BÀI TẬP LỚN : Lý thuyết điều khiển tự động hóa quá trình nhiệt
Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 1 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên. Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 Bài tập lớn lý thuyết điều khiển tự động hoá quá trình nhiệt. Có bộ trao đổi nhiệt cung cấp nước nóng liên tục cho hộ tiêu thụ (hình 1) với các thông số công nghệ như sau: + H Mức nước trong bình trao đổi nhiệt, [m ]; + - Nhiệt độ nước đầu ra,[0C], + 1 - Độ mở van V1 điều chỉnh nước cấp đầu vào; + q1 Lưu lượng nước cấp đầu vào; + 2 - Độ mở van V2 điều chỉnh nước cấp đầu vào; + q2 Lưu lượng môi chất cấp nhiệt vào bình gia nhiệt; + qr Lưu lượng nước ra khỏi bình gia nhiệt đến hộ tiêu thụ; Các thông số ở trạng thái cân bằng : H0, 0,10, 20, q10, q20, qr0=qt0 . R1 R2 V1 q1 q2 2 1 H H0 qr ,[0C] V2 Hình 1. Bộ trao đổi nhiệt cung cấp nước nóng cho hộ tiêu thụ. Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 2 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên. Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 q1[m3/h] q2[m3/h] H,[m] ,[0C] Hình 2. Đặc tính của van V1 Hình 3. Đặc tính của van V2 Hình 5. Đặc tính quá độ của đối tượng 011: q1 H T, phút T, phút 2 4 6 75 25 50 75 30 20 10 2,[%] 1,[%] 50 25 0,75 0,25 0,50 7,5 5,0 2,5 0,3 0,2 0,1 6 4 2 Hình 4. Đặc tính quá độ của đối tượng 022 : q2= V1 V2 H0 0 1 2 H q1 q2 1 2 011 021 022 Hình 6. Hệ thống điều chỉnh Bộ trao đổi nhiệt hai chiều. Bình nhiệt có hai đối tượng trên kênh thẳng:011,022 và trên một kênh liên hệ chéo: 021. R2 R1 (-) (-) Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 3 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên. Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 Nhiệm vụ : 1. Xác định mô hình đối tượng điều chỉnh nhiệt độ 011. 2. Xác định mô hình đối tượng điều chỉnh nhiệt độ 022. 3. Xác định bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R1 cho vòng điều chỉnh mức nước. 4. Xác định bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R2 cho vòng điều chỉnh nhiệt độ. 5. Đánh giá chất lượng điều chỉnh của hai hệ thống trên với đối tượng cơ sở. 6. Xác dịnh độ bất định của hai đối tượng trên, nếu độ mở của các van điều chỉnh luôn luôn thay đổi trong khoảng 1 = 10% 50%, 2 = 25% 75%. 7. Vẽ các đặc tính mềm của các vòng điều chỉnh để kiểm tra dự trữ ổn định trong các trường hợp đối tượng cơ sở và trường hợp đối tượng bất định. Với dữ liệu đầu vào như sau : 1 = 60%, 2 = 20%, 1 = 1,5, 2 = 0,2. Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 4 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên. Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 Bài làm : Đây là bộ trao đổi nhiệt cung cấp nước nóng liên tục cho hộ tiêu thụ. Hệ thống này có thể chia làm 2 vòng điều khiển riêng biệt : - Vòng điều khiển mức nước: đối tượng điều chỉnh là kênh thẳng 011. - Vòng điều khiển nhiệt độ : đối tượng điều chỉnh là kênh thẳng 022. Hai vòng điều khiển này liên hệ nhau bằng kênh liên hệ chéo 021. Từ phân tích trên ta có thể có sơ đồ hệ thống của bộ trao đổi nhiệt cung cấp nước nóng liên tục cho hộ tiêu thụ trên như sau : Sơ đồ hệ thống tương đương của bộ trao đổi nhiệt hai chiều. Nhìn vào sơ đồ hệ thống ta có : O1(S) = WV1(S).O11(S) và O1(S) = WV2(S).O22(S) Do hai van V1 và V2 là hai khâu có tốc độ đáp ứng nhanh vượt trội hơn hẳn so với hai khâu O11(S) và O22(S) nên ta có thể coi hai khâu V1 và V2 là hai khâu tỷ lệ do đó : WV1(S) = KV1 và WV2(S) = KV2 trong đó KV1 và KV2 được xác định bằng hệ số góc tiếp tuyến tại giá trị ứng với độ mở của van trên đồ thị đặc tính của các van tương ứng. Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 5 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên. Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 1. Xác định mô hình đối tượng điều chỉnh mức nước O11 : Ta có sơ đồ hệ thống của khâu điều chỉnh mức nước như sau : Ta nhận thấy đặc tính quá độ của đối tượng O11 có dạng của một đối tượng tích phân có quán tính và có trễ. Do đó mô hình của đối tượng có dạng như sau : 1.s111111KO (s) .es(1 T s), nhiệm vụ của ta là cần đi xác định các đại lượng sau : K11, T11 và 1. Từ đồ thị đặc tính quá độ của khâu O11 ta xác định được các giá trị trên như sau : + Thời gian trễ : 1 = 0,982 phút. + Hằng số quán tính : T11 = 0,80. + Hệ số truyền : 1110,15tg2K 0,05.1,5 Do đó mô hình của đối tương O11 là : 0,982.s110,05O (s) .e .s(0,8s 1) Xác định mô hình O11(s) Từ đồ thị về đặc tính của van V1 ta xác định được KV1 như sau : Ta có : 3V10,165K tg 4, 28.1038,5 Từ đây ta có mô hình của đối tượng O1(s) như sau 3 0,982.s1 V1 1130,982.s10,05O (s) K .O (s) 4,28.10 . .es(1 0,8s)0,214.10O (s) .es(1 0,8s) Xác định KV1 Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 6 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên. Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 Như vậy khâu O1 gồm van V1 và khâu O11 mắc nối tiếp với nhau và có hàm truyền như sau : 30,982.s10,214.10O (s) .es(1 0,8s) 2. Xác định mô hình đối tượng điều chỉnh nhiệt độ nước ra O22(s) : Ta có sơ đồ hệ thống của khâu điều chỉnh nhiệt độ nước ra như sau : Ta có thể coi tín hiệu của q1 là nhiễu ảnh hưởng đến O2. Từ đồ thị đặc tính quá độ của khâu O22(s) ta nhận thấy đối tượng O22 là một khâu quán tính bậc hai có trễ. Mô hình của đối tượng O22 có dạng : 2.s22221 2KO (s) .e(1 T .s)(1 T .s) Ta cần xác định các giá trị K22, T1, T2 và thời gian trễ 2. Từ đồ thị đặc tính quá độ ta có : + Giá trị xác lập () = 80C. + Hằng số quán tính biểu trưng Ta =17,48ph. + Tọa độ điểm uốn U(tU; U) = U(14,75; 3,27) Do đó ta có tung độ tương đối của điểm uốn là g = U/() = 3,27/8 = 0,40875 > gmax (với gmax = 1- 2e-1 = 0,26424), nên : Xác định mô hình O22 Với = g - gmax = 0,40875 - 0,26424 =0,1445. Nên : T1 = T2 = Ta.(1- 0,8)/e = 17,48.(1- 0,8.0,1445)/e = 5,68 phút. Thời gian trễ 2 = tU - Ta(1+ 2,4)/e = 14,75 - 17,48.(1+ 2,4.0,1445)/e = 6,08phút. Hệ số truyền của mô hình là 222( ) 8K 400,2 . Thay tất cả các giá trị vừa tìm được vào biểu thức mô hình của đối tượng O22 ta có : Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 7 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên. Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 Mô hình của đối tượng điều chỉnh nhiệt độ O22 là : 6,08.s22240.eO (s)(1 5,68.s). Từ đồ thị đặc tính của van V2 ta xác định được KV2 như sau : Từ các giá trị xác định đươc ta có : V22,73K tg 0,109225 . Do vậy khâu O2(s) có hàm truyền là : 2 v2 226,08.s6,08.s22 2O (s) K .O (s)40.e 4,368O (s) 0,1092. .e(1 5,68s) (1 5,68s) Xác định KV2 3. Xác định bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R1 cho vòng điều chỉnh mức nước : Từ mô hình hàm truyền của khâu O1(s) ta có mô hình của bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R1 cho vòng điều chỉnh mức nước là : * 11 PT(1)11R (s) .O (s).s. Trong đó ta có thể lấy chỉ số tắt dần = 0,9 chỉ số dao động 1 1 1 1m .ln( ) .ln( ) 0,3672 1 2 1 0,9 . Thay vào biểu thức để tìm hằng số thời gian K như sau : m.[ arctg(m)]22eK[ arctg(m)] 1 m2 , thay vào ta có K= 1,203 do đó K . 1,203. . Với mô hình hàm truyền 30,982.s10,214.10O (s) .es(1 0,8s) , ta có 1PT(1)3s.(1 0,8s)O (s)0,214.10 Thay vào với 1 = 0,982 ph * 3131 s.(1 0,8s)R (s) . 3,95.10 .(1 0,8s)1,203.0,982.s 0,214.10 , vậy bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R1 cho vòng điều chỉnh mức nước là : * 31R (s) 3,95.10 .(1 0,8s) . Sử dụng CASCAD với lệnh HighRobust cho đối tượng R1 ta cũng nhận được kết quả tương tự : b0 = 3.95E+3; b1 = 0.8; T = 0. Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 8 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên. Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 4/ Xác định bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R2 cho vòng điều chỉnh nhiệt độ : Làm tương tự như đối với bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R1 ta có : * 12 PT(2)21R (s) .O (s).s Thay 2 21,203. , và 21PT(2)(1 5,68s)O (s)4,368 2 2* 321 (1 5,68s) (1 5,68s)R (s) . 31,30.10 .1,203.6,08.s 4,368 s ta có bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R2 cho vòng điều chỉnh nhiệt độ cần tìm là : 2* 32(1 5,68s)R (s) 31,30.10 .s . Sử dụng CASCAD với lệnh HighRobust cho đối tượng R2 ta cũng nhận được kết quả tương tự : R(B,1,2,0) : b0 = 0.031; b1 = 5.68; b2 = 5.68. (Giá trị b0 = 0.031 là do CASCAD làm tròn giá trị 31,30.10-3 ). Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 9 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên. Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 5. Đánh giá chất lượng điều chỉnh của hai hệ thống trên với đối tượng cơ sở : Sử dụng CASCAD để vẽ các đặc tính của hệ thống : 5.1 Đánh giá chất lượng của hệ thống điều chỉnh mức nước : Ta có đồ thị đáp ứng thời gian và đặc tính tần số biên độ của hệ thống điều chỉnh mức nước H với tín hiệu đầu vào là xung bậc thang như sau : Đồ thị đáp ứng thời gian của vòng điều chỉnh mức nước, với xung vào là đơn vị Và đặc tính tần số biên độ Trên đồ thị đặc tính đáp ứng thời gian của hệ thống điều khiển mức nước với tín hiệu vào là xung bậc thang ta có chất lượng của hệ thống được đánh giá qua các chỉ số sau : Thời gian điều chỉnh TX = 6,5 (s). Chỉ tiêu tích phân bậc 2 : 220J (t).dt 1,52. Độ quá điều chỉnh (độ vượt trên giá trị điều khiển cần thiết) : 0,34. Hệ số tắt dần = 0,9. Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 10 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên. Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 Đánh giá chất lượng của bộ điều chỉnh nhiệt độ : Ta có đồ thị vẽ đặc tính thời gian và đặc tính tần số biên độ của hệ thống điều chỉnh nhiệt độ như sau : Đồ thị đặc tính đáp ứng thời gian của vòng điều chỉnh nhiệt độ, với xung vào là đơn vị Và đặc tính tần số biên độ Trên đồ thị đặc tính đáp ứng thời gian của hệ thống điều khiển mức nước với tín hiệu vào là xung bậc thang ta có chất lượng của hệ thống được đánh giá qua các chỉ số sau : Thời gian điều chỉnh TX = 39,69 (s). Chỉ tiêu tích phân bậc 2 : 220J (t).dt 9,44. Độ quá điều chỉnh (độ vượt trên giá trị điều khiển cần thiết) : 0,34. Hệ số tắt dần : = 0,9. [...]...Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 11 Ngoài ra đối với vòng điều chỉnh nhiệt độ thì ngoài có tác động điều chỉnh của tín hiệu vào là 0 ta còn có hệ thống còn chịu ảnh hưởng từ q1 qua bộ truyền O21 (với O21 coi gần đúng bằng 1), ta coi sự ảnh hưởng này là nhiễu từ bên ngoài tác động vào, nên ta cần sử dụng đặc tính đáp ứng thời gian... các yêu cầu về điều chỉnh Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 12 6 Xác định độ bất định của hai đối tượng trên, nếu độ mở van của các van điều chỉnh luôn luôn thay đổi trong khoảng 1 = 50% 70% và 2 = 10% 30% * 6.1 Xác định độ bất định của đối tượng điều chỉnh mức nước : Ta có với van điều chỉnh V1... thì hệ thống trên có dự trữ ổn định Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 14 * Ta có đồ thị đặc tính mềm của hệ hở ứng với vòng điều chỉnh nhiệt độ như sau : Nhìn vào đồ thị đặc tính mềm của hệ hở của vòng điều chỉnh nhiệt độ ta thấy đường cong này không bao điểm tới hạn (-1 ; j.0) nên theo tiêu chuẩn... tượng điều chỉnh nhiệt độ : Ta có với van điều chỉnh V2 thay đổi trong khoảng 10% 30% thì giá trị của hệ số KV2 thay đổi trong khoảng KV2(min) KV2(Max) như trên hình vẽ sau : Làm tương tự như đối với van V1 ta cũng xác định được hệ số K V 2(tb) K V 2(max) K V 2(min) 2 K V 2(tb) 0,034 Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa. .. thời gian của vòng điều chỉnh nhiệt độ dưới tác động nhiễu Và đặc tính tần số biên độ Ta nhận thấy trong vòng điều chỉnh nhiệt độ thì sau khoảng thời gian tác động của tín hiệu vào 0 là 39,69(s) thì dao động ảnh hưởng do nhiễu cũng bị dập tắt gần như hoàn toàn nên hệ thống này có bộ điều chỉnh có thể khử nhiễu chất lượng khá tốt Như vậy : Đối với cả hai vòng điều chỉnh mức nước và nhiệt độ thì chất... Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt Trang 13 7 Vẽ các đặc tính mềm của các vòng điều chỉnh để kiểm tra dự trữ ổn định trong các trường hợp đối tượng cơ sở và trường hợp đối tượng bất định : 7.1 Với trường hợp đối tượng cơ sở : * Ta có đồ thị đặc tính mềm của hệ hở ứng với vòng điều chỉnh mức nước như sau : Nhìn vào đồ thị đặc tính mềm của hệ hở của vòng điều chỉnh mức nước ta thấy đường... đường cong này không bao điểm tới hạn (-1 ; j.0) nên theo tiêu chuẩn Nyquist thì hệ thống trên có dự trữ ổn định 7.2 Với trường hợp đối tượng bất định : Sinh viên : Đặng Hồng Chuyên Lớp : Máy & Thiết bị Nhiệt Lạnh 02 - K50 . quá điều chỉnh (độ vượt trên giá trị điều khiển cần thiết) : 0,34. Hệ số tắt dần = 0,9. Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình Nhiệt. Độ quá điều chỉnh (độ vượt trên giá trị điều khiển cần thiết) : 0,34. Hệ số tắt dần : = 0,9. Bài tập lớn : Lý Thuyết điều khiển tự động hóa quá trình