5 ĐỀ THI VÀ ĐÁP ÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH.

w1, w2 là lưu lượng hai dòng lỏng vào m3s. w3 là lưu lượng dòng lỏng ra m3s, 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 kgm3. a. Viết phương trình động học cho mức chất lỏng trong bồn? Viết phương trình ở trạng thái ổn định mức? Biết tại trạng thái ổn định, w1 ¬= 1.2 m3s, w2=0.6 m3s, h = 1.44 m. Tìm Cv (ghi rõ đơn vị)? (1đ) b. Tìm hàm truyền mô 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 PID của hệ? (1đ) Đáp án: a. Sử dụng định luật cân bằng khối: (0.5) Tại trạng thái ổn định: (0.5) b. Sử dụng pt (2.60) slide bài giảng, ta có hàm truyền (0.5)

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 QUÁ TRÌNH Mã môn 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 hình vẽ w1, w2 lưu lượng hai dòng lỏng vào [m3/s] w2 w1 w3 lưu lượng dòng lỏng [m3/s], biết w3 tỉ lệ với bậc hai chiều cao mức chất lỏng bồn số Cv h chiều cao chất lỏng bồn [m] Diện tích mặt cắt ngang bồn chứa A = [m2], khối lượng riêng chất lỏng ρ = 500 [kg/m3] a Viết phương trình động học cho mức h chất lỏng bồn? Viết phương trình trạng thái ổn định mức? Biết trạng thái ổn định, w1 = 1.2 [m3/s], w3 w2=0.6 [m3/s], h = 1.44 [m] Tìm Cv (ghi rõ đơn vị)? (1đ) b Tìm hàm truyền mô tả mối quan hệ thay đổi chiều cao mức chất lỏng quanh trạng thái ổn định với thay đổi lưu lượng vào quanh giá trị ổn định (1đ) c Một kỹ sư sử dụng điều khiển feedback để trì mức chất lỏng mức ổn định Hãy tự chọn biến điều khiển, nhiễu trình vẽ lưu đồ P&ID hệ? (1đ) Đáp án: a Sử dụng định luật cân khối: dh  A   w1   w   w dt dh  A  w1  w  Cv h dt dh  A  Cv h  w1  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 giảng, ta có hàm truyền hs Cv H (s) K G(s)     F ( s) As  Cv  s 1 A hs s 1 hs Cv K (0.5) (0.5) (0.5) hs 1.44   1.6 Cv 1.5 Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV A hs 2.2 1.44   3.2[s ] Cv 1.5 c MV: w2 (có thể chọn w1) CV: h DV: w3  (0.5) w2 LT LRC h SP w3 Bài 2: (4đ) Một trình bao gồm cảm biến van điều khiển mơ hình hóa hàm truyền bậc sau: 12 G( s)  (8s  1)(2s  1)(0.2s  1) a Xấp xỉ hàm truyền dạng khâu qn tính bậc có trễ sử dụng quy tắc Skogestad b Sử dụng mơ hình xấp xỉ câu a với điều điều khiển tỉ lệ Gc(s) = Kc Tìm điều kiện Kc để hệ kín ổn định? c Chọn Kc = 0.8, tính offset hệ tín hiệu vào thay đổi nấc đơn vị? d Để khử offset tín hiệu vào thay đổi nấc, kỹ sư sử dụng điều khiển PI Tìm thơng số điều khiển phương pháp trực tiếp (Direct Synthesis), biết số thời gian hệ kín  c = 0.8 (s) Đáp án: a Khâu qn tính bậc có trễ có dạng: K  s G( s)  e  s 1 Sử dụng quy tắc Skogestad, ta có: K = 12   8 2/    0.2  /  1.2 12 1.2 s  G( s)  e 9s  b Phương trình đặc trưng hệ kín:  Gc ( s)G ( s )   Kc 12e1.2 s 0 9s  Sử dụng xấp xỉ Padé 1/1: e1.2 s  Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV  0.6s  0.6s 12  0.6s 0 9s  11  0.6s  5.4s  (9.6  7.2Kc )s  12Kc   Để hệ kín ổn định: 9.6  7.2 K c    12 K c     Kc  1/12  Kc  1.333 c Kc = 0.8 Sử dụng pt 4.28 slide giảng, ta có: Ysp offset = KOL  Ysp  KOL  Kc Km Kv K p  0.8.12  9.6  0.094 9.6  d Hàm truyền điều khiển PI: Gc ( s )  K c (1  ) Is Sử dụng pt 4.44 slide giảng, ta có: I    Kc    0.375 K ( c   ) 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 trả lời tiếng Việt) Đáp án: a Các ý sau: Thermocouple: - Cấu tạo gồm mối nối dây kim loại khác Một đầu giữ nhiệt độ cố định, đầu lại sử dụng để đo - Sử dụng hiệu ứng Seebeck - Tầm đo độ nhạy phụ thuộc vào cặp kim loại, phổ biến loại K (Chromel/Alumel) - Trả điện áp nhiệt độ thay đổi Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV RTD: - Cấu tạo gồm dây kim loại mảnh quấn xung quanh lõi gốm (ceramic) thủy tinh (glass) Kim loại dùng làm cảm biến nguyên chất, điển hình: Platinum (Pt), Nickel (Ni) Copper (Cu) Phổ biến Pt (Pt100, Pt200…) Hoạt động nguyên lý điện trở thay đổi theo nhiệt độ Do trả điện trở nhiệt độ thay đổi Thermistor: - - Sử dụng vật liệu bán dẫn, đo thay đổi điện trở theo nhiệt độ Có độ nhạy cao (gấp 100 lần so với RTD 1000 lần so với thermocouple) Do có khả phát thay đổi nhiệt độ nhỏ Mối quan hệ điện trở nhiệt độ có tính phi tuyến cao b Dựa vào đồ thị: cần điều khiển nhiệt độ với độ xác cao kỹ sư nên dùng thermistor Giải thích: đường đặc tính cho thấy độ nhạy cao thermistor, nên phát thay đổi nhiệt độ nhỏ thích hợp cho điều khiển xác Hơn nữa, tốc độ thay đổi nhanh nhiệt độ thay đổi thấp GV Võ Lâm Chương Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐỀ THI CUỐI KỲ HỌC KỲ NĂM HỌC 15-16 Mơn: ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Mã mơn học: PCTR421929 Đề số: 01; Đề thi có trang Thời gian: 60 phút Được phép sử dụng tài liệu Bài (3đ): Cho hệ gia nhiệt hình T1 , w1 T,w Q Heater Lưu lượng khối chất vào, w1  500kg / h Thể tích bình chứa V= m3 (khơng đổi) Trọng lượng riêng nhiệt dung riêng chất vào là:   900kg / m3 , C  1.2 cal / g.o C Quá trình gia nhiệt hoạt động ổn định với nhiệt độ vào T1= 600C T=900C a Tìm Q trạng thái ổn định? b Hệ trạng thái ổn định nhiệt độ dịng vào hạ đột ngột từ 600C xuống 500C, kỹ sư vận hành theo kinh nghiệm tăng công suất gia nhiệt (Heater) lên 30% Hỏi nhiệt độ dòng thay đổi nào, vẽ đồ thị? c Một kỹ sư sử dụng điều khiển feedback để trì nhiệt độ dịng ổn định Hãy tự chọn biến điều khiển, nhiễu trình vẽ lưu đồ P&ID hệ? Đáp án: a Phương trình (2.44) slide giảng:  wCTis  wCTs  Qs Qs  wC (Ts  Tis ) 1.2 Qs  500 3 (90  60)  18.106 (cal / h) 10 (0.5) b Sử dụng pt (2.48) slide giảng, ta có hàm truyền: T ' ( s)  K Q' ( s)  T ' ( s)  s 1  s 1 i 1   105 1.2 wC 500 103 V 900.1    1.8(h) w 500 K (0.5) Nhiệt độ dòng vào hạ đột ngột xuống 500C, suy ra: Công suất gia nhiệt tăng 30%, suy ra: Q' ( s)  Ti ' ( s)   10 s 5.4.106 s (0.25) Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV Do đó, ta có phương trình thay đổi nhiệt độ dịng (nguyên lý xếp chồng) 10   s(1.8s  1) s(1.8s  1) s(1.8s  1)  T ' (t)  1  et /1.8  T ' ()  1 T ' ( s)  Vậy sau tăng 30% nhiệt độ dòng xác lập 89oC (0.5) Đồ thị đáp ứng: (0.5) o Ti ( C ) 60 50 Q (cal/ h) t 23.4.106 18.106 t o T ( C) 90 89 c MV: Q CV: T DV: T1 Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV (0.25) T1 SP TT FBC Q Heater SCR (0.5) Bài 2: (4đ) Một trình bao gồm cảm biến van điều khiển mơ hình hóa khâu bậc có trễ (SOPTD) sau: G( s)  