BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG HƠI CẤP VÀO ĐÁY THÁP GVHD Thầy Bùi Ngọc Pha SVTH Nhóm 8 (Lớp sáng thứ 6, tiết 3-4) Họ tên MSSV 1. Nguyễn Thái Thiện Phúc 1512532 2. Lê Huỳnh Tú Mỹ 1512045 3. Trương Phạm Đức Nguyên 1512233 4. Lý Tấn Đại 1510640 TP. Hồ Chí Minh, 05/2018 MỤC LỤC 1. Nhiệm vụ ..........................................................................................................................1 2. Nội dung ...........................................................................................................................1 2.1. Các biến quá trình......................................................................................................1 2.2. Bậc tự do....................................................................................................................1 2.3. Lưu đồ P&ID.............................................................................................................2 2.4. Thiết bị đo và thiết bị chấp hành ...............................................................................3 2.5. Hàm truyền ................................................................................................................4 3. Kết luận...........................................................................................................................14 PHỤ LỤC 1 ........................................................................................................................15 PHỤ LỤC 2 ........................................................................................................................16 1 1. Nhiệm vụ Điều khiển lưu lượng hơi bão hòa cấp vào thiết bị trao đổi nhiệt ở đáy tháp để ổn định nhiệt độ của dòng hồi lưu.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG HƠI CẤP VÀO ĐÁY THÁP GVHD Thầy Bùi Ngọc Pha SVTH Nhóm (Lớp sáng thứ 6, tiết 3-4) Họ tên MSSV Nguyễn Thái Thiện Phúc 1512532 Lê Huỳnh Tú Mỹ 1512045 Trương Phạm Đức Nguyên 1512233 Lý Tấn Đại 1510640 TP Hồ Chí Minh, 05/2018 MỤC LỤC Nhiệm vụ Nội dung 2.1 Các biến trình 2.2 Bậc tự 2.3 Lưu đồ P&ID 2.4 Thiết bị đo thiết bị chấp hành 2.5 Hàm truyền Kết luận 14 PHỤ LỤC 15 PHỤ LỤC 16 Nhiệm vụ Điều khiển lưu lượng bão hòa cấp vào thiết bị trao đổi nhiệt đáy tháp để ổn định nhiệt độ dòng hồi lưu Nội dung 2.1 Các biến q trình Xét mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt sau: F, T2 Fs Fs Dòng bão hòa Dòng hồi lưu F, T1 Hình Mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt Các biến trình bao gồm: - Biến vào: lưu lượng dòng bão hòa (Fs), lưu lượng dòng hồi lưu (F), nhiệt độ dòng hồi lưu đầu vào (T1) - Biến ra: nhiệt độ dòng hồi lưu đầu (T2), biến cần điều khiển 2.2 Bậc tự Theo mơ hình thiết bị chọn, số biến mô tả hệ Fv = Giả sử dịng bão hịa nhiệt độ T có ẩn nhiệt ngưng tụ λ, dịng sản phẩm đáy có nhiệt dung riêng Cp xem khơng đổi Phương trình cân nhiệt hệ có