báo cáo bài tập lớn điều khiển quá trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢIKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚNHỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Sinh viên thực hiện : Lê Hà ThànhMã sinh viên : 201604316Lớp : TĐH3 Khóa : K61 Giản

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚNHỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Sinh viên thực hiện : Lê Hà ThànhMã sinh viên : 201604316Lớp : TĐH3 Khóa : K61 Giảng viên phụ trách : TS Nguyễn Hoàng Vân

HÀ NỘI - 2023

1 Xét quá trình pha chế (loãng) rượu sử dụng bình khuấy trộn theo sơ đồ công nghệ hìnhdưới Dòng rượu đậm đặc đưa tới đầu vào 1, dòng rượu loãng hơn đưa tới đầu vào 2, dòng sản phẩm ra 3 có lưu lượng w, nồng độ x cần phải đảm bảo theo giá trị đặt Các van điều chỉnh lưu lượng dòng rượu đậm x1 đầu vào 1 là w1; dòng rượu loãng x2 đầu vào 2 là w2 như hình vẽ; h là chiều cao của mức rượu trong bình (m)

?) Anh chị hãy trình bày tối thiểu 3 chiến lược điều khiển P&ID và sơ đồ khối cấu trúchệ thống điều khiển nồng độ rượu x3 bằng với giá trị đặt xsp Biết rằng quá trình khuấy trộn diễn ra hoàn toàn và nồng độ rượu x1 là hằng số, lưu lượng của dòng rượu đầu vào 2 w2 là hằng số, lưu lượng w3 của đầu ra 3 là hằng số.

Bài làma Phân tích quá trình :

+) Biến cần điều khiển : x3+) Biến điều khiển : w1 +) Biến nhiễu : h, x2.+) Sơ đồ khối quá trình :

b Chiến lược điều khiển+) Chiến lượn điều khiển P&ID và sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nồng độ rượu trong đầu ra 3 bằng với giá trị đặt xsp.

Để tạo ra sản phẩm rượu với x3 = xsp ta có thể có các phương án sau:  Phương án 1: Điều khiển phản hồi Đo lường x3 và điều chỉnh w1

-Lưu đồ P&ID :

-Sơ đồ khối :

 Phương án 2 : Điều khiển bù nhiễu Đo lường x2 để từ đó tính toán ra x3, sau đó điều chỉnh w1.

-Lưu đồ P&ID :

-Sơ đồ khối :

 Phương án 3 : Kết hợp phản hồi và bù nhiễu Đo lường x3 và x2, từ đó tính toán ra x3 chính xác, sau đó thực hiện điều chỉnh w1

-Lưu đồ P&ID :

-Sơ đồ khối :

2 Điều khiển mức nước bao hơi lò Uông Bí giai đoạn khởi động lò hơi

Bài làmXây dựng sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ thống:

Giai đoạn bắt đầu khởi động lò tương ứng với vòng điều khiển (111) trên sơ đồP&ID của hệ thống:

Giai đoạn hoạt động lâu dài tương ứng với vòng điều khiển (112) trên sơ đồP&ID của hệ thống:

Xây dựng hàm truyền đạt của các thiết bị đo,thiết bị chấp hành:

1) Hàm truyền của thiết bị đo mức trong lò bao hơi:

Đặc tính của thiết bị đo mức nước trong bao hơi

Hàm truyền của thiết bi đo mức nước trong bao hơi là khâu quán tính với đầuvào là chiều cao mức nước L(mm),đầu ra là tín hiệu dòng điện I(mA) tương ứngvới giá trị nhiệt độ thực tế:

Với Kl=0.023(mA/mm); τl=0.5 s

2) Hàm truyền của thiết bị đo mức trong lò bao hơi:

Hàm truyền của thiết bị đo lưu lượng hơi quá nhiệt/cấp nước lò:

Trong đó Kf=0.063mA

kg/s; τf=0.25 s

3) Hàm truyền của van nước trong lò bao hơi:

Hàm truyền của van cấp nước cho lò hơi được xấp xỉ là 1 khâu quán tính bậcnhất có trễ :

=1000.8.920

65.1000

3600=491.5 kg s/

kg/c m2

Thời gian quá độ lấy bằng τv=5.5 s và thời gian trễ lấy bằng θv=1.2 s

4) Hàm truyền của bộ chuyển đổi dòng điện khí nén ( I/P ):

5) Hàm truyền của quá trình mức nước bao hơi :

Quá trình động học mức nước trong bao hơi có thể được xác định gần đúng dựavào đường đặc tính của mức nước bao hơi với đầu vào là lưu lượng nước,đầu ralà đáp ứng của mức nước trong bao hơi:

Căn cứ vào đặc tính đáp ứng trên,ta thấy hàm truyền của mức nước bao hơikhông có tính tự cân bằng và được mô tả dưới dạng gần đúng là một khâu tíchphân có trễ:

Kb=∆ Lmax

∆ Fmax

=700920.3600

1000=2.74mm

kg s/Thời gian trễ của quá trình mức nước bao hơi được xác định từ đồ thị đáp ứng là

θb=20.1 s

6)Thiết kế bộ điều khiển PID cho quá trình mức nước bao hơi:

a)Giai đoạn khởi động lò:

cho lò hơi được xấp xỉ là 1 khâu quánHàm truyền của đối tượng điều khiển có dạng:

G=GI/ PGVGBGl=81491.5e

−1.2s

1+5.5 s

2.74e−20.1 ss

0.0231+0.5 s

Thực hiện xấp xỉ Taylor với thành phần phi tuyếne−θs≈(1+ ) ta đượcθs

s(20.1 s+1)(5.5 +1)(1.2 s +1)(0.5 s+1)s

Áp dụng phương pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ ,ở dải tần số thấp s nhỏ,tacó thể bỏ qua thành phần bậc cao của s,lúc này dạng gần đúng của đối tượngđiều khiển như sau:

G= 2508.92078

s(20.1 s+1)(7.2 s+1)=

kTs(T1s+1)(T2s+1)Theo phương pháp tối ưu đối xứng với đối tượng trên là khâu tích phân quántính bậc 2 nên bộ điều khiển được chọn là khâu PID có dạng:

b) Giai đoạn vận hành lò lâu dài:

Tổng hợp mạch vòng điều khiển lưu lượng van cấp nước:

Ta được sơ đồi khối mạch vòng điều khiển lưu lượng nước cấp vào lò hơi nhưsau:

Hàm truyền của đối tượng sau khi thực hiện xấp xỉ Taylor, tổng các hằng số thờigian nhỏ có dạng gần đúng như sau:

G=GI/ PG GVf=81491.5e

−1.2s

1+5.5 s

0.0631+0.25 s=

2508.1245

(1+5.5 s)(1.45 s+1)=

k

(T1s+1)(T2s+1)Áp dụng phương pháp tối ưu độ lớn với đối tượng điều khiển là khâu quán tínhbậc 2,bộ điều khiển là PI:

Ta tính toán được thông số như sau: T = T = 5.5; Kp=T /2*k*T = 7.5616xI1I2 10−4

Kp = 7.5616x 10−4; K = 1.3748xI10−4

Tổng hợp mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi:

Hàm truyền đạt tương đương của mạch vòng điều khiển lưu lượng nước cấp vàolò có dạng :

Hàm truyền đạt của đối tượng sau khi áp dụng phương pháp tổng các hằng sốthời gian nhỏ có dạng:

Áp dụng phương pháp tối ưu đối xứng khi đối tượng điều khiển là khâu quántính bậc 2 thì bộ điều khiển tối ưu được chọn là PID:

T TABTI

=8.1 kp= T

2k T2

TI

4T2

=5.7842 K = 0.1716; k = 46.8518I D

Sơ đồ mô phỏng hệ thống:

Ta thu được đáp ứng hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong giai đoạn vậnhành lò lâu dài như sau:

Nhận xét :Kết quả mô phỏng cho thấy ở giai đoạn lò hoạt động lâu dài, với bộ

điều khiển PID được thiết kế theo nguyên lý tối ưu đối xứng thì hệ thống cho đáp ứng mức nước bao hơi có độ quá điều chỉnh khá lớn ~52%, thời gian quá độ48.2s, bám theo giá trị đặt với sai số xác lập nhỏ