8e4 s (10s  1)(6s  1) a Xấp xỉ hàm truyền sử dụng quy tắc Padé 1/1? b Sử dụng mơ hình xấp xỉ câu a với điều điều khiển tỉ lệ Gc(s) = Kc Tìm điều kiện Kc để hệ kín ổn định? c Chọn Kc = 0.5, tính offset hệ tín hiệu vào thay đổi nấc đơn vị? d Để tăng chất lượng điều khiển, kỹ sư sử dụng điều khiển PID Tìm thơng số điều khiển phương pháp trực tiếp (Direct Synthesis), biết số thời gian hệ kín  c = 0.3 (s) Đáp án: a Sử dụng xấp xỉ Padé 1/1: e4 s   G( s)   2s  2s 8(1  2s) (10s  1)(6s 1)(2s 1) (0.5) (0.5) b Phương trình đặc trưng hệ kín:  Gc (s)G(s)  8(1  2s)  Kc 0 (10s  1)(6s 1)(2s 1)  120s3  92s  (18  16Kc )s  8Kc   (0.5) Sử dụng tiêu chuẩn ổn định Routh: s3 120 18-16Kc s 92 8Kc+1 92(18  16 Kc )  120(8Kc  1) s 92 s 8Kc+1 Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV Để hệ kín ổn định: 92(18  16 K c )  120(8K c  1)   8K c     1/  Kc  0.63 (0.5) c Kc = 0.5 Sử dụng pt 4.28 slide giảng, ta có: offset = Ysp (0.5) KOL  Ysp  KOL  Kc Km Kv K p  0.5.8   offset =  0.2 1 (0.5) d Hàm truyền điều khiển PID Gc ( s)  Kc (1    s) Is D Sử dụng pt 4.47 slide giảng, ta có:    10  Kc    0.465 K    c  0.3  I  1    16  60  D    3.75 1   16 Vậy hàm truyền điều khiển PID: Gc ( s)  0.465(1  (0.25) (0.75)  3.75s) 16s Bài 3: (3đ) a Express briefly the component of a measurement device? b Describe the wire configurations of RTD sensor? According to your opinion, in applications with low accuracy, which kind of configuration should be chosen? (SV trả lời tiếng Việt) Đáp án: a The answer is similar to the section 3.2.2 (Measurement Device) of the lecture notes (slides 22, 23 of chapter 3) (1đ) b There are three types of wire configuration: Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV The simplest configuration uses two wires: ignoring the resistance of wires (0.5) Adding the lead resistance to minimize the effects of wire resistances (0.5) Four-wire configuration ADC Eliminating voltages drop in the measuring leads as a contribution to error by using an additional current source (0.5) In the applications with low accuracy, we should use the two-wire configuration because its simplicity (0.5) GV Võ Lâm Chương Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV 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 HK NĂM HỌC 17-18 Môn: ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Mã mơn học: PCTR421929 Đề số: 01; Đề thi có trang Thời gian: 60 phút Được phép sử dụng tài liệu Bài (4đ): Cho hệ gia nhiệt hình T1 , w1 T,w Q Heater Lưu lượng khối chất vào, w1  500kg / h Thể tích bình chứa V= m3 (không đổi) Trọng lượng riêng nhiệt dung riêng chất vào là:   900kg / m3 , C  1.2 cal / g.o C Quá trình gia nhiệt hoạt động ổn định với nhiệt độ vào T1= 300C Q  18000 ( kcal h) a Hỏi nhiệt độ T trạng thái ổn định? b Hệ hoạt động ổn định gia nhiệt (heater) gặp cố giảm cơng suất 1/3 Hỏi nhiệt độ dịng thay đổi nào, vẽ đồ thị? c Đề suất phương pháp điều khiển nhiệt độ dòng Hãy tự chọn biến điều khiển, nhiễu trình vẽ lưu đồ P&ID hệ? Đáp án: a Phương trình (2.44) slide giảng:  wCTis  wCTs  Qs Qs  wC(Ts  Tis ) Q 18000 Ts  s  Tis   30  600 C wC 500 1.2 (1) b Sử dụng pt (2.48) slide giảng, ta có hàm truyền: K Q ' ( s)  T ' ( s)  s 1  s 1 i 1 K   wC 500 1.2 600 V 900.1    1.8(h) w 500 T ' ( s)  (0.5) Bộ gia nhiệt giảm công suất 1/3, suy ra: 6.103 Q (s)   s ' (0.5) Do đó, ta có phương trình thay đổi nhiệt độ dòng ra: 1/ 600 6.103 10 T ( s)    1.8s  s s(1.8s  1) ' t /1.8  T (t)  10(1  e )  T ' ()  10 ' Vậy nhiệt độ dòng giảm 100C Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV (0.5) Đồ thị đáp ứng (0.5) c Sử dụng điều khiển feedback với thuật toán điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ dòng Lựa chọn biến trình MV: Q CV: T (0.5) DV: T1 T1 SP TT FBC Q Heater SCR (0.5) Bài 2: (6đ) Cho hệ điều khiển nhiệt có sơ đồ khối hình Tsp ( s )  C  Km Tsp ( s ) E ( s)  mA   mA  Gc P( s )  mA  KIP Tm ( s)  mA  Pt( s)  psi  Kv Ps( s) K p e s T ( s )  s 1  C   psi  Km Biết thiết bị đo nhiệt (cảm biến chuyển đổi) có thơng số: tầm đo (0-2000C), tín hiệu trả dịng điện (4-20mA); Độ lợi (gain) cho chuyển đổi dòng sang áp suất van điều khiển KIP  0.75 (psi/mA) Kv  1.2 ; Độ lợi, số thời gian thời gian trễ đối tượng điều khiển K p  ,   (min)   (min) a Tìm hệ số Km thiết bị đo Tìm hàm truyền tổng quát hệ? b Với điều điều khiển tỉ lệ Gc(s) = Kc Tìm điều kiện Kc để hệ kín ổn định? c Chọn Kc = 2, tính offset hệ tín hiệu vào thay đổi nấc đơn vị? Vẽ đáp ứng? d Để tăng chất lượng điều khiển, kỹ sư sử dụng điều khiển PID Tìm thơng số điều khiển phương pháp IMC-PID với xấp xỉ Padé 1/1, chọn  c theo đề xuất Skogestad? Đáp án: a Tìm hệ số Km thiết bị đo Tìm hàm truyền tổng quát hệ? Hệ số K m  20   0.08 (mA/0C) 200  Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV (0.25) Hàm truyền tổng quát hệ: K mGc K IP K v K p e s ( s 1) K mGc K IP K v K p e  s T ( s) G(s)    Tsp ( s)  K mGc K IP K v K p e  s ( s  1)  s   K mGc K IP K v K p e  s (0.25) Thế giá trị vào, ta có: G( s)  0.36Gc e s T ( s)  Tsp (s) 5s   0.36Gc e s (0.5) b (SV sử dụng phương pháp xấp xỉ khác) Sử dụng xấp xỉ Padé 1/1, e s  G(s)   0.5s , ta có:  0.5s 0.36 K c (1  0.5s) 2.5s  (5.5  0.18K c ) s   0.36 K c (0.5) Để hệ kín ổn định: 5.5  0.18K c   2.77  K c  30.5    0.36 K c  (0.5) c Chọn Kc=2, sử dụng cơng thức tính offset 4.28, slide giảng: offset  Ysp (0.5) K OL  với Ysp  KOL  Km Kc K IP Kv K p  0.72 Vậy offset = 1/(1+0.72) = 0.58 (0.5) Vẽ đáp ứng (1) d Hàm truyền điều khiển PID:   Gc ( s)  K c 1   Ds   Is  (0.25) Hàm truyền vòng hở đối tượng điều khiển: K m K IP K v K p e  s Ke s  s 1  s 1 với K  K m K IP Kv K p  0.36 ;   ;   G ( s)   (0.5) Theo đề xuất Skogestad, chọn  c    (0.25) Các thông số điều khiển tính theo phương pháp IMC-PID, cơng thức 4.66 slide giảng: 2    1 Kc    10.185 K 2 c   0.36 1    I       5.5 (1) D     0.455 2     Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐỀ THI CUỐI KỲ HỌC KỲ NĂM HỌC 16-17 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Mơn: ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Mã mơn học: PCTR421929 KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Đề số: 01; Đề thi có trang BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ Thời gian: 60 phút Được phép sử dụng tài liệu Bài (3đ): Cho hệ thống gia nhiệt có sơ đồ khối hình vẽ: Tsp ( s)  o F  Km Tsp ( s) E (s)  mA  mA P( s) Kc  mA K IP Pt ( s)  psi  Tm ( s) K  mA m Kv Ps ( s) K2  s 1  psi  T (s) T (s)  o F  Cảm biến đo nhiệt độ ngõ có tầm đo (span) 50 (oF) zero 55 (oF), dòng điện trả 4-20 (mA) Các thông số hệ: K c  , K IP  0.75 [psi/mA], Kv  1.2 , số thời gian   [min]; bỏ qua đặc tính động học van cảm biến Hệ hoạt động với nhiệt độ đặt 80 (oF) Kỹ sư vận hành thay đổi giá trị đặt từ 80 (oF) lên 85 (oF), nhiệt độ bồn tăng lên giá trị xác lập 84.14 (oF) a Hỏi offset hệ bao nhiêu? Tính giá trị độ lợi K ? b Tìm phương trình thay đổi nhiệt độ ngõ bồn T(t)? c Vẽ lại lưu đồ P&ID hệ thống? Bài 2: (4đ) Một trình bao gồm cảm biến van điều khiển mơ hình hóa hệ bậc sau: G(s)  (5s  1)( s  1)(0.2s  1)(0.4 s  1) a Xấp xỉ hàm truyền hệ bậc có trễ (SOPTD) sử dụng quy tắc Skogestad? b Sử dụng mơ hình xấp xỉ câu a với điều điều khiển tỉ lệ Gc(s) = Kc Tìm điều kiện Kc để hệ kín ổn định? c Chọn Kc = 9, tính offset hệ tín hiệu vào thay đổi nấc đơn vị? d Để tăng chất lượng điều khiển, kỹ sư sử dụng điều khiển PID Tìm thơng số điều khiển phương pháp IMC, biết số thời gian hệ kín  c = 0.8 (s) Bài 3: (3đ) a Express briefly the component of a measurement device? b Describe the operation principle of a thermocouple? Which type of thermocouple is used popularly? Why? c Transmitters with current output (4-20 mA) are used extensively throughout the process control industry Give some reasons for that fact? (SV trả lời tiếng Việt) Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV Ghi chú: Cán coi thi không giải thích đề thi Chuẩn đầu học phần (về kiến thức) [G 2.1]: Mơ hình hóa q trình thường gặp cơng nghiệp bao gồm: mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ [G 1.1]: Trình bày cấu trúc hệ thống điều khiển trình, ký hiệu, vai trò phần tử hệ thống điều khiển trình [G 2.2]: Trình bày nguyên lý cấu tạo, hoạt động van tuyến tính, thiết bị đo thơng số q trình như: cảm biến đo mức, nhiệt độ, lưu lượng, áp suất [G 1.2]: Giải thích ảnh hưởng thông số điều khiển đến chất lượng q trình điều khiển [G 4.2]: Mơ hình hóa thơng số q trình, dùng số phần mềm chun dụng mơ động học thơng số q trình [G 4.3]: Thiết kế điều khiển để điều khiển q trình cơng nghệ cơng nghiệp [G 3.2]: Hiểu thuật ngữ tiếng Anh dùng hệ thống điều khiển trình Nội dung kiểm tra Câu 1a, Câu 1b, Câu 2a Câu 1c, Câu 3a, Câu 3b Câu 2b, Câu 2c Câu 1b, Câu 2a Câu 2d Câu Ngày tháng năm Thông qua môn Số hiệu: BM1/QT-PĐBCL-RĐTV ... dụng điều khiển feedback với thuật toán điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ dịng Lựa chọn biến q trình MV: Q CV: T (0.5) DV: T1 T1 SP TT FBC Q Heater SCR (0.5) Bài 2: (6đ) Cho hệ điều khiển. .. thông số điều khiển đến chất lượng trình điều khiển [G 4.2]: Mơ hình hóa thơng số q trình, dùng số phần mềm chuyên dụng mô động học thơng số q trình [G 4.3]: Thiết kế điều khiển để điều khiển q... Kc Tìm điều kiện Kc để hệ kín ổn định? c Chọn Kc = 0.5, tính offset hệ tín hiệu vào thay đổi nấc đơn vị? d Để tăng chất lượng điều khiển, kỹ sư sử dụng điều khiển PID Tìm thơng số điều khiển phương