ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD PGS TS NGUYỄN MINH TÂM ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD PGS TS NGUYỄN MINH TÂM BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ⸙∆⸙ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CHO BỒN NƯỚC ĐƠN DÙNG GIẢI THUẬT PID GVHD PGS TS NGUYỄN MINH TÂM SVTH Tp Hồ Chí Minh, 072021 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành đề tài, nhóm đã nhận được nhiều sự giúp đỡ của thầy và các bạn, đặc biệt là sự hướng dẫn.
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -⸙∆⸙ - ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CHO BỒN NƯỚC ĐƠN DÙNG GIẢI THUẬT PID GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM SVTH: Tp Hồ Chí Minh, 07/2021 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu hồn thành đề tài, nhóm nhận nhiều giúp đỡ thầy bạn, đặc biệt hướng dẫn tận tình PGS.TS Nguyễn ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TÂM GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH Minh Tâm để nhóm hồn thành đề tài cách tốt Nhóm xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm có thời gian điều kiện mặt để nghiên cứu Việc hoàn thành đề tài không tránh sai lầm thiếu sót Nhóm mong phê bình, đánh giá thầy để nhóm rút kinh nghiệm phát triển đề tài NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TÂM GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH Tp.HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2021 GVHD PGS.TS Nguyễn Minh Tâm ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM MỤC LỤC ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM MỤC LỤC ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trong thiên niên kỷ XXI này, phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ gần cách mạng 4.0 tác động mạnh mẽ đến đời sống sản xuất, sinh hoạt người Nhằm hướng đến sống mà người phải trực tiếp bỏ sức lao động làm, thu suất, chất lượng sản phẩm , độ chỉnh xác cao, giúp cho người có sống dễ dàng thối Sự góp mặt tự động hóa q trình cơng nghệ góp phần khơng nhỏ đến mục tiêu Nó phát triển ứng dụng mạnh mẽ công nghiệp , cụ thể cơng nghiệp hóa lọc dầu, cơng nghiệp hóa chất, cơng nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy,sản xuất xi măng…cũng lĩnh vực khác đời sống Đặc biệt hơn, tự động hóa q trình giúp người tránh khỏi cơng việc nặng nhọc, môi trường độc hại, khai thác nơi người đặt chân đến Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, chế biến lọc dầu, cơng trình thủy điện, thủy lợi, thủy nơng nhiều lĩnh vực khác việc xây dựng hệ thống tự động đo điều chỉnh mức nước quan trọng Chính vậy, vấn đề đặt đề tài điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ xác cao Với yêu cầu ứng dụng thực tế vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng điều khiển mức nước bình đơn Hệ bồn nước đơn hình thành với hệ thống bơm xả chất lỏng giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, mức chất lỏng bồn chứa trì ổn định Để làm điều ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM địi hỏi phải điều khiển đóng mở van để điều tiết lưu lượng dòng chảy điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước, làm mức nước bồn luôn giữ giá trị đặt trước không đổi Việc điều khiển hệ thống để giữ mức chất lỏng bồn ổn định tương đối khó,cần phải có điều khiển phối hợp van máy bơm ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM 1.2 Mục tiêu Tiến hành thiết kế, thi công, hệ bồn nước đơn Xây dựng hệ thống điều khiển bồn nước giải thuật PID nhúng qua arduino Điều khiển mức nước bồn mức giá trị đặt trước không đổi • Tìm hiểu mơ hình bồn nước nguyên lý điều khiển mức nước • Tìm hiểu, lựa chọn loại cảm biến điều khiển trung tâm Trong đề tài sử dụng cảm biến HC-SR04 điều khiển Arduino mega • Tìm hiểu ứng dụng giải thuật PID cho bồn nước 1.3 Giới hạn đề tài Mơ hình cịn đơn sơ, chắp vá Các tham số PID lựa chọn để hệ thống có tiêu chất lượng miền thời gian thỏa yêu cầu (độ vọt lố, thời gian độ) Tuy nhiên việc lựa chọn tham số PID để tiêu tích phân đạt cực tiểu kỹ thuật điều khiển khác nằm phạm vi đề tài 1.4 Phương pháp thực đề tài Dựa vào kiến thức học báo nghiên cứu hệ bồn nước đơn, thuật tốn có sẵn, tiến hành xây dựng điều khiển PID điều khiển nhúng cho arduino thông qua công cụ Simulink Matlab ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan arduino uno r3 Hình 1: Arduino uno R3 Arduino Uno R3 SMD (CH340 + ATMEGA328P-AU) sử dụng IC nạp giao tiếp UART CH340 + Vi điều khiển ATMEGA328P-AU Thơng số kỹ thuật: • Chip điều khiển chính: ATmega328P-AU • Chip nạp giao tiếp UART: CH340 Nguồn ni mạch: 5VDC từ cổng USB nguồn ngồi cắm từ giắc tròn DC từ 6~9VDC để đảm bảo mạch hoạt động tốt, bạn cắm 12VDC IC ổn áp nóng, dễ cháy gây hư hỏng mạch) • • • • • Số chân Digital I/O: 14 (trong chân có khả xuất xung PWM) Số chân PWM Digital I/O: Số chân Analog Input: Dòng điện DC Current chân I/O: 20 mA Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG • • • • • • GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader SRAM: KB (ATmega328P) EEPROM: KB (ATmega328P) Clock Speed: 16 MHz LED_BUILTIN: 13 Kích thước: 68.6 x 53.4 mm 2.2 Mạch L298 Hình : L298 Mạch điều khiển động DC L298 có khả điều khiển động DC, dịng tối đa 2A động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho module khác (chỉ sử dụng 5V nguồn cấp 12VDC) Mạch điều khiển động DC L298 dễ sử dụng, chi phí thấp, dễ lắp đặt, lựa chọn tối ưu tầm giá Thơng số kỹ thuật: • IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver • Điện áp đầu vào: 5~30VDC • Công suất tối đa: 25W cầu ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM • Dòng tối đa cho cầu H là: 2A • Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss • Kích thước: 43x43x27mm 2.3 Động bơm nước 12V Hình 3: Đơng bơm nước 12V Máy bơm nước có kích thước nhỏ gọn tiện dụng sử dụng máy bơm nước ứng dụng thí nghiệm học tập, bơm tản nhiệt cho tản nhiệt nước, dùng làm máy bơm hồ cá làm máy bơm nước tự động • • • • • Kích thước bơm: 90mm * 40mm * 35mm Đường kính đầu ra: đường kính mm, đường kính ngồi 8,5 mm Điện áp hoạt động: dc 12v, hoạt động tại: 0,5-0.7a Lưu lượng: 1,5-2 L / phút (trái phải) hút tối đa: mét Đầu: chiều dọc hút tối đa mét 2.4 Cảm Biến Siêu Âm Ultrasonic HC-SR04 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Do thành phần GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Q (t) = a 2gH(t) không tuyến tính hay phi tuyến Nên ta cần tuyến tính hóa nó, cách phân tích thành chuỗi Taylor bỏ qua số hạng dư bậc cao, ta có phương trình S d∆H(t) g = ∆Q1 (t) − a ∆H(t) dt 2H (1.3) Giả thiết thành phần thay đổi lưu lượng dịng vào tỷ lệ với góc mở ϕ (t) van xả P1 biểu thức ∆Q1 (t) = k ϕ (t) , Trong k – hệ số tỷ lệ Thay giá trị S ∆Q1 (t) d∆H(t) g = kϕ (t) − a ∆H(t) dt 2H Đặt u(t) = ϕ (t) - tác động vào; x(t) = vào phương trình (1.1) ta có (1.4) ∆H(t) - đại lượng ra, ta có phương trình động học hệ thống: S dx(t) g +a x(t) = ku(t) dt 2H S ⇔ g a 2H dx (t) + x(t) = dt k g a 2H0 (1.5) u(t) (1.6) ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG S T= a Đặt : g 2H GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM k ;K = a g 2H0 Vậy ta có dạng phương trình động học hệ thống: T dx(t) + x(t) = K u(t) dt (1.7) Với T- số thời gian; k – hệ số truyền 3.1.2 Hàm truyền Từ phương trình động học hệ thống T dx(t) + x(t) = K u(t) dt Hay (T p + 1) x(t) = Ku(t) p= , với d dt (1.8) Đây khâu khơng tuần hồn bậc nhất, hay ta gọi khâu quán tính bậc Lấy ảnh Laplace hai vế phương trình (1.8) ta có L{(Tp+1)x(t)}=L{Ku(t)} , với điều kiện khơng ban đầu cho trước x(0)=0, ta có: (Ts + 1)X(s) = K U(s) , (1.9) ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM đó, X(s)=L{x(t)}, U(s)=L{u(t)} Vậy ta thu hàm truyền dạng ảnh Laplace sau: W(s) = X(s) K = U(s) Ts + (1.10) 3.2 Mô hệ thống Để đánh giá hiệu làm việc hệ thống tự động điều chỉnh mức nước dùng điều chỉnh truyền thống PDI, ta sử dụng phần mềm MATLAB, với ứng dụng SIMULINK Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khiển xây dựng sở mơ hình tốn học (1.2) , thể hình sau: Hình 7: Hàm truyền Trong đó, h_dot - tốc độ thay đổi mực nước; khối Fcn – xây dựng thuật toán (3.2): (Fcn=1/S*(k*u(2)-a*sqrt(2*g*u(1)))); u(t) h(t) – lối vào điện áp cấp cho máy bơm mức nước bể + Sơ đồ cấu trúc PID thể hình sau: ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Hình 8: PID Bộ điều chỉnh PID đảm bảo hiệu chỉnh tích phân điều chỉnh phi tĩnh Độ sai lệch ε(t) đưa vào điều chỉnh PID , tín hiệu PID khuếch đại đủ lớn, đáp ứng yêu cầu cho việc điều khiển hoạt động máy bơm Về tương quan động học, PID tương đương với hệ gồm ba khâu động học mắc song song : Khâu tỷ lệ, khâu tích phân khâu vi phân Khi Td = , điều chỉnh PID trở thành điều chỉnh PI chỉnh ta thưc chất sử dụng điều khiển PI + Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh mức nước: Hình 9: Mơ SimuLink Trong đó, h_chuan – giá trị đặt ; PID controller – điều chỉnh PID ; Water Tank System – đối tượng điều khiển (có sơ đồ cấu trúc hình 7) ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Giá trị mức nước h_chuan so sánh với mức nước h(t) Độ sai lệch ε(t) đưa vào điều chỉnh PID , tín hiệu PID khuếch đại đủ lớn, đáp ứng yêu cầu cho việc điều khiển hoạt động máy bơm Với giá trị ban đầu cho trước tham số điều chỉnh giá trị đặt H_chuan mức nước bể, thay đổi giá trị tham số điều chỉnh, mức nước bể, thiết diện ngang a quan sát trình độ (sự thay đổi H(t) theo thời gian) ta có kết sau: • Khi kp = 1, ki=0.1, kd=0 Hình 10: Kết mơ kp = 1, ki = 0.1, kd = ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM • Khi kp = 2, ki=0.1, kd=0 Hình 11: Kết mô kp = 2, ki = 0.1, kd = Kết mô cho thấy, xác định tham số thích hợp điều chỉnh PID trình độ kết thúc sơm, chất lượng điều khiển hệ thông nâng cao Cụ thể tang Kp lớn, nhận thấy q trình q độ hệ kín nhỏ Hệ thống tự động điều chỉnh mức nước thiết kế sở ứng dụng điều chỉnh truyền thống phù hợp với u cầu thực tế q trình cơng nghệ nhiều lĩnh vực công nghiệp Kết mô phóng cho MATLAB cho thấy hệ thống hoạt động đảm bảo độ tin cậy, độ xác, dễ thực kỹ thuật, đơn giản công việc hiệu chỉnh tham số điều chỉnh ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM CHƯƠNG 5: THI CƠNG HỆ THỐNG 5.1 Giới thiệu Mơ hình mà nhóm thực mơ hình thực nghiệm, nên mơ hình thiết kế thi Cơng phải đáp ứng yêu cầu sau: • Hiển thị mực nước bình, tốc độ máy bơm • Mơ hình đạt ổn định tính xác cao • Phù hợp với điều kiện kinh tế 5.2 Sơ đồ hệ thống Hình 12: Sơ đồ kết nối chân hệ thống Khối điều khiển trung tâm: khối điều khiển trung tâm sử dụng Arduino UNO có hiệu cao, dùng để điều khiển thiết bị khác hệ thống: Điều khiển đọc liệu từ cảm biến Khối cảm biến: bao gồm cảm biến độ cao dùng để thu thập liệu độ cao mực nước bồn, từ đưa tín hiệu khối điều khiển trung tâm, so sánh với giá trị đặt trước, sau khối điều khiển trung tâm xử lý để phù hợp với yêu cầu giá trị đặt trước ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Khối nguồn cung cấp: Khối nguồn cung cấp khối quan trọng giúp cung cấp điện cho tồn hệ thống Vì cần tính tốn hợp lý để khối nguồn cung cấp đủ dịng áp để mạch hoạt động tốt ổn định 5.3 Code Arduino Hình 13: Code đọc khoảng cách từ HCSR04 Hình 14: Code PID ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Hình 15: Code chương trình 5.4 Phần cứng ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Hình 16: Tổng quan phần cứng 5.5 Kết • Cho đầu vào h = 5cm Hình 17: Mức nước thực tế thu Hình 18: Biểu đồ ngõ mực nước bình chiều cao h = 5cm ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Hình 19: Thông số ngõ chiều cao mực nước h = 5cm ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM • Cho đầu vào h = 8cm Hình 20: Mức nước thực tế Hình 21: Biểu đồ ngõ mực nước bình chiều cao h = 8cm ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Hình 22: Thơng số ngõ chiều cao mực nước h = 8cm Nhìn chung hệ thống chạy tốt, ổn định đầu xác, đáp ứng dầu vào Tuy nhiên có số khuyết điểm nhỏ thời gian bơm nước lên lâu Vấn đề khắc phục có hệ thống bồn chứa nước có van xả thích hợp động bơm có công suất mạnh ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN Qua trình thực đồ án với đề tài “Thiết kế điều khiển mức nước cho đối tượng bình chứa” em thực nội dung sau: Đưa mơ hình tốn học bình chứa nước Xác định hàm truyền, phương trình động học hệ thống Mơ hệ thống matlab với công cụ simulink Tiến hành lắp ráp phần cứng Xây dựng code arduino Đảm bảo phần cứng hoạt động tốt, với yêu cầu đề ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM TÀI LIỆU THAM KHẢO https://www.academia.edu/36807072/%C4%90%E1%BB%93_ %C3%A1n_thi%E1%BA%BFt_k%E1%BA%BF_%C4%91i %E1%BB%81u_ch%E1%BB%89nh_m%E1%BB%B1c_n %C6%B0%E1%BB%9Bc_trong_b%E1%BB%83_ch%E1%BB %A9a_h%E1%BB%87_SISO https://www.youtube.com/watch?v=SYcuG4GG9aw&t=2064s Nguyễn Thị Phương Hà, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động, trang 48-49, nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP HCM, lần 1, 2006 Huỳnh Thái Hồng, Hệ Thống Điều Khiển Thơng Minh, trang 25-85, nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP HCM, 2006