Đối với sinh viên kỹ thuật, được thựchiện khóa luận tốt nghiệp, được nghiên cứu sâu về những đề tài gắn liền với thựctiễn công việc là một điều vô cùng ý nghĩa, là khoảng thời gian quý b
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Lý do chọn 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 kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất Hiện nay, tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, cụ thể như công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất xi măng…cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống Nói chung, để nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo an toàn cho người, máy móc và môi trường trong công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng thì vấn đề điều khiển quá trình công nghệ là rất quan trọng. Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển,vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo 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 có yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng Các đại lượng cần điều khiển như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ…cần phải điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đặt ra Đặc thù của quá trình công nghệ là diễn biến tương đối chậm, mô hình phức tạp khó xác định, khả năng điều khiển hạn chế,khó thay đổi thiết kế về công nghệ Nên trong điều khiển quá trình công nghệ ta phải thiết lập một hệ thống phù hợp với đặt thù của quá trình công nghệ.
Hiện nay, trong công nghiệp hóa lọc dầu, công 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 chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn.Chính vì vậy, vấn đề dặt ra trong đề tài là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là hệ bồn nước đôi Hệ bồn nước đôi được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, cột chất lỏng của hai bồn được duy trì ổn định Để làm được điều này thì đòi hỏi
2 phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm, bơm vào hệ thống bồn nước đôi, làm mức nước trong hai bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi Việc điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong hai bồn ổn định là tương đối khó,cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy bơm.
Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước đôi, nhưng ở đây ta sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển Công việc điều khiển được thực hiện mô phỏng trên Matlab, với công cụ là Simulink.
Xây dựng một mô hình nhà thông minh đơn giản, hiệu quả và đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của một ngôi nhà thông minh.
Nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới vào việc điều khiển và quản lý các thiết bị trong nhà.
Đánh giá khả năng ứng dụng của các giải pháp nhà thông minh vào thực tế.
Nghiên cứu phần cứng mô hình ngôi nhà thông minh Hệ thống được điều khiển bằng Arduino.
Hệ thống là một mô hình đơn giản và mang tính chất thí nghiệm, chưa có những tính năng phức tạp.
Hệ thống chỉ giám sát thông qua sóng Wifi cho nên còn hạn chế về khoảng cách.
1.4 Phương pháp nghiên cứu Đề tài thiết kế và thi công hệ thống nhà thông minh sử dụng phương pháp:
- Phương pháp nguyên cứu tài liệu Tìm tài liệu trên mạng, báo, đài điện tử, giáo trình để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn.
- Thiết kế và thi công mô hình nhà thông minh.
GIỚI THIỆU LINH KIỆN
2.1 Khái quát về cấu tạo của hệ bồn nước đôi:
2.1.1 Giới thiệu về các thành phần mô hình:
- Tổng quan về Arduino Mega 2560:
Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3) Bạn sẽ bắt đầu đến với Arduino qua thứ này Bạn có thể dùng Arduino Nano cũng được nhưng mình khuyên bạn nên dùng Arduino Mega 2560.
Arduino Mega 2560 có thể sử dụng một vi điều khiển duy nhất, đó là vi điều khiển ATmega2560 thuộc họ AVR 8-bit của Microchip Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,….
Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7 - 12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng
USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino Mega2560
Bảng 2.1 Thông số Arduino Mega 2560
Vi điều khiển Atmega2560 (họ 8bit)
Tần số hoạt động 5V – DC16 MHz Điện áp hoạt động 7V - 20V, 1A
Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC
Số chân Digital I/O 54 (15 chân PWM)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 256 KB (Atmega2560) với 8KB dùng bootloader
Với kích thước cực kì nhỏ gọn và khả năng tương tự như Arduino Uno, bạn có thể ứng dụng nó trong các dự án yêu cầu kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ, chẳng hạn như quadrotor, xe điều khiển từ xa bằng bluetooth, nhện mini, flycam, hay tất cả những ứng dụng gì mà các board Arduino khác mang lại nhưng vẫn có một kích thước cực kỳ nhỏ gọn Chính điều đó đã mang lại sự khác biệt cho Arduino Nano Sau đây là hình ảnh về một số ứng dụng của board Arduino Nano được áp dụng trong thực tế.
