Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết Nhận dạng và tổng hợp bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống máy bơm trên nền tảng nhúng và web trình bày về việc nhận dạng mô hình hệ thống máy bơm bằng công cụ Matlab Identification kết hợp ứng dụng giải thuật PID và công nghệ IoT trên nền tảng ESP32 nhằm kiểm soát áp suất trong đường ống nước.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NHẬN DẠNG VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY BƠM TRÊN NỀN TẢNG NHÚNG VÀ WEB IDENTIFICATION AND SYNTHETIC PID CONTROLLER PUMP SYSTEM CONTROL ON EMBEDDED PLATFORMS AND WED Trịnh Long1, Lê Quang Giáp2, Phạm Sơn Lâm2, Thái Hữu Nguyên1, Trần Thị Quỳnh Oanh3, Nguyễn Văn Dũng4, Lê Xuân Hải5,* DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.33 TÓM TẮT Hệ thống máy bơm nước hệ truyền động gồm biến tần, máy bơm nước hệ thống ống dẫn nước Trong báo này, nhóm nghiên cứu trình bày việc nhận dạng mơ hình hệ thống máy bơm cơng cụ Matlab Identification kết hợp ứng dụng giải thuật PID công nghệ IoT tảng ESP32 nhằm kiểm sốt áp suất đường ống nước Ngồi hệ thống cịn điều khiển giám sát thơng qua giao diện Web Giải thuật dựa phương pháp thực nghiệm nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng tín hiệu điều khiển đầu vào tín hiệu đầu Từ xây dựng điều khiển PID cho áp suất đường ống Kết cho thấy, chất lượng hệ thống đáp ứng tốt với giá trị đặt, đồng thời đảm bảo thời gian xác lập Từ khóa: Matlab Identification, điều khiển PID, ESP32 ABSTRACT The water pump system is a drive system which includes an inverter, a pump, and a plumbing system This paper presents a model determination of the pumping system by Matlab Identification Tool in combination with the PID algorithm and IoT technology on platform ESP32 in order to control water pipe pressure In addition, the system can be monitored and controlled via the Web interface The proposed algorithm is based on an experimental method to evaluate the influence between the input control signal and the output signal From there, a PID controller is built to control the pressure in the pipeline The experimental results show that the system's quality meets the preset values with a setup time interval Keywords: Matlab Identification, PID controller, ESP32 Khoa Điện, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Khoa Điện - Tự động hóa, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp Trường Cao đẳng điện xây dựng Bắc Ninh Trường Quốc tế, Trường Đại học Quốc gia Hà Nội * Email: hailx@vnu.edu.vn Ngày nhận bài: 28/8/2022 Ngày nhận sửa sau phản biện: 30/9/2022 Ngày chấp nhận đăng: 27/10/2022 GIỚI THIỆU Hệ thống máy bơm nước hệ thống phổ biến, từ hệ thống tưới tiêu nơng nghiệp, hệ thống 28 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 58 - Số (10/2022) nước tịa nhà tới hệ thống cơng nghiệp Việc kiểm soát áp suất đường ống dẫn việc quan trọng để đảm bảo an toàn, tránh tượng nứt, vỡ đường ống Tuy nhiên Việt Nam nay, vấn đề chủ yếu khắc phục thông qua việc chọn linh kiện hệ thống Vì áp dụng các hệ thống lớn hơn, địi hỏi kiểm sốt cao việc đưa tự động ổn định áp suất việc cần thiết Hệ thống máy bơm nước hệ thống phổ biến, từ hệ thống tưới tiêu nơng nghiệp, hệ thống nước tịa nhà tới hệ thống cơng nghiệp Việc kiểm sốt áp suất đường ống dẫn việc quan trọng để đảm bảo an toàn, tránh tượng nứt, vỡ đường ống Tuy nhiên Việt Nam nay, vấn đề chủ yếu khắc phục thông qua việc chọn linh kiện hệ thống Vì áp dụng các hệ thống lớn hơn, địi hỏi kiểm sốt cao việc đưa tự động ổn định áp suất việc cần thiết Thách thức việc điều khiển áp suất hệ thống bơm nước việc tìm mơ hình hệ thống Trong [1, 2] đề cập đến cách nhận diện hệ thống biến tần-động nhằm mục đích tính tốn điều khiển tối ưu Ngồi ra, việc xây dựng hệ thống điều khiển giám sát thông minh vi điều khiển hệ biến tần - động xoay chiều đề cập [3, 4] Bộ điều kiển PID điều khiển sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp Trong [5] tác giả xây dựng điều khiển PID cho động pha dựa theo phương pháp tối ưu bầy đàn Trong [6] tác giả sử dụng thuật tốn thơng minh fuzzy-PID kết hợp với thuật toán PSO để điều khiển cho lò điện trở Cả [5, 6] sử dụng thuật toán PID để điều khiển hệ thống riêng biệt đạt kết tốt Từ nhóm nghiên cứu định xây dựng điều khiển PID theo [7] cho hệ truyền động biến tần-động mơ hình máy bơm IoT Trong báo này, sử dụng phương pháp mơ hình hóa hệ thống thực nghiệm đề cập [8] xây dựng hệ thống thực để kiểm tra hiệu việc sử dụng thuật tốn điều khiển thơng minh việc ổn định áp suất đường ống hệ thống Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 bơm nước Ngoài xây dựng hệ thống giám sát tảng Web Hệ thống máy bơm nước mà chúng tơi thiết kế tốn - Đầu tiên, xuất liệu file Excel vào Workspace Matlab cách sử dụng lệnh xlsread() MƠ HÌNH HỆ THỐNG Để rút mơ hình hệ thống máy bơm, phải xây dựng hàm truyền biến tần, động máy bơm hệ thống ống nước MATLAB Identification toolbox sử dụng để giúp rút mơ hình hệ thống máy bơm Động máy bơm nước (động pha) điều khiển biến tần Một cảm biến áp suất gắn hệ thống ống nước cho biết giá trị áp suất nước có đường ống Luật điều khiển phát triển dựa vào mơ hình hở hệ thống, tính tốn thơng qua thay đổi đầu áp suất đầu vào tần số từ biến tần Hình mơ tả sơ đồ khối mơ hình hở hệ thống, bao gồm biến tần pha, hệ thống máy bơm (máy bơm hệ thống ống nước), cảm biến áp suất 1000kPa, vi điều khiển Arduino giao diện Web Hình Lệnh để xuất liệu từ Excel vào Matlab Trong đó: u1, y1 liệu đầu vào đầu - Sau đó, mở SIT lệnh “ident” Chọn vào Import data sau chọn Time domain data Hình Chọn Time domain data - Sau chọn Time domain data bảng sau mở ra: Hình Sơ đồ khối mơ hình hở hệ thống Sau lấy mẫu liệu, sử dụng cơng cụ Matlab Identification toolbox để xác định mơ hình hệ thống Các bước sử dụng Matlab Identification toolbox: - Dữ liệu sau thu thập lưu file Excel sau xử lý SIT(System Identification toolbox) Matlab Tệp bao gồm liệu đầu vào đầu hệ thống, đầu vào tần số tối đa cấp cho biến tần đầu áp suất nước đường ống Hình Giao diện Import Data Hình Dữ liệu đầu vào đầu file Excel Website: https://jst-haui.vn Chúng ta nhập đầu vào, đầu đơn vị tương ứng Data name tên liệu mà đặt tên trước Starting time Sample time 0,2 Chọn Import để hồn tất q trình nhập liệu Vol 58 - No (Oct 2022) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 29 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - Quay trở lại SIT, chọn Estimate, sau chọn Process Model để lựa chọn loại mơ hình hệ thống Chọn Delay để chọn hệ có trễ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Ta thu độ khớp mơ hình tính tốn hệ thống thực: Hình Chọn Prosess model Hình Độ khớp mơ hình khâu qn tính bậc có trễ Sau sử dụng công cụ Matlab Identification toolbox, thu hàm truyền hệ hở hệ thống với độ khớp 89,43%: G(s) 1, 4656 e 0, 6952s 1 4, 5527s Sau xác định mơ hình hệ thống, ta thiết kế điều khiển PID đề cập cụ thể phần 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thiết kế thuật toán điều khiển - Ta xấp xỉ đối tượng khâu quán tính bậc 2: G(s) Hình Giao diện Process Model Chọn Estimate, thu hàm truyền hệ thống 1, 4656 1, 4656 e 0, 6952 1 4, 5527s (1 4, 5527s)(1 0, 6952s) - Sau tính tốn tham số PID, chúng tơi thu bảng Bảng Các tham số Phương pháp Công thức tham số 1, 2T 5, 3620 kL TI = 2L = 1,3904 TD = 0,5L = 0,2476 Kp Ziegler-Nichols Giá trị tham số k = 1,4656 T = 4,5527 L = 0,6952 TI = T1 = 4,5527 Phương pháp tối ưu module Hình Hệ số hàm truyền khâu qn tính bậc có trễ 30 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 58 - Số (10/2022) Kp T1 2, 2342 2kT2 KI 0, 4907 2kT2 k = 1,4656 T1 = 4,5527 T2 = 0,6952 Sau nhúng tham số vào Matlab-Simulink có kết thể hình 10, 11, 12 Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 3.2 Thiết lập chạy thử Hệ thống chạy thử bao gồm: vi điều khiển Arduino Mega 2560, vi điều khiển ESP32, biến tần ba pha KCLY KOC100, cảm biến áp suất - 1000kPa, máy bơm pha hệ thống ống dẫn nước Arduino Mega 2560 xử lý trung tâm ESP32 đóng vai trị Webserver Hai vi điều khiển giao tiếp với qua chuẩn Uart Ngồi ra, để thay đổi tần số biến tần lấy liệu từ ghi biến tần, Arduino Mega 2560 biến tần giao tiếp với giao thức Modbus, sử dụng chuẩn giao tiếp vật lý RS485 Đầu biến tần kết nối trực tiếp với động ba pha Cảm biến áp suất gắn trực tiếp hệ thống ống dẫn nước Do đầu cảm biến áp suất dạng dòng điện - 20mA biến tần có cổng vào analog AI2(Analog Input 2) 20mA, nên kết nối cảm biến với AI2 đọc giá trị cảm biến ghi biến tần, thay phải sử dụng biến đổi để kết nối với Arduino Hình 10 Phương pháp Ziegler-Nichols 3.3 Thiết kế phần mềm Hình 11 Phương pháp tối ưu module Hình 13 Lưu đồ thuật tốn xử lý trung tâm Hình 12 So sánh phương pháp Ziegler-Nichols tối ưu module Từ kết mô cho thấy, điều khiển PID xây dựng theo phương pháp Ziegler-Nichols cho khả đáp ứng hệ thống tốt Website: https://jst-haui.vn Các thuật toán nêu hình 13 nhúng vào vi điều khiển Arduino Mega2560 Có bốn cơng việc mà xử lý trung tâm phải thực Thứ nhất, Arduino Mega2560 đọc xử lý tín hiệu gửi từ Webserver (ESP32) có Tín hiệu gửi chứa giá trị đặt áp suất hệ thống (set_value) Thứ hai, Arduino đọc ghi chứa thông tin cần thiết (trong thơng tin dịng điện đầu vào AI2 - chứa giá trị cảm biến áp suất gửi quan trọng nhất) Thứ ba, Arduino cần tính toán gửi giá trị tần số chạy cho biến tần để điều khiển ổn định áp suất nước đường ống với áp suất đặt Việc tính tốn dựa vào thuật toán điều khiển PID sai lệch giá trị đặt (set_value) với giá trị thực đo (pv_value) hệ thống Ba công việc thực 200ms Cuối cùng, Arduino gửi giá trị đọc từ ghi biến tần sang Webserver để hiển thị lên giao diện Web Chu nhiệm vụ thứ tư 1s Vol 58 - No (Oct 2022) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 31 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 3.4 Giao diện Web Giao diện Web thiết kế để nhập giá trị áp suất đặt cho hệ thống cách dễ dàng Áp suất nước đường ống vẽ trực tiếp đồ thị theo thời gian thực giúp người dùng quan sát trực quan thay đổi hệ thống Ngồi ra, giao diện Web cịn hiển thị thêm vài thơng số (thời gian, điện áp, dịng điện biến tần, ) để người sử dụng thuận lợi việc giám sát điều khiển hệ thống Hình 14 Giao diện giám sát-điều khiển Web KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 15 Phản hồi hệ thống với áp suất đặt 50kPa P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Từ kết thực nghiệm, chúng tơi thấy hệ thống vịng kín ổn định với thời gian đáp ứng hệ khoảng 18s phù hợp với tải máy bơm (do đặc tính đường ống phải thời để nước bắt đầu hút lên), có chút sai lệch tĩnh hồn tồn chấp nhận KẾT LUẬN Từ kết q trình mơ thực nghiệm đảm bảo chúng tơi tiếp tục cải tiến hệ thống cách sử dụng điều khiển thông minh fuzzy-PID, fuzzy-neuron để mang lại khả kiểm soát tốt trước áp dụng cho trạm bơm nước có cơng suất lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Shafiq Odhano, Paolo Pescetto, Hafiz Asad Ali Awan, Marko Hinkkanen, Gianmario Pellegrino, Radu Bojoi, 2018 Parameter Identification of Inverter-Fed Induction Motors: A Review Energies, 11, 2194; doi:10.3390/en11092194 [2] Pham Van Minh, Nguyen Dang Hai, Pham Thi Hong Hanh, Phi Hoang Nha, Pham Van Hung, 2021 Application of identification method for problem of servo motor speed control on real model Journal of Science and Technology, Hanoi University of Industry Vol 57, No [3] Nguyen Thi Mi Sa, Le Nguyen Hong Phong, Pham Quang Huy, 2019 Dieu khien xa voi Arduino & ESP32 Thanhnien Publishing House [4] Pham Quang Huy, Ha Quang Phuc, 2020 Lap trinh dieu khien tren Arduino cho he van vat ket noi (IoT) Thanhnien Publishing House [5] Muhammad Ruswandi Djalal , Faisal, 2020 Design Of Optimal Pid Controller For Three Phase Induction Motor Based On Ant Colony Optimization SINERGI Vol 24, No 2, June 2020: 125-132 [6] Trinh Luong Mien, Vo Van An, Bui Thanh Tam, 2020 A Fuzzy-PID Controller Combined with PSO Algorithm for the Resistance Furnace Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal Vol 5, No 3, 568-575 [7] Muhammad Nizam Kamarudin, Sahazati Md Rozali, Mohd Hendra Hairi, Farhan Hanaff, Mohd Shahrieel Mohd Aras, Mohd Khairi Mohd Zambri, 2018 Realization of Real-Time Hardware-in-the-Loop for a Liquid Level IJEEAS, Vol 1, No [8] Le Xuan Hai, Nguyen Van Thai, Bui Trong Duong, Vu Thi Thuy Nga, Thai Huu Nguyen, Phan Xuan Minh, 2016 Implementation of a laboratory overhead crane control system Journal of Military Science and Technology, Vol 44 AUTHORS INFORMATION Hình 16 Phản hồi hệ thống với áp suất đặt 20kPa 32 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 58 - Số (10/2022) Trinh Long1, Le Quang Giap2, Pham Son Lam2, Thai Huu Nguyen1, Tran Thi Quynh Oanh3, Nguyen Van Dung4, Le Xuan Hai5 Faculty of Electrical Engineering, Vinh University of Technology Education Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry Faculty of Electrical Engineering and Automation, College of Industrial Techniques Bac Ninh College of Electromechanics and Construction International School, Vietnam National University, Hanoi Website: https://jst-haui.vn ... HỆ THỐNG Để rút mơ hình hệ thống máy bơm, phải xây dựng hàm truyền biến tần, động máy bơm hệ thống ống nước MATLAB Identification toolbox sử dụng để giúp rút mơ hình hệ thống máy bơm Động máy bơm. .. áp suất đầu vào tần số từ biến tần Hình mơ tả sơ đồ khối mơ hình hở hệ thống, bao gồm biến tần pha, hệ thống máy bơm (máy bơm hệ thống ống nước), cảm biến áp suất 1000kPa, vi điều khiển Arduino... 2615-9619 bơm nước Ngoài xây dựng hệ thống giám sát tảng Web Hệ thống máy bơm nước mà chúng tơi thiết kế tốn - Đầu tiên, xuất liệu file Excel vào Workspace Matlab cách sử dụng lệnh xlsread() MƠ HÌNH HỆ