Báo cáo thực tập lý thuyết điều khiển tự động đề tài thiết kế và xây dựng bộ pid để điều khiển mực nước, lưu lượng chất lỏng tự động

Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh biến đổi quay của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

KHOA CƠ ĐIỆN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP MỎ DẦU KHÍ

Mục lụcLỜI MỞ ĐẦU

I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

III Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

IV PHẠM VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống.

1.1.1 Phương thức điều khiển bơm

1.1.2 Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

1.2.Hệ thống điều khiển áp suất.

PHẦN II: XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH TOÁN HỌC

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHẬN DẠNG.

2.1.1 Tổng quan về nhận dạng quá trình

2.1.1.1 Nhận dạng quá trình là gì?

2.1.1.2 Các bước tiến hành dể nhận dạng một quá trình

2.1.1.3 Phân loại và lựa chọn phương pháp nhận dạng

2.1.2 Nhận dạng quá trình theo phương pháp kinh điển

2.1.2.1Xác định cấu trúc mô hình toán học (hàm truyền đạt) của đối tượng

2.2 Xác định các tham số của hàm truyền đạt.

2.3 ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG

2.3.1 Mô phỏng đối tượng bằng phần mềm matlab

2.3.2 Xác định tham số theo phương pháp 2 điểm quy chiếu

PHẦN III: XÁC ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

3.1 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID.

3.1.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID.

3.1.1.1 Giới thiệu về bộ điều khiển

3.1.1.2 Chỉnh định PID

3.1.1.3 Lựa chọn luật điều khiển

3.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID.

3.2.2.1 Thiết kế bộ điều khiển PI theo ziegler-Nichols

3.2.2.2 Hai phương pháp xác định tham số PID của Ziegler-Nichols

3.2.2.3 Mô phỏng trên Matlab hệ liên tục

3.2.2.4 Mô phỏng trên Matlab gián đoạn

3.3.3 chương trình mô phỏng hàm truyền của hệ với sự tác động của bộ PI.

PHẦN IV: Vai trò các tham số trong PID.

LỜI MỞ ĐẦU

I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:

Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càngtăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiệm năng lượng Các ngànhcông nghiệp nói chung và ngành nước nói chung vẫn sử dụng công nghệtruyền động không thích hợp,điều khiển thụ động, không linh hoạt Đối vớinhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần lớn bởi chi phíđiện bơm nước( 30-35%) Trước đây tồn tại quan điểm việc đầu tư vào tiếtkiệm năng lượng là một công việc tốn kém và không mang lại hiệu quả thiếtthực Với công nghệ biến tần tính toán đã chỉ ra việc đầu tư vào hệ thốngđiều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm cấp II có thời gian hoàn vốnđầu tư hết sức ngắn và giảm được chi phí cho công tác quản lý vận hành thiết

bị Máy bơm và quạt gió là những ứng dụng rất thích hợp với truyền độngbiến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện được đề tài chúng em đã:

- Nghiên cứu hệ thống bơm cấp nước trong thực tế

- Nghiên cứu kiến thức điều khiển tự động, mô hình hóa và mô phỏng

- Lập trình bộ PID để điều khiển máy bơm

III Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài cho thấy việc ứng dụng của tự động hóa vào trong cuộc sống là rất cầnthiết,nó giúp ta tiết kiệm được thời gian công sức, tiền bạc nhưng mang lạihiệu quả kinh tế cao và hoạt động rất ổn định

Từ đề tài nghiên cứu về điều khiển ổn định áp suất cho đường ống nước,chúng ta có thể mở rộng cho hệ thống điều khiển lò nhiệt,hệ thống điều hòakhông khí……

IV PHẠM VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường và ngoài thực tế, và được sự hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp tài liệu/ số liệu từ giảng viên hướng dẫn.Chúng em đã thực hiện một số công việc :

1 Tìm hiểu, thuyết minh công nghệ của hệ thống.

2 Xác định hàm truyền của đối tượng

3 Xác định bộ điều khiển PID

4 Mô tả hệ liên tục/ gián đoạn trên MATLAB

5 Thay đổi và nhận xét tác dụng của từng thành phần PID

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp nước vào cùng một đường ống Áp lực và lưu lượng của đường ống thay đổi hàng giờ theo yêu cầu Bơm và các thiết bị đi kèm như đường ống van,đài nước được thiết kế với lưu lượng nước bơm rất lớn Vì thế điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện bằng các phương pháp sau:

đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời

- Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối thủy lực

Điều khiển theo những phương pháp trên không những không tiết kiệm được năng lượng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường ống do chấn động khi đóng mở van gây nên

Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều khiển truyền

động biến đổi tốc độ bằng thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh

biến đổi quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ

1.1 Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống.

Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ đây biến tần điều khiển tốc độ động cơ

Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu lượng và

áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu

Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về PLC PLC sẽ so sánh giá trị truyền vềnày với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào động cơ để đảm bảo áp suất nước trong đường ống là ổn định

Sự điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể như sau:

- Điều chỉnh tốc độ quay khi áp suất thay đổi

- Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm (Một thiết bị biến tần có thể điều khiển tới 5 máy bơm)

1.1.1 Phương thức điều khiển bơm

Ta sẽ dùng phương pháp thay đổi tốc độ động cơ (giữ nguyên độ mở van)

Trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hút hồi tiếp về PLC Bộ vi xử lý sẽ so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt Trên cơ sở kết quả so sánh PLC sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao cho phù hợp để mực chất lỏng trong

bể luôn bằng giá trị cài đặt Ngược lại khi tín hiệu hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt,biến tần sẽ điều khiển các bơm để mực chất lỏng luôn đạt giá trị đặt.

1.1.2 Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần:

- Hạn chế được dòng khởi động cao

- Tiết kiệm năng lượng

- Điều khiển linh hoạt các máy bơm

- Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400Kw

- Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt

vệ được động cơ khi: ngắn mạch,mất pha,lệch pha,quá tải,quá dòng,

- Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows 1.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống

1.2 Hệ thống điều khiển áp suất

Yêu cầu công nghệ

Sử dụng biến tần ABB ACS150 điều khiển trơn cho động cơ bơm, công suất tiêu thụ của động cơ sẽ được biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải.Một sensor áp suất được đưa vào đầu ra nước cấp của Nhà máy để đo áp lực nước đưa về hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển là 1 PLC S7-1200, CPU 1215C đảm bảo cho việc tự động hóahoàn toàn quá trình bơm cấp nước của Nhà máy.Vận hành hệ thống thông qua

WinCC Hệ thống được hoạt động ở 2 chế độ:bằng tay và bằng WinCC.Việc

chuyển đổi giữa hai chế độ tự động và bằng tay được thực hiện bằng các công tắc chuyển đổi vị trí Hệ thống mới và cũ sẽ được đấu nối đảm bảo chính xác, và vận hành an toàn trong mọi tình huống Đảm bảo tính an toàn cao nhất của cả hệ thống.Như vậy với việc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo đúng thực

tế lưu lượng phụ tải, vì vậy sẽ giảm đáng kể năng lượng tiêu hao không cần thiết vào các phụ tải

Hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên đường ống mạng và điều khiển ngược lại để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu PLC sẽ điều khiển áp suất nước trên đường ống mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức là hệ thống sẽ điều khiển

áp suất theo thời gian thực Hệ thống điều khiển tự động này một số chức năng chính sau:

S7-1200

Giám sát: S7-1200 sẽ kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động

người máy (HMI) WinCC

nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng mà khônglàm gián đoạn sản xuất

PHẦN II: XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH TOÁN HỌC

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHẬN DẠNG

2.1.1 Tổng quan về nhận dạng quá trình

2.1.1.1 Nhận dạng quá trình là gì?

Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các dữ liệu vào- ra thựcnghiệm được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (systemidentification) Khái niệm nhận dạng hệ thống được định nghĩa trong chuẩn IEC60050- 351 là “ những thủ tục suy luận một mô hình toán học biễn diễn đặc tínhtĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nó với một tín hiệu đầuvào xác định, ví dụ hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu ồn trắng”.

2.1.1.2 Các bước tiến hành dể nhận dạng một quá trình

Giống như nhiều công việc phát triển hệ thống khác, nhận dạng hầu như baogiờ cũng là một quá trình phức tạp Những bước cơ bản trong xây dựng mô hìnhthực nghiệm cho một quá trình công nghiệp bao gồm:

● Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình

● Lựa chọn phương pháp nhận dạng

● Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào / ra

● Quyết định về dạng mô hình

● Xác định các tham số mô hình

● Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình

2.1.1.3 Phân loại và lựa chọn phương pháp nhận dạng

Các phương pháp nhận dạng hiện nay vô cùng phong phú Tuy nhiên, ta cóthể phân loại các phương pháp nhận dạng từ nhiều góc độ khác nhau, ví dụ theodạng mô hình sử dụng, dạng tín hiệu thực nghiệm, thuật toán áp dụng hoặc mụcđích sử dụng mô hình

● Nhận dạng dựa vào dạng mô hình sử dụng trực tiếp

● Nhận dạng chủ động / Nhận dạng bị động

● Nhân dạng vòng hở / Nhận dạng vòng kín

● Nhận dạng trực tuyến / Nhận dạng ngoại tuyến

● Nhận dạng dựa vào ước lượng mô hình

Việc lựa chọn một phương pháp nhận dạng phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tốnhư yêu cầu chất lượng mô hình, khả năng nhận dạng chủ động, khối lượng tínhtoán và mục đích sử dụng mô hình Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhượcđiểm riêng, dẫn đến khả năng áp dụng khác nhau tùy theo từng bài toán

2.1.2 Nhận dạng quá trình theo phương pháp kinh điển

Để nhận dạng đối tượng, đầu tiên cần xác định cấu trúc mô hình toán học phùhợp cho đối tượng Trong điều khiển quá trình với các phương pháp kinh điển, mô hình tuyến tính bậc nhất và bậc hai (có hoặc không có trễ, có hoặc không dao động,

có hoặc không thành phần tích phân) là những dạng thực dụng nhất Sau đó là xác

định các tham số của mô hình Để nhận dạng được các tham số này, tác động tín hiệu kích thích phù hợp đến đầu vào của quá trình, ghi lại đáp ứng đầu ra của quá trình, từ đó xác định các tham số phù hợp với mô hình đang sử dụng Cuối cùng làbước mô phỏng – kiểm chứng – đánh giá mô hình được xác định ở các bước trên.

2.1.2.1Xác định cấu trúc mô hình toán học (hàm truyền đạt) của đối tượng

Đối tượng cần xác định mô hình toán học là động cơ Bơm nước

Hàm truyền của động cơ bơm được xác định bằng phương pháp thực

nghiệm

Cấp công suất tối đa cho bơm, áp suất nước do bơm tạo ra tăng dần Sau 1thời gian áp suất đạt đến giá trị bão hòa.Đặc tính áp suất theo thời gian có thể biểudiễn như hình (2.1a).Do đặc tính chính xác của động cơ bơm khá phức tạp nên taxấp xĩ bằng đáp ứng gần đúng như ở hình (2.1b)

Hình 2.1: Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển

P(atm)

Hình 2.2: Đặc tính của động cơ bơm

● Ta xác định hàm truyền gần đúng của động cơ bơm dùng định nghĩa:

Cô

● Tra bảng Laplace ta được:

F(s) = + (1+��

Do vậy áp dụng định lý chậm trễ ta được: (1 ) + +

− 1 �

) =((((((((((((((( � 2

➢ Suy ra hàm truyền đạt của động cơ bơm:

2.2 Xác định các tham số của hàm truyền đạt

Đối tượng điều khiển là động cơ bơm có hàm truyền đạt của mô hình toán học quán tính bậc nhất có trễ:

Qua khảo sát thực nghiệm ta tìm được hàm truyền của động cơ bơm là:

Tác động đầu vào đối tượng là hàm nấc đơn vị u(t), ta có sơ đồ khối của hệ hở:

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ hở với kích thích đầu vào hàm nấc đơn vị

Sử dụng phép xấp xỉ Pades cho thành phần trễ ở W(p):

Suy ra:

Theo phương pháp số TUSTIN vẽ y(p) => y(t) thì:

Từ hàm ảnh p ta chuyển sang miền hàm ảnh z:

⇒

Sau khi biến đổi ta được biểu thức sau:

2.3 ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG

=>

Để biết được mô hình toán học của đối tượng có được nhận dạng đúng với khảosát qua thực nghiệm hay không hoặc để so sánh giữa 2 mô hình lý thuyết và thựcnghiệm ta phải tính toán được các giá trị y(k+2) sau mỗi lần lấy mẫu.Điều này kháphức tạp nếu số lần lấy mẫu nhiều, chưa kể tới sai số trong tính toán sẽ làm cho kếtquả thu được không còn tính chính xác.Với sự trợ giúp của máy tính, công việc tínhtoán này không những dễ dàng, nhanh chóng và chính xác hơn mà còn có tính trựcquan nhờ công cụ mô phỏng mạnh mẽ là MATLAB.Thêm nữa mô phỏng trênMATLAB giúp chúng ta xác định được các tham số của mô hình.

2.3.1 Mô phỏng đối tượng bằng phần mềm matlab

Chọn t = T: Chu kỳ lấy mẫu

⇒ Kết quả thu được như đồ thị hình sau: (Với chu kỳ lấy mẫu T = 0.02s)

Hình 2.4 Đáp ứng đầu ra của động cơ bơm khi kích thích đầu vào hàm nấc đơn vị.Trong quá trình nhận dạng đối tượng, ngoài bước quyết định về dạng mô hình toánhọc và xác định các tham số của mô hình đó, bước mô phỏng – kiểm chứng – đánhgiá dựa theo các phương pháp toán học hoặc tiêu chuẩn để kiểm tra lại các kết quảđược xác định trước đó,thường là trên cơ sở nhiều tệp dữ liệu khác nhau Nếu chưađạt yêu cầu, cần quay lại một trong các bước trước.

Với sự trợ giúp của máy tính, chúng ta vừa mô phỏng đối tượng thông qualập trình trên Matlab Trong hình 2-4, Matlab chỉ các rằng: đối tượng có đáp ứngđầu ra là khâu quán tính bậc nhất có trễ với giá trị tại trạng thái xác lập bằng hệ sốkhuếch đại tĩnh (k = 1,7) Điều này đúng với hàm truyền tìm được thông qua khảosát thực nghiệm

2.3.2 Xác định tham số theo phương pháp 2 điểm quy chiếu (The Reaction Curve Method).

Các phương pháp nhận dạng quá trình trực tiếp dựa trên biểu đồ đáp ứng quá

độ rất được ưa chuộng với những người làn thực tế, bởi tính trực quan và đơn giản.Tất nhiên, mức độ chính xác của các mô hình nhận được thường là ở mức độ

khiêm tốn bởi hai lý do:

● Mô hình sử dụng thường đơn giản (bậc thấp)

● Ảnh hưởng của nhiễu không được giải quyết tốt

Song đối với mức độ yêu cầu của một phần không nhỏ các bài toán điều khiển quá trình thì người ta có thể bằng lòng với cách làm này.

Có 3 phương pháp để xác định các hệ số của mô hình FOPDT, đó là:

● Phương pháp kẻ tiếp tuyến

● Phương pháp hai điểm quy chiếu

● Phương pháp diện tích

Đối với phương pháp 1, việc kẻ tiếp tuyến để ước lượng các tham số mô hìnhmang tính cảm nhận chủ quan, thiếu chính xác và khó thực thi trên máy tính Hơnnữa, nhiễu quá trình và thiếu đo có thể gây sai lệch rất lớn trong kết quả Vì vậy,trong thực tế ta nên tránh áp dụng phương pháp này

Trong khi đó, nhược điểm của phương pháp 3 là khối lượng tính toán xấp xỉtích phân là rất lớn Thêm nữa, kết quả tính toán các tham số thời gian phụ thuộcmột cách tương đối nhạy cảm vào các giá trị ước lượng cho các hệ số khuếch đạitĩnh k Chỉ cần giá trị k có sai số tương đối nhỏ cũng có thể dẫn tới sai số lớn trongtính toán T1 và T2

Vì vậy, để khắc phục một phần nhược điểm của phương pháp kẻ tiếp tuyếncũng như giảm bớt khối lượng tính toán xấp xỉ tích phân của phương pháp diện tíchnói trên ta có thể áp dụng phương pháp hai điểm quy chiếu Trong phương phápnày, ta dùng hai điểm quy chiếu tương ứng với các giá trị 0,283Δy∞ và 0,632Δy∞

Output

0.623Δy∞

t (sec)

Hình 2.5: Phương pháp đồ thị đáp ứng quá độ sử dụng 2 điểm quy chiếu

Khi đó, theo kết quả tính toán trên MATLAB:

Đầu ra đối tượng đạt được giá trị: 0,283 Δy∞ (= 0,283*1,7= 0,4811) sau 27 lần lấy mẫu, tức là:

Và được tổng hợp trong bảng dưới đây: