đồ án đo lường và điều khiển đo lường và điều khiển lưu lượng chất lỏng bằng fuzzy logic

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG BẰNG FUZZY LOGIC GVHD Lê Ngọc Duy Thành viên nhóm Hà Nội–Năm 2.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA: CƠ KHÍ -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU

ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG BẰNG FUZZY LOGIC

GVHD: Lê Ngọc Duy Thành viên nhóm:



Hà Nội–Năm 2022

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Phạm vi giới hạn chức năng của mô hình đề tài 5

1.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.4 Danh mục tài liệu tham khảo 6

1.5 Danh mục dự khiến thiết bị 6

1.6 Bảng phân chia công việc các thành viên 7

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 8

2.1 Sơ đồ khối chức năng 8

2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 8

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 8

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 10

2.5 Phân tích bộ điều khiển 10

2.5.1 Bộ điều khiển mờ là gì ? 10

2.5.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ 10

2.5.3 Nguyên lý điều khiển mờ 11

2.5.4 Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ 12

2.5.5 Thiết kế bộ điều khiển lưu lượng nước (BĐK mờ Sugeno) 12

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 14

3.1 Chế tạo bộ phận cơ khí 14

3.2 Chế tạo bộ phận điện tử 15

3.2.1 Cảm biến lưu lượng YF-S201 15

3.2.2 Arduino 16

3.2.3 Module L298N 17

3.2.4 LCD16x2 18

3.2.5 Bơm mini 12v 19

3.2.6 nguồn 21

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 22

3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 26

CHƯƠNG 4: Kết luận 27

Khoa học kỹ thuật, cách mạng công nghiệp đang đang từng bước phát triển và chúng ta - những con người của kỹ thuật cũng phải thay đổi tầm nhìn của mình để theo kịp công nghệ hiện đại Trọng tâm của khoa học kỹ thuật trong nền văn minh công nghiệp này đặt vào 5 lĩnh vực chính đó là công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, nguồn năng lượng, công nghệ sinh học và công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động

Nhằm ứng dụng các kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập vào

thực tế nhóm em đã lựa chọn đề tài “ Xây dựng hệ thống đo lường và điều khiển

lưu lượng chất lỏng trong ống dẫn” Nội dung chính của hệ thống là đo lưu lượng

chất lỏng chảy quả ống dẫn từ cảm biến lưu lượng và đưa ra tín hiệu để điều khiển

hệ thống bơm ổn định áp dụng điều khiển mờ (fuzzy logic) Hệ thống này có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống đường ống dẫn dầu, đường ống cấp nướcsinh hoạt

Hình 1 Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng nước trong 1 nhà máy sản xuất nước sạch

b, Giới thiệu về điều khiển mờ (fuzzy logic)

Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh đưa ra lần đầu tiên năm 1965, tại trường Đại học Berkeley, bang California - Mỹ Từ đó lý thuyết mờ đã được pháttriển và ứng dụng rộng rãi

Năm 1970 tại trường Mary Queen, London – Anh, Ebrahim Mamdani đã dùnglogic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng

kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ ra quyết định Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fuji Electronicvào 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào 1987

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh

mẽ nhất là ở Nhật Trong lĩnh vực Tự động hoá logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi Nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được

1.2 Yêu cầu cơ bản

Hệ thống phù hợp với nhu cầu của người tiêu dùng, của các doanh nghiệp

Hệ thống đảm bảo được độ chính xác

Giá thành của hệ thống phù hợp và kết cấu nhỏ gọn

Hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

+ Đề xuất và nghiên cứu về các linh kiện sẽ có trong mạch và các kinh kiện bảo vệ

+ Mô phỏng mạch trên ứng dụng Proteus

Phương pháp thực nghiệm:

+ Dựa và tham khảo vào các mô hình tham khảo trên Internet để cải tiến thiết

kế và mục đích sử dụng

b) Phạm vi đề tài và giới hạn nghiên cứu

Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong các hộ gia đình để phục vụ

an toàn cho các bình chứa, bể chứa trong các hộ gia đình khi có sự cố tràn gây nguyhiểm

Mô hình đo lường và điều khiển lưu lượng chất lỏng áp dụng điều khiển mờ hiển thị được tín hiệu lưu lượng dòng chảy chất lỏng (chất lỏng thực tế là nước) lên máy tính để điều khiển và màn hình LCD để quan sát, điều khiển lưu lượng chất lỏng trong ống dẫn từ bể chứa thông qua máy bơm

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, nhucầu của con người đặt ra ngày càng cao Để đánh giá được chất lượng sản phẩm thìkhông thể thiếu phương pháp sản xuất đo lường Vì vậy dụng cụ đo lường là mộttrong những công cụ lao động tạo ra chất lượng cao và tạo ra các sản phẩm tốt.Một trong những dụng cụ đo đó là thiết bị đo và điều khiển lưu lượng Đo vàđiều khiển lưu lượng có tầm quan trọng đặc biệt trong công nghiệp như khi cầnkhống chế lượng chất lỏng tham gia vào quán trình ở lò phản ứng hóa học, nhà máysản xuất xi măng, động cơ đốt,…

Vận dụng một cách tổng hợp những kiến thức đã học để tiến hành thiết kế, thicông mạch để từ đó có thể đào sâu, mở rộng và hoàn thiện vốn hiểu biết của bảnthân

Kết quả thiết kế và thi công mạch giúp cho việc đơn giản hóa nhu cầu về tự độnghóa và thiết bị thông minh

Ngoài ra, đề tài còn có thể giúp cho người mới học về điện, điện tử, cơ điện tử,

có thể tiếp thu thêm những kiến thức mới về lập trình Arduino để ứng dụng vào cácnhu cầu của mình trong sinh hoạt đời sống và làm việc

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng

Chú thích : : Nguồn điện

: Tín hiệu

Ý nghĩa của các khối hệ thống :

- Khối nguồn : cung cấp điện cho các thiết bị có trong hệ thống như : vi điều

khiển , máy bơm , cảm biến ,…

- Khối cảm biến lưu lượng: Đo và gửi tín hiệu thu được từ thực tế gửi tới khối

xử lý

- Khối điều khiển động cơ : Chấp hành tín hiệu từ khối xử lý

- Khối xử lý trung tâm : Nhận tín hiệu từ cảm biến từ đó xuất ra mức tín hiệu

điều khiển cho các phần tử chấp hành

- Khối nút nhấn và led báo hiệu : Nhận và thực hiện tín hiệu từ khối xử lý

trung tâm

2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến

Trong lý thuyết, cảm biến lưu lượng lại được chia làm 3 loại dựa theo nguyên

lý đo của chúng

Chúng gồm ba loại:

 Cảm biến lưu lượng thể tích

 Cảm biến lưu lượng khối lượng

 Cảm biến lưu lượng vận tốc

 Cảm biến lưu lượng thể tích

Cảm biến lưu lượng thể tích là duy nhất trong số các cảm biến lưu lượng thực hiện phép đo trực tiếp thể tích chất lỏng đi qua thiết bị Tất cả các loại cảm biến lưu lượng khác không trực tiếp đo tốc độ dòng chảy mà thay vào đó, đo một thông số khác (chẳng hạn như áp suất) và sau đó sử dụng thông tin đó để lấy hoặc suy ra tốc

độ dòng chảy từ phép đo được thực hiện

Với cảm biến lưu lượng thể tích, một thể tích chất lỏng đã biết sẽ được cuốn vào và di chuyển qua cảm biến bằng cách sử dụng các bộ phận quay để truyền một cách hiệu quả chất lỏng có thể tích đã biết này theo tuần tự trước khi cho phép nhiềuchất lỏng hơn đi vào thiết bị Khi các bộ phận quay hoàn thành một vòng quay, một lượng chất lỏng đã biết đã được chuyển qua cảm biến Đếm số vòng quay xảy ra trên một đơn vị thời gian sau đó thiết lập thể tích chất lỏng đi qua trên một đơn vị thời gian Vì dòng chất lỏng chuyển động trực tiếp các thành phần quay nên vận tốc quay tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy

Hình 2.1 Cảm biến lưu lượng cánh khuấy

Việc giữ chất lỏng bên trong cảm biến lưu lượng được thực hiện thông qua việc sử dụng các phốt cơ khí được thiết kế để ngăn chặn sự đi qua của bất kỳ chất lỏng nào qua thiết bị mà không đo Với các thành phần chính xác cao có khe hở tối thiểu, cảm biến lưu lượng đo thể tích có độ chính xác cao Chúng cũng có khả năng hoạt động trên nhiều độ nhớt chất lỏng, có yêu cầu bảo trì thấp và có tuỳ chọn giao diện cơ học hoặc điện tử Dùng cho các ứng dụng như đo dầu, xăng, chất lỏng thủy lực và đo nước và khí…

 Cảm biến lưu lượng khối lượng

Cảm biến lưu lượng khối thường được tìm thấy trong các ứng dụng ô tô, nơi chúng được sử dụng để đo khối lượng không khí đi vào hệ thống nạp khí của động

cơ đốt trong Đầu ra của cảm biến được đưa đến hệ thống điều khiển động cơ điện

tử, nơi nó được sử dụng làm đầu vào để xác định lượng nhiên liệu cần cung cấp chođộng cơ để thu được hỗn hợp nhiên liệu-không khí thích hợp cho quá trình đánh lửa

Một kiểu khác của cảm biến lưu lượng khối lượng được gọi là đồng hồ đo lưu

lượng Coriolis Kiểu dáng của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng này sử dụng

nguyên tắc rằng chất lỏng chảy qua một ống dao động sẽ thể hiện quán tính, làm cho ống xoắn và mức độ xoắn của nó tỷ lệ với tốc độ dòng chảy của chất lỏng

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động

Chất lỏng quá trình được tách ra và đi qua hai ống trong cảm biến được kích thích bởi một cuộn dây dẫn động, khiến chúng dao động đối nghịch với nhau ở tần

số cộng hưởng của chúng Khi các ống dao động, các cảm biến điện tử gắn trong các ống sẽ chuyển chuyển động của các ống thành sóng hình sin

Khi không có dòng chảy qua các ống, sóng sin vào và ra cùng pha, nghĩa là các ống chuyển động đồng bộ Khi có dòng chất lỏng chảy trong các ống, hiệu ứng Coriolis gây ra chuyển động xoắn trong các ống chảy ngược chiều với nhau

Chuyển động này dẫn đến sự lệch pha của sóng sin phản ánh chuyển động không đồng bộ của hai ống Chênh lệch thời gian quan sát được giữa hai sóng sin, được gọi là Δt, tỷ lệ với tốc độ dòng chảy của chất lỏng trong ống

Tần số của sóng sin có thể được sử dụng để đo mật độ của chất lỏng trong ống Mật độ chất lỏng tỷ lệ nghịch với bình phương tần số Chất lỏng có khối lượng riêng lớn hơn sẽ thể hiện tần số dao động thấp hơn Biết được tốc độ dòng chảy khốilượng và mật độ chất lỏng cho phép dễ dàng tính được lưu lượng thể tích

 Cảm biến lưu lượng vận tốc

Cảm biến lưu lượng vận tốc là những cảm biến trong đó cảm biến lấy được tốc

độ dòng chảy bằng cách thực hiện phép đo vận tốc của chất lỏng thông qua cảm biến Loại cảm biến lưu lượng này có nhiều loại, bao gồm:

 Cơ khí (ví dụ: Tuabin, Cánh quạt và Bánh xe chèo)

 Điện từ

 Siêu âm

Hình 2.3 Cảm biến lưu lượng không tiếp xúc

Với cảm biến lưu lượng cơ học, một thiết bị cơ học quay, chẳng hạn như bánh

xe cánh khuấy được gắn trên ổ trục, nằm trực tiếp trong đường dẫn dòng chảy Khi chất lỏng chuyển động, cánh khuấy quay và chuyển động quay của nó được phát hiện bởi một cảm biến như hiệu ứng Hall, cuộn dây từ tính hoặc cảm biến hồng ngoại Sau đó, thiết bị điện tử của cảm biến lưu lượng sẽ chuyển đổi các vòng quay thành tín hiệu đầu ra, chẳng hạn như xung sóng hình chữ nhật, có thể được lập trình

để thể hiện một đầu ra nhất định trên một đơn vị thời gian

 Để tối ưu hóa chi phí và dựa trên thực tế mức độ sử dụng thực tế ta nên chọn cảm biến lưu lượng thể tích

Sử dụng cảm biến lưu lượng YF-S201, có hai lý do để lựa chọn cảm biến này: thứ nhất, lưu lượng mà cảm biến có thể đo được rộng từ 1-30L/min ; thứ hai đầu ra của cảm biến là một điện áp tương tự dễ đọc thông qua một kênh ADC của vi điều khiển

ADC dùng điện áp tham chiếu là +5V và rộng 10bit Điện áp đọc từ cảm biến được chuyển thành dạng kỹ thuật số theo công thức sau:

Vout =ADC/1024*5

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

Có rất nhiều bộ điều khiển mà ta có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như bộ điều khiển LQR (Linear Quadractic Regulator), điều khiển trượt, điều khiển PID, điều khiển thích nghi, điều khiển IF-ELSE, điều khiển mờ (Fuzzy logic),

…

Tuy nhiên, thực tế đối tượng điều khiển là hệ thống truyền dẫn chất lỏng và điều khiển lưu lượng trong ống dẫn, hệ thống này không cần hàm truyền mà dựa theo kinh nghiệm và thực nghiệm để điều khiển Vì vậy, dùng bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic) là tối ưu nhất cho hệ thống này

2.3.1 Bộ điều khiển mờ là gì ?

Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” 1 là gì ta hãy thực hiện phép so sánh sau :

Trong toán học phổ thông ta đã học khá nhiều về tập hợp, ví dụ như tập các số

thực R, tập các số nguyên tố P={2,3,5, }… Những tập hợp như vậy được gọi là tập hợp kinh điển hay tập rõ, tính “RÕ” ở đây được hiểu là với một tập xác định S chứa

n phần tử thì ứng với phần tử x ta xác định được một giá trị y=S(x).

