Bài tập lớn tự động hóa quá trình nhiệt - Mô hình lý thuyết điều chỉnh quá trình nhiệt

MỤC LỤC Chương 1. ĐỀ BÀI………………………………………………………..3 Chương 2. NỘI DUNG BÀI THUYẾT TRÌNH……....…...…...............6 2.1. Xác Định Mô Hình Đối Tượng Điều Chỉnh……………….7 2.1.1. Xác định mô hình điều chỉnh mức nước………………7 2.1.2. Xác định mô hình điều chỉnh nhiệt độ……….………...9 2.2. Xác Định Bộ Điều Chỉnh Bền Vững………………………12 2.2.1. Xác định bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R1 cho vòng điều chỉnh mức nước …………...……………...….10 2.2.2. Xác định bộ điều chỉnh bền vững tối ưu cho vòng điều chỉnh nhiệt độ …..………………………...13 Chương 3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG…...........14 3.1. Đánh Giá Chất Lượng Của Hệ Thống Điều Chỉnh Mức Nước…………………………………...14 3.2. Đánh Giá Chất Lượng Của Hệ Thống Điều Chỉnh Nhiệt Độ………………………………………..18 Chương 4. ĐÁNH GIÁ ĐỘ BẤT ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG…....21 4.1. Xác Định Độ bất Định Của Đối Tượng Điều Chỉnh Mức Nước……………………………………....21 4.2. Xác Định Độ bất Định Của Đối Tượng Điều Chỉnh Nhiệt Độ………..………………………...23 …………………….. Tài liêu tham khảo......…………………….27 BÀI TẬP LỚN TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH NHIỆT Cho bộ chao đổi nhiệt chỉnh cấp nước nóng liên tục cho hộ tiêu thụ (hình 1) với các thông số công nghệ như sau: H - mức nước trong bình trao đổi nhiệt,[ m] θ - nhiệt độ nước ra, [0C] μ1 - độ mở van V1 , điều chỉnh nước cấp vào. q1 - lưu lượng nước cấp vào qr - lưu lượng nước ra tiêu thụ μ2 - độ mở van V2 , điều chỉnh dòng môi chất trao đổi nhiệt q2 – lưu lượng môi chất trao đổi nhiệt các thông số ở trạng thái cân bằng : H0, θ0, μ10, μ20, q10, q20, qr0=q10 [0C] Hình 1. Bộ trao đổi nhiệt cung cấp nước nóng cho hộ tiêu thụ q1 V1 V2 q2 2 1 H0 qr R2 R1 q1[m3/h] q2[m3/h] H,[m] ,[0C] Hình 2. Đặc tính của van V1 Hình 3. Đặc tính của van V2 Hình 5. Đặc tính quá độ của Đối tượng 011:q1 H t, phút t, phút 2 4 6 75 25 50 75 30 20 10 2,[%] 1,[%] 50 25 0,75 0,25 0,50 7,5 5,0 2,5 0,3 0,2 0,1 6 4 2 Hình 4. Đặc tinh quá độ của đối tượng 022 V1 V2 H0 0 1 2 H q1 q2 1 2 011 021 022 Hình 6. Hệ thống điều chỉnh bộ trao đổi nhiệt hai chiều. bình nhiệt có hai đối tượng trên kênh thẳng: 011,022 và trên một kênh liên hệ chÐo: 021. R2 R1 NHIỆM VỤ Mô hình hóa theo các kênh điều chỉnh mức nước và kênh điều chỉnh nhiệt độ Xác định các bộ điều chỉnh bền vững tối ưu đối với từng kênh điều chỉnh nói trên Đánh giá chất lượng điều chỉnh theo từng kênh điều chỉnh nói trên Xác định độ bất định của các đối tượng theo từng kênh dắc tính phi tuyến của van gây ra Cho biết độ mở của các van có thể biến thiên trong khoảng Van V1 trong khoảng ∆μ1 = ±15% xung quanh điểm cân bằng đã cho Van V2 trong khoảng ∆μ2 = ±25% xung quanh điểm cân bằng đã cho BÀI LÀM Đây là bộ trao đổi nhiệt cung cấp nước nóng liên tục cho hộ tiêu dùng Hệ này chia làm hai vòng điều chỉnh riêng biệt : Vòng điều khiển mức nước : đối tượng điều chỉnh kênh thẳng O11. Vòng điều khiển nhiệt độ : đối tượng điều chỉnh là kênh thẳng O22. Hai vòng điều khiển này liên hệ bằng kênh liên hệ chéo O21. Từ phân tích trên ta có sơ đồ hệ thống của bộ trao đổi nhiệt cung cấp nước nóng liên tục cho hộ tiêu thụ trên như sau. Hình 7 . Sơ đồ hệ thống tương đương của bộ trao đổi nhiệt hai chiều Đối tượng điều chỉnh của hệ thống điều chỉnh mức nước là: O1 = V1O11 V1 – là van điều chỉnh, là khâu tỷ lệ ( đầu vào μ1 đầu ra q1) với đặc tính cho trên hình 2 ; O11 – đối tượng công nghệ theo kênh q1→H với đặc tính cho trên hình 4 Đối tượng điều chỉnh của hệ thống điều chỉnh nhiệt độ là: O2= V2O22 V2 – là van điều chỉnh, là khâu tỷ lệ ( đầu vào μ2 đầu ra q2) với đặc tính cho trên hình 3 ; O22 – đối tượng công nghệ theo kênh q2→θ với đặc tính cho trên hình 5 XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU CHỈNH Xác Định Mô Hình Điều Chỉnh Mức Nước O1(s) Ta có sơ đồ hệ thống của khâu điều chỉnh mức nước như sau. hjy ta có mô hình cưaa đối tượng O+1XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXTừ Hình 4 đặc tính quá độ của đối tượng O11 có dạng của một đối tượng tích phân có quán tính và trễ. Do đó mô hình của đối tượng có dạng như sau : . Nhiệm vụ ta cần phải đi xác định các đại lương sau : K11, T11 và τ1. Từ đồ thị đặc tính quá độ của khâu O11 ta xác định được các giá trị trên như sau : + Thời gian trễ : τ= 0.982 + Hằng số quán tính T1=0.80 + Hệ số truyền =0,022 + với ∆μ1= = 2,7 Do đó mô hình của đối tượng O11 là : Từ đồ thị đặc tính của van V1 ta xác định được K v1 như sau. Ta có : Kv1=tg γ =5,62 10-3 Từ đây ta có mô hình của đối tượng O11(s) như sau O1(s) = Kv1. O11(s) =5,62 10-3 = Xác Định Mô Hình Điều Chỉnh Nhiệt Độ Nước Ra O2(s) Ta có sơ đồ hệ thống của khâu điều chỉnh nhệt độ nước ra như sau. Ta có thể coi tín hiệu của q1 là nhiễu ảnh hưởng đến O2. Từ Hình 5 đồ thị đặc tính quá độ của khâu O22(s) ta nhận thấy đối tượng O22 là một khâu quán tính bậc hai có trễ. Mô hình đối tượng O22 có dạng : Ta cần xác định các giá trị K22, T1, T2 và thời gian trễ τ2. Từ đồ thị đặc tính quá độ ta có : + giá trị xác lập ∆θ(∞)= 8 oC + hằng số quán tính biểu trưng Ta= 17,48 ph. + tọa độ điểm uốn. U( tu; ∆θu)= U(14,75; 3,27) Do đó ta có tung độ tương đối của điểm uốn là : g= ta thấy g > gmax =0,264 với δ = g - gmax = 0,40875 – 0,264= 0,145. Nên : T1= T2= Ta= 17,48.=5,68 phút Thời gian trễ : τ2= tU –Ta=14,75 – 17,48=6,08 phút Hệ số truyền của mô hình là K22== =0,91. Thay tất cả các giá trị vừa tìm được vào biểu thức mô hình của đối tượng O22: Mô hình của đối tượng điều chỉnh nhiệt độ O22 là : Từ đồ thị đặc tính của van V2 ta xác định được Kv2 như sau: Từ các giá trị xác định được ta có : Kv2= tgγ==0,171 Do vậy khâu O2(s) có hàm truyền là : O2(s)= Kv2.O22(s) = 0,171.= XÁC ĐỊNH BỘ ĐIỀU CHỈNH BỀN VỮNG 3.1. Xác Định Bộ Điều Chỉnh Bền Vững Tối Ưu R1 Cho Vòng Điều Chỉnh Mức Nước Từ mô hình hàm truyền của khâu O1(s) ta có mô hình của bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R1 cho vòng điều chỉnh mức nước là : Trong đó ta có thể lấy chỉ số tắt dần ψ=0,945 chỉ số dao động m=0,461. Thay vào biểu thức để tìm hằng số θc thời gian như sau : Thay vào ta có θc =1,348 do đó θ1= θc.τ = 1,348. 0,982= 1,32 Với mô hình hàm truyền Ta có : Vậy bộ điều chỉnh mức nước là = 2.2. Xác Định Bộ Điều Chỉnh Bền Vững Tối Ưu Cho Vòng Điều Chỉnh Nhiệt Độ Từ mô hình hàm truyền của khâu O2(s) ta có mô hình của bộ điều chỉnh bền vững tối ưu R2 cho vòng điều chỉnh mức nước là : Lấy chỉ số tắt dần là ψ= 0,945, chỉ số dao động m= 0,461 Tính được θ2= Kθ.τ = 1,348.6,08=8,20 Và → ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG Phần này chúng ta sử dụng phần mềm CASCAD để vẽ các đặc tính của hệ thống 3.1. Đánh Giá Chất Lượng Của Hệ Thống Điều Chỉnh Mức Nước. Từ dạng của mô hình đối tượng ta đã tính toán được ở phần “1.2 “ với sơ đồ hệ thống điều chỉnh ta tổng hợp được bộ điều chỉnh mức nước tối ưu trên phần mềm CASCAD và vẽ được các đực tính của hệ thống như sau. Đặc tính mềm của hệ thống sau khi phần mềm CASCAD tự tổng hợp bộ điều chỉnh tối ưu Từ đồ thị đặc tính mềm của hệ hở của vòng điều chỉnh mức nước ta thấy đường cong này không bao điểm (-1;j0). Vậy theo tiêu chuẩn NYQUIST hệ này có dự trữ ổn đinh. Đồ thị đáp ứng thời gian của vòng điều chỉnh mức nước và đặc tính tần số biên độ theo kênh đặt và kênh nhiễu Trên đồ thị đặc tính đáp ứng thời gian của hệ thống điều khiển mức nước theo kênh đặt, với tín hiệu vào là xung bậc thang ta có chất lượng của hệ thống được đánh giá qua các chỉ số sau Thời gian điều chỉnh : Tx= 6,223 Chỉ tiêu tich phan bac hai: J2= = 1,506 Độ quá điều chỉnh δ ( độ vượt trên giá trị điều khiển cần thiết) :δ = 0,24d5 Hệ số tắt dần : Ψ= 0,946 Chất lượng của hệ thống điều khiển mức nước theo kênh nhiễu được đánh giá qua các chỉ số sau Thời gian điều chỉnh : Tx= 6,223 Chỉ tiêu tich phan bac hai: J2= = 1,506 Hệ số tắt dần : Ψ= 0,948 3.2. Đánh Giá Chất Lượng Của Hệ Thống Điều Chỉnh Nhiệt Độ. Đặc tính mềm của hệ thống sau khi phần mềm CASCAD tự tổng hợp bộ điều chỉnh tối ưu Từ đồ thị đặc tính mềm của hệ hở của vòng điều chỉnh nhiệt độ ta thấy đường cong này không bao điểm (-1;j0). Vậy theo tiêu chuẩn NYQUIST hệ này có dự trữ ổn đinh Đồ thị đáp ứng thời gian và đặc tính tần số của vòng điều chỉnh nhiệt độ đưới tác dụng của kênh đặt và kênh nhiễu Trên đồ thị đặc tính đáp ứng thời gian của hệ thống điều khiển nhiệt độ, với tín hiệu vào là xung bậc thang ta có chất lượng của hệ thống được đánh giá qua các chỉ số sau Thời gian điều chỉnh : Tx= 39,627 Chỉ tiêu tich phan bac hai: J2= = 9,315 Độ quá điều chỉnh δ ( độ vượt trên giá trị điều khiển cần thiết) :δ = 0,245 Hệ số tắt dần : Ψ= 0,949 Chất lượng của hệ thống điều khiển mức nước theo kênh nhiễu được đánh giá qua các chỉ số sau Thời gian điều chỉnh : Tx= 39,627 Chỉ tiêu tích phân bậc hai: J2= = 9,316 Hệ số tắt dần : Ψ= 0,944 IV. ĐÁNH GIÁ ĐỘ BẤT ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 4.1. Xác Định Độ bất Định Của Đối Tượng Điều Chỉnh Mức Nước. Điểm cân bằng đối với van điều chỉnh V1 là μ= 50%. Đầu bài cho độ mở van V1 biến thiên trong khoảng ∆μ1 = ±15% xung quanh điểm cân bằng, thay đổi các giá trị đó tai điểm có μmin= 35% và μmax= 65% thì giá trị của KV1 thay đổi trong khoảng KV1(min)÷KV1(max) như hình vẽ KV1(max)= tgγmin= KV1(min)= tgγmax= → KV1(tb)= Từ đây ta tổng hợp được đối tượng tại các điểm như sau O1(s) = Kv1. O11(s) với Ta có : O1(s)max= 8,6.10-3 = O1(s)min =3,53.10-3= O1(s)tb = 6,07.10-3= Dùng phần mềm CASCAD ta tổng hợp được bộ điều chỉnh và vẽ được đặc tính mềm như hình dưới đây : Tổng hợp bộ điều chỉnh theo đối tượng O1(s)= Với cùng một bộ điều chỉnh trên ta thay các đối tượng vào hệ thống thấy đối tượng O1(s)max có đặc tính mềm xấu nhất có hệ số tắt dần Ψ= Khoảng cắt xa nhất tới điểm (-1; 0j) là Qmax=-0,423 Tung độ điểm cắt cao nhất Pmax= -0,821 4.1. Xác Định Độ bất Định Của Đối Tượng Điều Chỉnh Nhiệt Độ. Điểm cân bằng đối với van điều chỉnh V1 là μ= 50%. Đầu bài cho độ mở van V1 biến thiên trong khoảng ∆μ1 = ±25% xung quanh điểm cân bằng, thay đổi các giá trị đó tai điểm có μmin= 25% và μmax= 75% thì giá trị của KV1 thay đổi trong khoảng KV1(min)÷KV1(max) như hình vẽ Làm tương tự như trên ta cũng có : KV2(max)= tgγmin= KV2(min)= tgγmax= → KV2(tb)= 0,1 Đối tượng điều chỉnh O2(s) tại các điểm là : O2(s)max = O2(s)min = O2(s)tb = Ta tổng hợp bộ điều chỉnh theo O2(s)tb = Từ bộ điều chỉnh ta thay các đối tượng vào hệ thống và thấy đặc tính mềm xấu nhất của hệ thống là O2(s)= Với hệ số tắt dần Ψ= Khoảng cách từ điểm (-1;0j) tứi điểm cắt xa nhất là Qmax= 0,67 Tung độ điểm cắt cao nhất giữa đặc tính mềm và PARABOL là Pmax= -0,551 Danh mục tài liệu tham khảo Nguyễn Văn Mạnh. Về bài toán tối ưu hoá tham số các hệ thống điều chỉnh tự động tuyến tính //Khoa học & Công nghệ, 1992 Nguyễn Văn Mạnh. Tổng hợp bền vững hệ điều khiển đối tượng bất định //Thông báo Khoa học. Hội nghị toàn quốc lần thứ 5 về Tự động hoá. Hà nội-2002