MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 8 1.1.Sự phát triển của kĩ thuật điều khiển quá trình. 8 1.2. Tính cấp thiết của điều khiển quá trình. 9 1.3.Điều khiển quá trình 12 CHƯƠNG 2: MÔ HINH HÓA HỆ THỐNG. 13 2.1. Giới thiệu chung 13 2.1.1. Các bước mô hình hóa. 13 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. 15 2.2.4. Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên. 15 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 2.5. Động học trong điều khiển qua trình. 19 2.5.1. Động học khâu có thời gian chết. 19 2.5.2. Động học của mạch vòng điều khiển lưu lượng. 20 2.5.3. Động học các quá trình tích lũy. 20 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 21 3.1. Yêu cầu bài toán 21 3.2. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát. 22 3.3. Thiết kế sách lược. 24 3.3.1. Xây dựng mô hình điều khiển phản hồi. 25 3.4. Tìm hàm truyền đạt và xây dựng hệ thống hở trên Simulink 27 3.4.1. Phương trình cân bằng toàn phần 27 3.4.3. Tuyến tính hóa mô hình hàm truyền đạt 28 3.4.4. Xây dựng hệ thống trên Simulink 29 3.4.5. Kết quả mô phỏng hệ thống 32 KẾT LUẬN 36 TAI LIỆU THAM KHẢO 37 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng và các biến quán trình Hình 1.3: Bộ gia nhiệt và các biến quá trình Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐKQT Hình 1.5: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT Hình 2.1: Tổng quan các bước mô hình hoá quá trình phức hợp Hình2.2: Các phương án điều khiển lưu lượng Hình 2.3: Mô hình bình chứa chất lỏng Hình 3.1: Mô hình bình mức Hình3.2: Các biến quá trình Hình 3.3: Mô hình tổng quan của hệ thống ổn định mức Hình 3.4: Sơ đồ mắc nối tiếp Hình3.5: Sơ đồ mắc song song Hình3.6: Sơ đồ điều khiển tầng Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc P&ID Hình 3.8: Mô hình hệ thống Hình 3.9: Sơ đồ tính mực chất lòng Hình 3.10: Phương trình cân bằng toàn phần Hình 3.11: Thông số cơ bản của hệ thống Hình 3.12: Tín hiệu thu về chiều cao chất lỏng Hình 3.13: Sự thay đổi của lưu lượng ra w3 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Trong kỳ này em thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ thống ổn định mức” 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. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH 1.1. Sự phát triển của kĩ thuật điều khiển quá trình Công nghệ thiết bị đo quá trình tiếp tục được phát triển trong cả hai lĩnh vực ứng dụng và nghiên cứu. Vào năm 1774, Jame Watt đã lần đầu tiên sử dụng hệ thống điều khiển có phản hồi áp dụng vào trong quả văng để điều chỉnh tốc độ động cơ hơi nước. Mười năm sau Oliver Evans đã vận dụng kĩ thuật điều khiển để tự động hoá nhà máy xay bột Philadelphia. Ban đầu, những thiết bị đo quá trình phát triển rất chậm , bởi vì có rất ít quá trình công nghệ để ứng dụng. Vì vậy vào cuối thế kỉ 20 khi công nghiệp bắt đầu phát triển thì thiết bị đo quá trình phát triển theo. Tuy nhiên, chỉ có thiết bị đo quá trình trực tiếp là có thể thực hiện được cho đến cuối những năm 30. Vào những năm 40, hệ thống truyền động bằng khí nén đã làm cho các hệ thống phức tạp và các phòng điều khiển trung tâm có thể thực hiện được. Thiết bị đo điện tử đã trở lên phổ biến vào những năm 50 và tính phổ biến của nó đã làm cho công nghệ thiết bị đo quá trình phát triển nhanh chóng từ đó. Và chủ yếu trong vòng 10 năm đó, sự xuất hiện công nghệ máy tính số đã giải quyết những vướng mắc của những quá trình phức tạp hơn. Tuy nhiên yêu cầu đặt ra lúc này là là thiết bị quá trình tương laisẽ phải kết hợp được hệ thống số và hệ thống tương tự. 1.2. Tính cấp thiết của điều khiển quá trình Ngày nay tất cả các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp đều được trang bị các hệ thống tự động hoá ở mức cao. Các hệ thống này nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất giải phóng người lao động khỏi những vị trí làm việc độc hại.v.v .. Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình công nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra. Các hệ thống tự động hoá thực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ quá trình công nghệ hoặc toàn bộ xí nghiệp nói chung. Hệ thống tự động hoá đảm bảo cho quá trình công nghệ xảy ra trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuất mong muốn của từng công đoạn trong quá trình công nghệ. Chất lượng của sản phẩm và năng suất lao động của các phần xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc rất lớn vào chất lượng làm việc của các hệ thống tự động hoá này. Để phát triển sản xuất, ngoài việc nghiên cứu hoàn thiện các quá trình công nghệ hoặc ứng dụng công nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng là nâng cao mức độ tự động hoá các quá trình công nghệ. Do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử và công nghệ chế tạo cơ khí chính xác, các thiết bị đo lường và điều khiển các quá trình công nghệ càng được chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy và chính xác. Ngày nay thiết bị đo lường ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hoá các quá trình sản xuất và công nghệ cũng như trong các công tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau. Để thực hiện được các nhiệm vụ đó cần thiết phải tiến hành đo các đại lượng vật lý khác nhau đó là các đại lượng điện, các đại lượng hình học, cơ học, nhiệt học, hoá học, các đại lượng từ, các đại lượng hạt nhân nguyên tử ... Trên cơ sở đánh giá đúng đắn vai trò to lớn của việc áp dụng điều khiển quá trình vào trong các hệ thống sản xuất, nhà máy, xí nghiệp công nghiệp... ta tiến hành tìm hiểu đi sâu tìm hiểu các thiết bị đo lường và chuyển đổi dùng trong điều khiển quá trình. 1.3. Điều khiển quá trình 1.3.1. Khái quát chung Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng các 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 người, máy móc. Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc chuyển đổi 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 tới biến đổi vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất , năng lượng , năng trong một dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất. Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng đo được hoặc/và can thiệp được. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo, thiết bị chấp hành. Một cách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp vào các biến điều khiển một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu cho trước đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình đến môi trường và con người xung quanh. Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biến quá trình. Các biến quá trình bao gồm biến vào và biến ra. Biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ như dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơle sợi đốt... Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ sản phẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải... 1.3.2.Các biến quá trình Biến trạng thái là các biến mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi, mức chất lỏng trong nhiều trường hợp biển Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình Biến cần điều khiển ( controlled variable ) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của một quá trình điều khiển , điều chỉnh ổn định ở giá trị đặt hoặc bám theo tín hiệu chủ đạo ( tín hiệu mẫu ) . Biến điều khiển ( manipulated variable ) là một biến có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài , qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn . Những biến còn lại không can thiệp một cách trực tiếp hoặc gián tiếp trong phạm vi quá trình quan tâm thì được coi là nhiều . Nhiễu: Biến vào không 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). Ví dụ 1: Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng và các biến quán trình Ví dụ 2: Bộ gia nhiệt Hình 1.3: Bộ gia nhiệt và các biến quá trình 1.4: 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 1.4: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐKQT Hình 1.5: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HOÁ 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. 2.2.1: Các bước mô hình hoá 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 hoá 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 hoá 2.2.1. Mô hình hoá 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 u1, u2 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 hoá lý thuyết 2.3.1. Các bước mô hình hoá 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 hoá 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 hoá 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. 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 hoá 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: + Xác định như thế nào? Trong điều kiện nào? + 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 như thế nào? - Thuật toán xác định tham số: Rất đa dạng -> thuật toán nào phù hợp với bài toán nào? 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. 2.5. Động học trong điều khiển quá trình 2.5.1. Động học khâu có thời gian chết Thời gian chết là đặc tính phổ biến trong hệ điều khiển quá trình, có đáp ứng trình bày trên hình, mô tả toán học khâu thời gian chết có dạng đơn giản: Gp(s)=Kpe^(-θs) Trong thực tế sản xuất thời gian chết có trong các quá trình: - Các quá trình điều khiển vận chuyển vật liệu và môi chất. - Các quá trình điều khiển chất lượng QCS. - Thời gian chết ở thiết bị đo (do biến đổi lý hóa của cảm biến, lấy mẫu) và cơ cấu chấp hành (do ma sát tĩnh). 2.5.2. 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: Hình2.2: Các phương án điều khiển lưu lượng Động học các quá trình tích luỹ Khâu tích lũy trong sản xuất là các bình, tank và các silo, nó thực hiện chức năng là kho đệm giữa các công đoạn nhằm đảm bảo đồng bộ, cân bằng vật chất cho toàn bộ dây chuyền. Ngoài ra các khâu tích lũy cũng được thiết kế lắp đặt để phân ly các công đoạn, phân ly các vồng điều khiển. Các bình, tank và silo trong sản xuất thường chứa các môi chất thể lỏng, khí rắn hoặc môi chất có hai pha lỏng và khí... Xét động học khâu tích lũy chất lỏng trong bình không trao đổi nhiệt Hình 2.3: Mô hình bình chứa chất lỏng CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN,XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 3.1: Yêu cầu bài toán Hình 3.1: Mô hình bình mức 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. 3.2. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát 3.2.1. Xác định biến quá trình
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Sự phát triển của kĩ thuật điều khiển quá trình
Vào cuối thế kỉ 20, sự phát triển của thiết bị đo quá trình bắt đầu gia tăng khi công nghiệp phát triển, mặc dù trước đó, quá trình này diễn ra chậm do thiếu công nghệ ứng dụng Chỉ đến cuối những năm 30, thiết bị đo quá trình trực tiếp mới trở nên khả thi Đến những năm 40, hệ thống truyền động bằng khí nén đã cho phép xây dựng các hệ thống phức tạp và phòng điều khiển trung tâm Sự phổ biến của thiết bị đo điện tử trong những năm 50 đã thúc đẩy nhanh chóng sự phát triển công nghệ đo quá trình Trong vòng 10 năm sau đó, sự xuất hiện của công nghệ máy tính số đã giải quyết nhiều vấn đề của các quá trình phức tạp, yêu cầu hiện tại là thiết bị đo quá trình tương lai cần kết hợp cả hệ thống số và tương tự.
Tính cấp thiết của điều khiển quá trình
Ngày nay, hầu hết các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp đều áp dụng hệ thống tự động hóa tiên tiến nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động và giảm chi phí sản xuất Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn giải phóng người lao động khỏi những công việc độc hại.
Hệ thống tự động hoá đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và giám sát quy trình công nghệ thông qua các chỉ số đo lường Chúng không chỉ điều chỉnh các thông số công nghệ mà còn kiểm soát toàn bộ quá trình sản xuất của xí nghiệp Đảm bảo rằng quá trình công nghệ diễn ra trong điều kiện tối ưu và duy trì nhịp độ sản xuất mong muốn là nhiệm vụ chính của hệ thống tự động hoá Chất lượng sản phẩm và năng suất lao động của từng nhà máy phụ thuộc lớn vào hiệu quả của các hệ thống này Để phát triển sản xuất, bên cạnh việc cải tiến quy trình công nghệ, việc nâng cao mức độ tự động hoá cũng rất quan trọng Sự tiến bộ của công nghệ vi điện tử và chế tạo cơ khí chính xác đã dẫn đến việc chế tạo các thiết bị đo lường và điều khiển ngày càng tinh vi, đáng tin cậy và chính xác.
Ngày nay, thiết bị đo lường được sử dụng rộng rãi trong kiểm tra tự động, tự động hóa quy trình sản xuất và nghiên cứu khoa học Để thực hiện các nhiệm vụ này, cần đo lường các đại lượng vật lý như điện, hình học, cơ học, nhiệt học, hóa học, từ trường và hạt nhân nguyên tử.
Việc áp dụng điều khiển quá trình trong các hệ thống sản xuất, nhà máy và xí nghiệp công nghiệp có vai trò vô cùng quan trọng Do đó, cần tiến hành nghiên cứu sâu về các thiết bị đo lường và chuyển đổi được sử dụng trong điều khiển quá trình để nâng cao hiệu quả sản xuất.
Điều khiển quá trình
Quá trình là chuỗi 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 bao gồm các hoạt động liên quan đến việc biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng trong dây chuyền sản xuất của nhà máy.
Quá trình kỹ thuật là một chuỗi hoạt động liên quan đến các đại lượng có thể đo được và can thiệp Nó bao gồm công nghệ, thiết bị đo và thiết bị chấp hành Nhiệm vụ chính của hệ thống điều khiển là can thiệp hợp lý vào các biến điều khiển, nhằm đảm bảo các biến đầu ra đạt yêu cầu đã định, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và con người xung quanh.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biến quá trình, bao gồm biến vào và biến ra Biến vào phản ánh tác động từ bên ngoài, như dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt và trạng thái đóng/mở của rơle sợi đốt Ngược lại, biến ra thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ như nồng độ sản phẩm, lưu lượng sản phẩm và nồng độ khí thải.
Biến trạng thái là những biến cung cấp thông tin về trạng thái bên trong của quá trình, chẳng hạn như nhiệt độ lò, áp suất hơi và mức chất lỏng trong nhiều trường hợp.
Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình
Biến cần điều khiển (controlled variable) là một biến đầu ra hoặc trạng thái trong quá trình điều khiển, có nhiệm vụ duy trì ổn định ở giá trị đặt hoặc theo dõi tín hiệu chủ đạo (tín hiệu mẫu).
Biến điều khiển là một biến có thể bị tác động trực tiếp từ bên ngoài, cho phép điều chỉnh biến ra theo ý muốn Các biến khác không bị can thiệp trực tiếp hoặc gián tiếp trong quá trình nghiên cứu được xem là biến không điều khiển.
Nhiễu: Biến vào không 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).
Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng và các biến quán trình
Ví dụ 2: Bộ gia nhiệt
Hình 1.3: Bộ gia nhiệt và các biến quá trình
1.4: Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm 3 thành phần chính:
MÔ HINH HÓA HỆ THỐNG
Giới thiệu chung
Mô hình là phương pháp khoa học để mô tả và tóm gọn các yếu tố quan trọng của một hệ thống thực tế, có thể là hệ thống đã tồn tại hoặc cần được phát triển.
- 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.
2.2.1: Các bước mô hình hoá
Bước đầu tiên trong quy trình mô hình hóa là xác định bài toán mô hình hóa, bao gồm việc nghiên cứu lưu đồ công nghệ và xác định mục đích sử dụng của mô hình Cần tóm tắt các thông số công nghệ và giả thiết quan trọng, đồng thời làm rõ yêu cầu về chi tiết và độ chính xác của mô hình Cuối cùng, lựa chọn phương pháp và công cụ phân tích để đánh giá chất lượng của mô hình là rất quan trọng.
Hình 2.1: Tổng quan các bước mô hình hoá 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, bao gồm nhận dạng quá trình và phương pháp hộp đen, tập trung vào việc ước lượng mô hình dựa trên các quan sát dữ liệu vào và ra thực nghiệm Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho các mục đích nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến phân tích và tối ưu hóa hệ thống.
+ 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 hoá tuyến tính và mô hình phi tuyến
Mô hình tuyến tính được định nghĩa khi mối quan hệ giữa các tín hiệu đầu vào và đầu ra tuân theo nguyên lý xếp chồng Cụ thể, nếu M(u) là một toán tử tuyến tính và u1, u2 là hai biến độc lập, thì mối quan hệ này sẽ được thể hiện qua các phương trình tương ứng.
Khi có các tín hiệu ra y1 và y2 tương ứng với các tín hiệu vào độc lập u1 và u2, ta có thể xác định rằng y = y1 + y2 khi u = u1 + u2 Ngược lại, nếu có bất kỳ một mối quan hệ vào/ra nào không tuân theo nguyên lý xếp chồng, mô hình sẽ được coi là phi tuyến.
2.2.2 Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn
Mô hình liên tục thể hiện mối quan hệ giữa các biến trong quá trình diễn ra liên tục theo thời gian, với các tín hiệu được 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).
Mô hình hóa lý thuyết
Mô hình gián đoạn có thể áp 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 hoá lý thuyết
2.3.1 Các bước mô hình hoá
1.Phân tích bài toán mô hình hóa
Lưu đồ công nghệ là công cụ quan trọng giúp xác định mục đích sử dụng của mô hình, từ đó quyết định mức độ chi tiết và độ chính xác cần thiết trong quá trình xây dựng mô hình Việc tìm hiểu lưu đồ công nghệ sẽ giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả trong các dự án liên quan.
- 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 hoá quanh điểm làm việc
Hầu hết các mô hình toán học, từ lý thuyết đến thực tiễn, đều chứa phương trình vi phân phi tuyến Tuy nhiên, nhiều phương pháp phân tích và thiết kế hiện nay vẫn dựa vào mô hình tuyến tính Ngay cả một số phương pháp phi tuyến cũng không hoàn toàn loại bỏ mô hình tuyến tính, thường được sử dụng như cơ sở so sánh và kiểm chứng Do đó, nếu mục đích là phân tích hệ thống, thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển, việc tuyến tính hóa mô hình là cần thiết Ba phương pháp tuyến tính hóa cơ bản thường được biết đến bao gồm:
Tuyến tính hóa thông qua phép biến đổi đơn giản có thể tạo ra một mô hình tuyến tính hoặc một mô hình phi tuyến ít phức tạp hơn, nhưng vẫn 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:
1 Tuyến tính hoá trực tiếp trên phương trình vi phân dựa theo các giả thiết về điểm làm việc
2 Sử dụng biến chênh lệch và phép khai triển chuỗi Taylor: Đa năng, thông dụng. 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.
Tuyến tính hóa từng phương trình phi tuyến của mô hình tại điểm làm việc có thể thực hiện bằng cách sử dụng phép khai triển Taylor Quá trình này bắt đầu với các phương trình đại số và sau đó áp dụng cho 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.
Mô hình hóa thực nghiệm
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 hoá thực nghiệm
Mô hình hóa thực nghiệm, hay còn gọi là nhận dạng hệ thống, là phương pháp xây dựng mô hình toán học dựa trên các số liệu vào-ra thu thập từ thực nghiệm.
Here is a rewritten paragraph that complies with SEO rules:Theo định nghĩa của IEC 60050-351, nhận dạng hệ thống là quá trình suy luận các mô hình toán học để biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống dựa trên đáp ứng của nó đối với một tín hiệu đầu vào xác định rõ, chẳng hạn như hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu tạp trắng.
Theo Lofti A Zadeh, dựa trên việc quan sát dữ liệu vào/ra thực nghiệm, các tham số của mô hình được xác định từ một tập hợp các mô hình phù hợp, nhằm mục tiêu giảm thiểu sai số đến mức thấp nhất.
Các yếu tố cơ bản của nhận dạng:
- Số liệu vào/ra thực nghiệm:
+ Xác định như thế nào? Trong điều kiện nào?
+ 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 như thế nào?
- Thuật toán xác định tham số: Rất đa dạng -> thuật toán nào phù hợp với bài toán nào?
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.
Động học trong điều khiển qua trình
2.5.1 Động học khâu có thời gian chết
Thời gian chết là một đặc tính quan trọng trong hệ điều khiển quá trình, được thể hiện qua các đáp ứng như trong hình Mô hình toán học cho khâu thời gian chết có dạng đơn giản, giúp hiểu rõ hơn về sự ảnh hưởng của nó trong các hệ thống điều khiển.
Trong thực tế sản xuất thời gian chết có trong các quá trình:
- Các quá trình điều khiển vận chuyển vật liệu và môi chất.
- Các quá trình điều khiển chất lượng QCS.
- Thời gian chết ở thiết bị đo (do biến đổi lý hóa của cảm biến, lấy mẫu) và cơ cấu chấp hành (do ma sát tĩnh).
2.5.2 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:
Hình2.2: Các phương án điều khiển lưu lượng
2.5.3 Động học các quá trình tích luỹ
Khâu tích lũy trong sản xuất bao gồm các bình, tank và silo, đóng vai trò là kho đệm giữa các công đoạn để đảm bảo sự đồng bộ và cân bằng vật chất cho toàn bộ dây chuyền Ngoài ra, các khâu tích lũy cũng được thiết kế để phân ly các công đoạn và các vồng điều khiển, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Các bình, tank và silo trong sản xuất thường chứa các môi chất thể lỏng, khí rắn hoặc môi chất có hai pha lỏng và khí
Xét động học khâu tích lũy chất lỏng trong bình không trao đổi nhiệt
Hình 2.3: Mô hình bình chứa chất lỏng
PHÂN TÍCH BÀI TOÁN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB
Yêu cầu bài toán
Hình 3.1: Mô hình bình mức
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.
3.2 Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát
3.2.1 Xác định biến quá trình
Hình3.2: Các biến quá trình
3.2.2 Thông số của hệ thống
+w2 = 100kg/phút + w1 = 150kg/phút + w3 = 250kg/phút + ρ = 1.25kg/lit.
Mô hình quá trình của hệ thống ổn định mức
Hình 3.3: Mô hình tổng quan của hệ thống ổn định mức
Thiết kế sách lược
Sách lược điều khiển là nguyên tắc cấu trúc trong việc sử dụng thông tin về các biến quá trình nhằm đưa ra các tác động điều khiển hiệu quả Việc phân loại sách lược này giúp xác định rõ ràng các phương pháp và chiến lược điều khiển khác nhau, từ đó tối ưu hóa quá trình quản lý và điều hành.
+ Truyền thẳng (vòng hở, bù nhiễu).
Kết quả của việc thiết kế sách lược là có: + Sơ đồ P&ID
+ Sơ đồ khối điều khiển.
3.3.1 Các sách lược có thể sử dụng:
3.3.2 Các sách lược không thể sử dụng:
+ Điều khiển lựa chọn vùng
+ Điều khiển tầng là loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu đến quá trình
+ Điều khiển truyền thẳng không cho ta mức ổn định của bình mức
Điều khiển tỉ lệ được áp dụng cho hệ thống nhằm duy trì mối quan hệ giữa hai biến để điều khiển gián tiếp biến thứ ba Trong khi đó, điều khiển bình mức chỉ sử dụng một biến điều khiển, do đó không thể áp dụng phương pháp này.
Điều khiển lựa chọn và phân vùng yêu cầu tối thiểu hai biến điều khiển, trong khi bình mức chỉ cần một biến điều khiển Do đó, tín hiệu điều khiển lấn át không thể xác định, dẫn đến việc không thể áp dụng sách lược này.
Vì vậy với bài toán này em chọn phương pháp điều khiển tầng
3.3.3 Xây dựng mô hình điều khiển tầng
_ Khái niệm: điều khiển tầng loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu đến quá trình
_ Cấu trúc: một vòng hoặc nhiều vòng phản hồi
+ 2 loại cấu trúc: nối tiếp song song
Hình 3.4: Sơ đồ mắc nối tiếp
Hình3.5: Sơ đồ mắc song song
_ Xây dựng sơ đồ nối tiếp
Hình3.6: Sơ đồ điều khiển tầng
_ Xây dựng sơ đồ công nghệ P&ID của hệ thống ổn định mức
Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc P&ID
Tìm hàm truyền đạt và xây dựng hệ thống hở trên Simulink
dMth dt =∑Wvào−∑Wra=W 1+ W 2−W 3 ↔ ρ dv dt = W1+ W2-W3 mà có V=A.h => ρ.A dh dt = W1+ W2-W3 => dh dt = ρ A 1 (W1+ W2-W3)
3.4.2 Tuyến tính hoá mô hình hàm truyền đạt h ˙ = f1 = ρ A 1 (W1+ W2-W3)
3.4.3 Xây dựng hệ thống trên simulink
Hình 3.8: Mô hình hệ thống
Trong hệ thống ổn định mức này tả sử dụng công cụ hỗ trợ mô phỏng Simulink. Các khối ta sử dụng là:
+ Constant: dùng để đặt giá trị chúng ta mong muốn.
+ Subsystem: Dùng để viết chương trình con ở bên trong.
+ Scope: Dùng để quan sát đồ thị đầu ra của hệ thống.
Hình 3.9: Sơ đồ tính mực chất lòng
Trong sơ đồ này có sử dụng khối FCN(h_dot) để chúng ta nhập phương trình đã tìm được ở phần mô hình hóa
Hình 3.10: Phương trình cân bằng toàn phần
Hình 3.11: Thông số cơ bản của hệ thống
3.4.4 Kết quả mô phỏng hệ thống
Dưới đây là đồ thị của chiều cao của h trong hệ thống, với thời gian chạy là
60 Tín hiệu đặt là 10, sau khoảng mất gần 30 giây hệ thống đạt đến giá trị đặt sau đó lưu lượng ra và lưu lương vào bằng nhau mức nước sẽ giữ nguyên chiều cao.
Hình 3.12: Tín hiệu thu về chiều cao chất lỏng
Hình 3.13: Sự thay đổi của lưu lượng ra w3