ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG

Thủy lực là một trong những bộ phận quan trọng của ngành cơ khí nói riêng cũng như rất nhiều ứng dụng trong đời sống nói chungTùy thuộc vào mục đích sử dụng mà các chỉ tiêu thông số của đối tượng thủy lực có yêu cầu khác nhau như áp suất, độ nhớt, khả năng nén, … . Trong phần này của bài tập lớn chúng ta chỉ nghiên cứu đến việc kiểm soát và điều khiển lưu lượng thủy lực.Ứng dụng của điều khiển lưu lượng trong thực tế chúng ta có thể bắt gặp như là trong công nghiệp năng lượng: sản xuất thủy điện, hệ thống làm mát trong các nhà máy nhiệt điện; trong công nghiệp hệ thống làm mát, bôi trơn các máy công cụ; trong công nghiệp sản xuất thực phẩm sản xuất đồ uống, trong nông nghiệp hệ thống điều tiết độ ẩm, tưới nước tự động,…; trong y học với các thiết bị y tế như là máy lọc máu. Bên cạnh nhiều ứng dụng không cần kiểm soát lưu lượng một cách chính xác nhanh chóng phản ứng tức thời thì cũng có những hệ thống yêu cầu kiểm soát lưu lượng một cách chặt chẽ như trong y học hoặc trong các hệ thống làm mát quan trọng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện tử

Môn: Cơ điện tử 1

Đề tài: Mô hình hóa hệ thống điều khiển

lưu lượng chất lỏng.

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Khổng Minh

Sinh viên thực hiện: Ngô Văn Hải

Mã SV:1141020206 Lớp: Cơ điện tử 3- k11

Hà Nội, 11/2018

Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 201…

MỤC LỤC

Chương 1 Lời mở đầu và giới thiệu đề tài 1

Chương 2 Tổng quan về hệ thống 2

2.1 Ứng dụng của đề tài điều khiển lưu lượng trong thực tế 2

2.2 Hệ thống điều khiển 4

2.2.1 Giới thiệu 4

2.2.2 Phân loại 5

2.2.3 Đặc tính hiệu suất của hệ thống 6

2.3 Bộ điều khiển PID 8

2.3.1 Giới thiệu 8

2.3.2 Phương trình bộ PID lý tưởng: 8

2.4 Phần mềm MatLab 9

Chương 3 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống 10

3.1 Mô hình hóa hệ thống 10

3.1.1 Mô hình hóa bơm DC 10

3.1.1.1 Giới thiệu 10

3.1.1.2 Phần điện 11

3.1.1.3 Phần cơ 12

3.1.2 Các mối liên hệ phần thủy lực 13

3.1.2.1 Bơm 13

3.1.2.2 Ống dẫn 13

3.1.2.3 Van 14

3.1.3 Xây dựng hàm truyền 14

3.1.3.1 Phần thủy khí 14

3.1.3.2 Cảm biến 15

3.1.3.3 Bộ điều khiển PID: 15

3.1.4 Hệ thống điều khiển 16

3.2.1 Đối tượng mô phỏng: 17

3.2.2 Sử lý số liệu 20

3.2.2.1 Thông số động cơ: 20

3.2.2.2 Bơm 20

3.2.2.3 Ống dẫn: 20

3.2.2.4 Van 20

3.2.2.5 Cảm biến 20

3.2.3 Mô phỏng bằng công cụ Matlab 21

3.2.3.1 Bô điều khiển P 22

3.2.3.2 Bô điều khiển PI 23

3.2.3.3 Bộ điều khiển PID 24

3.2.4 Sử dụng Matlab Simulink và công cụ dò hệ số PID 26

Chương 4 Nhận xét và kết luận 32

DANH MỤC HÌNH Ả Hình 2 1: Cấu trúc một đập thủy điện 2

Hình 2 2: Nhà máy nhiệt điện 3

Hình 2 3: Lọc máu tĩnh mạch 3

Hình 2 4: Tản nhiệt chất lỏng 4

Hình 2 5: Mô tả đơn giản của hệ thống điều khiển 4

Hình 2 6: Hệ thống điều khiển vòng mở 5

Hình 2 7: Hệ thống điều khiển vòng kín 6

Hình 2 8: Đáp ứng hệ thống với đầu vào bước 7

Hình 2 9: Cấu trúc bộ điều khiển PID cơ bản 8

Hình 2 10: Đáp ứng của các bộ điều khiển (ref: tín hiệu chuẩn) 9Y Hình 3 1: Mô hình thực tế cần mô hình hóa 10

Hình 3 2: Mô hình động cơ DC 10

Hình 3 3: Hệ thống điều khiển 16

Hình 3 4: Thông số của bơm 17

Hình 3 5: Datasheet của động cơ Baureihe DC motor 51x88 1.13.044.236 18

Hình 3 6: Hệ số Kv của van RA-FN 19

Hình 3 7: Cảm biến YF-S201 19

Hình 3 8: Đáp ứng của bộ điều khiển P 23

Hình 3 9: Đáp ứng của bộ điều khiển PI 24

Hình 3 10: Bộ PID với Kp=5500, Kd=2000 khi Kd thay đổi 25

Hình 3 11:Bộ PID với Kp=5500, Ki=20000 26

Hình 3 12: Cấu trúc hệ thống mô phỏng simulink 27

Hình 3 13: Thay đổi Tranfer Fcn 28

Hình 3 14: Bộ PID 28

Hình 3 15: Công cụ dò hệ số PID 29

Hình 3 16: Hộp thoại Parameters 29

Hình 3 17: Thông số hệ thống sau khi dò hệ số 30

Hình 3 18: Kiểm tra hệ số của simulink bằng mfile 31

Key word:

PID (Proportional Integral Derivative) : Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

PI (Proportional Integral) : Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ

Lưu lượng

Hệ thống vòng kín : Closed-Loop (Feedback Control) Systems

Chương 1 Lời mở đầu và giới thiệu đề tài

Thủy lực là một trong những bộ phận quan trọng của ngành cơ khí nói riêng cũngnhư rất nhiều ứng dụng trong đời sống nói chung

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà các chỉ tiêu thông số của đối tượng thủy lực cóyêu cầu khác nhau như áp suất, độ nhớt, khả năng nén, … Trong phần này của bài tậplớn chúng ta chỉ nghiên cứu đến việc kiểm soát và điều khiển lưu lượng thủy lực

Ứng dụng của điều khiển lưu lượng trong thực tế chúng ta có thể bắt gặp như làtrong công nghiệp năng lượng: sản xuất thủy điện, hệ thống làm mát trong các nhà máynhiệt điện; trong công nghiệp hệ thống làm mát, bôi trơn các máy công cụ; trong côngnghiệp sản xuất thực phẩm sản xuất đồ uống, trong nông nghiệp hệ thống điều tiết độ ẩm,tưới nước tự động,…; trong y học với các thiết bị y tế như là máy lọc máu Bên cạnhnhiều ứng dụng không cần kiểm soát lưu lượng một cách chính xác nhanh chóng phảnứng tức thời thì cũng có những hệ thống yêu cầu kiểm soát lưu lượng một cách chặt chẽnhư trong y học hoặc trong các hệ thống làm mát quan trọng

Từ yêu cầu trên chúng ta sẽ sử dụng các lý thuyết bộ môn cơ điện tử đã học cũngnhư lý thuyết đại cương của ngành cơ điện tử Vận dụng thành thạo các công cụ nhưMatlab, Matlab Simulink, bằng các phương pháp lí thuyết và thực nghiệm để tìm raphương hướng giải quyết đề tài

Mục đích: tìm hiểu về phương pháp điều khiển lưu lượng của bơm (DC motor waterpump), biết cách mô phỏng mô hình hóa hệ thống cũng như xây dựng một hệ thống điềukhiển hệ thống bằng cách sử dụng PID

Đề tài gồm các nội dung sau:

Chương 1: Tóm tắt chung về đề tài

Chương 2: Giới thiệu tổng quan về đề tài

Chương 3: Mô hình hóa hệ thống

Chương 4: Nhận xét và rút ra kết luận

Chương 1 Tổng quan về hệ thống

1.1 Ứng dụng của đề tài điều khiển lưu lượng trong thực tế

Điều khiển lưu lượng là một trong những vấn đề quan trọng trong đời sống cũngnhư trong sản xuất, nó góp phần to lớn vào hầu như đa số mọi mặt trong đời sống có thể

kể đến một số ví dụ như:

Kiểm soát lưu lượng nước trong một nhà máy thủy điện

Hình 2 1: Cấu trúc một đập thủy điện

Hệ thống làm mát nhà máy nhiệt điên

Hình 2 2: Nhà máy nhiệt điện

Máy lọc máu cho những bệnh nhân suy thận

Hình 2 3: Lọc máu tĩnh mạch

Hoặc trong các hệ thống tản nhiệt cho máy tính

Hình 2 5: Mô tả đơn giản của hệ thống điều khiển

Điều khiển quá trình đề cập đến sự kiểm soát của một hoặc nhiều thông số hệ thống,chẳng hạn như nhiệt độ, lưu lượng hoặc vị trí để đạt được một đầu ra được xác định trướcđến mức độ chính xác được chỉ định

Các hệ thống điều khiển tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong khoa học và công nghiệp,nơi chúng rất hữu ích trong hướng dẫn, điều hướng, điều chỉnh nhiệt độ và nồng độ hóachất trong số các quy trình khác.

hệ thống như vậy vốn đã nhạy cảm với rối loạn Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vòng

mở được thể hiện trong Hình 2.6

Hình 2 6: Hệ thống điều khiển vòng mở

b) Hệ thống vòng kín (feedback control)

Hệ thống vòng kín bù cho nhiễu bằng cách đo đáp ứng đầu ra, trả lại rồi đo lường

đó qua đường dẫn phản hồi và so sánh phản hồi đó với đầu vào ở giao điểm tổng hợp nhưtrong Hình 2.7 Sự khác biệt này sau đó được sử dụng như một phương tiện kiểm soát.Các hệ thống vòng kín có một số ưu điểm so với các hệ thống vòng lặp mở, đó là,

độ chính xác cao hơn và ít nhạy cảm với tiếng ồn, nhiễu loạn cũng như những thay đổitrong môi trường

Hình 2 7: Hệ thống điều khiển vòng kín

1.2.3 Đặc tính hiệu suất của hệ thống

Để thiết kế bất kỳ hệ thống điều khiển nào, các yêu cầu về chỉ tiêu của nó cần đượcbiết rõ trước Chúng ta thường sử dụng thông số kỹ thuật thiết kế để mô tả hệ thống nênlàm gì và cách thức được thực hiện Các thông số kỹ thuật này là duy nhất cho từngtrường hợp ứng dụng riêng lẻ

Phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển tập trung vào ba mục tiêu chính:

i Đạt được đáp ứng tức thời mong muốn

ii Giảm lỗi trạng thái ổn định

iii Đạt được sự ổn định

Một hệ thống phải ổn định để tạo ra thời gian đáp ứng nhanh và điểm xác lập cốđịnh Tính ổn định là khả năng của hệ thống để đạt được trạng thái cân bằng với hoạtđộng dao động giảm chấn Với dao động thường xuyên hoặc tăng liên tục hệ thống sẽđược định nghĩa là không ổn định

Thời gian đáp ứng nhanh ảnh hưởng đến tốc độ và độ ổn định của hệ thống cũngnhư ảnh hưởng ứng suất cơ học, đáp ứng trạng thái ổn định xác định độ chính xác của hệthống điều khiển, điều chỉnh mức độ đầu ra phù hợp với đáp ứng mong muốn như thếnào

Hình 2 8: Đáp ứng hệ thống với đầu vào bước.

Thiết kế của các hệ thống điều khiển tuyến tính có thể được thực hiện trong miềnthời gian hoặc miền tần số.

Một số yêu cầu như độ chính xác điểm xác lập, vọt lố tối đa, thời gian lên, thời gianđáp ứng

Những thông số phản hồi tức thời, xem Hình 2.5, bao gồm:

Thời gian trễ (td) - thời gian cần thiết để đáp ứng đạt được một nửa giá trị cuối cùnglần đầu tiên

Thời gian tăng (tr) - thời gian cần thiết để đáp ứng tăng từ 10% lên 90%, 5% đến95%, hoặc 0% đến 100% giá trị cuối cùng của nó

Thời gian lên đỉnh (tp) - thời gian lên đỉnh là thời gian cần thiết để đáp ứng đạt đếnđỉnh đầu tiên khi vọt lố

Điểm cực đại (Mp) - giá trị đỉnh tối đa của đường hồi đáp đo được

Phần trăm vọt lố tối đa =

Thời gian xác lập(ts) - thời gian cần thiết cho đường hồi đáp để tiếp cận và ở trongphạm vi về giá trị xác lập ( thường là ± 2% hoặc ± 5%.)

1.3 Bộ điều khiển PID

- P (Proportional) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch(error)

- I (Integral) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo

thời gian của sai lệch

- D (Derivative) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo

thời gian của sai lệch

Hình 2 9: Cấu trúc bộ điều khiển PID cơ bản

1.3.2 Phương trình bộ PID lý tưởng:

Với Kp, Ki, Kd được gọi lần lượt là hệ số tỉ lệ, hệ số tích phân và hệ số vi phân

Hình 2 10: Đáp ứng của các bộ điều khiển (ref: tín hiệu chuẩn)

1.4 Phần mềm MatLab

MATLAB là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công

ty MathWorks thiết kế MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thịhàm

số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kếtvới những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác

Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều

mô hình trong thực tế và kỹ thuật

Chương 2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

Hệ thống đề xuất bao gồm một máy bơm động cơ DC bơm nước vào một đườngống, cuối đường ống là van, ngoài ra còn có cảm biến lưu lượng

Hình 3 1: Mô hình thực tế cần mô hình hóa

2.1 Mô hình hóa hệ thống

2.1.1 Mô hình hóa bơm DC 2.1.1.1 Giới thiệu

Hình 3 2: Mô hình động cơ DC

Máy bơm nước là một động cơ DC với phần điện tương đương mạch của phần ứng

và mô hình phần động của rôto thể hiện trong Hình 3 Đầu vào cho động cơ là nguồn điện

áp (V) tác dụng lên phần ứng của động cơ, đầu ra là tốc độ quay của trục Rotor và trụcđược giả định là khối rắn Chúng ta tiếp tục giả định rằng mô hình có ma sát nhớt, , tức

là ma sát tỷ lệ thuận với vận tốc góc của trục

Các thông số vật lý của động cơ là

J: moment quán tính của rôto [kg.m2],

b: hằng số ma sát nhớt vòng bi động cơ [ N.m.s],

Ke: hằng số sức điện động [ V / rad / sec],

Kt: hằng số mômen motor [ N.m / Amp],

R: điện trở []

L: điện cảm [H]

Giả sử điều khiển phần ứng động cơ, mô men xoắn tỷ lệ thuận với dòng điện hiện

tại ( ) và ngược lại suất điện động tự cảm tỷ lệ với vận tốc góc của trục,

Biến đổi laplace phương trình (2) ta được:

(3)

2.1.1.3 Phần cơ

Áp dụng định luật II Newton cho vật rắn quay quanh trục cố định ta có:

Chọn chiều dương cùng chiều quay của trục động cơ.

(4)Biến đổi laplace phương trình (4) ta được:

(5)Thay (3) vào (5) ta có:

Tốc độ góc trong miền Laplace có liên quan đến vị trí góc như sau

và do đó có thể được thay thế trong các phương trình trên Bằng các phép biến đổi chúng

ta có thể thu được hàm truyền của động cơ, đầu ra tốc độ quay động cơ có liên quan đếnđầu vào điện áp phần ứng , như sau:

Kf :Hệ số lưu lượng của bơm, [m3/rad]

ω :Vận tốc góc roto của bơm, [rad/s]

Tuy nhiên phương trình (7) chỉ đúng khi đầu ra của bơm có áp suất là không đáng

kể tức là cột áp của bơm bằng không, thưc tế khi có áp suất lưu lượng bơm được sẽ bị sụtgiảm với lượng sụt giảm là:

(8)Trong đó p1 :áp suất đầu ra của bơm [Pa]

σ : Hệ số giảm lưu lượng theo áp suất của bơm [m3 /s.Pa]

Từ (7) và (8): Lưu lượng ra của bơm là

(9)

2.1.2.2 Ống dẫn

Xét đoạn ống dẫn thủy lực nằm ngang chiều dài l , tiết diện A , lưu lượng chảy qua

là q, áp lực nước đầu ống là p1 và áp lực cuối ống là p2. Áp dụng phương trình liên hệ vềquán tính thủy lực (bỏ qua hao tổn áp suất qua cảm biến lưu lượng) ta có :

(10)Trong đó : : Là quán tính thủy lực của đoạn ống

l :Là chiều dài ống, [m]

:Khối lượng riêng của chất lỏng, [Kg/m3]

A :Tiết diện ngang của ống, [m3]

2.1.2.3 Van

Đối với van, lưu lượng qua van q có thể tính thông qua độ giảm áp suất giữa đầuvào và đầu ra của van bằng công thức dưới đây

(11)Trong đó q :lưu lượng qua van [m3/s]

:Tiết diện trong của van, [m2]

p2 :áp suất phía trước van, [Pa]

p3 :áp suất phía sau van, [Pa]

:Hệ số của van thể hiện lưu lượng qua van có tiết diện1m2 khi áp suất hai đầu van giảm 1 Pa, [m/s.Pa]

2.1.3 Xây dựng hàm truyền 2.1.3.1 Phần thủy khí

Biến đổi biểu thức (11) ta được :

(12)Cộng hai vế của (10) và (12), giả thiết p3=pa=0 ( áp suất khí quyển tác dụng lên cảđầu nước vào và đầu nước ra của bơm cân bằng )

(13)Thay (13) vào (9) ta được:

Biến đổi laplace về miền tần số:

Suy ra hàm truyền của dòng thủy khí với đầu vào là vận tốc góc động cơ ω(s) vàđầu ra là lưu lượng chảy ra q(s) là:

2.1.3.2 Cảm biến

Hàm truyền của cảm biến được cho bởi công thức

Trong đó: K: là hệ số khuếch đại của cảm biến

T: thời gian trễ của cảm biến, [s]

2.1.3.3 Bộ điều khiển PID:

Từ phương trình của bộ điều khiển PID:

Sử dụng biến đổi laplace ta được hàm truyền với đầu vào là tín hiệu sai lệch e(s) vàđầu ra là tín hiệu điện áp cho động cơ V(s)

q(t) là giá trị đầu ra.

e(t) = qo(t)-q(t) là giá trị sai lệch

V(t) là giá trị điện áp đặt vào động cơ

2.2 Mô phỏng hệ thống sử dụng Matlab và Matlab simulink

2.2.1 Đối tượng mô phỏng:

Giả định: Ứng dụng thực tế trong hệ thống tản nhiệt nước của hệ thống máy trạm,server hoặc hệ thống tản nhiệt trong các thiết bị điện tử Lưu lượng nước được điều khiểnphụ thuộc vào nhiệt độ của thiết bị

Phạm vi lưu lượng điều khiển :5-15 L/min

Độ dài đường ống 2m, kích thước ống d=10mm

Yêu cầu đáp ứng của hệ thống:

 thời gian xác lập < 0.5 giây

Lưu lượng bơm được( ở 0 psi) 1.5 - 4.6 GPM (5.68-17.4 L/min)

Công suất (ở 0 psi): 0.02-0.11 Hp (15-82w)

Hình 3 4: Thông số của bơm

b) Động cơ DC : Baureihe DC motor 51x88 1.13.044.236

Công suất tối đa: 70w

Tốc độ tối đa: 4000 rpm

Điện áp định mức: 24V

Hình 3 5: Datasheet của động cơ Baureihe DC motor 51x88 1.13.044.236

c) Van : RA-FN 10

Kích thước ống đầu vào và ra là 3/8 inch = 0.9525 cm

Hệ số lưu lượng của van ở điều kiện van mở hoàn toàn là

Kv= 0.65 [m3 /h at 1 bar pressure drop]

Kv=Q/p

Hình 3 6: Hệ số Kv của van RA-FN

d) Cảm biến :YF-S201

Nguyên lý hoạt động: nước đi qua cảm biến làm quay cánh gạt, cánh gạt được gắn với cơ cấu quay để tác dụng lên bộ phận cảm biến sử dụng nguyên lý hall , tín hiệu trả về

là tín hiệu xung với công thức:

Tần số tín hiêu: F [hz] = 7.5 * lưu lượng [L/min]

Phạm vi đo được:1-30 [L/min]

Thời gian đầu ra tăng: 0.04 [us]

Thời gian đầu ra giảm 0.18 [us]

Hình 3 7: Cảm biến YF-S201

2.2.2 Sử lý số liệu 2.2.2.1 Thông số động cơ:

Hệ số lưu lượng của bơm:

Kf = 0.00515 [gallons per revolution] = 1.9495e-5 [m3/vòng]

Hệ số giảm lưu lượng:

Thời gian trễ, ta lấy trung bình cộng thời gian lên và xuống của tín hiệu ra:

2.2.3 Mô phỏng bằng công cụ Matlab.

Phần mềm sử dụng: Matlab R2014b

Quá trình thực hiện:

1 Mở phần mềm Matlab R2014b

2 Tạo mfile mới: New/script(ctrl+N)

3 Lập trình code cho chương trình

Các câu lệnh chính được sử dung:

 s= tf(‘s’) : Khai báo biến s trong các hàm truyền

 C=pid(Ki,Kp,Kd) :Khai báo hàm truyền của bộ PID với các giá trị

Ki, Kp, Kd xác định.

 sys_cl = feedback(C*P_motor*G,H) : Tính hàm truyền của hệ hồi tiếp

trong đó C, P_motor và G là các khối nối tiếp; H là hàm truyền của

đường hồi tiếp

 step(sys_cl) :Khảo sát đáp ứng bước của hệ thống

4 Nhận xét kết quả.

Phần câu lệnh khai báo thông số và thiết lập hàm truyền được sử dụng cho cả ba bộđiều khiển P, PI, PID:

% BAI TAP LON CO DIEN TU 1

% HO TEN: NGO VAN HAI

% LOP: CO DIEN TU 3

% DIA DIEM: SOC SON, TP HA NOI

% NGAY THUC HIEN: 25/11/2018

%

-%NOI DUNG: MO HINH HOA HE THONG DIEU KHIEN LUU LUONG SU DUNG BO DIEU KHIEN

% P,PI,PID, CAC CHUONG TRINH MATLAB VA MATLAP SIMULINK

%

-% PHAN1: THONG SO MO PHONG.

% 1.1 DONG CO: Baureihe DC motor 51x88 1.13.044.236

% (J) momen quan tinh cua dong co 180e-7 kg.m^2

% (b) he so can nhot vong bi motor 0 N.m.s

% (Ke) hang so suc dien dong 0.053 V/rad/sec

% (Kt) hang so mo men dong co 0.053 N.m/Amp

% (R) dien tro khang phan ung 2 Ohm

% (L) dien cam phan ung 1e-3 H

% 1.2 PHAN THUY LUC

% (Kf) he so luu luong cua bom 1.9495e-5 m^3/rad

% (o) he so sut giam luu luong 20.13101e-12 m^3/s.Pa

% (l) chieu dai ong dan 2 m

% (A) tiet dien ong dan 7.8539e-5 m^2

% (Kv) he so cua van m/s.Pa

% (Av) tiet dien trong cua van m^3