Luận văn: Hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình tự điều khiển từng máy bơm

Chia sẻ: Nguyễn Văn Tần | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:112

Thêm vào BST

Báo xấu

701
lượt xem 155
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiêm năng lượng. Các nghành công nghiệp nói chung và ngành nước nói chung vẫn sử dụng công nghệ truyền động không thích hợp,điều khiển thụ động, không linh hoạt. Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần lớn bởi chi phí điện bơm nước( 30-35%). Trước đây tồn tại quan điểm việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém và không mang lại hiệu quả...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: Hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình tự điều khiển từng máy bơm

LỜI MỞ ĐẦU 1, MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng l ượng ngày càng tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiêm năng lượng. Các nghành công nghiệp nói chung và ngành nước nói chung vẫn sử dụng công nghệ truyền động không thích hợp,điều khiển th ụ động, không linh hoạt. Đối với nhà máy nước, y ếu t ố c ấu thành giá nước bị chi phối phần lớn bởi chi phí điện bơm nước( 30-35%). Trước đây tồn tại quan điểm việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém và không mang lại hiệu quả thiết thực. Với công nghệ biến tần tính toán đã chỉ ra việc đầu tư vào h ệ th ống đi ều khi ển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm cấp II có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và giảm được chi phí cho công tác quản lý vạn hành thiết bị.Máy bơm và quạt gió là những ứng dụng rất thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng. Trong phạm vi đồ án, chúng ta chỉ đề cập tới việc sử dụng thiết bị biền tần trong đi ều khiển tốc độ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm và ổn định áp suất trong đường ống cấp nước. 2, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế,người ta sử dụng máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm c ấp n ước cho cả khu dân cư, thành phố, cho cả khu công nghiệp. Với đ ề tài này,chúng em đã mô hình hòa hệ thống nên chỉ sử dụng biến tần công suất nhỏ và động cơ không đồng bộ để mô tả sự hoạt động c ủa hê thống với tín hiệu giả đưa về tư triết áp. Một ph ần vì các máy b ơm ba pha thường rất to và nặng kéo theo h ệ th ống s ẽ không đơn gi ản, lý do nữa là chi phí cho một đồ án như vậy là quá lớn với kh ả năng c ủa chúng em. Để thực hiện được đề tài chúng em đã: - Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình tự điều khiển từng máy bơm - Tìm hiểu về biến tần sử dụng - Lựa chọn biến tần và động cơ có công suất hợp lý - Tìm hiểu giao tiếp PLC với biến tần - Lập trình PLC - Lập trình bộ PID để điều khiển máy bơm - Thiết kế giao diện WinCC để giám sát và điều khiển.
3 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài cho thấy việc ứng dụng của tự động hóa vào trong cuộc sống là rất cần thiết,nó giúp ta tiết kiệm được th ời gian công sức, ti ền b ạc nhưng mang lai hiệu quả kinh tế cao và hoạt động rất ổn định. Từ đề tài nghiên cứu về điều khiển ổn định áp suất cho đường ống nước, chúng ta có thể mợ rộng cho hệ thống điều khiển lò nhi ệt,h ệ thống điều hòa không khí…… 4 PHẠM VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường và ngoài thực tế, do còn hạn chế về kiến thức cũng như khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên chúng em chỉ có thể tọa mô hình mang tính ch ất mô ph ỏng cao để thể hiện quy trình hoạt động của một hệ thống cấp nước thực tế. Trong đó, chúng em đã thực hiện một số công việc : - Lập trình PLC hoạt động theo thuật toán đưa ra - Giao tiếp PLC với WinCC giám sát hệ thống - Giao tiếp PLC với biến tần - Thiết kế giao diện điều khiển tự động với WinCC - Điều khiển PID cho động cơ theo giá trị yêu cầu
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp nước vào cùng một đường ống.Áp lực và lưu lượng của đường ống thay đổi hang giờ theo nhu cầu.Bơm và các thiết bị đi kèm như đường ống van,đài nước được thiết kế với lưu lượng nước bơm rất lớn.Vì thế điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện bằng các phương pháp sau: - Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm - Điều chỉnh bằng đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời. - Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối thủy lực. Điều khiển theo những phương pháp trên không những không tiết kiệm được năng lượng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường ống do chấn động khi đóng mở van gây nên,đồng thời các máy bơm cung cấp không bám sát được chế độ tiêu thụ trên mạng lưới. Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh biến đổi quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ. 1.1 Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống. Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ đây biến tần điều khiển tốc độ động cơ. Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ. Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về PLC.PLC sẽ so sánh giá trị truyền về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào đông cơ để đảm bảo áp suất nước trong đường ống là ổn định. Sự điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể như sau: - Điều chỉnh tốc độ quay khi áp suất thay đổi. - Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm.Một thiết bị biến tần có thể điều khiển tới 5 máy bơm. 1.1.1 Phương thức điều khiển bơm Có 3 phương thức điều khiển các máy bơm: + Điều khiển theo mực nước: trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hut hồi tiếp về PLC.Bộ vi xử lý sẽ so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt.Trên cơ sở kết quả so sánh PLC sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao
cho phù hợp để mực chất lỏng trong bể luôn bằng giá trị cài đặt.Ngược lại khi tín hiệu hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt,biến tần sẽ điều khiển các bơm để mực chất lỏng luông đạt giá trị đặt. + Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động: Mỗi một máy bơm được nối với một bộ biến tần trong đó có một biến tần là chủ động,các biến tần khác là thụ động.Khi tín hiệu hồi tiếp về biến tần chủ động thì bộ vi xử lý của biến tần này sẽ so sánh với tín hiệu được đặt để từ đó tác động đến các biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay của các máy bơm cho phù hợp và không gây ra hiện tượng đập thủy lực phản hồi từ hệ thống.Phương thức điều khiển này là linh hoạt nhất khắc phục những kho khăn trong quá trình vận hành bơm khác với thiết kế.Phương thức này được sử dung co trương hợp thay đổi cả về lưu lượng và áp suất trên mạng lưới. + Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm: Một máy bơm chính thông qua thiết bị biến tần,các máy bơm còn lại đóng mở trực tiếp bằng khởi động mềm.Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng trên mạng lưới hồi tiếp về PLC.Bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt và điều khiển tốc độ máy bơm chính chạy với tốc độ phù hợp.Đây cũng chính là cách mà nhóm em đã tiến hành làm.Khi mà bơm được điều khiển bằng biến tần hoạt động ở chế độ định mức mà vẫn chưa đáp ứng được áp suất trên được ống thì PLC sẽ ra lệnh để đưa các máy bơm khởi động mềm tham gia vào hề thống nhằm duy trì được áp suất mong muốn trong đường ống.Đến một lúc nào đó,khi mà áp suất trong đường ống đã đủ thì PLC sẽ ngắt các bơm phụ ra dần dần tránh áp suất cao gây nguy hiểm cho đường ống.Trong trường hợp ngắt tất cả các bơm mà áp suất vẫn còn cao thì PLC sẽ ra lệnh cho biến tần đẻ biến tần giảm dần tần số của động cơ để đưa áp suất trong đường ống về gần bằng giá trị đặt nhanh nhất trong thời gian có thể.Tất cả những việc này thì được theo dõi và giám sát bằng WinCC qua màn hình máy tính(hoặc được điều khiển bằng tay) 1.1.2 Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần: - Hạn chế được dòng khởi động cao - Tiết kiệm năng lượng - Điều khiển linh hoạt các máy bơm - Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400Kw - Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt - Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ - Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc quá điện áp khi khởi động
- Bảo vệ được động cơ khi :ngắn mạch,mất pha,lệch pha,quá tải,quá dòng,quá nhiệt… - Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows - Kích thước nhỏ gọn không chiếm diện tích trong nhà trạm - Mô-men khơỉ động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng - Dễ dàng lắp đặt vận hành - Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần 1.1.3Mô tả hoạt động của hệ thống(được điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm) Trong hệ thống có tất cả là 2 máy bơm:một máy bơm 3 pha và một máy bơm 1 pha.Biến tần sẽ điều khiển trực tiếp máy bơm 3 pha,máy bơm 1 pha sẽ bơm dự phòng khi mà máy bơm 3 pha chạy hết công suất định mức mà áp suất vẫm chưa ổn định ở giá trị setpoint.Máy bơm dự phòng này sẽ được điều khiển trực tiếp bằng điện lưới 220V. Khởi động hệ thống lên thì máy bơm 3 pha được điều khiển bằng biến tần sẽ được động cơ chạy cho tới khi đạt được áp suất đặt,khi áp suất trong đường ống đã bằng áp suất đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ của máy bơm này.Trường hợp tải thay đổi tức là áp suất thay đổi,tùy theo tải tăng hay giảm thì biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hay chậm. Khi tải tăng tức là áp suất giảm,lúc này muốn ổn định áp suất thì biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn(tức tăng tần số của máy bơm 3 pha) cho tới khi đạt được áp suất đặt. Ngược lại,khi tải giảm thì biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuống cho tới khi đạt được áp suất đặt. Nếu lúc tải giảm mạnh nhất(áp suất tăng lên cao) thì bơm dự phòng sẽ tự động dừng chỉ còn bơm biến tần hoạt động.Hệ thống cứ hoạt động liên tục như vậy,áp suất trong đường ống luôn luôn giữ ổn định tránh tình trạng áp suất tăng quá cao sẽ gây vỡ đường ống cấp nước 1.2 Hệ thống điều khiển áp suất 1.2.1 Yêu cầu công nghệ Sử dụng biến tần MicroMaster 440 điều khiển trơn cho động cơ bơm, công suất tiêu thụ của động cơ sẽ được biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải. Động cơ thứ 2 sẽ sử dụng chạy nền nếu sau này phụ tải phát triển lớn hơn.Một sensor áp suất được đưa vào đầu ra nước cấp của Nhà máy để đo áp lực nước đưa về hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển là 1 PLC S7-200 (SIEMENS) đảm bảo cho việc tự động hóa hoàn toàn quá trình bơm cấp nước của Nhà máy.Vận hành hệ thống thông qua WinCC. Hệ thống được hoạt động ở 2 chế độ:bằng tay và bằng WinCC.Việc chuyển đổi giữa hai chế độ tự động và bằng tay được thực hiện bằng các công tắc chuyển đổi vị trí.Hệ
