BÁO CÁO THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Báo cáo thực hành Điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ============ BÁO CÁO THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tuấn Dũng Mã số sinh viên: 20181427 Khóa: K63 Mã lớp TN: 707432 BÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT BÌNH NƯỚC 1.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH NƯỚC 1.1.1 Xác định tín hiệu vào/ nhiễu hệ thống Tín hiệu vào: Độ mở van vào (In Valve) - F1 Tín hiệu ra: Mức nước bình (Level) Nhiễu hệ thống: Độ mở van (Out Valve) - F2 -h Số biến vào là: Số biến : Số bậc tự là: 3-1 =2 số biến vào Hệ thống điều khiển 1.1.2 Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng với tham số hình thức A Phương trình cân bằng: dh = F 1−F2 dt Biến đổi Laplace: A.s.h(s)= F 1(s)−F ( s) Khi khơng có nhiễu: A.s.h(s)= F 1(s) => G’(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) 1.1.3 Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình Cho tín hiệu tác động bậc thang đầu vào Xác định hệ số k,T: T = 2.6 ; k = 3.01 Như ta xác định hàm truyền đạt hệ là: 01 G(s)= 6s+1 Kiểm tra lại đáp ứng độ Matlab: Đường thêm vào đường mức nước với đầu vào quán tính bậc vừa tính 1.2 CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU CHỈNH 1.2.1 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 luợc điều khiển tầng: Vì sách lược điều khiển tầng có tác dụng ổn định hệ thống khơng ổn định ngồi cịn giảm tối thiểu ảnh hưởng nhiễu 1.2.2 Sách lược điều chỉnh sử dụng: - Sách lược điều khiển truyền thẳng:  Điều khiển truyền thẳng tác dụng ổn định hệ thống khơng ổnđịnh, 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: Do nguyên lý điều khiển sách lược điều khiển tỉ lệ trì quan hệ hai biến điều khiển nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ Nhưng điều khiển bình mức có biến điều khiển F1 nên áp dụng - Sách lược điều khiển lựa chọn: Do điều khiển lựa chon yêu cầu hai biến điều khiển mà hệ thống bình mức có biến điều khiển nên khơng xác định tín hiệu điều khiển lấn át lên áp dụng sách lược điều khiển 1.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG: Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol phương pháp áp dụng cho đối tượng có đặc tính khâu quán trính bậc khâu tích phân có thời gian trễ tương đối nhỏ W PID ( s )=K p (1+ +T s ) Ti s d Kp Ti Td P =¿0.33 k - - PI 0,9 =¿0,3 k 3,3.T= 8.58 - PID 1.2 =0 k 2.T= 5.2 0,5.T = 1.3 Dạng hàm truyền điều khiển PID: Nhờ điều chỉnh thông số K p, T i, T dta có điều khiển P, PI PID tương ứng hình vẽ 1.4 MƠ HÌNH CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN 1.4.1 Mơ hình điều khiển truyền thẳng 1.4.1.1 Mơ hình sách lược điều khiển truyền thẳng 1.4.1.2 Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển truyền thẳng 1.4.1.3 Mơ hình mơ Simulink 1.4.1.4 Sử dụng sách lược điêu khiển truyền thẳng với ba điều khiển P, PI,PID Trường hợp sử dụng điều khiển PID Tương tự với trường hợp sử dụng P PI cho kết gần Nhận xét: Cả trường hợp đầu khơng bám theo tín hiệu chủ đạo 1.4.2 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn 1.4.2.1 Mơ hình sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn 1.4.2.2 Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển phản hồi vịng đơn 1.4.2.3 Mơ hình mơ Simulink 1.4.2.4 Sử Dụng Sách Lược Điêu Khiển Phản Hồi Vòng Đơn Với Ba Bộ Điều Khiển P, PI, PID  Trường hợp sở dụng điều khiển P với K p =0.33 10 Biện pháp: - Khi sai lệch điều khiển 0, tách bỏ thành phần tích phân ĐK, xóa trạng thái thành phần tích phân - Giảm hệ số khuếch đại nằm giới hạn cho phép - Đặt khâu giới hạn đầu ĐK bị giới hạn, phản hồi ĐK để thực thuật tốn bù nhằm giảm thành phần tích phân Hệ thống có bù nhiễu nhận tín hiệu từ mức nước đầu điều khiển dễ dàng ổn định hệ thống khơng có 21 BÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HAI BÌNH NƯỚC THƠNG NHAU 2.1 Xây dựng mơ hình cho đối tượng 2.1.1 Xác định tín hiệu vào, tín hiệu ra, nhiễu hệ thống số bậc tự - Tín hiệu vào: độ mở van F1, độ mở van F2 độ mở van F3 - Tín hiệu ra: Mức hai bình mức: level1: h1 level 2: h2 - Nhiễu: Độ mở van F3 - Số bậc tự do: 5-2 =3 số biến vào  Hệ có khả điều khiển 2.1.2 Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng với cá tham số hình thức Phương trình cân bằng: A1 d h1 = F 1−F2 dt A2 d h2 = F 2−F3 dt 22 Biến đổi Laplace: A1.s H 1(s)= F 1(s)−F ( s) A2.s H 2(s)= F 2(s)−F ( s) Nếu khơng tính đến đặc tính qn tính bậc van, => G1’(s)¿ A s G 2’(s) = 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 e−θs s (Ts+1) 2.1.3 Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình 23  Bình 1: Qua phương pháp kẻ tiệm cận, ta xác định hàm truyền đạt bình có dạng: G1 3.13 (s) = 1s+1  Bình 2: Qua phương pháp kẻ tiệp cận, ta xác định hàm truyền đạt G2 1.55 e s(3.3s+1) (s) = 24 -s Kiểm chứng mô hình ta dùng mơ hình sau: Kết mơ sau:  Bình 1: 25  Bình 2: 2.2 Các sách lược điều chỉnh 2.2.1 Sách lược điều chỉnh sử dụng Sách lược điều khiển phản hồi: sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định thệ thống không ổn định, cụ thể hệ thống bình nước Sách lược điều khiển tầng: sách ược 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 ;ượng tốt điều khiển phản hồi 2.2.2 - Sách lược điều khiển sử dụng Sách lược điều khiển truyền thẳng Điều khiển truyền thẳng khơng có tác dụng ổn định hệ thống khơng ổn đinh, 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 26 2.3 Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng Sử dụng phương pháp Ziegler Nichol Bình 1: G1 3.13 (s) = 1s+1 Kp k = 0.32 0.9 k = 0.29 P PI Td - - 10T K 1.2 k = 0.38 PID Ti = 6.71 2T= 4.2 0,5T = 1.05 Ti Td - - Bình 2: G2 1.55 e s(3.3s+1) (s) = -s Kp P PI PID k = 0.65 0.9 k = 0.58 10T K 1.2 k = 0.77 = 21.29 2T= 6.6 27 0,5T = 1.65 2.4 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn sử dụng hai điều khiển P PI-RW 2.4.1 Lưu đồ P&ID 2.4.2 Sơ đồ Simulink  Bộ điều khiển P Bình 1: - 28 - Bình 2:  Tồn sai lệch tĩnh  Nhạy cảm với nhiễu  Bộ điều khiển PI-RW: Trong đó: Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo Ziegler Nichol là:  Gain: K=Kp= 0.32  Gain1: K=1/Ti= 0.15  Gain 2: K=Td =  Gain 3:K=5 29 là: Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo Ziegler Nichol  Gain: K=Kp= 0.58  Gain1: K=1/Ti= 0.05  Gain 2: K=Td =  Gain 3:K=10 Kết mơ Bình 1: Bình 2: 30  Bám tốt, sai lệch tĩnh nhỏ  Không bị điều chỉnh 2.5 Sách lược điều khiển tầng 2.5.1 Lưu 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 31 2.5.2 Bộ điều khiển P Vịng ngồi điều khiển P (lấy Kp=10000) vòng điều khiển P (Kp=1000) Bình : Bình 2: 32  Bám giá trị đặt  Sai lệch tĩnh nhỏ  Giảm ảnh hưởng nhiễu  Bộ P/PI-RW Vòng điều khiển P(Kp=1000) để tăng đáp ứng hệ thống Vòng điều khiển Pi-RW để triệt tiêu sai lệch tĩnh Trong đó: Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo Ziegler Nichol là:  Gain: K=Kp= 0.32  Gain1: K=1/Ti= 0.15  Gain 2: K=Td =  Gain 3:K=0.02 Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo Ziegler Nichol là:  Gain: K=Kp= 0.72  Gain1: K=1/Ti= 0.05  Gain 2: K=Td =  Gain 3: K=0.004 33 Kết mô phỏng: Bình 1: Bình 2: 34  Sai lệch tĩnh nhỏ  Ít nhạy cảm với nhiễu  Độ điều chỉnh nhỏ 35