LỜI NÓI ĐẦU Trong giai đoạn phát triển ngày nay, điều khiển trình giữ vị trí quan trọng ngành cơng nghiệp dầu khí, hóa chất, cơng nghệ thực phẩm… định đến việc đảm bảo cho dây chuyền sản xuất đạt suất chất lượng mong muốn Một hệ thống điều khiển q trình chứa đựng tồn giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành giám sát nhằm bảo đảm yêu cầu trình thiết bị cơng nghệ chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu suất sản xuất, an toàn cho người, máy móc mơi trường Như việc nghiên cứu thực nghiệm điều khiển trình cần thiết Trong phạm vi nghiên cứu vấn đề trình đa biến điều khiển mức nhiệt độ Chương LÝ THUYẾT CHUNG CỦA HỆ ĐA BIẾN 1.1 Điều khiển trình gì? Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát q trình cơng nghệ nhằm nâng cao hiệu sản xuất đảm bảo yêu cầu bảo vệ người, máy móc mơi trường Hình 1.1: Quá trình phân loại biến q trình 1.2 Mục đích điều khiển q trình Nhiệm vụ điều khiển trình đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu kinh tế q trình cơng nghệ - Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: - Đảm bảo suất chất lượng sản phẩm: - Bảo vệ môi trường: - Nâng cao hiệu kinh tế: Chương XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Cấu trúc hệ điều khiển trình: Cấu trúc hệ điều khiển trình trình bầy sau: Hình 2.1: Cấu trúc hệ điều khiển trình Tùy theo quy mơ ứng dụng mức độ Tự động hóa, hệ thống điều khiển q trình cơng nghiệp đơn giản đến tương đối phức tạp, chúng phải dựa thành phần là: thiết bị đo, thiết bị chấp hành thiết bị điều khiển Hình 2.2: Các thành phần hệ thống điều khiển trình 2.2 Thiết bị đo 2.3 Thiết bị chấp hành 2.4 Thiết bị điều khiển 2.5 Mơ hình tốn học đối tượng - Đối tượng bình trộn Hình 2.6: Xác định biến trình đối tượng bình trộn - Các đối tượng khác Hàm truyền van điều khiển - Hàm truyền ống: - Hàm truyền thiết bị đo mức: - Hàm truyền thiết bị đo nhiệt: 2.6 Các vịng điều khiển Từ mơ hình thí nghiệm xây dựng u cầu tốn điều khiển, ta thấy mơ hình có vịng điều khiển đơn: - Vòng điều khiển nhiệt độ T3: - Vòng điều khiển mức L: 2.7 Lý thuyết tách kênh Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý tách kênh Chương GIỚI THIỆU BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH 3.1 Cấu trúc phần cứng 3.1.1 Cấu trúc mơ hình Trước xây dựng, ta phải xác định cấu trúc tổng quan mơ hình từ xác định số lượng thiết bị cần sử dụng lựa chọn thiết bị: Hình 3.1 Cấu trúc tổng quan mơ hình Từ cấu trúc tổng quan hệ thống ta thấy sơ đồ sử dụng bình nước nóng, 1thùng chứa nước lạnh, bình trộn, cảm biến đo mức, van tay, van từ, van điều khiển, cảm biến đo mức cảm biến đo nhiệt độ 3.1.7 Hình ảnh tổng quan mơ hình thí nghiệm Hình 3.2 Tổng quan mơ hình thí nghiệm thực tế 3.2 Phần mềm thiết kế giao diện 3.2.1 Giới thiệu chung Để lập trình cho điều khiển, thiết kế giao diện cho người vận hành, kết nối điều khiển với máy tính… ta cần sử dụng tới phần mềm kèm với điều khiển AC800M Các phần mềm bao gồm: - Control builder M - Eplant Visual Basic - Softcontroller - OPC Server - SFC Viewer 3.2.2 Thiết kế giao diện Trong luận văn này, việc thiết kế giao diện cho người sử dụng vấn đề quan trọng Giao diện thiết kế xây dựng cho người sử dụng nên cần phải đơn giản hóa, hiệu dễ sử dụng Việc thiết kế giao diện điều khiển giúp cho người sử dụng giao tiếp điều khiển điều khiển cách dễ dàng Đồng thời, cho phép người vận hành theo dõi giám sát hệ thống cách thuận tiện 3.3 Nhận dạng đối tượng điều khiển q trình - Nhận dạng tác động dịng nóng đến mức (G21) Nhan dang tac dong cua dong nong den m L (G uc 21) 10 Delta Level (% ) Ly thuyet Thuc te Thoi gi an chet Khuech dai 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Tim (sec) e 70 75 80 85 90 - Nhận dạng tác động dòng lạnh đến mức L(G22) Nhan dang tac dong cua dong lanh den muc L (G22) Delta Level (%) Thuc te Ly thuyet Thoi gian chet Khuech dai 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Time (sec) - Nhận dạng tác động dòng lạnh tới nhiệt độ T3 (G12) Nhan dang tac dong cua dong lanh den nhiet T3 (G12) -2 -4 Delta T3 (%) Thoi gian chet -6 Ly thuyet Thuc te -8 -10 -12 -14 -16 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (sec) 100 110 120 130 140 150158.5 - Nhận dạng tác động dịng nóng đến nhiệt độ T3 (G11) Nhan dang tac dong cua dong nong den nhiet T3 (G11) 40 35 Delta T3 (%) 30 25 20 Ly thuyet Thuc te 15 Thoi gian chet 10 0 25 50 75 100 125 150 Time (sec) 175 200 225 250 Chương THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỀN BẰNG PHẦN MỀM MATLAP 4.1 Tính tốn điều khiển cho vịng điều khiển đa biến 4.1.1 Mơ hệ thống chưa có tách kênh Để thấy ảnh hưởng tác động xen kênh, ta tiến hành mơ hệ với vịng điều khiển đa biến chưa có tách kênh a) Mơ trình điều khiển đa biến với điều khiển tính tốn theo phương pháp sử dụng tiêu chuẩn tối ưu Hình 4.1 Mơ q trình đa biến chưa có tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu Kết mô phỏng: - Đáp ứng nhiệt độ T3: Hình 4.2 Đáp ứng nhiệt độ T3 trình đa biến chưa có tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu - Đáp ứng mức L: Hình 4.3 Đáp ứng mức L trình đa biến chưa có tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu Nhận xét: Có thể thấy rằng, có tác động xen kênh vịng điều khiển đơn biến điều khiển thiết lập cho vịng điều khiển đơn biến khơng cịn xác Trong trường hợp thấy đáp ứng nhiệt độ có tác động xen kênh có độ điều chỉnh lớn (khoảng 34,4%), thời gian độ đáp ứng nhiệt khoảng 700s thời gian độ đáp ứng mức L khoảng 500s Điều chấp nhận b) Mô trình điều khiển đa biến với điều khiển tính tốn theo phương pháp tổng hợp trực tiếp DS Hình 4.4 Mơ q trình đa biến chưa có tách kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp - Kết mô phỏng: Đáp ứng nhiệt độ T3: Hình 4.5 Đáp ứng nhiệt độ T3 q trình đa biến chưa có tách kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS - Đáp ứng mức L: Hình 4.6 Đáp ứng mức L q trình đa biến chưa có tách kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS Nhận xét: Từ kết mơ thấy rằng, có tác động xen kênh vịng điều khiển đơn biến điều khiển thiết lập cho vịng điều khiển đơn biến khơng cịn xác Trong trường hợp thấy đáp ứng nhiệt độ có tác động xen kênh có độ điều chỉnh lớn (khoảng 14,3%), thời gian độ đáp ứng nhiệt khoảng 600s Trong đáp ứng mức khơng bám theo lượng đặt, có sai lệch tĩnh lớn (cỡ 10%) Điều chấp nhận c) Mô trình điều khiển đa biến với điều khiển tính tốn theo phương pháp IMC Hình 4.7 Mơ q trình đa biến chưa có tách kênh sử dụng phương pháp IMC - Kết mô phỏng: Đáp ứng nhiệt độ T3: Hình 4.8 Đáp ứng nhiệt độ T3 q trình đa biến chưa có tách kênh sử dụng phương pháp IMC - Đáp ứng mức L: Hình 4.9 Đáp ứng mức L trình đa biến chưa có tách kênh sử dụng phương pháp IMC Nhận xét: Từ kết mô thấy rằng, trường hợp đáp ứng nhiệt độ có tác động xen kênh có độ điều chỉnh lớn (khoảng 17,9%), thời gian độ đáp ứng nhiệt khoảng 600s Trong đáp ứng mức có dao động lớn thời gian độ khoảng 400s Điều khơng thể chấp nhận Kết luận: Có thể thấy rằng, có tác động ảnh hưởng xen kênh việc điều khiển trở nên khó khăn, đáp ứng đầu q trình khơng tốt với thời gian độ lớn Do đó, việc thiết lập tách kênh để phân trình thành vòng điều khiển đơn biến yêu cầu cần thiết Phần tiếp theo, tiến hành tính tốn tách kênh mơ hệ thống thêm tách kênh Hình 4.2 Đáp ứng nhiệt độ T3 q trình đa biến chưa có tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu 4.1.3 Mơ hệ thống có tách kênh Mơ q trình điều khiển đa biến với điều khiển tính tốn theo phương pháp sử dụng tiêu chuẩn tối ưu Hình 4.7 Mơ q trình đa biến có tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu T 0C Hình 4.8 Đáp ứng nhiệt độ T3 q trình đa biến có tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu CHƯƠNG THÍ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ ĐỂ KIỂM CHỨNG Sau có kết mơ phỏng, ta áp dụng điều khiển tính tốn vào mơ hình thực tế 5.1 Quá trình khởi động Thực ghép nối điều khiển với mơ hình trước sau thêm tách kênh Kết thu từ đồ thị Trend thể sau: Hình 5.1 Q trình khởi động chưa có tách kênh Hình 5.2 Q trình khởi động có tách kênh 5.2 Thay đổi giá trị đặt nhiệt độ T3 Hình 5.3 Thay đổi giá trị lượng đặt T3 chưa có tách kênh Hình 5.4 Thay đổi giá trị lượng đặt T3 có tách kênh 5.3 Thay đổi giá trị đặt mức Level Hình 5.5 Thay đổi giá trị lượng đặt mức L chưa có tách kênh Hình 5.6 Thay đổi giá trị lượng đặt mức L có tách kênh 5.4 Thay đổi giá trị đặt van CV3 Hình 5.7.Thay đổi giá trị lượng đặt lưu lượng đầu chưa có tách kênh Hình 5.8 Thay đổi giá trị lượng đặt lưu lượng đầu có tách kênh KẾT LUẬN: Từ kết thu mơ hình thực tế, ta thấy tách kênh hoạt động hiệu việc hạn chế ảnh hưởng tác động xen kênh, đáp ứng mức nhiệt độ bị ảnh hưởng đầu vào đáp ứng lại thay đổi Thời gian độ trường hợp có tách kênh giảm đáng kể Tuy nhiên, tách kênh chưa thể tách kênh hoàn toàn, dao động đáp ứng xuất không đáng kể Điều xấp xỉ khâu tính tốn q trình nhận dạng đối tượng trình KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN: Trong trình làm luận văn với đề tài: “Nghiên cứu phân tích hệ điều khiển q trình đa biến” tơi tìm hiểu tiếp thu nhiều kinh nghiệm thực tế toán điều khiển nói chung tốn điều khiển q trình nói riêng Cùng với đó, tơi tổng hợp nhiều kiến thức kinh nghiệm thực tế Trong luận văn này, thu kết sau: - Nghiên cứu phân tích hệ điều khiển trình đa biến - Khảo sát đối tượng thực nghiệm, kiểm chứng tính tốn mơ hình thực - Thiết kế điều khiển tách kênh để nâng cao chất lượng hệ điều khiển q trình đa biến KIẾN NGHỊ: Trên mơ hình thí nghiệm mở rộng cho thuật điều khiển khác điều khiển mơ hình dự báo đa biến, điều khiển tuyến tính phi tuyến.Điều khiển thích nghi bền vững