BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Sinh viên: Vũ Tiến Dũng MSSV: 2017775 Nhóm thí nghiệm : 07 Với bộ thông số: Course Number = 62 ( khoá 62 ) Class Number = 07 ( nhóm 9 ) Namelist Number = 2 Stoptime: 7500 Bài 1: Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức. 1. Tín hiệu vào là độ mở (hoặc lưu lượng) của van vào In Flow, tín hiệu ra là mức chất lỏng trong bình level còn nhiễu là độ mở của van ra Out Flow 2. Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống 1 Phương trình cân bằng vật chất: 1 2 dV dh A F F dt dt (1) Trong đó: A là tiết diện cắt ngang của bình chứa (coi như đều từ trên xuống). Phương trình mô hình ở trạng thái xác lập: 0 1 2 d h A F F dt (2) Trừ vế của (1) – (2) ta được: 1 2 d h A F F dt Đặt: y h u F d F ; 2; 1 Phương trình trở thành: 1 ( ) dy d u dt A Tại trạng thái ban đầu tất cả các biến chênh lệch đều y, u, d và dy dt đều bằng 0. Laplace 2 vế ta được 1 1 sy s u s d s ( ) ( ) ( ) A A Do van là khâu quán tính bậc nhất nên hàm truyền của hệ thống sẽ có dạng: G (s)= 1 A(s) 1 Ts+1 = k s(Ts+1) 3. Mô phỏng đối tượng bình mức bằng khối Single-Tank trên matlab Phương pháp đường cong đáp ứng
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Sinh viên: Vũ Tiến Dũng MSSV: 2017775 Nhóm thí nghiệm : 07 Với thông số: Course Number = 62 ( khố 62 ) Class Number = 07 ( nhóm ) Namelist Number = Stoptime: 7500 Bài 1: Xây dựng hệ thống điều khiển bình mức Tín hiệu vào độ mở (hoặc lưu lượng) van vào In Flow, tín hiệu mức chất lỏng bình level cịn nhiễu độ mở van Out Flow Xây dựng mô hình tốn học cho hệ thống Phương trình cân vật chất: dV dh A F1 F dt dt (1) Trong đó: A tiết diện cắt ngang bình chứa (coi từ xuống) Phương trình mơ hình trạng thái xác lập: 0 A dh F1 F dt Trừ vế (1) – (2) ta được: A Đặt: y h; u F 2; d F1 Phương trình trở thành: (2) d h F1 F dt dy (d u ) dt A dy Tại trạng thái ban đầu tất biến chênh lệch y, u, d Laplace vế ta sy ( s ) dt 1 u ( s) d ( s ) A A Do van khâu quán tính bậc nên hàm truyền hệ thống có dạng: G ( s )= 1 k = Ts+1 A (s) s(Ts+1) Mô đối tượng bình mức khối Single-Tank matlab Phương pháp đường cong đáp ứng Cho tín hiệu tác động bậc thang đầu vào ta có đáp ứng hàm q độ có dạng qn tính bậc Từ lý thuyết đồ thị ta xác định tham số mơ sau: T=3 K = 19/(10-3) = 2.71 Các sách lược điều khiển Sách lược sử dụng: điều khiển phản hồi điều khiển tầng Sách lược không sử dụng được: điều khiển truyền thẳng, điều khiển tỉ lệ, điều khiển lựa chọn điều khiển phân vùng Vì: • Q trình bình định mức khâu tích phân khơng có tính tự cân bằng, điều khiển truyền thẳng khơng làm thay đổi tính ổn định hệ thống Nên tác động nhỏ nhiễu làm hệ thống tới trạng thái cân • Điều khiển tỉ lệ áp dụng cho hệ thống : trì quan hệ biến nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3, mà điều khiển bình mức có biến điều khiển nên khơng áp dụng • Điều khiển lựa chọn điều khiển phân vùng cần biến điều khiển mà bình định mức có biến điều khiển Hàm truyền đạt đầy đủ PID: K (s )=k c (1+ +τ s ) τi s d Thiết kế sách lược điều khiển cho hệ thống Tính tốn thông số điều khiển theo công thức Ziegler Nichol với thông số sau: K = 2.71; T=3 Bộ điều khiển P PI PID Kc 1/K = 0.333 0.9/K = 0.3 1.2/K = 0.44 Ti Td 10T/3 = 10 2T = 0.5T = 1.5 Dạng hàm truyền đạt PID : K(s) = Kc(1 + Ti∗s +Td*s) Bộ điều khiển PID với thông số cho bảng trên: Ta có sách lược điều khiển sách lược điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi điều khiển tầng Sách lược điều khiển phản hồi : Lưu đồ P&ID: Sơ đồ simulink: So sánh giá trị SP Level (bằng scope): SP = 400; Độ mở van = 0.2 Bộ điều khiển P (P = 0.333), chọn Stoptime = 7500 Nhận xét: Thực tế, điều khiển gần đạt giá trị đặt (tiệm cận giá trị đặt), sai lệch khơng đáng kể, bỏ qua Tuy nhiên thời gian q độ mơ hình cịn lớn Bộ điều khiển PI (P = 0.3, I = 0.1), Stoptime = 7500 Nhận xét: ta thấy điều khiển đạt giá trị đặt Tuy nhiên điều khiển PI có độ điều chỉnh lớn nhiều so với điều khiển P, có khâu tích phân Bộ điều khiển PID (P = 0.44, I = 0.16, D = 1.5), Stoptime = 7500 Nhận xét: Bộ điều khiển PID có tính chất tương tự PI, nhiên thời gian độ lớn Với sách lược điều khiển phản hồi vịng đơn cần P đáp ứng đủ yêu cầu bám giá trị đặt Khi thực mô với điều khiển PI PID xảy tượng mức nước vượt quá, đạt ổn định Đây tượng bão hịa tích phân (Reset Windup), thường xảy điều khiển có chứa khâu I (Integral) Một phần thân mơ hình mơ hình qn tính tích phân, có thành phần tích phân bên nên làm cho độ điều chỉnh lớn Hiện tượng có đặc điểm: - Độ điều chỉnh lớn - Thời gian độ dài - Tồn sai lệch tĩnh lớn Để khắc phục ta xây dựng sơ đồ có thêm khâu chống bão hịa tích phân Sử dụng khâu chống bão hịa tích phân: + PI-RW: Sơ đồ: Khâu PI nối tiếp với khâu chống bão hịa tích phân: Sơ đồ simulink: Kết mô phỏng: với Stoptime = 2000 Nhận xét: có chống bão hịa độ q điều chỉnh giảm rõ rệt Chất lượng điều khiển tốt nhiều + PID-RW: Sơ đồ :Khâu PID nối tiếp với khâu chống bão hịa tích phân: Sơ đồ simulink giống phần trước 10 dh1 1 F1 F dt A A (2) Từ (1) (2) ta có: dh1 1 F1 F dt A A dh 1 F2 F3 dt A A Do van khâu quán tính bậc nên hàm truyền G1(S), G2(S) có dạng: Mơ đối tượng khối TwoTank simulink Với thông số Course Number = 62 Class Number = Namelist Number = Cho tín hiệu tác động dạng bậc thang đầu vào, ta có đồ thị đáp ứng hệ thống hình vẽ 18 Tính tốn, ta tìm k1 = 1.937; T1 = Tính tốn, ta tìm được: k2 = 1.5645; T2 = 7; L = Tuy nhiên mô phỏng, đồ thị đáp ứng bình so với kết tính tốn có sai lệch nên ta hiệu chỉnh lại kết sau: Bình 1: k1 = 2.05; T1 = Bình 2: k2 = 1.5; T2 = 6.5; L = 2.2 Thu kết quả: Mô hình kiểm chứng: 19 20 Tính tốn tham số điều khiển theo phương pháp Ziegler Nichols: Bình 1: Bộ điều khiển Kc Ti Td P 1/K = 0.4878 PI 0.9/K = 0.439 10T/3 = 10 PID 1.2/K = 0.5854 2T = 0.5T = 1.5 Bình2: Bộ điều khiển P PI PID Kc 1/K = 2/3 0.9/K = 0.6 1.2/K = 0.8 Ti Td 10T/3 =21.667 2T = 13 0.5T = 3.25 Các sách lược sử dụng sách lược điều khiển phản hồi sách lược điều khiển