Báo cáo thí nghiệm môn điều khiển quá trình

Báo cáo thí nghiệm môn điều khiển qua trình trường đại học bách khoa hà nội Gồm: xây dựng hệ thống điều khiển các bình nước 1. Tín hi u vào à độ mở (hoặc ưu ượng) của van vào In Flow, tín hi u ra là mức chất lỏng trong bình lever còn nhiễu à độ mở của van ra Out Flow 2. Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống 3.Mô phỏng đối tượng bình mức bằng khối SingleTank trên matlab

t :

Hà Nội, 5/2017

2

BÁO CÁO THÍ NGHIỆ ĐI U KHI N QUÁ TRÌNH

Bài 1: Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức

1 Tín hi u vào à độ mở (hoặc ưu ượng) của van vào In Flow, tín hi u ra là mức chất lỏng trong bình lever còn nhiễu à độ mở của van ra Out Flow

2 Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống

P ươ trì ô ì ở trạng thái xác lập:

0 A d h F1 F2

dt

   (2) Trừ vế của (1) – (2) ta được:

dy

d u

dt  A 

Hệ thống

sy s u s d s

Do van là khâu quán tính bậc nhất nên hàm truyền của h thống sẽ có dạng:

3 Mô phỏng đối tượng bình mức bằng khối Single-Tank trên matlab

5

4 Thiết kế sách lược điều khiển cho hệ thống

Tính toán thông số bộ đ ều khiển theo công thức Ziegler Nichol 1 v i các thông số sau: K=2.58; T=3.2

6

Với bộ điều khiển PI và PID ta cũng được kết quả không khác biệt nhiều

Kết quả ta thấy tín hi u đầu ra không bám theo tín hi u chủ đạo, quá trì k ô đ đến ổn định Không thể áp dụ sác ược đ ều khiển truyền thẳ được Vì sác ược truyền thẳ đò hỏi phải biết rõ thông tin về quá trình và ả ưởng của nhiễu Tuy ê , ô ì đố tượng và

mô hình nhiễu không bao giờ chính xác, không phải nhiễu ào cũ đo được, nên sai l c tĩ bao giờ cũ tồn tại Thực tế, bộ đ ều khiể ý tưởng không bao giờ có tính khả thi

6 Sách lược điều khiển phản hồi :

Lưu đồ P&ID:

Sơ đồ trên simulink:

8

Bộ điều khiển PI (P = 0.35, I = 0.095)

Nhận xét: Bộ đ ều khiển vẫ đạt được giá trị đặt ư có độ quá đ ều chỉnh l ơ

nhiều so v i bộ đ ều khiển P, do có khâu tích phân

Bộ điều khiển PID (P = 0.47, I = 0.157, D = 1.6)

Nhận xét: Bộ đ ều khiển PID có tính chất tươ tự ư PI, tuy nhiên thờ a quá độ l n

ơ

V sác ược đ ều khiển phản hồi vò đơ t ì c ỉ cầ P à đá ứ đủ yêu cầu bám giá trị đặt Khi thực hi n mô phỏng v i bộ đ ều khiển PI và PID thì xảy ra hi tượng mức

ư c vượt quá, và không thể đạt được ổ định Đây à n tượng bão hòa tích phân (Reset

W u ), t ường xảy ra trong các bộ đ ều khiển có chứa k âu I (I te ra ), có các đặc đ ểm:

Sơ đồ simulink giống phầ trư c

Sử dụng bộ đ ều khiển PI-RW và PID-RW ta thấy đ ả được hi tượng bão hòa tích phân, tín hi u ra nhanh chóng bám t i tín hi u chủ đạo mà không dao

động quá nhiều, quá trì a c ó đ đến ổ định :

- Độ quá đ ều chỉnh nhỏ

- Thờ a quá độ nhanh

- Đ ả được sai l c tĩ xuống mức thấp

11

Sử dụng bộ đ ều khiển phản hồi không cầ đo ưu ượ đầu ra

Có thể kết hợ đ ều khiển phản hồ và đ ều khiển truyền thẳ để đạt được chất ượ đ ều khiển tốt ơ đó đầu ra từ bộ đ ều khiển phản hồ LC được cộng v i tín hi u đo ưu ượng ra trư c k đưa xuố va đ ều chỉnh dòng cấ Tro k đầu ra từ bộ đ ều khiển phản hồi có vai trò ổ định h thống và tri t tiêu sai l c tĩ , t ì t à ần bù nhiễu giúp h đá ứng nhanh

ơ v ưu ượ ra k ô đổi

7 Sách lược điều khiển tầng :

Lưu đồ P&ID:

 Bộ điều khiển không đo lưu lượng ra

Sơ đồ trên simulink:

12

* Vòng ngoài là bộ đ ều khiển P (lấy Kp = 10000) , vòng trong là bộ đ ều

khiển P (Kp = 0.39) – bộ đ ều khiển P-P

Kết quả mô phỏ ư sau:

Nhận xét: độ quá đ ều chỉnh nhỏ, h thố đạt xấp xỉ giá trị đặt

* Vòng ngoài là bộ đ ều khiển P(Kp = 10000), vòng trong là bộ đ ều khiển PI-RW có các thông

số ư trê bà đ ều khiển phản hồi P-PIRW

Kết quả mô phỏng

13

Nhận xét: Độ quá đ ều chỉnh nhỏ, h vẫn đ đạt được giá trị đặt mong muốn

* Vòng ngoài là bộ đ ều khiển P(Kp = 10000), vòng trong là bộ đ ều khiển PID-RW có các

thông số ư bộ đ ều khiển phản hồi P/PIDRW

Sơ đồ simulink ư ần trên

Kết quả mô phỏng:

15

 Bộ P/P:

Nhận xét: h thống cải thi ơ k đạt sát giá trị đặt

đo á trị ra ta giả được nhiễu, giá trị sai l ch giữa In Out flow nhỏ ơ so v i các bộ

đ ều khiể k ô đo á trị ưu ượng giá trị ra

+ Sai lêc ữa ưu ượ vào v ưu ượ ra ỏ

+ H k ô bị ả ưở ều bở ễu

So sánh giữa sác ược đ ều khiển phản hồ và đ ều khiển tầng

 Cả a sác ược đ ều khiển phản hồi và tầ đều đe ại kết quả đ ều khiển khá tốt, thời

gian xác lậ a , độ quá đ ều chỉnh và sai l c tĩ ỏ

 Tuy ê k t ay đổi giá trị đặt và ưu ượng ra, ta thấy bộ đ ều khiển tầ có đá ứng nhanh v độ quá đ ều chỉnh nhỏ ơ bộ đ ều khiển phản hồi Vì trong bộ đ ều khiển tầng có khâu

17

tỷ l P ở vò oà ê tác động nhanh v i sự t ay đổi của nhiễu ở đầu vào và có tác dụng tri t

t êu được nhiễu này

Bi n pháp:

 khi sai l c đ ều khiển bằng 0, tách bỏ thành phần tích phân trong bộ Đ , oặc xóa trạng

thái của thành phần tích phân

 giảm h số khuếc đại nằm trong gi i hạn cho phép

 đặt một khâu gi i hạn tạ đầu ra của bộ Đ đ bị gi i hạn, phản hồi về bộ Đ để thực hi n thuật toán bù nhằm giảm thành phần tích phân H thống có bù nhiễu nhận tín hi u từ mức ư c

đầu ra đ ều khiển dễ dà ơ và ổ đị ơ thống không có

Bài 2 : Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức

A: Xây dựng mô hình lý thuyết

( )

1 2 ( 1 2)

Do van là khâu quán tính bậc nhất nên hàm truyền G1(S), G2(S) sẽ có dạng:

3 Mô phỏng đối tượng bằng khối TwoTank trong simulink

iểm chứng mô hình ta dùng mô hình sau:

Kết quả mô phỏ ư sau:

20

Thiết kế sách lược điều khiển cho hệ thống

Tính toán thông số bộ đ ều khiển theo công thức ziegler Nichol 1 v i các thông số K1=3.15, T1=1 và K2=0.9, T2=6.75 , có bảng sau

4 Các sác ược có thể sử dụ à sác ược đ ều khiển phản hồ và sác ược đ ều khiển

tầng Không thể sử dụ sác ược đ ều khiển truyền thẳng

Ta lựa chọ sác ược đ ều khiển tầ để tri t tiêu tố đa sa c tĩ và c o c ất ượ đ ều khiển h thống tốt ơ sác ược đ ều khiển phản hồi

22

- Nhận Xét:

+ Bộ đ ều khiển P làm cho h thống ổ đị và đá ứng rất nhanh v i thời gian quá

độ nhỏ và độ quá đ ều chỉnh nhỏ, không có hi tượ ao động quanh giá trị đặt

+ Tuy ê sa c tĩ vẫ cò đá kể do k ô có t à ầ t c â để ả

sa c Tĩ tro bộ đ ều k ể

+) Bộ điều khiển PI-RW

Sơ đồ: Khâu PI nối tiếp v i khâu chống bão hòa tích phân:

- Bộ đ ều khiển PI-RW 1 có các thông số xác định theo ziegler Nichol 1 là:

+ G ả được sa c tĩ xuố ức t ấ ơ so v k dù bộ đ ều k ể P

6 Sách lược điều khiển tầng

24

Lưu đồ P&ID

Xác định các vòng điều khiển cần xây dựng:

 Vòng thứ nhất: đ ều khiể độ mở van InValve 1

 Vòng thứ a : đ ều khiể độ mở van InValve 2

Đặc điểm, nhiệm vụ của từng vòng:

 Vòng thứ nhất: đ ều khiể độ mở của van 1, và có đặc t động học biế đổ a ơ vòng thứ hai

 Vòng thứ a : đ ều khiể độ mở của va 2, và có đặc t động học biế đổi chậ ơ vòng thứ nhất



Mô phỏng v i các bộ đ ều khiển:

+) Vòng ngoài là bộ đ ều khiển P (lấy Kp = 1000) vòng trong là bộ đ ều khiển P v i thông số ư trên để tă đá ứng của h thống

25

- Đá ứng bình 2:

- Đá ứ ưu ượng ra flow 1:

26

- Đá ứ ưu ượng ra flow 2:

- Đá ứ ưu ượng ra flow 3:

+)Vòng ngoài là bộ đ ều khiển P (Kp =1000) để tă đá ứng của h thống,

vòng trong là bộ đ ều khiển PI-RW để tri t tiêu sai l c tĩ

Tro đó các t ô số bộ đ ều khiển PI-RW lấy ở phần trên

Kết quả mô phỏng:

28

- Đá ứ ưu ượng ra flow 2:

- Đá ứ ưu ượng ra flow 3:

- Nhận Xét: H hoạt động ổ đ , k tă SP1 t ì ức ư c trong bình 2 ổ định

ơ và k ảm thì mức ư c tro bì 2 ao động v b ê độ nhỏ Nếu giảm

mức ư c tro bì 1 đến gần bằng mức ư c trong bình 2 thì xuất hi n sai l ch

tĩ tươ đối l n ở bình 2

+ Tốc độ đá ứ a , độ quá đ ều c ỉ ỏ, t ờ a quá độ ỏ

+ ả được ả ưở của ễu, sa c tĩ ỏ

+ ưu ượ ư c ra va 3 ổ đị k ô ao độ ều