dạng: FCp (T2 − T1 ) = Fs λ Như vậy, số phương trình mô tả quan hệ biến Fe = Bậc tự hệ, số vòng điều khiển đơn tối đa sử dụng xác định sau: F = Fv − Fe = − = Thật vậy, can thiệp đến biến đầu T2 theo cách sau: - Điều khiển lưu lượng dòng bão hòa Fs - Điều khiển lưu lượng dòng hồi lưu F - Điều khiển nhiệt độ đầu vào dòng hồi lưu T1 Theo mơ hình chọn, lưu lượng F nhiệt độ đầu vào T1 dòng hồi lưu can thiệp phạm vi trình nên chọn biến điều khiển lưu lượng dịng bão hịa Fs Giá trị biến kiểm sốt thơng qua van điều khiển 2.3 Lưu đồ P&ID Chọn sách lược điều khiển phản hồi cho hệ thống Lưu đồ P&ID hệ có dạng sau: SP Dịng bão hịa Dịng hồi lưu Hình 2: Lưu đồ P&ID hệ thống Dòng nước bão hòa nhập liệu điều chỉnh lưu lượng thông qua van điều khiển trước vào thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho dòng sản phẩm đáy Van điều chỉnh lưu lượng nhận tín hiệu nhiệt độ đầu T2 dòng hồi lưu sau gia nhiệt, qua thiết bị đo truyền tín hiệu nhiệt độ (Temperature Transmiter) truyền đến thiết bị điều khiển nhiệt độ (Temperature Controler) Thiết bị đưa tác động đến van để điều khiển lưu lượng dịng bão hịa Fs thơng qua tín hiệu khí nén: - Nếu T2 < TSP, tăng độ mở van - Nếu T2 > TSP, giảm độ mở van 2.4 Thiết bị đo thiết bị chấp hành Lựa chọn thiết bị chấp hành: Vì van dùng đề điều chỉnh lưu lượng dòng bão hòa nên lựa chọn van cầu đặc tính sau: - Van cầu thường sử dụng hệ thống điều khiển lưu lượng dịng - Van cầu có độ rị rỉ nhỏ, độ kín van cao, thích hợp vận chuyển - Van cầu cửa thích hợp dùng việc đóng nhanh có cố, đảm bảo an tồn Hình Van cầu Lựa chọn thiết bị đo nhiệt độ: Chọn thiết bị đo cặp nhiệt điện có độ bền cao đo nhiệt độ cao, thích hợp cho việc đo nhiệt độ nước Giới hạn nhiệt độ cao: 100oC đến 1400oC Hình Sơ đồ ngun lí cặp nhiệt điện 2.5 Hàm truyền 2.5.1 Biến đổi hàm truyền Gp dạng bậc có trễ Hàm truyền GP cho có dạng: GP = (τ Ke−θs s+1)(τ2 s+1)(τ3 s+1) Biến đổi hàm truyền Gp dạng bậc có trễ theo phương pháp Skogestad sau = 1 + 2 → GP = = 55 + ′ Ke−θ s τs+1 40 40 = 75 , ' = + + = 11 + + = 34 2 = 10e−34s 75s+1 2.5.2 Tính tốn tham số KP, KI, KD ứng với điều khiển P, PI, PID phương pháp tổng hợp trực tiếp Trường hợp Gc điều khiển PI Với G hàm qn tính bậc có trễ bên trên, ta tiến hành biến đổi sau: Gc = e −s 75 1 = 1 + = 1 + −s K e s( C + ) s K ( C + ) s 10( C + 34) 34 s s + I Chọn C = 16( s) , ta Tính tốn thơng số điều khiển PI: GC = kc 1 + s xác định kC , I sau: kC = K ( C + ) Do đó: GC = 0.151 + = 75 = 0.15 I = = 75 10(16 + 34) Mô tả sơ đồ Simulink sau: 75 s Hình Mơ tả Simulink điều khiển PI Tín hiệu đầu có dạng: Hình Tín hiệu đầu điều khiển PI Xác định tiêu chất lượng: + Độ vọt lố: POT = ymax − y xl 1.188 − 100 % = 100 % = 18.8% y xl + Sai số xác lập: s sR s exl = lim sE = lim = lim = lim s →0 s →0 + GH s →0 + Gc Gp 1 s →0 + GcGp 10e −34s GC = 0.151 + , GP = 75s + 75 s −34 s −34 s → Gc Gp = 0.151 + 10e = 1.5e 75 s 75 s + 75 s 