Thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống phân tách đơn giản, đa biến
Mục lục Lời cám ơn Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn trường đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM khoa CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY tạo điều kiện cho em học tập, nghiên cứu phát triển thân thời gian qua, đặc biệt thời gian thực đồ án Nhờ việc thực đồ án, tụi em có hội áp dụng kiến thức lĩnh hội gần năm qua vào thực tế thơng qua chúng em nghiên cứu tìm hiểu thêm nhiều kiến thức bên ngồi bổ ích Bên cạnh đó, chúng em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Võ Lâm Chương hỗ trợ chúng em khoảng thời gian thực đồ án Cơ điện tử Thầy nhiệt tình giúp đỡ chúng em chúng em biết ơn Cuối lời cảm ơn chúng em dành cho nhau đồng hành, học tập, nghiên cứu hoàn thành đồ án với TP Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 06 năm 2018 PHẦN GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp bách chủ đề Cơng nghệ tự động hóa thực phát triển ứng dụng ngành, lựa chọn tối ưu lĩnh vực để tạo sản phẩm chất lượng cao, tiết kiệm chi phí sản xuất tăng khả cạnh tranh mạnh thị trường Hiện nay, cơng nghiệp hố đại hóa phát triển mạnh mẽ, tiến khoa học công nghệ, đặc biệt công nghệ điều khiển tự động, góp phần lớn để tạo điều kiện cải thiện hiệu trình sản xuất Trong ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng hóa chất, nước đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn vấn đề kiểm soát mức độ cần phải đáp ứng với độ xác cao để phục vụ cho trình Sản xuất hiệu suất tốt hơn, đảm bảo sản xuất chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị Các nhà khai thác không cần phải trực tiếp kiểm tra bể liên tục đóng máy bơm, vấn đề chạy ngồi tràn bể chất lỏng hoàn toàn khắc phục đầu thay đổi Vì vậy, chọn chủ đề "Thiết kế điều khiển cho hệ thống phân tách đơn giản, đa biến" Với yêu cầu ứng dụng trên, đối tượng thực hệ thống bể chứa nước, hệ thống bể chứa nước hình thành với hệ thống bơm chất lỏng xả ổn định mức mức chất lỏng bể giữ ổn định Để làm điều này, yêu cầu kiểm sốt dòng chảy chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bể, để mực nước bể giữ giá trị đặt trước không đổi Mức chất lỏng bình ổn định tương đối khó, đòi hỏi phải có phản ứng nhanh với điều khiển bơm khối lượng xả thay đổi Vấn đề mối quan tâm hàng đầu nhà thiết kế quy trình, nhà thiết kế điều khiển tự động Tuy nhiên, thiết bị dạy học lĩnh vực tự động hóa hạn chế, nhu cầu bên thị trường cao Với sở này, nhóm nghiên cứu nghiên cứu sản xuất hệ thống đa biến với mô hình kiểm sốt mức chất lỏng, mang lại hiệu cao 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn chủ đề Hệ thống điều khiển thiết kế để đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng hệ thống điều khiển tự động: - Thời gian đáp ứng nhanh - Điều chỉnh nhỏ - Độ lệch tĩnh nhỏ - Tiêu thụ lượng hệ thống thấp Với kết nghiên cứu thử nghiệm mơ hình, chủ đề góp phần tăng nguồn lực cho nghiên cứu, giảng dạy học tập trường Nó tạo điều kiện cho phát triển đối tượng mức độ cao để áp dụng cho hệ thống thực tế trình sản xuất 1.3 Mục tiêu đồ án - Thiết kế mơ hình Quadruple tank - Lựa chọn thiết bị thi cơng mơ hình - Thu thập liệu mơ hình hóa dung Matlab - Mơ điều khiển mức độ đơn giản PHẦN CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Lập mơ hình, xác định hệ thống Mơ hình hóa hình thức mơ tả khoa học, làm ngưng tụ khía cạnh thiết yếu hệ thống thực sự, có sẵn cần phát triển Mơ hình sử dụng để xây dựng điều khiển, mơ phỏng, dự đốn, phát hiện, chẩn đốn lỗi tối ưu hóa hệ thống 2.1.1 Mơ hình phân loại Mơ hình đồ họa: Lưu đồ, lưu đồ P & ID, sơ đồ thuật tốn, mơ hình đồ họa phù hợp để biểu thị trực quan hệ thống cấu trúc liên kết tương tác thành phần Mơ hình tốn học: Phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền, mơ hình khơng gian trạng thái Mơ hình tốn học phù hợp với mục đích nghiên cứu tính chất thành phần chất mối liên kết tương tác Mơ hình máy tính: Chương trình phần mềm mơ đặc tính hệ thống Mơ hình khấu trừ: Một dạng biểu diễn thơng tin đặc điểm hệ thống thực theo dạng quy tắc suy diễn, sử dụng ngôn ngữ bậc cao 2.1.2 Phương pháp mơ hình tốn học Các mơ hình tốn học biểu thức tốn học mơ tả hệ thống Một hệ thống biểu diễn theo nhiều cách khác nhau, có mơ hình tốn học khác cho hệ thống Vì vậy, có nhiều phương pháp để xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống Phương pháp lý thuyết (mơ hình): Phương pháp cách xây dựng mơ hình sở định luật vật lý, hóa học kết hợp với thông số kỹ thuật thiết bị mô hình Chúng ta phân tích q trình mơ hình lý thuyết, hệ phương trình vi phân phương trình đại số Phương pháp thử nghiệm (nhận dạng hệ thống): Phương pháp gọi nhận dạng hệ thống phương pháp hộp đen hàm truyền ước tính dựa thơng tin ban đầu q trình, quan sát phân tích liệu hệ thống bao gồm tín hiệu thực đầu vào-đầu Phương pháp lý thuyết có lợi phản ánh mối quan hệ vật lý hóa học đại lượng hệ thống, xác định cấu trúc mơ hình hệ thống Tuy nhiên, mơ hình thu từ phương pháp phản ánh tính chất động học quy trình cơng nghệ bỏ qua tính chất thiết bị đo thiết bị truyền động, làm giảm tính xác mơ hình lý thuyết Phương pháp phù hợp với mơ hình động xác định tham số mơ hình Phương pháp thử nghiệm có lợi tất tham số lấy từ hệ thống thực, loại trừ lỗi tính tốn lý thuyết, xác định tham số xác mơ hình Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp chất lượng mơ hình phụ thuộc nhiều vào mức độ xác thiết bị, tiếng ồn ảnh hưởng đến mơ hình q trình thu thập liệu 2.1.3 Nhận diện vòng lặp mở đóng Thu thập liệu yêu cầu thay đổi tín hiệu đầu vào ghi tín hiệu đầu hệ thống, thay đổi đầu vào ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống Độ xác tính khả thi liệu thu phụ thuộc vào biên độ tín hiệu, hình dạng tín hiệu đầu vào (vng, bước, dao động) Vì vậy, hệ thống mơ hình thử nghiệm Nó dễ dàng để chọn tín hiệu đầu vào Nó dẫn đến chất lượng liệu thu thập khả xác định hệ thống cao Chúng ta có phương thức định nghĩa vòng lặp sau: Hình 2.1 Xác định vòng lặp mở Tuy nhiên, hệ thống đưa vào sản xuất, mô-đun tách rời khỏi hệ thống để thực thí nghiệm; Vì vậy, có phương pháp điều khiển vòng kín sau: Hình 2.22 Xác định vòng lặp đóng Trong đồ án này, áp dụng nhận dạng vòng kín hồi tiếp 2.2 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển phát sinh tích hợp tỷ lệ (bộ điều khiển PID) điều khiển chế phản hồi vòng lặp thường sử dụng hệ thống điều khiển công nghiệp Một điều khiển PID liên tục tính tốn giá trị lỗi khác biệt điểm thiết lập mong muốn biến quy trình đo áp dụng hiệu chỉnh dựa điều kiện tỷ lệ, tích phân đạo hàm Bộ điều khiển cố gắng giảm thiểu lỗi theo thời gian cách điều chỉnh biến điều khiển, chẳng hạn vị trí van điều khiển, van điều tiết công suất cung cấp cho phận làm nóng, với giá trị xác định Trong đó: Kp, Ki Kd, tất không âm, biểu thị hệ số cho tỷ lệ thuận, tích phân đạo hàm tương ứng (đơi biểu thị P, I D) Trong mơ hình này: • P chiếm giá trị lỗi Ví dụ, lỗi lớn dương, đầu điều khiển lớn dương • I tính giá trị khứ lỗi Ví dụ, đầu khơng đủ mạnh, tích phân lỗi tích lũy theo thời gian, điều khiển phản ứng cách áp dụng hành động mạnh • D tính xu hướng xảy tương lai lỗi, dựa tốc độ thay đổi Hình 2.3 Cấu trúc điều khiển PID Một khối sơ đồ điều khiển PID vòng lặp phản hồi r (t) giá trị quy trình mong muốn "điểm đặt", y (t) giá trị đo Đặc điểm điều khiển P, I D Một điều khiển tỷ lệ (Kp) có tác dụng giảm thời gian tăng không loại bỏ lỗi trạng thái ổn định Một điều khiển tích phân (Ki) có tác dụng loại bỏ lỗi trạng thái ổn định cho đầu vào không đổi bước, làm cho đáp ứng thoáng qua chậm Một điều khiển phái sinh (Kd) có tác dụng làm tăng ổn định hệ thống, giảm vượt qua, cải thiện đáp ứng thoáng qua Ảnh hưởng tham số điều khiển, Kp, Kd Ki hệ thống vòng kín tóm tắt bảng Bảng Ảnh hưởng tham số điều khiển, Kp, Kd, Ki Thông số Thời gian tăng trưởng Độ vọt lố Thời gian độ Sai số xác lập Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Ki Giảm Tăng Tăng Loại bỏ Kd Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Không đồi Lưu ý mối tương quan khơng xác xác, Kp, Ki Kd phụ thuộc lẫn Trong thực tế, việc thay đổi biến thay đổi hiệu ứng hai biến số lại Vì lý này, bảng nên sử dụng làm tham chiếu bạn xác định giá trị cho Ki, Kp Ki PHẦN THIẾT BỊ PHẦN CỨNG, PHẦN MỀM 3.1 Cơng nghệ đề xuất: Để hồn thành mục tiêu chủ đề, cần thu thập liệu từ hệ thống thực, phân tích liệu để tìm hàm truyền mơ tả hệ thống, sau chuyển hàm sang chương trình điều khiển để viết thuật toán điều khiển cho hệ thống thực Để làm điều này, cần hệ thống với thiết bị cơng cụ tương tác hỗ trợ lẫn phần cứng thu thập liệu, trung tâm điều khiển (máy tính, PLC ) Phần mềm công cụ hỗ trợ (Matlab, Labview ) thay 3.1.1 Matlab Matlab phần mềm cung cấp tính tốn số mơi trường lập trình, thiết kế MathWorks Matlab cho phép bạn tính tốn số với ma trận, đồ thị hàm đồ thị thơng tin, thực thuật tốn, tạo giao diện người dùng kết hợp với chương trình Máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác Với thư viện Hộp cơng cụ, Matlab cho phép mơ phỏng, tính tốn mơ hình hóa mơ hình thực kỹ thuật Matlab đơn giản hố việc giải vấn đề tính tốn kỹ thuật so với ngơn ngữ lập trình truyền thống C, C ++ Với Matlab, bạn thiết lập hệ thống để kiểm sốt q trình, chẳng hạn PID Matlab có tính học thuật cao, bạn nên chọn chủ đề Trong chủ đề này, nhóm sử dụng SIMULINK, mơ hệ thống động môi trường Matlab để mô hệ thống bể nước cặp đơi Các tính Simulink lập trình theo khối, trực quan dễ hiểu Có nhiều cách khác để xác định hệ thống, Matlab cung cấp cơng cụ mạnh để nhận dạng, Hệ thống nhận dạng Toobox (bây gọi Ident Tool) Công cụ giúp xác định mô hình khơng dễ dàng mơ hình hóa ngun tắc thông số gốc hệ thống Hộp công cụ nhận dạng mơ hình tuyến tính Mơ hình tốn học xây dựng từ liệu đầu vào đầu hệ thống Hộp cơng cụ sử dụng liệu đầu vào / đầu miền thời gian miền tần số để xác định hàm liên tục gián đoạn, mơ hình xử lý mơ hình khơng gian trạng thái Hộp công cụ cung cấp kỹ thuật nhận dạng Khả tối đa, Dự đốn lỗi tối thiểu hóa (PEM), nhận dạng hệ thống khơng gian Bởi xây dựng Matlab, bạn sử dụng Hộp cơng cụ theo hai cách: cách sử dụng lệnh Lệnh Matlab cách sử dụng giao diện Hộp cơng cụ trực tiếp 10 Hình 4.15 Mơ hình 3D hệ 4.2 Giải thuật Từ mối quan hệ thiết bị hoạt động hệ thống, chúng em có lưu đồ P & ID 29 Hình 4.162 Lưu đồ PI&D hệ Theo Định luật Bernoulli phương trình cân khối lượng ta có: Rate of accumulation = (Rate of in-flow)-(Rate of out-flow) d (ρV ) = ρ qin − ρ qin dt Ai dhi = qin − qout dt Trong : Ai = mặt cắt ngang bể i 30 hi = mực nước bể i qin _ i = lưu lượng dòng vào bể i ( phụ thuộc vào điện áp bơm đầu vào ) qout _ i = lưu lượng dòng bể I (phụ thuộc vào trọng lực gia tốc đầu nước bể) Dựa phương trình qout_i Bernoulli xác định sau : qin _1 = k1V1 qin _ = k2V2 qin _ = k2V2 (1 − γ ) qin _ = k1V1 (1 − γ ) Trong đó: + k1, k2 số bơm + γ1, γ2 tỷ lệ giá trị vị trí van + V1,V2 lưu lượng đầu máy bơm qouti = ghi : mặt cắt ngang ống xả g : gia tốc trọng trường Sử dụng định luật bảo tồn khối lượng : Các phương trình phi tuyến tính Hệ Quadruple-Tank : 31 +v1 v2 điện áp đầu vào cho máy bơm +h1, h2 điện áp đầu từ thiết bị đo mức + Ai diện tích mặt cắt ngang bồn i, + mặt cắt ngang lỗ thoát nước γ γ ∈ [0;1] xác định cách tinh chỉnh van trước bắt đầu Tham số , thí nghiệm Dòng chảy tới bồn γ 1k1v1 , γ kv dòng chảy tới bồn dòng chảy tới bồn 2 , dòng chảy tới bồn y = kc h1 y2 = kc h2 Tín hiệu mức đo , Ma trận chuyển giao hệ tuyến tính : Hằng số thời gian: 32 (1 − γ )k2 v2 (1 − γ )k1v1 , với i = 1, ,4 , 33 PHẦN MÔ PHỎNG SỬ DỤNG MATLAB 5.1 Giới thiệu Giới thiệu MATLAB (Matrix Laboratory) phần mềm khoa học thiết kế để cung cấp việc tính tốn số hiển thị đồ họa ngơn ngữ lập trình cấp cao MATLAB cung cấp tính tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác liệu linh hoạt dạng mảng ma trận để tính tốn quan sát Các liệu vào MATLAB nhập từ "Command line" từ "mfiles", tập lệnh cho trước MATLAB MATLAB cung cấp cho người dùng toolbox tiêu chuẩn tùy chọn Người dùng tạo hộp cơng cụ riêng gồm "mfiles" viết cho ứng dụng cụ thể 5.2 Viết code mfile Khai báo thơng số hệ thống 34 Hình 5.17 Khai báo thông số hệ thống Code thiết kế bồn (dùng để mô phỏng) Hàm truyền sử dụng tank_dynamics 35 5.3 Simulink Tạo mơ hình cách đánh lệnh simulink enter Hình 5.18 Sử dụng thư viện simulink thiết kế hệ thống 36 Hình 5.19 Thiết kế hệ thống 37 Chon số set point 0.6= 60% chiều cao bồn Đặt sp cho tank = 0.6 tank = 0.4 Gama1 =0, gama2=0 Qua nhiều lần kiểm tra thử nghiệm ta dược thông số PID cho Tank3 Kp=5, Ki=0.02, Kd=0 Tank : Kp =0.49, Ki=0.02, Kd=0 Ta kết Hình 5.20 Kết mơ Ta đồ thị sau 38 Hình 5.21 Đồ thị Đặt sp cho tank = 0.7 tank = 0.09 Nhận xét: • Hệ thống ổn định • Độ vọt lố thấp • Thời gian xác lập nhỏ 10s • Sai số xác lập