BÁO CÁO THÍ NGHIỆMĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Bài 1 Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mứcCác kiến thức cơ sở liên quan đến bài thí nghiệm bao gồm: • Xây dựng mô hình cho đối tuợng bằng phương pháp lý thuyết; • Xây dựng mô hình c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

Bộ môn Điều khiển Tự động

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Bài 1 Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức

Các kiến thức cơ sở liên quan đến bài thí nghiệm bao gồm:

• Xây dựng mô hình cho đối tuợng bằng phương pháp lý thuyết;

• Xây dựng mô hình cho đối tuợng bằng phương pháp thực nghiệm;

• Luu dồ P&ID;

• Các sách luợc điều chỉnh: điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi, điều khiển tầng;

• Thuật toán PID và bộ điều chỉnh PID thực

2 Ðối tuợng và yêu cầu của thí nghiệm

Ðối tuợng thí nghiệm là hệ thống một bình mức với một van vào và một van ra (hình vẽ) Chiềucao của bình, chính là giá trị tối đa của mức chất lỏng trong bình, là 1000 Lưu lượng chất lỏng chảy quacác van (van vào và van ra) được tính là tích của độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 dến 1.0 ứng với

độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua mỗi van khôngnhất thiết là một hằng số Có thể đo hoặc không đo lưu lượng ra

Yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống này để điều chỉnh mức chất lỏng trong bình

ổn định ở giá trị đặt (do nguời sử dụng đặt) Bộ điều khiển chỉ có thể tác động tới van vào (thay đổi độ mởvan vào), còn van ra do nguời sử dụng tùy ý điều khiển

3 Nhiệm vụ thí nghiệm

1) Xác định các tín hiệu vào, tín hiệu ra và nhiễu của hệ thống

- Tín hiệu vào : Độ mở van vào (In Valve), lưu lượng vào (In Flow)

- Tín hiệu ra : Mức nước trong bình (Level)

- Phương trình cân bằng vật chất của hệ :

trong đó : là tiết diện cắt ngang của bình chứa

là chiều cao bình chứa

- Ở trạng thái ban đầu (tại điểm làm việc) thì tất cả các biến chênh lệch y, u, d và đạo hàm đều = 0 nên ta

có thể lấy Laplace 2 về phương trình trên ta được:

- Do van là khâu quán tình bậc nhất nên hàm truyền của hệ thống bình chứa có dạng:

3) Ðối tuợng bình mức đã đuợc mô phỏng bằng khối Single-Tank trong Toolbox thí nghiệm điềukhiển quá trình Sử dụng Simulink để xác định các tham số của mô hình trên, áp dụng phương pháp nhậndạng đã học.

- Phương pháp kẻ tiếp tuyến: Cho tín hiệu bước nhảy (step) tác động ở đầu vào của Single-tanktrong Matlab và ta có đáp ứng quá độ có dạng quán tính bậc nhất như hình dưới :

Từ đồ thị của Scope, tính được giá trị K và T:

(lấy giao điểm tiếp tuyến với trục hoành)

Nhận xét: Sau khi hiệu chỉnh và chọn các tham số K = 3 và T = 6 thì hai đường đồ thị gần như giống

 Các sách lược không thể sử dụng ở bài toán này: điều khiển tỉ lệ, điều khiển truyền thẳng, điềukhiển phân vùng, điều khiển lựa chọn

Giải thích:

- Quá trình bình định mức là 1 khâu tích phân không có tính tự cân bằng, trong khi đó điều khiểntruyền thẳng không làm thay đổi tính ổn định của hệ thống Nên một tác động nhỏ của nhiễu làm

hệ thống đi tới trạng thái mất cân bằng

- Điều khiển tỉ lệ được áp dụng cho hệ thống: duy trì quan hệ giữa 2 biến nhằm điều khiển gián tiếpbiến thứ 3, mà điều khiển bình mức chỉ có 1 biến điều khiển nên không được áp dụng

- Điều khiển lựa chọn và điều khiển phân vùng cần ít nhất 2 biến điều khiển mà bình 1 định mức có

1 biến điều khiển

5) Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng

Nêu phương pháp xác định tham số cho bộ đk PID, cần giải thích rõ tại sao chọn phương pháp này ?

- Hàm truyền đạt PID có dạng:

- Ta chọn phương pháp Ziegler Nichol I vì: vì ta biết được là đặc tính quá độ của quá trình từ đầu vào có dạng của hàm bước nhảy (Step) Hơn nữa đối tượng là khâu quán tính tích phân vì van làkhâu quán tính vì độ mở của valve thì sẽ tỉ lệ với lưu lượng nước chảy vào bình chưa, còn đối với mức nước (level) dâng lên trong bình là khâu tích phân nên cả hệ kín phù hợp với phương pháp Ziegler Nichol I để tìm bộ điều khiển cho hệ thống

Lưu đồ P&ID với sách lược điều khiển truyền thẳng (bù nhiễu):

Mô phỏng Matlab Simulink với stoptime = 2500

- Bộ điều khiển P (Kp = 0.333) : Mối tương quan giữa giá trị đặt SP = 200 và level theo thời gian đượcthể hiện qua hình sau :

- Bộ điều khiển PI (Kp = 0.3, Ti = 20) : Mối tương quan giữa giá trị đặt SP = 200 và level theo thời gian được thể hiện qua hình sau :

- Bộ điều khiển PID (Kp = 0.4, Ti = 12, Td = 3) : Mối tương quan giữa giá trị đặt SP = 200 và level theo thời gian được thể hiện qua hình sau :

Nhận xét về khả năng áp dụng của sách lược điều khiển này : Từ kết quả mô phỏng trên, có thể thấy tín

hiệu đầu ra không bám sát với tín hiệu đặt, hệ thống không dần đi đến ổn định nên không thể áp dụng sách lược điều khiển này cho hệ thống trên

Giải thích : Để áp dụng sách lược truyền thẳng thì yêu cầu đặt ra là phải biết rõ thông tin về quá trình và

ảnh hưởng của nhiễu vì bản chất của điều khiển truyền thẳng là bù nhiễu Tuy nhiên, mô hình đối tượng và

mô hình nhiễu không bao giờ chính xác, không phải nhiễu nào cũng đo được, nên sai lệch tĩnh bao giờ cũng tồn tại

7) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn, xây dựng bộ điều khiển mức cho đối tuợng

Mô phỏng trên Simulink Thử sử dụng 3 bộ điều khiển khác nhau P, PI và PID cho đối tượng

Lưu đồ P&ID với sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn

Mô phỏng trên Matlab Simulink, thông số stoptime = 2500, Set point = 200

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (K p =0.333): Tương quan giữa giá trị Setpoint và Level theo thời

gian được biểu diễn ở hình dưới

Nhận xét : Đáp ứng đầu ra bám khá sát với Setpoint, tuy nhiên thời gian quá độ còn lớn (t =155s)

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI(K p =0.3, T i =20): Tương quan giữa giá trị Setpoint và Level theo

thời gian được biểu diễn ở hình dưới

Nhận xét: Đáp ứng đầu ra xuất hiện nhiều dao động xung quanh Setpoint ban đầu, hệ kín không dần tới ổn định, có độ quá điều chỉnh lớn hơn nhiều so với bộ P do chứa thêm khâu tích phân.

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID(K p =0.4, T i =12, T d =3 ): Tương quan giữa giá trị Setpoint và

Level theo thời gian được biểu diễn ở hình dưới

Nhận xét: Tương tự như trường hợp bộ PI, đáp ứng đầu ra xuất hiện nhiều dao động xung quanh Setpoint ban đầu, hệ kín không dần tới ổn định, có độ quá điều chỉnh lớn hơn nhiều so với bộ P do chứa thêm khâu tích phân

Có cần đo lưu lượng ra hay không? Tại sao? : Không cần đo lưu lượng nước ra vì điều khiển phản hồi đã

đo mức của bình chứa rồi phản hồi về van để điều khiển độ mở van, qua đó đồng thời gián tiếp điều khiển lưu lượng ra

8) Nếu sử dụng bộ điều khiển có thành phần tích phân :

Nhận xét về độ quá điều chỉnh và sự dao động:

Độ quá điều chỉnh và sự dao động không tắt dần của đáp ứng đầu ra quá lớn dẫn tới hệ kín không ổn định

Giải thích nguyên nhân (thành phần nào của BĐK tạo nên độ quá điều chỉnh và tại sao ?)

Khi thực hiện mô phỏng với bộ PI và PID thì xảy ra hiện tượng mức nước vượt quá và không đạt ổn định.Đây là hiện tượng bão hòa tích phân thường xảy ra trong các bộ điều khiển có chứa khâu I Để khắc phục

ta xây dựng sơ đồ có thêm khâu chống bão hòa tích phân

Nêu các biện pháp khắc phục (thay đổi BĐK như thế nào?)

Để khắc phục, cần xây dựng sơ đồ có thêm khâu chống bão hòa tích phân

9) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn sử dụng bộ điều khiển PI-chống bão hòa tích phân và PID-chống bão hòa tích phân

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI-chống bão hòa tích phân: Kp = 0.3, , giá trị Gain nằm trong khoảng

từ 0 đến Ti (ở đây chọn Gain = 5), Stop time = 2500

Nhận xét: Sử dụng bộ điều khiển PI – chống bão hòa tích phân giúp độ quá điều chỉnh giảm tốt, đáp ứng đầu ra không còn dao động nhiều, bám khá sát giá trị đặt SP dù còn độ chênh lệch khoảng 10%, thời gian quá độ cũng giảm (t=100s) nhưng vẫn còn khá lớn.

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID-chống bão hòa tích phân: Kp = 0.4, , Td = 3, giá trị Gain nằm trong khoảng từ 0 đến Ti (ở đây chọn Gain = 5), Stop time = 2500

Nhận xét: Tương tự bộ điều khiển PI – chống bão hòa tích phân, hiện tượng bão hòa tích phân được khắc phục đáng kể, độ quá điều chỉnh giảm tốt, đáp ứng đầu ra không còn dao động nhiều, bám khá sát giá trị đặt SP dù còn độ chênh lệch khoảng 10%, thời gian quá độ cũng giảm (t=100s) nhưng vẫn còn khá lớn

10) Sử dụng sách luợc điều khiển tầng (cascade control), xây dựng bộ điều khiển cho đối tuợng theo các buớc sau:

Lưu đồ P&ID với sách lược điều khiển tầng:

a Giải thích tại sao cần sử dụng điều khiển tầng

Khi sử dụng sách lược điều khiển phản hồi như ở phần trên ta thấy hệ bị ảnh hưởng khá nhiều bởinhiễu quá trình dẫn tới hiện tượng độ quá điều chỉnh lớn, thời gian đáp ứng còn tương đối chậm

Để giải quyết vấn đề trên ta sử dụng bộ điều khiển tầng, giúp loại bỏ ảnh hưởng (giảm tối thiểu)của nhiễu quá trình và cải thiện được đáng kể động học của hệ thống

b Xác dịnh các vòng điều khiển cần xây dựng Nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng Cần phải đo (những) đại luợng nào?

− Bộ điều khiển vòng trong (sơ cấp): có chức năng đáp ứng với giá trị đặt thay đổi, loại trừ

ảnh hưởng của nhiễu, duy trì biến cần điều khiển bám theo giá trị đặt (set point) ban đầu.Vòng ngoài có chức năng là đo mức của bình rồi phản hồi lại cho bộ điều khiển để kết hợpvới SP đưa ra một tín hiệu vào cho bộ điều khiển của vòng trong

− Bộ điều khiển vòng trong (thứ cấp): có chức năng loại trừ hoặc làm giảm thiểu ảnh hưởng

của nhiễu tới biến cần điều khiển thực Vòng trong có chức năng do lưu lượng In, OutFlow kết hợp với tín hiệu đưa vào từ vòng ngoài để đưa ra tín hiệu điều khiển độ mở vanvào

c Xây dựng các vòng điều khiển đã xác định ở trên

Truờng hợp không đo đuợc lưu lượng ra.

