Hoàng thị yến Bộ giáo dục đào tạo Trường Đại học bách khoa hà nội -0B Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: tự động hóa tự động hóa Nghiên cứu Nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình 2006 - 2008 Hoàng thị yến Hà Nội 2008 Hà Néi 2008 1B BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA HỒNG THỊ YẾN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS BÙI QUỐC KHÁNH H NI 2008 LI CAM OAN Tôi Hoàng Thị Yến, học viên lớp cao học Tự động hóa niên khóa 20042006 Sau hai năm học tập nghiên cứu, giúp đỡ thày cô giáo đặc biệt PGS.TS Bùi Quốc Khánh, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp tôi, đà đến cuối chặng đường để kết thúc khoá học thạc sỹ Tôi đà định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình" Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu nhân hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh tham khảo tài liệu đà liệt kê Tôi không chép công trình nhân khác hình thức Nếu có xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Người cam đoan Hoàng Thị Yến MC LC LI CAM OAN MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ DK Q TRÌNH 12 1.1 Kh¸i niƯm hệ điều khiển trình 12 1.2 CÊu tróc chung cđa hƯ ®iỊu khiĨn trình 16 1.2.1 Cấu tróc: 16 1.2.2 Thiết bị đo: 16 1.2.3 Thiết bị điều khiển: 22 1.2.4 Thiết bị chấp hành: 22 1.3 Thiết bị chấp hành 24 1.3.1 Van ®iỊu khiĨn 24 1.3.2 B¬m 30 1.3.3 Qu¹t 35 1.4 Hệ số khuyếch đại tĩnh hệ điều khiển trình 38 1.4.1 Hệ số khuếch ®¹i tÜnh 38 1.4.2 Hệ số khuếch đại van 40 1.4.3 Sù thay đổi độ giảm áp 43 1.4.4 Hệ số khuếch đại trình 46 1.5 Phân loại trình 46 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC CÁC KHÂU CƠ BẢN CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 49 2.1 Động học mạch vòng điều chỉnh kín 49 2.2 §éng häc cđa kh©u cã thêi gian chÕt ( DEAD TIME) 51 2.2.1 Kh¸i niƯm 51 2.2.2 DÞch pha cđa kh©u Dead time 53 2.3 Động học cphần tử khâu tích lịy 54 2.3.1 Kh¸i niÖm: 54 2.3.2 Hệ thống hai khâu đệm 57 2.4 §iỊu khiĨn lu lỵng 59 2.5 Điều khiển áp suất 62 2.5.1 ¸p suÊt khÝ 63 2.5.2 áp suất nước 64 2.5.3 ¸p suÊt chÊt láng 64 2.6 Điều khiển nhiệt độ 65 2.6.1 Trun nhiƯt trùc tiÕp 66 2.6.2 Đặc tính trao đổi nhiệt không thay đổi pha 67 2.6.3 Điều khiển nhiệt độ có thông số không đổi 71 2.7 Điều khiÓn møc chÊt láng 73 CHƯƠNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 78 3.1 Đặc tính động hệ vấn đề yêu cầu tới điều chỉnh 78 3.1.1 Lượng đặt ysp 78 3.1.2 TÝn hiƯu t¶i q: 79 3.1.3 Nhiễu tác động 79 3.1.4 Yêu cầu hệ chế độ động 80 3.1.5 Vấn đề đánh giá chất lượng 81 3.1.6 Độ xác tĩnh hệ: 82 3.2 Ph©n tÝch điều chỉnh PID hệ điều khiển trình 86 3.2.1 Bộ điều chỉnh PID có hạn chế thành phần đạo hàm 86 3.2.2 Bộ điều khiển PI có hạn chế tích phân (HCTP) 86 3.2.3 Tác động qua lại chế độ điều khiển 88 3.2.4 Lùa chän bé ®iỊu khiĨn tèi u: 92 3.3 CÊu tróc ®iỊu khiển theo mô hình nội IMC 93 3.3.1 3.3.2 3.3.1 CÊu tróc ®iỊu khiĨn 93 Hàm truyền mạch vòng kín IMC ( IMC Closed Transfer Functions) 93 Tổng hợp điều khiển tương quan theo phương pháp IMC (Deriving Controller Tuning Correlations the IMC Method) 95 3.4 FEED FORWARD CONTROL 97 3.4.1 CÊu tróc ®iỊu khiÓn Feed Forward 97 3.4.2 ThiÕt kÕ ®iỊu khiĨn Feed forward 99 3.4.3 Lý thut ®iỊu khiĨn Feedforward 100 3.4.4 Khả điều khiển theo mô hình Feed Forward 101 CHƯƠNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 106 4.1 Khảo sát trình lò phản ứng có vỏ bọc (Exploring The Jacketed Reactor Process) 106 4.1.1 Mô tả chung: 106 4.1.2 Mô tả toán học 108 4.1.3 Xác định mức thiết kế 110 4.1.4 Xác định mô hình trình 110 4.1.5 Xác định mô hình nhiễu 111 4.2 Tổng hợp điều khiĨn pid cho lß jacketed 112 4.3 Tổng hợp điều khiển Feed forward cho lß jacketed 120 4.4 KÕt luËn 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CV Biến cần điều khiển Controlled Variable SP Giá trị đặt Set Point MV Biến điều khiển Manipulated Variable Sx Dải đo Sy Dải tín hiệu km Độ nhạy F Lưu lượng P Sụt áp van Cv HƯ sè cì van QO Më nhanh – Quick Open EP Phần trăm tương đương u Tín hiệu ®Çu bé ®iỊu khiĨn τ H»ng sè thêi gian k Hệ số khuyếch đại FC Van đóng an toàn FO Van mở an toàn Q Lưu lượng bơm H Cột áp bơm N Công suất bơm Hiệu suất p Độ gia tăng áp lực n Số vòng quay q Nhiễu tải u tín hiệu điều khiển e Sai lệch tín hiệu đặt tín hiệu thực ysp Đại lượng đặt quy ®ỉi thµnh tÝn hiƯu chn ®iƯn Kp HƯ sè khuch đại tĩnh trình gp Hệ số khuyếch đại động trình h Mức nước bể Khối lượng riêng môi chất Độ mở van m tín hiệu điều khiển van R Vùng làm viƯc cđa van v Lu tèc a HƯ sè lu lượng g Gia tốc trọng trường M Khối lượng quán tính hệ L Chiều dài ống P áp st T NhiƯt ®é tut ®èi DANH MỤC CÁC HèNH V V TH Hình 1-1 Quá trình phân loại biến trình 13 Hình 1-2 Hệ thống điều khiển trình 16 Hình 1-3 Cấu trúc thiết bị đo trình 17 Hình 1-4 Phạm vi đo dải đo 19 Hình 1-5 Đặc tính tĩnh thiết bị đo 21 Hình 1-6 Cấu trúc thiết bị chấp hành 23 Hình 1-7 Cấu trúc tiêu biểu van cầu khí nén 25 Hình 1-8 Quan hệ thành phần van điều khiển 29 Hình 1-9 Điều chỉnh tốc độ không đổi thay đổi lưu lượng cách thay đổi tải, thay đổi tốc độ thay đổi lưu lượng tải không đổi 33 Hình 1-10 Đường đồng hiệu suất 35 Hình 1-11 Cấu tạo quạt ly tâm 36 Hình 1-12 Đặc tuyến quạt ly tâm 37 Hình 1-13 Cấu tạo quạt hướng trục 37 Hình 1-14 Đặc tuyến quạt hướng trục 38 Hình 1-15 Đặc tính vào cấu đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh áp39 Hình 1-16 Quan hệ f(m) 41 Hình 1-17 Tuyến tính hoá đặc tính điều khiển van 41 Hình 1-18 Đặc tính chia với hệ số điều chỉnh z khác 42 Hình 1-19 Đặc tính van tuyến tính bị biến dạng thay đổi độ giảm áp 44 Hình 1-20 Đặc tính van cân 45 Hình 1-21 Cấu trúc điều khiển trình đơn biến (SISO) 47 Hình 1-22 Cấu trúc điều khiển trình đa biến (MIMO) 47 Hình 2-1 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh đơn 49 Hình 2-2 Hiện tượng dao động mạch vòng điều chỉnh 50 Hình 2-3 Mô tả đặc trưng khâu có thời gian chết 52 Hình 2-4 Dịch pha tín hiệu thời gian chết gây nên 53 Hình 2-5 Nguyên lý điều chỉnh mức nước 54 Hình 2-6 Đáp ứng động đối tượng 55 Hình 2-7 Đáp ứng động đối tượng 57 Hình 2-8 Phần tử có hai khâu tích luỹ 57 Hình 2-9 Đáp ứng hệ có hai khâu đệm 59 Hình 2-10 Cấu trúc điều khiển áp suất dung dịch 65 Hình 2-11 Đặc tính nhiệt độ truyền nhiệt trực tiếp 67 Hình 2-12 Truyền nhiệt nước nóng nước lạnh 68 Hình 2-13 Đặc tính điều khiển nhiệt độ nước lạnh 69 Hình 2-14 Đặc tính điều khiển nhiệt độ nước lạnh theo lưu lượng nước nóng 70 Hình 2-15 Điều khiển nhiệt độ làm mát lò phản ứng hoá học 71 Hình 2-16 Mô tả tượng dao ®éng céng hëng 74 H×nh 3-1 CÊu tróc chung hƯ điều chỉnh 78 Hình 3-2 Đáp ứng điều chỉnh 80 Hình 3-4 Sai lệch e lượng đặt ysp = t với cấp vô sai G0 khác 84 a/ G0 v« sai cÊp 2; b/ G0 v« sai cấp 1; c/ G0 vô sai cấp Hình 3-5 Cấu trúc điều khiển bù bắt biến theo lượng đặt 84 85 Hình 3-6 Hoạt động tích phân thu nhờ phản hồi dương từ đầu điều khiển qua trễ I 87 Hình 3-8 Đặc tính ®éng hƯ sư dơng PI cã giíi h¹n tÝch phân 88 Hình 3-9 Tổng vectơ tỷ lệ, đạo hàm, tích phân 89 Hình 3-10 CÊu tróc bé ®iỊu khiĨn PID ë hai chÕ ®é 92 a/ Bộ điều khiển PID tương tác 92 b/ Bộ điều khiển PID có tương tác 92 Hình 3-11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển trình theo mô hình nội 93 ... 1: Tổng quan hệ điều khiển trình Chương 2: Động học khâu điều khiển trình Chương 3: Cấu trúc điều khiển hệ điều khiển trình Chương 4: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình Để hoàn... nghệ ta có điều khiển nồng độ, điều khiển phản ứng, điều khiển chất lượng 16 Về điều khiển ta có điều khiển trình cho đại lượng vật lý riêng điều khiển nhiệt độ, điều khiển lưu lượng, điều khiển. .. thiên trình điểm đặt Vì việc nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình vấn đề vô quan trọng đặt cho nhà máy công nghiệp Trong phạm vi luận văn với đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển