Báo cáo thí nghiệm điều khiển quá trình

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Bài 1:Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức.
A:Xây dựng mô hình lý thuyết
1:Xây dựng mô hình đối tượng bình mức.

2:Nhận dạng đối tượng dựa trên đáp ứng quá độ: Dùng sơ đồ được mô tả trên
simulink như sau.

Cho tín hiệu tác động bậc thang ở đầu vào ta có đáp ứng của hàm quá độ như sau:
1


Hệ thống một bình mức là khâu tích phân quán tính bậc nhất có mô hình toán
học:

G(s)=
Từ lý thuyết và đồ thị ta xác định được các tham số của mô hình như sau:
T=3.7
K=5/(7-3.7)=1.51

3:Kiểm chứng mô hình ta dùng mô hình sau:

2


Với các thông số tính toán ở trên ta được đồ thị như sau

Dễ thấy đồ thị mô phỏng (above line) và đồ thị nhận dạng (bottom line) có sự
khai khác nhất định, ta phải tiến hành chỉnh định các tham K và T của khâu tích
phân ở trên để đạtđược sai số khoảng 25% theo nguyên tắc khi tăng K thì làm đồ
thị cao lên, và khi tăng Tthì làm nó ra xa trục hoành, và ngược lại.

3


Từ đồ thị ta thấy sai số đồ thị của hai mô hình là nhỏ hơn 25% nên ta có bộ tham
số của mô hình như sau:
T=3.7,K=1.51

B:Thiết kế sách lược điều khiển cho hệ thống
Tính toán thông số bộ điều khiển theo công thức ziegler Nichol 1 với các thông số
sau:T=3.7;K=1.51
Bộ điều khiển
Kc
Ti
Td
P

1/K=0.66

PI

0.9/K=0.6

PID

1.2/K=0.95

10T/3 = 12.3
2T=7.4

Dạng hàm truyền đạt PID : K(s) = Kc(1 +
1. Sách lược điều khiển truyền thẳng.
a. Lưu đồ P&ID:

4

+Td*s)

0.5T=1.85


b:Sơ đồ trên simulink.

Ta được kết quả mô phỏng như sau:

5


Scope:

Scope1:

6


Dễ thấy tín hiệu đầu ra không bám theo tín hiệu chủ đạo, quá
trình không đi đến ổn định. Takhông sử dụng sách lược điều khiển
truyền thẳng để điều khiển đối tượng bình mức được.
2. Sách lược điều khiển phản hồi :
a. Lưu đồ P&ID:

7


b.Sơ đồ trên simulink:

C:Sử dụng các bộ điều khiển thường:
+Sử dụng bộ điều khiển P:
Kết quả mô phỏng:
Scope:

8


Scope1:

9


+ Sử dụng bộ điều khiển PI:
Scope:

Scope1:

10


+ Sử dụng bộ điều khiển PID:
Scope:

11


Scope1:

12


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 Winup), 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.
D:Sử dụng khâu chống bão hòa tích phân:
+ PI-RW:
Sơ đồ:Khâu PI nối tiếp với khâu chống bão hòa tích phân:

Trong đó:Thông số của khâu PI-RW được xác định theo Zinger Nicol1 như sau:
Gain:K=Kc=0.45
Gain1:K=1/Ti=0.067.
Gain2:K=1/Tt=4/Ti=0.27.
Sơ đồ simulink:

13


Kết quả mô phỏng:

Scope:

Scope1:

14


+ PID-RW:
Sơ đồ :Khâu PID nối tiếp với khâu chống bão hòa tích phân:

Trong đó:Thông số của khâu PID-RW được xác định theo Zinger Nicol1 như
sau:
Gain:K=Kc=0.6.
Gain1:K=1/Ti=0.11.
Gain2:K=1/Tt=4/Ti=0.44
15


Gain3:K=Td=2.25
Sơ đồ simulink:

Kết quả mô phỏng:
Scope:

16


Scope1:

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
- Đã giảm được sai lệch tĩnh xuống mức thấp.
3. Sách lược điều khiển tầng :
a. Lưu đồ P&ID:

17


b:Sơ đồ trên simulink:

C: Mô phỏng với các bộ điều khiển khác nhau.
+) Vòng ngoài là bộ điều khiển P (lấy Kp = 1000) , vòng trong là bộ điều
khiển P (Kp = 10000)
Kết quả mô phỏng như sau:
Scope:

18


Scope1:

19


+) Vòng ngoài là bộ điều khiển P(Kp = 1000), vòng trong là bộ điều khiển
PI-RW có các thông số như trên bài điều khiển phản hồi.
Sơ đồ:

Kết quả mô phỏng:
Scope:
20


Scope1:

21


+)Vòng ngoài là bộ điều khiển P(Kp = 1000), vòng trong là bộ điều khiển
PID-RW có các thông số như bộ điều khiển phản hồi
Sơ đồ:

Kết quả mô phỏng:
Scope:

22


Scope1:

So sánh giữa sách lược điều khiển phản hồi và điều khiển tầng
- Cả hai sách lược điều khiển phản hồi và tầng đều đem lại kết quả điều
khiển khá tốt, thời gian xác lập nhanh, độ quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh
nhỏ.
- Tuy nhiên khi thay đổi giá trị đặt và lưu lượng ra, ta thấy bộ điều khiển
tầng có đáp ứng nhanh với độ quá điều chỉnh nhỏ hơn bộ điều khiển phản
hồi. Vì trong bộ điều khiển tầng có khâu tỷ lệ P ở vòng ngoài nên tác động

nhanh với sự thay đổi của nhiễu ở đầu vào và có tác dụng triệt tiêu được
nhiễu này.

23


Bài 2 : Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức
A:Xây dựng mô hình lý thuyết
1:Xây dựng mô hình đối tượng bình mức.

2:Nhận dạng đối tượng : Dựa trên đáp ứng quá độ dùng mô hình sau:

Cho tín hiệu tác động dạng bậc thang ở đầu vào, ta có đồ thị đáp ứng của hệ
thống như hình vẽ.
scope:

24


Scope1:

25