75s = lim =0 s →0 + GcGp s →0 75s + e −34s → exl = lim Thật vậy, 𝑒𝑥𝑙 = thành phần I triệt tiêu sai số xác lập Trường hợp Gc điều khiển PID Ke−θs GP = (τ1 s + 1)(τ2 s + 1)(τ3 s + 1) Biến đổi Gc dạng hàm bậc hai có trễ theo phương pháp Skogestad: G (s) = Trong đó, 1 ' = 1 = 55 , ' = + 3 Ke− 's ( '+ s )( '+ s ) = 40 + 3 = 41.5 ' = + = 11 + = 12.5 Khi 2 đó, ta thu hàm bậc hai có trễ sau: 10e −12.5 s G( s) = (55s + 1)(41.5s + 1) Tính tốn thơng số điều khiển PID: GPID = kC 1 + kC = + D s Is 1 + 55 + 41.5 = = 0.34 K ( C + ) 10(16 + 12.5) I = 1 + = 55 + 41.5 = 96.5 , D = 1 55 41.5 = = 24 + 55 + 41.5 Ta thu điều khiển PID có dạng: GPID = 0.341 + Simulink: + 24 s Mơ tả hệ thống 96.5s Hình Mơ tả Simulink điều khiển PID Tín hiệu đầu có dạng sau: Hình Tín hiệu đầu điều khiển PID Xác định tiêu chất lượng: + Độ vọt lố: POT = ymax − yxl 1.106 − × 100% = × 100% = 10.6% yxl + Sai số xác lập: exl = thành phần I triệt tiêu sai số xác lập 2.5.3 Tính tốn tham số KP, KI, KD ứng với điều khiển P, PI, PID phương pháp Ziegler-Nichols Để áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols để tìm thơng số KP, KI, KD điều khiển, ta tiến hành vẽ đồ thị hàm bậc có trễ Simulink: Hình Mơ tả Simulink hàm truyền Tín hiệu đầu mơ tả đồ thị sau: Hình 10 Đồ thị xác định giá trị T1, T2 theo phương pháp Ziegler-Nichols Giá trị T1 lấy giá trị thời gian trễ θ′ Xác định giao điểm tiếp tuyến đồ thị điểm kết thúc trình trễ với đường thẳng y = K, từ giao điểm vẽ thẳng vng góc với trục thời gian, từ xác định giá trị T2 Theo đó, ta có: T1 = 34 T2 = 108 − 34 = 74 Giá trị điều khiển PID tương ứng cho bảng sau: Thông số Kp TI TD P T2 74 = = 0.22 T1 K 34 10 PI 0.9 T1 34 = = 113 0.3 0.3 Bộ ĐK T2 74 = 0.9 T1 K 34 10 = 0.20 PID 1.2 T2 74 = 1.2 T1 K 34 10 2T1 = 34 = 68 = 0.26 Khảo sát điều khiển P: Mô tả hệ thống Simulink sau: Hình 11 Mơ tả Simulink điều khiển P Ta thu số liệu đầu sau: Hình 12 Tín hiệu đầu điều khiển P Xác định tiêu chất lượng: + Độ vọt lố: POT = ymax − y xl 0.985 − 0.685 100 % = 100 % = 43.8% y xl 0.685 + Sai số xác lập: 0.5T1 = 0.5 34 = 17 sR s exl = lim sE = lim = lim = lim s →0 s →0 + GH s →0 + Gc Gp 1 s →0 + GcGp s GC = 0.22, GP = → 𝑒𝑥𝑙 = lim −34𝑠 𝑠→0 1+0.22×10𝑒 10𝑒 −34𝑠 75𝑠+1 = 0.3125 75𝑠+1 + Thời gian xác lập: t xl = 500 − 34 = 466 Khi tăng giá trị KP sai số xác lập giảm, nhiên KP lớn dẫn đến ổn định hệ Khảo sát điều khiển PI: Mô tả hệ thống Simulink sau: Hình 13 Mơ tả Simulink điều khiển PI Tín hiệu đầu mơ tả đồ thị sau: Hình 14 Tín hiệu đầu điều khiển PI 10 Xác định tiêu chất lượng: + Độ vọt lố: POT = ymax − y xl 1.225 − 100% = 100 % = 22.5% y xl + Sai số xác lập: exl = thành phần I triệt tiêu sai số xác lập + Thời gian xác lập: t xl = 450 − 34 = 366 Khảo sát điều khiển PID: Mô tả hệ thống Simulink: Hình 15 Mơ tả Simulink điều khiển PID Ta thu số liệu đầu sau: Hình 16 Tín hiệu đầu điều khiển PID (chưa điều chỉnh) Tín hiệu đầu có độ vọt lố cao, thời