Thiết kế hệ thống điều khiển mực chất lỏng cho bồn đôi Chuỗi Hội nghị IOP Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Để trích dẫn bài viết này Junjie Ye et al 2020 IOP Conf Ser Thưa bà Khoa học Tiếng Anh 740 01209[.]
Machine Translated by Google Chuỗi Hội nghị IOP: Khoa học Kỹ thuật Vật liệu GIẤY • TRUY CẬP MỞ Thiết kế hệ thống điều khiển mực chất lỏng cho bồn đơi Để trích dẫn viết này: Junjie Ye et al 2020 IOP Conf Ser.: Thưa bà Khoa học Tiếng Anh 740 012097 Xem viết trực tuyến để cập nhật cải tiến Nội dung tải xuống từ địa IP 67.227.102.155 vào ngày 17/03/2020 lúc 17:16 Machine Translated by Google KỶ NIỆM 2019 Nhà xuất IOP doi:10.1088/1757-899X/740/1/012097 Hội nghị IOP Sê-ri: Khoa học Vật liệu Kỹ thuật 740 (2020) 012097 Thiết kế hệ thống điều khiển mực chất lỏng cho bồn đôi Quân Kiệt Ye1*, Xiaoguang Zhang1 , Xuyên Mậu Lv , Puhao Wang1 Haifeng Lv1 Trường Cơ khí, Đại học Bắc Trung Quốc, Thái Nguyên, Sơn Tây, 030051, Trung Quốc * 2284211687@qq.com Trừu tượng Để điều khiển mức chất lỏng q trình sản xuất hóa chất, thuật tốn lý thuyết điều khiển PID đề xuất Đầu tiên, cách xây dựng hệ thống kiểm soát mức chất lỏng bể chứa nước dung tích kép, mơ hình tốn học bể chứa nước dung tích kép suy luận xây dựng thơng qua nhiều thí nghiệm Q trình mơ thực phần mềm Matlab Simulink đặc tính động tĩnh hệ thống kiểm sốt mực nước bể đơi phân tích dựa kết mơ Phần mềm Labview sử dụng để viết thuật toán hệ thống điều khiển mực nước bể đôi Thẻ thu thập liệu USB-6008 trợ lý thu thập liệu DAQ sử dụng để hoàn thành kết nối phần cứng phần mềm thử nghiệm Đường cong mức chất lỏng thực tế thu thơng qua thí nghiệm Kết thử nghiệm cho thấy hệ thống thiết kế giữ mức chất lỏng bể mức bể đôi giá trị đặt độ không vượt 5%, đạt hiệu ứng trạng thái ổn định định trước Đặt vấn đề Trong q trình phát triển cơng nghiệp hóa, việc ứng dụng điều khiển đại vào sản xuất công nghiệp ngày trở nên quan trọng Việc kiểm sốt q trình q trình sản xuất cịn phản ánh trình độ sản xuất doanh nghiệp khả kiểm tra chất lượng sản phẩm [1] Trong đời sống hàng ngày lĩnh vực sản xuất, chế tạo thường liên quan đến vấn đề điều khiển mức lưu lượng chất lỏng [2] Trong số trường hợp đặc biệt, tốc độ dòng chảy đầu vào đầu lớn, để giữ cho mức chất lỏng không đổi phạm vi định, đồng thời, mức chất lỏng nâng lên hạ xuống, sử dụng nhiều điều khiển trình sản xuất nhiều bể chứa nước kết nối nối tiếp [3] Hướng đến tính phi tuyến, trễ thời gian đặc tính liên kết mạnh hệ thống mức chất lỏng [4], báo lấy hệ thống bể chứa nước dung tích kép đơn giản hóa làm đối tượng nghiên cứu, xây dựng mơ hình liên tục biến đổi theo thời gian hệ thống nước dung tích kép bể hệ thống cấp chất lỏng, rời rạc hóa Xử lý, thành lập mơ hình tốn qua bể đơn, mơ Simulink, sử dụng phần mềm trực quan LabVIEW kết hợp với phương pháp điều khiển để nghiên cứu điều khiển mực chất lỏng hệ mực nước bể đôi [5], nhằm đạt Thiết kế điều khiển hệ mực nước bể kép kiểm soát mức chất lỏng Mơ hình hệ thống điều khiển 2.1 Cấu tạo mơ hình băng ghế thí nghiệm Hình sơ đồ đơn giản hóa thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm chủ yếu bao gồm bể chứa nước dưới, bể chứa nước, máy bơm nước, van điều khiển điện, ống dẫn nước, máy tính, thẻ thu thập liệu cảm biến mức chất lỏng Khi cảm biến mức chất lỏng phát điện áp đầu áp suất bình khơng khớp với giá trị cài đặt, mức chất lỏng Nội dung từ tác phẩm sử dụng theo điều khoản giấy phép Creative Commons Attribution 3.0 Mọi phân phối tác phẩm phải trì ghi cơng cho (các) tác giả tiêu đề tác phẩm, trích dẫn tạp chí DOI Xuất theo giấy phép IOP Publishing Ltd Machine Translated by Google KỶ NIỆM 2019 Nhà xuất IOP doi:10.1088/1757-899X/740/1/012097 Hội nghị IOP Sê-ri: Khoa học Vật liệu Kỹ thuật 740 (2020) 012097 cảm biến chuyển đổi tín hiệu áp suất thành tín hiệu điện nhập tín hiệu vào máy tính thơng qua thẻ thu tín hiệu, chương trình cài đặt máy tính điều chỉnh van điều chỉnh điện Việc mở nước bể nước hút vào bể nước thông qua máy bơm nước, cuối đạt mục đích kiểm sốt mức chất lỏng Hình Sơ đồ thiết bị thí nghiệm 2.2 Thiết lập mơ hình toán hệ thống điều khiển mức chất lỏng cho bồn nước dung tích kép Đặt chiều cao mực chất lỏng bồn nước điều khiển h, đại lượng đầu vào lưu lượng Q1 chảy vào bồn nước, Q2 lưu lượng chảy ra, hướng dẫn sử dụng van V1 V2 đầu vào đầu chất lỏng, độ mở giá trị cố định Theo trạng thái đầu vào đầu ổn định nó, có: QQ = (1) đv (2) Khi động, có: = Đ.Q đt dV Trong cơng thức, V dung tích chứa nước bình chứa nước tỷ lệ chuyển đổi dt khả chứa nước bể chứa nước mối quan hệ với chiều cao h là: dv dh =S (3) đt đt Trong S diện tích mặt cắt ngang bể chứa nước Thay phương trình (3) vào phương trình (2) : (4) dh QQS đt Dòng chảy bể chứa nước Hỏi2 = h rS = ,trong RS điện trở chất lỏng cửa xả nước V2, Do Laplace biến đổi hai vế phương trình (4) rút gọn nó: HK(S) QT1 (S) Trong T số thời gian, TSR = S ; KR =S S mơ hình bể chứa nước đơn dung tích Hãy để Q (5) = + Phương trình (5) hàm truyền toán học (S)= r0 , R0 số, phương trình (5) S viết lại thành: H (s) = K s + TR 0= S R KR K S s + t (6) t Thực phép biến đổi Laplace nghịch đảo phương trình (6) nhận được: KR (T) e (1 = h0 - t t ) (7) Machine Translated by Google KỶ NIỆM 2019 Nhà xuất IOP doi:10.1088/1757-899X/740/1/012097 Hội nghị IOP Sê-ri: Khoa học Vật liệu Kỹ thuật 740 (2020) 012097 Khi t ,h( ) Kh (R )/ = KR , có 0 làm giá trị đầu giá trị/bước trạng thái ổn định đầu Khi t=T có: KR e= (1 ( ) t =- (8) ) 0,632 = 0,632 ( ) KR Phương trình (8) biểu diễn đường cong đáp ứng liên kết qn tính bậc Tóm lại, thu đường cong phản ứng Hình 2, tăng theo thời gian đạt đến số thời gian T bình chứa nước đạt đến thời gian tương ứng với giá trị trạng thái ổn định 0,632h Hình Đường cong số tăng đơn điệu bể đơn Đối tượng thí nghiệm tạo thành từ hai bể chứa nước đơn dung tích giống hệt Theo quy trình giải hàm truyền bể chứa nước dung tích, thấy mơ hình tốn học bể chứa nước dung tích kép coi kết tích hai mơ hình tốn học bể chứa nước đơn Mơ hình tốn học bể dung tích kép mơ tả liên kết quán tính bậc hai: Gs( Gs )= Trong công thức, K ( ) ( )= K 1K Ts1 1+ + T2 = T1 s+ ( 1)( K ' T s2 + hệ số khuếch đại bình nước dung tích gấp đôi, (9) 1) KK'=K , K1 K2 hệ số khuếch đại hai bể nước T1 T2 số thời gian hai bể nước hai bể nước Các thông số khác bể chứa nước lấy từ chức truyền băng thử nghiệm kiểm sốt mực nước bể đơi: Gs( )= (10) s + 1)(60s +1) (52,5 Mô động tĩnh hệ thống điều khiển bồn kép Theo chức truyền thu bàn thử nghiệm bồn kép phịng thí nghiệm sử dụng mơ Simulink phần mềm Matlab, hệ thống mô Simulink hệ thống kiểm soát mức chất lỏng băng thử bồn kép thiết lập 3.1 Điều khiển thuật tốn PID Hình cho thấy lưu đồ điều khiển thuật toán PID sử dụng Giá trị cài đặt mức chất lỏng nước bể xả xác định trước Biến điều khiển mức chất lỏng bể biến điều khiển mức độ mở van điện Hình Lưu đồ điều khiển thuật tốn PID 3.2 Simulink mơ hệ thống kiểm sốt mực nước bể kép Để kiểm soát mức chất lỏng bể dưới, nước thêm vào bể Khi thể tích đầu vào bình có bước thay đổi tăng dần đường cong thay đổi mức chất lỏng Machine Translated by Google KỶ NIỆM 2019 Nhà xuất Hội nghị IOP Sê-ri: Khoa học Vật liệu Kỹ thuật 740 (2020) 012097 IOP doi:10.1088/1757-899X/740/1/012097 hiển thị theo lưu lượng nước bể nước khác biệt Hệ thống mơ Simulink bể dung tích kép thể Hình Hình Sơ đồ hệ thống mô Simulink điều khiển mực nước bể đôi Đường cong phản ứng tối ưu thu thơng qua cài đặt tham số khơng đổi, thu hiệu vượt trội điều khiển PID mô phần mềm MATLAB thu giá trị cài đặt tối ưu Kích thước bước mơ đặt thành giá trị tham số hệ số tỷ lệ Giá trị tham số hệ số giá trị tham số hệ số vi phân Cuối cùng, thu kết mơ thuật tốn PID, Hình Đồng thời, điều kiện, thu so sánh kết mô điều kiện vịng hở Hình Hình Mơ PID bể chứa nước kép Hình Kết vịng hở bể chứa nước kép kết mô Theo biểu đồ so sánh mô phỏng, hệ thống giường thử nghiệm kiểm sốt mực nước cơng suất kép vịng hở có độ trễ rõ ràng tốc độ phản ứng điều chỉnh với điều khiển PID rõ ràng cải thiện Vấn đề thí nghiệm hệ thống điều khiển PID phải khơng ngừng cố gắng tìm tỷ số hệ số vi phân thích hợp để đạt hiệu điều khiển tốt mà thí nghiệm u cầu Viết thuật tốn kiểm chứng thực nghiệm 4.1 Chương trình thu nhận mức Sử dụng thẻ DAQ USB-6008 phản hồi điện áp cảm biến mức chất lỏng, có mối quan hệ mức điện áp mức chất lỏng thực tế Mối quan hệ hai người có thơng qua số lượng lớn thí nghiệm Bảng Điện áp mức chất lỏng thực tế Điện áp V Mức bình thấp cm 1,44 1,48 1,50 1,55 1,57 11 13 Bảng trung bình cộng liệu thu từ 10 thí nghiệm Có thể thấy có mối quan hệ tuyến tính bậc điện áp mức chất lỏng bể Do đó, mối quan hệ bể nước điện áp thu được: h = 65,7895 U 90,5789 (11) Machine Translated by Google KỶ NIỆM 2019 Nhà xuất Hội nghị IOP Sê-ri: Khoa học Vật liệu Kỹ thuật 740 (2020) 012097 IOP doi:10.1088/1757-899X/740/1/012097 4.2 Chương trình kiểm sốt mức Chương trình kiểm sốt mức chất lỏng phần cốt lõi toàn chương trình Bằng cách thay đổi giá trị cài đặt, thẻ thu thập liệu thay đổi 1V 5V sau điều khiển PID tự điều chỉnh điện áp đầu van điều khiển điện thay đổi thay đổi điện áp Độ mở kiểm sốt tốc độ dịng chảy nước để mức nước bể ổn định giá trị cài đặt khơng đổi Hình sơ đồ thiết bị thử nghiệm Hình hoạt động bảng mặt trước phần mềm trình thử nghiệm Hình Thiết bị kiểm tra thực nghiệm trường Hình Mặt trước chương trình điều khiển mức chất lỏng Đường cong màu đỏ hình biểu thị mức tăng giảm mức chất lỏng thực tế màu xanh lam biểu thị giá trị cố định cài đặt mức chất lỏng Giá trị cài đặt mức chất lỏng 10cm Từ tình trạng hoạt động phần mềm, thấy mức chất lỏng kiểm sốt cách hiệu quả, mức chất lỏng ổn định mức khoảng 10cm độ lên xuống không vượt 5% Kết luận Trong báo này, hệ thống thực nghiệm điều khiển mức chất lỏng bồn chứa nước dung tích kép thiết kế cho tốn điều khiển mức chất lỏng quy trình cơng nghiệp Mô phần mềm MATLAB sử dụng để thu liên kết bậc hai điều khiển mức chất lỏng Sơ đồ điều khiển tối ưu thu thông qua so sánh Công cụ ảo LabVIEW sử dụng để viết thuật toán điều khiển thu mối quan hệ liệu điện áp mức chất lỏng theo thử nghiệm, đồng thời xây dựng phần mềm phần cứng Điều khiển PID kết hợp để đạt mục đích thử nghiệm kiểm soát mức chất lỏng bể kép Bằng cách điều chỉnh giá trị tham số PID để kiểm soát mức chất lỏng nhằm đạt ổn định hệ thống, mức bể trì giá trị đặt Cuối cùng, thông qua thử nghiệm thử nghiệm, hệ thống đạt hiệu ứng trạng thái ổn định xác định trước thời gian ngắn phạm vi lỗi nhỏ, điều cung cấp tài liệu tham khảo cho việc kiểm soát quy trình hệ thống cơng nghiệp tương lai Tài liệu tham khảo [1] Lu, CH, Gong, YM, Yao, XK (2018) Nghiên cứu mô hệ thống điều khiển mức chất lỏng bồn nước hai dung tích J Kinh tế Cơng nghiệp Hiện đại Thơng tin hóa, 8:21-22 [2] Hao, ZJ (2018) Thiết kế hệ thống kiểm sốt mức chất lỏng cho bể chứa nước dung tích kép J Công nghệ Điện tử, 47:73-77 [3] Song, SJ, Chen, KK, Zhang, HW (2018) Tối ưu hóa thơng số PID bình chứa nước dung tích kép dựa thuật tốn APSO J Mơ máy tính, 35:261-265 [4] Huang, Qf, Cheng, Y., Pan SD, (2015) Nghiên cứu phương pháp điều khiển thích ứng khơng cần mơ hình hệ thống cấp chất lỏng hai tầng bể nước J Thiết kế & Sản xuất Máy móc, 12:1001-3997 [5] Chen, ZH, Wang, L (2008) Kỹ thuật điều khiển máy tính Đại học Khoa học Cơng nghệ China Press, Hợp Phì [6] Hassan N., Didier T., Dominique S (2000) Thiết kế điều khiển chịu lỗi truyền động: Trình diễn hệ thống ba bể chứa J Tạp chí Khoa học Hệ thống Quốc tế, 31:13