Đề tài Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức

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. F1 F2 h G(s) + 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: Adhdt = F1 - F2 Biến đổi Laplace: A.s.h(s) = F1(s) – F2(s) Khi không có nhiễu: A.s.h(s) = F1(s) → G'(s) = h(s)F1(s)= 1A.s Do đặc tính van nên hàm truyền của hệ thống là một khâu tích phân quán tính bậc nhất có dạng: G(s) = 1A.s.(Ts+1) = ks.(Ts+1) 3.Sử dụng Simulink để xác định các tham số mô hình. Cho tín hiệu tác động bậc thang ở đầu vào: Ta có đáp ứng của hàm quá độ như sau: 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 k = tan(α) = 16.210 - 2.9 = 2.28 Như vậy ta xác định được hàm truyền của hệ là : G(s) = 2.28s.(2.9s+1) Kiểm tra lại đáp ứng quá độ bằng Matlab: Ta thấy đồ thị đáp ứng quá độ gần trùng với đồ thị đáp ứng của hệ thống mô phỏng. 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: + 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 khiển phản hồi hoặc điều khiển tầng do các sách lược điều khiển này có tác dụng ổn định hệ thống không ổn định, trong trường 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 WPID(s) = kP(1+1Tis+Tds) 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 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. h F2 PID ĐTĐK SP 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. Đáp ứng hệ thống: 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 lại những ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Cần phối hợp điều khiển truyền thẳng với các sách lược điều khiển khác. V. SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI VÒNG ĐƠN. SP h ĐTĐK PID F2 Lưu đồ P&ID cho sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn. 1.Mô phỏng trên Simulink. 2.Sử dụng các bộ điều khiển khác nhau. 2.1. Bộ điều khiển P với Kp=0.4386 Đáp ứng quá độ: 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 - 2.3 Bộ điều chỉnh PID Kp Ti Td PID 1.2/k = 0.5263 2T = 5.8 0.5T = 1.45 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: + 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 = 0.5 Ti Thông số khối Saturation : Upper limit : 1 ; Lower limit : 0 Kết quả mô phỏng: + Sử dụng bộ điều khiển PID-RW + Sử dụng bộ điều khiển PI –RW 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). + 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. In Flow SP1 PID1 F2 PID2 ĐTĐK h Lưu đồ P&ID: 3.1 Mô phỏng trên Simulink. 3.2 Sử dụng bộ điều khiển P/P với PID1 : Kp = 10000 ; PID2 : Kp = 0.4386 Đáp ứng hệ thống: 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 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 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. In Flow SP1 PID1 F2 PID2 ĐTĐK Out Flow 4.Điều khiển tầng đo lưu lượng ra. Lưu đồ P&ID 4.1 Mô phỏng trên simulink 4.2 Sử dụng bộ điều khiển P/P Đáp ứng hệ thống: 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 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 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. + 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. BÀI 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HAI BÌNH MỨC THÔNG NHAU I.XÂY DỰNG MÔ HÌNH. 1.Xác định các tín hiệu vào/ra và nhiễu hệ thống. H1 Out Flow 3 H2 In valve 1 In valve 2 + Tín hiệu vào : Độ mở van vào : In valve 1; In valve 2 + Tín hiệu ra: Mức của hai bình mức : H1; H2 + Nhiễu : Độ mở van ra : Out valve 2, Out valve 3 2.Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng với các tham số hình thức. Phương trình cân bằng: A1dhdt = F1 - F2 A2dhdt = F2 - F3 Biến đổi Laplace: A1s.H1 (s) = F1 (s) - F2 (s)A2s.H2 (s) = F2 (s) - F3 (s) Nếu không có nhiễu tác động: G1'(s) = H1 (s)F1 (s)= 1A1sG2'(s) = H2 (s)F2 (s)= 1A2s Do đặc tính van 1,2: nên hàm truyền của khâu thứ nhất là một khâu tích phân quán tính, hàm truyền của khâu thứ hai là một khâu tích phân quán tính có trễ. G1 (s) = 1A1.s.(T1 s+1) = k1s.(T1 s+1)G2 (s) = 1A2.s.(T2 s+1)e-θs = k2s.(T2 s+1)e-θs 3.Sử dụng Simulink để xác định các tham số mô hình. 3.1 Xác định k1, T1 Scope : Đồ thị hàm quá độ h1(t) Ta kẻ tiệm cận của h1(t) cắt trục t tại điểm ứng với tọa độ (2.2;0). Chọn T1 =2.7 k1 = tanα ≈ 26.95/(10-2.7) ≈ 3.7 Để kiểm chứng ta dùng mô hình sau: Nhận xét : Đáp ứng quá độ phù hợp với đáp ứng hệ thống mô phỏng. Vậy hàm truyền của hệ thống bình mức 1 là : G1 (s) = 3.7s.(2.7s+1) 3.2 Xác định k2, T2, θ Đồ thị hàm quá độ h2(t) Ta kẻ tiệm cận của h2(t) cắt trục t tại điểm ứng với tọa độ (4.8;0). Chọn L =5.2 k2 = tanα ≈ 2.9/(10-4.8) ≈ 0.557 ; θ = 1.2 ; T2 = 4.8-1.2 = 3.6; Kiểm chứng lại bằng mô hình: Nhận xét : Đáp ứng quá độ phù hợp với đáp ứng hệ thống mô phỏng. Vậy hàm truyền của hệ thống bình mức 2 là: G2 (s) = 0.557s.(3.6s+1)e-1.2s II.CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN 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. Giải thích: + Điều khiển truyền thẳng không cho ta mức ổn định của bình mức nên không sử dụng. + Điều khiển phản hồi cho chất lượng ổn định nhưng sai lệch tĩnh lớn. + Điều khiển tầng có thể triệt tiêu sai lệch tĩnh & cho chất lượng tốt hơn điều khiển phản hồi nên nâng cao được chất lượng điều khiển. III.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID. 1.Tính toán dựa theo công thức Ziegler – Nichol. Dạng hàm truyền PID WPID(s) = kP(1+1Tis+Tds) 2.Thiết kế bộ điều khiển PID cho valve 1. G1 (s) = 3.7s.(2.7s+1) Kp Ti Td P 0.27 - - PI 0.333 8.91 - PID 0.324 5.4 1.35 3. Thiết kế bộ điều khiển PID cho valve 2. G2 (s) = 0.557s.(3.6s+1)e-1.2s Kp Ti Td P 1.795 - - PI 1.616 11.88 - PID 2.154 7.2 1.8 III.SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI KẾT HỢP BÙ NHIỄU. 1.Lưu đồ P&ID 2.Mô phỏng bằng Simulink 3.Sử dụng bộ điều khiển P PID valve1 : Kp= 0.27 ; PID valve2 : Kp=1.795 Nhận xét : Tác động của bộ điều khiển P làm hệ thống ổn định rất nhanh với độ quá điều chỉnh rất nhỏ và không có hiện tượng dao động quanh setpoint. 4.Sử dụng bộ điều khiển PI-RW PID valve1 : Kp=0.333, Ti =8.91 PID valve2 : Kp= 1.616, Ti =11.88, Nhận xét : Hệ thống ổn định với thời gian quá độ và độ quá điều chỉnh nhỏ. Có sai lệch tĩnh . 4.Sử dụng bộ điều khiển PID-RW PID valve1 : Kp= 0.324, Ti = 5.4, Tt =1.35 PID valve2 : Kp= 2.154, Ti =7.2, Tt =1.8 Nhận xét : Hệ thống ổn định với thời gian quá độ và độ quá điều chỉnh nhỏ. Không có sai lệch tĩnh & hiện tượng bão hòa tích phân. 5.Nhận xét về chất lượng của bộ điều khiển. Ba bộ điều khiển có tính ổn định tốt. Thời gian quá độ thay đổi theo từng bộ điều khiển. Do tính chất của các thành phần P, I, D nên: ổn định nhanh nhất là bộ điều khiển P. Tiếp đó là PID-RW và PI-RW IV. SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN TẦNG ĐO LƯU LƯỢNG RA 1.Lưu đồ P&ID 2.Xác định các vòng điều khiển và nhiệm vụ. + Vòng 1(vòng ngoài) : đo mức của bình chứa (Level1, Level2) rồi phản hồi lại so sánh với SP1, SP2 . + Vòng 2(vòng trong) : đo hiệu lưu lượng Flow1 & Flow2, Flow2 & Flow3, phản hồi & so sánh với giá trị đầu ra của vòng 1cho ta tín hiệu điều khiển( độ mở van phù hợp). Đặc điểm : + Hệ số khuếch đại Kp của 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 PID valve1, PID valve2 (vòng trong) dựa theo các tính toán ở trên. 3.Mô phỏng trên Simulink 4.Sử dụng bộ điều khiển P/P Các thông số của bộ điều khiển PID valve1 : Kp=0.27 ; PID valve1 : Kp=1.795 Đáp ứng hệ thống: Nhận xét: Hệ thống ổn định nhanh. Tăng set point 1 khiến cho hệ thống ổn định hơn. Flow1 & Flow2 dao động với biên đọ khá lớn trong khi Flow 3 khá ổn định với độ quá điều chỉnh nhỏ. Sai lệch tĩnh bị triệt tiêu. 5.Sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW Các thông số của bộ điều khiển: PID valve 1: Kp=0.333 ;Ti=8.91; PID valve 2: Kp= 1.616;Ti= 11.88; Nhận xét: Hệ ổn định. Khi chưa tăng SP1 thì mức trong bình 2 dao động với biên đọ nhỏ. Việc tăng giá trị đặt ở bình mức 1 làm hệ ổn định hơn. 6.Sử dụng bộ điều khiển P/PID-RW PID valve 1: Kp=0.324;Ti=5.4; Tt=1.35 PID valve 2: Kp= 2.154;Ti= 7.2, Tt=1.8 Nhận xét: Hệ ổn định. Có xuất hiện bão hòa tích phân với biên độ nhỏ không đáng kể( có thể do sai số trong quá trình chọn tham số bộ điều khiển). Việc tăng giá trị đặt ở bình mức 1 không làm hệ ổn định hơn.Flow2 dao động với biên độ khá lớn.