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.
ĐIỀU KHIỂN THỰC HỆ BỒN NƯỚC TRÊN PHẦN MỀM LABVIEW 5.1 Giới thiệu mô hình Mô hình gồm có: Hai động bơm nước 12VDC, 4.5A Hệ hai bồn nước có kích thước giống 20cmx20cmx50cm Hai cảm biến siêu âm dùng để thu thập độ cao chất lỏng bồn Mạch công suất điều khiển động bơm theo phương pháp PWM Máy tính có cài phần mềm Labview, module hỗ trợ Card thu thập liệu điều khiển NI 6008, HDL 9001 thu thập điện áp từ 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 PWM Cảm biến Cảm biến MẠCH CÔNG SUẤT H1 H2 Bơm Hình 5.1: Mô hình hệ bồn nước thực Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật card NI 6008, HDL 9001 MÁY TÍNH PHẦN MỀM LABVIEW STT Kênh Số kênh Tốc độ lấy mẫu 48 kS/s Độ phân giải 14 bits Trích mẫu đồng thời Không Ngưỡng điện áp giới hạn lớn -10 tới 10 V Độ xác 138 mV Ngưỡng điện áp nhỏ -1 V Độ xác 37.5 mV Số kênh Tốc độ cập nhật 150 S/s Độ phân giải 12 bits Ngõ Ngưỡng điện áp giới hạn lớn V analog Độ xác mV Ngưỡng điện áp giới hạn nhỏ V Độ xác mV Tín hiệu điều khiển dòng điện (Kênh/Tổng) mA/10 mA Số kênh 12 DIO Timing Software Logic Levels TTL Ngưỡng điện áp giới vào hạn lớn V Ngưỡng điện áp giới hạn lớn V Dòng điện vào Sinking, Sourcing Bộ lọc vào lập trình No Output Current Flow Sinking, Sourcing Dòng điện (Kênh/Tổng) 8.5 mA/102 mA Số đếm/hẹn Ngõ vào analog Các chân nhập/xuất tín hiệu số Thông số kỹ thuật Bộ đếm hẹn Độ phân giải (định) 32 bits Tần số nguồn lớn MHz Độ rộng xung vào nhỏ 100 ns Mức logic TTL Ngưỡng cực đại V Độ ổn định 50 ppm 5.2 Phương pháp chỉnh định PID mờ Mô hình toán PID t u(t) = Kpe(t) + K I e( t )dt K D de( t ) dt t de( t ) u(t) = K P e( t ) 0 e( t )dt TD Ti dt Các tham số KP, KI, KD chỉnh định theo điều khiển mờ riêng biệt dựa sai lệch e(t) đạo hàm de(t) Có nhiều phương pháp khác để chỉnh định PID dựa phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh định theo Zhao, Tomizuka Isaka … Nguyên tắc chung bắt đầu với giá trị KP, KI, KD theo Zeigler-Nichols, sau dựa vào đáp ứng thay đổi dần để tìm hướng chỉnh định thích hợp Hình 5.2: Luật chỉnh định PID + Lân cận a1 ta cần luật ĐK mạnh để rút ngắn thời gian lên, chọn: KP lớn, KD nhỏ KI lớn + Lân cận b1 ta tránh vọt lố lớn nên chọn: KP nhỏ, KD lớn, KI nhỏ + Lân cận c1 d1 giống lân cận a1 b1 5.3 Điều khiển hệ SISO CARD THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY TÍNH PHẦN MỀM LABVIEW PWM Cảm biến Cảm biến MẠCH CÔNG SUẤT H1 H2 Bơm Hình 5.3: Hệ bồn nước dạng SISO Mục tiêu điều khiển: Bơm nước vào bồn cho mực nước bồn 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 sau: Hình 5.4: Hệ SISO -Cấu trúc điều khiển mờ 5.3.1.1 Các biến ngôn ngữ vào, - Đầu vào: biến + Sai lệch khoảng cách: ET = Khoảng cách đặt – khoảng cách đo + Tốc độ tăng sai lệch DET = ET (i 1) E (i) , với T chu kỳ lấy mẫu T - Đầu : biến + KP : Hệ số tỷ lệ + KI : Hệ số tích phân + KD : Hệ số vi phân 5.3.1.2 Tập mờ cho biến ngôn ngữ vào, 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 biến vào/ra: Hình 5.5: Hệ SISO -Biến ngõ vào ET Hình 5.6: Hệ SISO -Biến ngõ vào DET Hình 5.7: Hệ SISO -Biến ngõ KP Hình 5.8: Hệ SISO -Biến ngõ KI Hình 5.9: Hệ SISO -Biến ngõ KD 5.3.1.3 Xây dựng luật hợp thành Bảng 5.2 Hệ SISO -Luật chỉnh định KP DET ET AN AV AI ZE DI DV DN AN U L M M M M M AV M M M M M M M AI S S S M M M M ZE M M M M S S Z DI M M L L S S M DV L L U U M M M DN U U U U M L U Bảng 5.3 Hệ SISO -Luật chỉnh định KI DET ET AN AV AI ZE DI DV DN AN L1 L1 L1 L1 L5 L4 L4 AV L1 L1 L2 L2 L4 L3 L3 AI L2 L2 L2 L3 L3 L3 L3 ZE L3 L3 L3 L3 L3 L3 L2 DI L4 L4 L4 L4 L2 L2 L1 DV L5 L5 L5 L5 L1 L1 L1 DN L5 L5 L5 L5 L1 L1 L1 Bảng 5.4 Hệ SISO -Luật chỉnh định KD DET ET AN AV AI ZE DI DV DN AN U U U U Z Z Z AV U U L L Z S S AI L L L M S S S ZE M M M M S S M DI M M M M M M L DV M S S S L L U DN S Z Z Z U U U 5.3.1.4 Chọn luật hợp thành 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 Labview hệ SISO Hình 5.10: Hệ SISO -Chương trình điều khiển Labview 5.3.3 Kết đạt hệ SISO Mực chất lỏng bồn Tín hiệu đặt bồn Mực chất lỏng bồn Hình 5.11: Hệ SISO -Đáp ứng cột nước bồn Nhận xét: Mực chất lỏng bồn bám tốt theo tín hiệu đặt Thời gian xác lập nhỏ, sai số xác lập nhỏ, độ vượt điều khiển khoảng 2% 5.4 Hệ MIMO CARD THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY TÍNH PHẦN MỀM LABVIEW PWM Cảm biến Cảm biến MẠCH CÔNG SUẤT H1 H2 Bơm Hình 5.12: Mô hình hệ bồn nước dạng MIMO Mục tiêu điều khiển: Điều chỉnh hoạt động bơm đưa nước vào hai bồn thông cho mực chất lỏng bồn bám theo tín hiệu đặt bồn 5.4.1 Bộ điều khiển mờ hệ MIMO Hình 5.13: Hệ MIMO -Cấu trúc chỉnh định mờ cho động bơm Hình 5.14: Hệ MIMO -Cấu trúc chỉnh định mờ cho động bơm 5.4.1.1 Các biến ngôn ngữ vào, hệ MIMO Trong trình thiết kế điều khiển mờ PID tác giả nhận thấy điều khiển động bơm hai điều khiển giống nên tác giả chọn giải pháp sử dụng hai điều khiển mờ điều khiển mờ gồm có: - Đầu vào: biến + Sai lệch khoảng cách: ET = Khoảng cách đặt – khoảng cách đo + Tốc độ tăng sai lệch DET = - Đầu : biến + KP : Hệ số tỷ lệ + KI : Hệ số tích phân + KD : Hệ số vi phân ET (i 1) E (i) , với T chu kỳ lấy mẫu T 5.4.1.2 Tập mờ cho biến ngôn ngữ vào, 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 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 KP Hình 5.18: Hệ MIMO -Biến ngõ KI Hình 5.19: Hệ MIMO -Biến ngõ KD 5.4.1.3 Xây dựng luật hợp thành hệ MIMO Bảng 5.5 Hệ MIMO -Luật chỉnh định KP DET ET AN AV AI ZE DI DV DN AN U L M M M M M AV M M M M M M M AI S S S M M M M ZE M M M M S S Z DI M M L L S S M DV L L U U M M M DN U U U U M L U Bảng 5.6 Hệ MIMO -Luật chỉnh định KI DET ET AN AV AI ZE DI DV DN AN L1 L1 L1 L1 L5 L4 L4 AV L1 L1 L2 L2 L4 L3 L3 AI L2 L2 L2 L3 L3 L3 L3 ZE L3 L3 L3 L3 L3 L3 L2 DI L4 L4 L4 L4 L2 L2 L1 DV L5 L5 L5 L5 L1 L1 L1 DN L5 L5 L5 L5 L1 L1 L1 Bảng 5.7 Hệ MIMO -Luật chỉnh định KD DET ET AN AV AI ZE DI DV DN AN U U U U Z Z Z AV U U L L Z S S AI L L L M S S S ZE M M M M S S M DI M M M M M M L DV M S S S L L U DN S Z Z Z U U U 5.4.1.4 Chọn luật hợp thành 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 Labview hệ MIMO Hình 5.20: Hệ MIMO -Chương trình điều khiển Labview Hình 5.21: Hệ MIMO -Giao diện điều khiển 5.4.3 Kết điều khiển hệ MIMO Hình 5.22: Hệ MIMO -Đáp ứng cột nước h1, h2 Tín hiệu đặt bồn Mực chất lỏng bồn Tín hiệu đặt bồn Mực chất lỏng bồn Hình 5.23: Hệ MIMO -Đáp ứng độ cột nước h1, h2 Nhận xét: Mực chất lỏng hai bồn bám tốt theo tín hiệu đặt Thời gian xác lập nhỏ, sai số xác lập nhỏ, độ vượt điều khiển khoảng 5% Bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu đặt ... trình điều khiển Labview hệ SISO Hình 5.10: Hệ SISO -Chương trình điều khiển Labview 5.3.3 Kết đạt hệ SISO Mực chất lỏng bồn Tín hiệu đặt bồn Mực chất lỏng bồn Hình 5.11: Hệ SISO -Đáp ứng cột nước. .. 5.3 Điều khiển hệ SISO CARD THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY TÍNH PHẦN MỀM LABVIEW PWM Cảm biến Cảm biến MẠCH CÔNG SUẤT H1 H2 Bơm Hình 5.3: Hệ bồn nước dạng SISO Mục tiêu điều khiển: Bơm nước. .. 5.21: Hệ MIMO -Giao diện điều khiển 5.4.3 Kết điều khiển hệ MIMO Hình 5.22: Hệ MIMO -Đáp ứng cột nước h1, h2 Tín hiệu đặt bồn Mực chất lỏng bồn Tín hiệu đặt bồn Mực chất lỏng bồn Hình 5.23: Hệ