đề tài thiết kế hệ thống ổn định mực nước bồn đơn dùng bộ điều khiển pid

Danh sách hình ảHình 1: Sơ đồ điều khiển mức nước lò hơi Hình 2: Hệ thống làm mát công nghiệp Hình 3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hình 4:Sơ đồ khối bộ điều khiển PID Hình 5: Sơ đồ bộ điều k

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

⸙∆⸙

ĐỒ ÁN 2 ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

ĐỀ TÀI: ết kế hệ thống ổn định mực nước bồn đơn

dùng bộ điều khiển PID

Ngô Văn Thuyên

Nguyễn Minh Hiếu 20151473 SĐT:

Tp Hồ Chí Minh tháng 3 năm 2023

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Quy trình công nghệ của hệ thống

2.2 Giới thiệu về vi điều khiển

2.3 Sơ lược về bộ điều khiển PID

2.4 Hệ thống điều khiển rời rạc

2.5 Mô hình toán của hệ thống bồn nước đơn

2.6 Mô phỏng hệ thống trên matlab

3.3.4 Lựa chọn máy bơm và mạch công suất

3.4 Sơ đồ nối dây mô hì

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM

4.1 Yêu cầu thiết kế

4.2 Lưu đồ giải thuật

Tài liệu tham khảoPhụ lục chương trình

Danh sách hình ả

Hình 1: Sơ đồ điều khiển mức nước lò hơiHình 2: Hệ thống làm mát công nghiệp

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống

Hình 4:Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Hình 5: Sơ đồ bộ điều khiển PID số

Hình 6: Mô hình hệ bồn đơn

Hình 7: Mô phỏng hệ thống trên matlab

Hình 8: Bộ điều khiển PID rời rạc trên matlabHình 9: Đáp ứng hệ thống với các bộ điều khiểnHình 10: Sơ đồ khối hệ thống

Hình 11: Arduino Uno

Hình 12: Cảm biến siêu âm HC

Hình 13: Sơ đồ kết nối cảm biến với ArduinoHình 14: Lcd keypad shield

Hình 15: Kết nối lcd với arduino

Hình 22: Lưu đồ chương trình điều khiển máy bơmHình 23: Giao diện trên winform C#

Hình 24: Mô hình hệ thống bồn đơn

Hình 25:Đáp ứng hệ thống với giá trị đặt 3cmHình 26: Đáp ứng hệ thống với giá trị đặt 5cm

Danh sách bả

Bảng 1: Ý nghĩa các thông số trong hệ thống

Bảng 2: Thông số của mô hình

Bảng 3: Ảnh hưởng của thông số PID đến đáp ứng hệ thốngBảng 4: Đáp ứng hệ thống với các bộ điều khiển khác nhauBảng 5: Chất lượng hệ thống ở 3cm và 5cm

CHƯƠNG 1: TỔ

Đặ ấn đề

Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu ượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người Công nghệ này được ứng dụng nhiều trongviệc xử lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, các bể nước, tháp nước tự động… Từ những vấn đề trên đặt ra yêu cầu là dùng phương pháp nào để giám sát và điều khiển mức chất lỏng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy, khả năng linh hoạt, dễ vận hành và sử dụng nhất Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động điều khiển mức chất lỏng, ở trong đề tài này em sẽ thực hiện mô hình điều khiển

ổn định mực chất lỏng sử dụng bộ điều khiển PID ở hệ bồn đơn

Trong lĩnh vực nhiệt điện

Trong nhà máy nhiệt điện lò hơi khu vực quan trọng nhất của nhà máy Đối với các lò hơi có bao hơi (lò hơi làm việc ở áp suất dưới tới hạn), mức nước trong bao hơi là một thông số rất quan trọng, cần được giám sát và điều khiển

Chính vì thế mà hệ thống điều khiển mức nước bao hơi là một khâu rất cần thiết Nhiệm vụ của hệ thống này là bảo đảm tương quan lượng nước đưa vào lò hơi và lượng hơi sinh ra Nếu mức nước trong bao hơi quá cao vượt quá giá trị cho phép sẽ làm giảm năng suất của lò hơi, giảm nhiệt độ gây ảnh hưởng đến sự vận hành của tuabin Nếu mức nước bao hơi quá thấp s với giá trị cho phép thì nhiệt độ trong lò hơi tăng, gây cháy lò hơi

Hình : Sơ đồ điều khiển mức nước lò hơi

Trong hệ thống làm mát công nghiệp:

Trong các hệ thống làm mát công nghiệp, việc điều khiển mực nước trong các bể chứa và tháp làm mát là cần thiết để đảm bảo hiệu suất làm mát

và ngăn chặn việc quá tải hoặc thiếu nước Các cảm biến mực nước được sử dụng để theo dõi mức nước và kích hoạt các thiết bị điều khiển để bổ sung hoặc xả nước tùy theo nhu cầu

Hình : Hệ thống làm mát công nghiệp

ục tiêu đề tài

Thiết kế được hệ thống ổn định mực nước hệ bồn đơn sử dụng giải thuật PID.Hệ thống có thể đo và điều chỉnh độ cao mực nước ở giá trị mong muốn, có thể kết nối với máy tính để truyền dữ liệu và điều khiển hệ thống bằng máy tính

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THU Ế

Hệ thống được lập trình dựa vào thuật toán PID số sao cho mực nước trong bồn phải luôn ở 1 giá trị cố định đặt trước mà không phụ thuộc vào lượng nước xả ra ở van

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một , nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm m vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp ột(khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến đổi số sang tương

tự và tương tự sang số

Vi điều khiển thường được sử dụng để xây dựng các hệ thống nhúng

Nó cũng được sử dụng trong các thiết bị điện, điện tử như máy giặt lò vi sóng điện thoại đầu đọc DVD thiết bị đa phương tiện hay dây chuyền sản xuất tự động,

Các loại vi điều khiển phổ biến trên thị trường hiện nay:

• Arduino: Arduino là một nền tảng phát triển phổ biến cho các dự án điện

tử Nó cung cấp một loạt các bo mạch vi điều khiển, dễ sử dụng và lập trình thông qua môi trường

• Raspberry Pi: Raspberry Pi là một bo mạch vi xử lý mạnh mẽ và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng nhúng và IoT Raspberry Pi có khả năng chạy hệ điều hành Linux và hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình

biến của Microchip Technology Nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng

từ nhỏ đến lớn, có nhiều phiên bản và loạt chip khác nhau với các tính năng và hiệu suất khác nhau

• STM32: STM32 là dòng vi điều khiển của STMicroelectronics, được xây dựng trên lõi ARM Cortex M Nó cung cấp một loạt các phiên bản với các tính năng và hiệu suất khác nhau, phù hợp cho các ứng dụng nhúng đa dạng

• ESP8266 và ESP32: Đây là các vi điều khiển Wi Fi rất phổ biến trong lĩnh vực IoT ESP8266 và ESP32 có tích hợp Wi Fi, chức năng giao tiếp nhiều chuẩn, và hỗ trợ lập trình thông qua Arduino IDE hoặc mã nguồn mở ESP

• AVR: AVR là một dòng vi điều khiển của Microchip Technology (trước đây là Atmel) Nó nổi tiếng với vi điều khiển AVR ATmega, được sử dụng rộng rãi trong các dự án nhúng và điện tử

Hình Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vòng kín (có tín hiệu phản hồi) Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai

số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

D (Derivative): là vi phân của sai lệch Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.

Các phương pháp tính toán thông số bộ điều khiển PID:

Chỉnh định bằng tay

hương pháp Ziegler –

Chỉnh định dùng phần mềm

Vào trước năm 1960, khi vi xử lý chưa phát triển, hầu hết các hệ thống

tự động được thiết kế là hệ thống điều khiển liên tục Hệ thống điều khiển liên tục được điều khiển bởi các mạch điện tử như mạch tỷ lệ, mạch tích phân, mạch vi phân Các mạch tỷ lệ, tích phân, vi phân là cơ sở của bộ điều khiển PID và khái niệm điều khiển PID liên tục cũng ra đời Nhưn từ sau năm

1960, người ta bắt đầu điều khiển hệ thống theo dạng số hóa dùng vi xử lý, các bộ điều khiển hiện đại cũng được thiết kế và áp dụng nhiều hơn Để đáp ứng yêu cầu hiện tại, người ta thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc hay còn gọi

là điều khiển số để phù hợp khi điều khiển bằng vi xử lý Bộ điều khiển PID liên tục dần được thay thế bởi các bộ điều khiển PID số Hệ thống điều khiển rời rạc có nhiều ưu điểm như dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển, áp dụng các thuật toán điều khiển phức tạp bằng cách lập trình

Hàm truyền của bộ điều khiển PID số có dạng như sau:

Khâu tỉ lệ =

Khâu tích phân = +

−Khâu vi phân = −

ín hiệu điều khiển được tính theo công thức:

điện áp điều khiển máy bơm

độ cao mực chất lỏng trong

bồn

Lưu lượng nước vào

Lưu lượng nước ra

tiết diện ngang bồn chứa

tiết diện van xả

hệ số tỉ lệ với công suất máy

=

Dòng ra:

Hệ thống được mô phỏng trên matlab simulink với phương trình toán như sau:

Hình : Mô phỏng hệ thống trên matlab

Với các thông số thực tế của mô hình là:

tiết diện ngang bồn chứatiết diện van xả

hệ số tỉ lệ với công suất máy bơm

hệ số xảBảng : Thông số của mô hìnhChức năng các khối trong hệ thống:

Khối PID so là bộ điều khiển với các thông số Kp, Ki, Kd

Hình : Bộ điều khiển PID rời rạc trên matlab

Khối saturation để giới hạn điện áp của máy bơm trong khoảng từ 0

Khối bon don là phương trình toán học của hệ thống đã tìm được ở mục Các thông số của bộ điều khiển PID được lựa chọn theo kinh nghiệm dựa vào bảng sau:

đổi thông số Thời gian lên Độ vọt lố Thời gian xác

lập

Sai số xác lập

Bảng : Ảnh hưởng của thông số PID đến đáp ứng hệ thốngCác thông số PID được chọn như sau

Đáp ứng của hệ thống với các bộ điều khiển PID,PI và PD

Hình : Đáp ứng hệ thống với các bộ điều khiển

Chất lượng hệ thống qua các bộ điều khiển

Độ vọt lố(%)

Thời gian xác lập(s)

Sai số xác lập(cm)

Thời gian lên(s)

Bảng : Đáp ứng hệ thống với các bộ điều khiển khác nhau

Nhận xét: Hệ thống ổn định với các thông số PID lựa chọn ở trên Qua các bộ điều khiển PID, PI, PD bộ điều khiển PID cho đáp ứng của hệ thống tốt nhất

CHƯƠNG 3: THIẾ Ế Ầ Ứ

Hệ thống có thể ổn định chính xác mực nước với chiều cao từ 2thể tích bồn chứa khoảng 3500 cm

Hệ thống có thể kết nối và hiển thị kết quả trên LCD

Hệ thống có thể kết nối với máy tính để truyền dữ liệu

Chọn các thiết bị phù hợp để tối ưu chi phí

Hình : Sơ đồ khối hệ thốngChức năng các khối có trong hệ thống:

Máy tính: để cấp nguồn cho MCU và nhận dữ liệu từ MCU gửi về để đánh giá hệ thống

MCU : Dùng để điều khiển mạch công suất cấp tín hiệu cho máy bơm hoạt động Nhận tín hiệu từ cảm biến để điều chỉnh tốc độ bơm phù hợp.Khối điều khiển: Là mạch công suất để điều khiển máy bơm

Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho mạch công suất

Khối cảm biến: để đo kết quả mực nước trong bồn

Nước được bơm lên bồn sau đó cảm biến đo và phản hồi kết quả cho MCU

Với các loại MCU đã trình bày ở mục 2 thì ở đề tài này ta sẽ chọn Arduino có nhiều thư viện được tích hợp sẵn giúp việc lập trình trở nên đơn giản hơn.Arduino UNO có đầy đủ chức năng để điều khiển mô hình như ngắt để thực hiện thuật toán PID số tránh ảnh hưởng đến các tác vụ khác, có chân băm xung PWM để điều khiển máy bơm.Arduino UNO còn có thể giao tiếp truyền , nhận dữ liệu với máy tính.Có đủ số chân để kết nối với các thiết

bị trong mô hình

Hình Thông số kỹ thuật:

Điện áp hoạt động

Tần số hoạt động

Điện áp vào giới hạn

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

Dòng ra tối đa (5V)

Trên thị trường tồn tại khá nhiều loại cảm biến dùng trong việc đo khoảng cách Tùy vào nhu cầu về tính chính xác, giá thành, mục đích sử dụng, môi trường xung quanh mà có những loại cảm biến đặc thù Có 4 loại cảm biến thường được dùng để đo khoảng cách:

Cảm biến laser :

Dùng trong đo khoảng cách dựa trên nguyên lý phản xạ của tia laser Được ưa chuộng bởi tính ứng dụng cao trong nhiều môi trường Đây là loại cảm biến khá phổ biến vì độ chính xác cao, sở hữ đa tính năng,kích thước nhỏ gọn dễ dàng và tiết kiệm được thời gian và có thể đo trên phạm vi diện rộng các vật tuy nhiên Các loại máy sử dụng cảm biến đo khoảng cách bằng laser thường sử dụng pin cần phải nạp năng lượng thường xuyên, khi xảy ra sự cố thì khó sửa chữa, phải thực hiện nhiều thao tác trên các nút bấm bằng tay.Cảm biến từ :

Cảm biến từ thuộc nhóm cảm biến tiệm cận, là thiết bị dựa trên nguyên

lý cảm ứng điện từ có khả năng nhận biết phát hiện vật mang từ tính (chủ yếu

là sắt), không tiếp xúc, ở khoảng cách gần (khoảng vài mm đến vài chục mm) hoạt động được ngay cả trong môi trường khắc nghiệt tuổi thọ của nó cao và

dễ dàng trong việc lắp đặt tuy nhiên trong môi trường chất lỏng thì cảm biến hoạt động kém hiệu quả hơn đưa ra những số liệu tương đối

Cảm biến điện

Thiết bị cảm biến điện dung được dùng để phát hiện chất lỏng, chất rắn; hoặc đo mức liên tục ngõ ra tín hiệu 4 10v bên cạnh đó cảm biến điện dung còn có khả năng nhạn biết được vật không phải làm từ kim

loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện dung của tụ điện bên trong cảm biến Cảm biến điện dung hoạt động tốt trong các môi trường khắc nghiệt như : môi trường dễ cháy nổ, nhiệt độ và áp suất cao, tuy nhiên cảm biến này lại bị giới hạn về khoảng cách nhận biết của vật, nó khá nhạy cảm khi môi trường thay đổi .

Cảm biến siêu âm :

Cảm biến siêu âm là loại cảm biến có độ chính xác rất cao, nó có thể nhận biết được mọi nguyên vật liệu Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm

có nhiều công dụng và mức độ sử dụng rộng rãi trong y học, công nghiệp, Trong đề tài ta sẽ chọn cảm biến siêu âm vì nó có những ưu điểm như

Đo được hầu hết các loại chất rắn và chất lỏng, đo khoảng cách mà không cần tiếp xúc với chất cần đo nên độ bền cao,thiết kế nhỏ gọn, độ chính xác cao, giá thành rẻ hơn so với các loại cảm biến khác

Cảm biến siêu âm HC được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì rẻ và chính xác Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và

có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2

Cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm HC sử dụng nguyên lý phản

xạ sóng siêu âm Cảm biến gồm 2 module.1 module phát ra sóng siêu âm và 1

hu sóng siêu âm phản xạ về Đầu tiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu

âm với tần số 40khz Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng Bằng cách đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật

Hình Cảm biến siêu âm HC

Sơ đồ chân cảm biến

Trig :chân điều khiển phát

Echo :chân nhận tín hiệu phản hồi

Sơ đồ nối dây cảm biến với arduino

Hình : Sơ đồ kết nối cảm biến với Arduino

Trên thị trường hiện nay có khá nhiều các loại LCD với kích thước khác nhau như 16x2, 20x2,20x4 …Và sử dụng các chuẩn giao tiếp khác nhau như 4 bit, 8bit hoặc giao tiếp qua module I2C sẽ giúp tiết kiệm đường dây kết nối

Với yêu cầu thiết kế của đề tài chỉ cần hiển thị kết quả và giá trị đặt của mực nước nên ta sẽ chọn LCD 16x2, và số lượng chân của arduino còn đủ để giao tiếp 4 bit nên ta sẽ chọn kiểu 4 bit để giúp tiết kiệm chi phí.Trong đề tài này sẽ chọn lcd keypad shield có tích hợp thêm các nút nhấn

Hình Thông số kỹ thuật

Hình : Kết nối lcd với arduChương trình đo khoảng cách dùng HC SR04 và hiển thị kết quả trên

// biến đo thời gian // biến lưu khoảng cách

/* Phát xung từ chân trig */

// tắt chân trig

// phát xung từ chân trig

// xung có độ dài 5 microSeconds // tắt chân trig

/* Tính toán thời gian */

// Đo độ rộng xung HIGH ở chân echo

// Tính khoảng cách đến vật.