BÁO CÁO THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Điện - BÁO CÁO THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Họ Tên sinh viên: Đoàn Trọng Đức MSSV: 20181401 Mã lớp thí nghiệm: 707428 Mã lớp lý thuyết: 124685 Thơng số cho thí nghiệm: Course: 63 Number: Class: 28 StopTime: 1000 BÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT BÌNH NƯỚC 1.Xác định tín hiệu vào/ nhiễu hệ thống F2 F1 Hệ Thống h Tín hiệu vào: Độ mở van vào (In Valve): F1 Tín hiệu ra: Mức nước bình (Level): h Nhiễu hệ thống: Độ mở van (Out Valve): F2 Số biến vào là: Số biến : Số bậc tự là: 3-1 =2 số biến vào Suy hệ thống điều khiển 2.Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng với tham số hình thức Phương trình cân bằng: 𝐴 𝒅𝒉 𝒅𝒕 = 𝐹1 − 𝐹2 Biến đổi Laplace: A.s.h(s)= 𝐹1 (𝑠) − 𝐹2 (𝑠) Khi khơng có nhiễu: => G’(s)= A.s.h(s)= 𝐹1 (𝑠) ℎ(𝑠) 𝐹1 = (𝑠) 𝐴.𝑠 Do đặc tính van nên hàm truyền đạt có dạng qn tính bậc : G(s)= 𝑘 𝑠.(𝑇𝑠+1) Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình Phương pháp đường cong đáp ứng Với thông số Single Tank sau: Course: 63 (K63) Class: 28 (Mã lớp thí nghiệm: 707428) Name List Number: (MSSV: 20181401) Ta thu đồ thị: Từ đồ thị ta kẻ tiệm cận xác định được: T = 3.95 k= tan(𝛼) = 3.01 Như ta xác định hàm truyền đạt hệ là: G(s)= 𝟑.𝟎𝟏 𝐬.(𝟑.𝟗𝟓𝐬+𝟏) Kiểm tra lại MatLab ta thu được: Ta thấy đường màu xanh đỏ gần khít từ chứng tỏ k T thu hợp lý CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU CHỈNH - Các Sách lược điều chỉnh sử dụng Sách lược điều khiển phản hồi Vì sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định hệ thống không ổn định cụ thể hệ thống bình mức Sách lược điều khiển tầng Vì sách lược điều khiển tầng có tác dụng ổn định hệ thống không ổn định ngồi cịn giảm tối thiểu ảnh hưởng nhiễu -Các Sách lược điều chỉnh sử dụng Sách lược điều khiển truyền thẳng Điều khiển truyền thẳng khơng có tác dụng ổn định hệ thống khơng ổn định, cụ thể hệ thống bình mức thí nghiệm có thành phần tích phân Điều khiển truyền thẳng đáp ứng nhanh với nhiễu, cảm biến đo khơng xác họặc sai số mơ hình lớn làm mực nước bình bị tràn cạn hết Sách lược điều khiển tỉ lê Sách lược điều khiển tỉ lệ cần biến điều khiển bình mức có biến điều khiển F1 nên áp dụng sách lược Sách lược điều khiển lựa chọn Do điều khiển lựa chọn yêu cầu hai biến điều khiển mà hệ thống bình mức có biến điều khiển nên áp dụng sách lược điều khiển THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG Ta sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol phương pháp áp dụng cho đối tượng có đặc tính khâu qn trính bậc khâu tích phân có thời gian trễ tương đối nhỏ Ta có thơng số điều khiển bảng Bộ điều khiển P 𝟏 PI 𝟎,𝟗 PID Kp 𝒌 𝒌 = 0,332 = 0,299 𝟏, 𝟐 = 𝟎, 𝟑𝟗𝟗 𝐤 Ti - Td - 3,3.T= 13,035 - 2.T= 7,9 0,5.T =1,975 Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng Như ta nói tốn khơng thể áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng ta kiểm chứng nhận định Lưu đồ P&ID: Sơ đồ mô MatLab: Ta thử nghiệm sách lược truyền thẳng với ba điều khiển P, PI,PID Với giá trị đặt level 10000 StopTime 1000 Trường hợp sử dụng điều khiển P với 𝑲𝒑 =0,332 ta thu kết sau Trường hợp sử dụng điều khiển PI với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟐𝟗𝟗 kết sau 𝑻𝒊 = 13,035 ta thu Trường hợp sử dụng điều khiển PID với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟑𝟗𝟗 1,975 ta thu kết sau 𝑻𝒊 = 𝟕, 𝟗 𝑻𝒅 = Nhận xét: Từ ta thấy nhận định sách lược điều khiển truyền thẳng áp dụng vào tốn Giải thích: Sách lược truyền thẳng yêu cầu cụ thể thông tin q trình ảnh hưởng nhiễu để điều khiển ổn định Tuy nhiên, nhiễu đo Thực tế, điều khiển lý tưởng khơng có tính khả thi Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn Lưu đồ P&ID: Sơ đồ mô MatLab: Ta thử nghiệm sách lược với điều khiển P, PI, PID Với giá trị đặt level 10000 StopTime 1000 Trường hợp sở dụng điều khiển P với 𝐊 𝐩 =0,332 Nhận Xét: Hệ thống hoạt động ổn định, độ điều chỉnh nhỏ, thời gian độ ngắn Như vậy, sử dụng điều khiển P đơn giản (đặc biệt hệ mơ bình nước thân hệ có thành phần tích phân), tác động nhanh mức chất lỏng gần sát với giá trị đặt có tính ổn định cao Trường hợp sử dụng điều khiển PI với 𝐊 𝐩 = 𝟎, 𝟐𝟗𝟗, 𝐓𝐢 = 13,035 Nhận Xét: Hệ thống không ổn định, độ điều chỉnh thời gian độ lớn Trường hợp sử dụng điều khiển PID với 𝐊 𝐩 = 𝟎, 𝟑𝟗𝟗 𝐓𝐢 = 7,9 𝐓𝐝 =1,975 Nhận xét: Hệ thống không ổn định, độ điều chỉnh thời gian độ lớn Nhận xét Đáp ứng mức nước: • Trong trường hợp van đầu đóng, hệ thống đáp ứng tốt chậm so với việc dùng điều khiển P, khơng xuất sai lệch tĩnh • Khi van đầu mở, hệ thống đáp ứng được, có sai lệch tĩnh đáp ứng chậm so với lúc chưa mở van Đáp ứng chịu ảnh hưởng bão hịa tích phân nên xuất dao động Đáp ứng lưu lượng van: • Khi van mở, lưu lượng van đầu vào bám sát với lưu lượng đầu dao động lớn Qua ta thấy trường hợp đo lưu lượng cho kết tốt so với trường hợp không đo lưu lượng với đáp ứng nhanh sai lệch tĩnh nhỏ 20 BÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HAI BÌNH NƯỚC THƠNG NHAU 1.Xây dựng mơ hình cho đối tượng, xác định tín hiệu vào, tín hiệu ra, nhiễu hệ thống Tín hiệu vào: độ mở van F1, độ mở van F2 Tín hiệu ra: Mức hai bình mức: level1: h1 level 2: h2 Nhiễu: Độ mở van F3 2.Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng với cá tham số hình thức Phương trình cân bằng: 𝑨𝟏 𝑨𝟐 𝒅𝒉𝟏 𝒅𝒕 𝒅𝒉𝟐 𝒅𝒕 = 𝑭𝟏 − 𝑭𝟐 = 𝑭𝟐 − 𝑭𝟑 Biến đổi Laplace: 𝑨𝟏 s.𝑯𝟏 (s)= 𝑭𝟏 (𝒔) − 𝑭𝟐 (𝒔) 𝑨𝟐 s.𝑯𝟐 (s)= 𝑭𝟐 (𝒔) − 𝑭𝟑 (𝒔) Nếu khơng tính đến đặc tính qn tính bậc van, => 𝑮𝟏 ’(s)= 𝑮𝟐’(s) = 𝟏 𝑨𝟏 𝒔 𝟏 𝑨𝟐 𝒔 Do đặc tính van khâu có hàm truyền khâu qn tính bậc hai bình thơng nên đặc tính van khâu có hàm truyền khâu qn tính bậc có trễ Vì ta có hàm truyền đạt bình sau 𝑮𝟏 (s)= 𝑮𝟐 (s)= 𝒌𝟏 𝒔.(𝑻𝒔+𝟏) 𝒌𝟐 𝒔.(𝑻𝒔+𝟏) 𝒆−𝜽𝒔 Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình Sơ đồ mơ phỏng: Đối với bình Từ đồ thị ta xác định hàm truyền đạt bình có dạng: 𝑮𝟏 (s)= 𝟏,𝟏𝟑 𝒔.(𝟐,𝟖𝟓𝒔+𝟏) Đối với bình Từ đồ thị ta xác định hàm truyền đạt bình có dạng: 𝑮𝟐 (s)= 𝟎,𝟓𝟕 𝒔.(𝟏𝟎𝒔+𝟏) Để kiểm chứng ta sử dụng mơ hình sau Ta thu kết sau 𝒆−𝟏,𝟗𝟏𝒔 Bình 1: Bình 2: Các sách lược điều khiển khơng thể sử dụng Các sách lược điều khiển sử dụng Sách lược điều khiển phản hồi: sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định thệ thống khơng ổn định, cụ thể hệ thống bình nước Sách lược điều khiển tầng: sách lược điều khiển tầng có tác dụng ổn đinh hệ thống khơng ổn định, ngồi cịn giảm ảnh hưởng nhiễu, triệt tiêu sai lệch tĩnh cho chất lượng tốt điều khiển phản hồi Các sách lược điều khiển sử dụng Sách lược điều khiển truyền thẳng: Điều khiển truyền thẳng khơng có tác dụng ổn định hệ thống không ổn định, cụ thể hệ thống bình nước thí nghiệm có thành phần tích phân Điều khiển truyền thẳng đáp ứng nhanh với nhiễu, cảm biến đo khơng xác sai số mơ hình lớn làm mực nước bình bị tràn cạn hết 5.Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng Sử dụng phương pháp Ziegler Nichol Bình 1: Bộ điều khiển P PI PID Kp 1/k = 0,88 0.9/k = 0,79 1.2/K = 1,06 Ti 3,3T/k = 8,32 2T = 5,7 Td 0.5T = 1,425 Bộ điều khiển P PI PID Kp 1/k = 1,75 0.9/k = 1,58 1.2/k = 2,11 Ti 3,3T/k = 57,89 2T = 20 Td 0.5T = Bình 2: Sách lược điều khiển phản hồi vịng đơn Sơ đồ mơ Trường hợp sử dụng điều khiển P Bình Bình Nhận xét: Hệ thống đáp ứng tốt tn thủ ngun tắc bình thơng nhau: • Ở điều kiện Van đóng hồn tồn, Bình ln đạt giá trị đặt sau khoảng thời gian bị ảnh hưởng thay đổi giá trị đặt Bình Bình đạt giá trị đặt nhỏ giá trị đặt bình • Ở điều kiện Van mở, Bình đạt giá trị đặt sau khoảng thời gian bị ảnh hưởng thay đổi giá trị đặt Bình Bình đạt giá trị đặt nhỏ phần giá trị đặt bình Trong hình ta thấy có sai lệch tĩnh Trường hợp sử dụng điều khiển PI-RW Với thông số PI-RW xác định sau Với bình điều khiển PI_RW có thơng số sau Gain: K = Kp = 1.11 Gain1: K = 1/Ti = 0.013 Gain 2: K = Td = Gain 3: K = Với bình điều khiển PI_RW có thơng số sau Gain: K = Kp = 1.67 Gain1: K= 1/Ti = 0.0031 Gain 2: K = Td = Gain 3: K = Kết Bình Bình Nhận xét: Hệ thống đáp ứng tốt tuân thủ nguyên tắc bình thơng nhau: • Ở điều kiện Van đóng hồn tồn, Bình ln đạt giá trị đặt sau khoảng thời gian bị ảnh hưởng thay đổi giá trị đặt Bình Bình đạt giá trị đặt nhỏ giá trị đặt bình • Ở điều kiện Van mở, Bình ln đạt giá trị đặt sau khoảng thời gian bị ảnh hưởng thay đổi giá trị đặt Bình Bình đạt giá trị đặt nhỏ phần giá trị đặt bình Qua hình Ta thấy đáng kể, đáp ứng bám sát sai lệch tĩnh giảm theo giá trị đặt 7.Sách lược điều khiển tầng Sơ đồ P&ID Xác định vòng điều khiển cần xây dựng: Vòng thứ nhất: Điều khiển độ mở van InValve1 Vòng thứ hai: Điều khiển độ mở van InValve2 Đặc điểm nhiệm vụ vòng: Vòng thứ nhất: Điều khiển độ mở van 1, có đặc tính động học biến đổi nhanh vòng thứ hai Vòng thứ hai: Điều khiển độ mở van 2, có đặc tính động học biến đổi chậm vịng thứ Sơ đồ mơ Tính tốn tham số điều khiển Tương tự cách tính ta xác định thông số cho điều khiển bình sau Bình Vịng trong: Bộ điều khiển P: Kp = Bộ điều khiển PI - RW: Gain = Kp = 0.9 Gain1 = 1/Ti = 0.016 Gain2 = Gain3 = Vịng ngồi: Bộ điều khiển P: Kp = 1,73 x 10^3 Bình Vịng trong: Bộ điều khiển P: Kp = Bộ điều khiển PI - RW: Gain = Kp = 0.9 Gain1 = 1/Ti = 0.0057 Gain2 = Gain3 = Vịng ngồi: Bộ điều khiển P: Kp = 2,6 x 10^3 Trường hợp sử dụng điều khiển P/P Bình Bình Đáp ứng lưu lượng van: Đáp ứng bình nhanh hình Đáp ứng lưu lượng van với van nhanh hiệu Đáp ứng lưu lượng van với van nhanh hiệu Ta thấy lệch tĩnh nhỏ, giảm ảnh hưởng nhiễu Trường hợp sử dụng điều khiển P/PI – RW Bình Bình Đáp ứng lưu lượng van: Đáp ứng bình nhanh hình Ở hệ bình, van mở chịu sai lệch tĩnh ảnh hưởng phần khâu tích phân gây bão hịa tính phân Nhưng ảnh hưởng nhỏ không đáng kể Đáp ứng lưu lượng van với van nhanh hiệu Đáp ứng lưu lượng van với van nhanh Tuy nhiên xuất dao động nhiều so với việc sử dụng điều khiển P Qua hình ta thấy hệ có sai lệch tĩnh nhỏ, nhạy cảm với nhiễu độ điều chỉnh nhỏ