báo cáo thực hành bộ môn kỹ thuật đo lường và tự động hóa

báo cáo thực hành bộ môn kỹ thuật đo lường và tự động hóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC

BÀI 1: ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

Mô hình thí nghiệm này cho phép nghiên cứu quá trình điều khiển nhiệt độ

Nó là một mô hình điều khiển đơn giản, bao gồm: đầu dò (sensor), bộ điều khiển và

bộ gia nhiệt

Mô hình này cùng các trang thiết bị cần thiết được dùng để khảo sát:

 Các thông số của hệ thống điều khiển với các khái niệm: độ khuếch tán tĩnh, hằng số thời gian, thời gian trễ

 Xác định các thông số điều khiển bẳng phương pháp Proda

2.1 Kết Quả Thí Nghiệm:

a Xác định các thông số đặc trưng của hệ thống

Bảng 1: Giá trị nhiệt độ đo được tương ứng sự thay đổi của OP

các thông sốđiều khiển theo phươngpháp Broida

b Xác định các thông số điều khiển theo phương pháp Broida

Bảng 5: Xác định thời gian trễ và hằng số thời gian

Bảng 7: Xác định thông số của bộ điều khiển

Bộ điều khiển Bộ khuếch đại K

Bảng 8: Các thông số cài đặt cho bộ điều khiển

0 20 40 60 80 100 120 30

0 100 200 300 400 500 600 700 800 39.4

=7,12 nên ta chọn bộ điều khiển PI

*Xác định thông số của bộ điều khiển: Tmax = 400 (oC)

Bộ điều

khiển Bộ khuếch đạiKp

Thời gian tích phân

10 ×100 %=1

 KP = Gs τ 0,8 τ

m

=302,5.0,81.42,5 =¿ 5,7

4.2 Tài liệu tham khảo:

[1].Hướng dẫn thực hành kỹ thuật đo lường & tự động hóa,Khoa Máy-Thiết

bị,Trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM

BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN VAN

Các van điều khiển thường được sử dụng rộng rãi và là thành phần then chốt trong nhiều hệ thống điều khiển tự động như: điều khiển lưu lượng, điều khiển mực chất lỏng,…

Bài thí nghiệm này giúp sinh viên:

 Hình dung được nguyên lý điều khiển và vai trò của các bộ phận trong hệ thống điều khiển van

 Định cỡ van theo hệ số lưu lượng Kv

 Xác định quy tắc điều khiển lưu lượng như là một hàm số theo độ mở van và các thông số dòng sẵn có và các thông số của van đã lắp đặt

 Thay đổi số đĩa van để điều chỉnh hệ số lưu lượng Kv

b) Xác định các đặc trưng của van khi độ chênh lệch áp suất qua van không đổi:

đón

đóng 2.18 1.61 1.6 1.58 1.62 1.59 1.54 1.58 1.53 1.53

1.55Q

b) Xác định các đặc trưng của van khi độ chênh lệch áp suất qua van không đổi:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2

M i quan h gi a l u l ố thời gian và thời gian trễ ệt độ theo giá trị OP ng và b đi u khi n tín hi u khi không có b đ nh v và tăng tín hi u đi u khi n ộ theo giá trị OP ều khiển tự động ển tự động ệt độ theo giá trị OP ộ theo giá trị OP ị OP ị OP ệt độ theo giá trị OP ều khiển tự động ển tự động

Lưu lượng Chênh lệch áp suất

Độ mở

Q (lít/giờ)

0102030405060708090100

1.851.91.9522.052.12.152.2

M i quan h gi a l u l ng và b đi u khi n tín hi u khi không có b đ nh v và gi m tín hi u đi u khi n ố thời gian và thời gian trễ ệt độ theo giá trị OP ộ theo giá trị OP ều khiển tự động ển tự động ệt độ theo giá trị OP ộ theo giá trị OP ị OP ị OP ảm tín hiệu điều khiển ệt độ theo giá trị OP ều khiển tự động ển tự động

Lưu LượngChênh lệch áp suất

Độ mở

Q (lít/giờ)

 Chế độ định vị:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180

0 0.5 1 1.5 2 2.5

M i quan h gi a l u l ố thời gian và thời gian trễ ệt độ theo giá trị OP ng và b đi u khi n tín hi u khi có b đ nh v và tăng tín hi u đi u khi n ộ theo giá trị OP ều khiển tự động ển tự động ệt độ theo giá trị OP ộ theo giá trị OP ị OP ị OP ệt độ theo giá trị OP ều khiển tự động ển tự động

