MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH 4 LỜI MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 6 1.1. Các khái niệm cơ bản 6 1.1.1. Điều khiển quá trình 6 1.1.2. Biến quá trình 6 1.2. Mục đích điều khiển 7 1.2.1. Đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, công nghệ 7 1.2.2. Đảm bảo các yếu tố công nghệ, môi trường 7 1.3. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 7 1.4. Các chức năng 8 1.4.1. Điều khiển cơ sở và vận hành giám sát 8 1.4.2. Điều khiển cao cấp 9 1.4.3. Điều khiển P&ID 9 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 12 2.1. Giới thiệu chung 12 2.2. Các dạng mô hình hóa 14 2.2.1. Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến 14 2.2.2. Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn 14 2.2.3. Mô hình đơn biến và mô hình đa biến 14 2.2.4. Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên 14 2.3. Mô hình hóa lý thuyết 15 2.3.1. Các bước mô hình hóa 15 2.3.2. Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc 16 2.4. Mô hình hóa thực nghiệm 18 2.4.1. Nhận dạng hệ thống 18 2.4.2. Phương pháp phản hồi Rơle 19 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 22 3.1. Sách lược điều khiển 23 3.1.1. Khái niệm 23 3.1.2. Phân loại 23 3.2. Phân tích bài toán, xác định biến của mô hình 26 3.3. Xây dựng sách lược điều khiển. 30 3.4. Xây dựng mô hình và kết quả mô phỏng 30 Nhận xét: 32 KẾT LUẬN 33 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Qúa trình và phân loại biến quá trình 6 Hình 1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT 7 Hình 1.4. Các biểu tượng thiết bị 9 Hình 1.5. Các biểu tượng tín hiệu và đường nối 10 Hình 1.6. Diễn giải ý nghĩa nhãn thiết bị và kí hiệu chức năng 10 Hình 2.1. Tổng quan các bước mô hình hóa quá trình phức hợp 12 Hình 2.2.Phương pháp phản hồi rơle 19 Động học của mạch vòng điều khiển lưu lượng 19 Hình 2.3. Các phương pháp điều khiển lưu lượng 20 Hình 3.1: Mô hình hai bình thông nhau. 21 Hình 3.2: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển. 22 Hình 3.3: Mô hình hai bình thông nhau. 25 Hình 3.4: Mô hình tổng quan 26 Mô phỏng đối tượng bằng khối TwoTank trong Simulink 27 Hình 3.5: Mô hình hệ thống. 27 Hình 3.5: Đồ thị bình 1 28 Hình 3.6: Đồ thị bình 2 29 Hình 3.7: Lưu đồ P&ID của hệ thống. 29 Hình 3.9: Tín hiệu ra 31 Hình 3.10: Tín hiệu ra có hiệu chỉnh lại thông sô. 31 LỜI MỞ ĐẦU Trong cuộc sống hiện giờ chúng ta áp dụng nguyên lý hai bình thông nhau vào nhiễu lĩnh vực, như công nghiêp, xây dựng khai khoáng… nó là tiền đề để xây dựng hệ thống máy nén thủy lực. Trong kỳ này em thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình điều khiển hệ thống đo mức và lưu lượng chất lỏng gồm 2 bình thông nhau” Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của cô giáo Th.S Hoàng Thị Thương và các thầy cô giáo trong khoa để em thực hiện tốt đề tài này. Tuy nhiên do kiến thức, kinh nghiệm chưa được hoàn chỉnh nên còn có một số thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài, mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đọc quan tâm đề tài này. Thái Nguyên, năm 2021 Sinh viên CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Các khái niệm cơ bản Điều khiển quá trình Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi turbin. Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc/và được can thiệp Trong nội dung môn học, khái niệm quá trình được hiểu là quá trình công nghệ. Biến quá trình Hình 1.1. Qúa trình và phân loại biến quá trình Biến vào: là đại lượng hay điều kiện phản ánh sự tác động từ ben ngoài vào quá trình. Biến ra: là đại lượng, thông số thể hiện sự ảnh hưởng quá trình ra bên ngoài. Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp được theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển. Biến cần điều khiển (controlled variable): Biến ra, đại lượng hệ trọng tới sự vận hành an toàn, ổn định hoặc chất lượng sản phẩm, cần được duy trì tại một giá trị đặt, hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo. Nhiễu: là biến vào của quá trình tác động lên quá trình nhưng ta không thể can thiệp được. + Nhiễu quá trình (disturbance, process disturbance): Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số đầu vào (lưu lượng, nhiệt độ hoặc thành phần nguyên liệu, nhiên liệu). Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng dòng chảy, áp suất hơi nước,...). Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài,... + Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise): Nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trong giá trị đo được. Mục đích điều khiển 1.2.1. Đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, công nghệ a. Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo các điều kiện vận hành bình thường, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện. b. Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độ sản xuất theo ý muốn, giữ các thông số chất lượng sản phẩm biến động trong giới hạn qui định. c. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: nhằm mục đích bảo vệ con người, máy móc, thiết bị và môi trường. 1.2.2. Đảm bảo các yếu tố công nghệ, môi trường a. Bảo vệ môi trường: Giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu. b. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường. 1.3. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm 3 thành phần chính: - Thiết bị đo. - Thiết bị chấp hành. - Thiết bị điều khiển. Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐKQT Hình 1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT Các chức năng Điều khiển cơ sở và vận hành giám sát Điều khiển cơ sở được định nghĩa là “Điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của thiết bị hoặc quá trình”. Chức năng điều khiển cơ sở có thể do các bộ điều khiển thực hiện một cách tự động (điều khiển tự động), hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm (điều kh7iển bằng tay). Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm: điều chỉnh, điều khiển rời rạc, điều khiển trình tự. Chức năng điều chỉnh được định nghĩa là “Nhằm duy trì các biến đầu ra của một quá trình gần như có thể với các giá trị đặt tương ứng trong điều kiện có tác động nhiễu và giá trị đặt thay đổi”. Điều khiển rời rạc là duy trì các trạng thái thiết bị quá trình tại một giá trị đích lựa chọn từ một tập các trạng thái ổn định biết trước. Điều khiển rời rạc được sử dụng chủ yếu trong 2 bài toán: điều khiển thiết bị và điều khiển liên động. Điều khiển thiết bị đơn lẻ đơn thuần là điều khiển khởi động, dừng hoặc chuyển chế độ cho các thiết bị quá trình đơn lẻ, ví dụ băng tải, động cơ, máy đóng cắt. Điều khiển liên động đảm bảo chức năng bảo vệ, an toàn cho máy móc và con người. Điều khiển trình tự được định nghĩa là một lớp chức năng điều khiển quá trình công nghiệp với mục đích đưa quá trình kỹ thuật qua một trình tự các trạng thái riêng biệt. Điều khiển trình tự có vai trò đặc biệt quan trọng trong thực hiện khởi động hoặc dừng một nhóm thiết bị hoặc cả hệ thống cũng như trong bài toán điều khiển theo mẻ. Trong các hệ thống điều khiển giám sát thì giao diện người-máy (HMI) là chức năng quan trọng nhất. Giao diện người-máy cung cấp các màn hình hiển thị hình ảnh chuẩn về hệ thống và thiết bị, các hình ảnh đồ họa tự do, lưu đồ công nghệ, đồ thị thời gian thực và đồ thị quá khứ, các tham số điều khiển, tình trạng các động cơ, các bảng tóm tắt báo động. Giao diện người-máy hỗ trợ thao tác vận hành thông qua các phương tiện chuẩn như các biến trạng thái máy móc được liên tục thu thập, lưu trữ và quản lý trong một hệ thống cơ sở dữ liệu. Điều khiển cao cấp Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là một chức năng điều khiển tự động nhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với tín hiệu vào/ra quá trình. Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo giá trị đặt hoặc can thiệp vào các tham số điều khiển cơ sở. Thông thường, chức năng điều khiển cao cấp được đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành giám sát. Một hệ thống điều khiển quá trình có thể cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp như điều khiển công thức và quản lý mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển chất lượng và tối ưu hóa thời gian thực. Điều khiển P&ID Lưu đồ P&ID: Pipe and Instrumentation Diagram (VD): - Lưu đồ công nghệ + các biểu tượng thiết bị và chức năng tự động hóa. - Một trong các tài liệu thiết kế quan trọng nhất về hệ thống đo lường, điều khiển và giám sát. - Cơ sở cho lựa chọn và lắp đặt thiết bị, phát triển phần mềm điều khiển và giám sát quá trình (bài toán điều khiển quá trình). Các biểu tượng lưu đồ được ISA (Instrumentation Society of America) chuẩn hóa: + ISA S5.1: Instrumentation Symbols and Identification. + ISA S5.3: Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display, Instrumentation Logic and Computer Systems. Các biểu tượng thiết bị. Hình 1.4. Các biểu tượng thiết bị Các biểu tượng tín hiệu và đường nối. Hình 1.5. Các biểu tượng tín hiệu và đường nối - Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng. Hình 1.6. Diễn giải ý nghĩa nhãn thiết bị và kí hiệu chức năng CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 2.1. Giới thiệu chung Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. - Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích sử dụng. - Phân loại mô hình: + Mô hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật toán. + Mô hình toán học: ODE, Hàm truyền, mô hình trạng thái. + Mô hình máy tính: Chương trình phần mềm. + Mô hình suy luận: Cơ sở tri thức, luật. Các bước mô hình hóa: Bước đầu tiên của quy trình mô hình hóa là đặt bài toán mô hình hóa. Các công việc chính bao gồm nghiên cứu kỹ lưu đồ công nghệ, xác định rõ mục đích sử dụng của mô hình, tóm tắt các thông số công nghệ cũng như các giả thiết quan trọng. Trên cơ sở đó, ta cần làm rõ yêu cầu về mức độ chi tiết và mức độ chính xác của mô hình, phương pháp và công cụ phân tích, đánh giá chất lượng của mô hình. Hình 2.1. Tổng quan các bước mô hình hóa quá trình phức hợp Phương pháp xây dựng mô hình toán học: - Phương pháp lý thuyết (mô hình hóa lý thuyết, phân tích quá trình, mô hình hóa vật lý): + Xây dựng mô hình trên nền tảng các định luật vật lý, hóa học cơ bản. + Phù hợp nhất cho các mục đích 1, 2 và 5. - Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng quá trình, phương pháp hộp đen): + Ước lượng mô hình trên cơ sở các quan sát số liệu vào – ra thực nghiệm. + Phù hợp nhất cho các mục đích 3 và 4. - Phương pháp kết hợp: + Mô hình hóa lý thuyết để xác định cấu trúc mô hình. + Mô hình hóa thực nghiệm để ước lượng các tham số mô hình. 2.2. Các dạng mô hình hóa 2.2.1. Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến Một mô hình được gọi là tuyến tính khi quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra của nó thỏa mãn nguyên lý xếp chồng. Một cách chính thức, nếu M(u) là một toán tử tuyến tính và u_1,u_2 là hai biến đọc lập, ta sẽ có: M(u_1+u_2 )=M(u_1 )+M(u_2) (2.1) Khi đó, nếu có các tín hiệu ra y_1,y_2 lần lượt ứng với các tín hiệu vào độc lập bất kỳ u_1,u_2 thì ta cũng sẽ có 〖y=y〗_1+y_2 ứng với 〖u=u〗_1+u_2. Ngược lại, chỉ cần bất cứ một qua hệ vào/ra nào không thõa mãn nguyên lý xếp chồng thì mô hình sẽ được gọi là phi tuyến. 2.2.2. Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn Mô hình liên tục mô tả quan hệ giữa các biến quá trình liên tục theo thời gian. Nói một cách khác các tín hiệu sử dụng trong mô hình là hàm liên tục theo thời gian Mô hình gián đoạn chỉ phản ánh đặc tính quá trình tại những thời điểm nhất định (gọi là thời điểm quan sát) Một mô hình liên tục chỉ thích hợp với các quá trình liên tục. Trong khi đó, mô hình gián đoạn có thể sử dụng cho tất cả các thành phần trong hệ thống điều khiển số (bao gồm cả quá trình và bộ điều khiển số). 2.2.3. Mô hình đơn biến và mô hình đa biến Mô hình đơn biến: Một biến vào điều khiển và một biến ra được điều khiển, biến vào-ra được biểu diễn là các đại lượng vô hướng. Mô hình đa biến: Nhiều biến vào điều khiển hoặc/và nhiều biến ra, các biến vào-ra có thể được biểu diễn dưới dạng vector. 2.2.4. Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên Mô hình tham số hằng: các tham số mô hình không thay đổi theo thời gian. Mô hình tham số biến thiên: ít nhất 1 tham số mô hình thay đổi theo thời gian. 2.3. Mô hình hóa lý thuyết 2.3.1. Các bước mô hình hóa 1. Phân tích bài toán mô hình hóa - Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mô hình, từ đó xác định mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng. - Phân chia thành các quá trình con. - Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hóa mô hình. - Nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình. 2. Xây dựng các phương trình mô hình 3. Kiểm chứng mô hình: - Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng các biến quá trình và số lượng các quan hệ phụ thuộc. - Phân tích khả năng giải được của mô hình, khả năng điều khiển được. - Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các tính chất của mô hình kết hợp mô phỏng máy tính. 4. Phát triển mô hình: - Phân tích các đặc tính của mô hình. - Chuyển đổi mô hình về các dạng thích hợp. - Tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc nếu cần thiết. - Mô phỏng, so sánh mô hình tuyến tính hóa với mô hình phi tuyến ban đầu. - Thực hiện chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thiết kế điều khiển. 5. Lặp lại một trong các bước trên nếu cần thiết. 2.3.2. Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc Hầu hết mô hình toán học xây dựng bằng phương pháp lý thuyết cho đến các quá trình thực đều chứa phương trình vi phân phi tuyến. Nhưng đến nay, đa số phương pháp phân tích và thiết kế đều dựa trên mô hình tuyến tính. Ngay cả một số phương pháp phi tuyến cũng không loại trừ hoàn toàn việc sử dụng mô hình tuyến tính, ít ra là để làm cơ sở so sánh và kiểm chứng chất lượng. Vì vậy nếu mục đích sử dụng mô hình là phục vụ phân tích hệ thống, thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển, thì việc tuyến tính hóa mô hình trước hay sau cũng sẽ cần thiết. Có 3 phương pháp tuyến tính hóa cơ bản được biết đến, bao gồm: - Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc (phải là một điểm cân bằng): áp dụng phép khai triển Taylor, kết quả là một mô hình tuyến tính xấp xỉ có giá trị sử dụng tại lân cận điểm làm việc. - Tuyến tính hóa thông qua phép biến đổi đơn thuần, kết quả có thể là một mô hình tuyến tính hoặc mô hình ít phi tuyến hơn nhưng hoàn toàn tương đương với mô hình ban đầu. - Tuyến tính hóa chính xác: sử dụng phản hồi, kết quả là một mô hình mở rộng tuyến tính. Hai phương pháp tiếp cận: Tuyến tính hóa trực tiếp trên phương trình vi phân dựa theo các giả thiết về điểm làm việc: Sử dụng biến chênh lệch và phép khai triển chuỗi Taylor: Đa năng, thông dụng. Phép khai triển Taylor: Đặt các ma trận Jacobi: Tóm tắt các bước tuyến tính hóa 1. Đơn giản hóa mô hình như có thể, nếu được thì nên tách thành nhiều mô hình con độc lập. 2. Xác định rõ điểm làm việc và giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc để có mô hình trạng thái xác lập. 3. Đối với các phương trình tuyến tính, thay thế các biến thực bằng các biến chênh lệch. 4. Tuyến tính hóa từng phương trình phi tuyến của mô hình tại điểm làm việc bằng phép khai triển Taylor, bắt đầu với các phương trình đại số và sau đó là với các phương trình vi phân. 5. Đặt lại ký hiệu cho các biến chênh lệch (sửdụng ký hiệu vector nếu cần) và viết gọn lại các phương trình mô hình. 6. Tính toán lại các tham số của mô hình dựa vào giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc. 7. Chuyển mô hình tuyến tính về dạng mong muốn, ví dụ biểu diễn trong không gian trạng thái hoặc bằng hàm truyền đạt. 2.4. Mô hình hóa thực nghiệm 2.4.1. Nhận dạng hệ thống Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các số liệu vào-ra thực nghiệm được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (system identification). Theo IEC 60050-351: “Nhận dạng hệ thống là những thủ tục suy luận một mô hình toán học biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nó đối với một tín hiệu đầu vào xác định rõ, ví dụ hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu tạp trắng”. Theo Lofti A. Zadeh: Trên cơ sở quan sát số liệu vào/ra thực nghiệm, các định các tham số của mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp, sao cho sai số là nhỏ nhất. Các yếu tố cơ bản của nhận dạng - Số liệu vào/ra thực nghiệm: + Dạng nhiễu (nhiễu quá trình, nhiễu đo), độ lớn của nhiễu. + Dạng mô hình, cấu trúc mô hình + Mô hình phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, hàm truyền đạt/không gian trạng thái,… + Bậc mô hình, thời gian trễ. - Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô hình: Mô phỏng và so sánh với số liệu đo. - Thuật toán xác định tham số: Rất đa dạng. Các bước tiến hành: 1. Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình (“apriori”information). 2. Lựa chọn phương pháp nhận dạng (trực tuyến/ngoại tuyến, vòng hở/vòng kín, chủ động/bị động, thuật toán nhận dạng,...). 3. Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy. 4. Quyết định về dạng mô hình và giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình. 5. Lựa chọn thuật toán và xác định các tham số mô hình. 6. Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình. 7. Quay lại một trong các bước 1-4 nếu cần. Phân loại các phương pháp nhận dạng: - Theo dạng mô hình sử dụng: phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, mô hình thời gian/tần số. - Theo dạng số liệu thực nghiệm: chủ động/bị động. - Theo mục đích sử dụng mô hình: trực tuyến, ngoại tuyến. - Theo thuật toán ước lượng mô hình: + Bình phương tối thiểu (least squares, LS), + Phân tích tương quan (correlation analysis), phân tích phổ (spectrum analysis), + Phương pháp lỗi dự báo (prediction error method, PEM). + Phương pháp không gian con (subspace method). - Nhận dạng vòng hở/vòng kín. 2.4.2. Phương pháp phản hồi Rơle Thực chất là một phương pháp tần số, chỉ nhận dạng được đặc tính tần số tại tần số tương ứng với 180° của hệ kín. Một trong những phương pháp nhận dạng hệ kín được sử dụng nhiều nhất bởi các ưu điểm: - Đơn giản, dễ tiến hành. - Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. - Nhận dạng hệ kín xung quanh điểm làm việc. Cách thức tiến hành: Hình 2.2.Phương pháp phản hồi rơle Động học của mạch vòng điều khiển lưu lượng Điều khiển lưu lượng được sử dụng phổ biến nhất trong hệ ĐKQT, nó đóng vai trò là biến điều khiển trong các điều khiển nhiệt độ, áp suất, mức, nồng độ, pha trộn, cấp liệu, và trong các lò phản ứng hóa học. Điều khiển lưu lượng vật chất có ở 3 thể cơ bản: rắn, lỏng, khí. Điều khiển lưu lượng vật chất ở thể rắn thường dùng cân băng. Trong mạch vòng điều khiển lưu lượng thể lỏng và khí bao gồm: các đường ống dẫn, thiết bị vận chuyển, bơm, quạt, có cơ cấu chấp hành là các van, damper, thiết bị đo lưu lượng. Trong thực tế sản xuất sử dụng một số phương pháp điều khiển lưu lượng: Hình 2.3. Các phương pháp điều khiển lưu lượng CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB Yêu cầu bài toán: Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình điều khiển hệ thống đo mức và lưu lượng chất lỏng gồm 2 bình thông nhau. Bình 1: Chất lỏng có thể tích V1 (m3), khối lượng riêng ρ (kg/m3), chiều cao chất lỏng trong bình là h1 (m). Bình 1: Chất lỏng có thể tích V2 (m3), khối lượng riêng ρ (kg/m3), chiều cao chất lỏng trong bình là h2 (m). Coi 2 bình chất lỏng đồng nhất tại mọi thời điểm, có điện tích đáy bình coi bằng nhau. F1, F2, F3 là các lưu lượng chât lỏng đầu vào, ra của 2 bình. Lưu lượng vào bình 1 phụ thuộc vào quá trình điều khiển trước đó. Lưu lượng vào, ra bình 2 được điều chỉnh thông qua các van có điều khiển. c Hình 3.1: Mô hình hai bình thông nhau. 1. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát 2. Thiết kế sách lược điều khiển tầng để điều khiển mức nước trong bình chứa. 3. Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ. Mô phỏng hệ hở trên Simulink 4. Thiết kế Bộ điều khiển cho quá trình bình mức, xác định giá trị của bộ điều khiển. Mô phỏng kết quả điều khiển với bộ điều khiển vừa tính được. a) Mô hình điều khiển b. Kết quả mô phỏng trên matlab. 3.1. Sách lược điều khiển 3.1.1. Khái niệm - Cấu trúc điều khiển: thể hiện mối quan hệ mặt cấu giữa các biến của quá trình (hệ thống). + Giá trị đặt + Biến đo + Biến điều khiển → Thông qua các bộ điều khiển , thiết bị đo, các phần tử cấu thành lên hệ thống. Hình 3.2: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển. - Khái niệm: Sách lược/cấu trúc điều khiển thể hiện nguyên tắc về mặt cấu trúc trong việc sử dụng thông tin về các biến quá trình để đưa ra tác động điều khiển. 3.1.2. Phân loại Gồm có 4 cấu trúc điều khiển: *) Điều khiển truyền thẳng - Cấu hình điều khiển: cấu hình nối tiếp và cấu hình song song - Nguyên tắc đo: + Nhiễu quá trình được đo và đưa tới bộ điều khiển + Giá trị đo được của nhiễu sẽ so sánh với giá trị đặt + Bộ điều sẽ đưa ra tính toán và đưa ra giá trị cho tín hiệu điều khiển để tác động vào quá trình - Ưu điểm: + Đơn giản + Loại bỏ được nhiễu trước khi nó tác động tới quá trình - Nhược điểm: + Cần phải biết rõ thông tin của quá trình và sự ảnh hưởng của nhiễu + Không loại trừ được nhiễu không đo được + Nhạy cảm với sai lệch mô hình + Không có khả năng ổn định hệ thống - Ứng dụng: trong bài toán đơn giản, yêu cầu chất lượng không cao. Kết hợp với điều khiển phản hồi nhằm đáp ứng tốc độ phả ứng hệ kín. *)Điều khiển phản hồi - Cấu hình điều khiển: 1 bậc tự do và 2 bậc tự do - Nguyên tắc: + Đo liên tục giá trị biến đo được (y) + Lấy phản hồi đầu ra đưa về bộ điều khiển + Tính toán lại và đưa ra giá trị của tín hiệu điều khiển (biến điều khiển u) *) Điều khiển tầng - Là cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn nhằm loại bỏ nhiễu trên quá trình. - Cấu trúc gồm 1 vòng hoặc nhiều vòng phản hồi. Gồm 2 loại cấu trúc: kiểu nối tiếp và kiểu song song. - Ưu điểm: + Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu + Giảm được độ quá điều chỉnh + Cải thiện được tính ổn định toàn hệ thống, nâng cao tính bền vững của hệ kín. → Áp dụng sách lược điều khiển tầng khi: + Chất lượng điều khiển của hệ vòng đơn thông thường không đáp ứng được yêu cầu đặt ra. + Quá trình có thể phân chia thành 2 quá trình con so với những nguồn nhiễu tác động độc lập. - Ứng dụng: vào điều khiển vị trí van, điều khiển lưu lượng thứ cấp, điều khiển tỉ lệ thứ cấp,... *) Điều khiển tỉ lệ - Là phương pháp điều khiển duy trì tỉ lệ giữa 2 biến tại 1 giá trị đặt R, nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3. - Điều khiển tỉ lệ là 1 dạng của điều khiển truyền thẳng. Giá trị R là tỉ lệ giữa 2 biến, bộ điều khiển chỉ thực hiện phép nhân. - Cấu trúc thường dùng: Tỉ lệ thực phản hồi và tính lưu lượng đặt. => Đối với yêu cầu điều khiển hệ thống đo mức và lưu lượng chất lỏng gồm 2 bình thông nhau em lựa chọn phương pháp điều khiển tầng. Phương pháp này giúp cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu, giảm được độ quá điều chỉnh, cải thiện được tính ổn định toàn hệ thống, nâng cao tính bền vững của hệ kín. 3.2. Phân tích bài toán, xác định biến của mô hình - Mục đích bài toán: điều khiển hệ thống đo mức và lưu lượng chất lỏng gồm 2 bình thông nhau. - Các biến quá trình:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Các khái niệm cơ bản
1.1.1 Điều khiển quá trình Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.
Quá trình là chuỗi các biến đổi vật lý, hóa học hay sinh học, liên quan đến sự chuyển đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất, năng lượng và thông tin.
Quá trình công nghệ bao gồm biến đổi, vận chuyển hay lưu trữ vật chất và năng lượng trong dây chuyền sản xuất hoặc nhà máy Chúng có thể đơn giản như cấp liệu, trao đổi nhiệt hay pha chế, hoặc phức tạp như tổ hợp lò phản ứng, tháp chưng luyện hay lò hơi tuabin.
Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc/và được can thiệp
Trong nội dung môn học, khái niệm quá trình được hiểu là quá trình công nghệ.
Hình 1.1 Qúa trình và phân loại biến quá trình
- Biến vào: là đại lượng hay điều kiện phản ánh sự tác động từ ben ngoài vào quá trình.
- Biến ra: là đại lượng, thông số thể hiện sự ảnh hưởng quá trình ra bên ngoài.
- Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp được theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển.
Biến cần điều khiển là biến ra, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn, ổn định vận hành và chất lượng sản phẩm Giá trị của biến này cần được duy trì ở mức đặt trước hoặc theo tín hiệu điều khiển chính.
- Nhiễu: là biến vào của quá trình tác động lên quá trình nhưng ta không thể can thiệp được.
+ Nhiễu quá trình (disturbance, process disturbance):
Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số đầu vào (lưu lượng, nhiệt độ hoặc thành phần nguyên liệu, nhiên liệu).
Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng dòng chảy, áp suất hơi nước, ).
Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài,
+ Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise): Nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trong giá trị đo được.
Mục đích điều khiển
1.2.1 Đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, công nghệ a Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo các điều kiện vận hành bình thường, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện. b Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độ sản xuất theo ý muốn, giữ các thông số chất lượng sản phẩm biến động trong giới hạn qui định. c Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: nhằm mục đích bảo vệ con người, máy móc, thiết bị và môi trường.
1.2.2 Đảm bảo các yếu tố công nghệ, môi trường a Bảo vệ môi trường: Giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu. b Nâng cao hiệu quả kinh tế: Giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu,thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường.
Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm 3 thành phần chính:
Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐKQT
Hình 1.3 Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT
Các chức năng
Hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp hoạt động dựa trên hai phương thức chính: điều khiển tự động và điều khiển bằng tay Các chức năng điều khiển cơ sở bao gồm điều chỉnh, điều khiển rời rạc và điều khiển trình tự.
Điều khiển tự động duy trì biến đầu ra gần với giá trị đặt, bất chấp nhiễu và thay đổi giá trị đặt Điều khiển rời rạc, ứng dụng trong điều khiển thiết bị (khởi động/dừng) và điều khiển liên động (bảo vệ an toàn), giữ trạng thái thiết bị tại giá trị đích từ tập trạng thái ổn định Điều khiển trình tự, quan trọng trong khởi động/dừng nhóm thiết bị hoặc hệ thống và điều khiển theo mẻ, đưa quá trình qua trình tự các trạng thái riêng biệt.
HMI là chức năng quan trọng nhất trong hệ thống điều khiển giám sát, cung cấp giao diện hiển thị trực quan về trạng thái hệ thống, bao gồm hình ảnh, đồ thị (thời gian thực và quá khứ), tham số điều khiển và báo động Hệ thống HMI hỗ trợ vận hành thông qua thu thập, lưu trữ và quản lý dữ liệu trạng thái máy móc trong cơ sở dữ liệu.
Chức năng điều khiển cao cấp là hệ thống tự động nằm trên cấp điều khiển cơ sở, không trực tiếp xử lý tín hiệu vào/ra Nó tự động điều chỉnh giá trị đặt và tham số điều khiển cơ sở, thường đặt cùng cấp hoặc trên hệ thống giám sát vận hành Các chức năng này bao gồm điều khiển công thức, quản lý mẻ, điều khiển chuyên gia, kiểm soát chất lượng và tối ưu hóa thực thời.
Lưu đồ P&ID: Pipe and Instrumentation Diagram (VD):
- Lưu đồ công nghệ + các biểu tượng thiết bị và chức năng tự động hóa.
- Một trong các tài liệu thiết kế quan trọng nhất về hệ thống đo lường, điều khiển và giám sát.
- Cơ sở cho lựa chọn và lắp đặt thiết bị, phát triển phần mềm điều khiển và giám sát quá trình (bài toán điều khiển quá trình).
Các biểu tượng lưu đồ được ISA (Instrumentation Society of America) chuẩn hóa: + ISA S5.1: Instrumentation Symbols and Identification.
+ ISA S5.3: Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display, Instrumentation Logic and Computer Systems.
- Các biểu tượng thiết bị.
Hình 1.4 Các biểu tượng thiết bị
- Các biểu tượng tín hiệu và đường nối.
Hình 1.5 Các biểu tượng tín hiệu và đường nối
- Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng.
Hình 1.6 Diễn giải ý nghĩa nhãn thiết bị và kí hiệu chức năng
MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG
Giới thiệu chung
Mô hình là bản mô tả khoa học, cô đọng các khía cạnh quan trọng của một hệ thống thực tế, hiện hữu hoặc cần xây dựng.
- Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích sử dụng.
+ Mô hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật toán.
+ Mô hình toán học: ODE, Hàm truyền, mô hình trạng thái.
+ Mô hình máy tính: Chương trình phần mềm.
+ Mô hình suy luận: Cơ sở tri thức, luật.
Các bước mô hình hóa:
Mô hình hóa bắt đầu bằng việc xác định rõ mục đích, thông số công nghệ, giả thiết và yêu cầu về độ chi tiết, độ chính xác của mô hình, phương pháp phân tích và đánh giá chất lượng, dựa trên nghiên cứu kỹ lưỡng lưu đồ công nghệ.
Hình 2.1 Tổng quan các bước mô hình hóa quá trình phức hợp
Phương pháp xây dựng mô hình toán học:
- Phương pháp lý thuyết (mô hình hóa lý thuyết, phân tích quá trình, mô hình hóa vật lý):
+ Xây dựng mô hình trên nền tảng các định luật vật lý, hóa học cơ bản.
+ Phù hợp nhất cho các mục đích 1, 2 và 5.
- Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng quá trình, phương pháp hộp đen):
+ Ước lượng mô hình trên cơ sở các quan sát số liệu vào – ra thực nghiệm.
+ Phù hợp nhất cho các mục đích 3 và 4.
+ Mô hình hóa lý thuyết để xác định cấu trúc mô hình.
+ Mô hình hóa thực nghiệm để ước lượng các tham số mô hình.
Các dạng mô hình hóa
2.2.1 Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến
Mô hình tuyến tính tuân theo nguyên lý xếp chồng: M(u₁ + u₂) = M(u₁) + M(u₂), với M là toán tử tuyến tính và u₁, u₂ là các biến độc lập.
Hệ thống tuyến tính thỏa mãn nguyên lý xếp chồng: y = y₁ + y₂ khi u = u₁ + u₂ với u₁, u₂ là các tín hiệu vào độc lập Ngược lại, hệ thống phi tuyến không tuân thủ nguyên lý này.
2.2.2 Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn
Mô hình liên tục mô tả mối quan hệ giữa các biến thay đổi liên tục theo thời gian, sử dụng các tín hiệu là hàm liên tục.
Mô hình gián đoạn chỉ phản ánh đặc tính quá trình tại những thời điểm nhất định (gọi là thời điểm quan sát)
Mô hình liên tục phù hợp với quá trình liên tục Mô hình gián đoạn áp dụng cho mọi thành phần trong hệ thống điều khiển số, bao gồm cả quá trình và bộ điều khiển.
2.2.3 Mô hình đơn biến và mô hình đa biến
Mô hình đơn biến: Một biến vào điều khiển và một biến ra được điều khiển, biến vào-ra được biểu diễn là các đại lượng vô hướng.
Mô hình đa biến: Nhiều biến vào điều khiển hoặc/và nhiều biến ra, các biến vào-ra có thể được biểu diễn dưới dạng vector.
2.2.4 Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên
Mô hình tham số hằng: các tham số mô hình không thay đổi theo thời gian.
Mô hình tham số biến thiên: ít nhất 1 tham số mô hình thay đổi theo thời gian.
Mô hình hóa lý thuyết
2.3.1 Các bước mô hình hóa
1 Phân tích bài toán mô hình hóa
Lưu đồ công nghệ giúp minh họa quy trình, xác định mục đích sử dụng để xác định độ chi tiết và độ chính xác cần thiết khi xây dựng mô hình.
- Phân chia thành các quá trình con.
- Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hóa mô hình.
- Nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình.
2 Xây dựng các phương trình mô hình
- Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng các biến quá trình và số lượng các quan hệ phụ thuộc
- Phân tích khả năng giải được của mô hình, khả năng điều khiển được.
- Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các tính chất của mô hình kết hợp mô phỏng máy tính.
- Phân tích các đặc tính của mô hình.
- Chuyển đổi mô hình về các dạng thích hợp.
- Tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc nếu cần thiết
- Mô phỏng, so sánh mô hình tuyến tính hóa với mô hình phi tuyến ban đầu.
- Thực hiện chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thiết kế điều khiển.
5 Lặp lại một trong các bước trên nếu cần thiết.
2.3.2 Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc
Hầu hết mô hình toán học mô tả quá trình thực tế chứa phương trình vi phân phi tuyến, nhưng phân tích và thiết kế hệ thống chủ yếu dựa trên mô hình tuyến tính Tuyến tính hóa mô hình, dù trước hay sau, là cần thiết cho phân tích hệ thống, thiết kế chiến lược và thuật toán điều khiển Ba phương pháp tuyến tính hóa cơ bản được sử dụng rộng rãi.
Mô hình tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng, sử dụng khai triển Taylor, tạo ra mô hình xấp xỉ chính xác trong vùng lân cận điểm đó.
Biến đổi đơn thuần tuyến tính hóa mô hình, tạo ra mô hình tuyến tính hoặc ít phi tuyến hơn nhưng tương đương với mô hình gốc.
- Tuyến tính hóa chính xác: sử dụng phản hồi, kết quả là một mô hình mở rộng tuyến tính.
Hai phương pháp tiếp cận:
1 Tuyến tính hóa trực tiếp trên phương trình vi phân dựa theo các giả thiết về điểm làm việc: Đặt các ma trận Jacobi:
Tóm tắt các bước tuyến tính hóa
1 Đơn giản hóa mô hình như có thể, nếu được thì nên tách thành nhiều mô hình con độc lập.
2 Xác định rõ điểm làm việc và giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc để có mô hình trạng thái xác lập.
3 Đối với các phương trình tuyến tính, thay thế các biến thực bằng các biến chênh lệch.
4 Tuyến tính hóa từng phương trình phi tuyến của mô hình tại điểm làm việc bằng phép khai triển Taylor, bắt đầu với các phương trình đại số và sau đó là với các phương trình vi phân.
5 Đặt lại ký hiệu cho các biến chênh lệch (sửdụng ký hiệu vector nếu cần) và viết gọn lại các phương trình mô hình.
6 Tính toán lại các tham số của mô hình dựa vào giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc.
7 Chuyển mô hình tuyến tính về dạng mong muốn, ví dụ biểu diễn trong không gian trạng thái hoặc bằng hàm truyền đạt.
2.4 Mô hình hóa thực nghiệm
Mô hình hóa thực nghiệm, hay nhận dạng hệ thống, là phương pháp xây dựng mô hình toán học dựa trên dữ liệu vào-ra thực nghiệm.
Theo IEC 60050-351, nhận dạng hệ thống là quy trình suy luận mô hình toán học biểu diễn đặc tính tĩnh và động của hệ thống từ đáp ứng đầu ra khi kích thích bằng tín hiệu đã biết (ví dụ: hàm bậc thang, xung, hoặc nhiễu trắng).
Theo Lofti A Zadeh, nhận dạng mô hình tối ưu hóa tham số dựa trên dữ liệu thực nghiệm để giảm thiểu sai số Phương pháp này lựa chọn mô hình phù hợp nhất từ một tập hợp các mô hình sẵn có.
- Số liệu vào/ra thực nghiệm:
+ Dạng nhiễu (nhiễu quá trình, nhiễu đo), độ lớn của nhiễu.
+ Dạng mô hình, cấu trúc mô hình
+ Mô hình phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, hàm truyền đạt/không gian trạng thái,…
+ Bậc mô hình, thời gian trễ.
- Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô hình: Mô phỏng và so sánh với số liệu đo.
1 Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình (“apriori”information).
2 Lựa chọn phương pháp nhận dạng (trực tuyến/ngoại tuyến, vòng hở/vòng kín, chủ động/bị động, thuật toán nhận dạng, ).
3 Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy.
4 Quyết định về dạng mô hình và giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình.
5 Lựa chọn thuật toán và xác định các tham số mô hình.
6 Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình.
7 Quay lại một trong các bước 1-4 nếu cần.
Phân loại các phương pháp nhận dạng:
- Theo dạng mô hình sử dụng: phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, mô hình thời gian/tần số.
- Theo dạng số liệu thực nghiệm: chủ động/bị động.
- Theo mục đích sử dụng mô hình: trực tuyến, ngoại tuyến.
- Theo thuật toán ước lượng mô hình:
+ Bình phương tối thiểu (least squares, LS),
+ Phân tích tương quan (correlation analysis), phân tích phổ (spectrum analysis), + Phương pháp lỗi dự báo (prediction error method, PEM)
+ Phương pháp không gian con (subspace method).
- Nhận dạng vòng hở/vòng kín.
2.4.2 Phương pháp phản hồi Rơle
Thực chất là một phương pháp tần số, chỉ nhận dạng được đặc tính tần số tại tần số tương ứng với 180° của hệ kín.
Một trong những phương pháp nhận dạng hệ kín được sử dụng nhiều nhất bởi các ưu điểm:
- Đơn giản, dễ tiến hành.
- Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu.
- Nhận dạng hệ kín xung quanh điểm làm việc.
Điều khiển lưu lượng là biến điều khiển quan trọng trong nhiều hệ thống điều khiển quá trình (ĐKQT), bao gồm điều khiển nhiệt độ, áp suất, mức, nồng độ, pha trộn và cấp liệu Phương pháp phản hồi rơle động học được dùng trong mạch vòng điều khiển lưu lượng, áp dụng cho ba thể vật chất: rắn, lỏng và khí Điều khiển lưu lượng chất rắn thường sử dụng cân bằng.
Trong thực tế sản xuất sử dụng một số phương pháp điều khiển lưu lượng:
Hình 2.3 Các phương pháp điều khiển lưu lượng
PHÂN TÍCH BÀI TOÁN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB
Sách lược điều khiển
- Cấu trúc điều khiển: thể hiện mối quan hệ mặt cấu giữa các biến của quá trình (hệ thống).
→ Thông qua các bộ điều khiển , thiết bị đo, các phần tử cấu thành lên hệ thống.
Hình 3.2: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển.
Sách lược điều khiển xác định cấu trúc và nguyên tắc sử dụng thông tin biến quá trình để tác động điều khiển.
Gồm có 4 cấu trúc điều khiển:
- Cấu hình điều khiển: cấu hình nối tiếp và cấu hình song song
+ Nhiễu quá trình được đo và đưa tới bộ điều khiển
+ Giá trị đo được của nhiễu sẽ so sánh với giá trị đặt
+ Bộ điều sẽ đưa ra tính toán và đưa ra giá trị cho tín hiệu điều khiển để tác động vào quá trình
+ Loại bỏ được nhiễu trước khi nó tác động tới quá trình
+ Cần phải biết rõ thông tin của quá trình và sự ảnh hưởng của nhiễu
+ Không loại trừ được nhiễu không đo được
+ Nhạy cảm với sai lệch mô hình
+ Không có khả năng ổn định hệ thống
- Ứng dụng: trong bài toán đơn giản, yêu cầu chất lượng không cao Kết hợp với điều khiển phản hồi nhằm đáp ứng tốc độ phả ứng hệ kín.
- Cấu hình điều khiển: 1 bậc tự do và 2 bậc tự do
+ Đo liên tục giá trị biến đo được (y)
- Là cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn nhằm loại bỏ nhiễu trên quá trình.
- Cấu trúc gồm 1 vòng hoặc nhiều vòng phản hồi Gồm 2 loại cấu trúc: kiểu nối tiếp và kiểu song song.
+ Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu
+ Giảm được độ quá điều chỉnh
+ Cải thiện được tính ổn định toàn hệ thống, nâng cao tính bền vững của hệ kín.
→ Áp dụng sách lược điều khiển tầng khi:
+ Chất lượng điều khiển của hệ vòng đơn thông thường không đáp ứng được yêu cầu đặt ra.
+ Quá trình có thể phân chia thành 2 quá trình con so với những nguồn nhiễu tác động độc lập.
- Ứng dụng: vào điều khiển vị trí van, điều khiển lưu lượng thứ cấp, điều khiển tỉ lệ thứ cấp,
- Là phương pháp điều khiển duy trì tỉ lệ giữa 2 biến tại 1 giá trị đặt R, nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3.
- Điều khiển tỉ lệ là 1 dạng của điều khiển truyền thẳng Giá trị R là tỉ lệ giữa 2 biến, bộ điều khiển chỉ thực hiện phép nhân.
- Cấu trúc thường dùng: Tỉ lệ thực phản hồi và tính lưu lượng đặt.
Hệ thống đo mức và lưu lượng chất lỏng hai bình thông nhau được điều khiển hiệu quả bằng phương pháp điều khiển tầng, giúp giảm nhiễu, quá điều chỉnh, tăng ổn định và bền vững hệ thống.
Phân tích bài toán, xác định biến của mô hình
- Mục đích bài toán: điều khiển hệ thống đo mức và lưu lượng chất lỏng gồm 2 bình thông nhau.
Hình 3.3: Mô hình hai bình thông nhau.
Hình 3.4: Mô hình tổng quan
Phương trình cân bằng vật chất:
(1) Phương trình cân bằng vật chất cho bình mức 1:
Do van là khâu quán tính bậc nhất nên hàm truyền G1(s), G2(s) sẽ có dạng:
Mô phỏng đối tượng bằng khối TwoTank trong Simulink
Hình 3.5: Mô hình hệ thống.
Cho tín hiệu tác động dạng bậc thang ở đầu vào, ta có đồ thị đáp ứng của hệ thống như hình vẽ.
Bình 1: Đối tượng có mô hình khâu quán tính bậc nhất
Bình 2: Đối tượng có mô hình khâu quán tính bậc nhất
Xây dựng sách lược điều khiển
Bài viết này trình bày hai chiến lược điều khiển khả thi: điều khiển phản hồi và điều khiển tầng Chiến lược điều khiển truyền thẳng không áp dụng được.
Sách lược điều khiển tầng vượt trội hơn điều khiển phản hồi nhờ khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh tối đa, mang lại chất lượng điều khiển hệ thống tốt hơn.
Hình 3.7: Lưu đồ P&ID của hệ thống.
Xây dựng mô hình và kết quả mô phỏng
Hình 3.8: Sơ đồ khối hệ thống.
Trong hình trên chúng ta sử dụng các khối trong Simulink để mô phỏng bao gồm các khối:
+ Two tank: để mô phỏng bể nước.
+ Scope: Quan sát tín hiệu ra.
Kết quả mô phỏng như sau:
Hình 3.10: Tín hiệu ra có hiệu chỉnh lại thông sô.
Hiệu chỉnh lại thông số T2 = 8, K2 = 0.56