Đề tài mô hình bồn nước Đơn sử dụng bộ Điều khiển pid

Các nhà máy, nhà xưởng thường phải đối mặt với môi trường nhiệt độ cao, việc điều khiển mực nước trong các bể chứa và tháp làm mát là để đảm bảo các hệ thống làm mát hiệu quả, giúp kiểm

TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN MỰC NƯỚC

Lý do chọn đề tài

Trong thời đại hiện nay, điều khiển tự động đang trở thành một phần quan trọng trong nhiều lĩnh vực, thu hút sự quan tâm của các kỹ sư và nhà khoa học Là sinh viên ngành điều khiển tự động, chúng tôi mong muốn mở rộng kiến thức và kỹ năng trong lĩnh vực này Do đó, trong đồ án môn học lần này, chúng tôi đã chọn nghiên cứu "Mô hình bồn nước đơn sử dụng bộ điều khiển PID".

Điều khiển mực nước là yếu tố quan trọng trong nhiều hệ thống công nghiệp và dân dụng, từ cung cấp nước đến sản xuất Mục tiêu chính là duy trì mức nước ổn định, đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm tài nguyên Chiếc phao cơ hiện nay là thiết bị sơ khai nhất để điều khiển mực nước, mặc dù có nhiều thiết bị hiện đại hơn như van điện và cảm biến mực nước Ứng dụng của điều khiển mực nước rất đa dạng, đặc biệt trong lĩnh vực nhiệt điện và làm mát công nghiệp, nơi mà sự ổn định của mực nước là điều kiện tiên quyết cho hoạt động của hệ thống.

Trong lĩnh vực nhiệt điện, lò hơi đóng vai trò quan trọng nhất trong nhà máy, và mực nước trong lò hơi là một thông số cần được giám sát và điều khiển chặt chẽ Hệ thống này đảm bảo sự cân bằng giữa lượng nước đưa vào và lượng hơi sinh ra Nếu mực nước vượt quá giới hạn cho phép, năng suất sẽ giảm và nhiệt độ lò hơi cũng sẽ giảm, ảnh hưởng đến hoạt động của tuabin Ngược lại, nếu mực nước quá thấp, nhiệt độ trong lò hơi sẽ tăng cao, gây ra tình trạng quá nhiệt và có nguy cơ cháy lò hơi.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN MỰC NƯỚC

Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển hệ thống cấp nước cho lò hơi

Trong ngành công nghiệp hiện đại, hệ thống làm mát đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điều kiện lý tưởng cho quy trình sản xuất và bảo quản hàng hóa Các nhà máy thường phải đối mặt với nhiệt độ cao, do đó, việc kiểm soát mực nước trong bể chứa và tháp làm mát là cần thiết để đảm bảo hiệu quả làm mát Điều này giúp kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm, ngăn ngừa quá tải hệ thống sản xuất và bảo vệ sức khỏe công nhân khỏi tác động của nhiệt độ quá cao.

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống làm mát công nghiệp sử dụng tấm cooling pad

Chúng em đã chọn mô hình điều khiển mực nước đơn giản và tiết kiệm chi phí, phù hợp với sinh viên, giữa nhiều lựa chọn như PLC và biến tần Mô hình này không chỉ dễ chế tạo mà còn giúp chúng em hiểu rõ hơn về cách kiểm soát mực nước trong bồn chứa, từ đó củng cố kiến thức về giải thuật điều khiển PID và môn “Hệ thống điều khiển tự động”.

Mục tiêu chọn đề tài

Nhiều giải thuật điều khiển mực chất lỏng trong bồn chứa đã được nghiên cứu, bao gồm PID mờ tự thích nghi của Liang Chen và cộng sự, bộ điều khiển PID mạng neuron của Nguyễn Hoàng Dũng và Huỳnh Thế Hiển, cùng bộ điều khiển trượt của Nguyễn Hoàng Dũng Những phương pháp này mang lại độ chính xác cao, sai số xác lập nhỏ, độ vọt lố ít và đáp ứng ngõ ra ổn định, phù hợp cho các hệ thống lớn nhằm giảm thiểu chi phí nguyên liệu Tuy nhiên, hầu hết các giải thuật này có chi phí cao và độ phức tạp trong việc triển khai.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN MỰC NƯỚC thì việc cân bằng giữa giá thành, độ khó của giải thuật điều khiển, phần cứng,… cần được chọn lựa và tính toán cho hợp lý Chính vì vậy giải thuật điều khiển PID là phù hợp với năng lực, túi tiền của tụi em

Sau khi xem xét kỹ lưỡng và dựa trên các tiêu chí đã đề ra, tôi xin đưa ra những mục tiêu cần đạt được trong "Đồ án môn học" lần này như sau:

 Viết được các phương trình toán học của hệ bồn nước đơn Từ đó, xây dựng được hàm truyền của hệ bồn nước đơn

Bài viết này trình bày việc mô phỏng hệ bồn nước đơn bằng MATLAB Simulink để phân tích đáp ứng ngõ ra của các bộ điều khiển PD, PI và PID Qua đó, chúng ta sẽ tính toán các thông số quan trọng như độ vọt lố, sai số xác lập và thời gian xác lập Cuối cùng, bài viết sẽ đưa ra nhận xét và kết luận về hiệu quả hoạt động của từng loại bộ điều khiển trong hệ thống này.

Mô hình thực tế bồn nước đơn được thiết kế nhằm điều khiển mực nước và theo dõi đáp ứng ngõ ra thông qua MATLAB Bài viết sẽ tính toán các thông số quan trọng như sai số xác lập, độ vọt lố và thời gian xác lập cho từng bộ điều khiển PI, PD, PID Cuối cùng, những kết luận sẽ được rút ra từ các phân tích trên.

Phương pháp thực hiện

 Em dự định sử dụng những linh kiện sau để thiết kế hệ thống điều khiển mực nước:

 Cảm biến siêu âm HC-SR04 để đo độ cao mực nước

 1 nút nhấn để điều chỉnh giá trị đặt mực nước

 Bồn nước làm bằng tấm mica

 Bình nước để đựng nước xả từ bồn ra

 Nguồn tổ ong 220VAC/12VDC

Sau khi hoàn thành thiết kế mô hình, tôi sẽ tiến hành khảo sát hệ thống với các bộ điều khiển PD, PI, PID để xác định các thông số KP, KI, KD nhằm tối ưu hóa chất lượng hệ thống Tiếp theo, tôi sẽ quan sát đáp ứng ngõ ra trên MATLAB và lập bảng tính toán các thông số như độ vọt lố, sai số xác lập và thời gian xác lập của hệ thống, từ đó rút ra nhận xét và đưa ra kết luận.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mô tả quy trình công nghệ và nguyên lý làm việc

Hình 2.1: Sơ đồ mô tả quy trình công nghệ

Vi điều khiển sẽ đọc tín hiệu từ cảm biến để xác định độ cao mực nước trong bồn Dựa vào thông tin này, vi điều khiển sẽ phát tín hiệu điều khiển mạch công suất nhằm điều chỉnh hoạt động của máy bơm.

Mạch công suất nhận tín hiệu từ vi điều khiển để điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện, từ đó điều khiển công suất đầu ra của máy bơm Nhờ vào tín hiệu điều khiển này, máy bơm có thể hoạt động với lưu lượng nước bơm mạnh, yếu hoặc thậm chí dừng lại, tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống.

Cảm biến liên tục hoạt động và gửi tín hiệu về vi điều khiển, cho phép vi điều khiển đọc tín hiệu để xác định độ cao mực nước Chu trình này lặp đi lặp lại với thời gian lấy mẫu tùy thuộc vào cách lập trình được thiết lập.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hệ thống được lập trình bằng vi điều khiển sử dụng giải thuật điều khiển PID số/rời rạc để duy trì mực nước trong bồn ở mức cố định, không bị ảnh hưởng bởi lượng nước xả ra từ van Van chỉ có vai trò điều tiết lưu lượng nước xả, từ đó cho phép đánh giá thời gian xác lập của mô hình và khả năng cân bằng giữa lượng nước vào và ra Qua đó, chúng ta có thể đánh giá chất lượng và tính ổn định của hệ thống.

Khái quát về vi điều khiển

Vi điều khiển là một máy tính tích hợp trên chip, thường được sử dụng để điều khiển thiết bị điện tử Hệ thống này bao gồm vi xử lý hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp, kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, module vào/ra, ADC, DAC, timer, counter, và truyền dữ liệu UART Vi điều khiển thường được ứng dụng trong các hệ thống nhúng và nhiều thiết bị điện tử như máy giặt, lò vi sóng, đầu đọc DVD, máy lạnh, quạt điều khiển từ xa, và lò nướng.

 Vi điều khiển ngày nay rất đa dạng, ta có thể kể đến một số loại đang phổ biến như:

PIC (Peripheral Interface Controller) là dòng vi điều khiển phổ biến của Microchip Technology, được ứng dụng rộng rãi từ các dự án nhỏ đến lớn Nhờ vào tính phổ biến và khả năng tiếp cận dễ dàng, PIC thường được các trường đại học và cao đẳng lựa chọn để giảng dạy cho sinh viên, đặc biệt là cho những người mới bắt đầu học lập trình vi điều khiển.

STM32 là dòng vi điều khiển của STMicroelectronics, được phát triển dựa trên lõi ARM Cortex-M Dòng vi điều khiển này cung cấp nhiều phiên bản với các tính năng và hiệu suất đa dạng, phù hợp cho nhiều ứng dụng nhúng khác nhau.

Arduino, ra mắt vào năm 2006, nổi bật với nhiều thư viện mở đa dạng và dễ lập trình trong Arduino IDE Điều này cho phép người học không cần hiểu sâu về bộ nhớ hay thanh ghi mà vẫn có thể thực hiện các dự án nhỏ và vừa Arduino được coi là vi điều khiển dễ sử dụng và tiếp cận nhất cho những người mới bắt đầu hoặc những ai không có kiến thức lập trình nhưng vẫn muốn khám phá thế giới vi điều khiển.

 ESP8266 và ESP32: Đây là các vi điều khiển Wi-Fi rất phổ biến trong lĩnh vực

ESP8266 và ESP32 là hai vi điều khiển tích hợp Wi-Fi, hỗ trợ nhiều giao tiếp chuẩn khác nhau Cả hai đều có thể lập trình dễ dàng thông qua Arduino IDE hoặc mã nguồn mở ESP-IDF, mang lại sự linh hoạt cho các dự án IoT.

AVR là dòng vi điều khiển nổi tiếng của Microchip Technology, trước đây được biết đến với tên gọi Atmel Vi điều khiển AVR ATmega được sử dụng rộng rãi trong các dự án nhúng và điện tử, mang lại hiệu suất cao cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Khái quát về bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID, viết tắt của Proportional Integral Derivative, là cơ chế phản hồi quan trọng trong các vòng điều khiển Theo thống kê, bộ điều khiển PID chiếm đến 90% trong các hệ thống điều khiển thực tế, cho thấy sự phổ biến của nó trong ngành công nghiệp hiện đại Bộ điều khiển này đã bắt đầu xuất hiện từ những năm đầu của thế kỷ 20.

Bộ điều khiển PID, lần đầu tiên xuất hiện trong thiết kế bộ điều tốc vào năm 1890, đã được phát triển cho các hệ thống tàu thuyền tự động Năm 1922, Nicolas Minorsky chính thức công bố lý thuyết về bộ PID, trong đó ông mô tả chi tiết khái niệm và cách hoạt động của bộ điều chỉnh này, vẫn còn giá trị cho đến ngày nay Bộ PID giúp giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào, và để đạt được hiệu quả tối ưu, các thông số của PID cần được điều chỉnh phù hợp với tính chất của hệ thống.

Hình 2.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Ta có công thức toán học của bộ điều khiển PID như sau:

𝑑𝑡𝑒(𝑡) Với e(t) là tín hiệu vào bộ điều khiển, u(t) là tín hiệu ngõ ra bộ điều khiển

 𝐾 : là khâu tỉ lệ Nó tạo ra tín hiệu nhằm điều chỉnh tỉ lệ và sai lệch đầu vào với thời gian lấy mẫu

Khâu tích phân 𝐾 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 là quá trình điều chỉnh tín hiệu nhằm giảm độ sai lệch về 0 Khi thời gian được rút ngắn, hiệu chỉnh tích phân trở nên mạnh mẽ hơn, dẫn đến độ lệch giảm thiểu.

Khâu vi phân (K) là một thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển, giúp tạo và điều chỉnh tín hiệu theo tỷ lệ với tốc độ thay đổi của sai lệch đầu vào Khác với các phương pháp khác, khi thời gian tăng, hiệu chỉnh vi phân trở nên mạnh mẽ hơn, đồng thời sự thay đổi đầu vào cũng diễn ra nhanh hơn.

Các phương pháp xác định được các thông số KP, KI, KD:

 Phương pháp phản hồi rơ le

 Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng

 Phương pháp gán thời gian xác lập

Trong cuốn sách “Lý thuyết Điều khiển Tự động” của tác giả Nguyễn Thị Phương Hà và Huỳnh Thái Hoàng, nhiều phương pháp hữu ích đã được trình bày, cung cấp cho độc giả những kiến thức quý giá để tham khảo.

Khái quát về PID số/rời rạc

Trước năm 1960, khi vi xử lý chưa phát triển, các hệ thống tự động chủ yếu là hệ thống điều khiển liên tục, được điều khiển bởi các mạch điện tử như mạch tỷ lệ, mạch tích phân và mạch vi phân Những mạch này đã tạo nền tảng cho bộ điều khiển PID, dẫn đến sự ra đời của khái niệm điều khiển PID liên tục Tuy nhiên, sau năm 1960, kỷ nguyên bùng nổ và phát triển của vi xử lý đã mở ra nhiều cơ hội mới cho công nghệ điều khiển tự động.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT người ta bắt đầu điều khiển hệ thống theo dạng số hóa dùng vi xử lý, các bộ điều khiển hiện đại cũng được thiết kế và áp dụng nhiều hơn Để đáp ứng yêu cầu hiện tại, người ta thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc hay còn gọi là điều khiển số để phù hợp khi điều khiển bằng vi xử lý Bộ điều khiển PID liên tục dần được thay thế bởi các bộ điều khiển PID số/rời rạc Hệ thống điều khiển rời rạc có nhiều ưu điểm như dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển, áp dụng các thuật toán điều khiển phức tạp bằng cách lập trình Chính vì có khả năng lập trình nên PID số/rời rạc sẽ linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh các thông số để điều khiển hệ thống ví dụ như các thông số KP, KI, KD và thích ứng nhanh chóng với các biến đổi khi hệ thống bị thay đổi hay bị tác động bởi các đối tượng bên ngoài (làm hàm truyền sẽ thay đổi theo)

Hình 2.3: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID số/ rời rạc

Ta có hàm truyền của bộ điều khiển PID số/rời rạc là:

 𝑇: là thời gian lấy mẫu của hệ thống (s)

Hình 2.4: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển rời rạc Trong đó:

 𝑇: thời gian lấy mẫu của hệ thống (s)

 𝑒(𝑘) : là sai số tín hiệu rời rạc

 𝐺 (𝑠): là bộ điều khiển PID số/rời rạc (hình 2.3)

 𝑢(𝑘): là tín hiệu điều khiển rời rạc

Z𝑂𝐻 là khâu lưu trữ dữ liệu, giúp chuyển đổi tín hiệu rời rạc theo thời gian thành tín hiệu liên tục.

 𝐺(𝑠): là hàm truyền của đối tượng mà ta điều khiển Vd: động cơ, lò nhiệt, bồn nước,…

 𝐻(𝑠): là hàm truyền mà tín hiệu hồi tiếp c(t) sẽ đi qua

 𝑟(𝑡) 𝑣à 𝑐(𝑡): tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra của hệ thống

Tín hiệu điều khiển u(k) của bộ điều khiển PID số/rời rạc sẽ có công thức là:

Mô hình toán học của hệ bồn nước đơn

2.5.1 Phương trình vi phân của hệ bồn nước đơn:

Hình 2.5: Mô hình hóa hệ bồn nước đơn Phương trình cân bằng:

Từ (2.1), (2.2) và (2.3) PTVP mô tả hệ bồn nước là:

Trong đó: 𝑢(𝑡): điện áp điều khiển máy bơm (0 ≤ u(t) ≤ 12V)

ℎ(𝑡): độ cao mực chất lỏng trong bồn (cm)

𝐴(ℎ): tiết diện ngang bồn chứa (cm 2 )

ℎ : độ cao cực đại của bồn chứa (cm)

𝐴 , 𝐴 : tiết diện ngang cực đại và cực tiểu (cm 2 )

𝑘: hệ số tỷ lệ với công suất máy bơm

𝑎: tiết diện van xả (cm 2 )

𝑔: gia tốc trọng trường (981cm/sec 2 )

2.5.2 Điểm làm việc tĩnh của bồn nước đơn:

Điểm làm việc tĩnh của bồn nước đơn được định nghĩa là trạng thái mà lượng nước do máy bơm cung cấp, tương ứng với điện áp u, bằng với lượng nước thoát ra từ bồn Nói cách khác, tại điểm này, đạo hàm của độ cao mực nước theo thời gian bằng 0 (ḣ(t) = 0).

 Tìm điểm làm việc tĩnh của bồn nước đơn

Tại điểm làm việc tĩnh thì: ḣ(t) = 0

𝐶 𝑎 Vậy công thức tìm điểm làm việc tính của bồn nước là:

=>Từ công thức này, ta có thể suy ra chiều cao mực nước được cân bằng ho khi biết thông số uo

 Ví dụ: Từ hình 2.5 hãy tìm điểm làm việc tĩnh của bồn nước với các thông số được cho như sau: ℎ = 22𝑐𝑚, 𝐴 = 𝐴 = 225𝑐𝑚 , 𝑘 = 2.33, 𝑎 = 0.636𝑐𝑚 ,

𝑔 = 981𝑐𝑚/𝑠 , 𝐶 = 0.2, 𝑢 = 10𝑉, ℎ = 3𝑐𝑚 Với h_init là độ cao ban đầu của mực nước

Từ (2.5) ta có công thức điểm làm việc tĩnh của bồn nước là:

2.33 ∗ 10 0.2 ∗ 0.636 = 17.1(𝑐𝑚) Vậy điểm làm việc tĩnh của bồn nước là (uo, ho) = (10V, 17.1cm)

 h_int ở đây chỉ đóng vai trò là độ cao ban đầu mực nước chứ không ảnh hưởng đến điểm làm việc tĩnh của bồn nước

 Ngoài ra, ta cũng có thể tìm được uo khi có ho từ công thức (2.5)

Mô phỏng trên MATLAB Simulink với các thông số từ mô hình thực tế

2.6.1 Tính toán các thông số bồn nước đơn từ mô hình thực tế:

 Ta thiết kế bồn nước có dạng hình hộp chữ nhật đứng với các kích thước dài, rộng và cao lần lượt là 15x15x22cm

 Bán kính van xả của vòi nước ta đo được là 0.45cm

Qua thực nghiệm, lượng nước dâng lên trong một phút là 7.5 cm và điện áp máy bơm đo được là 12.07V Do đó, thể tích nước được bơm vào bồn là 15*15*7.5 = 1687.5 cm³.

 Ta chọn hệ số xả 𝐶 = 0.2

Khi chọn hệ số xả 𝐶 quá lớn, việc mở van xả nước nhiều hoặc tăng diện tích van xả có thể khiến lưu lượng nước bơm vào nhỏ hơn lưu lượng nước xả ra Điều này dẫn đến tình trạng nước không thể đạt được mức mong muốn, mặc dù máy bơm đã hoạt động hết công suất.

 Độ cao mực nước ban đầu ta chọn là ℎ_𝑖𝑛𝑡 = 3𝑐𝑚

Ký hiệu Mô tả Giá trị

ℎ Độ cao cực đại của bồn chứa 22 cm

𝐴 Tiết diện ngang cực đại 225 cm 2

𝐴 Tiết diện ngang cực tiểu 225 cm 2

𝑎 Tiết diện van xả 0.636 cm 2

𝑘 Hệ số tỷ lệ với công suất máy bơm 2.33

ℎ_𝑖𝑛𝑖𝑡 Mực nước ban đầu trong bồn 3 cm

Bảng 1: Các thông số của mô hình bồn nước đơn thực tế 2.6.2 Sơ đồ khối mô phỏng bồn nước đơn trên MATLAB Simulink:

Hệ thống được mô phỏng trên MATLAB Simulink từ phương trình (2.4) như sau:

Hình 2.6: Sơ đồ khối mô phỏng bồn nước trên MATLAB Simulink

Hình 2.7: Các thông số bộ điều khiển PID số/rời rạc trong MATLAB Simulink và mô hình bồn nước đơn thực tế

Thay đổi thông số Thời gian lên Độ vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập

Tăng KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm

Tăng KI Giảm Tăng Tăng Loại bỏ

Tăng KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ

Dựa vào Bảng 2, chúng ta có thể lựa chọn các thông số cho bộ điều khiển PID số/rời rạc, với sự chú ý đến việc đáp ứng hệ thống khi thay đổi các thông số PID.

𝐾 Độ lợi khâu tỷ lệ 1

𝐾 Độ lợi khâu tích phân 0.0032

𝐾 Độ lợi khâu vi phân 0.01

𝑔 Gia tốc trọng trường 981 cm/sec 2

Bảng 3: Các thông số của bộ điều khiển PID số/rời rạc trong MALAB Simulink

Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID số/rời rạc và bồn nước đơn trong MATLAB

M ự c n ư ớ c h ( cm ) Đồ thị đáp ứng ngõ ra của bồn nước khi giá trị đặt là 5cm

PID PI PD Giá trị đặt

Hình 2.9: PTVP bồn nước đơn trong khối Fcn của MATLAB Simulink 2.6.3 Biểu đồ đáp ứng ngõ ra bồn nước khi phỏng trên MATLAB Simulink

Hình 2.10: Đáp ứng ngõ ra của bồn nước trên MATLAB Simulink khi giá trị đặt là 5 cm

Bộ điều khiển PID PI PD Độ vọt lố (POT%) 0 0 0

Sai số xác lập exl(s) 0 0 3.22

Thời gian xác lập txl(s) (5%) 1222.8 1222.8 136.2

Thời gian lên đỉnh tpeak (s) 2991.2 2991.3 480.7

Bảng 4: Chất lượng của hệ thống khi mô phỏng tại giá trị đặt 5cm

Thời gian xác lập txl(s) (5%) 1020 1020 59.5

Thời gian xác lập txl(s) (5%) 714.1 714.1 181

Các bộ điều khiển PID và PI cung cấp chất lượng tương đương khi độ vọt lố và sai số xác lập bằng 0, tuy nhiên, thời gian xác lập và thời gian lên đỉnh lại khá lớn Dù vậy, do bản chất của hệ bồn nước là hệ chậm, nên thời gian xác lập và thời gian lên đỉnh lớn không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hệ thống.

Bộ điều khiển PD có chất lượng không tốt do sai số xác lập lớn, nhưng bù lại, nó có độ vọt lố bằng 0 Thời gian xác lập và thời gian lên đỉnh của bộ điều khiển PD nhanh hơn nhiều so với bộ điều khiển PID và PI.

Hệ bồn nước đơn hoạt động chậm, do đó để cải thiện tốc độ, cần sử dụng máy bơm có công suất lớn Việc sử dụng bộ điều khiển PD không cần thiết vì có thể làm tăng sai số xác lập Thay vào đó, bộ điều khiển PID và PI đã cho kết quả tốt hơn so với yêu cầu trong mô phỏng.

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MÔ HÌNH THỰC TẾ

Yêu cầu thiết kế

 Yêu cầu về bồn chứa nước

 Thiết kế bồn nước đơn làm bằng mica có dạng hình hộp chữ nhật đứng với các kích thước dài, rộng và cao là 15x15x22cm

 Có gắn thước trên bề mặt bồn nước để người sử dụng xem được độ cao mực nước hiện tại

 Yêu cầu về bộ điều khiển và mạch điều khiển

 Thiết kế được bộ điều khiển PID số/rời rạc trong môi trường lập trình Arduino IDE

Mạch điều khiển được thiết kế trên bảng điện nhựa kích thước 20x25cm, bao gồm Arduino Uno kết nối với modul LCD để hiển thị dữ liệu, cầu H L298 và bơm nước 385.

 Yêu cầu về cách hoạt động và sai số cho phép của hệ thống

Hệ thống điều khiển sẽ duy trì mức nước ổn định và chính xác theo giá trị đã chọn, với sai số không vượt quá 2cm Đồng thời, hệ thống cũng cần ngăn chặn tình trạng tràn bồn để bảo vệ nguồn nước khỏi thất thoát.

 Hệ thống phải có khả năng duy trì mức nước ổn định kể cả khi người sử dụng xả nước nhiều hay ít

 Yêu cầu về công suất bơm nước:

Hệ thống phải đảm bảo công suất bơm nước đủ để duy trì mực nước ổn định trong bồn chứa có dung tích 4,95 lít.

Hệ thống cần phải có khả năng bơm nước tối đa vào bồn với lưu lượng 1.5 lít/phút và duy trì mức nước ổn định trong bồn với lưu lượng này từ máy bơm.

 Công suất bơm nước của máy bơm mạnh hay yếu phải được tính toán dựa trên độ mở van xả nhiều hay ít của vòi nước

 Yêu cầu về giao tiếp với người dùng:

 Hệ thống phải có nút nhấn để điều chỉnh giá trị đặt theo ý người sử dụng

 Hệ thống phải có màn hình LCD để người sử dụng biết giá trị đặt họ đã chọn và

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MÔ HÌNH THỰC TẾ theo dõi được độ cao mực nước hiện tại trong bồn chứa

 Yêu cầu về giao tiếp với máy tính và truyền thông dữ liệu nối tiếp (UART)

 Hệ thống giao tiếp qua cổng USB trên máy tính bằng Arduino Uno với truyền thông dữ liệu nối tiếp (UART)

Khi hệ thống giao tiếp với máy tính, dữ liệu sẽ được gửi đến phần mềm MATLAB Simulink thông qua khối Scope, cho phép hiển thị biểu đồ đáp ứng của hệ thống theo thời gian thực Điều này giúp chúng ta đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển một cách hiệu quả.

Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống bồn nước đơn

 Mô tả chức năng của các khối trong hệ thống bồn nước đơn:

Khối máy tính cung cấp nguồn cho MCU và nhận dữ liệu từ MCU để hiển thị biểu đồ đáp ứng của hệ thống theo thời gian thực thông qua phần mềm MATLAB Simulink Điều này giúp đánh giá chất lượng của hệ thống một cách hiệu quả.

Khối MCU là hệ thống quan trọng nhất, được coi như bộ não của toàn bộ hệ thống, điều khiển mọi hoạt động từ truyền thông dữ liệu đến xử lý tín hiệu từ cảm biến Nó đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển mạch công suất cấp tín hiệu cho máy bơm hoạt động, đồng thời nhận tín hiệu từ cảm biến để điều chỉnh tốc độ bơm phù hợp thông qua PWM.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MÔ HÌNH THỰC TẾ

Khối điều khiển là mạch công suất có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ bơm thông qua tín hiệu xung PWM được gửi từ MCU đến mạch công suất Trong mô hình thực tế này, mạch công suất sử dụng là cầu H L298.

 Bơm: dùng để bơm nước lên bồn chứa với tốc độ bơm mạnh hay yếu được điều khiển bởi mạch công suất

 Bồn nước: dùng để chứa nước từ máy bơm bơm vào

Cảm biến siêu âm được sử dụng để đo tín hiệu và truyền tải thông tin đến MCU nhằm xác định độ cao mực nước hiện tại trong bồn Dựa trên dữ liệu này, cảm biến sẽ gửi xung PWM thích hợp cho mạch công suất, giúp điều chỉnh tốc độ bơm nước một cách hiệu quả.

Lựa chọn thiết bị cho mô hình thực tế

3.3.1 Lựa chọn MCU: Ở chương 2 mục 2.2 ta đã khái quát về vi điều khiển và đặc điểm từng hãng của chúng Ở đây, chúng ta đang quan tâm đến hệ thống điều khiển mực nước nên việc chọn những loại vi điều khiển quá cao cấp và đắt tiền là điều không cần thiết Vì vậy, việc chọn lựa những vi điều khiển có giá thành hợp lý, phục vụ cho việc viết đồ án thì ở đây chúng ta sẽ chọn Arduino Uno R3 Với giá thành rẻ, không cần phải thiết kế mạch in PCB nên rất phù hợp cho hệ thống của chúng ta

 Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động 5VDC

Tần số hoạt động 16MHz Điện áp vào giới hạn 6 – 20VDC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10 bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30mA

Dòng ra tối đa (5V) 500mA

 Một số đặc điểm nổi bật của Arduino Uno R3:

 Có giá thành rẻ, chỉ khoảng 80.000 đồng cho chip dán và 135.000 đồng cho chip cắm Phù hợp với dự án vừa và nhỏ

 Arduino có nhiều thư viện được tích hợp sẵn giúp việc lập trình trở nên đơn giản hơn thông qua phần mềm Arduino IDE

Arduino UNO sở hữu đầy đủ chức năng cần thiết để điều khiển hệ thống, bao gồm khả năng ngắt nhằm thực hiện thuật toán PID số/rời rạc mà không làm ảnh hưởng đến các tác vụ khác Bên cạnh đó, nó còn được trang bị các chân PWM để điều chỉnh tốc độ của máy bơm một cách hiệu quả.

 Kích thước của Arduino Uno R3 là 68.6mm x 53.4mm Nó có thiết kế gọn nhẹ dễ dàng cho việc kết nối với các module và cảm biến khác.

Arduino Uno R3 được hỗ trợ bởi một cộng đồng đông đảo, cung cấp nhiều thư viện và ví dụ phong phú, giúp người dùng nhanh chóng làm quen và học hỏi Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các dự án cá nhân một cách hiệu quả.

 Khái quát về các loại cảm biến đo khoảng cách:

Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại cảm biến đo khoảng cách với tính năng và ứng dụng đa dạng Tùy thuộc vào yêu cầu về độ chính xác, chi phí, mục đích sử dụng và môi trường xung quanh, người dùng có thể lựa chọn loại cảm biến phù hợp Hiện tại, có bốn loại cảm biến chủ yếu được sử dụng để đo khoảng cách.

Cảm biến laser (Lidar) là thiết bị đo khoảng cách dựa trên nguyên lý phản xạ của tia laser, được ưa chuộng nhờ tính ứng dụng cao trong nhiều môi trường khác nhau.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MÔ HÌNH THỰC TẾ biến khá phổ biến vì độ chính xác cao, sở hữu đa tính năng, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng và tiết kiệm được thời gian vận chuyển, có thể đo trên phạm vi diện rộng Tuy nhiên các loại máy sử dụng cảm biến đo khoảng cách bằng laser thường sử dụng pin và cần phải nạp năng lượng thường xuyên, khi xảy ra sự cố thì khó sửa chữa, phải thực hiện nhiều thao tác trên các nút bấm bằng tay

Cảm biến hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên lý phát tia hồng ngoại và đo thời gian phản hồi từ vật thể gần nhất Chúng có khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị đo khoảng cách, hệ thống chống va chạm, cảm biến đo độ cao, cũng như trong ngành công nghiệp tự động hóa.

Cảm biến Radar hoạt động bằng cách phát ra sóng vô tuyến điện tần số cực cao về phía vật thể cần đo khoảng cách Khi sóng Radar gặp vật thể, chúng sẽ phản xạ trở lại và được thu bởi máy thu radar Thiết bị này đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng phản xạ để tính toán khoảng cách dựa trên tốc độ truyền sóng radio Radar có khả năng đo khoảng cách xa hàng chục cây số và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, định vị vệ tinh, tàu thuyền, cảnh báo va chạm giao thông và quân sự.

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc phát sóng siêu âm để xác định khoảng cách đến vật thể, bằng cách đo thời gian sóng phản hồi quay lại Nhờ vào tính năng này, cảm biến có khả năng tính toán chính xác khoảng cách, và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ thiết bị đo khoảng cách trong ô tô cho đến cảm biến chống va chạm trong robot và các hệ thống tự động hóa công nghiệp.

 Lựa chọn cảm biến cho hệ thống:

Dựa trên kiến thức về cảm biến, có hai loại cảm biến phù hợp cho hệ thống điều khiển mực nước là cảm biến hồng ngoại và cảm biến siêu âm Nếu không yêu cầu độ chính xác cao, cảm biến siêu âm là lựa chọn kinh tế hơn Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một trong những lựa chọn phổ biến vì giá thành rẻ và hiệu suất tốt.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MÔ HÌNH THỰC TẾ giá chưa đến 20.000 đồng một cái Rất phù hợp cho đồ án của chúng ta Vì vậy, trong hệ thống này chúng ta sẽ sử dụng loại cảm biến này

Hình 3.3: Cảm biến siêu âm HC – SR04

 Tần số hoạt động: 40Khz

 Điện áp hoạt động: 5VDC

 Tín hiệu đầu ra: tín hiệu tần số điện, mức cao 5V, mức thấp 0V

 Góc cảm biến: Không quá 15 độ

 Khoảng cách phát hiện: 2cm ~ 450cm

 Độ chính xác cao: Lên đến 3mm

 Chế độ kết nối: VCC / trig (T) / echo (R) / GND

 Vcc: chân cấp nguồn cho cảm biến, với mức điện áp là 5V

 Trigger: khi có xung kích cạnh lên tối thiểu 10us thì đầu phát sẽ phát ra sóng siêu âm với tần số 40KHz

 Echo: nhận tín hiệu khi sóng siêu âm phản xạ từ vật thể quay trở lại để tính toán khoáng cách

 Một số đặc điểm nổi bật của cảm biến siêu âm HC – SR04:

Cảm biến này có khả năng đo hầu hết các loại chất rắn và chất lỏng, đồng thời cho phép đo khoảng cách mà không cần tiếp xúc, mang lại độ bền cao và thiết kế nhỏ gọn Tuy nhiên, nhược điểm của cảm biến là độ chính xác trong khoảng cách đo có thể bị ảnh hưởng do sóng âm dễ bị nhiễu, dẫn đến sự không ổn định trong quá trình đo.

 Dải đo khá rộng so với những loại cảm biến khác khi cho tầm đo từ 2cm đến 400cm

 Giá thành cực kỳ rẻ so với những loại cảm biến khác nên phục vụ rất tốt cho việc nghiên cứu và làm dự án nhỏ

3.3.3 Lựa chọn máy bơm nước:

Mô hình bồn nước đơn có dung tích nhỏ, vì vậy chúng ta chọn máy bơm R385 12V, một loại máy bơm mini motor DC12V phổ biến trong gia dụng, y tế và các ứng dụng DIY Bơm này lý tưởng cho các thiết kế nhỏ với lưu lượng nước bơm ít, như bơm nước cho bình trà hay bể cá mini Ngoài ra, máy bơm R385 có giá thành rẻ, giúp tiết kiệm chi phí cho người sử dụng.

 Đường kính vòi ra: đường kính trong: 6 mm, đường kính ngoài: 8.5 mm

 Điện áp hoạt động: 12 VDC

 Lưu lượng: 1.5-2L / Min (trái và phải), hút tối đa: 2m

 Nếu nguồn cấp là 6VDC thì dòng cấp tầm 1A

Để tối ưu hóa hiệu suất của bơm nước 12V, việc sử dụng nguồn điện 12V là bắt buộc Nguồn tổ ong 12V 5A 60W là lựa chọn lý tưởng vì giá thành hợp lý, hoạt động ổn định và cung cấp dòng điện cao, giúp tránh tình trạng quá tải trong quá trình sử dụng.

 Điện áp ngõ ra: 12VDC

 Điện áp ngõ vào: 220VAC

 Vỏ bọc: Vỏ kim loại

 Kích thước: 110mm x 78mm x 37mm

3.3.5 Lựa chọn mạch công suất: Ở mục 3.3.3 ta đã biết là dòng làm việc của bơm R385 là 0.5A đến 0.7A và Vì vậy, ở đây ta sẽ dùng cầu H L298N là đủ để cung cấp dòng và chịu dòng cho bơm R385 Mạch cầu H L298N thì mỗi cầu có khả năng cung cấp đến 2A nên thừa sức để điều khiển tốc độ bơm R385 mà không sợ cầu H bị quá tải hay cháy cầu Một đặc điểm nổi bật của cầu

Sơ đồ nối dây mô hình thực tế

Hình 3.19: Sơ đồ nối dây mô hình thực tế

THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO MÔ HÌNH THỰC TẾ

Yêu cầu thiết kế

 Yêu cầu về viết chương trình và giải thuật điều khiển PID số/rời rạc:

 Viết được chương trình điều khiển và ổn định mực nước bằng giải thuật điều khiển PID trên phần mềm Arduino IDE

 Ta cũng phải lập trình sao cho hệ thống giao tiếp được với các module ngoại vi khác như LCD I2C, cầu H L298N, nút nhấn, cảm biến siêu âm HC – SR04

Để đảm bảo tính chính xác trong đồ án, việc viết thuật toán PID cho hệ thống số/rời rạc là rất quan trọng; nếu không, chúng ta sẽ dẫn đến những sai sót trong nghiên cứu.

Chương trình cần được thiết kế để gửi dữ liệu lên máy tính với chu kỳ tương ứng với thời gian lấy mẫu của bồn nước, đồng thời đảm bảo việc gửi dữ liệu diễn ra liên tục trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống.

 Yêu cầu về truyền thông dữ liệu trên máy tính thông qua phần mềm MATLAB Simulink

Thiết kế bộ nhận dữ liệu từ hệ thống gửi về MATLAB Simulink cho phép hiển thị biểu đồ đáp ứng của hệ thống theo thời gian thực thông qua khối Scope, từ đó giúp đánh giá chất lượng hệ thống một cách hiệu quả.

Bộ nhận dữ liệu cần hoạt động một cách ổn định và chính xác, đảm bảo không có gián đoạn trong quá trình hệ thống hoạt động, nhằm đánh giá chất lượng của hệ thống một cách hiệu quả.

 Giao diện xem biểu đồ của khối Scope phải có màu sắc dễ nhìn, trực quan, tổng quát và phải thân thiện với người dùng

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO MÔ HÌNH THỰC TẾ

Lưu đồ giải thuật điều khiển PID số/rời rạc cho hệ thống bồn nước đơn

Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật điều khiển PID số/rời rạc cho hệ thống bồn nước đơn

 Giải thích lưu đồ giải thuật:

Khởi tạo hệ thống là quá trình khởi động cần thiết để đưa hệ thống vào trạng thái sẵn sàng hoạt động Đây là bước quan trọng, vì nếu không thực hiện, hệ thống sẽ không thể hoạt động hiệu quả.

Cảm biến siêu âm phát ra sóng siêu âm để đo đạc, từ đó gửi tín hiệu cho MCU xử lý và xác định độ cao mực nước hiện tại.

Hiệu chỉnh PID sử dụng các thông số KP, KI và KD để hệ thống tính toán tín hiệu điều khiển u thông qua ba khâu chính: khâu tỷ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân.

 h < setpoint: nghĩa là nếu độ cao mực nước hiện tại nhỏ hơn giá trị đặt

Khi điều kiện được thỏa mãn, tín hiệu điều khiển u sẽ được gửi đến cầu H, tương ứng với độ rộng xung PWM cho L298N Cầu H sử dụng xung PWM này để điều chỉnh công suất của bơm nước một cách phù hợp.

Nếu điều kiện không đúng, độ rộng xung PWM sẽ luôn bằng 0, dẫn đến việc bơm ngừng hoạt động và không bơm nước vào bồn chứa.

=> Sau khi hết 1 vòng thì quay về bước “Đọc giá trị cảm biến” và tiếp tục lặp đi lặp lại với vòng lặp vô tận như vậy

Truyền thông dữ liệu lên MATLAB Simulink để xem biểu đồ đáp ứng ngõ ra hệ thống

Hình 4.2: Sơ đồ khối truyền thông dữ liệu lên MATLAB Simulink

Hình 4.3: Thông số cài đặt khối Host Serial Rx

Hình 4.4: Thông số cài đặt khối Host Serial Setup

*Chú ý: muốn sử dụng được những khối này để truyền thông dữ liệu thì chúng ta phải tải thư viện Waijung Blockset cho MATLAB.

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Mô hình thực tế sau khi thiết kế

Sau khi thiết kế và lắp ráp ta được mô hình như sau:

Hình 5.1: Mô hình bồn nước đơn thực tế

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Hệ thống này bao gồm các thành phần chính như Arduino Uno, máy bơm 365DC, module L298N, LCD I2C, cảm biến siêu âm HC-SR04, bồn nước kích thước 15 x 15 x 22 cm và bồn chứa nước kích thước 15 x 15 x 20 cm.

 Hệ thống được kết nối theo sơ đồ Hình 3.19

Kết quả thực nghiệm

 Lựa chọn các thông số và thời gian lấy mẫu cho bộ điều khiển PID số/rời rạc trong thực nghiệm

𝐾 Độ lợi khâu tỷ lệ 20

𝐾 Độ lợi khâu tích phân 5

𝐾 Độ lợi khâu vi phân 0.6

T Thời gian lấy mẫu 0.1s h_init Mực nước ban đầu trong bồn (tương đối) 3cm Bảng 9: Các thông số của bộ điều khiển PID số/rời rạc trong thực nghiệm

 Biểu đồ đáp ứng ngõ ra bồn nước khi thực nghiệm:

Hình 5.2: Đáp ứng ngõ ra thực nghiệm của bồn nước khi giá trị đặt là 5cm

Bộ điều khiển PID PI PD Độ vọt lố (POT%) 11.66 16.87 7.61

Sai số xác lập exl(s) 0.06 0.04 2.11

Bảng 10: Chất lượng của hệ thống khi thực nghiệm tại giá trị đặt 5cm

Thời gian xác lập txl(s) (5%) 88 147.8 114.4

Thời gian lên đỉnh tpeak (s) 89.9 172 143.5

Thời gian xác lập txl(s) (5%) 129 137.8 140.7

Thời gian lên đỉnh tpeak (s) 138.2 146 171

Cả bộ điều khiển PID và PI đều mang lại chất lượng tốt, tuy nhiên bộ điều khiển PID có phần nhỉnh hơn, nhưng sự khác biệt không quá lớn Khi khảo sát ở giá trị đặt 5cm và 8cm, bộ điều khiển PID cho thấy độ vọt lố thấp hơn, trong khi ở các giá trị khác, chất lượng của hai bộ điều khiển này gần như tương đương, không có nhiều khác biệt rõ rệt trong hiệu suất hệ thống.

Khi tăng giá trị đặt, độ vọt lố của các bộ điều khiển PID, PI và PD có xu hướng giảm, trong khi thời gian xác lập và thời gian lên đỉnh lại tăng lên.

 Sai số xác lập của bộ điều khiển PID và PI cho ra khá tốt và tương đương nhau khi đều nhỏ hơn 0.2cm

Bộ điều khiển PD có hiệu suất không tốt do sai số xác lập lớn và gia tăng khi giá trị đặt tăng, mặc dù độ vọt lố lại ở mức rất thấp.

Hệ bồn nước đơn thường hoạt động chậm, do đó để cải thiện tốc độ và hiệu quả của hệ thống, cần sử dụng máy bơm có công suất lớn và hệ số k cao, cùng với cảm biến để đọc tín hiệu.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM càng ít nhiễu càng tốt để MCU xử lý độ cao mực nước mới chính xác được Vì bản chất hệ thống đã là một hệ chậm nên ta sẽ không cần thời gian đáp ứng phải quá nhanh mà ta ưu tiên sai số xác lập và độ vọt lố phải nhỏ Vì vậy, bộ điều khiển PID và

Bộ điều khiển PI đã hoạt động hiệu quả theo yêu cầu, nhưng bộ điều khiển PID vẫn nên được ưu tiên vì nó mang lại hiệu suất tốt nhất so với hai bộ điều khiển khác.

Tiêu đề	Mô Hình Bồn Nước Đơn Sử Dụng Bộ Điều Khiển PID
Trường học	bộ môn điều khiển tự động
Thể loại	đồ án

Định dạng
Số trang	67
Dung lượng	3,6 MB