Đề tài điều khiển mức nước trong bình chứa

Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương LỜI MỞ DẦU Ngày ảnh hưởng biến đổi khí hậu toàn cầu gây nhiều tượng thời tiết cực đoan lũ lụt, hạn hán, nhiệt độ trái đất tăng, sóng thần…đã làm ảnh hưởng lớn đến sống người Nước ta nước chịu ảnh hưởng nặng nề từ biến đổi khí hậu, xây dựng hệ thống thủy lợi quy mô lớn, đại vấn đề cần thiết nước ta Với phát triển khoa học kĩ thuật, chất lượng hệ thống thủy ngày nâng cao đặc biệt khả áp dụng điều khiển lôgic khả trình PLC vào việc tự động hóa điều khiển hệ thống giúp hệ thống điều khiển linh hoạt, nhanh, xác.Sau em xin trình bày đề tài “ điều khiển mức nước bình chứa ” mô hình thu nhỏ hệ thông hồ đập nước ta giúp điều tiết mước nước hợp lý hồ đập Mặc dù em cố gắng nhiều để hoàn thành đề tài song giới hạn thời gian,cũng kiến thức nên nội dung thiếu sót.em mọng góp ý thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên : Trần Văn Hưng Trang: Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương MỤC LỤC LỜI MỞ DẦU CHƯƠNG I Cơ sở lý thuyết điều khiển matlab 1.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động 1.2 Đặc tính động học khâu hệ thống miền tần số 1.3 Tính ổn định hệ thống điều khiển tự động 18 1.4 MATLAB 19 CHƯƠNG II Xây dựng mô tả toán mức nước bình 2.1 Mô hình đối tượng 25 2.2 Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống 25 2.3 Khảo sát đặc tính động học hệ thống 27 CHƯƠNG III Thiết kế điều khiển PID 3.1.Xác định thông số PID 33 3.2 Mô simulink 35 3.3.Sử dụng simulink tuning xác định thông số PID 37 Kết Luận 39 Tài liệu tham khảo 39 Trang: Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương CHƯƠNG I Cơ sở lý thuyết điều khiển matlab 1.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động 1.1.1 Định nghĩa: Điều khiển trình thu thập thông tin, xử lý thông tin tác lên hệ thống “gần” với mục đích định trước điều khiển tự động trình điều khiển tác động người.đáp ứng hệ thông thõa mãn yêu cầu tăng độ xác,tăng suất,tăng hiệu kinh tế, Một hệ thống điều khiển tự động xây dưng từ thành phần bản: - O : đối tượng - C : điều khiển - M : cảm biến (cơ cấu đo lường) Các loại tín hiệu có hệ thống gồm : - u : tín hiệu vào (tín hiệu điều khiển) y : tín hiệu f : tác động bê z : tín hiệu phản hồi e : sai lệch điều khiển Trang: Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương 1.1.2 Các nguyên tắc điều khiển -Nguyên tắc 1: nguyên tắc thông tin phản hồi -Nguyên tắc : nguyên tắc đa dạng tương xướng Tính đa dạng điều khiển thể khả thu thập thông tin,lưu giữ thông tin truyền tin,phân tích xử lý chọn định,… -Nguyên tắc : nguyên tắc bổ sung Một hệ thông tồn hoạt động môi trường cụ thể tác động qua lại chặt chẽ với môi trường -Nguyên tắc : nguyên tắc dự trữ Vì nguyên tắc coi thông tin chưa đầy đủ phỉa đề phòng bất trắc xẩy không dùng toàn lực lượng điều khiển bình thường vốn dự trữ không sử dụng cần để dảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn -Nguyên tắc : nguyen tắc phân cấp Một hệ thồng điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm.câu trúc thường sử dụng cấu trúc hình -Nguyên tắc : nguyên tắc cân nội Một hệ thống cần xây dựng chế cân nội đẻ có khả tự giải biến động xảy 1.1.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ) - Phân loại theo tín hiệu gồm có hai loại tín hiệu ổn định tín hiệu chương trình Trang: Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương - phân loại theo số vòng kín + hệ hở : số vòng kín + hệ kín có nhiêu loại hệ còng kín,hệ nhiều vòng kín,… - phân loại theo khả quan sát tín hiệu + hệ liên tục : qua sát tất trạng thái hệ thông theo thời gian + hệ không liên tục : quan sát phần trạng thái hệ thống.trong hệ thống không liên tục người ta chia làm hai loại “ hệ - thông gián đoạn hệ thông với kiện gián đoạn” phân loại theo mô hình toán học + hệ tuyến tính : đặc tính tất phần tử có hệ thống tuyến tính Đặc tính bản: xếp chồng + hệ phi tuyến : có đặc tính tĩnh phần tử Lf hàm phi tuyến + hệ thông tuyến tính hóa tuyến tính hóa phần hệ phi tuyến với số điều kiện cho trước để hệ tuyến tính gần 1.1.4 Biến đổi Laplace Giã sử có hàm f(t)liên tục,khả tích ảnh laplace f(t) qua phép biến đỏi laplace ,ký hiệu F(p) tính theo định nghĩa: Trang: Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương F ( p) = ∞ ∫ f (t )e − pt dt ∞ F ( p ) = ∫ f (t )e − pt dt - p: biến laplace f(t): hàm gốc F(p): hàm ảnh 1.1.5 Hàm truyền đạt Hàm truyền đạt khâu (hay hệ thông) tỉ số tind hiệu với tín hiệu vào biễu diễn theo toán tử laplace, ký hiệu W(p),với điều kiện ban đầu triệt tiêu W( p) = Với Y ( p) U (p) y(0) = y '(0) = = y ( n −1) (0) = u(0) = u '(0) = = u (m −1) (0) = -Ý nghĩa + Quan sát hàm truyền đạt, nhận biết cấu trúc hệ thống + Xác định tín hiệu theo thời gian(biến đổi laplace ngược) + Xác định giá trị đầu, giá trị xác lập cũa hệ thống + Xác định heeh số khuếch đại tĩnh cũa hệ thống 1.1.6 Đại số sơ đồ khối Trang: Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Đại số sơ đồ khối biến đổi sơ đồ phức tạp dạng đơn giản để thuận tiện cho việc tính toán - Mắc nối tiếp W( p ) = W1.W2 W3 - Mắc song song W( p) = W1 ± W2 ± ± W3 - Mắc phản hồi W(p)= W1 ± W1 W2 1.1.7 Phương trình trạng thái - Khái niệm + hệ thống, tín hiệu tín hiệu cần phải xác định,đôi ta cần quan sát trạng thái khác Ví dụ động điện dòng điện, gia tốc động v.v… Trang: Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương + Khác với tín hiệu phải đo lường cảm biến, biến trạng thái đo được,hoặc xác định thông qua trạng thái khác + Từ người ta xây dượng mô hình toán cho phép ta xác định biến trạng thái - Dạng tổng quát phương trình trạng thái Xét hệ thống có m tín hiệu vào tín hiệu Hệ có : + m tín hiệu vào: + r tín hiệu ra: u1 (t ), u (t), , u m (t) y1 (t), y (t), , y r (t) + n biến trạng thái: x1 (t ), x2 (t ), , xn (t ) - Phương trình trạng thái mô tả toán học hệ thống mặt thời gian dạng phương trình vi phân - Hệ thống biểu diễn phương trình vi phân bấc 1.2 Đặc tính động học khâu hệ thống miền tần số Trang: Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Những đối tượng khác có mô tả toán học gọi khâu động học.có số khâu dộng học phần tử vật lý tương ứng - tín hiệu tác động vào khâu + tín hiệu bậc thang đơn vị +tín hiệu xung đơn vị +tín hiệu điều hòa + tín hiệu phân tích thành tín hiệu 1.2.1 Phản ứng khâu - Định nghĩa : Phản ứng khâu (hệ thống) tín hiệu vào xác định đặc tính độ hay đặc tính thời gian khâu 1.2.1.1 Hàm độ khâu - Hàm độ khâu phản ứng khaau với tín hiệu vào 1(t) - Ký hiệu: h(t) Trang: Đồ Án - Biểu thức: GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương  W( p)  h(t ) = L−1    p  1.2.1.2 Hàm trọng lượng khâu -Hàm trọng lượng khâu phản ứng khâu tín hiệu vào δ (t ) - Ký hiệu w(t) - Biễu thức : w(t ) = L−1 { W( p )} 1.2.2 Đặc tính tần số khâu 1.2.2.1 Hàm truyền đạt tần số - Định nghĩa: hàm truyền đạt khâu,ký hiệu W(jw).là tỉ số tín hiệu vào tín hiệu trạng thái xác lập tìn hiệu vào biến thên theo quy luật điều hòa Theo định nghĩa: y xl ( t ) Ym e j (ωt +ϕ ) Ym jϕ W ( jω ) = = = e u( t) U m e j (ωt ) U m -Nhận xét: Hàm truyền tần số + Là số phức + Phụ thuộc vào tần số tín hiệu Trang: 10 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương CHƯƠNG II Xây dựng mô tả toán mức nước bình 2.1 Mô hình đối tượng - Tín hiệu vào độ mở (hoặc lưu lượng) van vào In Flow(F1) , tín hiệu mức chất lỏng bình level (h),còn nhiễu độ mở van Out Flow(F2) 2.2 Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống F2 F1 Hệ thống h Phương trình cân vật chất: (1) Trang: 26 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương - Trong đó: A :là tiết diện cắt ngang bình chứa F1:Lưu lượng nước vào F2:Lưu lượng nước h: Chiều cao mực nước bình (2) Phương trình (2) có dạng: ( Với I độ mỡ van ) Laplace vế ta được: (Với A*I = T;I = T/A) Do van khâu quán tính bậc nên hàm truyền hệ thống có dạng 2.3 Khảo sát đặc tính động học hệ thống: Trang: 27 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Với K =8; T=10 Vậy hàm truyền hệ thống là: - Hàm độ hệ thống Chương trình: >> num = 8; >> den =[10 1]; >> w= tf(num,den); >> step(w) >> grid on Ta (hình 2.1) Hình 2.1:Đồ thị hàm độ Trang: 28 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương - Hàm trọng lượng hệ thống Chương trình: >> num = 8; >> den =[10 1]; >> w= tf(num,den); >> impulse(w) >> grid on Ta (hình 2.2) Hình 2.2:Đồ thị hàm trọng lượng Trang: 29 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương - Đặc tính biên pha hệ thống Chương trình: >> num = 8; >> den =[10 1]; >> w= tf(num,den); >> nyquist(w) >> grid on Ta (hình 2.3) Trang: 30 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Hình 2.3:Đồ thị đặc tính biên pha hệ thống - Đặc tính tần loga Chương trình: >> num = 8; >> den =[10 1]; >> w= tf(num,den); >> bode(w) >> grid on Trang: 31 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Ta (hình 2.4) Hình 2.4:Đồ thị hàm Loga Nhận xét: - Hệ thống gồm khâu khuếch đại 8, khâu quán tính bậc - Từ đồ thị hàm trọng lượng hàm độ ta thấy Biên độ đỉnh đạt giá trị 8.0 độ vọt lố Thời gian xác lập (đáp ứng) hệ thống 39.1s - Từ đồ thị đặc tính biên pha hệ thống hở ta thấy đường dặc tính không bao quanh điểm (-1,j0) hệ thống dạng kín ổn định - Từ đồ thị Đặc tính tần loga ta thấy đồ thị pha Bode tiệm cận tới tần số thấp tần số cao Trang: 32 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Chương III :Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID 3.1.Xác định thông số PID Ta có sơ đồ cấu trúc sau: Trang: 33 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Sau chạy ta (hình 1.3) Hình 1.3:Hình ảnh sau chuyển sang cửa sổ Figure ( Ta xác định tham số L T theo phương pháp Ziegler- Nichols hình 1.3 ) Trong đó:L: Là khoảng thời gian đầu h(t) chưa có phản ứng với kích thích 1(t) tai đầu vào K: Là giá trị giới hạn h∞ = Trang: 34 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương T: Là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến h(t) đạt giá trị K - Đối tượng khâu quán tính tích phân bậc nên điều khiển tối ưu đối xứng điều khiển PID: RS = K P + KI + K D s s Kp = - Tính: KI = 1, 2T K L Kp 2.L - Tính: - Tính: ( KI K D = 0,5K P L : hệ số tích phân; KP : hệ số khuếch đại; KD : hệ số vi phân) Từ đồ thị ta xác định thông số: T = 11.9 L=1 K=8 - Suy ra: KP =1.785 KI=0.8925 KD=0.8925 Trang: 35 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương 3.2 Mô simulink Sau chạy chương trình: Chuyển sang cửa sổ Figure Trang: 36 Đồ Án Nhận xét: GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương +> Thời gian đáp ứng khoảng 9s.nhanh 30.1s so với chưa sủ dụng điều khiển PID.Hệ thống cải thiện +> Độ vọt lố:10% Trang: 37 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương 3.3.Sử dụng simulink tuning xác định thông số PID • Sau chạy tuning ta thông số PID (hình 3.1) Hình 3.1:Thông số PID sử dụng tuning • Sử dụng thông số vào hệ thống ta (hình 3.2) Hình 3.2:Đồ thị hệ thống sử dụng điều khiển PID tunning Trang: 38 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Chuyển sang cửa sổ Figure Nhận xét: +> Thời gian đáp ứng hệ thống khoảng 28s.hệ thống cải thiện 28.3% so với chưa sử dụng điều khiển PID tunning +> Độ vót lố:6.66% ( độ vọt lố giảm sử dụng Simulink tuning ) Trang: 39 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Kết Luận Qua trình tìm hiểu đề tài em nhận thấy tầm quan trọng đề tài lớn.Có ảnh hưởng rộng,là phần thiếu việc điều tiết nước hồ,đập vv ngày khẳng định vai trò thay được.Qua thu hoạch này, em hiểu rõ cấu tạo nguyên lí hoạt động hệ thống điều khiển mực nước,tiếp cận gần với hệ thống điều khiển thực tế Qua trình thực đề tài,đã giúp em củng cố kiến thức lý thuyết,cũng thành thạo sử dụng ứng dụng MATLAB & SIMULINK để khảo sát hệ thống,cũng xây dựng khối điều khiển PID Tài liệu tham khảo: • Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tinh.GS.TS.Nguyễn Doãn Phước.NXB- • • KH-KT-2009 Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tinh.GS.TS.Nguyễn Thường Ngô MATLAB & SIMULINK GS.TS.Nguyễn Phùng Quang.2006 Trang: 40 ... 39 Tài liệu tham khảo 39 Trang: Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương CHƯƠNG I Cơ sở lý thuyết điều khiển matlab 1.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động 1.1.1 Định nghĩa: Điều khiển trình... Trang: 26 Đồ Án GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương - Trong đó: A :là tiết diện cắt ngang bình chứa F1:Lưu lượng nước vào F2:Lưu lượng nước h: Chiều cao mực nước bình (2) Phương trình (2) có dạng: ( Với I... với mục đích định trước điều khiển tự động trình điều khiển tác động người.đáp ứng hệ thông thõa mãn yêu cầu tăng độ xác,tăng suất,tăng hiệu kinh tế, Một hệ thống điều khiển tự động xây dưng từ