Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình

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 Hµ 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 KHNH 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 ĐOAN 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 niệm hệ điều khiển trình 12 1.2 CÊu tróc chung cđa hƯ ®iỊu khiển trình 16 1.2.1 CÊu 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 đại tĩnh 38 1.4.2 Hệ số khuếch đại van 40 1.4.3 Sự thay đổi độ giảm áp 43 1.4.4 HÖ sè khuÕch 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 kÝn 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 tÝch lòy 54 2.3.1 Kh¸i niƯm: 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 §iỊu khiĨn nhiƯt ®é 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 §iỊu khiĨn 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 VÊn ®Ị đánh giá chất lượng 81 3.1.6 Độ xác tĩnh hệ: 82 3.2 Ph©n tích 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 điều khiển theo mô hình nội IMC 93 3.3.1 3.3.2 3.3.1 CÊu tróc ®iỊu khiÓn 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 khiĨn 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 Kh¶ 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 häc 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 Tỉng hỵp bé ®iỊu 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 TT 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 trªn van Cv HƯ sè cì van QO Më nhanh Quick Open EP Phần trăm tương đương u Tín hiệu đầu điều khiển Hằng số thời 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 đổi thành tín hiệu chuẩn điện Kp Hệ số khuyếch đại tĩnh trình gp Hệ số khuyếch đại động trình h Mức nước bể Khối lượng riêng môi chất Độ mở van m tÝn hiƯu ®iỊu khiĨn cđa van R Vïng lµm viƯc cđa van v L­u tèc a HƯ sè l­u l­ỵng g Gia tèc träng tr­êng M Khèi l­ỵng quán tính hệ L Chiều dài ống P ¸p st T NhiƯt ®é tut ®èi DANH MỤC CC 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 động cộng hưởng 74 Hình 3-1 Cấu trúc chung hệ 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 cÊp 1; c/ G0 v« sai cÊp 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 động hệ sử dụng PI có giới hạn tích 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 độ 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 93 115 (𝑠𝑠) = 𝐾𝐾𝐶𝐶 �1 + 1+𝜏𝜏𝐷𝐷 𝑠𝑠 � 𝜏𝜏1 (1+ ) (4.18) So sánh công thức ta nhận điều khiển PID tương tác có điều khiển điều chỉnh tương quan có lọc ta đặt: = ( + ) τ1 = τP ;𝜏𝜏𝐷𝐷 = α= 𝜃𝜃𝑃𝑃 𝜏𝜏𝐶𝐶 + C: lớn 0.1P 0.8P tương øng 0.1*1.58 hc 0.8*0.88 = 0.75 Thay thÕ Kp , τP , θp vµo (4.18) ta cã: τC = 0.75 τ1 = τP = 1.58 τD = 0.44 KC = -2.69 α = 0.46 Ta cã hàm truyền điều khiển: () = 2.69 + 𝐺𝐺𝐶𝐶 (𝑠𝑠) = −2.69 �1 + 1.58𝑠𝑠 1.58𝑠𝑠 1+0.44𝑠𝑠 � (1+0.46∗0.44𝑠𝑠) 1+0.44𝑠𝑠 � (1+0.2𝑠𝑠) (4.19) (4.20) Ta có sơ đồ khối cấu trúc điều khiển PID loại bỏ nhiễu mạch vòng đơn lò phản ứng hình 4-5 116 Nhiễu Ysp(s) + E(s) + GC (s) - U(s) Bé ®iỊu khiĨn GP (s) Y(s) Quá trình Y(s) Hình 4-5: Sơ đồ khối cấu trúc ®iỊu khiĨn PID T­¬ng øng ta cã cÊu tróc ®iỊu khiĨn: NhiƠu Ysp (s) E(s) + + -2.69 1+ - 1.58s 1+0.44s 1+0.2s U(s) -0.88s -0.36*e 1.58s + Bộ điều khiển Y(s) Quá trình Y(s) Hình 4-6: Cấu trúc điều khiển PID Mô hình mô cấu trúc điều khiển PID cho lò phản ứng jacket thể hình 4-7 Hình 4-7: Mô hình mô cấu trúc điều khiển PID 117 ã Mô khối: Lò phản ứng: Tham số khâu trễ: Bộ điều khiển PID: Khâu khuyếch đại: 118 Kết mô thể hình 4-8 119 Hình 4-8: Kết mô cấu trúc điều khiển PID 120 4.3 Tổng hợp điều khiển Feed forward cho lò jacketed Để xây dựng điều khiển Feed Forward, nhiệt độ chất làm mát lò phản ứng (nhiễu) đo hình 4-9 Tín hiệu từ cảm biến đo nhiệt độ nhiễu gửi đến thành phần Feed Forward bao gồm mô hình trình mô hình nhiễu Hình 4-9 Sơ đồ mô tả công nghệ điều khiển Feed Forward lò phản ứng dùng Sensor quan sát nhiễu Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển Feedforward loại trừ nhiễu cho lò phản ứng jacketed thể hình 4-10 121 Hình 4-10: Sơ ®å khèi cÊu tróc ®iỊu khiĨn Feedforward Sư dơng m« hình trình nhiễu có dạng FOPDT ta có: −0.36𝑒𝑒 −0.88𝑠𝑠 𝐾𝐾𝑃𝑃 𝑒𝑒 −𝜃𝜃𝑃𝑃𝑠𝑠 = 𝐺𝐺𝑃𝑃 (𝑠𝑠) = 𝜏𝜏𝑃𝑃 𝑠𝑠 + 1.58𝑠𝑠 + Ta cã 0.95𝑒𝑒 −1.3𝑠𝑠 𝐾𝐾𝐷𝐷 𝑒𝑒 −𝜃𝜃𝐷𝐷 𝑠𝑠 = 𝐺𝐺𝐷𝐷 (𝑠𝑠) = 𝜏𝜏𝐷𝐷 𝑠𝑠 + 1.92𝑠𝑠 + Ufeedforwad = [ GD(s)/GP(s)]D(s) Khi mô hình trình có dạng FO FOPDT U(s) đầu phần tử Feed Forwarrd sau: 𝑈𝑈𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 (𝑠𝑠) = �� 𝐾𝐾𝐷𝐷 �𝜏𝜏𝑝𝑝 𝑠𝑠 + 1� −�𝜃𝜃 −𝜃𝜃 �𝑠𝑠 �� � 𝑒𝑒 𝐷𝐷 𝑝𝑝 � 𝐷𝐷(𝑠𝑠) 𝜏𝜏𝐷𝐷 𝑠𝑠 + 𝐾𝐾𝑃𝑃 0.95 (1.58𝑠𝑠 + 1) −(1.3−0.88)𝑠𝑠 �� � 𝑒𝑒 � 𝐷𝐷(𝑠𝑠) −0.36 1.92𝑠𝑠 + 𝑈𝑈𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 () = Cấu trúc điều khiển thể hình 4-11: 122 -1.30s 0.95 e 1.92s + Nhiễu Nhiễu trình Phần tử Feed Forward Ysp(s) E(s) + -2.69 1+ 1.58s 1+0.44s 1+0.2s Bé ®iỊu khiĨn 0.95 -0.36 1.58s+1 -0.42s e 1.2s+1 U(s) -0.88s -0.36*e 1.58s + Quá trình Y(s) Hình 4-11: Cấu trúc điều khiển Feedforward cho lò phản ứng jacket Mô hình mô cấu trúc điều khiển Feedforward cho lò phản ứng jacket thể hình 4-12 : Hình 4-12: Mô hình cấu trúc điều khiển Feedforward cho lò phản ứng jacket Y(s) 123 Hình 4-13: Mô cấu trúc điều khiển Feedforward cho lò phản ứng jacket 124 Mô khối Feed forward: Tham số khâu khuyếch đại: Tham sè kh©u trƠi: 125 NhiƠu: Tham sè kh©u trƠ: 4.4 Kết luận Nhìn vào kết mô hai trường hợp điều khiển nhiệt độ dầu vào chất lỏng làm mát lò phản ứng nhảy bậc tõ 46oC xuèng 40oC råi quay l¹i Ta nhËn thÊy điều khiển phản hồi PID mạch vòng đơn sai lệch tín hiệu đầu điều khiển 1.2oC ®èi víi bé ®iỊu khiĨn Feedforward sai lệch sai lệch tín hiệu đầu điều khiển 0.35.0oC Nh­ vËy cã bé ®iỊu khiĨn Feedforward thu đặc tính tốt trường hợp mạch vòng đơn việc trì nhiệt độ đầu lò phản ứng gần với giá trị không đổi 86oC 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ • KÕt ln HƯ điều khiển trình giữ vai trò quan trọng nhà máy công nghiệp đại Nó ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm đầu ra, hiệu kinh tế hệ thống công nghệ Một hệ điều khiển