1.8 Giải thích ý nghĩa của các biểu tượng lưu đồ dưới đây. 1.9. Vẽ lưu đồ P&ID cho các vòng điều khiển phản hồi sau:  điều khiển mức sử dụng tín hiệu vào/ra 4-20mA, bộ điều khiển DCS với giá trị đặt truyền từ máy tính.  điều khiển và hiển thị chênh lệch áp với tín hiệu vào/ra khí nén với một thiết bị điều khiển chuyên dụng, ghi chép giá trị áp suất bằng một thiết bị riêng.  điều khiển và hiển thị nhiệt độ với đầu vào RTD (mV), đầu ra 4 – 20mA tới van khí nén và bộ chuyển đổi I/P.  cảnh giới quá nhiệt với cảm biến chuyển mạch, tín hiệu ra logic đưa tới thiết bị báo động. 3.1. Cho hệ thống bình chứa minh họa như hình vẽ. Giả sử đặc tính van là tuyến tính và lưu lượng qua van được xác định như sau: s v g )t(P lCF   Hình 3.1. Bình chứa chất lỏng Trong đó F là lưu lượng ra (m 3 /s), C v là hệ số van (m 3 /s.kPa 1/2 ), l là độ mở van (m), ∆P là độ chênh áp qua van (kPa) và g s là trọng lượng riêng của chất lỏng (vô thứ nguyên). a) Phân bài toán để nhận biết các biến quá trình. Đưa ra các giả thiết đơn giản hoá cần thiết. b) Viết phương trình vi phân biểu diễn động học của hệ thống. c) Phân tích bậc tự do của hệ thống, nêu ý nghĩa của bậc tự do đối với hệ thống này. d) Tuyến tính hoá mô hình ở điểm làm việc nếu phương trình xây dựng là chưa tuyến tính. e) Từ phương trình vi phân hãy chuyển sang mô hình hàm truyền đạt biểu diễn quan hệ giữa các biến vào, ra. f) Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống và thiết kế lưu đồ P&ID tương ứng. g) Mô phỏng trên các số liệu sau:  chất lỏng trong bình là nước, coi trọng lượng riêng g s = 1  độ mở van cố định 50%  Tại điểm làm việc mức nước trong bình là h=1.5  hệ số cỡ van C v = 2.5.10 -5 (m 3 /s.kPa 1/2 )  Tiết diện bình chứa là đều A=1m 2 3.2. Xét một thiết bị gia nhiệt như trên hình vẽ. lượng chất lỏng có thể tích cố định là V (hệ thống tự chảy). Các dòng vào và ra có lưu lượng khối lần lượt là ω 1 và ω (ω 1 = ω), nhiệt độ T 1 và T. Công suất nhiệt cấp từ sợi đốt là q. Sau khi đơn giản hoá người ta nhận được mô hình động học hệ thống như sau: q)TT(C dt dT CV 21  Hình 3.2. Thiết bị gia nhiệt không điều khiển lưu lượng a) Để có được mô hình đơn giản hoá trên đây, ta phải đặt các giả thiết nào? Hãy đẫn dắt và kiểm chứng phương trình trên b) Xác định mô hình của hệ thống ở trạng thái xác lập c) Phân biệt và nêu rõ các tham số mô hình và các biến quá trình. d) Xác định số bậc tự do của mô hình quá trình và nêu rõ ý nghĩa của nó. e) Nhận biết các biến được điều khiển, biến điều khiển và biến nhiễu. f) Tuyến tính hoá mô hình ở điểm làm việc nếu phương trình xây dựng là chưa tuyến tính. h) Từ phương trình vi phân hãy chuyển sang mô hình hàm truyền đạt biểu diễn quan hệ giữa các biến vào, ra. i) Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống và thiết kế lưu đồ P&ID tương ứng. 3.3. Xét hệ thống gia nhiệt minh hoạ như hình vẽ. quá trình tượng tự như trong bài 3.2, nhưng thể tích chất lỏng có thể thay đổi nhờ khả năng điều chỉnh lưu lượng ω. Hình 3.3. Thiết bị gia nhiệt có điều khiển lưu lượng a) Hãy xây dựng mô hình động học cho hệ thống với mục đích thiết kế sách lược điều chỉnh. b) Đưa ra các giả thiết đơn giản hóa cần thiết, xác định số bậc tự do của mô hình và nhận biết các biến quá trình. c) Xác định dạng mô hình cho từng quan hệ vào ra. d) Xác định số bậc tự do của mô hình quá trình và nêu rõ ý nghĩa