• Mô phỏng trên Simulink, stoptime = 2500, độ mở van ra = 0.3

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vòng ngoài)/P (vòng trong)

Tham số của các bộ đk (có thể hiệu chỉnh nếu cần thiết):

Giả sử K p ngoài = Kp trong = 0.333, kết quả mô phỏng thu được như sau:

Nhận xét : Do đáp ứng đầu ra hoàn toàn không bám theo giá trị đặt -> Cần hiệu chỉnh Kp ngoài bằng cách tăng giá trị lên đủ lớn so với Kp trong

Tính toán tham số bộ điều khiển: Lấy giá trị

- Bộ P vòng trong :

- Bộ P vòng ngoài :

Kết quả mô phỏng khi thay đổi liên tục giá trị đặt, độ mở van = 0.3

Nhận xét: Đáp ứng đầu ra tốt, sát với giá trị đặt, thời gian quá độ không quá lớn, chất lượng điều khiển tốt

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vòng ngoài)/PI-RW (vòng trong)

Tham số của các bộ đk: K = 300 000, T = 6

Bộ P vòng trong :

Hệ số nhánh chống bão hòa tích phân : K lấy một phần của TI -> Lấy K = 5

Bộ P vòng ngoài : Tương tự như bộ P đã tính toán :

Kết quả mô phỏng khi thay đổi liên tục giá trị đặt, độ mở van = 0.3

Truờng hợp đo đuợc lưu lượng ra.

• Mô phỏng trên Simulink và hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển (nếu cần)

• Sử dụng khối scope để quan sát lưu lượng vào và ra Thay đổi giá trị đặt và/hoặc độ mở van ra trong quá trình mô phỏng

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vòng ngoài)/P (vòng trong)

Tham số của các bộ đk (có thể hiệu chỉnh nếu cần thiết):

- Bộ P vòng trong :

- Bộ P vòng ngoài :

Kết quả mô phỏng khi thay đổi liên tục giá trị đặt, độ mở van = 0.3

độ mở van ra = 0.3

Nhận xét: Đáp ứng đầu ra và chất lượng điều khiển tốt, bám sát giá trị đặt ban đầu, thời gian quá độ khôngquá lớn

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vòng ngoài)/PI-RW (vòng trong)

Tham số của các bộ đk (có thể hiệu chỉnh nếu cần thiết):

Kết quả mô phỏng:

Nhận xét: Đáp ứng đầu ra và chất lượng điều khiển tốt, bám sát giá trị đặt ban đầu, thời gian quá độ ngắn

So sánh hai truờng hợp không đo và có đo lưu lượng ra

 Cả hai trường hợp đều cho chất lượng điều khiển tốt, thời gian quá độ nhanh, đầu ra bám sát theo giá trịđiểm đặt ban đầu

 Từ đây ta có thể thấy không cần thiết đo lưu lượng đầu ra thì bộ điều khiển vẫn cho chất lượng điều khiển tốt và đáp ứng được yêu cầu đặt ra do kết quả mô phỏng hai

• Xây dựng mô hình cho đối tuợng MIMO (bằng phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm).

• Phân tích RGA, cặp đôi vào-ra

• Thiết kế sách luợc điều khiển tầng

• Thiết kế sách lược điều khiển nhiều vòng (điều khiển phân tán)

2 Ðối tuợng và yêu cầu của thí nghiệm

Ðối tượng thí nghiệm là hệ thống gồm hai bình mức thông nhau (hình vẽ) Chiều cao của cả haibình, chính là giá trị tối đa của mức chất lỏng trong bình, là 1000 Lưu luợng chất lỏng chảy qua các vanđuợc tính là tích của độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 dến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%)với lưu lượng tối đa qua van Giá trị lưu lượng tối đa qua mỗi van không nhất thiết là một hằng số Tất cảcác giá trị lưu lượng qua các đuờng ống đều đo được Yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều khiển cho hệthống này để diều chỉnh mức chất lỏng trong cả hai bình ổn định ở các giá trị đặt (do nguời sử dụng đặt)

Bộ điều khiển chỉ có thể tác động tới van 1 và van 2 (thay đổi độ mở van), còn van 3 do nguời sử dụngtùy ý điều khiển

3 Nhiệm vụ thí nghiệm

1) Xây dựng mô hình cho đối tuợng và xác dịnh các tín hiệu vào, tín hiệu ra và nhiễu của hệ

thống (Phần này sinh viên phải làm trước ở nhà)

- Tín hiệu vào: F1, F2

- Tín hiệu ra: h1, h2.

- Nhiễu: F3

HỆ THỐNG HAIBÌNH MỨC

Phương trình cân bằng vật chất:

= Phương trình cân bằng vật chất cho bình mức 1:

=

Từ (1) và (2) ta có:

=

=

Do van là khâu quán tính bậc nhất nên hàm truyền G1(S), G2(S) sẽ có dạng:

3) Ðối tuợng bình mức đã đuợc mô phỏng bằng khối Single-Tank trong Toolbox thí nghiệm điều

khiển quá trình Sử dụng Simulink để xác định các tham số của mô hình trên, áp dụng phương pháp nhậndạng đã học

Phương pháp kẻ tiếp tuyến: Cho tín hiệu bước nhảy (step) tác động ở đầu vào của Two-tank trong Matlab và ta có đáp ứng quá độ có dạng quán tính bậc nhất như hình dưới :

Với bộ số K 1 =0.57, T 1 =4.3 và K 2 =0.09, T 2 =6.5, , ta thu được lần lượt các cặp đồ thị gần như giống nhau,

vậy nên sẽ chọn bộ số hiệu chỉnh này

4) Xác định (các) sách luợc điều chỉnh có thể sử dụng và (các) sách luợc điều chỉnh không thể sử

dụng cho bài toán này, giải thích (Phần này sinh viên phải làm trước ở nhà)

 Các sách lược điều khiển có thể sử dụng: sách lược điều khiển phản hồi và sách lược điều khiển tầng vìsách lược điều khiển giúp triệt tiêu hoặc giảm tối thiểu sai lệch tĩnh, cho chất lượng điều khiển tốt, hệ

ổn định, thời gian đáp ứng nhanh

 Các sách lược điều khiển không thể sử dụng cho bài toán này: sách lược điều khiển truyền thẳng vì:quá trình bình định mức là 1 khâu tích phân không có tính tự cân bằng, trong khi đó điều khiển truyền

5) Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng

Bình 1

Nêu phương pháp xác định tham số bộ đk PID, giải thích tại sao lại chọn phương pháp này ? (Phần

này sinh viên phải làm trước ở nhà)

 Ta chọn phương pháp Ziegler Nichol I vì: vì ta biết được là đặc tính quá độ của quá trình từ đầu vào có dạng của hàm bước nhảy (Step) Hơn nữa đối tượng là khâu quán tính tích phân vì valve là khâu quán tính vì độ mở của valve thì sẽ tỉ lệ với lưu lượng nước chảy vào bình chưa, còn đối với mức nước (level) dâng lên trong bình là khâu tích phân nên cả hệ kín phù hợp với phương pháp Ziegler Nichol I

để tìm bộ điều khiển cho hệ thống

Nêu phương pháp xác định tham số bộ đk PID, giải thích (Phần này sinh viên phải làm trước ở nhà)

 Tương tự như trên ta sử dụng phương pháp Ziegler Nichol I để thiết kế bộ điều khiển PID:

6) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn cho từng bình, xây dựng bộ điều khiển mức

cho đối tuợng Mô phỏng trên Simulink Sử dụng các loại bộ điều khiển khác nhau (P, PI-RW) cho bài toán

 Lưu đồ P&ID

Nhận xét:

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P: Kp1=1.754, Kp2=11.111

Kết quả mô phỏng với stoptime = 2500