Đáp án đề thi Điều khiển quá trình (Đề số 1) - ĐH Sư phạm Kỹ thuật

Đáp án đề thi Điều khiển quá trình gồm 3 bài tập kèm đáp án nhằm giúp người học ôn tập và củng cố kiến thức, giúp cho các bạn sinh viên nắm bắt được cấu trúc đề thi, dạng đề thi chính để có kế hoạch ôn thi một cách tốt hơn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ĐÁP ÁN ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Mã mơn học: PCTR421929 Đề số: 01;Ngày thi: 31/12/2015 Thời gian: 60 phút Được phép sử dụng tài liệu Bài 1: (3đ) Cho hệ bồn chứa như hình vẽ w1,   w2    lưu   lượng   hai   dòng   lỏng   vào  [m3/s] w3 là lưu lượng dòng lỏng ra [m3/s], biết w3  tỉ  lệ  với căn bậc hai chiều cao mức chất  lỏng trong bồn bởi hằng số Cv h là chiều cao chất lỏng trong bồn [m] Diện tích mặt cắt ngang của bồn chứa A =  2 [m2], khối lượng riêng của chất lỏng là ρ  = 500 [kg/m3] h a Viết   phương   trình   động   học   cho  mức   chất   lỏng     bồn?   Viết  w3 phương   trình     trạng   thái   ổn   định  mức? Biết tại trạng thái ổn định, w1 ­ 3 = 1.2 [m /s], w2=0.6 [m /s], h = 1.44 [m]. Tìm Cv (ghi rõ đơn vị)? (1đ) b Tìm hàm truyền mơ tả mối quan hệ giữa sự thay đổi của chiều cao mức chất lỏng   quanh trạng thái  ổn định với sự  thay đổi của lưu lượng vào quanh giá trị   ổn định   (1đ) c Một kỹ  sư sử dụng bộ  điều khiển feedback để  duy trì mức chất lỏng tại mức  ổn  định. Hãy tự chọn biến điều khiển, nhiễu quá trình và vẽ lưu đồ P&ID của hệ? (1đ) w2 w1 Đáp án: a Sử dụng định luật cân bằng khối: dh ρ A = ρ w1 + ρ w − ρ w   dt dh � A = w + w − Cv h dt dh � A + Cv h = w + w dt Tại trạng thái ổn định: w1s + w s − Cv hs = � Cv = w1s + w s 1.2 + 0.6 = = 1.5[m 2.5 / s] hs 1.44 b Sử dụng pt (2.60) slide bài giảng, ta có hàm truyền hs Cv H (s) K G (s) = = = = F ( s ) As + Cv τ s +1 A hs s +1 hs Cv Số hiệu: BM1/QT­PĐBCL­RĐTV (0.5) (0.5) (0.5) K= hs Cv = 1.44 = 1.6 1.5 A hs 2.2 1.44 = = 3.2[s ] Cv 1.5 c MV: w2 (có thể chọn w1) CV: h DV: w3 τ= (0.5) w2 LT LRC h SP w3 Bài 2: (4đ) Một q trình bao gồm cả  cảm biến và van điều khiển có thể  được mơ hình   hóa bởi hàm truyền bậc 3 như sau: 12                              G ( s) =   (8s + 1)(2s + 1)(0.2 s + 1) a. Xấp xỉ hàm truyền về dạng khâu qn tính bậc 1 có trễ sử dụng quy tắc Skogestad b. Sử dụng mơ hình xấp xỉ của câu a với bộ điều điều khiển tỉ lệ Gc(s) = Kc. Tìm điều  kiện của Kc để hệ kín ổn định? c. Chọn Kc = 0.8, tính offset của hệ khi tín hiệu vào thay đổi nấc đơn vị? d. Để khử offset khi tín hiệu vào thay đổi nấc, các kỹ sư đã sử dụng bộ điều khiển PI.  