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

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 thínghiệm điều khiển áp suất Nó giúp sinh viên hiểu rõ hơn về tính ổn định của các hệ thống điềukhiển đơn giản.

Nước trở lại bể chứa thông qua một van vận hành bằng tay (van xả) Một van bypassvận 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 khiểnbộ 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 gỉvới các phụ kiện nén.

TỪ KHÓA ĐỂ BIỂU TƯỢNG

PR = Màn hình ghi áp suấtPIC = Bộ điều khiển trung tâmI / P = Bộ điều áp

PT = Bộ chuyển đổi áp suấtPCV = Điều khiển áp suất (Van) DV = Van xả (thủ công) BV = Van Bypass (thủcông)

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 phậnchính

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.

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 thốngđiều 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 - DISPLYUNITSF or CNONE

Set - INPUT1IN1TYPDạng đầu vào4 to 20 mA (with 250 R resistor)

IN1 HIGiới hạn giá trị vào tối đa500 (mbar) (100%)

Set - OPTIONAUXOUTĐầu ra phụ trợOUT

Set - ALARMSA1S1TYĐịa chỉ nhận tín hiệuIN1

A1S1VAGiá trị cảnh báo 1400 (mbar) (80%)

A1S1HLTrạng thái cảnh báo 1HIGH

A2S1TYĐịa chỉ nhận tín hiệuIN1

A2S1VAGiá trị cảnh báo 2100 (mbar) (20%)

A2S1HLTrạng thái cảnh báoLOW

Set - CONTRLSP HIGiới hạn giá trị đặt500 (mbar) (100%)Địa chỉ IP thiết bị10.100.0.2

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 thựchiện việc này, cần phải tháo nắp trước để tiếp cận các nút ấn để thiết lập (xem Hình 6 và 7) Tham khảoHướng 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 tạotrong 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 tầngCó 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 – 40ooC.

Độ ẩm: 80% ở nhiệt độ < 31 C và giảm tuyến tính xuống 50% ở 40ooC.Nhiệt độ bảo quản: -25 C – 55ooC.

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 ápsuất trong bình nén áp suất Thiết bị đo áp suất của bình nén áp suất đưa tín hiệu phản hồi chobộ điều khiển.

***KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM***

Giá tr áp suấất đo vềề (PV)ịGiá tr áp suấất đ t (SP)ịặĐ m van (Output)ộởSai l ch (Devitaton)ệ

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 đápứng quá độ của đối tượng ứng với một giá trị đầu vào do ta đặt trước :

L T

- 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 cóhàm 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 hiệubước 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 PHƯƠNGPHÁP LÝ THUYẾT

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài tập này, sinh viên có thể thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháplý 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 ( chương3)

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 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 tượngkhông 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 vàchỉnh 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 suất2 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 thínghiệm điều khiển mức Nó giúp sinh viên hiểu rõ hơn về tính ổn định của các hệ thống điềukhiển đơn giản.

Mô hình thí nghiệm điều khiển mức TE3300/04 của hãng TECQUIPMENT được thiếtkế 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 TE3300/04Ưu 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 tạotrong 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 tầngCó 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 suốtBơm 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 – 40ooC.

Độ ẩm: 80% ở nhiệt độ < 31 C và giảm tuyến tính xuống 50% ở 40ooC.Nhiệt độ bảo quản: -25 C đến 55ooC.

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 đổimức nước trong bình trong suốt Bộ chuyển đổi chênh lệch áp suất của bình đưa tín hiệu phảnhồi cho bộ điều khiển.

***KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM***

Giá tr m c đo vềề (PV)ịứGiá tr m c đ t (SP)ịứặĐ m van (Output)ộởSai l ch (Devitaton)ệ

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 vớicác tham số hình thức

c Có bao nhiêu phương pháp nhận dạng đối tượng bình mức Cách xác định các tham sốbằng 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 dụngvan 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 quáđộ 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 truyềnđạt:

Bước 4: Mô phỏng đối tượng trên Matlab , so sánh giữa mô hình ước lượng và giá trị thựcnghiệm 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 pháplý 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 vữngvới 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;

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

Bước 2: Tính T theo công thức T = aTI IBước 3: Tính kp theo công thức:

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 đốituợng 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 đốituợng theo các buớc sau: a Giải thích tại sao cần sử dụng điều khiển tầng b Xác dịnhcác 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 trườnghợp 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 vàsự dao động Giải thích nguyên nhân và nêu biện pháp khắc phục Sửa đổi lại hệ thống đểkhắc 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

BÀI 9 CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài tập này, sinh viên có thể cài đặt các thông số cho bộ điều khiển vàchỉnh 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 MỨC2 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: