Báo cáo thực hành điều khiển quá trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ============ BÁO CÁO THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Sinh viên thực hiện: Đào Phi Dương Mã số sinh viên: 20181432 Khóa: K63 Mã lớp TN: 707429 Mã lớp lý thuyết: 124684 Dữ liệu làm báo cáo Course: 63 Class: 29 Number: 32 Stoptime: 3200 Hà Nội, T82021 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1 BÀI 1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT BÌNH NƯỚC 1. Xác định tín hiệu vào, tín hiệu rs và nhiễu của hệ thống Tín hiệu vào: Độ mở van vào (In Valve) F1 Tín hiệu ra: Mức nước trong bình (Level) h Nhiễu hệ thống: Độ mở van ra (Out Valve) F2 Số biến vào là: 2 Số biến ra là : 1 Số bậc tự do là: 31 =2 và bằng số biến vào. Hệ thống điều khiển được 2. Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng với các tham số hình thức Phương trình cân bằng:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

============

BÁO CÁO THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Sinh viên thực hiện: Đào Phi Dương

Mã số sinh viên: 20181432 Khóa: K63

Hà Nội, T8/2021

BÀI 1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT BÌNH NƯỚC

1 Xác định tín hiệu vào, tín hiệu rs và nhiễu của hệ thống

Tín hiệu vào: Độ mở van vào (In Valve) - F1

Tín hiệu ra: Mức nước trong bình (Level) - h

Nhiễu hệ thống: Độ mở van ra (Out Valve) - F2

Số biến vào là: 2

Số biến ra là : 1

Số bậc tự do là: 3-1 =2 và bằng số biến vào Hệ thống điều khiển được

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

Phương trình cân bằng: 𝐴.𝒅𝒉

𝒅𝒕 = 𝐹1− 𝐹2Biến đổi Laplace: A.s.h(s)= 𝐹1(𝑠) − 𝐹2(𝑠)

Khi không có nhiễu: A.s.h(s)= 𝐹1(𝑠)

=> G’(s)= ℎ(𝑠)

𝐹 1 (𝑠)= 1

𝐴.𝑠

3 Sử dụng Simulink để xác định các tham số mô hình

Cho tín hiệu tác động bậc thang ở đầu vào

2,95

Kiểm tra lại đáp ứng quá độ bằng Matlab:

Đường màu đỏ được thêm vào là đường mức nước với đầu vào quán tính bậc nhất vừa tính

Sách lược điều khiển phản hồi: Vì sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định một hệ thống không ổn định cụ thể là hệ thống bình mức

Sách lược điều khiển tầng: Vì sách lược điều khiển tầng cũng có tác dụng ổn định

một hệ thống không ổn định ngoài ra còn giảm tối thiểu được ảnh hưởng của nhiễu

b Sách lược điều chỉnh không thể sử dụng:

- Sách lược điều khiển truyền thẳng:

 Điều khiển truyền thẳng không có tác dụng ổn định một hệ thống không ổnđịnh,

cụ thể là hệ thống bình mức trong bài thí nghiệm có thành phần tích phân

 Điều khiển truyền thẳng đáp ứng rất nhanh với nhiễu, do vậy nếu cảm biến đo không chính xác họặc sai số mô hình lớn sẽ làm mực nước trong bình bị tràn quá hoặc cạn hết

- Sách lược điều khiển tỉ lê:

Do nguyên lý điều khiển của sách lược điều khiển tỉ lệ là duy trì quan hệ giữa hai biến điều khiển nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3 Nhưng điều khiển bình mức chỉ có một biến điều khiển là F1 nên không thể áp dụng

- Sách lược điều khiển lựa chọn:

Do điều khiển lựa chon cũng yêu cầu ít nhất hai biến điều khiển mà hệ thống bình mức chỉ có một biến điều khiển nên không xác định được tín hiệu điều khiển lấn

át lên không thể áp dụng sách lược điều khiển này

5 Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng

Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol 1 vì phương pháp này áp dụng cho đối tượng có đặc tính là một khâu quán trính bậc nhất hoặc khâu tích phân có thời gian trễ tương đối nhỏ

PID 𝟏,𝟐

𝒌 = 0,41 2.T= 6,8 0,5.T =1,7 Dạng hàm truyền của bộ điều khiển PID:

Nhờ điều chỉnh các thông số 𝑲𝒑, 𝑻𝒊, 𝑻𝒅 ta sẽ có được những bộ điều khiển P, PI

và PID tương ứng như hình vẽ trên

6 Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng

a Mô hình sách lược điều khiển truyền thẳng

b Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển truyền thẳng

c Mô hình mô phỏng trên Simulink

d Sử dụng sách lược điêu khiển truyền thẳng với ba bộ điều khiển P, PI,PID

 Trường hợp sở dụng bộ điều khiển P với 𝑲𝒑=0,34

 Trường hợp sở dụng bộ điều khiển PI với 𝑲𝒑 =0,31; 𝑻𝒊=11,22

 𝐓𝐫ườ𝐧𝐠 𝐡ợ𝐩 𝐬ở 𝐝ụ𝐧𝐠 𝐛ộ đ𝐢ề𝐮 𝐤𝐡𝐢ể𝐧 𝐏𝐈𝐃 𝐯ớ𝐢 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟏, 𝑻𝒊 = 𝟔, 𝟖 ; 𝑻𝒅 = 1,7

