ĐỒ án TRANG BỊ ĐIỆN Trừ nhiễu lò phản ứng

Trừ nhiễu lò phản ứng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển, cùng với sự phát triển đó thì kĩ thuật điều khiển quá trình cũng phát triển theo với nhiều cấu trúc điều khiển tiên tiến

đã ra đời,bên cạnh cấu trúc điều khiển kinh điển mà chúng ta vẫn nghiên cứu và

sử dụng thì co sự ra đời và ứng dụng của một số cấu trúc điều khiển khác như là cấu trúc điều khiển nối tầng Cascde control,cấu trúc điều khiển theo mô hình nộiIMC, cấu trúc điều khiển Feed forward control… Mục đích cuối cùng khi sử dụng các bộ điều khiển này là loại bỏ nhiễu tác động lên quá trình

Qua quá trình nghiên cứu thì chúng ta có thể thấy được cấu trúc điều khiển Cascade control cho phép loại bỏ nhiễu tác động lên quá trình,tuy nhiên vẫn còn nhiễu xuất hiện ở giai đoạn cuối của quá trình thì điều khiển nối tầng không thể loại bỏ được.Chính vì thế mà khi sử dụng mô hình điều khiển Feed Forward chophép khắc phục được các nhược điểm của điều khiển theo mô hình nối tầng

Khi được học môn trang bị điện của thầy giáo Phạm Văn Toàn thì em đã

được phân công nghiên cứu về cấu trúc điều khiển Feed Forward và sử dụng cấutrúc đó để điều khiển loại trừ nhiễu ở lò phản ứng

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên thiết kế môn học của em còn có nhiều thiếu sót,kính mong thầy chỉ giảng để em có thể hoàn thiện bài thiết kế môn học này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Tự động hoá XNCN đặc biệt là thầy giáo Phạm Văn Toàn và các bạn trong lớp đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành thiết kế môn học này

Hp.Ngày 10 tháng 5 năm 2013

Sinh viên thực hiện Bùi Mạnh Cường

MỤC LỤC

Lời nói đầu ………1

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình……… 3

1.1: Cấu trúc bộ điều khiển Feedforward……… 3

1.2:Thiết lập mô hình quá trình và mô hình nhiễu……… 5

1.3:Thành lập các thành phần cấu thành Feedforward………6

1.4:Khả năng điều khiển theo mô hình Feedforward……… 7

1.4.1:Mô hình bậc cao……… 7

1.4.2:Sự khác biệt của thời gian chết trong diều khiển Feedforward… 8

1.4.3:Dạng mô hình của các khâu quán tính……… 9

1.4.4:Yêu cầu đối với hằng số thời gian quá trinh……… 10

Chương 2:Tổng hợp bộ điều khiển PID……… 12

2.1:Tổng hợp theo phương pháp trực tiếp……… 12

2.2:Tổng hợp theo mô hình nội IMC……… 13

2.2.1:Cấu trúc điều khiển của IMC……….14

2.2.2:Hàm truyền của mạch vòng kín IMC……….15

2.2.3:Tổng hợp bộ điều khiển theo IMC……….15

Chương 3: Thiết lập mô hình mô phỏng Feed Forward control cho lò phản ứng………17

3.1:Khái quát về lò phản ứng……… 17

3.2:Loại bỏ nhiễu cho lò phản ứng khi điều khiển FF……… 19

3.3:Kết quả mô phỏng………20 Kết luận

Tài liệu tham khảo

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

1.1 Cấu trúc bộ điều khiển Feedforward

Một cách để loại trừ tác động của nhiễu là dùng cấu trúc điều khiển FeedForward Cấu trúc Feed Forward có thể dùng loại bỏ cả nhiễu không đo được

Sơ đồ cấu trúc điều khiển Feed Forward tổng quát được biểu diễn trên hình 1.1

Dùng cấu trúc Feed Forward ta có thể loại trừ cả hai tín hiệu nhiễu ở trên.Khi dùng hệ phản hồi truyền thống, đáp ứng điều khiển chỉ được đưa ra sau khi

có tín hiệu phản hồi từ quá trình thực tế Nên phản ứng xảy ra thường là chậm và

có thể ảnh hưởng xấu đến tính ổn định của hệ thống

Bộ điều khiển Feed Forward sử dụng sensor để đo trực tiếp tín hiệu nhiễutrước khi nó ảnh hưởng đến quá trình Như trong sơ đồ hình 1.2 phần tử FeedForward nhận giá trị đo được của tín hiệu nhiễu và dùng nó để tính toán, sắp sếpcác hành động điều khiển ưu tiên để giảm tác động của nhiễu khi nó tác độnglên quá trình

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển Feedforward

Feedback controller

Final control Element

Secondary Process

Primary Process

Disturbance Process1

Disturbance Process II

Disturbance Variable II

Disturbance Variable I

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển Feed Forward sử dụng Sensor quan

sát nhiễu và bố trí bộ điều khiển Feed ForwardPhần tử Feed Forward gồm có mô hình nhiễu (Disturdance model) và môhình quá trình (Process Model) Cả hai mô hình đều là tuyến tính Sự tính toánđược thực hiện bởi phần tử Feed Forward được thực hiện theo hai bước sau:

- Mô hình nhiễu nhân giá trị đo của nhiễu D(t) và tiên đoán ảnh hưởng khinào, mức độ mà biến quá trình y(t) sẽ bị ảnh hưởng

- Đưa ra thứ tự tiên đoán ảnh hưởng đến biến quá trình y(t), mô hình quátrình (Process Model) sau đó sẽ tính lại một chuỗi các hành động điều khiển

Sự thực hiện này đòi hỏi các mô hình tuyến tính được lập trình trongmáy tính điều khiển Nhưng mô hình tuyến tính không thể thiết kế chính xáchành vi của quá trình thực Nên cấu trúc này sẽ không loại bỏ hoàn toàn ảnhhưởng của nhiễu

Traditional Feedback controller

Controller Output to Process Variable Behavior

Feed Forward Element

senso r

Disturbance to Process Variable Behaviord(t)

ysetpoint

- Ufeed back

Ufeedback Utotal

y(t)

Như trên hình 1.2, ta thấy hành động điều khiển được tính toán

phản hồi truyền thống ufeedback(t) để tạo ra tín hiệu điều khiển tổng:

Utotal(t) = ufeedforward(t) - ufeedback(t) (*)

1.2 Thiết lập mô hình quá trình và mô hình nhiễu

Phép biến đổi laplace được sử dụng trong quá trình thiết lập mô hình toán học cấu thành Feed Forward Vì vậy phương pháp thành lập thuật toán cơ bản cho mô hình Feed Forward là hết sức cần thiết trong quá trình nghiên cứu

Phương pháp thiết lập mô hình quá trình có thể tóm tắt như sau: dữ liệu quá trình được lưu giữ và đánh giá sự tăng/giảm của nó hoặc nếu không có sự nhảy bậc (perturbing) tín hiệu ra của bộ điều khiển u(t) và ghi lại biến số đo được y(t) khi đáp ứng quá trình được phản hồi Trạng thái ban đầu của chu trình được coi là ổn định và trạng thái được xác định tại thời điểm đo

Mô hình quá trình sử dụng phương trình động học tuyến tính từ khâu quántính bậc nhất (FO) có thời gian chết (FOPDT: First Order Plus Time), cho đến khâu bậc hai (SO) với thời gian chết (SOPDT) và thời gia n giữa các giai đoạn

đo được Nếu ta gọi mô hình quá trình là Gp(s), thì trong không gian laplace ta

có thể viết:

Y(s) = Gp (s).U(s) (1.1)

Đó là biểu thức tính đầu ra của bộ điều khiển, phương trình (1.1) có thể tính toán biến số quá trình đo được Từ phương trình này dự đoán sự thay đổi của biến số quá trình, so sánh với tín hiệu đo được và tín hiệu ra của bộ điều khiển sẽ được tính toán lại nếu có sự sai khác:

Đáp ứng của nhiễu tác động lên đáp ứng quá trình được đo trong mạch vòng phản hồi truyền thống Đáp ứng của nhiễu tính đo được tính toán theo mô hình:

Ydisturb(s) = GD(s).D(s) (1.4)

Tín hiệu ra của bộ điều khiển theo mô hình nhiễu viết được:

Ufeedforward(s) = [1/Gp(s)]Ydisturb(s) (1.5)

Thay phương trình (1.4) vào phương trình (1.5) ta được:

Ufeedforward = [GD(s)/Gp(s)]D(s) (1.6)

Cuối cùng ta tính được tín hiệu điều khiển quá trình loại bỏ được nhiễu dựa trên mạch vòng kín phản hồi truyền thống:

Utotal = Ufeedback - Ufeedforward (1.7)

1.4 Khả năng điều khiển theo mô hình Feed Forward

1.4.1 Mô hình bậc cao

Mô hình quá trình tuyến tính bậc nhất hay mô hình quá trình bậc haiSOPDT w/L nghiên cứu ở trên và chúng là mô hình lựa chọn cho bộ điều khiển

Lí thuyết Feed Forward cũng cho phép sử dụng mô hình tuyến tính bậc 3, bậc 4

và bậc cao hơn cho các thành phần Feed Forward khi thiết lập các bộ điều khiển

ở các nhà máy, những dữ liệu có được sẽ điều khiển chính xác cho 3 tham sốcủa mô hình FOPDT là một nhiệm vụ quan trọng, với kết quả điều khiển đạtđược rất khả quan và mô hình FOPDT chính xác thường có khả năng loại bỏnhiễu loạn Feed Forward hiệu quả Có được bộ dữ liệu giàu thông tin động vàloại trừ ảnh hưởng của nhiễu có thể điều khiển những giá trị chính xác cho 5tham số của mô hình SOPDT w/L là rất khó cho những ứng dụng thực tế và đẩynhanh thực thi một cách thực tế gần giới hạn cho phép.Chỉ một số rất ít nhữngứng dụng là có lợi từ mô hình so với sự phức tạp mà mô hình quá trình đượcthiết lập ở trạm điều khiển Feed Forward

Mô hình quá trình bậc hai SOPDT w/L trong khoảng thời gian nghiên cứu

u K t y dt

t dy dt

t y

pL p p

p p p

p

) ( )

( )

( ) ( )

(

2 2

Trong không gian laplace mô hình quá trình được biểu diễn như sau:

) ( ) 1 )(

1 (

) 1 (

)

(

2 1

s U e s K

s

Y

p p

s pL

Mô hình của phương trình (1.8) giống với mô hình của phương trình (1.9)

cả hai đều là phương trình vi phân tuyến tính có các hệ số là hằng số Nếu môhình SOPDT w/L đều sử dụng cả hai mô hình nhiễu và quá trình theo phươngtrình (1.6), thành Feed Forward trở thành:

) ( )

1 )(

1 )(

1 (

) 1 )(

1 )(

1

2 1

2 1

s D e

K

K

PL D

D

DL p

p P

D d

1.4.2 Sự khác biệt của thời gian chết trong điều khiển Feed Forward

Như chúng ta đã nghiên cứu ở trên thời gian chết quá trình phải ngắn hơnthời gian chết của nhiễu thì mô hình điều khiển Feed Forward loại bỏ tác độngcủa nhiễu lên biến quá trình Thực tế, cấu trúc điều khiển không cho phép nhậpvào thời gian chết quá trình lớn Đây là một hạn chế của phầm mềm điều khiểntheo nhưng là yêu cầu của thuật toán điều khiển

Nếu p  D, khi đó phương trình của mô hình quá trình với bộ điều khiểnđược tổng hợp theo phương pháp mô hình nội IMC thì những tín hiệu điều khiểnđầu tiên sẽ không có tác dụng và không có sự chính xác vì thông tin biến đổi củaquá trình không được cập nhật Khả năng quan sát những thông tin ban đầu làkhông phù hợp với quá trình thực Như vậy với mô hình điều khiển FeedForward đòi hỏi hằng số thời gian của quá trình phải nhỏ hơn hằng số thời giancủa nhiễu thì khả năng điều khiển mới trở thành hiện thực

1.4.3 Dạng mô hình của các khâu quán tính

Một tình huống thứ hai mà mô hình Feed Forward khó thực hiện hoặc khónhận biết được gây ra là lỗi nhầm hằng số thời gian và các giai đoạn dẫn hướng(lead time turms) của mô hình quá trình và mô hình nhiễu Như được đề cập ởphần trước, cả hai hằng số thời gian quá trình đều ở tử số cùng với lead time

nhiễu và cả hai hằng số thời gian nhiễu đều ở mẫu số cùng với lead time quátrình Một mô hình mà nhận biết được về mặt vật lý đòi hỏi hằng số thời gian ở

tử số phải nhỏ hơn hoặc bằng hằng số thời gian ở mẫu số Trạm điều khiển cókhả năng thực hiện nhưng còn phụ thuộc mô hình toán mô tả các bước Có nhiềuphương pháp để tạo ra một phần tử Feed Forward nhận biết được Một vài ví dụ

về dạng phù hợp và không phù hợp được mô tả như sau:

Khi mô hình quá trình có dạng FO hoặc FOPDT và mô hình nhiễu códạng SO hoặc SOPDT thì U(s) ở đầu ra phần tử Feed Forward như sau:

) ( )

1 )(

1 (

) 1 (

)

2 1

1

s D e

s s

s K

K s

D D

p p

D d

feedforwar

p D

) ( )

1 )(

1 (

) 1 )(

1 (

)

2 1

1

s D e

s s

s s

K

K s

D D

DL p

p

D d

feedforwar

p D

1 )(

1 (

) 1 )(

1 (

)

2 1

2 1

s D e

s s

s s

K

K s

D D

p p

p

D d

feedforwar

p D

) ( )

1 )(

1 (

) 1 )(

1 )(

1 (

)

2 1

2 1

s D e

s s

s s

s K

K s

D D

DL p

p p

D d

feedforwar

p D

ở mẫu số, do đó đòi hỏi lập trình hoạt động không khả thi về mặt vật lí

1.4.4 Yêu cầu đối với hằng số thời gian quá trình

Mô hình theo phương trình (*) được gọi là hàm truyền trong không gianlaplace, cũng có thể được mô tả như một phương trình vi phân tuyến tính thuầnnhất khá phức tạp với hệ số là hằng số trong không gian thực Kết quả củaphương trình vi phân này không ổn định nếu bất cứ hằng số thời gian nào ở mẫuâm

Nếu D1 hoặc D2 ở mẫu sẽ có giá trị âm khi hằng số thời gian theo địnhnghĩa luôn dương Lead time của quá trình PL sẽ mang giá trị âm nếu biến quátrình đo được bị đảo pha do nhảy bậc trong tín hiệu ra của bộ điều khiển Nhưngbởi vì PL ở mẫu số nên nó không thể mang giá trị âm nếu không thì tính toánFeed Forward sẽ không ổn định.

Nếu quá trình bị đảo pha và vì thế cho một PL âm sau khi mô hình đượcxác lập, hướng đi tốt nhất là dùng mô hình FOPDT và ước lượng phần đảo pha

là thời gian chết dài Điều lý thú là nhiễu có thể có phần tử lead âm bởi vì leadterm của nhiễu nằm ở tử số của phần tử Feed Forward

1.5 Điều khiển Feed Forward trạng thái tĩnh

Khi nghiên cứu chi tiết khả năng thực thi của bộ điều khiển Feed Forward ở chế

độ động Bộ điều khiển Feed Forward động sử dụng biến mô hình phụ thuộcthời gian trong tính toán Feed Forward khi có yêu cầu tính tác động chính xác.Những tính toán này bao gồm hằng số thời gian và điều kiện thời gian đưa rađáp ứng của quá trình, và điều kiện thời gian chết miêu tả thời gian trễ trước khiđáp ứng của quá trình bắt đầu

Bộ điều khiển Feed Forward tĩnh không xem xét đến thông tin phụ thuộc thờigian trong tính toán Feed Forward Chỉ có độ lớn của đáp ứng như được dự đoánbằng tỉ lệ của hệ số khuếch đại quá trình ở trạng thái ổn định được sử dụng Khi

đó, mô hình động chung của Feed Forward như phương trình (1.10) cònphương trình Feed Forward tĩnh đơn giản hơn như sau:

( ) D(s)

K

K s

U

p

D d

Phương trình (1.15) thể hiện tác động điều khiển Feed Forward đơn giản là hằng

số nhân với giá trị hiện tại của tín hiệu nhiễu Hằng số được tính bằng tỉ số của

hệ số khuếch đại của mô hình nhiễu trên hệ số khuếch đại của mô hình quá trình.Lợi ích của Feed Forward tĩnh là các bộ điều khiển thương mại đủ tinh vi để chophép thực thi các thuật toán đơn giản này và khi đó không cần phải có mô hìnhđược lập trình điều khiển trên máy tính

Chương 2: Các phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển PID

2.1 Tổng hợp theo phương pháp trực tiếp

( The direct synthesis design equation )

Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển được thể hiện ở hình 2-1:

Hình 2-1 : Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiểnVới YSP(s) là tín hiệu đặt, Y(s) là đáp ứng đầu ra của hệ thống Đáp ứngđầu ra của hệ thống được gọi là biến quá trình, thông thường biến quá trìnhmong muốn sẽ biến đổi theo hàm toán học có bậc từ 2 trở lên và đạt tới điểmđặt E(s) là sai lệch điều khiển G(s) là bộ điều khiển và đầu ra của bộ điềukhiển là biến trạng thái điều khiển quá trình thể hiện dưới hà m truyền GP(s)

Bộ điều khiển cơ bản nhất được ứng dụng để điều khiển quá trình thườngđược thiết kế với dạng tổng quát PID Quá trình tính toán để tổng hợp bộ điềuchỉnh dựa trên sơ đồ cấu trúc đơn giản như hình 2-1 với hàm truyền hệ kínđược viết như sau:

Y Y((s s)) 1G G(s()s G)G(s()s)

P C

P C

SP   (2-1)

Từ phương trình (2-1) ta giải ra và xác định hàm truyền của bộ điều khiển:

( ) 1( ) ( )( ) ( )

SP s Y s Y

s Y s

G s G

P C

Y(s) - 1

) (

) ( ) (

1 ) (

SP

SP

s

s Y

s Y

s G s G

Tiếp theo ta cần chỉ rõ hơn trong vòng lặp kín biến số của quá trình đođược sẽ tăng tương ứng với khi sự thay đổi tín hiệu đặt ở mức xác định.

Hàm truyền được biểu diễn dưới dạng FOPDT ( first order plus dead time):

1 )

(

) (

s Y

C

s CL SP

KCL : Hệ số khuếch đại của hệ thống điều khiển biến quá trình theo tínhiệu đặt Ta luôn mong muốn biến điều khiển luôn cân bằng với các giá trị điểmđặt xác định Mỗi khi giá trị điểm dặt thay đổi YSP(t) thì biến điều khiển quátrình Y (t) phải được phản hồi nhanh nhất và cuối cùng biến đổi với mức độtương đương Vì thế giả sử những phản hồi thu được tính toán bằng máy tínhcho đén khi quá trình ổn định thì kết quả cuối cùng:

1

) (

) (

t Y

θ C: Thời gian chết của mạch vòng kín

Thời gian chết trong điều khiển luôn là điều không mong muốn bất cứkhi nào có thể chúng ta nên tránh việc thêm thời gian chết vào trong mạch vònglặp Trong quá trình điều chỉnh các bộ điều khiển quá trình thường vẫn tồn tạithời gian chết nên lưu ý đặt thời gian chết nhỏ nhất cho bộ điều khiển mà khônglàm tăng thời gian chết cho quá trình vì thế :