Báo cáo thí nghiệm điều khiển quá trình Đại học Bách khoa Hà Nội trình bày cụ thể mô phỏng simulink. Hướng dẫn xây dựng số liệu, lựa chọn tham số cho bộ điều khiển.Đầy đủ các mục của bài thí nghiệm sử dụng matlab
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN - - BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Hà Nội, 8/2021 Bài Xây dựng hệ thống điều khiển bể mức 1.1 Xác định tín hiệu vào, tín hiệu nhiễu Tín hiệu vào độ mở van vào Tín hiệu mức chất lỏng Nhiễu độ mở van ra, lưu lượng nước 1.2 Xây dựng mơ hình tốn học Với F1 F2 lưu lượng van vào van Ta có phương trình cân vật chất: dV dh =A = F1 − F ( 1) dt dt A tiết diện bể từ xuống Ở trạng thái xác lập: = F1 − F ( ) Lấy (1) trừ (2) ta có: A d ∆V h = ∆F1 − V ∆F dt y = ∆h; u = ∆F 2; d = ∆F1 Đặt: dy = (d − u) dt A dy Tại trạng thái ban đầu y, u, d sy ( s ) = − Laplace vế ta được: dt 1 u (s ) + d ( s ) A A Do van khâu quán tính bậc nên hàm truyền hệ thống có dạng: 1.3 Xác định tham số mơ hình Mơ hình Single tank có thơng số sau: • Course: 63 • Class: 33 • Number in list: 70 Sử dụng phương pháp đường cong đáp ứng với tín hiệu đầu vào Step thu kết quả: Dựa hai giá trị xác định điểm cắt với trục hoành độ dốc, ta xác định thông số mô hình: K = 3.13; T = 2.8 Từ tham số tính được, xây dựng hàm truyền so sánh với đối tượng Tham số thu khớp với đối tượng Vậy hàm truyền đối tượng là: 1.4 Xác định sách lược điều khiển Ta sử dụng điều khiển phản hồi điều khiển tầng, đồng thời sử dụng truyền thẳng, tỉ lệ, lựa chọn, phân vùng Quá trình bể định mức khâu tích phân khơng tự cân bằng, tác động nhiễu làm cân trạng thái, dẫn đến sử dụng truyền thẳng, dẫn tới khơng thể sử dụng tỉ lệ Ngồi ra, điều khiển lựa chọn phân vùng cần biến điều khiển mà có biến điều khiển 1.5 Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng Phương trình hàm truyền đối tượng khâu tích phân quán tính bậc nên em chọn phương pháp thứ Ziegler-Nichols cho điều khiển PID Do theo lý thuyết, khâu tích phân qn tính bậc xác định đơn giản phương pháp dựa theo đặc tính đáp ứng bậc thang đối tượng Dựa công thức phương pháp Ziegler-Nichols thứ em thu thông số điều khiển sau: Bộ điều khiển Kp Ti Td P 0.32 - - PI 0.288 9.33 - PID 0.383 5.6 1.4 1.6 Sách lược điều khiển truyền thẳng Sơ đồ mô sách lược điều khiển truyền thẳng: Đáp ứng mức bể dựa mơ phỏng: Có thể thấy, đầu tăng đến bể tràn, không bám theo tín hiệu điều khiển Sách lược điều khiển truyền thẳng khơng có khả áp dụng hệ thống không cân 1.7 Sách lược điều khiển phản hồi vịng đơn Sơ đồ mơ phỏng: Giá trị đặt mô 300 với độ mở van 30% Trường hợp sử dụng điều khiển P Đáp ứng chậm nhiên tín hiệu ổn định bám sát tín hiệu đặt Trường hợp dụng điều khiển PI Hệ thống đáp ứng nhanh trường hợp dùng điều khiển P, nhiên độ điều chỉnh lớn xuất nhiều dao động Dao động tắt dần Trường hợp sử dụng điều khiển PID Hệ thống đáp ứng nhanh, độ điều chỉnh lớn Hệ thống xuất dao động, không đạt trạng thái ổn định Đo lưu lượng Trong sách lược điều khiển vịng đơn nên có đo lưu lượng Ta bù lưu lượng vào lượng lưu lượng giúp cho điều khiển có phản ứng nhanh nhiễu 1.8 Hạn chế khắc phục điều khiển có thành phần tích phân Khi sử dụng điều khiển có thành phần tích phân, mức nước vượt giá trị đặt không ổn định Hiện tượng xảy bão hịa tích phân, gây độ q điều chinh lớn, thời gian độ dài sai lệch tĩnh lớn Để khắc phục tượng bão hịa tích phân, em sử dụng khâu chống bão hịa tích phân nối tiếp với điều khiển 1.9 Sách lược điều khiển phản hồi vịng đơn có chống bão hịa tích phân Sơ đồ hệ thống với điều khiển khối Subsystem Trường hợp sử dụng điều khiển PI – chống bão hịa tích phân Sơ đồ khâu PI nối tiếp khâu bão hịa tích phân Các tham số khâu • Gain: K=Kp=0.288 • Gain1: K=1/Ti=0.107 • Gain2: K=5 Đáp ứng hệ thống với điều khiển Có thể thấy thời gian đáp ứng hệ thống nhanh, không xảy độ điều chỉnh Hệ thống hoạt động ổn định Trường hợp sử dụng điều khiển PID – chống bão hòa tích phân Sơ đồ khâu PID nối tiếp khâu PID nối tiếp khâu chống bão hịa tích phân: Cấc tham số điều khiển trên: • Gain: K=Kp=0.383 • Gain1: K=1/Ti=0.1786 • Gain2: K=5 • Gain3: K=Td =1.4 Đáp ứng hệ thống: CHƯƠNG Bài Xây dựng hệ thống điều khiển hai bể mức thông 2.1 Xây dựng mơ hình xác định tín hiệu vào, nhiễu Tín hiệu vào độ mở van vào bể bể Tín hiệu mức chất lỏng bể bể Nhiễu độ mở van lưu lượng bể 2.2 Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng dV = F1− F dt dV dt = F 2−F3 Suy d h1 dt d h2 dt = F −F A = Suy F −F A H (s) = F ( s) − F ( s) A A ( s) = F ( s ) − F ( s) A A H 2 1 2 Ma trận hàm truyền chưa xét đến van A2 G p(s) = 0 G d (s) = A2 ÷÷ ÷ ÷ A2 − ÷ −1 ÷ A2 ÷ Van có hàm truyền: Van khâu quán tính + T 1S Van khâu quán tính + T 2S Van khâu quán tính + T 3S 2.3 Xác định tham số mơ hình Mơ hình Two tank có thơng số sau: • Course: 63 • Class: 33 • Number in list: 57 Sử dụng tín hiệu Step đầu vào thu đáp ứng hệ: Hình 2.1 Bể Hình 2.2 Bể Sử dụng tham số giao điểm với trục hoành độ dốc tiếp tuyến thu tham số K1 = 0.8, T1 = 5.7 K2 = 0.52, T2 = 20.5, t = 3.5 Kiểm chứng lại mơ hình sau Hình 2.3 Qua việc hiệu chỉnh mơ phỏng, em thu tham số sau: K1 = 0.67; T1 = 5.7 K2 = 0.66; T2 = 20.5; t = 3.5 Hình 2.4 Bể Hình 2.5 Bể 2.4 Xác định sách lược điều khiển 2.5 Thiết kế điều khiển PID Bể Phương trình hàm truyền đối tượng khâu tích phân quán tính bậc nên em chọn phương pháp thứ Ziegler-Nichols cho điều khiển PID Do theo lý thuyết, khâu tích phân qn tính bậc xác định đơn giản phương pháp dựa theo đặc tính đáp ứng bậc thang đối tượng Dựa công thức phương pháp Ziegler-Nichols thứ em thu thông số điều khiển sau: Bộ điều khiển Kp Ti Td P 1.493 - - PI 1.343 19 - PID 1.791 11.4 2.85 Bể Tương tự với bể 1, áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols thứ em thu thông số điều khiển: Bộ điều khiển Kp Ti Td P 1.515 - - PI 1.363 68.33 - PID 1.818 41 10.25 2.6 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn Trường hợp sử dụng điều khiển P Sơ đồ mô Hình 2.6 Sơ đồ phản hồi vịng đơn P Thơng số điều khiển: Bể 1: P=Kp=1.493 Bể 2: P=Kp=1.515 Kết mơ phỏng: Hình 2.7 Bể Hình 2.8 Bể Xuất sai lệch tĩnh bể; thời gian đáp ứng nhanh, không xuất dao động, khơng có độ q điều chỉnh Trường hợp sử dụng điều khiển PI-RW Sơ đồ mô Hình 2.9 Sơ đồ phản hồi vịng đơn PI Bộ điều khiển PID bể bể khối PID 1, PID Mô hình điều khiển PI-RW: Hình 2.10 PI-RW Thơng số cụ thể điều khiển: Bể 1: • Gain: K=Kp=1.343 • Gain1: K=1/Ti=0.0526 • Gain2: K=10 Bể 2: • Gain: K=Kp=1.363 • Gain1: K=1/Ti=0.01463 • Gain2: K=8 Kết mơ phỏng: Hình 2.11 Bể Hình 2.12 Bể Đáp ứng mức bể bám với tín hiệu đặt, độ điều chỉnh 0, tín hiệu ổn định, không bị dao động 2.7 Sách lược điều khiển tầng 2.7.1 Xác định vòng điều khiển Vòng điều khiển gồm có vịng Vịng (thứ cấp) có chức loại trừ ảnh hưởng nhiễu tới biến cần điều khiển thực Vịng ngồi (sơ cấp) có chức đáp ứng với giá trị đặt thay đổi, loại trừ ảnh hưởng nguồn nhiễu cịn lại, nhằm trì biến cần điều khiển giá trị đặt Vòng ( vịng ngồi): đo mức bể phản hồi lại so sánh với SP Vòng (vòng trong): đo hiệu lưu lượng Flow cho ta tín hiệu điều khiển van phù hợp 2.7.2 Xây dựng vòng điều khiển Trường hợp sử dụng điều khiển P (vòng ngồi)/P (vịng trong) a Sơ đồ mơ phỏng: Hình 2.13 Sơ đồ mô điều khiển tầng P/P Để thay đổi giá trị đặt cho mức bể bể 2, em sử dụng tín hiệu step Cụ thể với bể thời điểm t=2000, giá trị đặt tăng lên 700; bể thời điểm t=3000, giá trị đặt tăng lên 450 b Xây dựng tham vòng điều khiển Bể 1: Hàm truyền van vào bể Sử dụng tính Tune matlab hiệu chỉnh thực tế thu thông số điều khiển vịng Ptrong1=2.18 Tiếp theo, em tìm hàm truyền hệ kín vịng sau nhân với hàm truyền mức bể hàm truyền hệ hở vịng ngồi sau Sử dụng matlab hiệu chỉnh thu hệ số khuếch đại điều khiển P vịng ngồi Pngồi1=5.4 Ngồi ra, tín hiệu điều khiển vịng ngồi tương ứng với mức, cịn vịng lại nhận tín hiệu vào lưu lượng nước Do để vịng điều khiển tương thích nhau, tín hiệu điểu khiển vịng ngồi nhân với hệ số khuếch đại 150 Hệ số 150 chọn lưu lượng đỉnh đạt tới giá trị 15.10 giá trị mức tối đa 1000 Đáp ứng mức bể Hình 2.14 Bể Tín hiệu mức bể bám với thay đổi tín hiệu đặt, khơng có độ q điều chỉnh, khơng xảy dao động Bể 2: Hàm truyền van vào bể Sử dụng tính Tune matlab hiệu chỉnh thực tế thu thông số điều khiển vịng Ptrong2=3.12 Tiếp theo, em tìm hàm truyền hệ kín vịng sau nhân với hàm truyền mức bể hàm truyền hệ hở vịng ngồi sau Sử dụng matlab hiệu chỉnh thu hệ số khuếch đại điều khiển P vịng ngồi Pngồi2=10.72 Tương tự bể 1, tín hiệu khuếch đại vịng ngồi nhân với hệ số khuếch đại 75 lưu lượng van vào bể có giá trị tối đa 75.103 Đáp ứng mức bể Hình 2.15 Bể Tín hiệu đầu thay đổi sát theo tín hiệu đặt, khơng có độ q điều chỉnh không xảy dao động Trường hợp sử dụng điều khiển P (vịng ngồi)/ PI-RW (vịng trong) a Sơ đồ mô Khối PI-RW điều khiển PI có chống bão hịa tích phân với mơ hình cụ thể sau b Xây dựng điều khiển Bể 1: Sử dụng hàm truyền van bể có trên, em sử dụng Tune matlab thu thông số điều khiển PI vịng Ptrong1=1.2; Itrong1=0.55 Thơng số thể mơ hình PI chống bù tích phân: • Gain: K=1.2 • Gain1: K=I/P=0.4583 • Gain2: K=0.3 Từ tìm hàm truyền hệ hở vịng ngồi Từ hàm truyền, phương pháp trên, em thu thông số điều khiển P vịng ngồi Pngồi1=6.2 Kết mơ sau Hình 2.16 Bể Do hạn chế máy tính nên thời gian mơ em đạt đến t=1500 Tín hiệu mức bể ổn định, khơng có độ q điều chỉnh Bể 2: Tương tự bể 1, sau hiệu chỉnh, em thu thông số điều khiển PI vịng Ptrong2=2.28; Itrong2=0.39 Thơng số cụ thể mơ phỏng: • Gain: K=2.28 • Gain1: K=I/P=0.171 • Gain2: K=0.2 Từ tìm hàm truyền hệ hở vịng ngồi Sau hiệu chỉnh mơ phỏng, em thu P ngồi2=8.4 Kết mơ sau Hình 2.17 Bể Tín hiệu đáp ứng ổn định, khơng có độ q điệu chỉnh, khơng xảy dao động ... định với điều khiển 1.10 Sách lược điều khiển tầng 1.10.1 Lý cần điều khiển tầng Điều khiển tầng khắc phục vấn đề điều khiển phản hồi vòng đơn phản hồi chậm với ảnh hưởng nhiễu, độ điều chỉnh... tỉ lệ Ngồi ra, điều khiển lựa chọn phân vùng cần biến điều khiển mà có biến điều khiển 1.5 Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng Phương trình hàm truyền đối tượng khâu tích phân quán tính bậc... Ziegler-Nichols thứ em thu thông số điều khiển sau: Bộ điều khiển Kp Ti Td P 0.32 - - PI 0.288 9.33 - PID 0.383 5.6 1.4 1.6 Sách lược điều khiển truyền thẳng Sơ đồ mô sách lược điều khiển truyền thẳng: Đáp