Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI I.GIỚI THIỆU: Hiện nay sự nghiệp công nghiệp hóa,hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất. Hiện nay, tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, cụ thể như công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy,sản xuất xi măng…cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống. Nói chung, để nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo an toàn cho người, máy móc và môi trường trong công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng thì vấn đề điều khiển quá trình công nghệ là rất quan trọng. Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển,vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường. Trong điều khiển quá trình, bài toán đặt ra là điều chỉnh quá trình công nghệ có yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng. Các đại lượng cần điều khiển như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ…cần phải điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đặt ra. Đặc thù của quá trình công nghệ là diễn biến tương đối chậm, mô hình phức tạp khó xác định, khả năng điều khiển hạn chế,khó thay đổi thiết kế về công nghệ. Nên trong điều khiển quá trình công nghệ ta phải thiết lập một hệ thống phù hợp với đặt thù của quá trình công nghệ. Hiện nay, trong công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước,sản xuất giấy, sản xuất điện năng…Vấn đề điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn. Chính vì vậy, vấn đề dặt ra trong đề tài là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao. Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là hệ bồn nước đôi. Hệ bồn nước đôi được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước,cột chất lỏng của hai bồn được duy trì ổn định. Để làm được điều này thì đòi hỏi phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước đôi, làm mức nước trong hai bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi. Việc điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong hai bồn ổn định là tương đối khó,cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy bơm. Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước đôi, nhưng ở đây ta sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển. Công việc điều khiển được thục hiện mô phỏng trên Matlab, với công cụ là Simulink. II.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN: Các cấu hình của hệ bồn nước thường gặp: 1.Cấu hình hệ bồn nước đơn: 1.1.Mô hình của hệ thống: Đây là mô hình hệ thống và nó là một phần rất quan trọng của hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bồn:

Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID LỜI NÓI ĐẦU - Năm năm học tập tại trường Đại học bách khoa Đà Nẵng, nhà trường và thầy cô không chỉ truyền đạt cho em những kiến thức chuyên môn về ngành mà còn giáo dục cho em về lý tưởng đạo đức trong cuộc sống Đây là những hành trang không thể thiếu cho cuộc sống và sự nghiệp của em Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô trong Khoa Điện đặc biệt là các thầy cô trong ngành Tự Động Hoá đã tận tình chỉ bảo, dẫn dắt em đến ngày hôm nay Đồ án tốt nghiệp đã đánh dấu việc hoàn thành trong những năm cố gắng học tập của em Qua đây em xin chân thành cảm ơn đến cha mẹ, thầy cô và bạn bè những người luôn tạo mọi điều kiện để em hoàn thành khoá học Riêng đối với đồ án tốt nghiệp này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH là giáo viên hướng dẫn em đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn cho em cũng như tạo mọi điều kiện giúp em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Do thời gian làm luận văn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót kính mong quý thầy cô tận tình chỉ dẫn thêm Xin chân thành cảm ơn ! TP.ĐÀ NẴNG, Ngày 30 tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện MAI VĂN VĂN SVTH:Mai Văn Văn Trang 1 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID MỤC LỤC Trang CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI 8 I.GIỚI THIỆU 8 II.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 9 1.Cấu hình hệ bồn nước đơn 9 1.1.Mô hình của hệ thống 9 1.2.Phương trình toán học của mô hình 10 2.Cấu hình bồn nước đôi 10 2.1.Hệ một đầu vào một đầu ra (SISO) 10 2.1.1.Cấu hình bồn nước đôi liên kết 10 2.1.1.1.Mô hình của hệ thống 10 2.1.1.2.Phương trình toán học của mô hình 11 2.1.2.Cấu hình hệ bồn nước đôi nối tiếp 13 2.1.2.1.Mô hình của hệ thống 13 2.1.2.2.Phương trình toán học của mô hình 14 2.2.Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) 16 2.2.1.Cấu hình bồn nước đôi liên kết 16 2.2.1.1.Mô hình của hệ thống 16 2.2.1.2.Phương trình toán học 17 2.2.2.Cấu hình hệ bồn nước đôi nối tiếp 18 2.2.2.1.Mô hình của hệ thống 18 2.2.2.2.Phương trình toán học` 18 CHƯƠNG II :TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 21 I.GIỚI THIỆU BỘ PID 21 1.Hàm truyền đạt 22 SVTH:Mai Văn Văn Trang 2 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID 2.Đặc tính bộ điều khiển PID 22 II.CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC 23 1.Bộ điều khiển tỉ lệ P 23 1.1.Hàm truyền đạt 23 1.2.Đặc tính tần số logarit 23 1.3.Tác dụng 23 2.Bộ điều khiển PI 23 2.1.Hàm truyền đạt 23 2.2.Đặc tính tần số logarit 24 2.3.Tác dụng 24 3.Bộ điều khiển PD 24 3.1.Hàm truyền đạt 24 3.2.Đặc tính tần số logarit 24 3.3.Tác dụng 24 4.Bộ bù sớm pha 24 4.1.Hàm truyền đạt 24 4.2.Đặc tính tần số logarit 24 4.3.Tác dụng 24 5.Bộ bù trễ pha 24 5.1.Hàm truyền đạt 24 5.2.Đặc tính tần số logarit 25 5.3.Tác dụng 25 6.Bộ bù trễ - sớm pha 25 6.1.Hàm truyền đạt 25 6.2.Đặc tính tần số logarit 25 6.3.Tác dụng 25 III.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ PID 26 1.Phương pháp Zieger-Nichols thứ nhất 26 2.Phương pháp Zieger-Nichols thứ hai 27 SVTH:Mai Văn Văn Trang 3 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID CHƯƠNG III :TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG CHO BỒN NƯỚC TRONG BỒN NƯỚC ĐÔI 29 I.CHỌN CẤU HÌNH CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN 29 1.Chọn cấu hình 29 2.Khảo sát hệ thống phi tuyến 30 3.Chọn các thông số của đối tượng điều khiển 33 II.CHỌN CÁC THÔNG SỐ KP, KI, KD CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 34 CHƯƠNG IV :MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB–SIMULINK 36 I.GIỚI THIỆU VỀ MATLAB – SIMULINK 36 1.Control System Toolbox 36 1.1.Định nghĩa một hệ thốn tuyến tính 37 1.1.1.Định nghĩa bằng hàm truyền 37 1.1.2.Định nghĩa bằng zero và cực 37 1.1.3.Phương trình trạng thái 37 1.2.Biến đổi sơ đồ tương đương 37 1.2.1.Mắc nối tiếp 37 1.2.2.Mắc song song 38 1.2.3.Mắc phản hồi 38 1.3.Phân tích hệ thống 38 1.3.1.Trong miền thời gian 38 1.3.2.Trong miền tần số 38 1.3.3.Một số hàm để phân tích 39 2.Simulink 39 2.1.Khởi động Simulink 40 2.2.Các khối chức năng trong thư viện Simulink 41 2.2.1.Sources 41 2.2.2.Sinks 47 2.2.3.Discrete 49 2.2.4.Linear 51 2.2.5.Nonlinear 54 SVTH:Mai Văn Văn Trang 4 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID II.ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG 57 1.Độ quá điều chỉnh lớn nhất 58 2.Thời gian quá độ lớn nhất 58 3.Thời gian tăng 58 4.Sai số xác lập 58 III.MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULINK 59 CHƯƠNG V :KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 SVTH:Mai Văn Văn Trang 5 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 Nội Dung Cấu hình bồn nước đơn Cấu hình bồn nước đôi liên kết hệ SISO Cấu hình bồn nước đôi nối tiếp hệ SISO Cấu hình bồn nước đôi liên kết hệ MIMO Cấu hình 2 bồn nước đôi nối tiếp hệ MIMO Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID Sơ đồ khối của một hệ thống Sơ đồ khối của một hệ hở Đáp ứng của hệ hở Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ điều khiển PID Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ điều khiển tỉ lệ P Đáp ứng của hệ kín Cấu hình bồn nước đôi liên kết được chọn làm đối tượng điều khiển Mô hình mô phỏng Simulink của hệ hở Đáp ứng ra của hệ hở Danh mục thư viện của Simulink Quá trình quá độ của một hệ thống Mô hình mô phỏng Simulink của hệ kín Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID1 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID2 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID3 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID4 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID5 Trang 9 11 13 16 18 21 22 26 26 27 27 28 29 34 34 40 58 59 60 61 62 63 64 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Nội Dung Ảnh hưởng của các thông số PID lên đối tượng SVTH:Mai Văn Văn Trang 23 Trang 6 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID 2.2 2.3 3.1 Bảng tính các thông số PID theo Z–N 1 Bảng tính các thông số PID theo Z–N 2 Các thông số của đồi tượng điều khiển 27 28 33 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI I.GIỚI THIỆU: SVTH:Mai Văn Văn Trang 7 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Hiện nay sự nghiệp công nghiệp hóa,hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất Hiện nay, tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, cụ thể như công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy,sản xuất xi măng…cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống Nói chung, để nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo an toàn cho người, máy móc và môi trường trong công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng thì vấn đề điều khiển quá trình công nghệ là rất quan trọng Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển,vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường Trong điều khiển quá trình, bài toán đặt ra là điều chỉnh quá trình công nghệ có yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng Các đại lượng cần điều khiển như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ…cần phải điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đặt ra Đặc thù của quá trình công nghệ là diễn biến tương đối chậm, mô hình phức tạp khó xác định, khả năng điều khiển hạn chế,khó thay đổi thiết kế về công nghệ Nên trong điều khiển quá trình công nghệ ta phải thiết lập một hệ thống phù hợp với đặt thù của quá trình công nghệ Hiện nay, trong công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước,sản xuất giấy, sản xuất điện năng…Vấn đề điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn Chính vì vậy, vấn đề dặt ra trong đề tài là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là hệ bồn nước đôi Hệ bồn nước đôi được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước,cột chất lỏng của hai bồn được duy trì ổn định Để làm được điều này thì đòi hỏi phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu SVTH:Mai Văn Văn Trang 8 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước đôi, làm mức nước trong hai bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi Việc điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong hai bồn ổn định là tương đối khó,cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy bơm Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước đôi, nhưng ở đây ta sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển Công việc điều khiển được thục hiện mô phỏng trên Matlab, với công cụ là Simulink II.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN: Các cấu hình của hệ bồn nước thường gặp: 1.Cấu hình hệ bồn nước đơn: 1.1.Mô hình của hệ thống: Đây là mô hình hệ thống và nó là một phần rất quan trọng của hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bồn: Hình 1.1 Cấu hình bồn nước đơn 1.2.Phương trình toán học của mô hình: Mô hình biểu thị mối quan hệ giữa lưu lượng nước Q i vào bồn với lưu lượng nước Qo ra khỏi bồn qua van Qi − Q o = A SVTH:Mai Văn Văn dH (t ) dt (1.1) Trang 9 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang của bồn nước H là chiều cao của mức chất lỏng trong bồn Nếu giả sử Van như là khe hở nhỏ thì dòng chảy qua van sẽ liên quan mức nước H có trong bồn: Qo = C d a 2 g H (t ) (1.2) Trong đó: Cd là hệ số của van xả a là diện tích mặt cắt ngang của khe g là hằng số hấp dẫn và g = 980cm/s 2 Giả sử Cd là một hằng số thì Qo sẽ có quan hệ phi tuyến với H ,kết hợp (1.1) với (1.2) ta có phương trình phi tuyến : A dH (t ) + C d a 2 g H (t ) = Qi dt (1.3) Mà lưu lượng nước chảy vào bồn là: Qi = K p.U (t ) (1.4) Vậy ta có phương trình toán học là: A dH (t ) + C d a 2 g H (t ) = K pU (t ) dt (1.5) 2 Cấu hình bồn nước đôi: 2.1 Hệ một đầu vào một đầu ra (SISO): 2.1.1 Cấu hình bồn nước đôi liên kết: 2.1.1.1 Mô hình toán học: Mô hình của bồn nước: 2 bồn nước có cùng diện tích SVTH:Mai Văn Văn Trang 10 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Thực hiện một hệ rời rạc dưới hệ phương trình trạng thái Những thông số : hệ ma trân, điều kiện đầu, thời gian lấy mẫu 2.2.3.4 Khối Discrete Filter: Thực hiện lọc IIR và lọc FIR Những thông số: hệ số tử, mẫu của bộ lọc, thời gian lấy mẫu 2.2.3.5 khối Discrete Transfer Fcn: Thực hiện chức năng một hàm truyền rời rạc Những thông số: hệ số tử vã mẫu của hàm truyền, thời gian lấy mẫu 2.2.3.6 Khối Discrete – Time Integrator: SVTH:Mai Văn Văn Trang 53 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Thực hiện hàm tích phân gián đoạn Những thông số: điều kiện đầu, giới hạn cận dưới và trên, thời gian lấy mẫu 2.2.4 Linear: Đây là nhóm tuyến tính trong miền thời gian và laplace 2.2.4.1 Khối Sum: Ngõ ra tổng (hiệu) các ngõ vào Những thông số: các dấu của ngõ vào 2.2.4.2 Khối Gain: SVTH:Mai Văn Văn Trang 54 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Nhân tín hiệu vào với một hằng số Những thông số: giá trị độ lợi 2.2.4.3 Khối Derivative: Tín hiệu vào được lấy vi phân theo thời gian 2.2.4.4 Khối Tranfer Fcn: Thực hiện chức năng một hàm truyền Những thông số: hệ số tử và mẫu của hàm truyền SVTH:Mai Văn Văn Trang 55 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID 2.2.4.5 Khối Intergrator: Tín hiệu vào được lấy tích phân Những thông số: điều kiện đầu 2.2.4.6 Khối State – Space: Thực hiện một hệ tuyến tính không thay đổi theo thời gian 2.2.4.7 Khối Zero – pole: Thực hiện hàm truyền dưới dạng cực và zero SVTH:Mai Văn Văn Trang 56 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Những thông số: các zero, các cực, độ lợi 2.2.4.8 Khối Dot product: Tính tích vô hướng của vector 2.2.4.9 Khối Slider Gain: Tương tác độ lợi Những thông số: giá trị gain 2.2.5 Nonlinear: 2.2.5.1 Khối Abs: Tính giá trị tuyệt đối của ngõ vào 2.2.5.2 Khối Product: Ngõ vào được nhân với nhau Những thông số: số ngõ vào SVTH:Mai Văn Văn Trang 57 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID 2.2.5.3 Khối Fcn Tính toán biểu thức 2.2.5.4 Khối Saturation: Tính toán một khâu bão hòa, nghĩa là giới hạn biên độ của ngõ ra Những thông số: giá trị trên và dưới của ngõ ra 2.2.5.5 Khối Matlab Fcn: SVTH:Mai Văn Văn Trang 58 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Cho phép gọi một hàm Matlab trong sơ đồ Simulink Những thông số: tên hàm, chiều của ngõ ra(-1 ngõ ra cùng chiều với ngõ vào) 2.2.5.6 Khối Transport Delay Ngõ vào bị trễ bởi một thời gian cho trước SVTH:Mai Văn Văn Trang 59 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Những thông số: thời gian trễ, thông số đầu 2.2.5.7 Khối Sign: Thực thi một hàm dấu Đó là những thư viện cơ bản, ngoài ra còn nhiều thư viện khác như thư viện đầu nối…việc tìm hiểu hết các chức năng của chúng cũng rất khó khăn Ngoài những thư viện đã có người sử dụng có thể tạo cho mình một thư viện riêng bằng cách ghép nối các thư viện lại với nhau tạo thành một nhóm hay viết riêng một chương trình để chạy mô phỏng trong Simulink II.Đánh giá chất lượng của hệ thống: Để đánh giá chất lượng của hệ thống ta dựa vào các chỉ tiêu sau: 1.Độ quá điều chỉnh lớn nhất σ max : là sai lệch cực đại trong quá trình quá độ so với giá trị xác lập, tính theo đơn vị phần trăm: σ max = y max − y∞ * 100% y∞ Thông thường thì σ max = (20 : 30)% 2.Thời gian quá độ lớn nhất Tmax: Về mặt lý thuyết, quá trình quá độ kết thúc khi t → ∞ Trong điều khiển tự động, ta có thể xem quá trình quá độ kết thúc khi sai lệch của tín hiệu được điều khiển với giá trị xác lập của nó không vượt qua 5% (một số thì chọn 2%).Khoảng thời gian đó gọi là Tmax SVTH:Mai Văn Văn Trang 60 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Thông thường thì Tmax=2 đến 3 chu kỳ dao động quanh giá trị xác lập 3.Thời gian tăng tm: Là thời gian từ 0 đến lúc tín hiệu điều khiển đặt được 90% giá trị xác lập lần đầu tiên 4.Sai số xác lập: Là sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp của hệ thống khi thời gian tiến đến vô cùng Hình 4.2 Quá trình quá độ của một hệ thống III.Mô phỏng trên Matlab – Simulink: Mục tiêu điều khiển là giữ cho mực chất lỏng trong bồn chứa thứ hai bám theo tín hiệu đạt cho trước Ở đây ta dùng bộ điều khiển PID để điều khiển hệ thống Để đo mức nước trong bồn 2 ta đặt một cảm biến áp suất dưới đáy của bồn và cảm biến này có độ phân giải là K=6.1cm/v Lúc này ta có mô hình mô phỏng của hệ thống trên Matlab – Simulink là: SVTH:Mai Văn Văn Trang 61 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Hình 4.3 Mô hình mô phỏng Simulink của hệ kín Và đáp ứng của hệ kín là: SVTH:Mai Văn Văn Trang 62 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Hình 4.4 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID1 Các thông số của bộ điều khiển PID được chọn theo phương pháp Z-N-1 như trên đảm bảo hệ thống đã cho làm việc ổn định Từ đồ thị đặc tính quá độ của hệ thống ở trên ta nhận thấy thời gian quá độ quá lớn nhất lớn (147s), độ vọt lố lớn (47.5%), thời gian tăng lớn (16s ) và sai số xác lập lớn, không thỏa mãn yêu cầu đặt ra của một hệ thống điều khiển nên chất lượng của hệ thống không tốt Để chất lượng của hệ thống được tốt hơn ta sẽ điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển PID để giảm thời gian quá độ lớn nhất, độ vọt lố, thời gian tăng và sai số xác lập bằng cách dựa vào bảng 2.1 -Trước tiên ta giảm thời gian tăng bằng cách tăng hệ số K p, ở đây ta chọn Kp=92, lúc này thời gian tăng nhỏ (3.77s), đồng thời thời gian quá độ lớn nhất giảm nhưng vẫn còn lớn (21s) và sai số xác lập nhỏ Sau khi hiệu chỉnh ta được đáp ứng đầu ra của hệ thống kín là: SVTH:Mai Văn Văn Trang 63 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Hình 4.5 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID2 -Ở trên ta nhận thấy độ vọt lố lớn và thời gian quá độ lớn nhất cũng lớn để giảm chúng bằng cách tăng hệ số KD của bộ điều khiển PID Ta chọn KD =70, lúc này độ vọt lố giảm (21.06% ), thời gian quá độ cũng giảm xuống đáng kể (14.4s) nhưng sai số xác lập chưa triệt tiêu được Ta được đáp ứng đầu ra: SVTH:Mai Văn Văn Trang 64 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Hình 4.6 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID3 -Để triệt tiêu sai số xác lập ta tăng hệ số K I của bộ điều khiển PID, ở đây ta tăng đến KI= 1.045 Lúc này sai số xác lập được triệt tiêu nhưng độ vọt lố và thời gian quá độ lớn nhất tăng một ít SVTH:Mai Văn Văn Trang 65 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Đáp ứng đầu ra lúc này là: Hình 4.7 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID4 Vậy cuối cùng ta có các thông số của bộ PID sau khi hiệu chỉnh là: K p=92, KI=1.045 và KD=70 Từ đáp ứng trên ta xác định được các giá trị: σ max = 7.42 − 6.1 *100% = 21,64% 6.1 Tmax=14.4s tm=3.58s các chỉ tiêu trên đều thỏa mãn các yêu cầu đặt ra của một hệ thống điều khiển -Để đáp ứng ra của hệ thống không còn vọt lố ta tiếp tục điều chỉnh các thông số của bộ điểu khiển PID, lúc này đáp ứng ra của hệ thống là: SVTH:Mai Văn Văn Trang 66 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Hình 4.8 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID5 Ứng với các thông số của bộ PID là Kp=82, KI=0.9, KD=250 SVTH:Mai Văn Văn Trang 67 ... THIỆU BỘ PID 21 1.Hàm truyền đạt 22 SVTH:Mai Văn Văn Trang Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đơi sử dụng điều khiển PID 2.Đặc tính điều khiển PID 22 II.CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC 23 1 .Bộ điều khiển. .. chiều cao mực nước bồn H3(t) chiều cao mực nước bồn H4(t) chiều cao mực nước bồn SVTH:Mai Văn Văn Trang 20 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID D đường kính bên bồn DB... rộng rãi có hồi tiếp sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động SVTH:Mai Văn Văn Trang 21 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID Một điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh