Bài tập lớn mô hình lý thuyết điều chỉnh mức nước docx

Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
MỤC LỤC
Chương 1. ĐỀ BÀI……………………………………………………… 3
Chương 2. NỘI DUNG BÀI THUYẾT TRÌNH…… … … 6
2.1. Xác Định Mô Hình Đối Tượng Điều Chỉnh……………….7
2.1.1. Xác định mô hình điều chỉnh mức nước………………7
2.1.2. Xác định mô hình điều chỉnh nhiệt độ……….……… 9
2.2. Xác Định Bộ Điều Chỉnh Bền Vững………………………12
2.2.1. Xác định bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R
1

cho vòng điều chỉnh mức nước ………… …………… ….10
2.2.2. Xác định bộ điều chỉnh bền vững tối ưu
cho vòng điều chỉnh nhiệt độ … ……………………… 13
Chương 3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG… 14
3.1. Đánh Giá Chất Lượng Của Hệ Thống
Điều Chỉnh Mức Nước………………………………… 14
3.2. Đánh Giá Chất Lượng Của Hệ Thống
Điều Chỉnh Nhiệt Độ……………………………………… 18
Chương 4. ĐÁNH GIÁ ĐỘ BẤT ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG… 21
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
1

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
4.1. Xác Định Độ bất Định Của Đối Tượng
Điều Chỉnh Mức Nước…………………………………… 21
4.2. Xác Định Độ bất Định Của Đối Tượng
Điều Chỉnh Nhiệt Độ……… ……………………… 23

…………………… Tài liêu tham khảo …………………….27
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
2

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
BÀI TẬP LỚN TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH NHIỆT
Cho bộ chao đổi nhiệt chỉnh cấp nước nóng liên tục cho hộ tiêu thụ
(hình 1) với các thông số công nghệ như sau:
- H - mức nước trong bình trao đổi nhiệt,[ m]
- θ - nhiệt độ nước ra, [
0
C]
- μ
1
- độ mở van V
1
, điều chỉnh nước cấp vào.
- q
1
- lưu lượng nước cấp vào
- q
r
- lưu lượng nước ra tiêu thụ
- μ
2
- độ mở van V
2
, điều chỉnh dòng môi chất trao đổi nhiệt

- q
2
– lưu lượng môi chất trao đổi nhiệt
các thông số ở trạng thái cân bằng : H
0
, θ
0
, μ
1
0
, μ
2
0
, q
1
0
, q
2
0
, q
r
0
=q
1
0
q
1
[m
3
/h]

q
2
[m
3
/h]
∆
H,[m]
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
3

stt: 37
,
θ
[
0
C]
Hình 1. Bộ trao đổi nhiệt cung cấp nước nóng cho hộ tiêu thụ
q
1
V
1
V
2
q
2
µ
2
µ
1
H

∆
H
0
q
r
R
2
R
1
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
∆
θ
,[
0
C]
Hình 2. Đặc tính của van V
1
Hình 3. Đặc tính của van V
2
Hình 5. Đặc tính quá độ của
Đối tượng 0
11
:q
1

→
H
t, phút
t, phút

2
4
6
75
25
50
75
30
20
10
µ
2
,[%]
µ
1
,[%]
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
4

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
50
25
0,75
0,25
0,50
7,5
5,0
2,5

0,3
0,2
0,1
6
4
2
Hình 4. Đặc tinh quá độ của đối tượng 0
22

→
θ
V
1
V
2
H
0
θ
0
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
5

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
µ
1
µ
2
H

θ
q
1
q
2
ε
1
ε
2
0
11
0
21
0
22
Hình 6. Hệ thống điều chỉnh bộ trao đổi nhiệt hai chiều. bình nhiệt có hai đối
tượng trên kênh thẳng: 0
11
,0
22
và trên một kênh liên hệ chÐo: 0
21
.
R
2
R
1
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
6

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
NHIỆM VỤ
• Mô hình hóa theo các kênh điều chỉnh mức nước và kênh điều chỉnh
nhiệt độ
• Xác định các bộ điều chỉnh bền vững tối ưu đối với từng kênh điều
chỉnh nói trên
• Đánh giá chất lượng điều chỉnh theo từng kênh điều chỉnh nói trên
• Xác định độ bất định của các đối tượng theo từng kênh dắc tính phi
tuyến của van gây ra
Cho biết độ mở của các van có thể biến thiên trong khoảng
- Van V
1
trong khoảng ∆μ
1
= ±15% xung quanh điểm cân bằng
đã cho
- Van V
2
trong khoảng ∆μ
2
= ±25% xung quanh điểm cân bằng đã
cho
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
7

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt

BÀI LÀM
Đây là bộ trao đổi nhiệt cung cấp nước nóng liên tục cho hộ tiêu
dùng
Hệ này chia làm hai vòng điều chỉnh riêng biệt :
- Vòng điều khiển mức nước : đối tượng điều chỉnh kênh thẳng
O
11
.
- Vòng điều khiển nhiệt độ : đối tượng điều chỉnh là kênh thẳng
O
22
.
Hai vòng điều khiển này liên hệ bằng kênh liên hệ chéo O
21
.
Từ phân tích trên ta có sơ đồ hệ thống của bộ trao đổi nhiệt cung
cấp nước nóng liên tục cho hộ tiêu thụ trên như sau.
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
8

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Hình 7 . Sơ đồ hệ thống tương đương của bộ trao đổi nhiệt hai chiều
Đối tượng điều chỉnh của hệ thống điều chỉnh mức nước là:
O
1
= V
1
O

11
V
1
– là van điều chỉnh, là khâu tỷ lệ ( đầu vào μ
1
đầu ra q
1
) với
đặc tính cho trên hình 2 ; O
11
– đối tượng công nghệ theo kênh
q
1
→H với đặc tính cho trên hình 4
Đối tượng điều chỉnh của hệ thống điều chỉnh nhiệt độ là:
O
2
= V
2
O
22
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
9

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
V
2
– là van điều chỉnh, là khâu tỷ lệ ( đầu vào μ

2
đầu ra q
2
) với
đặc tính cho trên hình 3 ; O
22
– đối tượng công nghệ theo kênh
q
2
→θ với đặc tính cho trên hình 5
II. XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU CHỈNH
II.1 Xác Định Mô Hình Điều Chỉnh Mức Nước O
1
(s)
Ta có sơ đồ hệ thống của khâu điều chỉnh mức nước như sau.
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
10

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
11

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Từ Hình 4 đặc tính quá độ của đối tượng O
11
có dạng của một đối

tượng tích phân có quán tính và trễ. Do đó mô hình của đối tượng có
dạng như sau :
1
11
11
1
(1 )
K
s
s T s
O e
τ
−
=
+
. Nhiệm vụ ta cần phải đi xác
định các đại lương sau : K
11
, T
11
và τ
1
. Từ đồ thị đặc tính quá độ của
khâu O
11
ta xác định được các giá trị trên như sau :
+ Thời gian trễ : τ= 0.982
+ Hằng số quán tính T
1
=0.80

+ Hệ số truyền
11
1
0.12
2
2,7
tg
K
α
µ
= =
∆
=0,022
+ với ∆μ
1
=
100
%
37
= 2,7
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
12

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Do đó mô hình của đối tượng
O
11
là :

3
11
22.10
0.982
(1 0.8 )
s
s s
O e
−
−
=
+
Từ đồ thị đặc tính của van V
1
ta
xác định được K
v1
như sau.
Ta có :
K
v1
=tg γ =
0,11
19,58
≈
5,62 10
-3

Từ đây ta có mô hình của đối tượng O
11

(s) như sau
O
1
(s) = K
v1
. O
11
(s) =5,62 10
-3

3
0,982
22.10
.
(1 0,8 )
s
s s
e
−
−
+
=
6
0,982
123,64 10
.
(1 0,8 )
s
s s
e

−
−
+
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
13

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
II.2 Xác Định Mô Hình Điều Chỉnh Nhiệt Độ Nước Ra O
2
(s)
Ta có sơ đồ hệ thống của khâu điều chỉnh nhệt độ nước ra như sau.
Ta có thể coi tín hiệu của q
1
là nhiễu ảnh hưởng đến O
2
.
( )
( ) ( )
2
22
22
1 2
1 1
s
K
s
T s T s
O e

τ
−
=
+ +
Từ Hình 5 đồ thị đặc tính
quá độ của khâu O
22
(s) ta nhận thấy đối tượng O
22
là một khâu quán
tính bậc hai có trễ.
Mô hình đối tượng
O
22
có dạng :
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
14

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Ta cần xác định các giá trị K
22
, T
1
, T
2
và thời gian trễ τ
2
.

Từ đồ thị đặc tính quá độ ta có :
+ giá trị xác lập ∆θ(∞)= 8
o
C
+ hằng số quán tính biểu trưng T
a
= 17,48 ph.
+ tọa độ điểm uốn.
U( t
u
; ∆θ
u
)= U(14,75; 3,27)
Do đó ta có tung độ tương đối của điểm uốn là :
g=
( )
3,27
0,40875
8
U
θ
θ
∆
= =
∆ ∞
ta thấy g > g
max
=0,264
với δ = g - g
max

= 0,40875 –
0,264= 0,145.
Nên : T
1
= T
2
= T
a
(1 0,8 )
e
δ
−
=
17,48.
(1 0,8.0,145)
e
−
=5,68 phút
Thời gian trễ :
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
15

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
τ
2
= t
U
–T

a
(1 2,4 )
e
δ
+
=14,75 – 17,48
( )
1 2,4.0,145
e
+
=6,08 phút
Hệ số truyền của mô hình là K
22
=
( )
2
θ
µ
∆ ∞
∆
=
8
8,8
=0,91. Thay tất cả các
giá trị vừa tìm được vào biểu thức mô hình của đối tượng O
22
:
Mô hình của đối tượng điều chỉnh nhiệt độ O
22
là :

( )
( ) ( )
6,08
22
0,91
1 5,68 1 5,68
s
s
s s
O e
−
=
+ +
Từ đồ thị đặc tính của van V
2
ta
xác định được K
v2
như sau:
Từ các giá trị xác định được ta có :
K
v2
= tgγ=
6,75
39,5
=0,171
Do vậy khâu O
2
(s) có hàm truyền là :
O

2
(s)= K
v2
.O
22
(s)
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
16

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
= 0,171.
( ) ( )
6,08
0,91.
1 5,68 1 5,68
s
s s
e
−
+ +
=
( ) ( )
6,08
0,16.
1 5,68 1 5,68
s
s s
e

−
+ +
III. XÁC ĐỊNH BỘ ĐIỀU CHỈNH BỀN VỮNG
3.1. Xác Định Bộ Điều Chỉnh Bền Vững Tối Ưu R
1
Cho
Vòng Điều Chỉnh Mức Nước
Từ mô hình hàm truyền của khâu O
1
(s) ta có mô hình của bộ điều
chỉnh bền vững tối ưu R
1
cho vòng điều chỉnh mức nước là :
1
1
(1)
1
1
( ) . ( )
PT
s s
s
O
R
θ
−
∗
=
Trong đó ta có thể lấy chỉ số tắt dần ψ=0,945 chỉ số dao động
m=0,461. Thay vào biểu thức để tìm hằng số θ

c
thời gian như sau :
ar ( )
2
2
ar ( ) 1
2
m ctg m
c
ctg m m
e
π
θ
π
 
−
 
 
=
 
− +
 
 
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
17

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Thay vào ta có θ

c
=1,348 do đó θ
1
= θ
c
.τ = 1,348. 0,982= 1,32
Với mô hình hàm truyền
( )
6
0,982
1
123,64.10
.
(1 0,8 )
s
s
s s
O e
−
−
=
+
Ta có :
( )
( )
( )
6
1
1
1 0,8

123,64.10
PT
s s
s
O
−
−
+
=
( )
6 6
3
1
1 (1 0,8 ) (1 0,8 )
6,13.10 (1 0,8 )
1,32
270.10 163,2.10
s s s
s s
s
R
− −
∗
+ +
= = = +
Vậy bộ điều chỉnh mức nước là
( )
1
s
R

∗
=
3
6,13.10 (1 0,8 )s
+
2.2. Xác Định Bộ Điều Chỉnh Bền Vững Tối Ưu Cho Vòng
Điều Chỉnh Nhiệt Độ
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
18

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Từ mô hình hàm truyền của khâu O
2
(s) ta có mô hình của bộ điều
chỉnh bền vững tối ưu R
2
cho vòng điều chỉnh mức nước là :
1
2
(2)
2
1
( ) . ( )
PT
s s
s
O
R

θ
−
∗
=
Lấy chỉ số tắt dần là ψ= 0,945, chỉ số dao động m= 0,461
Tính được θ
2
= K
θ
.τ = 1,348.6,08=8,20
( )
( )
( ) ( )
1
2
1 5,68 1 5,68
0,16
PT
s s
s
O
−
+ +
=
Và
→
( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
2

1 5,68 1 5,68 1 5,68 1 5,68
1
8,2 0,16 1,31
0,763 1 5,68 1 5,68
s s s s
s
s s
s s
R
∗
+ + + +
= = =
= + +
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
19

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
IV. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
Phần này chúng ta sử dụng phần mềm CASCAD để vẽ các đặc
tính của hệ thống
3.1. Đánh Giá Chất Lượng Của Hệ Thống Điều Chỉnh Mức
Nước.
Từ dạng của mô hình đối tượng ta đã tính toán được ở phần “1.2 “
với sơ đồ hệ thống điều chỉnh ta tổng hợp được bộ điều chỉnh mức
nước tối ưu trên phần mềm CASCAD và vẽ được các đực tính của
hệ thống như sau.
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
20

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Đặc tính mềm của hệ thống sau khi phần mềm CASCAD tự tổng hợp
bộ điều chỉnh tối ưu
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
21

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Từ đồ thị đặc tính mềm của hệ hở của vòng điều chỉnh mức nước
ta thấy đường cong này không bao điểm (-1;j0). Vậy theo tiêu
chuẩn NYQUIST hệ này có dự trữ ổn đinh.
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
22

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Đồ thị đáp ứng thời gian của vòng điều chỉnh mức nước và đặc
tính tần số biên độ theo kênh đặt và kênh nhiễu
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
23

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
Trên đồ thị đặc tính đáp ứng thời gian của hệ thống điều khiển mức

nước theo kênh đặt, với tín hiệu vào là xung bậc thang ta có chất
lượng của hệ thống được đánh giá qua các chỉ số sau
• Thời gian điều chỉnh : T
x
= 6,223
• Chỉ tiêu tich phan bac hai: J
2
=
( )
2
0
t dt
e
∞
∫
= 1,506

• Độ quá điều chỉnh δ ( độ vượt trên giá trị điều khiển cần
thiết) :δ = 0,24d5
• Hệ số tắt dần : Ψ= 0,946
Chất lượng của hệ thống điều khiển mức nước theo kênh nhiễu được
đánh giá qua các chỉ số sau
• Thời gian điều chỉnh : T
x
= 6,223
• Chỉ tiêu tich phan bac hai: J
2
=
( )
2

0
t dt
e
∞
∫
= 1,506

• Hệ số tắt dần : Ψ= 0,948
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
24

stt: 37
Bài tập lớn : Lí Thuyết Điều Chỉnh Quá
Trình Nhiệt
3.2. Đánh Giá Chất Lượng Của Hệ Thống Điều Chỉnh Nhiệt
Độ.
Sinh viên : LÊ THẾ LỢI Lớp: Nhiệt Lạnh 1- k53 SHSV : 20081625
25

stt: 37