nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ HỮU THÀNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Thái Nguyên - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ HỮU THÀNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢƠNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC KHOA CHUYÊN MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Bùi Quốc Khánh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Thái Nguyên - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự thực hiện tổng hợp và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Quốc Khánh . Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả luận văn Lê Hữu Thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC MỤC LỤC …………………………………………………………………………… I DANH MỤC BẢNG BIỂU VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VII LỜI NÓI ĐẦU VIII CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 1 1.1. Tổng quan về điều khiển quá trình 1 1.1.1. Khái niệm quá trình và các biến quá trình 1 1.1.2. Mục đích của điều khiển quá trình 2 1.2. Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến. 4 1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 9 1.3.1. Thiết bị đo 9 1.3.2. Thiết bị chấp hành 10 1.3.3. Thiết bị điều khiển 12 CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN14 2.1. Giới thiệu về bàn thí nghiệm 14 2.1.1. Các thiết bị chấp hành 14 2.1.2. Các thiết bị đo 16 2.1.3. Các thiết bị khác 18 2.1.4. Bộ điều khiển 21 2.2. Giới thiệu phần mềm và thiết kế giao diện 29 2.3. Cấu trúc điều khiển mô hình thí nghiệm 38 2.3.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình thí nghiệm 38 2.3.2. Mô hình đối tượng điều khiển 39 2.4. Các vòng điều khiển 44 CHƢƠNG 3. NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 45 3.1. Nhận dạng hệ thống 45 3.1.1. Nhận dạng tác động của dòng nóng đến nhiệt độ T 3 (G 11 ) 45 3.1.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến nhiệt độ T 3 (G 12 ) 46 3.1.3. Nhận dạng tác động của dòng nóng đến mức L (G 21 ) 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.1.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến mức L (G 22 ) 48 3.2. Nghiên cứu tác động xen kênh của hệ thống 50 3.2.1. Khi hệ thống chưa có bộ tách kênh De - Coupler 50 3.2.2. Khi hệ thống có bộ tách kênh De - Coupler 52 3.3. Phân tích ảnh hƣởng các tham số đến chất lƣợng hệ điều khiển 53 3.3.1. Xét ảnh hưởng của hệ số khuyếch đại xen kênh đến sự tương tác. 53 3.3.2. Chỉnh định lại bộ điều khiển khi hệ số khuyếch đại tương tác nhỏ 01   . 54 3.3.3. Xét ảnh hưởng các tham số của mạch vòng tương tác tới tác động xen kênh. 55 3.3.4. Điều khiển phân ly hệ đa biến. 56 3.3.5. Điều kiện điều khiển phân ly feedforward hệ đa biến. 57 3.3.6. Ảnh hưởng của K p đối với vòng điều khiển 58 3.3.7. Ảnh hưởng của hằng số thời gian τ p tới vòng điều khiển 60 3.3.8. Ảnh hưởng của thời gian chết θp tới vòng điều khiển 61 3.3.9. Ảnh hưởng của KP khi loại bỏ tác động xen kênh 62 CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐA BIẾN 62 4.1. Tính toán bộ tách kênh 62 4.2. Thiết lập bộ điều khiển 63 4.2.1. Phương pháp điều khiển sử dụng tối ưu module 63 4.2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS (Direct Synthesis) 66 4.2.3. Phương pháp điều khiển sử dụng mô hình nội IMC (InternalModel Control) 69 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 73 5.1. Hƣớng dẫn vận hành 73 5.2 Vận hành hệ thống 74 5.2.1. Quá trình khởi động 75 5.2.2 Thay đổi giá trị đặt của mức L 76 5.2.3. Thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ T3 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Minh họa quá trình và biến quá trình 1 Hình 1.2. Nguyên lý điều khiển pha trộn 5 Hình 1.3. Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến 6 Hình 1.4. Cấu trúc của hệ đa biến (MIMO) 7 Hình 1.5. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình. 9 Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo. 10 Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành. 11 Hình 1.8. cấu tạo van điều khiển 11 Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển. 12 Hình 2.1. Hình ảnh thực tế của van điều khiển 14 Hình 2.2. Hình dáng của van từ trong thực tế 15 Hình 2.3. Hình ảnh của 5 rơ-le MY4N sử dụng trong bàn thí nghiệm 16 Hình 2.4. Hình ảnh cảm biến mức trong thực tế 16 Hình 2.5. Hình ảnh thực tế của cảm biến đo nhiệt sử dụng trong mô hình 17 Hình 2.6. Hình ảnh của bộ Quick Disconnect trong thực tế 17 Hình 2.7. Hình ảnh của thiết bị đo lưu lượng của OMEGA 18 Hình 2.8. Hình ảnh thực tế của bình nóng lạnh 19 Hình 2.9. Hình ảnh bơm trong thực tế 19 Hình 2.10. Hình ảnh của nguồn cấp một chiều SD823 trong thực tế 20 Hình 2.11. Hình ảnh của máy biến áp trong thực tế 20 Hình 2.12. Hình ảnh thực tế của bình chứa trong mô hình thí nghiệm 21 Hình 2.13. Hình ảnh bình trộn trong thực tế 21 Hình 2.14. Hình ảnh về AC800 22 Hình 2.15. Hình ảnh về các dạng kết nối I/O tới bộ điều khiển 23 Hình 2.16. Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển và I/O 25 Hình 2.17. Hình ảnh của AI810 26 Hình 2.18. Hình ảnh của AO810 27 Hình 2.19. Hình ảnh của DO810 28 Hình 2.20. Hình ảnh tổng thể của mô hình sau khi lắp đặt 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.21. Hình ảnh giao diện của Control Builder 29 Hình 2.22. Tạo thư viện và kết nối với các thư viện yêu cầu 30 Hình 2.23. Tạo các dạng dữ liệu trong Control Builder M 31 Hình 2.24. Tạo các khối Control Modules trong Control Builder M 32 Hình 2.25. Cấu hình và kết nối đầu vào ra trong Control Builder M 33 Hình 2.26. Hình ảnh giao diện của My ePlant 34 Hình 2.27. Công cụ thiết kế giao diện Process Graphic Editor 34 Hình 2.28. Cài đặt thông số cho Trend Display trên Trend Template 35 Hình 2.29. Đồ thị xu hướng Trend Display 36 Hình 2.30. Màn hình giao diện của hệ thống 37 Hình 2.31. Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến 38 Hình 2.32. Cấu trúc tổng quan mô hình 39 Hình 2.33. Xác định biến quá trình của đối tượng bình trộn. 40 Hình 3.1. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới nhiệt độ T3 45 Hình 3.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới nhiệt độ T3 46 Hình 3.3. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới mức L 47 Hình 3.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới mức L 49 Hình 3.5. Mô phỏng quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh. 50 Hình 3.6. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh 51 Hình 3.7. Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh De - Coupler 52 Hình 3.8. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh 53 Hình 3.9. Cán thép dây xây dựng 56 Hình 3.10. Điều khiển phân ly 56 Hình 3.11. Nguyên lý điều khiển feedforward có đo biến điều khiển 56 Hình 4.1. Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 64 Hình 4.2. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 64 Hình 4.3. Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 65 Hình 4.4. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 65 Hình 4.5. Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 67 Hình 4.6. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4.7. Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 68 Hình 4.8. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 68 Hình 4.9. Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 70 Hình 4.10. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 70 Hình 4.11. Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 71 Hình 4.12. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 71 Hình 5.1. Khởi động OPC Server Configuration 73 Hình 5.2. Thiết lập giá trị đặt cho biến quá trình 73 Hình 5.3. Bảng điều khiển bằng tay 74 Hình 5.4. Bảng điều khiển PID 74 Hình 5.5. Quá trình khởi động khi chưa có bộ De-coupler 75 Hình 5.6. Quá trình khởi động khi có bộ De-Coupler 76 Hình 5.7. Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi chưa có De-coupler 76 Hình 5.8. Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi có De-coupler 77 Hình 5.9. Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi chưa có De-coupler 77 Hình 5.10. Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi có De-coupler 77 Hình 5.11. Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi chưa có De-coupler 78 Hình 5.12. Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi có De-coupler 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển 24 Bảng 2.2. Bảng liệt kê thiết bị kết nối với bộ điều khiển 25 Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật của AI810 26 Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của AO810 27 Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của AO810 28 Bảng 3.1. Tìm hiểu hệ số khuếch đại xen kênh – yếu tố thể hiện tác động qua lại của các vòng điều khiển 59 Bảng 5.1. Bảng ký hiệu màu 74 Bảng P3. Bảng đấu nối các kênh cho khối đầu ra tương tự DO810 84 Bảng P4. Bảng đấu nối của AI810 trong tủ 86 Bảng P5. Bảng đấu nối của các van từ trong tủ 87 Bảng P6. Bảng đấu nối của DO810 88 Bảng P8. Bảng đấu nối của các bơm trong mô hình 89 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt MV Manual Valve Van tay CV Control Valve Van điều khiển PV Proportioning Valve Van tỉ lệ SV Solenoid Valve Van từ LT Level Transmitter Thiết bị đo mức TT Temperature Transmitter Thiết bị đo nhiệt FT Flow Transmitter Thiết bị đo lưu lượng PI Pump In Bơm đầu vào PO Pump Out Bơm đầu ra DS Driect Synthesis Tổng hợp trực tiếp IMC Internal Model Control Điều khiển mô hình nội [...]... trình đa biến Với mong muốn tìm hiểu nghiên cứu để nâng cao chất lượng điều khiển trong điều khiển quá trình đa biến 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kỹ thuật điều khiển feedforward để nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến b Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết quả thu được ta khảo sát thiết kế và cài đặt hệ điều khiển đa biến trong công nghiệp 3 Mục đích nghiên. .. CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN Tổng quan về điều khiển quá trình 1.1 Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường 1.1.1 Khái niệm quá trình và các biến quá trình  Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật... cứu: - Phân tích được các tính chất cơ bản của hệ điều khiển đa biến - Ứng dụng của kỹ thuật điều khiển tách kênh feedforward để nâng cao chất lượng hệ điều khiển đa biến - Thiết kế và cài đặt được hệ điều khiển đa biến trong thí nghiệm 4 Phƣơng pháp nghiên cứu: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Nghiên cứu lý thuyết - Tham khảo các sách giáo khoa, giáo trình tài liệu… về hệ điều. .. nhận điều khiển đa biến Vì vậy vấn đề nghiên cứu dể nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến là hết sức cấp thiết Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên và bản thân tác giả mong muốn thiết kế được mô hình thí nghiệm phục vụ việc dạy và học ở Trường Cao Đẳng Nghề Phú Thọ, nơi mà học viên đang công tác Vì vậy học viên mạnh dạn chọn đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển quá trình. .. hệ điều khiển quá trình đa biến - Tìm hiều nghiên cứu về mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình, các thiết bị điều khiển … Mô phỏng : - Thiết kế hệ điều khiển, mô hình hóa mô phỏng trên phần mềm Matlab Thực nghiệm: - Ứng dụng phương pháp điều khiển trên mô hình thí nghiệm điều khiển mức và nhiệt độ để kiểm chứng 5 Những vấn đề cần nghiên cứu Chương 1 Lý thuyết chung điều khiển quá trình đa biến Chương... 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 biển 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 Hình 1.1 Minh họa quá trình và biến quá trình Quá trình và phân loại các biến quá trình  Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình. .. sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình Biến điều khiển (manipulated variable) là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất Nhiễu là những biến thiên vào còn lại không... qua lại với nhau Lúc đó điều khiển SISO không mang lại hiệu quả Chúng ta phải xét chúng là hệ đa biến (nhiều vào nhiều ra MIMO) Lý thuyết hệ đa biến đã được đề cập với lý thuyết điều khiển tự động Trong phần này ta nghiên cứu phân tích phục vụ thiết kế chỉnh định lại hệ đa biến trong thực tế Thí dụ 1: Hệ đa biến trong điều khiển pha trộn Trên hình 1.1 trình bày nguyên lý điều khiển pha trộn X AC m1... chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ năng hoặc nhiệt năng), trong khi phần tử chấp hành tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan trọng nhất Van điều khiển là thiết bị chấp hành cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất qua đường ống... trúc điều khiển/ sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại thành: thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển số và thiết bị điều khiển . tính chất cơ bản của hệ điều khiển đa biến - Ứng dụng của kỹ thuật điều khiển tách kênh feedforward để nâng cao chất lượng hệ điều khiển đa biến. - Thiết kế và cài đặt được hệ điều khiển đa biến. CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 1.1. Tổng quan về điều khiển quá trình Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình. LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 1 1.1. Tổng quan về điều khiển quá trình 1 1.1.1. Khái niệm quá trình và các biến quá trình 1 1.1.2. Mục đích của điều khiển quá trình 2 1.2. Khái