Đồ Án Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID

MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI 8
I.GIỚI THIỆU 8
II.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 9
1.Cấu hình hệ bồn nước đơn 9
1.1.Mô hình của hệ thống 9
1.2.Phương trình toán học của mô hình 10
2.Cấu hình bồn nước đôi 10
2.1.Hệ một đầu vào một đầu ra (SISO) 10
2.1.1.Cấu hình bồn nước đôi liên kết 10
2.1.1.1.Mô hình của hệ thống 10
2.1.1.2.Phương trình toán học của mô hình 11
2.1.2.Cấu hình hệ bồn nước đôi nối tiếp 13
2.1.2.1.Mô hình của hệ thống 13
2.1.2.2.Phương trình toán học của mô hình 14
2.2.Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) 16
2.2.1.Cấu hình bồn nước đôi liên kết 16
2.2.1.1.Mô hình của hệ thống 16
2.2.1.2.Phương trình toán học 17
2.2.2.Cấu hình hệ bồn nước đôi nối tiếp 18
2.2.2.1.Mô hình của hệ thống 18
2.2.2.2.Phương trình toán học` 18
CHƯƠNG II :TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 21 I.GIỚI THIỆU BỘ PID 21
1.Hàm truyền đạt 22
2.Đặc tính bộ điều khiển PID 22
II.CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC 23
1.Bộ điều khiển tỉ lệ P 23
1.1.Hàm truyền đạt 23
1.2.Đặc tính tần số logarit 23
1.3.Tác dụng 23
2.Bộ điều khiển PI 23
2.1.Hàm truyền đạt 23
2.2.Đặc tính tần số logarit 24
2.3.Tác dụng 24
3.Bộ điều khiển PD 24
3.1.Hàm truyền đạt 24
3.2.Đặc tính tần số logarit 24
3.3.Tác dụng 24
4.Bộ bù sớm pha 24
4.1.Hàm truyền đạt 24
4.2.Đặc tính tần số logarit 24
4.3.Tác dụng 24
5.Bộ bù trễ pha 24
5.1.Hàm truyền đạt 24
5.2.Đặc tính tần số logarit 25
5.3.Tác dụng 25
6.Bộ bù trễ - sớm pha 25
6.1.Hàm truyền đạt 25
6.2.Đặc tính tần số logarit 25
6.3.Tác dụng 25
III.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ PID 26
1.Phương pháp Zieger-Nichols thứ nhất 26
2.Phương pháp Zieger-Nichols thứ hai 27
CHƯƠNG III :TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG CHO BỒN NƯỚC TRONG BỒN NƯỚC ĐÔI 29
I.CHỌN CẤU HÌNH CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN 29
1.Chọn cấu hình 29
2.Khảo sát hệ thống phi tuyến 30
3.Chọn các thông số của đối tượng điều khiển 33
II.CHỌN CÁC THÔNG SỐ KP, KI, K¬D CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 34
CHƯƠNG IV :MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB–SIMULINK 36
I.GIỚI THIỆU VỀ MATLAB – SIMULINK 36
1.Control System Toolbox 36
1.1.Định nghĩa một hệ thốn tuyến tính 37
1.1.1.Định nghĩa bằng hàm truyền 37
1.1.2.Định nghĩa bằng zero và cực 37
1.1.3.Phương trình trạng thái 37
1.2.Biến đổi sơ đồ tương đương 37
1.2.1.Mắc nối tiếp 37
1.2.2.Mắc song song 38
1.2.3.Mắc phản hồi 38
1.3.Phân tích hệ thống 38
1.3.1.Trong miền thời gian 38
1.3.2.Trong miền tần số 38
1.3.3.Một số hàm để phân tích 39
2.Simulink 39
2.1.Khởi động Simulink 40
2.2.Các khối chức năng trong thư viện Simulink 41
2.2.1.Sources 41
2.2.2.Sinks 47
2.2.3.Discrete 49
2.2.4.Linear 51
2.2.5.Nonlinear 54
II.ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG 57
1.Độ quá điều chỉnh lớn nhất 58
2.Thời gian quá độ lớn nhất 58
3.Thời gian tăng 58
4.Sai số xác lập 58
III.MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULINK 59
CHƯƠNG V :KẾT LUẬN 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66


DANH MỤC HÌNH

Hình Nội Dung Trang
1.1 Cấu hình bồn nước đơn 9
1.2 Cấu hình bồn nước đôi liên kết hệ SISO 11
1.3 Cấu hình bồn nước đôi nối tiếp hệ SISO 13
1.4 Cấu hình bồn nước đôi liên kết hệ MIMO 16
1.5 Cấu hình 2 bồn nước đôi nối tiếp hệ MIMO 18
2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 21
2.2 Sơ đồ khối của một hệ thống 22
2.3 Sơ đồ khối của một hệ hở 26
2.4 Đáp ứng của hệ hở 26
2.5 Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ điều khiển PID 27
2.6 Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ điều khiển tỉ lệ P 27
2.7 Đáp ứng của hệ kín 28
3.1 Cấu hình bồn nước đôi liên kết được chọn làm đối tượng điều khiển 29
3.2 Mô hình mô phỏng Simulink của hệ hở 34
3.3 Đáp ứng ra của hệ hở 34
4.1 Danh mục thư viện của Simulink 40
4.2 Quá trình quá độ của một hệ thống 58
4.3 Mô hình mô phỏng Simulink của hệ kín 59
4.4 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID1 60
4.5 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID2 61
4.6 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID3 62
4.7 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID4 63
4.8 Đáp ứng ra của hệ kín với bộ PID5 64


DANH MỤC BẢNG


Bảng Nội Dung Trang
2.1 Ảnh hưởng của các thông số PID lên đối tượng 23
2.2 Bảng tính các thông số PID theo Z–N 1 27
2.3 Bảng tính các thông số PID theo Z–N 2 28
3.1 Các thông số của đồi tượng điều khiển 33

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI

I.GIỚI THIỆU:
Hiện nay sự nghiệp công nghiệp hóa,hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản 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 xi măng cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống. Nói chung, để nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo an toàn cho người, máy móc và môi trường trong công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng thì vấn đề điều khiển quá trình công nghệ là rất quan trọng.
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển,vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm nâng cao hiệu quả sản 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 công nghệ có yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng. Các đại lượng cần điều khiển như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ cần phải điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đặt ra. Đặc thù của quá trình công nghệ là diễn biến tương đối chậm, mô hình 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, công nghiệp 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 trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn. Chính vì vậy, vấn đề dặt ra trong đề tài là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao. Với yêu 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 xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước,cột chất lỏng của hai bồn được duy trì ổn định. Để làm được điều này thì đòi hỏi phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước đôi, làm mức nước trong 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 đối khó,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 nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước đôi, nhưng ở đây ta sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển. Công việc điều khiển được thục 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:
1.1.Mô hình của hệ thống:
Đây là mô hình hệ thống và nó là một phần rất quan trọng của hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bồn: