điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định L ỜI NÓI ĐẦU  Năm năm học tập tại trường Đại học bách khoa Đà Nẵng, nhà trường và thầy cô không chỉ truyền đạt cho em những kiến thức chuyên môn về ngành mà còn giáo dục cho em về lý tưởng đạo đức trong cuộc sống. Đây là những hành trang không thể thiếu cho cuộc sống và sự nghiệp của em. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô trong Khoa Điện đặc biệt là các thầy cô trong ngành Tự Động Hoá đã tận tình chỉ bảo, dẫn dắt em đến ngày hôm nay. Đồ án tốt nghiệp đã đánh dấu việc hoàn thành trong những năm cố gắng học tập của em. Qua đây em xin chân thành cảm ơn đến cha mẹ, thầy cô và bạn bè những người luôn tạo mọi điều kiện để em hoàn thành khoá học. Riêng đối với đồ án tốt nghiệp này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH là giáo viên hướng dẫn em đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn cho em cũng như tạo mọi điều kiện giúp em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Do thời gian làm luận văn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót kính mong quý thầy cô tận tình chỉ dẫn thêm. Xin chân thành cảm ơn ! TP.ĐÀ NẴNG, Ngày 30 tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện MAI VĂN VĂN SVTH:Mai Văn Văn Trang 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định MỤC LỤC Trang CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI 8 I.GIỚI THIỆU 8 II.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 9 1.Cấu hình hệ bồn nước đơn 9 1.1.Mô hình của hệ thống 9 1.2.Phương trình toán học của mô hình 10 2.Cấu hình bồn nước đôi 10 2.1.Hệ một đầu vào một đầu ra (SISO) 10 2.1.1.Cấu hình bồn nước đôi liên kết 10 2.1.1.1.Mô hình của hệ thống 10 2.1.1.2.Phương trình toán học của mô hình 11 2.1.2.Cấu hình hệ bồn nước đôi nối tiếp 13 2.1.2.1.Mô hình của hệ thống 13 2.1.2.2.Phương trình toán học của mô hình 14 2.2.Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) 16 2.2.1.Cấu hình bồn nước đôi liên kết 16 2.2.1.1.Mô hình của hệ thống 16 2.2.1.2.Phương trình toán học 17 2.2.2.Cấu hình hệ bồn nước đôi nối tiếp 18 2.2.2.1.Mô hình của hệ thống 18 2.2.2.2.Phương trình toán học` 18 CHƯƠNG II :TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 21 I.GIỚI THIỆU BỘ PID 21 1.Hàm truyền đạt 22 2.Đặc tính bộ điều khiển PID 22 II.CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC 23 SVTH:Mai Văn Văn Trang 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định 1.Bộ điều khiển tỉ lệ P 23 1.1.Hàm truyền đạt 23 1.2.Đặc tính tần số logarit 23 1.3.Tác dụng 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 25 6.Bộ bù trễ - sớm pha 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 nhất 26 2.Phương pháp Zieger-Nichols thứ hai 27 CHƯƠNG III :TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG CHO BỒN NƯỚC TRONG BỒN NƯỚC ĐÔI 29 I.CHỌN CẤU HÌNH CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN 29 SVTH:Mai Văn Văn Trang 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định 1.Chọn cấu hình 29 2.Khảo sát hệ thống phi tuyến 30 3.Chọn các thông số của đối tượng điều khiển 33 II.CHỌN CÁC THÔNG SỐ K P , K I , K D CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 34 CHƯƠNG IV :MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB–SIMULINK 36 I.GIỚI THIỆU VỀ MATLAB – SIMULINK 36 1.Control System Toolbox 36 1.1.Định nghĩa một hệ thốn tuyến tính 37 1.1.1.Định nghĩa bằng hàm truyền 37 1.1.2.Định nghĩa bằng zero và 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 39 2.Simulink 39 2.1.Khởi động Simulink 40 2.2.Các khối chức năng trong 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 54 II.ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG 57 1.Độ quá điều chỉnh lớn nhất 58 2.Thời gian quá độ lớn nhất 58 SVTH:Mai Văn Văn Trang 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định 3.Thời gian tăng 58 4.Sai số xác lập 58 III.MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULINK 59 CHƯƠNG V :KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC HÌNH SVTH:Mai Văn Văn Trang 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định Hình Nội Dung Trang 1.1 Cấu hình bồn nước đơn 9 1.2 Cấu hình bồn nước đôi liên kết hệ SISO 11 1.3 Cấu hình bồn nước đôi nối tiếp hệ SISO 13 1.4 Cấu hình bồn nước đôi liên kết hệ MIMO 16 1.5 Cấu hình 2 bồn nước đôi nối tiếp hệ MIMO 18 2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 21 2.2 Sơ đồ khối của một hệ thống 22 2.3 Sơ đồ khối của một hệ hở 26 2.4 Đáp ứng của hệ hở 26 2.5 Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ điều khiển PID 27 2.6 Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ điều khiển tỉ lệ P 27 2.7 Đáp ứng của hệ kín 28 3.1 Cấu hình bồn nước đôi liên kết được chọn làm đối tượng điều khiển 29 3.2 Mô hình mô phỏng Simulink của hệ hở 34 3.3 Đáp ứng ra của hệ hở 34 4.1 Danh mục thư viện của Simulink 40 4.2 Quá trình quá độ của một hệ thống 58 4.3 Mô hình mô phỏng Simulink của hệ kín 59 4.4 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID1 60 4.5 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID2 61 4.6 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID3 62 4.7 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID4 63 4.8 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID5 64 DANH MỤC BẢNG Bảng Nội Dung Trang 2.1 Ảnh hưởng của các thông số PID lên đối tượng 23 2.2 Bảng tính các thông số PID theo Z–N 1 27 2.3 Bảng tính các thông số PID theo Z–N 2 28 3.1 Các thông số của đồi tượng điều khiển 33 SVTH:Mai Văn Văn Trang 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI I.GIỚI THIỆU: 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 SVTH:Mai Văn Văn Trang 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định 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 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 SVTH:Mai Văn Văn Trang 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển. Công việc điều khiển được thục hiện mô phỏng trên Matlab, với công cụ là Simulink. II.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN: Các cấu hình của hệ bồn nước thường gặp: 1.Cấu hình hệ bồn nước đơn: 1.1.Mô hình của hệ thống: Đây là mô hình hệ thống và nó là một phần rất quan trọng của hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bồn: Hình 1.1 Cấu hình bồn nước đơn 1.2.Phương trình toán học của mô hình: Mô hình biểu thị mối quan hệ giữa lưu lượng nước Q i vào bồn với lưu lượng nước Q o ra khỏi bồn qua van. dt tdH AQQ oi )( =− (1.1) Trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang của bồn nước. H là chiều cao của mức chất lỏng trong bồn. Nếu giả sử Van như là khe hở nhỏ thì dòng chảy qua van sẽ liên quan mức nước H có trong bồn: )(.2 tHgaCQ do = (1.2) Trong đó: C d là hệ số của van xả SVTH:Mai Văn Văn Trang 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định a là diện tích mặt cắt ngang của khe g là hằng số hấp dẫn và g = 980cm/s 2 Giả sử C d là một hằng số thì Q o sẽ có quan hệ phi tuyến với H ,kết hợp (1.1) với (1.2) ta có phương trình phi tuyến : id QtHgaC dt tdH A =+ )(.2 )( (1.3) Mà lưu lượng nước chảy vào bồn là: )( . tUKQ pi = (1.4) Vậy ta có phương trình toán học là: )()(.2 )( tUKtHgaC dt tdH A pd =+ (1.5) 2. Cấu hình bồn nước đôi: 2.1 Hệ một đầu vào một đầu ra (SISO): 2.1.1 Cấu hình bồn nước đôi liên kết: 2.1.1.1 Mô hình toán học: Mô hình của bồn nước: 2 bồn nước có cùng diện tích Hình 1.2 Cấu hình bồn nước đôi liên kết hệ SISO SVTH:Mai Văn Văn Trang 10 [...]... 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... nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID I.GIỚI THIỆU BỘ PID: 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... 0,5*Tgh 0,125*Tgh điều khiển Bảng 2.3 Bảng tính các thông số PID theo Z–N 2 SVTH:Mai Văn Văn Trang 28 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định CHƯƠNG III TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG CHO BỒN NƯỚC ĐÔI I.CHỌN CẤU HÌNH CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN: 1.Chọn cấu hình: Ta 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... Phương trình toán học: Gọi γ 1 là hệ số lưu lượng nước từ bơm 1 vào bồn 1 và γ 2 là hệ số lưu lượng nước từ bơm 2 vào bồn 2 Khi đó: -Lưu lượng nước chảy vào bồn 4 là: Qi 4 = (1 − γ 1 ) K pU 1 (t ) (1.45) -Lưu lượng nước chảy ra bồn 4 là: Qo 4 = C d 4 a4 2 gH 4 (t ) (1.46) -Lưu lượng nước chảy vào bồn 3 là: Qi 3 = (1 − γ 2 ) K pU 2 (t ) (1.47) -Lưu lượng nước chảy ra bồn 3 là: Qo 3 = C d 3 a3 2 gH 3... TS.Nguyễn Quốc Định Như vậy hệ bồn nước với cấu hình 1 là hệ phi tuyến với 2 biến trạng thái H1 và H2 b Phương án 2: Gọi γ là hệ số lưu lượng nước từ bơm vào bồn 2 Khi đó: -Lưu lượng nước chảy vào bồn 1 là: Qi1 = (1 − γ ) K pU (t ) (1.34) -Lưu lượng nước chảy vào bồn 2 là: Qi 2 = γK pU + CdB a B 2 gH 1 (t ) (1.35) -Lưu lượng nước ra khỏi bồn 1: Qo1 = C dB a B 2 gH 1 (t ) (1.36) -Lưu lượng nước ra khỏi... Quốc Định III.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 1.Phương pháp Zieger-Nichols thứ nhất: Xác định thông số của bộ điều. .. nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định -Lưu lượng nước chảy vào bồn 1 là: Qi1 = γ 1 K pU 1 (t ) + C d 3 a3 2 gH 3 (t ) (1.49) -Lưu lượng nước chảy ra bồn 1 là: Qo1 = C d 1a1 2 gH 1 (t ) (1.50) -Lưu lượng nước chảy vào bồn 2 là: Qi 2 = γ 2 K pU 2 (t ) + Cd 4 a4 2 gH 4 (t ) (1.51) -Lưu lượng nước chảy ra bồn 2 là: Qo 2 = C d 2 a2 2 gH 2 (t ) (1.52) Tương tự như trên ,ta có các phương trình động học cho 4 bồn lúc...Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định 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 qua van B sẽ chảy vào bồn 2 Ở đây ta xây dựng bộ điều khiển để điều khiển mực nước ở bồn 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 = C dB 2 g ( H 1 (t )... SVTH:Mai Văn Văn Trang 12 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Quốc Định -phương án 1: máy bơm sẽ bơm nước vào bồn 1 và nước từ bồn 1 chảy ra van của bồn 1 và chảy xuống bồn 2 Ở đây ta sẽ xây dựng bộ điều khiển để điều khiển mực nước ở bồn 2 -phương án 2: máy bơm sẽ bơm nước cùng lúc vào cả 2 bồn, nước từ bồn 1 sẽ chảy vào bồn 2 Và ta điều khiển mực nước trong bồn 2 Hình 1.3 Cấu hình bồn nước đôi nối tiếp... 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 2.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, 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 . 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. 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 phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết 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