Kĩ thuật đo lượng và lý thuyết điều khiển tự động

Mô hình đối tượng điều khiển Trong quá trình nghiên cứu và thiết kế hệ thống, tuỳ theo bài toán cụ thể người ta có thể sử dụng mô hình đối tượng dưới dạng phương trình vi phân, hệ phương

BÀI 1+2 : MÔ HÌNH HÓA ĐỘI TƯỢNG

A LÝ THUYẾT

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Mô hình đối tượng điều khiển

Trong quá trình nghiên cứu và thiết kế hệ thống, tuỳ theo bài toán cụ thể người ta có thể sử dụng

mô hình đối tượng dưới dạng phương trình vi phân, hệ phương trình trạng thái, dạng hàm truyền, hàm trọng lượng hoặc hàm quá độ của đối tượng Do vậy, các bài toán nhận dạng cũng thường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Giáo viên hướng dẫn: KS NGUYỄN TUẤN LINH

TS PHẠM NGỌC HƯNG

Họ và tên : Nguyễn Trung Hiếu

MSSV : 20161550

Lớp : KTTP 01 - K61

nhằm vào mục đích mô hình hóa đối tượng dưới một trong bốn dạng trên Các dạng mô hình này dễ dàng chuyển đổi lẫn nhau nên chỉ cần tìm được một trong các dạng đó Để giải bài toán nhận dạng một cách đơn giản và hiệu quả, đồng thời thuận tiện cho việc sử dụng sau này, cần chọn dạng mô hình thích hợp

2 Đặc điểm và mô hình các đối tượng trong công nghiệp thực phẩm

Tính chất tính động học của đối tượng được thể hiện trên đặc tính tần số hoặc đặc tính thời gian, trong đó, đặc tính quá độ (đáp ứng bước) phản ánh đầy đủ và trực quan các đặc điểm động học của đối tượng

Điểm đặc trưng của các đối tượng công nghiệp là có trễ vận tải và có quán tính lớn Trễ vận tải còn gọi là trễ tuyệt đối, trễ thời gian chết (dead time), v,v…, đó là thời gian kể từ thời điểm xuất hiện xung đầu vào đến khi đại lượng ra bắt đầu thay đổi so với giá trị xác lập ban đầu

Độ quán tính của đối tượng phản ánh tốc độ phản ứng của nó, kể từ khi đại lượng ra đã bắt đầu thay đổi Do có quán tính lớn và trễ vận tải nên hầu hết các đối tượng điều khiển công nghiệp cũng như hệ thống điều khiển tương ứng là những bộ lọc tần số thấp

Trong thực tế, các đối tượng tĩnh có khả năng thiết lập trạng thái cân bằng tương ứng với độ lớn của xung đầu vào, nên có tên gọi là đối tượng “có tự cân bằng” Các đối tượng điều chỉnh nhiệt độ,

áp suất, lưu lượng, v.v… nói chung là những đối tượng có tự cân bằng

Sự phân tích đặc tính quá độ của các đối tượng có tự cân bằng trong thực tế cho thấy rằng chúng có bốn dạng phổ biến

y(t )

a)

y(t)

y(∞)

u₀

c)

y(∞)

b)

y(t)

y(∞)

d)

Hình 1.Dạng đặc tính quá độ phổ biến của các đối tượng tự cân bằng

 Trên hình 1-a, đường cong quá độ thể hiện đặc điểm động học của một khâu quán tính bậc nhất Tốc

độ biến thiên đại lượng ra của nó đạt giá trị lớn nhất tại thời điểm xuất hiện xung đầu vào

 Trên hình 1-b, đường cong quá độ có một điểm uốn tại tu (điểm dốc nhất) và có hình dạng chữ S Đó là dáng điệu của khâu quán tính bậc cao, bao gồm một số khâu quán tính bậc nhất mắc nối tiếp Độ quán tính của đối tượng loại này tương đương với tổng độ quán tính của các khâu quán tính bậc nhất hợp thành

 Trên hình 1-c, đường cong quá độ thể hiện đặc điểm của đối tượng quán tính bậc nhất có trễ, tạo bởi khâu quán tính bậc nhất mắc nối tiếp với khâu trễ

 Trên hình 1-d, đường cong quá độ có hình chữ S với một điểm uốn, nằm dịch về bên phải một khoảng τ

