Báo cáo bài tập lớn cơ sở điều khiển quá trình ch3341 đề tài phát triển sơ đồ khối điều khiển phản hồi

` ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CH3341 GVHD Bùi Ngọc Pha SVTH[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH - CH3341

GVHD: Bùi Ngọc Pha

SVTH: Lê Đức Thạc – 2010630

ĐỀ TÀI: Phát triển sơ đồ khối điều khiển phản hồi

Sơ đồ khối điều khiển giúp cho việc phân tích, thiết kế các vòng điều khiển được đơn giản hơn Trong sơ đồ khối, tất cả các phần tử đều được biểu diễn bởi các hàm truyền riêng của chúng Mô hình hàm truyền kết hợp với sơ đồ khối cho ta một công cụ đơn giản nhưng hữu dụng trong việc phân tích và thiết

kế hệ thống điều khiển Trong phần này, chúng ta lấy ví dụ điều khiển mức chất lỏng để minh họa việc phát triển sơ đồ khối

Hệ thống điều khiển mức chất lỏng trên bao gồm các thành phần sau:

 Bộ điều khiển mức LC với đầu vào là tín hiệu sai lệch điều khiển e

và tín hiệu chủ đạo hsp, đầu ra là tiến hiệu điều khiển u

 Van điều khiển trên đường cấp với đầu vào là tín hiệu điều khiển u

từ bộ điều khiển đầu ra là tín hiệu lưu lượng cấp vào bình chất lỏng F2

 Quá trình chứa chất lỏng với các đầu vào là tín hiệu lưu lượng từ van điều khiển, tín hiệu từ biến nhiễu, đầu ra là tín hiệu biến được điều khiển-mức chất lỏng h

 Cảm biến đo mức bình chứa LT với tín hiệu vào và ra là mức chất lỏng trong bình chứa

HÌNH

Sau đây ta xem xét hàm truyền của mỗi thành phần trong hệ thống điều khiển:

I XÂY DỰNG HÀM TRUYỀN:

Từ phương trình cân bằng vật chất ta có:

Aⅆⅆh t= F1 + F2 – F3

Gỉa sử lưu lượng dòng ra phụ thuộc chiều cao mức chất lỏng: F3 = √h

R

=> Aⅆⅆh t= F1 + F2 – √h

R

Với: F1, F2, F3 – là lưu lượng các dòng vào và ra khỏi bồn chứa

h – là chiều cao mức chất lỏng, A – là tiết diện ngang không đổi của bể chứa

Hình 1: lưu đồ điều khiển mức

Sau đây ta xem xét hàm truyền của mỗi thành phần trong thành phần hệ thống điều khiển

I Xây dựng hàm truyền quá trình

Hình 2: hàm truyền quá trình trên sơ đồ khối

Ta có phương trình cân bằng vật chất:

A dh dt =F1+F2−F3

Giả sử lưu lượng dòng ra phụ thuộc chiều cao mức chất lỏng F3 = √h

R

=> A dh

dt =F1+F2− ¿ √h

R

=>ARdh dt =R F1+R F2− ¿√h

Từ phương trình cân bằng vật chất ta đặt f(Fi,h)=RF1 + RF2 – √h

Lại có ở trên: AR hⅆ

t

ⅆ = RF1 + RF2 - √h

=> AR hⅆⅆt = f(Fi,h)

Sử dụng phép biến đổi Taylor cho f(Fi,h):

Aⅆⅆh t = f[(Fi,h)]ss + [ df

d F1]ss(F1-F1ss) + [ df

d F2]ss(F2-F2ss)

Thay biểu thức ARⅆⅆh t = ARd(h−h ss)

d t vào ta có:

ARd(d Δh)

t ≈ R(Δ F1) + R(Δ F2) - 2(Δh√h)ss

Phương trình tuyến tính theo biến chêch lệch:

2AR√h ss d(Δh)ⅆ

t + (Δh) = 2R√h ss(Δ F1) + 2R√h ss(Δ F2) Biến đổi Laplace ta được hàm truyền có dạng tuyến tính:

2AR√h ss.s.ΔH(s)+ ΔH(s)=2 R√h ss ΔF1(s)+2R√h ss Δ F2(s)

=> ΔH(s) = 2R√h ss

2 AR√h ss s+1 Δ F2(s) + 2 R√h ss

2 AR√h ss s+1 ΔF1(s)

Thay các biến chêch lệch: Y = ΔH (s); X= Δ F2(s); Z=Δ F1(s)

=> Y = 2R√h ss

2 AR√h ss s+1X + 2R√h ss

2 AR√h ss s+1Z

=>{G p = Y X= 2R√h ss

2 AR√h ss s+1

2 R√h ss

2 AR√h ss s+1

Từ dữ liệu đề bài R = 6 phút/m2; A=1 m2 ; ta chọn giá trị setpoint hsp = 1m

=>{G p = Y X= 1212s+1

G p =Y Z= 1212s+1

Hình 3: hàm truyền của bộ điều khiển trên sơ đồ khối

Bộ điều khiển có hàm truyền ký hiệu là Gc = U (s) E(s) Dạng của hàm truyền và các thông số của nó phụ thuộc vào mỗi một quá trình công nghệ và yêu cầu cụ thể của nó

Trong một phạm vi làm việc, nếu coi quan hệ giữa lưu lượng đầu ra và tín hiệu khiển là tuyến tính, mô hình van điều khiển có thể đưa về khâu bậc nhất:

Gv = Δ F i (s)

τ v s+1

Ở bài toán này ta cho Gv =1/1

Hình 5: hàm truyền thiết bị đo trên sơ đồ khối

Ở bài toán này ta cho Gm = 1/1

Hình 4: hàm truyền của van điều khiển trên sơ đồ khối

II Hệ thống điều khiển mức sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ P

Sơ đồ khối điều khiển hệ thống điều khiển mức được thể hiện ở trên Cảm biến và bộ truyền tín hiệu mức (LT) có hàm truyền Gm = 1/1 Van điều khiển có hàm truyền là Gv = 1/1 Bộ điều khiển phản hồi (LC) là bộ điều khiển PID, có hàm truyền Gc Với các thông số A,R, hsp đã cho ở trên, hàm truyền của quá trình khi đó là:

* Theo kênh chủ đạo: Gp = Δ F ΔH

2 = 12s+112 , với k=12 và t = 12 phút

* Theo kênh nhiễu: Gp = Δ F ΔH

2 = 12s+112 , với k=12 và t = 12 phút

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bình chứa được biểu diễn:

Với hệ thống điều khiển này, ta cần phải tìm hàm truyền Gc của bộ điều khiển để đáp ứng đầu ra là biến cần điều khiển thỏa mãn yêu cầu chất lượng mong muốn

Khi sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ P, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tỷ lệ với sai lệch điều khiển tại thời điểm hiện tại theo biểu thức:

u(t) = u+k p .e(t) = ¿u+k p ( y sp − y)

Với: u(t) là đầu ra của thành phần tỷ lệ;

Hình 6: lưu đồ và sơ đồ khối bình chứa lỏng

u là độ dịch, là giá trị được chỉnh định thủ công sao cho u(t) = u khi e = 0;

kp = kc gọi là hệ số khếch đại tỷ lệ:

ysp, y là giá trị đặt và giá trị tức thời đo được của biến cần điều khiển

Để thuận tiện việc ký hiệu có thể đặt kp = kc

Để có hàm truyền của bộ điều khiển, ta biến đổi Laplace hai vế của phương trình trên:

U(s) = kc.E(s)

Từ đó ta có hàm truyền của bộ điều khiển tỷ lệ P là:

Gc = U (s) E(s) = kc

Sơ đồ khối điều khiển với bộ điều khiển tỷ lệ P sẽ là:

Đến đây ta tiến hành khảo sát đáp ứng quá độ của hệ khi có tác động thay đổi các biến đầu vào Ysp và Z:

Đáp ứng quá độ bộ điều khiển P với thay đổi giá trị đặt

Hàm truyền theo kênh chủ đạo Y-Ysp của hệ thống khi đó là:

GY-Ysp = Y Y

sp = G c G p

1+G c G p. = k c k τs+1

1+k c k τs+1 = k c k

Hình 7: sơ đồ khối điều khiển phản hồi với bộ điều khiển tỷ lệ

GY-Z = ( k c k

k c k+1)

k c k+1)s+1

Đặt K = ( k c k

k c k+1) hệ số khếch đại của hệ kín

T = ( τ

k c k+1) hằng số thời gian của hệ kín

Hàm truyền của hệ trở thành dạng quán tính bật nhất: GY-Ysp = Ts+1 K

Nếu giá trị đặt thay đổi theo hàm nấc: ysp = {M khi t ≥ 0

0khi t<0 , hay trong miền Laplace

ta có Ysp = M s , hệ sẽ đạt giá trị xác lập yxl = y ∞ = KM

Sai lệch điều khiển được tính là:

.exl = ysp− y xl =M−KM =M(1−K)= M(1− k c k

k c k+1)= M k

c k+1 ≠0

Từ đó ta có nhận xét khi sử dụng bộ điều khiển P:

=> Hệ tồn tại sai lệch tĩnh, exl = y sp − y≠ 0.

=> Hệ số khếch đại của bộ điều khiển k ccàng lớn, sai lệch tĩnh càng nhỏ

Ở bài này ta chọn kc = 4, cho thời gian chạy giả lập bằng 3 giây, và step time bằng 0 giây

Sơ đồ mô phỏng trên máy tính:

Hình 9: đồ thị đáp ứng bộ điều khiển tỷ lệ P

Hình 10: sơ đồ khối mô phỏng