Tài liệu Báo cáo thực hành điều khiển quá trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ============ BÁO CÁO THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Cao Mã số sinh viên: 20160385 Khóa: K61 Nhóm: 12 STT: 3 Hà Nội, Năm 2019 Báo cáo thực hành Điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hiệu chỉnh: - Start time: 0.0s - Stoptime: 12500s - Type: Fixed step - Solve: Ode 4 - Fixed step size: 0.2s Các Tham số trong khối single-tank: - Course number: 61 - Class number : 12 - Name list number: 3 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385- Nhóm 12- STT:3 1 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội BÀI 1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT BÌNH NƯỚC 1.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH NƯỚC 1.1.1. 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) Nhiễu hệ thống: Độ mở van ra - h (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. Hệ thống điều khiển được 1.1.2. Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng với các tham số hình thức Phương trình cân bằng: Biến đổi Laplace: 𝐴. 𝒅𝒉 = 𝐹1 − 𝐹2 𝒅𝒕 A.s.h(s)= 𝐹1 (𝑠) − 𝐹2 (𝑠) Khi không có nhiễu: A.s.h(s)= 𝐹1 (𝑠) => G’(s)= ℎ(𝑠) = 𝐹1 (𝑠) 1 𝐴.𝑠 Do đặc tính van nên hàm truyền đạt có dạng quán tính bậc nhất : G(s)= SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 𝑘 𝑠.(𝑇𝑠+1) 2 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1.1.3. Sử dụng Simulink để xác định các tham số mô hình. Cho tín hiệu tác động bậc thang ở đầu vào Xác định các hệ số k,T: Từ đồ thị ta kẻ tiệm cận cắt trục t tại điểm ứng với tọa độ (3,4;0). Nên T = 3,4 k= tan(𝛼) = 54,8 30−3,4 = 2,06 Như vậy ta xác định được hàm truyền đạt của hệ là: G(s)= SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 2,06 𝑠.(3,4𝑠+1) 3 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Kiểm tra lại đáp ứng quá độ bằng Matlab: Đường nét đứt được thêm vào là đường mức nước với đầu vào quán tính bậc nhất vừa tính. 1.2. CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU CHỈNH 1.2.1. Sách lược điều chỉnh có thể sử dụng: 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 luợc 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. SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 4 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1.2.2. 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 ổnđịnh, 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: Do nguyên lý điều khiển của sách lược điều khiển tỉ lệ là duy trì quan hệ giữa hai biến điều khiển nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3. Nhưng điều khiển bình mức chỉ có một biến điều khiển là F1 nên không thể áp dụng - Sách lược điều khiển lựa chọn: Do điều khiển lựa chon cũng yêu cầu ít nhất hai biến điều khiển mà hệ thống bình mức chỉ có một biến điều khiển nên không xác định được tín hiệu điều khiển lấn át lên không thể áp dụng sách lược điều khiển này. 1.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG: 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. 𝑾𝑷𝑰𝑫 (𝒔) = 𝑲𝒑 . (𝟏 + 𝑲𝒑 P 𝟏 𝒌 PI 𝟎,𝟗 𝒌 PID 𝟏 + 𝑻𝒅 . 𝒔) 𝑻𝒊 𝒔 𝑻𝒊 𝑻𝒅 = 0,485 - - = 0,437 3,3.T= 11,22 - 2.T= 6.8 0,5T =1,7 𝟏, 𝟐 = 𝟎, 𝟓𝟖𝟑 𝐤 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 5 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Dạng hàm truyền của bộ điều khiển PID: Nhờ điều chỉnh các thông số 𝑲𝒑 , 𝑻𝒊 , 𝑻𝒅 ta sẽ có được những bộ điều khiển P, PI và PID tương ứng như hình vẽ trên 1.4. MÔ HÌNH CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN 1.4.1. Mô hình điều khiển truyền thẳng 1.4.1.1. Mô hình sách lược điều khiển truyền thẳng 1.4.1.2. Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển truyền thẳng SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 6 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình 1.4.1.3. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Mô hình mô phỏng trên Simulink 1.4.1.4. Sử dụng sách lược điêu khiển truyền thẳng với ba bộ điều khiển P, PI,PID. • Trường hợp sở dụng bộ điều khiển P với 𝑲𝒑 =0,485 • Trường hợp sở dụng bộ điều khiển PI với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟑𝟕, 𝑻𝒊 =11.22 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 7 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội • 𝐓𝐫ườ𝐧𝐠 𝐡ợ𝐩 𝐬ở 𝐝ụ𝐧𝐠 𝐛ộ đ𝐢ề𝐮 𝐤𝐡𝐢ể𝐧 𝐏𝐈 𝐯ớ𝐢 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟓𝟖𝟑, 𝑻𝒊 = 𝟔,8 ; 𝑻𝒅 =1,7 Nhận xét: Cả 3 trường hợp trên đầu ra không bám theo tín hiệu chủ đạo 1.4.2. Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn 1.4.2.1. Mô hình sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn 1.4.2.2. Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 8 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1.4.2.3. Mô hình mô phỏng trên Simulink 1.4.2.4. Sử Dụng Sách Lược Điêu Khiển Phản Hồi Vòng Đơn Với Ba Bộ Điều Khiển P, PI, PID. • Trường hợp sở dụng bộ điều khiển P với 𝑲𝒑 =0,485 Nhận Xét: + Hệ thống hoạt động ổn định, độ quá điều chỉnh nhỏ. + Thời gian quá độ ngắn. + Lưu lượng ra ổn đinh 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. SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 9 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội • Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟑𝟕, 𝑻𝒊 =11.22 - Hiện Tượng: Khi tiến hành mô phỏng thì xảy ra hiện tượng mức nước tăng vọt trong thời gian ngắn kéo dài thời gian quá độ. Đây là hiện tượng bão hòa tích phân (Reset Windup) xảy ra khi có thành phần tích phân trong bộ điều khiển. - Nhận Xét: + Độ quá điều chỉnh lớn. + Thời gian quá độ lớn. + Độ dự trữ ổn định giảm do có thành phần I trong bộ điều khiển. • 𝐓𝐫ườ𝐧𝐠 𝐡ợ𝐩 𝐬ở 𝐝ụ𝐧𝐠 𝐛ộ đ𝐢ề𝐮 𝐤𝐡𝐢ể𝐧 𝐏𝐈𝐃 𝐯ớ𝐢 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟓𝟖𝟑, 𝑻𝒊 = 𝟔,8 ; 𝑻𝒅 =1,7 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 10 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - Hiện Tượng: Gần giống với khi sử dụng bộ điều khiển PI nhưng thời gian quá độ dài hơn - Nhận Xét: + Độ quá điều chỉnh lớn + Thời gian quá độ dài + Tồn tại sai lệch tĩnh lớn 1.4.3. Sử dụng sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn dùng các bộ điều khiển P, PI-RW và PID-RW. 1.4.3.1. Sơ đồ bộ điều khiển: - Với 𝑇𝑡 = 𝑇𝑖 và thông số cần đặt cho khối Saturation là : Upper limit :1 Lower limit: 0 1.4.3.2. Kết quả mô phỏng • Đối với bộ điều khiển PI- chống bão hòa tích phân với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟑𝟕 ;𝑻𝒊 =𝑻𝒕 =11.22 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 11 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nhận Xét: + Đã giảm được hiện tượng bão hòa tích phân , tín hiệu ra nhanh chóng bám tới tín hiệu đặt mà không giao động quá nhiều , quá trình nhanh chóng đi đến ổn định. + Độ quá điều chỉnh nhỏ. + Thời gian quá độ nhanh. + Giảm được sai lệch tĩnh xuống mức thấp. + Đáp ứng ra 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, 𝟓𝟖𝟑 ; 𝑻𝒊 = 𝑻𝒕 = 𝟔, 𝟖 𝑻𝒅 =1,7 1.4.4. Sách lược điều khiển tầng. Sử dụng sách lược điều khiển tầng vì: - Vấn đề đã được nhắc tới khi nói về điều khiển phản hồi là phát hiện chậm ảnh hưởng của nhiễu tới quá trình. Độ quá điều chỉnh lớn và thời gian đáp ứng chậm. - Điều khiển tầng là mở rộng của phản hồi vòng đơn dùng để khắc phục các vấn đề trên. Nhiệm vụ từng vòng: - Bộ điều khiển vòng trong (thứ cấp) có chức năng loại trừ hoặc ít ra là giảm đáng kể ảnh hưởng của nó tới biến cần điều khiển thực. SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 12 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - Bộ điều khiển vòng ngoài (sơ cấp) có chức năng đáp 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 1( vòng ngoài): đo mức của bình rồi phản hồi lại so sánh với SP. - Vòng 2( vòng trong): đo hiệu lưu lượng In,Out flow cho ta tín hiệu điều khiển van phù hợp. 1.4.4.1. Mô phỏng trên Simulink 1.4.4.1.1. Bộ điều khiển không đo lưu lượng ra SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 13 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội • Sử dụng bộ điều khiển P/P với Kp ngoài= 10000; Kp trong = 1000 • Xuất hiện sai lệch tĩnh • Sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW với P : Kp = 10000; PI-RW : 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟑𝟕 ;𝑻𝒊 =𝑻𝒕 =11.22 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 14 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình 1.4.4.1.2. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ điều khiển đo lưu lượng ra SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 15 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội • Sử dụng bộ điều khiển P/P với Kp ngoài= 10000; Kp trong = 1000 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 16 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình • Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW với P : Kp = 10000; PI-RW : 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟑𝟕 ;𝑻𝒊 =𝑻𝒕 =11.22 Nhận xét: So sánh giữa sách lược điều khiển phản hồi và điều khiển tầng. - Cả hai sách lược điều khiển phản hồi và tầng đều đem lại kết quả điều khiển khá tốt, thời gian xác lập nhanh, độ quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh nhỏ. - Tuy nhiên khi thay đổi giá trị đặt và lưu lượng ra, ta thấy bộ điều khiển tầng có đáp ứng nhanh với độ quá điều chỉnh nhỏ hơn bộ điều khiển phản hồi. Vì trong bộ điều khiển tầng có khâu tỷ lệ P ở vòng ngoài nên tác động nhanh với sự thay đổi của nhiễu ở đầu vào và có tác dụng triệt tiêu được nhiễu này. SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 17 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Biện pháp: - Khi sai lệch điều khiển bằng 0, tách bỏ thành phần tích phân trong bộ ĐK, hoặc xóa trạng thái của thành phần tích phân. - Giảm hệ số khuếch đại nằm trong giới hạn cho phép - Đặt một khâu giới hạn tại đầu ra của bộ ĐK đã bị giới hạn, phản hồi về bộ ĐK để thực hiện thuật toán bù nhằm giảm thành phần tích phân. Hệ thống có bù nhiễu nhận tín hiệu từ mức nước đầu ra điều khiển dễ dàng hơn và ổn định hơn hệ thống không có. SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 18 Báo cáo thực hành điều khiển quá trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội BÀI 2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HAI BÌNH NƯỚC THÔNG NHAU 2.1. Xây dựng mô hình cho đối tượng 2.1.1. Xác định các tín hiệu vào, tín hiệu ra, nhiễu của hệ thống và số bậc tự do - Tín hiệu vào: độ mở van F1, độ mở van F2 và độ mở van F3 - Tín hiệu ra: Mức của hai bình mức: level1: h1 và level 2: h2 - Nhiễu: Độ mở van F3 - Số bậc tự do: 5-2 =3 và đúng bằng số biến vào • Hệ có khả năng điều khiển được 2.1.2. Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng với cá tham số hình thức Phương trình cân bằng: 𝑨𝟏 . 𝑨𝟐 . SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 3 𝒅𝒉𝟏 𝒅𝒕 𝒅𝒉𝟐 𝒅𝒕 = 𝑭𝟏 − 𝑭𝟐 = 𝑭𝟐 − 𝑭𝟑 19