TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM môn học điều KHIỂN QUÁ TRÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
Bộ môn Điều khiển Tự động

TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM
MƠN HỌC

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH

GV Hướng dẫn:
Họ và tên sinh viên:
SHSV:
Mã lớp TN:
Nhóm:
Thơng số cho bài thí nghiệm:
Course:
Class:
Number:
Stoptime:

Hà Nội, 2020


Bộ môn Điều khiển tự động - Viện Điện
Tài liệu thí nghiệm
Điều khiển quá trình
Trường Đại học Bách Khoa Hà Néi
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Bài 1
Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức

1. Mục đích thí nghiệm
Bài thí nghiệm được xây dựng duới dạng một bài tập tổng hợp hơn là một bài thí nghiệm đơn
thuần, nhằm giúp học viên biết cách vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học vào một
bài tốn cụ thể và hồn chỉnh. Do dó, học viên cần phải dành một luợng thời gian thích hợp để
chuẩn bị truớc cho bài thí nghiệm. Bài thí nghiệm này giúp học viên biết cách xây dựng mô hình
cho một đối tuợng điều khiển đơn giản và thiết kế bộ điều khiển cho đối tuợng đó. Học viên cũng
được thử nghiệm các sách lược điều chỉnh khác nhau và xét ảnh huởng của nhiễu đến hệ thống,
từ đó rút ra những kinh nghiệm cơ bản trong việc xây dựng một hệ thống điều khiển.
Các kiến thức cơ sở liên quan đến bài thí nghiệm bao gồm:
• Xây dựng mơ hình cho đối tuợng bằng phương pháp lý thuyết.
• Xây dựng mơ hình cho đối tuợng bằng phương pháp thực nghiệm.
• Luu dồ P&ID.
• Các sách luợc điều chỉnh: điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi, điều khiển tầng.
• Thuật tốn PID và bộ điều chỉnh PID thực.
2. Ðối tuợng và yêu cầu của thí nghiệm
Chú ý: Các đại luợng đã được chuẩn hóa và khơng ghi đơn vị.
Ðối tuợng thí nghiệm là hệ thống một bình mức với một van vào và một van ra (hình vẽ).
Chiều cao của bình, chính là giá trị tối đa của mức chất lỏng trong bình, là 1000. Lưu lượng chất
lỏng chảy qua các van (van vào và van ra) được tính là tích của độ mở van (số thực nhận giá trị
từ 0.0 dến 1.0 ứng với độ mở van từ 0%
dến 100%) với lưu lượng tối đa qua van.
Giá trị lưu lượng tối đa qua mỗi van không
nhất thiết là một hằng số. Có thể đo hoặc
khơng đo lưu lượng ra.
Yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều
khiển cho hệ thống này để điều chỉnh mức
chất lỏng trong bình ổn định ở giá trị đặt
(do nguời sử dụng đặt). Bộ điều khiển chỉ
có thể tác động tới van vào (thay đổi độ
mở van vào), còn van ra do nguời sử dụng

tùy ý điều khiển.
3. Nhiệm vụ thí nghiệm
1. Xây dựng mơ hình cho đối tuợng bình
mức
a. Xác dịnh các tín hiệu vào, tín hiệu ra và
nhiễu của hệ thống.
b. Trên cơ sở nguyên lý làm việc của bình mức, xây dựng mơ hình tốn học cho đối tuợng với
các tham số hình thức.


Bộ môn Điều khiển tự động - Viện Điện
Tài liệu thí nghiệm
Điều khiển quá trình
Trường Đại học Bách Khoa Hà Néi
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------c. Ðối tuợng bình mức đã đuợc mơ phỏng bằng khối Single-Tank trong Toolbox thí nghiệm điều
khiển q trình. Sử dụng Simulink để xác định các tham số của mô hình trên, áp dụng hai phương pháp
nhận dạng đã học. Kiểm tra lại mơ hình.

2. Từ u cầu của bài toán và đối tuợng điều khiển đã xác định được mơ hình, xác định (các)
sách luợc điều chỉnh có thể sử dụng và (các) sách luợc điều chỉnh không thể sử dụng cho bài
tốn này. Giải thích. Vẽ lưu dồ P&ID thể hiện tất cả các sách lược điều chỉnh áp dụng cho đối
tượng này.
3. Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng, xây dựng bộ điều khiển mức cho đối tuợng. Mô
phỏng trên Simulink với các khối Single-Tank và Tank GUI (xem thêm phần Huớng dẫn xây
dựng mơ hình trên Simulink với Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình). Nhận xét về khả năng
áp dụng của sách luợc điều chỉnh này. Giải thích.
4. Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn, xây dựng bộ điều khiển mức cho đối tuợng.
Mô phỏng trên Simulink. Thử sử dụng các loại bộ điều khiển khác nhau (P, PI, PID,…) cho bài
tốn. Nhận xét. Có cần đo lưu lượng ra hay không? Tại sao?
5. Sử dụng sách luợc điều khiển tầng (cascade control), xây dựng bộ điều khiển cho đối tuợng

theo các buớc sau:
a. Giải thích tại sao cần sử dụng điều khiển tầng.
b. Xác dịnh các vòng điều khiển cần xây dựng. Nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng. Cần phải
đo (những) đại luợng nào?
c. Xây dựng các vòng điều khiển đã xác dịnh ở trên trong truờng hợp khơng đo đuợc lưu lượng
ra.
• Mơ phỏng trên Simulink và hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển (nếu cần).
• Sử dụng khối scope để quan sát lưu lượng vào và ra. Thay đổi giá trị đặt và/hoặc độ mở van ra
trong q trình mơ phỏng. Nhận xét.
d. Trong truờng hợp có đo đuợc lưu lượng ra, thay đổi lại bộ điều khiển để sử dụng đuợc tín hiệu
đo này. Tiến hành lại thí nghiệm như trên và nhận xét. So sánh hai truờng hợp khơng đo và có đo
lưu lượng ra.
6. Nếu sử dụng bộ điều khiển có thành phần tích phân, nhận xét về độ quá điều chỉnh và sự dao
động. Giải thích nguyên nhân và nêu biện pháp khắc phục. Sửa đổi lại hệ thống để khắc phục
hiện tuợng trên.
4. Chuẩn bị ở nhà và báo cáo thí nghiệm
Ðọc kỹ tài liệu, thực hiện truớc bài thí nghiệm theo các buớc đã nêu trong phần trên và trả lời các
câu hỏi, có nhận xét đầy đủ. Bài chuẩn bị của học viên, với đầy đủ các kết quả tính tốn và phần
trả lời các câu hỏi, phải đuợc ghi ra giấy (viết tay hoặc in, không chấp nhận photocopy) và mang
đi trong buổi thí nghiệm.
Mơ hình Simulink phải nộp là mơ hình hồn chỉnh cuối cùng, sau khi đã thực hiện tất cả các
buớc trong phÇn nhiệm vụ thí nghiệm


Bộ môn Điều khiển tự động - Viện Điện
Tài liệu thí nghiệm
Điều khiển quá trình
Trường Đại học Bách Khoa Hà Néi
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Bài 2
Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức thơng nhau
1. Mục đích thí nghiệm
Tiếp theo bài thí nghiệm 1, bài thí nghiệm này giúp học viên củng cố và nâng cao các kiến thức
đã học cũng như áp dụng các kiến thức này vào các bài toán phức tạp hơn. Yêu cầu để thực hiện
được bài thí nghiệm này là học viên đã phải thực hiện hoàn chỉnh bài thí nghiệm thứ nhất. Các
kiến thức cơ sở liên quan đến bài thí nghiệm bao gồm:
• Xây dựng mơ hình cho đối tuợng MIMO (bằng phương pháp lý thuyết và phương pháp thực
nghiệm).
• Phân tích RGA, cặp đơi vào-ra.
• Thiết kế sách luợc điều khiển tầng.
• Thiết kế sách lược điều khiển nhiều vòng (điều khiển phân tán).
2. Ðối tuợng và yêu cầu của thí nghiệm
Chú ý: Các đại lượng đã
đuợc chuẩn hóa và khơng
ghi đơn vị.
Ðối tượng thí nghiệm là
hệ thống gồm hai bình
mức thơng nhau (hình
vẽ). Chiều cao của cả hai
bình, chính là giá trị tối
đa của mức chất lỏng
trong bình, là 1000. Lưu
luợng chất lỏng chảy qua
các van đuợc tính là tích
của độ mở van (số thực
nhận giá trị từ 0.0 dến
1.0 ứng với độ mở van từ
0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van. Giá trị lưu lượng tối đa qua mỗi van không nhất
thiết là một hằng số. Tất cả các giá trị lưu lượng qua các đuờng ống đều đo được. Yêu cầu đặt ra

là xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống này để diều chỉnh mức chất lỏng trong cả hai bình ổn
định ở các giá trị đặt (do nguời sử dụng đặt). Bộ điều khiển chỉ có thể tác động tới van 1 và van 2
(thay đổi độ mở van), còn van 3 do nguời sử dụng tùy ý điều khiển.
3. Nhiệm vụ thí nghiệm
1. Xây dựng mơ hình cho đối tuợng
a. Xác định các tín hiệu vào, tín hiệu ra và nhiễu của hệ thống.
b. Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tuợng với các tham số hình thức.
c. Sử dụng khối Two-Tank trong Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình, xây dựng một mơ
hình Simulink để xác định các tham số cần thiết trong mô hình trên. Kiểm tra lại mơ hình.
2. Từ u cầu của bài toán và đối tuợng điều khiển đã xác dịnh mơ hình, lựa chọn sách luợc điều
chỉnh phù hợp (tham khảo bài thí nghiệm 1). Giải thích tại sao chọn sách luợc này. Vẽ lưu đồ
P&ID thể hiện sách luợc điều chỉnh này.


Bộ môn Điều khiển tự động - Viện Điện
Tài liệu thí nghiệm
Điều khiển quá trình
Trường Đại học Bách Khoa Hà Néi
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3. Sử dụng sách luợc điều chỉnh đã lựa chọn ở trên, xây dựng bộ điều khiển cho đối tuợng theo
các buớc sau:
a. Xác định các tín hiệu điều khiển và các tín hiệu đo.
b. Xác định các vịng điều khiển cần xây dựng. Nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng.
c. Xây dựng các vòng điều khiển đã xác định ở trên.
d. Mô phỏng trên Simulink sử dụng các khối Two-Tank và Two-Tank GUI (xem thêm phần
Huớng dẫn xây dựng mơ hình trên Simulink với Toolbox thí nghiệm điều khiển quá trình). Thử
các truờng hợp khác nhau (thay đổi các giá trị đặt và/hoặc độ mở van 3). Nhận xét. Hiệu chỉnh
các tham số của bộ điều khiển (nếu cần).
4. Nhiệm vụ chuẩn bị ở nhà và báo cáo thí nghiệm
Ðọc kỹ tài liệu, học viên cần ơn lại và nghiên cứu kỹ các kiến thức cơ sở cần thiết cho bài thí
nghiệm (xem Mục đích bài thí nghiệm). Học viên phải thực hiện truớc bài thí nghiệm theo các

buớc đã nêu trong phần trên và trả lời các câu hỏi, có nhận xét đầy đủ. Bài chuẩn bị của học viên,
với đầy đủ các kết quả tính tốn và phần trả lời các câu hỏi, phải đuợc ghi ra giấy (viết tay hoặc
in, không chấp nhận photocopy) và mang đi trong buổi thí nghiệm.
Mơ hình Simulink phải nộp là mơ hình hồn chỉnh cuối cùng, sau khi đã thực hiện tất cả các
buớc trong Nhiệm vụ thí nghiệm.


Nội qui dành cho sinh viên
1. Sinh viên phải đi đúng lịch thí nghiệm của mình. Trường hợp bất khả kháng phải nghỉ một bài
thí nghiệm, sinh viên phải viết thư xin nghỉ vào hịm thư hoặc
trước đó ít nhất một ngày, lịch bù sẽ được sắp xếp theo lịch của
GV hướng dẫn thí nghiệm.

2. Sinh viên phải đọc tài liệu trước khi đi thí nghiệm. Sinh viên phải làm trước ở nhà những phần
được yêu cầu làm trước ở nhà trong tài liệu thí nghiệm;

3. Trước mỗi buổi thí nghiệm, GV hướng dẫn sẽ kiểm tra và đánh giá sự chuẩn bị của sinh viên
cho bài thí nghiệm. Những sinh viên có sự chuẩn bị khơng đạt theo u cầu sẽ khơng được làm
bài thí nghiệm;

4. Sinh viên cần mang theo tài liệu thí nghiệm này (bắt buộc) khi tới phịng thí nghiệm;
5. Mọi đồ thị mơ phỏng quá trình đều phải chỉnh stoptime (thời gian kết thúc, hay điểm kết thúc
của q trình mơ phỏng) do GVHD cung cấp cho SV làm báo cáo;

6. Báo cáo thí nghiệm phải được nộp vào đúng ngày và giờ qui định, và chỉ nộp báo cáo sau khi
đã hoàn thành cả 2 bài thí nghiệm. Bài báo cáo bao gồm:
1) Tài liệu thí nghiệm (này): phải hồn thành hết tất cả những phần để trống;
2) Phần mô phỏng quá trình: bao gồm các hình ảnh lưu đồ PID, đồ thị q độ, v.v… có đánh
số, có chú thích và trình tự sắp xếp theo từng đề mục như trong tài liệu thí nghiệm.

7. Sinh viên phải có ý thức trách nhiệm bảo quản các thiệt bị trong PTN, không tự ý thay đổi cấu
hình và các dữ liệu trên máy tính của PTN mà khơng có sự đồng ý của GV hướng dẫn;

8. Mọi thơng tin về thí nghiệm ĐKQT (lịch thực hành bù, danh sách sinh viên đạt/không đạt,
thay đổi lịch thực hành v.v….) sẽ được thông báo qua email.

Sinh viên nên mang Laptop cá nhân có cài sẵn matlab lên phòng TN để làm trực
tiếp bài của mình trên máy và lưu kết quả cho báo cáo TN.

6


Bài 1
Xây dựng hệ thống điều khiển một bình mức
1. Mục đích thí nghiệm
Bài thí nghiệm được xây dựng duới dạng một bài tập tổng hợp hơn là một bài thí nghiệm đơn
thuần, nhằm giúp học viên biết cách vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học vào một bài tốn
cụ thể và hồn chỉnh. Do đó, học viên cần phải dành một luợng thời gian thích hợp để chuẩn bị truớc cho
bài thí nghiệm. Bài thí nghiệm này giúp học viên biết cách xây dựng mô hình cho một đối tuợng điều
khiển đơn giản và thiết kế bộ điều khiển cho đối tuợng đó. Học viên cũng được thử nghiệm các sách lược
điều chỉnh khác nhau và xét ảnh huởng của nhiễu đến hệ thống, từ đó rút ra những kinh nghiệm cơ bản
trong việc xây dựng một hệ thống điều khiển.
Các kiến thức cơ sở liên quan đến bài thí nghiệm bao gồm:
• Xây dựng mơ hình cho đối tuợng bằng phương pháp lý thuyết;
• Xây dựng mơ hình cho đối tuợng bằng phương pháp thực nghiệm;
• Luu dồ P&ID;
• Các sách luợc điều chỉnh: điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi, điều khiển tầng;
• Thuật tốn PID và bộ điều chỉnh PID thực.
2. Ðối tuợng và yêu cầu của thí nghiệm
Ðối tuợng thí nghiệm là hệ thống một bình mức với một van vào và một van ra (hình vẽ). Chiều

cao của bình, chính là giá trị tối đa của mức chất lỏng trong bình, là 1000. Lưu lượng chất lỏng chảy qua
các van (van vào và van ra) được tính là tích của độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 dến 1.0 ứng với
độ mở van từ 0% đến 100%) với lưu lượng tối đa qua van. Giá trị lưu lượng tối đa qua mỗi van không
nhất thiết là một hằng số. Có thể đo hoặc khơng đo lưu lượng ra.
Yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống này để điều chỉnh mức chất lỏng trong bình
ổn định ở giá trị đặt (do nguời sử dụng đặt). Bộ điều khiển chỉ có thể tác động tới van vào (thay đổi độ mở
van vào), còn van ra do nguời sử dụng tùy ý điều khiển.

3. Nhiệm vụ thí nghiệm
1) Xác dịnh các tín hiệu vào, tín hiệu ra và nhiễu của hệ thống.
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
2) Trên cơ sở nguyên lý làm việc của bình mức, xây dựng mơ hình tốn học cho đối tuợng với
các tham số hình thức (Viết pt cân bằng, xác định số bậc tự do, biến đổi Laplace, xác định pt hàm
truyền)
7


………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
3) Ðối tuợng bình mức đã đuợc mơ phỏng bằng khối Single-Tank trong Toolbox thí nghiệm điều
khiển q trình. Sử dụng Simulink để xác định các tham số của mô hình trên, áp dụng phương pháp nhận
dạng đã học.
K=……….
T=……….
Kiểm tra lại mơ hình:
K=……….
T=……….
4) Xác định (các) sách luợc điều chỉnh có thể sử dụng và (các) sách luợc điều chỉnh khơng thể sử
dụng cho bài tốn này, giải thích.
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
8

5) Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng
Nêu phương pháp xác định tham số cho bộ đk PID, cần giải thích rõ tại sao chọn phương pháp này ?
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..

Bộ điều khiển
P
PI
PID

Kp

Ti
-

Td
-

6) Sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng, xây dựng bộ điều khiển mức cho đối tuợng. Mô
phỏng trên Simulink với các khối Single-Tank và Tank GUI (xem thêm phần Huớng dẫn xây dựng mơ
hình trên Simulink với Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình).
Nhận xét về khả năng áp dụng của sách luợc điều chỉnh này
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..

Giải thích
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
7) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vịng đơn, xây dựng bộ điều khiển mức cho đối tuợng.
Mô phỏng trên Simulink. Thử sử dụng 3 bộ điều khiển khác nhau P, PI và PID cho đối tượng.
Nhận xét:
Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
9


Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Có cần đo lưu lượng ra hay không? Tại sao?
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
8) Nếu sử dụng bộ điều khiển có thành phần tích phân :
Nhận xét về độ quá điều chỉnh và sự dao động
………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Giải thích nguyên nhân (thành phần nào của BĐK tạo nên độ quá điều chỉnh và tại sao ?)
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Nêu các biện pháp khắc phục (thay đổi BĐK như thế nào?)
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
9) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vòng đơn sử dụng bộ điều khiển PI-chống bão hịa tích
phân và PID-chống bão hịa tích phân
Nhận xét:
Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI-chống bão hịa tích phân
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
10


Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID-chống bão hòa tích phân
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..

10) Sử dụng sách luợc điều khiển tầng (cascade control), xây dựng bộ điều khiển cho đối tuợng
theo các buớc sau:
a. Giải thích tại sao cần sử dụng điều khiển tầng
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
b. Xác dịnh các vòng điều khiển cần xây dựng. Nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng. Cần phải đo
(những) đại luợng nào?
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
c. Xây dựng các vòng điều khiển đã xác định ở trên
Truờng hợp không đo đuợc lưu lượng ra.
• Mơ phỏng trên Simulink và hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển (nếu cần).
• Sử dụng khối scope để quan sát lưu lượng vào và ra. Thay đổi giá trị đặt và/hoặc độ mở van ra trong
q trình mơ phỏng.
Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vịng ngồi)/P (vịng trong)
Tham số của các bộ đk (có thể hiệu chỉnh nếu cần thiết)
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Nhận xét
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..

Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vịng ngồi)/PI-RW (vịng trong)
Tham số của các bộ đk (có thể hiệu chỉnh nếu cần thiết:
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
11


Nhận xét
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Truờng hợp đo đuợc lưu lượng ra.
• Mơ phỏng trên Simulink và hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển (nếu cần).
• Sử dụng khối scope để quan sát lưu lượng vào và ra. Thay đổi giá trị đặt và/hoặc độ mở van ra trong
q trình mơ phỏng.
Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vịng ngồi)/P (vịng trong)
Tham số của các bộ đk (có thể hiệu chỉnh nếu cần thiết):
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Nhận xét
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vịng ngồi)/PI-RW (vịng trong)
Tham số của các bộ đk (có thể hiệu chỉnh nếu cần thiết):
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Nhận xét

………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
So sánh hai truờng hợp khơng đo và có đo lưu lượng ra
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..

12


Bài 2
Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức thơng nhau
1. Mục đích thí nghiệm
Tiếp theo bài thí nghiệm 1, bài thí nghiệm này giúp học viên củng cố và nâng cao các kiến thức đã
học cũng như áp dụng các kiến thức này vào các bài toán phức tạp hơn. Yêu cầu để thực hiện được bài thí
nghiệm này là học viên đã phải thực hiện hoàn chỉnh bài thí nghiệm thứ nhất. Các kiến thức cơ sở liên
quan đến bài thí nghiệm bao gồm:
• Xây dựng mơ hình cho đối tuợng MIMO (bằng phương pháp lý thuyết và phương pháp thực
nghiệm).
• Phân tích RGA, cặp đơi vào-ra.
• Thiết kế sách luợc điều khiển tầng.
• Thiết kế sách lược điều khiển nhiều vòng (điều khiển phân tán).
2. Ðối tuợng và yêu cầu của thí nghiệm
Ðối tượng thí nghiệm là hệ thống gồm hai bình mức thơng nhau (hình vẽ). Chiều cao của cả hai
bình, chính là giá trị tối đa của mức chất lỏng trong bình, là 1000. Lưu luợng chất lỏng chảy qua các van
đuợc tính là tích của độ mở van (số thực nhận giá trị từ 0.0 dến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100%)
với lưu lượng tối đa qua van. Giá trị lưu lượng tối đa qua mỗi van không nhất thiết là một hằng số. Tất cả

các giá trị lưu lượng qua các đuờng ống đều đo được. Yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều khiển cho hệ
thống này để diều chỉnh mức chất lỏng trong cả hai bình ổn định ở các giá trị đặt (do nguời sử dụng đặt).
Bộ điều khiển chỉ có thể tác động tới van 1 và van 2 (thay đổi độ mở van), còn van 3 do nguời sử dụng
tùy ý điều khiển.

3. Nhiệm vụ thí nghiệm
1) Xây dựng mơ hình cho đối tuợng và xác dịnh các tín hiệu vào, tín hiệu ra và nhiễu của hệ
thống (Phần này sinh viên phải làm trước ở nhà)
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
2) Trên cơ sở nguyên lý làm việc của bình mức, xây dựng mơ hình tốn học cho đối tuợng với
các tham số hình thức (Do hệ thống 2 bình mức thơng nhau, nên đáp ứng của bình 2 sẽ có thời gian trễ
đáng kể so với bình 1 nên mơ hình của bình 2 phải có thêm khâu trễ với thời gian trễ t) (Phần này sinh
viên phải làm trước ở nhà)
………………………………………………………………………………………………………………..
13


………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
3) Ðối tuợng bình mức đã đuợc mơ phỏng bằng khối Single-Tank trong Toolbox thí nghiệm điều
khiển q trình. Sử dụng Simulink để xác định các tham số của mô hình trên, áp dụng phương pháp nhận
dạng đã học
K1=……….
T1=……….

K2=……….
T2=……….
t=………

Kiểm tra lại mơ hình:
K1=……….
T1=……….

K2=……….
T2=……….
t=………
4) Xác định (các) sách luợc điều chỉnh có thể sử dụng và (các) sách luợc điều chỉnh khơng thể sử
dụng cho bài tốn này, giải thích (Phần này sinh viên phải làm trước ở nhà)
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
14


………………………………………………………………………………………………………………..
5) Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng
Bình 1
Nêu phương pháp xác định tham số bộ đk PID, giải thích tại sao lại chọn phương pháp này ? (Phần này
sinh viên phải làm trước ở nhà)
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Giá trị tham số của bộ đk

Bộ điều khiển
P
PI
PID

Kp

Ti

-

Td
-

Bình 2
Nêu phương pháp xác định tham số bộ đk PID, giải thích (Phần này sinh viên phải làm trước ở nhà)
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Giá trị tham số của bộ đk

Bộ điều khiển
P
PI
PID

Kp

Ti
-

Td
-

6) Sử dụng sách luợc điều khiển phản hồi vịng đơn cho từng bình, xây dựng bộ điều khiển mức
cho đối tuợng. Mô phỏng trên Simulink. Sử dụng các loại bộ điều khiển khác nhau (P, PI-RW) cho bài
toán.

Nhận xét:
Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
15


Trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI-RW
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
7) Sử dụng sách luợc điều khiển tầng (cascade control), xây dựng bộ điều khiển cho đối tuợng
theo các buớc sau:
a. Xác dịnh các vòng điều khiển cần xây dựng. Nhiệm vụ và đặc điểm của từng vòng. Cần phải đo
(những) đại luợng nào?
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
b. Xây dựng các vòng điều khiển đã xác định ở trên cho trường hợp có đo lưu lượng ra
• Mô phỏng trên Simulink và hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển (nếu cần).
• Sử dụng khối scope để quan sát lưu lượng vào và ra. Thay đổi giá trị đặt và/hoặc độ mở van ra
trong quá trình mơ phỏng.
Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vịng ngồi)/P (vịng trong)
Tham số của các bộ đk (có thể hiệu chỉnh nếu cần thiết):
………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………..
Nhận xét
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (vịng ngồi)/PI-RW (vịng trong)
Tham số của các bộ đk (có thể hiệu chỉnh nếu cần thiết):
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
Nhận xét
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………..
16


Hướng dẫn thêm
Q trình chạy mơ phỏng khi sử dụng khối Tank GUI sẽ xuất hiện lỗi, để khắc phục cần chỉnh lại
một số tham số như dưới đây :
Từ cửa sổ sumulink, vào Simulation/Configuration parameters (hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl + E)
Một cửa sổ mới mở ra, chọn danh mục (hoặc tab) Solver. Ở trong mục Solver, thiết lập các giá trị
như hình dưới:
Start time : 0.0
Stoptime : inf
Type : fixed-step
Fixed-step size (fundamental sample time): auto

Solver: ode4 (Runge-Kutta)

Thiết lập này sẽ cho thời gian mô phỏng là “inf”, q trình mơ phỏng sẽ chạy liên tục và
khơng dừng lại cho tới khi người mô phỏng ấn vào nút stop để ngừng q trình.

Để đồ thị mơ phỏng q trình có điểm kết thúc (thời gian mơ phỏng) tương ứng với giá trị stop
time do GVHD cung cấp, giả sử SV làm báo cáo có stop time là 12500, ta thiết lập như hình dưới:
Start time: 0.0
Stoptime: 12500
Fixed-step size (fundamental sample time): 0.2

Type: fixed-step

Solver: ode4 (Runge-Kutta)

Lưu ý: giá trị Fixed-step size (fundamental sample time) ở đây ta có thể chọn tùy ý sao cho
q trình mơ phỏng diễn ra với tốc độ vừa phải.

17


Trong q trình thí nghiệm, nhờ có khối Single-Tank-GUI và Two-Tank GUI ta có thể quan sát
trực quan được quá trình (hình dưới). Từ đây ta có thể thay đổi giá trị đặt tới một giá trị bất kì (trong
khoảng 0-1000) và thay đổi độ mở van ra (từ 0-1).
Ở hình dưới, tơi để stoptime là 12500 và thay đổi giá trị đặt vài lần, độ mở van là 0.33, q trình
mơ phỏng đã tự động dừng lại ở thời gian 12500.

Và ta thu được đồ thị quá độ của q trình (có điểm dừng là 12500 như đã thiết đặt)

18

Bộ điều khiển PID
Trên Matlab Simulink có rất nhiều BĐK PID có sẵn và kèm theo nhiều chức năng mở rộng. Tuy
nhiên trong bài TN này, sinh viên phải tự xây dựng mơ hình BĐK PID để hiểu rõ hơn ngun lý làm
việc của BĐK. Mơ hình như hình dưới :

Mơ hình bộ ĐK PID
với K(Gain)=Kp, K(Gain1)=1/Ti và K(Gain2)=Td

19


Mơ hình bộ ĐK PID - chống bão hịa tích phân
với K(Gain)=Kp, K(Gain1)=1/Ti, K(Gain2)=Td
và K(Gain3) lấy bằng một phần Ti

Giá trị của khối Saturation chỉnh lại như hình dưới: Upper limit = 1 và Lower limit =0

20


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG
TOOLBOX THÍ NGHIỆM
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Nghiêm Xn Trường

Bộ mơn Điều khiển tự động
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


1 Giới thiệu chung
Toolbox thí nghiệm điều khiển q trình bao gồm các khối Simulink (Simulink block) phục
vụ cho các bài thí nghiệm của mơn học Điều khiển q trình được giảng dạy tại Bộ môn Điều
khiển tự động, Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Toolbox này được xây dựng
bởi Nghiêm Xuân Trường.
Các khối Simulink trong toolbox được chia thành hai loại chính:
•

Các khối mơ phỏng các đối tượng được sử dụng trong các bài thí nghiệm. Các khối này
được xây dựng cố gắng mô phỏng giống nhất động học của các đối tượng thực. Bên cạnh
đó, các khối này cũng được xây dựng phù hợp với nội dung, yêu cầu và cách thức tiến
hành các bài thí nghiệm.

•

Các khối giao diện đồ họa tương tác giúp người sử dụng có thể quan sát q trình thí
nghiệm cũng như thay đổi các thông số của hệ thống một cách trực quan.

Việc sử dụng các khối này về cơ bản rất đơn giản, giống như các khối chuẩn trong thư viện
khối của Simulink. Một số ví dụ cũng được cung cấp để người sử dụng tham khảo.

2 Cài đặt toolbox
2.1 Yêu cầu hệ thống
•

•

Phần cứng và hệ điều hành
−

Phần cứng máy tính đủ để chạy được phần mềm MatLab và Simulink.

−

Bộ nhớ RAM càng lớn càng tốt.

−

Hệ điều hành Windows từ phiên bản 95 trở về sau. Tốt nhất là sử dụng hệ điều hành
Windows 2000 hoặc Windows XP. Toolbox không dùng được trên các hệ điều hành
khác.

Phần mềm
−

MatLab phiên bản từ 6.0 trở lên, tốt nhất là sử dụng MatLab 6.5.

−

Simulink và Dials & Gauges Blockset phải được cài đặt trên MatLab.

−

Nếu sử dụng khả năng mô phỏng thời gian thực với Realtime Workshop thì Realtime
Windows Target và một trình biên dịch C/C++ phù hợp phải được cài đặt sẵn trên
máy. Tham khảo thêm tài liệu về Realtime Workshop và Realtime Windows Target để

biết thêm chi tiết.

2.2 Cách thức cài đặt toolbox
Toolbox được phân phối dưới dạng một tệp tin nén ZIP hoặc một tệp tin nén tự bung. Việc
cài đặt toolbox rất đơn giản và được thực hiện hoàn toàn tự động. Để cài đặt được toolbox
này thì phần mềm MatLab phải được cài đặt trước với đầy đủ các yêu cầu như đã nêu trong
phần trên. Các bước cài đặt toolbox được tiến hành như sau.
1. Gỡ nén tệp tin chính ra một thư mục riêng (ví dụ thư mục C:\PCExpSetup)
2. Chạy chương trình MatLab, nếu chưa được chạy
3. Nếu có bất kỳ cửa sổ Simulink nào đang mở, hãy đóng lại. Tốt nhất là chỉ có duy nhất
cửa sổ chính của MatLab được mở
2


4. Trong mơi trường dịng lệnh của MatLab, chuyển thư mục hiện thời đến thư mục có
chứa bộ cài đặt toolbox. Trong ví dụ trên, có thể sử dụng dịng lệnh sau:
» cd ‘C:\PCExpSetup’
5. Chạy chương trình setup
» setup
6. Làm theo các hướng dẫn của chương trình cài đặt. Về cơ bản, để cài đặt toolbox ở chế
độ mặc định, bạn chỉ cần nhấn phím ENTER những khi được hỏi
7. Sau khi chương trình cài đặt chạy xong và báo đã cài đặt thành cơng, bạn đã có thể sử
dụng ngay toolbox
8. Để thử nghiệm, có thể sử dụng các mơ hình Simulink ví dụ trong thư mục chính của
toolbox (<thư mục MatLab>\toolbox\hut_ac\pcexp).

2.3 Gỡ bỏ toolbox
Khi không cần sử dụng toolbox này nữa, bạn có thể gỡ bỏ nó hồn toàn khỏi hệ thống bằng
cách thực hiện các bước sau.
1. Nếu chương trình MatLab chưa được chạy, hãy chạy nó

2. Nếu còn một cửa sổ Simulink nào đang mở (các mơ hình hay cửa sổ thư viện Blockset
của Simulink), hãy đóng tất cả lại
3. Tại dịng lệnh MatLab, thực hiện lệnh
>> pcexp -remove
4. Làm theo các hướng dẫn của chương trình cho đến khi quá trình gỡ bỏ kết thúc
5. Nếu chương trình báo là đã gỡ bỏ thành cơng, toolbox đã được gỡ bỏ hoàn toàn khỏi
hệ thống. Bạn có thể sử dụng MatLab một cách bình thường
6. Trong một số trường hợp, bạn có thể phải xóa bỏ bằng tay thư mục chính của toolbox
(<thư mục MatLab>\toolbox\hut_ac\pcexp).

3 Sử dụng toolbox
Phần chính của toolbox là một thư viện bao gồm các khối
Simulink phục vụ cho các bài thí nghiệm điều khiển quá
trình. Sau khi toolbox được cài đặt, trong cửa sổ thư viện
khối của Simulink (Simulink Library Browser) sẽ xuất hiện
mục Process Control Experiments chứa các khối Simulink
trong toolbox (Xem Hình 1). Ngồi ra cũng có thể dùng
lệnh sau trong cửa sổ lệnh MatLab để mở riêng cửa sổ
chứa các khối Simulink này:
>> pcexp -open
Các khối Simulink trong thư viện được chia thành hai loại
chính:
•

Các khối mơ phỏng các đối tượng được sử dụng trong
các bài thí nghiệm.
3

Hình 1 Cửa sổ thư viện Simulink

•

Các khối giao diện đồ họa tương tác giúp người sử dụng có thể quan sát q trình thí
nghiệm cũng như thay đổi các thông số của hệ thống một cách trực quan.

Hiện tại, thư viện cung cấp sẵn bốn khối Simulink như trong bảng dưới đây.
CÁC KHỐI MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG
Single-Tank

Mơ phỏng hệ thống một bình mức với một van vào và một van ra

Two-Tank

Mô phỏng hệ thống hai bình mức với một van vào bình 1, một van
giữa hai bình và một van ra từ bình 2

CÁC KHỐI GIAO DIỆN ĐỒ HỌA TƯƠNG TÁC
Tank GUI

Giao diện đồ họa tương tác cho hệ thống một bình mức

Two-Tank GUI

Giao diện đồ họa tương tác cho hệ thống hai bình mức

3.1 Các khối mơ phỏng đối tượng
3.1.1 Single-Tank
•

Tên khối: Single-Tank

•

Số đầu vào: 2 hoặc 3

•

Số đầu ra: 3

•

Chức năng: Mơ phỏng hệ thống một bình mức với một van vào
và một van ra. Sơ đồ hệ thống một bình mức được biểu diễn
trong hình dưới.

Hình 2 Khối Single-Tank

In Valve
In Flow

Level
Out Valve
Out Flow

Hình 3 Sơ đồ hệ thống một bình mức

Trong hình vẽ trên:
•

In Valve và Out Valve là các van điều khiển lưu lượng vào và ra.

•

In Flow và Out Flow là lưu lượng vào và ra.

•

Level là mức chất lỏng trong bình, chính là chiều cao của khối chất lỏng trong bình
(khơng phải là thể tích). Mức chất lỏng tối đa trong bình, hay chiều cao của bình, là 1000.

4


Ở chế độ mặc định, khối Single-Tank có hai đầu vào và ba đầu ra, như biểu diễn trên Hình
2.
Có một số điểm cần chú ý trong hệ thống trên.
•

Các đầu vào In Valve và Out Valve là độ mở các van tương ứng, nhận các giá trị thực
trong khoảng từ 0.0 đến 1.0. Giá trị 0.0 tương ứng với trường hợp van đóng hồn tồn,
giá trị 1.0 tương ứng với trường hợp van mở hoàn toàn (100%). Các van không đáp ứng
tức thời với giá trị độ mở van đặt vào mà phải thay đổi dần dần đến giá trị mong muốn
đó. Ví dụ như nếu độ mở van hiện thời là 0.2 (20%), khi đặt giá trị độ mở van mới là 0.6
(60%) thì độ mở van thực sẽ tăng dần từ 0.2 lên 0.6 và quá trình này phải tốn một
khoảng thời gian nhất định.

•

Các đầu ra In Flow và Out Flow là các giá trị lưu lượng vào và ra thực. Trong hệ thống

này, lưu lượng được tính bằng tích của độ mở van với giá trị lưu lượng tối đa.

•

Lưu lượng ra tối đa (cho van ra) phụ thuộc vào mức chất lỏng trong bình. Còn lưu lượng
vào tối đa phụ thuộc vào nguồn cung cấp chất lỏng. Đối với khối Single-Tank, có hai chế
độ lưu lượng vào tối đa: chế độ tự động và chế độ đặt từ bên ngoài. Xem phần dưới để
biết chi tiết về hai chế độ này.

Các chế độ lưu lượng vào tối đa
•

Chế độ tự động: trong chế độ này, hệ mô phỏng sẽ tự động xác định giá trị lưu lượng vào
tối đa, và trong quá trình hoạt động, giá trị này sẽ được thay đổi một cách ngẫu nhiên
nhằm mô phỏng giống như trong thực tế (khi nguồn cung cấp thay đổi lưu lượng).

•

Chế độ đặt từ bên ngoài: trong chế độ này, giá trị lưu lượng vào tối
đa được đặt từ bên ngoài bởi người sử dụng thông qua một đầu vào
của khối. Khi chuyển sang chế độ này, khối Single-Tank sẽ tự động
tạo thêm một đầu vào để nhận giá trị lưu lượng vào tối đa. Đầu vào
này không được đặt tên và là đầu vào thứ ba (xem hình bên).

Các tham số của khối
Khi nhấn đúp chuột vào khối Single-Tank, cửa sổ
đặt tham số cho khối sẽ hiện lên như trong Hình 4.
Khối Single-Tank có năm tham số, bao gồm:
•

Tham số Course Number, Class Number và
Name List Number: nhập vào các thơng số về
khóa (course), lớp (class) và số thứ tự trong
danh sách (name list number) của từng sinh
viên. Dựa vào các thông số này, hệ thống sẽ tự
động tính tốn các thơng số cụ thể của hệ thống
một bình mức cho từng sinh viên

•

Tham số Initial Level: mức chất lỏng ban đầu
trong bình. Vì chiều cao của bình là 1000 nên
tham số này phải là một số thực trong khoảng từ
0.0 đến 1000.0

•

Tham số Manual Input Flow Rate: nếu hộp này
không được chọn thì chế độ lưu lượng vào tối Hình 4 Cửa sổ tham số của khối Single-Tank
5