4.1.1. Mô phỏng hệ thống khi chƣa có bộ tách kênh
Để thấy được ảnh hưởng của các tác động xen kênh, ta tiến hành mô phỏng hệ với các vòng điều khiển đa biến khi chưa có bộ tách kênh.
a) Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến với bộ điều khiển tính toán theo phương pháp sử dụng các tiêu chuẩn tối ưu
Hình 4.1. Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu.
Kết quả mô phỏng: - Đáp ứng nhiệt độ T3:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4.2. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử
dụng phương pháp tối ưu
- Đáp ứng mức L:
Hình 4.3. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu
Nhận xét: Có thể thấy rằng, khi có tác động xen kênh giữa các vòng điều khiển đơn biến thì bộ điều khiển thiết lập cho các vòng điều khiển đơn biến không còn chính xác. Trong trường hợp này có thể thấy rằng đáp ứng nhiệt độ khi có tác động xen kênh có độ quá điều chỉnh rất lớn (khoảng 34,4%), thời gian quá độ của đáp ứng nhiệt là khoảng 700s và thời gian quá độ của đáp ứng mức L là khoảng 500s. Điều này là không thể chấp nhận được.
b) Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến với bộ điều khiển tính toán theo phương pháp tổng hợp trực tiếp DS
Hình 4.4. Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp
Kết quả mô phỏng: - Đáp ứng nhiệt độ T3:
Hình 4.5. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4.6. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử dụng
phương pháp tổng hợp trực tiếp DS
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng có thể thấy rằng, khi có tác động xen kênh giữa các vòng điều khiển đơn biến thì bộ điều khiển thiết lập cho các vòng điều khiển đơn biến không còn chính xác. Trong trường hợp này có thể thấy rằng đáp ứng nhiệt độ khi có tác động xen kênh có độ quá điều chỉnh lớn (khoảng 14,3%), thời gian quá độ của đáp ứng nhiệt là khoảng 600s. Trong khi đó đáp ứng mức thì không bám theo lượng đặt, có sai lệch tĩnh lớn (cỡ 10%). Điều này là cũng không thể chấp nhận được.
c) Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến với bộ điều khiển tính toán theo phương pháp IMC
Hình 4.7. Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử dụng phương pháp IMC
Kết quả mô phỏng: - Đáp ứng nhiệt độ T3:
Hình 4.8. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử dụng phương pháp IMC
- Đáp ứng mức L:
Hình 4.9. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử dụng phương pháp IMC
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng có thể thấy rằng, trong trường hợp này đáp ứng nhiệt độ khi có tác động xen kênh có độ quá điều chỉnh lớn (khoảng 17,9%), thời gian quá độ của đáp ứng nhiệt là khoảng 600s. Trong khi đó đáp ứng mức có sự dao động lớn và thời gian quá độ là khoảng 400s. Điều này là cũng không thể chấp nhận được.
Kết luận: Có thể thấy rằng, khi có tác động của ảnh hưởng xen kênh thì việc điều khiển trở nên rất khó khăn, đáp ứng đầu ra của quá trình là không tốt với thời gian quá độ lớn. Do đó, việc thiết lập một bộ tách kênh để phân quá trình thành các vòng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
điều khiển đơn biến là một yêu cầu cần thiết. Phần tiếp theo, chúng ta sẽ tiến hành tính toán bộ tách kênh và mô phỏng hệ thống khi đã thêm bộ tách kênh.
4.1.2. Tính toán bộ tách kênh
Dựa vào công thức (3.18), ta có ma trận hàm truyền bộ tách kênh được tính toán như sau:
Sử dụng các phép biến đổi ta có: Trong đó: Áp dụng công thức xấp xỉ: Ta được: Do đó ta có : Áp dụng công thức xấp xỉ: Khi đó: Suy ra:
- Tính toán các thành phần tiếp theo:
Đến đây việc tính toán bộ tách kênh đã hoàn chỉnh.
4.1.3. Mô phỏng hệ thống khi đã có bộ tách kênh
Theo lý thuyết tách kênh của Luyben thì bộ tách kênh không làm thay đổi biến hàm truyền đạt của đối tượng ban đầu. Do đó, bộ điều khiển thiết kế cho từng vòng đơn vẫn có thể áp dụng cho quá trình khi đã thêm vào bộ tách kênh mà không cần phải tính toán lại. Sử dụng các bộ điều khiển vòng đơn đã tính toán trong phần 4.3, ta tiến hành mô phỏng hệ thống khi đã thêm bộ tách kênh:
a) Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến với bộ điều khiển tính toán theo phương pháp sử dụng các tiêu chuẩn tối ưu
Hình 4.10. Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu
Kết quả mô phỏng: - Đáp ứng nhiệt độ T3:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.11. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu
- Đáp ứng mức L:
Hình 4.12. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu
Nhận xét: Sau khi thêm bộ tách kênh, trong trường hợp này thì độ quá điều chỉnh của đáp ứng đầu ra là thấp (cỡ 5% với đáp ứng nhiệt độ T3 và 3% với đáp ứng của mức L), đồng thời thời gian quá độ của quá trình cũng giảm, cỡ 400s.
b) Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến với bộ điều khiển tính toán theo phương pháp tổng hợp trực tiếp DS
Hình 4.13. Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS.
Kết quả mô phỏng: - Với đáp ứng nhiệt độ T3:
Hình 4.14. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.15. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng, có thể thấy khi sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp, các đáp ứng đầu ra là rất đẹp, bám theo giá trị đặt và không có độ quá điều chỉnh. Thời gian đáp ứng nhanh (với đáp ứng nhiệt độ T3 là khoảng 300s và đáp ứng mức L là khoảng 400s).
c) Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến với bộ điều khiển tính toán theo phương pháp IMC
Hình 4.16. Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp IMC
Kết quả mô phỏng: - Với đáp ứng nhiệt độ T3:
Hình 4.17. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp IMC
- Với đáp ứng mức L:
Hình 4.18.Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp IMC
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng, có thể thấy các đáp ứng đầu ra có dạng khâu quán tính bậc nhất, bám lượng đặt và không có độ quá điều chỉnh. Thời gian quá độ của quá trình cũng khá nhanh (cỡ 500s với đáp ứng nhiệt độ T3 và 350s đối với đáp ứng của mức L).
Kết luận: Từ các kết quả mô phỏng có được ta có thể thấy: sau khi thêm bộ tách kênh vào trong quá trình, thì đáp ứng đầu ra đã được cải thiện rất nhiều. Chỉ trong trường hợp sử dụng phương pháp tiêu chuẩn tối ưu thì đáp ứng đầu ra mới có độ quá điều chỉnh, còn lại thì đều có dạng khâu quán tính bậc nhất, bám lượng đặt và không có độ quá điều chỉnh. Thời gian quá độ của quá trình sau khi thêm bộ tách kênh cũng đã giảm đi đáng kể. Những kết quả thu được đó cho thấy rằng bộ tách kênh là hiệu quả trong việc giảm ảnh hưởng của các tác động xen kênh.
T 0C
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 5
THÍ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ ĐỂ KIỂM CHỨNG
Sau khi có kết quả mô phỏng, ta có thể áp dụng các bộ điều khiển đã tính toán được vào mô hình thực tế. Tuy nhiên, với những bộ điều khiển đã tính toán được ở trên, khi đưa vào mô hình thí nghiệm lại có những vấn đề sau:
- Khi sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp cho mô hình thực thì đáp ứng nhiệt độ và mức tốt nhưng van điều khiển hoạt động theo chế độ On- Off khiến cho dễ bị hỏng van.
- Khi sử dụng phương pháp mô hình nội IMC cho mô hình thực thì đáp ứng đầu ra có độ quá điều chỉnh lớn.
Vì thế, ở đây em chỉ thể hiện các kết quả khi dùng các tiêu chuẩn tối ưu để thiết kế bộ điều khiển cho mô hình thực. Kết quả chạy với mô hình thực nghiệm quan sát trên đồ thị Trend được thể hiện như sau:
5.1. Quá trình khởi động
Thực hiện ghép nối bộ điều khiển với mô hình trước và sau khi thêm bộ tách kênh. Kết quả thu được từ đồ thị Trend được thể hiện như sau:
Hình 5.2. Quá trình khởi động khi đã có bộ tách kênh.
Nhận xét: Có thể thấy rằng khi có bộ tách kênh thì thời gian quá trình quá độ của hệ thống đã giảm đáng kể, hệ thống đạt tới trạng thái cân bằng một cách nhanh chóng và sự dao động cũng íthơn so với trường hợp chưa có bộ tách kênh.
5.2. Thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ T3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 5.4. Thay đổi giá trị lượng đặt T3 khi có bộ tách kênh.
Nhận xét: So sánh kết quả từ 2 đồ thị trên, có thể thấy trong trường hợp không có bộ Decoupler, nếu thay đổi T3 thì mức L cũng bị thay đổi với biên độ lớn, trong khi nhiệt độ cũng nhấp nhô nhiều và lâu ổn định. Còn trong trường hợp sử dụng bộ tách kênh thì khi thay đổi T3 cả nhiệt độ T3 và mức đều dao động ít, nhiệt độ ổn định nhanh.
5.3. Thay đổi giá trị đặt của mức Level
Hình 5.6. Thay đổi giá trị lượng đặt mức L khi đã có bộ tách kênh.
Nhận xét: Từ đồ thị thu được trong 2 trường hợp trên so sánh ta thấy, khi không có decoupler thì mỗi khi thay đổi mức ta lại thấy nhiệt độ tăng lên hoặc giảm đi khoảng 5% với thời gian dao động là rất lớn. Trong khi nếu có bộ tách kênh thì hiện tượng này gần như không xảy ra, nhiệt độ T3 có độ ổn định khá lớn và mức cũng không bị dao động nhiều
5.4. Thay đổi giá trị đặt của van CV3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 5.8. Thay đổi giá trị lượng đặt lưu lượng đầu ra khi đã có bộ tách kênh.
Nhận xét: Từ kết quả thu được trong trường hợp thay đổi lưu lượng đầu ra F3 ta có thể thấy rằng khi không có bộ tách kênh thì nhiệt độ T3 có dao động, tuy không lớn nhưng thời gian dao động nhiều, phải mất một thời gian dài mới bám theo lượng đặt. Trong khi ở trường hợp có thêm bộ tách kênh thì hiện tượng này gần như là không xảy ra.
KẾT LUẬN: Từ các kết quả thu được trên mô hình thực tế, ta có thể thấy rằng bộ tách kênh đã hoạt động hiệu quả trong việc hạn chế ảnh hưởng của các tác động xen kênh, các đáp ứng mức và nhiệt độ ít bị ảnh hưởng đầu vào của đáp ứng còn lại thay đổi. Thời gian quá độ trong các trường hợp khi có bộ tách kênh cũng đã giảm đi đáng kể. Tuy nhiên, bộ tách kênh vẫn chưa thể tách kênh hoàn toàn, sự dao động của các đáp ứng vẫn xuất hiện mặc dù là không đáng kể. Điều này là do sự xấp xỉ trong các khâu tính toán và trong quá trình nhận dạng các đối tượng của quá trình.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN:
Trong quá trình làm luận văn với đề tài: “Nghiên cứu phân tích hệ điều khiển
quá trình đa biến” tôi đã tìm hiểu và tiếp thu được nhiều kinh nghiệm thực tế trong một bài toán điều khiển nói chung và trong bài toán điều khiển quá trình nói riêng. Cùng với đó, tôi đã tổng hợp được nhiều kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế. Trong luận văn này, tôi đã thu được những kết quả như sau:
- Nghiên cứu và phân tích được hệ điều khiển quá trình đa biến
- Khảo sát được đối tượng thực nghiệm, kiểm chứng các tính toán trên mô hình thực. - Thiết kế được điều khiển tách kênh để nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến
Hạn chế của luận văn:
- Qua thí nghiệm cho thấy phần lý thuyết phần tách kênh và thiết kế là
KIẾN NGHỊ:
Trên mô hình thí nghiệm có thể mở rộng cho các thuật điều khiển khác như điều khiển mô hình dự báo đa biến, điều khiển tuyến tính và phi tuyến
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội, 2009.
[2] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2007
[3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[4] Process control, Phòng thí nghiệm trọng điểm tự động hóa
[5] www.users.abo.fi/khaggblo/PWC/Decoupling.pdf truy cập cuối cùng ngày
15/12/2013.
[6] http://www.omega.com truy cập cuối cùng ngày 15/12/2013.
PHỤ LỤC P1. Sơ đồ điện và kí hiệu chân của các khối vào ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
P2. Chƣơng trình lập trình cho bộ điều khiển
Trong phần này, em xin trình bày toàn bộ chương trình được lập trình cho bộ điều khiển. Chương trình được lập trình trên phần mềm Control Builder M (là phần mềm đi kèm với bộ điều khiển của hãng ABB). Toàn bộ chương trình điều khiển được xuất ra file Word từ chính phần mềm của hãng
Chương trình có 1 chương trình chính là Application_1(Controller_1.Normal) và 2 chương trình con là Ketnoithuc - (Controller_1.Normal) và Manual.
Application_1 - (Controller_1.Normal)
Chương trình chính là nơi lưu giữ biến toàn cục cho cả chương trình điều khiển. Các biến này cho phép các chương trình con có thể truy nhập và sử dụng.
Bảng P.4. Application - Application_1 (Global variables – Biến toàn cục)
Name Data
Type
Attributes Initial value
I/O address Access Variables
Description
1 TT1_thuc real retain Controller_1.0.11.2.5 2 FT1_thuc real retain Controller_1.0.11.2.1 3 TT2_thuc real retain Controller_1.0.11.2.6 4 FT2_thuc real retain Controller_1.0.11.2.2 5 TT3_thuc real retain Controller_1.0.11.2.7 6 FT3_thuc real retain Controller_1.0.11.2.3 7 LT_thuc real retain Controller_1.0.11.2.4 8 LT_hienthi real retain
9 Udk_CV1_thuc real retain Controller_1.0.11.3.1 10 Udk_CV2_thuc real retain Controller_1.0.11.3.2 11 Udk_CV3_thuc real retain Controller_1.0.11.3.4 12 ON_OFF_SV1_thuc bool retain 1 Controller_1.0.11.1.7 13 ON_OFF_SV2_thuc bool retain 1 Controller_1.0.11.1.8 14 ON_OFF_SV3_thuc bool retain 1 Controller_1.0.11.1.9 15 SP_L_hienthi real retain 200
16 SP_T3_hienthi real retain 50