Thiết kế hệ thống điều khiển mực chất lỏng cho bồn đôi Chuỗi Hội nghị IOP Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Để trích dẫn bài viết này Junjie Ye et al 2020 IOP Conf Ser Thưa bà Khoa học Tiếng Anh 740 01209[.]
Trang 1Thiết kế hệ thống điều khiển mực chất lỏng cho bồn đôi
Để trích dẫn bài viết này: Junjie Ye et al 2020 IOP Conf Ser.: Thưa bà Khoa học Tiếng Anh 740 012097
Xem bài viết trực tuyến để cập nhật và cải tiến.
GIẤY • TRUY CẬP MỞ
Trang 2Hội nghị IOP Sê-ri: Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật 740 (2020) 012097
Nhà xuất bản IOP doi:10.1088/1757-899X/740/1/012097
KỶ NIỆM 2019
*
Thiết kế hệ thống điều khiển mực chất lỏng cho bồn đôi
Quân Kiệt Ye1* Puhao Wang1 và Haifeng Lv1
2 Mô hình hệ thống điều khiển
030051, Trung Quốc
1 Đặt vấn đề
Trong quá trình phát triển công nghiệp hóa, việc ứng dụng điều khiển hiện đại vào sản xuất công nghiệp ngày càng trở nên quan trọng Việc kiểm soát quá trình trong quá trình sản xuất còn phản ánh trình độ sản xuất của doanh nghiệp và khả năng kiểm tra chất lượng sản phẩm [1] Trong đời sống hàng ngày cũng như trong các lĩnh vực sản xuất, chế tạo thường liên quan đến vấn đề điều khiển mức hoặc lưu lượng chất lỏng [2] Trong một số trường hợp đặc biệt, khi tốc độ dòng chảy của đầu vào và đầu ra lớn, để giữ cho mức chất lỏng không đổi trong một phạm vi nhất định, đồng thời, mức chất lỏng có thể được nâng lên và hạ xuống, được sử dụng nhiều nhất trong điều khiển của quá trình sản xuất là nhiều bể chứa nước được kết nối nối tiếp [3] Hướng đến tính phi tuyến, trễ thời gian và đặc tính liên kết mạnh của hệ thống mức chất lỏng [4], bài báo này lấy hệ thống bể chứa nước dung tích kép đơn giản hóa làm đối tượng nghiên cứu, xây dựng mô hình liên tục biến đổi theo thời gian của hệ thống nước dung tích kép bể hệ thống cấp chất lỏng, và rời rạc hóa nó Xử lý, thành lập mô hình toán qua bể đơn, mô phỏng bằng Simulink, sử dụng phần mềm trực quan LabVIEW kết hợp với phương pháp điều khiển
để nghiên cứu điều khiển mực chất lỏng hệ mực nước bể đôi [5], nhằm đạt được Thiết kế bộ điều khiển
hệ mực nước bể kép và kiểm soát mức chất lỏng.
Trường Cơ khí, Đại học Bắc Trung Quốc, Thái Nguyên, Sơn Tây,
Xuyên Mậu Lv , Xiaoguang Zhang1 ,
2284211687@qq.com
2.1 Cấu tạo mô hình băng ghế thí nghiệm
Hình 1 là sơ đồ đơn giản hóa của thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm chủ yếu bao gồm bể chứa nước trên và dưới, bể chứa nước, máy bơm nước, van điều khiển điện, ống dẫn nước, máy tính, thẻ thu thập dữ liệu và cảm biến mức chất lỏng Khi cảm biến mức chất lỏng phát hiện ra rằng điện áp của
1
, 1
Trừu tượng Để điều khiển mức chất lỏng trong quá trình sản xuất hóa chất, thuật toán lý thuyết điều khiển PID được đề xuất Đầu tiên, bằng cách xây dựng hệ thống kiểm soát mức chất lỏng của bể chứa nước dung tích kép, mô hình toán học của bể chứa nước dung tích kép
đã được suy luận và xây dựng thông qua nhiều thí nghiệm Quá trình mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Matlab Simulink và các đặc tính động và tĩnh của hệ thống kiểm soát mực nước
bể đôi được phân tích dựa trên kết quả mô phỏng Phần mềm Labview được sử dụng để viết thuật toán của hệ thống điều khiển mực nước bể đôi Thẻ thu thập dữ liệu USB-6008 và trợ
lý thu thập dữ liệu DAQ đã được sử dụng để hoàn thành kết nối phần cứng và phần mềm thử nghiệm Đường cong mức chất lỏng thực tế thu được thông qua các thí nghiệm Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống được thiết kế có thể giữ mức chất lỏng của bể dưới của mức bể đôi trong giá trị đã đặt và độ nổi không vượt quá 5%, đạt được hiệu ứng trạng thái ổn định đã định trước
Trang 31 2
)
(T) (1 h
KR e =
đt
=
S 1
0 t
1
HK
QT(S) 1 +
=
(S)
0 1
0
QQ = 0
2
S
2
S (S)
1
R KR =
TR 1
=
s +
K
K
t
H (s)
= h
Hỏi
r
dh =
1 đt
QQS
S
dV Trong công thức, V là dung tích chứa nước của bình chứa nước là tỷ lệ chuyển đổi của dt Khi năng động, có:
khả năng chứa nước của bể chứa nước và mối quan hệ với chiều cao h là:
biến đổi cả hai vế của phương trình (4) và rút gọn nó:
R0 là một hằng số, và phương trình (5) có thể là
Thực hiện phép biến đổi Laplace nghịch đảo trên phương trình (6) và nhận được:
Trong đó S là diện tích mặt cắt ngang của bể chứa nước Thay phương trình (3) vào phương trình (2) : (4)
2.2 Thiết lập mô hình toán hệ thống điều khiển mức chất lỏng cho bồn nước dung tích kép Đặt chiều cao mực chất lỏng của bồn nước được điều khiển là h, đại lượng đầu vào là lưu lượng Q1 chảy vào bồn nước, Q2 là lưu lượng chảy ra, và hướng dẫn sử dụng van V1 và V2 lần lượt là đầu vào và đầu ra của chất lỏng, và độ mở đều là giá trị cố định Theo trạng thái đầu vào và đầu ra ổn định của nó, sẽ có:
(5)
mô hình của bể chứa nước đơn dung tích Hãy để Q
(6)
trong đó RS là điện trở chất lỏng của cửa xả nước V2, Do Laplace
.Phương trình (5) là hàm truyền toán học Trong đó T là hằng số thời gian, TSR =
(1)
cảm biến chuyển đổi tín hiệu áp suất thành tín hiệu điện và nhập tín hiệu đó vào máy tính thông qua thẻ thu tín hiệu, và chương trình được cài đặt trong máy tính sẽ điều chỉnh van điều chỉnh điện Việc mở nước trong bể nước được hút vào bể nước thông qua máy bơm nước, và cuối cùng đạt được mục đích kiểm soát mức chất lỏng
(2)
viết lại thành:
(7)
Hình 1 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm
(3)
Dòng chảy ra của bể chứa nước là ,
0 2
t
s +
r
0
=
t
,
S
=
đt
dv dh
đt
S
Hội nghị IOP Sê-ri: Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật 740 (2020) 012097
Nhà xuất bản IOP doi:10.1088/1757-899X/740/1/012097
KỶ NIỆM 2019
; KR =
2
Trang 4h KR
'
KK K
Khi t
1
2
2
1
( )
( ) (1 giờ
1 ( 1)(
Ts 1
=
T + + ( )
1)
'
1 0
của đầu ra
làm giá trị đầu ra của giá trị/bước trạng thái ổn định
Khi t=T thì có:
(9) K1 và K2 lần lượt là hệ số khuếch đại của hai bể nước còn T1 và T2 lần lượt là hằng số thời gian của hai bể nước đối với hai bể nước Các thông số khác nhau của bể chứa nước có thể được lấy từ chức năng truyền của băng thử nghiệm kiểm soát mực nước bể đôi:
Trong công thức, K là hệ số khuếch đại của bình nước dung tích gấp đôi,
Đối tượng thí nghiệm được tạo thành từ hai bể chứa nước đơn dung tích giống hệt nhau Theo quy trình giải hàm truyền của bể chứa nước một dung tích, có thể thấy rằng mô hình toán học của bể chứa nước dung tích kép có thể được coi là kết quả của tích của hai mô hình toán học bể chứa nước đơn Mô hình toán học của bể dung tích kép có thể được mô tả bằng liên kết quán tính bậc hai:
Hình 3 Lưu đồ điều khiển thuật toán PID
(10)
do đó có
3 Mô phỏng động và tĩnh của hệ thống điều khiển bồn kép Theo chức năng
truyền thu được của bàn thử nghiệm bồn kép trong phòng thí nghiệm và sử dụng mô phỏng Simulink trong phần mềm Matlab, hệ thống mô phỏng Simulink của hệ thống kiểm soát mức chất lỏng trên băng thử bồn kép được thiết lập
(8) ) 0,632
KR Phương trình (8) biểu diễn đường cong đáp ứng của liên kết quán tính bậc nhất Tóm lại, thu được đường cong phản ứng như trong Hình 2, tăng theo thời gian và đạt đến hằng số thời gian T của bình chứa nước khi đạt đến thời gian tương ứng với giá trị trạng thái ổn định là 0,632h
, ( )
3.2 Simulink mô phỏng hệ thống kiểm soát mực nước bể kép Để kiểm soát
mức chất lỏng của bể dưới, nước được thêm vào bể trên Khi thể tích đầu vào của bình trên có bước thay đổi tăng dần thì đường cong thay đổi mức chất lỏng cũng sẽ là
3.1 Điều khiển thuật toán
PID Hình 3 cho thấy lưu đồ điều khiển của thuật toán PID sẽ được sử dụng Giá trị cài đặt là mức chất lỏng của nước trong bể xả được xác định trước Biến được điều khiển là mức chất lỏng của bể dưới và biến được điều khiển là mức độ mở của van điện
Hình 2 Đường cong chỉ số tăng đơn điệu của bể đơn
Gs (52,5 1)(60 1)
( )=
+ s
1
=
=
-+ s
,
+
=
0
0
K
0
KỶ NIỆM 2019
Hội nghị IOP Sê-ri: Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật 740 (2020) 012097
Nhà xuất bản IOP doi:10.1088/1757-899X/740/1/012097
1 2 ,
Trang 5U 65,7895 90,5789 h
KỶ NIỆM 2019
Hội nghị IOP Sê-ri: Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật 740 (2020) 012097
Nhà xuất bản IOP doi:10.1088/1757-899X/740/1/012097
=
4.1 Chương trình thu nhận mức
Sử dụng thẻ DAQ USB-6008 và phản hồi điện áp cảm biến mức chất lỏng, có mối quan hệ giữa mức điện áp và mức chất lỏng thực tế Mối quan hệ giữa hai người có được thông qua một số lượng lớn các thí nghiệm
7
Đường cong phản ứng tối ưu thu được thông qua cài đặt tham số không đổi, do đó thu được hiệu quả vượt trội của điều khiển PID trong mô phỏng phần mềm MATLAB và thu được giá trị cài đặt tối ưu Kích thước bước
mô phỏng được đặt thành 1 và giá trị tham số hệ số tỷ lệ là 6 Giá trị tham số hệ số là 0 và giá trị tham số
hệ số vi phân là 2 Cuối cùng, có thể thu được kết quả mô phỏng của thuật toán PID, như trong Hình 5 Đồng thời, trong cùng điều kiện, thu được và so sánh kết quả mô phỏng trong điều kiện vòng hở của Hình 6
9
11 13 Bảng 1 Điện áp và mức chất lỏng thực tế
Hình 5 Mô phỏng PID bể chứa nước kép Hình 6 Kết quả vòng hở bể chứa nước kép kết quả mô phỏng
Bảng trên là trung bình cộng của dữ liệu thu được từ 10 thí nghiệm Có thể thấy rằng có một mối quan hệ tuyến tính bậc nhất giữa điện áp và mức chất lỏng của bể dưới Do đó, mối quan hệ giữa bể nước và điện áp
có thể thu được:
Điện áp V Mức bình thấp hơn cm 1,44 1,48 1,50
1,55 1,57
Theo biểu đồ so sánh mô phỏng, hệ thống của giường thử nghiệm kiểm soát mực nước công suất kép vòng hở
có độ trễ rõ ràng và tốc độ phản ứng điều chỉnh với điều khiển PID rõ ràng được cải thiện Vấn đề chính của thí nghiệm là trong hệ thống điều khiển PID phải không ngừng cố gắng tìm ra tỷ số và hệ số vi phân thích hợp
để đạt được hiệu quả điều khiển tốt nhất mà thí nghiệm yêu cầu
hiển thị theo lưu lượng nước của bể nước trên và dưới khác biệt Hệ thống mô phỏng Simulink bể dung tích kép được thể hiện trong Hình 4
5
4 Viết thuật toán và kiểm chứng thực nghiệm
(11) Hình 4 Sơ đồ hệ thống mô phỏng Simulink điều khiển mực nước bể đôi
4
Trang 6[2] Hao, ZJ (2018) Thiết kế hệ thống kiểm soát mức chất lỏng cho bể chứa nước dung tích kép J [3] Song, SJ, Chen, KK, Zhang, HW (2018) Tối ưu hóa các thông số PID của bình chứa nước dung
tích kép dựa trên thuật toán APSO J Mô phỏng máy tính, 35:261-265.
[5] Chen, ZH, Wang, L (2008) Kỹ thuật điều khiển máy tính Đại học Khoa học và
Công nghệ Điện tử, 47:73-77.
[4] Huang, Qf, Cheng, Y., Pan SD, (2015) Nghiên cứu phương pháp điều khiển thích ứng không cần mô
hình đối với hệ thống cấp chất lỏng hai tầng của bể nước J Thiết kế & Sản xuất Máy móc, 12:1001-3997.
Công nghệ của China Press, Hợp Phì.
[6] Hassan N., Didier T., Dominique S (2000) Thiết kế điều khiển chịu lỗi của bộ truyền động:
Trình diễn trên hệ thống ba bể chứa J Tạp chí Khoa học Hệ thống Quốc tế, 31:13.
KỶ NIỆM 2019
Hội nghị IOP Sê-ri: Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật 740 (2020) 012097
Nhà xuất bản IOP doi:10.1088/1757-899X/740/1/012097
5 Kết luận Trong
bài báo này, hệ thống thực nghiệm điều khiển mức chất lỏng của bồn chứa nước dung tích kép được thiết kế cho bài toán điều khiển mức chất lỏng trong quy trình công nghiệp Mô phỏng của phần mềm MATLAB được sử dụng để thu được liên kết bậc hai của điều khiển mức chất lỏng Sơ đồ điều khiển tối ưu thu được thông qua so sánh Công cụ ảo LabVIEW được sử dụng để viết thuật toán điều khiển và thu được mối quan hệ dữ liệu giữa điện áp và mức chất lỏng theo thử nghiệm, đồng thời xây dựng phần mềm và phần cứng Điều khiển PID được kết hợp để đạt được mục đích thử nghiệm là kiểm soát mức chất lỏng của bể kép Bằng cách điều chỉnh giá trị tham số của PID để kiểm soát mức chất lỏng nhằm đạt được sự ổn định của hệ thống, mức bể được duy trì ở giá trị
đã đặt Cuối cùng, thông qua các thử nghiệm thử nghiệm, hệ thống có thể đạt được hiệu ứng trạng thái ổn định được xác định trước trong thời gian ngắn và phạm vi lỗi nhỏ, điều này cung cấp tài liệu tham khảo cho việc kiểm soát quy trình của các hệ thống công nghiệp trong tương lai
Hình 7 Thiết bị kiểm tra thực nghiệm hiện trường
Đường cong màu đỏ trong hình biểu thị mức tăng giảm mức chất lỏng thực tế và màu xanh lam biểu thị giá trị cố định của cài đặt mức chất lỏng Giá trị cài đặt mức chất lỏng là 10cm Từ tình trạng hoạt động của phần mềm, có thể thấy rằng mức chất lỏng
có thể được kiểm soát một cách hiệu quả, do đó mức chất lỏng có thể ổn định về cơ bản ở mức khoảng 10cm và độ nổi lên xuống không vượt quá 5%
Tài liệu tham
khảo [1] Lu, CH, Gong, YM, Yao, XK (2018) Nghiên cứu mô phỏng hệ thống điều khiển mức chất lỏng của bồn nước hai dung tích J
Kinh tế Công nghiệp Hiện đại và Thông tin hóa, 8:21-22
Hình 8 Mặt trước chương trình điều khiển mức chất lỏng
4.2 Chương trình kiểm soát mức
Chương trình kiểm soát mức chất lỏng là phần cốt lõi của toàn bộ chương trình Bằng cách thay đổi giá trị cài đặt, thẻ thu thập dữ liệu được thay đổi giữa 1V và 5V sau khi bộ điều khiển PID tự điều chỉnh ở điện áp đầu ra và van điều khiển điện được thay đổi bởi sự thay đổi điện áp Độ mở kiểm soát tốc độ dòng chảy của nước để mức nước trong bể luôn ổn định ở giá trị cài đặt không đổi Hình 7 là sơ đồ của thiết bị thử nghiệm và Hình 8 là hoạt động của bảng mặt trước phần mềm trong quá trình thử nghiệm
