Báo cáo thí nghiệm điều khiển quá trình HUST

Báo cáo thí nghiệm điều khiển quá trình Đại học Bách khoa Hà Nội trình bày cụ thể mô phỏng simulink. Hướng dẫn xây dựng số liệu, lựa chọn tham số cho bộ điều khiển.Đầy đủ các mục của bài thí nghiệm sử dụng matlab

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

  

-BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Hà Nội, 8/2021

Nhiễu là độ mở van ra, lưu lượng nước ra.

1.2 Xây dựng mô hình toán học

Với F1 và F2 lần lượt là lưu lượng van vào và van ra

 

0  F 1  F 2 2

Lấy (1) trừ (2) ta có:

1.3 Xác định tham số của mô hình

Mô hình Single tank có thông số như sau:

Dựa trên hai giá trị xác định được là điểm cắt với trục hoành và độ dốc, ta xácđịnh được thông số của mô hình:

K = 3.13; T = 2.8

Từ tham số tính được, xây dựng hàm truyền và so sánh với đối tượng

Tham số thu được khớp với đối tượng Vậy hàm truyền của đối tượng là:

G (s)= 3.13

s (2.8 s +1)

1.4 Xác định các sách lược điều khiển

Ta có thể sử dụng điều khiển phản hồi và điều khiển tầng, đồng thời không thể sửdụng truyền thẳng, tỉ lệ, lựa chọn, phân vùng

Quá trình bể định mức là khâu tích phân không tự cân bằng, do đó tác động nhiễu

có thể làm mất cân bằng trạng thái, dẫn đến không thể sử dụng truyền thẳng,cũng dẫn tới không thể sử dụng tỉ lệ

Ngoài ra, điều khiển lựa chọn và phân vùng cần 2 biến điều khiển mà ở đây chỉ

có 1 biến điều khiển

1.5 Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng

Phương trình hàm truyền của đối tượng là khâu tích phân quán tính bậc nhất nên

em chọn phương pháp thứ nhất của Ziegler-Nichols cho bộ điều khiển PID Dotheo lý thuyết, khâu tích phân quán tính bậc nhất có thể được xác định rất đơngiản bằng phương pháp này dựa theo đặc tính đáp ứng bậc thang của đối tượng.Dựa trên công thức của phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất em thu đượcthông số của bộ điều khiển như sau:

1.6 Sách lược điều khiển truyền thẳng

Sơ đồ mô phỏng của sách lược điều khiển truyền thẳng:

Đáp ứng của mức bể dựa trên mô phỏng:

Có thể thấy, đầu ra tăng đến khi bể tràn, không bám theo tín hiệu điều khiển.Sách lược điều khiển truyền thẳng không có khả năng áp dụng do hệ thống làkhông cân bằng.

1.7 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn

Sơ đồ mô phỏng:

Giá trị đặt của bài mô phỏng là 300 với độ mở van ra là 30%

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P

Đáp ứng chậm tuy nhiên tín hiệu ra ổn định và bám sát tín hiệu đặt

Trường hợp sự dụng bộ điều khiển PI

Hệ thống đáp ứng nhanh hơn trường hợp dùng bộ điều khiển P, tuy nhiên độ quáđiều chỉnh lớn và xuất hiện nhiều dao động Dao động tắt dần

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID

Hệ thống đáp ứng nhanh, độ quá điều chỉnh lớn Hệ thống xuất hiện dao động,không đạt được trạng thái ổn định.

Đo lưu lượng ra

Trong sách lược điều khiển vòng đơn nên có đo lưu lượng ra Ta có thể bù lưulượng vào bằng lượng lưu lượng ra giúp cho bộ điều khiển có phản ứng nhanhhơn đối với nhiễu

1.8 Hạn chế và khắc phục bộ điều khiển có thành phần tích phân

Khi sử dụng bộ điều khiển có thành phần tích phân, mức nước vượt quá giá trịđặt và không ổn định

Hiện tượng trên xảy ra do bão hòa tích phân, gây ra độ quá điều chinh lớn, thờigian quá độ dài và sai lệch tĩnh lớn

Để khắc phục hiện tượng bão hòa tích phân, em sử dụng khâu chống bão hòa tíchphân nối tiếp với bộ điều khiển

1.9 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn có chống bão hòa tích phân

Sơ đồ bộ hệ thống với bộ điều khiển là khối Subsystem

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI – chống bão hòa tích phân

Sơ đồ khâu PI nối tiếp khâu bão hòa tích phân

Các tham số của khâu trên là

Có thể thấy thời gian đáp ứng của hệ thống nhanh, không xảy ra độ quá điềuchỉnh Hệ thống hoạt động ổn định.

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID – chống bão hòa tích phân

Sơ đồ khâu PID nối tiếp khâu PID nối tiếp khâu chống bão hòa tích phân:

Cấc tham số của bộ điều khiển trên:

Ta thấy thời gian đáp ứng nhanh, không có độ quá điều chỉnh, không xảy ra daođộng Hệ thống hoạt động ổn định nhất với bộ điều khiển này.

1.10 Sách lược điều khiển tầng

1.10.1 Lý do cần điều khiển tầng

Điều khiển tầng khắc phục các vấn đề của điều khiển phản hồi vòng đơn như là

sự phản hồi chậm với ảnh hưởng của nhiễu, độ quá điều chỉnh lớn và thời gianđáp ứng chậm

1.10.2 Xác định vòng điều khiển

Vòng điều khiển gồm có 2 vòng Vòng trong (thứ cấp) có chức năng loại trừ ảnhhưởng của nhiễu tới biến cần điều khiển thực Vòng ngoài (sơ cấp) có chức năngđáp 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 2 ( vòng ngoài): đo mức của bể rồi phản hồi lại so sánh với SP

Vòng 1 (vòng trong): đo hiệu lưu lượng In flow cho ta tín hiệu điều khiển vanphù hợp

1.10.3 Xây dựng các vòng điều khiển

Trường hợp không đo được lưu lượng ra

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vòng ngoài)/P (vòng trong)

Tín hiệu đặt được thay đổi bằng cách đưa tín hiệu step có giá trị 200 vào thờiđiểm t = 2000.

Hàm truyền hệ hở của vòng trong là hàm truyền của van vào có dạng:

Hệ số 780 được chọn do lưu lượng đỉnh có thể đạt tới giá trị 78.104 còn giá trịmức tối đa chỉ là 1000

Từ các tham số đã có, hệ thống được xây dựng có đáp ứng như sau:

Hệ thống hoạt động ổn định, không có độ quá điều chỉnh và đáp ứng tốt với đầuvào.

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vòng ngoài)/PI–RW(vòng trong)

Hình trên là sơ đồ của vòng điều khiển tầng P/PI-RW

Vòng trong là khối PI-RW có sơ đồ cụ thể như sau

Sơ đồ của bộ điều khiển PI có khâu chống bão hòa tích phân tương tự của bộđiều khiển vòng đơn PI

Tương tự trường hợp sử dụng bộ P ở cái 2 vòng, hàm truyền hệ hở của vòng

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vòng ngoài)/P (vòng trong)

Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển có đo lưu lượng ra giống với trường hợpkhông đo được, chỉ khác ở chỗ lưu lượng ra được bù vào đầu vào của bộ điềukhiển vòng trong

Tham số của 2 bộ điều khiển ở các vòng là: Ptrong = 4.043, Pngoài = 1.725

Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển trên là

Đáp ứng đầu ra bám sát với tín hiệu vào, hoạt động ổn định, phản ứng tốt với sựthay đổi tín hiệu đặt

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vòng ngoài)/PI-RW (vòng trong)

Sơ đồ mô phỏng giống với trường hợp sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW nhưng cóthêm bù lưu lượng ra vào bộ điều khiển vòng trong.

Tham số của các vòng điều khiển tương tự với trường hợp không đo được lưulượng đầu ra Ta có đáp ứng của hệ thống là:

Hệ thống đáp ứng tốt, bám sát với sự thay đổi của tín hiệu đặt, hoạt động ổn định

So sánh hai trường hợp không đo và có đo lưu lượng ra

Hai bộ điều khiển có đo và không đo lưu lượng ra có đáp ứng mức bể giốngnhau, đều bám sát với tín hiệu đặt và không có dao động

CHƯƠNG 2 Bài 2

Xây dựng hệ thống điều khiển hai bể mức thông nhau

2.1 Xây dựng mô hình và xác định các tín hiệu vào, ra và nhiễu

Tín hiệu vào là độ mở van vào của bể 1 và bể 2

Tín hiệu ra mức chất lỏng trong bể 1 và bể 2

Nhiễu là độ mở van ra và lưu lượng ra của bể 2

2.2 Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng

( )( )

Hình 2.5 Bể 2

2.4 Xác định các sách lược điều khiển

2.5 Thiết kế bộ điều khiển PID

Bể 1

Phương trình hàm truyền của đối tượng là khâu tích phân quán tính bậc nhất nên

em chọn phương pháp thứ nhất của Ziegler-Nichols cho bộ điều khiển PID Dotheo lý thuyết, khâu tích phân quán tính bậc nhất có thể được xác định rất đơngiản bằng phương pháp này dựa theo đặc tính đáp ứng bậc thang của đối tượng.Dựa trên công thức của phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất em thu đượcthông số của bộ điều khiển như sau:

2.6 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P

Sơ đồ mô phỏng

Hình 2.6 Sơ đồ phản hồi vòng đơn P

Thông số của các bộ điều khiển:

Bể 1: P=Kp=1.493

Bể 2: P=Kp=1.515

Kết quả mô phỏng:

Hình 2.7 Bể 1

Hình 2.9 Sơ đồ phản hồi vòng đơn PI

Bộ điều khiển PID của bể 1 và bể 2 lần lượt là các khối PID 1, PID 2

Mô hình bộ điều khiển PI-RW:

Vòng 2 ( vòng ngoài): đo mức của bể rồi phản hồi lại so sánh với SP.

Vòng 1 (vòng trong): đo hiệu lưu lượng Flow cho ta tín hiệu điều khiển van phùhợp

2.7.2 Xây dựng các vòng điều khiển

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vòng ngoài)/P (vòng trong)

a Sơ đồ mô phỏng:

Hình 2.13 Sơ đồ mô phỏng điều khiển tầng P/P

Để thay đổi giá trị đặt cho mức bể 1 và bể 2, em sử dụng tín hiệu step Cụ thể với

bể 1 tại thời điểm t=2000, giá trị đặt tăng lên 700; bể 2 tại thời điểm t=3000, giátrị đặt tăng lên 450

b Xây dựng tham vòng điều khiển

Bể 1:

Hàm truyền của van vào bể 1 là

G v 1 (s )= 1

(5.7 s+1)

Sử dụng tính năng Tune của matlab và hiệu chỉnh thực tế thu được thông số của

bộ điều khiển vòng trong là Ptrong1=2.18

Tiếp theo, em tìm hàm truyền hệ kín của vòng trong sau đó nhân với hàm truyềncủa mức bể ra được hàm truyền hệ hở của vòng ngoài như sau

Hệ số 150 được chọn do lưu lượng đỉnh có thể đạt tới giá trị 15.104 còn giá trịmức tối đa chỉ là 1000.

Sử dụng tính năng Tune của matlab và hiệu chỉnh thực tế thu được thông số của

bộ điều khiển vòng trong là Ptrong2=3.12

Tiếp theo, em tìm hàm truyền hệ kín của vòng trong sau đó nhân với hàm truyềncủa mức bể ra được hàm truyền hệ hở của vòng ngoài như sau

b Xây dựng bộ điều khiển

Hình 2.16 Bể 1

Do hạn chế của máy tính nên thời gian mô phỏng của em chỉ đạt đến t=1500 Tínhiệu mức bể ổn định, không có độ quá điều chỉnh

Bể 2:

Tương tự như bể 1, sau khi hiệu chỉnh, em thu được thông số của bộ điều khiển

PI vòng trong Ptrong2=2.28; Itrong2=0.39

Thông số cụ thể của mô phỏng:

Hình 2.17 Bể 2

Tín hiệu ra đáp ứng ổn định, không có độ quá điệu chỉnh, không xảy ra dao động