Tìm các thơng số của bộ điều khiển bằng phương pháp trực tiếp (Direct Synthesis), biết  hằng số thời gian của hệ kín  τ c  = 0.8 (s) Đáp án: a Khâu qn tính bậc 1 có trễ có dạng: K −θ s G(s) = e τ s +1 Sử dụng quy tắc Skogestad, ta có: K = 12 τ = 8+ 2/ = 9  θ = 0.2 + / = 1.2   12 −1.2 s � G ( s) = e 9s + b Phương trình đặc trưng của hệ kín: + Gc ( s )G ( s ) =   12e −1.2 s =0 9s + Số hiệu: BM1/QT­PĐBCL­RĐTV + Kc Sử dụng xấp xỉ Padé 1/1:  e −1.2 s − 0.6s   + 0.6 s 12 − 0.6s =0 9s + 11 + 0.6s � 5.4 s + (9.6 − 7.2 K c ) s + 12 K c + = Để hệ kín ổn định: 9.6 − 7.2 K c > 12 K c + > � + Kc � −1/12 < K c < 1.333 c Kc = 0.8 Sử dụng pt 4.28 trong slide bài giảng, ta có: ∆Ysp    offset =    K OL + ∆Ysp =   K OL = K c K m K v K p = 0.8.12 = 9.6 = 0.094 9.6 + d Hàm truyền của bộ điều khiển PI: Gc ( s) = K c (1 + )  τIs Sử dụng pt 4.44 trong slide bài giảng, ta có: τI =τ =   τ Kc = = = 0.375   K (τ c + θ ) 12(0.8 + 1.2) Bài 3: (3đ) The figure illustrates the characteristic of three types of temperature sensor a Describe   briefly   the  differences   between  these types? b According   to   your  opinion,   when  engineers   need   to  control   temperature  with   high   precision,  which   kind   of   sensor  should   be   chosen?  Explain? � offset =  (SV có thể trả lời bằng tiếng Việt) Đáp án:  a Các ý chính sau: Thermocouple:  ­ Cấu tạo gồm 2 mối nối của 2 dây kim loại khác nhau. Một đầu   giữ ở nhiệt độ cố định, đầu còn lại sử dụng để đo Số hiệu: BM1/QT­PĐBCL­RĐTV ­ ­ ­ RTD: ­ ­ ­ Thermistor: ­ ­ ­ Sử dụng hiệu ứng Seebeck Tầm đo và độ nhạy phụ thuộc vào cặp kim loại, phổ biến loại K  (Chromel/Alumel) Trả về điện áp khi nhiệt độ thay đổi Cấu   tạo   gồm   dây   kim   loại   mảnh   quấn   xung   quanh   lõi   gốm  (ceramic) hoặc thủy tinh (glass) Kim loại dùng làm cảm biến là ngun chất, điển hình: Platinum  (Pt), Nickel (Ni) và Copper (Cu). Phổ biến là Pt (Pt100, Pt200…) Hoạt động trên ngun lý là điện trở  thay đổi theo nhiệt độ. Do   đó trả về điện trở khi nhiệt độ thay đổi Sử dụng vật liệu bán dẫn, đo sự thay đổi của điện trở theo nhiệt   độ Có độ  nhạy cao (gấp 100 lần so với RTD và 1000 lần so với  thermocouple). Do đó có khả năng phát hiện sự thay đổi nhiệt độ  rất nhỏ Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ có tính phi tuyến cao b Dựa vào đồ  thị: khi cần điều khiển nhiệt độ  với độ  chính xác cao các kỹ  sư  nên  dùng thermistor Giải thích: đường đặc tính cho thấy độ nhạy rất cao của thermistor, nên nó có thể  phát hiện sự thay đổi nhiệt độ  rất nhỏ thích hợp cho điều khiển chính xác. Hơn  nữa, tốc độ thay đổi nhanh khi nhiệt độ thay đổi rất thấp GV. Võ Lâm Chương Số hiệu: BM1/QT­PĐBCL­RĐTV ... d. Để khử offset khi tín hiệu vào thay đổi nấc, các? ?kỹ? ?sư? ?đã sử dụng bộ? ?điều? ?khiển? ?PI.  Tìm các thơng? ?số? ?của bộ? ?điều? ?khiển? ?bằng phương pháp trực tiếp (Direct Synthesis), biết  hằng? ?số? ?thời gian của hệ kín  τ c  = 0.8 (s) Đáp? ?án: a Khâu qn tính bậc 1 có trễ có dạng:... (8s + 1)( 2s + 1)( 0.2 s + 1) a. Xấp xỉ hàm truyền về dạng khâu qn tính bậc 1 có trễ sử dụng quy tắc Skogestad b. Sử dụng mơ hình xấp xỉ của câu a với bộ? ?điều? ?điều? ?khiển? ?tỉ lệ Gc(s) = Kc. Tìm? ?điều? ?... 1.44 = = 3.2[s ] Cv 1.5 c MV: w2 (có thể chọn w1) CV: h DV: w3 τ= (0.5) w2 LT LRC h SP w3 Bài 2: (4đ) Một q? ?trình? ?bao gồm cả  cảm biến và van? ?điều? ?khiển? ?có thể  được mơ hình   hóa bởi hàm truyền bậc 3 như sau: