Nghiên cứu các sách lược và chỉnh định tham số pid trong điều khiển quá trình

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : H THÁI NGUYÊN 2009 – – o0o *** : : : CHK9 : : : 25/06/2008 : 25/02/2009 Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Ngày với công ng ” chương: PID T , Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng t ,T 02 năm 2009 : Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng : 10 năm 1978 - kh – – nguyên ” TS 02 năm 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Chương 1: NGHIÊN 1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.2.1 1.2.2 Năng 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.5 1.5.6 1.5.7 1.6 1.6.1 1.6.2 &ID Chương 2: 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 Chương 3: 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 – 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 -le Chương 4: 4.1 Chọn tham số cho điều khiển PID 4.1.1 4.1.2 - hai 4.2 4.2.2 Mơ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng 4.3 T Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Chương NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐIỂU KHIỂN QUÁ TRÌNH Hệ thống điều khiển giám sát thành phần thiếu nhà máy công nghiệp đại Từ năm nửa đầu kỷ trước điều khiển tự động chiếm vai trò ngày quan trọng nghành công nghiệp khai thác, chế biến lượng (gọi chung công nghiệp chế biến , prrocess industry) dầu khí, lọc dầu, hoá chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà máy điện Các hệ thống điều khiển giám sát sử dụng lĩnh vực có số đặc thù chung, xếp vào phạm trù hệ thống điều khiển trình (process control system, PCS) Một hệ thống điều khiển q trình chứa đựng tồn giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành giám sát nhằm đảm bảo yêu cầu trình thiết bị cơng nghệ chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu sản xuất, an toàn cho người, máy móc mơi trường Hình 1-1 minh hoạ sơ lược cấu trúc thành phần hệ thống điều khiển trình Hệ thống vận hành giám sát Trạng thái Tham số Thiết bị Đầu điều khiển Thiết bị điều khiển Đầu vào Thiết bị đo Quá công trình nghệ 1-1: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Xác định tham số cho điều khiển PID dựa đường đặc tính đáp ứng độ trình thu từ giá trị đặt thay đổi dạng bậc thang kc= 1.25; θ = 4; τ = 40 4-3 - :  i R( s ) = k c 1 + -  kc = 0.9τ = 7.2 kθ - τi = D kc = 1.2τ = 9.6 kθ   τ i s  : 10 θ = 13.33   R ( s ) = k c 1 + + τ d s   τis  τ i = 2θ = : τd = θ =2 - Phương pháp thứ hai Ziegler -Nichols dựa c sở tham số đặc tính dao động tới hạn hệ kín (đặc tính tần số) xác định qua thực nghiệm Hệ số khuếch đại tới hạn trình giá trị khuếch đại mà điều khiển P đưa vịng kín ớt i trạng thái dao động xác lập Quy trình định thực theo bước sau: Đặt hệ thống chế độ điều khiển tay đưa dần hệ thống tới điểm làm việc, chờ hệ thống ổn định điểm làm việc Chuyển hệ thống sang chế độ điều khiển tự động với điều khiển P Đặt hệ số khuếch đại kc tương đối bé thay đổi giá trị đặt lượng nhỏ Tăng dần hệ số khuyếch đại kc đầu trình đạt trạng thái dao động điều hồ Giá trị kc gọi hệ số khuếch đại tới hạn (ku) chu kỳ dao động gọi chu kỳ dao động tới hạn (Tu) 4-4 ku = 1.98; Tu = 0.37 n PID sau: Ziegler-Nichols - : kc = 0.45ku = 0.9 : kc =0.6 ku = 1,2 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên τ i = 0.85Tu = 0.314 τ i = 0.5Tu = 0.18 τ d = 0.12Tu =0.05 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng 1.8 Tu 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 4-4: : - Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Controlled Output y Control input u 1.5 ZN1 ZN2 ZN1 ZN2 0.5 0 50 100 150 -2 50 100 150 4-5: Đáp ứng độ hệ kín sử dụng PI cho trường hợp minh hoạ hình 4-5 Vịng điều khiển dao động mạnh lâu, điều giải thích qua tham số τ i chọn nhỏ, dấu hiệ u cho việc cần phải bổ sung tác động vi phân Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng 4.2.2 Controlled Output y Control input u 1.5 10 ZN1 ZN2 ZN1 ZN2 0.5 0 50 100 150 -2 200 50 100 150 200 4-6: 4-6 = - Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng : P( s) = 5s + 4-7 Controlled Output y Control input u 1.5 ZN1 ZN2 ZN1 ZN2 0.5 0 50 100 150 200 -2 50 100 150 4-7: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 200 Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Do t Trong đ , hai ph Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng trung t : - Nghiên cứu tổng q n suy d - Tài liệu tham khảo Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng [1] “ ” , 2006 [2] “ ” Nhà xuất khoa học “ ” Nhà xuất khoa học và Kỹ thuật, 2005 [3] Kỹ thuật, 2004 [4] “ ” , 2004 [5] Skogestad, S “Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning” Journal oƒ Process Control 13(2003) 291-309 [6] Ziegler, J.G N.B Nichols: “Optimum setings for automatic controllers”, Trans ASME 64 (1942) 759-768 PHỤ LỤC Tóm tắt chuẩn ANSI/ISA S5.1 (Instrumentation Symbols and Identication) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Biểu tượng thiết bị Bảng 1-1: BIỂU DIỄN CÁC THIẾT BỊ TRÊN LƯU ĐỒ P&ID Vị trí Thiết bị/ Chức Phịng điều Vị trí mở rộng khiển trung tâm (Auxilary (Remote) Location) Hiện trường (Local) Thiết bị phần cứng đơn lẻ Phần cứng chia sẻ Phần mềm Chức máy tính Lơgic chia sẻ ĐK lơgíc khả trình Thiết bị hai biến biến với nhiều chức Biểu tượng đường tín hiệu đường nối BẢNG 1-2: BIỂU HIỆN CÁC TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG NỐI LƯU ĐỒ P&ID Tín hiệu khơng định nghĩa Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Đường nối tới trình kỹ thuật, đường cấp lượng cho thiết bị Tín hiệu khí nén Tín hiệu điện Tín hiệu thuỷ lực Tín hiệu điện từ âm (có dẫn định)* Tín hiệu điện từ âm (không dẫn định)* Đường nội hệ thống (liên kết phần mềm liệu) Đường nối học Ống mao dẫn * Các tượng điện từ gồm nhiệt, sóng vơ tuyến, phóng xạ ngun tử ánh sáng Thơng thường, đường tín hiệu biểu diễn liên kết thiết bị lưu đồ P&ID tồn nhiều đường vật lý thực tế Các mũi tên sử dụng bổ sung để làm rõ chiều luồng thông tin Các chữ viết tắt sau dùng để ký hiệu đường cấp lượng: • AS (Air supply): Cấp khơng khí • ES (Electric supply): Cấp điện • GS (Gas supply): Cấp gas • HS (Hydraulic supply): Cấp thuỷ lực • NS (Nitrogen supply): Cấp nitơ • SS (Steam supply): Cấp nước • WS (Water supply): Cấp nước Nhãn thiết bị ký hiệu chức Chữ đầu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các chữ đứng http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ A Học viên: Dương Quang Tùng Biến đo biến Bổ nghĩa cho Chức xử lý (hiển Bổ nghĩa cho đầu vào chữ đứng trước thị, bị động, đầu ra) chữ đứng trước Phân tích Báo động (Alarm) (Analysis) B Đốt cháy (Burner) Tuỳ sử dụng C Tuỳ sử dụng Điều chỉnh (Control) D Tuỳ sử dụng Tuỳ sử dụng Chênh lệch (Differential) E Điện áp Phần tử cảm (sensor) F Lưu tốc (Flow rate) Tỉ lệ (Fraction) G Tuỳ sử dụng H Kính (Glass), quan sát Đưa tay Cao (High) (Hand) I Dịng điện J Cơng suất Quét Thời gian, lịch Tần suất thay trình đổi K Chỉ thị (Indicate) L Mức (Level) M Tuỳ sử dụng Trạm điều khiển Nhất thời Trung bình (Momentary) (Middle) N Tuỳ sử dụng Tuỳ sử dụng O Tuỳ sử dụng Hạn chế (Orifice) P Áp suất (Pessure) Điểm thử (Point) Q R S T Số lượng (Quantity) Thấp (Low) Ánh sáng (Light) Tuỳ sử dụng Tích phân, tổng Bức xạ, phóng xạ Ghi chép (Record) (Radiation) Tốc độ, tần số An tồn (Speed) (Safety) Nhiệt độ (Temperature) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyển mạch (Switch) Truyền phát (Transmit) http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng U Đa biến Đa chức ĐỘ rung Van điều khiển V (Vibration), phân (Valve), giảm chấn tích học W Trọng lượng Lồng, bao (Well, VD (Weight), lực Thermowell) Trục X X Y Đa chức Sự kiện, trạng thái có mặt Z Vị trí, kích thước Trục Y Trục Z Rơ le, tính tốn, biến đổi Truyền động, chấp hành Bảng 1-4: CÁC KÝ HIỆU CHỨC NĂNG TÍNH TỐN KÝ HIỆU 1-0 ON/OFF Σ ADD CHỨC NĂNG Điều khiển ON/OFF chuyển mạch (Switch) Cộng tổng (cộng trừ), với nhiều đầu vào ∆ SUB Hiệu (với hai nhiều đầu vào) ± , +, Độ dịch (1 đầu vào) - AVG Trung bình %, 1:3 2:1 Khuyếch đại (đầu vào : đầu ra) x, ÷ SQ RT Nhân, chia (2 nhiều đầu vào) Căn bậc hai xn x1/n Luỹ thừa f(x) Hàm 1:1 Tăng cường > HIGHEST Chọn giá trị lớn < LOWEST Chọn giá trị nhỏ REV Đảo ngược E/P, P/I, A/D, D/A Biến đổi (E, H, I, O, P, R) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng ∫ Tích phân (theo thời gian) D d/dt Đạo hàm tốc độ I/D Nghịch đảo đạo hàm Tóm tắt chuẩn ANSI/ISA S5.2 (Binary Logic Diagram) ĐẦU VÀO Lệch đầu vào Lệch đầu ĐẦU RA A B A AND OR OR * OR có điều kiện (A*) OR (B*) OR (C*) A AND B AND C C A B A OR B OR C C A B C NOT S FLIP FLOP R * Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐỊNH THỜI: - DI (trễ vào) - DT (trễ ra) - PO (xung ra) http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Tóm tắt chuẩn ANSI/ISA S5.3 Thơng thường người vận hành can thiệp Hiển thị chia sẻ Hiển thị chia sẻ điều khiển chia sẻ Truy nhập qua đường truyền thông Giao diện vận hành đường truyền thông Thiết bị lắp vị trí mở rộng Lắp panel vị trí mở rộng, thơng thường có giao diện sử dụng tương tự, không lắp trạm vận hành trung tâm Có thể điều khiển dự phòng trạm thao tác tay Truy nhập qua đường truyền thơng Giao diện vận hành qua đường truyền thông Thông thường người vận hành can thiệp Bộ điều khiển chia sẻ câm (khơng có giao diện) Hiển thị chia sẻ lắp trường Tính tốn, điều hồ tín hiệu điều khiển chia sẻ Có thể nối mạng truyền thơng Thơng thường vận hành khơng cần giao diện Có thể thay đổi cấu hình Các biểu tượng máy tính Các biểu tượng sử dụng để “máy tính” chức máy tính tách biệt với thành phần tích hợp hệ DCS Các máy tính nối mạng với thành phần lại, đứng độc lập Thơng thường người vận hành can thiệp Màn hình thị Máy tính điều khiển Máy tính ghi chép Bình thường người vận hành khơng thể can thiệp Giao diện vào/ra Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Tính tốn, điều hồ tín hiệu máy tính Có thể sử dụng điều khiển câm module phần mềm tính tốn Các biểu tượng điều khiển trình tự lơgic Biểu tượng cho điều khiển lơgic điều khiển trình tự phức tạp không định nghĩa: Bộ điều khiển lôgic hệ ĐKPT với chức điều khiển lơgic điều khiển trình tự: Bộ điều khiển lơgic khả trình, điều khiển lơgic số tích hợp thiết bị điều khiển phân tán Bình thường người vận hành khơng thể can thiệp Ý nghĩa trên, người vận hành can thiệp: Tính tốn điều hồ tín hiệu Ngồi biểu tượng định nghĩa S5.1, chuẩn S5.3 bổ sung biểu tượng riêng cho tính tốn điều hồ tín hiệu: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... trúc điều khiển thiết kế, ta lựa chọn cấu trúc điều khiển xác định tham số điều khiển Chương giới thiệu sách lược điều khiển quan trọng cho hệ thống điều khiển trình Hầu hết sách lược điều khiển. .. trúc điều khiển Sau làm rõ chức điều khiển hiểu rõ mơ hình tốn học q trình, bước xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển) Thiết kế cấu trúc điều khiển chưa vào thuật toán điều khiển. .. tin điều khiển để tính tốn lại giá trị biến điều khiển Vì cấu trúc khép kín này, sách lược điều khiển phản hồi gọi điều khiển vịng kín ( closed-loop control) Trong sách lược điều khiển, điều khiển