Điều khiển mức nước trong một hệ thống bình chứa dạng tầng cascade Mục tiêu : Điều chỉnh và ñiều khiển mức nước của hệ thống bình chứa dạng cascade trong ñó chúng ta quan tâm ñến việc gi
Trang 1Điều khiển mức nước trong một hệ thống bình chứa dạng tầng (cascade)
Mục tiêu : Điều chỉnh và ñiều khiển mức nước của hệ thống bình chứa dạng cascade trong
ñó chúng ta quan tâm ñến việc giảm thời gian ñáp ứng vòng kín so với vòng hở
Đầu tiên chúng ta quan tâm ñến việc ñiều chỉnh mức nước trong một bình chứa Chúng ta xem xét bài toán nhiễu ñầu vào và ảnh hưởng của nó ñến việc chọn lựa tham số
bộ ñiều khiển Với bài toán ñiều khiển nhiều bình chứa, chúng ta sẽ sử dụng sách lược ñiều khiển tầng và chỉ ra ưu ñiểm của nó
Trang 21 Xây dựng mô hình
Chúng ta sẽ nghiên cứu một phần của hệ thống bao gồm 1 van ñiều khiển lưu lượng ñóng vai trò cơ cấu chấp hành và một hệ
thống 2 bình chứa dạng tầng như sơñồ dưới ñây :
Tại ñiểm cân bằng, chúng ta có mức nước trong bình chứa ở trên và ở dưới là
hh=20cm, hb=10cm Qe=qsh=qsb=100l/h Chúng ta sẽ quan tâm ñến sự biến ñổi lưu lượng và
biến ñổi mức nước xung quanh ñiểm làm việc, ký hiệu là « ∆ »
Việc ño mức nước trong bình chứa ñược thực hiện bởi việc sử dụng cảm biến ño chênh lệch áp suất Đặc tính tĩnh của cảm biến là không tuyến tính nhưng việc tiền xử lý kết
quảño ñược thực hiện ñể tuyến tính hóa ñặc tính này Chúng ta coi rằng cảm biến có hệ số
khuếch ñại là 1
Khi chúng ta ñổ nước vào một bình chứa ñến ñộ cao h và ñục
một lỗ có tiết diện s ở ñáy của nó thì phương trình mô tả mối liên hệ
giữa lưu lượng chảy qua lỗ qs với mức nuớc h trong bình là :
(1.1)
Với là hệ số lưu lượng tùy theo dạng hình học của lỗ Phương trình này ñược suy ra từ
ñịnh luật Bernoulli
1 1 Mô hình hóa bình chứa ở trên
Bình chứa ñược ñục một lỗởñáy và chảy vào một ñường ống dài Do ñó khi ñường
ống ñầy nước, ñịnh luật phía trên áp dụng cho mức nước tổng cộng ha(bình chứa + ñường
ống)
Khi mức nước trong bình biến thiên trong khoảng 0-50cm (giới hạn ñể tránh tràn bình), sự thay ñổi là ñủ nhỏñể chấp nhận một mô hình tuyến tính giữa hh và qs :
Trang 3Ký hiệu Ch là tiết diện bình Viết phương trình vi phân mô tả mối
quan hệ giữa qe(t) và hh(t)
Xác ñịnh ñiểm làm việc và hàm truyền ∆Hh(p)/ ∆Qe(p)
Việc xác ñịnh các tham số của hàm truyền ñược tiến hành bởi
thực nghiệm và ta thu ñược
1 2 Mô hình hóa bình chứa phía dưới :
Ta coi biến vào là mức nước hh của bình chứa phía trên, biến ra là mức nước của bình chứa phía dưới hb Trong trường hợp này, lỗ thoát nước ở ngay dưới ñáy bình và mô hình xấp xỉ của lưu lượng ra ở phía trên không còn phù hợp Ta phải
sử dụng lại công thức (1.1)
Ký hiệu Cb tiết diện của bình chứa phía dưới Viết phương trình
vi phân mô tả mối liên hệ phi tuyến giữa hh(t) và hb(t) Tuyến tính hóa
quanh ñiểm làm việc
Các thông số của hàm truyền ñược xác ñịnh bằng thực nghiệm
(*) và ta thu ñược
2 Tổng hợp bộ ñiều khiển
2.1 Điều chỉnh mức nước ở bình phía trên
Chúng ta sẽñiều khiển mức nước bằng bộñiều khiển PID theo sơñồ
hay
Tính toán và nhận xét về thời gian ñáp ứng vòng hở của hệ thống Mục tiêu ñặt ra là vong kín có thời gian ñáp ứng giảm ñi (ví dụ tr5%BF = 180s) và sai lệch tĩnh bằng 0
Mô hình có dạng hàm truyền bậc nhất nên có thể dùng bộñiều khiển PI ?
Trang 4a Tính toán Kp và Ti nếu ta lựa chọn phương pháp bù ñiểm không của hàm truyền hệ thống
b Nếu ta không bù ñiểm không thì vòng kín có dạng bậc 2 Ta cốñịnh thời gian ñáp ứng vòng kín và giá trịε trong mô hình hàm truyền bậc 2 Từñó suy ra ωn và tính Kp và Ti. (VD
thửε =2, 1, 0.9, 0.8, 0.7, 0.43 ….)
Mô phỏng bằng matlab các bộñiều khiển ở trên, ñưa ra các nhận xét So sành 2 bộ
ñiều khiển trong trường hợp có nhiễu ñầu vào
2.2 Cấu trúc ñiều khiển tầng
System 1 = bình phía trên, System 2 = bình phía dưới
Cấu trúc ñiều khiển tầng này thích hợp với những hệ thống có quán tính lớn Chỉ ra
rằng cấu trúc này cho phép loại bỏ hiệu quả nhiễu ảnh hưởng lên system 1 hiệu quả hơn
cấu trúc ñiều khiển cổñiển ( một bộñiều khiển duy nhất cho cả 2 bình chứa)
Đề xuất và tính toán bộñiều khiển cho vòng ñiều khiển thứ cấp (ñiều khiển mức bình phía trên)
Đề xuất bộñiều khiển cho vòng ñiều khiển sơ cấp (ñiều khiển mức ở bình dưới)