Pdf-123Doc-He-Thong-Dieu-Khien-Muc-Trong-Bon-Nuoc-Doi-Su-Dung-Bo-Dieu-Khien-Pid_Compress (1).Pdf

Untitled Hệ thống điều khiển mực nước trong Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiểnđiều khiển PIDPID LLỜIỜI NÓI Đ NÓI ĐẦUẦU  Năm năm học tập[.]

Trang 1

Hệ thống điều khiển mực nước trong

Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiểnđiều khiểnPID

- -Năm năm học tập tại trường

-Năm năm học tập tại trường Đại học bá Đại học bách khoa Đà Nẵch khoa Đà Nẵng ng , nhà, nhàtrường và thầy cô không chỉ truyền đạt cho em những kiến thứcchuyên môn về ngành mà còn giáo dục cho em về lý tưởng đạođức trong cuộc sống Đây là những hành trang không thể thiếucho cuộ

cho cuộc sống và sự nghic sống và sự nghiệp của em Em ệp của em Em xin bày tỏ lòxin bày tỏ lòng biết ơnng biết ơnsâu sắc đến quý thầy cô trong

sâu sắc đến quý thầy cô trong Khoa Khoa ĐiệnĐiện đặc biệt là các thầy cô đặc biệt là các thầy côtro

trong ng ngngànhành Tự Động HoáTự Động Hoá đã tận tình chỉ bảo, dẫn dắt em đếnđã tận tình chỉ bảo, dẫn dắt em đếnngày hôm nay

Đồ án tốt nghiệp đã đánh dấu việc hoàn thành trong nhữngnăm cố gắng học tập của em Qua đây em xin chân thành cảm ơn

đến cha mẹ, thầy cô và bạn bè những người luôn tạo mọi điềukiện để em hoàn thành

kiện để em hoàn thành khoá học.khoá học

Riêng đối với đồ án tốt nghiệp này, em xin bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc đến

ơn sâu sắc đến Thầy TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNHThầy TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH là giáo viên hướnglà giáo viên hướngdẫn em đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn cho em cũng như tạomọi điều kiện giúp em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Do thời gian làm luận văn hạn chế nên không tránh khỏi nhữngthiếu sót kính mong quý thầy cô

thiếu sót kính mong quý thầy cô tận tình chỉ dẫn thêm.tận tình chỉ dẫn thêm

Xin chân Xin chân thành cảm thành cảm ơn !ơn !

TP.ĐÀ NẴNGTP.ĐÀ NẴNG, Ngày 30 tháng 5 năm 2010, Ngày 30 tháng 5 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Trang 2

MỤC LỤC

C

CHHƯƯƠƠNNG G I I ::TTỔỔNNG G QQUUAAN N VVỀ Ề BBỒỒN N NNƯƯỚỚC C ĐĐÔÔII 88

IIII TTỔỔNNG G QQUUAAN N VVỀ Ề ĐĐỐỐI I TTƯƯỢỢNNG G ĐĐIIỀỀU U KKHHIIỂỂNN 99

11 CCấấu u hhììnnh h hhệ ệ bbồồn n nnưướớc c đđơơnn 9911 11 MMô ô hhììnnh h ccủủa a hhệ ệ tthhốốnngg 9911 22 PPhhưươơnng g ttrrììnnh h ttooáán n hhọọc c ccủủa a mmô ô hhììnnhh 110022 CCấấu u hhììnnh h bbồồn n nnưướớc c đđôôii 110022 11 HHệ ệ mmộột t đđầầu u vvàào o mmộột t đđầầu u rra a ((SSIISSOO)) 110022 11 11 CCấấu u hhììnnh h bbồồn n nnưướớc c đđôôi i lliiêên n kkếếtt 110022 11 11 11 MMô ô hhììnnh h ccủủa a hhệ ệ tthhốốnngg 110022 11 11 22 PPhhưươơnng g ttrrììnnh h ttooáán n hhọọc c ccủủa a mmô ô hhììnnhh 111122 11 22 CCấấu u hhììnnh h hhệ ệ bbồồn n nnưướớc c đđôôi i nnốối i ttiiếếpp 113322 11 22 11 MMô ô hhììnnh h ccủủa a hhệ ệ tthhốốnngg 113322 11 22 22 PPhhưươơnng g ttrrììnnh h ttooáán n hhọọc c ccủủa a mmô ô hhììnnhh 114422 22 HHệ ệ nnhhiiềều u đđầầu u vvàào o nnhhiiềều u đđầầu u rra a ((MMIIMMOO)) 116622 22 11 CCấấu u hhììnnh h bbồồn n nnưướớc c đđôôi i lliiêên n kkếếtt 116622 22 11 11 MMô ô hhììnnh h ccủủa a hhệ ệ tthhốốnngg 116622 22 11 22 PPhhưươơnng g ttrrììnnh h ttooáán n hhọọcc 117722 22 22 CCấấu u hhììnnh h hhệ ệ bbồồn n nnưướớc c đđôôi i nnốối i ttiiếếpp 118822 22 22 11 MMô ô hhììnnh h ccủủa a hhệ ệ tthhốốnngg 118822 22 22 22 PPhhưươơnng g ttrrììnnh h ttooáán n hhọọcc`` 1188C

CHHƯƯƠƠNNG G III I ::TTỔỔNNG G QQUUAAN N VVỀ Ề BBỘ Ộ ĐĐIIỀỀU U KKHHIIỂỂN N PPIIDD 2211

II GGIIỚỚI I TTHHIIỆỆU U BBỘ Ộ PPIIDD 2211

Trang 3

22 ĐĐặặc c ttíínnh h bbộ ộ đđiiềều u kkhhiiểển n PPIIDD 2222IIII CCÁÁC C BBỘ Ộ ĐĐIIỀỀU U KKHHIIỂỂN N KKHHÁÁCC 2233

IIIIII CCÁÁC C PPHHƯƯƠƠNNG G PPHHÁÁP P ĐĐIIỀỀU U KKHHIIỂỂN N BBỘ Ộ PPIIDD 2266

11 PPhhưươơnng g pphhááp p ZZiieeggeerr NNiicchhoolls s tthhứ ứ nnhhấấtt 226622 PPhhưươơnng g pphhááp p ZZiieeggeerr NNiicchhoolls s tthhứ ứ hhaaii 2277

Trang 4

CHƯƠNG III :TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨCCHẤT

CHẤT LỎNG LỎNG CHO CHO BỒN BỒN NƯỚC NƯỚC TRONG TRONG BỒN BỒN NƯỚC NƯỚC ĐÔI ĐÔI 29II CCHHỌỌN N CCẤẤU U HHÌÌNNH H CCỦỦA A ĐĐỐỐI I TTƯƯỢỢNNG G ĐĐỂ Ể ĐĐIIỀỀU U KKHHIIỂỂNN 2299

22 KKhhảảo o ssáát t hhệ ệ tthhốốnng g pphhi i ttuuyyếếnn 330033 CChhọọn n ccáác c tthhôônng g ssố ố ccủủa a đđốối i ttưượợnng g đđiiềều u kkhhiiểểnn 3333II.CHỌN CÁC THÔNG SỐ K P, K II, K D C CỦỦA A BBỘ Ộ ĐĐIIỀỀU U KKHHIIỂỂN N PPIIDD 3344CHƯƠ

CHƯƠNG NG IV :IV :MÔ PMÔ PHỎNG HỎNG HỆ HỆ THỐTHỐNG NG TRÊN TRÊN MATMATLAB–LAB–SIMUSIMULINLINKK 3636II GGIIỚỚI I TTHHIIỆỆU U VVỀ Ề MMAATTLLAAB B – – SSIIMMUULLIINNKK 3366

11 CCoonnttrrool l SSyysstteem m TToooollbbooxx 336611 11 ĐĐịịnnh h nngghhĩĩa a mmộột t hhệ ệ tthhốốn n ttuuyyếến n ttíínnhh 337711 11 11 ĐĐịịnnh h nngghhĩĩa a bbằằnng g hhààm m ttrruuyyềềnn 337711 11 22 ĐĐịịnnh h nngghhĩĩa a bbằằnng g zzeerro o vvà à ccựựcc 337711 11 33 PPhhưươơnng g ttrrììnnh h ttrrạạnng g tthhááii 337711 22 BBiiếến n đđổổi i ssơ ơ đđồ ồ ttưươơnng g đđưươơnngg 337711 22 11 MMắắc c nnốối i ttiiếếpp 337711 22 22 MMắắc c ssoonng g ssoonngg 338811 22 33 MMắắc c pphhảản n hhồồii 338811 33 PPhhâân n ttíícch h hhệ ệ tthhốốnngg 338811 33 11 TTrroonng g mmiiềền n tthhờời i ggiiaann 338811 33 22 TTrroonng g mmiiềền n ttầần n ssốố 3388

Trang 5

IIII ĐĐÁÁNNH H GGIIÁ Á CCHHẤẤT T LLƯƯỢỢNNG G CCỦỦA A HHỆ Ệ TTHHỐỐNNGG 5577

11 ĐĐộ ộ qquuá á đđiiềều u cchhỉỉnnh h llớớn n nnhhấấtt 558822 TThhờời i ggiiaan n qquuá á đđộ ộ llớớn n nnhhấấtt 5588

Trang 6

DANH MỤC HÌNH

H

11 11 CCấấu u hhììnnh h bbồồn n nnưướớc c đđơơnn 9911 22 CCấấu u hhììnnh h bbồồn n nnưướớc c đđôôi i lliiêên n kkếết t hhệ ệ SSIISSOO 111111 33 CCấấu u hhììnnh h bbồồn n nnưướớc c đđôôi i nnốối i ttiiếếp p hhệ ệ SSIISSOO 113311 44 CCấấu u hhììnnh h bbồồn n nnưướớc c đđôôi i lliiêên n kkếết t hhệ ệ MMIIMMOO 116611 55 CCấấu u hhììnnh h 2 2 bbồồn n nnưướớc c đđôôi i nnốối i ttiiếếp p hhệ ệ MMIIMMOO 118822 11 SSơ ơ đđồ ồ kkhhốối i ccủủa a bbộ ộ đđiiềều u kkhhiiểển n PPIIDD 221122 22 SSơ ơ đđồ ồ kkhhốối i ccủủa a mmộột t hhệ ệ tthhốốnngg 222222 33 SSơ ơ đđồ ồ kkhhốối i ccủủa a mmộột t hhệ ệ hhởở 2266

