BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO THÁP CHƯNG CẤT ETHANOL GVHD: PGS. TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ThS. LÊ LINH SVTH: HUỲNH DƯƠNG KHANG MSSV: 12143090 ÐỖ QUANG VINH MSSV: 12143259 S KL 0 0 4 7 4 6 Tp.
Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển PID cho tháp chƣng cất ethanol Giảng viên hƣớng dẫn: PGS. TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ThS. LÊ LINH Sinh viên thực hiện: HUỲNH DƢƠNG KHANG MSSV: 12143090 ĐỖ QUANG VINH MSSV: 12143259 Lớp: 121431 Khoá: 2012 - 2016 Tp.
Hồ Chí Minh, tháng 07/2016 i do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển PID cho tháp chƣng cất ethanol Giảng viên hƣớng dẫn: PGS. TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ThS. LÊ LINH Sinh viên thực hiện: HUỲNH DƢƠNG KHANG MSSV: 12143090 ĐỖ QUANG VINH MSSV: 12143259 Lớp: 121431 Khoá: 2012 - 2016 Tp.
Hồ Chí Minh, tháng tháng 07/2016 ii do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho tháp chƣng cất ethanol - GVHD: PGS. TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ThS. LÊ LINH - Sinh viên thực hiện: HUỲNH DƢƠNG KHANG MSSV: 12143090 ĐỖ QUANG VINH MSSV: 12143259 - Địa chỉ sinh viên: Lớp 121431 - Số điện thoại liên lạc: 0128 234 2096 - Email: vinhdq22@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 20/07/2016 - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc.
Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2016 Ký tên iii do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT LỜI CẢM ƠN Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Nhà trƣờng, khoa Cơ khí chế tạo máy, bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ sở, chuyên môn trong suốt 4 năm học vừa qua. Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ và ThS. Lê Linh đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình, định hƣớng, góp ý và cung cấp những ý tƣởng cũng nhƣ chỉ dẫn tài liệu thực hiện đồ án.
Sự hƣớng dẫn của thầy là yếu tố quan trọng để chúng em có thể hoàn thành đồ án này. Xin cảm ơn các bạn lớp Cơ Điện Tử 121461 đã góp ý, giúp đỡ nhóm rất nhiều trong quá trình làm đồ án. Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những ngƣời luôn sát cánh, nuôi dƣỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có kết quả tốt nhƣ ngày hôm nay. Mặc dù đã cố gắng nỗ lực rất nhiều, song đồ án chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót.
Kính mong nhận đƣợc sự thông cảm và chỉ dẫn tận tình của quý thầy cô. Chúng em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện iv do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT TÓM TẮT ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƢNG CẤT Nội dung chính trong đồ án này, chủ đề nghiên cứu là hệ thống điều khiển gia nhiệt cho dòng nhập liệu và hoàn lƣu, ứng dụng trong tháp chƣng cất đƣợc nghiên cứu và thiết kế, bao gồm việc nhận dạng hệ thống, thu thập dữ liệu từ hệ thống thực, phân tích dữ liệu đó xác định hàm truyền hệ thống, sau đó đƣa hàm truyền này vào chƣơng trình điều khiển để viết giải thuật điều khiển cho hệ thống thực. Sử dụng phƣơng pháp Ziegler-Nichols để thiết kế bộ thiết kế bộ điều khiển PID.
Mô hình sử dụng là mô hình tháp mâm xuyên lỗ và sử dụng Simatic Manager để viết code PID điều khiển nhiệt độ nhập liệu và hoàn lƣu. Ứng dụng phần mềm Matlab để tìm ra bộ điều khiển và dùng WinCC để giám sát quá trình va đáp ứng của hệ thống. Sau thời gian nghiên cứu, kết quả đạt đƣợc là tìm hàm truyền mô tả hệ thống gia nhiệt nhập liệu,hoàn lƣu và điều khiển đƣợc nhiệt độ của hệ bằng phƣơng pháp dùng bộ điều khiển PID, từ đó đạt đƣợc mục tiêu kiểm chứng lại các lý thuyết về điều khiển quá trình bằng mô hình thực nghiệm. Sinh viên thực hiện v do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT ABSTRACT CONTROLLED THE DISTILLATION TOWER The main content of the project, the research subject is heating control system for the supply and circulation stream, application of the distillation tower is researched and designed, including system identification, collection data from the real system, data analysis is determined that the system transfer function, then put this transfer function in the control program to write algorithms for the system controller.
Using Ziegler-Nichols method to design the PID controller. The model used is the model of the tray tower and used the Simatic Manager software to programed the PID controller for controlling input and circulation temperature. Matlab software applications to find the controller and used WinCC software to process monitoring and response system. After the research period, the results achieved is finded the system transfer function to described heating input system, circulation and control the temperature of the system by means of using the PID controller, thereby achieving verifiable goals the theory of process control using experimental models.
Authors vi do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .V DANH MỤC HÌNH. IX DANH MỤC BẢNG. XI CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI .2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.1 Đối tượng nghiên cứu .2 Phạm vi nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu .3 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỤ THỂ. 1 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 LÝ THUYẾT VỀ CHƢNG CẤT .1 Phương pháp chưng cất .2 Thiết bị chưng cất .2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU .3 Hỗn hợp Etanol – Nước (C2H5OH): .3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƢNG CẤT RƢỢU .4 MÔ HÌNH HÓA, NHẬN DẠNG HỆ THỐNG .1 Phân loại mô hình .2 Phương pháp xây dựng mô hình toán học .3 Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín .4 Các bước nhận dạng hệ thống .5 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID.
11 CHƢƠNG 3: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PID………………………17 3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG HỆ THỐNG .1 Hàm truyền của khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ .2 Khâu quán tính bậc cao .3 LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID. 20 vii do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT 3.1 Phương pháp điều chỉnh bằng tay: .2 Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phương pháp thực nghiệm (phương pháp thứ 2 của Ziegler-Nichols) .3 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR).4 Phương pháp Cohen-Coon .4 LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI. 22 CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ………………………………………………………23 4.1 ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ .1 Phần mềm Matlab .3 Khối công suất (SCR) .4 Cảm biến nhiệt độ thermocouple loại k .5 Van tuyến tính .2 MÔ HÌNH HOÀN CHỈNH. 30 CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG .1 KHẢO SÁT HÀM TRUYỀN VÕNG HỞ .1Phương pháp khảo sát: .2 Các bước chuẩn bị khảo sát.2 THU THẬP DỮ LIỆU .3 XỬ LÍ DỮ LIỆU.1 XỬ LÍ DỮ TRONG EXCEL .2 Phương pháp tìm hàm truyền .3 Sử dụng Matlab để so sánh các đồ thị .4 PHƢƠNG PHÁP TÌM THÔNG SỐ PID .2 Phương pháp Direct Synthesis.5 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ PID .1 Sử dụng PID Tool.
54 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 55 viii do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ các ứng dụng của Etanol .2: Đồ thị phần trăm mol của Etanol – Nƣớc: .3: Mô hình quy trình công nghệ .4: Nhận dạng vòng hở .5Nhận dạng vòng kín .6: Vòng lặp nhận dạng hệ thống .7: Sơ đồ hệ thống điều khiển.8 Cấu trúc bộ điều khiển PID.9 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) .10 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số) .11 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) .1: Lƣu đồ P&ID hệ thống .2 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất .3 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ .1SCR G3PW-A220EC-C-FLK .2: Cảm biến Thermocouple loại K .3: Van tuyến tính .5: CPU và các module S7-300 .6:Sơ đồ kết nối cảm biến Pt100 và khối công suất .7: Sơ đồ đấu dây van điện từ .8: Tủ điện bên ngoài.10:Tủ điện bên trong.11Tháp chƣng cất .12: Bình chứa sản phẩm .13:Hai thanh gia nhiệt ( nhập liệu và hoàn lƣu ) .2: Sơ đồ khối mạch điện.3 Cấu hình phần cứng .4 Cấu hình module AI 8x12Bit. 37 ix do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT Hình 5.5 Cấu hình module AI 2x12Bit .6 Cấu hình module AO 4x12Bit .9 Màn hình giám sát nhiệt độ nhập liệu .10: Màn hình giám sát nhiệt độ hoàn lƣu.11 Màn hình giám sát nhiệt độ nồi đun .12 Đồ thị vẽ trong Excel .14 Đồ thị nhiệt độ nhập liệu với SP là 9mA .15 Đồ thị nhiệt độ nhập liệu với SP là 12mA .16 Đồ thị nhiệt độ nhập liệu với SP là 8mA .17 PID Tool trong Matlab-Simulink .18 Đồ thị hàm truyển dữ liệu hoàn lƣu 9mA .19 Sơ đồ hệ kín trong Simulink .20 Đồ thị khi có bộ điều khiển PID .21 Đồ thị dữ liệu nhập liệu 9mA.22 Sơ đồ hệ kín trong Simulink .23 Đồ thị khi có bộ điều khiển PID. 53 x do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Thành phần lỏng (x)-hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp ethanol – nƣớc ở 760 mmhg: .2: Tác động của việc tăng các thông số độc lập .1: Xác định thông số bộ điều khiển pid bằng phƣơng pháp Ziegler-Nichols .2: Lựa chọn bộ điều khiển theo phƣơng pháp CHR.3: Các tham số bộ PID theo phƣơng pháp CHR .4: Các thông số điều khiển của phƣơng pháp Tyreus-Luyben.
22 xi do an ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển quá trình, đặc biệt là quá trình gia nhiệt. - Nhận dạng, tìm hàm truyền hệ thống.