intTypePromotion=3

Báo cáo thí nghiệm về điều khiển quá trình

Chia sẻ: Minh Le Tuan | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:39

0
153
lượt xem
51
download

Báo cáo thí nghiệm về điều khiển quá trình

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Điều khiển truyền thẳng không có tác dụng ổn định hệ thống không ổn định như hệ thống ở trên (do có thành phần tích phân). Điều khiển truyền thẳng đáp ứng rất nhanh với nhiễu, do vậy nếu cảm biến đo lưu lượng ra không chính xác hoặc sai số mô hình lớn thì sẽ làm mực nước trong bình bị tràn quá hoặc cạn hết. Điều khiển tỉ lệ được áp dụng cho hệ thống : duy trì quan hệ giữa hai biến nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3. (Điều khiển bình mức chỉ có 1 biến điều khiển nên...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Báo cáo thí nghiệm về điều khiển quá trình

  1. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Hiệu chỉnh : + Start time : 0.0s , Stop time : 7000s , Type : Fixed Step , Solve : Ode 4 , Fixed Step size : 0.5s Các tham số trong khối single tank: + couse number : 54 + class number : 16 + name list number : 70 BÀI 1: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT BÌNH MỨC I. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH MỨC. 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 mức – h. + Nhiễu hệ thống : Độ mở van ra (Out Valve) – F2. + Số biến vào : 2 + Số bậc tự do: 3-1=2 2.Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng với các tham số hình thức. Phương trình cân bằng: Biến đổi Laplace: A.s.h(s) = F1(s) – F2(s) Khi không có nhiễu: A.s.h(s) = F1(s)
  2. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình Do đặc tính van nên hàm truyền của hệ thống là một khâu tích phân quán tính bậc nhất có dạng: 3.Sử dụng Simulink để xác định các tham số mô hình. Cho tín hiệu tác động bậc thang ở đầu vào: Level In Valve SINGLE- In Flow Scope Step TANK Out Valve Out Flow Single-Tank Course = 54 Class = 16 Number = 70 Ta có đáp ứng của hàm quá độ như sau: 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Xác định các hệ số k, T: + Từ đồ thị ta kẻ tiệm cận cắt trục t tại điểm ứng với tọa độ (2.8;0). Chọn T=2.8 Như vậy ta xác định được hàm truyền của hệ là :
  3. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình Kiểm tra lại đáp ứng quá độ bằng Matlab: 2.28 1 2.9s+1 s Transfer Fcn Integrator Level In Valve SINGLE- Scope In Flow Step TANK Out Valve Out Flow Single-Tank Course = 54 Class = 16 Number = 70 Ta thấy đồ thị đáp ứng quá độ gần trùng với đồ thị đáp ứng của hệ thống mô phỏng. 18 Dap ung mo phong 16 dap ung qua do 14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t II. CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU CHỈNH. 1.Các sách lược có thể sử dụng + Điều khiển phản hồi. + Điều khiển tầng. 2.Các sách lược không thể sử dụng + Điều khiển truyền thẳng. + Điều khiển tỉ lệ. + Điều khiển chọn. Giải thích:
  4. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình + Điều khiển truyền thẳng không có tác dụng ổn định hệ thống không ổn định như hệ thống ở trên (do có thành phần tích phân). Điều khiển truyền thẳng đáp ứng rất nhanh với nhiễu, do vậy nếu cảm biến đo lưu lượng ra không chính xác hoặc sai số mô hình lớn thì sẽ làm mực nước trong bình bị tràn quá hoặc cạn hết. + Điều khiển tỉ lệ được áp dụng cho hệ thống : duy trì quan hệ giữa hai biến nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3. (Điều khiển bình mức chỉ có 1 biến điều khiển nên không được áp dụng). + Điều khiển lựa chọn, điều khiển phân cùng yêu cầu ít nhất là hai biến điều khiển mà bình mức chỉ có 1 biến điều khiển nên không xác định được tín hiệu điều khiển lấn át => không áp dụng. Trong trường hợp nay, ta nên sử dụng sách lược điều khi ển phản h ồi ho ặc đi ều khi ển t ầng do các sách lược điều khiển này có tác dụng ổn định hệ th ống không ổn đ ịnh, trong tr ường hợp này là bình mức. III.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID. 1.Tính toán dựa theo công thức Ziegler – Nichol. Dạng hàm truyền PID Kp Ti Td P 1/k = 0.4386 - - PI 0.9/k = 0.395 3.3T = 9.57 - PID 1.2/k = 0.5263 2T = 5.8 0.5T = 1.45 2.Mô phỏng bộ điều khiển trên Simulink 1 1 s Gain1 Integrator Gain 1 1 1 Out1 In1 1 du/dt Gain2 Derivative Nhờ điều chỉnh các thông số Kp, Ti ,Td ta sẽ có được những bộ điều khiển P, PI, PID tương ứng như trên hình vẽ. IV.MÔ HÌNH SÁCH LƯỢC TRUYỀN THẲNG.
  5. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển truyền thẳng. Kp Ti Td PID 0.5263 5.8 1.45 1.Mô phỏng trên Simulink. Single- SP Scope Level Level Tank In1 Out1 In Valve GUI SINGLE- OutValve In Flow TANK Subsystem Tank GUI Out Valve Out Flow Max Lev el = 1000 Single-T ank1 Course = 54 Class = 16 Number = 70 Đáp ứng hệ thống:
  6. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 1000 Level 900 SP 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Với bộ điều khiển PI và P ta cũng được kết quả sai khác rất ít so với 2 kết quả trên. 2.Nhận xét về khả năng áp dụng của sách lược điều khiển truyền thẳng. + Khi mới mở van F1 thì mực nước trong bình tăng liên tục và nhanh chóng làm tràn bình khi thời gian mô phỏng vẫn còn. + Khi mở van F2 thì mực nước trong bình lại giảm rất nhanh đến gần cạn.  Hệ thống không ổn định.  Không thể áp dụng được sách lược này. 3.Giải thích. Sách lược điều khiển truyền thẳng không có tác dụng ổn định một hệ thống không ổn định. Bên cạnh đó các nhiễu không đo được cũng mang l ại nh ững ảnh h ưởng t ới ch ất lượng điều khiển. Cần phối hợp điều khiển truyền thẳng với các sách l ược đi ều khi ển khác. V. SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI VÒNG ĐƠN. Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn.
  7. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 1.Mô phỏng trên Simulink. Single- SP Scope Level Level Tank In Out In Valve GUI OutValve SINGLE- In Flow Subsystem TANK Out Valve Tank GUI Out Flow Max Lev el = 1000 Single-Tank1 Course = 54 Class = 16 Number = 70 2.Sử dụng các bộ điều khiển khác nhau. 2.1. Bộ điều khiển P với Kp=0.4386 Đáp ứng quá độ:
  8. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 450 400 Level SP 350 300 250 200 150 100 50 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Nhận xét: + Độ quá điều chỉnh δ nhỏ. + Thời gian quá độ: tqđ nhỏ. + Đặc tính lưu lượng ra ổn định.  Bộ điều khiển P đơn giản, tác động nhanh (mức chất lỏng trực tiếp đạt tới giá trị đặt) & có tính ổn định cao. 2.2 Bộ điều khiển PI Kp Ti Td PI 0.9/k = 0.395 3.3T = 9.57 -
  9. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 700 level SP 600 500 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 2.3 Bộ điều chỉnh PID Kp Ti Td PID 1.2/k = 0.5263 2T = 5.8 0.5T = 1.45 700 level SP 600 500 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Khi thực hiện mô phỏng với bộ điều khiển PI và PID thì xảy ra hiện tượng mức nước dao động, và không thể đạt được ổn định trong thời gian ngắn. Đây là hiện tượng bão hòa tích phân (Reset Windup), thường xảy ra trong các bộ điều khiển có chứa khâu I (Integral), có các đặc điểm:
  10. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình + Độ quá điều chỉnh lớn + Thời gian quá độ dài + Tồn tại sai lệch tĩnh lớn + Để khắc phục ta xây dựng sơ đồ có thêm khâu chống bão hòa tích phân. 3. Sử dụng khâu PID chống bão hòa tích phân Sơ đồ: Tt 0.357 1 0.178 s Integrator 1/Ti 1 0.45 1 In Out Saturation Kp 1.4 du/dt Derivative Td + Tt = 0.5 Ti Thông số khối Saturation : Upper limit : 1 ; Lower limit : 0 Kết quả mô phỏng: + Sử dụng bộ điều khiển PID-RW 600 500 level SP 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 + Sử dụng bộ điều khiển PI –RW
  11. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 450 400 level SP 350 300 250 200 150 100 50 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 2.5 Kết luận : Sử dụng bộ điều khiển PI-RW và PID-RW ta thấy đã giảm được hiện tượng bão hòa tích phân, tín hiệu ra nhanh chóng bám tới tín hiệu chủ đạo mà không dao 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. 2.6 Với vòng phản hồi đơn ta có thể không đo lưu lượng ra: Trong vòng điều khiển đơn thì tìn hiệu ra là nhiễu của quá trình. Nếu không đo lưu lượng ra thì không giảm được tối đa ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu => ảnh hưởng xấu tới chất lượng hệ thống mặc dù hệ thống vẫn ổn định. VI. SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN TẦNG. 1.Lí do cần sử dụng điều khiển tầng + Vòng điều khiển đơn chưa đáp ứng được yêu cầu chất lượng. + Điều khiển tầng có các ưu điểm như: Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ, giảm độ quá điều chỉnh, cải thiện tính ổn định của toàn hệ kín, nâng cao tính bền vững của hệ kín. + Sách lược điều khiển tầng có tốc độ đáp ứng nhanh hơn so với điều khiển phản hồi. Nguyên do là điều khiển tầng có vòng ngoài là điều khiển truyền thẳng, phản ứng nhanh với nhiễu và triệt tiêu nhiễu này. 2.Xác định các vòng điều khiển, nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng. + Vòng 1(vòng ngoài) : đo mức của bình chứa rồi phản hồi lại so sánh với SP1 cho ta lưu lượng vào mong muốn. ( giá trị SP2 của vòng 2).
  12. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình + Vòng 2(vòng trong) : đo hiệu lưu lượng Out Flow & In Flow ,phản hồi & so sánh với giá trị đầu ra của vòng 1(SP2) cho ta tín hiệu điều khiển( độ mở van phù hợp). Đặc điểm : + Hệ số khuếch đại Kp của PID1( vòng ngoài) rất lớn nên đáp ứng nhanh với sự thay đổi của nhiễu ở đầu vào. (Chọn Kp = 10000). + Các thông số trong bộ PID2 (vòng trong) dựa theo các tính toán ở trên. 3.Điều khiển tầng không đo lưu lượng ra. Lưu đồ P&ID: 3.1 Mô phỏng trên Simulink. Single- SP Level Level T ank Scope In1 Out1 In1 Out1 In Valve GUI OutValve SINGLE- In Flow Subsystem Subsystem1 T ANK Out Valve T ank GUI Out Flow Max Lev el = 1000 Single-Tank1 Course = 54 Class = 16 Number = 70 Scope1 3.2 Sử dụng bộ điều khiển P/P với PID1 : Kp = 10000 ; PID2 : Kp = 0.4386 Đáp ứng hệ thống:
  13. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 800 level 700 SP 600 500 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 4 x 10 12 out flow in flow 10 8 6 4 2 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Nhận xét: Hệ thống ổn định với đọ quá điều chỉnh & thời gian quá độ nhỏ. Tuynhiên vẫn có sự chênh lệch giữa Set Point & Level; giữa Out Flow & In Flow. 3.3 Sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW PID2 : Kp= 0.395 ; Ti= = 9.57
  14. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 600 level 500 sp 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 4 x 10 12 out flow in flow 10 8 6 4 2 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Nhận xét: Giống với bộ điều khiển P/P: hệ thống ổn định với đọ quá điều chỉnh & thời gian quá độ nhỏ. Tuy nhiên vẫn có sự chênh lệch giữa Set Point & Level; chênh lệch giữa Out Flow & In Flow khá đáng kể. 3.3 Sử dụng bộ điều khiển P/PID-RW với kp=0.5263 ; Ti = 5.8 ; Td =1.45
  15. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 800 700 600 level sp 500 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 4 x 10 12 out flow in flow 10 8 6 4 2 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Nhận xét: Với bộ điều khiển P/PID-RW, hệ thống khá ổn định. Tuy nhiên độ quá điều chỉnh lớn hơn so với hai bộ điều khiển trên. 4.Điều khiển tầng đo lưu lượng ra.
  16. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình Lưu đồ P&ID 4.1 Mô phỏng trên simulink Single- SP Tank Scope Level Level In1 Out1 In1 Out1 In Valve GUI SINGLE- OutValve In Flow Subsystem Subsystem1 TANK Out Valve Tank GUI Out Flow Max Lev el = 1000 Single-Tank1 Course = 54 Class = 19 Number = 78 Scope1 4.2 Sử dụng bộ điều khiển P/P Đáp ứng hệ thống:
  17. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 700 600 level sp 500 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 4 x 10 12 out flow in flow 10 8 6 4 2 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Nhận xét: Hệ thống nhanh chóng đạt ổn định mà không phụ thuộc vào lưu lượng ra với độ quá hiệu chỉnh & thời gian quá độ nhỏ. Sai lệch giữa lưu lượng vào/ra nhỏ. 4.3 Sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW
  18. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 800 700 level sp 600 500 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 4 x 10 12 out flow in flow 10 8 6 4 2 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Nhận xét: Hệ ổn định ,độ quá hiệu chỉnh & thời gian quá độ nhỏ. Sai lệch giữa lưu lượng vào/ra nhỏ. 4.4 Sử dụng bộ điều khiển P/PID-RW
  19. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình 600 level 500 sp 400 300 200 100 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 4 x 10 12 out flow in flow 10 8 6 4 2 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Nhận xét: Hệ ổn định. Level còn dao động quanh setpoint với biên độ lớn hơn so với hai bộ điều chỉnh trên. Sai lệch giữa lưu lượng vào/ra nhỏ. So sánh hai trường hợp: + Trường hợp đo lưu lượng ra: Khi hệ thống ổn định dù thay đổi lưu lượng ra thì hệ thống vẫn ổn định( hạn chế tối đa nhiễu). Overshot nhỏ, sai lệch giữa In Flow & Out Flow nhỏ.
  20. Báo cáo thí nghi ệ m đi ề u khi ể n quá trình + Trường hợp không đo lưu lượng ra : Khi hệ thống ổn định,nếu thay đổi lưu lượng ra thì chất lượng của hệ thống thay đổi ( do không triệu tiêu được nhiễu). Overshot tương đối lớn, sai lệch giũa Out Flow & In Flow là đáng kể.

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản