Untitled Hệ thống điều khiển mực nước trong Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiểnđiều khiển PIDPID LLỜIỜI NÓI Đ NÓI ĐẦUẦU Năm năm học tập[.]
Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đơi sử dụng điều khiển PID LỜI NĨI NĨI ĐẦU ĐẦU - - Năm năm học tập trường Đại trường Đại học bách bách khoa Đà Nẵ Nẵng ng , nhà trường thầy cô không truyền đạt cho em kiến thức chuyên môn ngành mà giáo dục cho em lý tưởng đạo đức sống Đây hành trang thiếu cho cuộc sống nghiệp nghiệp em Em xin bày tỏ lò lòng ng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô trong Khoa Khoa Điện đặc Điện đặc biệt thầy cô tro ng ng ngành ành Tự Động Hố Hố tận tình bảo, dẫn dắt em đến ngày hôm Đồ án tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành năm cố gắng học tập em Qua em xin chân thành cảm ơn đến cha mẹ, thầy cô bạn bè người tạo điều kiện để em hồn thành khố học Riêng đồ án tốt nghiệp này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH giáo viên hướng dẫn em tận tình bảo hướng dẫn cho em tạo điều kiện giúp em suốt trình thực luận văn Do thời gian làm luận văn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót kính mong q thầy tận tình dẫn thêm Xin chân thành cảm ơn ! TP.ĐÀ NẴNG, NẴNG, Ngày 30 tháng năm 2010 SVTH:Mai Văn Văn Sinh viên thực MAI VĂN VĂN Trang Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID MỤC LỤC Trang CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI I.GIỚI THIỆU II.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 1.Cấu hình hệ bồn nước đơn 1.1.Mơ hình hệ thống 1.2.Phương trình tốn học mơ hình 10 2.Cấu hình bồn nước đôi 10 2.1.Hệ đầu vào đầu (SISO) 10 2.1.1.Cấu hình bồn nước đơi liên kết 10 2.1.1.1.Mơ hình hệ thống 10 2.1.1.2.Phương trình tốn học mơ hình 11 2.1.2.Cấu hình hệ bồn nước đơi nối tiếp 13 2.1.2.1.Mơ hình hệ thống 13 2.1.2.2.Phương trình tốn học mơ hình 14 2.2.Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) 16 2.2.1.Cấu hình bồn nước đơi liên kết 16 2.2.1.1.Mơ hình hệ thống 2.2.1.2.Phương trình tốn học 16 17 2.2.2.Cấu hình hệ bồn nước đơi nối tiếp 18 2.2.2.1.Mơ hình hệ thống 18 2.2.2.2.Phương trình tốn 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 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID 2.Đặc tính 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 1.3.Tác dụng 23 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 6.Bộ bù trễ - sớm pha 25 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 26 2.Phương pháp Zieger-Nichols thứ hai 27 SVTH:Mai Văn Văn Trang Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID CHƯƠNG III :TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG CHO BỒN NƯỚC TRONG BỒN NƯỚC ĐƠI 29 I.CHỌN CẤU HÌNH CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN 29 1.Chọn cấu hình 29 2.Khảo sát hệ thống phi tuyến 3.Chọn thông số đối tượng điều khiển 30 33 II.CHỌN CÁC THÔNG SỐ K P, K I, K D CỦ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 34 CHƯƠNG CHƯƠ NG IV :MÔ :MÔ P PHỎNG HỎNG HỆ THỐ THỐNG NG TRÊN MATLAB– MATLAB–SIMU SIMULIN LINK K 36 I.GIỚI THIỆU VỀ MATLAB – SIMULINK 1.Control System Toolbox 36 36 1.1.Định nghĩa hệ thốn tuyến tính 37 1.1.1.Định nghĩa hàm truyền 37 1.1.2.Định nghĩa zero 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 2.Simulink 39 39 2.1.Khởi động Simulink 40 2.2.Các khối chức 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 SVTH:Mai Văn Văn 54 Trang Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID II.ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG 57 1.Độ điều chỉnh lớn 58 2.Thời gian độ lớn 58 3.Thời gian tăng 58 4.Sai số xác lập III.MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULINK 58 59 CHƯƠNG V :KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 SVTH:Mai Văn Văn Trang Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng 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 Nội Dung Cấu hình bồn nước đơn Cấu hình bồn nước đơi liên kết hệ SISO Cấu hình bồn nước đơi nối tiếp hệ SISO Cấu hình bồn nước đơi liên kết hệ MIMO Cấu hình bồn nước đôi nối tiếp hệ MIMO Sơ đồ khối điều khiển PID Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối hệ hở Đáp ứng hệ hở Sơ đồ khối hệ kín có điều khiển PID Sơ đồ khối hệ kín có điều khiển tỉ lệ P Đáp ứng hệ kín Cấu hình bồn nước đơi liên kết chọn làm đối tượng 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 điều khiển Mơ hình mơ Simulink hệ hở Đáp ứng hệ hở Danh mục thư viện Simulink Quá trình độ hệ thống Mơ hình mơ Simulink hệ kín Đáp ứng hệ kín với PID1 Đáp ứng hệ kín với PID2 Đáp ứng hệ kín với PID3 44 78 Đ Đáápp ứứnngg rraa ccủủaa hhệệ kkíínn vvớớii bbộộ P PIID D45 Trang 11 13 16 18 21 22 26 26 27 27 28 29 34 34 40 58 59 60 61 62 6634 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Nội Dung Ảnh hưởng thông số PID lên đối tượng SVTH:Mai Văn Văn Trang 23 Trang Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID 2.2 2.3 3.1 Bảng tính thơng số PID theo Z–N Bảng tính thông số PID theo Z–N Các thông số đồi tượng điều khiển 27 28 33 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI I.GIỚI THIỆU: SVTH:Mai Văn Văn Trang Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID Hiện nghiệp cơng nghiệp hóa,hiện đại hóa ngày phát triển mạnh mẽ, tiến khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điều khiển tự động góp phần lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu trình sản xuất Hiện nay, tự động hóa q trình cơng nghệ thực phát triển ứng dụng mạnh mẽ cơng nghiệp, cụ thể cơng nghiệp hóa lọc dầu, cơng nghiệp hóa chất, cơng nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy,sản xuất xi măng…cũng lĩnh vực khác đời sống Nói chung, để nâng cao hiệu sản xuất, xuất, đảm bảo an toàn cho người, máy m móc óc mơi trường trong cơng nghiệp chế biến, khai thác lượng vấn đề điều khiển q trình cơng nghệ quan trọng Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển,vận hành giám sát q trình cơng nghệ, nhằm nâng cao hiệu sản xuất đảm bảo yêu cầu bảo vệ người, máy móc mơi trường Trong điều khiển q trình, tốn đặt điều chỉnh q trình cơng nghệ có u cầu cao độ tin cậy tính sẵn sàng Các đại lượng cần điều khiển lưu lượng, áp suất, nhiệt độ…cần phải điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đặt Đặc thù q trình cơng nghệ diễn biến tương đối chậm, mơ hình phức tạp khó xác định, khả điều khiển hạn chế,khó thay đổi thiết kế cơng nghệ Nên điều khiển q trình công nghệ ta phải thiết lập hệ thống phù hợp với đặt thù q trình cơng nghệ Hiện nay, cơng nghiệp hóa lọc dầu, cơng 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 xác cao để phục vụ trình sản xuất đạt hiệu tốt Chính vậy, vấn đề dặt đề tài điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ xác cao Với yêu cầu ứng dụng thực tế vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng hệ bồn nước đơi Hệ bồn nước đơi hình thành với hệ thống bơm xả chất lỏng giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước,cột chất lỏng hai bồn trì ổn định Để làm điều địi hỏi phải điều khiển đóng mở van để điều tiết lưu lượng dòng chảy điều khiển lưu SVTH:Mai Văn Văn Trang Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước đôi, làm mức nước hai bồn luôn giữ giá trị đặt trước không đổi Việc điều khiển hệ thống để giữ mức chất lỏng hai bồn ổn định tương đối khó,cần phải có điều khiển phối hợp van máy bơm Với phát triển kỹ thuật điều khiển tự động có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng hệ thống bồn nước đôi, ta sử dụng điều khiển PID kinh điển để điều khiển Công việc điều khiển thục mô Matlab, với công cụ Simulink II.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN: Các cấu hình hệ bồn nước thường gặp: 1.Cấu hình hệ bồn nước đơn: 1.1.Mơ hình hệ thống: Đây mơ hình hệ thống phần quan trọng hệ thống điều khiển mức chất lỏng bồn: Hình 1.1 Cấu hình bồn nước đơn 1.2.Phươngg trình tốn học mơ hình: 1.2.Phươn Mơ hình biểu biểu thị mối quan hệ giữa lưu lượng lượng nước Q i vào bồn với lưu lượng nước Qo khỏi bồn qua van Qi Qo A SVTH:Mai Văn Văn dH (t ) dt (1.1) Trang Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID Trong đó: A diện tích mặt cắt ngang bồn nước H chiều cao mức chất lỏng bồn Nếu giả sử Van khe hở nhỏ dòng chảy qua van liên quan mức nước H có bồn: Qo C d a 2 g . H (t ) (1.2) Trong đó: Cd là hệ số van xả a diện tích mặt cắt ngang khe g số hấp dẫn g = 980cm/s Giả sử Cd là số 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 dt 2 g . H (t ) Qi (1.3) Mà lưu lượng nước chảy vào bồn là: Qi K p U (t ) (1.4) Vậy ta có phương trình tốn học là: A dH (t ) dt C d a 2 g . H (t ) K p U (t ) (1.5) Cấu hình bồn nước đơi: 2.1 Hệ đầu vào đầu (SISO): 2.1.1 Cấu hình bồn nước đơi liên kết: 2.1.1.1 Mơ hình tốn học: Mơ hình bồn nước: bồn nước có diện tích SVTH:Mai Văn Văn Trang 10 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID 2.2.4.4 Khối Tranfer Fcn: Thực chức hàm truyền Những thông thông số: hệ hệ số tử mẫu hàm truyền 2.2.4.5 Khối Intergrator: Intergrator: Tín hiệu vào lấy tích phân Những thơng thơng số: điều điều kiện đầu đầu 2.2.4.6 Khối State – Space: Thực hệ tuyến tính khơng thay đổi theo thời gian SVTH:Mai Văn Văn Trang 53 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID 2.2.4.7 Khối Zero – pole: Thực hàm truyền dạng cực zero Những thông thông số: các zero, cực, cực, độ lợi 2.2.4.8 Khối Dot product: Tính tích vơ hướng vector 2.2.4.9 Khối Slider Gain: Tương tác độ lợi Những thông thông số: giá giá trị gain gain 2.2.5 Nonlinear: SVTH:Mai Văn Văn Trang 54 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID 2.2.5.1 Khối Abs: Tính giá trị tuyệt đối ngõ vào 2.2.5.2 Khối Product: Ngõ vào được nhân với nhau Những thông thông số: số số ngõ vào vào 2.2.5.3 Khối Fcn Tính tốn biểu thức 2.2.5.4 Khối Saturation: SVTH:Mai Văn Văn Trang 55 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID Tính tốn khâu bão hịa, nghĩa giới hạn biên độ ngõ Những thông thông số: giá giá trị ccủa ngõ 2.2.5.5 Khối Matlab Fcn: Cho phép gọi hàm Matlab sơ đồ Simulink Những thông số: tên hàm, chiều ngõ ra(-1 ngõ chiều với ngõ vào) SVTH:Mai Văn Văn Trang 56 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID 2.2.5.6 Khối Transport Delay Ngõ vào bị bị trễ thời gian cho trước trước Những thông thông số: thời thời gian trễ, trễ, thông số đầu 2.2.5.7 Khối Sign: Thực thi hàm dấu Đó thư viện bản, ngồi cịn nhiều thư viện khác thư viện đầu nối…việc tìm hiểu hết chức chúng khó khăn Ngồi thư viện có người sử dụng tạo cho thư viện riêng cách ghép nối thư viện lại với tạo thành nhóm hay viết riêng chương trình để chạy mơ Simulink II.Đánh giá chất lượng hệ thống: Để đánh giá chất lượng hệ thống ta dựa vào tiêu sau: SVTH:Mai Văn Văn Trang 57 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID 1.Độ điều chỉnh lớn max : sai lệch cực đại trình độ so với giá trị xác lập, tính theo đơn vị phần trăm: max Thơng thường max y max y * 100 % y ( 20 : 30 )% 2.Thời gian độ lớn Tmax: Về mặt lý thuyết, trình độ kết thúc t Trong điều khiển tự động, ta xem trình độ kết thúc sai lệch tín hiệu điều khiển với giá trị xác lập khơng vượt qua 5% (một số chọn 2%).Khoảng thời gian gọi T max Thơng thường Tmax=2 đến chu kỳ dao động quanh giá trị xác lập 3.Thời gian tăng tm: Là thời gian từ đến lúc tín hiệu điều khiển đặt 90% giá trị xác lập lần 4.Sai số xác lập: Là sai số tín hiệu đặt tín hiệu hồi tiếp hệ thống thời gian tiến đến vô SVTH:Mai Văn Văn Trang 58 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID Hình 4.2 Quá trình độ hệ thống III.Mô Matlab – Simulink: Mục tiêu điều khiển giữ cho mực chất lỏng bồn chứa thứ hai bám theo tín hiệu đạt cho trước Ở ta dùng điều khiển PID để điều khiển hệ thống Để đo mức nước bồn ta đặt cảm biến áp suất đáy bồn cảm biến có độ phân giải K=6.1cm/v Lúc ta có mơ hình mơ phỏng hệ thống Matlab – Simulink Simulink là: Hình 4.3 Mơ hình mơ Simulink hệ kín SVTH:Mai Văn Văn Trang 59 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID Và đáp ứng hệ kín là: Hình 4.4 Đáp ứng hệ kín với PID1 Các thông số điều khiển PID chọn theo phương pháp Z-N-1 đảm bảo hệ thống cho làm việc ổn định Từ đồ thị đặc tính độ hệ thống ta nhận thấy thời gian độ lớn lớn (147s), độ vọt lố lớn (47.5%), thời gian tăng lớn (16s ) sai số xác lập lớn, không thỏa mãn yêu cầu đặt hệ thống điều khiển nên chất lượng hệ thống không tốt Để chất lượng hệ thống tốt ta điều chỉnh thông số điều khiển PID để giảm thời gian độ lớn nhất, độ vọt lố, thời gian tăng sai số xác lập cách dựa vào bảng 2.1 SVTH:Mai Văn Văn Trang 60 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID -Trước tiên ta giảm thời gian tăng cách tăng hệ số K pp, ta chọn K p=92, lúc thời gian tăng nhỏ (3.77s), đồng thời thời gian độ lớn giảm lớn (21s) sai số xác lập nhỏ Sau hiệu chỉnh ta đáp ứng đầu hệ thống kín là: Hình 4.5 Đáp ứng hệ kín với PID2 -Ở ta nhận thấy độ vọt lố lớn thời gian độ lớn lớn để giảm chúng cách tăng hệ số K D của điều khiển PID Ta chọn K D =70, lúc độ vọt lố giảm (21.06% ), thời gian độ giảm xuống đáng kể (14.4s) sai số xác lập chưa triệt tiêu SVTH:Mai Văn Văn Trang 61 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID Ta đáp ứng đầu ra: Hình 4.6 Đáp ứng hệ kín với PID3 -Để triệt tiêu sai số xác lập ta tăng hệ số K I của điều khiển PID, ta tăng đến K I= 1.045 Lúc sai số xác lập triệt tiêu độ vọt lố thời gian độ lớn tăng SVTH:Mai Văn Văn Trang 62 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID Đáp ứng đầu lúc là: Hình 4.7 Đáp ứng hệ kín với PID4 Vậy cuối ta có thông số PID sau hiệu chỉnh là: K pp=92, K I=1.045 K D=70 Từ đáp ứng ta xác định giá trị: max 7.42 6.1 *100% 21,64% 6.1 Tmax=14.4s tm=3.58s SVTH:Mai Văn Văn Trang 63 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID tiêu thỏa mãn yêu cầu đặt hệ thống điều khiển -Để đáp ứng hệ thống khơng cịn vọt lố ta tiếp tục điều chỉnh thông số điểu khiển PID, lúc đáp ứng hệ thống là: Hình 4.8 Đáp ứng hệ kín với PID5 Ứng với thơng số PID K p p=82, K I=0.9, K D=250 SVTH:Mai Văn Văn Trang 64 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID CHƯƠNG V KẾT LUẬN Qua đề tài em nhận thấy số điểm sau: -Mặc dù điều khiển PID lý thuyết cổ điển cũ dùng cho điều khiển nhiên ứng dụng rộng rãi ngày -Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID hợp lý làm giảm vọt lố, giảm thời gian độ tăng tính xác -Các thông số điều khiển PID xác định theo phương pháp thực nghiệm Zeigler-Nichols cho kết sơ thông số cần điều chỉnh lại Để điều chỉnh thông số cho phù hợp với đồi tượng người thiết kế cần có kinh nghiệm hiểu biết đối tượng điều khiển -Matlab – Simulink công cụ mạnh để khảo sát mô hệ thống điều khiển thực tế -Điều khiển mực nước bồn nước đôi dạng tốn điều khiển q trình, có ứng dụng quan trọng số ngành cơng nghiệp đại ngày như: cơng nghiệp hóa lọc dầu, cơng nghiệp hóa chất, cơng nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất điện năng… SVTH:Mai Văn Văn Trang 65 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Tiến sĩ Trần Đình Kiến Quốc ,Lý thuyết điều khiển tự động 2.Giảng viên Trần Thái Hoàng ,Cơ sở điều khiển tự động ,Đại Học Bách Khoa TP.HCM 3.Control – systems – principles.co.uk , coupled-tanks-systems 4.Và số tài liều khác SVTH:Mai Văn Văn Trang 66 Hệ thống điều khiển mực nước bồn nước đôi sử dụng điều khiển PID SVTH:Mai Văn Văn Trang 67