BÁO CÁO CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BÁO CÁO
CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Giảng viên

: Bùi Ngọc Pha

Sinh viên thực hiện

: Lâm Quốc Anh

Lớp

: HC16MB

MSSV

: 1652017

Ngành

: Quá trình và thiết bị

2018 – 2019


Mục Lục

1. KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KHÂU ĐỘNG HỌC CƠ BẢN
1.1. Khâu quán tính bậc nhất
Cho bảng số liệu được nghiệm thu từ
Cho các tham số K =20; T =50 và K =20; T =100
1.1.1. K =20; T =50
>> num=20
num =
20
>> den=[50 1]
den =
50 1
>> w=tf(num,den)
w=
20
-------50 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> step(w)
>> hold on
>> impulse(w)
>> grid on
>> text(0,20,'K=20')
>> text(50,0,'T=50')

2


>>

Hình 1.1. Đặc tính trong miền thời gian của khâu quán tính bậc nhất K =20, T =50
1.1.2. K =20; T =100

>> num=20
num =
20
>> den=[100 1]
den =
100 1
>> w=tf(num,den)
w=
20
--------100 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> step(w)
>> hold on
>> impulse(w)
>> grid on
>> text(0,20,'K=20')
>> text(100,0,'T=100')
>>

3


Hình 1.2. Đặc tính trong miền thời gian của khâu quán tính bậc nhất K =20, T =100

1.2. Khâu bậc hai
Cho các tham số K =20, T =10, zeta =0; 0.25; 0.5; 0.75; 1.
1.2.1. K =20; T =10; zeta =0
>> num=20
num =
20

>> den=[10^2 2*0*10 1]
den =
100 0 1
>> w=tf(num,den)
w=
20
----------100 s^2 + 1
Continuous-time transfer function.
>> step(w)
>> hold on
>> impulse(w)
>> grid on
4


>>

Hình 1.3. Đặc tính trong miền thời gian của khâu bậc hai K =20; T =10; zeta =0
Dùng Simulink:

5


1.2.2. K =20; T =10; zeta =0.25
>> num=20
num =
20
>> den=[10^2 2*0.25*10 1]
den =
100 5 1

>> w=tf(num,den)
w=
20
----------------100 s^2 + 5 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> step(w)
>> hold on
>> impulse(w)
>> grid on
>>

Hình 1.4. Đặc tính trong miền thời gian của khâu bậc hai K =20; T =10; zeta =0.25
Dùng Simulink:

6


1.2.3. K =20; T =10; zeta =0.5
>> num=20
num =
20
>> den=[10^2 2*0.5*10 1]
den =
100 10 1
>> w=tf(num,den)
w=
20
7

-----------------100 s^2 + 10 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> step(w)
>> hold on
>> impulse(w)
>> grid on
>>

Hình 1.5. Đặc tính trong miền thời gian của khâu bậc hai K =20; T =10; zeta =0.5
Dùng Simulink:

8


1.2.4. K =20; T =10; zeta =0.75
>> num=20
num =
20
>> den=[10^2 2*0.75*10 1]
den =
100 15

1

>> w=tf(num,den)
w=
20
-----------------100 s^2 + 15 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> step(w)

>> hold on
>> impulse(w)
>> grid on

9


Hình 1.6. Đặc tính trong miền thời gian của khâu bậc hai K =20; T =10; zeta =0.75
Dùng Simulink:

10


1.2.5. K =20; T =10; zeta =1
>> num=20
num =
20
>> den=[10^2 2*1*10 1]
den =
100 20 1
>> w=tf(num,den)
w=
20
-----------------100 s^2 + 20 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> step(w)
>> hold on
>> impulse(w)
>> grid on
>>

Hình 1.7. Đặc tính trong miền thời gian của khâu bậc hai K =20; T =10; zeta =1
11


Dùng Simulink:

Nhận xét: Zeta thay đổi ảnh hưởng đến đặc tính quá độ của khâu bậc hai: Khi
zeta thay đổi từ 0 đến 1 độ dao động của hàm quá độ và hàm trọng lượng càng giảm,
và thời gian đạt giá trị cân bằng nhanh hơn.

12


2. KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG
2.1. Tìm hàm truyền tương đương của hệ thống

>> G1=tf([1 1],conv([1 3],[1 5]))
G1 =
s+1
-------------s^2 + 8 s + 15
Continuous-time transfer function.
>> G3=tf(1,[1 0])
G3 =
1
s
Continuous-time transfer function.
>> G13=G1+G3
G13 =
2 s^2 + 9 s + 15

-----------------s^3 + 8 s^2 + 15 s
Continuous-time transfer function.
>> G2=tf([1 0],[1 2 8])
G2 =
s
------------s^2 + 2 s + 8
Continuous-time transfer function.
>> H1=tf(1,[1 2])

H1 =
13


1
----s+2
Continuous-time transfer function.
>> G21=feedback(G2,H1)
G21 =
s^2 + 2 s
----------------------s^3 + 4 s^2 + 13 s + 16
Continuous-time transfer function.
>> Gtong=feedback(G13*G21,1)
Gtong =
2 s^4 + 13 s^3 + 33 s^2 + 30 s
------------------------------------------------s^6 + 12 s^5 + 62 s^4 + 193 s^3 + 356 s^2 + 270 s
>>
2.2. Tìm hàm truyền tương đương của hệ thống

2.2.1. K =8
>> G1=tf(8,[1 2])

G1 =
8
----s+2
Continuous-time transfer function.
>> G2=tf(1,conv([0.5 1],[1 1]))
G2 =
1
------------------0.5 s^2 + 1.5 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> G3=tf(1,[0.005 1])
G3 =
1
----------14


0.005 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> G=feedback(G1*G2,G3)
G=
0.04 s + 8
-----------------------------------------------0.0025 s^4 + 0.5125 s^3 + 2.52 s^2 + 4.01 s + 10
Continuous-time transfer function.
>> step(G)
>> hold on
>> impulse(G)
>> grid on
>>

Hình 2.1. Đặc tính trong miền thời gian của hệ với K =8

2.2.2. K =17.564411
>> G1=tf(17.564411,[1 2])
G1 =
17.56
----s+2
15


Continuous-time transfer function.
>> G2=tf(1,conv([0.5 1],[1 1]))
G2 =
1
------------------0.5 s^2 + 1.5 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> G3=tf(1,[0.005 1])
G3 =
1
----------0.005 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> G=feedback(G1*G2,G3)
G=
0.08782 s + 17.56
--------------------------------------------------0.0025 s^4 + 0.5125 s^3 + 2.52 s^2 + 4.01 s + 19.56
Continuous-time transfer function.
>> step(G)
>> hold on
>> impulse(G)
>> grid on
>>

Hình 2.2. Đặc tính trong miền thời gian của hệ với K =17.564411
16


2.2.3. K =20
>> G1=tf(20,[1 2])
G1 =
20
----s+2
Continuous-time transfer function.
>> G2=tf(1,conv([0.5 1],[1 1]))
G2 =
1
------------------0.5 s^2 + 1.5 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> G3=tf(1,[0.005 1])
G3 =
1
----------0.005 s + 1
Continuous-time transfer function.
>> G=feedback(G1*G2,G3)
G=
0.1 s + 20
-----------------------------------------------0.0025 s^4 + 0.5125 s^3 + 2.52 s^2 + 4.01 s + 22
Continuous-time transfer function.
>> step(G)
>> hold on
>> impulse(G)
>> grid on
>>

17


Hình 2.3. Đặc tính trong miền thời gian của hệ với K =20
Nhận xét:
+ Với K=8: đồ thị hàm quá độ và hàm trọng lượng dao động ít và kéo thẳng dần
khi thời gian tăng lên
+ Với K=17.564411: cả hàm quá độ và hàm trọng lượng dao động liên tục như
hình sin theo thời gian vô tận
+ Với K=20: hàm quá độ và hàm trọng lượng là 1 đường thẳng song song với trục
hoành và bắt đầu dao động khi t = 700 và càng ngày càng mạnh khi thời gian
tăng lên vô cùng. Cường độ dao động của hàm trọng lượng mạnh hơn hàm quá
độ

3. HIỆU CHỈNH BỘ PID

-

Hàm truyền của bộ PID

-

Hàm truyền của đối tượng
Số cuối
MSSV
7

KPID

Ti

Td

KDT

T1

T2

10

70

5

4

200

40

18


Hệ thống được mô phỏng lại bằng MATLAB SIMULINK:

Hình 3.1. Sơ đồ bộ điều khiển PID

Với số liệu ban đầu (KPID =10; Ti =70; Td =5) kết quả thu được như sau:

Hình 3.2. Tín hiệu thu được từ thông số ban đầu
Quan sát đồ thị ta có thể xác định độ vọt lố POT =7.2%, thời gian đạt giá trị cân
bằng txl = 250 (đơn vị thời gian) và sai số xác lập E =0 . Vậy ta sẽ hiệu chỉnh K, Ti, Td
sao cho thời gian đạt gái trị cân bằng và độ vọt lố giảm.

19


Bộ điều khiển sau khi hiệu chỉnh:

Hình 3.3. Sơ đồ bộ điều khiển PID hiệu chỉnh
Hiệu chỉnh: K =5.78, Ti =243.9, Td =1.73×103. Ta có kết quả đồ thị như bên
dưới với độ vọt lố POT =0%, thời gian đạt giá trị set-point vào khoảng 49.2 với sai số
xác lập xấp xỉ 0.
Hình 3.4. Tín hiệu thu được từ thông số đã điều chỉnh

20


4. ỨNG DỤNG SIMULINK ĐỂ TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
4.1. Mục đích
Thiết kế hệ thống điều khiển cho một caloriphe được sử dụng để đốt nóng
không khí trước khi đưa vào buồng sấy bằng cách sử dụng chất tải nhiệt là hơi nước từ
nồi hơi công nghiệp có lưu lượng là G S, áp suất PS, nhiệt độ hơi đốt t h và nhiệt độ nước
ngưng tụ là tN. Không khí vào caloriphe là không khí ngoài trới có nhiệt độ t kk1, độ ẩm
φ1, lưu lượng Gkk1. Nhiệt độ không khí sau khi ra khỏi caloriphe t kk2 cần đảm bảo nhiệt
độ được ổn định ở giá trị chủ đạo tsp.
Sơ đồ quy trình công nghệ

Hình 4.1. Sơ đồ quy trình công nghệ
4.2. Mục đích điều khiển và các biến quá trình
Mục đích của điều khiển là ổn định nhiệt độ của không khí nóng tại tsp trước
khi vào buồng sấy. Đảm bảo không khí nóng đủ nhiệt độ (không thừa cũng không
thiếu) để sấy vật liệu đến yêu cầu đầu ra. Nhiệt độ của không khí nóng được quyết
định bởi nhiệt trao đổi trong caloriphe.
Các biến của quá trình bao gồm:
- Biến đầu vào: GS, PS, th, tkk1, φ1, Gkk1. Trong đó :
+ Biến điều khiển là Gs.
+ Biến nhiễu là: Ps, th, tkk1, φ1, Gkk1.
- Biến đầu ra: tN và tkk2. Trong đó:
+ Biến cần điều khiển là tkk2.
+ Biến không cần điều khiển là tN.
21


4.3. Sách lược điều khiển.
-

Các sách lược điều khiển có thể áp dụng được đối với hệ thống bao gồm:
Điều khiển phản hồi
Điều khiển truyền thẳng
Điều khiển tỷ lệ
Điều khiển tầng
Trong các sách lược điều khiển trên, sách lược điều khiển phản hồi là sách lược

điều khiển hợp lý nhất với hệ thống vì:
- Sách lược điều khiển truyền thẳng có nhược điểm là: đáp ứng không chính xác và
chất lượng thấp, thiết lập công thức của bộ điều khiển phức tạp do có nhiều biến
-

nhiễu.
Khi áp dụng sách lược điều khiển tỷ lệ, yêu cầu phải duy trì nhiệt độ không khí

-

đầu vào tại một nhiệt độ nhất định.
Sử dụng sách lược điều khiển tầng, mặc dù tối ưu nhưng rất phức tạp chỉ nên áp

dụng khi việc áp dụng sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn không hiệu quả.
 Tóm lại áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đáp ứng được tương đối chính xác
nhưng không phức tạp.
Sơ đồ khối thể hiện nguyên lý điều khiển:

Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý điều khiển

Lưu đồ điều khiển P&ID:
22


Hình 4.3. Lưu đồ điều khiển P&I

23


4.4. Thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi
Bảng 4.3. Bảng số liệu ghi nhận theo dõi diễn biến của nhiệt độ theo thời gian

24

Bảng 4.3a. Bảng số liệu xử lý đưa về biến chênh lệch

-

Xác định hàm truyền của hệ thống:
Từ bảng số liệu vẽ đồ thị ∆T theo thời gian t ta nhận thấy hệ xấp xỉ là một hệ
quán tính bậc 1 có trễ nên hàm truyền của hệ thống là:
Trong đó:

K là hệ số khuếch đại
 là thời gian trễ
T là thời hằng

25