhỏ nhất

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

***KẾT QUẢ MÔ PHỎNG: Lượng đặt đầu vào 100, sai lệch a = 5

BÀI 8 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài tập này, sinh viên có thể thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp

lý thuyết, chỉnh định thông số bộ điều khiển cũng như thay đổi các sách lược điều khiển

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

Đọc kỹ phần thiết kế bộ điều khiển ( chương 6) và các sách lược điều khiển ( chương 3) Xác định các tham số của bộ điều khiển PID theo các chỉ tiêu chất lượng: thời gian đáp ứng, thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh, hệ số tắt dần, sai lệch tĩnh, độ dự trữ ổn định, bền vững với nhiễu đo

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH

1 Thiết kế bộ điều khiển cho quá trình mức bằng phương pháp lý thuyết

Mô hình đối tượng mức sẽ được xấp xỉ về khâu tích phân quán tính bậc nhất có hàm truyền đạt:

Áp dụng phương pháp tối ưu đối xứng ta sẽ xác định được tham số bộ điều khiển PI như sau:

Bước 1: Xác định a từ độ quá điều chỉnh Dh cần có của hệ kín theo;

2

4 1

h

a D

hoặc tự chọn a>1 từ yêu cầu chất lượng đề ra Giá trị đuợc chọn càng lớn, độ quá a điều chỉnh càng nhỏ Nếu a£1, hệ kín sẽ không ổn định

Bước 2: Tính T theo công thức T = aTI I

Bước 3: Tính kp theo công thức:

1 p k

kT a

2 Mô phỏng hệ thống điều khiển MỨC trên matlab

Mô phỏng hệ thống điều khiển mức với các yêu cầu dưới đây:

1.Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn, xây dựng bộ điều khiển mức cho đối tuợng Mô phỏng trên Simulink Thử sử dụng các loại bộ điều khiển khác nhau (P, PI, PID,…) cho bài toán Nhận xét

2 Sử dụng sách luợc điều khiển tầng (cascade control), xây dựng bộ điều khiển cho đối tuợng theo các buớc sau: a Giải thích tại sao cần sử dụng điều khiển tầng b Xác dịnh các vòng điều khiển cần xây dựng Nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng Cần phải đo (những) đại luợng nào? c Xây dựng các vòng điều khiển đã xác định ở trên trong trường hợp không đo đuợc lưu lượng ra

3 Nếu sử dụng bộ điều khiển có thành phần tích phân, nhận xét về độ quá điều chỉnh và

sự dao động Giải thích nguyên nhân và nêu biện pháp khắc phục Sửa đổi lại hệ thống để khắc phục hiện tượng trên

Hình 8 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển mức

***KẾT QUẢ MÔ PHỎNG: Lượng đặt đầu vào 200, tham số bộ điều khiển với a = 4