Mô hình gồm có: Hai động cơ bơm nước 12VDC, 4.5A Hệ hai bồn nước có kích thước giống nhau 20cmx20cmx50cm Hai cảm biến siêu âm dùng để thu thập độ cao chất lỏng trong 2 bồn Mạch công suất điều khiển động cơ bơm theo phương pháp PWM Máy tính có cài phần mềm Labview, các module hỗ trợ Card thu thập dữ liệu và điều khiển NI 6008, HDL 9001 thu thập điện áp từ 2 cảm biến siêu âm, xuất tín hiệu điều khiển theo phương pháp PWM đến mạch công suất.
Trang 1ĐIỀU KHIỂN THỰC HỆ BỒN NƯỚC TRÊN PHẦN MỀM LABVIEW
5.1 Giới thiệu về mô hình
Mô hình gồm có:
Hai động cơ bơm nước 12VDC, 4.5A
Hệ hai bồn nước có kích thước giống nhau 20cmx20cmx50cm
Hai cảm biến siêu âm dùng để thu thập độ cao chất lỏng trong 2 bồn
Mạch công suất điều khiển động cơ bơm theo phương pháp PWM
Máy tính có cài phần mềm Labview, các module hỗ trợ
Card thu thập dữ liệu và điều khiển NI 6008, HDL 9001 thu thập điện áp
từ 2 cảm biến siêu âm, xuất tín hiệu điều khiển theo phương pháp PWM đến mạch công suất
CARD THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
H2 H1
Bơm 1
Cảm biến 2
MÁY TÍNH PHẦN MỀM LABVIEW
Cảm biến 1
CARD THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
H2 H1
Bơm 1
Cảm biến 2
MÁY TÍNH PHẦN MỀM LABVIEW
MẠCH CÔNG SUẤT Cảm biến 1
PWM
Hình 5.1: Mô hình hệ bồn nước thực
Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của card NI 6008, HDL 9001
Trang 2STT Kênh Thông số kỹ thuật
analog
analog
Tín hiệu điều khiển dòng điện (Kênh/Tổng) 5 mA/10 mA
3
Các chân
nhập/xuất
tín hiệu
số
Trang 3và bộ hẹn
(định)
giờ
5.2 Phương pháp chỉnh định PID mờ
Mô hình toán của bộ PID
u(t) = K p e(t) +
dt
) t ( de K dt ) t ( e
t
0
I
t
P
dt
) t ( de T dt ) t ( e Ti
1 ) t ( e K Các tham số KP, KI, KD được chỉnh định theo từng bộ điều khiển mờ riêng biệt dựa trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t) Có nhiều phương pháp khác nhau để chỉnh định bộ PID như là dựa trên phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh định theo Zhao, Tomizuka và Isaka … Nguyên tắc chung là bắt đầu với các giá trị KP,
KI, KD theo Zeigler-Nichols, sau đó dựa vào đáp ứng và thay đổi dần để tìm ra hướng chỉnh định thích hợp
Hình 5.2: Luật chỉnh định PID
Trang 4+ Lân cận a1 ta cần luật ĐK mạnh để rút ngắn thời gian lên, do vậy chọn: KP lớn, KD nhỏ và KI lớn
+ Lân cận b1 ta tránh vọt lố lớn nên chọn: KP nhỏ, KD lớn, KI nhỏ
+ Lân cận c1 và d1 giống như lân cận a1 và b1
5.3 Điều khiển hệ SISO
CARD THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
H2 H1
Bơm 1
Cảm biến 2
MÁY TÍNH PHẦN MỀM LABVIEW
Cảm biến 1
CARD THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
H2 H1
Bơm 1
Cảm biến 2
MÁY TÍNH PHẦN MỀM LABVIEW
MẠCH CÔNG SUẤT
Cảm biến 1
PWM
Hình 5.3: Hệ bồn nước dạng SISO
Mục tiêu điều khiển: Bơm nước vào bồn 1 sao cho mực nước bồn 2 bám theo
tín hiệu đặt trước
5.3.1 Bộ điều khiển mờ hệ SISO
Bộ điều khiển PID mờ hệ SISO có cấu trúc như sau:
Trang 5Hình 5.4: Hệ SISO -Cấu trúc bộ điều khiển mờ
5.3.1.1 Các biến ngôn ngữ vào, ra
- Đầu vào: 2 biến
+ Sai lệch khoảng cách: ET = Khoảng cách đặt – khoảng cách đo + Tốc độ tăng sai lệch DET =
T
i E i
, với T là chu kỳ lấy mẫu
- Đầu ra : 3 biến
+ KP : Hệ số tỷ lệ
+ KI : Hệ số tích phân
+ KD : Hệ số vi phân
5.3.1.2 Tập mờ cho từng biến ngôn ngữ vào, ra
Biến ngôn ngữ:
ET = {amnhieu_AN, amvua_AV, amit_AI, zero_ZE, dươngit_DI, duongvua_DV, duong nhieu_DN}
DET = {amnhieu_AN, amvua_AV, amit_AI, zero_ZE, dươngit_DI, duongvua_DV, duong nhieu_DN}
KP = { không, nhỏ, trung bình, lớn, cực lớn } (Z, S, M, L, U)
KI = { mức 1, mức 2, mức 3, mức 4, mức 5} (L1, L2, L3, L4, L5)
KD = { không, nhỏ, trung bình, lớn, cực lớn } (Z, S, M, L, U)
Tập mờ cho từng biến vào/ra:
Trang 6Hình 5.5: Hệ SISO -Biến ngõ vào ET
Hình 5.6: Hệ SISO -Biến ngõ vào DET
Hình 5.7: Hệ SISO -Biến ngõ ra KP
Hình 5.8: Hệ SISO -Biến ngõ ra KI
Trang 7Hình 5.9: Hệ SISO -Biến ngõ ra KD.
5.3.1.3 Xây dựng luật hợp thành
Bảng 5.2 Hệ SISO -Luật chỉnh định KP
DET
ET
Bảng 5.3 Hệ SISO -Luật chỉnh định KI
DET
ET
Trang 8Bảng 5.4 Hệ SISO -Luật chỉnh định KD
DET
ET
5.3.1.4 Chọn luật hợp thành và giải mờ
+ Chọn luật hợp thành theo quy tắc Max-Min
+ Giải mờ theo phương pháp trọng tâm
5.3.2 Chương trình điều khiển trên Labview hệ SISO
Hình 5.10: Hệ SISO -Chương trình điều khiển trên Labview
Trang 95.3.3 Kết quả đạt được hệ SISO
Hình 5.11: Hệ SISO -Đáp ứng của cột nước tại bồn 2
Nhận xét: Mực chất lỏng bồn 2 bám rất tốt theo tín hiệu đặt Thời gian xác lập
nhỏ, sai số xác lập rất nhỏ, độ vượt điều khiển khoảng 2%
5.4 Hệ MIMO
CARD THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
H2 H1
Bơm 1
Cảm biến 2
MÁY TÍNH PHẦN MỀM LABVIEW
Cảm biến 1
CARD THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
H2 H1
Bơm 1
Cảm biến 2
MÁY TÍNH PHẦN MỀM LABVIEW
MẠCH CÔNG SUẤT Cảm biến 1
PWM
Hình 5.12: Mô hình hệ bồn nước dạng MIMO
Mực chất lỏng bồn 2
Tín hiệu đặt bồn 2 Mực chất lỏng bồn 1
Trang 10Mục tiêu điều khiển: Điều chỉnh hoạt động của 2 bơm đưa nước vào hai bồn
thông nhau sao cho mực chất lỏng của mỗi bồn bám theo tín hiệu đặt của từng bồn
5.4.1 Bộ điều khiển mờ hệ MIMO
Hình 5.13:Hệ MIMO -Cấu trúc bộ chỉnh định mờ cho động cơ bơm 1
Hình 5.14:Hệ MIMO -Cấu trúc bộ chỉnh định mờ cho động cơ bơm 2
5.4.1.1 Các biến ngôn ngữ vào, ra hệ MIMO
Trong quá trình thiết kế bộ điều khiển mờ PID tác giả nhận thấy có thể điều khiển 2 động cơ bơm bằng hai bộ điều khiển giống nhau nên tác giả chọn giải pháp
sử dụng hai bộ điều khiển mờ mỗi bộ điều khiển mờ gồm có:
- Đầu vào: 2 biến
+ Sai lệch khoảng cách: ET = Khoảng cách đặt – khoảng cách đo
+ Tốc độ tăng sai lệch DET =
T
i E i
, với T là chu kỳ lấy mẫu
- Đầu ra : 3 biến
+ KP : Hệ số tỷ lệ
+ KI : Hệ số tích phân
+ KD : Hệ số vi phân
Trang 115.4.1.2 Tập mờ cho từng biến ngôn ngữ vào, ra hệ MIMO
Biến ngôn ngữ:
ET = {amnhieu_AN, amvua_AV, amit_AI, zero_ZE, dươngit_DI, duongvua_DV, duong nhieu_DN}
DET = {amnhieu_AN, amvua_AV, amit_AI, zero_ZE, dươngit_DI, duongvua_DV, duong nhieu_DN}
KP = { không, nhỏ, trung bình, lớn, cực lớn } (Z, S, M, L, U)
KI = { mức 1, mức 2, mức 3, mức 4, mức 5} (L1, L2, L3, L4, L5)
KD = { không, nhỏ, trung bình, lớn, cực lớn } (Z, S, M, L, U)
Tập mờ cho từng biến vào/ra:
Hình 5.15: Hệ MIMO -Biến ngõ vào ET
Hình 5.16: Hệ MIMO -Biến ngõ vào DET
Hình 5.17: Hệ MIMO -Biến ngõ ra KP
Trang 12Hình 5.18: Hệ MIMO -Biến ngõ ra KI
Hình 5.19: Hệ MIMO -Biến ngõ ra KD
5.4.1.3 Xây dựng luật hợp thành hệ MIMO
Bảng 5.5 Hệ MIMO -Luật chỉnh định KP
DET
ET
Trang 13Bảng 5.6 Hệ MIMO -Luật chỉnh định KI
DET
ET
Bảng 5.7 Hệ MIMO -Luật chỉnh định KD
DET
ET
5.4.1.4 Chọn luật hợp thành và giải mờ hệ MIMO
+ Chọn luật hợp thành theo quy tắc Max-Min
+ Giải mờ theo phương pháp trọng tâm
5.4.2 Chương trình điều khiển trên Labview hệ MIMO
Trang 14Hình 5.20: Hệ MIMO -Chương trình điều khiển trên Labview
Hình 5.21: Hệ MIMO -Giao diện điều khiển
Trang 155.4.3 Kết quả điều khiển hệ MIMO
Hình 5.22: Hệ MIMO -Đáp ứng cột nước h1, h2
Hình 5.23: Hệ MIMO -Đáp ứng quá độ của cột nước h1, h2
Mực chất lỏng bồn 2
Tín hiệu đặt bồn 2 Mực chất lỏng bồn 1 Tín hiệu đặt bồn 1
Trang 16Nhận xét:
Mực chất lỏng hai bồn bám rất tốt theo tín hiệu đặt Thời gian xác lập nhỏ, sai
số xác lập rất nhỏ, độ vượt điều khiển khoảng 5% Bộ điều khiển đáp ứng được yêu cầu đặt ra