chất lượng cao giúp ổn định tham số công nghệ yêu cầu trình sản xuất, đảm bảo cho sản phẩm đầu đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt Vì việc nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình yêu cầu đặt cho nhà máy công nghiệp Chính luận văn đà nghiên cứu hệ điều khiển trình, cấu trúc điều khiển hệ điều khiển trình, thành phần hệ đặc tính thành phần, động học khâu hệ Trên sở nghiên cứu điều khiển, cấu trúc điều khiển phương pháp điều khiển cụ thể hệ điều khiển trình Luận văn đà nghiên cứu cụ thể cách tổng hợp chỉnh định thông số điều khiển phản hồi PID mạch vòng đơn Feed forward cho lò phản ứng jacket, nhằm ổn định nhiệt độ sản phẩm đầu lò cách loại bỏ nhiễu thay đổi nhiệt độ nước làm mát đầu vào Luận văn đà tiến hành mô xem xét kết điều khiển theo phương án khác r»ng sư dơng bé ®iỊu khiĨn feed forward cho thÊy kết thu sai lệch nhiệt độ đầu lò so với giá trị đặt thấp nhiều so với dùng điều khiển phản hồi PID mạch vòng đơn Điều cho thấy nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình cách sử dụng cấu trúc điều khiển feed forward hướng 127 ã Kiến nghị Luận văn dừng lại việc nghiên cứu phản ứng trình sư dơng cÊu tróc ®iỊu khiĨn feed forward ®Ĩ loại trừ tác động nhiễu Còn nhiều vấn đề liên quan đến hệ điều khiển trình cần nghiên cứu tương lai như: Tác động cấu chấp hành hệ điều khiển Động học thành phần ảnh hưởng đến chất lượng ®iỊu chØnh 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO TiÕng ViƯt Lê Dung, Trần Đức Hạ (2002), Máy bơm thiết bị cấp thoát nước, Nhà xuất Xây dựng, Hà nội Nguyễn Văn May (2007), Bơm, quạt, máy nén, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Thương Ngô (2006), Lý thuyết điều khiển thông thường đại Quyển Hệ tuyến tính, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà nội Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến (2000), Giáo trình cảm biến, Nhà xuất Khoa học Kü tht, Hµ néi Ngun Do·n Ph­íc (2005), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà nội Nguyễn DoÃn Phước, Phạm Xuân Minh (2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà nội NguyÔn Phïng Quang (2004), Matlab & Simulink cho kü s­ điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà nội Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển trình, Nhà xuất Bách khoa Hà nội, Hà nội Nguyễn Minh Tuyển (2005), Bơm, máy nén, quạt công nghệ, Nhà xuất Xây dựng, Hà nội Tiếng Anh 129 Douglas J Cooper (2004), Practical Process Control Fisher Controls International LLC – Emerson Process Management, Control valve handbook – Third Edition International Electrotechnical Commision IEC 60050-351 (1998), International electrotechnical vocabulary – Automatic Control The Matworks (2004), Matlab Control System toolbox User’s Guide Version 6.0 Shinskey F.Greg (1988), Process Control System – Application, Design and Adjustment – Third Edition, McGraw-Hill http://www.controlguru.com ... 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