5 ĐỀ THI VÀ ĐÁP ÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH.

w1, w2 là lưu lượng hai dòng lỏng vào m3s. w3 là lưu lượng dòng lỏng ra m3s, biết w3 tỉ lệ với căn bậc hai chiều cao mức chất lỏng trong bồn bởi hằng số Cv. h là chiều cao chất lỏng trong bồn m. Diện tích mặt cắt ngang của bồn chứa A = 2 m2, khối lượng riêng của chất lỏng là ρ = 500 kgm3. a. Viết phương trình động học cho mức chất lỏng trong bồn? Viết phương trình ở trạng thái ổn định mức? Biết tại trạng thái ổn định, w1 ¬= 1.2 m3s, w2=0.6 m3s, h = 1.44 m. Tìm Cv (ghi rõ đơn vị)? (1đ) b. Tìm hàm truyền mô tả mối quan hệ giữa sự thay đổi của chiều cao mức chất lỏng quanh trạng thái ổn định với sự thay đổi của lưu lượng vào quanh giá trị ổn định (1đ) c. Một kỹ sư sử dụng bộ điều khiển feedback để duy trì mức chất lỏng tại mức ổn định. Hãy tự chọn biến điều khiển, nhiễu quá trình và vẽ lưu đồ PID của hệ? (1đ) Đáp án: a. Sử dụng định luật cân bằng khối: (0.5) Tại trạng thái ổn định: (0.5) b. Sử dụng pt (2.60) slide bài giảng, ta có hàm truyền (0.5)

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

-

ĐÁP ÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Mã môn học: PCTR421929

Đề số: 01;Ngày thi: 31/12/2015

Thời gian: 60 phút

Được phép sử dụng tài liệu

Bài 1: (3đ) Cho hệ bồn chứa như hình vẽ

w1, w2 là lưu lượng hai dòng lỏng vào [m3/s]

w3 là lưu lượng dòng lỏng ra [m3/s], biết w3

tỉ lệ với căn bậc hai chiều cao mức chất lỏng trong bồn bởi hằng số Cv

h là chiều cao chất lỏng trong bồn [m] Diện tích mặt cắt ngang của bồn chứa A = 2 [m2], khối lượng riêng của chất lỏng là ρ =

500 [kg/m3]

a Viết phương trình động học cho mức chất lỏng trong bồn? Viết phương trình ở trạng thái ổn định mức? Biết tại trạng thái ổn định, w1 = 1.2 [m3/s],

w2=0.6 [m3/s], h = 1.44 [m] Tìm Cv (ghi rõ đơn vị)? (1đ)

b Tìm hàm truyền mô tả mối quan hệ giữa sự thay đổi của chiều cao mức chất lỏng quanh trạng thái ổn định với sự thay đổi của lưu lượng vào quanh giá trị ổn định (1đ)

c Một kỹ sư sử dụng bộ điều khiển feedback để duy trì mức chất lỏng tại mức ổn định Hãy tự chọn biến điều khiển, nhiễu quá trình và vẽ lưu đồ P&ID của hệ? (1đ)

Đáp án:

a Sử dụng định luật cân bằng khối:

dh A dt

   

dh

dt

v

dh

dt

Tại trạng thái ổn định:

ws w sC v h s 0

2.5

1.5[m / ] 1.44

s s v

s

h

b Sử dụng pt (2.60) slide bài giảng, ta có hàm truyền

2

( )

1

1 2

s v

h C

G s

C

s





(0.5)

1.6 1.5

s v

h K

C

h

1

3

w

Trang 2

2 2.2 1.44

3.2[ ] 1.5

s v

A h

s C

c MV: w2 (có thể chọn w1)

CV: h

DV: w3

h

2

w

3

w

SP

Bài 2: (4đ) Một quá trình bao gồm cả cảm biến và van điều khiển có thể được mô hình hóa

bởi hàm truyền bậc 3 như sau:

( ) 12

(8 1)(2 1)(0.2 1)

G s



a Xấp xỉ hàm truyền về dạng khâu quán tính bậc 1 có trễ sử dụng quy tắc Skogestad

b Sử dụng mô hình xấp xỉ của câu a với bộ điều điều khiển tỉ lệ Gc(s) = Kc Tìm điều kiện của Kc để hệ kín ổn định?

c Chọn Kc = 0.8, tính offset của hệ khi tín hiệu vào thay đổi nấc đơn vị?

d Để khử offset khi tín hiệu vào thay đổi nấc, các kỹ sư đã sử dụng bộ điều khiển PI Tìm các thông số của bộ điều khiển bằng phương pháp trực tiếp (Direct Synthesis), biết hằng số thời gian của hệ kín c = 0.8 (s)

Đáp án:

a Khâu quán tính bậc 1 có trễ có dạng:

( )

1

s K

s







Sử dụng quy tắc Skogestad, ta có:

K = 12

8 2 / 2 9

    0.2 2 / 2 1.2

   

1.2

12 ( )

s





b Phương trình đặc trưng của hệ kín:

1 G s G s c( ) ( )  0

1.2

12

s c

e K s





Sử dụng xấp xỉ Padé 1/1: 1.2 1 0.6

1 0.6

e

s





Trang 3

12 1 0.6

9 11 0.6

c

s K



 

2

5.4s (9.6 7.2K s c) 12K c 1 0

Để hệ kín ổn định:

9.6 7.2 0

c c

K K





1/ 12 K c 1.333

c Kc = 0.8

Sử dụng pt 4.28 trong slide bài giảng, ta có:

offset =

1

sp OL

Y K





1

sp Y

 

0.8.12 9.6

OL c m v p

1 offset = 0.094

9.6 1



d Hàm truyền của bộ điều khiển PI:

1

I

s



9

I

  

9

0.375 ( ) 12(0.8 1.2)

c

K K



 

Bài 3: (3đ) The figure illustrates the characteristic of three types of temperature sensor

a Describe briefly the differences between these types?

b According to your opinion, when engineers need to control temperature with high precision, which kind of sensor should be chosen? Explain?

(SV có thể trả lời bằng tiếng Việt)

Đáp án:

a Các ý chính sau:

Thermocouple:

- Cấu tạo gồm 2 mối nối của 2 dây kim loại khác nhau Một đầu giữ

ở nhiệt độ cố định, đầu còn lại sử dụng để đo

- Sử dụng hiệu ứng Seebeck

- Tầm đo và độ nhạy phụ thuộc vào cặp kim loại, phổ biến loại K (Chromel/Alumel)

- Trả về điện áp khi nhiệt độ thay đổi

Trang 4

RTD:

- Cấu tạo gồm dây kim loại mảnh quấn xung quanh lõi gốm (ceramic) hoặc thủy tinh (glass)

- Kim loại dùng làm cảm biến là nguyên chất, điển hình: Platinum (Pt), Nickel (Ni) và Copper (Cu) Phổ biến là Pt (Pt100, Pt200…)

- Hoạt động trên nguyên lý là điện trở thay đổi theo nhiệt độ Do đó trả về điện trở khi nhiệt độ thay đổi

Thermistor:

- Sử dụng vật liệu bán dẫn, đo sự thay đổi của điện trở theo nhiệt độ

- Có độ nhạy cao (gấp 100 lần so với RTD và 1000 lần so với thermocouple) Do đó có khả năng phát hiện sự thay đổi nhiệt độ

rất nhỏ

- Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ có tính phi tuyến cao

b Dựa vào đồ thị: khi cần điều khiển nhiệt độ với độ chính xác cao các kỹ sư nên dùng thermistor

Giải thích: đường đặc tính cho thấy độ nhạy rất cao của thermistor, nên nó có thể phát

hiện sự thay đổi nhiệt độ rất nhỏ thích hợp cho điều khiển chính xác Hơn nữa, tốc

độ thay đổi nhanh khi nhiệt độ thay đổi rất thấp

GV Võ Lâm Chương

Trang 5

-

ĐỀ THI CUỐI KỲ HỌC KỲ 1 NĂM HỌC 15-16 Môn: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Đề số: 01; Đề thi có 2 trang

Bài 1 (3đ): Cho hệ gia nhiệt như hình

Lưu lượng khối của chất vào,w1500kg h/

Trọng lượng riêng và nhiệt dung riêng của chất

900kg m/ , C 1.2 cal g C/ o

Quá trình gia nhiệt đang hoạt động ổn định với nhiệt độ vào T1= 600C và T=900C

a Tìm Q tại trạng thái ổn định?

b Hệ đang ở trạng thái ổn định thì nhiệt độ

đã tăng công suất bộ gia nhiệt (Heater) lên 30% Hỏi nhiệt độ dòng ra thay đổi như thế nào, vẽ đồ thị?

c Một kỹ sư sử dụng bộ điều khiển feedback để duy trì nhiệt độ dòng ra ổn định Hãy tự chọn biến điều khiển, nhiễu quá trình và vẽ lưu đồ P&ID của hệ?

Đáp án:

a Phương trình (2.44) slide bài giảng:

0wCT iswCT sQ s

Q  C T T

6 3

1.2

500 (90 60) 18.10 ( / ) 10

s

b Sử dụng pt (2.48) slide bài giảng, ta có hàm truyền:

K

5

3

10 1.2

500 10

K C



900.1

1.8(h)

V



( )

i

T s

s

 

( )

Q s

s



(0.25)

1 , w 1

T

, w

T

Heater Q

Trang 6

Do đó, ta có phương trình của sự thay đổi nhiệt độ dòng ra (nguyên lý xếp chồng)

( ) (1.8 1) (1.8 1) (1.8 1)

T s

(t) 1 e t

   

'

T

   

50 60

(o C)

i

T

Q(cal/ h)

6

18.10

6

23.4.10

t

90 89

(o C)

T

c MV: Q

DV: T1

Trang 7

T

Heater

Q

SP

SCR

Bài 2: (4đ) Một quá trình bao gồm cả cảm biến và van điều khiển có thể được mô hình

hóa bởi khâu bậc 2 có trễ (SOPTD) như sau:

4

8 ( )

(10 1)(6 1)

s e

G s





 

a Xấp xỉ hàm truyền sử dụng quy tắc Padé 1/1?

c Chọn Kc = 0.5, tính offset của hệ khi tín hiệu vào thay đổi nấc đơn vị?

d Để tăng chất lượng điều khiển, các kỹ sư đã sử dụng bộ điều khiển PID Tìm các thông số của bộ điều khiển bằng phương pháp trực tiếp (Direct Synthesis), biết hằng

số thời gian của hệ kín c = 0.3 (s)

Đáp án:

a Sử dụng xấp xỉ Padé 1/1: 4 1 2

1 2

e

s

  

8(1 2 ) ( )

(10 1)(6s 1)(2s 1)

s

G s

s



b Phương trình đặc trưng của hệ kín:

1G s G s c( ) ( )0

8(1 2 )

(10 1)(6s 1)(2s 1)

c

s K

s



120s 92s (18 16K s c) 8K c 1 0

Sử dụng tiêu chuẩn ổn định Routh:

s1 92(18 16 ) 120(8 1)

92

0

s0 8Kc+1

Trang 8

92(18 16 ) 120(8 K 1) 0

c

K K





1/ 8 K c 0.63

c Kc = 0.5

offset =

1

sp OL

Y K



1

sp Y

 

0.5.8 4

OL c m v p

1 offset = 0.2

4 1

d Hàm truyền của bộ điều khiển PID

1

I



0.465

8 4 0.3

c

K K

 

 

I

1 2

60 3.75 16

D

 



 

 Vậy hàm truyền bộ điều khiển PID:

1 ( ) 0.465(1 3.75 )

16

c

s

Bài 3: (3đ)

a Express briefly the component of a measurement device?

b Describe the wire configurations of RTD sensor? According to your opinion, in applications with low accuracy, which kind of configuration should be chosen?

Đáp án:

a The answer is similar to the section 3.2.2 (Measurement Device) of the

b There are three types of wire configuration:

Trang 9

The simplest configuration uses two wires: ignoring the resistance of wires

(0.5)

Adding the lead resistance to minimize the effects of wire resistances

(0.5)

Eliminating voltages drop in the measuring leads as a contribution to error by using an additional current source

(0.5)

In the applications with low accuracy, we should use the two-wire configuration

GV Võ Lâm Chương

ADC

Four-wire configuration

Trang 10

-

Môn: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Bài 1 (4đ): Cho hệ gia nhiệt như hình

Lưu lượng khối của chất vào,w1 500kg h/ Thể tích của bình chứa V= 1 m3 (không đổi) Trọng lượng riêng và nhiệt dung riêng của chất

900kg m/ , C 1.2 cal g C/ o

Quá trình gia nhiệt đang hoạt động ổn định với nhiệt độ vào T1= 300C và Q 18000 (kcal h)

a Hỏi nhiệt độ ra T tại trạng thái ổn định?

b Hệ đang hoạt động ổn định thì bộ gia nhiệt (heater) gặp sự cố và giảm công suất 1/3 Hỏi nhiệt độ dòng ra thay đổi như thế nào, vẽ đồ thị?

c Đề suất phương pháp điều khiển nhiệt độ dòng ra Hãy tự chọn biến điều khiển, nhiễu quá trình và vẽ lưu đồ P&ID của hệ?

Đáp án:

a Phương trình (2.44) slide bài giảng:

0wCT iswCT sQ s

Q  C T T

0

18000

30 60

500 1.2

s

Q

wC

b Sử dụng pt (2.48) slide bài giảng, ta có hàm truyền:

K

w 500 1.2 600

K C

900.1

1.8(h)

V



Bộ gia nhiệt giảm công suất 1/3, suy ra:

3

( )

Q s

s

Do đó, ta có phương trình của sự thay đổi nhiệt độ dòng ra:

3

( )

T s

(t) 10(1 e t )

'

( ) 10

T

1 , w 1

T

, w

T

Heater Q

Trang 11

Đồ thị đáp ứng (0.5)

c Sử dụng bộ điều khiển feedback với thuật toán điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ dòng ra Lựa chọn biến quá trình

MV: Q

DV: T1

1

T

Heater

Q

SP

SCR

Bài 2: (6đ) Cho hệ điều khiển nhiệt có sơ đồ khối như hình

m

K

0

C

 

 

( )

sp

( )

G c K IP P s t( ) K v

s p

K e s









m

K

0

C

 

 

( )

T s

( )

m

T s

 mA

( )

s

P s

 psi

hiệu trả về dòng điện (4-20mA); Độ lợi (gain) cho bộ chuyển đổi dòng sang áp suất và van điều khiển lần lượt là K  IP 0.75 (psi/mA) và K  v 1.2; Độ lợi, hằng số thời gian và thời gian trễ của đối tượng điều khiển lần lượt là K  p 5,  5 (min) và  1 (min)

b Với bộ điều điều khiển tỉ lệ Gc(s) = Kc Tìm điều kiện của Kc để hệ kín ổn định?

d Để tăng chất lượng điều khiển, các kỹ sư đã sử dụng bộ điều khiển PID Tìm các thông số của bộ điều khiển bằng phương pháp IMC-PID với xấp xỉ Padé 1/1, chọn

c

 theo đề xuất của Skogestad?

Đáp án:

200 0

m

Trang 12

Hàm truyền tổng quát của hệ:

( s 1) ( )

( )

T s

G s







Thế các giá trị vào, ta có:

0.36 ( )

( )

( ) 5 1 0.36

s c s

G e

T s

G s





b (SV có thể sử dụng các phương pháp xấp xỉ khác)

1 0.5

e

s

2

0.36 (1 0.5 ) ( )

2.5 (5.5 0.18 ) 1 0.36

c

G s





5.5 0.18 0

c

c c

K

K K



c Chọn Kc=2, sử dụng công thức tính offset 4.28, slide bài giảng:

offset

1

sp OL

Y K





với Y sp 1

OL m c IP v p

d Hàm truyền bộ điều khiển PID:

1

I

s 



Hàm truyền vòng hở của đối tượng điều khiển:

( )

m IP v p

G s

với K K K K K m IP v p  0.36;  1;  5

Các thông số bộ điều khiển tính theo phương pháp IMC-PID, công thức 4.66 slide bài giảng:

10.185

c

K

 

1

5 5.5

I



5

0.455

D





 

Trang 13

-

ĐỀ THI CUỐI KỲ HỌC KỲ 1 NĂM HỌC 16-17 Môn: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Bài 1 (3đ): Cho hệ thống gia nhiệt có sơ đồ khối như hình vẽ:

trả về 4-20 (mA) Các thông số của hệ: K c  5, K IP  0.75[psi/mA], K v  1.2, hằng số thời gian  5 [min]; bỏ qua đặc tính động học của van và cảm biến Hệ đang hoạt động với nhiệt độ đặt bằng 80 (oF) Kỹ sư vận hành thay đổi giá trị đặt từ 80 (oF) lên

85 (oF), nhiệt độ ra của bồn tăng dần dần lên giá trị xác lập mới bằng 84.14 (o

F)

a Hỏi offset của hệ bằng bao nhiêu? Tính giá trị độ lợi K2?

b Tìm phương trình của sự thay đổi nhiệt độ ngõ ra của bồn T(t)?

c Vẽ lại lưu đồ P&ID của hệ thống?

Bài 2: (4đ) Một quá trình bao gồm cả cảm biến và van điều khiển có thể được mô hình

hóa bởi hệ bậc 4 như sau:

(5 1)( 1)(0.2 1)(0.4 1)

G s



a Xấp xỉ hàm truyền về hệ bậc 2 có trễ (SOPTD) sử dụng quy tắc của Skogestad?

c Chọn Kc = 9, tính offset của hệ khi tín hiệu vào thay đổi nấc đơn vị?

d Để tăng chất lượng điều khiển, các kỹ sư đã sử dụng bộ điều khiển PID Tìm các thông số của bộ điều khiển bằng phương pháp IMC, biết hằng số thời gian của hệ kín c = 0.8 (s)

Bài 3: (3đ)

a Express briefly the component of a measurement device?

b Describe the operation principle of a thermocouple? Which type of thermocouple is used popularly? Why?

c Transmitters with current output (4-20 mA) are used extensively throughout the process control industry Give some reasons for that fact?

c

1

K s

m

K

m

K

( )

sp

T s T s sp( ) E s( )

 mA

( )

P s

( )

t

P s

( )

s

P s

( )

T s

o F

 

( )

m

T s T s( )

o

F

   mA

Trang 14

Ghi chú: Cán bộ coi thi không được giải thích đề thi

Chuẩn đầu ra của học phần (về kiến thức) Nội dung kiểm tra

[G 2.1]: Mô hình hóa các quá trình thường gặp trong

công nghiệp bao gồm: mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt

độ

Câu 1a, Câu 1b, Câu 2a

[G 1.1]: Trình bày được cấu trúc của một hệ thống

điều khiển quá trình, ký hiệu, vai trò của các phần tử

trong một hệ thống điều khiển quá trình

[G 2.2]: Trình bày được nguyên lý cấu tạo, hoạt động

của van tuyến tính, các thiết bị đo các thông số quá

trình như: cảm biến đo mức, nhiệt độ, lưu lượng, áp

suất

Câu 1c, Câu 3a, Câu 3b

[G 1.2]: Giải thích được ảnh hưởng của các thông số

của bộ điều khiển đến chất lượng của quá trình điều

khiển

Câu 2b, Câu 2c

[G 4.2]: Mô hình hóa các thông số quá trình, dùng

một số phần mềm chuyên dụng mô phỏng động học

các thông số quá trình

[G 4.3]: Thiết kế bộ điều khiển để điều khiển các quá

trình công nghệ trong công nghiệp

Câu 1b, Câu 2a Câu 2d

[G 3.2]: Hiểu được các thuật ngữ tiếng Anh dùng

Ngày tháng năm

Thông qua bộ môn

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	2,77 MB