Mô hình hóa hệ thống điều khiển lưu lượng chất lỏng.

Đề tài “ Mô hình hóa hệ điều khiển lưu lượng chất lỏng“quan tâm từ việc tính toán các thông số đầu vào và ra, dựa trên đó để xây dựng các mô phỏng, thực hiện phần điều khiển, viết các chương trình điều khiển nhằm đưa ra hàm truyền và thực hiện mô hình hình hóa matlap Simulink dưa trên trên các thông số thực tế từ đó giải quyết các bải toán ứng dụng thực tế và các giả thiết yêu cầu. Mô hình được đưa ra để điều khiển lưu lượng chất lỏng dựa trên điều khiển tốc độ bơm thông qua điều khiển động cơ DC.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG

Giáo viên hướng dẫn: Khổng Minh Sinh viên thực hiện: Khổng Ngọc Thọ

Mã sinh viên:1141020146

Hà Nội 11-2018

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Khổng Minh

- Giảng viên Bộ môn Cơ điện tử 1- trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm đề tài

Trong thời gian làm bài tập lớn điều khiển lưu lượng chất lỏng, nhóm chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy Khổng Minh cùng bạn bè trong lớp đã giúpchúng em hoàn thành đúng tiến độ Tuy nhiên do kiên thức còn hạn chế nên rất khó tránh được sai xót

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội nói chung, các thầy cô trong Bộ môn

Cơ điện tử 1 Trường nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các mônđại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp chúng em có được

cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập

Hà Nội, ngày … tháng… năm… Nhóm sinh viên

Khổng Ngọc Thọ Nguyễn Đắc Thức

Lê Văn Thực

MỤC LỤC

TỔNG QUAN

1 Mục đích đề tài

Đề tài “ Mô hình hóa hệ điều khiển lưu lượng chất lỏng“quan tâm từ việc tính toán các thông số đầu vào và ra, dựa trên đó để xây dựng các mô phỏng, thực hiện phần điều khiển, viết các chương trình điều khiển nhằm đưa ra hàm truyền và thực hiện mô hình hình hóa matlap Simulink dưa trên trên các thông số thực tế từ đó giải quyết cácbải toán ứng dụng thực tế và các giả thiết yêu cầu

2 Tóm tắt đề tài

Mô hình được đưa ra để điều khiển lưu lượng chất lỏng dựa trên điều khiển tốc độ bơm thông qua điều khiển động cơ DC Lưu lượng đầu ra máy bơm là qin được dẫn đến bể chứa Lưu lượng chất lỏng chảy khỏi van là q0 Cảm biến đo lưu lượng được đăt vào đầu ra sau van

Hình 1: Mô hình điều khiển lưu lượng chất lỏng

Dựa trên việc tính toán và mô phỏng để tìm ra thông số đầu vào

và đầu ra, từ đó đánh giá lại hệ thống xem có đáp ứng được yêu cầu đề

ra hay không

3 Ứng dụng đề tài:

Mô hình tìm hiểu đa ra được ứng dụng trong một số lĩnh vực như:

- Điều chỉnh lượng dầu, xăng tại các trạm đổ xăng và nhà máy lọc dầu

- Điều chỉnh lượng nước vào tuabin trong các nhà máy thủy điện

- Điều chỉnh nước ngọt được bơm vào chai trong các nhà máy sản xuất nước ngọt và hóa chất.

- Bơm dầu, nhiên liệu trong oto, xe máy

4 Các từ khóa đã tìm kiếm

- Control liquid flow with PID

- Motor Pump water

- Control motor Pump

- Tank and Valve

- Điều khiển bơm

- Điều khiển lưu lượng với phương pháp Zeiler-Nichols

Tổng quan về hệ thống điều khiển lưu lượng

1 Khái niệm lưu lượng và đo lưu lượng

1.1 5.1.1 Khái niệm

Lưu lượng qua mặt cắt ngang của một dòng dẫn ống dẫn là đại lượng đo bằng thể tích chất lỏng qua óng dẫn dòng dẫn đó trong một đơn vị thời gian

Vd: lưu lượng thể tích Q (m3 /giờ, m3/s )

Lưu lượng khối G (kg/giờ, kg/s, )

Lưu lượng trung bình chảy qua trong thời gian là:

Trong đó là thể tích và khối lượng chất lỏng chảy qua trong thờigian

Lưu lượng tức thời xác định theo công thức :

Đo lưu lượng thực chất là ta xác định lưu lượng chảy qua ống dẫn dòng dẫn trong 1 đơn vị thời gian

Để đo lưu lượng người ta dùng các lưu lượng kế Tùy thuộc vào tính chất của chất lưu mà người ta sẽ chọn lưu kế thích hợp Nguyên

lý đo thường dựa trên: thể tích lưu chất chảy qua trong 1 đơn vị thời gian, vận tốc dòng chảy, độ giảm áp giữu 2 đầu ống dẫn

2 Các phương pháp đo cơ bản

1 Phương pháp đo trọng lượng

2.1.1 Phương pháp đo trọng lượng cho giá trị lưu lượng trung

bình trong khoảng thời gian làm đầy bể, có độ chính xác cao nhất trong số các phương pháp đo lưu lượng Có thể áp dụng một trong hai phương pháp đo trọng lượng sau đây:

a) Đo trọng lượng tĩnh: chuyển dòng chảy vào và ra khỏi thùng cân trọng lượng;

b) Đo trọng lượng động: dòng chảy chuyển qua thùng đo liên tục, trọng lượng của nước chảy qua được cân rất nhanh

2.1.2 Các sai số đo sau đây ảnh hưởng tới kết quả khảo nghiệm

theo phương pháp đo trọng lượng:

a) Sai số đo thời gian nước chảy đầy bể;

b) Nhiệt độ của chất lỏng;

c) Sai số liên quan tới việc dịch chyển dòng chảy vào và ra khỏi thùng

đo (phương pháp đo tĩnh) hay do hiện tượng động lực trong thời gian cân (phương pháp đo động);

d) Sai số đối với các số đọc trên máy;

e) Sai số do ảnh hưởng của áp suất không khí khác nhau đối với chất lỏng được cân;

f) Với mức độ tin cậy 95 %, sai số đo bằng phương pháp đo trọng lượng từ 60,1 % đến 60,2 %;

2.1.3 Phương pháp đo trọng lượng chỉ sử dụng đối với các khảo

nghiệm trong phòng thí nghiệm và đối với lưu lượng dòng chảy có lưulượng thể tích Qv không lớn hơn 1,5 m3/s

2.1 Phương pháp đo thể tích

2.2.1 Phương pháp đo thể tích cho biết giá trị lưu lượng trung

bình trong khoảng thời gian nước chảy vào làm đầy thể tích đo nhưng

bị ảnh hưởng bởi sai số liên quan tới kiểm định thể tích đo, đo mực nước, đo thời gian và dịch chuyển dòng chảy và sai số do tính thấm nước của thể tích đo

2.2.2 Thể tích đo nhận được bằng cách đo mực nước sau khi đã

xác định thể tích bằng ống nhỏ có khắc độ đo Với mức độ tin cậy 95

%, sai số đo thể tích trong phòng thí nghiệm từ 60,1 % đến 60,3 %

2.2.3 Phương pháp đo thể tích cho phép đo được dòng chảy có

lưu lượng lớn ngoài thực địa, dung tích các hồ chứa lớn được xác địnhdựa trên các phương pháp hình học Do ảnh hưởng bởi kết quả tính toán xác định dung tích hồ chứa, mức thấm của hồ hay dòng chảy vào

hồ, khó xác định mực nước và các nhiễu do các điều kiện khí tượng nên độ chính xác của phương pháp đo thể tích ngoài thực địa thấp hơnnhiều so với phương pháp đo thể tích trong phòng thí nghiệm Với mức độ tin cậy 95 %, sai số đo ngoài thực địa theo phương pháp này khoảng 61 % đến 62 %

2.2 Phương pháp đo bằng thiết bị đo độ chênh áp suất

2.3.1 Phương pháp đo này được sử dụng cho các khảo nghiệm

kỹ thuật Việc xây dựng, lắp đặt và sử dụng màng, ống Venturi và các loại thiết bi đo độ chênh áp suất khác phải tuân theo các yêu cầu kỹ thuật của thiết bị

2.3.2 Với mức độ tin cậy 95 %, sai số về lưu lượng đo bằng thiết

bị đo độ chênh áp suất từ 61 % đến 61,5 % đối với màng, từ 61 % đến

62 % đối với ống Venturi

2.3.3 Khi lựa chọn các loại thiết bị đo độ chênh áp khác nhau,

phải căn cứ vào các yếu tố sau đây:

a) Độ chính xác của các thiết bị được kiểm định theo các tiêu chuẩn cóliên quan;

b) Tổn thất cột áp đối với ống Venturi nhỏ hơn khoảng 5 lần so với tổnthất qua màng;

c) Yêu cầu về chiều dài các đoạn ống thẳng đối với các ống Venturi cổđiển nhỏ hơn nhiều so với màng đo và các ống Venturi;

d) Đối với màng đo việc lắp đặt và định vị đơn giản hơn so với ống Venturi;

e) Nếu màng đo bị vênh thì kết quả đo sẽ có sai số khá lớn

2.3 Phương pháp đo bằng lưu tốc kế dạng tua bin và lưu tốc kế điện từ

2.4.1 Có rất nhiều loại lưu tốc kế, nhưng trong khảo nghiệm máy

bơm nên chọn lưu tốc kế dạng tua bin khi Đối với khảo nghiệm loại chính xác nên dùng lưu tốc kế điện từ

2.4.2 Tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể, cần phải kiểm định các lưu tốc

kế bằng một trong số các phương pháp đã quy định từ 4.1 đến 4.5 Cácthiết bị đo này không yêu cầu đoạn ống thẳng ở thượng lưu dài lắm nhưng phải đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật của lưu tốc kế Nếu lưu tốc kế được gắn thường xuyên trên giá thí nghiệm, cần phải kiểm tra định kỳ

2.4.3 Với mức độ tin cậy 95 %, sai số đo cho phép từ 60,3 % đến

60,5 % đối với lưu tốc kế dạng tua bin, từ 60,5 % đến 61 % đối với lưu tốc kế điện từ

3 Đo tốc độ quay

Tốc độ quay được đo trực tiếp bằng cách đếm số vòng quay trong một khoảng thời gian nhất định Có thể dùng máy dinamô tốc độ góc, máy đếm quang học…để đo tốc độ quay Sai số tốc độ quay nhận được theo đồng hồ điện hay bất kỳ thiết bị nào khác đối với cả 2 loại khảo nghiệm cho phép từ ± 0,1 % đến ± 0,2 %

Thực tế ngoài các phương pháp trên còn rất nhiều các phương pháp đo lưu lượng khác nhưng trong đề tài này chúng ta tìm hiểu về phương pháp đo tốc độ quay của động cơ Cảm biến được dùng là YF S-4001

4 Cảm biến YF S-4001

Mô hình hóa hệ thống.

1 Mô hình hóa hệ thống vật lý

Hệ thống điều khiển bao gồm :

+ máy bơm mini sử dụng động cơ DC

+bể chứa nước

+van

+cảm biến đo lưu lượng

mô hình vật lí của hệ thống.

2 Mô hình toán của hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lưu lượng:

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lưu lượng

2.1 Mô hình bơm của hệ

Do bơm trong bài sử dụng động cơ DC ,do đó ta chuyển từ mô hình bơm về mô hình hóa tốc độ động cơ DC

Các thông số vật lí của động cơ liên quan:

J: moment quán tính của rôto [kg.m2],

b: hằng số ma sát nhớt vòng bi động cơ [ N.m.s],

Ke: hằng số sức điện động [ V / rad / sec],

Kt: hằng số mômen motor [ N.m / Amp],

R: điện trở []

L: điện cảm [H]

Giả sử điều khiển phần ứng động cơ, mô men xoắn tỷ lệ thuận với dòng điện hiện tại ( ) và ngược lại suất điện động tự cảm tỷ lệ với vận tốc góc của trục,

Phương trình hệ thống:

Mô-men xoắn được tạo ra bởi một động cơ DC tỷ lệ với dòng điện và cường độ của từ trường Chúng ta giả định rằng từ trường là hằng số ,mô men xoắn động cơ tỉ lệ thuận với chỉ các phần ứng suất (i) bởi một hệ số không đổi (Kt) như được biểu diễn trong phương trình bên dưới

T=Kt*i (1)(e) tỷ lệ thuận với vận tốc góc của trục bởi một hệ số không đổi Ke

e=Ke* (2)

Theo định luật II Newton:

Laplace hai vế (3),(4):

J(s)+sb(s)=KtI(s) (5)sLI(s)+RI(s)=V(s)-sKe(s) (6)