Giờ ta xét phát biểu thông thường về tốc độ một chiếc xe môtô : chậm, trung

bình, hơi nhanh, rất nhanh Phát biểu “CHẬM” ở đây không được chỉ rõ là bao nhiêu km/h, như vậy từ “CHẬM” có miền giá trị là một khoảng nào đó, ví dụ 5km/h – 20km/h chẳng hạn Tập hợp L={chậm, trung bình, hơi nhanh, rất nhanh} như vậy được gọi là một tập các biến ngôn ngữ Với mỗi thành phần ngôn ngữ x k của phát

biểu trên nếu nó nhận được một khả năng

(xk) thì tập hợp F gồm các cặp (x, (xk)) được gọi là tập mờ.

1 Điều khiển mờ - Nguyễn Thị Phương Hà

2.3.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:

+ Khâu mờ hoá

+ Thực hiện luật hợp thành

+ Khâu giải mờ

Xét bộ điều khiển mờ MISO sau, với véctơ đầu vào X = u1 u2 … u T

Hình 2.4 Các khâu trong điều khiển mờ

2.3.3 Nguyên lý điều khiển mờ

Ta có mô hình nguyên lý điều khiển mờ

Hình 2.5

Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ:

+ Giao diện đầu vào gồm các khâu: mờ hóa và các khâu hiệu chỉnh như tỷ lệ, tích phân, vi phân …

+ Thiếp bị hợp thành : sự triển khai luật hợp thành R

+ Giao diện đầu ra gồm : khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng

2.3.4 Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ

 Các bước thiết kế:

B1 : Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra

B2 : Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hoá)

 Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ

B5 : Giải mờ và tối ưu hoá

 Những lưu ý khi thiết kế BĐK mờ

 Không bao giờ dùng điều khiển mờ để giải quyết bài toán mà có thể dễ dàng thực hiện bằng bộ điều khiển kinh điển

 Không nên dùng BĐK mờ cho các hệ thống cần độ an toàn cao

 Thiết kế BĐK mờ phải được thực hiện qua thực nghiệm.

 Phân loại các BĐK mờ

- Điều khiển Mamdani (MCFC)

- Điều khiển mờ trượt (SMFC)

- Điều khiển tra bảng (CMFC)

- Điều khiển Tagaki/Sugeno (TSFC)

2.3.5 Thiết kế bộ điều khiển lưu lượng nước (BĐK mờ Sugeno)

Theo mô hình dự kiến dòng nước sẽ chảy từ bể 16cmx11cmx7cm tiết diện

Thiết lập hệ thống điều khiển mờ :

Bộ điều khiển mờ sẽ điều khiển bơm sao cho lưu lượng ở đầu ra của bể đạt giátrị đặt trước(0,3L/s)

-Xác định ngõ vào/ra:

+Ngõ vào: lưu lượng

+Ngõ ra: điện áp cấp bơm

-Xác định biến ngôn ngữ:

+Lưu lượng = {thap, vua, cao}

+Điện áp = {yeu, vua, manh}

-Mờ hóa ngõ vào theo các hàm liên thuộc như sau:

-Hàm liên thuộc ngõ ra:

-Luật điều khiển:

+nếu L “cao” thì u “yeu”

+nếu L “vua” thì u “vua”

+nếu L “thap” thì u “manh”

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

hình 2.6 Sơ đồ nối dây

Xử lí tín hiệu:

Lập trình hệ thống có thể thực hiện được các công việc sau:

Với L là lưu lượng nước:

Khi L<0.1 hệ thống bơm thủy lực sẽ tự động bơm nước bên ngoài vào công suất mạnh, đồng thời LCD sẽ hiện lưu lượng nước

Khi 0.1<S<0.3 hệ thống bơm thủy lực sẽ tự động bơm nước bên ngoài vào với công suất vừa, đồng thời LCD sẽ hiện lưu lượng nước

Khi S> 0.3 hệ thống bơm thủy lực sẽ tự động bơm nước bên ngoài vào với công suất yếu, đồng thời LCD sẽ hiện lưu lượng nước

Hệ thống hoạt động theo một chương trình hoàn toàn tự động

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 3.1 Chế tạo bộ phận cơ khí

hình 3.2: khung hệ thống

3.2 Chế tạo và lắp ráp bộ phận điện - điện tử

3.2.1 Cảm biến lưu lượng YF-S201

Trên thị trường tồn tại khá nhiều loại cảm biến dùng trong việc đo lưu lượng Tùy vào nhu cầu về tính chính xác, giá thành, mục đích sử dụng, môi trường xung quanh mà có những loại cảm biến đặc thù