22 55 SSơ ơ đđồ ồ kkhhốối i ccủủa a mmộột t hhệ ệ kkíín n ccó ó bbộ ộ đđiiềều u kkhhiiểển n PPIIDD 227722 66 SSơ ơ đđồ ồ kkhhốối i ccủủa a mmộột t hhệ ệ kkíín n ccó ó bbộ ộ đđiiềều u kkhhiiểển n ttỉ ỉ llệ ệ PP 227722 77 ĐĐááp p ứứnng g ccủủa a hhệ ệ kkíínn 22883.1 Cấu hình bồn nước đôi liên kết được chọn làm đối tượng

33 22 MMô ô hhììnnh h mmô ô pphhỏỏnng g SSiimmuulliinnk k ccủủa a hhệ ệ hhởở 334433 33 ĐĐááp p ứứnng g rra a ccủủa a hhệ ệ hhởở 334444 11 DDaannh h mmụục c tthhư ư vviiệện n ccủủa a SSiimmuulliinnkk 440044 22 QQuuá á ttrrììnnh h qquuá á đđộ ộ ccủủa a mmộột t hhệ ệ tthhốốnngg 558844 33 MMô ô hhììnnh h mmô ô pphhỏỏnng g SSiimmuulliinnk k ccủủa a hhệ ệ kkíínn 559944 44 ĐĐááp p ứứnng g rra a ccủủa a hhệ ệ kkíín n vvớới i bbộ ộ PPIIDD11 660044 55 ĐĐááp p ứứnng g rra a ccủủa a hhệ ệ kkíín n vvớới i bbộ ộ PPIIDD22 661144 66 ĐĐááp p ứứnng g rra a ccủủa a hhệ ệ kkíín n vvớới i bbộ ộ PPIIDD33 662244 77 ĐĐááp p ứứnng g rra a ccủủa a hhệ ệ kkíín n vvớới i bbộ ộ PPIIDD44 663344 88 ĐĐááp p ứứnng g rra a ccủủa a hhệ ệ kkíín n vvớới i bbộ ộ PPIIDD55 6644

DANH MỤC BẢNG

B

22 11 ẢẢnnh h hhưưởởnng g ccủủa a ccáác c tthhôônng g ssố ố PPIID D llêên n đđốối i ttưượợnngg 2233

Trang 7

22 22 BBảảnng g ttíínnh h ccáác c tthhôônng g ssố ố PPIID D tthheeo o ZZ––N N 11 227722 33 BBảảnng g ttíínnh h ccáác c tthhôônng g ssố ố PPIID D tthheeo o ZZ––N N 22 228833 11 CCáác c tthhôônng g ssố ố ccủủa a đđồồi i ttưượợnng g đđiiềều u kkhhiiểểnn 3333

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI

I.GIỚI THIỆU:

Trang 8

Hiện nay sự nghiệp công nghiệp hóa,hiện đại hóa ngày càng phát triểnmạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tựđộng cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trìnhsản xuất Hiện nay, tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và

ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, cụ thể như công nghiệp hóa lọc dầu,công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy,sản xuất ximăng…cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống Nói chung, để nâng caohiệu quả sản xu

hiệu quả sản xuất, đảm bảo an toàn cho ất, đảm bảo an toàn cho người, máy mngười, máy móc và môi trường tróc và môi trường trongongcông nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng thì vấn đề điều khiển quá trìnhcông nghệ là rất quan trọng

Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điềukhiển,vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm nâng cao hiệu quảsản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường

Trong điều khiển quá trình, bài toán đặt ra là điều chỉnh quá trình côngnghệ có yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng Các đại lượng cần điềukhiển như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ…cần phải điều chỉnh để đáp ứng yêucầu đặt ra Đặc thù của quá trình công nghệ là diễn biến tương đối chậm, môhình phức tạp khó xác định, khả năng điều khiển hạn chế,khó thay đổi thiết kế

về công nghệ Nên trong điều khiển quá trình công nghệ ta phải thiết lập một

hệ thống phù hợp với đặt thù của quá trình công nghệ

Hiện nay, trong công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, côngnghiệp xử lý nước,sản xuất giấy, sản xuất điện năng…Vấn đề điều khiển mức,lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trìnhsản xuất đạt hiệu quả tốt hơn Chính vì vậy, vấn đề dặt ra trong đề tài là điềukhiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao Vớiyêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là

hệ bồn nước đôi Hệ bồn nước đôi được hình thành với hệ thống bơm và xảchất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước,cột chất lỏng củahai bồn được duy trì ổn định Để

hai bồn được duy trì ổn định Để làm được điều này thì đòi hỏi phải điều khiểnlàm được điều này thì đòi hỏi phải điều khiểnđóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu

Trang 9

lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước đôi, làm mức nướctrong hai bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi Việc điều khiển

hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong hai bồn ổn định là tương đốikhó,cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy bơm

Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiềucách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước đôi, nhưng ở đây ta

sử dụng bộ điều khiển PID

sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển Công kinh điển để điều khiển Công việc điều khiển đượcviệc điều khiển đượcthục hiện mô phỏng trên Matlab, với công cụ là Simulink

II.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN:

Các cấu hình của hệ bồn nước thường gặp:

1.Cấu hình hệ bồn nước đơn:

Qii o (( ))



Trang 10

Trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang của bồn nước

H H là là chiều chiều cao cao của của mức mức chất chất lỏng lỏng trong trong bồn.bồn

Nếu giả Nếu giả sử sử Van như Van như là là khe khe hở hở nhỏ thì nhỏ thì dòng chảy dòng chảy qua qua van van sẽ sẽ liên quanliên quanmức nước H có trong bồn:

Q o   C d a 2 g H (( t )) (1.2)

Trong đó: Cdd là hệ số của van xả

a a là là diện diện tích tích mặt mặt cắt cắt ngang ngang của của khekhe

g là hằng

g là hằng số hấp dẫn số hấp dẫn và g = và g = 980cm/s980cm/s22 Giả sử Cdd là một hằng số thì Qoo sẽ có quan hệ phi tuyến với H ,kết hợp(1.1)

(1.1) với (1.2) ta với (1.2) ta có phương trình có phương trình phi tuyến :phi tuyến :

Mà lưu lượng nước chảy vào bồn là:

2 Cấu hình bồn nước đôi:

2.1 Hệ một đầu vào một đầu ra (SISO):

2.1.1 Cấu hình bồn nước đôi liên kết:

2.1.1.1 Mô hình toán học:

Mô hình của bồn nước: 2 bồn nước có cùng diện tích

Trang 11

Hình Hình 1.2 Cấu hình 1.2 Cấu hình bồn nước đôi bồn nước đôi liên kết hệ liên kết hệ SISOSISO

2.1.1.2 Phương trinh toán học:

Đối với mô hình này, nước được bơm trực tiếp vào bồn 1 và nước từ bồn

bồn 1 1 qua qua van van B B sẽ sẽ chảy chảy vào vào bồn bồn 2 2 Ở Ở đây đây ta ta xây xây dựng dựng bộ bộ điều điều khiển khiển đểđểđiều khiển mực nước ở bồn 2 với ngõ vào điện áp cấp cho máy bơm

- Lưu lượng nước chảy vào bồn 1 từ máy bơm:

-Vận tốc nước chảy ra từ van xả B

)) ((

Trang 12

Từ (1.7) và (1.9) ta tính được lưu lượng nước chảy ra khỏi bồn 1 nhưsau:

Q01  a B* V B  C dBa B 2 g (( H 1(( t ))  H 2(( t )) (1.10)(1.10)-Phương trình vi phân mô tả động học của bồn 1 :

11 11

g a

-Vận tốc nước chảy ra khỏi bồn 2:

)) ((

2 gH 2 t t

C

V C   dC (1.14)

-Diện -Diện tích tích mặt mặt cắt cắt van van xả xả của của bồn bồn 2:2:

2

2 * 4

1 D

A   (1.15)

-Lưu -Lưu lượng lượng nước nước chảy chảy ra ra khỏi khỏi bồn bồn 2:2:

Q02  aC * V C  C dC aC 2 gH 2(( t )) (1.16)

Từ đây ta có phương trình vi phân mô tả động học cho bồn 2 là:

Trang 13

Suy ra phương trình vi phân mô tả sự biến thiên mực nước trong bồn 2là:

22 22

11 22

A

g a

) ( )

( 2

) (

) ( )

( )

( 2

) (

2 2

2 1

2 2

1 2

1 1

1

t

H A

g a

dB

p B

dB

(1.19) (1.19)

2.1.2 Cấu hình hệ bồn nước đôi 2.1.2 Cấu hình hệ bồn nước đôi nối tiếp:nối tiếp:

Với mô hình này ta có 2 phương án thiết lập cấu trúc mô hình khác nhaucho đối tượng:

-phương án 1: máy bơm sẽ bơm nước vào bồn 1 và nước từ bồn 1chảy ra van của bồn 1 và chảy xuống bồn 2 Ở đây ta sẽ xây dựng bộ điềukhiển để điều khiển mực nước ở bồn 2

-phương án 2: máy bơm sẽ bơm nước cùng lúc vào cả 2 bồn,nước từ bồn 1 sẽ chảy vào bồn 2 Và ta điều khiển mực nước trong bồn 2

Trang 14

Hình 1.3 Cấu hình bồn nước đôi nối tiếp hệ SISO

2.1.2.2 Phương trình toán học của mô hình:

a Phương án 1:

- Lưu lượng nước chảy vào bồn 1 từ máy bơm :

-Vận tốc nước -Vận tốc nước chảy ra từ chảy ra từ van xả van xả của bồn 1của bồn 1

V B   C dB 2 g (( H 1(( t t )) (1.21)(1.21) -Diện -Diện tích tích mặt mặt cắt cắt trong trong của của bồn bồn 1:1:

-Phương trình vi phân mô tả động học của bồn 1 :

Trang 15

11

t

U A

K

t

H A

g A

-Vận tốc nước chảy ra khỏi bồn 2:

)) ((

1 D

A   (1.29)

-Lưu -Lưu lượng lượng nước nước chảy chảy ra ra khỏi khỏi bồn bồn 2:2:

Q02  aC * V C  C dC aC 2 gH 2(( t )) (1.30)

Từ đây ta có phương trình vi phân mô tả động học cho bồn 2 là:

Suy ra phương trình vi phân mô tả sự biến thiên mực nước trong bồn 2là:

22

11 22

A

g a

C

t

H A

g a

) ( 2

) (

) ( )

( 2

) (

2 2

1 2

2

1 1

t

H A

g a

C

t

H A

g a

K

t

H A

g a

dB

p B

dB

Trang 16

Như vậy h Như vậy hệ bồn nướệ bồn nước với cấu hc với cấu hình 1 là ình 1 là hệ phi tuyhệ phi tuyến với 2 biến với 2 biến trạng thến trạng tháiái

H11 và H2.

b Phương án 2:

Gọi  là hệ số lưu lượng nước từ bơm vào bồn 2 Khi đó:

-Lưu lượng nước chảy vào bồn 1 là:

( 2 )

( )

(

) ( 2 )

( 1

) (

2 1

2 2 2

2

1 1

1

t

gH a

C

t

gH a

C

t

U

K Q

Q

t

H A

t

gH a

C

t

U

K Q

Q

t

H A

C

dC B

dB p

o i

B dB p

o i



(1.38) (1.38)

Từ trên ta có phương trình vi phân sau

2 2 2

1

1 1

) ( 2 )

( 2 )

( )

(

) ( 2 )

( 1

) (

A

t

gH a

C

t

gH a

C

t

U

K Q

C

t

U

K Q

dB p

o i

B dB p

o i

và mực nước trong bồn 1 mà nó còn chịu ảnh hưởng của hệ số 

2.2 Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra (Hệ MIMO):

2.2.1 Cấu hình bồn nước đôi liên kết:

2.2.1.1 Mô hình hệ thống:

Trang 17

HHììnnh h 11 4 4 CCấấu u hhììnnh h bbồồn n nnưướớc c đđôôi i lliiêên n kkếết t hhệ ệ MMIIMMOO

2 2 2

1 1 1

t

U

K Q

t

U

K Q

i i

(1.40)

-Lưu -Lưu lượng lượng nước nước chảy chảy ra ra bồn bồn 1 1 và và bồn bồn 2 2 từ từ val val A A và và val val B B là:là:

) ( 2

2 2

2

1 1

1

t

gH

C a Q

t

gH

C a Q

dB o

dA o

(1.41)

-Lưu lượng nước chảy qua val C giữa 2 bồn là:

( 2

)) ( )

( sgn(

) ( )

( 2

)) ( )

( sgn(

2 1

1 2

12 21

2 1

12 12

dC o

(1.42) Hàm Hàm dấu dấu sgn sgn có có giá giá trị:trị:

Nếu H 11((  t ))  H 22(( t )) tthhìì sgn( H H 1(( t ))  H 2(( t ))==1 1 hhaayy

1 ))

((

)) ((

sgn( H 2 t   H 1 t   chất lỏng chảy từ bồn 1 qua bồn 2

Nếu H 11((  t ))  H 22(( t )) tthhìì sgn( H H 1(( t ))  H 2(( t ))== 1 1 hhaayy

1 )) ((

)) ((

sgn( H 2 t   H 1 t  chất chất lỏng chảy từ lỏng chảy từ bồn 2 qua bồn 2 qua bồn 1bồn 1

Trang 18

Nếu H H 1(( t ))  H 2(( t )) thì sgn( H H 1(( t ))  H 2(( t ))=0 chất lỏng giữa 2 bồn không

bồn không trao đổitrao đổi

Ta Ta có có hệ hệ phương phương trinh trinh vi vi phân phân mô mô tả tả động động học học của của bồn bồn 1 1 và và bồn bồn 2 2 là:là:

2 2

2

12 1

1 1

1

) (

o o

i

o o

i

Q Q

Q

dt

t

dH A

Q Q

Q

dt

t

dH A

(1.43)

Nên ta có h Nên ta có hệ phương tệ phương trình toán rình toán học của hệ học của hệ thống làthống là::

( 2

)) ( )

( sgn(

) ( 2

) ( )

(

) ( )

( 2

)) ( )

( sgn(

) ( 2

) ( )

(

2 1

1 2

12 2

2 2

2

2 1

12 1

1 1

t

gH

C a

t

gH

C a

dC dB

dC dA

(1.44)2.2.2 Cấu hình hệ bồn nước đôi 2.2.2 Cấu hình hệ bồn nước đôi nối tiếp:nối tiếp:

2.2.2.1 Mô hình của hệ thống :

Nếu ta Nếu ta kết hợp hai kết hợp hai hệ thống như hệ thống như trên thì ta trên thì ta sẽ thiết lập sẽ thiết lập được hệ MIMO,được hệ MIMO,với mô hình như sau:

Hình 1.5 Cấu hình bồn nước đôi nối tiếp hệ MIMO Nguyên l

Nguyên lý hoạt độný hoạt động như sau:g như sau:

Trang 19

Máy bơm 1 sẽ bơm nước vào bồn 1 và bồn 4, máy bơm 2 sẽ bơmnước vào bồn 2 và bồn 3 Nước từ bồn 3

nước vào bồn 2 và bồn 3 Nước từ bồn 3 sẽ chảy qua van phía dưới và vào bồnsẽ chảy qua van phía dưới và vào bồn

2 4

4 4

2 3

3 3

3 C a gH t

-Lưu -Lưu lượng lượng nước nước chảy chảy vào vào bồn bồn 1 1 là:là:

)) ((

2 ))

(( 3 3 3

1 1

1 K U t C a gH t

-Lưu lượng nước chảy ra bồn 1 là:

)) ((

1 1

1 C a gH t

-Lưu lượng nước chảy vào bồn 2 là:

)) ((

2 ))

(( 4 4 4 2

2 2

(

) ( )

(

1 )

(

1 )

(

2 2

1 1

2 3

3 3

3

1 4

4 4

4

t

U

K Q

Q

t

H A

t

U

K Q

Q

t

H A

U

K Q

Q

t

H A

U

K Q

Q

t

H A

p o

i

p o

i

p o

i

p o

Trang 20

4 2

2 2

1 3 3

3 1

1 1

3

3 3

2 2

3

4

4 4

1 1

4

2 )

( )

(

( 2

) ( )

(

) ( 1

) (

2 )

( 1

) (

A

gH a

d p

Qoo là lưu lượng nước ra của bồn

K p là hệ số của máy bơm

K 11,K 22 là hệ số của máy bơm 1,2 U(t) U(t) là là điệp điệp áp áp cấp cấp của của bơmbơm

U11(t) là điệp áp cấp của bơm 1

U22(t) là (t) là điệp áp điệp áp cấp của cấp của bơm bơm 22

H11(t) là chiều cao mực nước trong bồn 1

D D là là đường đường kính kính bên bên trong trong của của bồnbồn

Trang 21

aa1 ,aa2,aa12 lần lượt là diện tích của val A,B,C

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

I.GIỚI THIỆU BỘ PID:

Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điềukhiển sử dụng kỹ th

vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng r

trong các hệ thống điều khiển tự động

ngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phùhợp

khiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lýlàm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớnnhư điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tínhhay có mức độ phi tuyến thấp

PID là một trong những lý

tuy nhiên nó vẫn ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay

Sơ đồ khối của bộ diều khiển PID:

Trang 22

P D

I

 (( 11 11 )) ))

Trang 23

toán cả thành phần tích phân lẫn vi phân của (e) Tín hiệu ra (u) của bộ điềukhiển bằng:

dt

de

K edt

K e

K

u  p  I   D

(2.2)Lúc này đối tượng điều khiển có tín hiệu vào là (u), và tín hiệu ra la (Y) (Y)được hồi tiếp về bằng các cảm biến để tiếp tục tính sai lệch (e) Và bộ điềukhiển lại tiếp tục như trên

2.Đặc tính bộ điều khiển P,I,D:

-Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làmggiiảảmm, , cchhứ ứ kkhhôônng g ttrriiệệt t ttiiêêu u ssaai i ssố ố xxáác c llậập p ccủủa a hhệệ (ste(steady-ady-statstate e erroerror)r)-Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thểlàm giảm tốc độ đáp ứng của hệ

-Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và -Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cảicảithiện tốc độ đáp ứng của hệ

Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của các thông số PID lên đối tượng-Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn phụ

phụ thuộc vào thuộc vào nhau Trên nhau Trên thực tế, thực tế, thay đổi thay đổi một một thành phần thành phần có có thể thể ảnh ảnh hưởnghưởngđến hai thành phần còn lại Vì vậy bảng trên chỉ có tác dụng tham khảo khichọn Kp, Ki, Kd

II.CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC:

1.Bộ điều khiển tỉ lệ 1.Bộ điều khiển tỉ lệ P:P:

Đáp ứng

Trang 24

1.1 Hàm truyền đạt ;

K p

-Tăng -Tăng (giảm (giảm )biên )biên độ độ trên trên toàn toàn đặc đặc tínhtính -Không -Không làm làm thay thay đổi đổi về về phapha

2.Bộ điều 2.Bộ điều khiển PI khiển PI (Proportio(Proportional Integral Controller):nal Integral Controller):

2.1 Hàm truyển đạt:

))

1 1 ((

)) ((

p

T

K p

  arctag T I 

2.3 Tác dụng : -Giảm -Giảm bậc bậc sai sai lệch lệch tĩnhtĩnh -Tác dụng hiệu -Tác dụng hiệu chỉnh phụ thuộc chỉnh phụ thuộc rất lớn vào rất lớn vào việc chọn thông việc chọn thông số bộ số bộ điều khiểnđiều khiển3.Bộ điều khiển PD (Proportional Derivative Controller):

3.1 Hàm truyền đạt:

)) 1

((

)) (( p K T p

3.2 Đặc tính tần số logarit:

)) ((  

  arctg T D

3.3 Tác dụng:

-Góp -Góp phần phần cải cải thiệnthiện  

-Tăng mạnh hệ -Tăng mạnh hệ số khuếch số khuếch đại tín đại tín hiệu ở hiệu ở tần số tần số cao.cao

4.Bộ bù sớm pha:

4.1 Hàm truyền đạt:

Trang 25

1 ,, 1

1 ))

(( 



 a Tp

aTp

K p

W

4.2 Đặt tính tần số logarit:

)) ((

)) ((  

  arctg aT  arctag T

1 ))

(( 



 a Tp

aTp

K p

W

)) ((

)) ((  

  arctg aT  arctag T

11 ,,

11

11 11

11 ))

22

22 22 11

T

p

T a

K p

W

Trang 26

1 1 1 max

1 a

T





00 11

11 sin

11

11 11





 a

a



2 2 2 max

1 a

T





00 11

11 sin

22

22 11

-Chọn các -Chọn các thông số thông số thích hợp thích hợp sẽ làm sẽ làm tăngtăng  

-Tăng h-Tăng hệ ệ số số khuếch đkhuếch đại ại của hcủa hệ ệ thống.thống

III.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ PID:

Ziegler và Nichols đưa ra haiZiegler và Nichols đưa ra hai phương phương pháp pháp thực thực nghiệmnghiệm để xác định để xác địnhtham số bộ điều khiển PID

tham số bộ điều khiển PID Phương pháp thứ nhất dùng mô hình quán tính bậcPhương pháp thứ nhất dùng mô hình quán tính bậcnhất của đối tượng điều khiển

Phương pháp thứ hai không cần đến mô hình toán học của đối tượng nhưng chỉ

áp dụng cho một số lớp đối tượng nhất định 1

1. Phương Phương pháp Ziepháp Zieger-Nichols ger-Nichols thứ nhất thứ nhất ::

Xác định thông số của bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng của hệ hở:

HHììnnh h 22 3 3 SSơ ơ đđồ ồ kkhhốối i ccủủa a mmộột t hhệ ệ hhở ở

Trang 27

HHììnnh h 22 4 4 ĐĐááp p ứứnng g ccủủa a hhệ ệ hhở ở

Khi đó ta có bảng tính thông số của bộ PID là:

HHììnnh h 22 5 5 SSơ ơ đđồ ồ kkhhốối i ccủủa a mmộột t hhệ ệ kkíín n ccó ó bbộ ộ PPIIDD

Bộ điều khiển

Trang 28

BBảảnng g 22 2 2 BBảảnng g ttíínnh h ccáác c tthhôônng g ssố ố PPIID D tthheeo o ZZ––N N 112.Phương pháp zieger-nichols thứ hai:

HHììnnh h 22 6 6 SSơ ơ đđồ ồ kkhhốối i ccủủa a hhệ ệ kkíín n ccó ó bbộ ộ ttỉ ỉ llệ ệ PP

HHììnnh h 22 7 7 ĐĐááp p ứứnng g ccủủa a hhệ ệ kkíínnPhương pháp này thay bộ điều

Phương pháp này thay bộ điều khiển khiển PID trong hệ kín bằng bộ PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại, saukhuếch đại, sau

đó tăng K cho đến khi hệ nằm ở biên giới ổn định , tức là hệ kín trở thành khâu

Trang 29

dao động điều hòa Lúc này ta co K gh và chu kì của dao động đó là Tgh Tham

số cho bộ điều khiển PID chọn theo bảng sau:

Bộđiều khiển

1

PPIIDD 00 66**K K gh 0,5*Tgh 0,125*Tgh

Bảng 2.3 Bảng tính các thông số PID theo Z–N 2

CHƯƠNG III TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN

MỨC CHẤT LỎNG CHO BỒN NƯỚC ĐÔI

I.CHỌN CẤU HÌNH CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN:

Trang 30

HHììnnh h 33 1 1 CCấấu u hhììnnh h đđưượợc c cchhọọn n đđể ể đđiiềều u kkhhiiểểnn

) ( )

( 2

) (

) ( )

( )

( 2

) (

2 2

2 1

2 2

1 2

1 1

1

t

H A

g a

dB

p B

) ( )

( 2

) (

) ( )

( )

( 2

) (

2 2

1 2

2 1

1

t

H A

g a

dB

p B

dB

2.Khảo sát hệ thống phi tuyến:

Để nghiên cứu khảo sát hệ thống phi tuyến, ta phải dùng phương pháptuyến tính hóa để chuyển về hệ thống tuyến tính, bằng cách xét các giá trị độ biến thiê

biến thiên của các đại n của các đại lượng: hlượng: h11 trong H11, h22 trong H22, u trong U

