Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển đa biến đối tượng công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VŨ VĂN LINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : Điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Nguyễn Huy Phương Hà Nội – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thực Ngoài tài liệu liệt kê danh mục tài liệu tham khảo, đảm bảo không chép công trình thiết kế người khác Hà Nội, ngày…… tháng…… năm 2015 Người thực Vũ Văn Linh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Các khái niệm điều khiển trình .5 1.1.1 Quá trình biến trình 1.1.2 Phân loại trình 1.1.3 Các vấn đề đặc thù điều khiển trình 1.1.4 Mục đích chức điều khiển trình .8 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển trình 10 1.2.1 Thiết bị đo 11 1.2.2 Thiết bị chấp hành 16 1.2.3 Thiết bị điều khiển 20 Chương 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIỂN 21 2.1 Mục đích ý nghĩa việc xây dựng mô hình thí nghiệm 21 2.2 Mô hình hóa đối tượng 22 Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN 28 3.1 Cách sách lược điều khiển đơn biến .29 3.1.1 Sách lược điều khiển truyền thẳng 29 3.1.2 Sách lược điều khiển tầng 31 3.1.3 Sách lược điều khiển phản hồi 32 3.1.4 Sách lược điều khiển tỉ lệ 34 3.2 Điều khiển đa biến 34 3.2.1 Bộ điều khiển tập trung .35 3.2.2 Bộ điều khiển phi tập trung 42 3.3 Tính toán điều khiển đa biến phi tập trung 43 3.3.1.Ma trận hệ số tương tác(RGA) 43 3.3.2 Điều khiển tách kênh 47 Chương 4: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN 51 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Quá trình phân loại biến trình Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển trình 11 Hình 1.3 Cấu trúc thiết bị đo 11 Hình 1.4 Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp 12 Hình 1.5 Đáp ứng độ tiêu biểu thiết bị đo 16 Hình 1.6 Cấu trúc thiết bị chấp hành 17 Hình 1.7 Một số hình ảnh van điều khiển công nghiệp 17 Hình 1.8 Các đặc tính dòng chảy cố hữu 18 Hình 1.9 Cấu trúc thiết bị điều khiển 19 Hình 2.1 Các biến trình đối tượng bình trộn 22 Hình 2.2 Mô hình bình trộn 26 Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển truyền thẳng 29 Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển tầng 31 Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển phản hồi 33 Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển phản hồi 33 Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển đa biến tập trung 36 Hình 3.6 Cấu trúc hệ điều khiển ma trận DMC 38 Hình 3.7 Cấu trúc điều khiển đa biến phi tập trung 43 Hình 3.8 Mô hình đa biến đầu vào đầu 44 Hình 3.9 Mô hình đa biến đầu vào đầu 47 Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc tách kênh hoàn toàn 48 Hình 4.1 Đáp ứng độ đầu vào hệ thống 58 Hình 4.2 Đáp ứng độ đầu vào L đến đầu XB 58 Hình 4.3 Đáp ứng độ đầu vào V đến đầu XB 59 Hình 4.4 Đáp ứng độ đầu vào L đến đầu XD 59 Hình 4.5 Đáp ứng độ đầu vào V đến đầu XB 60 Hình 4.6 Đáp ứng nhiễu 60 Hình 4.7 Đáp ứng đầu vào F đến đầu XB 61 Hình 4.8 Đáp ứng đầu vào ZF đến đầu XB 61 Hình 4.9 Đáp ứng đầu vào F đến đầu XD 62 Hình 4.10 Đáp ứng đầu vào ZF đến đầu XD 62 Hình 4.11 Quá độ XD theo L 67 Hình 4.12 Quá độ XB theo V 70 Hình 4.13 Sơ đồ mô Simulink 70 Hình 4.14 Đáp ứng đầu XD, XB nhiễu 71 Hình 4.15 Sơ đồ mô có nhiễu 3s 71 Hình 4.16 Đáp ứng XD, XB có nhiễu 72 Hình 