, kể từ gốc toạ độ Đó là đặc tính quá độ của đối tượng quán tính bậc cao có trễ, được hình thành bởi mạch mắc nối tiếp một số khâu quán tính bậc nhất và một khâu trễ

Tóm lại, đối tượng có tự cân bằng với các đặc tính quá độ trên hình 1, có thể biểu diễn bởi một khâu quán tính bậc n mắc nối tiếp với một khâu trễ Hàm truyền của chúng có dạng:

Och(s)= K e

−τ s

(1+T 1 s ).(1+T 2 s) (1+Tns)

Trong đó

τ - trễ vận tải của đối tượng

K - hệ số truyền

T1 , T2 , ,T n - các hằng số quán tính, tương ứng với khâu quán tình bậc nhất

n - bậc quán tính, bằng số khâu quán tính bậc nhất hợp thành

II MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

1 Nắm vững quy trình xây dựng hàm truyền đối tượng từ số liệu thu thập thực tế.

2 Nắm vững các bước sử dụng phần mềm CASCAD để xác định hàm truyền

đối tượng từ đặc tính thời gian

III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1 Kiểm tra:

- Hệ thống thiết bị thí nghiệm điều khiển và giám sát nhiệt độ dung dịch

- Máy tính có cài phần mềm CASCAD

2 Chuẩn bị:

- Khởi động hệ thống gia nhiệt dung dịch

3 Tiến hành thí nghiệm:

- Ghi lại số chỉ nhiệt độ nước 15s/ 1 lần Tiến hành như vậy cho đến khi nhiệt độ nước đến 60°C thì ngừng thí nghiệm

- Khởi động phần mềm CASCAD

- Click Processing/^DATA để nhập dữ liệu

- Để xác định làm truyền, click M/2-Langbend/Variables, sau đó chọn Run Optim

- Chờ 3p chương trình chạy thuật toán, sau khi hoàn thành click End-Exit để hiển thị các hệ số của hàm truyền cần tìm

- Nhấn R để xóa đồ thị thực nghiệm

- Ấn Exit để quay lại màn hình ban đầu Chọn Mdat và ghi lại các giá trị hiển thị trên màn hình

- Ctrl + F5 để chụp ảnh màn hình CASCAD

4 Dừng thí nghiệm:

- Tạm dừng hệ thống

- Vệ sinh thiết bị thí nghiệm

- Báo cáo với cán bộ thí nghiệm và ghi nhật ký PTN

- Dọn dẹp sạch sẽ nơi thí nghiệm

IV SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

Bảng kết quả thí nghiệm

V HƯỚNG DẪN XỬ LÝ SỐ LIỆU

1 Xác định mô hình quán tính bậc nhất có trễ

y(t)

B

y(∞) u₀

τ Ta t

Hình 2: Đáp ứng quá độ của đối tượng quán tính bậc nhất có trễ

 Mô hình quán tính bậc nhất có trễ có dạng:

O(s) = K e

−τ s 1+T s

Các tham số của mô hình quán tính bậc nhất có trễ, xác định theo đồ thị (hình 2) Trước hết, kẻ

đường tiệm cận ngang và xác định giá trị tiệm cận y( ∞) Tiêp theo, kẻ tiếp tuyến đi qua A, cắt đường tiệm cận ngang y( ∞) tại B Từ B hạ đường vuông góc và cắt trục Ox tại C.

 Các tham số của mô hình Q1T xác định như sau:

1) Hệ số truyền K = y (∞) u₀ trong đó , u₀ - độ lớn xung bậc thang đầu vào.

2) Hệ số quán tính T = Ta , Ta = AC -hình chiếu của AB trên trục hoành

3) Thời gian trễ τ – hoành độ điểm A

5

2 Xác định mô hình quán tính bậc hai có trễ

y(t) B

y(∞)

u u₀

yu

0 A tu C t

Ta

Hình 3: Đáp ứng quá độ của đối tượng quán tính bậc hai có trễ

 Mô hình quán tính bậc 2 có trễ có dạng:

O(s) = Kⅇ

−τs

Công thức để tính các tham số của mô hình theo trình tự như sau:

Bước 1 - Xác định các đại lượng theo đáp ứng bước của đối tượng (hình 3):

- y (∞) – giá trị tiệm cận, tức giá trị xác lập của đáp ứng bước.

- U (t u , y u ) – điểm uốn, xác định đồng thời với việc kẻ tiếp tuyến.

- T a – hằng số quán tính biểu trưng

Bước 2 - Tính hệ số truyền và tung độ tương đối của điểm uốn:

- Hệ số truyền K = y (∞) u₀ trong đó , u₀ - độ lớn xung bậc thang đầu vào.

- Tung độ tương đối của điểm uốn : g = y (∞) yᵤ

Bước 3 – Các tham số còn lại, tính theo 1 trong 2 trường hợp sau:

6

a) Nếu g ≤ 0.264

- Tính tham số trung gian : v = 0.3215 + √0.2679−g0.7618

- Các hằng số quán tính : T1 = Ta v ; T2 = Ta.( 1 – g ) – T1

- Thời gian trễ : τ = tu + T1 ln(v)

b) Nếu g > 0.264

- Tính độ vượt ngưỡng : δ = g – 1 + 2e

- Các hằng số quán tính : T1 = (1−0.85 δ)Tₐe ; T2 = T1

- Thời gian trễ : τ = tu – T1 – 1.2δTₐ

7

B.THỰC HÀNH

I Mục đích thí nghiệm

- Biết cách thức xác định hàm truyền đạt của cảm biến đo nhiệt độ, cách vận hành thiết bị và cách đo nhiệt độ của môi chất

- Biết cách sử dụng phần mềm CASCAD để xác định hàm truyền và thực hành với số liệu có được trong việc thí nghiệm

II Thiết bị và nguyên lý hoạt động

1) Sơ đồ điều khiển tự động.

Tsp Tpv

- Cảm biến : Cảm biến PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum, được quấn tùy theo hình dáng của

đầu dò nhiệt, có giá trị điện trở khi ở 0ᵒC là 100Ω Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ

- Thiết bị gia nhiệt : Thanh gia nhiệt.

- Bộ điều khiển và hiển thị : Thiết bị điều khiển theo chế độ ON/OFF.

2) Nguyên lý hoạt động.

- Sau khi cấp nước ổn định về thể tích thì tiến hành thí nghiệm

- Chọn nhiệt độ muốn cấp cho nước (Tsp=60ᵒC) rồi bật máy ở chế độ AUTO

- Thông tin về nhiệt độ của nước sẽ thông qua cảm biến truyền đến bộ điều khiển và hiển thị

- Nếu nhiệt độ nước ra chưa đạt ( Tpy < Tsp ) cảm biến sẽ báo cấp nhiệt →bộ điều khiển bật nguồn cấp điện cho thiết bị gia nhiệt → thanh gia nhiệt cấp nhiệt cho nước

- Nếu nhiệt độ nước ra vượt quá ( Tpy > Tsp ) cảm biến sẽ báo ngừng cấp nhiệt → bộ điều khiển tắt nguồn cấp điện cho thiết bị gia nhiệt → thanh gia nhiệt ngừng cấp nhiệt cho nước

8

Bộ điều khiển

và hiển thị

Thiết bị gia nhiệt

Cảm biến

Nước

3) Kết luận.

Yêu cầu điểu khiển :

- Cảm biến phải có dải đo >= dải đo của bài thí nghiệm

- Cảm biến có khả năng truyền xa để đưa thông tin về bộ điều khiển

- Bộ điều khiển tự động nhận tín hiệu từ cảm biến và thực hiện bật/tắt nguồn

- Bộ điều khiển có 1 rơ-le thường mở (Khi cần cấp nhiệt thì rơ-le đóng, thiết bị gia nhiệt được nối với nguồn, thanh gia nhiệt cấp nhiệt Khi đủ nhiệt thì rơ-le trở về trạng thái mở, mạch của thiết bị gia nhiệt với nguồn hở, thanh gia nhiệt ngừng cấp nhiệt

III Kết quả tính toán :

Bảng kết quả thí nghiệm

STT THỜI GIAN(s) NHIỆT ĐỘ(ᵒC) STT THỜI GIAN(s) NHIỆT ĐỘ(ᵒC)

Nhập số liệu vào bảng của phần mềm CASCAD

IV Tính toán kết quả và nhận xét:

a Đồ thị miêu tả sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ:

9

Hình 1: Đồ thị thực kết quả thực nghiệm.

Hình 2 : Đồ thị tương đối của hàm truyền đối với kết quả thực nghiệm

Qua đô thị ta thấy nhiệt độ đạt được khi đo qua từng thời điểm quan hệ tiệm cận với điểm đặt nhiệt Nhiệt độ tăng khá ổn định

Đồ thị có dạng của mô hình quán tính bậc 2 có trễ

10

b Tính toán hàm truyền đối tượng.

Sau khi chạy phần mềm ta thu được kết quả như sau:

Ta có hàm truyền đạt được tính theo công thức sau:

Os= (k*e-Ts

)/[(1+T1s)*(1+T2s)]

Với Ts=Tr ; T1s = a1 ; T2s= a2 ; K=b0.

Kết quả ta có hàm truyền đạt của đồ thị là:

Os= (62.603*e-2.268*10^-5

)/[(1+457.689)*(1+59.572)]

= 62.603/(467.689*60.572)

=

2.25*10-3

11

PI

TI

PI

Nguyên liệu vào

TC

TIT

Hơi nước gia nhiệt

Nước

Sản phẩm ra

V1

V4

V5 V6

V7

V8 V9

V10

Khoang 1 Khoang 2

BÀI 3 : THIẾT BỊ THANH TRÙNG LIÊN TỤC

I SƠ ĐỒ

Sơ đồ điều khiển của thiết bị thanh trùng liên tục.

II Nguyên lý làm việc

- Nước được cấp vào thiết bị khi mở van V1

- Mở van V2 để cấp nước vào khoang 1 ( khoang chứa nước nóng ) và van V3 để cấp nước vào khoang 2 ( khoang chứa nước ấm ) Van V4 khóa

- Sau khi khoang 1 và khoang 2 chứa đầy nước Khóa van V2 và V3 đến khi bắt đầu cho nguyên liệu vào thì mở khóa van V3 và V4

- Cấp nhiệt vào khoang 1 và khoang 2 bằng hơi nước với phương pháp phun trực tiếp hơi nước vào trong nước Khi đó van V5 mở, van V6 mở và cùng van tự động V7 cấp nhiệt cho khoang 1 Van V7 sẽ cấp nhiệt để duy trì nhiệt độ trong khoang 1 Nếu van V6 cấp gần đủ cho lượng nhiệt mất đi trong quá trình vận hành thì van V7 sẽ hoạt động ổn định ( ít phải đóng ngắt ) Nhiệt độ

và áp suất của nước trong khoang 1 và khoang 2 cấp ra được hiển thị thông qua thiết bị đo nhiệt độ và áp suất đặt trên đường ống Ngoài ra nhiệt độ cấp ra tại khoang 1 còn gắn thêm 1 cảm biến nhiệt độ giúp cho việc hiển thị và duy trì nhiệt độ cấp ra của khoang 1

- Nước từ khoang 1 và khoang 2 đưa qua các tấm lưới lọc trước khi tưới vào nguyên liệu

12

- Nguyên liệu đi vào thiết bị sẽ được phun nước nóng được cấp từ khoang 1 thông qua hệ thống vòi phun gắn trong thiết bị Sau đó tiếp tục được phun nước ấm cấp từ khoang 2 và cuối cùng

là phun nước lạnh ( nước cấp vào ) thông qua các vòi phun gắn trong thiết bị Nước sau khi phun sẽ được hồi lưu quay trở về khoang 1 và khoang 2 và tiếp tục được cấp nhiệt

 1 số chú ý :

Quá trình thanh trùng là quá trình nâng nhiệt và hạ nhiệt đột ngột nhưng quá trình thí nghiệm sau khi nâng nhiệt các nguyên liệu vào cần thông qua 1 giai đoạn nước ấm trước khi phun nước lạnh để tránh quá trình xảy ra quá đột ngột làm các bình chứa bằng thủy tinh bị nứt, vỡ và làm hỏng sản phẩm

Van V10 được mở để nước ấm từ khoang 2 cấp ra đi vào khoang 1 Vì trong quá trình vận hành nước trong khoang 1 sẽ bị mất đi ( nước bay hơi và bị bám lại ở trên nguyên liệu ) nên phải bổ sung thêm nước để bù lại lượng đã mất Nhưng nếu cấp nước lạnh thì sẽ cần tăng lượng nhiệt phải cung cấp và cần tốn thêm thời gian còn nếu cấp nước từ nước ấm ở khoang 2 thì lượng nhiệt cần cấp và thời gian sẽ tiêu tốn ít hơn, đảm bảo hiệu suất làm việc cao hơn

13