tầng Không thể sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng Hàm truyền đạt đầy đủ PID: K (s )=k c (1+ +τ d s ) τi s Sách lược điều khiển phản hồi : a Lưu đồ P&ID 21 b Sơ đồ mô Simulink: (Độ mở van 1, 2, là: 0.4; 0.3; 0.2) +) Bộ điều khiển P: 22 23 Nhận xét: Bộ điều khiển P làm hệ thống ổn định Giá trị bám sát giá trị đặt Tuy nhiên sai lệch tĩnh độ ban đầu Đáp ứng ổn định nhanh +) Bộ điều khiển PI-RW Tham số điều khiển: Bình 1: Kp = 0.439; Ki = 1/10; K’ = Bình 2: Kp = 0.6; Ki = 1/21.667; K’ = 24 Nhận xét: Tín hiệu bám sát với giá trị đặt, khơng độ lớn điều khiển P, nhiên cịn chút sai lệch tính q độ nhỏ Hệ thống ổn định, tác động nhanh thay đổi giá trị đặt +) Bộ điều khiển PID-RW Tham số điều khiển: Bình 1: Kp = 0.5854; Ki = 1/6; Kd = 1.5; K’ = Bình 2: Kp = 0.8; Ki = 1/13; Kd = 3.25; K’ = 25 26 Nhận xét: Bộ PID-RW cho kết tốt PI-RW Sai lệch tĩnh bé nhiều (gần không đáng kể), độ ban đầu nhỏ hơn, tín hiệu bám sát giá trị đặt Hệ thống ổn định hơn, đáp ứng nhanh thay đổi giá trị đặt Sách lược điều khiển tầng a) Lưu đồ P&ID Xác định vòng điều khiển cần xây dựng: Vòng thứ nhất: điều khiển độ mở van InValve Vòng thứ hai: điều khiển độ mở van InValve Đặc điểm, nhiệm vụ vòng: Vòng thứ nhất: điều khiển độ mở van 1, có đặc tính động học biến đổi nhanh vịng thứ hai Vòng thứ hai: điều khiển độ mở van 2, có đặc tính động học biến đổi chậm vịng thứ Mơ với điều khiển (Độ mở van 1, 2, lần lượt: 0.4; 0.3; 0.2) Sơ đồ mô phỏng: 27 +) Bộ điều khiển P-P: Vịng ngồi điều khiển P (lấy Kp = 1000) vòng điều khiển P (Kp = 10000) để tăng đáp ứng hệ thống 28 Nhận xét: Bộ điều khiển P-P cho kết bám sát giá trị đặt, tác động nhanh với thay đổi +) Bộ điều khiển P/PI-RW: Vịng ngồi điều khiển P (Kp =1000) để tăng đáp ứng hệ thống, vòng điều khiển PI-RW để triệt tiêu sai lệch tĩnh Trong thơng số điều khiển PI-RW lấy phần 29 30 Nhận xét : Hệ thống có ổn định nhiên tín hiệu không bám sát giá trị đặt Sai lệch tĩnh lớn +) Bộ điều khiển P/PID-RW: Vịng ngồi điều khiển P (Kp =1000), vòng điều khiển PID-RW Trong thơng số điều khiển PID-RW lấy phần - Kết mơ phỏng: 31 Nhận xét: Tín hiệu khơng bám theo giá trị đặt, hệ thống không ổn định Như P/PID-RW không điều khiển Kết luận: Với điều khiển tầng điều khiển P-P cho chất lượng điều khiển tốt nhất, đảm bảo ổn định hệ thống, đáp ứng thay đổi nhanh sai lệch tĩnh nhỏ 32 ... cân • Điều khiển tỉ lệ áp dụng cho hệ thống : trì quan hệ biến nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3, mà điều khiển bình mức có biến điều khiển nên khơng áp dụng • Điều khiển lựa chọn điều khiển. .. không sử dụng được: điều khiển truyền thẳng, điều khiển tỉ lệ, điều khiển lựa chọn điều khiển phân vùng Vì: • Q trình bình định mức khâu tích phân khơng có tính tự cân bằng, điều khiển truyền thẳng... PID với thông số cho bảng trên: Ta có sách lược điều khiển sách lược điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi điều khiển tầng Sách lược điều khiển phản hồi : Lưu đồ P&ID: Sơ đồ simulink: So