Lúc này ta có:

Trang 31

H11((tt) ) ==HH11 + + hh11((tt))

(3.3)

H22(t) =H22+ h22((tt) ) ((33 44))U(t) =U + + uu((tt) ) ((33 55))

Với H1,H22là mực hoạt động bồn thường và là một hằng số ứng với điện áp đặtvào máy bơm là U

Khi đó điểm (H2,U) được gọi là điểm làm việc tĩnh của hệ phi tuyến, nên:

(

0 )

(

2 1

2

0 2

2 2

2 1 2

1 2 1 1

H A

g a

C

H

H A

g a

C

U A

K

H

H A

g a

C

dC B

dB

p B

1

2 1

1

2

B dB

C

dC p B dB

a

C a

2 2

1 1

2

2 2

1 1

1

) ( 2

) ( )

( 2

) (

) ) ( ( )

( )

( 2

) (

H

t h A

g a

C

H

t h

H

t h A

g a

C

t

t h

U

t u A

K

H

t h

H

t h A

g a

C

t

t h

C

dC B

dB

p B

2 )

( 2

2 )

( 2

2 )

(

) ( )

( 2

2 )

( 2

2 )

(

2 2 2

2 1 1

2 1 2

2 2 1 1

2 1 1

t h

H A

g a

C

t h

H

H A

g a

C

t h

H

H A

g a

C

t

t h

t u A

K

t h

H

H A

g a

C

t h

H

H A

g a

C

t

t h

C

dC B

dB B

dB

p B

dB B

dB

)) 10

3 ((

g a

C

k

H

H A

g a

3

2 2

2 1

1

2

2 2

2

Thay vào (3.10) ta được hệ phương trình :

Trang 32

( )

(

) ( )

( )

(

2 2 2

1 1

1 2

3 2

1 1

t h

k

t h

k

t h

k

t

t h

t u

k

t h

k

t h

k

t

t h

)) 11

3 ((

Biến đổi laplace hai vế của hệ phương trình ta có :

( )

(

) ( )

( )

(

2 2 2

1 1

1 2

3 2

1 1

s h

k s h

k s

sh

s u

k s h

k s

sh

)) 12

3 ((



  

(

) ( )

( )

(

2 1

1 2 1

3 2

2 2

1

s h

k

k s s

h

s u

k s h

k s

sh s

sh

)) 13

3 ((

(

) ( )

( )

(

2 1

1 2 1

3 2

2 2

2 1

1 2

s h

k

k s s

h

s u

k s h

k s sh s

h

k

k s s

)) 14

3 ((



 

(

) ( )

( )

(

2 1

1 2 1

3 1 2

2 1 2

1 2

2

s h

k

k s s

h

s u

k

k s h

k

k s sh

k s h s

k s

)) 15

3 ((

Từ (3.15) ta có hàm truyền đạt của hệ thống là :

22

33 11 22

22))

((

))((

))

((

k

k s

k

k s

k

k s

u

s h s w

3.Chọn các thông số của đối tượng điều khiển:

Bảng thông số của đối tượng:

Trang 33

K

Ký ý hhiiệệuu MMô ô ttảả GGiiá á ttrrịị ĐĐơơn n vvịị

K p HHệ ệ ssố ố ccủủa a mmááy y bbơơmm 33 33 CCmm33/Sv

CDb HHệ ệ ssố ố ccủủa a vvaal l xxả ả BB 00 66

CDc HHệ ệ ssố ố ccủủa a vvaal l xxả ả CC 00 66

D ĐĐưườờnng g kkíínnh h bbêên n ttrroonng g ccủủa a bbồồnn 66 CCmm

DB ĐĐưườờnng g kkíínnh h ccủủa a vvaal l xxả ả BB 00 66 CCmm

DC ĐĐưườờnng g kkíínnh h ccủủa a vvaal l xxả ả CC 00 44 CCmm

Hmax CChhiiềều u ccaao o ccủủa a mmỗỗi i bbồồnn 3300 CCmm

K ĐĐộ ộ pphhâân n ggiiảải i ccủủa a sseennssoorr 66 11 CCmm//VV

Bảng 3.1 Các thông số của đồi tượng điều khiển

1

2 1

2

6 0 4 0 1

3 3

* 4

98

980 0 2 6 0 6 0

2 2 2

2

2 1

6

*

3 3

* 4

6 6

* 2

98

* 2 4

0

* 6 0

6 18

7 6

* 2

98

* 2 6

0

* 6 0

0 0241

0 122

0

3 2 1

k

(3.19) (3.19)Thay (3.19) vào hàm truyền đạt (3.16) của hệ thống ta được:

00294

00 2681

00

01424

00 ))

((

)) ((

s u

s h s w

(3.20)

II.CHỌN CÁC II.CHỌN CÁC THÔNG SỐ THÔNG SỐ K K P, K II, K D CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID:

Tiêu đề	Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID
Tác giả	Mai Văn Văn
Người hướng dẫn	TS Nguyễn Quốc Định
Trường học	Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Chuyên ngành	Điện Tử Tự Động Hoá
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	67
Dung lượng	5,06 MB