Giám sát và điều khiển góc quay của tấm pin năng lượng mặt trời, thu năng lượng để diều khiển mức nước dùng pid

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN GÓC QUAY CỦA TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, THU NĂNG LƯỢNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC DÙNG PID GVHD: Th.S NGUYỄN THỊ DIỆU AN NGUYỄN XUÂN THỦY TRẦN CÔNG VIÊN PHẠM ĐÌNH NAM TP.HCM, NĂM 2019 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên nhóm sinh viên giao đề tài Nguyễn Xuân Thủy Mssv: 15080551 Trần Cơng Viên Mssv: 15076851 Phạm Đình Nam Mssv: 15094961 Tên đề tài Giám sát, điều khiển góc quay pin lượng Mặt Trời, thu lượng điều khiển mực nước dùng PID Nội dung Giao tiếp card NI-6001 Labview Xây dựng thuật toán điều khiển pin Năng lượng Mặt Trời để thu lượng điều khiển mực nước dùng PID Kết Thu lượng để điều khiển mực nước dùng PID Giảng viên hướng dẫn Tp.hcm, ngày 20 tháng năm 2019 Sinh viên Trưởng môn i KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN - TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 CHỮ KÍ CỦA GVHD (Kí ghi rõ họ tên) ii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN - TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 CHỮ KÍ CỦA GVPB (Kí ghi rõ họ tên) iii KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii MỤC LỤC .iv DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH vii DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU x LỜI MỞ ĐẦU .xi CHƯƠNG DẪN NHẬP .1 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Giải vấn đề CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .6 2.1 Nguyên lí hoạt động hệ thống .6 2.2 Bộ điều khiển PID 2.2.1 Khâu tỉ lệ: .8 2.2.2 Khâu tích phân: .9 2.2.3 Khâu vi phân: .10 2.2.4 Phương trình động học hệ thống 14 2.2.5 Hàm truyền 16 2.2.6 Hàm độ 17 2.3 Pin lượng Mặt Trời 18 2.4 Điều khiển động bước step 19 2.4.1 Phân loại theo rotor động bước 19 2.4.2 Phân loại theo cực động bước 19 2.4.3 Phân loại theo số pha động .20 2.4.4 Cách điều khiển động step .20 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ LABVIEW 22 3.1 Giới thiệu LabView 22 3.1.1 LabView 22 3.1.2 Các khả LabView 22 3.1.3 Môi trường phát triển LabView 22 iv KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 3.1.4 Các tín hiệu đo với LabView .23 3.1.5 Phân tích .23 3.1.6 Hiển thị 23 3.1.7 Điều khiển .23 3.1.8 Giao tiếp với thiết bị ngoại vi 24 3.2 Những khái niệm LabView 24 3.2.1 VI (Vitual Instrument) Thiết bị ảo .24 3.2.2 Front Panel 24 3.2.3 Block Diagram .25 3.3 Lập trình LabView 26 3.3.1 Khởi tạo chương trình 26 3.3.2 Các công cụ lập trình 27 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CARD NI-6001 .33 4.1 Giới thiệu card NI-6001 33 4.2 Thông số kĩ thuật card NI-6001 35 4.2.1 Thông số chung 35 4.2.2 Đọc tín hiệu Analog .35 4.2.3 Xuất tín hiệu Analog 35 4.2.4 Các chân xuất/nhập tín hiệu số 36 4.2.5 Bộ đếm hẹn 36 4.2.6 Tín hiệu vào .37 4.2.7 Đầu vào tương tự 38 4.2.8 Đầu tương tự 41 4.2.9 Tín hiệu số DIO 42 4.2.10 Nguồn +5V 44 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 46 5.1 Thiết bị 46 5.1.1 Pin Mặt trời 46 5.1.2 Nguồn điện 47 5.1.3 Mạch giảm áp .47 5.1.4 Mạch hạ áp chip buck XL4016E1 48 5.1.5 Mạch cầu H 48 5.1.6 Động step 50 v KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 5.1.7 Đai truyền .51 5.1.8 Quang trở 51 5.1.9 Công tắt hành trình .52 5.1.10 Bạc đạn 52 5.1.11 Bộ giảm tốc 52 5.1.12 Cảm biến siêu âm US-016 53 5.1.13 Bơm HC-2203 .55 5.2 Thi công phần cứng 55 5.2.1 Sơ đồ phần cứng sơ đồ đấu dây điều hướng pin Mặt Trời 55 5.2.2 Sơ đồ phần cứng sơ đồ đấu dây điều khiển mức nước 56 5.2.3 Điều hướng pin Mặt Trời 59 5.2.4 Bồn nước .59 5.3 Lưu đồ giải thuật 60 5.3.1 Lưu đồ giải thuật góc quay pin Mặt Trời 60 5.3.2 Lưu đồ giải thuật PID mức nước 60 5.4 Giao diện .61 5.4.1 Tấm pin điều khiển 62 5.4.2 Bồn nước .63 5.5 Chương trình 64 5.5.1 Chương trình điều khiển góc quay Pin Mặt Trời .64 5.5.2 Chương trình PID điều khiển ổn định mức nước .64 5.5.3 Các khối chương trình 66 5.6 Kết thực nghiệm 70 5.6.1 Kết điều khiển góc quay pin Mặt Trời .70 5.6.2 Kết điều khiển mức nước .71 CHƯƠNG KẾT LUẬN 74 6.1 Kết đạt 74 6.2 Ưu điểm – nhược điểm .74 6.3 Hướng phát triển 74 vi KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 Trạm xe buýt chiếu sáng tự động Hình Ơ tơ chạy lượng Mặt Trời Hình Ứng dụng nuôi tôm Hình Ứng dụng vào đèn đường Hình Bộ PID .6 Hình 2 Đáp ứng khâu tỉ lệ Kp .8 Hình Đáp ứng khâu tỉ lệ Ki Hình Đáp ứng khâu tỉ lệ Kd 10 Hình Sơ đồ khối hệ hở .12 Hình Đáp ứng hệ hở 12 Hình Sơ Đồ khối hệ kín 13 Hình Đáp ứng hệ kín 13 Hình Mơ bồn nước 15 Hình 10 Pin Mặt Trời 18 Hình 11 Động bước 19 Hình 12 Động bước đơn cực 19 Hình 13 Động bước lưỡng cực .20 Hình 14 Phương pháp điều khiển động bước cách băm xung .21 Hình Giao tiếp Labview với thiết bị ngoại vi 24 Hình Front Panel 25 Hình 3 Block Diagram .26 Hình Bảng công cụ 27 Hình Bảng điều khiển .28 Hình Các điều khiển dụng cụ thị số .29 Hình Các điều khiển dụng cụ thị kiểu logic 30 vii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình Card NI-6001 33 Hình Thành phần phần cứng card NI-6001 34 Hình Sơ đồ khối 36 Hình 4 Các chân vào card NI-6001 USB [10] 37 Hình Mạch tín hiệu Analog Input 38 Hình Kết nối với DAQ Device .39 Hình Một ví dụ đo tín hiệu ±10V 40 Hình Phạm vi tín hiệu vào tương tự .40 Hình Kết cắt bớt sau đo vượt ± 10 V 41 Hình 10 Mạch tín hiệu Analog Output 41 Hình 11 Đầu tương tự kết nối với tải 42 Hình 12 Một ví dụ kết nối với tải 43 Hình 13 Nguồn +5V 44 Hình 14 Sơ đồ kết nối với tải 45 Hình Tấm pin 46 Hình Nguồn điện 47 Hình Mạch giảm áp 47 Hình Mạch hạ áp - buck XL4016E1 .48 Hình 5 Mạch cầu H 49 Hình Động step 50 Hình Đai truyền 51 Hình Quang trở .51 Hình Cơng tắc hành trình .52 Hình 10 Bạc đạn 52 Hình 11 Bộ giảm tốc 53 Hình 12 Cảm biến siêu âm US-016 54 Hình 13 Bơm HC-2203 .55 Hình 14 Sơ đồ kết nối phần cứng 55 Hình 15 Sơ đồ đấu dây kết nối 56 Hình 16 Sơ đồ phần cứng điều khiển mức nước .57 viii KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 17 Sơ đồ đấu dây điều khiển mức nước .58 Hình 18 Mơ hình pin Mặt trời 59 Hình 19 Mơ hình bồn nước .59 Hình 20 Sơ đồ giải thuật điều chỉnh hướng Tấm pin 60 Hình 21 Sơ đồ giải thuật bồn nước 61 Hình 22 Giao diện điều hướng Pin .62 Hình 23 Giao diện bồn nước .63 Hình 24 Code điều hướng Pin 64 Hình 25 Đồ thị hàm dộ 65 Hình 26 Code điều khiển mức nước 66 Hình 27 Khối tạo xung 66 Hình 28 Khối start .66 Hình 29 Nút on-off 67 Hình 30 Thời gian delay 67 Hình 31 Khối Write 67 Hình 32 Khối And .67 Hình 33 Khối 68 Hình 34 Khối DAQ 68 Hình 35 Khối PID 68 Hình 36 Khối tạo dang xung .69 Hình 37 Khối lấy mẫu .69 Hình 38 Khối lấy trung bình mẫu 69 Hình 39 Kết dạng sóng hệ thống chưa ổn định 70 Hình 40 Kết dạng sóng hệ thống ổn định 70 Hình 41 Mức nước ổn định van xả lớn .71 Hình 42 Kết đáp ứng có sai số hệ thống 71 Hình 43 Mức nước van xả vừa 72 Hình 44 Kết ổn định hệ thống 72 Hình 45 Mức nước van xả nhỏ 73 Hình 46 Kết đáp ứng có sai số hệ thống 73 ix KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 5.4.2 Bồn nước Hình 23 Giao diện bồn nước 63 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 5.5 Chương trình 5.5.1 Chương trình điều khiển góc quay Pin Mặt Trời Hình 24 Code điều hướng Pin 5.5.2 Chương trình PID điều khiển ổn định mức nước Dựa vào sở lí thuyết thông số xác định đối tượng (bồn nước đơn): S = 0,021 m2 - Tiết diện ngang bồn chứa a = 0,0000196 m2 – Tiết diện ngang van g = 9,81 m/s2 – Gia tốc trọng trường H0 = 0,1 m – Độ cao mực nước bể 𝑘 = 0,00000523 Hệ số tỉ lệ : Hệ số truyền: 𝐾= Hằng số thời gian: 𝑇= 𝑘 𝑔 𝑎� 𝐻0 𝑆 𝑔 𝑎� 𝐻0 = = 0,00000523 9,81 0,0000196 � 2.0,1 0,021 9,81 0,0000196 � 2.0,1 = 0,038 = 152,98 (𝑠) Gọi h(t) - hàm độ sai lệch đầu vào mong muốn đầu thực tế Ta có: −𝑡 ℎ(𝑡 ) = 𝐾 �1 − 𝑒 𝑇 � = 0,038 (1 − 𝑒 −0,0065𝑡 ) 64 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Ta có phương trình tín hiệu ra: 𝑡 𝑢(𝑡 ) = 𝐾𝑝 ℎ(𝑡 ) + 𝐾𝑖 � ℎ(𝑡 ) 𝑑𝑡 + 𝐾𝑑 𝑑ℎ(𝑡) 𝑑𝑡 Với : Kp – Hệ số khuyếch đại Ki – Hệ số tích phân Kd - Hệ số vi phân Xét hàm độ: ℎ(𝑡 ) = 0,038 (1 − 𝑒 −0,0065.𝑡 ) Ở đây, ta xét với độ mở van cực đại Hệ thống ổn định sau 800 giây Sau 800 giây hệ thống ổn định, lưu lượng nước xả lưu lượng nước bơm vào Nguyên nhân công suất bơm nhỏ Sự chênh lệch lưu lượng nước bơm vào với xả nhỏ nên hệ thống lâu ổn định Hình 25 Đồ thị hàm q dộ 65 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 26 Code điều khiển mức nước 5.5.3 Các khối chương trình Hình 27 Khối tạo xung Đầu kỹ thuật số - Dùng để nhóm dịng tín hiệu số thành kênh tín hiệu số tách chúng thành nhiều kênh tín hiệu số Để tách cổng thành nhiều kênh, sử dụng VI nhiều lần với cổng khác lần Hình 28 Khối start 66 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Sử dụng VI bắt buộc số ứng dụng tùy chọn cho ứng dụng khác Nếu bạn không sử dụng DAQmx Start Task VI DAQmx Stop Task VI bạn sử dụng DAQmx Read VI DAQmx Write VI nhiều lần, vòng lặp, tác vụ bắt đầu dừng lại nhiều lần làm giảm hiệu suất ứng dụng Hình 29 Nút on-off Dùng để điều khiển động quay thuận - nghịch Hình 30 Thời gian delay Thời gian delay Hình 31 Khối Write Xuất tín hiệu số từ cổng thiết lập Hình 32 Khối And Cả hai đầu vào phải giá trị Boolean, giá trị số cụm lỗi Nếu hai đầu vào TRUE, hàm trả TRUE Nếu khơng, trả FALSE 67 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 33 Khối Dùng để so sánh mảng cụm kiểu liệu tạo mảng kiểu liệu tạo mảng giá trị cụm Cửa sổ kết nối hiển thị loại liệu mặc định cho chức đa hình Hình 34 Khối DAQ DAQ Assistant giao diện đồ họa để tạo, sửa đổi chạy kênh ảo tác vụ NI-DAQmx, thu thập tín hiệu từ cảm biến Hình 35 Khối PID Khối điều khiển PID chương trình 68 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 36 Khối tạo dang xung Khối tạo xung Hình 37 Khối lấy mẫu Thu thập tín hiệu đầu vào trả liệu gần nhất, tối đa số lượng mẫu tối đa định kênh Khi bạn gọi Express VI nhiều lần Express VI đạt số lượng mẫu tối đa kênh, Express VI loại bỏ liệu cũ thêm liệu vào mẫu thu thập Hình 38 Khối lấy trung bình mẫu Tính giá trị trung bình tín hiệu lấy mẫu từ khối Collector 69 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 5.6 Kết thực nghiệm 5.6.1 Kết điều khiển góc quay pin Mặt Trời Hình 39 Kết dạng sóng hệ thống chưa ổn định Hình 40 Kết dạng sóng hệ thống ổn định 70 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 5.6.2 Kết điều khiển mức nước Hình 41 Mức nước ổn định van xả lớn Hình 42 Kết đáp ứng có sai số hệ thống 71 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 43 Mức nước van xả vừa Hình 44 Kết ổn định hệ thống 72 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 45 Mức nước van xả nhỏ Hình 46 Kết đáp ứng có sai số hệ thống 73 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG KẾT LUẬN 6.1 Kết đạt • Các thành viên học tập cách làm việc nhóm phân cơng cơng việc • Vận dụng kiến thức học vào thực tế • Làm quen với phần mềm Labview • Biết sử dụng thêm thiết bị cầm tay : máy cắt, máy hàn,… • Điều khiển động step • Thu thập xử lí tín hiệu analog digital • Thực nhiêm vụ đề điều hướng pin Mặt Trời • Điều khiển ổn định mức nước 6.2 Ưu điểm – nhược điểm Ưu điểm: • Giao diện thân thiện, dễ sử dụng • Mơ hình tương đối đẹp, dễ đấu dây • Hệ thống đáp ứng nhanh, tương đối xác • Hệ thống có ứng dụng thực tế cao • Hiển thị rõ ràng tín hiệu thu Nhược điểm: • Kết cấu khí chưa xác • Tín hiệu đưa bị nhiễu gây khó khăn việc xử lí • Card xử lí bị trễ từ 1 1,5s 6.3 Hướng phát triển Trong đề tài điều hướng pin Mặt Trời, ta thay động step động servo Thay cảm biến quang cảm biến khác có độ xác ổn đinh Để đáp ứng yêu cầu hệ thống lớn phần kết cấu khí cần phải thay đổi để hoàn thiện Trong đề tài điều khiển ổn định mức nước thiết kế theo phương pháp điều khiển PID, cụ thể phương pháp Zeigler-Nichol Tuy nhiên, ngồi phương pháp hệ thống điều khiển phương pháp Fuzzy Do phát triển đề 74 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP tài tối ưu hóa điều khiển PID kết hợp với điều khiển Fuzzy, để điều khiển hệ thống mức nước Cả hai hệ thống thực giám sát qua internet phần mềm Labview 75 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lập trình Labview Ts.NGUYỄN BÁ HẢI [2] Forum National Intruments [3] Lý thuyết điều khiển tự động –NXB ĐH Quốc Gia Tp HCM [4] Lý thuyết điều khiển tuyến tính –GS.TS NGUYỄN DỖN PHƯỚC 76 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Được phân công quý thầy cô khoa công nghệ điện, Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, sau gần năm thực chúng em hồn thành Khóa luận tốt nghiệp Để hồn thành nhiệm vụ giao, nỗ lực học hỏi thân cịn có hướng dẫn tận tình thầy giáo mơn khoa Điện Đó kiến thức quý báu làm tảng cho chúng em hoàn thành đồ án đồng thời móng vững để sau chúng em tiếp tục học tập lao động xã hội Em chân thành cảm ơn cô giáo – ThS.Nguyễn Thị Diệu An, người hướng dẫn người tận tình bảo, góp ý định hướng cho chúng em suốt thời gian làm đồ án Một lần em chân thành cảm ơn cô chúc cô dồi sức khoẻ Tuy nhiên kiến thức chun mơn hạn chế thân chúng em thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung báo cáo khơng tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong nhận góp ý, bảo thêm quý thầy (cơ) để khóa luận hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nguyễn Xn Thủy Trần Cơng Viên Phạm Đình Nam 77 ... tài Giám sát, điều khiển góc quay pin lượng Mặt Trời, thu lượng điều khiển mực nước dùng PID Nội dung Giao tiếp card NI-6001 Labview Xây dựng thu? ??t toán điều khiển pin Năng lượng Mặt Trời để thu. .. điện tích trữ nguồn điều khiển máy bơm hoạt động theo điều khiển PID để điều chỉnh cân mức nước 2.2 Bộ điều khiển PID Hình Bộ PID Một điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional... ống nước cấp, mức nước bồn chứa, tiết kiệm lượng cho hệ thống cấp nước Từ nhu cầu thực tiễn trên, nhóm tiến hành thực đề tài điều khiển hướng pin để thu lượng mặt trời, từ lấy lượng từ pin để điều