Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu chính là để kiểm soát mực nước bằng cách sử dụng phương pháp kiểm soát thích hợp. Bằng cách điều chỉnh các van rẽ nhánh của hệ thống, tỷ lệ nước được bơm vào các bể chứa khác nhau có thể được thay đổi để điều chỉnh mức độ tương tác giữa thông lượng máy bơm và mực nước.
LỜI NĨI ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Ý nghĩa nghiên cứu phương pháp luận khoa học 2.2 Mơ hình hóa mơ 2.3 Tổng quan hệ thống đa biến 2.4 Hệ thống điều khiển vòng hở .2 2.5 Hệ thống điều khiển vịng kín .2 2.6 Tuyến tính hóa 2.7 Định luật Bernoulli 2.8 Sử dụng ma trận .5 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HĨA HỆ THỐNG BỐN BỒN 3.1 Giới thiệu mơ hình hóa 3.2 Sơ đồ mơ hình hóa hệ thống 3.3 Mô tả quy trình bốn bồn 3.4 Tính tốn hệ thống bốn bồn 3.4.4 Khảo sát hệ thống bốn bồn .9 3.4.4.1 Phương trình khơng gian trạng thái 10 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN, KHẢO SÁT VÀ HÀM TRUYỀN G(s) 11 4.1 Hàm truyền hệ thống G(s) 11 4.2.Xét hệ thống với pha cực tiểu pha không cực tiểu .12 4.2.1 Xét điểm Zero 12 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI 14 5.1 Cơng thức tốn học điều khiển .14 5.2 Thiết kế theo phương pháp khử cực 15 5.3 Thiết kế theo phương pháp gán cực 16 5.4 Thiết kế theo phương pháp đáp ứng tần số Niegler-Nichols 19 5.5 Cấu trúc điều khiển PI 20 5.6 Mô hệ thống bốn bồn 20 5.6.1 Khảo sát đối tượng tuyến tính hóa điểm làm việc .20 5.6.1.1 Mô đối tượng điểm làm việc .21 5.6.1.2 Mô với đối tượng thực tế 22 5.6.1.3 Mô hệ thống thực tế với điều khiển PI .25 5.7 Kết luận 30 5.8 Thiết kế điều khiển .30 5.8.1 Sơ đồ khối điều khiển 30 5.8.2 Lựa chọn thiết bị 31 ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI 33 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu điều khiển hệ thống nhiều bồn chứa ứng dụng việc cung cấp nước” cơng trình nghiên cứu thân Những phần có sử dụng tài liệu tham khảo có đ án liệt kê nêu rõ phần tài liệu tham khảo Đ ồng th ời nh ững s ố li ệu hay kết trình bày đồ án mang tính chất trung thực, khơng chép, đ ạo nhái Nếu sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm chịu tất kỷ luật b ộ môn nhà trường đề CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa: Điện – Điện tử Chuyên ngành: Điện tự động Khóa: K24 Niên khóa: 2018 – 2023 TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu điều khiển hệ thống nhiều bồn chứa ứng dụng việc cung cấp nước” NỘI DUNG CƠ BẢN THỰC HIỆN: - Hiểu mơ hình hóa hệ thống từ kiến thức vật lý Tính tốn, khảo sát, phân tích Có chương trình phần mềm điều khiển dùng Matlab & Simulink Báo cáo đồ án trình bày hồn chỉnh theo quy định ngày…tháng…năm 2021 LỜI NĨI ĐẦU Thời đại công nghệ phát triển mạnh mẽ, với hàng loạt phần mềm hỗ trợ theo MATLAB SIMULINK phần mềm mà ứng dụng nói mơ – mơ hình hóa khơng nhỏ MATLAB & SIMULINK phần mềm mơ đa Trong MATLAB tích hợp nhiều công cụ chuyên dùng để giải toán khác như: nhận dạng đối tượng động học, điều khiển tối ưu, điểu ển bền vững, điều khiển mờ, xử lí tín hiệu,…Mơ hệ thống điều khiển tự động MATLAB cho phép ta sử dụng mơ hình tốn h ọc khác hệ thống đối tượng khảo sát như: dùng hàm truyền đạt, dùng hàm trạng thái, dùng mơ hình sơ đồ cấu trúc SIMULINK cho phép ta khảo sát hệ thống điều khiển tự động miền tần số thời gian Một kỹ sư tự động hóa cần phải có khả phân tích thi ết k ế h ệ thống Do em vận dụng kiến thức học trường kiến thức tìm hiểu từ báo khoa học em h ướng t ới đ ề tài đ án t ốt nghi ệp lần Và với đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống nhiều bồn chứa ứng dụng việc cung cấp nước” em đem hết kiến thức học để vận dụng vào đồ án tốt nghiệp em Em xin chân thành cảm ơn Thầy Hoàng Ngọc Hà hướng dẫn cho em đề tài nghiên cứu lần Vì kiến thức em h ạn ch ế nên đ án khơng tránh khỏi sai sót Em kính mong góp ý c th ầy cô khoa để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin cảm ơn! ngày…tháng…năm2021 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Hệ thống điều khiển vòng hở .2 Hình 2: Hệ thống điều khiển vịng kín .3 Hình 3: Định luật Bernoulli chất lỏng Hình 4: Sơ đồ mơ hình hóa hệ thống .6 Hình 5: Cấu trúc phân cấp với hai điều PI 17 Hình 6: Mơ hình đối tượng điểm làm việc 20 Hinh 7: Chiều cao mực nước h1, h2 đối tượng điểm làm việc 20 Hình 8: Đối tượng thực tế 21 Hình 9: Chiều cao mực nước h1, h2 đối tượng thực tế 21 Hình 10: Chiều cao mực nước h3, h4 đối tượng thực tế 21 Hình 11: So sánh đối tượng thực tế với đối tượng điểm làm việc 22 Hình 12: Hệ thống với điều khiển PI 26 Hình 13: Các tham số tham chiếu đặt 26 Hình 14: Bộ điều khiển PI 27 Hình 15: Chiều cao mực nước h1 h4 với giá trị tham chiếu 12 đến 13 cm 27 Hình 16: Chiều cao mực nước h2 h3 với giá trị tham chiếu 12 đến 13 cm 28 Hình 17: Hệ thống với điều khiển cải tiến .29 Hình 18: Chiều cao mực nước h1 với điều khiển sau cải tiến 29 Hình 19: Chiều cao mực nước h2 với điều khiển sau cải tiến 30 Hình 20: Sơ đồ khối điều khiển 31 Hình 21: Bộ điều khiển PLC S7-1200 .31 Hình 22: Bộ biến tần LS IG5A-2 .32 Hình 23: Sensor đo mức nước WiKa S11 33 CÁC CHỮ VIẾT TẮT PI PLC Proportional and Integral Programmable Logic Controller CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Trong thập kỷ qua, kiểm soát mức chất lỏng trở thành thách th ức l ớn nghiên cứu việc sử dụng ngày nhiều nhiều ứng dụng, đặc bi ệt ứng dụng công nghiệp phần trở nên quan tr ọng, đ ặc bi ệt ngành cơng nghiệp hóa dầu, dược phẩm chế biến thực phẩm, nhà máy hóa chất Nhiệm vụ điều khiển cung cấp đầu thích hợp Vì lý điều khiển mức hoạt động tốt sản phẩm cuối s ẽ khơng có l ỗi s ẽ xác, chất lượng sản phẩm cuối ph ụ thu ộc vào đ ộ xác điều khiển mức Kể từ kiểm soát mức chất lỏng đối tượng nghiên cứu số lượng lớn nhà nghiên cứu Hơn nữa, kiểm soát mức chất lỏng thiết bị tiêu biểu hệ thống bể chứa 1.2 Giới thiệu đề tài Với yêu cầu ứng dụng thực tế vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng hệ bốn bể chứa Mơ hình hệ thống phi tuyến tính với bể chứa nước, hai máy bơm hai van tách chất lỏng Mục tiêu đ ể ki ểm soát m ực nước hai bể cách sử dụng phương pháp kiểm sốt thích hợp Bằng cách điều chỉnh van rẽ nhánh hệ thống, tỷ l ệ n ước đ ược b ơm vào b ể chứa khác thay đổi để điều chỉnh mức đ ộ t ương tác gi ữa thông lượng máy bơm mực nước Em thầy cô giao cho đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống nhiều bồn chứa ứng dụng việc cung cấp nước ” để làm Đồ án tốt nghiệp em năm Em cố gắng 1.3 Mục tiêu đề tài Đề xuất phương án điều khiển để vận hành tối ưu hệ thống bốn bồn Tìm hiểu tài liệu hệ thống bốn bồn Hiểu mơ hình hóa hệ thống bốn bồn Tính tốn, khảo sát phân tích Lập trình mơ hệ thống điều khiển dùng Matlab & Simulink CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Ý nghĩa nghiên cứu phương pháp luận khoa học -Phương pháp luận nghiên cứu khoa học hệ thống lý thuyết phương pháp nhận thức khoa học bao gồm lý thuyết chê sáng t ạo, nh ững quan ểm tiếp cận đối tượng khoa học, với hệ thống lý thuyết phương pháp kỹ thuật logic tiến hành nghiên cứu cơng trình khoa học phương pháp t ổ chức, quản lý trình Trang | -Nghiên cứu làm sáng tỏ chất khoa học hoạt động nghiên c ứu khoa học, tổng kết quy luật phát triển khoa học đại -Nghiên cứu làm sáng tỏ chế tư sáng tạo nhận thức nhà khoa học kỹ thực hành sáng tạo họ -Nghiên cứu quan điểm tổng quát, cách tiếp cận đối tượng nhận thức, đồng thời xây dựng hệ thống lý thuyết phương pháp nghiên cứu khoa học 2.2 Mô hình hóa mơ -Mơ hình hóa (Modeling) thay đối tượng gốc mơ hình nhằm thu nhận thông tin quan trọng đối tượng cách tiến hành thực nghiệm mơ hình Lý thuyết xây dựng mơ hình nghiên cứu mơ hình để hiểu biết v ề đối t ượng gốc gọi lý thuyết mơ hình hóa -Mơ (Simulation, Imitation) phương pháp mơ hình hóa dựa việc xây dựng mơ hình số (Numerical model) dùng phương pháp số (Numerical Method) để tìm lời giải Chính máy tính số cơng cụ hữu hiệu để thực việc mô hệ thống 2.3 Tổng quan hệ thống đa biến -Các hệ thống phân loại thành nhiều loại khác dựa số lượng đầu vào đầu SISO (Single input Single Output) MIMO (Multi Input Multi Output) Một SISO hệ thống đơn giản với đầu vào đầu hệ thống MIMO hệ thống có nhi ều h ơn h ơn m ột đầu vào đầu 2.4 Hệ thống điều khiển vòng hở -Hệ thống điều khiển vịng hở hệ thống có tác động điều khiển độc lập v ới tín hiệu ngõ -Hai điểm bật hệ thống điều khiển vịng hở là: Khả đạt xác xác định phương thức định cở (Calibrate) Định cở có nghĩa thành lập hay tái lập quan hệ ngõ vào ngõ đ ể đạt mức xác mong muốn cho hệ thống Hệ thống thường không gặp cố bất ổn định (Instability), điều trình bày chương sau Tín hiệu tác động Tham khảo Thiết bBi ị ến Controller r u c kiểm sốt Hình 1: Hệ thống điều khiển vòng hở 2.5 Hệ thống điều khiển vịng kín Trang | -Hệ thống điều khiển vịng kín hệ thống có tác động điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu ngõ Hệ thống điều khiển vịng kín cịn gọi hệ thống điều khiển hồi tiếp (Feedback Control Systems) -Muốn phân loại hệ thống điều khiển vịng kín hay vịng hở, phải phân biệt rõ ràng thành phần hệ thống với thành ph ần không thuộc hệ thống có tương tác lên hệ thống Nhiễu phá rối Phân tích sai biệt + e Controller u r Thiết bị Bộ chuyển Hồi tiếp Hình 2: Hệ thống điều khiển vịng kín 2.6 Tuyến tính hóa -Tuyến tính hóa kỹ thuật xấp xỉ cho phép biểu diễn phi tuyến hành vi trình mơ hình tuyến tính gần Phương pháp ến tính hóa sử dụng để xem xét mối quan hệ biến gia tăng xung quanh trạng thái cân bằng, địi hỏi tính liên tục khả vi trường h ợp phi tuyến Mặc dù kỹ thuật lúc áp dụng được, nhiều trường hợp, cung cấp nhìn sâu sắc hành vi trình có th ể sử dụng thiết kế điều khiển phù hợp 2.7 Định luật Bernoulli -Nguyên lý Bernoulli phát biểu dòng chất lưu khơng dẫn nhiệt khơng có tính nhớt, tăng vận tốc chất lưu xảy tương ứng đồng th ời với giảm áp suất giảm chất lưu -Nguyên lý Bernoulli áp dụng cho nhiều loại chất lưu, chúng thể qua kết viết dạng phương trình Bernoulli Thực tế, có dạng phương trình Bernoulli khác cho loại chất lưu khác Dạng đ ơn giản c nguyên lý Bernoulli thỏa mãn cho trường hợp dịng chảy khơng nén (ví dụ cho dịng chất lỏng) cho dịng chảy nén (ví dụ khí) chuyển động nhỏ tốc độ âm (số Mach) -Nguyên lý Bernoulli hệ định luật bảo tồn lượng Nó phát biểu rằng, dòng chảy ổn định, tổng dạng lượng chất lưu dọc theo đường dòng điểm đường dịng Điều đòi hỏi Trang | c tổng động năng, nội phải số Do tăng vận tốc chất lưu – hàm ý tăng áp suất động lực động – diễn đồng thời với giảm (theo tổng của) áp suất tĩnh, nội Nếu chất lưu chảy khỏi nguồn, tổng dạng lượng m ọi đường dịng nguồn lượng đơn v ị th ể tích (t áp su ất hấp dẫn ρ g h) khắp nơi -Nguyên lý Bernoulli suy trực tiếp từ định luật thứ hai Newton Nếu thể tích nhỏ chất lưu chảy theo phương ngang từ vùng có áp su ất cao đến vùng có áp suất thấp, áp suất mặt sau c s ẽ l ớn h ơn áp su ất m ặt trước Điều dẫn tới có tổng hợp lực đ ơn vị th ể tích, làm gia t ốc dọc theo đường dịng Hình 3: Định luật Bernoulli chất lỏng - Tìm hiểu lưu lượng dịng chảy Là đại lượng chất lỏng (được tính đơn vị đo thể tích) chảy qua ti ết diện ngang ống dẫn đơn vị thời gian quy đ ịnh Chúng ta th ường gặp loại lưu lượng nước dịng sơng ống trịn Hay định nghĩa lưu lượng dịng chảy công thức: Q = v x A (trong v vận tốc dịng chảy - A tiết diện) - Tìm hiểu tiết diện ngang ống tròn Định nghĩa tiết diện: mặt phẳng cắt hình khối trịn, trụ, Trong chủ đề ta nhắc đến tiết diện ngang ống tròn, mặt phẳng cắt ngang vng góc với tâm ống Cơng thức tính tiết diện (trong trường hợp cơng th ức tính di ện tích hình trịn với bán kính r ống trịn): A (tiết diện) = S (mặt phẳng tròn) = 3.14 x r² - Vận tốc dòng chảy ống tròn Quãng đường thẳng (song song với chiều dài ống tròn) điểm mà dịch chuyển theo chiều xi dịng chảy đơn vị thời gian Cơng thức tính vận tốc nước chảy ống: v = Căn bậc 2gh = √(2gh) Trang | Trong đó: - g đại lượng đo gia tốc - h chiều cao cột nước (đơn vị m) - Cơng thức tính lưu lượng nước Để tính lưu lượng nước chảy qua ống bạn áp dụng cơng thức nhắc đến phần tìm hiểu lưu lượng dịng chảy gì: Q = v x A (trong v vận tốc A diện tích mặt phẳng cắt hay cịn gọi tiết diện) Nhưng công thức tính lưu lượng nước chảy qua ống trịn sơ bộ, để có kết xác phải sử dụng cơng thức tính dựa theo thủy lực QTT = QVC + α x QDD (l/s) Trong đó: - QVC: đoạn ống xét có l ưu lượng phân ph ối d ọc mà khơng có l ưu lượng vận chuyển thơng qua đoạn ống t ới điểm phía sau l ưu lượng lại nút cuối - QTT: lưu lượng nước qua ống tròn - α = 0.5 hệ số phân bố lưu lượng dọc đường ống - QDD: đơn vị dọc đường ống xét (đơn vị đo l/s) 2.8 Sử dụng ma trận -Cho f(z) đa thức phức Chu trình theo sau: + Tính tốn đa thức f(iy) = y số thực + Tính toán ma trận Sylvester lên quan đến + Sắp xếp lại hàng theo cách tương tự m ột hàng l ẽ hàng theo sau có zero đầu + Tính tốn định thức ma trận + Nếu số định thức âm (hoặc zero), đa thức f khơng ổn định CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG BỐN BỒN 3.1 Giới thiệu mơ hình hóa Các bước mơ hình hóa: Phân tích chức Phân tích vật lý Phân tích tốn học Trang | -Với -Hàm truyền hệ thống vòng hở: Gh1(s)= Gh2(s)= -Hàm truyền vịng kín từ tín hiệu tham chiếu sang tín hiệu đầu biểu diễn sau: -Các cực hàm truyền vịng kín là: -Phương trình gọi phương trình đặc trưng hệ kín Các nghiệm phương trình đặc trưng ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống - Do tham số a b biết, tham số điều khiển c1, c0 c2, c0' Để tìm thông số điều khiển c1, c0 c2, c0', phương trình đa thức thiết lập: -Mối quan hệ c1, c0, c2, c0' tham số điều khiển PI k p, Ti, tìm thấy sau: 5.4 Thiết kế theo phương pháp đáp ứng tần số Ziegler-Nichols Trang | 13 -Phương pháp đáp ứng tần số Ziegler-Nichols phương pháp điều chỉnh vịng kín Phương pháp xác định điểm mà đường cong Nyquist G(s) cắt đường thực âm trục Nó thu thực nghiệm theo cách sau: biến tích phân vi phân đặt điều khiển chế độ tỷ lệ đóng vịng lặp Tăng độ lợi tỷ lệ kp quan sát thấy dao động định kỳ đầu giá trị tới hạn kp gọi mức tăng cuối (ku) Chu kỳ dao động kết gọi đến thời kỳ cuối pu Dựa ku pu, đáp ứng tần số Ziegler-Nichols phương pháp đưa công thức đơn giản sau để thiết lập tham số ều khiển: PI 5.5 - Kp 0.45ku Ti Pu/1.2pu Td Cấu trúc điều khiển PI Hệ thống với hai đầu vào hai đầu điều khiển với cấu trúc sau: Hình 5: Cấu trúc điều khiển phân cấp với điều khiển PI hệ thống bốn bồn -Hàm truyền G(s): 5.6 Mô hệ thống bốn bồn Trang | 14 5.6.1 Khảo sát đối tượng tuyến tính hóa hàm truyền điểm làm việc 5.6.1.1 Mô đối tượng điểm làm việc - Ta có hàm truyền G(s) sau: - Ta mô hàm truyền G(s) điểm làm việc: Hình 6: Mơ hình đối tượng điểm làm việc Trang | 15 ... đơn giản với đầu vào đầu hệ thống MIMO hệ thống có nhi ều h ơn h ơn m ột đầu vào đầu 2.4 Hệ thống điều khiển vòng hở -Hệ thống điều khiển vòng hở hệ thống có tác động điều khiển độc lập v ới tín... kín hệ thống có tác động điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu ngõ Hệ thống điều khiển vịng kín cịn gọi hệ thống điều khiển hồi tiếp (Feedback Control Systems) -Muốn phân loại hệ thống điều khiển. .. (Instability), điều trình bày chương sau Tín hiệu tác động Tham khảo Thiết bBi ị ến Controller r u c kiểm sốt Hình 1: Hệ thống điều khiển vịng hở 2.5 Hệ thống điều khiển vịng kín Trang | -Hệ thống điều khiển