Thiết kế bộ điều khiển thích nghi thuật toán điều chỉnh hàm số cho đối tượng bồn nước đôi c5

82 CHƯƠNG THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỰC HỆ BỒN NƯỚC ĐÔI NỐI TIẾP 5.1 Giới thiệu mô hình 4 Hình 5.1: Mô hình thực hệ bồn nước đôi nối tiếp – Cảm biến áp suất đo mực nước bồn – Bồn nước bồn nước 83 – Bể chứa nước – Bơm nước DC – Khối nguồn mạch công suất Hình 5.2: Khối nguồn mạch công suất – Bo công suất điều khiển bơm nước DC – Nguồn 24VDC, cấp nguồn cho bơm nước – Nguồn 5VDC, cấp nguồn cho mạch điều khiển cảm biến áp suất 5.2 Mô tả cấu trúc phần cứng 5.2.1 Cảm biến áp suất Mô hình bốn nước đôi nối tiếp sử dụng cảm biến áp suất nước hãng Freescale để đo mực nước hai bồn 84 Hình 5.3: Cảm biến áp suất nước MPVZ5004GW7U Thông số kỹ thuật: - Hãng sản xuất: Freescale Semiconductor - Mã số: MPVZ5004GW7U - Dải áp suất đo: ÷ 3.92 kPa (Tương đương ÷ 400 mmH2O) - Điện áp nguồn cung cấp: 4.75 ÷ 5.25 VDC - Điện áp đầu ra: ÷ 4.9 V - Số chân: Hình 5.4: Sơ đồ chân cảm biến Nguồn cung cấp cấp vào chân 3, điện áp ngõ chân số Các chân lại không sử dụng 85 Hình 5.5: Mạch lọc ngõ vào ngõ cho cảm biến 5.2.2 Bơm nước DC Mô hình sử dụng hai bơm nước 24VDC để bơm nước vào hai bồn Hình 5.6: Bơm nước DC Thông số kỹ thuật: - Hãng sản xuất: Daikin - Điện áp nguồn cung cấp: 24VDC - Áp suất nước: 110 psi - Lưu lượng nước: lít/phút 86 5.2.3 Bo công suất Bo công suất điều khiển tốc độ hai bơm nước DC tín hiệu analog Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý bo công suất Hình 5.8: Bo công suất điều khiển hai bơm nước 87 – Ngõ vào analog điều khiển bơm nước 2 – Ngõ vào analog điều khiển bơm nước – Cấp nguồn 5VDC cho bo công suất – Cấp nguồn cho động – Cấp nguồn 24VDC – Cấp nguồn cho động 5.2.4 PLC S7-200 Module analog EM235 Matlab giao tiếp với PLC S7-200 để đọc ghi liệu Mô hình sử dụng hai module analog EM235, module có ngõ vào analog ngõ analog Sử dụng ngõ vào analog để nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất ngõ analog điều khiển bo công suất để điều khiển hai bơm nước Hình 5.9: Module analog EM235 88 Thông số kỹ thuật module analog EM235: - Hãng sản xuất: Siemens - Số ngõ vào analog: - Tín hiệu ngõ vào: + Điện áp: – 10V/ – 5V + Dòng điện: – 20mA - Số ngõ analog: - Tín hiệu ngõ ra: - + Điện áp : – 10V + Dòng điện: – 20mA Nguồn nuôi: 24VDC Hình 5.10: PLC S7-200 CPU226 5.3 Điều khiển mô hình thực so sánh kết điều khiển Điều khiển mô hình thực Simulink Matlab giao tiếp với PLC Trong Matlab simulink hỗ trợ công cụ OPC Toolbox cho phép Matlab giao tiếp với PLC thông qua phần mềm OPC KEPServerEx V4.0 89 Thuật toán điều khiển xây dựng Simulink Matlab Tín hiệu phản hồi đưa vào ngõ vào analog module EM235, sử dụng lệnh OPC Read Simulink Matlab để đọc tín hiệu phản hồi từ PLC Sau Matlab thực phép tính thuật toán lập trình, đưa tín hiệu điều khiển, sử dụng lệnh OPC Write để truyền liệu điều khiển xuống PLC, tín hiệu điều khiển xuất ngõ anolog module EM235 để điều khiển bo công suất, điều khiển tốc độ bơm nước Hình 5.11: Công cụ OPC Toolbox Matlab simulink Trong OPC Toolbox Matlab simulink sử dụng lệnh: OPC Configuration, OPC Read OPC Write 90 Lệnh OPC Configuration: Lệnh OPC Configuration sử dụng để cấu hình cho phép Matlab giao tiếp với OPC Lệnh OPC Read: Lệnh OPC Read sử dụng để đọc liệu từ PLC lên Malab thông qua phần mềm OPC Lệnh OPC Write: Lệnh OPC Write sử dụng để ghi liệu từ Malab xuống PLC thông qua phần mềm OPC 5.3.1 Điều khiển mô hình thực với thuật toán phản hồi biến trạng thái phương pháp gán cực Luật điều khiển: u(t )  Kx(t ) Trong K ma trận phản hồi trạng thái 91 Hình 5.12: Chương trình điều khiển với điều khiển gán cực Matlab simulink Hình 5.13: Bộ điều khiển gán cực 92 Hình 5.14: Kết điều khiển mô hình thực Qua kết ta thấy, với điều khiển gán cực cho đáp ứng mong muốn Tuy nhiên trình độ tín hiệu bị dao động có độ vọt lố, điều làm tăng thời gian đáp ứng 5.3.2 Điều khiển mô hình thực với điều khiển LQR u  t   Kx  t   R 1BT Sx  t  Luật điều khiển tối ưu: Trong K ma trận tối ưu thỏa mãn tiêu chất lượng:  J    xT Qx  uT Ru  dt 20 93  Chọn: J   q11 x12 (t )  q22 x22 (t )  r11u12 (t )  r22u22 (t )  dt  20 Trong Q ma trận xác định dương (hoặc bán xác định dương) 0 q Q   11   q22  Và R ma trận xác định dương 0 r R   11   r22  S(t) nghiệm phương trình vi phân Riccati: AT S  SA  SBR 1BT S  Q  Trong phần mềm Matlab – Simulink sử dụng lệnh sau để tính ma trận K: K = lqr(A,B,Q,R) Hình 5.15: Chương trình điều khiển với điều khiển LQR Matlab simulink 94 Hình 5.16: Bộ điều khiển LQR Hình 5.17: Kết điều khiển mô hình thực Qua kết ta thấy, với điều khiển LQR cho đáp ứng mong muốn Tuy nhiên trình độ tín hiệu bị dao động có độ vọt lố, điều làm tăng thời gian đáp ứng 95 5.3.3 Điều khiển mô hình thực với điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss ˆ (t )Φ(x) Luât điều khiển thích nghi: ua (t )  K A (t )x(t )  K B (t )u0 (t )  K δ K A (t )  (Γ A PB me(t )xT (t )  A K A )  T K B (t )  (ΓB (PB me(t )u (t )  BK B )  ˆ (t)  Γ PB e(t )ΦT (x)   K K δ δ m δ δ Luật chỉnh định: Trong đó: Γ A , ΓB , Γδ – hệ số khuếch đại dương hiệu chỉnh A , B , δ – hệ số hiệu chỉnh vô hướng P  PT  – ma trận đối xứng xác định dương thỏa mãn phương trình Lyapunov sau đây: ATm P  PAm  G Mô hình chuẩn: ( G  G  ) xm (t )  Am xm (t )  Bmu0 (t ) Hình 5.18: Chương trình điều khiển với điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss Matlab simulink 96 Hình 5.19: Bộ điều khiển thích nghi Hình 5.20: Mô hình chuẩn Hình 5.21: Cơ cấu hiệu chỉnh 97 Hình 5.22: Kết điều khiển mô hình thực Qua kết ta thấy, với điều khiển thích nghi thuật toán hàm gauss cho đáp ứng mong muốn Tín hiệu bám sát theo tín hiệu mô hình chuẩn Trong trình độ tín hiệu độ vọt lố dao động  ... điều khiển với điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss Matlab simulink 96 Hình 5.19: Bộ điều khiển thích nghi Hình 5.20: Mô hình chuẩn Hình 5.21: Cơ cấu hiệu chỉnh 97 Hình 5.22: Kết điều khiển. .. dao động có độ vọt lố, điều làm tăng thời gian đáp ứng 95 5.3.3 Điều khiển mô hình thực với điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss ˆ (t )Φ(x) Luât điều khiển thích nghi: ua (t )  K A (t... Chương trình điều khiển với điều khiển LQR Matlab simulink 94 Hình 5.16: Bộ điều khiển LQR Hình 5.17: Kết điều khiển mô hình thực Qua kết ta thấy, với điều khiển LQR cho đáp ứng mong muốn Tuy nhiên