Báo cáo thu hoạch học phần Điều khiển quá trình xét quá trình Điều khiển Ổn Định nhiệt Độ của nước trong bể bơi mùa Đông với cơ chế tự tràn Được minh họa như hình dưới nước chảy vào bể có khối lượng riêng 1=const

Xét quá trình điều khiển ổn định nhiệt độ của nước trong bể bơi mùa đông với cơ chế tự tràn được minh họa như hình dưới.. Anh/chị hãy trình bày tối thiểu 03 chiến lược điều khiển P&ID và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO THU HOẠCHHỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Sinh viên thực hiện:

Lớp:

Mã sinh viên:

Phần I:Đề Bài

Bài 1 (3đ) Xét quá trình điều khiển ổn định nhiệt độ của nước trong bể bơi mùa

đông với cơ chế tự tràn được minh họa như hình dưới Nước chảy vào bể cókhối lượng riêng 1 =const [kg/m3], nhiệt dung riêng C 1 =const [J/kgoC], lưu

lượng thể tích f 1 [m3/s] và nhiệt độ T 1 [oC] Nước chảy ra khỏi bể có lưu lượng

thể tích f 2 =f 1 và nhiệt độ T 2 [oC] Nước trong bể có nhiệt độ đồng nhất là T 2 [oC]

và được gia nhiệt bằng hơi nóng có lưu lượng vào/ra là f 3 [m3/s], nhiệt dung

riêng C 2 =const [J/kgoC], nhiệt độ hơi nóng vào/ra dàn trao đổi nhiệt là T 3 , T 4

[oC] Thể tích bể đầy tràn nước V=const[m3]

Anh/chị hãy trình bày tối thiểu 03 chiến lược điều khiển P&ID và sơ đồ khối cấutrúc hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ của bể bằng với giá trị đặt T2sp

Bài 2 (7đ) Khảo sát hệ thống cung cấp nước được liên kết với nhau bằng van

tay và cần duy trì chiều cao mức nước trong bể 2 theo giá trị đặt l 2sp [m] Hai bể

hình trụ có tiết diện đáy là A 1 , A 2 [m2], chiều cao mức nước là l 1 , l 2 [m]; nướctrong bể có khối lượng riêng =const [kg/m3]; Tiết diện của van tay V2, V3 lần

lượt là a 2 , a 3 [m2]; Độ mở của van tay V2, V3 lần lượt là C 2 , C 3 [%]; Lưu lượng

nước vào, ra bể 1 là f 1 , f 2 [m3/s]; lưu lượng nước vào, ra bể 2 là f 2 , f 3 [m3/s]

Câu 1 Xác định các biến quá trình (vào/ra/nhiễu), các tham số quá trình, sơ đồ

khối, cho biết bậc tự do của quá trình

Câu 2 Xác định hàm truyền đạt quá trình ổn định mức nước bể 2, tại lân cận giá

trị mức đặt của bể hai l 2sp [m] là hằng số

2

Câu 3 Áp dụng chiến lược truyền thẳng cho hệ thống, tiến hành xây dựng lưu

đồ P&ID và sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển cho quá trình điều khiển ổn

định mức nước bể 2, tại giá trị mức đặt l 2sp

Câu 4 Xây dựng lưu đồ chiến lược P&ID có tích hợp vòng điều khiển phản hồi

kín, sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển và xác định thông số bộ điều khiển

PID cho quá trình điều khiển ổn định mức nước bể 2, tại giá trị mức đặt l 2sp.

Câu 5 Xây dựng sơ đồ mô phỏng Matlab/Simulink quá trình ổn định mức nước

bể 2 tại giá trị mức đặt l 2sp. Hãy nhận xét chất lượng của hệ thống điều khiểnmức nước bể 2

Câu 6 Tiến hành chỉnh định thông số bộ PID (có được ở câu 5) để:

+ Giảm thời gian quá độ của hệ thống tối thiểu 10% (với MSV lẻ).

(181602385)

Đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển mới đạt được

Biết rằng: thiết bị định vị và bộ chuyển đổi điện-khí nén là khâu tỷ lệ k I/P, van

điều khiển có hệ số khuyếch đại k v [m3/s/mA], hằng số thời gian v [s]; thiết bị

đo mức nước có hệ số khuếch đại k m [mA/m], hằng số thời gian m [s];  =1.0;

Bài 2:

Câu 1)

 Phân tích quá trình

 Biến quá trình

- Biến điều khiển: f 1.

- Biến cần điều khiển: l 2.

- Biến nhiễu: f 3 ; f 2 ; l 1.

 Thông số quá trình: a 3 ; a 2 ; c 3 ; c 2 ; A 1 ; A 2 ; ρ.

 Khối hóa quá trình

Câu 2) Xác định hàm truyền đạt quá trình ổn định mức nước bể 2, tại lân

cận giá trị mức đặt của bể hai l 2sp [m] là hằng số.

 Thành lập PT toán QT, tính toán lưu lượng mức của các biến quátrình tại điểm làm việc l2=l 2 sp=1.2 , l2=F¿1)

8

 Xác định hàm truyền đạt QT tại lân cận điểm làm việc l2=l 2 sp =1 , 2

 Tại điểm làm việc l2=l 2 sp =1 , 2

Câu 3) Tiến hành xây dựng Lưu đồ P&ID

- Chiến lược FB (feedback) : Đo biến cần điều khiển

12

a2, c2

,c2V2

a3, c3

V3

A2 ρ

m (-)

Khối hóa quá trình:

a2 ,c2

V2

a3, c3

V3

A2 ρ

FT

FC PY

P

Lưu đồ P&ID

Điều khiển FF

Quá trình l2 Van

Đo f3

Đo l2

l1,f2,f 3

l2m l2

f 1

Khối hóa quá trình:

I/P

- Chiến lược FF (feed forward) : Đo biến nhiễu

14

a2 ,c 2 V2

a3, c3 V3

f1

L1

f 2

- Chiến lược tầng Cascade:

+Vòng trong đo biến điều khiển(f1)

+Vòng ngoài đo biến cần điều khiển (l2)

Bộ điều

Bộ điều khiển FC

Đo f1

Quá trình

ổn định mức

Đo l2

l1, f2, f3

Nhiễu Khối hóa quá trình:

I/P

Câu 4) Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển và xác định thông số bộ điều

khiển PID cho quá trình điều khiển ổn định mức nước bể 2, tại giá trị mức

đặt l 2sp.

Phương án điều khiển: ĐK FB

Giả sử quá trình điều khiển có sơ đồ mạch vòng như sau:

Thông số bộ điều khiển PID:

(37 s+1)(21 , 5 s+1)(4 , 85 s+1)=

k (a1s +1)(a2s +1)(a3s+1)

Với a1>a2>a3

Do đối tượng là khâu quán tính bậc 3 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu độ lớn MO ta

Vậy thông số của bộ PID là: K p =0,01197; K I=2 10 −4; K D=0,1627

Câu 5) Xây dựng sơ đồ mô phỏng Matlab/Simulink quá trình ổn định mức

nước bể 2 tại giá trị mức đặt l 2sp. Hãy nhận xét chất lượng của hệ thống điều khiển mức nước bể 2.

Sơ đồ mô phỏng như hình dưới:

Cài đặt tham số bộ PID:

Khi đặt mức nước trong bể là 0 tương ứng với tín hiệu đặt đầu vào chuẩn hóa

là 1, ta thu được đáp ứng của hệ thống sau:

18

-Quá hiệu chỉnh (1,041-1)/1=4.1%

-Thời gian xác lập: 21,134s

-Sai số xác lập 1-1=0

-Thời gian tăng trưởng : 19,233 -4,4894=14,744s

Nhận xét: Bộ PID cho đáp ứng tốt không dao động nhiều ,quá hiệu chỉnh thấp, thời gian tăng trưởng nhỏ, thời gian xác lập nhỏ và sai số xác lập bằng 0

Câu 6: Tiến hành chỉnh định thông số bộ PID (có được ở câu 5) để:

+ giảm thời gian quá độ của hệ thống tối thiểu 10% (với MSV lẻ:181602385)

Đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển mới đạt được

Ta dựa theo bảng trong giáo trình:

Để giảm thời gian quá độ ta cần tăng giá trị K IhoặcK D hoặc tăng đồng thời cả 2

Ta có thời gian quá độ là: 17,57 s Tiến hành chỉnh lại thông số bộ PID

Thông số sau khi chỉnh: K p =0.01197 ; K I =0 , 0002 ;K D=0 205

Cài đặt tham số bộ PID:

20

Ta được đáp ứng như hình dưới:

-Độ quá hiệu chỉnh :0%

-Thời gian quá độ ngắn(18.971) < 21* 90% (Thỏa mãn yêu cầu đề bài )

- Sai lệch tĩnh bằng 1-1=0

- Thời gian tăng trưởng :17,595-4.096=13,499s

Nhận xét: Sau khi thay đổi giá trị K D=0.205 ta thu được đáp ứng tốt hơn so ban đầu

Thông số PID sau khi hiệu chỉnh là :K p =0.01197 ; K I =0 , 0002 ;K D=0 205

 Ngoài phương pháp xác định thông số bộ PID trên tiến hành tìmthông số PID bằng công cụ Matlab hỗ trợ

 Sử dụng công cụ pidTuner của Matlab

-Khai báo lệnh trong Command Window

22

-Đáp ứng và thông số thu được:

+ Đối tượng ổn định và có đáp ứng xác lập K = 1