(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển PID cho tháp chưng cất ethanol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO THÁP CHƯNG CẤT ETHANOL GVHD: PGS TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ThS LÊ LINH SVTH: HUỲNH DƯƠNG KHANG ÐỖ QUANG VINH SKL004746 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế điều khiển PID cho tháp chƣng cất ethanol Giảng viên hƣớng dẫn: PGS TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ThS LÊ LINH Sinh viên thực hiện: HUỲNH DƢƠNG KHANG Lớp: Khoá: ĐỖ QUANG VINH 121431 2012 - 2016 MSSV: 12143090 MSSV: 12143259 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2016 i ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  BỘ MƠN CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế điều khiển PID cho tháp chƣng cất ethanol Giảng viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: Khố: Tp Hồ Chí Minh, tháng tháng 07/2016 ii ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế điều khiển PID cho tháp chƣng cất ethanol - GVHD:PGS TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ThS LÊ LINH - Sinh viên thực hiện: HUỲNH DƢƠNG KHANG ĐỖ QUANG VINH - Địa sinh viên: MSSV: 12143090 MSSV: 12143259 Lớp 121431 - Số điện thoại liên lạc: 0128 234 2096 - Email: vinhdq22@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 20/07/2016 - Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2016 Ký tên iii ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT LỜI CẢM ƠN Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Nhà trƣờng, khoa Cơ khí chế tạo máy, mơn Cơng Nghệ Chế Tạo Máy, thầy tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức sở, chuyên môn suốt năm học vừa qua Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ ThS Lê Linh trực tiếp hƣớng dẫn, bảo tận tình, định hƣớng, góp ý cung cấp ý tƣởng nhƣ dẫn tài liệu thực đồ án Sự hƣớng dẫn thầy yếu tố quan trọng để chúng em hoàn thành đồ án Xin cảm ơn bạn lớp Cơ Điện Tử 121461 góp ý, giúp đỡ nhóm nhiều q trình làm đồ án Cuối chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời ln sát cánh, ni dƣỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt cho chúng em học tập để có kết tốt nhƣ ngày hôm Mặc dù cố gắng nỗ lực nhiều, song đồ án chắn tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận đƣợc thơng cảm dẫn tận tình q thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực iv ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT TĨM TẮT ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƢNG CẤT Nội dung đồ án này, chủ đề nghiên cứu hệ thống điều khiển gia nhiệt cho dòng nhập liệu hoàn lƣu, ứng dụng tháp chƣng cất đƣợc nghiên cứu thiết kế, bao gồm việc nhận dạng hệ thống, thu thập liệu từ hệ thống thực, phân tích liệu xác định hàm truyền hệ thống, sau đƣa hàm truyền vào chƣơng trình điều khiển để viết giải thuật điều khiển cho hệ thống thực Sử dụng phƣơng pháp Ziegler-Nichols để thiết kế thiết kế điều khiển PID Mô hình sử dụng mơ hình tháp mâm xun lỗ sử dụng Simatic Manager để viết code PID điều khiển nhiệt độ nhập liệu hoàn lƣu Ứng dụng phần mềm Matlab để tìm điều khiển dùng WinCC để giám sát trình va đáp ứng hệ thống Sau thời gian nghiên cứu, kết đạt đƣợc tìm hàm truyền mơ tả hệ thống gia nhiệt nhập liệu,hoàn lƣu điều khiển đƣợc nhiệt độ hệ phƣơng pháp dùng điều khiển PID, từ đạt đƣợc mục tiêu kiểm chứng lại lý thuyết điều khiển q trình mơ hình thực nghiệm Sinh viên thực v ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT ABSTRACT CONTROLLED THE DISTILLATION TOWER The main content of the project, the research subject is heating control system for the supply and circulation stream, application of the distillation tower is researched and designed, including system identification, collection data from the real system, data analysis is determined that the system transfer function, then put this transfer function in the control program to write algorithms for the system controller Using Ziegler-Nichols method to design the PID controller The model used is the model of the tray tower and used the Simatic Manager software to programed the PID controller for controlling input and circulation temperature Matlab software applications to find the controller and used WinCC software to process monitoring and response system After the research period, the results achieved is finded the system transfer function to described heating input system, circulation and control the temperature of the system by means of using the PID controller, thereby achieving verifiable goals the theory of process control using experimental models Authors vi ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN IV TÓM TẮT ĐỒ ÁN V DANH MỤC HÌNH .IX DANH MỤC BẢNG XI CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .1 1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 1.2.2 Phạm vi nghiên cứu 1.2.3 Phương pháp nghiên cứu 1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỤ THỂ CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .2 2.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƢNG CẤT .2 2.1.1 Phương pháp chưng cất 2.1.2 Thiết bị chưng cất 2.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU 2.2.1 Etanol: (Còn gọi rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm) 2.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nước (C2H5OH): 2.3 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƢNG CẤT RƢỢU 2.4 MƠ HÌNH HĨA, NHẬN DẠNG HỆ THỐNG 2.4.1 Phân loại mơ hình 2.4.2 Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học .8 2.4.3 Nhận dạng vịng hở nhận dạng vịng kín 2.4.4 Các bước nhận dạng hệ thống .10 2.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 11 CHƢƠNG 3: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PID………………………17 3.1 LƢU ĐỒ P&ID 17 3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG HỆ THỐNG 17 3.2.1 Hàm truyền khâu quán tính bậc bậc có trễ 18 3.2.2 Khâu qn tính bậc cao 20 3.3 LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 20 vii ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT 3.3.1 Phương pháp điều chỉnh tay: 20 3.3.2 Xác định thông số cho điều khiển PID phương pháp thực nghiệm (phương pháp thứ Ziegler-Nichols) 20 3.3.3 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR) 21 3.3.4 Phương pháp Cohen-Coon 22 3.4 LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI 22 CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ………………………………………………………23 4.1 ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ 23 4.1.1 Phần mềm Matlab 23 4.1.2 Win CC 23 4.1.3 Khối công suất (SCR) .24 4.1.4 Cảm biến nhiệt độ thermocouple loại k 26 4.1.5 Van tuyến tính 27 4.1.6 PLC ( S7-300) 28 4.1.7 Phần điện 28 4.2 MƠ HÌNH HỒN CHỈNH .30 CHƢƠNG 5: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 35 5.1 KHẢO SÁT HÀM TRUYỀN VÕNG HỞ 35 5.1.1Phương pháp khảo sát: 35 5.1.2 Các bước chuẩn bị khảo sát 36 5.2 THU THẬP DỮ LIỆU 41 5.3 XỬ LÍ DỮ LIỆU .42 5.3.1 XỬ LÍ DỮ TRONG EXCEL 43 5.3.2 Phương pháp tìm hàm truyền 43 5.3.3 Sử dụng Matlab để so sánh đồ thị 44 5.4 PHƢƠNG PHÁP TÌM THƠNG SỐ PID 48 5.4.1 PID Tool ( Matlab ) 48 5.4.2 Phương pháp Direct Synthesis .48 5.5 TÍNH TỐN THƠNG SỐ PID 49 5.5.1 Sử dụng PID Tool 49 KÊT LUÂN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO .55 viii ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ ứng dụng Etanol Hình 2.2: Đồ thị phần trăm mol Etanol – Nƣớc: Hình 2.3: Mơ hình quy trình cơng nghệ Hình 2.4: Nhận dạng vòng hở Hình 2.5Nhận dạng vịng kín Hình 2.6: Vịng lặp nhận dạng hệ thống 10 Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển 11 Hình 2.8 Cấu trúc điều khiển PID 12 Hình 2.9 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = số) 13 Hình 2.10 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = số) .15 Hình 2.11 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = số) .16 Hình 3.1: Lƣu đồ P&ID hệ thống 17 Hình 3.2 Tín hiệu vào - hàm truyền khâu quán tính bậc 18 Hình 3.3 Tín hiệu vào - hàm truyền khâu qn tính bậc có trễ 19 Hình 4.1SCR G3PW-A220EC-C-FLK 25 Hình 4.2: Cảm biến Thermocouple loại K 26 Hình 4.3: Van tuyến tính 27 Hình 4.4: PLC S7-300 28 Hình 4.5: CPU module S7-300 28 Hình 4.6:Sơ đồ kết nối cảm biến Pt100 khối công suất 29 Hình 4.7: Sơ đồ đấu dây van điện từ 29 Hình 4.8: Tủ điện bên ngồi 30 Hình.4.9: PLC S7-300 30 Hình 4.10:Tủ điện bên 31 Hình 4.11Tháp chƣng cất 34 Hình 4.12: Bình chứa sản phẩm 32 Hình 4.13:Hai gia nhiệt ( nhập liệu hoàn lƣu ) .33 Hình 5.1: Lƣu đồ P&ID .35 Hình 5.2: Sơ đồ khối mạch điện 36 Hình 5.3 Cấu hình phần cứng 36 Hình 5.4 Cấu hình module AI 8x12Bit 37 ix ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT - Giá trị dòng điện nhập vào 10mA: G= G = 6.32 * e −43s (110 s +1) Hàm truyền nhiệt độ hồn lƣu: - Giá trị dịng điện nhập vào 8mA: G= G= - Giá trị dòng điện nhập vào 9mA: G= G = 13.72 * e−35.5s (112.5s +1) 5.3.3 Sử dụng Matlab để so sánh đồ thị - Sử dụng Simulink Matlab để tìm đồ thị hệ - Ta so sánh đồ thị hàm truyền bậc có trễ, bậc đồ thị bên Excel 44 ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT Hình 5.13 Simulink Matlab Sử dụng đoạn chƣơng trình sau chạy m.file Matlab, ta có đƣợc đồ thị tọa độ data = xlsread('Data_04_11_2015_9mA.xlsx'); first_column = data(:,4); second_column = data(:,3); data = xlsread('Data_04_11_2015_9mA.xlsx'); % two columns of data xs = data(:,4); ys = data(:,3); plot(xs,ys,'r','linewidth',0.5); hold on; grid on; plot(simout,'g:','linewidth',2); hold on; grid on; plot(simout1,'k-','linewidth',1.5); hold on; grid on; legend('excel','khong tre','co tre'); 45 80 70 60 50 40 30 20 10 -100 100 46 80 70 60 50 40 30 20 10 -100 100 Hình 45 40 35 30 25 20 15 10 -50 100 * Sau so sánh đồ thị với nhau, ta chọn hàm truyền ứng với giá trị dòng điện nhập vào ban đầu 9mA để tìm thơng số PID 47 ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT 5.4 PHƢƠNG PHÁP TÌM THƠNG SỐ PID 5.4.1 PID Tool ( Matlab ) PID Tool công cụ Matlab tự động tìm giá trị Kp, Ki, Kd cho hệ thống Nó tìm đƣợc độ vọt lố , thời gian đáp ứng , sai số xác lập hệ thống cách nhanh so với làm thực nghiệm Cửa sổ PID Tool xuất bên dƣới: Hình 5.17 PID Tool Matlab-Simulink 5.4.2 Phƣơng pháp Direct Synthesis Trong phƣơng pháp này, việc thiết kế điều khiển dựa vào mô hình q trình suy hàm truyền vịng kín Phƣơng trình thiết kế điều khiển: G = G 'τ cs Hàm truyền điều khiển PID: 48 ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT G c = K (1 + c τ Is +τ s) D 5.5 TÍNH TỐN THƠNG SỐ PID 5.5.1 Sử dụng PID Tool  - Dữ liệu hoàn lƣu: Đồ thị 9mA: + Hàm truyền G = Hình 5.18 Biểu đồ với giá trị nhập liệu ban đầu 9mA - Sử dụng Matlab – Simulink để tìm PID hệ thống: - Thơng số PID tìm đƣợc PIDTool: 49 ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT Hình 5.19 Sơ đồ hệ kín Simulink - Thơng số PID đƣợc tìm đƣợc PID Tool: + Hàm có trễ: + Kp = 0.1650; Ki=0.00137; Kd = 1.2619 + Thời gian tăng trƣởng: Tr = 43.69s + Thời gian xác lập: Ts = 156s + Độ vọt lố: POT = 5.18% Với: + Hàm không + Kp = 1.678; Ki = 0.0119; Kd = 47.8443 + Thời gian tăng trƣởng: Tr = 11.7s + Thời gian xác lập: Ts = 47.6s + Độ vọt lố: POT = 2.99% Với: 50 ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT Hình 5.20 Đồ thị thu điều chỉnh lại thông số PID 5.5.2 Dữ liệu nhập liệu: - Đồ thị 9mA: 7.79 + + Hàm truyền G = (71s + 1)(86 s +1) Hàm truyển G có trễ G = 7.79 * e−43s (114 s +1) 51 ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT Hình 5.21 Biểu đồ với giá trị dòng điện nhập vào ban đầu 9mA - Sử dụng Matlab-Simulink để tìm PID hệ thống: - Thơng số PID đƣợc tìm đƣợc PID Tool: + Hình 5.22 Sơ đồ hệ kín Simulink Hàm có trễ: + Kp = 3.3918; Ki = 0.020152; Kd=100.0024 + Thời gian tăng trƣởng: Tr = 11s + Thời gian xác lập: Ts = 42.4s + Độ vọt lố: POT = 2.89% Với: 52 ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT + Hàm không trễ: + Kp = 0.2579; Ki = 0.00022265; Kd = 2.6903 + Thời gian tăng trƣởng: Tr = 47.1s + Thời gian xác lập: Ts = 211s + Độ vọt lố: POT = 7.34% Với: Hình 5.23 Đồ thị có điều khiển PID 53 ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT KẾT LUẬN - Trong đề tài nhóm tìm đƣợc hàm truyền hệ gia nhiệt dịng nhập liệu hồn lƣu dựa sở lý thuyết, phƣơng pháp nhận dạng hệ thống đƣợc học lớp - Ứng dụng Phần mềm Matlab tìm điều khiển PID - Sử dụng PLC S7-300 để điều khiển dùng WINCC để giám sát trình đáp ứng hệ thống - Hệ hai ống gia nhiệt nhập liệu hoàn lƣu có đáp ứng tốt, khơng có sai số xác lập, nhiên thời gian tăng thời gian xác lập cịn chậm, có vọt lố dao động ban đầu Cách khắc phục vấn đề trên: + Lấy nhiều mẫu để phân tích hệ + Áp dụng phƣơng pháp nhận dạng hệ thống đại hiệu + Cách nhiệt cho toàn hệ thống để tránh nhiểu nhiệt độ môi trƣờng 54 ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT Tài liệu tham khảo [1] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển trình, NXB Bách khoa Hà Nội,2009 [2] Huỳnh Thái Hồng, Bài giảng mơ hình hóa nhận dạng hệ thống, http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/, 2012 [3] Huỳnh Thái Hồng, Hƣớng dẫn thí nghiệm cao học tự động hóa, 2005 [4] Nguyễn Thế Hùng, Giáo trình điều khiển tự động, ĐH Sƣ phạm kỹ thuật Tp.HCM,2006 Nguồn khác: [5] https://vi.wikipedia.org/wiki/Hiệu_ứng_nhiệt_điện [6] Đề tài mơ hình hệ thống điều khiển tự động xây dựng điều khiển PID [7] https://vi.wikipedia.org/wiki/Bộ_điều_khiển_PID [8] https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller [9] http://ebook.net.vn/ebook/luan-van-nang-cao-chat-luong-bo-dieu-khien- pid-benvung-cho-he-thong-dieu-khien-on-dinh-nhiet-do-3468/ [10] http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?aux=Home 55 ... cứu, thiết kế điều khiển PID cho tháp chƣng cất ethanol Giảng viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: Khố: Tp Hồ Chí Minh, tháng tháng 07/2016 ii ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT LỜI CAM KẾT... liệu 10 ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT 2.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) điều khiển hồi tiếp vịng kín đƣợc sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự... iv ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT TĨM TẮT ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƢNG CẤT Nội dung đồ án này, chủ đề nghiên cứu hệ thống điều khiển gia nhiệt cho dòng nhập liệu hoàn lƣu, ứng dụng tháp