Tốc độ góc trong miền Laplace có liên quan đến vị trí góc theo công thức sau:(s)=s(s).Từ đó ta có mối liên hệ giữa tốc độ đầu ra của động

cơ với đầu vào điện áp:

( ) ( )

t motor

e t

K P

=

2.2 Mô hình bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là một phần của hệ thống ,có chức năng hiệu chỉnh thông số đầu ra.Trong trường hợp này là lưu lượng Thông số đầu vào e(t),thông số đầu ra là điện áp V(t):

Trong đó Kp,Ki,Kd lần lượt là 3 khâu tỉ lệ ,tích phân ,đạo hàm.Bằng cách điều khiển ba khâu , bộ điều khiển PID có thể xử lí những yêu cầu cụ thể.Sử dụng miền Laplace,ta được mối liên hệ giữa đầu và đầu

ra của bộ điều khiển

(Tài liệu tham khảo :trang web:

Control tutorials for matlap and simulink-Motor speed:system moderling

Water Level Controlling System Using Pid Controller:

Beza Negash Getu

2.3 Mô hình hóa sự tổn hao của chất lỏng

Ta có công thức tính mối quan hệ giữa lưu lượng vào và tốc độ quay của động cơ như sau:

(t)= Kf* (t) (7)Trong đó

q: Lưu lượng bơm được[/s]

Kf :Hệ số lưu lượng của bơm [/rad]

ω :Vận tốc góc roto của bơm [rad/s]

Công thức liên hệ giữa lưu lượng ra và chiều cao bồn nước :

= (8)Trong đó

H:chiều cao bể nước (m)

Rf:Lưu trở (s/)

Hệ thống được đề xuất bao gồm một máy bơm nước động cơ DCbơm nước vào bình chứa, bộ điều khiển PID và một bể chứa nước đơn Động cơ bơm nước vào thùng chứa với tốc độ qin [m3 / s] thông qua một đường ống vào, thùng chứa có mặt cắt ngang diện tích A [tínhbằng m2], được đổ đầy mực nước có chiều cao h và nước là rời khỏi bình chứa với tốc độ qo [m3 / s] thông qua một đường ống có van Sử dụng sự cân bằng của các dòng chảy vào và ra khỏi bể, chiều cao h liên quan đến qin và qo là :

Tín hiệu vào của cản biến là tín hiệu đầu ra của hệ thống

Tín hiệu ra của cảm biến là tín hiệu hồi tiếp

Tín hiệu (t) là tín hiệu tỉ lệ với c(t), do đó hàm truyền của cảm biến thường là khâu tỉ lệ:

H(s)=

Ví dụ: Giả sử nhiệt độ lò thay đổi trong tầm c(t) = 0 ÷ 5000C, nếu cảm biến nhiệt biến đổi sự thay đổi nhiệt độ thành sự thay đổi điện áp trong tầm cht(t) = 0 ÷ 5V, thì hàm truyền của cảm biến là:

H(s)==0,001Nếu cảm biến có trễ, hàm truyền cảm biến là khâu quán tính bậc nhất:

2.5 Sơ đồ khối của mô hình toán học

Sơ đồ khối mô phỏng

Mô phỏng và đánh giá hệ thống.

1 Tính toán chọn bơm

1.1 Các thông số cơ bản của hệ thống :

+bể có thể tích :0,5;

+đường kính ống dẫn nước (đường kính trong :=13cm);

+dải đo lưu lượng chảy qua ống :03 lit/phut ;

+chất lỏng chảy trong ống : nước;

+thông số cần giám sát là lưu lượng chất lỏng;

+đối tượng cần điều khiển là bơm;

+Giả sử cột áp của bơm là 2m(Do hệ thống đặt nằm ngang)

Ta có công thức tính công suất của bơm: N=Qv.H

Trong đó:

Qv:lưu lượng thể tích (/s)

:trọng lượng riêng của chất lỏng

H:độ cao cột áp của bơm

N=1000.3.10^-3.2=6(W)

+áp suất bơm cần để bơm hoạt động:

+Q:lưu lượng (lit/phut)

Ta có bảng quy đổi áp suất:

Link:(thuy-luc-va-moto.html)

http://www.maybomthuyluc.com/tai-lieu/cong-thuc-tinh-bom-Kết luận:

Khi chọn bơm ta sẽ chọn bơm có công suất 6W và có áp 1,53bar

1.3 Chọn bơm dựa trên nhưng thông số cơ bản trên

Qua tìm hiểu ,để phù hợp với bài toán đã nêu ở trên nhóm báo cáo xin

đề xuất chọn bơm từ trơ (INERT MAGNETIC PUMPS) Là một loại bơm li tâm (CENTRIFUGAL PUMPS)

1.3.1 Cấu tạo của bơm:

1.3.2 Các thông số chung của kiểu bơm này:

+Nguồn- 12 or 24Vdc,

+Loại bơm: 5&10PX-D 24Vdc, Models 30,40,50PX-D Oper

+Giới hạn nhiệt độ làm việc- PX:0-70oC; PX-F:90oC; 80oC;PX-Z:0-70oC

PX-N:0-+Vật liệu vỏ máy-PVDF, Glass Filled

Polypropylene, Carbon Filled

1.3.3 Thông số kĩ thuật:

Trích :T122_CONTENTS PUMPS (www.clarksol.com)

Nhóm báo cáo chọn loại bơm :NH-5PX-D (12-24Vdc/17W)

Ta có bảng quan hệ giữa tốc bơm và chiều cao :

Bảng quan hệ giữa tốc bơm và chiều cao

Kết luận :Dựa vào bảng trên và các thông số đã chọn

Thống số kĩ thuật:

Trích từ:PAN WORLD (link:

Các thông số động cơ cần quan tâm cho quá trình mô phỏng :

Thông số động cơ cần quan tâm cho quá trình mô phỏng

1.4 Chọn cảm biến đo lưu lượng

YF S-401 hoạt động dựa trên nguyên lý hall Với cấu tạo gồm thân van bằng nhựa, cụm roto và cảm biến hall Roto từ quay,, tốc độ quay thay đổi, cảm biến hall tạo ra một xung tương ứng Tín hiệu được đưa trở lại bộ điều khiển xác định lưu lượng của dòng chảy

Công thức lưu lượng:

Chú thích: Q: lưu lượng (l/phút)

F: tần số (Hz)7,5: hằng số chuyển đổi của cảm biến

Thông số của cảm biến

Link: http://likien.vn/san-pham/cb-luu-luong-nuoc-yf-s401.html?fbclid=IwAR2C9-cBcURRQsT2NKRpAvFvs7-

vi6V1lWn0KoNGxM6cHK2KhLayT5TNy9o

Từ (7) ta có: 2,5*=Kf*

Kf=5,968*[/rad]

+Ta coi hàm truyền cảm biến là một giá trị

1.6 Xây dựng mô hình bộ điều khiển PID

Sơ đồ khối chung của hệ thống.

1.6.1 Hệ thống khi không có bộ điều khiển

Như đã thấy trong hình, kết quả không có bộ điều khiển PID đơn giản là đáp ứng bước của hệ thống Tín hiệu ra rất thấp so với tín hiệu đặt

Từ biểu đồ, áp dụng phương pháp Zeigler-Nichols:

Từ hình ta chọn tương đối thông số K,,:

K=1,2*;=0,2;,=1,3;

Ta có :=;=;=*;

Thay vào ta tìm được thông số:

Điều khiển khâu P:=541666,6667;

Điều khiển khâu PI:=487500;=727611,9;

Điều khiển khâu PID:

=650000;=1625000;=65000;

Tuy nhiên các thông số tính được chưa thực sự là tốt nhất nhưng có thể dựa vào để hiệu chỉnh theo yêu cầu

Link:( https://www.youtube.com/watch?v=37EdWnIFiWg&t=328s )

1.6.2 Bộ điều khiển sử dụng khâu tỷ lệ P.

Ta điều chỉnh thông số khâu P theo thông số đã tính :

Kết luận :

Với điều chỉnh hệ thống bằng khâu tỷ lệ P=541666,6667 , hệ thống chưa có vọt lố và hệ thống đáp ứng sau 0,4s ,hệ thống đạt giá trị xác lập là 0,866.Chưa thỏa mãn yêu cầu đề ra

1.6.3 Bộ điều khiển sử dụng khâu PI.

Ta điều chỉnh thông số của khâu PI như đã tính:

Kết luận :

Khi đặt P=487500;I=727611,9 hệ thống đã đạt được giá trị đặt nhưng thời gian xác lập là khá lớn 4s,và cũng không có vọt lố.Chưa đạt được yêu cầu đặt ra

1.6.4 Bộ điều khiển sử dụng PID.

Ta điều chỉnh thông số của khâu PID như đã tính: