tài liệu hướng dẫn thí nghiệm điều khiển quá trình ee3550

Sử dụng các tiêu chuẩn công nghiệp làm cho hệ thống trở nên phù hợp cho đào tạo trongcông nghiệp hay trong trường học.Hệ thống nhỏ gọn, hoàn toàn khép kín.Có các chức năng hiển thị hoạt

Trang 1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆMĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH– EE3550

Mã lớp thí nghiệm:Họ và tên:

736544Hoàng Ngọc Huy

Hà Nội, 2021

Trang 2

1 Lập Mô Hình Toán Học Của Đối Tượng Bình Chứa Áp suất 11

2 Xác Định tham số mô hình từ thực nghiệm 12

3 Mô phỏng đối tượng áp suất trên matlab 12

BÀI 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT 12

MỤC TIÊU 12

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA 12

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH 13

1 Thiết kế bộ điều khiển cho quá trình áp suất bằng phương pháp lý thuyết 13

2 Mô phỏng hệ thống điều khiển áp suất trên matlab 13

BÀI 3 CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT 13

MỤC TIÊU 13

1 Tìm hiều cách cài đặt thiết bị điều khiển trong hệ thống điều khiển áp suất 14

2 Cài đặt bộ điều khiển đã thiết kế, chạy thử 14

3 Hiệu chỉnh bộ điều khiển 14

II HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 14

Trang 3

2 Xác Định tham số mô hình từ thực nghiệm 18

BÀI 5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT 18

MỤC TIÊU 18

1 Thiết kế bộ điều khiển cho quá trình lưu lượng bằng phương pháp lý thuyết 18

2 Mô phỏng hệ thống điều khiển lưu lượng trên matlab 19

BÀI 6 CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 20

MỤC TIÊU 20

1 Tìm hiều cách cài đặt thiết bị điều khiển trong hệ thống điều khiển lưu lượng 20

III HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH MỨC 20

1 Thiết kế bộ điều khiển cho quá trình mức bằng phương pháp lý thuyết 24

2 Mô phỏng hệ thống điều khiển MỨC trên matlab 24

BÀI 9 CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC 25

MỤC TIÊU 25

1 Tìm hiều cách cài đặt thiết bị điều khiển trong hệ thống điều khiển mức 25

Trang 4

PHỤ LỤC I ĐỀ CƯƠNG HỌC PHẦN CHI TIẾT 26EE3550ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 26

Trang 5

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 vớicác nhiễu quá trình tác động khác nhau lên hệ thống.

Trang 6

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.

Mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất TE3300/02 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 2 Hệ thống điều khiển quá trình áp suất TE3300/02Ưu điểm của hệ thống thí nghiệm điều khiển áp suất TE3300/02:

Điều khiển áp suất sử dụng bộ điều khiển P, PI, PID.

Trang 7

Sử dụng các tiêu chuẩn công nghiệp làm cho hệ thống trở nên phù hợp cho đào tạo trongcông 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 – 40 C.oo

Nhiệt độ bảo quản: -25 C – 55 C.oo

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, càiđặt bộ điều khiển điều chỉnh lưu lượng nước bằng van khí nén Điều này làm thay đổi áp suấttrong bình nén áp suất Thiết bị đo áp suất của bình nén áp suất đưa tín hiệu phản hồi cho bộ điềukhiển.

Trang 8

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 tuợngc 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 trinh2

Trang 9

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

lần giá trị xác lập.

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: 𝑘 = 𝑦 = lim 𝑦(𝑡)∞

Bước 2: Xác định giá trị 0.632𝑦∞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 4 Mô phỏng chỉnh định tham số của mô hình nhận dạng

KẾT QUẢ:

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

Trang 10

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài tập này, sinh viên có thể thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp lýthuyết, chỉnh định thông số bộ điều khiển cũng như thay đổi các sách lược điều khiển

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.

độ lớn với đối tượng không có trễ S(s)=1+TskBộ điều khiển I: R(s)=kp

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 6 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển áp suất

KẾT QUẢ:

Trang 11

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

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

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

Trang 12

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 chothí nghiệm điều khiển lưu lượng Nó giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cách thiết kế các sách lượcđiều 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 thiếtkế để sinh viên làm quen và thực hành việc đo lường và điều khiển một quá trình thực tế.

Hình 7 Hệ thống điều khiển quá trình lưu lượng TE3300/03Ưu điểm của hệ thống thí nghiệm điều khiển lưu lượng TE3300/03:

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

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

Trang 13

Bộ chuyển đổi dòng điện sang áp suất.Đồng hồ đo lưu lượng

Đồng hồ đo áp suất.Van điều khiển khí nén.Bơm 3 cấp độ.Bình chứa.Thiết bị phụ trợ:

Nhiệt độ bảo quản: -25 C – 55 C.oo

Để tiến hành thí nghiệm, cần đổ đầy nước sạch vào bình chứa và cài đặt hệ thống Sau đó, càiđặt bộ điều khiển điều chỉnh lưu lượng nước bằng van khí nén Thiết bị đo lưu lượng hiển thị giátrị lưu lượng đo được Cố định độ mở van và đồng hồ đo áp suất truyền tín hiệu phản hồi về bộđiều 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 lýkết quả thực nghiệm, tiến hành nhận dạng đối tượng và so sánh các giá trị thực nghiệm với môhình ước lượng bằng Matlab.

Trang 14

b Trên cơ sở nguyên lý làm việc của áp suất , xây dựng mô hình toán học cho đối tuợngc Cách xác định các tham số bằng thực nghiệm.

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 trinh2

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

G(s) =

Trang 15

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: 𝑘 = 𝑦 = lim 𝑦(𝑡)∞ 𝑡→∞Bước 2: Xác định giá trị 0.632𝑦∞ ta xác định được tham số T.

Bước 3: Xác định tham số L là khoảng thời gian trễ dựa trên hàm quá độBước 4: Sử dụng Toolbox Simulink để kiểm tra mô hình nhận dạng:

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

MỤC TIÊU

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.

Trang 16

Trong đó𝐺𝑅

Hình 10 Bộ dự báo Smith cho đối tượng có trễ

(𝑠) = 𝑅 , R(s) là bộ điều khiển I được thiết kế theo phương pháp tối ưu độ

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 11 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển lưu lượng

Trang 17

BÀI 6 CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG

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

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

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 thiết kếđể sinh viên làm quen và thực hành việc đo lường và điều khiển một quá trình thực tế.

Trang 18

Hình 12 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.

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.

Trang 19

Bình chứa.Thiết bị phụ trợ:

Nhiệt độ bảo quản: -25 C đến 55 C.oo

Để tiến hành thí nghiệm, cần đổ đầy nước sạch vào bình chứa và cài đặt hệ thống Sau đó, càiđặt bộ điều khiển điều chỉnh lưu lượng nước bằng van khí nén Điều này làm thay đổi mức nướctrong bình trong suốt Bộ chuyển đổi chênh lệch áp suất của bình đưa tín hiệu phản hồi cho bộđiều khiển.

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 lýkết quả thực nghiệm, tiến hành nhận dạng đối tượng và so sánh mô hình thực nghiệm với môhình ước lượng bằng Matlab.

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 bằngthực nghiệm.

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:

Trang 20

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 13 Đáp ứng của đối tượng mức

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

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

𝑠(1 + 𝑇𝑠)

Trang 21

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

BÀI 8 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC BẰNGPHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT

MỤC TIÊU

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, thờigian quá độ, độ quá điều chỉnh, hệ số tắt dần, sai lệch tĩnh, độ dự trữ ổn định, bền vững với nhiễuđo.

Trang 22

a4 a

kT aD

h exp exp

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:kp

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 dịnh cácvòng điều khiển cần xây dựng Nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng Cần phải đo (những) đại luợngnào? c Xây dựng các vòng điều khiển đã xác định ở trên trong trường hợp không đo đuợc lưu lượngra.

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

Hình 15 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển mức1