Đang tải... (xem toàn văn)
Yêu cầu: 1. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát 2. Thiết kế sách lược điều khiển tỉ lệ để điều khiển thành phần x và mức sản phẩm thu được. 3. Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ. Mô phỏng hệ hở trên Simulink 4. Thiết kế Bộ điều khiển cho quá trình khuấy trộn nhiên liệu, xác định giá trị của bộ điều khiển.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA BÁO CÁO MƠN HỌC ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển trình cho hệ thống khuấy trộn liên tục Sinh viên thực : Vũ Tuyên Hoàng : Bùi Mạnh Hùng Lớp : TĐH-K18A Giáo viên hướng dẫn : Th.S HOÀNG THỊ THƯƠNG Thái Nguyên, tháng4 năm 2023 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển xã hội, đời sống người dân ngày nâng cao, việc thay hoạt động thủ công thiết bị tự động người dân ứng dụng nhiều công nghiệp sinh hoạt Trong kỳ em thực đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển trình cho hệ thống khuấy trộn liên tục” Ngày nay, biết rõ cơng nghệ khuấy trộn liên tục đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp nào, giúp trộn chất sơn hay bê tơng với tỉ lệ xác, lao động chất lượng cao Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình giáo Th.S Hồng Thị Thương thầy cô giáo khoa để em thực tốt đề tài Tuy nhiên kiến thức, kinh nghiệm chưa hồn chỉnh nên cịn có số thiếu sót q trình thực đề tài, mong bảo, đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn đọc quan tâm đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.1 Hệ thống khuấy trộn 1.1.1 Khái niệm Điều khiển trình Điều khiển tự động phát triển theo hai hướng lý thuyết ứng dụng, hướng lý thuyết phát triển theo hướng tìm điều khiển thơng minh (mờ, nơron, thích nghi…), cịn hướng ứng dụng tìm giải pháp vận hành, điều khiển q trình cơng nghệ cụ thể thực tiễn Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào ngành công nghiệp chế biến (công nghệ hóa học, sinh học thực phẩm), kết nối chặt chẽ tảng lý thuyết điều khiển tự động với qui trình cơng nghệ q trình sản xuất Để học mơn học sinh viên cần có kiến thức mơn học: Hóa học, Vật lý, Đo lường cảm biến LT ĐKTĐ thực tế quan sát dây chuyền công nghệ sản xuất nhà máy, xí nghiệp thực tập doanh nghiệp - Khái niệm Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển, vận hành giám sát trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu sản xuất an toàn cho người, máy móc người - Mục đích chức ĐKQT Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trơn tru: Giữ cho hệ thống ổn định điểm làm việc chuyển chế độ cách trơn tru, đảm bảo điều kiện theo yêu cầu chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện Đảm bảo suất chất lượng sản phẩm: đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất trì thơng số liên quan đến chất lượng sản phẩm Đảm bảo hệ thống vận hành an toàn: Giảm thiểu nguy xảy cố bảo vệ cho người, máy móc, thiết bị mơi trường trường hợp xảy cố Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm nước sử dụng nước thải, hạn chế lượng bụi khói, giảm tiêu thụ nguyên nhiên liệu Nâng cao hiệu kinh tế: Đảm bảo suất chất lượng theo yêu cầu giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thị trường - Tầm quan trọng điều khiển trình + ĐKQT ảnh hưởng trực tiếp đến an tồn tính tin cậy trình + ĐKQT định chất lượng sản phẩm trình sản xuất + ĐKQT ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành trình 1.2 Quá trình biến 1.2.1 Quá trình biến trình Quá trình định nghĩa trình tự diễn biến vật lý, hóa học sinh học, vật chất, lượng thông tin biến đổi, vận chuyển lưu trữ Q trình cơng nghệ q trình liên quan tới biển đổi, vận chuyển lưu trữ vật chất lượng, nằm dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất lượng Một q trình cơng nghệ đơn giản trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, phức tạp tổ hợp lò phản ứng-thấp chưng luyện tổ hợp lị hơi-turbin Q trình kỹ thuật q trình với đại lượng kỹ thuật đưoc đo can thiệp Khi nói tới q trình kỹ thuật, ta hiểu q trình cơng nghệ với phương tiện kỹ thuật thiết bị thiết bị chấp hành Sự phân biệt hai khái niệm q trình kỹ thuật q trình cơng nghệ vấn đề từ ngữ, mà chì nhằm mục đích thuận tiện cho nội dung trình bày sau Từ sau, khơng nhấn mạnh khái niện q trình hiểu q trình cơng nghệ q trình kỹ thuật tùy theo ngữ cảnh sử dụng Hình 1.1: Quá trình phân loại biến trình - Một biến vào : đại lượng điều kiện phản ánh tác động từ bên vào q trình, ví dụ lưu lượng dịng ngun liệu, nhiệt độ nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở ro-le sợi đốt - Một biến nguyên nhân biến xuất kết (quan hệ nhân quả) - Biến cần điều khiển (controlled variable): biến trạng thái biến trình điều khiển, điều chỉnh cho gần với giá trị mong muốn đặt giá trị (điểm đặt, SP) theo chủ đạo, mẫu tín hiệu biến (biến lệnh / tín hiệu tham chiếu) - Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển - Nhiễu: Biến vào không can thiệp được: + Nhiễu trình (disturbance, process disturbance): Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên thông số đầu vào (lưu lượng, nhiệt độ thành phần nguyên liệu, nhiên liệu) Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng dòng chảy, áp suất nước, ) Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài, + Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise) Ví dụ 1: Bình chứa chất lỏng Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng biến q trình Ví dụ 2: Bộ gia nhiệt Hình 1.3: Bộ gia nhiệt biến trình 1.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển trình Một hệ thống điều khiển trình bao gồm thành phần chính: - Thiết bị đo - Thiết bị chấp hành - Thiết bị điều khiển Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống ĐKQT Hình 1.6: Các thành phần hệ thống ĐKQT CHƯƠNG 2: MÔ HINH HĨA HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu chung Mơ hình hình thức mơ tả khoa học đọng khía cạnh thiết yếu hệ thống thực, có sẵn cần phải xây dựng - Một mơ hình phản ánh hệ thống thực từ góc nhìn phục vụ hữu ích cho mục đích sử dụng - Phân loại mơ hình: + Mơ hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật tốn + Mơ hình tốn học: ODE, Hàm truyền, mơ hình trạng thái + Mơ hình máy tính: Chương trình phần mềm + Mơ hình suy luận: Cơ sở tri thức, luật 2.1.1 Các bước mơ hình hóa Bước quy trình mơ hình hóa đặt tốn mơ hình hóa Các cơng việc bao gồm nghiên cứu kỹ lưu đồ công nghệ, xác định rõ mục đích sử dụng mơ hình, tóm tắt thông số công nghệ giả thiết quan trọng Trên sở đó, ta cần làm rõ yêu cầu mức độ chi tiết mức độ xác mơ hình, phương pháp cơng cụ phân tích, đánh giá chất lượng mơ hình Hình 2.1: Tổng quan bước mơ hình hóa q trình phức hợp Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học: - Phương pháp lý thuyết (mơ hình hóa lý thuyết, phân tích q trình, mơ hình hóa vật lý): + Xây dựng mơ hình tảng định luật vật lý, hóa học + Phù hợp cho mục đích 1.,2 Và - Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng trình, phương pháp hộp đen): + Ước lượng mơ hình sở quan sát số liệu vào – thực nghiệm + Phù hợp cho mục đích - Phương pháp kết hợp: + Mơ hình hóa lý thuyết để xác định cấu trúc mơ hình + Mơ hình hóa thực nghiệm để ước lượng tham số mơ hình 2.2 Các dạng mơ hình hóa 2.2.1 Mơ hình tuyến tính mơ hình phi tuyến Một mơ hình gọi tuyến tính quan hệ tín hiệu vào/ra thỏa mãn ngun lý xếp chồng Một cách thức, M(u) tốn tử tuyến tính u1, u2 hai biến đọc lập, ta có: M ( u1+ u2 )=M ( u1 ) + M (u2 ) (2.1) Khi đó, có tín hiệu y , y ứng với tín hiệu vào độc lập u1 ,u ta có y= y1 + y ứng với u=u1+ u2 Ngược lại, cần qua hệ vào/ra khơng thõa mãn ngun lý xếp chồng mơ hình gọi phi tuyến 2.2.2 Mơ hình liên tục mơ hình gián đoạn Mơ hình liên tục mô tả quan hệ biến trình liên tục theo thời gian Nói cách khác tín hiệu sử dụng mơ hình hàm liên tục theo thời gian Mơ hình gián đoạn phản ánh đặc tính q trình thời điểm định (gọi thời điểm quan sát) Một mô hình liên tục thích hợp với q trình liên tục Trong đó, mơ hình gián đoạn sử dụng cho tất thành phần hệ thống điều khiển số (bao gồm trình điều khiển số) 2.2.3 Mơ hình đơn biến mơ hình đa biến Mơ hình đơn biến: Một biến vào điều khiển biến điều khiển, biến vào-ra biểu diễn đại lượng vơ hướng Mơ hình đa biến: Nhiều biến vào điều khiển hoặc/và nhiều biến ra, biến vào-ra biểu diễn dạng vector 2.2.4 Mơ hình tham số mơ hình tham số biến thiên Mơ hình tham số hằng: tham số mơ hình khơng thay đổi theo thời gian Mơ hình tham số biến thiên: tham số mơ hình thay đổi theo thời gian 2.3 Mơ hình hóa lý thuyết 2.3.1 Các bước mơ hình hóa 1.Phân tích tốn mơ hình hóa - Tìm hiểu lưu đồ cơng nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng mơ hình, từ xác định mức độ chi tiết độ xác mơ hình cần xây dựng - Phân chia thành trình - Liệt kê giả thiết liên quan tới xây dựng mơ hình nhằm đơn giản hóa mơ hình - Nhận biết đặt tên biến trình tham số trình 2.Xây dựng phương trình mơ hình 3.Kiểm chứng mơ hình: - Phân tích bậc tự q trình dựa số lượng biến trình số lượng quan hệ phụ thuộc - Phân tích khả giải mơ hình, khả điều khiển - Đánh giá mơ hình mức độ phù hợp với yêu cầu dựa phân tích tính chất mơ hình kết hợp mơ máy tính 4.Phát triển mơ hình: - Phân tích đặc tính mơ hình - Chuyển đổi mơ hình dạng thích hợp - Tuyến tính hóa mơ hình điểm làm việc cần thiết - Mô phỏng, so sánh mơ hình tuyến tính hóa với mơ hình phi tuyến ban đầu - Thực chuẩn hóa mơ hình theo yêu cầu phương pháp phân tích thiết kế điều khiển 5.Lặp lại bước cần thiết 2.3.2 Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc Hầu hết mơ hình tốn học xây dựng phương pháp lý thuyết trình thực chứa phương trình vi phân phi tuyến Nhưng đến nay, đa số phương 10