Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng tích phân quán tính bậc hai

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THANH THÚY TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG TÍCH PHÂN – QUÁN TÍNH BẬC HAI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 6052 0216 Thái Nguyên – 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THANH THÚY TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG TÍCH PHÂN – QN TÍNH BẬC HAI Chun ngành: Tự động hóa Mã số: 6052 0216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA ĐIỆNPHÒNG QL ĐTSĐH Thái Nguyên - 2014 NGƯỜI HDKH i LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, điều khiển q trình lĩnh vực ứng dụng quan trọng kỹ thuật điều khiển tự động ngành công nghiệp lượng hóa chất Điều khiển q trình khơng phải lĩnh vực chiếm hàng đầu tự động hóa cơng nghiệp Nghiên cứu điều khiển q trình nhằm nắm bắt vấn đề chủ yếu sau: Tìm hiểu, phân tích u cầu điều khiển q trình cơng nghệ; Đặt tốn điều khiển cho yêu cầu cụ thể; Thiết kế sách lược điều khiển phù hợp với yêu cầu với mô hình trình; Chọn lựa giải pháp thiết bị đo, thiết bị chấp hành thiết bị điều khiển Nhằm nâng cao hiểu biết điều khiển trình, tơi lựa chọn đề tài: Tổng hợp điều khiển cho đối tượng tích phân - quán tính bậc hai Trong q trình thực đề tài tơi nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, cô giáo khoa Điện trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy PGS.TS Nguyễn Như Hiển giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy, cô Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp để tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện trình cơng tác sau Học viên Nguyễn Thị Thanh Thúy ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Thanh Thúy Sinh ngày: 05/07/1987 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Công ty TNHH Công nghệ COSMOS Vĩnh Phúc Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thanh Thúy MỤC LỤC Nội dung Trang Trang bìa phụ LỜI NĨI ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MUC CÁC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận văn Mục tiêu nghiên cứu Kết thực nghiệm luận văn Nội dung luận văn CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH GIẢN ĐỒ CƠNG NGHỆ CHO ĐỐI TƯỢNGTÍCH PHÂN QUÁN TÍNH BẬC HAI 1.1 Giới thiệu chung 3 1.1.1 Các khái niệm 1.1.2 Mục đích u cầu điều khiển q trình 1.2 Các thành phần hệ thống ĐKQT 10 1.2.1 Cấu trúc HT ĐKQT 10 1.2.2 Các thành phần hệ điều khiển q trình 11 1.3 Vai trò bình mức chứa cấp chất lỏng điều khiển trình 15 1.4 Mục tiêu nghiên cứu: 18 1.5 Dự kiến kết đạt 18 1.6 Kết luận chương 18 CHƯƠNG 2:MƠ TẢ TỐN HỌCCHO ĐỐI TƯỢNG TÍCH PHÂN 19 QUÁN TÍNH BẬC HAI 2.1 Khái qt chung 19 2.2 Mơ tả tốn học cho thành phần hệ thống điều khiển trình 2.2.1 Cấu trúc hệ điều khiển trình 21 2.2.2.Thiết bị đo 21 2.2.3 Thiết bị chấp hành 24 2.2.4 Hàm truyền mơ hình 28 2.3 Hàm truyền hệ thống 36 2.4 Kết luận: 36 21 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨCĐỐI TƯỢNG TÍCH 37 PHÂNQUÁN TÍNH BẬC HAI 3.1 Giới thiệu chung 37 3.1.1 Bộ điều khiển PID 37 3.1.2 Chọn luật điều khiển PID: 40 3.2 Phương pháp tối ưu đối xứng 41 3.3 Thiết kế điều khiển mức cho lò 43 3.4 Kết luận chương 45 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG MATLAB – SIMULINK VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho đối tượng tích phân quán tính bậc hai 4.2 Đánh giá chất lượng hệ thống mô Matlab – Simulink 46 46 46 4.2.1 Cấu trúc mô phỏng: 46 4.2.2 Các kết mô phỏng: 47 4.3 Đánh giá chất lượng hệ thống thực nghiệm 47 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4.3.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển mức trung tâm thí nghiệm: 47 4.3.2 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm: 49 4.3.3 Các kết thực nghiệm: 53 4.3.4 So sánh với kết mô phỏng: 53 4.4 Kết luận chương 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 Kết luận: 55 Kiến nghị: 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ý NGHĨA CV Biến cần điều khiển SP Giá trị đặt MV Biến điều khiển ĐKQT HTĐKQT PID PLC/DCS CPU PS Điều khiển trình Hệ thống điều khiển q trình Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân Bộ điều khiển logic mờ/ Bộ điều khiển phân tán Khối xử lý trung tâm Khối nguồn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình vẽ Trang Hình 1.1: Quá loại trình phân biến trình Hình 1.2: Các thành phần hệ thống điều khiển trình 11 Hình 1.3: Sơ đồ khối vòng hệ thống điều khiển trình 11 12 Hình 1.5: Cấu trúc điều khiển phản hồi 13 14 Hình 1.7: Mơ hình tháp chưng cất hai thành phần 16 Hình 1.8: Bình chứa chất lỏng biến trình 17 Hình 2.1: Sơ đồ khối vòng hệ thống điều khiển trình 21 22 Hình 2.3: Một số hình ảnh thiết bị đo cơng nghiệp Số hóa Trung tâm Học liệu 23 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 2.4: Cấu trúc thiết bị chấp hành 25 25 ều khiển Hình 2.7: Sơ đồ khối lò nhà máy nhiệt điện 27 30 Hình 2.8: Đặc tính động mức nước bao thay đổi lưu lượng nước cấp Hình 2.9: Đặc tính động mức nướcbao theo lưu lượng nước cấp 32 33 Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID 37 Hình 3.2: Minh hoạ tư tưởng thiết kế điều khiển PID tối ưu đối xứng 41 Hình 3.3: Minh hoạ tư tưởng thiết kế điều khiển PID tối ưu đối xứng 43 Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển đối tượng tích phân quán tính bậc hai Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển đối tượng tích phân qn tính bậc hai Hình 4.2: Cấu trúc mô hệ thống điều khiển đối tượng tích phân qn tính bậc hai Hình 4.3: Kết mơ hệ thống điều khiển đối tượng tích phân qn tính bậc hai Hình 4.4: Mơ hình hệ thống điều khiển đối tượng tích phân quán tính bậc hai Hình 4.5: Giao diện hệ thống điều khiển đối tượng tích phân qn tính bậc hai Hình 4.6: Giao diện kết hệ thống điều khiển đối tượng tích phân qn tính bậc hai Hình 4.7: Kết hệ thống điều khiển đối tượng tích phân quán tính bậc hai Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 43 46 47 47 48 48 49 53 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận văn Các chi tiết khí hình thành sau qua ngun cơng cần thiết phải qua nhiệt luyện tăng bền bề mặt mạ điện để bảo vệ bề mặt đồng thời tăng độ thẩm mỹ công nghiệp,…trong dây chuyền mạ điện, dung dịch mạ điện đảm bảo mức bể chứa trì nhiệt độ dung dịch Số lượng bình chứa dung dịch trung gian sử dụng nhiều Như v Là học viên cao học K14TĐH đồng thời cán thuộc công ty TNHH Công nghệ COSMOS khu công nghiệp Khai Quang thành phố Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc: Chuyên sản xuất linh kiện xe máy (hiện phải thuê mạ điện bên ngoài), chủ trương tới lắp đặt thêm dây chuyền mạ Tôi nhận thấy rằng, dây chuyền có ứng dụng lý thuyết điều khiển q trình nhiều cơng đoạn sản xuất Về mặt mơ hình hóa lý thuyết hay gọi mơ tả tốn học bể mạ dây chuyền gọi khâu tích phân quán tính bậc hai.Tổng hợp điều khiển cho đối tượng tích phân – quán tính bậc hai bể dung dịch mạ ức nhiệt độ dung dịch cho toàn dây chuyền hoạt động nội dung cấp thiết đề tài Chính từ yêu cầu phục vụ sản xuất quan, lựa chọn đề tài:”Tổng hợp điều khiển cho đối tượng tích phân - quán tính bậc hai” Mục tiêu nghiên cứu - Từ cấu hình thực tế bể dung dịch dây chuyền, mơ hình hóa thành đối tượng tích phân - qn tính bậc hai, sở lập Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 51 lượng 1Máy tính hãng HP Kiểu CPU: Intel Pentium IV 3.0 GHZ/Bus 800MHz/Ram GB/ HDD 80 GB/ CD-RW 48X/ Lan 10/100M /Nguồn cấp 220VAC/50HZ Monitor: LCD 19” HP Trung Quốc 2Bộ điều khiển cho DCS, model PM851 bao gồm phụ kiện kèm sau: - PM851, CPU, units 52 - TP830, Baseplate, width=115mm, units - TK850, CEX-bus espansion cable - TB807, Modulebus terminator, units - Battery for memory backup (4943013-6), units ABB (PM856) Thụy Điển 3SB821 Battery Unit External DIN-rail mounted battery unit for long backup times including battery and connection cable TK821V020 Width=85mm Amount of Lithium=5,6g (0,18oz) use one SB821 for CPU 53 ABB Thụy Điển 4TK212 Tool cable RJ45 to Dsub-9 (female), length m ABBThụy Điển Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 52 5CI854AK01 Profibus-DP/V1 interface Package including: - CI854A, Communication Interface - TP854, Baseplate, width = 60mm Thụy Điển Thụy Điển Powwer Supply Device input 115/230V a.c swtich selectable, output 24V d.c, 5A COSEL Nhật 7CI801 ProfiBus FCI S800 communication interface including: pcs Power Supply Connector pcs TB807 Modulebus Terminator The basic systern software loaded in CI801 dose not support the following I/O modules DI830, DI831, DI885, DI880 and DO880 53 ABB (CI830) Thụy Điển 8AI810 Analog input 1x8 ch 0(4) 20mA, 10V, 12Bit, single ended 0,1%, Rated isol 50V Use Module Termination Unit TU810, TU812, TU814, TU830, TU835, TU838 ABB Thụy Điển 9AO810 Analog output 1x8 ch, 0(4) 200mA, 14bit, RLmax 500/950 Ohms, Rated isol 50V Use Module Termination Unit TU810, TU812, TU814, TU830 54 ABB Thụy Điển Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 53 10DI810 Digital input 24V d.c 2x8ch Rated insolation 50V use module Termination Unit TU810, TU812, TU814, TU830 ABB Thụy Điển 11DO820 Digital Output, Relay Normal open 8x1 ch, 24-230 V a.c 3A, cos phi>0.4, d.c 42W, Rated isol 250V Use Module Termination Unit TU811, TU831, TU836, TU837 ABB Thụy Điển 12TU830V1 Extended Module Termination Unit, MTU, 50V 2x16 signal terminals, rated isol 50V ABB Thụy Điển 10 54 13TU837V1 Extended Module Termination Unit, MTU, 250V 8x1 fused isol signals, 8x1 L terminals, 2x6 N terminals, rated isol 250V ABB Thụy Điển 14Inverter, single phase for phum, ghép nối với điều khiển sử dụng giao thức Profibus Telemecanique 15Các phụ kiện cần thiết phục vụ cho lắp đặt bao gồm cầu đấu, cáp điện, ghá lắp 16Thiết bị đo mức loại chênh áp dải đo - 1000mmH2O Môi chất: Nước 220 DEGC Endress & Hauser Đức 17 Thiết bị đo mức loại siêu âmEndress & Hauser 55 Đức Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 56 18 Thiết bị đo áp suấtEndress & Hauser Đức 19 Thiết bị đo nhiệt độEndress & Hauser Đức 20 Thiết bị đo lưu lượng kiểu từ tính.Endress & Hauser Đức 2101 gia nhiệt nước cấp sử dụng 01 gia nhiệt sinh dung điện 02 bơm ly tâm 01 Bình nước cấp 01 Bao áp lực max 10Bar Việt Nam 22Van điều khiển tuyến tính phục vụ cho việc điều khiển áp lực nhiệt độTrung Quốc 4.3.3 Các kết thực nghiệm: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 57 Hình 4.7: Kết hệ thống điều khiển đối tượng tích phân quán tính bậc hai 4.3.4 So sánh với kết mô phỏng: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 58 Kết mơ điều khiển đối tượng tích phân qn tính bậc hai hình 4.3 kết thực nghiệm hình 4.8 có thơng số tương tự lượng điều chỉnh, sai lệch tĩnh thời gian độ Như vậy, thông qua thực nghiệm mơ hình điều khiển đối tượng tích phân quán tính bậc hai trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp chứng tỏ mối liên hệ thực tiễn lý thuyết Qua đó, nâng cao nội dung kết cho luận văn tính ứng dụng vào thực tế 4.4 Kết luận chương Trong chương bốn luận văn thực nội dung chủ yêu sau đây: Dựa vào thiết kế điều khiển cho đối tượng tích phân quán tính bậc hai chương ba, tiến hành đánh giá kết tính tốn lý thuyết thơng qua mô Matlab – Simulink thực nghiệm Qua kết nêu thấy rằng: lý thuyết, mơ thực nghiệm điều khiển có sai khác thơng số Kp, KI, KD Do đó, cần tiếp tục hiệu chỉnh để phù hợp với thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Trong dây chuyền mạ điện nói riêng hệ điều khiển q trình nói chung việc sử dụng bình chứa trung gian (trong mạ điện gọi bể dung dịch vừa điều khiển mức vừa trì nhiệt độ) phần tử tất yếu dây chuyền Ở mơ hình hóa thành khâu tích phân – quán tính bậc hai Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng điều khiển trình cho đối tượng cụ thể khâu tích phân quán tính bậc hai Nhiệm vụ cụ thể Tổng hợp điều khiển cho đối tượng tích phân - quán tính bậc hai Kết luận văn đạt là: Thiết kế điều khiển cho đối tượng cụ thể khâu tích phân quán tính bậc hai điều khiển PID, tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mô thực nghiệm Qua đánh giá cho thấy khoảng cách tính tốn điều khiển lý thuyết thực tế, thông qua mô thực nghiệm ta xác định thông số điều khiển tương đối phù hợp với yêu cầu đối tượng Như vậy, nội dung luận văn hoàn toàn đáp ứng mục tiêu đặt Kiến nghị: Các nghiên cứu tính tốn lý thuyết trước luận văn thường kiểm chứng mô miền thời gian ảo.Ngày nay, trước yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo, luận văn tiến hành thí nghiệm đánh giá kết miền thời gian thực Do đa dạng đề tài, yêu cầu thiết bị nhà trường đáp ứng đầy đủ khó khăn Mặt khác, thời gian làm luận văn có tháng phải mua sắm thiết bị để xây dựng hệ thống điều khiển mà Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 60 dùng cho luận văn đầu tư lớn vượt khả học viên.Như vậy, hỗ trợ tạo điều kiện tối đa thiết bị Nhà trường to lớn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng, Điều khiển DCS cho nhà máy nhiệt điện đốt than, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2013 [2] Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng, Điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2010 [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2001 [4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi: “Điều chỉnh tự động truyền động điện” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [5] Nguyễn Phùng Quang: “Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [6] Nguyễn Mạnh Tùng, Nguyễn Như Hiển,:“Điều khiển logic PLC” NXB KH&KT, 20071 [7].B.G.Liptak (chủ biên); Process Control 3rd Edition; Chilton Book Co; 1996 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... thống điều khiển đối tượng tích phân qn tính bậc hai Hình 4.2: Cấu trúc mơ hệ thống điều khiển đối tượng tích phân quán tính bậc hai Hình 4.3: Kết mơ hệ thống điều khiển đối tượng tích phân quán tính. .. thiệu điều khiển trình giản đồ cơng nghệ cho đối tượng tích phân qn tính bậc hai; Chương 2: Mơ tả tốn học cho đối tượng tích phân quán tính bậc hai; Chương 3: Thiết kế điều khiểncho đối tượng tích. .. tích phân quán tính bậc hai Hình 4.4: Mơ hình hệ thống điều khiển đối tượng tích phân qn tính bậc hai Hình 4.5: Giao diện hệ thống điều khiển đối tượng tích phân quán tính bậc hai Hình 4.6: Giao