thống mới và cũ sẽ được đấu nối đảm bảo chính xác, và vận hành an toàn trong mọi tình huống. Đảm bảo tính an toàn cao nhất của cả hệ thống. H1.Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm Như vậy với việc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo đúng thực tế lưu lượng phụ tải, do vậy sẽ giảm đáng kể năng lượng tiêu hao không cần thiết vào các giờ phụ tải thấp điểm. Hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên đường ống mạng và điều khiển ngược lại để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu. PLC sẽ điều khiển áp suất nước trên đường ống mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức là hệ thống sẽ điều khiển áp suất theo thời gian thực. Hệ thống điều khiển tự động này một số chức năng chính sau:  Đo lường: do đầu đo áp suất đo lường và chuyển đổi để đưa về CPU của S7-200.  Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề này.  Điều khiển: S7-200 sẽ phối hợp với biến tần làm việc này theo yêu cầu.  Giám sát: S7-200 sẽ kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động.  Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị: sử dụng phần mềm giao diện người máy (HMI) WinCC.  Hệ thống có thể chuyển đổi qua lại giữa các motor bơm chạy với biến tần nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng mà không làm gián đoạn sản xuất.
Đồng thời để cho phép mở rộng và phát triển phụ tải sau này, hệ thống có thể sử dụng cùng lúc hai bơm nếu cần. Bơm thứ hai sẽ đươc tự động đóng chạy trực tiếp thông qua côngtắctơ như là một bơm nền và bơm có biến tần sẽ chạy điều chỉnh đỉnh cho phù hợp với phụ tải. 1.3.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 1 sơ đồ khối hệ thống
CHƯƠNG II: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHÂN DANG ̣ ̣ 2.1.1 Tông quan về nhân dang quá trinh ̉ ̣ ̣ ̀ 2.1.1.1 Nhân dang quá trinh là gi? ̣ ̣ ̀ ̀ Phương phap xây dựng mô hinh toan hoc trên cơ sở cac dữ liêu ́ ̀ ́ ̣ ́ ̣ vao- ra thực nghiêm được goi là mô hinh hoa thực nghiêm hay nhân ̀ ̣ ̣ ̀ ́ ̣ ̣ dang hệ thông (system identification). Khai niêm nhân dang hệ thông ̣ ́ ́ ̣ ̣ ̣ ́ được đinh nghia trong chuân IEC 60050- 351 là “ những thủ tuc suy luân ̣ ̃ ̉ ̣ ̣ môt mô hinh toan hoc biên diên đăc tinh tinh và đăc tinh qua ́ đô ̣ cua môt ̣ ̀ ́ ̣ ̃ ̃ ̣́ ̃ ̣́ ̉ ̣ hệ thông từ đap ứng cua nó với môt tin hiêu đâu vao xac đinh, ví dụ ham ́ ́ ̉ ̣́ ̣ ̀ ̀ ̣́ ̀ ̣ ̣ ̣ ̃̀ ́ ́ bâc thang, môt xung hoăc nhiêu ôn trăng”. [Nguyên văn tiêng Anh: “ The procedures for deducing a mathematical model representing the static and transiet behavior of a system from its response to a well- defined input signal e.g a step function, an impulse, or a white noise”.] 2.1.1.2 Cac bước tiên hanh dể nhân dang môt quá trinh ́ ́ ̀ ̣ ̣ ̣ ̀ Giông như nhiêu công viêc phat triên hệ thông khac, nhân dang hâu ́ ̀ ̣ ́ ̉ ́ ́ ̣ ̣ ̀ như bao giờ cung là môt quá trinh phức tap. Những bước cơ ban trong ̃ ̣ ̀ ̣ ̉ xây dựng mô hinh thực nghiêm cho môt quá trinh công nghiêp bao gôm: ̀ ̣ ̣ ̀ ̣ ̀ • Thu thâp, khai thac thông tin ban đâu về quá trinh ̣ ́ ̀ ̀ • Lựa chon phương phap nhân dang ̣ ́ ̣ ̣ • Tiên hanh lây số liêu thực nghiêm cho từng căp biên vao / ra ́ ̀ ́ ̣ ̣ ̣ ́ ̀ • Quyêt đinh về dang mô hinh ̣́ ̣ ̀ • Xac đinh cac tham số mô hinh ̣́ ́ ̀ • Mô phong, kiêm chứng và đanh giá mô hinh ̉ ̉ ́ ̀ 2.1.1.3 Phân loai và lựa chon phương phap nhân dang ̣ ̣ ́ ̣ ̣ Cac phương phap nhân dang hiên nay vô cung phong phu. Tuy ́ ́ ̣ ̣ ̣ ̀ ́ nhiên, ta có thể phân loai cac phương phap nhân dang từ nhiêu goc độ ̣ ́ ́ ̣ ̣ ̀ ́ khac nhau, ví dụ theo dang mô hinh sử dung, dang tin hiêu th ực nghiêm, ́ ̣ ̀ ̣ ̣ ́ ̣ ̣ thuât toan ap dung hoăc muc đich sử dung mô hinh. ̣ ́́ ̣ ̣ ̣́ ̣ ̀ • Nhân dang dựa vao dang mô hinh sử dung trực tiêp ̣ ̣ ̀ ̣ ̀ ̣ ́ • Nhân dang chủ đông / Nhân dang bị đông ̣ ̣ ̣ ̣ ̣ ̣
• Nhân dang vong hở / Nhân dang vong kin ̣ ̀ ̣ ̣ ̀ ́ • Nhân dang trực tuyên / Nhân dang ngoai tuyên ̣ ̣ ́ ̣ ̣ ̣ ́ • Nhân dang dựa vao ước lượng mô hinh ̣ ̣ ̀ ̀ Viêc lựa chon môt phương phap nhân dang phù hợp phụ thuôc ̣ ̣ ̣ ́ ̣ ̣ ̣ ̀ vao nhiêu yêu tố như yêu câu chât lượng mô hinh, khả năng nhân dang chủ ̀ ́ ̀ ́ ̀ ̣ ̣ đông, khôi lượng tinh toan và muc đich sử dung mô hinh. Môi phương ̣ ́ ́ ́ ̣ ́ ̣ ̀ ̃ phap có những ưu điêm và nhược điêm riêng, dân đên khả năng ap dung ́ ̉ ̉ ̃ ́ ́ ̣ khac nhau tuy theo từng bai toan. ́ ̀ ̀ ́ 2.1.2 Nhân dang quá trinh theo phương phap kinh điên ̣ ̣ ̀ ́ ̉ Để nhân dang đôi tượng, đâu tiên cân xac đinh câu truc mô hinh ̣ ̣ ́ ̀ ̀ ̣́ ́ ́ ̀ toan hoc phù hợp cho đôi tượng. Trong điêu khiên quá trinh với cac ́ ̣ ́ ̀ ̉ ̀ ́ phương phap kinh điên, mô hinh tuyên tinh bâc nhât và bâc hai (có hoăc ́ ̉ ̀ ́́ ̣ ́ ̣ ̣ không có trê, có hoăc không dao đông, có hoăc không thanh phân tich ̃ ̣ ̣ ̣ ̀ ̀́ phân) là những dang thực dung nhât. Sau đó là xac đinh cac tham số cua ̣ ̣ ́ ̣́ ́ ̉ mô hinh. Để nhân dang được cac tham số nay, tac đông tin hiêu kich ̀ ̣ ̣ ́ ̀ ́ ̣ ́ ̣ ́ thich phù hợp đên đâu vao cua quá trinh, ghi lai đap ứng đâu ra cua quá ́ ́ ̀ ̀ ̉ ̀ ̣́ ̀ ̉ trinh, từ đó xac đinh cac tham số phù hợp với mô hinh đang sử dung. ̀ ̣́ ́ ̀ ̣ Cuôi cung là bước mô phong – kiêm chứng – đanh giá mô hinh được ́̀ ̉ ̉ ́ ̀ xac đinh ở cac bước trên với sự trợ giup cua may tinh. ̣́ ́ ́ ̉ ́́ ̣́ ́ ́ ̀ ́ ̣ ̀ ̀ ̣ ̉ ́ 2.1.2.1Xac đinh câu truc mô hinh toan hoc (ham truyên đat) cua đôi tượng Đôi tượng ở đây là đông cơ Bơm nước ́ ̣ Ham truyên cua ĐC bơm được xac đinh băng phương phap thực ̀ ̀ ̉ ̣́ ̀ ́ ̣ nghiêm. Câp công suât tôi đa cho bơm, ap suât nước do bơm tao ra tăng dân.Sau ́ ́́ ́ ́ ̣ ̀ 1 thời gian ap suât đat đên giá trị bao hoa.Đăc tinh ap suât theo th ời gian ́ ́ ̣́ ̃ ̀ ̣́ ́ ́ có thể biêu diên như hinh (2.2a).Do đăc tinh chinh xac cua DDC bơm ̉ ̃ ̀ ̣́ ́ ́ ̉ khá phức tap nên ta xâp xĩ băng đap ứng gân đung như ở hinh (2.2b). ̣ ́ ̀ ́ ̀ ́ ̀ ́ ́ ́̀ Công suât P=100% Ap suât đâu ra Đông cơ bơm ̣ Hinh 2.1: Sơ đồ khôi mô tả đôi tượng điêu khiên ̀ ́ ́ ̀ ̉ P(atm) P(atm)
K K t(sec) t(sec) a) L T b) L T Hinh 2.2: Đăc tinh cua đông cơ bơm ̀ ̣́ ̉ ̣ ̣́ ́ ́ ̣́ ̀ ́ a) Đăc tinh chinh xac b) Đăc tinh gân đung Ta xac đinh ham truyên gân đung cua đông cơ bơm dung đinh nghia: ̣́ ̀ ̀ ̀ ́ ̉ ̣ ̀ ̣ ̃ y( p) W(p) = u ( p) Do tin hiêu là ham năc đơn vị (P=100%) nên: ́ ̣ ̀ ́ 1 u(p) = p Tin hiêu ra gân đung ở hinh 2.2b) chinh là ham : ́ ̣ ̀ ́ ̀ ́ ̀ y(t) = f ( t-L) −t ́ trong đo: f(t) = k(1-e T ) k Tra bang Laplace ta được: ̉ F(p) = p(1 + T p) 2 Do vây ap dung đinh lý châm trễ ta được: ̣́ ̣ ̣ ̣ k .e −T1 p W(p) = p(1 + T2 p ) Suy ra ham truyên đat cua đông cơ bơm: ̀ ̀ ̣̉ ̣ k .e −T1 p W(p) = 1 + T2 p ́ Trong đo: k: hệ số khuêch đai tinh ́ ̣̃ T1 thời gian trễ xâp xĩ ́ T2: hăng số thời gian ̀ 2.1.2.2 Xác định các tham số của hàm truyền đạt Như đã trình bày ở phần trên, đối tượng điều khiển là đ ộng c ư bơm có hàm truyền đạt của mô hình toán h ọc quán tính b ậc nh ất có trễ: k e −T1 p W ( p) = 1 + T2 p
Qua khảo sát thực nghiệm ta tìm được hàm truyền của động cơ bơm là: 1.7 e −0.08 p W ( p) = 1 + 0.5 p Tác động đầu vào đối tượng là hàm nấc đơn vị u(t), ta có sơ đồ kh ối của hệ hở: W(p) u(t) y(t) Sơ đồ khố hệ hở với kích thích đầu vào hàm nấc đơn vị Sử dụng phép xấp xỉ Pades cho thành phần trễ ở W(p): 1 − 0.5 × 0.08 p e −0.08 p ≈ 1 + 0.5 × 0.08 p − 3.4 p + 85 y( p) W ( p) = 2 = Suy ra p + 27 p + 50 u ( p) Theo phương pháp số TUSTIN vẽ y(p) => y(t) thì: 2 z −1 Từ hàm ảnh p ta chuyển sang miền hàm ảnh z: p = . T z +1 2( z −1) −3.4 + 85 T ( z + 1) => W ( z ) = � 2 2( z −1) � 54( z − 1) � ( z + 1) �+ T ( z + 1) + 50 T � � Sau khi biến đổi ta được biểu thức sau: (85T 2 − 6.8T ) z 2 + 170T 2 z + (85T 2 + 6.8T ) y( z ) W (z) = = (50T + 54T + 4) z + (100T − 8) z + (50T − 54T + 4) u ( z ) 2 2 2 2 (85T 2 − 6.8T ) z 2 .u ( z ) + 170T 2 z.u ( z ) + (85T 2 + 6.8T ).u ( z ) => = (50T 2+54T + 4) z 2 . y ( z ) + (100T 2 − 8) z. y ( z ) + (50T 2 − 54T + 4) y ( z ) Từ đó ta tra bảng ảnh gốc: - Hàm gốc pt sai phân: y(k) = y(z) y(k+1) = z.y(z) y(k+n) = z n . y( z ) dny = p n . y( p) - Hàm gốc pt vi phân: n dt Suy ra
(85T 2 − 6.8T ).u (k + 2) +170T 2 .u (k +1) + (85T 2 + 6.8T ).u (k ) y (k + 2) = (50T 2+54T + 4) − (100T 2 − 8). y (k +1) − (50T 2 − 54T + 4) y (k ) + (50T 2+54T + 4) Vì các biên độ: u(k+2) = u(k+1) = u(k) = 1 nên : 340T 2 − (100T 2 − 8). y (k + 1) − (50T 2 − 54T + 4) y (k ) y (k + 2) =  (50T 2+54T + 4) Rút gọn biểu thức: 6.8T 2 − ( 2T 2 − 0.16). y ( k + 1) − (T 2 − 1.08T + 0.08) y (k ) y ( k + 2) = (T 2+1.08T + 0.08) Biểu thức trên chỉ ra: đáp ứng đầu ra của hệ thống thay đổi th ế nào khi các kích thích đầu vào thay đổi sau mỗi lần lấy m ấu. Trong đó y(k) và y(k+1) lần lượt là các đáp ứng đầu ra thu được sau 2 lần lấy mẫu trước đó. 2.2 ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG Để biết được mô hình toán học của đối tượng có được nh ận d ạng đúng với khảo sát qua thực nghiệm hay không hoặc để so sánh giữa 2 mô hình lý thuyết và thực nghiệm ta phải tính toán được các giá trị y(k+2) sau mỗi lần lấy mẫu.Điều này khá ph ức tạp nếu số l ần l ấy mẫu nhiều, chưa kể tới sai số trong tính toán sẽ làm cho kết quả thu được không còn tính chính xác.Với sự trợ giúp của máy tính, công vi ệc tính toán này không nhữn dễ dàng, nhanh chóng và chính xác h ơn mà còn có tính trực quan nhờ công cụ mô phỏng mạnh mẽ là MATLAB.Thêm nữa mô phỏng trên MATLAB giúp chúng ta xác định ngay được các tham số của mô hình. 2.2.1 Mô phỏng đối tượng bằng phần mềm matlab Chọn t = T: Chu kì lấy mẫu
Kết quả thu được như đồ thị hình sau: (Với chu kì lấy mẫu T = 0.02s) Hình 2.4: Đáp ứng đầu ra của động cơ bơm khi kích thích đầu vào hàm nấc đơn vị
Trong quá trình nhận dạng đối tượng, ngoài bước quyết đinh về dạng mô hình toán học và xác định các tham số của mô hình đó, bước mô phỏng – kiểm chứng – đánh giá dựa theo các ph ương pháp toán h ọc hoặc tiêu chuẩn để kiểm tra lại các kết quả được xác đinh trước đó,thường là trên cơ sở nhiều tệp dữ liệu khác nhau. Nếu chưa đạt yêu cầu, cần quay lại một trong các bước trước. Với sự trợ giúp của máy tính, chúng ta vừa mô ph ỏng đ ối t ượng thông qua lập trình trên Matbab. Trong hình 2-4, Matlab chỉ các rằng: đối tượng có đáp ứng đầu ra là khâu quán tính bậc nhất có trễ với giá trị tại trạng thái xác lập bằng hệ số khuếch đại tĩnh (k = 1,7). Điều này đúng với hàm truyền tìm được thông qua khảo sát thực nghiệm 2.2.2 Xác định tham số theo phương pháp 2 điểm quy chiếu (The Reaction Curve Method). Các phương pháp nhận dạng quá trình trực tiếp dựa trên bi ểu đ ồ đáp ứng quá độ rất được ưa chuộng với những người làn thực tế, bởi tính trực quan và đơn giản. Tất nhiên, mức độ chính xác của các mô hình nhận được thường là ở mức độ khiêm tốn bởi hai lí do: • Mô hình sử dụng thường đơn giản (bậc thấp) • Ảnh hưởng của nhiễu không được giải quyết tốt Song đối với mức độ yêu cầu của m ột ph ần không nh ỏ các bài toán điều khiển quá trình thì người ta có thể bằng lòng với cách làm này. Có 3 phương pháp để xác định các h ệ số của mô hình FOPDT, đó là: • Phương pháp kẻ tiếp tuyến • Phương pháp hai điểm quy chiếu • Phương pháp diện tích Đối với phương pháp 1, việc kẻ tiếp tuy ến để ước lượng các tham số mô hình mang tính cảm nhận chủ quan, thiếu chính xác và khó thực thi trên máy tính. Hơn nữa, nhiễu quá trình và thi ếu đo có th ể gây sai lệnh rất lớn trong kết quả. Vì vậy, trong th ực tế ta nên tránh áp dụng phương pháp này. Trong khi đó, nhược điểm của ph ương pháp 3 là kh ối l ượng tính toán xấp xỉ tích phân là rất lớn. Thêm nữa, kết quả tính toán các tham số thời gian phụ thuộc một cách tương đối nhạy cảm vào các giá trị ước lượng cho các hệ số khuếch đại tĩnh k. Chỉ cần giá trị k có sai s ố tương đối nhỏ cũng có thể dẫn tới sai số lớn trong tính toán T1 và T2. Vì vậy, để khắc phục một ph ần nh ược đi ểm c ủa ph ương pháp kẻ tiếp tuyến cũng như giảm bớt khối lượng tinh toán xấp xỉ tích phân
của phương pháp diện tích nói trên ta có thể áp dụng ph ương pháp hai điểm quy chiếu. Trong phương pháp này, ta dùng hai điểm quy chiếu tương ứng với các giá trị 0,283∆ y∞ và 0,632∆ y∞ thay cho chỉ sủ dụng một điểm. Output 0.623∆ y∞ ∆ y∞ = k. ∆ u 0,283∆ y∞ t (sec) t1 t2 Hình 2.5: Phương pháp đồ thị đáp ứng quá độ sử dụng 2 điểm quy chiếu Khi đó, theo kết quả tính toán trên MATLAB: Đầu ra đối tượng đạt được giá trị: 0,283 ∆ y∞ (= 0,283*1,7= 0,4811) sau 27 lần lấy mẫu, tức là: t1 = 27 * T = 27 * 0,01 = 0,27 (s) Đầu ra đối tượng đạt được giá trị: 0,632 ∆ y∞ (= 0,632*1,7= 1,0744) sau 61 lần lấy mẫu, tức là: t2 = 60 * T = 61 * 0,01 = 0,61 (s) Vậy Với tín hiệu đầu vào là hàm nấc đơn vị (∆ u = 1), dễ nhận thấy: ∆y∞ 1.7  k = ∆u = 1 = 1.7  3 tham số (với T= 0,01s) là: T2 = 1.5(t 2 − t1 ) = 1.5(0.61 − 0.27) = 0.51 T = t − T = 0.61 − 0.51 = 0.1 1 2 2  Tương tự, nếu tiếp tục giảm chu kỳ lấy mẫu, ta có các kết quả sau:
t1 = 51.0.005 = 0.255 T = 1.5(0.590 − 0.255) = 0.5025 ⇒ 2 T=0.005s ⇒  • t 2 = 118.0.005 = 0.590 T1 = 0.590 − 0.5025 = 0.0875 T=0.0016s • t = 156 * 0.0016 = 0.2496 T2 = 1.5(0.584 − 0.2496) = 0.5016 ⇒1 ⇒ t 2 = 365 * 0.0016 = 0.584 T1 = 0.584 − 0.5016 = 0.0824 Và được tổng hợp trong bảng dưới đây: Thời gian lấy mẫu T (s) 0,0100 0,0050 0,0016 0,0010 0,0008 Hệ số khuếch đại k 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 tĩnh Thời gian trễ xấp xỉ T1 (s) 0,1000 0,0875 0,0824 0,0820 0,0812 Hằng số thời gian T2 0,5100 0,5025 0,5016 0,5010 0,5004 Nhận xét : • Tại giá trị chu kỳ lấy mẫu T = 0,0008 (giây), ta có: ε T 1 = 0,0812 − 0,08 = 0,0012 Sai số tương đối:  ε T 2 = 0,5004 − 0,5 = 0,0004 Đây là những sai số chấp nhận được. Như vậy, khi giảm dần chu kỳ lấy mẫu (tức là tăng tần xuất lấy mẫu), ta nhận thấy, các giá trị T1 và T2 dần tiến đến sát giá trị ban đầu được xác định qua th ực nghiệm (T1= 0,08 ; T2 = 0,5). Nói cách khác, quá trình nhận dạng đối tượng dựa trên đáp ứng quá độ theo phương pháp kinh điển đã kiểm chứng mô hình toán học của đối tượng được rút ra từ khảo sát thực nghiệm là đúng. Vậy, đối tượng điều khiển (động cơ bơm) có dạng truy ền đạt: 1,7 e −0, 08 p W ( p) = 1 + 0,5 p 2.3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.3.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID 2.3.1.1Giới thiệu về bộ điều khiển
Từ hơn sáu thập kỷ nay,PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình bởi các lý do sau: -Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ hiểu và dễ sử dụng đối với những người làm thực tế. -Có rất nhiều phương pháp và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham số của bộ điều khiển. - Các luật điều khiển P, PI, PID thích hợp cho một phần lớn các quá trình công nghiệp. Nhiều báo cáo đã đưa ra các con ssos thống kê rằng hơn 90% bài toán điều khiển quá trình công nghiệp được giải quyết với các bộ điều khiển PID, trong số đó khoảng trên 90% thực hiện luật PI, 5% thực hiện luật P thuần túy và 3% thực hiện luật PID đầy đủ, còn lại là những dạng dẫn xuất khác. Kp e(t) + t Setpoint Ki e(t)dt process output - 0 t Kd de(t) 0 dt Hình 2 sơ đồ khối bộ PID 2.3.1.2 Chỉnh định PID: Các phương pháp chỉnh định tham số cho bộ PID được phân loại 5 nhóm chính như sau: thành
- Các phương pháp dựa trên đặc tính sử dụng một số đặc điểm của quá trình và tính toán các tham số bộ điều khiển để thu được các đặc tính vòng kín mong muốn. - Các phương pháp mô hình mẫu tổng hợp bộ điều khiển dựa trên mô hình toán học của quá trình và mô hình mẫu của hệ kín hoặc hệ hở ( đưa ra dưới dạng hàm truyền đạt hoặc đặc tính đáp ứng tần số ). - Các phương pháp nắn đặc tính tần số theo quan điểm thiết kế truyền thông, sử dụng mô hình hàm truyền đạt hoặc mô hình đáp ứng tần số của quá trình và tính toán các khâu bù sao cho các đường đặc tính tần số hệ hở hay hệ kín đạt được các chỉ tiêu thiết kế trên miền tần số như dải thông, độ dự trữ biên và pha … - Các phương pháp tối ưu tham số sử dụng mô hình toán học của quá trình toán học của quá trình và xác định các tham số của bộ điều khiển bằng cách cực tiểu hóa/ cực đại hóa một tiêu chuẩn chất lượng. - Các phương pháp dựa trên luật kinh nghiệm bắt trước suy luận của con người, có thể sử dụng cả đáp ứng của quá trình và các đặc tính đáp ứng vòng kín mong muốn 2.3.1.3 Lựa chọn luật điều khiển: Theo astrom và hangglund đưa ra một số nguyên tắc cơ bản sau: - Chọn luật điều khiển PI là đủ nếu như quá trình có đặc tính của một khâu quán tính bậc nhất và không có thời gian trễ, hoặc yêu cầu chính là chất lượng điều khiển ở trạng thái xác lập, còn đặc tính bán tín hiệu chử đạo trong quá trình quá độ không đặt ra hàng đầu. Thành phần I có thể bỏ qua nếu đối tượng đã có đặc tính tích phân hoặc sai lệch tĩnh không nhất thiết phải triệt tiêu. - Chọn luật điều khiển PID nếu như quá trình có đặc tính của khâu bậc 2 và thời gian trễ tương đối nhỏ.
- Đối với các quá trình có thời gian trễ lớn cần sử dụng các khâu bù trễ - Sử dụng các khâu bù nhiễu nếu khả năng thực hiện cho phép để cải thiện chất lượng điều khiển. - Các luật điều khiển P, PI, PD có thể chưa đáp ứng được yêu cầu đặt ra về chất lượng điều khiển đối với các quá trình bậc cao, thời gian trễ lớn hoặc giao động mạnh. Khi đó cần sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến hoặc các sách lược điều khiển đặc biệt hơn. Kết luận: Từ 5 nguyên tăc trên với nhu cầu đáp ứng theo hệ thống trong đồ án có đối tượng đáp ứng là bậc nhất thì chúng em đưa ra kết luận sử dụng luật điều khiển P hoặc PI. Vì quá trình và cảm biến trong vòng điều khiển áp suất nhanh hơn thiết bị chấp hành. Quá trình có đặc tính tích phân nên sử dụng luật P cho điều khiển lỏng và luật luật PI cho điều khiển chặt (thời gian tích phân lớn ). Nhưng do yêu cầu cao hơn về độ chính xác vì lý do an toàn trong quá trình đo. Ngoài ra còn khâu PID thường đáp ứng với khâu quán tính bậc 2. Và thành phần vi phân D ýt sử dụng bởi thực sự không cần thiết, hơn nữa phép đo áp suất ýt khi có sự ảnh hưởng của nhiễu. Nên trong quá trình đo áp suất không sử dụng luật PID. Cách chọn luật điều khiển cũng như sự cần thiết sử dụng các sách lược bổ sung tóm tắt trong bảng sau: Điều kiện Điều Điều khiển chặt ST khiển Nhiễu đo lớn Giới hạn Nhiễu đo θ1và k1 T lỏng điều nhỏ và giới khiển hạn điều nhỏ khiển lớn
θ1 > 1 PI+FFC+DT 1 I I+FFC+ PI+FFC k1 < 1,5 C (DTC) +(DTC) PI+FFC+DT 2 I or I+(FFC) PI+ C PI (FFC) 0, 6 < θ1 > 1 1,5 < k1 < 2, 25 3 PI PI or PDI PI PID 0,15 < θ1 < 0, 6 2, 25 < k1 < 15 4 P or PI PI or PI or PID PI PID θ1 < 0,15; k1 > 1,5 θ 2 > 0.3; k2 < 2 θ1 < 0,3 5 PD+ PPT PD PD +SPW k2 > 2 S +SPW PW Ghi chú FFC : bù nhiễu lọc nhiễu(Feed Forward compensation) DTC ; bù trễ(Dead time compensation) SPW : trọng số tín hiệu đặt (SetPoint Weighting) PPT : chỉnh đặt điểm cực(pole Placement Tuning) Đối với đối tượng có mô hình là khâu quán tính bậc nhất có trễ: k e −T1 p G(p) = 1 + T2 p Hệ số khuếch đại chuẩn hóa và thời gian trễ chuẩn hóa là : k T1 k1 = θ1 = và G ( jωu ) T2