Đang tải... (xem toàn văn)
Trừ nhiễu lò phản ứng
Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển, cùng với sự phát triển đó thì kĩ thuật điều khiển quá trình cũng phát triển theo với nhiều cấu trúc điều khiển tiên tiến đã ra đời,bên cạnh cấu trúc điều khiển kinh điển mà chúng ta vẫn nghiên cứu và sử dụng thì co sự ra đời và ứng dụng của một số cấu trúc điều khiển khác như là cấu trúc điều khiển nối tầng Cascde control,cấu trúc điều khiển theo mô hình nội IMC, cấu trúc điều khiển Feed forward control… Mục đích cuối cùng khi sử dụng các bộ điều khiển này là loại bỏ nhiễu tác động lên quá trình Qua quá trình nghiên cứu thì chúng ta có thể thấy được cấu trúc điều khiển Cascade control cho phép loại bỏ nhiễu tác động lên quá trình,tuy nhiên vẫn còn nhiễu xuất hiện ở giai đoạn cuối của quá trình thì điều khiển nối tầng không thể loại bỏ được.Chính vì thế mà khi sử dụng mô hình điều khiển Feed Forward cho phép khắc phục được các nhược điểm của điều khiển theo mô hình nối tầng Khi được học môn trang bị điện của thầy giáo Phạm Văn Toàn thì em đã được phân công nghiên cứu về cấu trúc điều khiển Feed Forward và sử dụng cấu trúc đó để điều khiển loại trừ nhiễu ở lò phản ứng Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên thiết kế môn học của em còn có nhiều thiếu sót,kính mong thầy chỉ giảng để em có thể hoàn thiện bài thiết kế môn học này Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Tự động hoá XNCN đặc biệt là thầy giáo Phạm Văn Toàn và các bạn trong lớp đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành thiết kế môn học này Hp.Ngày 10 tháng 5 năm 2013 Sinh viên thực hiện Bùi Mạnh Cường 1 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện MỤC LỤC Lời nói đầu …………………………………………………………………1 Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình…………………………… 3 1.1: Cấu trúc bộ điều khiển Feedforward…………………………… 3 1.2:Thiết lập mô hình quá trình và mô hình nhiễu…………………… 5 1.3:Thành lập các thành phần cấu thành Feedforward…………………6 1.4:Khả năng điều khiển theo mô hình Feedforward………………… 7 1.4.1:Mô hình bậc cao………………………………………… 7 1.4.2:Sự khác biệt của thời gian chết trong diều khiển Feedforward… 8 1.4.3:Dạng mô hình của các khâu quán tính………………………… 9 1.4.4:Yêu cầu đối với hằng số thời gian quá trinh…………………… 10 Chương 2:Tổng hợp bộ điều khiển PID…………………………………… 12 2.1:Tổng hợp theo phương pháp trực tiếp……………………… 12 2.2:Tổng hợp theo mô hình nội IMC………………………………… 13 2.2.1:Cấu trúc điều khiển của IMC…………………………………….14 2.2.2:Hàm truyền của mạch vòng kín IMC…………………………….15 2.2.3:Tổng hợp bộ điều khiển theo IMC……………………………….15 Chương 3: Thiết lập mô hình mô phỏng Feed Forward control cho lò phản ứng……………………………………………………………………17 3.1:Khái quát về lò phản ứng………………………………… 17 3.2:Loại bỏ nhiễu cho lò phản ứng khi điều khiển FF……………… 19 3.3:Kết quả mô phỏng…………………………………………………20 Kết luận Tài liệu tham khảo 2 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình 1.1 Cấu trúc bộ điều khiển Feedforward Một cách để loại trừ tác động của nhiễu là dùng cấu trúc điều khiển Feed Forward Cấu trúc Feed Forward có thể dùng loại bỏ cả nhiễu không đo được Sơ đồ cấu trúc điều khiển Feed Forward tổng quát được biểu diễn trên hình 1.1 Dùng cấu trúc Feed Forward ta có thể loại trừ cả hai tín hiệu nhiễu ở trên Khi dùng hệ phản hồi truyền thống, đáp ứng điều khiển chỉ được đưa ra sau khi có tín hiệu phản hồi từ quá trình thực tế Nên phản ứng xảy ra thường là chậm và có thể ảnh hưởng xấu đến tính ổn định của hệ thống Bộ điều khiển Feed Forward sử dụng sensor để đo trực tiếp tín hiệu nhiễu trước khi nó ảnh hưởng đến quá trình Như trong sơ đồ hình 1.2 phần tử Feed Forward nhận giá trị đo được của tín hiệu nhiễu và dùng nó để tính toán, sắp sếp các hành động điều khiển ưu tiên để giảm tác động của nhiễu khi nó tác động lên quá trình Disturbance Variable II Disturbance Variable I ysetpoint Feedback controller Disturbance Process II Disturbance Process1 y(t) Final control Element Secondary Process Primary Process Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển Feedforward 3 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện d(t) Disturbance to Process Variable Behavior senso r Feed Forward Element - Ufeed back ysetpoint Traditional Feedback controller Ufeedback Utotal Controller Output to Process Variable Behavior y(t) Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển Feed Forward sử dụng Sensor quan sát nhiễu và bố trí bộ điều khiển Feed Forward Phần tử Feed Forward gồm có mô hình nhiễu (Disturdance model) và mô hình quá trình (Process Model) Cả hai mô hình đều là tuyến tính Sự tính toán được thực hiện bởi phần tử Feed Forward được thực hiện theo hai bước sau: - Mô hình nhiễu nhân giá trị đo của nhiễu D(t) và tiên đoán ảnh hưởng khi nào, mức độ mà biến quá trình y(t) sẽ bị ảnh hưởng - Đưa ra thứ tự tiên đoán ảnh hưởng đến biến quá trình y(t), mô hình quá trình (Process Model) sau đó sẽ tính lại một chuỗi các hành động điều khiển ufeedforward(t) để làm mất tác dụng của nhiễu khi nó đến Sự thực hiện này đòi hỏi các mô hình tuyến tính được lập trình trong máy tính điều khiển Nhưng mô hình tuyến tính không thể thiết kế chính xác hành vi của quá trình thực Nên cấu trúc này sẽ không loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của nhiễu 4 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Như trên hình 1.2, ta thấy hành động điều khiển được tính toán ufeedforward(t) được đảo dấu Nó sẽ được cộng với tín hiệu ra từ bộ điều khiển phản hồi truyền thống ufeedback(t) để tạo ra tín hiệu điều khiển tổng: Utotal(t) = ufeedforward(t) - ufeedback(t) (*) 1.2 Thiết lập mô hình quá trình và mô hình nhiễu Phép biến đổi laplace được sử dụng trong quá trình thiết lập mô hình toán học cấu thành Feed Forward Vì vậy phương pháp thành lập thuật toán cơ bản cho mô hình Feed Forward là hết sức cần thiết trong quá trình nghiên cứu Phương pháp thiết lập mô hình quá trình có thể tóm tắt như sau: dữ liệu quá trình được lưu giữ và đánh giá sự tăng/giảm của nó hoặc nếu không có sự nhảy bậc (perturbing) tín hiệu ra của bộ điều khiển u(t) và ghi lại biến số đo được y(t) khi đáp ứng quá trình được phản hồi Trạng thái ban đầu của chu trình được coi là ổn định và trạng thái được xác định tại thời điểm đo Mô hình quá trình sử dụng phương trình động học tuyến tính từ khâu quán tính bậc nhất (FO) có thời gian chết (FOPDT: First Order Plus Time), cho đến khâu bậc hai (SO) với thời gian chết (SOPDT) và thời gia n giữa các giai đoạn đo được Nếu ta gọi mô hình quá trình là Gp(s), thì trong không gian laplace ta có thể viết: Y(s) = Gp (s).U(s) (1.1) Đó là biểu thức tính đầu ra của bộ điều khiển, phương trình (1.1) có thể tính toán biến số quá trình đo được Từ phương trình này dự đoán sự thay đổi của biến số quá trình, so sánh với tín hiệu đo được và tín hiệu ra của bộ điều khiển sẽ được tính toán lại nếu có sự sai khác: U(s) = [1/Gp(s)]Y(s) (1.2) Mô hình nhiễu cũng được thành lập tương tự mô hình quá trình, biến nhiễu là d(t), trong không gian laplace có thể viết: Y(s) = GD(s).D(s) (1.3) Phương trình (1.3) xác định với các biến nhiễu đo được tác động lên quá trình 1.3 Thành lập các thành phần cấu thành Feed Forward 5 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Đáp ứng của nhiễu tác động lên đáp ứng quá trình được đo trong mạch vòng phản hồi truyền thống Đáp ứng của nhiễu tính đo được tính toán theo mô hình: Ydisturb(s) = GD(s).D(s) (1.4) Tín hiệu ra của bộ điều khiển theo mô hình nhiễu viết được: Ufeedforward(s) = [1/Gp(s)]Ydisturb(s) (1.5) Thay phương trình (1.4) vào phương trình (1.5) ta được: Ufeedforward = [GD(s)/Gp(s)]D(s) (1.6) Cuối cùng ta tính được tín hiệu điều khiển quá trình loại bỏ được nhiễu dựa trên mạch vòng kín phản hồi truyền thống: Utotal = Ufeedback - Ufeedforward 1.4 (1.7) Khả năng điều khiển theo mô hình Feed Forward 1.4.1 Mô hình bậc cao Mô hình quá trình tuyến tính bậc nhất hay mô hình quá trình bậc hai SOPDT w/L nghiên cứu ở trên và chúng là mô hình lựa chọn cho bộ điều khiển Lí thuyết Feed Forward cũng cho phép sử dụng mô hình tuyến tính bậc 3, bậc 4 và bậc cao hơn cho các thành phần Feed Forward khi thiết lập các bộ điều khiển ở các nhà máy, những dữ liệu có được sẽ điều khiển chính xác cho 3 tham số của mô hình FOPDT là một nhiệm vụ quan trọng, với kết quả điều khiển đạt được rất khả quan và mô hình FOPDT chính xác thường có khả năng loại bỏ nhiễu loạn Feed Forward hiệu quả Có được bộ dữ liệu giàu thông tin động và loại trừ ảnh hưởng của nhiễu có thể điều khiển những giá trị chính xác cho 5 tham số của mô hình SOPDT w/L là rất khó cho những ứng dụng thực tế và đẩy nhanh thực thi một cách thực tế gần giới hạn cho phép.Chỉ một số rất ít những ứng dụng là có lợi từ mô hình so với sự phức tạp mà mô hình quá trình được thiết lập ở trạm điều khiển Feed Forward Mô hình quá trình bậc hai SOPDT w/L trong khoảng thời gian nghiên cứu có dạng như sau: τ p1 τ p 2 du (t − θ p ) d 2 y (t ) dy (t ) + (τ p1 + τ p 2 ) + y (t ) = K p u (t − θ p ) + τ pL 2 dt dt dt 6 (1.8) Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Trong không gian laplace mô hình quá trình được biểu diễn như sau: Y (s) = K p (τ pL s + 1)e −θ p s (τ p1 + 1)(τ p 2 +1) (1.9) U (s) Mô hình của phương trình (1.8) giống với mô hình của phương trình (1.9) cả hai đều là phương trình vi phân tuyến tính có các hệ số là hằng số Nếu mô hình SOPDT w/L đều sử dụng cả hai mô hình nhiễu và quá trình theo phương trình (1.6), thành Feed Forward trở thành: K U feedforward = D K P (τ p1 + 1)(τ p 2 + 1)(τ DL + 1) −(θ D −θ p ) s D( s ) (1.10) (τ + 1)(τ + 1)(τ + 1) e D2 PL D1 Mô hình này có thể được xem như thành phần cấu thành Feed Forward động bởi vì các biến phụ thuộc thời gian bao gồm các hằng số thời gian và thời gian chết đều bao gồm trong tính toán theo mô hình Feed Forward 1.4.2 Sự khác biệt của thời gian chết trong điều khiển Feed Forward Như chúng ta đã nghiên cứu ở trên thời gian chết quá trình phải ngắn hơn thời gian chết của nhiễu thì mô hình điều khiển Feed Forward loại bỏ tác động của nhiễu lên biến quá trình Thực tế, cấu trúc điều khiển không cho phép nhập vào thời gian chết quá trình lớn Đây là một hạn chế của phầm mềm điều khiển theo nhưng là yêu cầu của thuật toán điều khiển Nếu θ p > θD , khi đó phương trình của mô hình quá trình với bộ điều khiển được tổng hợp theo phương pháp mô hình nội IMC thì những tín hiệu điều khiển đầu tiên sẽ không có tác dụng và không có sự chính xác vì thông tin biến đổi của quá trình không được cập nhật Khả năng quan sát những thông tin ban đầu là không phù hợp với quá trình thực Như vậy với mô hình điều khiển Feed Forward đòi hỏi hằng số thời gian của quá trình phải nhỏ hơn hằng số thời gian của nhiễu thì khả năng điều khiển mới trở thành hiện thực 1.4.3 Dạng mô hình của các khâu quán tính Một tình huống thứ hai mà mô hình Feed Forward khó thực hiện hoặc khó nhận biết được gây ra là lỗi nhầm hằng số thời gian và các giai đoạn dẫn hướng (lead time turms) của mô hình quá trình và mô hình nhiễu Như được đề cập ở phần trước, cả hai hằng số thời gian quá trình đều ở tử số cùng với lead time 7 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện nhiễu và cả hai hằng số thời gian nhiễu đều ở mẫu số cùng với lead time quá trình Một mô hình mà nhận biết được về mặt vật lý đòi hỏi hằng số thời gian ở tử số phải nhỏ hơn hoặc bằng hằng số thời gian ở mẫu số Trạm điều khiển có khả năng thực hiện nhưng còn phụ thuộc mô hình toán mô tả các bước Có nhiều phương pháp để tạo ra một phần tử Feed Forward nhận biết được Một vài ví dụ về dạng phù hợp và không phù hợp được mô tả như sau: Khi mô hình quá trình có dạng FO hoặc FOPDT và mô hình nhiễu có dạng SO hoặc SOPDT thì U(s) ở đầu ra phần tử Feed Forward như sau: K U feedforward ( s ) = D K p (τ p1 s + 1) −(θ D −θ p ) s e D ( s ) (τ s + 1)(τ s + 1) D2 D1 (1.11) Khi mô hình quá trình có dạng FO hoặc FOPDT và mô hình nhiễu có dạng SO w/L hoặc SOPDT w/L thì U(s) ở đầu ra phần tử Feed Forward như sau: K U feedforward ( s ) = D K p (τ p1 s + 1)(τ DL s + 1) −(θ D −θ p ) s e D ( s ) (τ s + 1)(τ s + 1) D2 D1 (1.12) Khi mô hình quá trình có dạng SO hoặc SOPDT và mô hình nhiễu có dạng SO hoặc SOPDT thì U(s) ở đầu ra phần tử Feed Forward như sau: K U feedforward ( s ) = D K p (τ p1 s + 1)(τ p 2 s + 1) −(θ D −θ p ) s e D ( s ) (τ s + 1)(τ s + 1) D2 D1 (1.13) Khi mô hình quá trình có dạng SO hoặc SOPDT và mô hình nhiễu có dạng SO w/L hoặc SOPDT w/L thì U(s) ở đầu ra phần tử Feed Forward như sau: K U feedforward ( s ) = D K p (τ p1 s + 1)(τ p 2 s + 1)(τ DL s + 1) −(θ D −θ p ) s D ( s ) e (τ D1 s + 1)(τ D 2 s + 1) (1.14) Dạng này không nhận biết được vì có nhiễu hằng số thời gian ở tử số hơn ở mẫu số, do đó đòi hỏi lập trình hoạt động không khả thi về mặt vật lí 1.4.4 Yêu cầu đối với hằng số thời gian quá trình Mô hình theo phương trình (*) được gọi là hàm truyền trong không gian laplace, cũng có thể được mô tả như một phương trình vi phân tuyến tính thuần nhất khá phức tạp với hệ số là hằng số trong không gian thực Kết quả của phương trình vi phân này không ổn định nếu bất cứ hằng số thời gian nào ở mẫu âm 8 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Nếu τD1 hoặc τD2 ở mẫu sẽ có giá trị âm khi hằng số thời gian theo định nghĩa luôn dương Lead time của quá trình τPL sẽ mang giá trị âm nếu biến quá trình đo được bị đảo pha do nhảy bậc trong tín hiệu ra của bộ điều khiển Nhưng bởi vì τPL ở mẫu số nên nó không thể mang giá trị âm nếu không thì tính toán Feed Forward sẽ không ổn định Nếu quá trình bị đảo pha và vì thế cho một τPL âm sau khi mô hình được xác lập, hướng đi tốt nhất là dùng mô hình FOPDT và ước lượng phần đảo pha là thời gian chết dài Điều lý thú là nhiễu có thể có phần tử lead âm bởi vì lead term của nhiễu nằm ở tử số của phần tử Feed Forward 1.5 Điều khiển Feed Forward trạng thái tĩnh Khi nghiên cứu chi tiết khả năng thực thi của bộ điều khiển Feed Forward ở chế độ động Bộ điều khiển Feed Forward động sử dụng biến mô hình phụ thuộc thời gian trong tính toán Feed Forward khi có yêu cầu tính tác động chính xác Những tính toán này bao gồm hằng số thời gian và điều kiện thời gian đưa ra đáp ứng của quá trình, và điều kiện thời gian chết miêu tả thời gian trễ trước khi đáp ứng của quá trình bắt đầu Bộ điều khiển Feed Forward tĩnh không xem xét đến thông tin phụ thuộc thời gian trong tính toán Feed Forward Chỉ có độ lớn của đáp ứng như được dự đoán bằng tỉ lệ của hệ số khuếch đại quá trình ở trạng thái ổn định được sử dụng Khi đó, mô hình động chung của Feed Forward như phương trình (1.10) còn phương trình Feed Forward tĩnh đơn giản hơn như sau: K U feedforward ( s ) = D K p .D( s ) (1.15) Phương trình (1.15) thể hiện tác động điều khiển Feed Forward đơn giản là hằng số nhân với giá trị hiện tại của tín hiệu nhiễu Hằng số được tính bằng tỉ số của hệ số khuếch đại của mô hình nhiễu trên hệ số khuếch đại của mô hình quá trình Lợi ích của Feed Forward tĩnh là các bộ điều khiển thương mại đủ tinh vi để cho phép thực thi các thuật toán đơn giản này và khi đó không cần phải có mô hình được lập trình điều khiển trên máy tính 9 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Chương 2: Các phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển PID 2.1 Tổng hợp theo phương pháp trực tiếp ( The direct synthesis design equation ) Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển được thể hiện ở hình 2-1: E(s) YSP(s) U(s) GC(s) Y(s) GP (s) -Y(s) Hình 2-1 : Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển Với YSP(s) là tín hiệu đặt, Y(s) là đáp ứng đầu ra của hệ thống Đáp ứng đầu ra của hệ thống được gọi là biến quá trình, thông thường biến quá trình mong muốn sẽ biến đổi theo hàm toán học có bậc từ 2 trở lên và đạt tới điểm đặt E(s) là sai lệch điều khiển G(s) là bộ điều khiển và đầu ra của bộ điều khiển là biến trạng thái điều khiển quá trình thể hiện dưới hà m truyền GP(s) Bộ điều khiển cơ bản nhất được ứng dụng để điều khiển quá trình thường được thiết kế với dạng tổng quát PID Quá trình tính toán để tổng hợp bộ điều chỉnh dựa trên sơ đồ cấu trúc đơn giản như hình 2-1 với hàm truyền hệ kín được viết như sau: GC ( s )G P ( s ) Y (s) = YSP ( s ) 1 + GC ( s )G P ( s) (2-1) Từ phương trình (2-1) ta giải ra và xác định hàm truyền của bộ điều khiển: GC ( s ) = 1 Y (s) G P ( s ) YSP ( s ) − Y ( s ) (2-2) Chia cả tử và mẫu cho YSP(s) ta nhận được phương trình của bộ điều khiển theo phương pháp tổng hợp trực tiếp: Y ( s) YSP ( s ) 1 GC ( s ) = Y(s) G P (s) 1YSP ( s ) 10 (2-3) Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Tiếp theo ta cần chỉ rõ hơn trong vòng lặp kín biến số của quá trình đo được sẽ tăng tương ứng với khi sự thay đổi tín hiệu đặt ở mức xác định Hàm truyền được biểu diễn dưới dạng FOPDT ( first order plus dead time): K e −θC s Y ( s) = CL YSP ( s ) τ C s +1 (2-4) Hình 2-2 : Mô tả đáp ứng quá trình khi thay đổi giá trị đặt Với phương trình (2-4) và đáp ứng của quá trình theo tín hiệu đặt mong muốn các hệ số và thông số được định nghĩa như sau: KCL : Hệ số khuếch đại của hệ thống điều khiển biến quá trình theo tín hiệu đặt Ta luôn mong muốn biến điều khiển luôn cân bằng với các giá trị điểm đặt xác định Mỗi khi giá trị điểm dặt thay đổi trình ∆ (t ) Y ∆ SP (t ) Y thì biến điều khiển quá phải được phản hồi nhanh nhất và cuối cùng biến đổi với mức độ tương đương Vì thế giả sử những phản hồi thu được tính toán bằng máy tính cho đén khi quá trình ổn định thì kết quả cuối cùng: K CL = ∆Y (t ) =1 ∆Y SP (t ) θ C: Thời gian chết của mạch vòng kín Thời gian chết trong điều khiển luôn là điều không mong muốn bất cứ khi nào có thể chúng ta nên tránh việc thêm thời gian chết vào trong mạch vòng lặp Trong quá trình điều chỉnh các bộ điều khiển quá trình thường vẫn tồn tại thời gian chết nên lưu ý đặt thời gian chết nhỏ nhất cho bộ điều khiển mà không làm tăng thời gian chết cho quá trình vì thế : 11 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện θC(t) = θP(t) τC: Hằng số thời gian của mạch vòng kín Xác định tốc độ phản hồi của của quá trình khi điểm đặt thay đổi Trong quá trình thiết kế hệ thống để đáp ứng quá trình có độ quá chỉnh trong khoảng từ 10% đến 15% Khi tín hiệu đặt đầu vào của hệ thống xuất hiện thì τ C lớn hơn 0,1τP hoặc 0,8θP Đáp ứng của hệ thống không có quá chỉnh khi hằng số thời gian được chọn τC lớn hơn 0,5τP hoặc 4θP Những quy luật này chỉ ra rằng nếu thời gian chết có giá trị nhỏ quá trình phản hồi trong mạch kín sẽ nhanh hơn từ 2÷10 lần quá trình trong mạch hở Vì thế phản hồi mong muốn với vòng lặp kín của đáp ứng khi thay đổi điểm đặt đầu vào trong (2-4) trở thành : Y ( s) e −θ P s = YSP ( s ) τ C s + 1 (2-5) Thế (2-5) vào (2-3) ta được : 1 e −θ P s GC ( s ) = G P ( s ) τ C s + 1 - e -θ P s (2-6) Phương trình (2-6) là phương trình thiết kế bộ điều khiển 2.2 Tổng hợp theo mô hình nội IMC 2.2.1 Cấu trúc điều khiển của IMC ( Internal Model Control Structure ) Điều khiển theo cấu trúc mô hình nội cũng giống như phương pháp tổng hợp trực tiếp có thể sử dụng cho thiết kế bộ điều khiển PID Sơ đồ cấu trúc hệ thống sử dụng mô hình nội: 12 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện D(s) GD(s) Y(s) YSP(s) E(s) GC*(s) U(s) - GP(s) Quá trình Y*(s) - G*P(s) Mô hình quá trình Y ( s) − Y ( s) * Hình 2-3 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển quá trình theo mô hình nội Điểm độc đáo của mô hình nội là mô hình quá trình GP*(s) nối song song với quá trình thực mà nó mô phỏng Từ sơ đồ ta thấy GP*(s) nhận tín hiệu từ đầu ra của bộ điều khiển U(s) và sử dụng nó để tính giá trị tiên đoán Y*(s) của biến đầu ra của quá trình Y(s) Theo lí thuyết mô hình quá trình phải được tính toán như là một phần của bộ điều khiển 2.2.2 Hàm truyền của mạch vòng kín IMC ( IMC Closed Loop Transfer Functions ) Với phương pháp tổng hợp trực tiếp bộ điều khiển điều chỉnh tương quan được thiết lập dựa vào mạch vòng kín Để xác định hàm truyền chúng ta thực hiện cân bằng cấu trúc IMC trong mô hình với sơ đồ cấu trúc như hình 2-3 được viết: Y ( s ) = U ( s )G P ( s ) + D ( s )G D ( s ) (2-7) * Y * ( s ) = U ( s )G P ( s ) (2-8) [ ] * * U ( s ) = E ( s )GC ( s ) = YSP − Y ( s ) + Y * ( s ) GC ( s ) (2-9) Thay các phương trình (2-7) và (2-8) vào (2-9) ta được: [ ] * * U ( s ) = YSP ( s ) − U ( s )G P ( s ) − D( s )G D ( s ) + U ( s )G P ( s ) GC ( s ) 13 (2-10) Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Giải phương trình (2-10) ta tìm ra được: U (s) = * * GC ( s ) G D ( s )GC ( s ) YSP ( s ) − D( s) * * * * 1 + GC ( s ) ( G P ( s ) − G P ( s ) ) 1 + GC ( s )( G P ( s ) − G P ( s ) ) (2-11) Thay (2-11) vào (2-7) và rút gọn ta có: ( ) * * * GC ( s )G P ( s ) G D ( s ) 1 − GC ( s )G P ( s ) Y (s) = YSP ( s ) − D( s ) * * * * 1 + GC ( s ) G P ( s ) − G P ( s ) 1 + GC ( s ) G P ( s ) − G P ( s ) ( ) ( ) (2-12) Phương trình trên cho phép đáp ứng bám tín hiệu đặt khi nhiễu không đổi và xác định hàm truyền của nhiễu khi tín hiệu đặt là hằng số Khi bám điểm đặt thì: * GC ( s )G P ( s ) Y ( s) = * * YSP ( s ) 1 + GC ( s )( G P ( s ) − G P ( s ) ) (2-13) Khi loại trừ nhiễu thì: ( ) * * G P ( s ) 1 − G P ( s )G C ( s ) Y (s) = * * D ( s ) 1 + GC ( s ) G P ( s ) − G P ( s ) ( ) (2-14) Hai phương trình (2-13) và (2-14) là cơ sở cho phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tương quan cho hệ thống có sơ đồ cấu trúc điều khiển theo mô hình nội IMC 2.2.3 Tổng hợp bộ điều khiển theo IMC (Deriving controller tuning correlations using the IMC method ) Gồm 3 bước cơ bản để tìm ra bộ điều khiển tương quan cho cấu trúc điều khiển theo mô hình nội Hai bước đầu nêu chi tiết về việc thành lập mô hình IMC Bước thứ 3 liên hệ IMC với một hàm truyền điều khiển phản hồi truyền thống để đạt được bộ điều khiển điều chỉnh tương quan Bước 1: Từ phương trình (2-13) để loại trừ nhiễu thì khi tính bộ điều khiển * GC ( s ) ta phải nghịch đảo * G P (s) Nếu tử số của mô hình quá trình có chứa nghiệm có phần thực dương thì bộ điều khiển sẽ không ổn định Để tránh tạo ra bộ điều khiển không ổn định ta chia mô hình quá trình ra thành tích của thành phần: * * * G P ( s ) = G P + ( s )G P − ( s ) 15) 14 (2- Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Trong đó * G P+ ( s ) là thành phần không thể nghịch đảo được ( tức là nghiệm của tử số có phần thực dương) Bước 2: Đặt hàm truyền của bộ điều khiển * GC ( s ) = 1 F (s) G (s) (2-16) * P− Trong đó F(s) là bộ lọc thông thấp có hệ số khuếch đại tương đương bằng 1 Thuật ngữ Low-Pass để chỉ tần số cao bị triệt tiêu Để thiết lập bộ điều chỉnh tương quan thì bộ lọc F(s) có dạng: F ( s) = 1 τ C s +1 Hằng số τC cho biết tốc độ phản hồi của một quá trình khi giá trị điểm đặt thay đổi Một phép thử thông dụng để đạt được độ quá điều chỉnh của đáp ứng từ 10% đến 15% khi hằng số này lớn hơn 0,1τ P hoặc 0,8θP Đáp ứng không có quá điều chỉnh khi hằng số thời gian τC lớn hơn 0,5τP hoặc 4θp Bước 3: So sánh mô hình hàm truyền IMC với hàm truyền của hệ thống kín kinh điển.Hàm truyền kín của hệ kinh điển: Y (s) = G P ( s )GC ( s ) G D (s) YSP ( s ) + D( s ) 1 + G P ( s )GC ( s ) 1 + G P ( s )GC ( s ) (2-17) Chúng ta đặt dạng hàm truyền “Set Pointing Traking” như sau: IMC: * GC ( s )G P ( s ) Y ( s) = * * YSP ( s ) 1 + GC ( s )( G P ( s ) − G P ( s ) ) (2-18) Kinh điển: GC ( s )G P ( s ) Y (s) = YSP ( s ) 1 + G P ( s )GC ( s ) (2-19) Cân bằng 2 phương trình trên và rút gọn lại ta được: GC ( s ) = * GC ( s ) * * 1 − GC ( s )G P ( s ) (2-20) Ta có thể dùng phương trình (2-20) để thiết lập bộ điều khiển phản hồi kinh điển suy luận từ cấu trúc IMC Cho phép chúng ta xác định được giới hạn điều chỉnh của các thông số KP ; τI ; τD 15 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Chương 3: Thiết lập mô hình mô phỏng Feed Forward control cho lò phản ứng 3.1 Khái quát về lò phản ứng Cấu trúc tổng quát của lò phản ứng như trên hình vẽ: F0,T0,cA0 F1,T1 Fj,TJo V,T,cA T,F,cA Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của lò phản ứng jacket Thiết bị lò phản ứng được trang bị vỏ làm mát, trong đó nước lạnh đưa vào làm mát với nhiệt độ mong muốn Tương tự như các hệ thống phản ứng khác, yêu cầu đặt ra cho lò phản ứng là ổn định vận hành, nâng cao chất lượng sản phẩm, an toàn và tiết kiệm năng lượng Vì vậy nồng độ trong lò phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ nên ổn định nhiệt độ là giải pháp nâng cao chất lượng sản phẩm Để xây dựng mô hình điều khiển của lò phản ứng thì phải làm rõ biến cần điều khiển, biến điều khiển và nhiễu.Trước hết ta đưa ra các giả thiết sau: - Thiết bị khuấy trộn lý tưởng, nghĩa là nồng độ và nhiệt độ tại mọi điểm giống nhau và giống nhiệt độ và nồng độ ra - Áp suất và khối lượng riêng của dòng quá trình, trước cũng như sau phản ứng được coi là không thay đổi đáng kể 16 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện - Phản ứng có bậc n, tức là phản ứng tổng thể phụ thuộc vào bậc n của nồng độ - Nhiệt độ nước làm mát đều như nhiệt độ đo tại điểm ra - Vỏ làm mát được lấp đầy nước lạnh tức là thể tích nước lạnh (v 1) cũng như bề mặt trao đổi nhiệt (AH) không đổi Với các giả thiết trên, hệ thống bao gồm 10 biến quá trình Trong đó, có 6 biến vào: + Lưu lượng vào F0 + Nhiệt độ vào T0 + Nồng độ vào cA0 + Lưu lượng ra F + Lưu lượng nước Fj + Nhiệt độ nước vào Tj0 Và 4 biến ra: + Thể tích V + Nhiệt độ T + Nồng độ cA + Nhiệt độ nước ra Tj Phân tích các mục tiêu điều khiển kết hợp với sơ đồ công nghệ, ta xác định được các biến cần điều khiển (V, T, c A), biến điều khiển (F, Fj) và biến nhiễu (Tj0, F0, T0, cA0) 3.2 Loại bỏ nhiễu khi diều khiển Feed Foraward cho lò phản ứng jacket Mô hình FOPDT miêu tả một cách hợp lý tính chất động của đầu ra của bộ điều khiển so với biến quá trình đo được biểu diễn trên hình 3.1 17 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Reactant feed Flow(55l/min) Jacket Outlet Temp(69 C) Cooling Jacket inlet Temp(46 C) Controller Output(50 C) (Disturbance) Set Point(86 C) TC Hình 3.2: Sơ đồ mô tả công nghệ điều khiển Feed Forward lò phản ứng khi dùng Sensor quan sát nhiễu Nhiễu của lò phản ứng chủ yếu là nhiệt độ của nước làm mát Ta có nhiệt độ đầu vào làm mát jacket nhảy bậc từ giá trị thiết kết 46 0C xuống 400C và quay trở về Để hiểu rõ hơn về điều khiển Feed Foraward loại bỏ nhiễu, chúng ta thông qua ví dụ điều khiển nhiệt độ của lò phản ứng jacket Trong đó, ta tìm cách duy trì nhiệt độ dòng chảy ra ở lò phản ứng bằng giá trị đặt nhưng phải loại trừ nhiễu gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ đầu vào jacket làm mát Mức thiết kế của hệ thống là đo nhiệt độ dòng chảy ra từ lò phản ứng ở 86 0C Những nghiên cứu hệ hở cho thấy rằng 50% đầu ra bộ điều khiển làm việc cho lò phản ứng ổn định ở nhiệt độ đầu ra thiết kế đo được là 86 0C khi nhiệt độ đầu vào của jacket làm mát thường có giá trị là 400C Như vậy, việc điều chỉnh nhiệt độ cho phản ứng cần phải được thiết kế theo mạch vòng kín Mô hình FOPDT của lò phản ứng với dữ liệu quá trình động học được tính toán bằng phần mềm thiết kế có tham số như sau: Hệ số khuếch đại quá trình: Kp = -0.360C/% Hằng số thời gian: τp = 1.58 min Thời gian chết: θp = 0.88 min 18 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Với những tham số này khi sử dụng các tiêu chuẩn mô hình nội IMC để xác định cho bộ điều chỉnh PI là: Hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh: KC = -2.70C/% Thời gian reset: τI = 1.58 min Mô hình FOPDT của quá trình đã thể hiện một cách hợp lý khi có nhiễu so với tính chất động của biến quá trình đo được Tham số mô hình nhiễu này được sử dụng để xây dựng mô hình nhiễu cho thiết bị Feed Foraward có tham số như sau: Hệ số khuếch đại của nhiễu: KD = 0.950C/% Hằng số thời gian nhiễu: τD = 1.92 min Thời gian chết của nhiễu: θD = 1.3 min Như vậy thiết bị Feed Foraward được xây dựng có cấu trúc sau: 0.95 (1.58s + 1) −( 1.30 −0.88 ) s U feedforward ( s ) = e − 0.36 (1.92 s + 1) (3.1) Phương trình (3.1) có tính hiện thực về mặt vật lý bởi vì thỏa mãn điều kiện thời gian 3.3 θ p < θD Giải pháp điều khiển Feed Forward cho lò phản ứng jacket Chiến lược điều khiển Feed Forward bao gồm một bộ cảm biến đo trực tiếp những thay đổi của biến nhiễu và mô hình Feed Forward để thiết lập hoạt động kiểm soát chuẩn dựa trên số đo Trong trường hợp đó, bộ cảm biến là để hạn chế sự thay đổi của nhiệt độ trong lò phản ứng Khi mô hình Feed Forward nhận được tín hiệu thay đổi của nhiệt độ thì mô hình nhiễu liên tục dự đoán tác động về các phản ứng trong lò sẽ thay đổi như thế nào khi thay đổi nhiệt độ trong lò Dựa trên những dự đoán tác động này, mô hình sẽ tính toán chuỗi hoạt động kiểm soát chính xác cho sự hoạt động tương thích với sự hoạt động của lượng nước làm mát được đưa vào cũng như thời gian cho những hoạt động đó Mục đích là điều chỉnh nhiệt độ trong lò phản ứng ổn định Với mô hình tương đối chính xác, bộ điều khiển Feed Forward có thể giảm tác động do sự thay đổi nhiệt độ Việc loại bỏ nhiễu hoàn toàn là khó 19 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện thực hiện, bởi vì mô hình động học tuyến tính Feed Forward không mô tả hoạt động chính xác của các khâu phi tuyến cùng với thời gian và sự thay đổi của mô hình Để bù lại sự không tương thích giữa thiết bị kỹ thuật và mô hình, bộ điều khiển phản hồi truyền thống, hệ thống điều khiển Feed Forward Đó là bộ điều khiển phản hồi loại thành phần của nhiễu nhiệt độ vượt ra khỏi sự kiểm soát của bộ điều khiển Feed Forward tác động đến lưu lượng ra của lò Đồng thời nó cũng cho phép loại bỏ tất cả các loại nhiễu khác ảnh hưởng đến quá trình điều khiển lưu lượng ra của lò phản ứng và tạo khả năng bám sát giá trị đặt 3.4 Kết quả mô phỏng Thiết bị Feed Forward được kết hợp với bộ điều khiển phản hồi PI đã được tổng hợp theo phương pháp IMC cho việc nghiên cứu bộ điều khiển PI mạch vòng đơn để điều khiển Feed Forward có thể rút gọn Feed back Như vậy, ta có sơ đồ mô phỏng như hình3.3: Hình3.3:Sơ đồ mô phỏng hệ thống Trong đó biến quá trình đo được (nhiệt độ dòng ra lò phản ứng) được đặt ở giá trị thiết kế 860C Để thử nghiệm bộ điều khiển, nhiệt độ đầu vào lò làm mát được nhảy bậc từ giá trị thiết kế là 460C xuống 400C và quay trở lại 20 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Hình 3.4:Đặc tính hệ thống khi có bộ điều khiển Feed forward Ta thấy, khi có bộ điều khiển Feed Forward với thiết kế phản hồi rút gọn thu được đặc tính tốt hơn mạch vòng đơn trong việc duy trì nhiệt độ đầu ra lò phản ứng gần với giá trị không đổi là 86 0C Cụ thể nhiệt độ đầu ra lò phản ứng đo được chênh lệch so với giá trị đặt lớn nhất là nhỏ hơn 10C 21 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Kết luận: Khi dùng phần tử Feed Forward tham gia vào điều khiển quá trình khả năng loại bỏ nhiễu tăng lên rõ rệt.Đồng thời trong điều khiển không cần quan tâm đến việc tìm kiếm và thiết lập các biến phụ như điều khiển Cascade Tuy nhiên, việc loại trừ nhiễu hoàn toàn là không thể có bởi vì mô hình FOPDT chỉ xấp xỉ khâu quán tính bậc cao và tác động phi tuyến của quá trình lò phản ứng có vỏ làm mát 22 Thiết kê môn học Môn:Trang bị điện Tài liệu tham khảo [1].Thạc sĩ Hoàng Xuân Bình_Giáo trình điều khiển quá trình_Nhà xuất bản Bộ môn điện tự động công nghiệp trường Đại học hàng hải Việt Nam_năm 2007 [2] Thạc sĩ Hoàng Xuân Bình_Giáo trình Trang bị điện-điện tử máy công nghiệp dùng chung_Nhà xuất bản Bộ môn điện tự động công nghiệp trường Đại học hàng hải Việt Nam_năm 2009 [3].Thư viện trường ĐHHH Việt Nam 23 ... lị phản ứng 3.1 Khái quát lò phản ứng Cấu trúc tổng qt lị phản ứng hình vẽ: F0,T0,cA0 F1,T1 Fj,TJo V,T,cA T,F,cA Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát lò phản ứng jacket Thiết bị lò phản ứng trang. .. lập mơ hình mơ Feed Forward control cho lò phản ứng? ??…………………………………………………………………17 3.1:Khái quát lò phản ứng? ??……………………………… 17 3.2:Loại bỏ nhiễu cho lò phản ứng điều khiển FF……………… 19 3.3:Kết mô phỏng…………………………………………………20... định với biến nhiễu đo tác động lên trình 1.3 Thành lập thành phần cấu thành Feed Forward Thiết kê môn học Môn :Trang bị điện Đáp ứng nhiễu tác động lên đáp ứng trình đo mạch vòng phản hồi truyền