Nội dung trình bày của đề tài báo cáo: Cơ sở lý thuyết điều khiển và matlab, xây dựng và mô tả bài toán mức nước trong bình và thiết kế bộ điều khiển PID. Để biết rõ hơn về nội dung chi tiết, mời các bạn cùng tham khảo.
Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương L Ờ I M Ở D Ầ U Ngày nay do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu tồn cầu đã gây ra nhiều hiện tượng thời tiết cực đoan như lũ lụt, hạn hán, nhiệt độ trái đất tăng, sóng thần… làm ảnh hưởng lớn đến cuộc sống của con người. Nước ta là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề từ biến đổi khí hậu, vì vậy xây dựng một hệ thống thủy lợi quy mơ lớn, hiện đại là vấn đề cần thiết đối với nước ta. Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, chất lượng hệ thống thủy ngày càng được nâng cao đặc biệt là khả năng áp dụng các bộ điều khiển lơgic khả trình PLC vào việc tự động hóa cũng như điều khiển hệ thống giúp hệ thống điều khiển linh hoạt, nhanh, chính xác.Sau đây em xin trình bày đề tài “ điều khiển mức nước trong bình chứa ” đây là mơ hình thu nhỏ của hệ thơng hồ đập trong nước ta giúp sự điều tiết mước nước hợp lý trong hồ đập Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều để hồn thành đề tài song do giới hạn về thời gian,cũng như kiến thức nên nội dung còn thiếu sót.em mọng sự góp ý của thầy cũng như các bạn Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên : Trần Văn Hưng Trang: 1 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương MỤC LỤC LỜI MỞ DẦU . 1 CHƯƠNG I. Cơ sở lý thuyết điều khiển và matlab 1.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động 3 1.2. Đặc tính động học của các khâu và của hệ thống trong miền tần số 1.3. Tính ổn định của hệ thống điều khiển tự động 18 1.4 MATLAB 19 CHƯƠNG II. Xây dựng và mơ tả bài tốn mức nước trong bình 2.1. Mơ hình đối tượng . 25 2.2. Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống . 25 2.3. Khảo sát các đặc tính động học của hệ thống 27 Trang: 2 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương CHƯƠNG III. Thiết kế bộ điều khiển PID 3.1.Xác định thông số PID 33 3.2. Mô phỏng trên simulink 35 3.3.Sử dụng simulink tuning xác định thông số PID . 37 Kết Luận . 39 Tài liệu tham khảo . 39 CHƯƠNG I. Cơ sở lý thuyết điều khiển và matlab 1.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động 1.1.1. Định nghĩa: Điều khiển là q trình thu thập thơng tin, xử lý thơng tin và tác lên hệ thống “gần” với mục đích định trước. điều khiển tự động là q trình điều khiển khơng có sự tác động của con người.đáp ứng của hệ thơng thõa mãn u cầu tăng độ chính xác,tăng năng suất,tăng hiệu quả kinh tế, Một hệ thống điều khiển tự động được xây dưng từ 3 thành phần cơ bản: Trang: 3 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương O : đối tượng C : bộ điều khiển M : cảm biến (cơ cấu đo lường) Các loại tín hiệu có trong hệ thống gồm : u : tín hiệu vào (tín hiệu điều khiển) y : tín hiệu ra f : các tác động bê ngồi z : tín hiệu phản hồi e : sai lệch điều khiển 1.1.2. Các ngun tắc điều khiển Ngun tắc 1: ngun tắc thơng tin phản hồi Ngun tắc 2 : ngun tắc đa dạng tương xướng Tính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở khả năng thu thập thơng tin,lưu giữ thơng tin truyền tin,phân tích xử lý chọn quyết định,… Trang: 4 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Ngun tắc 3 : ngun tắc bổ sung ngồi Một hệ thơng ln tồn tại và hoạt động trong mơi trường cụ thể và tác động qua lại chặt chẽ với mơi trường đó Ngun tắc 4 : ngun tắc dự trữ Vì ngun tắc 3 ln coi thơng tin chưa đầy đủ phỉa đề phòng bất trắc xẩy ra và khơng được dùng tồn bộ lực lượng trong điều khiển bình thường. vốn dự trữ khơng sử dụng nhưng cần để dảm bảo cho hệ thống vận hành an tồn Ngun tắc 5 : 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 là cấu trúc hình cây Ngun tắc 6 : ngun tắc cân bằng nội Một hệ thống cần xây dựng cơ chế cân bằng nội đẻ có khả năng tự giải quyết những biến động xảy ra 1.1.3. Phân loại hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ) Phân loại theo tín hiệu ra gồm có hai loại tín hiệu ra ổn định và tín hiệu ra chương trình phân loại theo số vòng kín + hệ hở : khơng có số vòng kín nào Trang: 5 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương + hệ kín có nhiêu loại như hệ 1 còng kín,hệ nhiều vòng kín,… phân loại theo khả năng quan sát tín hiệu + hệ liên tục : qua sát được tất cả các trạng thái của hệ thơng theo thời gian + hệ khơng liên tục : quan sát được một phần trạng thái của hệ thống.trong hệ thống khơng liên tục người ta chia làm hai loại là “ hệ thơng gián đoạn và hệ thơng với các sự kiện gián đoạn” phân loại theo mơ hình tốn học + hệ tuyến tính : đặc tính của tất cả các phần tử có trong hệ thống tuyến tính. Đặc tính cơ bản: xếp chồng + hệ phi tuyến : có ít nhất một đặc tính tĩnh của một phần tử Lf một hàm phi tuyến + hệ thơng tuyến tính hóa tuyến tính hóa từng phần của hệ phi tuyến với một số điều kiện cho trước để được hệ tuyến tính gần 1.1.4. Biến đổi Laplace Trang: 6 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Giã sử có hàm f(t)liên tục,khả tích. ảnh laplace của f(t) qua phép biến đỏi laplace ,ký hiệu F(p) được tính theo định nghĩa: p: biến laplace f(t): hàm gốc F(p): hàm ảnh 1.1.5. Hàm truyền đạt Hàm truyền đạt của một khâu (hay hệ thơng) là tỉ số giữa tind hiệu ra với tín hiệu vào biễu diễn theo tốn tử laplace, ký hiệu là W(p),với các điều kiện ban đầu triệt tiêu Với Ý nghĩa + Quan sát hàm truyền đạt, nhận biết cấu trúc hệ thống + Xác định tín hiệu ra theo thời gian(biến đổi laplace ngược) + Xác định các giá trị đầu, giá trị xác lập cũa hệ thống + Xác định được heeh số khuếch đại tĩnh cũa hệ thống Trang: 7 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương 1.1.6. Đại số sơ đồ khối Đại số sơ đồ khối là biến đổi một sơ đồ phức tạp về dạng đơn giản hơn để thuận tiện cho việc tính tốn Mắc nối tiếp Mắc song song Mắc phản hồi 1.1.7. Phương trình trạng thái Khái niệm Trang: 8 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương + đối với một hệ thống, ngồi tín hiệu và tín hiệu ra cần phải xác định,đơi khi ta cần quan sát các trạng thái khác. Ví dụ đối với động cơ điện là dòng điện, gia tốc động cơ v.v… + Khác với tín hiệu ra phải đo lường được bằng các bộ cảm biến, các biến trạng thái hoặc đo được,hoặc xác định được thơng qua các trạng thái khác + Từ đó người ta xây dượng một mơ hình tốn cho phép ta có thể xác định được các biến trạng thái Dạng tổng qt của phương trình trạng thái Xét hệ thống có m tín hiệu vào và tín hiệu ra Hệ có : + m tín hiệu vào: + r tín hiệu ra: + n biến trạng thái: Phương trình trạng thái mơ tả tốn học của hệ thống về mặt thời gian dưới dạng các phương trình vi phân Hệ thống được biểu diễn các phương trình vi phân bấc nhất Trang: 9 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương 1.2. Đặc tính động học của các khâu và của hệ thống trong miền tần số Những đối tượng khác nhau có mơ tả tốn học như nhau được gọi là khâu động học.có một số khâu dộng học khơng có phần tử vật lý nào tương ứng tín hiệu tác động vào một khâu + tín hiệu bậc thang đơn vị +tín hiệu xung đơn vị +tín hiệu điều hòa + và tín hiệu bất kỳ có thể phân tích thành các tín hiệu trên 1.2.1. Phản ứng của một khâu Định nghĩa : Phản ứng của một khâu (hệ thống) đối với tín hiệu vào xác định chính là đặc tính q độ hay đặc tính thời gian của khâu đó Trang: 10 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương CHƯƠNG II. Xây dựng và mơ tả bài tốn mức nước trong bình 2.1. Mơ hình đối tượng Tín hiệu vào là độ mở (hoặc lưu lượng) của van vào In Flow(F1) , tín hiệu ra là mức chất lỏng trong bình level (h),còn nhiễu là độ mở của van ra Out Flow(F2) 2.2. Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống F2 F1 h Trang: 26 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Phương trình cân bằng vật chất: Trong đó: A :là tiết diện cắt ngang của bình chứa F1:Lưu lượng nước vào F2:Lưu lượng nước ra h: Chiều cao mực nước trong bình (2) Phương trình (2) có dạng: ( Với I là độ mỡ của van ) Laplace 2 vế ta được: (Với A*I = T;I = T/A) Trang: 27 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Do van là khâu qn tính bậc nhất nên hàm truyền của hệ thống sẽ có dạng 2.3. Khảo sát các đặc tính động học của hệ thống: Với K =8; T=10 .Vậy hàm truyền của hệ thống là: Hàm q độ của hệ thống Chương trình: >> num = 8; >> den =[10 1]; >> w= tf(num,den); >> step(w) >> grid on Ta được (hình 2.1) Trang: 28 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Hình 2.1:Đồ thị hàm quá độ Hàm trọng lượng của hệ thống Chương trình: >> num = 8; >> den =[10 1]; >> w= tf(num,den); >> impulse(w) >> grid on Ta được (hình 2.2) Trang: 29 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Hình 2.2:Đồ thị hàm trọng lượng Đặc tính biên pha của hệ thống Chương trình: >> num = 8; >> den =[10 1]; >> w= tf(num,den); >> nyquist(w) >> grid on Trang: 30 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Ta được (hình 2.3) Hình 2.3:Đồ thị đặc tính biên pha của hệ thống Đặc tính tần loga Chương trình: >> num = 8; >> den =[10 1]; >> w= tf(num,den); Trang: 31 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương >> bode(w) >> grid on Ta được (hình 2.4) Hình 2.4:Đồ thị hàm Loga N h ận xét: Hệ thống gồm 1 khâu khuếch đại bằng 8, và một khâu qn tính bậc 1 Từ đồ thị hàm trọng lượng và hàm q độ ta thấy Biên độ đỉnh đạt giá trị 8.0 và khơng có độ vọt lố. Thời gian xác lập (đáp ứng) của hệ thống là 39.1s Từ đồ thị đặc tính biên pha của hệ thống hở ta thấy đường dặc tính khơng bao quanh điểm (1,j0) vậy hệ thống ở dạng kín ổn định Trang: 32 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Từ đồ thị Đặc tính tần loga ta thấy đồ thị pha Bode nó tiệm cận tới tại tần số thấp và tại tần số cao. Chương III :Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID 3.1.Xác định thơng số PID Trang: 33 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Ta có sơ đồ cấu trúc như sau: Sau khi chạy ta được (hình 1.3) Hình 1.3:Hình ảnh sau khi chuyển sang cửa sổ Figure ( Ta xác định được tham số L và T theo phương pháp Ziegler Nichols như hình 1.3 ) Trong đó:L: Là khoảng thời gian đầu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với kích thích 1(t) tai đầu vào Trang: 34 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương K: Là giá trị giới hạn h∞ = T: Là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến của h(t) đạt giá trị K Đối tượng là khâu qn tính tích phân bậc nhất nên bộ điều khiển tối ưu đối xứng sẽ là bộ điều khiển PID: Tính: Tính: Tính: (: hệ số tích phân;: hệ số khuếch đại;: hệ số vi phân) Từ đồ thị ta xác định được các thơng số: T = 11.9 L = 1 K = 8 Suy ra: KP =1.785 KI=0.8925 KD=0.8925 3.2. Mơ phỏng trên simulink Trang: 35 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Sau khi chạy chương trình: Chuyển sang cửa sổ Figure Trang: 36 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Nhận xét: +> Thời gian đáp ứng khoảng 9s.nhanh hơn 30.1s so với khi chưa sủ dụng bộ điều khiển PID.Hệ thống được cải thiện +> Độ vọt lố:10% Trang: 37 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương 3.3.Sử dụng simulink tuning xác định thơng số PID Sau khi chạy tuning ta được thơng số PID (hình 3.1) Hình 3.1:Thơng số PID khi sử dụng tuning Sử dụng các thơng số trên vào hệ thống ta được (hình 3.2) Trang: 38 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Hình 3.2:Đồ thị của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID tunning Chuyển sang cửa sổ Figure Nhận xét: +> Thời gian đáp ứng của hệ thống khoảng 28s.hệ thống được cải thiện 28.3%. so với khi chưa sử dụng bộ điều khiển PID tunning +> Độ vót lố:6.66% ( độ vọt lố giảm khi sử dụng Simulink tuning ) Trang: 39 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương Kết Luận Qua q trình tìm hiểu về đề tài em nhận thấy rằng tầm quan trọng của đề tài là rất lớn.Có ảnh hưởng rộng,là một phần khơng thể thiếu trong việc điều tiết nước ở hồ,đập vv và ngày càng khẳng định được vai trò khơng thể thay thế được.Qua bài thu hoạch này, em đã hiểu rõ hơn về cấu tạo cũng như ngun lí hoạt động của hệ thống điều khiển mực nước,tiếp cận gần hơn với các hệ thống điều khiển thực tế Qua q trình thực hiện đề tài,đã giúp em củng cố kiến thức lý thuyết,cũng như thành thạo hơn trong sử dụng ứng dụng của MATLAB & SIMULINK để khảo sát hệ thống,cũng như xây dựng khối điều khiển PID Tài liệu tham khảo: Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tinh.GS.TS.Nguyễn Dỗn Phước.NXBKHKT2009 Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tinh.GS.TS.Nguyễn Thường Ngơ MATLAB & SIMULINK .GS.TS.Nguyễn Phùng Quang.2006 Trang: 40 ... Phương trình cân bằng vật chất: Trong đó: A :là tiết diện cắt ngang của bình chứa F1:Lưu lượng nước vào F2:Lưu lượng nước ra h: Chiều cao mực nước trong bình (2) Phương trình (2) có dạng: ( Với I là độ mỡ của van )... CHƯƠNG II. Xây dựng và mơ tả bài tốn mức nước trong bình 2.1. Mơ hình đối tượng Tín hiệu vào là độ mở (hoặc lưu lượng) của van vào In Flow(F1) , tín hiệu ra là mức chất lỏng trong bình level (h),còn nhiễu là ... CHƯƠNG I. Cơ sở lý thuyết điều khiển và matlab 1.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động 1.1.1. Định nghĩa: Điều khiển là q trình thu thập thơng tin, xử lý thơng tin và tác lên hệ thống “gần” với mục đích định trước. điều khiển tự động là q trình điều khiển