gian xác lập tương đối lớn Ta tiến hành điều chỉnh thông số Kp, TI, TD cách giảm giá trị Kp để hệ dao động ổn định 11 Chọn K P = 0.15 Khi đó, mơ tả Simulink hệ cho tín hiệu đầu sau: Hình 17 Tín hiệu đầu điều khiển PID (đã điều chỉnh) Xác định tiêu chất lượng: + Độ vọt lố: POT = ymax − y xl 1.2 − 100 % = 100 % = 20% Giá trị nhỏ giá y xl trị tính trường hợp sử dụng điều khiển P (43.8%) PI (22.5%) + Sai số xác lập: exl = thành phần I triệt tiêu sai số xác lập + Thời gian xác lập: t xl = 340 − 34 = 306 2.6 Các sách lược điều khiển khác Vòng điều khiển nhiệt độ đầu T2 dòng hồi lưu theo lưu lượng bão hịa Fs chọn có ưu điểm sách lược điều khiển phản hồi triệt tiêu ảnh hưởng nhiễu trước khơng đo được, có khả tạo đáp ứng xác; nhiên q trình hiệu chỉnh chậm bù nhiễu Ngồi ra, áp dụng số sách lược điều khiển khác như: - Điều khiển truyền thẳng: 12 Hình 18 Sách lược điều khiển truyền thẳng Đo giá trị biến nhiễu (F T1), thay T2 giá trị TSP phương trình cân nhiệt, ta có: Fs = FCp (TSP − T1 ) λ Từ đó, gán giá trị Fs tính cho van điều khiển lưu lượng dòng Phương pháp dùng để ngăn chặn bù trừ ảnh hưởng nhiễu F T1 gây cách nhanh chóng, nhiên khơng thể loại trừ ảnh hưởng nhiễu trước không đo Đáp ứng phương pháp xác, cho chất lượng khơng cao - Điều khiển phản hồi kết hợp với truyền thẳng: Hình 19 Sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi Kết hợp hai sách lược vừa giúp bù trừ ảnh hưởng nhiễu (khâu truyền thẳng), vừa ổn định nâng cao chất lượng (khâu phản hồi) 13 - Điều khiển tầng: Sử dụng thêm vòng điều khiển đơn để triệt tiêu sớm nhiễu (độ chênh áp), nhờ tốc độ điều khiển tăng lên Ngồi ra, cịn số sách lược điều khiển khác xem xét áp dụng điều khiển tỉ lệ lưu lượng dòng bão hòa lưu lượng dòng sản phẩm đáy, điều khiển tỉ lệ kết hợp với phản hồi… Kết luận - Để xác định thông số điều khiển, áp dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp phương pháp Ziegler-Nichols Kết tính từ hai phương pháp tương đối gần nhau, nhiên phải khảo sát lại cách tăng hay giảm giá trị KP, KI, KD để tìm giá trị tối ưu - Sau khảo sát điều khiển P, PI, PID điều khiển PID có nhiều ưu điểm cho phép giảm độ vọt lố (nhờ thành phần KD) triệt tiêu sai số xác lập (nhờ thành phần I) 14 PHỤ LỤC Sơ đồ quy trình công nghệ tháp chưng cất 15 PHỤ LỤC Lưu đồ P&ID tháp chưng cất 16 ... sau: - Điều khiển lưu lượng dòng bão hòa Fs - Điều khiển lưu lượng dòng hồi lưu F - Điều khiển nhiệt độ đầu vào dịng hồi lưu T1 Theo mơ hình chọn, lưu lượng F nhiệt độ đầu vào T1 dịng hồi lưu khơng... PID 1. 2 T2 74 = 1. 2 T1 K 34 ? ?10 2T1 = 34 = 68 = 0.26 Khảo sát điều khiển P: Mô tả hệ thống Simulink sau: Hình 11 Mơ tả Simulink điều khiển P Ta thu số liệu đầu sau: Hình 12 Tín hiệu đầu điều khiển. .. 41. 5 ' = + = 11 + = 12 .5 Khi 2 đó, ta thu hàm bậc hai có trễ sau: 10 e ? ?12 .5 s G( s) = (55s + 1) ( 41. 5s + 1) Tính tốn thơng số điều khiển PID: GPID = kC ? ?1 + kC = + D s Is 1