Báo cáo thí nghiệm điều khiển quá trình

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Họ và Tên: Lê Thiện Đức
SHSV:

20125469

Nhóm:

12

Hiệu chỉnh:
+ start time: 0.0s , Stoptime: 13700s, Type: Fixed step, solve: Ode 4, Fixed step size: 0.2s
Các Tham số trong khối single-tank:
+ course number:

57

+ class number :

12

+ name list number: 69


BÀI 1
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT
NƯỚC

BÌNH

I. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH MỨC
1. Xác Định Các Tín Hiệu Vào/ra và nhiễu hệ thống.

Nhiễu F2
Biến Điều Khiển
F1

- Tín hiệu vào: Độ mở van vào

Hệ Thống

(In value ) - F1

- Tín hiệu ra : Mức nước trong bình (Level)
- Nhiểu hệ thống: Độ mở van ra

Biến Cần Điều Khiển

- h

(Out value) – F2

- Số biến vào là 2
- Số biến ra là

1

=> số bậc tự do là : 3-1=2 và bằng số biến vào . Nên hệ có khả năng điều khiển được.

h

2. Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng với các tham số hình thức:
- Phương trình cân bằng vật chất:

dV
dh
 A  F1  F 2
dt
dt

(1)

Trong đó: A là tiết diện cắt ngang của bình chứa (coi như đều từ trên xuống).
Phương trình mô hình ở trạng thái xác lập:
dh
(2)
0 A
 F1  F 2
dt
Trừ vế của (1) – (2) ta được:

A
Đặt: y  h; u  F 2; d  F1
- Phương trình trở thành:

d h
 F1  F 2
dt

dy 1
 (d  u )
dt A
- Tại trạng thái ban đầu tất cả các biến chênh lệch đều y, u, d và dy

dt

đều bằng 0.

-Laplace 2 vế ta được

sy( s)  

1
1
u ( s)  d ( s)
A
A

- Do van là khâu quán tính bậc nhất nên hàm truyền của hệ thống sẽ có dạng:
( )

( )

(

)

3. Sử dung Simulink để xác định tham số mô hình (nhận dạng hệ thống):
- Tạo hàm đáp ứng đầu ra của hệ thống bằng cách tạo một tín hiệu bậc thang ở đầu vào:

Mô hình trong Simulink


Ta có đáp ứng quá độ như sau:

- Xác định các hệ số k, T:
+ Từ độ thị trên ta kẻ tiệm cận cắt trục hoành t tại điểm ứng với tọa độ (1.95,0). Ta chọn T=1.95.
- Từ đó ta tính hệ số góc K= tanα =
Suy ra: K=

với a= 16.7 và b=10 – 1.95 = 8.05

= 2.07

Vậy, ta được hàn truyền đạt sau: G(s) =

(

)


- Kiểm tra lại đáp ứng quá độ bằng mô hình simulink trong matlab:

Hai đồ thị đáp ứng của hàm truyền và của hệ thống mô phỏng


- Nhận Xét:
+ đồ thị đáp ứng của hàm truyền vừa tìm được chưa sát với đáp ứng của quá trình.
Vậy, ta phải điều chỉnh các thông số T và K để đáp ứng của hàm truyền sát với quá trình hơn.
- sau khi điều chỉnh ta được các thông số mới T= 2.5 và K = 2.8, độ thị đáp ứng mới

- Đáp ứng của hàm truyền sau khi điều chỉnh và của hệ thống mô phỏng:


II. CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU CHỈNH
1. Sách lược điều chỉnh có thể sử dụng:
+ Sách lược điều khiển phản hồi: Vì sách lược điều khiển phản hồi có tác dụng ổn định một hệ thống
không ổn định cụ thể là hệ thống bình mức.
+ Sách luợc điều khiển tầng: Vì sách lược điều khiển tầng cũng có tác dụng ổn định một hệ thống không
ổn định ngoài ra còn giảm tối thiểu được ảnh hưởng của nhiễu.
2. sách lược điều chỉnh không thể sử dụng:
- Sách lược điều khiển truyền thẳng:
+ Điều khiển truyền thẳng không có tác dụng ổn định một hệ thống không ổn định, cụ thể là hệ thống
bình mức trong bài thí nghiệm có thành phần tích phân.
+ Điều khiển truyền thẳng đáp ứng rất nhanh với nhiễu, do vậy nếu cảm biến đo không chính xác họặc sai
số mô hình lớn sẽ làm mực nước trong bình bị tràn quá hoặc cạn hết.
- Sách lược điều khiển tỉ lê: Do nguyên lý điều khiển của sách lược điều khiển tỉ lệ là duy trì quan hệ giữa
hai biến điều khiển nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3. Nhưng điều khiển bình mức chỉ có một biến
điều khiển là F1 nên không thể áp dụng
- Sách lược điều khiển lựa chọn: Do điều khiển lựa chon cũng yêu cầu ít nhất hai biến điều khiển mà hệ
thống bình mức chỉ có một biến điều khiển nên không xác định được tín hiệu điều khiển lấn át lên không
thể áp dụng sách lược điều khiển này.

III. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG:
- Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichol 1 vì phương pháp này áp dụng cho đối tượng có đặc tính là một
khâu quán trính bậc nhất hoặc khâu tích phân có thời gian trễ tương đối nhỏ.
Dạng hàm truyền của bộ điều khiển PID:
(s) = Kp( 1 +

+

)

Kp
P

= 0.4

-

-

PI

= 0.36

3.3T=9.24

-

PID

= 0.48

2T=5

0.5T= 1.4


2. Mô Phỏng Bộ Điều khiển PID trên Simulink

Nhờ điều chỉnh các thông số
hình vẽ trên.

,

,

ta sẽ có được những bộ điều khiển P, PI và PID tương ứng như

IV. MÔ HÌNH CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN.
1. Sách Lược Điều Khiển Truyền thẳng.
1.1. Mô Hình Sách Lược Truyền Thẳng :
F2

SP

Bộ điều khiển
PID

F1

Quá Trình

h


1.2. Lưu Đồ P&ID Của Sách Lược Truyền Thẳng.

PID

1.3. Mô Hình Trên Simulink.

Kp
0.48

Ti
5.6

Td
1.4


- Ta có đáp ứng của hệ thống:

- với hai bộ điêu khiển PI và P ta cũng được kết quả sai khác rất ít so với 2 kết quả trên.
1.4. Nhận Xét
+ khi bắt đầu quá trình mô phỏng, khi đặt mức nước trong bình thì mức nước trong bình tăng liên tục và
nhanh chóng làm tràn bình trong khi thời gian mô phỏng vẫn còn.
+ Sau đó khi mở van 2, vẫn giữ nguyên giá trị đặt thì mực nước trong bình lại giảm liện tục đến cạn bình.
=> hệ thống không ổn định.
=> không thể áp dụng được sách lược này để điều khiển hệ thống.
2. SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI VÒNG ĐƠN.
2.1. Mô Hình Sách Lược Điều Khiển Vòng Đơn
F2

SP

BỘ ĐIỀU KIỂN

F1

QUÁ TRÌNH

h


2.2. Lưu đồ P&ID Cho Sách Lược Điều Khiển Phản Hồi Vòng Đơn.

2.2. Mô Hình Mô Phỏng Trên Simulink.


2.3. Sử Dụng Sách Lược Điêu Khiển Phản Hồi Vòng Đơn Với Ba Bộ Điều Khiển P, PI, PID.
2.3.1. Trường hợp sở dụng bộ điều khiển P với Kp=0.4 .
- Đáp ứng quá độ

- Nhận Xét:
+ Hệ thống hoạt động ổn định, độ quá điều chỉnh nhỏ.
+ Thời gian quá độ ngắn.
+ Lưu lượng ra ổn đinh
+ tín hiệu ra bị lệch so với tín hiệu đặt như hình dưới


Như Vậy, sử dụng bộ điều khiển P rất đơn giản (đặc biệt hệ mô phỏng bình nước bản thân hệ đã có thành
phần tích phân), tác động rất nhanh mức chất lỏng gần sát với giá trị đặt và có tính ổn định cao.
2.2.2. Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI với Kp = 0.36 và

= 9.24.

- Đáp ứng của hệ thống

- Hiện Tượng: Khi tiến hành mô phỏng thì xảy ra hiện tượng mức nước tăng vọt trong thời gian ngắn kéo
dài thời gian quá độ. Đây là hiện tượng bão hòa tích phân (Reset Windup) xảy ra khi có thành phần tích
phân trong bộ điều khiển.
-Nhận Xét:
+ Độ quá điều chỉnh lớn.
+ Thời gian quá độ lớn.
+ Độ dự trữ ổn định giảm do có thành phần I trong bộ điều khiển.
Nên để khắc phục tình trạng này t cần them một khâu chống bão hòa tích phân vào bộ điều khiển.


2.2.3. Trường hợp sở dụng bộ điều khiển PID với Kp = 0.48 ,

=5.6 và

= 1.4

- Đáp ứng của hệ thống

- Hiện Tượng: Gần giống với khi sử dụng bộ điều khiển PI nhưng thời gian quá độ dài hơn
- Nhận Xét: + Độ quá điều chỉnh lớn
+ Thời gian quá độ dài
+ Tồn tại sai lệch tĩnh lớn


3. Sử dụng sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn dùng các bộ điều khiển P, PI-RW và PID-RW.
3.1. Sơ đồ bộ điều khiển:

- Với

= 0.5

và thông số cần đặt cho khối Saturation là : Upper limit :1
Lower limit: 0

3.2. Kết quả mô phỏng.
3.2.1. Đối với bộ điều khiển PI- chống bão hòa tích phân với Kp= 0.36, Ti=9.24, Tt=4.12
- Đáp ứng của hệ thống


- Nhận Xét:
+ Đã giảm được hiện tượng baoc hòa tích phân , tín hiệu ra nhanh chóng bám tới tín hiệu đặt mà không
giao 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.
+ đáp ứng ra đã bám sát với tín hiệu đặt với sai lệch tĩnh rất nhỏ như hình dưới ở cả hai bộ điều khiển


3.2.2. Đối với bộ điều khiển PID- chống bão hòa tích phân với

= 0.48,

= 5.6,

= 2.8 và

=1.4 .
- Đồ thị đáp ứng quá độ:

- Nhận Xét:

+ Độ quá điều chỉnh nhỏ.
+ Thời gian quá độ nhỏ và nhỏ hơn thời gian quá độ khi dùng bộ PI- chống bão hòa tích phân
( do có thành phần vi phân trong bộ điều khiển).
+ sai lệnh tĩnh giảm xuống mức thấp.


4. Sử dụng sách lược điều khiển tầng.
4.1. Lí do cần sử dụng điều khiển tầng
- vòng điều khiển phản hồi vòng đơn chưa đáp ứng được yêu cầu chất lượng.
- điều khiển tầng có các ưu điểm như: Cải thiện khả năng loại bổ 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. Do điều khiển
tầng có vòng ngoài điều khiển thẳng, phản ứng nhanh với nhiễu và triệt tiêu nhiễu này.
4.2. Xác định các vòng điều khiển, nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng.
+ Vòng 1 (vòng ngoài): Đo mức của bình 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
vào. (chọn Kp=10000).
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 cho bộ điều khiển P vòng ngoài).
+ Các thông số trong bộ PID-2 (vòng trong) dựa theo tính toán ở trên.
4.3.Điều khiển tầng không đo lưu lượng ra.
4.3.1. Cấu trúc:

Bộ điều khiển thứ
cấp

Bộ điều khiển sơ
cấp

-

-

Quá trình
In Flow

h


4.3.2. Lưu đồ P&ID.

4.3.3. Mô phỏng trên Simulink.


4.3.4. Sử dụng 2 bộ điều khiển P với
- Đáp ứng của hệ thống:

: Kp = 10000;

: Kp = 0.4


- Nhận Xét: Hệ thống ổn định với độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ nhỏ. Tuy nhiên vẫn còn sự
chênh lệch giữa Set Point & Level; giữa Out Flow và In Flow.
4.3.5. Sử dụng bộ điều khiển P/PI-RW với
.( đã hiệu chỉnh)
- Đáp ứng của hệ thống:

: Kp = 10000;

: Kp = 0.36,

= 8.34 và


- Nhận Xét:
+ Hệ thống ổn định với thời gian quá độ nhỏ
+ Độ quá điều chỉnh nhỏ.
+ Sai lệch tĩnh tương đối lớn.
+ Vẫn còn sự chênh lệch khá đáng kể giữa Set Point với Level, giữa Out Flow với In Flow .
+ Đáp ứng ra bị ảnh hưởng khi nhiễu quá trình( độ mở van 2) lớn.
.


4.4. Điều khiển tầng đo lưu lượng ra.
4.4.1. Cấu trúc bộ điều khiển.

SP

Bộ Điều Khiển
Sơ Cấp

+
_

4.4.2. Lưu đồ P&ID.

+
+

_

Bộ Điều Khiển
Thứ Cấp

Quá Trình
In F

Out F

h


3.4.3. Mô phỏng Trên Simulink

4.4.4. Sử dụng bộ điều khiển P/P.
- Đáp ứng của hệ thống:


-Nhận xét:
+ Đáp ứng ra luôn bám sát giá trị đặt với độ quá điều chỉnh thấp, thời gian quá độ nhỏ, sai lệch tĩnh nhỏ
đáng kể, sai lệch giữa lưu lượng vào với lưu lượng ra nhỏ. Ngoài ra khi nhiễu có giá trị lớn nhất (độ mở
van 2 bằng 1) mức nước trọng bình vẫn ổn định ở giá trị đặt (giá trị đặt ở đây trong khoảng từ 0 đến 400,
nếu lớn hơn 400 thì mức nước sẽ không còn ổn định nữa).