BÁO CÁO THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Như vậy ta xác định được hàm truyền đạt của hệ là: Gs= ?.??Sách lược điều khiển phản hồi Vì sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định một hệ thống không ổn định cụ thể là hệ th

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Viện Điện -

BÁO CÁO THỰC HÀNH

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Họ và Tên sinh viên: Đoàn Trọng Đức

BÀI 1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT BÌNH NƯỚC

1.Xác định các tín hiệu vào/ ra và nhiễu hệ thống

Tín hiệu vào: Độ mở van vào (In Valve): F1

Tín hiệu ra: Mức nước trong bình (Level): h

Nhiễu hệ thống: Độ mở van ra (Out Valve): F2

Số biến vào là: 2

Số biến ra là : 1

Số bậc tự do là: 3-1 =2 và bằng số biến vào Suy ra hệ thống điều khiển được

2.Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng với các tham số hình thức

Phương trình cân bằng: 𝐴.𝒅𝒉

𝒅𝒕 = 𝐹1− 𝐹2Biến đổi Laplace: A.s.h(s)= 𝐹1(𝑠) − 𝐹2(𝑠)

Khi không có nhiễu: A.s.h(s)= 𝐹1(𝑠)

3 Sử dụng Simulink để xác định các tham số mô hình

Phương pháp đường cong đáp ứng

Với các thông số của Single Tank như sau:

Như vậy ta xác định được hàm truyền đạt của hệ là: G(s)= 𝟑.𝟎𝟏

Sách lược điều khiển phản hồi

Vì sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định một hệ thống không ổn định cụ thể là hệ thống bình mức

Sách lược điều khiển tầng

Vì sách lược điều khiển tầng cũng có tác dụng ổn định một hệ thống không ổn

định ngoài ra còn giảm tối thiểu được ảnh hưởng của nhiễu

-Các Sách lược điều chỉnh không thể sử dụng

Sách lược điều khiển truyền thẳng

Điều khiển truyền thẳng không có tác dụng ổn định một hệ thống không ổn định, cụ thể là hệ thống bình mức trong bài thí nghiệm có thành phần tích phân

Điều khiển truyền thẳng đáp ứng rất nhanh với nhiễu, do vậy nếu cảm biến đo không chính xác họặc sai số mô hình lớn sẽ làm mực nước trong bình bị tràn quá hoặc cạn hết

Sách lược điều khiển tỉ lê

Sách lược điều khiển tỉ lệ cần ít nhất 2 biến điều khiển nhưng bình mức chỉ có một biến điều khiển là F1 nên không thể áp dụng sách lược này

Sách lược điều khiển lựa chọn

Do điều khiển lựa chọn cũng yêu cầu ít nhất hai biến điều khiển mà hệ thống bình mức chỉ có một biến điều khiển nên cũng không thể áp dụng sách lược điều khiển này

5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG

Ta sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol 1 vì phương pháp này áp dụng cho đối tượng có đặc tính là một khâu quán trính bậc nhất hoặc khâu tích phân có thời gian trễ tương đối nhỏ

Ta có thông số bộ điều khiển như bảng dưới

6 Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng

Như ta đã nói ở trên bài toán này không thể áp dụng sách lược điều khiển

truyền thẳng ở đây ta sẽ kiểm chứng nhận định trên

Lưu đồ P&ID:

Sơ đồ mô phỏng trên MatLab:

Ta thử nghiệm sách lược truyền thẳng lần lượt với ba bộ điều khiển P, PI,PID

Với giá trị đặt của level là 10000 StopTime là 1000

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P với 𝑲𝒑=0,332 ta thu được kết quả sau

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟐𝟗𝟗 𝑻𝒊 = 13,035 ta thu được kết quả sau

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟑𝟗𝟗 𝑻𝒊 = 𝟕, 𝟗 𝑻𝒅 = 1,975 ta thu được kết quả sau

Nhận xét:

Từ đây ta thấy nhận định sách lược điều khiển truyền thẳng không thể

áp dụng vào bài toán này là đúng

Giải thích:

Sách lược truyền thẳng yêu cầu cụ thể thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu để có thể điều khiển ổn định Tuy nhiên, không phải nhiễu nào cũng đo được Thực tế, bộ điều khiển lý tưởng không bao giờ có tính khả thi

7 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn

Lưu đồ P&ID:

Sơ đồ mô phỏng trên MatLab:

Ta thử nghiệm sách lược này với 3 bộ điều khiển P, PI, PID

Với giá trị đặt của level là 10000 StopTime là 1000

Trường hợp sở dụng bộ điều khiển P với 𝐊𝐩=0,332

Nhận Xét: Hệ thống hoạt động ổn định, độ quá điều chỉnh nhỏ, thời gian quá

độ ngắn

Như vậy, sử dụng bộ điều khiển P rất đơn giản (đặc biệt hệ mô phỏng bình

nước bản thân hệ đã có thành phần tích phân), tác động rất nhanh mức chất

lỏng gần sát với giá trị đặt và có tính ổn định cao

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI với 𝐊𝐩 = 𝟎, 𝟐𝟗𝟗, 𝐓𝐢 = 13,035

Nhận Xét: Hệ thống không ổn định, độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ lớn

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID với 𝐊𝐩 = 𝟎, 𝟑𝟗𝟗 𝐓𝐢 = 7,9

𝐓𝐝=1,975

Nhận xét: Hệ thống không ổn định, độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ lớn

8.Nếu bộ điều khiển có thành phần tích phân

Như ta thấy ở phần trên đối với các bộ điều khiển có thành phần tích phân thì

ta có kết quả là độ quá điều chỉnh rất lớn đi kèm theo là quá trình dao động tắt

dần

Nguyên nhân xảy ra vấn đề trên là hiện tượng bão hòa tích phân với các đặc

điểm như sau:

Độ quá điều chỉnh lớn

Thời gian quá độ dài

Tồn tại sai lệch tĩnh lớn

9 Sử dụng sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn dùng các bộ

điều khiển PI-RW và PID-RW.

Mô hình bộ ĐK PID chống bão hòa tích phân

Đối với bộ điều khiển PI- chống bão hòa tích phân với 𝐊𝐩 = 𝟎, 𝟐𝟗𝟗 𝐓𝐢 =

13,035 𝐓𝐝 = 𝟎

Nhận xét

Ta thấy hiện tượng bão hòa tích phân đã được khắc phục, tín hiệu ra nhanh chóng bám tới tín hiệu đặt mà không xuất hiện sự giao động như trước, độ quá điều chỉnh nhỏ, thời gian quá độ nhanh Đáp ứng đã bám sát với tín hiệu đặt với sai lệch tĩnh rất nhỏ

Đối với bộ điều khiển PID- chống bão hòa tích phân với 𝐊𝐩 = 𝟎, 𝟑𝟗𝟗

𝐓𝐢 = 7,9 𝐓𝐝 = 𝟏, 𝟗𝟕𝟓

Nhận xét:

Ta thấy hiện tượng bão hòa tích phân đã được khắc phục, tín hiệu ra nhanh chóng bám tới tín hiệu đặt mà không xuất hiện sự giao động như trước, độ quá điều chỉnh nhỏ, thời gian quá độ nhanh Đáp ứng đã bám sát với tín hiệu đặt với sai lệch tĩnh rất nhỏ

10 Sử dụng sách luợc điều khiển tầng (cascade control), xây dựng

bộ điều khiển cho đối tuợng

a Giải thích tại sao cần sử dụng điều khiển tầng

Một trong những vấn đề của điều khiển vòng đơn là ảnh hưởng của nhiễu quá trình tới biến đầu ra Độ quá điều chỉnh lớn, thời gian đáp ứng chậm Điều khiển tầng được xây dựng để đáp ứng các vấn đề trên

b Các vòng điều khiển cần xây dựng, nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng

Bộ điều khiển vòng trong có chức năng loại trừ đáng kể ảnh hưởng của nó tới biến cần điều khiển thực

Bộ điều khiển vòng ngoài có chức năng đáp ứng giá trị đặt thay đổi, loại trừ ảnh hưởng của nguồn nhiễu còn lại, nhằm duy trì biến điều khiển tại 1 thời gian đặt

Vòng ngoài đo mức của bình rồi phản hổi lại so sánh với SP

Vòng trong đo lưu lượng In, Out Flow cho tín hiệu điều khiển van phù hợp

Lưu ý: Do đầu ra của bộ điều khiển vòng ngoài là giá trị đặt cho bộ điều khiển vòng trong Mặt khác bộ điều khiển vòng ngoài có với đầu vào là Level có giá trị max là 1000 trong khi vòng điều khiển trong điều khiển lưu lượng nước có giá trị xả tối đa là 7x10^5 Nếu giữ nguyên giá trị 1000 thì đầu ra của của vòng điều khiển ngoài có giá trị rất thấp, không đủ để đáp ứng Vì vậy trước khi đặt giá trị cho vòng điều khiển trong ta cần có bước quy đổi giá trị tương ứng với hệ

số nhất định

Tính toán tham số của các bộ điều khiển

Để tính các tham số bộ điều khiển bộ điều khiển ta cần tìm hàm truyền tương ứng

Ta có hàm truyền của van IN VALVE là Gv= 1

8.37𝑠+1

Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol 1 ta tính được các hệ số cho bộ điều khiển vòng trong như sau

Bộ điều khiển P: Kp = 1

số của bộ điều khiển vòng ngoài là Kp = 7 × 10

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P/P

Đồ thị lưu lượng van đầu vào:

• Khi van đầu ra mở, hệ thống về cơ bản vẫn đáp ứng được, nhưng đã

có sai lệch tĩnh và đáp ứng chậm hơn so với lúc chưa mở van

Đáp ứng lưu lượng van:

• Khi van mở, lưu lượng van đầu vào bám khá sát với lưu lượng đầu ra

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW

Đồ thị lưu lượng van đầu vào:

Đồ thị mức nước:

Với bộ điều khiển đo lưu lượng ra

Sơ đồ P&ID

Sơ đồ mô phỏng

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P/P

Đồ thị lưu lượng van đầu vào:

Đồ thị mức nước:

Đáp ứng lưu lượng van:

• Khi van mở, lưu lượng van đầu vào bám khá sát với lưu lượng đầu ra

và đáp ứng nhanh khi có thay đổi giá trị đặt cũng như độ mở van ra

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW

Đồ thị lưu lượng van đầu vào:

Đồ thị mức nước:

Nhận xét

Đáp ứng mức nước:

• Trong trường hợp van đầu ra đóng, hệ thống đáp ứng tốt nhưng chậm hơn so với việc chỉ dùng bộ điều khiển P, không xuất hiện sai lệch tĩnh

• Khi van đầu ra mở, hệ thống về cơ bản vẫn đáp ứng được, nhưng đã có sai lệch tĩnh và đáp ứng chậm hơn so với lúc chưa mở van Đáp ứng vẫn chịu ảnh hưởng của bão hòa tích phân

nên xuất hiện dao động

Đáp ứng lưu lượng van:

• Khi van mở, lưu lượng van đầu vào bám khá sát với lưu lượng đầu ra nhưng dao động lớn

Qua trên ta thấy trường hợp đo lưu lượng ra cho kết quả tốt hơn so với trường hợp không đo lưu lượng ra với đáp ứng nhanh và sai lệch tĩnh nhỏ hơn

20

BÀI 2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HAI BÌNH NƯỚC THÔNG NHAU

1.Xây dựng mô hình cho đối tượng, xác định các tín hiệu vào, tín hiệu ra, nhiễu của hệ thống

Tín hiệu vào: độ mở van F1, độ mở van F2

Tín hiệu ra: Mức của hai bình mức: level1: h1 và level 2: h2

Do đặc tính van 1 là một khâu có hàm truyền là một khâu quán tính bậc nhất và

do hai bình thông nhau nên đặc tính van 2 là một khâu có hàm truyền là một khâu quán tính bậc nhất có trễ

Vì thế ta có 2 hàm truyền đạt của 2 bình như sau

Từ đồ thị ta xác định được hàm truyền đạt của bình 1 có dạng:

Để kiểm chứng ta sử dụng mô hình sau

Ta thu được kết quả sau

Bình 1:

Bình 2:

4 Các sách lược điều khiển có thể và không thể sử dụng

Các sách lược điều khiển có thế sử dụng

Sách lược điều khiển phản hồi: vì sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định một thệ thống không ổn định, cụ thể là hệ thống bình nước

Sách lược điều khiển tầng: vì sách lược điều khiển tầng có tác dụng ổn đinh một

hệ thống không ổn định, ngoài ra còn giảm được ảnh hưởng của nhiễu, triệt tiêu được sai lệch tĩnh cho chất lượng tốt hơn điều khiển phản hồi

Các sách lược điều khiển không thể sử dụng

Sách lược điều khiển truyền thẳng: Điều khiển truyền thẳng không có tác dụng ổn định một hệ thống không ổn định, cụ thể là hệ thống bình nước trong bài thí nghiệm có thành phần tích phân

Điều khiển truyền thẳng đáp ứng rất nhanh với nhiễu, do vậy nếu cảm biến đo không chính xác hoặc sai số mô hình lớn sẽ làm mực nước trong bình bị tràn quá hoặc cạn hết

5.Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng

Sử dụng phương pháp Ziegler Nichol 1

Bình 1:

PI 0.9/k = 0,79 3,3T/k = 8,32 - PID 1.2/K = 1,06 2T = 5,7 0.5T = 1,425

Bình 2:

PI 0.9/k = 1,58 3,3T/k = 57,89 - PID 1.2/k = 2,11 2T = 20 0.5T = 5

6 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn

Sơ đồ mô phỏng

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P

Bình 1.

Bình 2

Nhận xét:

Hệ thống đáp ứng tốt nếu tuân thủ nguyên tắc bình thông nhau:

• Ở điều kiện Van 3 đóng hoàn toàn, Bình 1 luôn đạt được giá trị đặt sau một khoảng thời gian và sẽ bị ảnh hưởng khi thay đổi giá trị đặt của Bình 2 Bình 2 chỉ đạt được các giá trị đặt nhỏ hơn hoặc bằng giá trị đặt của bình 1

• Ở điều kiện Van 3 mở, Bình 1 luôn đạt được giá trị đặt sau một khoảng thời gian và sẽ bị ảnh hưởng khi thay đổi giá trị đặt của Bình

2 Bình 2 chỉ đạt được các giá trị đặt nhỏ hơn hoặc bằng một phần giá trị đặt của bình 1

Trong 2 hình trên ta thấy có sai lệch tĩnh

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI-RW

Với các thông số của các bộ PI-RW được xác định như sau

Với bình 1 bộ điều khiển PI_RW có thông số như sau

Bình 2.

Nhận xét:

Hệ thống đáp ứng tốt nếu tuân thủ nguyên tắc bình thông nhau:

• Ở điều kiện Van 3 đóng hoàn toàn, Bình 1 luôn đạt được giá trị đặt sau một khoảng thời gian và sẽ bị ảnh hưởng khi thay đổi giá trị đặt của Bình 2 Bình 2 chỉ đạt được các giá trị đặt nhỏ hơn hoặc bằng giá trị đặt của bình 1

• Ở điều kiện Van 3 mở, Bình 1 luôn đạt được giá trị đặt sau một khoảng thời gian và sẽ bị ảnh hưởng khi thay đổi giá trị đặt của Bình

2 Bình 2 chỉ đạt được các giá trị đặt nhỏ hơn hoặc bằng một phần giá trị đặt của bình 1

Qua 2 hình trên Ta thấy đáng kể, đáp ứng bám sát sai lệch tĩnh đã được giảm theo giá trị đặt

7.Sách lược điều khiển tầng

Sơ đồ P&ID

Xác định các vòng điều khiển cần xây dựng:

Vòng thứ nhất: Điều khiển độ mở van InValve1

Vòng thứ hai: Điều khiển độ mở van InValve2

Đặc điểm và nhiệm vụ của từng vòng:

Vòng thứ nhất: Điều khiển độ mở của van 1, có đặc tính động học biến đổi nhanh hơn vòng thứ hai

Vòng thứ hai: Điều khiển độ mở của van 2, và có đặc tính động học biến đổi chậm hơn vòng thứ nhất

Sơ đồ mô phỏng

Tính toán tham số các bộ điều khiển

Tương tự như cách tính ở bài 1 ta xác định được thông số cho bộ điều khiển ở các bình như sau

Bình 2

Đáp ứng lưu lượng của 3 van:

Đáp ứng của bình 2 nhanh hơn hình 1

Đáp ứng lưu lượng của van 1 với van 2 rất nhanh và hiệu quả

Đáp ứng lưu lượng của van 2 với van 3 rất nhanh và hiệu quả

Ta thấy ai lệch tĩnh nhỏ, giảm được ảnh hưởng của nhiễu

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P/PI – RW

Bình 1.

Bình 2

Đáp ứng lưu lượng của 3 van:

Đáp ứng của bình 2 nhanh hơn hình 1 Ở cả 2 hệ bình, khi van 3 mở đều sẽ chịu sai lệch tĩnh và ảnh hưởng 1 phần của khâu tích phân gây ra bão hòa tính phân Nhưng ảnh hưởng này rất nhỏ và không đáng kể

Đáp ứng lưu lượng của van 1 với van 2 rất nhanh và hiệu quả

Đáp ứng lưu lượng của van 2 với van 3 rất nhanh Tuy nhiên xuất hiện dao động nhiều hơn so với việc sử dụng bộ điều khiển P

Qua hình trên ta thấy hệ có sai lệch tĩnh nhỏ, ít nhạy cảm với nhiễu độ quá điều chỉnh nhỏ