Hình 2.7 Ứng dụng của Arduino Mega 2560 trên thực tế
- Sơ đồ chân và mạch nguyên lý Arduino Mega 2560:
Hình 2.8 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560Theo sơ đồ chân thì ta thấy có 54 chân digital từ D1 đến D54, 15 chân analog từ A0 đến A15 Có thể sử dụng nguồn trực tiếp từ máy tính thông qua cổng mini USB, hoặc nếu cấp nguồn 7v trực tiếp cho Arduino thì cấp vào chân 5v và chân GND Khi sử nguồn lớn hơn 5v như 7v hoặc 9v thì phải dùng đến chân VIN và GND Chân 5v trên Arduino vừa có thể là chân cấp nguồn, cũng có thể là chân lấy nguồn nuôi.
Arduino Mega 2560 gồm những phần chính:
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega 256
2.1.3 Mạch điều khiển động cơ DC BTS 7960:
Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 là một module điện tử được sử dụng để điều khiển động cơ DC dòng cao Nó tích hợp một cầu H hoàn chỉnh bao gồm haiMOSFET kênh P và hai MOSFET kênh N, cùng với một vi mạch điều khiển.
Hình 2.10 Mạch điều khiển động cơ DC BTS 7960
Khi cấp tín hiệu logic cao (3.3V hoặc 5V) cho chân IN1, MOSFET kênh P sẽ được kích hoạt, cho phép dòng điện chảy qua động cơ theo chiều thuận Ngược lại, khi cấp tín hiệu logic cao cho chân IN2, MOSFET kênh N sẽ được kích hoạt, cho phép dòng điện chảy qua động cơ theo chiều nghịch Tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kỳ duty của tín hiệu PWM trên chân PWM.
Bảng 2.2 Thông số Mạch điều khiển động cơ DC BTS 7960 Điện áp đầu vào 6~27V
Tín hiệu logic điều khiển
Tần số điều khiển tối đa
Kích thước 40 50 x12mm+ Cấu hình chân
IS-R : Tín hiệu đầu vào để phát hiện dòng điện mức cao - Quay thẳng
IS-L : Tín hiệu đầu vào để phát hiện dòng điện mức cao - Quay nghịch đảo
EN-R : Tín hiệu đầu ra để điều khiển khiển hướng động cơ - Quay thẳng
EN-L : Tín hiệu đầu ra để điều khiển hướng động cơ cơ - Quay nghịch đảo
PWM-R : Tín hiệu PWM để điều khiển tốc độ động cơ - Quay thẳng
PWM-L : Tín hiệu PWM để điều khiển tốc độ động cơ - Quay nghịch đảo
Hình 2.12 Sơ đồ kết nối Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A
2.1.4 Động cơ DC: Động cơ một chiều (động cơ DC, DC motor) có cấu tạo từ 2 bộ phận: bộ phân đứng yên được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu gọi là stato và bộ phận quay được cấu tạo là một nam châm điện cấu tạo từ 1 cuộn dây đồng có lõi là 1 thanh kim loại được gọi là roto.
Việc lựa chọn động cơ căn cứ vào các tiêu chí sau:
- Tạo được áp suất nước
Trong đề tài này tôi sử dụng động cơ DC máy bơm áp suất DP - 521:
✓Điện áp cung cấp từ 12V
✓Áp suất tối đa: 0.48MPa (4.8 bar)
✓Lưu lượng nước: 3.5 lít/phút
Hình 2.13 Động cơ DC máy bơm áp suất DP - 521 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật máy bơm: Điện áp 12V
Dòng điện 2A Áp suất tối đa 0.48MPa (4.8 bar) Lưu lượng nước 3.5 lít/phút Kích thước 15.5 x 9.6 x 6 cm
2.1.5 Cảm biến mực chất lỏng:
2.1.5.1 Tổng quan về cảm biến mực chất lỏng:
Cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc là thiết bị điện tử được sử dụng để đo lường và kiểm soát mực chất lỏng trong các bình chứa, bể, hoặc đường ống mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng Cảm biến này hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý khác nhau như cảm ứng điện từ, sóng siêu âm, hoặc quang học để xác định vị trí mặt chất lỏng.
+ Cảm biến điện từ: Cảm biến sử dụng trường điện từ để xác định vị trí mặt chất lỏng Khi chất lỏng tiếp xúc với đầu dò cảm biến, độ dẫn điện của môi trường thay đổi, dẫn đến thay đổi tín hiệu điện từ Tín hiệu này được xử lý để xác định vị trí mực chất lỏng.
+ Cảm biến sóng siêu âm: Cảm biến sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách từ đầu dò cảm biến đến mặt chất lỏng Thời gian phản hồi của sóng siêu âm được sử dụng để tính toán vị trí mực chất lỏng.
+ Cảm biến quang học: Cảm biến sử dụng ánh sáng để xác định vị trí mặt chất lỏng Ánh sáng được chiếu vào chất lỏng và phản xạ lại Dựa trên độ phản xạ của ánh sáng, cảm biến có thể xác định vị trí mực chất lỏng.
+ Cảm biến mực chất lỏng dạng thanh: Loại cảm biến này được lắp đặt dọc theo thành bình chứa, bể, hoặc đường ống Cảm biến có thể đo lường mực chất lỏng tại nhiều vị trí khác nhau.
+ Cảm biến mực chất lỏng dạng điểm: Loại cảm biến này được lắp đặt tại một vị trí cố định trong bình chứa, bể, hoặc đường ống Cảm biến chỉ có thể đo lường mực chất lỏng tại vị trí lắp đặt.
2.1.5.2 Cảm biến mực chất lỏng XKC-Y26-PNP
Cảm biến XKC-Y26-PNP là một thiết bị điện tử được sử dụng để đo lường và kiểm soát mực chất lỏng trong các bình chứa, bể, hoặc đường ống mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để xác định vị trí mặt chất lỏng.
Hình 2.14 Cảm biến mực chất lỏng XKC-Y26-PNP Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật Điện áp làm việc 24V DC
Công suất tiêu thụ 5mA Điện áp đầu ra (Mức cao) Vin Điện áp đầu ra (Mức thấp) 0V
Dòng điện đầu ra 1-100mA
Thời gian phản hồi 500ms Độ nhạy cẩm biến Phạm vi: 0-20mm
Nhiệt độ làm việc -20 ℃ ~ 85 ℃ Độ ẩm làm việc 5% -100% RHKích thước cảm biến 34.5 X 13.6 X 14.5mm
TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ GIỚI THIỆU PHẦN MỀN MATLAB – SIMULINK
GIỚI THIỆU PHẦN MỀN MATLAB – SIMULINK
Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động.
Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau 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 các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn như điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp.
PID là một trong những lý thuyết cổ điển và cũ nhất dùng cho điều khiển tuy nhiên nó vẫn ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay.
Sơ đồ khối của bộ diều khiển PID:
Hình 3.1 Sơ đồ khối của bộ diều khiển PID
- Bộ điều khiển gồm có 3 thành phần:
+ KP: hệ số tỷ lệ
+ KI : hệ số tích phân
+ +KD: hệ số vi phân
Xét 1 hệ thống có sơ đồ khối như sau:
Plant: đối tượng cần điều khiển
Controller: đưa tín hiệu điều khiển đối tượng, được thiết kế để hệ thống đạt đáp ứng mong muốn
Biến e là thành phần sai lệch, là hiệu giữa giá trị tín hiệu vào mong muốn và tín hiệu ra thực tế Tín hiệu sai lệch (e) sẽ đưa tới bộ PID, và bộ điều khiển tính toán cả thành phần tích phân lẫn vi phân của (e) Tín hiệu ra (u) của bộ điều khiển
Lúc này đối tượng điều khiển có tín hiệu vào là (u), và tín hiệu ra la (Y) (Y) được hồi tiếp về bằng các cảm biến để tiếp tục tính sai lệch (e) Và bộ điều khiển lại tiếp tục như trên.
3.1.2 Đặt tính bộ điều khiển PID
-Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error)
-Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ.
-Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ. Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của các thông số PID lên đối tượng Đáp ứng vòng kín Thời gian lên Vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập
KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm
KI Giảm Tăng Tăng Thay đổi nhỏ
KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ
3.2 Các bộ điều khiển khác
3.2.1 Bộ điều khiển tỉ lệ P
3.2.1.2 Đặc tính tần số logarit
- Tăng (giảm )biên độ trên toàn đặc tính
- Không làm thay đổi về pha
3.2.2 Bộ điều khiển tỉ lệ PI (Proportional Integral Controller)
3.2.2.2 Đặc tính tần số logarit
- Giảm bậc sai lệch tĩnh
- Tác dụng hiệu chỉnh phụ thuộc rất lớn vào việc chọn thông số bộ điều khiển
3.2.3 Bộ điều khiển tỉ lệ PI (Proportional Derivative Controller)
3.2.3.2 Đặc tính tần số logarit
- Tăng mạnh hệ số khuếch đại tín hiệu ở tần số cao.
3.3 Các phương pháp điều khiển bộ PID
Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển PID Phương pháp thứ nhất dùng mô hình quán tính bậc nhất của đối tượng điều khiển.
Phương pháp thứ hai không cần đến mô hình toán học của đối tượng nhưng chỉ áp dụng cho một số lớp đối tượng nhất định
3.3.1 Phương pháp Zieger-Nichols thứ nhất
Xác định thông số của bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng của hệ hở:
Hình 3.2 Sơ đồ khối của một hệ hở
Hình 3.3 Đáp ứng của hệ hở Khi đó ta có bảng tính thông số của bộ PID là:
Hình 3.4 Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID
3.3.2 Phương pháp Zieger-Nichols thứ hai
Hình 3.5 Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P
Hình 3.6 Đáp ứng của hệ kín Phương pháp này thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại, sau đó tăng K cho đến khi hệ nằm ở biên giới ổn định , tức là hệ kín trở thành khâu dao động điều hòa Lúc này ta co K gh và chu kì của dao động đó là
Tgh Tham số cho bộ điều khiển PID
3.4 Giới thiệu về MATLAB – SIMULINK
MATLAB, là tên viết tắt của từ tiếng anh matrix laboratory, là một môi trường mạnh dành cho các tính toán khoa học Nó tích hợp các phép tính ma trận và phân tích số dựa trên các hàm cơ bản Hơn nữa cấu trúc đồ họa hướng của Matlab cho phép tạo ra các hình vẽ chất lượng cao.Ngày nay, Matlab trở thành ngôn ngữ chuẩn được sử dụng trong nhiều 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 Các hàm trên cùng một lĩnh vực ứng dụng được xếp chung vào một thư viện, điều này giúp người sử dụng dễ dàng tìm được hàm cấn quan tâm Có thể kể ra một số thư viện như sau:
-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…
Control System Toolbox (CST) là một thư viện của Matlab dùng trong lĩnh vực điều khiển tự động Cùng với các lệnh của Matlab, tập lệnh của CST sẽ giúp ta thiết kế, phân tích và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của một hệ thống tuyến tính.
3.4.1.1 Định nghĩa một hệ thống tuyến tính.
- Định nghĩa bắng hàm truyền
Hệ thống một tín hiệu vào/ra Câu lệnh: sys=tf(num,den)
+ num là vecto chứa các hệ số của đa thức ở tử số, bậc từ cao đến thấp theo toán tử laplace.
+ den là vecto chứa các hệ số của đa thức ở tử số, bậc từ cao đến thấp.
- Định nghĩa bằng zero và cực
Hệ thống môtj tín hiệu vào/ra
+ Z, P là các vecto hàng chứa danh sách các điểm zero và cực của hệ thống. + K là hệ số khuếch đại
+ A, B, C, D là các ma trận trạng thái định ngĩa hệ thống.
Chuyển đổi giữa các dạng biểu diễn
+ Chuyển từ phương trình trạng thái sang hàm truyền [num,den]=ss2tf(A,B,C,D) + Chuyển từ dạng zero/cực sang hàm truyền [num,den]=zp2tf(Z,P,K) + Chuyển từ hàm truyền sang phương trình trạng thái [A,B,C,D]=tf2ss(num,den)
3.4.2 Biến đổi sơ đồ tương đương
Câu lệnh: sys=series(sys1,sys2)
Câu lệnh : sys=parallel(sys1,sys2)
Câu lệnh sysedback(sys1,sys2,sign)
Sign=+1 nếu phản hồi dương và sign=-1 nếu phản hồi âm
Simulink được tích hợp vào Matlab như một công cụ đẻ mô phỏng hệ thống, giúp người sử dụng phân tích và tổng hợp hệ thống một cách trực quan. Trong Simulink, hệ thống 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 với nhiều tín hiệu vào khác nhau như: tín hiệu bậc thang, tín hiệu sin, xung chữ nhật… bằng cách thực hiện mô phỏng. Kết quả mô phỏng có thể được xem theo thời gian thực trên các Oscilloscope trong môi trường Simulink,hay trong môi trường Matlab.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỒN NƯỚC
4.1.1 Sơ đồ kết nối hệ bồn nước đôi:
Hình 4.1 Sơ đồ kết nối hệ bồn nước đôi
4.2 Cấu hình bồn nước đôi
4.2.1 Tình toán chọn hệ bồn nước
Chọn cấu hình hệ bồn nước đôi liên kết có 1 biến đầu vào và 1 biến đầu ra làm đối tượng điều khiển của đề tài.
Ta có mô hình và phương trình toán học như sau:
Hình 4.2 Cấu hình bồn nước được chọn để điều khiển
Vì diện tích của hai bồn giống nhau (A1=A2=A ) nên hệ phương trình được viết lại như sau:
4.2.1.1 Các thông số của bồn nước đôi
Bảng 4.1: Các thông số của hệ bồn nước
Mô tả Giá trị Đơn vị
Kp Hệ số của máy bơm 3.3 Cm 3 /Sv
CDb Hệ số của val xả B 0.6
CDc Hệ số của val xả C 0.6
D Đường kính bên trong của bồn 6 Cm
DB Đường kính của val xả B 0.6 Cm
DC Đường kính của val xả C 0.4 Cm
Hmax Chiều cao của mỗi bồn 30 Cm
K Độ phân giải của sensor 6.1 Cm/V
Chọn H2 = 6cm thì từ (48) ta có
Từ đây ta xác định được các hệ số k1, k2, k3 của hàm truyền đạt là:
Thay (3.19) vào hàm truyền đạt (3.16) của hệ thống ta được:
4.3 Chọn các thông số K p , K i , K D của của bộ điều khiển PID Ở đây ta áp dụng phương pháp Z-N-1 để xác định các thông số của bộ điều khiển PID, ta có mô hình và đáp ứng của hệ hở là:
Hình 4.3 Mô hình mô phỏng Simulink của hệ hở
Hình 4.4 Đáp ứng ra của hệ hở
Từ đáp ứng của hệ hở ta xác định được các giá trị T1, T2, K bằng cách kẻ một tiếp tuyến với đường đặc tính tại điểm uốn của nó.Cuối cùng ta xác định được T1=4, T24 và K=4.85.
Từ đây ta biết được các thông số của bộ điều khiển PID dựa vào bảng 2.2:
5.1 Kết quả: CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Hình 5.1 Mô hình thực tế
Mục tiêu điều khiển là giữ cho mực chất lỏng trong bồn chứa thứ hai bám theo tín hiệu đạt cho trước Ở đây ta dùng bộ điều khiển PID để điều khiển hệ thống Để đo mức nước trong bồn 2 ta đặt một cảm biến áp suất dưới đáy của bồn và cảm biến này có độ phân giải là K=6.1cm/v Lúc này ta có mô hình mô phỏng của hệ thống trên Matlab – Simulink là:
Hình 5.2 Mô hình mô phỏng Simulink của hệ kín
Và đáp ứng của hệ kín là:
Hình 5.3 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID1 Các thông số của bộ điều khiển PID được chọn theo phương pháp Z-N-1 như trên đảm bảo hệ thống đã cho làm việc ổn định Từ đồ thị đặc tính quá độ của hệ thống ở trên ta nhận thấy thời gian quá độ quá lớn nhất lớn (147s), độ vọt lố lớn (47.5%), thời gian tăng lớn (16s ) và sai số xác lập lớn, không thỏa mãn yêu cầu đặt ra của một hệ thống điều khiển nên chất lượng của hệ thống không tốt Để chất lượng của hệ thống được tốt hơn ta sẽ điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển PID để giảm thời gian quá độ lớn nhất, độ vọt lố, thời gian tăng và sai số xác lập bằng cách dựa vào bảng 2.1.
Trước tiên ta giảm thời gian tăng bằng cách tăng hệ số Kp, ở đây ta chọn Kp,lúc này thời gian tăng nhỏ (3.77s), đồng thời thời gian quá độ lớn nhất giảm nhưng vẫn còn lớn (21s) và sai số xác lập nhỏ Sau khi hiệu chỉnh ta được đáp ứng đầu ra của hệ thống kín là:
Hình 5.4 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID2 Ở trên ta nhận thấy độ vọt lố lớn và thời gian quá độ lớn nhất cũng lớn để giảm chúng bằng cách tăng hệ số KD của bộ điều khiển PID Ta chọn KD p, lúc này độ vọt lố giảm (21.06% ), thời gian quá độ cũng giảm xuống đáng kể (14.4s) nhưng sai số xác lập chưa triệt tiêu được.
Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có khả năng duy trì mực nước trong hai bồn ở mức mong muốn với độ chính xác cao Hệ thống có thời gian đáp ứng nhanh và ít dao động.
Từ mô hình cho thấy hệ thống điều khiển PID có hiệu quả cao trong việc điều khiển mực nước trong hai bồn nước Hệ thống có khả năng duy trì độ chính xác cao, thời gian đáp ứng nhanh và ít dao động So với các phương pháp điều khiển khác, hệ thống điều khiển PID có độ đơn giản và dễ dàng cài đặt hơn.
Ta được đáp ứng đầu ra:
Hình 5.5 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID3
- Để triệt tiêu sai số xác lập ta tăng hệ số KI của bộ điều khiển PID, ở đây ta tăng đến KI 1.045 Lúc này sai số xác lập được triệt tiêu nhưng độ vọt lố và thời gian quá độ lớn nhất tăng một ít. Đáp ứng đầu ra lúc này là:
Hình 5.6 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID4
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN
6.1.1 Ưu điểm của đề tài:
+ Độ chính xác cao: Hệ thống PID có khả năng điều chỉnh mực nước trong bể một cách chính xác, giảm thiểu sai số và đảm bảo mực nước luôn ở mức mong muốn.
+ Ổn định: Hệ thống PID giúp duy trì mực nước ổn định, hạn chế tình trạng dao động đột ngột, đảm bảo an toàn cho hệ thống và tránh lãng phí nước.
+ Tiết kiệm năng lượng: Hệ thống PID tối ưu hóa hoạt động của bơm, giảm thiểu điện năng tiêu thụ, góp phần tiết kiệm chi phí vận hành.
+ Dễ sử dụng: Việc điều chỉnh và cài đặt hệ thống PID tương đối đơn giản, không đòi hỏi quá nhiều kiến thức chuyên môn.
+ Chi phí thấp: Hệ thống PID sử dụng các linh kiện điện tử phổ biến, giá thành rẻ, dễ dàng bảo trì và sửa chữa.
+ Phù hợp với nhiều ứng dụng: Hệ thống PID có thể được áp dụng cho nhiều hệ thống bể nước khác nhau, từ bể nước sinh hoạt đến bể nước công nghiệp.
+ Khả năng mở rộng: Hệ thống PID có thể dễ dàng mở rộng để phù hợp với nhu cầu sử dụng, đáp ứng các yêu cầu về lưu lượng và dung tích bể khác nhau.
+ Tích hợp với các hệ thống khác: Hệ thống PID có thể được tích hợp với các hệ thống điều khiển khác, tạo thành hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh.
6.1.2 Nhược điểm của đề tài:
- Hạn chế vềs mặt kỹ thuật:
+ Độ nhạy: Hệ thống PID có thể nhạy cảm với nhiễu, dẫn đến sai lệch trong kết quả điều khiển.
+ Yêu cầu điều chỉnh: Hiệu quả hoạt động của hệ thống PID phụ thuộc vào việc điều chỉnh các tham số PID phù hợp, đòi hỏi người sử dụng có kiến thức chuyên môn.+ Khả năng xử lý nhiễu: Hệ thống PID có thể gặp khó khăn trong việc xử lý các nhiễu lớn và thay đổi đột ngột của hệ thống.
- Hạn chế về mặt chi phí:
+ Chi phí lắp đặt: Chi phí lắp đặt hệ thống PID cao hơn so với các hệ thống điều khiển đơn giản khác.
+ Chi phí bảo trì: Việc bảo trì hệ thống PID đòi hỏi kỹ thuật viên có chuyên môn, dẫn đến chi phí bảo trì cao hơn.