ĐIỀU CHỈNH mức nước CHO KÊNH THỦY NÔNG

đồ án môn học về mô phỏng trên phần mềm matlap simulink điều chỉnh mực nước cho kênh thủy nông gồm 3 chương chính :chương 1 giới thiệu matlap simulinkchương 2: hiệu chỉnh mức nướcchương 3:thiết kế bộ pid

Trần Ninh Linh-DAHP

LỜI MỞ DẦU

Ngày nay do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu đã gây ra nhiều hiện

tượngthời tiết cực đoan như lũ lụt, hạn hán, nhiệt độ trái đất tăng, sóng thần…đã

làm ảnh hưởng lớn đến cuộc sống của con người Nước ta là một trong những

nước chịu ảnh hưởng nặng nề từ biến đổi khí hậu, vì vậy xây dựng một hệ thống thủylợi quy mô lớn, hiện đại là vấn đề cần thiết đối với nước ta Với sự phát triển của khoahọc kĩ thuật, chất lượng hệ thốngthủy ngày càng được nâng cao đặc biệt là khả năng

áp dụng các bộ điều khiển lôgic vào việc tự động hóa

cũng như điều khiển hệ thốnggiúp hệ thống điều khiển linh hoạt, nhanh, chính

xác.Sau đây em xin trình bày đề tài “ Hiệu chỉnh mức nước cho đoạn thủy nông” đây

là mô hình thu nhỏ của hệ thông hồ đập trong nước ta giúp sự điều tiết mức nước hợp

lý trong hồ đập

Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành đề tài song do giới hạn về thờigian,cũng như kiến thức nên nội dung còn thiếu sót.Em mọi sự góp ý của thầy cũngnhư các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên : Trần Ninh Linh

2.1. Giới thiệu về Simulink

2.2 Một số thư viện simulink

CHƯƠNG II Hi u ch nh m c nệ ỉ ứ ước cho đo n th y nôngạ ủ

CHƯƠNG 1 : TÌM HIỂU MATLAB VÀ SIMULINK

I MATLAB

1.1 Khái niệm chung

- MATLAB ( Matrix Laboratory ): là ngôn ngữ lập trình bậc cao được sử dụng để giải

các bài toán về kỹ thuật Nó tích hợp các công cụ rất mạnh phục vụ tính toán, lập trình , thiết kế , mô phỏng , trong các môi trường rất dễ sử dụng , trong đó các bài toán và lời giải được biểu diễn qua các ký hiệu toán học quen thuộc

Có một số lệnh tổng quát liên quan đến cửa sổ này như sau:

clear all : xóa tất cả các lệnh trong cửa sổ

clc: xóa cửa sổ lệnh

home: di chuyển con chạy lên góc trên trái của cửa sổ

help: trợ giúp thông tin về một mục nào đó

echo, echo on/off: tắt mở hiển thị các dòng của file m khi chạy chương trình.

edit: gọi chương trình soạn file *.m type tên_file: đọc nội dung file *.m.

demo: gọi chương trình demo.

 Cửa sổ lịch sử (Command History) : liệt kê các lệnh đã sử dụng trước đó kèm thời gian bắt đầu Có thể lặp lại lệnh cũ bằng cách nhắp chuột kép vào lệnh đó Cũng có thể cắt, sao hoặc xóa cả nhóm lệnh hoặc từng nhóm lệnh riêng rẻ.

 Cửa sổ workspace : thể hiện tên các biến bạn sử dụng cùng với kích thước vùng nhớ, kiểu dữ liệu , các biến được giải phóng sau mỗi lần tắt chương trình.Ngoài ra nó còn cho phép thay đổi giá trị ,kích thước của biến

 Cửa sổ M-file : là cửa sổ dùng để soạn thảo chương trình ứng dụng,để thực thi

chương trình viết trong M-file bằng cách gõ tên của fine chứa chương trình đó trong cửa sổ.

1.2 Hàm truyền trong MATLAB

- Biểu diễn hàm truyền trong Matlab:

- Plot (x,y): Vẽ đồ thị trong tọa độ (x,y).

Subplot(m,n,p): Chia cửa sổ hiện tại thành một ma trận (m,n) khoảng để vẽ đồ thị

và chọn p là cửa sổ hoạt động Các thành phần của đồ thị được đánh số từ trái qua phải,từ trên xuống dưới.

+ step(g): vẽ đồ thị hàm (g)

+ impulse(g): vẽ đồ thị hàm (g)

Trần Ninh Linh-DAHP

VD1: Cho hàm truyền và sơ đồ khối như sau:

Hình 1.3: Đáp ứng step,impulse.

1.4 Tổng quan về Control system toolbox

 Control system toolbox là một thư viện của Matlab dùng trong lĩnh vực điều khiên tự động Cùng với các lệnh của Matlab,tập lênh của Control system toolbox sẻ giúp ta thiết kế,phân tích và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống tuyến tính

 Control system toolbox bao gồm:

- Hệ thống tuyến tính đại diện mô hình của các hệ thông thời gian tuyến tính bất biến

- Loại mô hình chuyển đổi

- Chuyển đổi liên tục rời rạc

- Đơn giản hóa mô hình

- Thời gian phân tích –Domain

- Phân tích tần số-Domain

- Phân tích ổn định

- Phân tích độ nhạy

- Thiết kế điều khiển,thiết kế hệ thống điều khiển và điều chỉnh,điều chỉnh PID

- SISO Phản hồi Loops

- Kiểm soát tuyến tính bậc – Gaussian

- Vị trí cực.

 Các tính năng chính của control system toolbox

 Chuyển chức năng, không gian trạng thái, cực-zero-tăng, và tần số đáp ứng mô hình của hệ thống tuyến tính

Trần Ninh Linh-DAHP

 Series, song song, thông tin phản hồi, và chung kết nối khối sơ đồ của mô hình tuyến tính.

 Phản ứng bước, Nyquist cốt truyện, và thời gian và miền tần số công cụ khác để phân tích sự ổn định và hiệu quả các biện pháp.

 Gốc locus, sơ đồ Bode, LQR, LQG, và kiểm soát cổ điển và không gian trạng thái kỹ thuật thiết kế hệ thống khác.

 Tự động điều chỉnh của bộ điều khiển PID.

 Chuyển đổi mô hình đại diện, liên tục thời gian mô hình rời rạc, và thứ tự thấp xấp xỉ của hệ thống bậc cao.

II SIMULINK

2.1 Giới thiệu về simulink

 Simulink là một công cụ trong Matlab dùng để mô hình, mô phỏng và phân tích các hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa Việc xây dựng được đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả Simulink bao gồm một bộ thư viện khối với các hộp công cụ toàn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thể dễ dàng chuyển đổi qua lại trong quá trình tích phân,vì vậy người dùng có thể tận dụng được ưu thế của cả hai môi trường

Hình 1.5: Cửa sổ Simulink.

 Tạo một mô hình mới bằng cách :

 Click vào icon New model hoặc gõ Ctrl+N

Hình 1.6: Tạo mô hình

 Tạo các khối : từ thư viện Simulink chọn khối cần dùng, nhấp chuột và kéo rê ra cửa

sổ mô hình

Hình 1.7: Vẽ sơ đồ khối

 Lưu trữ mô hình bằng lệnh Save (File  save) hoặc nhấp vào icon Save

 Mô phỏng mô hình : dùng lệnh Start ( menu simulation  star) hoặc nhấp chuột vào icon Star

Hình 1.8: Mô phỏng

2.2.Một số thư viện simulink

 Các khối nguồn – tín hiệu vào (source):

Trần Ninh Linh-DAHP

Khối Step (ở thư viện Simulink \ Sources) có chức năng xuất ra tín hiệu hàm bậc thang Double click vào khối này

để cài đặt các thông số:

• Step time : khoảng thời gian đầu ra chuyển sang mức Final value kể từ lúc bắt đầu mô phỏng Cài đặt giá trị này bằng 0

• Initial value : Giá trị ban đầu Cài đặt bằng 0

• Final value : Giá trị lúc sau Cài đặt theo giá trị ta muốn tác động tới hệ thống Nếu là hàm bậc thang đơn vị thì giá trị này bằng 1

• Sample time : thời gian lấy mẫu Cài đặt bằng 0

Khối Signal Generator (ở thư viện Simulink \ Sources) là

bộ phát tín hiệu xuất ra các tín hiệu hìng sin, hìng vuông, hìng răng cưa và ngẫu nhiên (cài đặt các dạng hìng này trong mục Wave form)

 Các khối tải – thiết bị khảo sát ngõ ra (sink):

Khối Mux (ở thư viện Simulink \ Signals Routing) là bộ ghép kênh nhiều ngõ vào 1 ngõ ra, từ ngõ ra này ta đưa vào Scope để xem nhiều tín hiệu trên cùng một cửa sổ Double click vào khối này để thay đổi số kênh đầu vào (trong mục Number of inputs)

Khối Scope (ở thư viện Simulink \ Sinks) là cửa sổ xem các tín hiệu theo thời gian, tỉ lệ xích của các trục được điều chỉnh tự động để quan sát tín hiệu một cách đầy đủ

Khối XY Graph dùng để xem tương quan 2 tín hiệu trong

hệ thống (quan sát mặt phẳng pha)

 Các khối xử lý – khối động học :

Khối Sum (ở thư viện Simulink \ Math Operations) là

bộ tổng (cộng hay trừ) các tín hiệu, thường dùng để lấy hiệu số của tín hiệu đặt với tín hiệu phản hồi

Double click để thay đổi dấu của bộ tổng

Khối Gain (ở thư viện Simulink \ Math Operations)

là bộ tỉ lệ Tín hiệu sau khi qua khối này sẽ được nhân với giá trị Gain Double click để thay đổi giá trị

độ lợi Gain

/ ///

CH ƯƠ NG II Hi u ch nh m c n ệ ỉ ứ ướ c cho đo n th y ạ ủ

nông

I Đ T V N Đ Ặ Ấ Ề

Theo th ng kê ,hi n nay Vi t Nam là m t trong các nố ệ ệ ộ ước hang năm b thi u th nị ế ố

v ngu n nề ồ ước và năng lượng d tr Đ c bi t v mùa h , các t nh mi n trungự ữ ặ ệ ề ạ ở ỉ ề

lượng nước d tr trong các h ch a ,song ngòi b khô c n,không đ cung c p choự ữ ồ ứ ị ạ ủ ấ

s n xu t nông nghi p.Ngu n nả ấ ệ ồ ước cung c p cho đ ng ru ng ,sông ngòi và h ch aấ ồ ộ ồ ứ

ch y u d a vào lủ ế ự ượng m a thiên nhiên đư ược đ c tr ng b ng s phân b khôngặ ư ằ ự ốliên t c,không đ ng đ u;n ng lụ ồ ề ặ ượng đi n ph c v cho các vùng nông thôn cònệ ụ ụnhi u h n ch Chính vì nh ng l đó,v n đ s d ng h p lý có hi u qu các ngu nề ạ ế ữ ẻ ấ ề ử ụ ợ ệ ả ồ

nước và năng lượng d tr nói trên đ ph c v cho s n xu t nông nghi p th c sự ử ể ụ ụ ả ấ ệ ự ự

có ý nghĩa thi t th c đ i v i n n kinh t qu c dân.ế ự ố ớ ề ế ố

Hướng phát tri n kinh t -xã h i Vi t Nam trong nh ng năm t i ,có d tính vi cể ế ộ ệ ữ ớ ự ệnghiên c u và th c hi n các bi n pháp s d ng h p lý các ngu n nứ ự ệ ệ ử ụ ợ ồ ước và năng

lương d tr hi n có ,đ ng th i gi m đ n m c t i thi u các công ngh tiêu haoự ữ ệ ồ ờ ả ế ứ ố ể ệlãng phí đi n ,nệ ước trong các h th ng th y l i th y nông.Các công trình nghiênệ ố ủ ợ ủ

c u đã đứ ược công b trên các n n công ,nông nghi p phát tri n cho th y r ng v nố ề ệ ể ấ ằ ấ

đ này có th gi i quy t và đ a đ n k t qu t t đ p b ng phề ể ả ế ư ế ế ả ố ẹ ằ ương pháp ng d ngứ ụcông ngh t đ ng hóa trong các h th ng th y l i th y nông B i v y ,vi c nghiênệ ự ộ ệ ố ủ ợ ủ ở ậ ệ

c u ,thi t k ,ch t o h th ng t đ ng đi u khi n l u lứ ế ế ế ạ ệ ố ự ộ ề ể ư ượng và m c nứ ước trongcác công trình th y l i,th y nông ,đ m b o tăng hi u qu s d ng các ngu n nủ ợ ủ ả ả ệ ả ử ụ ồ ước

và năng lượng đi n d tr tăng năng su t lao đ ng ,gi m s hao phí là đòi h i c aệ ự ữ ấ ộ ả ự ỏ ủ

th c t và đòi h i đó ngày càng tr nên c p bách.ự ế ỏ ở ấ

II MÔ T TOÁN H C H TH NG Ả Ọ Ệ Ố

S đ c a h th ng đi u khi n l u lơ ồ ủ ệ ố ề ể ư ượng và m c nứ ước được mô t nh hình 1.ả ư

L:chi u dài kênhề

Hình 1.S đ h th ng đi u khi n l u lơ ồ ệ ố ề ể ư ượng và m c nứ ước

Các ký hiệu và thông số tại điểm làm việc:

Ký

hi uệ

(t) L u lư ượng bi n thiên nế ước

(t) L u lư ượng nước ra t c th iứ ờ

c a dòng ch y cu i đo nủ ả ở ố ạkênh

m3/s

H s l u lệ ố ư ượng nước c aủdòng ch y cu i đo n kênhả ở ố ạ

G a s đo n kênh là ng n,khi đó phỉ ử ạ ắ ương trình cân b ng kh i lằ ố ượng c a đo nủ ạkênh được mô t có d ngả ạ :

T mô hình 1 ta th y nừ ấ ước được b m tr c ti p vào kênh d n và t kênh d n sẽơ ự ế ẫ ừ ẫ

ch y vào các h th ng tả ệ ố ưới tiêu.G a thi t r ng thành ph n bi n đ i c a lỉ ế ằ ầ ế ổ ủ ượngdòng vào t l v i góc m ỷ ệ ớ ở ,t đó ta xây d ng đừ ự ược bi u th cể ứ :

(t) =

Khi đó thay giá tr ị vào phương trình (3) ta có được phương trình sau :

 Đ th hàm tr ng l ng:ồ ị ọ ượ

Trần Ninh Linh-DAHP

2 2 Dùng matlab ,simulink để mô phỏng đánh giá tính ổn định hệ thống

Hình 2.2:Đồ thị hàm trọng lượng

 Nhận xét:

- Hệ thống gồm một khâu quán tính bậc 1 có hệ số khuếch đại bằng 0.3386

- Từ đồ thị hàm trọng lượng và hàm quá độ ta thấy không có độ vọt lố Thời gianxác lập (đáp ứng) của hệ thống là 1500s

III Thiết kế bộ điều khiển PID

3.1.Xác định thông số PID

Ở đây chúng em khảo sát cho hàm truyền có dạng sau:

3.1.1.Dùng SIMULINK xây dựng mô hình hệ thống vòng hở như sau:

-Step là tín hiệu bậc thang thể hiện phần trăm công suất cung cấp cho hệ thống.Giátrị hàm nấc từ 0 tương ứng công suất cung cấp 0% 100%.

-Chỉnh giá trị của hàm step bằng 1 để công suất cung cấp cho hệ thống là 100%(Steptime =0,Initial =0,Final time =1).Thời gian mô phỏng Stop time=3000s

-Hàm quá độ sau khi mô phỏng qua Simulink như hình 3.1:

Hình 3.1:Kết quả mô phỏng đối tượng khi chưa có bộ điều khiển

3.2.1 Thiết kế mô hình sử dụng bộ điều khiển PID bằng phương pháp Toolbox PID Turnertrong phần mềm Matlap:

 Tìm kp,ki ,

Trần Ninh Linh-DAHP

III.2 Mô phỏng trên simulink

Với các thông số tìm được từ phương pháp

Toolbox PID Turner:

Sau khi chạy cương trình:

Trần Ninh Linh-DAHP

Chuyển sang cửa sổ Figure

 Nhận xét: +> Thời gian đáp ứng khoảng 250s.nhanh hơn khi chưa sủ dụng

bộ điều khiển PID.Hệ thống được cải thiện

+> Độ vọt lố: khoảng 10%

IV Kết Luận.

Qua quá trình tìm hiểu về đề tài em nhận thấy rằng tầm quan trọng của đề tài làrất lớn.Có ảnh hưởng rộng,là một phần không thể thiếu trong việc điều tiết nước ởhồ,đập vv và ngày càng khẳng định được vai trò không thể thay thế được.Qua bài thuhoạch này, em đã hiểu rõ hơn về cấu tạo cũng như nguyên lí hoạt động của hệ thốngđiều khiển mực nước,tiếp cận gần hơn với các hệ thống điều khiển thực tế

Qua quá trình thực hiện đề tài,đã giúp em củng cố kiến thức lý thuyết,cũng nhưthành thạo hơn trong sử dụng ứng dụng của MATLAB & SIMULINK để khảo sát hệthống,cũng như xây dựng khối điều khiển PID

LỜI CẢM ƠN !

Trước tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáotrong khoa Vật Lý và Công Nghệ , bộ môn Điều khiển và Tự động hóa trường ĐạiHọc Vinh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức, kinhnghiệm quý báu trong suốt thời gian qua

Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Hoa Lư , thầy đã tậntình giúp đỡ, trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình làm đồ ánmôn học.Trong thời gian làm việc với thầy , chúng em không ngừng tiếp thu thêmnhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứukhoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho chúng em trongquá trình học tập và những đồ án kế tiếp cũng như công tác sau khi ra trường

Sau cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè trong lớp đã giúp đỡ và đóng góp

ý kiến để chúng em hoàn thành đồ án môn học này

Trần Ninh Linh-DAHP

 Tài liệu tham khảo:

[1] Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản Khoa học

Kỹ thuật, Hà Nội, 2000

[2] Nguyễn Văn Hòa,Cơ sở tự động hóa,NXB Giáo dục,2001

[3] Nguyễn Thương Ngô,Lý thuyết điều khiển tự động thông thường và hiện

đại,NXB Khoa học Kỹ thuật,2005

[4].Nguyễn Phùng Quang,MATLAP và simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự

động,NXB Khoa học và Kỹ thuật,2004

[5] Website:http://www.slideshare.net truy cập ngày 20 tháng 12 năm 2015