Mô phỏng quá trình khuấy trộn không đẳng nhiệt | Bài báo cáo kết thúc học phần Thiết kế hệ thống và mô phỏng | Trường Đại học Phenikaa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ================== BÁO CÁO KẾT THÚC HỌC PHẦN
THIẾT HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG
Họ và tên sinh viên: Lê Trọng Nghĩa MSSV: 21010867 Lớp: ĐK&TĐH1
Học kỳ 1 năm học 2023-2024
HÀ NỘI, NGÀY 11 THÁNG 10 NĂM 2023
TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH KHUẤY TRỘN KHÔNG ĐẲNG NHIỆT Ngày thực hành: 27/9/2023 – 5/10/2023 Giảng viên hướng dẫn:
TS. Nguyễn Thị Thanh Quỳnh I. MỤC ĐÍCH
Hình dung được một vài hệ thống cơ bản trong công nghiệp và đời sống
(quá trình khuấy trộn chất lỏng đẳng nhiệt, hai bình tương tác và quá trình
khuấy trộn chất lỏng không đẳng nhiệt). Vận dụng được phần mềm
Matlab Simulink để mô phỏng phương trình vi phân, mô hình không gian
trạng thái và hàm truyền của hệ thống. Đánh giá được kết quả thu được,
chỉnh sửa và hoàn thiện sơ đồ đề đạt được kết quả mong muốn. II. NỘI DUNG
II.1. Mô hình quá trình khuấy trộn chất lỏng đẳng nhiệt
II.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của sơ đồ hệ thống a. Cấu tạo
Mô hình quá trình khuấy trộn chất lỏng đẳng nhiệt là một ví dụ minh
hoạ cho quá trình khuấy trộn đồ uống, ủ trong chế biến thực phẩm
hoặc xử lý nước thải, … Mô hình gồm một bồn chứa chất lỏng làm
việc trong môi trường đẳng nhiệt, quá trình khuấy trộn là hoàn hảo;
với chất lỏng đầu vào là lưu lượng và khối lượng riêng và chất lỏng
đầu ra là lưu lượng và khối lượng riêng
Figure 1. Mô hình khuấy trộn chất lỏng đẳng nhiệt b. Nguyên lý làm việc
Ban đầu, chúng ta sẽ cho một lượng chất lỏng đầu vào với lưu lượng
sau quá trình khuấy trộn với nhiệt độ không thay đổi (quá trình đẳng
nhiệt) sau đó thu được đầu ra với lưu lượng . Hệ thống cần mô tả các
biến lưu lượng đầu vào ; lưu lượng đầu ra và mực nước trong bồn
L(m). Các tham số của quá trình là diện tích mặt cắt ngang A (m2), thể
tích V = AL(m3); hệ số xả α. Giả thiết khối lượng là đồng nhất II.1.2. Mô phỏng a. Công cụ mô phỏng
Với hệ thống này, em sử dụng .mfile của MATLAB để khai báo tham
số A = 1.5m2, điểm làm việc của hệ thống và hệ số xả. Ngoài
ra, em sử dụng MATLAB Simulink để mô phỏng và giải hệ phương
trình vi phân. Các khối em sử dụng là khối Gain, fcn, Integrator, sum
để mô phỏng hệ phương trình vi phân; ngoài ra em sử dụng khối
Random number để mô phỏng lưu lượng đầu vào . b. Sơ đồ/code mô phỏng Code hệ số .mfile clear; clc;
A = 1.5; % Dien tich mat cat A(m^2) alpha = 1.64 %He so xa %% Diem lam viec L_n = 1.5; %Muc trong binh(m) wi_n = 2; %(m^3/s) wo_n = wi_n;
Sơ đồ mô phỏng simulink
Figure 2. Sơ đồ mô hình khuấy trộn chất lỏng đẳng nhiệt
Phía trên là mô phỏng mô hình phi tuyến và phía dưới là mô hình tuyến tính c. Kết quả
Figure 3. Kết quả thu được d. Kết luận
Kết quả thu được lượng đầu ra và mức trong bình dao động quanh
điểm làm việc và mô hình tuyến tính trùng với mô hình phi tuyến.
II.2. Mô hình hai bồn chứa tương tác
II.2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của sơ đồ hệ thống a. Cấu tạo
Mô hình hai bồn chứa tương tác bao gồm hai bình chứa được nối với
nhau như hình dưới đây. Điểm đặc biệt là đầu ra của bình một sẽ là đầu vào của bình hai.
Figure 4. Mô hình hai bình tương tác b. Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của mô hình này giống với mô hình khuấy trộn
chất lỏng đẳng nhiệt; điểm khác biệt là đầu ra của bình một sẽ là đầu
vào của bình hai. Biến đầu vào là lưu lượng , biến đầu ra là mức trong
bồn chứa hai L2. Các tham số bao gồm hệ số R1 R2, diện tích bồn chứa A1 A2. II.2.2. Mô phỏng a. Công cụ mô phỏng
Với hệ thống này, em sử dụng .mfile của MATLAB để khai báo tham
số diện tích mặt cắt A, điểm làm việc của hệ thống và hệ số
R. Ngoài ra, em sử dụng MATLAB Simulink để mô phỏng và giải hệ
phương trình vi phân. Các khối em sử dụng là khối Gain, fcn,
Integrator, sum để mô phỏng hệ phương trình vi phân; ngoài ra em sử
dụng khối Random number để mô phỏng lưu lượng đầu vào . b. Sơ đồ/code mô phỏng Code hệ số .mfile clc,clear
A1 = 2.5; %Dien tich mat cat binh 1 (m^2)
A2 = 2.3; %Dien tich mat cat binh 2 (m^2) R1 = 0.6 R2 = 0.5
L1 = 2.0333; % Diem lam viec (m) L2 = 1.2; % Diem lam viec (m) w = 0.5477; %% Mo hinh tuyen tinh
a11 = -R1/(2*A1*sqrt(L1-L2));a12 = R1/ (2*A1*sqrt(L1-L2));
a21 = R1/(2*A2*sqrt(L1-L2));a22 = -R1/ (2*A2*sqrt(L1-L2))- R2/(2*A2*sqrt(L2)); A = [a11 a12;a21 a22]; B = [1/A2; 0]; C = [0 1];
Sơ đồ mô phỏng simulink
Figure 5. Sơ đồ mô phỏng hai bình tương tác
Phía trên là mô phỏng mô hình tuyến tính và phía dưới là mô hình phi tuyến c. Kết quả
Figure 6. Kết quả thu được d. Kết luận
Đồ thị mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến có một vài đoạn song
sóng với nhau nhưng về cơ bản là giống nhau. Các giá trị của đồ thị
dao động quanh điểm làm việc L2 = 1.2(m).
II.3. Mô hình quá trình khuấy trộn không đẳng nhiệt
II.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của sơ đồ hệ thống a. Cấu tạo
Mô hình này có cấu tạo tương tự mô hình khuấy trộn chất lỏng đẳng
nhiệt, điểm khác biệt là môi tường làm việc là không đẳng nhiệt.
Figure 7. Mô hình quá trình khuấy trộn không đẳng nhiệt b. Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của mô hình này giống với mô hình khuấy trộn
chất lỏng đẳng nhiệt. Biến đầu vào là lưu lượng và nhiệt độ , biến đầu
ra là mức trong bồn chứa L, nhiệt độ T và lưu lượng ra . Đây là các
biến mô tả quá trình cần mô tả được. Các tham số bao gồm diện tích
bồn chứa A, hệ số xả α II.3.2. Mô phỏng a. Công cụ mô phỏng
Với hệ thống này, em sử dụng .mfile của MATLAB để khai báo tham
số diện tích mặt cắt A, điểm làm việc của hệ thống và hệ số
xả α. Ngoài ra, em sử dụng MATLAB Simulink để mô phỏng và giải
hệ phương trình vi phân. Các khối em sử dụng là khối Gain, fcn,
Integrator, sum,… để mô phỏng hệ phương trình vi phân;em sử dụng
khối transfer để mô tả mô hình hàm truyền và khối State-space để mô
tả mô hình không gian trạng thái; ngoài ra em sử dụng khối step,
ramp để mô phỏng lưu lượng đầu vào và nhiệt độ . b. Sơ đồ/code mô phỏng Code hệ số .mfile clc,clear % % Thong so
A = 30.48; %Dien tich mat cat (m^2) %Diem lam viec wi = 7.62; wo = wi; L = 2.74; Ti = 65.5; T = Ti; alpha = 4.6034; %He so xa wo1 = alpha/(2.1*sqrt(L));
%% Mo hinh khong gian trang thai A1 = [-wo1/A 0; 0 -wo/(A*L)]; B = [1/A 0; 0 wo/(A*L)]; %% Mo hinh ham truyen TL = A/wo1; KL = 1/wo1; KT = 1; TT = A*L/wo;
Sơ đồ mô phỏng simulink
Figure 8. Sơ đồ mô hình phi tuyến
Figure 9. Sơ đồ mô hình tuyến tính
Figure 10. Mô hình không gian trạng thái
Figure 11. Mô hình hàm truyền c. Kết quả
Figure 12. Kết quả thu được d. Kết luận
Các tín hiệu thu được giống với yêu cầu và kết quả của bài. Mô hình
tuyến tính và phi tuyến có đồ thị giống nhau. Vậy nên mô hình mô
phỏng khá giống với lý thuyết ban đầu. III. NHẬN XÉT
Cả 3 bài mô phỏng đều đã được cơ bản hoàn thành. Các bài thực hành
khắc hoạ mô hình khuấy trộn chất lỏng, đồ uống trong thực tế, đây là ứng
dụng giúp sinh viên dễ hình dung công việc sau này trong ngành tự động
hoá. Bài thực hành giúp cải thiện thêm kỹ năng sử dụng phần mềm Matlab
Simulink cho sinh viên; giúp sinh viên hiểu hơn giải phương trình vi phân,
mô hình hàm truyền và mô hình không gian trạng thái.
Kết quả thu được mỗi bài thực hành về cơ bản đều giống với lý thuyết
được đề ra; tuy nhiên với bài hai bình tương tác thì đồ thị thu được dao
động quanh điểm làm việc với sai số khá lớn; vấn đề này do em chưa thể
tìm được bội số dao động của tín hiệu đầu vào sao cho phù hợp. Còn với
các bài còn lại thì kết quả thu được giống với yêu cầu đề bài.