báo cáo môn điều khiển quá trình

Xét quá trình điều khiển ổn định nhiệt độ của nước trong bể bơi mùa đông với cơ chế tự tràn được minh họa như hình dưới.. Nước chảy ra khỏi bể có lưu lượngthể tích f2=f1và nhiệt độ T2 [o

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO MÔNĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

HỌ VÀ TÊN : LÊ HÀ THÀNH LỚP : TỰ ĐỘNG HÓA 3 K61 MÃ SINH VIÊN : 201604316

 f1,T1,C1

VT2

f2,T2Tự tràn

f3,T4

Bài 1 (3đ) Xét quá trình điều khiển ổn định nhiệt độ của nước trong bể bơi mùa

đông với cơ chế tự tràn được minh họa như hình dưới Nước chảy vào bể cókhối lượng riêng 1=const [kg/m3], nhiệt dung riêng C1=const [J/kgoC], lưulượng thể tích f1 [m3/s] và nhiệt độ T1 [oC] Nước chảy ra khỏi bể có lưu lượngthể tích f2=f1và nhiệt độ T2 [oC] Nước trong bể có nhiệt độ đồng nhất là T2 [ C]o

và được gia nhiệt bằng hơi nóng có lưu lượng vào/ra là f3 [m3/s], nhiệt dung

riêng C2=const [J/kgoC], nhiệt độ hơi nóng vào/ra dàn trao đổi nhiệt là T3, T4

[oC] Thể tích bể đầy tràn nước V=const [m ].3

 C2

f 3,T 3

Anh/chị hãy trình bày tối thiểu 03 chiến lược điều khiển P&ID và sơ đồ khối cấutrúc hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ của bể bằng với giá trị đặt T 2sp

Bài 2 (7đ) Khảo sát hệ thống cung cấp nước được liên kết với nhau bằng van

tay và cần duy trì chiều cao mức nước trong bể 2 theo giá trị đặt l2sp[m] Hai bểhình trụ có tiết diện đáy là A1, A2 [m2], chiều cao mức nước là l1, l2[m]; nướctrong bể có khối lượng riêng =const [kg/m3]; Tiết diện của van tay V V lần

2,3

lượt là a2, a3 [m2]; Độ mở của van tay V V lần lượt là [%]; Lưu lượng

nước vào, ra bể 1 là f1, f 2[m3/s]; lưu lượng nước vào, ra bể 2 là f2, f 3[m /s].3

Câu 1 Xác định các biến quá trình (vào/ra/nhiễu), các tham số quá trình, sơ đồ

khối, cho biết bậc tự do của quá trình.

Câu 2 Xác định hàm truyền đạt quá trình ổn định mức nước bể 2, tại lân cận giá

trị mức đặt của bể hai l2sp[m] là hằng số.

Câu 3 Áp dụng chiến lược truyền thẳng cho hệ thống, tiến hành xây dựng lưu

đồ P&ID và sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển cho quá trình điều khiển ổn

định mức nước bể 2, tại giá trị mức đặt l.

 f1,T1,C1

VT2

f2,T2Tự tràn

f3,T4

Câu 4 Xây dựng lưu đồ chiến lược P&ID có tích hợp vòng điều khiển phản hồi

kín, sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển và xác định thông số bộ điều khiển

PID cho quá trình điều khiển ổn định mức nước bể 2, tại giá trị mức đặt l2sp.Biết rằng: thiết bị định vị và bộ chuyển đổi điện-khí nén là khâu tỷ lệ kI/P, van điều khiển có

hệ số khuyếch đại kv [m3/s/mA], hằng số thời gian v [s]; thiết bị đo mức nước có hệ sốkhuếch đại km [mA/m], hằng số thời gian m [s]; =1.0; l =1.2; A =2.5; A =3;2sp12a =a =0.08;12

+ Biến cần điều khiển : T2

+ Biến điều khiển : f3

+ Biến nhiễu : T4,T ,T13, f1,f2

+ Các thông số quá trình : , A, V, C , C12

+ Số bậc tự do :3

+ Sơ đồ khối quá trình :

b/Chiến lược điều khiển

+Chiến lược điều khiển P&ID và sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điềukhiển ổn định nhiệt độ của bể bằng với giá trị đặt là T 2sp

+Để tạo ra sản phẩm A với T2=T2sp ta có thể có các phương án chiếnlược sau :

 Phương án 1 : Điều khiển phản hồi (FB) Đo T và điều 2

chỉnh f 3

+ Lưu đồ P&ID:

+ Sơ đồ khối

 Phương án 2 : Điều khiển bù nhiễu (FF)+Lưu đồ P&ID

+Sơ đồ khối

 Phương án 3 : Điều khiển tầng+ Lưu đồ P&ID

+ Sơ đồ khối

Bài 2 :

Câu 1 :a/ Phân tích quá trình :

+ Biến cần điều khiển : L2

+ Biến điều khiển : f1

𝑑𝑡

+ ZA = B

Xét bình 2 : = 𝜌 f2 - 𝜌.f3

𝑑𝑡

𝑑𝑙1→ 𝑑𝑙2𝑑𝑡

1=

𝐴11

(f1− f )2

={ 𝑑𝑡 𝐴2 (f2 − f3)Ta áp dụng Bernoli tại các điểm+Tại điểm A & B:

2gP

γ + ZB02

↔ 2g+

ρ g l1 ρ g

+ 0 =

v2

+ 0 + 02g

𝛾 + 𝑍𝐶 = 𝑣2+

2𝑔𝑃𝐷

𝛾 + 𝑍𝐷02

↔2𝑔 + 𝜌 𝑔 𝑙𝜌 𝑔2

𝑣2+ 0 = + 0 + 0

2𝑔 𝑣2

= √2 𝑔 𝑙2 mà 𝑣2 = f3

𝑎 𝑐3.3

 f3 = 𝑎3 𝑐3√2 𝑔 𝑙2

→ PTVP toán QT l2là:𝑑𝑙1

𝑑𝑡1=

𝐴1

( 𝑓1 − 𝑎2𝑐2√2𝑔𝑙1 ) 𝑑𝑙2

{ 𝑑𝑡

1=

𝐴2 ( 𝑎2𝑐2√2𝑔𝑙1 − 𝑎3𝑐3√2𝑔𝑙2 )

 Tính toán lưu lượng mức của các biến QT tại điểm làm việc𝑙2 = 𝑙2𝑠𝑝 = 1,2

Ta có 𝑙2 = 𝑙2𝑠𝑝 = 1,2 → 𝑓3 = 𝑓3𝑠𝑝 = 𝑎3𝑐3√2𝑔𝑙2= 0,08.0,5 2.9,8.1,2 = 0,193√

 Xác định hàm truyền đạt QT tại lân cận điểm làm việc𝑙2 = 𝑙2𝑠𝑝 = 1,2

-Tại điểm làm việc 𝑙2 = 𝑙2𝑠𝑝 = 1,2

𝑙1 = 𝑙1𝑠𝑝 = 0,8{

𝑓1 = 𝑓1𝑠𝑝 = 0,193-Tại lân cận điểm làm việc 𝑙2 = 𝑙2𝑠𝑝 + ∆𝑙2 = 1,2 + ∆𝑙2

𝑙1 = 𝑙1𝑠𝑝 + ∆𝑙1 = 0,8 + ∆𝑙1

{𝑓1 = 𝑓1𝑠𝑝 + ∆𝑓1 = 0,193 + ∆𝑓1Thay vào PTVP ta được :

l

𝑑(𝑙1𝑠𝑝 + ∆𝑙1) 1

=𝑑𝑡 𝐴1

( 𝑓1𝑠𝑝 + ∆𝑓1 − 𝑎2𝑐2√ 2𝑔(𝑙1𝑠𝑝 + ∆𝑙1) )𝑑(𝑙2𝑠𝑝 + ∆𝑙2) 1

=

( 𝑎2𝑐2√2𝑔(𝑙1𝑠𝑝 + ∆𝑙1) − 𝑎3𝑐3√2𝑔( 𝑙2𝑠𝑝 + ∆𝑙2))

Áp dụng xấp xỉ Newton ta với√l1sp+ ∆l1 = l√1sp.√1 + ∆l1

𝑑 𝑙1𝑑𝑡

1=

𝐴1 ( ∆𝑓1 − 𝑎2𝑐2√2𝑔 ∆𝑙1 )

2 √𝑙1 𝑠𝑝

𝑑𝑙2{ 𝑑𝑡

1=

𝐴2

(𝑎2𝑐2√2𝑔 ∆𝑙1

2 √��1𝑠��

2 √0,8𝑑𝑙2

= 1 (0,08.0,6√2.9,8 ∆𝑙1 − 0,08.0,5√2.9,8.∆ 𝑙2

)

𝑑𝑙1→ { 𝑑𝑡 = 0,4∆𝑓1 − 0.04748 ∆𝑙1

𝑑𝑙2

𝑑𝑡 = 0.039 ∆𝑙1 − 0,027 ∆𝑙2

𝑑 𝑙1→ { 𝑑𝑡 = 0,4𝑓1 − 0.04748 𝑙1

𝑑𝑙2𝑑𝑡 = 0.039 𝑙1 − 0,027 𝑙2

Sử dụng khai triển Laplace ta được :

{ 𝑠𝐿1𝑠𝐿(𝑠) = 0,4 𝐹2(𝑠) = 0.039𝐿1 − 0.04748 𝐿1 − 0,027𝐿12 (4)(3)Từ (4): 𝐿1

(𝑠) = 𝑠 +0,027 0,039 𝐿 (𝑠) thay vào (3) ta được:(s + 0,04748 ) 𝑠+0,027 𝐿

0,039 (𝑠) = 0,4𝐹1

(s + 0,04748) ( 𝑠 + 0,027) 𝐿2(𝑠) = 0,0156 𝐹1

0,0156→ 𝐿2(𝑠) = (s + 0,04748) ( 𝑠 + 0,027) 𝐹1

12,21=

+Sơ đồ khối cấu trúc HTDKG (s) = kv

1

3=

4s + 1KI/P = 4 = GI /P(s)G (s) = km

1

1,2=

0,3s + 1

 Thông số bộ ĐK PID:- Hàm truyền hệ hở là :

G(s) = GI/P(s) Gv(s) Gl2 (s) Gm(s)𝐺(𝑠) = 4 3

4 𝑠+1.( 21,06𝑠+1)(37s+1)12,21 0,3s+11,2

𝐺(𝑠) = ( 21,06𝑠+1)(37s +1)(4s+1)(0,3s+1)175,82

Áp dụng dụng phương pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ,ở dải tần số thấp s nhỏ,ta có thể bỏ qua thành phần bậc cao của s , lúc này dạnggần đúng của đối tượng điều khiển như sau :

𝐺(𝑠) = ( 37𝑠+1)(21,06s+1)(4,3s+1) (𝑎175,82 = 1𝑠+1)(𝑎2𝑠+1)(𝑎𝑘 3𝑠+1 )Với 𝑎1 > 𝑎 > 𝑎2 3

Do đối tượng là khâu quán tính bậc 3 Theo bảng 5.11 T81, AD tiêuchuẩn tối ưu độ lớn MO ta có thông số PID là:

 �� = 𝑎1+𝑎2 = 37+21,06 = 0,038

𝑃2𝑘𝑎3 2.175,82.4,3

 𝑇𝐼 = 𝑎1 + 𝑎 = 37 + 21,06 = 58,062  𝑇𝐷

Câu 5 :

= 𝑎1.𝑎2𝑎1+𝑎2 = 37.21,0637+21,06= 13,42

a/Xây dựng sơ đồ mô phỏng trên Simulink

b/Tính toán thông số của bộ PID

+Kp=0,038+Ki=Kp/Ti=0,038/58,06=0,000654+Kd=Kp*Td=0,038*13,42=0,509

c/Nhập thông số cho bộ PID

d/Mô Phỏng

e/Tính toán các thông số để đánh giá bộ PID qua đồ thị

+ l = 1,22sp

+ Giá trị xác lập: y= 1,200+ Giá trị quá độ lớn nhất: y = 1,250max

+ Chọn % = 2%

+Sai số xác lập: e = 1,2 - 1,2 = 0

+Độ quá hiệu chỉnh: = ymax  y

.100%= 1,250−1,200 100% = 4,17%

+Thời gian tăng trưởng: tt = 18,650 – 4,162 = 14,488 (s)

+Thời gian quá độ:  = 37,665 (s) ( % = 2%)

 Đánh giá bộ điều khiển:

Độ quá hiệu chỉnh của hệ thống nhỏ (~5%), thời gian quá độchấp nhận được (~36s), đáp ứng của hệ thống bám theo giá trị đặt với sai lệch xấp xỉ 0