Báo cáo thí nghiệm môn điều khiển quá trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN - BỘ MÔN ĐI U

I NT

ĐỘNG

***********************************

T
Môn: ĐI U

I N

Họ và tên

:

MSSV

:
t

NG IỆ

:

Hà Nội, 5/2017

1

U TR N


BÁO CÁO THÍ NGHIỆ

ĐI U KHI N QUÁ TRÌNH

Bài 1: Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức.

1. Tín hi u vào à độ mở (hoặc ưu ượng) của van vào In Flow, tín hi u ra là mức chất lỏng
trong bình lever còn nhiễu à độ mở của van ra Out Flow
2. Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống
F1

Hệ thống

F2

P ươ

trì

h

câ bằng vật chất:
dV
dh
 A  F1  F 2
dt
dt

(1)

Tro đó: A à t ết di n cắt ngang của bình chứa (co
P ươ trì
ô ì ở trạng thái xác lập:
0 A

dh
 F1  F 2
dt

Trừ vế của (1) – (2) ta được:
A

Đặt: y  h; u  F 2; d  F1
P ươ trì trở thành:

(2)

d h
 F1  F 2
dt

dy 1
 (d  u )
dt A

2

ư đều từ trên xuống).


t á ba đầu tất cả các biến chênh l c đều y, u, d và dy dt đều bằng 0.
Laplace 2 vế ta được
Tại trạ

sy( s)  

1
1
u ( s)  d ( s)
A
A

Do van là khâu quán tính bậc nhất nên hàm truyền của h thống sẽ có dạng:

3. Mô phỏng đối tượng bình mức bằng khối Single-Tank trên matlab
 Phương pháp đường cong đáp ứng

V i bộ thông số
 Course Number
= 60 ( khoá 60 )
 Class Number
= 23 ( nhóm 23 )
 Namelist Number = 10 ( STT 10)
Cho tín hi u tác động bậc thang ở đầu vào ta có đá ứng của à
bậc nhất.

Từ đồ t ị ta xác đị được các t a số của

K= 2.15,
T= 3.2

ô ì

3

ư sau:

quá độ có dạng quán tính


Để k ể

c ứ

ô ì

ta dù

ô ì

sau:

Nhận thấy trê đồ thị mô phỏ và đồ thị nhận dạng có sự sai khác nhất đị . Để đạt được
sai số tối thiểu, ta đ ều chỉnh các tham số K và T.
ể tra ạ ô ì :
K= 2.58,
T= 3.2

4


4. Thiết kế sách lược điều khiển cho hệ thống
Tính toán thông số bộ đ ều khiển theo công thức Ziegler Nichol 1 v i các thông số sau:
K=2.58; T=3.2
Bộ điều khiển
Kc
Ti
Td
1/K=0.39
P
0.9/K=0.35
10T/3 = 10.56
PI
1.2/K=0.47
2T=6.4
0.5T=1.6
PID
Dạng hàm truyề đạt PID : K(s) = Kc(1 +
Ta có 3 sác
khiển tầng

+Td*s)

ược đ ều khiển là sách lược điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi và điều

5. Sách lược điều khiển truyền thẳng.
Lưu đồ P&ID:

Sơ đồ simulink

So sánh giá trị SP và Level
Bộ điều khiển P (P = 0.39)

5


Với bộ điều khiển PI và PID ta cũng được kết quả không khác biệt nhiều
Kết quả ta thấy tín hi u đầu ra không bám theo tín hi u chủ đạo, quá trì k ô đ đến ổn
định. Không thể áp dụ sác ược đ ều khiển truyền thẳ được. Vì sác ược truyền thẳ đò
hỏi phải biết rõ thông tin về quá trình và ả
ưởng của nhiễu. Tuy
ê , ô ì đố tượng và
mô hình nhiễu không bao giờ chính xác, không phải nhiễu ào cũ đo được, nên sai l c tĩ
bao giờ cũ tồn tại. Thực tế, bộ đ ều khiể ý tưởng không bao giờ có tính khả thi.
6. Sách lược điều khiển phản hồi :
Lưu đồ P&ID:

Sơ đồ trên simulink:

6


So sánh giá trị SP và Level (bằng scope)
Sơ đồ PID:

Bộ điều khiển P (P = 0.39)

Nhận xét: Bộ đ ều khiển vẫ đạt được giá trị đặt

Tín hi u ra bị l ch so v i tín hi u đặt

ư ì

7

ư

dư i:

t ờ

a quá độ còn l n


Bộ điều khiển PI (P = 0.35, I = 0.095)

Nhận xét: Bộ đ ều khiển vẫ đạt được giá trị đặt
nhiều so v i bộ đ ều khiển P, do có khâu tích phân.

ư

có độ quá đ ều chỉnh l

ơ

Bộ điều khiển PID (P = 0.47, I = 0.157, D = 1.6)

Nhận xét: Bộ đ ều khiển PID có tính chất tươ

tự

ư PI, tuy nhiên thờ

a quá độ l n

ơ
V sác ược đ ều khiển phản hồi vò đơ t ì c ỉ cầ P à đá ứ đủ yêu cầu bám giá
trị đặt. Khi thực hi n mô phỏng v i bộ đ ều khiển PI và PID thì xảy ra hi tượng mức
ư c vượt quá, và không thể đạt được ổ định. Đây à
n tượng bão hòa tích phân (Reset
W u ), t ường xảy ra trong các bộ đ ều khiển có chứa k âu I (I te ra ), có các đặc đ ểm:
- Độ quá đ ều chỉnh l n
- Thờ a quá độ dài
- Tồn tại sai l c tĩ
n
Để khắc phục ta xây dự sơ đồ có thêm khâu chống bão hòa tích phân.

8


Sử dụng khâu chống bão hòa tích phân:
+ PI-RW:
Sơ đồ:Khâu PI nối tiếp v i khâu chống bão hòa tích phân:

Tro

đó: Thông số của khâu PI-RW được xác định theo Zinger Nichol 1
Gain: K=Kc=0.35
Gain1: K=1/Ti=0.095

Gain2: K=Td=1.6

ư sau:

Sơ đồ simulink:

Nhận xét: khi có bộ chố
khiển tốt ơ .

b o òa t ì đ

ảm b t độ quá đ ều chỉnh. Chất ượng bộ đ ều

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

9


Tro

đó: Thông số của khâu PID-RW được xác định theo Zinger Nichol 1
Gain: K=Kc=0.47
Gain1: K=1/Ti=0.157
Gain2: K=Td=1.6
Gain3: K=1/Ti=0.157

ư sau:

Sơ đồ simulink giống phầ trư c

Sử dụng bộ đ ều khiển PI-RW và PID-RW ta thấy đ
ả được hi
phân, tín hi u ra nhanh chóng bám t i tín hi u chủ đạo mà không dao
động quá nhiều, quá trì
a c ó đ đến ổ định :
- Độ quá đ ều chỉnh nhỏ
- Thờ a quá độ nhanh
- Đ ả được sai l c tĩ xuống mức thấp.

10

tượng bão hòa tích


Sử dụng bộ đ ều khiển phản hồi không cầ đo ưu ượ đầu ra
Có thể kết hợ đ ều khiển phản hồ và đ ều khiển truyền thẳ để đạt được chất ượ đ ều
khiển tốt ơ .
đó đầu ra từ bộ đ ều khiển phản hồ LC được cộng v i tín hi u đo ưu ượng ra
trư c k đưa xuố va đ ều chỉnh dòng cấ . Tro k đầu ra từ bộ đ ều khiển phản hồi có vai
trò ổ định h thống và tri t tiêu sai l c tĩ , t ì t à
ần bù nhiễu giúp h đá ứng nhanh
ơ v ưu ượ ra k ô đổi.
7. Sách lược điều khiển tầng :
Lưu đồ P&ID:

 Bộ điều khiển không đo lưu lượng ra
Sơ đồ trên simulink:

11

* Vòng ngoài là bộ đ ều khiển P (lấy Kp = 10000) , vòng trong là bộ đ ều
khiển P (Kp = 0.39) – bộ đ ều khiển P-P
Kết quả mô phỏ
ư sau:

Nhận xét: độ quá đ ều chỉnh nhỏ, h thố

đạt xấp xỉ giá trị đặt.

* Vòng ngoài là bộ đ ều khiển P(Kp = 10000), vòng trong là bộ đ ều khiển PI-RW có các thông
số ư trê bà đ ều khiển phản hồi. P-PIRW
Kết quả mô phỏng

12


Nhận xét: Độ quá đ ều chỉnh nhỏ, h vẫn đ đạt được giá trị đặt mong muốn.
* Vòng ngoài là bộ đ ều khiển P(Kp = 10000), vòng trong là bộ đ ều khiển PID-RW có các
thông số ư bộ đ ều khiển phản hồi. P/PIDRW
Sơ đồ simulink ư ần trên
Kết quả mô phỏng:

13


Nhận xét: + H t ố

ổ đị

+ Độ quá đ ều c ỉ

ỏ.

+ Sa

c tĩ

tươ

+ Vẫ cò sự c ê
+ Đá ứ

ra bị ả

đố

v

a quá độ

ỏ

kể

ữa Set Po t v

.

c k á đá
ưở

t ờ

k

ễu quá trì

( độ

 Bộ điều khiển đo lưu lượng ra:
Sơ đồ Simulink

14

Leve ,

ở va 2)

ữa Out F ow v
.

I F ow .


 Bộ P/P:

Nhận xét: h thống cải thi
ơ k đạt sát giá trị đặt

đo á trị ra ta giả được nhiễu, giá trị sai l ch giữa In Out flow nhỏ ơ so v i các bộ
đ ều khiể k ô đo á trị ưu ượng giá trị ra.

15


 Bộ P/PI_RW:

- Nhận xét: + H thống ổn định.

+ Độ quá đ ều c ỉ
trườ

ợ sử dụ

ỏ, t ờ

a quá độ

ỏ

ư

ra

ỏ.

vẫ

âu ơ so v

bộ đ ều k ể P/P.

+ Sai lêc

ữa ưu ượ

+H k ô

bị ả

ưở

vào v

ưu ượ

ều bở

ễu.

So sánh giữa sác ược đ ều khiển phản hồ và đ ều khiển tầng.
 Cả a sác ược đ ều khiển phản hồi và tầ đều đe ại kết quả đ ều khiển khá tốt, thời
gian xác lậ
a , độ quá đ ều chỉnh và sai l c tĩ
ỏ.
 Tuy
ê k t ay đổi giá trị đặt và ưu ượng ra, ta thấy bộ đ ều khiển tầ có đá ứng
nhanh v độ quá đ ều chỉnh nhỏ ơ bộ đ ều khiển phản hồi. Vì trong bộ đ ều khiển tầng có khâu

16


tỷ l P ở vò
oà ê tác động nhanh v i sự t ay đổi của nhiễu ở đầu vào và có tác dụng tri t
t êu được nhiễu này.
Bi n pháp:
 khi sai l c đ ều khiển bằng 0, tách bỏ thành phần tích phân trong bộ Đ , oặc xóa trạng
thái của thành phần tích phân.
 giảm h số khuếc đại nằm trong gi i hạn cho phép
 đặt một khâu gi i hạn tạ đầu ra của bộ Đ đ bị gi i hạn, phản hồi về bộ Đ để thực hi n
thuật toán bù nhằm giảm thành phần tích phân. H thống có bù nhiễu nhận tín hi u từ mức ư c
đầu ra đ ều khiển dễ dà
ơ và ổ đị
ơ
thống không có.

Bài 2 : Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức
A: Xây dựng mô hình lý thuyết
1. Xác định
- Tín hi u vào: F2, F3
- Tín hi u ra: h1, h2
- Nhiễu: F1

2. Mô hình toán học cho đối tượng
F1
F2

h1

Hệ

F3

h2

thống
trì câ

P ươ
d ( V )
dt
A

P ươ

trì

bằng vật chất:

  F1   F 2

d (h1  h2)
 F1  F 3
dt



dh1 dh2 1
1


 F1  F 3
dt
dt
A
A

câ bằng vật chất cho bình mức1:

17

(1)


dh1
 F1  F 2
dt
dh1 1
1

 F1  F 2
dt
A
A
A

(2)

Từ (1) và (2) ta có:
dh1 1

1
 F1  F 2
dt
A
A
dh2 1
1
 F 2  F3
dt
A
A

Do van là khâu quán tính bậc nhất nên hàm truyền G1(S), G2(S) sẽ có dạng:

3. Mô phỏng đối tượng bằng khối TwoTank trong simulink

V i bộ thông số
 Course Number
= 60 ( khoá 60 )
 Class Number
= 23 ( nhóm 23 )
 Namelist Number = 10 ( STT 10)
Cho tín hi u tác động dạng bậc thang ở đầu vào, ta có đồ thị đá ứng của h thố

18

ư ì

vẽ.

Bình 1 : Đố tượng có mô hình khâu quán tính bậc nhất
G(s) = K1/(S*(Ts+1))
Tro đó :T1 = 2.2 ; K1 = 4.1
Bình 2 : Đố tượng có mô hình khâu quán tính bậc nhất
G(s) = K2*/(S*(Ts+1))
Tro đó :T2 = 4.2 ; K2 = 0.72
iểm chứng mô hình ta dùng mô hình sau:

Kết quả mô phỏ

ư sau:

19


Thiết kế sách lược điều khiển cho hệ thống
Tính toán thông số bộ đ ều khiển theo công thức ziegler Nichol 1 v i các thông số K1=3.15,
T1=1 và K2=0.9, T2=6.75 , có bảng sau.
Đ
P
PI
PID

Kc
Bình 1
0.317
0.285
0.381

Ti
Bình 2
1.11
1
1.33

Td

Bình 1

Bình 2

Bình 1

Bình 2

3.33
2

22.5
13.5

0.5

3.38

4. Các sác ược có thể sử dụ
à sác ược đ ều khiển phản hồ và sác ược đ ều khiển
tầng. Không thể sử dụ sác ược đ ều khiển truyền thẳng.
Ta lựa chọ sác ược đ ều khiển tầ để tri t tiêu tố đa sa c tĩ và c o c ất ượ đ ều

khiển h thống tốt ơ sác ược đ ều khiển phản hồi.

20


5. Sách lược điều khiển phản hồi kết hợp bù nhiễu
a. Lưu đồ P&ID

b.Sơ đồ trên Simulink:

+) Bộ điều khiển P

21


- Nhận Xét:

+ Bộ đ ều khiển P làm cho h thống ổ đị

và đá ứng rất nhanh v i thời gian quá

độ nhỏ và độ quá đ ều chỉnh nhỏ, không có hi
+ Tuy
sa

c Tĩ

ê sa
tro

c tĩ

vẫ cò đá

tượ

kể do k ô

ao động quanh giá trị đặt.
có t à

ầ tc

bộ đ ều k ể .

+) Bộ điều khiển PI-RW
Sơ đồ: Khâu PI nối tiếp v i khâu chống bão hòa tích phân:

- Bộ đ ều khiển PI-RW 1 có các thông số xác định theo ziegler Nichol 1 là:
Gain: K= 0.291
Gain1:K= 0.5
Gain2: K= 0.5

- Bộ đ ều khiển PI-RW 2 có các thông số xác định theo ziegler Nichol 1 là:

22

â để

ả

Gain: K= 1.29
Gain1:K= 0.077
Gain2: K= 3.25
Kết quả mô phỏng:

- Nhận Xét:

+ H thống hoạt động ổ đị
ư v độ dự trữ ổ định nhỏ ơ trường hợp
dụng bộ đ ều khiển P.
+ Độ quá đ ều c ỉ ở ức c ấ
ậ được ( do có t à
ầ I à tă độ quá đ ều
c ỉ ).
+ Thờ a quá độ ỏ.
+ G ả được sa c tĩ xuố
ức t ấ ơ so v k dù bộ đ ều k ể P.
6. Sách lược điều khiển tầng.

23


Lưu đồ P&ID.






Xác định các vòng điều khiển cần xây dựng:
Vòng thứ nhất: đ ều khiể độ mở van InValve 1
Vòng thứ a : đ ều khiể độ mở van InValve 2
Đặc điểm, nhiệm vụ của từng vòng:
Vòng thứ nhất: đ ều khiể độ mở của van 1, và có đặc t
vòng thứ hai
Vòng thứ a : đ ều khiể độ mở của va 2, và có đặc t
vòng thứ nhất

động học biế đổ

a

ơ

động học biế đổi chậ

ơ


Mô phỏng v i các bộ đ ều khiển:
+) Vòng ngoài là bộ đ ều khiển P (lấy Kp = 1000) vòng trong là bộ đ ều khiển P v i thông số
trên để tă đá ứng của h thống.
Sơ đồ:

Bộ P/P
Kết quả mô phỏng:
- Đá ứng bình 1 :

24

ư


- Đá ứng bình 2:

- Đá ứ

ưu ượng ra flow 1:

25