LỜI NÓI ĐẦU
Trong giai đoạn phát triển ngày nay, điều khiển quá trình đã
và đang giữ một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp dầu
khí, hóa chất, công nghệ thực phẩm… quyết định đến việc đảm bảo
cho các dây chuyền sản xuất đạt được năng suất và chất lượng mong
muốn.
Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn
bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm
bảo đảm các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất
lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu suất sản xuất, an toàn cho con
người, máy móc và môi trường. Như vậy việc nghiên cứu và thực
nghiệm về điều khiển quá trình là rất cần thiết.
. Trong phạm vi nghiên cứu các vấn đề cơ bản của quá
trình đa biến điều khiển mức và nhiệt độ.
Chương 1
LÝ THUYẾT CHUNG CỦA HỆ ĐA BIẾN
1.1. Điều khiển quá trình là gì?
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động
trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm
nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con
người, máy móc và môi trường.
Hình 1.1: Quá trình và phân loại các biến quá trình.
1.2. Mục đích của điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận
hành an toàn, hiệu quả và kinh tế quá trình công nghệ.
- Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru:
- Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm:
- Bảo vệ môi trường:
- Nâng cao hiệu quả kinh tế:
Chương 2
XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN
2.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển quá trình:
Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển quá trình được trình
bầy như sau:
Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình
Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ Tự động hóa, các hệ
thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương
đối phức tạp, nhưng chúng đều phải dựa trên các thành phần cơ bản
là: thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển.
Hình 2.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình.
2.2. Thiết bị đo
2.3. Thiết bị chấp hành
2.4. Thiết bị điều khiển
2.5 .Mô hình toán học các đối tượng
- Đối tượng bình trộn
Hình 2.6: Xác định biến quá trình của 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 vòng điều khiển
Từ mô hình thí nghiệm đã được xây dựng và yêu cầu của bài
toán điều khiển, ta có thể thấy rằng trong mô hình có 2 vòng điều
khiển đơn:
- Vòng điều khiển nhiệt độ T3:
- Vòng điều khiển mức L:
2.7. Lý thuyết bộ tách kênh
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý bộ tách kênh.
Chương 3
GIỚI THIỆU BÀN THÍ NGHIỆM
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
3.1. Cấu trúc phần cứng
3.1.1. Cấu trúc mô hình
Trước khi đi xây dựng, ta phải xác định được cấu trúc tổng
quan của mô hình từ đó xác định được số lượng thiết bị cần sử dụng
và lựa chọn các thiết bị:
Hình 3.1. Cấu trúc tổng quan mô hình
Từ cấu trúc tổng quan của hệ thống ta thấy sơ đồ sử dụng 1
bình nước nóng, 1thùng chứa nước lạnh, 1 bình trộn, 1 cảm biến đo
mức, 4 van tay, 3 van từ, 3 van điều khiển, 3 cảm biến đo mức và 3
cảm biến đo nhiệt độ.
3.1.7. Hình ảnh tổng quan mô hình thí nghiệm
Hình 3.2. Tổng quan mô hình thí nghiệm thực tế.
3.2. Phần mềm và thiết kế giao diện
3.2.1. Giới thiệu chung
Để lập trình cho bộ điều khiển, thiết kế giao diện cho người
vận hành, kết nối bộ điều khiển với máy tính… ta cần sử dụng tới
những phần mềm đi kèm với bộ điều khiển AC800M. Các phần mềm
đó bao gồm:
- Control builder M
- Eplant và 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 là một vấn đề rất quan trọng. Giao diện được thiết kế và xây
dựng cho những người sử dụng nên cần phải đơn giản hóa, hiệu quả
và dễ sử dụng. Việc thiết kế giao diện điều khiển giúp cho người sử
dụng có thể giao tiếp và điều khiển bộ điều khiển một cách dễ dàng.
Đồng thời, cũng cho phép người vận hành có thể theo dõi và giám
sát hệ thống một cách thuận tiện.
3.3. Nhận dạng đối tượng của điều khiển quá trình
- Nhận dạng tác động của dòng nóng đến mức (G21)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Nhan dang tac dong cua dong nong den muc L (G21)
Time (sec)
Delta Level (%)
Ly thuyet
Thuc te
Thoi gian chet
Khuech dai
- Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến mức L(G22)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Nhan dang tac dong cua dong lanh den muc L (G22)
Time (sec)
Delta Level (%)
Thuc te
Ly thuyetThoi gian chet
Khuech dai
- Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới nhiệt độ T3 (G12)
Nhan dang tac dong cua dong lanh den nhiet do T3 (G12)
Time (sec)
Delta T3 (%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150158.5
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
Ly thuyet
Thuc te
Thoi gian chet
- Nhận dạng tác động của dòng nóng đến nhiệt độ T3 (G11)
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Nhan dang tac dong cua dong nong den nhiet do T3 (G11)
Time (sec)
Delta T3 (%)
Ly thuyet
Thuc te
Thoi gian chet
Chương 4
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỀN BẰNG
PHẦN MỀM MATLAP
4.1. Tính toán bộ điều khiển cho các vòng điều khiển đa biến
4.1.1. Mô phỏng hệ thống khi chưa có bộ tách kênh
Để thấy được ảnh hưởng của các tác động xen kênh, ta tiến
hành mô phỏng hệ với các vòng điều khiển đa biến khi chưa có bộ
tách kênh.
a) Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến với bộ điều khiển tính toán
theo phương pháp sử dụng các tiêu chuẩn tối ưu
Hình 4.1. Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử
dụng
phương pháp tối ưu.
Kết quả mô phỏng:
- Đáp ứng nhiệt độ T3:
Hình 4.2. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ
tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu
- Đáp ứng mức L:
Hình 4.3. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách
kênh sử dụng phương pháp tối ưu
Nhận xét: Có thể thấy rằng, khi có tác động xen kênh giữa
các vòng điều khiển đơn biến thì bộ điều khiển thiết lập cho các vòng
điều khiển đơn biến không còn chính xác. Trong trường hợp này có
thể thấy rằng đáp ứng nhiệt độ khi có tác động xen kênh có độ quá
điều chỉnh rất lớn (khoảng 34,4%), thời gian quá độ của đáp ứng
nhiệt là khoảng 700s và thời gian quá độ của đáp ứng mức L là
khoảng 500s. Điều này là không thể chấp nhận được.
b) Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến với bộ điều khiển tính toán
theo phương pháp tổng hợp trực tiếp DS
Hình 4.4. Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử
dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp
Kết quả mô phỏng:
- Đáp ứng nhiệt độ T3:
Hình 4.5. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ
tách kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS
- Đáp ứng mức L:
Hình 4.6. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách
kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng có thể thấy rằng, khi có tác
động xen kênh giữa các vòng điều khiển đơn biến thì bộ điều khiển
thiết lập cho các vòng điều khiển đơn biến không còn chính xác.
Trong trường hợp này có thể thấy rằng đáp ứng nhiệt độ khi có tác
động xen kênh có độ quá điều chỉnh lớn (khoảng 14,3%), thời gian
quá độ của đáp ứng nhiệt là khoảng 600s. Trong khi đó đáp ứng mức
thì không bám theo lượng đặt, có sai lệch tĩnh lớn (cỡ 10%). Điều
này là cũng không thể chấp nhận được.
c) Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến với bộ điều khiển tính toán
theo phương pháp IMC
Hình 4.7. Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử dụng
phương pháp IMC
Kết quả mô phỏng:
- Đáp ứng nhiệt độ T3:
Hình 4.8. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách
kênh sử dụng phương pháp IMC
- Đáp ứng mức L:
Hình 4.9. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách
kênh sử dụng phương pháp IMC
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng có thể thấy rằng, trong trường hợp
này đáp ứng nhiệt độ khi có tác động xen kênh có độ quá điều chỉnh
lớn (khoảng 17,9%), thời gian quá độ của đáp ứng nhiệt là khoảng
600s. Trong khi đó đáp ứng mức có sự dao động lớn và thời gian
quá độ là khoảng 400s. Điều này là cũng không thể chấp nhận được.
Kết luận: Có thể thấy rằng, khi có tác động của ảnh hưởng
xen kênh thì việc điều khiển trở nên rất khó khăn, đáp ứng đầu ra của
quá trình là không tốt với thời gian quá độ lớn. Do đó, việc thiết lập
một bộ tách kênh để phân quá trình thành các vòng điều khiển đơn
biến là một yêu cầu cần thiết. Phần tiếp theo, chúng ta sẽ tiến hành
tính toán bộ tách kênh và mô phỏng hệ thống khi đã thêm bộ tách
kênh.
Hình 4.2. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ
tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu
4.1.3. Mô phỏng hệ thống khi đã có bộ tách kênh
Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến với bộ điều khiển
tính toán theo phương pháp sử dụng các tiêu chuẩn tối ưu
Hình 4.7. Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng
phương pháp tối ưu
Hình 4.8. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh
sử dụng phương pháp tối ưu
CHƯƠNG 5
THÍ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ ĐỂ KIỂM CHỨNG
Sau khi có kết quả mô phỏng, ta có thể áp dụng các bộ điều khiển đã
tính toán được vào mô hình thực tế.
5.1. Quá trình khởi động
T
0
C
Thực hiện ghép nối bộ điều khiển với mô hình trước và sau
khi thêm bộ tách kênh. Kết quả thu được từ đồ thị Trend được thể
hiện như sau:
Hình 5.1. Quá trình khởi động khi chưa có bộ tách kênh.
Hình 5.2. Quá trình khởi động khi đã có bộ tách kênh.
5.2. Thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ T3
Hình 5.3. Thay đổi giá trị lượng đặt T3 khi chưa có bộ tách kênh.
Hình 5.4. Thay đổi giá trị lượng đặt T3 khi có bộ tách kênh.
5.3. Thay đổi giá trị đặt của mức Level
Hình 5.5. Thay đổi giá trị lượng đặt mức L khi chưa có bộ tách kênh.
Hình 5.6. Thay đổi giá trị lượng đặt mức L khi đã có bộ tách kênh.
5.4. Thay đổi giá trị đặt của van CV3
Hình 5.7.Thay đổi giá trị lượng đặt lưu lượng đầu ra khi chưa có bộ
tách kênh.
Hình 5.8. Thay đổi giá trị lượng đặt lưu lượng đầu ra khi đã có bộ
tách kênh.
KẾT LUẬN: Từ các kết quả thu được trên mô hình thực tế,
ta có thể thấy rằng bộ tách kênh đã hoạt động hiệu quả trong việc hạn
chế ảnh hưởng của các tác động xen kênh, các đáp ứng mức và nhiệt
độ ít bị ảnh hưởng đầu vào của đáp ứng còn lại thay đổi. Thời gian
quá độ trong các trường hợp khi có bộ tách kênh cũng đã giảm đi
đáng kể. Tuy nhiên, bộ tách kênh vẫn chưa thể tách kênh hoàn toàn,
sự dao động của các đáp ứng vẫn xuất hiện mặc dù là không đáng kể.
Điều này là do sự xấp xỉ trong các khâu tính toán và trong quá trình
nhận dạng các đối tượng của quá trình.
KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN:
Trong quá trình làm luận văn với đề tài: “
Nghiên cứu phân tích
hệ điều khiển quá trình đa biến
” tôi đã tìm hiểu và tiếp thu được
nhiều kinh nghiệm thực tế trong một bài toán điều khiển nói chung
và trong bài toán điều khiển quá trình nói riêng. Cùng với đó, tôi đã
tổng hợp được nhiều kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế.
Trong luận văn này, tôi đã thu được những kết quả như sau:
- Nghiên cứu và phân tích được hệ điều khiển quá trình đa
biến
- Khảo sát được đối tượng thực nghiệm, kiểm chứng các tính
toán trên mô hình thực.
- Thiết kế được điều khiển tách kênh để nâng cao chất lượng
hệ điều khiển quá trình đa biến.
KIẾN NGHỊ:
Trên mô hình thí nghiệm có thể mở rộng cho các thuật điều
khiển khác như điều khiển mô hình dự báo đa biến, điều khiển tuyến
tính và phi tuyến.Điều khiển thích nghi và bền vững.
