Báo cáo môn dụng cụ đo và điều khiển quá trình công nghệ

Câu 1: Cho hệ thống sau Hãy mô tả cách thức điều khiển quá trình trên mô tả dụng cụ đo, mô tả đường đi tín hiệu, mô tả các bộ điều khiển, mô tả cách thức điều khiển, mô tả điều khiển cả

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU

1 PHẦN MỞ ĐẦU

Dựa vào đề bài mà thầy cung cấp thì tụi em sẽ làm Đề số 1

Câu 1: Cho hệ thống sau

Hãy mô tả cách thức điều khiển quá trình trên (mô tả dụng cụ đo, mô tả đường đi tín

hiệu, mô tả các bộ điều khiển, mô tả cách thức điều khiển, mô tả điều khiển cả quá trình)?

Ở câu 1 tụi em sẽ áp dụng các kiến thức mà được học về các kí hiệu nhãn thiết bị để giải thích tên các bộ điều khiển và kiến thức đã học về các bảng vẽ PID để hoàn thành câu 1

Với đề bài trên chúng em thực hiện các bước như sau:

 B1: Đầu tiên cần liệt kệ các dụng cụ đo có trong đề bài và giải thích dụng cụ đo

đó hoạt động như thế nào

 B2: Liệt kê các đường đường tín hiệu có trong đề bài đường tín hiệu đấy là đường tín hiệu truyền bằng phương pháp nào được nối với dụng cụ đo nào với bộ điều khiển nào

 B3: Liệt kê các bộ điều khiển có trong đề bài và giải thích bộ điều khiển này dùng vào hoạt động nào

 B4: Bắt đầu mô tả các cách thức điều khiển của các bộ điều khiển và quá trình ở trên

Câu 2: Cho sơ đồ khối điều khiển mức nước và bảng thông số của đối tượng điều khiển như sau:

Bảng: Thông số của đối tượng điều khiển

Ký hiệu Mô tả Giá trị Đơn vị

k Hệ số của máy bơm 3.3 Cm3/Sv

CD Hệ số van xả 0.6

Db Đường kính bên trong của bồn 6 Cm

Dv Đường kính của val xả 0.6 Cm

Hmax Chiều cao của mỗi bồn 30 Cm

K Độ phân giải của sensor 6.1 Cm/V

Tìm hàm truyền hệ thống w(s)?

- Hãy thiết kế bộ điều khiển mức nước dùng PI thỏa sai số xác lập nhỏ hơn 10%, biết giá trị đặt là 16 và mức hoạt động bồn thường H =5cm?

- Mô phỏng hệ thống bồn nước dùng bộ điều khiển PI?

- Phân tích kết quả mô phỏng thông qua độ vọt lố, sai số xác lập và thời gian (quá độ, xác lập, thời gian lên)

Ở câu 2: Chúng em dựa vào lý thuyết bộ điều khiển PI

 B1: Tìm hàm truyền hệ thống

 B2: Vào Sisotool thiết kế bộ điều khiển mức nước PI tìm Ki và Kp thỏa độ vọt lố dưới 10%

 B3: Mô phỏng hệ thống bồn nước dùng bộ điều khiển PI trong simulink và nhập

Ki và Kp vào hệ thống đề xuất ra đồ thị kết quả tín hiệu đầu ra

 B4: Phân tích kết quả mô phỏng thông qua độ vọt lố, sai số xác lập và thời gian

Câu 3: Anh (chị) hãy trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm, ứng

dụng các dụng cụ đo lường nhiệt độ?

Ở câu 3 : Chúng em sẽ tìm kiếm các thông tin về các dụng cụ đo lường để hoàn thành câu này

 B1: Tìm hiểu các dụng cụ về đo lường nhiệt độ như nhiệt kế…, pin nhiệt điện

 B2: Tìm các thông số nguyên lý hoạt động của từng thiết bị nêu trên

 B3: Trình bày cấu tạo của các thiết bị trên

 B4: Trình bày các ưu nhược điểm của các thiết bị

 B5: Nêu các ứng dụng về các dụng cụ đo lường nhiệt độ

CHƯƠNG II : LÝ THUYẾT VÀ VẬN DỤNG

1 Cơ sở lý thuyết

Ở bài tập lớn này tụi em sẽ vận dụng các kiến thức đã học về các kí hiệu nhãn thiết bị bản vẽ PID, bộ điều khiển PI và định nghĩa về thiết bị đo nhiệt lượng để giúp tụi

em hoàn thành tốt các bài tập nêu trên

Bộ điều khiển PI nên dùng cho các quá trình ít chịu ảnh hưởng bởi nhiễu tần số cao, đặc tính động học của cảm biến và cơ cấu chấp hành rất nhanh so với động học của quá trình Quá trình thường dùng bộ điều khiển PI là quá trình có khâu quán tính bậc

nhất, có trễ nhỏ ( so với hằng số thời gian quá trình) và yêu cầu cao về chất lượng ở

trạng thái xác lập quan trọng hơn yêu cầu chất lượng bám tín hiệu đặt Mức độ ảnh hưởng của thành phần tích phân phụ thuộc vào hằng số Ti, khi Ti nhỏ tần số gãy của đặt tính tần biên pha càng lớn, sự ảnh hưởng của thành phần tích phân sẽ ảnh hưởng sang vùng tần số cao, do vậy chất lượng đáp ứng của hệ bị ảnh hưởng, tuy nhiên trong một số trường hợp giảm nhỏ Ti sẽ làm giảm thời gian quá độ và sai lệch điều khiển, tuy nhiên

nếu hệ có dao động thị sẽ làm dao động mạnh và kéo dài hơn, nếu tăng Ti sẽ tăng tính

bền vững của hệ kín đối với nhiễu tần số cao, giảm dao động nhưng thời gian quá độ kéo dài và sai lệch tĩnh lâu bị triệt tiêu Để khắc phục sự ảnh hưởng của nhiễu tần số cao trong tín hiệu phản hồi người ta sẽ dùng bộ điều khiển mắc nối tiếp với khâu trễ pha bậc

1 hoặc khâu lọc bậc 2 Để thay đổi tốc độ đáp ứng của hệ trong quá trình quá độ đối với

sự thau đổi tín hiệu đặt ( làm chậm đi ) ta sử dụng bộ điều khiển PI có điều chỉnh trọng

số đối với giá trị đặt hoặc bộ điều khiển PI với thành phần tỷ lệ tác động lên đầu ra của quá trình cấu hình 1, tượng tự để giảm độ quá điều chỉnh khi Ti nhỏ người ta sử dụng bộ điều khiển PI với thành phần tỷ lệ tác động lên đầu ra của quá trình cấu hình 2 Đối với

bộ điều khiển PI, ta có thể nói rằng thành phần P có ảnh hưởng nhiều đến động học hệ kín ở tần số cao hơn tần số gãy, thành phần I lại ảnh hưởng chủ yếu ở tần số thấp do đó

bộ điều khiển PI có khả năng cải thiện đặc tính động học hệ kín nhờ thành phần P và triệt tiêu sai lệch tĩnh nhờ thành phần I Xét về đặc tính pha, thành phần I làm chậm oha thêm 900 tại các tần số thấp, do đó độ dự trữ ổn định của hệ kín bị giảm đi

Định nghĩa về thiết bị đo nhiệt độ là dụng cụ dùng để đo nhiệt độ hoặc nhiệt độ

Các bộ điều khiển phản hồi là những thành cốt lõi của mỗi hệ thống điều khiển

Bộ điều khiển phản hồi có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực

hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bị chấp hành Trong một hệ thống điều khiển quá trình, các bộ điều khiển phản hồi có thể được thực hiện dưới dạng một thiết bị điều khiển vòng đơn ( Single-Loop Controller, SLC ) hoặc một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẽ như DCS ( Distributed Control System ), PLC ( Programmable Logic Controller ) hoặc máy tính cá nhân công nghiệp

 PT:Pressure Transmit - Truyền phát áp suất

 LT: Level Transmit - Truyền phát mực chất lỏng

- Mô tả đường đi tín hiệu:

( - ): tín hiệu điện

( ): đường nối tới quá trình kĩ thuật

- Mô tả bộ điều khiển: gồm 2 phần là thiết bị điều khiển và thiết bị nhận tính hiệu điều khiển

+ FC: Flow rate Control - Điều chỉnh lưu tốc

+ PC:Pressure Control - Điều chỉnh áp suất

+ LC: Level Control - Điều chỉnh mực chất lỏng

+ thiết bị nhận tín hiệu điều khiển : Van điều khiển bằng điện

- Mô tả cách thức điều khiển: Tại vị trí van số 1 đây là van điều khiển hơi nước gia

nhiệt cho bể chứa sẽ nhận tín hiệu điều khiển bằng điện từ bộ điều khiển FC và bộ điều khiển này sẽ nhận các thông số đo được từ thiết bị đo FT thiết bị đo FT sẽ kết nối

trực tiếp với đường ống chính để có thể lấy được thông số cần thiết

Tại vị trí van số 3 đây là van điều khiển hơi bên trong bể chứa Van này sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ PC và PC điều khiển van nhờ đường tín hiệu điện và PC cũng sẽ

nhận được tín hiệu điện từ thiết bị đó TC để lấy thông số đo để có thể điều chỉnh van cho phù hợp

Tại vị trí van số 4 đây là van điều khiển chất lỏng sau khi nhận nhiệt từ thiết bị gia nhiệt

Van này cũng được điều khiển bằng tín hiệu điện và được bộ điều khiển LT điều khiển đóng mở và cũng như các bộ phận điều khiển ở trên bộ điều khiển LT vẫn lấy thông tin tín hiệu điện từ thiết bị đo LC

Tại vị trí van số 5 đây là van điều khiển mực chất lỏng cho vào bể chứa Van này được điều khiển bằng bộ điều khiển FC cũng nhận tín hiệu điện từ thiết bị đo FT cả

2 thiết bị điều được kết nối bằng tín hiệu điện

Bể chứa được gia nhiệt bằng một bộ phận gia nhiệt dùng hơi nước nóng để gia nhiệt cho bể chứa tại Van số 1 dòng hơi nước gia nhiệt này được điều khiển bằng bộ điều khiển FC được điều khiền bằng tín hiệu điện và trên đường ống trước khi qua van

ta sẽ lắp 1 dụng cụ đo FT để FC có thể nhận được tín hiệu để điều khiển tiều tiết van số

1 sau khi đi vào và gia nhiệt cho bể chứa thì dòng hơi này se được đo lại nhiệt độ bằng

dụng cụ đo T và quay về bể ngưng tụ tiếp tục tuần hoàn

Tại bể chứa chung ta sẽ kiểm soát bằng các bộ điều khiển FC, PC và LC

Tại Van số 5 đây là đường tiếp chất lỏng cho bể chứa bộ đo lường FT có nhiệm

vụ ghi nhận lưu lượng chất lỏng đi vào và gửi tín hiệu điện về cho FC tại đây FC sẽ phân tích và điều khiển Van số bằng điện để điều tiết lưu lượng vào bể chứa

Tại Van số 3 đây là đường kiểm soát áp suất hơi khi mà chất lỏng trong bể chứa được gia nhiệt và hóa hơi Tại đây PC nhận tín hiệu đo từ PT để điều khiển Van số 3 điều tiết lượng hơi trong mức an toàn

Tại Van số 4 đây là nơi lấy chất lỏng ra khỏi bể chứa thiết bị đo LT sẽ gắn vào thân của bể chứa để lấy thông số truyền tín hiệu đấy về LC để LC có thể điều tiết van số

4 để lấy lượng chất lỏng cần thiết tránh tình trạng trong bể chứa cạn chất lỏng

=> Kết luận: Sau khi hoàn thành câu 1 em đã hình dung ra được con đường cách

vận hành của 1 bộ điều khiển và tầm quan trong của nó trong một chuổi hoạt động của thiết bị hổ trợ người sử dụng để tránh được những sự nguy hiểm khi vận hành

Câu 2: Cho sơ đồ khối điều khiển mức nước và bảng thông số của đối tượng điều khiển như sau:

Bảng: Thông số của đối tượng điều khiển

Ký hiệu Mô tả Giá trị Đơn vị

k Hệ số của máy bơm 3.3 Cm3/Sv

CD Hệ số van xả 0.6

Db Đường kính bên trong của bồn 6 Cm

Dv Đường kính của val xả 0.6 Cm

Hmax Chiều cao của mỗi bồn 30 Cm

K Độ phân giải của sensor 6.1 Cm/V

Tìm hàm truyền hệ thống w(s)?

- Hãy thiết kế bộ điều khiển mức nước dùng PI thỏa sai số xác lập nhỏ hơn 10%, biết giá trị đặt là 16 và mức hoạt động bồn thường H =5cm?

- Mô phỏng hệ thống bồn nước dùng bộ điều khiển PI?

- Phân tích kết quả mô phỏng thông qua độ vọt lố, sai số xác lập và thời gian (quá độ, xác lập, thời gian lên)

k = A =k 3,3

2π 1,52 = 0,933Hàm truyền của hệ thống:

Bước 1: Nhập hàm truyền của hệ thống vào Workspace

Bước 2: Khởi động sisotool

>>sisotool(G) và nhấn Enter

Bước 3: Xuất hiện giao diện sisotool và nhấn vào Edit Architecture chọn Edit Architecture

Bước 4: Nhập hàm truyền vào hệ thống cần phân tích để chọn bộ điều khiển

Xuất hiện cửa sổ Edit Architecture-Configuration 1 ta nhấn vào Import Data for G

Nhấn vào G và Import

Bước 5: Vào Tuning Methods Chọn PID Tuning Hộp thoại PID Tuning mở ra Thay đổi Response Time và Transient Behavior để được đáp ứng tốt nhất , từ đó ta ghi

nhận lại giá trị Kp và KI

Bước 6: Kết quả cuối cùng

- Hệ thống ổn định:

 Vì 2 cực (cực ảo) của hệ thống nằm bên trái mặt phẳng phức

 Độ lợi biên và độ lợi pha của hệ hở dương

Ta có biên độ đỉnh là 1,08 và nó bị vọt lố 7,82% so với biên độ xác lập tại thời điểm là 0,126s

Bước 7: Đánh giá chất lượng của hệ thống sau khi thiết kế bộ điều khiển

- Tham số bộ điều khiển sau khi thiết kế: KP = 319,1*0,12= 38,292; KI = 319,1

- Đáp ứng hệ thống tốt hơn: giảm độ vọt lố, giảm thời gian quá độ, hệ thống ổn định bền vững vì quỹ đạo nghiệm số tiến xa trục ảo

- Độ lợi biên và độ lợi pha dương suy ra hệ thống ổn định

 Mô phỏng hệ thống bồn nước dùng bộ điều khiển PI

Bước 1: Vào giao diện Simulink

Bước 2: Vào Library Browser chọn các khối Constant, Sum, PID Controller, Transfer Fcn, Bus Creator, Scope.

Bước 3: Nối các khối lại với nhau

Bước 4: Nhấp vào Constant và nhập giá trị Constant value

Bước 5: Đổi Sum thành + -

Bước 6: Nhập hàm truyền

Sơ đồ hệ thống Simulink hoàn chỉnh:

Bước 7: Với tham số của bộ điều khiển vừa thiết kế ta nhập vào PI Controller  Nhấn

OK

Bước 9: Xuất đồ thị

Vào Command Window ta nhập:

x = ScopeData.time;

y = ScopeData.signals.values; plot(x,y,'b');

%plot(x,y,'b');

grid on;

Kết quả tín hiệu ra với tín hiệu vào là 16 cm

 Phân tích kết quả mô phỏng thông qua độ vọt lố, sai số xác lập và thời gian (quá độ, xác lập, thời gian lên)

Biên độ đỉnh là 1,08 và nó bị vọt lố 7,82% so với biên độ xác lập tại thời điểm là 0,126s

Hệ thống xác lập sau khoảng thời gian là 0,291s

Thời gian lên là 0,0475s là khoảng thời gian tính từ khi hệ thống của chúng ta đạt được 10% giá trị xác lập cho đến 90% giá trị xác lập

Thời gian quá độ của hệ quán tính bậc 1 là:

Kết luận: Trong hệ thống dùng bộ điều khiển PI nếu KI và KP giảm thì độ vọt lố

giảm, sai số xác lập giảmthời gian xác lập tăng, thời gian lên tăng  Thời gian quá

độ tăng Độ ổn định tăng

Ngược lại, nếu KI và KP tăng thì độ vọt lố tăng, sai số xác lập tăngthời gian xác

lập giảm ít, thời gian lên giảm  Thời gian quá độ giảm Độ ổn định giảm không đáng kể nếu độ vọt lố dưới 10%

Câu 3 Anh (chị) hãy trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm, ứng dụng các dụng cụ đo lường nhiệt độ?

1-Nhiệt kế giản nở chất lỏng:

Nguyên lý hoạt động: Nhiệt kế giản nở chất lỏng hoạt động dựa trên sự giản nở

của các chất lỏng, chất lỏng thường dùng là thủy ngân, rượu màu, rượu etylic,…

Nguyên lý hoạt động: Đo nhiệt độ bằng nguyên tắt biến dạng lưỡng kim, có thiết

kế lò xo xoắn với 2 thanh kim loại có hệ số giản nở vì nhiệt khác nhau, khi nhiệt độ thay đổi, lưỡng kim sẽ biến dạng Chính vì 2 kim loại có độ giản nở vì nhiệt khác nhau, nên khi nhiệt độ thay đổi, chúng sẽ bị uốn cong về 1 bên Lá kim loại có 1 đầu được cố định vào thành ống bảo vệ và đầu còn lại được cố định vào trục được thiết kế truyền động

với kim chỉ thị của đồng hồ Khi nhiệt độ thay đổi, 2 lá kim loại có nhiệt độ giản nở

khác nhau làm xoay trục kim chỉ thị Tất cả chuyển động này được tính toán hợp lí để kim chỉ thị chỉ đến vạch nhiệt độ đo được chính xác

Nguyên lý hoạt động: Đầu tự do của ống đàn hồi được nối với kim chỉ thị nhờ

cơ cấu truyền Khi nhiệt độ ống nhiệt thay đổi, áp suất bên trong hệ thống thay đổi theo, làm cho ống lò xo 2 bị xoắn lại hoặc nới ra, khi đổi đầu tự do làm cho kim chỉ thị chuyển dịch tương đối với thang đo

Cấu tạo: Gồm 2 kim loại khác nhau được hàn dính ở 2 đầu

 Một đầu gọi là điểm nóng ( điểm đo )

 Một đầu gọi là điểm lạnh ( điểm tham chiếu )

5-Nhiệt điện kế điện trở (RTD)

Nguyên lý hoạt động: Dựa vào sự thay đổi điện trở của kim loại khi nhiệt độ thay đổi Khi đặt nhiệt kế vào môi trường đo, điện trở của kim loại này thay đổi theo nhiệt độ, bộ phận ghi nhận tín hiệu sẽ chuyển tín hiệu này cho bộ phận chuyển đổi và bộ

Cấu tạo: Nguồn điện trở kim loại đặt trong 1 ống bảo vệ và luôn có dòng điện đi qua ( được giữ từ nguồn bên ngoài )

6-Thiết bị đo nhiệt độ hồng ngoại

Nguyên lý hoạt động:Thiết bị đo nhiệt độ hồng ngoại có thể đo nhiệt độ từ xa từ vài cm cho đến hàng chục mét, nó đặc biệt hữu dụng trong trường hợp đo ở những nơi

có vị trí cao hoặc những nơi nguy hiểm Súng đo nhiệt độ hoạt động dựa trên sóng hồng ngoại, loại sóng này có bước sóng dài và mang đến ánh sáng tốt Hầu hết các loại súng

đo nhiệt độ hồng ngoại sẽ có bước sóng từ 0.8µm đến 14µm Khi đo nhiệt độ trên 0°K đều phát ra bức xạ điện từ Từ nguyên lý này, cảm biến hồng ngoại trên thiết bị sẽ thu được bức xạ điện từ từ vật Sau đó truyền dữ liệu về cho vi xử lý để tính toán ra được nhiệt độ của vật đó

Cấu tạo:

 Màn hình hiển thị: hiển thị kết quả đo và các thông số cài đặt

 Các phím vật lý: để cài đặt thông số đo cho thiết bị

 Khoan pin: dùng để lắp pin cấp nguồn cho thiết bị

 Cảm biến hồng ngoại: dùng để cảm biến bức xạ điện từ của vật và chuyển

của hai dây được nối tới dụng cụ đo để tạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua,

dụng cụ đo này sẽ đo mức điện áp được tạo ra tại điểm nối và chuyển đổi nó thành giá

trị nhiệt độ tương ứng

Cấu tạo: gồm hai dây kim loại khác nhau Mỗi dây được chế tạo từ một kim loại đơn chất hay hợp kim Hai dây này được nối lại với nhau tại một đầu tạo thành điểm đo thông thường được gọi là điểm nóng