4.17 Sơ đồ mô có khâu bù nhiễu 72 Hình 4.18 Đáp ứng XB, XD có khâu bù nhiễu 73 Hình 4.19 Đáp ứng khối bù D 73 Hình 4.20 Đáp ứng hệ thống Simulink 76 LỜI NÓI ĐẦU Trong trình công nghiệp hóa, đại hóa đất nước, ngành công nghiệp lượng hóa chất ngành cần ưu tiên trọng đầu tư phát triển trang thiết bị công nghệ Và với xu tất yếu đó, lĩnh vực điều khiển trình chiếm vị trí quan trọng hàng đầu tự động hóa công nghiệp Việc học tập thực nghiệm điều khiển trình thực cần thiết kỹ sư ngành điện - tự động hóa Tuy nhiên, hệ thống điều khiển trình thường phức tạp tốn kém, nên việc điều khiển trình công nghiệp thường gặp nhiều khó khăn Từ nhu cầu thực nghiệm đó, tìm hiểu thực đề tài Trong luận văn , sâu tìm hiểu điều khiển trình thực đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển đa biến đối tượng công nghiệp” Nội dung luận văn chia làm chương sau: Chương 1: Tổng quan điều khiển trình Chương 2: Mô tả toán học hệ thống điều khiển trình đa biến Chương 3: Thiết kế điều khiển đa biến Chương 4: Mô trình điều khiển đa biến Để hoàn thành luận văn trên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Huy Phương, người tận tình hướng dẫn bảo trình làm luận văn Tuy nhiên hạn chế thân nên chắn luận văn nhiều thiếu sót Tôi mong nhận đóng góp thầy cô để luận văn hoàn chỉnh Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Người thực Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Các khái niệm điều khiển trình Khái niệm điều khiển trình hiểu ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu sản xuất an toàn cho người, máy móc môi trường 1.1.1 Quá trình biến trình Quá trình định nghĩa trình tự diễn biến vật lý, hóa học, vật chất, lượng thông tin biến đổi, vận chuyển lưu trữ Quá trình công nghệ trình liên quan đến biển đổi, vận chuyển lưu trữ vật chất lượng, nằm dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất lượng Trạng thái hoạt động diễn biến trình thể qua biến trình Hình 1.1 Quá trình phân loại biến trình Một biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động từ bên vào trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở rơ-le sợi đốt,… Một biến đại lượng điều kiện thể tác động trình bên Ví dụ: nồng độ lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải mức bình thường hay cao Biến cần điều khiển (controlled variable) biến biến trạng thái trình điều khiển, điều chỉnh cho gần với giá trị mong muốn hay giá trị đặt (set point) bám theo biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal) Các biến điều khiển liên quan hệ trọng đến vận hành ổn định, an toàn hệ thống chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất nồng độ biến cần điều khiển tiêu biểu hệ thống điều khiển trình Các biến biến trạng thái lại trình đo, ghi chép hiển thị.„ Biến điều khiển (manipulated variable) biến vào trình can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua tác động tới biến theo ý muốn Trong điều khiển trình lưu lượng biến điều khiển tiêu biểu Những biến thiên vào lại không can thiệp cách trực tiếp hay gián tiếp phạm vi trình quan tâm coi nhiễu Nhiễu tác động lên trình cách không mong muốn, cần có biện pháp nhằm loại bỏ giảm thiểu ảnh hưởng Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhiễu trình (disturbance) nhiễu đo (noise) Nhiễu trình biến vào tác động lên trình kỹ thuật cách cố hữu không can thiệp được, ví dụ trọng lượng cần nâng, thành phần nhiên liệu,… Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số giá trị đo 1.1.2 Phân loại trình Các trình công nghệ phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau:  Phân loại dựa số lượng biến vào biến : Một trình có biến gọi trình đơn biến, có nhiều biến gọi trình đa biến Hầu hết trình công nghệ đa biến  Phân loại dựa đặc tính đại lượng đặc trưng (biến đầu biến trạng thái tiêu biểu), ta phân loại trình thành trình liên tục, trình gián đoạn, trình rời rạc, trình mẻ 1.1.3 Các vấn đề đặc thù điều khiển trình  Quy mô ứng dụng: Hầu hết dây chuyền công nghệ lĩnh vực điều khiển trình có quy mô vừa lớn Quy mô hiểu theo hai nghĩa, quy mô phạm vi chức điều khiển cần thực quy mô mặt tổ chức sản xuất  Chức điều khiển: Bài toán điều chỉnh chức tiêu biểu quan trọng hệ thống điều khiển trình Các đại lượng cần quan tâm trình công nghệ trước hết biến liên tục tương tự, đặt yêu cầu đặc trưng cho khả chuyển đổi xử lý tín hiệu thiết bị đo, điều khiển chấp hành Việc thực thi đồng thời nhiều vòng điều chỉnh chức điều khiển khác đặt yêu cầu khả đáp ứng tính thời gian thực hệ thống Phần lớn đại lượng đặc trưng trình công nghệ diễn biến tương đối chậm nên phương pháp điều khiển không cần yêu cầu cao thời gian thực phải phương pháp tin cậy kiểm chứng nhiều thực tế  Yêu cầu cao độ tin cậy tính sẵn sàng Yêu cầu cao độ tin cậy làm tăng chi phí đầu tư cho giải pháp điều khiển, chi phí chiếm phần nhỏ so với hệ thống thiết bị - điện thiết bị công nghệ  Khả vận hành điều khiển trình: Khả vận hành trình công nghệ liên quan tới thiết kế công nghệ điều kiện ràng buộc liên quan Giới hạn vật lý trang thiết bị quan hệ phụ thuộc đại lượng trở ngại không nhỏ việc thực giải pháp điều khiển Đặc biệt, trình công nghệ đại thường thiết kế tối ưu mặt an toàn, tiết kiệm lượng chi phí đầu tư, lại gây khó khăn cho việc thiết kế điều khiển  Mô hình không xác: Các trình công nghệ đối tượng MIMO, chứa đựng nhiều quan hệ vật lý, hóa học sinh học phức tạp nên việc xây dựng mô hình toán học gặp nhiều khó khăn Việc tiến hành thực nghiệm dễ dàng liên quan tới vận hành hệ thống lớn chi phí tốn Do mô hình toán học có thường gần bỏ qua nhiều yếu tố động học yếu tố khác 1.1.4 Mục đích chức điều khiển trình Trước tìm hiểu xây dựng hệ thống điều khiển trình, người kỹ sư phải làm rõ mục đích điều khiển chức hệ thống cần thực nhằm đạt mục đích Toàn chức hệ thống điều khiển trình phân loại xếp nhằm phục vụ năm mục đích sau đây:  Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định điểm làm việc chuyển chế độ cách trơn tru, đảm bảo điều kiện theo yêu cầu chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện Tại việc vận hành ổn định trình lại có vai trò quan trọng vậy? Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân vật chất lượng, dẫn đến đảm bảo yêu cầu chế độ làm việc thiết bị Thứ hai, hệ thống vận hành ổn định đồng nghĩa với tín hiệu điều khển giữ cố định thay đổi Vì vậy, thiết bị chấp hành phải làm việc phải thay đổi chế độ làm việc, tuổi thọ máy móc k p (1  TI s) (1  TI s) R ( s)  k p (1  )  TI s TI s TR s TR  Với TI kp Hàm truyền hệ hở: H0= G( X D _ L ) *R1= (1  TI s ) 0.75 (1  0.2498s) (1  4.5455s) TR s Chọn T1= 4,5455 đó: H0= G( X D _ L ) *R1= Hàm truyền hệ kín : Hk= 0.75 (1  0.2498s) TR s 0.75 = = Hchuẩn (1  0.2498s) TR s  0.75 0.2498TR TR s  s 1 0.75 0.75 Theo phương pháp tối ưu độ lớn Hchuẩn hàm truyền đạt hệ mong muốn H chuan  2T s  2Ts  2 0.2498TR TR   TR=0.3747 * 0.75 * 0.75 Khi Bộ điều khiển có hàm truyền đạt: R( s )  (1  4.5455s) 0.3747 s Mô chất lượng hệ sau có điều khiển 'tinh bo dieu khien cua L cho XD' G_XD_L=tf([0.5465 10.36],[1 19.22 66.98 13.81]) R1=tf([4.5455 1],[0.3747 0]) H0=G_XD_L*R1 Hk=feedback(H0,1) step(Hk) KẾT QUẢ: tinh bo dieu khien cua L cho XD G_XD_L = 65 0.5465 s + 10.36 s^3 + 19.22 s^2 + 66.98 s + 13.81 Continuous-time transfer function R1 = 4.545 s + 0.3747 s Continuous-time transfer function H0 = 2.484 s^2 + 47.64 s + 10.36 0.3747 s^4 + 7.202 s^3 + 25.1 s^2 + 5.175 s Continuous-time transfer function Hk = 2.484 s^2 + 47.64 s + 10.36 -0.3747 s^4 + 7.202 s^3 + 27.58 s^2 + 52.81 s + 10.36 Continuous-time transfer function 66 Hình 4.11 Đáp ứng độ XD theo L Thiết kế mạch vòng điều khiển R2: Xét mạch vòng điều khiển R2 có hàm truyền đối tượng: -0.4263 s^2 - 2.273 s - 1.03 G( X B _ V ) : - s^3 + 19.22 s^2 + 66.98 s + 13.81 G( X B _ V )  - 0.4263 (s  4.832) (s  0.4998) - 0.0745 (1  0.207s)(1  2s)  (s  14.73) (s  4.262) (s  0.22) (1  0.0679s) (1  0.2346s) (1  4.5455s) Xấp xỉ hàm truyền đạt đối tượng dạng sau: G( X B _ V )  - 0,0745 (1  0.2346s)(1  2.4776s) Hàm truyền hệ hở: H0= G( X B _ V ) *R2= (1  TI s ) - 0,0745 (1  0.2346s)(1  2.4776s) TR s 67 Chọn T1= 2.4776 đó: H0= G( X D _ L ) *R1= Hàm truyền hệ kín : Hk= - 0,0745 (1  0.2346s)TR s - 0,0745 = TR (1  0.2346s)TR s - 0.0745 0.2346TR s  s 1  0.0745  0.0745 T TR  I  2kT1 =2*-0.0745*0.2346=-0.035 kp Bộ điều khiển có hàm truyền đạt: R( s )  (1  2.4776s ) - 0.035 s Mô chất lượng hệ sau thiết kế điều khiển: G_XB_V=tf([-0.4263 -2.273 -1.03],[1 19.22 R2=tf([-2.4776 -1],[0.035 0]) H02=G_XB_V*R2 Hk2=feedback(H02,1) step(Hk2) Kết G_XB_V = -0.4263 s^2 - 2.273 s - 1.03 s^3 + 19.22 s^2 + 66.98 s + 13.81 Continuous-time transfer function R2 = -2.478 s - -0.035 s 68 66.98 13.81] ) Continuous-time transfer function H02 = 1.056 s^3 + 6.058 s^2 + 4.825 s + 1.03 0.035 s^4 + 0.6727 s^3 + 2.344 s^2 + 0.4834 s Continuous-time transfer function Hk2 = 1.056 s^3 + 6.058 s^2 + 4.825 s + 1.03 -0.035 s^4 + 1.729 s^3 + 8.402 s^2 + 5.308 s + 1.03 Continuous-time transfer function 69 Hình 4.12 Đáp ứng độ XB theo V Mô hệ thống sau thiết kế điều khiển công cụ simulink: Khi nhiễu: Hình 4.13 Sơ đồ mô simulink 70 Kết đáp ứng XB XB: Hình 4.14 : Đáp ứng XB, XD nhiễu Khi có nhiễu t=3s: Hình 4.15 Sơ đồ mô có nhiễu thời điểm 3s 71 Kết thu được: Hình 4.16 Đáp ứng XB, XD có nhiễu Ta nhận thấy nhiễu ảnh hưởng tới XB XD ta thiết kế khâu bù nhiễu cho XD XB Hình: 4.17 sơ đồ mô có khâu bù nhiễu 72 Hình: 4.18 Đáp ứng XB, XD có bù nhiễu Nhận xét:  Với hệ thống hoàn toàn điều khiển theo cấu trúc phân tán, hệ cho đáp ứng tốt, có chịu ảnh hưởng nhiễu không nhiều Khắc phục tốt có khâu bù nhiễu  Tuy nhiên đáp ứng XD ta thấy có phần đáp ứng ngược không khắc phục theo cấu trúc điều khiển phân tán có tác động xen kênh kênh điều khiển Điều khắc phục điều khiển theo cấu trúc tách kênh Ta có G(s)=C(SI - A)-1B G(s)=[ ]=[ ]=M(s).N(s)  - 0.4263 (s  4.832) (s  0.4998)  (s  14.73) (s  4.262) (s  0.22) G( s)   0.47908 (s - 0.8842)   (s  14.73) (s  4.262) (s  0.22) 0.3737 (s  10.51) (s  2.988)  (s  14.73) (s  4.262) (s  0.22)    M ( s) N ( s) 0.54652 (s  18.95)  (s  14.73) (s  4.262) (s  0.22)  Ta có 73   (s  14.73) (s  4.262) (s  0.22) M        (s  14.73) (s  4.262) (s  0.22)  - 0.4263 (s  4.832) (s  0.4998) 0.3737 (s  10.51) (s  2.988)  0.47908 (s - 0.8842) 0.54652 (s  18.95)   N=  D=N-1   (s  14.73) (s  4.262) (s  0.22) GD ( s)  M ( s)     Sử dụng matlab để tìm D ta có: clc; N11=tf([-0.4263 -2.273 -1.03],1) N12=tf([0.3737 5.04 11.74],1) N21=tf([0.4791 -0.4236],1) N22=tf([0.5465 10.36],1) N=[N11 N12;N21 N22] nghicdaoN=inv(N) Kết Quả: N= From input to output 1: -0.4263 s^2 - 2.273 s - 1.03 2: 0.4791 s - 0.4236 From input to output 1: 0.3737 s^2 + 5.04 s + 11.74 2: 0.5465 s + 10.36 Continuous-time transfer function 74     (s  14.73) (s  4.262) (s  0.22)  nghicdaoN = From input to output -1.326 s - 25.14 1: s^3 + 19.21 s^2 + 66.99 s + 13.83 1.163 s - 1.028 2: s^3 + 19.21 s^2 + 66.99 s + 13.83 From input to output 0.907 s^2 + 12.23 s + 28.49 1: s^3 + 19.21 s^2 + 66.99 s + 13.83 1.035 s^2 + 5.517 s + 2.5 2: s^3 + 19.21 s^2 + 66.99 s + 13.83 Continuous-time transfer function Như ta thiết kế khâu bù tách kênh sau: Hình 4.19: Sơ đồ mô khối bù D 75 Khi kênh độc lập hàm truyền đối tượng kênh giống dạng đơn giản: GD ( S )  13.81  (s  14.73) (s  4.262) (s  0.22) (1  4.5485s)(1  0.235s)(1  0.068s) Xấp xỉ số thời gian nhỏ ta có: GD ( S )  13.81 (1  4.5485s)(1  0.303s) Để thiết kế điều khiển PID cho đối tượng ta dùng phương pháp tối ưu module: Sau thiết kế ta mô công cụ simulink: Hình 4.20 Sơ đồ mô hệ thống Simulink Kết thu sau: 76 Khi chưa bù nhiễu: Khi có bù nhiễu: Nhận xét:  Khi điều khiển tách kênh không tương tác kênh với nên đáp ứng đầu không đáp ứng ngược  Tuy nhiên hệ thống nhạy cảm với nhiễu với sai lêch mô hình bù tách kênh xây dựng dựa nghịch đảo hàm truyền đạt hệ thống 77 KẾT LUẬN Qua thiết kế tính toán hệ điều khiển đa biến, ta thấy phức tạp điều khiển hệ thống xen kênh Có nhiều phương pháp để điều khiển hệ thời gian có hạn, luận văn nghiên cứu phương pháp dùng điều khiển phi tập trung để giải vấn đề xen kênh Đây đề tài có tính thực tiễn cao thiết thực cho ngành công nghiệp điều khiển đa biến Mặc dù thân có cố gắng giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo TS Nguyễn Huy Phương, nhiên lực hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp thầy cô bạn để luận văn hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển trình, NXB Bách Khoa Hà Nội Nguyến Phùng Quang (2005), Matlap Simulink, NXB Khoa học kỹ thuật Phạm Công Ngô (2001), Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Nguyễn Doãn Phước (2004), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học kỹ thuật Smith, C.A & A.B Corripio: Principles and practice or automatic process control second edition G.C Goodwin & S.F Graebe & M.E Salgado (200), Control system design, Valparaiso 79 ... điều khiển đa biến đối tượng công nghiệp Nội dung luận văn chia làm chương sau: Chương 1: Tổng quan điều khiển trình Chương 2: Mô tả toán học hệ thống điều khiển trình đa biến Chương 3: Thiết kế. .. pháp điều khiển, chi phí chiếm phần nhỏ so với hệ thống thiết bị - điện thiết bị công nghệ  Khả vận hành điều khiển trình: Khả vận hành trình công nghệ liên quan tới thiết kế công nghệ điều. .. điều khiển công nghiệp Hình 1.9 Cấu trúc thiết bị điều khiển Trên sở tín hiệu đo cấu trúc điều khiển/ sách lược điều khiển lựa chọn, điều khiển thực thuật toán điều khiển đưa tín hiệu điều khiển