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 NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH– EE3550

Mã lớp thí

nghiệm:

Họ và tên:

736544Hoàng Ngọc Huy

Hà Nội, 2021

Trang 2

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU 5

THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 6

LÝ THUYẾT 8

I HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT 9

( BÀI 1 – BÀI 3) 9

BÀI 1 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT 11

MỤC TIÊU 11

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA 11

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH 11

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

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

(BÀI 4 – BÀI 6) 14

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

MỤC TIÊU 16

1 Lập Mô Hình Toán Học Của Đối Tượng QuÁ Trình Lưu Lượng 17

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

(BÀI 7 – BÀI 9) 20

BÀI 7 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MỨC 22

MỤC TIÊU 22

BÀI 8 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT 24

MỤC TIÊU 24

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 26 EE3550 ĐIỀU 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 thiết

kế 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 TE3300/02

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

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 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

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.o o

Nhiệt độ bảo quản: -25 C – 55 C.o o

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 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

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)∞

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 PHƯƠNG PHÁP 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 đápứng, 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+Tsk

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)

1 TÌM HIỀU 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:

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 thiết

kế 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 TE3300/03

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 trongcông nghiệp hay trong trường học

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

Trang 13

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

Đồng hồ đo lưu lượng

Nhiệt độ bảo quản: -25 C – 55 C.o o

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

L T

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

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

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:

Hình 9 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 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 đápứng, 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

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)

1 TÌM HIỀU CÁCH CÀI ĐẶT THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG

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 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 kế

để 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 TE3300/04

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 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 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:

Đồng hồ đo áp suất

Van điều khiển khí nén

Bình trong suốt

Bơm 3 cấp độ

Trang 19

Bình chứa.

Thiết bị phụ trợ:

Nhiệt độ bảo quản: -25 C đến 55 C.o o

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)

Định dạng
Số trang	23
Dung lượng	2,97 MB