đồ án 2 điều khiển tự động project mô phỏng hệ bồn nước đôi dùng phương pháp điều khiển pid

TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI: Hiện nay sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ,sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó công nghệ điều khiển tự động cũng góp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ

HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

************

BÁO CÁOMÔN HỌC: ĐỒ ÁN 2 – ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNGPROJECT: MÔ PHỎNG HỆ BỒN NƯỚC ĐÔI DÙNG

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID

GVHD: TS Nguyễn Minh TâmSINH VIÊN THỰC HIỆN: Hoàng Văn Minh 21151508

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 1 năm 2024

Lời Cảm Ơn

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường đã đưa môn học vào trương trình giảng dạy Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên bộ môn - thầy/cô đã dạy dỗ, truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học Kỹ năng giao tiếp của thầy/cô, em đã có thêm cho mìnhnhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc Đây chắc chắn sẽ là nhữngkiến thức quý báu, là hành trang để em có thể vững bước sau này

Bộ môn là môn học thú vị, vô cùng bổ ích và có tính thực tế cao Đảm bảo cung cấp đủ kiến thức, gắn liền với nhu cầu thực tiễn của sinh viên Tuy nhiên, do vốn kiến thức còn nhiều hạn chế và khả năng tiếp thu thực tế còn nhiều bỡ ngỡ Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn bài tiểu luận khó có thể tránh khỏi những thiếu sót và nhiều chỗ cònchưa chính xác, kính mong thầy/cô xem xét và góp ý để bài tiểu luận của em được hoàn

MỤC LỤC

Chương I TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI: 4

I TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI: 4

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI: 5

III GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 5

IV NHỮNG ĐỀ TÀI LIÊN QUAN: 6

V PHƯƠNG PHÁP, PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU: 6

Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT: 7

I.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN: 7

1 Cấu hình bồn nước đôi: 7

II TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 9

IV CHỌN CẤU HÌNH CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN: 11

1.Chọn cấu hình: 11

2.Chọn các thông số của đối tượng điều khiển: 12

V MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB-SIMULINK: 12

1 Giới thiệu về matlab - simulink: 12

2 Đánh giá chất lượng của hệ thống: 13

3 Mô phỏng trên Matlab – Simulink: 14

Chương III: MÔ HÌNH THỰC TẾ: 15

Chương I TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI:

I TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI:

Hiện nay sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ,sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó công nghệ điều khiển tự động cũng góp phầnto lớn tạo điều kiện thuận lợi cho việc nâng cao hiệu quả của quá trình Hiện nay, côngnghệ tự động hóa quy trình đã thực sự phát triển và được ứng dụng mạnh mẽ trong côngnghiệp, như công nghiệp lọc hóa dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước,công nghiệp chế tạo, công nghiệp giấy, sản xuất xi măng… cũng như các lĩnh vực kháccủa đời sống Nhìn chung, để nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo an toàn cho conngười, máy móc và môi trường trong các ngành công nghiệp chế biến, khai khoáng vàcông nghiệp điện, vấn đề kiểm soát quy trình công nghệ là rất quan trọng

Công nghệ điều khiển quá trình là ứng dụng của kỹ thuật điều khiển tự động trongviệc điều khiển, vận hành, giám sát quá trình công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sảnxuất, bảo đảm các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường

Trong điều khiển quá trình, bài toán đặt ra là điều chỉnh quá trình công nghệ cóyêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng Các đại lượng cần điều khiển như lưulượng, áp suất, nhiệt độ…cần phải điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đặt ra Đặc thù của quátrình công nghệ là diễn biến tương đối chậm, mô hình phức tạp khó xác định, khả năngđiều khiển hạn chế,khó thay đổi thiết kế về công nghệ Nên trong điều khiển quá trìnhcông nghệ ta phải thiết lập một hệ thống phù hợp với đặt thù của quá trình công nghệ

Hiện nay trong công nghiệp hóa dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lýnước, sản xuất giấy, phát điện Bài toán điều khiển mức và lưu lượng cần phải đượcgiải quyết với độ chính xác cao để giải quyết vấn đề, do đó vấn đề đặt ra trong luận án làkiểm soát dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao Với yêu cầu ứngdụng thực tế như vậy, quá trình sản xuất đạt hiệu quả cao hơn Đề tài nghiên cứu chính ởđây là hệ thống bể nước đôi Hệ thống bồn nước đôi bao gồm một máy bơm chất lỏng và

một hệ thống thoát nước nhưng luôn duy trì ổn định theo giá trị mức đặt trước, các cộtchất lỏng của hai bồn được cố định, muốn điều này cần phải điều khiển đóng mở các van.để điều hòa lưu lượng, cũng như lưu lượng chất lỏng từ điều khiển máy bơm đến hệthống bồn chứa nước đôi và làm thông thoáng mực nước Hai bể luôn giữ một giá trị đặttrước không đổi Việc kiểm soát hệ thống này để giữ cho mực chất lỏng trong hai bể luônổn định là điều tương đối khó khăn Sự phối hợp giữa van và máy bơm.

Với sự phát triển của các kỹ thuật điều khiển tự động, hiện có nhiều cách để kiểmsoát mức chất lỏng của hệ thống bể chứa nước đôi, nhưng ở đây chúng tôi sử dụng bộđiều khiển PID cổ điển để điều khiển

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI:

Tìm hiểu chi tiết về các thông số, cấu tạo nên tổng quan mô hình các bồn nước(chiều cao, chiều rộng, van xả, bơm,…)

Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống, xây dựng được mô hình toán học.Giải quyết những vấn đề chưa ổn định hay nhiễu của hệ thống khiến nó mất tínhổn định Kiểm chứng xem hệ thống đã có ngõ ra như ta mong muốn chưa

Tìm hiểu và nắm rõ lý thuyết về giải thuật điều khiển Thiết kế và điều khiển hệ thống mực nước trong mô hình 2 bồn để cho mực nướcvà lưu lượng dòng chảy ổn định

Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab – Simulink.So sánh kết quả lý thuyết và thực tiễn cũng như so sánh với các bộ điều khiển ởcác bài báo đã nghiên cứu khác

Dễ bảo trì, bảo dưỡng, sử chữa khi có sự cố Giá thành hợp lý

III GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu hệ thống điều khiển hệ thống mực nước trong mô hình 2 bồn nước sửdụng phương pháp điều khiển PID

Nghiên cứu xây dụng các thuật toán mô hình bằng việc mô phỏng sử dụng phầnmềm ứng dụng Matlab & Simulink để đánh giá và kiếm tra kết quả

Hệ thống điều khiển chưa được tối ứu nhất có thể có nhiễu ít hoặc ảnh hưởng cácyếu tố khác.

Không thể xây dựng phần cứng vì những lý do khách quan.Độ vọt lố dưới 25%

IV NHỮNG ĐỀ TÀI LIÊN QUAN:

Automated Water Managemenrt System (Author: Mahfida Amjad, RakibAhemed)

PID Control of Water in a tank (Author: Niklas Rothpfeffer)Design and Implementation of a Water Tank Control System Employing a MIMOPID Controller (Author: Arturo Rojas–Moreno and Arturo Parra–Quispe)

Water level controlling system using PID controller (Author: B.N Getu)

V PHƯƠNG PHÁP, PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU:

Phương pháp nghiên cứu đề tài: Thu thập tài liệu từ lý thuyết, giáo trìnhtham khảo, các bài báo trong và ngoài nước, …

Phương tiện: sử dụng máy tính, mạng internet, tạp chí sách báo,…

Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

I.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN:

(1.5)

1 Cấu hình bồn nước đôi:

1.1 Hệ một đầu vào một đầu ra (SISO):1.1.1 Cấu hình bồn nước đôi liên kết: 1.1.1.1 Mô hình toán học:

Mô hình của bồn nước: 2 bồn nước có cùng diện tích

Hình 1.1 Cấu hình bồn nước đôi

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan về bồn nước

2.1.1.2 Phương trinh toán học:

Đối với mô hình này, nước được bơm trực tiếp vào bồn 1 và nước từ bồn 1 quavan B sẽ chảy vào bồn 2 Ở đây ta xây dựng bộ điều khiển để điều khiển mực nước ởbồn 2 với ngõ vào điện áp cấp cho máy bơm

- Lưu lượng nước chảy vào bồn 1 từ máy bơm: Qi = KpU(t) (1.6)

-Vận tốc nước chảy ra từ van xả B VB=CdB√2g( H1(t )−H2(t )) (1.7)

-Diện tích mặt cắt trong của bồn 1: A1=

14π∗D12

(1.8)-Diện tích mặt cắt của van xả B bồn 1:

aB=

14π∗D2B

∂H1(t )

∂t =−

CdBaB√2 gA1 √H1(t )−H2(t )+Kp

(1.15) -Lưu lượng nước chảy ra khỏi bồn 2:

Q02=aC∗VC=CdCaC√2gH2(t ) (1.16)

Từ đây ta có phương trình vi phân mô tả động học cho bồn 2 là:

A2

∂H2(t )

∂t =Qi2−Qo 2=CdBaB√2 g ( H1(t )−H2(t ))−CdCaC√2 gH2(t )

(1.17)Suy ra phương trình vi phân mô tả sự biến thiên mực nước trong bồn 2 là:

∂H2(t )

∂t =

CdBaB√2 gA2 √H1(t )−H2(t )−CdCaC√2g

A2 √H2(t )

(1.18)Từ (1.11) và (1.18) ta có hệ phương trình :

II TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID.

Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiểnsử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồitiếp được sử dụng rộng rãi trong có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thốngđiều khiển tự động

Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vàosau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp

Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để điều khiển cácđối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộđiều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn như điều khiển nhiệtđộ, điều khiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyếnthấp

PID là một trong những lý thuyết cổ điển và cũ nhất dùng cho điều khiển tuynhiên nó vẫn ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay

Sơ đồ khối của bộ diều khiển PID:

Hình 2.1 Sơ đồ khối của bộ PID

+KP: hệ số tỷ lệ +KI : hệ số tích phân +KD: hệ số vi phânXét 1 hệ thống có sơ đồ khối như sau:

u=Kpe+KI∫edt+KDde

dt (2.2)

Lúc này đối tượng điều khiển có tín hiệu vào là (u), và tín hiệu ra la (Y) (Y) được hồitiếp về bằng các cảm biến để tiếp tục tính sai lệch (e) Và bộ điều khiển lại tiếp tục nhưtrên.

 Đặc tính bộ điều khiển P,I,D:

- Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm chứkhông triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-stateerror)

- Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảmtốc độ đáp ứng của hệ

- Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốcđộ đáp ứng của hệ

Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của các thông số PID lên đối tượng- Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn phụ thuộcvào nhau Trên thực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh hưởng đến hai thành phần cònlại Vì vậy bảng trên chỉ có tác dụng tham khảo khi chọn Kp, Ki, Kd

IV CHỌN CẤU HÌNH CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN:

Sai số xáclập

Hình 3.1 Cấu hình được chọn để điều khiển

Kp Hệ số của máy bơm 3.3 Cm3/Sv

Bảng 3.1 Các thông số của đồi tượng điều khiển

V MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB-SIMULINK:

1 Giới thiệu về matlab - simulink:

1.1 MATLAB.

MATLAB, là tên viết tắt của từ tiếng anh matrix laboratory, là một môi trườngmạnh dành cho các tính toán khoa học Nó tích hợp các phép tính ma trận và phân tích sốdựa trên các hàm cơ bản Hơn nữa cấu trúc đồ họa hướng của Matlab cho phép tạo ra cáchình vẽ chất lượng cao.Ngày nay, Matlab trở thành ngôn ngữ chuẩn được sử dụng trongnhiều ngành và nhiều quốc gia trên thế giới

Về mặt cấu trúc, Matlab gồm một cửa sổ chính và rất nhiều hàm viết sẵn khác nhau Cáchàm trên cùng một lĩnh vực ứng dụng được xếp chung vào một thư viện, điều này giúpngười sử dụng dễ dàng tìm được hàm cấn quan tâm Có thể kể ra một số thư viện nhưsau:

-Control system (dành cho điều khiển tự động)-Finacial toolbox (lĩnh vực kinh tế)

-Fuzzy logic (điều khiển mờ)-Signal processing (xử lý tín hiệu)-Statistics (toán học và thống kê)-Symbolic (tính toán theo biểu thức)-System identification (nhận dạng)-…

Một tính chất rất mạnh của Matlab là nó có thể liên kết với các ngôn ngữ khác như C , C++ hay Vb…

1.2 SIMULINK:

Simulink được tích hợp vào Matlab như một công cụ đẻ mô phỏng hệ thống, giúpngười sử dụng phân tích và tổng hợp hệ thống một cách trực quan Trong Simulink, hệthống hệ thống không mô tả dưới dạng dòng lệnh theo kiểu truyền thống mà là ở dang sơ

đồ khối.Với dạng sơ đồ này, ta có thể quan sát các đáp ứng thời gian của hệ thống vớinhiều tín hiệu vào khác nhau như: tín hiệu bậc thang, tín hiệu sin, xung chữ nhật… bằngcách thực hiện mô phỏng Kết quả mô phỏng có thể được xem theo thời gian thực trêncác Oscilloscope trong môi trường Simulink,hay trong môi trường Matlab.

Simulink hoàn toàn tương thích với Matlab, nhưng nó là một giao diện đồ họa Vìvậy tất cả các hàm trong Matlab đều có thể truy cập được từ Simulink, ngay cả các hàmdo người tạo ra

Cuối cùng, Simulink cho phếp người sử dụng khả năng tạo ra một thư viện khốiriêng Ví dụ, nếu bạn muốn làm việc trong lĩnh vực điều khiển các máy điện, bạn có thểtạo ra một thư viện riêng chứa các mô hình máy điện… Như vậy, với công cụ Simulink tacó thể tự tiến hành mô phỏng thí nghiệm, quan sát kết quả, kiểm chứng với lý thuyếttrước khi tiến hành thí nghiệm trên mô hình thực

2 Đánh giá chất lượng của hệ thống:

Để đánh giá chất lượng của hệ thống ta dựa vào các chỉ tiêu sau:

2.2.Thời gian quá độ lớn nhất Tmax:

Về mặt lý thuyết, quá trình quá độ kết thúc khi t →∞ Trong điều khiển tự động,ta có thể xem quá trình quá độ kết thúc khi sai lệch của tín hiệu được điều khiển với giátrị xác lập của nó không vượt qua 5% (một số thì chọn 2%).Khoảng thời gian đó gọi làTmax

Thông thường thì Tmax=2 đến 3 chu kỳ dao động quanh giá trị xác lập

2.3.Thời gian tăng tm:

Là thời gian từ 0 đến lúc tín hiệu điều khiển đặt được 90% giá trị xác lập lần đầutiên

2.4.Sai số xác lập:

Là sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp của hệ thống khi thời gian tiến đến vôcùng

Hình 4.2 Quá trình quá độ của một hệ thống

3 Mô phỏng trên Matlab – Simulink:

Mục tiêu điều khiển là giữ cho mực chất lỏng trong bồn chứa thứ hai bám theo tínhiệu đạt cho trước Ở đây ta dùng bộ điều khiển PID để điều khiển hệ thống Để đo mứcnước trong bồn 2 ta đặt một cảm biến âm thanh để xác định chiều cao mực nước của bồn.Lúc này ta có mô hình mô phỏng của hệ thống trên Matlab – Simulink là:

Chương III: MÔ HÌNH THỰC TẾ:

1 Linh kiện:

 Nguồn tổ ong 12V:

+ Thông số Kỹ thuật:

 Điện áp đầu vào: 110/ 220V AC

 Điện áp đầu ra: 12V DC

Cảm biến siêu âm SR04 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm Cảm biến gồm

2 module.1 module phát ra sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm phản xạ về Đầutiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần số 40khz Nếu có chướng ngại vật trênđường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng Bằng cách đothời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đếnchướng ngại vật

Arduino Uno R3 là loại phổ biến và dễ sử dụng nhất trong các dòng Arduino hiệnnay cũng như tương thích với nhiều loại Arduino Shield nhất, tại Hshop.vn phiên bản

Uno là Revision 3 (R3) như hình mô tả dưới đây, các bạn nên lưu ý điểm này rất quantrọng vì ở một số nơi bán loại không phải R3 mà là các phiên bản cũ hoặc sử dụng IC nạpCH340 giá rẻ với cấu trúc phần cứng dễ lỗi, dễ cháy hơn so với phiên bản R3

Thông số kỹ thuật:o Chip điều khiển chính: ATmega328Po Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2o Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn

DC (nếu sử dụng nguồn ngoài từ giắc tròn DC Hshop.vn khuyên bạn nên cấpnguồn từ 6~9VDC để đảm bảo mạch hoạt động tốt, nếu bạn cắm 12VDC thì ICổn áp rất nóng, dễ cháy và gây hư hỏng mạch)

o Số chân Digital I/O: 14 (trong đó 6 chân có khả năng xuất xung PWM).o Số chân PWM Digital I/O: 6

o Số chân Analog Input: 6o Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20 mAo Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA

o Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader.o SRAM: 2 KB (ATmega328P)

o EEPROM: 1 KB (ATmega328P)o Clock Speed: 16 MHz