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: Hà Nội, Năm 2019 Báo cáo thực hành Điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hiệu chỉnh: - Start time: 0.0s - Stoptime: 12500s - Type: Fixed step - Solve: Ode - Fixed step size: 0.2s Các Tham số khối single-tank: - Course number: 61 - Class number : 12 - Name list number: SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385- Nhóm 12- STT:3 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội BÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT BÌNH NƯỚC 1.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH NƯỚC 1.1.1 Xác định tín hiệu vào/ nhiễu hệ thống Tín hiệu vào: Độ mở van vào (In Valve) - F1 Tín hiệu ra: Mức nước bình (Level) Nhiễu hệ thống: Độ mở van - h (Out Valve) - F2 Số biến vào là: Số biến : Số bậc tự là: 3-1 =2 số biến vào Hệ thống điều khiển 1.1.2 Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng với 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 khơng có nhiễu: A.s.h(s)= 𝐹1 (𝑠) => G’(s)= ℎ(𝑠) = 𝐹1 (𝑠) 𝐴.𝑠 Do đặc tính van nên hàm truyền đạt có dạng qn tính bậc : G(s)= SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 𝑘 𝑠.(𝑇𝑠+1) Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1.1.3 Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình Cho tín hiệu tác động bậc thang đầu vào Xác định hệ số k,T: Từ đồ thị ta kẻ tiệm cận cắt trục t điểm ứng với tọa độ (3,4;0) Nên T = 3,4 k= tan(𝛼) = 54,8 30−3,4 = 2,06 Như ta xác định hàm truyền đạt hệ là: G(s)= SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 2,06 𝑠.(3,4𝑠+1) Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Kiểm tra lại đáp ứng độ Matlab: Đường nét đứt thêm vào đường mức nước với đầu vào quán tính bậc vừa tính 1.2 CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU CHỈNH 1.2.1 Sách lược điều chỉnh sử dụng: Sách lược điều khiển phản hồi: Vì sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định hệ thống không ổn định cụ thể hệ thống bình mức Sách luợc điều khiển tầng: Vì sách lược điều khiển tầng có tác dụng ổn định hệ thống khơng ổn định ngồi giảm tối thiểu ảnh hưởng nhiễu SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1.2.2 Sách lược điều chỉnh sử dụng: - Sách lược điều khiển truyền thẳng: + Điều khiển truyền thẳng khơng có tác dụng ổn định hệ thống khơng ổnđịnh, cụ thể hệ thống bình mức thí nghiệm có thành phần tích phân + Điều khiển truyền thẳng đáp ứng nhanh với nhiễu, cảm biến đo khơng xác họặc sai số mơ hình lớn làm mực nước bình bị tràn cạn hết - Sách lược điều khiển tỉ lê: Do nguyên lý điều khiển sách lược điều khiển tỉ lệ trì quan hệ hai biến điều khiển nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ Nhưng điều khiển bình mức có biến điều khiển F1 nên áp dụng - Sách lược điều khiển lựa chọn: Do điều khiển lựa chon yêu cầu hai biến điều khiển mà hệ thống bình mức có biến điều khiển nên khơng xác định tín hiệu điều khiển lấn át lên áp dụng sách lược điều khiển 1.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG: Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol phương pháp áp dụng cho đối tượng có đặc tính khâu qn trính bậc 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: Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Dạng hàm truyền điều khiển PID: Nhờ điều chỉnh thơng số 𝑲𝒑 , 𝑻𝒊 , 𝑻𝒅 ta có điều khiển P, PI PID tương ứng hình vẽ 1.4 MƠ HÌNH CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN 1.4.1 Mơ hình điều khiển truyền thẳng 1.4.1.1 Mơ 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: Báo cáo thực hành điều khiển trình 1.4.1.3 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Mơ hình mơ Simulink 1.4.1.4 Sử dụng sách lược điêu khiển truyền thẳng với ba điều khiển P, PI,PID • Trường hợp sở dụng điều khiển P với 𝑲𝒑 =0,485 • Trường hợp sở dụng điều khiển PI với 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟑𝟕, 𝑻𝒊 =11.22 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: Báo cáo thực hành điều khiển 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 trường hợp đầu khơng bám theo tín hiệu chủ đạo 1.4.2 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn 1.4.2.1 Mơ 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: Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1.4.2.3 Mơ hình mơ 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 điều khiển P với 𝑲𝒑 =0,485 Nhận Xét: + Hệ thống hoạt động ổn định, độ điều chỉnh nhỏ + Thời gian độ ngắn + Lưu lượng ổn đinh Như vậy, sử dụng điều khiển P đơn giản (đặc biệt hệ mơ bình nước thân hệ có thành phần tích phân), tác động nhanh mức chất lỏng gần sát với giá trị đặt có tính ổn định cao SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội • Sử dụng điều khiển P/P với Kp ngoài= 10000; Kp = 1000 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 16 Báo cáo thực hành điều khiển q trình • Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Sử dụng điều khiển P/PI-RW với P : Kp = 10000; PI-RW : 𝑲𝒑 = 𝟎, 𝟒𝟑𝟕 ;𝑻𝒊 =𝑻𝒕 =11.22 Nhận xét: So sánh sách lược điều khiển phản hồi điều khiển tầng - Cả hai sách lược điều khiển phản hồi tầng đem lại kết điều khiển tốt, thời gian xác lập nhanh, độ điều chỉnh sai lệch tĩnh nhỏ - Tuy nhiên thay đổi giá trị đặt lưu lượng ra, ta thấy điều khiển tầng có đáp ứng nhanh với độ điều chỉnh nhỏ điều khiển phản hồi Vì điều khiển tầng có khâu tỷ lệ P vòng ngồi nên tác động nhanh với thay đổi nhiễu đầu vào có tác dụng triệt tiêu nhiễu SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 17 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Biện pháp: - Khi sai lệch điều khiển 0, tách bỏ thành phần tích phân ĐK, xóa trạng thái thành phần tích phân - Giảm hệ số khuếch đại nằm giới hạn cho phép - Đặt khâu giới hạn đầu ĐK bị giới hạn, phản hồi ĐK để thực thuật tốn bù nhằm giảm thành phần tích phân Hệ thống có bù nhiễu nhận tín hiệu từ mức nước đầu điều khiển dễ dàng ổn định hệ thống khơng có SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 18 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội BÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HAI BÌNH NƯỚC THƠNG NHAU 2.1 Xây dựng mơ hình cho đối tượng 2.1.1 Xác định tín hiệu vào, tín hiệu ra, nhiễu hệ thống số bậc tự - Tín hiệu vào: độ mở van F1, độ mở van F2 độ mở van F3 - Tín hiệu ra: Mức hai bình mức: level1: h1 level 2: h2 - Nhiễu: Độ mở van F3 - Số bậc tự do: 5-2 =3 số biến vào • Hệ có khả điều khiển 2.1.2 Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng với cá tham số hình thức Phương trình cân bằng: 𝑨𝟏 𝑨𝟐 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 𝒅𝒉𝟏 𝒅𝒕 𝒅𝒉𝟐 𝒅𝒕 = 𝑭𝟏 − 𝑭𝟐 = 𝑭𝟐 − 𝑭𝟑 19 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Biến đổi Laplace: 𝑨𝟏 s.𝑯𝟏 (s)= 𝑭𝟏 (𝒔) − 𝑭𝟐 (𝒔) 𝑨𝟐 s.𝑯𝟐 (s)= 𝑭𝟐 (𝒔) − 𝑭𝟑 (𝒔) Nếu khơng tính đến đặc tính qn tính bậc van, => 𝑮𝟏 ’(s)= 𝑮𝟐’(s) = 𝟏 𝑨𝟏 𝒔 𝟏 𝑨𝟐 𝒔 Do đặc tính van khâu có hàm truyền khâu qn tính bậc hai bình thơng nên đặc tính van khâu có hàm truyền khâu qn tính bậc có trễ Vì ta có hàm truyền đạt bình sau 𝑮𝟏 (s)= 𝑮𝟐 (s)= 𝒌𝟏 𝒔.(𝑻𝒔+𝟏) 𝒌𝟐 𝒔.(𝑻𝒔+𝟏) 𝒆−𝜽𝒔 2.1.3 Sử dụng Simulink để xác định tham số mơ hình SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 20 Báo cáo thực hành điều khiển q trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội • Bình 1: Qua phương pháp kẻ tiệm cận, ta xác định hàm truyền đạt bình có 𝑮𝟏 (s)= dạng: 𝟐.𝟔𝟓 𝒔.(𝟏,𝟗𝒔+𝟏) • Bình 2: Qua phương pháp kẻ tiệp cận, ta xác định hàm truyền đạt 𝑮𝟐 (s)= SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 𝟏,𝟏𝟓 𝒔.(𝟏𝟎.𝟑𝟏𝒔+𝟏) 𝒆−𝟏,𝟎𝟔𝒔 21 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Kiểm chứng mô hình ta dùng mơ hình sau Kết mơ sau: • Bình 1: SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 22 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội • Bình 2.2 Các sách lược điều chỉnh 2.2.1 Sách lược điều chỉnh sử dụng Sách lược điều khiển phản hồi: sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định thệ thống không ổn định, cụ thể hệ thống bình nước Sách lược điều khiển tầng: sách ược điều khiển tầng có tác dụng ổn đinh hệ thống khơng ổn định, ngồi giảm ảnh hưởng nhiễu, triệt tiêu sai lệch tĩnh cho chất ;ượng tốt điều khiển phản hồi 2.2.2 Sách lược điều khiển sử dụng Sách lược điều khiển truyền thẳng Điều khiển truyền thẳng khơng có tác dụng ổn định hệ thống khơng ổn đinh, cụ thể hệ thống bình nước thí nghiệm có thành phần tích phân Điều khiển truyền thẳng đáp ứng nhanh với nhiễu, cảm biến đo khơng xác sai số mơ hình lớn làm mực nước bình bị tràn cạn hết 2.3 Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng Sử dụng phương pháp Ziegler Nichol Bình 1: 𝑮𝟏 (s)= 𝟐.𝟔𝟓 𝒔.(𝟏,𝟗𝒔+𝟏) 𝑲𝒑 P 𝟏 𝒌 PI 𝟎,𝟗 𝒌 PID = 0,377 = 0,34 𝟏, 𝟐 = 𝟎, 𝟒𝟓𝟐 𝐤 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 𝑻𝒊 𝑻𝒅 - - 10.T/k= 7,17 - 2T= 3,8 0,5T =0,95 23 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bình 2: 𝑮𝟐 (s)= 𝟏,𝟏𝟓 𝒔.(𝟏𝟎.𝟑𝟏𝒔+𝟏) 𝒆−𝟏,𝟎𝟔𝒔 𝑲𝒑 P 𝟏 𝒌 PI 𝟎,𝟗 𝒌 PID 𝑻𝒊 𝑻𝒅 = 0,87 - - = 0,783 10T/k= 89,75 - 2.T= 20,62 0,5T =5.155 𝟏, 𝟐 = 𝟏, 𝟎𝟒 𝐤 2.4 Sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn sử dụng hai điều khiển P PI-RW 2.4.1 Lưu đồ P&ID 2.4.2 Sơ đồ Simulink SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 24 Báo cáo thực hành điều khiển trình • - Bộ điều khiển P Bình 1: - Bình 2: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội  Tồn sai lệch tĩnh  Nhạy cảm với nhiễu • Bộ điều khiển PI-RW: Trong đó: Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo Ziegler Nichol là: + Gain: K=Kp=0.34 + Gain1: K=1/Ti=0.14 + Gain 2: K=Td =0 + Gain 3: K=5 SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 25 Báo cáo thực hành điều khiển trình là: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo Ziegler Nichol + Gain: K=Kp=0.783 + Gain1: K=1/Ti=0.011 + Gain 2: K=Td =0 + Gain 3: K=10 Kết mơ Bình 1: Bình 2:  Bám tốt, sai lệch tĩnh nhỏ  Không bị điều chỉnh SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 26 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 2.5 Sách lược điều khiển tầng 2.5.1 Lưu đồ P&ID Xác định 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 nhiệm vụ vòng: + Vòng thứ nhất: Điều khiển độ mở van 1, có đặc tính động học biến đổi nhanh vòng thứ hai + Vòng thứ hai: Điều khiển độ mở van 2, có đặc tính động học biến đổi chậm vòng thứ 2.5.2 Bộ điều khiển P Vòng ngối điều khiển P (lấy Kp=10000) vòng điều khiển P (Kp=1000) SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 27 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bình : Bình 2:  Bám giá trị đặt  Sai lệch tĩnh nhỏ  Giảm ảnh hưởng nhiễu • Bộ P/PI-RW SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 28 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vòng ngồi điều khiển P(Kp=1000) để tăng đáp ứng hệ thống Vòng điều khiển Pi-RW để triệt tiêu sai lệch tĩnh Trong đó: Bộ điều khiển PI-RW có thơng số xác định theo Ziegler Nichol là: + Gain: K=Kp=0.34 + Gain1: K=1/Ti=0.14 + Gain 2: K=Td =0 + Gain 3: K=0.14 Bộ điều khiển PI-RW có thông số xác định theo Ziegler Nichol là: + Gain: K=Kp=0.783 + Gain1: K=1/Ti=0.011 + Gain 2: K=Td =0 + Gain 3: K=0.011 Kết mơ phỏng: Bình 1: SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 29 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bình 2:  Sai lệch tĩnh nhỏ  Ít nhạy cảm với nhiễu  Độ điều chỉnh nhỏ SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 30 ... STT: 14 Báo cáo thực hành điều khiển trình 1.4.4.1.2 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ điều khiển đo lưu lượng SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 15 Báo cáo thực hành điều khiển q trình. .. lược điều khiển tỉ lệ trì quan hệ hai biến điều khiển nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ Nhưng điều khiển bình mức có biến điều khiển F1 nên áp dụng - Sách lược điều khiển lựa chọn: Do điều khiển. .. vòng: - Bộ điều khiển vòng (thứ cấp) có chức loại trừ giảm đáng kể ảnh hưởng tới biến cần điều khiển thực SVTH: Nguyễn Văn Cao-20160385-Nhóm 12- STT: 12 Báo cáo thực hành điều khiển trình Trường