Lưu lượng Chênh lệch áp suất

Độ mở

Q (lít/giờ)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

2 4 6 8 10 12

0 0.5 1 1.5 2 2.5

M i quan h gi a l u l ố thời gian và thời gian trễ ệt độ theo giá trị OP ng và b đi u khi n tín hi u khi có b đ nh v và gi m tín hi u đi u khi n ộ theo giá trị OP ều khiển tự động ển tự động ệt độ theo giá trị OP ộ theo giá trị OP ị OP ị OP ảm tín hiệu điều khiển ệt độ theo giá trị OP ều khiển tự động ển tự động

Lưu Lượng Chênh lệch áp suất

Độ mở

Q (lít/giờ)

BÀI 3: ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

 Giúp sinh viên hiểu được nguyên lý điều khiển của hệ thống điều khiển ápsuất,sơ đồ dòng điều khiển và các thành phần trong bộ điều khiển: cảm biến,

bộ điều khiển, bộ phận tác động,quy trình…

 Hiểu được các tham số của bộ điều khiển ( PB,Ti,Td),phương trình hàmtruyền và ảnh hưởng của từng tham số này đến quá trình điều khiển

 Thiết lập phương trình hàm truyền tối ưu cho bộ điều khiển bằng phươngpháp Nichols - Ziegler

2.NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN

Bộ điều khiển Bình áp suất

Cảm biến Yếu tố nhiễu

Khí nén từ máy nén khí với áp suất 7-8 Bar sau khi đi qua bộ phận lọc giảm ápxuống 4 Bar được cung cấp ổn định vào hệ thống điều khiển Trên bình chứa khí ,cógắn một đồng hồ áp suất, một cảm biến áp suất để đo áp suất bên trong bình chứa

và truyền tín hiệu về bộ điều khiển

Bộ điều khiển UDC2500 nhận tín hiệu từ cảm biến,so sánh với giá trị cài đặt

để tính toán sai lệch.Giá trị sai lệch được thay thế bằng phương trình hàm truyền đểxác định tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển OP.Dưới tác động điều khiển của OP vanđiện tử sẽ mở hoặc đóng tương ứng để điều chỉnh áp suất trong bình áp suất

PID nối tiếp

PID song song

PID hỗn hợp

Bảng 3 : Đánh giá và lựa chọn bộ điều khiển khi hệ thống hoạt động ở áp suất 1 bar

Bộ điều khiển PV Thời gian đạt đến cân

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0

- Đặc tính của bộ điều khiển được mô tả như sau: Áp suất trong bình được

điều khiển thông bộ điều khiển UDC 2500.Nó nhận tín hiệu từ bộ cảm biến áp suất

đo áp trong bình chứa, xử lý tín hiệu và xuất tín hiệu điều khiển OP đến van điềukhiển áp suất bằng khí nén để điều khiển áp suất trong bình

- Lựa chọn các thông số để xác định PB, Ti,Td: theo thông số điều khiển PI

song song, ta thấy bộ điều khiển hoạt động khá ổn định, hạn chế vọt lố cũng như sailệch tĩnh đồng thời thời gian hệ thống đạt đến cân bằng tương đối nhanh.So với 2thông số P và PI nối tiếp ta thấy thời gian đạt cân bằng cũng nhanh, không có vọt lốnhưng sai lệch tĩnh cao hơn (e(t)=0.11)

Trường hợp PID nối tiếp và PID hỗn hợp có sự vọt lố khá lớn PV = 1.23

-1.25 nên ta không chọn 2 trường hợp này

Vậy ta chọn PI song song là tối ưu nhất cho hệ thống hoạt động ổn định

(1−0.97) dt]+OP0 = 0.138

- Ứng dụng của quy trình điều khiển áp suất trong công nghiệp : được sử dụng

nhiều nhất trong lĩnh vực năng lượng, công nghiệp chế tạo các linh kiện : cảm biến

áp suất silic…

BÀI 5: ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT (PIGNAT)

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

 Hiểu được các thành phần của hệ thống điều khiển áp suất và nguyên lý điềukhiển

 Xác định được các thông số đặc trưng của hệ thống PB,Ti,Td

 Nắm được các xác định các thông số cài đặt cho bộ điều khiển PID bằngphương pháp Proda

 Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiễu tác động lên hệ thống điều khiển tự động

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Đo áp suất theo nguyên lý Piezo

Cảm biến là một màng silicon được chế tạo tinh vi và hoạt động dựa trênhiệu ứng Piezo Cảm biến Piezo được gắn mép bên ngoài màng với cầu nối Mộtbản ngược lại được hàn phía dưới màng

Các điện trở có điện trở khoảng 3.5kΏ Khi màng bị biến dạng, bán kính rcủa điện trở tăng trong khi chiều ngang t của điện trở giảm Sự biến thiên có thể lêntới 30% so với giá trị ban đầu Tín hiệu đầu ra mạnh của cầu loại bỏ sự trễ và tỷ lệtrực tiếp với áp suất

Con chip silicon được ghép với đệm lót bạc, được lắp đặt với hộp thép không

rỉ được đóng kín bằng một màng gợn sóng mỏng Linh kiện được đổ dầu phù hợpvới ứng dụng mong muốn Áp suất tác dụng lên màng gợn sóng được truyền dẫnbởi dầu tới màng của con chip Đầu dò OEM được gắn ở đáy của đầu dò và bộchuyển đổi Chúng chịu đựng được nhiệt độ và áp suất thí nghiệm

2.2 Bộ chuyển đổi áp suất

Bộ chuyển đổi hiệu chỉnh và khuếch đại tín hiệu sử dụng một bộ xử lý Tínhiệu của đầu dò được chuyển thành tín hiệu đầu ra, thường là 0 – 100mV, 0 – 10V,0.5 – 4.5V, 4 – 20mA

0.24 6.5 8 8.25 0.75

Bảng 4: Xác định bộ điều khiển

Tỷ số τ /τ m Bộ điều khiển

Bảng 5: Xác định thông số của bộ điều khiển

Bộ điều khiển Bộ khuếch đạiK

Bảng 6: Các thông số cài đặt cho bộ điều khiển

OP (%)

Gs

Hình 2: Đồ thị độ khuếch đại tĩnh theo giá trị OP

0 5 10 15 20 25 30 35 40 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến, so sánh với giá trị cài đặt ban đầu

để tính toán sai lệch.Giá trị sai lệch này được thay thế vào phương trình hàm truyền

để xác định tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển OP.Dưới tác động điều khiển củaOP,van điều khiển bằng khí nén PV 01 sẽ đóng hoặc mở tương ứng để điều chỉnh

áp suất trong bình (OP sẽ điều khiển dòng khí nén để đóng/mở van)

*Nhận xét khả năng đáp ứng của hệ thống khi bộ điều khiển được cài đặt các thông

số tìm được bằng phương pháp Proda:

Nhìn vào hình 4.4 ta nhận thấy khả năng đáp ứng của hệ thống tương đốitốt.Khi SP=0.5 bar và SP=0.7 bar thì hệ thống khá ổn định Còn SP=1.2 bar thì hệthống tương đối ổn định và có vọt lố xảy ra.Thời gian đáp ứng để hệ thống ổn địnhcũng khá nhanh

*Phạm vi ứng dụng của phương pháp Proda trong việc xác định các thông số bộđiều khiển :

Khảo sát đáp ứng của hệ thống khi thay đổi OP.Giá trị PV được ghi nhậntheo thời gian cho đến khi hệ thống đạt trạng thái ổn định.Dựa vào đồ thị PV theothời gian ta có thể tính được hằng số thời gian, thời gian trễ và xác định các thông

số thích hợp cho bộ điều khiển.Do đó nếu ta xác định sai thì hệ thống sẽ không ổnđịnh.Phương pháp này đòi hỏi độ chính xác của số liệu phải cao và hệ thống có đápứng chậm

*Ứng dụng điều khiển áp suất trong công nghiệp:

- Dùng cho quạt thông gió trong hệ thống thông gió trung tâm , hệ thống gianhiệt …

- Điều khiển quá trình nóng – lạnh

- Điều khiển nhiệt độ theo từng cấp

7 PHỤ LỤC

OP ∆OP ∆OP(%) P (bar) ∆P (bar) ∆P (%) Gs

=11 nên ta chọn bộ điều khiển P

*Xác định thông số của bộ điều khiển: Pmax = 2 bar

khiển Bộ khuếch đạiKp

Thời gian tích phân

7.2.Tài liệu tham khảo:

[1].Hướng dẫn thực hành kỹ thuật đo lường & tự động hóa,Khoa Máy-Thiếtbị,Trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM

BÀI 7: ĐIỀU KHIỂN MỰC CHẤT LỎNG

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Giúp sinh viên hiểu được:

 Chức năng của vòng điều khiển và các bộ phận của hệ thống thí nghiệm: đầu

dò, thiết bị chuyển đổi tín hiệu, thiết bị điều khiển, thiết bị phát động…

 Các chương trình điều khiển (ON-OFF, điều khiển P/PI/PID)

 Nguyên lý cơ bản trong điều khiển mực chất lỏng

 Thiết lập phương trình hàm truyền và ảnh hưởng của các tham số đến quá trình điều khiển

 Sử dụng được các phần mềm kiểm soát

2.NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN

Chiều cao của cột chất lỏng được đo thông qua đo áp suất ở đáy cột theocông thức sau:

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Đ th nh h ồ thị ảnh hưởng của PB đến sai lệch tĩnh ị OP ảm tín hiệu điều khiển ở chế chế độ điều khiển tự động ng c a PB đ n sai l ch tĩnh ủa hệ thống ở chế chế độ điều khiển tự động ếch đại tĩnh theo giá trị OP ệt độ theo giá trị OP

PB (%)

e (t) - cm

Hình 1.1: Đồ thị ảnh hưởng của PB đến sai lệch tĩnh

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

20 40 60 80 100 120 140 160

Ảnh hưởng của Ti đến thời gian hệ thống đạt ổn định

Ti (phút)

τ (s)

Hình 1.2: Đồ thị ảnh hưởng của Ti đến thời gian hệ thống đạt ổn định

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

2 4 6 8 10 12

Ki m tra kh năng đi u khi n c a h th ng ển tự động ảm tín hiệu điều khiển ều khiển tự động ển tự động ủa hệ thống ở chế chế độ điều khiển tự động ệt độ theo giá trị OP ố thời gian và thời gian trễ

SP=70 cm SP=30cm

van.Khi cần tăng chiều cao mực chất lỏng trong cột ,van tỉ lệ điều khiển bằng khí nén sẽ mở ra,cho phép lưu lượng vào cột tăng lên và ngược lại.

 Bộ điều khiển UDC 2500 có giao diện người- máy.Nó nhận tín hiệu từ bộ cảm biến, xử lý tín hiệu và xuất tín hiệu điều khiển đến bộ chuyển đổi IP ( Cường

độ dòng điện → Áp suất khí nén) để điều khiển van

Với các thông số được xác định như PB, Ti,Td, ta thấy bộ điều khiển hoạt độngkhá ổn định khi điều khiển mực chất lỏng.Tuy nhiên khi điều khiển mực chất lỏng

từ SP= 50 cm về SP=30 cm thì thời gian ổn định khá lâu ( khoảng 360 giây) so vớiđiều khiển mực chất lỏng từ SP= 50 cm lên SP=70 cm

 Ảnh hưởng của PB,Ti,Td lên hệ thống:

Đối với ảnh hưởng của PB : nghịch đảo của PB là dải tác động tỉ lệ PB=1/G.

Khi tăng dải tác động tỉ lệ ứng với giảm độ dốc của giá trị OP,sẽ tránh được hiệntượng vọt lố nhưng lại tăng thời gian để hệ đạt trạng thái ổn định và có sai lệch tĩnhlớn hơn

Đối với ảnh hưởng của Ti: tăng tốc độ điều khiển của quá trình tới điểm

SP,nhưng do Ti là khâu tích phân đáp ứng cho sai số tích lũy trong quá khứ nên nó

có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị SP ban đầu

Đối với ảnh hưởng của Td:Tác động tích phân được tính toán dựa trên sự sai

lệch PV so với giá trị SP ban đầu là bao nhiêu và trong thời gian bao lâu.Tác động

vi phân này được tính toán bằng các cộng dồn sai số e(t).Khi PV tăng thì theophương trình hàm truyền tỉ lệ vi phân thì OP sẽ giảm và ngược lại.Điều đó giúp cho

hệ thống tránh được sự vọt lố và hệ thống sẽ ổn định hơn sau nhiễu