Báo cáo Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức

báo cáo ĐIỀU KHIỂN QUá TRìNH BÀI I 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, tín hiệu ra và nhiễu hệ thống + Tín hiệu vào: Độ mở van vào (In Valve) + Tín hiệu ra: Mức của bình mức (H) + Nhiễu hệ thống: Độ mở van ra (Out Valve) 2./ Xây dựng mô hình toán học cho đốI tượng: Out Flow In Valve + H Phân tích : + Khi HT được kích thích bởi khâu Step thì đáp ứng quá độ h(t) tăng dần tớI giá trị 1000(độ cao của bình mức) thì bão hòa (do bình mức bị giớI hạn trên=1000). Nếu độ cao của bình chứa là vô hạn thì đường đáp ứng h(t) vẫn tiếp tục tăng vô hạn => hệ thống có thành phần vi phân + Đáp ứng quá độ h(t) có dạng đường cong lên (rõ nhất trong khoảng t=0->50 s ) => hệ thống có thành phần khâu quán tính bậc nhất + Khi đầu vào thay đổi từ 0 -> 1 => đáp ứng h(t) thay đổI theo => Hệ thống có thành phần trễ không đáng kể (coi bằng không). => Hàm truyền của hệ thống gồm 1 khâu tích phân và 1 khâu quán tính bậc nhất có dạng:
3./ Sử dụng SIMULINK để xác định các tham số mô hình (K , T) :0. + Mô hình :
3.1./ Phương pháp đường cong đáp ứng : + Như đã phân tích ở phần 2 : Hàm truyền hệ thống có dạng

+ Từ hàm quá độ h(t) ta kẻ tiếp tuyến với đồ thị : Cắt trục t : ta được T=25 Lấy 2 điểm A & B bất kỳ , chiếu lên 2 trục ta được Yo=300 , T0=120 + Xác định các tham số


+ Nhận được hàm truyền
*./ Kiểm tra lại : + Từ hàm truyền G(s) ta kiểm tra lạI đáp ứng quá độ bằng MATLAB >> G=tf(2.5,[25 1 0]) Transfer function: 2.5 ---------- 25 s^2 + s >> step(G) + Đáp ứng quá độ
=> Đáp ứng quá độ phù hợp với đáp ứng của hệ thống mô phỏng + Vậy hàm truyền cuả mô hình bình mức:

3.2./ Phương pháp bình phương cực tiểu + Giả sử bình mức có hàm truyền
+ Chuyển sang hệ gián đoạn với thời gian trích mẫu 0.1 >> G=tf(2.5,[25 1 0]) Transfer function: 2.5 ---------- 25 s^2 + s >> c2d(G,0.1,'zoh') Transfer function: 0.0004993 z + 0.0004987 ----------------------- z^2 - 1.996 z + 0.996 Sampling time: 0.1 0.0004993 z + 0.0004987 VËy G(z) = ---------------------- z^2 - 1.996 z + 0.996 + Kích thích đầu vào tín hiệu bậc thang đơn vị ta nhận được đáp ứng U(k)={ 0 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1} Y(k)={ 0 , 0 , 0.00027 , 0.0011 , 0.0024 , 0.00435} + Hệ thống đã biết có bậc m=n=2. Chọn giớI hạn quan sát t=6 + Ta có ma trận:

+ Xác định các tham số của mô hình nhờ mâ trận q
0.0004993 z + 0.0004987 VËy G(z) = ---------------------- z^2 - 1.996 z + 0.996 + Phương pháp bình phương cực tiểu cho ta hàm truyền đúng với hàm truyền của mô hình bình mức 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 lựa chọn + Điều khiển phân vùng 3./ Giải thích: + Điều khiển truyền thẳng không cho ta mức ổn định của bình mức + Điều khiển tỉ lệ được áp dụng cho hệ thống : duy trì quan hệ giữa 2 biến nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3, mà điều khiển bình mức chỉ có 1 biến điều khiển nên không được áp dụng. + Điều khiển lựa chọn, điều khiển phân vùng yêu cầu có ít nhất là 2 biến điều khiển, mà bình mức chi có 1 biến điều khiển, nên không xác định được tín hiệu điều khiển lấn át => không được áp dụng sách lược này. 4./ Lưu đồ P&ID ®iÒu khiÓn ph¶n håi vßng ®¬n
Mô phỏng trên SIMULINK
4.2./ Điều khiển tầng: Lưu đồ P&ID
Mô phỏng trên SIMULINK
III./ Mô hình sách lược truyền thẳng
1./ Mô phỏng trên SIMULINK
+ Đáp ứng đầu ra của bình mức (xem lai so do nay)
2./ Nhận xét về khả năng áp dụng sách lược ĐK truyền thẳng: + Mức nước trong bình tăng lien tục đến khi thời gian t=400(chưa hết thời gian mô phỏng) thì bình chứa đã đầy tràn chứng tỏ hệ thống không ổn định => không thể áp dụng sách lược này. 3./ Giải thích: + Chỉ cần sai số nhỏ trong quá trình đo lưu lượng ( rất dễ mắc phải) hoặc sai số nhỏ ở van điều khiển là nguyên nhân chính gây nên HT không ổn định (tràn bình hoặc cạn bình) IV./ Sách lược điều khiển vòng đơn: 1./ Mô phỏng trên SIMULINK
+ Đáp ứng đầu ra của bình mức khi chưa có bộ ĐK:
Nhận xét : + Độ quá điều chỉnh :
= 0.57% + Thời gian quá độ : tqd=250 s + Đặc tính lưu lượng ra chưa ổn định , còn dao động 2./ Sử dụng các bộ điều khiển khác nhau 2.1./ Bộ điều khiển P : VớI Kp= 6.8
=> Nhận xét : + Độ quá điều chỉnh :
= 0.4% + ThờI gian quá độ : tqd=145 s + Đặc tính lưu lượng ra đã ổn định 2.2./ Bộ điều khiển PI : + víi bé ®iÒu khiÓn PI ta ¸p dông ph­¬ng ph¸p tèi ­u ®èi xøng Dùa vµo ph­¬ng tr×nh hµm truyÒn ë ph­¬ng ph¸p kÎ tiÕp tuyÕn lµ:
Ta cã: k=2.5; T1=25 Ta sÏ cã c¸c tham sè ®­îc chän nh­ sau : Khi a=5 thi: Kp=
=0.007155 vµ Ti=a*T1=125 Kp/Ti=0.00005724 + Đáp ứng hệ thống vớI bộ PI
=> Nhận xét : + Độ quá điều chỉnh :
= 1% + ThờI gian quá độ : tqd=140 s + Đặc tính lưu lượng ra kém ổn định hơn so vớI bộ P do khâu tích phân I 2.3./ Bộ điều khiển PID: => K==8.16 Ti=50 =>K/Ti=0.1632 Kd=102 + Đáp ứng hệ thống vớI bộ PID
=> Nhận xét : + Độ quá điều chỉnh :
= 1% + ThờI gian quá độ : tqd=150 s + Đặc tính lưu lượng ra ổn định hơn so vớI bộ PI 3./ Nhận xét chung: + Điều khiển bình mức thực chất đã có khâu tích phân do đó khi lựa chọn bộ ĐK ta chỉ cần dùng bộ điều khiển P là đủ . + Nếu dùng bộ PI hoặc PID do có thành phần tích phân nên dễ gây ra hiện tượng “Reset Windup “ + Nếu dùng nên chọn thông số khâu tích phân rất nhỏ, hoặc áp dụng các phương pháp loạI bỏ hiện tượng “Reset Windup”. 4./ VớI vòng phản hồI đơn ta có thể không cần đo lưu lượng ra. + Trong vòng ĐK đơn thì lưu lượng ra là tín hiệu nhiễu của quá trình. Nếu không đo lưu lượng ra thì không giảm được tốI đa ảnh hưởng của Tín hiệu nhiễu vì vậy mà ảnh hưởng xấu tớI chất lượng của hệ thống Mặc dù hệ thống vẫn ổn định V./ Sách lược điều khiển tầng: 1./ GiảI thích tạI sao cần sử dụng sách lược điều khiển tầng: + Vòng ĐK đơn chưa đáp ứng được yêu cầu chất lượng + Ta có thể dễ dàng đo được & điều khiển dược biến quá trình thứ 2 (Biến đo :Hiệu của lưu lượng Out Fow & In Fow) có liên quan đến biến thứ nhất (Mức của bình) + Đặc tính động học của biến thứ 2 (lưu lượng Out Fow & In Fow) nhanh hơn biến thứ nhất. 2./ Xác định các vòng ĐK & nhiệm vụ & đặc điểm cần xây dựng: 2.1./ Vòng ĐK: + Vòng 1(vòng ngoài): đo mức của bình rồI phản hồI lạI so sánh vớI SP1 + Vòng 2(vòng trong):Đo hiệu lưu lượng Out Flow & In Flow,phản hồI lạI so sánh vớI giá trị đầu ra của vòng 1(là giá trị Set Poit cho vòng 2) 2.2./ Nhiệm vụ & đặc điểm của từng vòng: + Vòng 1: so sánh giá trị SP1 vớI mức của bình chứa cho ta lưu lượng vào mong muốn (giá trị SP2 cho vòng 2) . + Vòng 2 : so sánh SP2 vớI hiệu lưu lượng Out Flow & In Flow cho ta tín hiệu điều khiển ( độ mở van phù hợp) + Vòng 2 có đặc tính động học biến đổI nhanh hơn đặc tính động học của vòng 1 3./ Xây dựng vòng ĐK trong trường hợp không đo được lưu lượng ra: + Mô hình SIMULINK
+ Đáp ứng của hệ thống vớI thông số khâu ĐK đã chọn ở trên:
=> Nhận xét: + Chất lượng của hệ thống thay đổI phụ thuộc vào lưu lượng ra (nhiễu hệ thống). Do không triệt tiêu được tín hiệu nhiễu + Trong khoảng t=0->300 (s) lưu lượng ra Out Flow =0 thì đáp ứng của hệ thống ổn định tốt + Trong khoảng t=300->600 (s) Out Flow=0.45 thì đáp ứng của hệ thống vẫn ổn nhưng chất lượng giảm sút: Overshoot tương đốI lớn Sai lệch giữa lưu lượng vào & ra đáng kể 4./ Xây dựng vòng ĐK trong trường hợp đo được lưu lượng ra: + Mô hình SIMULINK
+ Đáp ứng của hệ thống
=> Nhận xét: + Khi đo được lưu lượng ra , đáp ứng của hệ thống ổn định không phụ thuộc vào sự thay đổI lưu lượng ra. Ta đã giảm được sự ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu. Overshoot nhỏ Sai lệch giữa In Flow & Out Flow nhỏ => So sánh hai trường hợp: + Trường hợp đo được lưu lượng ra: khi hệ thống đạt trạng thái ổn định dù thay đổI lưu lượng ra thì hệ thống vẫn ổn định( hạn chế tốI đa nhiễu) + Trường hợp không đo được lưu lượng ra: khi hệ thống đạt trạng thái ổn định , nếu thay đổI lưu lượng ra thì hệ thống mất ổn định( chịu ảnh hưởng của nhiễu) + Trường hợp đo được lưu lượng ra cho ta chất lượng tốt hơn trường hợp không đo được lưu lượng ra. VI./ Nếu sử dụng bộ điều khiển có thành phần tích phân (PI,PID) 1./ Nhận xét về độ quá điều chỉnh & sự dao động: + Dùng bộ ĐK có thành phần tích phân sẽ làm giảm độ quá điều chỉnh nhưng lạI làm tăng sự dao động 2./ Nguyên nhân : + Nguyên nhân dẫn đến sự dao động là do hiện tượng “Reset Windup”: tức là hiện tượng đầu ra của bộ điều chỉnh vẫn tiếp tục tăng quá mức giớI hạn khi sai lệch điều khiển đã trở về không. 3./ Biện pháp khắc phục: thường sử dụng 2 phương pháp chủ yếu 1. Sử dụng khâu bù thành phần tích phân 2. Cắt bỏ thành phần tích phân khi giá trị được điều khiển đạt tớI giá trị đặt ( loạI trừ hoàn toàn hiện tượng Reset Windup) VII./ Khảo sát hệ thống khi tín hiệu đo mức chất lỏng bị nhiễu 1./ Nêu cách khắc phục: + Ta sử dụng khâu lọc đơn giản (K/(T.s+1)) làm giảm sự ảnh hưởng cúa tín hiệu nhiễu 2./ Mô phỏng bằng SIMULINK: + Mô hình ĐK tầng: Nhiễu đo : White Noise Sử dụng khâu lọc nhiễu L =

+ Đáp ứng Mức / In Flow / Out Flow
=> Nhận xét: Sử dụng khâu lọc nhiễu giúp hệ thống đạt trạng thái ổn định (giảm sự ảnh hưởng của nhiễu) BÀI II Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức I./ Xây dựng mô hình cho đốI tượng bình mức: 1./ Xác định các tín hiệu vào, tín hiệu ra và nhiễu hệ thống + Tín hiệu vào: Độ mở van vào: In Valve1 , In Valve2 + Tín hiệu ra: Mức của hai bình mức : H1 & H2 + Nhiễu hệ thống: Độ mở van ra: Out Valve3 2./ Xây dựng mô hình toán học cho đốI tượng: Out Flow3 In Valve1 In Valve2 H2 H1 II./ Lựa chọn sách lược điều chỉnh: 1./ Các sách lược có thể sử dụng : Điều khiển fi tập trung + Điều khiển phản hồI + Điều khiển tầng Điều khiển tập trung 2./ Lựa chọn sách lược + Ta lựa chọn sách lược điều khiển tầng. Vì sách lược này có thể triệt tiêu tốI đa sai lệch tĩnh & cho chất lượng hệ thống tốt hơn điều khiển phản hồi. 3./ Sơ đồ PI&D
S¬ ®å simulink
III./ Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống: 1./ Xác định tín hiệu điều khiển & tín hiệu đo: + Tín hiệu ĐK: Tín hiệu qua bộ PI&D để điều khiển độ mở van : In Valve1 & In Vale2 + Tín hiệu đo: Tín hiệu có được khi đo mức trong bình: Level 1& Level 2 Tín hiệu có được khi đo lưu lượng : Out Flow1 Out Flow2 Out Flow3 2./ Xác định vòng điều khiển cần xây dựng: + Vòng thứ nhất : Điều khiển độ mở van In Valve1 + Vòng thứ hai : Điều khiển độ mở van In Valve2 2.1./ Đặc điểm & nhiệm vụ của từng vòng: + Vòng 1: Điều khiển độ mở van In Valve1 & có đặc tính động học biến đổI nhanh hơn vòng 2 + Vòng 2 : Điều khiển độ mở van In Valve2 & có đặc tính động học biến đổI chậm hơn vòng 1 3./ Xây dựng các vòng ĐK đã nêu: 3.1./ Mô hình SIMULINK cho hệ thống ĐK phản hồI:
3.2./ Đáp ứng mức H1(t) / H2(t) & Flow1 / Flow2 / Flow3 khi đã chọn bộ ĐK
3.3./ Mô hình SIMULINK cho hệ thống ĐK tầng: + Lựa chọn bộ ĐK: Vòng ngoài: dùng bộ P nhằm tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống Vòng trong : dùng bộ PI nhằm triệt tiêu sai lệch tĩnh
3.4./ Đáp ứng mức H1(t) / H2(t) & Flow1 / Flow2 / Flow3 khi đã chọn bộ ĐK:
3.5./ Mô hình SIMULINK cho hệ thống ĐK tập trung:
3.6./ Đáp ứng mức H1(t) / H2(t) & Flow1 / Flow2 / Flow3 khi đã chọn bộ ĐK