TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑOÀNG THAÙP Taïp chí Khoa hoïc soá 40 (10 2019) 77 KIỂM SOÁT MỰC NƢỚC HỆ BỒN ĐƠN DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ Voõ Minh Taøi(*), Nguyeãn Phong Löu(**), Nguyeãn Vaên Ñoâng Haûi(**) Toùm[.]
Tạp chí Khoa học số 40 (10-2019) TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP KIỂM SỐT MỰC NƢỚC HỆ BỒN ĐƠN DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ Võ Minh Tài(*), Nguyễn Phong Lưu(**), Nguyễn Văn Đông Hải(**) Tóm tắt Mơ hình hệ bồn nước sử dụng phổ biến phịng thí nghiệm điều khiển Các giải thuật điều khiển thường áp dụng cho mơ hình điều khiển PID, điều khiển mờ… Điều khiển PID có nhiều ưu điểm thông dụng công nghiệp, không cần biết cấu trúc hệ thống mà điều chỉnh thực tế Do đó, báo đề cập điều khiển PID Bài viết khảo sát thay đổi giá trị PID để kiểm tra mô hình đơn giản dùng cho sinh viên thực tập phịng thí nghiệm điều khiển Trường Sư phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Mục đích báo trình bày việc thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc dùng phương pháp PID số mô điều khiển mơ hình thực “Hệ thống điều khiển kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” Từ khoá: PID; PID số; điều khiển rời rạc; kiểm soát mực nước Giới thiệu Mơ hình hệ bồn đơn có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo Đồng thời, mơ hình hệ bồn đơn thiết bị hiệu giáo dục đào tạo để hướng dẫn sinh viên giải thuật điều khiển Hệ thống bồn nước đơn hệ phi tuyến khó điều khiển số ứng dụng thực tế đòi hỏi mực chất lỏng bồn phải kiểm soát mức định Vì vậy, vấn đề kiểm sốt mực chất lỏng vị trí xác định đặt cho ổn định Chính từ hình thành phương pháp điều khiển soát mực nước bồn chứa Nhiều phương pháp điều khiển tác giả áp dụng để kiểm soát mực chất lỏng Các tác giả Liang Chen, Cuizhu Wang, Yang Yu, Yawei Zhao sử dụng điều khiển PID mờ tự thích nghi để kiểm sốt mức chất lỏng lị [1] Tác giả Nguyễn Hoàng Dũng, Huỳnh Thế Hiển áp dụng điều khiển PID mạng nơ-ron hàm sở xuyên tâm để điều khiển vị trí theo thời gian thực [2], [6] Đồng thời, tác giả Nguyễn Hoàng Dũng xây dựng điều khiển trượt để điều khiển đối tượng phi tuyến với hàm trượt thiết kế dựa PID [3] Trong đó, kiểm sốt mực nước bồn chứa sử dụng IC (Integrated Circuit) số, Flip Flop J-K, cảm biến đọc giá trị mực nước giá trị điện áp nghiên cứu áp dụng [4] Tài liệu [8] tác giả sử PLC (Programmable Logic Controller) cảm biến khơng dây để kiểm sốt mực chất lỏng Bộ điều khiền PID trực tuyến giả (*) Sinh viên, Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật, Thành phố Hồ Chí Minh (**) Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật, Thành phố Hồ Chí Minh Erwin Susanto, Agung Surya Wibowo sử dụng việc điều khiển kiểm sốt mực lỏng hệ thống [9] Nhìn chung có nhiều phương pháp điều khiển kiểm sốt mực nước bồn chứa phương pháp kể có nhiều ưu điểm chi phí cao Chính vậy, viết này, tác giả hướng tới thiết kế hệ thống “Kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” chi phí thấp Đồng thời, hệ thống xây dựng để giúp sinh viên điều khiển tự động Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật hiểu rõ chất điều khiển PID, thiết kế điều khiển PID, thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc Song song với đó, tác giả ứng dụng vi xử lý Arduino thuộc họ ARM, vi xử lý phổ biến nay, vào điều khiển hệ thống Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ (bộ Điều khiển PID - Proportional Integral Derivative) chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển - điều khiển PID điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị sai số hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Trong lĩnh vực điện - điện tử, điều khiển PID sử dụng phổ biến Bộ điều khiển PID thiết kế hai dạng gồm thiết kế điều khiển liên tục thiết kế điều khiển rời rạc Trong viết này, mơ “Kiểm sốt mực nước hệ bồn đơn” thực phần mềm Matlab thiết kế dạng rời rạc Đồng thời viết này, tác giả xây dựng mơ hình thực “Hệ thống kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” điều khiển 77 Tạp chí Khoa học số 40 (10-2019) TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP vi xử lý Arduino để quan sát tính ổn định hệ thống thay đổi giá trị PID Tín hiệu ngõ vào điều khiển tín hiệu liên tục Thuật tốn điều khiển khâu tỷ lệ (Proportional), khâu tích phân (Integral) khâu vi phân (Derivative) khơng làm tín hiệu bị đứt đoạn Vì vậy, tín hiệu ngõ tín hiệu liên tục Hình Bộ điều khiển PID kinh điển Nội dung 2.1 Mơ hình tốn hệ bồn đơn Phương trình vi phân mơ tả hệ thống bồn nước đơn [7, tr 201]: h(t ) ku (t ) CD a gh(t ) (1) A(h) A Amin A h max h Amin (2) hmax Bảng Đại lƣợng phƣơng trình mơ hình tốn (1), (2) h(t ) u t h t A(h) hmax Amax, Amin k a g CD 78 2.2 Hệ thống điều khiển rời rạc Vào trước năm 1960, vi xử lý chưa phát triển, hầu hết hệ thống tự động thiết kế hệ thống điều khiển liên tục Hệ thống điều khiển liên tục điều khiển mạch điện tử mạch tỷ lệ, mạch tích phân, mạch vi phân Các mạch tỷ lệ, tích phân, vi phân sở điều khiển PID Hình khái niệm điều khiển PID liên tục đời Nhưng từ sau năm 1960, người ta bắt đầu điều khiển hệ thống theo dạng số hóa dùng vi xử lý, điều khiển đại thiết kế áp dụng nhiều Để đáp ứng yêu cầu tại, người ta thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc hay gọi điều khiển số để phù hợp điều khiển vi xử lý Bộ điều khiển PID liên tục dần thay điều khiển PID số Hệ thống điều khiển rời rạc có nhiều ưu điểm dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển, áp dụng thuật toán điều khiển phức tạp cách lập trình Có nhiều sơ đồ điều khiển khác áp dụng cho hệ rời rạc, sơ đồ điều khiển thơng dụng hiệu chỉnh nối tiếp với điều khiển GC(z) điều khiển sớm trễ pha số, PID số… Hàm truyền kín hệ thống rời rạc có dạng [5, tr 303]: Biến trạng thái Điện áp điều khiển máy bơm theo thời gian Độ cao mực chất lỏng bồn theo thời gian Tiết diện ngang bồn chứa Độ cao cực đại bồn chứa Tiết diện ngang cực đại cực tiểu Hệ số tỷ lệ với công suất máy bơm Tiết diện van xả Gia tốc trọng trường Hệ số xả 0≤u(t)≤12V cm Hình Hàm truyền kín hệ thống rời rạc cm2 cm cm2 cm3/sec cm2 cm/sec2 Cần xác định hàm truyền GC(z) để hệ thống thỏa mãn yêu cầu độ ổn định, chất lượng độ, sai số xác lập Hệ thống “Kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” thiết kế mô hệ thống điều khiển rời rạc dùng phương pháp thiết kế điều khiển PID số Hàm truyền điều khiển PID số có dạng [5, tr 306]: K T z KD z 1 GPID z K P I (3) z 1 T z Trong đó: T thời gian lấy mẫu (đơn vị giây) Taïp chí Khoa học số 40 (10-2019) TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THAÙP Khâu tỉ lệ GP ( z ) K P (4) KD z 1 (5) T z K T z 1 Khâu tích phân GI ( z ) I (6) z 1 Các giá trị KP, KI, KD thống KP lựa chọn phương pháp thực nghiệm 2.3 Mô Hệ thống “Kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” thiết kế mơ phần mềm Matlab Simulink theo phương trình toán học (1), (2) Khâu vi phân GD ( z ) Hình Mơ điều khiển PID số cho bồn đơn Matlab Simulink Các thông số đại lượng mơ hình tốn (1), (2) trình bày Bảng lựa chọn dựa mơ hình thực tế mà tác giả thiết kế Điều khiển vi phân KD có tác dụng làm tăng ổn định hệ thống, giảm vọt lố cải thiện đáp ứng độ Các giá trị KP, KD KI lựa chọn theo kinh nghiệm Bảng tóm tắt bên Bảng Ảnh hƣởng việc tăng thông số độ lợi điều khiển PID Đáp ứng vịng kín Thời gian lên Vọt lố KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ KI Giảm Tăng Tăng KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thời Sai số gian xác lập xác lập Giảm Loại bỏ Thay đổi nhỏ Mô thực so sánh ngõ hệ thống Hình thay đổi giá trị điều khiển PI số, PD số, PID số điểm đặt xác định mà cụ thể cm Hệ thống mô với tham số cho ba điều khiển PI, PD PID Bảng Thơng số đại lƣợng mơ hình tốn (1), (2) a Chiều cao cực đại bồn chứa Chiều cao mực nước ban đầu bồn chứa Tiết diện ngang cực đại Tiết diện ngang cực tiểu Hệ số tỷ lệ với công suất máy bơm Tiết diện van xả g Gia tốc trọng trường h_max h_init A_max A_min k CD Hệ số xả 25 cm cm 25 cm2 25 cm2 300 cm3/sec 0,28 cm2 981 cm2/sec 0,6 Điều khiển tỉ lệ KP có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên không loại bỏ sai số xác lập Điều khiển tích phân KI loại bỏ sai số xác lập làm đáp ứng q độ khơng tốt Hình Hoạt động khâu hiệu chỉnh PI số, PD số, PID số điểm đặt cm Bảng Chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống mô Độ vọt lố (%) Sai số xác lập (cm) Thời gian xác lập (s) PID PI PD 0 0 0,1 0,2 1 79 TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP Tín hiệu nhiễu ngõ hệ thống Hình đưa vào mơ để kiểm tra tính ổn định hệ thống điểm đặt cm với điều khiển PID, PI PD Hình Mơ hệ thống với tín hiệu nhiễu ngõ Ngõ hệ thống điểm làm việc cm có tín hiệu tạo nhiễu thể Hình Tạp chí Khoa học số 40 (10-2019) đến điểm đặt Cụ thể bắt đầu bơm, xung cấp lớn để động hoạt động với điện áp lớn nhất, đạt gần điểm đặt mà cụ thể cm xung cấp giảm, điện áp giảm Với điểm đặt khác thơng số KP, KI, KD lựa chọn khác Song song với đó, tiết diện xả van tố định thông số KP, KI, KD Các yếu tố hệ số xả van, điểm đặt cần xác định để lựa chọn thông số KP, KI, KD cho hệ thống hoạt động ổn định Hình Hoạt động khâu hiệu chỉnh PI số, PD số, PID số điểm đặt cm có nhiễu Qua Hình 6, đưa tín hiệu nhiễu vào hệ thống khâu I có tác dụng kiềm chế dao động Khi loại bỏ khâu I, với điều khiển PD ngõ hệ thống dao động nhiều, biên độ dao động lớn Bộ điều khiển PID xuất nhiễu có biên độ dao động nhỏ, bám quanh điểm làm việc Chung quy, điều khiển PID số cho kết ngõ hệ thống ổn định nhất, đảm bảo mực nước dao động điểm đặt cm 2.4 Điều khiển hệ bồn đơn dùng điều khiển PID Mơ hình hệ thống “Điều khiển kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” thực tế thiết kế linh kiện điều khiển Hình Chương trình điều khiển lập trình phần mềm Arduino IDE Các thơng số KP, KI, KD lựa chọn chương trình Động bơm bảo vệ diode chỉnh lưu 1N5407 A 800 V Cực dương động bơm DC nối với Cathode diode chỉnh lưu 1N5407 Cảm biến siêu âm đọc giá trị trả từ mực nước bồn vi điều khiển Arduino Vi điều khiển xử lý, truyền tín hiệu cho cầu H, cầu H điều xung cho động bơm để đạt 80 Hình Mơ hình thực tế hệ thống Vi xử lý Arduino Uno R3; Cầu H L298N; Cảm biến siêu âm HC-SR05; Động bơm nước 12 VDC; Bồn nước mica; Van xả đường kính mm; Can nhựa lít chứa nước; Adapter 220 VAC/12 VDC; Ống nước; 10 Dây cáp Trong q trình thí nghiệm, điểm đặt xác định cm, khóa van xả điều chỉnh với tiết diện xả thiết kế bồn nước so sánh kết điều khiển PI số, PD số, PID số đảm bảo tính xác Thời gian lấy mẫu T hệ bồn nước đơn cần lựa chọn phù hợp Nếu lấy thời gian lấy mẫu T dài vi xử lý khơng đáp ứng kịp thay đổi hệ thống nên khơng điều TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP khiển tốt Nếu lấy thời gian lấy mẫu ngắn sai số nhiễu cảm biến tăng, tín hiệu đọc xuất sai lệch Đồng thời, trường hợp vi xử lý khơng tính tốn nhanh khơng kịp xuất tín hiệu điều khiển chu kì lấy mẫu điều khiển (tức thời gian lấy mẫu T) Thời gian lấy mẫu T = 0,1 giây Tức sau 0,1 giây giá trị mức nước bồn trả để xử lý xuất tín hiệu điều khiển chu kì lấy mẫu 2.5 Kết thực tế Qua q trình thí nghiệm hệ thống “Kiểm soát mực nước hệ bồn đơn”, so sánh ba điều khiển số PI, PD, PID Kết thu thể Hình Hình Hình Kết thu thập từ mơ hình thực tế với điểm đặt h = cm Hình Kết thu thập từ mơ hình thực tế với điểm đặt h = cm Chúng ta nhận thấy rằng, kết thu điều khiển PI số, PD số, PID số có dao động ngõ Điều khơng thể tránh trình điều khiển thực tế yếu tố khác nên gây dao động mặt nước Bảng Bảng trình bày chất lượng hệ thống điểm làm việc cm cm áp dụng ba điều khiển PID, PI PD mô hình thực Tạp chí Khoa học số 40 (10-2019) Bảng Chất lƣợng hệ thống điểm làm việc cm Độ vọt lố (%) Sai số xác lập (cm) Thời gian đáp ứng (s) Thời gian xác lập (s) PID PD PI 5,714 0 0,2 110 70 60 160 110 110 Bảng Chất lƣợng hệ thống điểm làm việc cm PID PD PI Độ vọt lố 0 (%) Sai số xác 1,5 0,1 lập (cm) Thời gian 150 30 150 đáp ứng (s) Thời gian 200 50 240 xác lập (s) Qua quan sát đồ thị Hình và nhận xét tiêu chất lượng, đáp ứng ngõ hệ thống điểm đặt cm có chất lượng tốt điểm làm việc cm Hệ bồn đơn hệ thống có quán tính lớn, thời gian đáp ứng nhanh thường dẫn đền vọt lố cao Tại điểm làm việc cm, với điều khiển PID, thời gian đáp ứng nhanh nên hệ thống sinh vọt lố, sau khoảng thời gian hệ thống đạt giá trị xác lập Trong đó, điểm đặt cm thời gian đáp ứng độ vọt lố dung hòa nên ngõ hệ thống với điều khiển PID có chất lượng tốt Nhìn chung với điều khiển PID số cho đáp ứng ngõ hệ thống đạt chất lượng tốt so với điều khiển lại Kết luận Trong viết này, tác giả xây dựng hệ thống “Kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” theo phương pháp điều khiển rời rạc kết hợp với so sánh ba điều khiển PID số, điều khiển PD số điều khiển PI số mô phần mềm Matlab áp dụng mô hình thực Hệ thống bồn nước đơn hệ chậm, để điều khiển hệ thống thời gian thực cần quan tâm cải thiện phần công suất hệ thống Vi điều khiển Arduino có tốc độ xử lý 16 MHz, cảm biến HC-SR05 có tốc độ xử lý 81 Tạp chí Khoa học số 40 (10-2019) TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP 40 KHz Thời gian lấy mẫu hệ thống 100 ms vi điều khiển cảm biến hồn tồn đáp ứng Phần quan tâm cần cải thiện động bơm hệ thống Động sử dụng mơ hình có giá thành rẻ, chất lượng chưa tốt, với thời gian lấy mẫu 100 ms động đáp ứng ổn định Khi thay thời gian lấy mẫu nhanh động khơng đáp ứng kịp thời làm ảnh hưởng kết ngõ Nếu thay thời gian lấy mẫu chậm kết khơng thay đổi tốt so với ban đầu Chính vậy, để điều khiển thời gian thực cần ý đến động có chất lượng tốt Nhìn chung, sử dụng điều khiển PID số, người điều khiển cần quan tâm đến việc lựa chọn giá trị KP, KI, KD cho phù hợp với đối tượng cần điều khiển Quá trình thực nghiệm cần trọng để lựa chọn thông số cho điều khiển PID số cho ngõ hệ thống ổn định nhất./ Tài liệu tham khảo [1] Liang Chen, Cuizhu Wang, Yang Yu, Yawei Zhao (2010), “The research on boiler drum water level control system based on self-adaptive fuzzy-PID”, Chinese Control and Decision Conference, pp 1582-1584 [2] Hoang-Dung Nguyen, The Hien Huynh (2018), “Controlling the Position of the Carriage in Real-Time Using the RBF Neural Network Based PID Controller”, The 18th International Conference on Control, Automation and Systems, (2018), pp 1418-1423 [3] Nguyễn Hoàng Dũng (2012), “Điều khiển trượt dựa hàm trượt kiểu PID”, Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ, (số 21a), tr 30-36 [4] Beza N Getu, Hussain A Attia (2016), “Automatic Water Level Sensor and Controller System”, International Conference on Electronic Devices, Systems and Applications, (2016), pp [5] Nguyễn Thị Phương Hà (2016), Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [6] Huỳnh Thế Hiển, Nguyễn Hoàng Dũng, Huỳnh Minh Vũ (2018), “Bộ điều khiển PID dựa mạng nơ-ron hàm sở xuyên tâm”, Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ, (số 7), tr 9-19 [7] Huỳnh Thái Hoàng (2014), Hệ thống điều khiển thông minh, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [8] Cosmina Illes, Gabriel Nicolae Popa and Ioan Filip (2013), “Water Level Control System Using PLC and Wireless Sensors”, International Conference on Computational Cybernetics, (2013), pp 195-199 [9] Erwin Susanto, Agung Surya Wibowo (2016), “Design and Implementation of Water Level Control Using Gain Scheduling PID Back Calculation Integrator Anti Windup”, Internatioonal Conference on Control, Electronics, Renewable Energy and Communications, (2016), pp 101-104 SINGLE WATER LEVEL CONTROL USING DISCRETE PID CONTROLLER Summary Water tank system is quite common in the control labs Most control algorithms used are PID, Fuzzy, etc The PID control has many advantages such as commonly used in industry, easily adjustable regardless of system structure Therefore, this article addresses the PID control by investigating the variations of PID values as such to test one simple experiment model for student internship in Ho Chi Minh University of Technology and Education’s control lab The article focuses on presenting how to design a discrete PID controller on simulation and real experiment - “Single tank water level control system” Keywords: PID; digital PID; discrete control, water level control Ngày nhận bài: 09/11/2018; Ngày nhận lại: 08/3/2019; Ngày duyệt đăng: 29/8/2019 82 ... quy, điều khiển PID số cho kết ngõ hệ thống ổn định nhất, đảm bảo mực nước dao động điểm đặt cm 2.4 Điều khiển hệ bồn đơn dùng điều khiển PID Mơ hình hệ thống ? ?Điều khiển kiểm soát mực nước hệ bồn. .. tại, người ta thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc hay gọi điều khiển số để phù hợp điều khiển vi xử lý Bộ điều khiển PID liên tục dần thay điều khiển PID số Hệ thống điều khiển rời rạc có nhiều... để hệ thống thỏa mãn yêu cầu độ ổn định, chất lượng độ, sai số xác lập Hệ thống ? ?Kiểm sốt mực nước hệ bồn đơn? ?? thiết kế mơ hệ thống điều khiển rời rạc dùng phương pháp thiết kế điều khiển PID số