TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM môn học điều KHIỂN QUÁ TRÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN Bộ mơn Điều khiển Tự động TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM MƠN HỌC ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GV Hướng dẫn: Họ tên sinh viên: SHSV: Mã lớp TN: Nhóm: Thơng số cho thí nghiệm: Course: Class: Number: Stoptime: Hà Nội, 2020 Bộ môn Điều khiển tự động - Viện Điện Tài liệu thí nghiệm Điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - Bài Xây dựng hệ thống điều khiển bình mức Mục đích thí nghiệm Bài thí nghiệm xây dựng duới dạng tập tổng hợp thí nghiệm đơn thuần, nhằm giúp học viên biết cách vận dụng cách tổng hợp kiến thức học vào tốn cụ thể hồn chỉnh Do dó, học viên cần phải dành luợng thời gian thích hợp để chuẩn bị truớc cho thí nghiệm Bài thí nghiệm giúp học viên biết cách xây dựng mô hình cho đối tuợng điều khiển đơn giản thiết kế điều khiển cho đối tuợng Học viên thử nghiệm sách lược điều chỉnh khác xét ảnh huởng nhiễu đến hệ thống, từ rút kinh nghiệm việc xây dựng hệ thống điều khiển Các kiến thức sở liên quan đến thí nghiệm bao gồm: • Xây dựng mơ hình cho đối tuợng phương pháp lý thuyết • Xây dựng mơ hình cho đối tuợng phương pháp thực nghiệm • Luu dồ P&ID • Các sách luợc điều chỉnh: điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi, điều khiển tầng • Thuật toán PID điều chỉnh PID thực Ðối tuợng yêu cầu thí nghiệm Chú ý: Các đại luợng chuẩn hóa khơng ghi đơn vị Ðối tuợng thí nghiệm hệ thống bình mức với van vào van (hình vẽ) Chiều cao bình, giá trị tối đa mức chất lỏng bình, 1000 Lưu lượng chất lỏng chảy qua van (van vào van ra) tính tích độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 dến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% dến 100%) với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua van không thiết số Có thể đo khơng đo lưu lượng Yêu cầu đặt xây dựng điều khiển cho hệ thống để điều chỉnh mức chất lỏng bình ổn định giá trị đặt (do nguời sử dụng đặt) Bộ điều khiển tác động tới van vào (thay đổi độ mở van vào), van nguời sử dụng tùy ý điều khiển Nhiệm vụ thí nghiệm Xây dựng mơ hình cho đối tuợng bình mức a Xác dịnh tín hiệu vào, tín hiệu nhiễu hệ thống b Trên sở nguyên lý làm việc bình mức, xây dựng mơ hình tốn học cho đối tuợng với tham số hình thức Bé môn Điều khiển tự động - Viện Điện Tài liệu thí nghiệm Điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi c Ðối tuợng bình mức đuợc mơ khối Single-Tank Toolbox thí nghiệm điều khiển trình Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình trên, áp dụng hai phương pháp nhận dạng học Kiểm tra lại mơ hình Từ yêu cầu toán đối tuợng điều khiển xác định mơ hình, xác định (các) sách luợc điều chỉnh sử dụng (các) sách luợc điều chỉnh khơng thể sử dụng cho tốn Giải thích Vẽ lưu dồ P&ID thể tất sách lược điều chỉnh áp dụng cho đối tượng Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng, xây dựng điều khiển mức cho đối tuợng Mô Simulink với khối Single-Tank Tank GUI (xem thêm phần Huớng dẫn xây dựng mơ hình Simulink với Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình) Nhận xét khả áp dụng sách luợc điều chỉnh Giải thích Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn, xây dựng điều khiển mức cho đối tuợng Mô Simulink Thử sử dụng loại điều khiển khác (P, PI, PID,…) cho tốn Nhận xét Có cần đo lưu lượng hay không? Tại sao? Sử dụng sách luợc điều khiển tầng (cascade control), xây dựng điều khiển cho đối tuợng theo buớc sau: a Giải thích cần sử dụng điều khiển tầng b Xác dịnh vòng điều khiển cần xây dựng Nhiệm vụ đặc điểm vòng Cần phải đo (những) đại luợng nào? c Xây dựng vòng điều khiển xác dịnh truờng hợp khơng đo đuợc lưu lượng • Mơ Simulink hiệu chỉnh tham số điều khiển (nếu cần) • Sử dụng khối scope để quan sát lưu lượng vào Thay đổi giá trị đặt và/hoặc độ mở van q trình mơ Nhận xét d Trong truờng hợp có đo đuợc lưu lượng ra, thay đổi lại điều khiển để sử dụng đuợc tín hiệu đo Tiến hành lại thí nghiệm nhận xét So sánh hai truờng hợp khơng đo có đo lưu lượng Nếu sử dụng điều khiển có thành phần tích phân, nhận xét độ điều chỉnh dao động Giải thích nguyên nhân nêu biện pháp khắc phục Sửa đổi lại hệ thống để khắc phục tuợng Chuẩn bị nhà báo cáo thí nghiệm Ðọc kỹ tài liệu, thực truớc thí nghiệm theo buớc nêu phần trả lời câu hỏi, có nhận xét đầy đủ Bài chuẩn bị học viên, với đầy đủ kết tính tốn phần trả lời câu hỏi, phải đuợc ghi giấy (viết tay in, không chấp nhận photocopy) mang buổi thí nghiệm Mơ hình Simulink phải nộp mơ hình hồn chỉnh cuối cùng, sau thực tất buớc phÇn nhiệm vụ thí nghim Bộ môn Điều khiển tự động - Viện Điện Tài liệu thí nghiệm Điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - Bài Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức thơng Mục đích thí nghiệm Tiếp theo thí nghiệm 1, thí nghiệm giúp học viên củng cố nâng cao kiến thức học áp dụng kiến thức vào toán phức tạp Yêu cầu để thực thí nghiệm học viên phải thực hoàn chỉnh thí nghiệm thứ Các kiến thức sở liên quan đến thí nghiệm bao gồm: • Xây dựng mơ hình cho đối tuợng MIMO (bằng phương pháp lý thuyết phương pháp thực nghiệm) • Phân tích RGA, cặp đơi vào-ra • Thiết kế sách luợc điều khiển tầng • Thiết kế sách lược điều khiển nhiều vịng (điều khiển phân tán) Ðối tuợng yêu cầu thí nghiệm Chú ý: Các đại lượng đuợc chuẩn hóa khơng ghi đơn vị Ðối tượng thí nghiệm hệ thống gồm hai bình mức thơng (hình vẽ) Chiều cao hai bình, giá trị tối đa mức chất lỏng bình, 1000 Lưu luợng chất lỏng chảy qua van đuợc tính tích độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 dến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua van không thiết số Tất giá trị lưu lượng qua đuờng ống đo Yêu cầu đặt xây dựng điều khiển cho hệ thống để diều chỉnh mức chất lỏng hai bình ổn định giá trị đặt (do nguời sử dụng đặt) Bộ điều khiển tác động tới van van (thay đổi độ mở van), van nguời sử dụng tùy ý điều khiển Nhiệm vụ thí nghiệm Xây dựng mơ hình cho đối tuợng a Xác định tín hiệu vào, tín hiệu nhiễu hệ thống b Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tuợng với tham số hình thức c Sử dụng khối Two-Tank Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình, xây dựng mơ hình Simulink để xác định tham số cần thiết mơ hình Kiểm tra lại mơ hình Từ yêu cầu toán đối tuợng điều khiển xác dịnh mơ hình, lựa chọn sách luợc điều chỉnh phù hợp (tham khảo thí nghiệm 1) Giải thích chọn sách luợc Vẽ lưu đồ P&ID thể sách luợc điều chỉnh Bộ môn Điều khiển tự động - Viện Điện Tài liệu thí nghiệm Điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Sử dụng sách luợc điều chỉnh lựa chọn trên, xây dựng điều khiển cho đối tuợng theo buớc sau: a Xác định tín hiệu điều khiển tín hiệu đo b Xác định vòng điều khiển cần xây dựng Nhiệm vụ đặc điểm vòng c Xây dựng vòng điều khiển xác định d Mô Simulink sử dụng khối Two-Tank Two-Tank GUI (xem thêm phần Huớng dẫn xây dựng mô hình Simulink với Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình) Thử truờng hợp khác (thay đổi giá trị đặt và/hoặc độ mở van 3) Nhận xét Hiệu chỉnh tham số điều khiển (nếu cần) Nhiệm vụ chuẩn bị nhà báo cáo thí nghiệm Ðọc kỹ tài liệu, học viên cần ôn lại nghiên cứu kỹ kiến thức sở cần thiết cho thí nghiệm (xem Mục đích thí nghiệm) Học viên phải thực truớc thí nghiệm theo buớc nêu phần trả lời câu hỏi, có nhận xét đầy đủ Bài chuẩn bị học viên, với đầy đủ kết tính tốn phần trả lời câu hỏi, phải đuợc ghi giấy (viết tay in, không chấp nhận photocopy) mang buổi thí nghiệm Mơ hình Simulink phải nộp mơ hình hoàn chỉnh cuối cùng, sau thực tất buớc Nhiệm vụ thí nghiệm Nội qui dành cho sinh viên Sinh viên phải lịch thí nghiệm Trường hợp bất khả kháng phải nghỉ thí nghiệm, sinh viên phải viết thư xin nghỉ vào hòm thư my.dangvan@hust.edu.vn minh.trinhhoang@hust.edu.vn trước ngày, lịch bù xếp theo lịch GV hướng dẫn thí nghiệm Sinh viên phải đọc tài liệu trước thí nghiệm Sinh viên phải làm trước nhà phần yêu cầu làm trước nhà tài liệu thí nghiệm; Trước buổi thí nghiệm, GV hướng dẫn kiểm tra đánh giá chuẩn bị sinh viên cho thí nghiệm Những sinh viên có chuẩn bị khơng đạt theo u cầu khơng làm thí nghiệm; Sinh viên cần mang theo tài liệu thí nghiệm (bắt buộc) tới phịng thí nghiệm; Mọi đồ thị mơ trình phải chỉnh stoptime (thời gian kết thúc, hay điểm kết thúc q trình mơ phỏng) GVHD cung cấp cho SV làm báo cáo; Báo cáo thí nghiệm phải nộp vào ngày qui định, nộp báo cáo sau hồn thành thí nghiệm Bài báo cáo bao gồm: 1) Tài liệu thí nghiệm (này): phải hoàn thành hết tất phần để trống; 2) Phần mơ q trình: bao gồm hình ảnh lưu đồ PID, đồ thị độ, v.v… có đánh số, có thích trình tự xếp theo đề mục tài liệu thí nghiệm Sinh viên phải có ý thức trách nhiệm bảo quản thiệt bị PTN, không tự ý thay đổi cấu hình liệu máy tính PTN mà khơng có đồng ý GV hướng dẫn; Mọi thơng tin thí nghiệm ĐKQT (lịch thực hành bù, danh sách sinh viên đạt/không đạt, thay đổi lịch thực hành v.v….) thông báo qua email Sinh viên nên mang Laptop cá nhân có cài sẵn matlab lên phòng TN để làm trực tiếp máy lưu kết cho báo cáo TN Bài Xây dựng hệ thống điều khiển bình mức Mục đích thí nghiệm Bài thí nghiệm xây dựng duới dạng tập tổng hợp thí nghiệm đơn thuần, nhằm giúp học viên biết cách vận dụng cách tổng hợp kiến thức học vào tốn cụ thể hồn chỉnh Do đó, học viên cần phải dành luợng thời gian thích hợp để chuẩn bị truớc cho thí nghiệm Bài thí nghiệm giúp học viên biết cách xây dựng mô hình cho đối tuợng điều khiển đơn giản thiết kế điều khiển cho đối tuợng Học viên thử nghiệm sách lược điều chỉnh khác xét ảnh huởng nhiễu đến hệ thống, từ rút kinh nghiệm việc xây dựng hệ thống điều khiển Các kiến thức sở liên quan đến thí nghiệm bao gồm: • Xây dựng mơ hình cho đối tuợng phương pháp lý thuyết; • Xây dựng mơ hình cho đối tuợng phương pháp thực nghiệm; • Luu dồ P&ID; • Các sách luợc điều chỉnh: điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi, điều khiển tầng; • Thuật toán PID điều chỉnh PID thực Ðối tuợng yêu cầu thí nghiệm Ðối tuợng thí nghiệm hệ thống bình mức với van vào van (hình vẽ) Chiều cao bình, giá trị tối đa mức chất lỏng bình, 1000 Lưu lượng chất lỏng chảy qua van (van vào van ra) tính tích độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 dến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua van khơng thiết số Có thể đo không đo lưu lượng Yêu cầu đặt xây dựng điều khiển cho hệ thống để điều chỉnh mức chất lỏng bình ổn định giá trị đặt (do nguời sử dụng đặt) Bộ điều khiển tác động tới van vào (thay đổi độ mở van vào), van nguời sử dụng tùy ý điều khiển Nhiệm vụ thí nghiệm 1) Xác dịnh tín hiệu vào, tín hiệu nhiễu hệ thống ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 2) Trên sở nguyên lý làm việc bình mức, xây dựng mơ hình tốn học cho đối tuợng với tham số hình thức (Viết pt cân bằng, xác định số bậc tự do, biến đổi Laplace, xác định pt hàm truyền) ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 3) Ðối tuợng bình mức đuợc mơ khối Single-Tank Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình trên, áp dụng phương pháp nhận dạng học K=……… T=……… Kiểm tra lại mơ hình: K=……… T=……… 4) Xác định (các) sách luợc điều chỉnh sử dụng (các) sách luợc điều chỉnh sử dụng cho tốn này, giải thích ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 5) Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng Nêu phương pháp xác định tham số cho đk PID, cần giải thích rõ chọn phương pháp ? ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Bộ điều khiển P PI PID Kp Ti - Td - 6) Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng, xây dựng điều khiển mức cho đối tuợng Mô Simulink với khối Single-Tank Tank GUI (xem thêm phần Huớng dẫn xây dựng mơ hình Simulink với Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình) Nhận xét khả áp dụng sách luợc điều chỉnh ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Giải thích ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 7) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn, xây dựng điều khiển mức cho đối tuợng Mô Simulink Thử sử dụng điều khiển khác P, PI PID cho đối tượng Nhận xét: Trường hợp sử dụng điều khiển P ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Trường hợp sử dụng điều khiển PI ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Trường hợp sử dụng điều khiển PID ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Có cần đo lưu lượng hay không? Tại sao? ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 8) Nếu sử dụng điều khiển có thành phần tích phân : Nhận xét độ điều chỉnh dao động ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Giải thích nguyên nhân (thành phần BĐK tạo nên độ điều chỉnh ?) ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Nêu biện pháp khắc phục (thay đổi BĐK nào?) ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 9) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn sử dụng điều khiển PI-chống bão hịa tích phân PID-chống bão hịa tích phân Nhận xét: Trường hợp sử dụng điều khiển PI-chống bão hịa tích phân ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 10 Trường hợp sử dụng điều khiển PI-RW ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 7) Sử dụng sách luợc điều khiển tầng (cascade control), xây dựng điều khiển cho đối tuợng theo buớc sau: a Xác dịnh vòng điều khiển cần xây dựng Nhiệm vụ đặc điểm vòng Cần phải đo (những) đại luợng nào? ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… b Xây dựng vòng điều khiển xác định cho trường hợp có đo lưu lượng • Mơ Simulink hiệu chỉnh tham số điều khiển (nếu cần) • Sử dụng khối scope để quan sát lưu lượng vào Thay đổi giá trị đặt và/hoặc độ mở van q trình mơ Trường hợp sử dụng điều khiển P (vịng ngồi)/P (vịng trong) Tham số đk (có thể hiệu chỉnh cần thiết): ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Nhận xét ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Trường hợp sử dụng điều khiển P (vịng ngồi)/PI-RW (vịng trong) Tham số đk (có thể hiệu chỉnh cần thiết): ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… Nhận xét ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 16 Hướng dẫn thêm Quá trình chạy mô sử dụng khối Tank GUI xuất lỗi, để khắc phục cần chỉnh lại số tham số : Từ cửa sổ sumulink, vào Simulation/Configuration parameters (hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl + E) Một cửa sổ mở ra, chọn danh mục (hoặc tab) Solver Ở mục Solver, thiết lập giá trị hình dưới: Start time : 0.0 Stoptime : inf Type : fixed-step Fixed-step size (fundamental sample time): auto Solver: ode4 (Runge-Kutta) Thiết lập cho thời gian mơ “inf”, q trình mơ chạy liên tục không dừng lại người mô ấn vào nút stop để ngừng trình Để đồ thị mơ q trình có điểm kết thúc (thời gian mô phỏng) tương ứng với giá trị stop time GVHD cung cấp, giả sử SV làm báo cáo có stop time 12500, ta thiết lập hình dưới: Start time: 0.0 Stoptime: 12500 Fixed-step size (fundamental sample time): 0.2 Type: fixed-step Solver: ode4 (Runge-Kutta) Lưu ý: giá trị Fixed-step size (fundamental sample time) ta chọn tùy ý cho trình mơ diễn với tốc độ vừa phải 17 Trong q trình thí nghiệm, nhờ có khối Single-Tank-GUI Two-Tank GUI ta quan sát trực quan q trình (hình dưới) Từ ta thay đổi giá trị đặt tới giá trị (trong khoảng 0-1000) thay đổi độ mở van (từ 0-1) Ở hình dưới, tơi để stoptime 12500 thay đổi giá trị đặt vài lần, độ mở van 0.33, q trình mơ tự động dừng lại thời gian 12500 Và ta thu đồ thị q độ q trình (có điểm dừng 12500 thiết đặt) 18 Bộ điều khiển PID Trên Matlab Simulink có nhiều BĐK PID có sẵn kèm theo nhiều chức mở rộng Tuy nhiên TN này, sinh viên phải tự xây dựng mơ hình BĐK PID để hiểu rõ ngun lý làm việc BĐK Mơ hình : Mơ hình ĐK PID với K(Gain)=Kp, K(Gain1)=1/Ti K(Gain2)=Td 19 Mơ hình ĐK PID - chống bão hịa tích phân với K(Gain)=Kp, K(Gain1)=1/Ti, K(Gain2)=Td K(Gain3) lấy phần Ti Giá trị khối Saturation chỉnh lại hình dưới: Upper limit = Lower limit =0 20 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG TOOLBOX THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Nghiêm Xuân Trường Bộ môn Điều khiển tự động Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Giới thiệu chung Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình bao gồm khối Simulink (Simulink block) phục vụ cho thí nghiệm mơn học Điều khiển q trình giảng dạy Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Toolbox xây dựng Nghiêm Xuân Trường Các khối Simulink toolbox chia thành hai loại chính: • Các khối mô đối tượng sử dụng thí nghiệm Các khối xây dựng cố gắng mô giống động học đối tượng thực Bên cạnh đó, khối xây dựng phù hợp với nội dung, yêu cầu cách thức tiến hành thí nghiệm • Các khối giao diện đồ họa tương tác giúp người sử dụng quan sát q trình thí nghiệm thay đổi thông số hệ thống cách trực quan Việc sử dụng khối đơn giản, giống khối chuẩn thư viện khối Simulink Một số ví dụ cung cấp để người sử dụng tham khảo Cài đặt toolbox 2.1 Yêu cầu hệ thống • • Phần cứng hệ điều hành − Phần cứng máy tính đủ để chạy phần mềm MatLab Simulink − Bộ nhớ RAM lớn tốt − Hệ điều hành Windows từ phiên 95 trở sau Tốt sử dụng hệ điều hành Windows 2000 Windows XP Toolbox không dùng hệ điều hành khác Phần mềm − MatLab phiên từ 6.0 trở lên, tốt sử dụng MatLab 6.5 − Simulink Dials & Gauges Blockset phải cài đặt MatLab − Nếu sử dụng khả mơ thời gian thực với Realtime Workshop Realtime Windows Target trình biên dịch C/C++ phù hợp phải cài đặt sẵn máy Tham khảo thêm tài liệu Realtime Workshop Realtime Windows Target để biết thêm chi tiết 2.2 Cách thức cài đặt toolbox Toolbox phân phối dạng tệp tin nén ZIP tệp tin nén tự bung Việc cài đặt toolbox đơn giản thực hoàn tồn tự động Để cài đặt toolbox phần mềm MatLab phải cài đặt trước với đầy đủ yêu cầu nêu phần Các bước cài đặt toolbox tiến hành sau Gỡ nén tệp tin thư mục riêng (ví dụ thư mục C:\PCExpSetup) Chạy chương trình MatLab, chưa chạy Nếu có cửa sổ Simulink mở, đóng lại Tốt có cửa sổ MatLab mở Trong mơi trường dịng lệnh MatLab, chuyển thư mục thời đến thư mục có chứa cài đặt toolbox Trong ví dụ trên, sử dụng dịng lệnh sau: » cd ‘C:\PCExpSetup’ Chạy chương trình setup » setup Làm theo hướng dẫn chương trình cài đặt Về bản, để cài đặt toolbox chế độ mặc định, bạn cần nhấn phím ENTER hỏi Sau chương trình cài đặt chạy xong báo cài đặt thành cơng, bạn sử dụng toolbox Để thử nghiệm, sử dụng mơ hình Simulink ví dụ thư mục toolbox (\toolbox\hut_ac\pcexp) 2.3 Gỡ bỏ toolbox Khi không cần sử dụng toolbox nữa, bạn gỡ bỏ hồn tồn khỏi hệ thống cách thực bước sau Nếu chương trình MatLab chưa chạy, chạy Nếu cịn cửa sổ Simulink mở (các mơ hình hay cửa sổ thư viện Blockset Simulink), đóng tất lại Tại dịng lệnh MatLab, thực lệnh >> pcexp -remove Làm theo hướng dẫn chương trình trình gỡ bỏ kết thúc Nếu chương trình báo gỡ bỏ thành cơng, toolbox gỡ bỏ hồn tồn khỏi hệ thống Bạn sử dụng MatLab cách bình thường Trong số trường hợp, bạn phải xóa bỏ tay thư mục toolbox (\toolbox\hut_ac\pcexp) Sử dụng toolbox Phần toolbox thư viện bao gồm khối Simulink phục vụ cho thí nghiệm điều khiển trình Sau toolbox cài đặt, cửa sổ thư viện khối Simulink (Simulink Library Browser) xuất mục Process Control Experiments chứa khối Simulink toolbox (Xem Hình 1) Ngồi dùng lệnh sau cửa sổ lệnh MatLab để mở riêng cửa sổ chứa khối Simulink này: >> pcexp -open Các khối Simulink thư viện chia thành hai loại chính: • Các khối mơ đối tượng sử dụng thí nghiệm Hình Cửa sổ thư viện Simulink • Các khối giao diện đồ họa tương tác giúp người sử dụng quan sát q trình thí nghiệm thay đổi thông số hệ thống cách trực quan Hiện tại, thư viện cung cấp sẵn bốn khối Simulink bảng CÁC KHỐI MƠ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG Single-Tank Mơ hệ thống bình mức với van vào van Two-Tank Mơ hệ thống hai bình mức với van vào bình 1, van hai bình van từ bình CÁC KHỐI GIAO DIỆN ĐỒ HỌA TƯƠNG TÁC Tank GUI Giao diện đồ họa tương tác cho hệ thống bình mức Two-Tank GUI Giao diện đồ họa tương tác cho hệ thống hai bình mức 3.1 Các khối mơ đối tượng 3.1.1 Single-Tank • Tên khối: Single-Tank • Số đầu vào: • Số đầu ra: • Chức năng: Mơ hệ thống bình mức với van vào van Sơ đồ hệ thống bình mức biểu diễn hình Hình Khối Single-Tank In Valve In Flow Level Out Valve Out Flow Hình Sơ đồ hệ thống bình mức Trong hình vẽ trên: • In Valve Out Valve van điều khiển lưu lượng vào • In Flow Out Flow lưu lượng vào • Level mức chất lỏng bình, chiều cao khối chất lỏng bình (khơng phải thể tích) Mức chất lỏng tối đa bình, hay chiều cao bình, 1000 Ở chế độ mặc định, khối Single-Tank có hai đầu vào ba đầu ra, biểu diễn Hình Có số điểm cần ý hệ thống • Các đầu vào In Valve Out Valve độ mở van tương ứng, nhận giá trị thực khoảng từ 0.0 đến 1.0 Giá trị 0.0 tương ứng với trường hợp van đóng hoàn toàn, giá trị 1.0 tương ứng với trường hợp van mở hồn tồn (100%) Các van khơng đáp ứng tức thời với giá trị độ mở van đặt vào mà phải thay đổi đến giá trị mong muốn Ví dụ độ mở van thời 0.2 (20%), đặt giá trị độ mở van 0.6 (60%) độ mở van thực tăng dần từ 0.2 lên 0.6 trình phải tốn khoảng thời gian định • Các đầu In Flow Out Flow giá trị lưu lượng vào thực Trong hệ thống này, lưu lượng tính tích độ mở van với giá trị lưu lượng tối đa • Lưu lượng tối đa (cho van ra) phụ thuộc vào mức chất lỏng bình Cịn lưu lượng vào tối đa phụ thuộc vào nguồn cung cấp chất lỏng Đối với khối Single-Tank, có hai chế độ lưu lượng vào tối đa: chế độ tự động chế độ đặt từ bên Xem phần để biết chi tiết hai chế độ Các chế độ lưu lượng vào tối đa • Chế độ tự động: chế độ này, hệ mô tự động xác định giá trị lưu lượng vào tối đa, trình hoạt động, giá trị thay đổi cách ngẫu nhiên nhằm mô giống thực tế (khi nguồn cung cấp thay đổi lưu lượng) • Chế độ đặt từ bên ngồi: chế độ này, giá trị lưu lượng vào tối đa đặt từ bên ngồi người sử dụng thơng qua đầu vào khối Khi chuyển sang chế độ này, khối Single-Tank tự động tạo thêm đầu vào để nhận giá trị lưu lượng vào tối đa Đầu vào không đặt tên đầu vào thứ ba (xem hình bên) Các tham số khối Khi nhấn đúp chuột vào khối Single-Tank, cửa sổ đặt tham số cho khối lên Hình Khối Single-Tank có năm tham số, bao gồm: • Tham số Course Number, Class Number Name List Number: nhập vào thơng số khóa (course), lớp (class) số thứ tự danh sách (name list number) sinh viên Dựa vào thông số này, hệ thống tự động tính tốn thơng số cụ thể hệ thống bình mức cho sinh viên • Tham số Initial Level: mức chất lỏng ban đầu bình Vì chiều cao bình 1000 nên tham số phải số thực khoảng từ 0.0 đến 1000.0 • Tham số Manual Input Flow Rate: hộp không chọn chế độ lưu lượng vào tối Hình Cửa sổ tham số khối Single-Tank đa chế độ tự động, hộp chọn chế độ lưu lượng vào tối đa chế độ đặt từ bên Mặc định hộp khơng chọn 3.1.2 Two-Tank • Tên khối: Two-Tank • Số đầu vào: • Số đầu ra: • Chức năng: Mơ hệ thống hai bình mức với van vào bình 1, van hai bình van từ bình Sơ đồ hệ thống hai bình mức biểu diễn hình Hình Khối Two-Tank Valve Flow Level Valve Valve Flow Level Flow Tank Tank Hình Hệ thống hai bình mức Trong hình vẽ trên: • Tank Tank hai bình mức • Valve 1, Valve Valve van điều khiển lưu lượng vào bình 1, lưu lượng hai bình lưu lượng từ bình • Flow 1, Flow Flow lưu lượng qua van tương ứng • Level Level mức (chiều cao) chất lỏng bình bình Mức chất lỏng tối đa hai bình 1000 Các đầu vào đầu khối Two-Tank quy định sau: • Các đầu vào Valve 1, Valve Valve độ mở van tương ứng, nhận giá trị thực khoảng từ 0.0 đến 1.0 Giá trị 0.0 tương ứng với trường hợp van đóng hoàn toàn, giá trị 1.0 tương ứng với trường hợp van mở hồn tồn (100%) Các van khơng đáp ứng tức thời với giá trị độ mở van đặt vào mà phải thay đổi đến giá trị mong muốn Ví dụ độ mở van thời 0.2 (20%), đặt giá trị độ mở van 0.6 (60%) độ mở van thực tăng dần từ 0.2 lên 0.6 trình phải tốn khoảng thời gian định • Các đầu Flow 1, Flow Flow giá trị lưu lượng qua van tương ứng Trong hệ thống này, lưu lượng tính tích độ mở van với giá trị lưu lượng tối đa • Lưu lượng tối đa cho van phụ thuộc vào mức chất lỏng bình Lưu lượng tối đa cho van phụ thuộc vào độ chênh lệch mức chất lỏng bình bình Cịn lưu lượng tối đa cho van (van vào) phụ thuộc vào nguồn cung cấp chất lỏng Khối TwoTank có hai chế độ lưu lượng vào tối đa: chế độ tự động chế độ đặt từ bên Xem phần để biết chi tiết hai chế độ Các chế độ lưu lượng vào tối đa • Chế độ tự động: chế độ này, hệ mô tự động xác định giá trị lưu lượng vào tối đa, trình hoạt động, giá trị thay đổi cách ngẫu nhiên nhằm mô giống thực tế (khi nguồn cung cấp thay đổi lưu lượng) • Chế độ đặt từ bên ngoài: chế độ này, giá trị lưu lượng vào tối đa đặt từ bên ngồi người sử dụng thơng qua đầu vào khối Khi chuyển sang chế độ này, khối Two-Tank tự động tạo thêm đầu vào để nhận giá trị lưu lượng vào tối đa Đầu vào không đặt tên đầu vào thứ tư (xem hình bên) Các tham số khối Khi nhấn đúp chuột vào khối Two-Tank, cửa sổ đặt tham số cho khối lên Hình Khối Two-Tank có bốn tham số, bao gồm: • Tham số Course Number, Class Number Name List Number: nhập vào thơng số khóa (course), lớp (class) số thứ tự danh sách (name list number) sinh viên Dựa vào thông số này, hệ thống tự động tính tốn thơng số cụ thể hệ thống hai bình mức cho sinh viên • Tham số Manual Input Flow Rate: hộp khơng chọn chế độ lưu lượng vào tối đa chế độ tự động, hộp chọn chế độ lưu lượng vào tối đa chế độ đặt từ bên Mặc định hộp khơng chọn Hình Cửa sổ tham số khối Two-Tank 3.2 Các khối giao diện đồ họa tương tác 3.2.1 Tank GUI • Tên khối: Tank GUI • Số đầu vào: • Số đầu ra: • Chức năng: Cung cấp giao diện đồ họa tương tác cho hệ thống bình mức Khi hoạt động, khối Tank GUI tạo giao diện đồ họa Hình Hình Khối Tank GUI Đầu vào Đầu vào Level mức chất lỏng thời bình Trong q trình mơ phỏng, giá trị đầu vào thể tức thời hình ảnh bình mức giao diện đồ họa Giá trị đầu vào Level bị chặn khoảng từ 0.0 đến chiều cao bình mức (xem phần Các tham số khối dưới) Các đầu Đầu SP giá trị điểm đặt, xác định giá trị trượt tương ứng giao diện đồ họa Khi người dùng thay đổi giá trị điểm đặt giao diện đồ họa giá trị đầu thay đổi theo tương ứng Bình mức Đầu OutValve giá trị độ mở van ra, số thực từ 0.0 đến 1.0 tương ứng với độ mở van từ 0% đến 100% Giá trị đầu xác định theo trượt tương ứng giao diện đồ họa Các tham số khối Đặt SetPoint Độ mở van Hình Giao diện tương tác Tank GUI Khi nhấn đúp chuột vào khối Tank GUI, cửa sổ đặt tham số cho khối lên Hình 10 Khối Tank GUI có hai tham số, bao gồm: • Tham số Maximum Height: chiều cao bình mức, mức chất lỏng tối đa bình mức Giá trị đầu vào Level khối bị chặn giá trị • Tham số Sample Time: thời gian trích mẫu gắn với khối này, chu kỳ cập nhật khối (bao gồm cập nhật hình ảnh cập nhật giá trị trượt) Giá trị chu kỳ tính theo giây (s) Nếu giá trị -1 khối Tank GUI cập nhật theo thay đổi đầu vào nó, nghĩa chịu điều khiển khối đưa giá trị tới đầu vào Hình 10 Cửa sổ tham số khối Tank GUI 3.2.2 Two-Tank GUI • Tên khối: Two-Tank GUI • Số đầu vào: • Số đầu ra: • Chức năng: Cung cấp giao diện đồ họa tương tác cho hệ thống hai bình mức Hình 11 Khối Two-Tank GUI Khi hoạt động, khối Two-Tank GUI tạo giao diện đồ họa Hình 12 Van Đặt SetPoint Bình mức Bình mức Van Đặt SetPoint Van Hình 12 Giao diện tương tác Two-Tank GUI Các đầu vào Đầu vào Level Level tương ứng mức chất lỏng thời bình bình Trong q trình mơ phỏng, giá trị đầu vào thể tức thời hình ảnh bình mức tương ứng giao diện đồ họa Các giá trị bị chặn khoảng từ 0.0 đến chiều cao bình mức tương ứng (xem phần Các tham số khối dưới) Đầu vào Valve vector tương ứng với giá trị độ mở van trường hợp có van điều khiển từ bên ngồi khối thay từ trượt giao diện đồ họa Số phần tử vector phải số van điều khiển từ bên khối, theo thứ tự từ van đến van Xem thêm phần Các đầu ra, phần Các tham số khối ví dụ sử dụng khối Các đầu Các đầu SP SP tương ứng giá trị điểm đặt cho bình bình 2, xác định giá trị trượt tương ứng giao diện đồ họa Khi người dùng thay đổi giá trị điểm đặt giao diện đồ họa giá trị đầu thay đổi theo tương ứng Các đầu Valve 1, Valve Valve tương ứng giá trị độ mở van 1, van van 3, số thực từ 0.0 đến 1.0 tương ứng với độ mở van từ 0% đến 100% Các giá trị đầu xác định sau: • Nếu van khơng điều khiển từ bên ngồi khối, hay nói cách khác van điều khiển người sử dụng thông qua giao diện đồ họa tương tác, giá trị đầu xác định theo trượt tương ứng giao diện đồ họa • Nếu van điều khiển từ bên ngồi khối giá trị đầu giá trị tương ứng vector đầu vào Valve (xem phần Các đầu vào) Xem thêm phần Các đầu vào, phần Các tham số khối ví dụ sử dụng khối Các tham số khối Khi nhấn đúp chuột vào khối Two-Tank GUI, cửa sổ đặt tham số cho khối lên Hình 13 Khối Two-Tank GUI có bốn tham số, bao gồm: • Tham số Maximum Height of Tank 1: chiều cao bình 1, mức chất lỏng tối đa bình Giá trị đầu vào Level khối bị chặn giá trị • Tham số Maximum Height of Tank 2: chiều cao bình 2, mức chất lỏng tối đa bình Giá trị đầu vào Level khối bị chặn giá trị • Tham số Valve Mask: vector gồm ba phần tử Nếu phần tử thứ k vector có giá trị khác valve thứ k điều khiển người sử dụng thông qua trượt tương ứng giao diện đồ họa Ngược Hình 13 Cửa sổ tham số khối Two-Tank GUI lại, phần tử thứ k vector có giá trị khác valve thứ k điều khiển từ bên ngồi khối thơng qua giá trị tương ứng vector đầu vào Valve (xem ví dụ sử dụng khối bên dưới) • Tham số Sample Time: thời gian trích mẫu gắn với khối này, chu kỳ cập nhật khối (bao gồm cập nhật hình ảnh cập nhật giá trị trượt) Giá trị chu kỳ tính theo giây (s) Nếu giá trị -1 khối Two-Tank GUI cập nhật theo thay đổi đầu vào nó, nghĩa chịu điều khiển khối đưa giá trị tới đầu vào Ví dụ sử dụng khối Xét số ví dụ đơn giản sử dụng khối để hiểu rõ cách thức hoạt động khối • Hệ thống hai bình mức, van người sử dụng thay đổi, van van hệ thống điều khiển thay đổi (thay đổi từ bên ngồi khối) Hình ảnh mơ hình Simulink hình bên Trong trường hợp này, tham số Valve Mask khối đặt vector [0 0] (phần tử tương ứng với van thay đổi từ bên ngoài, phần tử van người dùng 10 ... mang buổi thí nghiệm Mơ hình Simulink phải nộp mơ hình hoàn chỉnh cuối cùng, sau thực tất buớc phÇn nhiệm vụ thí nghiệm Bé môn Điều khiển tự động - Viện Điện Tài liệu thí nghiệm Điều khiển trình. .. (tham khảo thí nghiệm 1) Giải thích chọn sách luợc Vẽ lưu đồ P&ID th hin sỏch luc iu chnh ny Bộ môn Điều khiển tự động - Viện Điện Tài liệu thí nghiệm Điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa... Toolbox thí nghiệm điều khiển trình bao gồm khối Simulink (Simulink block) phục vụ cho thí nghiệm mơn học Điều khiển q trình giảng dạy Bộ mơn Điều khiển tự động, Khoa Điện, Trường Đại học Bách