Báo cáo thí nghiệm môn điều khiển quá trình bài 1 xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức

4 Xác định các sách lược điều khiển có thể sử dụng và không sử dụng cho bài toán này: - Sách lược có thể sử dụng: điều khiển phản hồi và điều khiển tầng.. 8 Nếu sử dụng bộ điều khiển có

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Bài 1

Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức

1 Mục đích thí nghiệm:

2 Đối tượng thí nghiệm:

CHƯƠNG 1 3 Xác định các tham số của mô hình:

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

- Tín hiệu vào là độ mở van của van vào InputFlow F1

- Tín hiệu ra là mức chất lỏng trong bình mức h

- Nhiễu là độ mở của van ra OutputFlow F2

2) Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng các tham số hình thức:

- Phương trình cân bằng vật chất: 𝑑𝑉

𝑑𝑡 = 𝐴 𝑑ℎ

𝑑𝑡 = 𝐹1 − 𝐹2 (1) (A là tiết diện cắt ngang của bình chứa)

- Phương trình mô hình ở trạng thái xấc lập: 0 = 𝐴 𝑑ℎ

- Van là khâu quán tính bậc nhất

3) Xác định các tham số và kiểm tra lại mô hình:

Mô hình simulink:

T = 12s

K = 517/(180-120) = 3.077

Chọn time stop = 200s ( Chọn 7500s thì đồ thị sẽ giống 1 đường thẳng đi qua gốc tọa

độ sẽ khó nhận diện được phương trình hàm truyền của mô hình )

- Kiểm chứng lại mô hình:

Nhận xét: Mô hình nhận dạng khá chính xác

4) Xác định các sách lược điều khiển có thể sử dụng và không sử dụng cho bài toán này:

- Sách lược có thể sử dụng: điều khiển phản hồi và điều khiển tầng

- Sách lược không dùng được: điều khiển truyền thẳng, điều khiển tỉ lệ, điều khiển lựa chọn, điều khiển phân vùng

Vì:

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

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

- Điều khiển lựa chọn và điều khiển phân vùng cần ít nhất 2 biến nên cũng không được sử dụng

5) Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng:

- Phương pháp xác định tham số:

Tính toán bộ thông số bộ điều khiển theo công thức Ziegler – Nichol 1 với các thông số K = 3.1 và T = 12(s) Vì đối tượng là khâu quán tính bậc nhất công thêm thành phần tích phân

-Với bộ điều khiển P: kp = 0.32

- Với bộ điều khiển PI: kp = 0.29, Ti = 40:

- Với bộ điều khiển PID: kp= 0.39, Ti = 24, Td = 6

- Nhận xét về khả năng áp dụng của sách lược điều khiển này: Không áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng được

- Giải thích: vì sách lược truyền thẳng đòi hỏi phải rõ thông tin về quá trính và ảnh hưởng của nhiễu Tuy nhiên, mô hình đối tượng và mô hình mô phỏng, mô hình nhiễu không bao giờ chính xác, nên sai lệch tĩnh lúc nào cũng tồn tại

- Nhận xét về kết quả: của cả 3 bộ điều khiển cho thấy tín hiệu không bám theo đường SetPoint, quá trình không đi đến ổn định

7) Sử dụng sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn:

Lưu đồ P&ID:

Mô phỏng:

- Kết quả:

+Với bộ điều khiển P

Nhận xét: Bộ điều khiển vẫn đạt được giá trị đặt nhưng thời gian quá độ vẫn quá lớn

+Với bộ điều khiển PI:

Nhận xét: Bộ điều khiển vẫn đạt được giá trị đặt nhưng có độ quá điều chỉnh lớn hơn nhiều so với bộ điều khiển P, do có khâu tích phân

+Với bộ điều khiển PID:

Nhận xét: Bộ điều khiển PID có tính chất tương tự như PI, tuy nhiên thời gian quá độ lớn hơn

- Đo lưu lượng ra để bù nhiễu kết hợp với khâu truyền thẳng để hệ thống tốt hơn

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

- Nhận xét về độ quá điều chính và sự dao động:

Với sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn khi mô phỏng với bộ điều khiển

PI và PID xảy ra hiện tượng mức nước vượt quá, và không thể đạt ổn định

- Giải thích nguyên nhân:

Đây là hiện tượng bão hòa tích phân ( Reset Winup) thường xảy ra trong các

bộ điều khiển có chứa khâu I ( Integrator) có đặc điểm:

+ Độ quá điều chỉnh lớn

+ Thời gian quá độ lớn

+ Tồn tại sai lệch tĩnh lớn

- Nêu các biện pháp khắc phục:

Xây dựng sơ đồ có thêm khâu chống bão hòa tích phân

9) Sử dụng sách lược phản hồi vòng đơn – chống bão hòa tích phân:

Mô hình Simulink:

a Sử dụng sách lược phản hồi vòng đơn sử dụng bộ điều khiển PI – chống bão hòa tích phân

Subsystem:

- Độ quá điều chỉnh nhỏ

- Thời gian quá độ nhanh

- Đã giảm được sai lệch tĩnh xuống mức thấp

10) Sử dụng sách lược điều khiển tầng (Cascade Control):

a Giải thích tại sao cần sử dụng điều khiển tầng:

Một trong những vấn đề của điều khiển vòng đơn là ảnh hưởng của nhiễu quá trình tới biến đầu ra Độ quá điều chỉnh lớn, thời gian đáp ứng chậm Điều khiển tầng được xây dựng để đáp ứng các vấn đề trên

b Xác định các vòng điều khiển cần xây dựng Nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng Cần phản đo những đại lượng nào

- Bộ điều khiển vòng trong (thứ cấp) có chức năng loại trừ đáng kể ảnh hưởng của nó tới biến cần điều khiển thực

- Bộ điều khiển vòng ngoài (sơ cấp) có chức năng đáp ứng giá trị đặt thay đổi, loại trừ ảnh hưởng của nguồn nhiễu còn lại, nhằm duy trì biến điều khiển tại 1 thời gian đặt

- Vòng 1 (vòng ngoài) đo mức của bình rồi phản hổi lại so sánh với SP

- Vòng 2 (vòng trong) đo lưu lượng In, Out Flow cho tín hiệu điều khiển van phù hợp

c Xây dựng các vòng điều khiển:

Mô hình Simulink:

Trường hợp đo được lưu lượng ra:

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P - P

Kết quả:

SetPoint và Level

Lưu lượng vào và ra:

Tham số của các bộ điều khiển: Ptrong = Pngoai = 1000

Nhận xét: Độ quá điều chỉnh nhỏ, hệ thống đạt xấp xỉ giá trị đặt

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P – PI – RW:

Mô hình Simulink

Kết quả:

SetPoint and Level

Lưu lượng vào ra:

Tham số của bộ điều khiển: Kp ngoài = 1000; vòng trong là bộ điều khiển PI – RW

có thông số như bài điều khiển phản hồi

Trường hợp không đo lưu lượng ra:

Mô hình:

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P – P:

Kết quả

Tham số bộ điều khiển: K = 1000

Nhận xét: Hệ thống cải thiện hơn khi đặt sát giá trị đặt, giảm được nhiễu

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P – PI-RW:

Kết quả:

Tham số bộ điều khiển: Kp = 1000, tham số bộ PI- RW như trên

Nhận xét: Độ quá điều chỉnh lớn hơn

So sánh trường hợp không đo lưu lượng và đo lưu lượng ra:

Khi đo giá trị ra ta giảm được nhiễu, giá trị sai lệch giữa In, OutFlow nhỏ hơn

so với các bộ điều khiển không đo giá trị lưu lượng ra

Bài 2 Xây dựng hệ thống điều khiển 2 bình mức

Mô phỏng và kiểm tra lại đối tượng:

Kết quả mô phỏng và tính toán

Bình mức 1:

K1 = 0.8 T1 = 12

- Các sách lược không sử dụng: Sách lược truyền thẳng

Sử dụng sách lược điều khiển tầng để triệt tiêu sai lệch tĩnh và cho chất lược điều khiển hệ thống tốt hơn điều khiển phản hồi

5) Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng

Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol 1

Sơ đồ trên Simulink:

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P:

P1: K = 1.25

P2: K = 1.28

SP1 and Level1:

SP2 and Level2:

Nhận xét: Bộ điều khiển gần đạt được giá trị đặt nhưng thời gian quá độ vẫn lớn

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI – RW:

Tham số giống với bộ điều khiển PI -RW đã tính toán

SP and Level1

SP and Level2:

Nhận xét: Khi sử dụng bộ chống bão hòa tích phân PI - RW đã giảm được đáng kể hiện tượng dao động, độ quá điều chỉnh nhỏ, tuy nhiên vẫn tồn tại sai lệch tĩnh

7) Sử dụng sách lược điều khiển tầng (cascade control):

a Xác định các vòng điều khiển cần xây dựng:

- Vòng 1: điều khiển độ mở van InValve1

- Vòng 2: điều khiển mở van InValve2

Đặc điểm và nhiệm vụ của từng vòng:

- Vòng 1: điều khiển độ mở van 1, có đặc tính động học biến đổi nhanh hơn vòng 2

- Vòng 2: điều khiển độ mở van 2, có đặc tính động học biến đổi chậm hơn vòng 1 Lưu đồ P&ID:

b Xây dựng các vòng điều khiển đã xác định cho trường hợp đo lưu lượng ra:

Mô hình Simulink

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

Chọn Pngoai = 1000 Ptrong = 10000

SP and Level1

SP and Level2

Nhận xét: chất lượng điều khiển tốt, tín hiệu Level bám sát tín hiệu đặt SP

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

SP and Level1

SP and Level2:

Nhận xét: dù sử dụng bộ điều khiển có chống bão hòa tích phân nhưng không đạt được giá trị đặt của nó