Nghiên cứu và phát triển hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình dùng trong trường đại học sư phạm kỹ thuật hưng yên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Đức Hùng NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH DÙNG TRONG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành : Điều khiển tự động NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS HỒNG MINH SƠN HÀ NỘI, 2011 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan nội dung luận văn “Nghiên cứu phát triển hệ thống thí nghiệm điều khiển trình dùng trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng n” cơng trình nghiên cứu thân tơi, với hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Hồng Minh Sơn Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Để phục vụ hoàn thành luận văn, sử dụng tài liệu đƣợc liệt kê danh mục tài liệu tham khảo mà không sử dụng từ nguồn khác Tác giả Phạm Đức Hùng LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Hồng Minh Sơn, ngƣời tận tình hƣớng dẫn đƣa lời khuyên quý báu suốt thời gian em làm luận văn Nếu lời khuyên định hƣớng thầy, em khó hồn thành đề tài khoảng thời gian nhƣ Em xin đƣợc gửi lời cám ơn chân thành tới thầy cô môn Điều khiển tự động dạy bảo, giúp đỡ em suốt hai năm qua để em có đƣợc thành nhƣ ngày hơm MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC KÝ HIỆU DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 10 1.1 Bài toán điều khiển trình 10 1.2 Hệ thống điều khiển trình 11 1.3 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 13 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 17 2.1 Bộ thí nghiệm bình mức-lƣu lƣợng 19 Bộ điều khiển máy bơm 25 2.2 Bộ thí nghiệm nhiệt độ 33 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 45 3.1 Bài thí nghiệm bình mức-lƣu lƣợng 46 3.1.1 Xây dựng thí nghiệm điều khiển ổn định lƣu lƣợng 46 3.1.2 Xây dựng thí nghiệm điều khiển ổn định mức nƣớc 47 3.2 Thiết kế thí nghiệm điều khiển đối tƣợng nhiệt độ 48 3.3 Danh mục thí nghiệm 50 CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG ÁN PHÁT TRIỂN PHỊNG THÍ NGHIỆM 51 4.1 Ứng dụng PLC giám sát WinCC vào toán trộn hai chất lỏng theo tỉ lệ 51 4.2 Khai thác sử dụng mạng CAN-bus hệ thống thí nghiệm 53 Phương tiện phương pháp nghiên cứu 53 KẾT LUẬN 54 KIẾN NGHỊ VÀ BÀN LUẬN 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 Phụ lục 1: Phiếu tập thí nghiệm 58 Phụ lục 2: Kết thực nghiệm kết mô Simulink thí nghiệm bình mức 79 Phụ lục 3: Kết thực nghiệm điều khiển nhiệt 96 DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC KÝ HIỆU  : Khối lƣợng riêng chất lỏng bình C : Diện tích đáy bình mức (C= const) L: Chiều cao cột chất lỏng bình V: Thể tích chất lỏng bình thí nghiệm A: Tiết diện đáy bình mức chất lỏng a: Tiết diện lỗ thủng đáy bình mức chất lỏng DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT SISO Single-input, single-output (Một tín hiệu vào, tín hiệu ra) P&ID Piping and instrumentation diagram (Lƣu đồ ống dẫn thiết bị) DCS Distributed control system (Hệ thống điều khiển phân tán) PLC Programme logic controller (Thiết bị lơ gic khả trình) PID Proportional integrate devirative (Bơ điều khiển tỉ lệ, tích phân, vi phân) AC/DC Asynchronous current/direct current (Bộ biến đổi xoay chiều/ chiều) LCD Liquid crystal display (Màn hình tinh thể lỏng) GLCD Graphic liquid crystal display (Màn hình tinh thể lỏng đồ họa) PTC Positive temperature coefficient (Nhiệt điện trở dƣơng) DS-d Direct synthesis with diturbance jerection preference ( Phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp ƣu tiên kháng nhiễu) DS Direct synthesis ( Phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp) IMC Internal model control (Phƣơng pháp mơ hình nội) FOPDT First order plus dead time (Mơ hình qn tính bậc có trễ) MỞ ĐẦU Trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Hƣng Yên tiền thân trƣờng Cao đẳng sƣ phạm kỹ thuật I thuộc xã Dân Tiến, huyện Khoái Châu, tỉnh Hƣng Yên, Bộ Giáo dục Đào tạo đơn vị chủ quản, trƣờng lên đại học từ ngày 06 tháng 01 năm 2003 có bƣớc trung chyển từ Cao đẳng lên Đại học, Đào tạo sau đại học nâng cao trình độ ggiảng viên Vì u cầu thí nghiệm trình độ đại học nghiên cứu sau đại học nhu cầu cần thiết cho chƣơng trình đào tạo trƣờng nói chung khoa Điện – Điện tử nói riêng Trƣờng đƣợc hỗ trợ thiết bị từ Tổng cục dạy nghề, chƣơng trình hợp tác Đào tạo nghề Việt – Đức, Dự án giáo dục Việt Nam - Hà Lan Trong chƣơng trình hợp tác có chƣơng trình thí nghiệm điều khiển trình (Process control experiment) dự án KFW hợp tác với cộng hòa Liên bang Đức tài trợ, thiết bị đƣợc hãng Lucas - Nulle cung cấp dƣới dạng gói gọn vài chƣơng trình thí nghiệm mẫu đơn giản Trƣờng Đại học SPKT Hƣng Yên nằm vị trí địa lý thuận lợi, gần với khu công nghiệp dệt may Phố Nối, khu công nghiệp chế biến nhƣ nhà máy bánh kẹo Kinh Đô, nhà máy bia nƣớc giải khát Hà Nội Hƣng Yên nhà máy xử lý nƣớc thải cho khu đô thị cụm công nghiệp Phố Nối Do sinh viên trƣờng thực tập làm quen với môi trƣờng sản xuất công nghiệp đại ngồi giảng đƣờng Đáp ứng nhu cầu đó, trƣờng xây dựng phịng thí nghiệm chun ngành giúp ngƣời học có điều kiện tiếp xúc gần với thực tế Nhu cầu nghiên cứu, triển khai hệ thống thí nghiệm nhằm: Nâng cao trình độ sinh viên lên mức cao cho sinh viên có thực hành thiết bị thực tế nhằm giúp sinh viên hiểu sâu hệ thống sản xuất cơng nghiệp Bên cạnh tác giả ngƣời có nhiệm vụ trực tiếp khai thác thiết bị phục vụ giảng dạy Vì vậy, tác giả chọn đề tài cho luận văn cao học là:“Nghiên cứu phát triển hệ thống thí nghiệm điều khiển trình dùng trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên” Mục đích nghiên cứu luận văn để xây dựng đƣợc hệ thống thí nghiệm thích hợp nhằm phục vụ giảng dạy cho sinh viên hệ đại học dùng làm công cụ nghiên cứu khoa học giảng viên học viên sau đại học trƣờng Đối tƣợng nghiên cứu luận văn thiết bị sẵn có bình mức, đối tƣợng nhiệt động chiều… Phạm vi nghiên cứu hệ thống thiết bị phịng thí nghiệm Điều khiển q trình (ĐKQT) khoa Điện – Điện tử, trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Hƣng n Luận văn đƣợc trình bầy có nội dung gồm chƣơng với bố cục nhƣ sau:  Chƣơng 1: Điều khiển trình Chƣơng trình bày ngắn gọn vấn đề sở chung điều khiển trình nhằm giúp ngƣời đọc nắm bắt đƣợc liên hệ lý thuyết hệ thống điều khiển q trình thực tế  Chƣơng 2: Hệ thống thí nghiệm điều khiển trình Chƣơng giới thiệu hệ thống thiết bị thí nghiệm sẵn có phịng thí nghiệm, cụ thể cấu tạo, hoạt động ứng dụng thiết bị nhằm giúp ngƣời đọc có nhìn tổng thể cơng nghệ thiết bị phịng thí nghiệm điều khiển q trình Ngồi ra, chƣơng thiết kế phần cứng phần mềm hỗ trợ, bổ làm phong phú thêm phần thí nghiệm ĐKQT Phần mềm điều khiển máy bơm, phần cứng khuếch đại công suất phần cịn thiếu thí nghiệm nhiệt  Chƣơng 3: Xây dựng thí nghiệm Chƣơng trình bày thiết kế cấu trúc điều khiển nội dung thí nghiệm điều khiển q trình cho sinh viên đại học qui.Các thí nghiệm khai thác tối đa thiết bị thí nghiệm có Sau đó, khảo sát thực hành hệ thống thí nghiệm thiết bị thực theo phƣơng pháp thực nghiệm nhằm kiểm chứng lại kết nghiên cứu lý thuyết  Chƣơng 4: Các phƣơng án mở rộng phịng thí nghiệm Chƣơng trình bày đề xuất thiết kế, chế tạo nhằm tạo đa dạng nội dung thí nghiệm ĐKQT Luận văn đƣợc thực sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực hành, thực nghiệm thí nghiệm các thiết bị nhằm tạo hệ thống thực hành thí nghiệm chi tiết, tối ƣu với thiết bị sẵn có thiết kế chế tạo thiết bị bổ sung thiết bị cho phịng thí nghiệm Mặc dù đạt đƣợc hầu hết mục tiêu đề ra, song luận văn không tránh khỏi cịn nhiều thiếu sót, tác giả mong muốn nhận đƣợc ý kiến đóng góp, trao đổi Hội đồng chấm luận văn nhƣ bạn đọc để tác giả hồn chỉnh luận văn Tác giả xin chân thành cám ơn! Đó hàm truyền đạt điều khiển PI K PI  0.72(1  ) 9.13s Phương pháp tổng hợp trực tiếp ưu tiên kháng nhiễu DS-d (Direct synthesis with diturbance jerection preference) Hàm truyền bình mức khâu FOPDT thuộc nhóm A Bảng PL3.4: Tham số điều khiển theo DS-d Mơ hình kkc i d ke s  s 1 i     ( c   )2   - c  Ta xây dựng đƣợc điều khiển PI: K PI  0.77(1  ) 9.08s Phương pháp IMC (Internal model control) hay điều khiển mơ hình nội Bảng PL3.5: Tham số điều khiển theo IMC Mơ hình kkc ke s  s 1  c  i d  - Ta xây dựng đƣợc điều khiển PI: K PI  0.78(1  ) 9.13s Mô Matlab- Simulink phƣơng pháp thiết kế điều khiển Phương pháp Zigler-Nichol thứ (ZN 1): 84 Bảng PL3.6: Tham số điều khiển chỉnh định theo phƣơng pháp ZN Bộ điều khiển kc i d P 3.5 - - PI 3.15 9.34 - PID 4.2 5.66 1.42 Hình PL3.3: Vòng điều khiển chỉnh định theo phƣơng pháp ZN Phương pháp Zigler-Nichol thứ hai (ZN 2): Ku=3.54; tu=11.89 Bảng PL3.7: Tham số điều khiển chỉnh định theo phƣơng pháp ZN Bộ điều khiển kc i d P 1.77 - - PI 1.59 9.9 - 85 PID 2.12 5.95 1.49 Hình PL3.4: Vịng điều khiển chỉnh định theo phƣơng pháp ZN Phương pháp tự chỉnh phản hồi rơ-le (Astrom Hagglund) Bảng PL3.8: Tham số điều khiển chỉnh định theo phƣơng pháp Astrom Hagglund Bộ điều khiển kc i d P 1.7550 - - PI 1.5795 8.825 - PID 2.11 5.295 1.323 86 Hình PL3.5: Xác định tham số tới hạn theo Astrom Hagglund d=4;a= 1.45; ku  4* d  3.51; a *3.14 Hình PL3.6: Đáp ứng vịng điều khiển theo phƣơng pháp AH 87 Phương pháp Tyreous Luyben Bảng PL3.9: Tham số điều khiển chỉnh định theo phƣơng pháp Tyreous Luyben Bộ điều khiển kc i d PI 1.23 23.2980 - PID 1.5795 23.2980 1.6810 Hình PL3.7: Đáp ứng vòng điều khiển theo phƣơng pháp TL So sánh phƣơng pháp với nhau: 88 Hình PL3.8: Đáp ứng vòng điều khiển PID theo ZN 1,2, AH, TL Hình PL3.9: Đáp ứng vịng điều khiển PID theo ZN 1,2, AH, TL có nhiễu Đáp ứng độ ba vòng điều khiển theo Zigler Nichols tự chỉnh phản hồi rơ le AH phản ứng mạnh với thay đổi giá trị đặt, nhƣng đặc tính loại bỏ nhiễu tốt Vịng điều khiển chỉnh định theo TL cho đặc tính bám giá trị đặt tốt, nhƣng đáp ứng loại bỏ nhiễu chậm so với ba vịng Mơ vịng điều khiển kín theo phương pháp dựa mơ hình mẫu: 89 Hình PL3.10: Đáp ứng vòng điều khiển PI theo Haalman, DS, DS-d, IMC Hình PL3.11: Đáp ứng vịng điều khiển PI theo Haalman, DS, DS-d, IMC có nhiễu So sánh kết hình 3.12 3.14, ta thấy đặc tính loại bỏ nhiễu vịng chỉnh định theo phƣơng pháp mơ hình mẫu đáng kể so với phƣơng pháp đơn giản phƣơng pháp dựa đáp ứng đối tƣợng Ngoài ƣu điểm phƣơng pháp tính bền vững hệ thống 90 Bằng phƣơng pháp lý thuyết đƣợc trình bày Chƣơng ta thiết kế đƣợc cấu trúc sách lƣợc điều khiển cho module thí nghiệm Bƣớc cuối cơng việc phát triển module thí nghiệm thực nghiệm hệ thống thí nghiệm mơ hình vật lý để để kiểm nghiệm lại sách lƣợc điều khiển thiết kế cho module thí nghiệm phƣơng pháp chỉnh định tham số cho điều khiển PID trƣớc đƣa vào hoạt động giảng dạy Khảo sát thực hành kết hệ thống thí nghiệm Qua khảo sát chỉnh định tham số tác giả thu thập đƣợc đƣờng đặc tính đáp ứng theo phƣơng pháp cụ thể chƣơng đƣợc minh họa hình sau 91 a) Đặc tính tín hiệu vào, tín hiệu sai lệch b) Đáp ứng q độ Hình PL3.11: Thí nghiệm theo phƣơng pháp Zigler-Nichols điều khiển PID b) Đặc tính tín hiệu vào, tín hiệu sai lệch b) Đáp ứng q độ Hình PL3.12: Thí nghiệm theo phƣơng pháp Zigler-Nichols điều khiển PID 92 Hình PL3.13: Thí nghiệm theo phƣơng pháp Astrom-Hagglund với điều khiển PID Hình PL3.14 Thí nghiệm theo phƣơng pháp Tyreous-Luyben với điều khiển PID Khảo sát hệ thống theo phương pháp mơ hình mẫu chưa có nhiễu có nhiễu a) Đặc tính theo Haalman với điều khiển P=2.34, I=9.13 93 b) Đặc tính theo DS với điều khiển P=0.72, I=9.13 c) Đặc tính theo DS-d với điều khiển P=0.77, I=9.08 94 d) Đặc tính theo IMC với điều khiển P=0.78, I=9.18 e) Đặc tính theo DS-d với điều khiển P=0.77, I=9.08 có nhiễu thay đổi độ mở van vào van trình thực nghiệm Hình PL3.15: Đáp ứng thực nghiệm theo phƣơng pháp mô hình mẫu Trên hệ thống thiết bị thực nghiệm phƣơng pháp mơ hình mẫu tỏ ƣu điểm hẳn phƣơng pháp đơn giản Zigler Nichols, Astrom-Hagglund TyreousLuyben tính ổn định khả kháng nhiễu 95 Phụ lục 3: Kết thực nghiệm điều khiển nhiệt Khi chƣa có điều chỉnh đặc tính đối tƣợng nhiệt tăng tuyến tính nhiệt độ mơi trƣờng Hình PL3.1: Đặc tính đối tƣợng nhiệt Khi có tự chỉnh hai vị trí nhiệt độ đầu dao động dải giới hạn dƣới điều chỉnh tiến dần đến trạng thái ổn định 96 Hình PL3.2: Đặc tính đối tƣợng nhiệt dùng tự chỉnh vị trí Từ đặc tính nhiệt độ ta xác định đƣợc tham số mơ hình hàm truyền đạt theo phƣơng pháp tiếp tuyến a 97 b Hình PL3.3: Đặc tính đối tƣợng nhiệt dùng tự chỉnh vị trí có phản hồi đơn phản hồi linh hoạt 98 ... nội dung luận văn ? ?Nghiên cứu phát triển hệ thống thí nghiệm điều khiển trình dùng trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng n” cơng trình nghiên cứu thân tôi, với hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Hoàng Minh... thí nghiệm điều khiển q trình dùng trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên? ?? Mục đích nghiên cứu luận văn để xây dựng đƣợc hệ thống thí nghiệm thích hợp nhằm phục vụ giảng dạy cho sinh viên hệ. .. CHƢƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 10 1.1 Bài tốn điều khiển q trình 10 1.2 Hệ thống điều khiển trình 11 1.3 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 13 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG THIẾT