Nhận xét: Cả 3 trường hợp trên đầu ra không bám chính xác theo tín hiệu chủ đạo

7 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn

a Mô hình sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn

b Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn

c Mô hình mô phỏng trên Simulink

d Sử Dụng Sách Lược Điêu Khiển Phản Hồi Vòng Đơn Với Ba Bộ Điều Khiển P, PI, PID

 Trường hợp sở dụng bộ điều khiển P với 𝑲𝒑=0,34

Nhận Xét:

 Hệ thống hoạt động ổn định, độ quá điều chỉnh nhỏ

 Thời gian quá độ ngắn

 Lưu lượng ra ổn đinh

Như vậy, sử dụng bộ điều khiển P rất đơn giản (đặc biệt hệ mô phỏng bình nước bản thân hệ đã có thành phần tích phân), tác động rất nhanh mức chất lỏng gần sát với giá trị đặt và có tính ổn định cao

 Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟑𝟏; 𝑻𝒊=11,22

- Hiện Tượng: Khi tiến hành mô phỏng thì xảy ra hiện tượng mức nước tăng vọt kéo dài thời gian quá độ Đây là hiện tượng bão hòa tích phân (Reset Windup) xảy ra khi có thành phần tích phân trong bộ điều khiển

- Nhận Xét:

 Độ quá điều chỉnh lớn

 Thời gian quá độ lớn

 Độ dự trữ ổn định giảm do có thành phần I trong bộ điều khiển

 𝐓𝐫ườ𝐧𝐠 𝐡ợ𝐩 𝐬ở 𝐝ụ𝐧𝐠 𝐛ộ đ𝐢ề𝐮 𝐤𝐡𝐢ể𝐧 𝐏𝐈𝐃 𝐯ớ𝐢 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟏; 𝑻𝒊 =

𝟔, 𝟖; 𝑻𝒅=1,7

- Hiện Tượng: Gần giống với khi sử dụng bộ điều khiển PI nhưng thời gian quá độ lớn hơn

- Với 𝑇𝑡 = 𝑇𝑖 và thông số cần đặt cho khối Saturation là: Upper limit :1; Lower limit:

 Đã giảm được hiện tượng bão hòa tích phân , tín hiệu ra nhanh chóng bám tới tín hiệu đặt mà không giao động quá nhiều , quá trình nhanh chóng đi đến ổn định

 Độ quá điều chỉnh nhỏ

 Thời gian quá độ nhanh

 Giảm được sai lệch tĩnh xuống mức thấp

 Đáp ứng ra đã bám sát với tín hiệu đặt với sai lệch tĩnh rất nhỏ

 Đối với bộ điều khiển PID- chống bão hòa tích phân với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟏 ;

𝑻𝒊 = 𝑻𝒕 = 𝟔, 𝟖; 𝑻𝒅=1,7

9 Sách lược điều khiển tầng

a Sử dụng sách lược điều khiển tầng vì:

b Nhiệm vụ từng vòng:

- Bộ điều khiển vòng trong (thứ cấp) có chức năng loại trừ hoặc ít ra là giảm đáng

kể ảnh hưởng của nó tới biến cần điều khiển thực

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

giá trị đặt

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

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

c Tính toán tham số các bộ điều khiển

- Gọi bộ điều khiển vòng trong là P1, điều khiển vòng ngoài là P2

- Ta có hàm truyền của van IN VALVE là Gv= 1

3,4𝑠+1

- Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol 1 ta tính được các hệ số như sau

-Bộ điều khiển P1: Kp = 1

- Bộ điều khiển PI1: Kp = 0.9; Ti = 11.22

- Bộ điều khiển PI1-RW: gain =Kp=0.9; gain1 = 1/Ti =0.089; gain2 =0; Gain3 = 1

- Hàm truyền tương ứng, hàm truyền này là hệ Gv hồi tiếp âm và nối tiếp với Gb ( hàm truyền của bình)

d Xây dựng các vòng điều khiển

Bộ điều khiển không đo lưu lượng ra

 Sử dụng bộ điều khiển P/P với vòng ngoài Kp=3150 và vòng trong

Kp=1

Xuất hiện sai lệch tĩnh

 Sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW với P : Kp = 3150 ; PI-RW :

 Sử dụng bộ điều khiển P/P với Kp ngoài= 3150 ; Kp trong = 1

 Sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW với P : Kp = 3150 ; PI-RW :

Kp=0,9; Ti=Tt=0,089

Nhận xét:

So sánh giữa sách lược điều khiển phản hồi và điều khiển tầng

- Cả hai sách lược điều khiển phản hồi và tầng đều đem lại kết quả điều khiển

khá tốt, thời gian xác lập nhanh, độ quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh nhỏ

- Tuy nhiên khi thay đổi giá trị đặt và lưu lượng ra, ta thấy bộ điều khiển tầng có đáp ứng nhanh với độ quá điều chỉnh nhỏ hơn bộ điều khiển phản hồi Vì trong

bộ điều khiển tầng có khâu tỷ lệ P ở vòng ngoài nên tác động nhanh với sự thay

đổi của nhiễu ở đầu vào và có tác dụng triệt tiêu được nhiễu này

Biện pháp:

- Khi sai lệch điều khiển bằng 0, tách bỏ thành phần tích phân trong bộ ĐK, hoặc

xóa trạng thái của thành phần tích phân

- Giảm hệ số khuếch đại nằm trong giới hạn cho phép

- Đặt một khâu giới hạn tại đầu ra của bộ ĐK đã bị giới hạn, phản hồi về bộ ĐK

để thực hiện thuật toán bù nhằm giảm thành phần tích phân Hệ thống có bù

nhiễu nhận tín hiệu từ mức nước đầu ra điều khiển dễ dàng hơn và ổn định hơn

hệ thống không có

BÀI 2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HAI BÌNH NƯỚC

THÔNG NHAU

1 Xây dựng mô hình cho đối tượng

Xác định các tín hiệu vào, tín hiệu ra, nhiễu của hệ thống và số bậc tự do

- Tín hiệu vào: độ mở van F1, độ mở van F2 và độ mở van F3

- Tín hiệu ra: Mức của hai bình mức: level1: h1 và level 2: h2

- Nhiễu: Độ mở van F3

=> 𝑮𝟏’(s)= 𝟏

𝑨 𝟏 𝒔

𝑮𝟐’(s) = 𝟏

𝑨𝟐.𝒔

Do đặc tính van 1 là một khâu có hàm truyền là một khâu quán tính bậc nhất và

do hai bình thông nhau nên đặc tính van 2 là một khâu có hàm truyền là một khâu quán tính bậc nhất có trễ

Vì thế ta có 2 hàm truyền đạt của 2 bình như sau

Qua phương pháp kẻ tiệm cận, ta xác định được hàm truyền đạt của bình 1 có

dạng: 𝑮𝟏(s)= 𝟎,𝟕𝟑

𝒔.(𝟑.𝟗𝒔+𝟏)

Bình 2:

Kiểm chứng mô hình ta dùng mô hình sau

Kết quả mô phỏng như sau:

 Bình 1:

 Bình 2:

c Sách lược điều khiển không thể sử dụng

- Sách lược điều khiển truyền thẳng

Điều khiển truyền thẳng không có tác dụng ổn định một hệ thống không ổn đinh, cụ thể là hệ thống bình nước trong bài thí nghiệm có thành phần tích phân

Điều khiển truyền thẳng đáp ứng rất nhanh với nhiễu, do vậy nếu cảm biến đo không chính xác hoặc sai số mô hình lớn sẽ làm mực nước trong bình bị tràn quá hoặc cạn

hết

4 Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng

Sử dụng phương pháp Ziegler Nichol 1

Bình 1:

Bình 2:

 Bám tốt, sai lệch tĩnh nhỏ

 Không bị quá điều chỉnh

6 Sách lược điều khiển tầng

a Lưu đồ P&ID

b Xác định các vòng điều khiển cần xây dựng:

 Vòng thứ nhất: Điều khiển độ mở van InValve1

 Vòng thứ hai: Điều khiển độ mở van InValve2

Đặc điểm và nhiệm vụ của từng vòng:

 Vòng thứ nhất: Điều khiển độ mở của van 1, có đặc tính động học biến đổi nhanh hơn vòng thứ hai

 Vòng thứ hai: Điều khiển độ mở của van 2, và có đặc tính động học biến đổi chậm hơn vòng thứ nhất

c Tính toán tham số các bộ điều khiển

Bình 1

 Gọi bộ điều khiển vòng trong là P1, điều khiển vòng ngoài là P2

 Ta có hàm truyền của van IN VALVE là Gv= 1

2,4𝑠+1

 Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol 1 ta tính được các hệ số như sau

- Bộ điều khiển P1: Kp = 1

- Bộ điều khiển PI1: Kp = 0.9; Ti = 35.82

- Bộ điều khiển PI1-RW: gain =kp=0.9; gain1 = 1/Ti =0.03; gain2=0; Gain3 = 1

 Để tính bộ điều khiển ta cần tìm hàm truyền tương ứng , hàm truyền này là hệ

 Gv hồi tiếp âm và nối tiếp với Gb (hàm truyền của bình)

- Bộ điều khiển PI1: Kp = 0.9; Ti = 272.65

- Bộ điều khiển PI1-RW: gain =kp=0.9; gain1 = 1/Ti =0.004;

Nhận xét

 Bám giá trị đặt

 Sai lệch tĩnh nhỏ

 Giảm được ảnh hưởng của nhiễu

 Giao động lớn ở binh 1 khi tăng mức ở bình 2

e Bộ P/PI-RW

Vòng ngoài là bộ điều khiển P(Kp=20000) để tăng đáp ứng của hệ thống

Vòng trong là bộ điều khiển Pi-RW để triệt tiêu sai lệch tĩnh