tài liệu hướng dẫn thí nghiệm điều khiển quá trình ee3550 2

GIỚI THIỆUNội dung chính của việc thí nghiệm điều khiển quá trình là tìm hiểu nguyên lý hoạt độngcủa hệ thống điều khiển, hiểu được vai trò các thiết bị trong hệ thống như cảm biến, cơ c

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN _ ĐIỆN TỬ

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH– EE3550

Lớp - khóa: KT Điều khiển – Tự động hóa 10 – K66

Hà Nội, 2023

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU 3

LÝ THUYẾT 4

I HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT 5

( BÀI 1 – BÀI 3) 5

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

1 Xác Định tham số mô hình từ thực nghiệm 7

2 Mô phỏng đối tượng áp suất trên matlab 8

II.HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 8

(BÀI 4 – BÀI 6) 8

BÀI 4 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 9

MỤC TIÊU 9

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA 9

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH 9

2 Lập Mô Hình Toán Học Của Đối Tượng QuÁ TRÌNH LƯU LƯỢNG 9

3 Xác Định tham số mô hình từ thực nghiệm 10

GIỚI THIỆU

Nội dung chính của việc thí nghiệm điều khiển quá trình là tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển, hiểu được vai trò các thiết bị trong hệ thống như cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển Trên cơ sở đó biết hiệu chỉnh các thang đo của cảm biến, cơ cấu chấp hành tương ứng với dải hoạt động của hệ thống Các bước tiến hành trong quá trình thực nghiệm tương ứng với quá trình làm việc trong thực tế sản xuất như: khảo sát đặc tính thực nghiệm của đối tượng điều khiển từ đó lựa chọn các phương pháp điều khiển và hiệu chỉnh các tham số bộ điều khiển

Để chuẩn bị thí nghiệm sinh viên cần đọc tài liệu thí nghiệm và chuẩn bị tại nhà trước khi đến trường thí nghiệm Sinh viên cần nắm rõ lý thuyết và các bước thực hiện thí nghiệm để việc thí nghiệm đạt hiệu quả và hoàn thành trong thời gian định trước Vì thời gian dành cho thí nghiệm còn hạn chế nên trong thí nghiệm chỉ hướng dẫn cách làm một số bài thí nghiệm điều khiển quá trình đặc trưng và cần thiết

LÝ THUYẾT

Hệ thống điều khiển quá trình với mạch vòng đơn cơ bản được thể hiện ở hình 1

Hình 1 Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển

Bộ điều khiển (Controller)

Cơ cấu chấp hành (Final Control Element)

Output (CO)

Bài toán điều khiển cần được thực hiện là biến được điều khiển ổn định với giá trị đặt trước với các nhiễu quá trình tác động khác nhau lên hệ thống

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

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 :

K U

y

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

t(s)

Hình 2 Đáp ứng của đối tượng áp suất Trên cơ sở đó xác định 3 tham số: k, T, L như sau:

ứng đầu ra

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:

e−2s

1+1.78 s

0 10 20 30 40 50 60 0

20

40

60

80

100

120

140

đo thực nghiệm SP

Hình 2 Đáp ứng của đối tượng áp suất đối với đầu vào chỉnh ở chế độ MANUAL

1 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

−2 s

1.78s +1

Bước 1: Xác định tham số k như sau: : k = y∞=lim

t → ∞y (t ).¿>k=1

Bước 2: Ta xác định được tham số T+ L=3.78=¿T=1.78

Bước 3: L là khoảng thời gian trễ dựa L=2 xác định bằng độ trễ đầu ra

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

Chọn bộ điều khiển PI

Kp=0.9∗1.78

Ti= 2

Ki=Kp

Ti

=0.12 1

Hình 3 Mô phỏng chỉnh định tham số của mô hình nhận dạng

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 gọn cho thí nghiệm điều khiển lưu lượng Nó giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cách thiết kế các sách lược điều khiển đơn giản cũng như việc định chuẩn các thiết bị đo và chỉnh định bộ điều khiển

Mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất TE3300/03 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

K U

y

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

t(s)

do thi dap ung qua do cua qua trinh

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 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

2 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 :

Hình 5 Đáp ứng của đối tượng lưu lượng

Trên cơ sở đó xác định 3 tham số: k, T, L như sau:

L=17

T=1.5

k=1

ứng đầu ra

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) =

Hình 6 Đáp ứng của đối tượng lưu lượng đối với đầu vào chỉnh ở chế độ MANUAL

Sử dụng Toolbox System Identification trong Matlab ta xác định được các thông

số của hàm truyền cần tìm

2 MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG ÁP SUẤT TRÊN MATLAB

G(s)=1 e−17 s

1 s+1

Bước 1: Xác định tham số k như sau: : k = y∞=lim

t → ∞y (t )=1

Bước 2: Ta xác định được tham số 18 5−17=1 5

Bước 3: L là khoảng thời gian trễ dựa L=17 xác định bằng độ trễ đầu ra

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

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

Thiết kế tham số bộ điều khiển PID theo Ziegler Nichol

Chọn bộ điều khiển PI:

Kp=0.9 T

1.2∗1.5

Ti=0.3L =56.67 Td=0.5∗17 8.5=

Ki=Kp

Ti

=1 87∗10−3