của nó. e) Nhận biết các biến được điều khiển, biến điều khiển và biến nhiễu. f) Tuyến tính hoá mô hình ở điểm làm việc nếu phương trình xây dựng là chưa tuyến tính. g) Từ phương trình vi phân hãy chuyển sang mô hình hàm truyền đạt biểu diễn quan hệ giữa các biến vào, ra. h) Nếu không bỏ qua quá trình truyền nhiệt từ sợi đốt sang chất lỏng, thì mô hình sẽ phức tạp thêm như thế nào? j) Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống và thiết kế lưu đồ P&ID tương ứng. 3.4. Xét hệ thống thiết bị gia nhiệt tiếp xúc trực tiếp gắn động cơ khuấy lý tưởng với lưu lượng khối hai dòng vào là ω 1 và ω 2 và một dòng ra ω. giả thiết tính chất của chất lỏng không thay đổi. a) Có điều khiển mức chất lỏng b) Mức chất lỏng trong bình là hằng số Hình 3.4. Hệ thống gia nhiệt tiếp xúc a) Phân biệt các biến quá trình, đưa ra các giả thiết đơn giản hoá cần thiết. b) Xây dựng mô hình động học cho hệ thống, c) Phân tích bậc tự do của mô hình nếu như hai dồng cấp được đưa từ một quá trình trước cho hai trường thể tích chất lỏng trong thiết bị không thay đổi và có thay đổi. d) Nhận biết các biến được điều khiển, biến điều khiển và biến nhiễu. e) Tuyến tính hoá mô hình ở điểm làm việc nếu phương trình xây dựng là chưa tuyến tính. f) Từ phương trình vi phân hãy chuyển sang mô hình hàm truyền đạt biểu diễn quan hệ giữa các biến vào, ra. g) Nếu không bỏ qua quá trình truyền nhiệt từ sợi đốt sang chất lỏng, thì mô hình sẽ phức tạp thêm như thế nào? k) Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống và thiết kế lưu đồ P&ID tương ứng. 3.5. Cho sơ đồ công nghệ hệ thống hai bình chứa như hình vẽ. Quan hệ giữa lưu lượng và độ chính xác của áp qua 2 van tự chảy (không gắn bơm máy) được thể hiện qua công thức s v2 g )t(P lCF   Hình 3.5. Hệ thống điều khiển lưu lượng hai bình chứa a) Làm rõ mục đích điều khiển và nhận biết các biến được điều khiển, biến điều khiển và biến nhiễu. b) Viết các phương trình mô hình động học của hệ thống. f) Xác định số bậc tự do của mô hình quá trình và nêu rõ ý nghĩa của nó. c) Dẫn giải các hàm truyền đạt để biểu diễn quan hệ giữa các biến quá trình. d) Cho biết các số liệu sau đây: - Chất lỏng là nước, coi trọng lượng riêng g s =1. - Độ mở van của hai van tự chảy đặt trước là 100%. - Tại điểm làm việc mức nước trong bình là h 1 =1m, h 2 =1.5m, lưu lượng F 2 =0.001m 3 /s. - Hệ số của hai van là C v =1,5.10 -5 (m 3 /s,kPa 1/2 ). - Tiết diện các bình chứa đều la A 1 =1m 2 , A 2 =1.5m 2 . Hãy xác định giá trị các biến quá trình còn lại tại điểm làm việc và thay số vào trong các hàm truyền đạt. Tiến hành mô phỏng trên Matlab dựa trên mô hình hàm truyền đạt. 3.6. Cho sơ đồ công nghệ hệ thống hai bình chứa thông nhau như hình vẽ. Giả sử lưu lượng qua van được xác định như sau: s v g )t(P lCF   Hình 3.6. Hệ thống hai bình chứa thông nhau a) Phân bài toán để nhận biết các biến quá trình b) Viết phương trình vi phân biểu diễn động học của hệ thống. c) Phân tích bậc tự do của hệ thống, nêu ý nghĩa của bậc tự do đối với hệ thống này. d) Tuyến tính hoá mô hình ở điểm làm việc nếu phương trình xây dựng là chưa tuyến tính. e) Từ phương trình vi phân hãy chuyển sang mô hình hàm truyền đạt biểu diễn quan hệ giữa các biến vào, ra. f) Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống và thiết kế lưu đồ P&ID tương ứng trong trường hợp muốn ổn định mức trong bình chứa 1 hoặc 2. g) Mô phỏng trên các số liệu sau:  chất lỏng trong bình là nước, coi trọng lượng riêng g s = 1  độ mở van cố định 50%  Tại điểm làm việc mức nước trong bình là h=1.5  hệ số cỡ van C v = 2.5.10 -5 (m 3 /s.kPa 1/2 )  Tiết diện bình chứa là đều A=1m 2 3.7. Cho sơ đồ công nghệ hệ thống hai bình chứa nhiệt như hình vẽ. Cả hai bình đều có cơ chế tự tràn, nên thể tích chất lỏng trong mỗi bình coi như không đổi. Các biến lưu lượng F i (i=1 4) có đơn vị là thể tích/thời gian. Hình 3.7. hệ thống bình chứa nhiệt a) Nhận biết các biến quá trình. b) Xây dựng các phương trình mô hình. Đưa ra các giả thiết đơn giản hoá cần thiết. c) Phân tích số bậc tư do của mô hình và đánh giá khă năng điều khiển được. d) Tuyến tính hoá mô hình về dạng hàm truyền đạt. e) Vẽ sơ đồ khối của hệ thống sử dụng các hàm truyền đạt cho từng phần hệ thống. h) Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống và thiết kế lưu đồ P&ID tương ứng trong trường hợp muốn ổn định mức trong bình chứa 1 hoặc 2. 3.8. Sơ đồ công nghệ hệ thống hai bình chứa nhiệt như hình vẽ, tương tự bài 3.8 nhưng có thêm một dòng hồi lưu. Hình 3.8 a) Nhận biết các biến quá trình. b) Xây dựng phương trình mô hình. Đưa ra các giả thiết đơn giản hoá cần thiết. c) Phân tích số bậc tự do và đánh giá khả năng điều khiển được. d) Tuyến tính hóa mô hình và đưa về dạng hàm truyền đạt. e) Vẽ sơ đồ khối của hệ thống sử dụng các hàm truyền đạt cho từng phần hệ thống. Bài giải Bài 3.1 a) Phân tích bài toán Yêu cầu của hệ thống ở đây là ổn định mức chất lỏng trong bình chứa với dòng chảy vào có lưu lượng F 0 và dòng chảy ra có lưu lượng F. Bình chứa với chức năng cấp lỏng nên ta dễ dàng nhận thấy biến cần điều khiển là V. Dựa vào sơ đồ ta thấy biến vào điều khiển chính là lưu lượng ra F. Như vậy trong hệ thống này F 0 được coi là nhiễu của hệ thống. Để đơn giản bài toán ta đưa ra một số giả thiết sau đây: - Khối lượng riêng chất lỏng cấp vào trong bình và khối lượng riêng chất lỏng trong bình là như nhau và là hằng số của quá trình ρ 0 = ρ = const. - Lưu lường ra F không phụ thuộc vào chiều cao cột áp h. b) Phương trình vi phân biểu diễn hệ thống. Theo định luật bảo toàn khối lượng toàn phần ta có: FF dt dV FF dt )V(d 00 00    Do ρ = ρ 0 nên ta có [...]... bộ điều khiển mức ở đây là bộ điều khiển phản hồi PID với tín hiệu vào ra là tín hiệu điện Ta có thể lựa chọn hai giải pháp: - Sử dụng hai bộ điều khiển riêng biệt để điều khiển nhiệt độ và mức nước nhằm duy trì hệ thống làm việc ổn định tại giá trị đặt - Sử dụng một bộ điều khiển đa chức năng thực hiện cả hai chức năng điều khiển nhiệt độ và mức nước Sơ đồ sử dụng hai bộ điều khiển độc lập để điều khiển. .. biến vào Điều này cho biết mô hình ta đã xây dựng được là chính xác Hệ thống có 5 bậc tự do nghĩa là ta có thể xây dựng được 5 vòng điều khiển độc lập cho 5 biến vào Tuy nhiên nhiệt độ là một biến quá trình gây nhiều khó khăn trong đo lường và điều chỉnh vì thế ta lựa chọn hai biến vào lưu lượng F1 và F3 làm biến điều khiển và xây dựng hai vòng điều khiển cho hai biến vào này d) Tuyến tính hoá phương trình. .. Dựa vào sơ đồ ta thấy biến vào điều khiển cho nhiệt đô T2 chính là lưu lượng vào F1, biến điều khiển cho nhiệt độ T4 là lưu lượng vào F3 Do V1 = const, V2 = const nên F2 = F1, F4 = F1 + F3 Đối với bình 1 thì F1 là biến vào điều khiển, T1 là nhiễu Còn với bình 2 thì F1, T3 là nhiễu của quá trình Để đơn giản bài toán ta đưa ra một số giả thi t sau đây: - Khối lượng riêng chất lỏng cấp vào trong bình và. .. const, V2 = const Dựa vào sơ đồ ta thấy biến vào điều khiển cho nhiệt đô T2 chính là lưu lượng vào F1, biến điều khiển cho nhiệt độ T4 là lưu lượng vào F3 Do V1 = const, V2 = const nên F2 = F1+F5, F4 = F1 + F3 Đối với bình 1 thì F1 là biến vào điều khiển, T1, F5 là nhiễu Còn với bình 2 thì F1, F5, T5 là nhiễu của quá trình, T3 là biến điều khiển Để đơn giản bài toán ta đưa ra một số giả thi t sau đây: -... nghĩa là ta có thể xây dựng được 3 vòng điều khiển độc lập cho T1, ω, q Tuy nhiên do T1 và ω1 là biến vào nhiễu phụ thuộc quá trình đứng trước nên vòng điều khiển ở đây chắc chắn phải được xây dựng là vòng điều khiển cho nhiệt lượng cung cấp q Và chỉ với một vòng điều khiển này ta đã có thể hoàn toàn điều khiển được nhiệt độ ra theo mong muốn d) Tuyến tính hoá phương trình Ta có hệ thống vi phân hệ thống... thống có 5 biến quá trình T, T1, T2, ω1, ω2 và 1 phương trình vi phân Như vậy số bậc tự do của hệ thống là 5 – 1 = 4, đúng bằng số biến vào Điều này cho biết mô hình ta đã xây dựng được là chính xác Hệ thống có 4 bậc tự do nghĩa là ta có thể xây dựng được 4 vòng điều khiển độc lập cho 4 biến vào Ta chọn ω1 là biến điều khiển vì thế ta chỉ cần xây dựng vòng điều khiển cho 1 biến quá trình này d) Tuyến... cung cấp vào, như vậy biến điều khiển cho nhiệt độ là q Thể tích trong bình chỉ có thể điều khiển bằng ω và ω1 Như thấy trên hệ thống thì biến điều nhằm duy trì mức ở đây là ω còn ω1 là nhiễu đối với quá trình Để đơn giản hoá bài toán ta đưa ra một số giả thi t sau đây: - Khối lượng riêng chất lỏng cấp vào trong bình và khối lượng riêng chất lỏng trong bình là như nhau và là hằng số của quá trình ρ0... vòng điều khiển độc lập cho T1, ω, ω1, q Tuy nhiên do T1 và ω1 là biến vào nhiễu phụ thuộc quá trình đứng trước nên vòng điều khiển ở đây chắc chắn phải được xây dựng là vòng điều khiển cho nhiệt lượng cung cấp q và lưu lượng theo biến vào ω d) Tuyến tính hoá phương trình Tại có phương trình làm việc tại điểm cân bằng d ( V )  1    0 dt (8) V C dT  1C( T1  T )  q  0 dt (9) Ta thấy phương trình. .. thống có 3 biến quá trình V, F, F0 và 1 phương trình vi phân Như vậy số bậc tự do của hệ thống là 3 – 1 = 2, đúng bằng số biến vào Điều này cho biết mô hình ta đã xây dựng được là chính xác Hệ thống có 2 bậc tự do nghĩa là ta có thể xây dựng được 2 vòng điều khiển độc lập Hai vòng điều khiển có thể xây dựng được ở đây là vòng điều khiển với biến F0 và F Nhưng do hệ thống chỉ cần điều khiển 1 biến ra... là không đổi và lưu lượng ra ω = ω1 tại mọi thời điểm Như trên hệ thống ta thấy quá trình có các biến T1, ω1 = ω, T, q Để gia nhiệt hệ thống thì ta cần thay đổi lượng nhiệt cung cấp vào, như vậy biến điều khiển ở đây là nhiệt độ cấp q và biến cần điều khiển và nhiệt độ bình T Như vậy lưu lượng ω1 và nhiệt độ T1 được coi là nhiễu của quá trình Để đơn giản hoá bài toán ta đưa ra một số giả thi t sau đây: . vòng điều khiển phản hồi sau:  điều khiển mức sử dụng tín hiệu vào/ra 4-20mA, bộ điều khiển DCS với giá trị đặt truyền từ máy tính.  điều khiển và hiển. chênh lệch áp với tín hiệu vào/ra khí nén với một thi t bị điều khiển chuyên dụng, ghi chép giá trị áp suất bằng một thi t bị riêng.  điều khiển và hiển