BÀI tập lớn môn kỹ THUẬT điều KHIỂN tự ĐỘNG đề tài hệ THỐNG điều KHIỂN mức CHẤT LỎNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA TP HỒ CHÍ MINH 

BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
ĐỀ TÀI:
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG
LỚP L02 --- HK 211
NGÀY NỘP: 10/12/2021
Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Việt Hồng.
Sinh viên thực hiện
Phạm Thanh Hải
Vũ Quang Hiếu
Huỳnh Đức Khoa
Nguyễn Vũ Lực

Thành phố Hồ Chí Minh – 2021

download by :


MỤC LỤC
1.

Chọn hệ thống...........................................................................................................

2.

Mô tả sơ đồ khối của hệ thống..................................................................................

3.

Tìm hàm truyền của hệ thống....................................................................................

4.

Phân tích những điểm quan trọng khi chọn lựa cơ cấu chấp hành cho hệ thống.......

5.

6.

4.1.

Bơm chất lỏng..........................................................

4.2.

Động cơ điện............................................................

4.3.

Van điều chỉnh dịng chảy.........................................

Phân tích những điểm quan trọng khi chọn lựa thiết bị đo cho hệ thống.................
5.1.

Những điểm quan trọng khi chọn lựa thiết bị đo.....

5.2.

Chọn thiết bị đo cho hệ thống..................................

Phân tích những điểm quan trọng trong việc xử lý tín hiệu.....................................

6.1.
Bộ điều khiển pid và các phương pháp xác định tha
................................................................................................................................
6.2.

Xử lý nhiễu..............................................................

7. Mô phỏng................................................................................................................
8.

Nhận xét..................................................................................................................

9.

Tài liệu tham khảo...................................................................................................

2|Page

download by :


1. Chọn hệ thống
Hệ thống điều khiển mức chất lỏng
Hệ thống điều khiển mức chất lỏng là một hệ thống được thiết kế đặc biệt để kiểm
soát mức chất lỏng trong bể chứa. Mục đích chính của các hệ thống này là kiểm
soát tốc độ mà máy bơm cung cấp chất lỏng đến bể và từ đó nó có thể đạt đến
mức mong muốn bên trong bể.

Mục đích của hệ thống mức chất lỏng là duy trì một mức chất lỏng cụ thể bên
trong bể. Hệ thống kiểm soát mức chất lỏng được ứng dụng chính trong các
quy trình cơng nghiệp.
Bồn chứa nước có một đầu vào – một đầu ra (SISO) được cho như trong hình. Lưu
lượng chất lỏng Q1 bơm vào bể có thể thay đổi. Lưu lượng chất lỏng dẫn ra khỏi bể
Q2, qua van xả đặt gần đáy bể.

3|Page

download by :


2. Mơ tả sơ đồ khối của hệ thống

Trong đó:
- Input: Là tín hiệu điện (U hoặc I - phụ thuộc vào tín hiệu đầu ra của cảm biến), tại

độ cao xác lập.
- Output: Chiều cao thực tế của bồn nước
- Controller: Bộ điều khiển PID
- Actuator: Máy bơm
- Sensor: Cảm biến đo mức

4|Page

download by :


3. Tìm hàm truyền của hệ thống
Ở trạng thái cân bằng động Q1 = Q2, mực nước trong bể không thay đổi.

Sự thay đổi Q1 hoặc Q2 sẽ ảnh hưởng đến thể tích chất lỏng V trong bể, tức mức
nước trong bể thay đổi theo.
Xét phương trình của dịng chảy ra khỏi bồn là dòng chảy hỗn loạn
Q1, Q2: biểu thị lưu lượng dòng chảy ở trạng thái ổn định
q1(t): đại diện cho sự thay đổi nhỏ về lưu lượng chất lỏng đang đi vào so
với giá trị trạng thái ổn định tại thời điểm t
q2(t) :đại diện cho sự thay đổi nhỏ về lưu lượng chất lỏng đang đi ra so
với trạng thái ổn định tại thời điểm t
H: là mức nước ở trạng thái ổn định của chất lỏng bên trong bể
h(t): là sự thay đổi của mức chất lỏng so với giá trị ở trạng thái ổn định tại
thời điểm t

-

Giả sử rằng thiết diện ngang A của bồn là khơng đổi, ta có phương trình:
A.dh( t)= (q1(t) – q2(t))
Phương trình của dịng chảy ra khỏi bồn là dòng hỗn
h(t )
loạn q2(t) =
Thế vào (1):
R

A. dh(t) = q1(t) – ρg h(t)
dt

R

 RA.

dh (t)

dt = Rq1(t) – h( t)

RA .
Đặt: τ = RA – hằng số thời gian của bồn nước
G = R – hệ số khuếch đại (ở giá trị xác lập) của hệ thống
Phương trình (2) trở thành:
τ

dh(t )
dt

+ h (t )= Gq1(t)

Biến đổi Laplace với H(0) = 0:
dh(t )
L{τ
+ h ( t )}=L{ Gq (t)}
dt

1

 τ .s.H ( s) + H ( s) = GQ1(s)


H(s) =

G. Q ( s)
1

τ . s+1

5|Page


download by :


W(s) =

Phân tích những điểm quan trọng khi chọn lựa cơ cấu chấp
hành cho hệ thống
4.

4.1.

Bơm chất lỏng

Bơm là máy thủy lực được dùng để vận chuyển chất lỏng (nước, dầu, hóa chất, …)
từ nơi thấp đến nơi cao hoặc từ nơi này đến nơi khác.
Năng lượng cấp cho chất lỏng thường được lấy từ nhiều nguồn khác nhau: Máy nổ,
máy hơi nước, …Tuy nhiên trong các trạm nhiều bơm hiện này động năng cấp cho các
bơm được lấy từ động cơ điện, việc này cho phép các bơm làm việc trong nhiều chế
độ khác nhau và đơn giản cho người công nhân vận hành.
Điều kiện làm việc khác nhau: Trong nhà, ngoài trời, độ ẩm cao, nhiệt độ cao, …Do
vậy, tùy theo yêu cầu mà vật liệu chế tạo các bơm và cơ cấu truyền động phải chống
chịu được với môi trường làm việc.
Phân loại bơm theo cấu tạo:
Bơm cánh gạt: Bơm cánh gạt là một loại khác của bơm thủy lực. Được thể hiện trong
hình 4.1, nó bao gồm một rôto bù đắp trong một vỏ với các cánh gạt có thể thu vào.
Các cánh gạt có lị xo đẩy ra và bịt chặt vào vỏ máy. Bởi vì có nhiều chất lỏng hơn

giữa các cánh gạt trong nửa trên của vỏ ngồi so với dưới cùng, có sự chuyển dịch
ròng của chất lỏng từ đầu vào đến cửa xả. Trong một số thiết kế, vị trí của trục rơto có
thể điều chỉnh được. Càng bù đắp trục rôto, càng bơm nhiều chất lỏng. Một máy bơm
như vậy được gọi là máy bơm dịch chuyển biến thiên.
Bơm pittong: sử dụng các piston nhỏ chuyển động qua lại để bơm chất lỏng. Như thể
hiện trong hình 4.2, máy bơm bao gồm một trục quay hình trụ và một vịng kim loại

Hình 4.1

Hình 4.2

download by :

6|Page


được gọi là tấm xoay (khơng quay). Hình trụ chứa một số piston nhỏ thực hiện việc
bơm thực tế. Một đầu của mỗi piston cưỡi trên tấm swash. Bởi vì tấm swash ở một
góc với hình trụ, mỗi piston buộc phải chuyển động vào ra theo mỗi vòng quay của xi
lanh. Bằng cách thay đổi góc của tấm swash, lượng chất lỏng được bơm trên mỗi
vòng quay sẽ thay đổi.
Bơm bánh răng: bao gồm hai bánh răng trong một vỏ bơm. Khi các bánh răng quay,
chất lỏng bị mắc kẹt trong các khoảng trống nhỏ giữa răng và vỏ (cả trên và dưới) và
được chuyển tải từ đầu vào đến đầu ra. Lưới giữa các bánh răng ở tâm đủ chặt để
khơng có chất lỏng di chuyển qua một trong hai cách tại thời điểm đó. Loại máy
bơm này cịn được gọi là bơm dịch chuyển tích cực bơm vì một lượng chất lỏng
khơng đổi được bơm cho mỗi vịng quay của bánh răng.
Bơm ly tâm (bơm cánh quạt) được sử dụng nhiều nhất vì mang nhiều ưu điểm: Kết
cấu nhỏ gọn, làm việc tin cậy, bền, cột áp của bơm cao đạt hàng trăm mét và hiệu suất
tương đối cao.

4.2. Động cơ điện
Động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn cơ học.
Truyền động điện cho trạm bơm không yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, nếu được áp
dụng thường là biện áp điều chỉnh điện áp cấp vào mạch sato. Hiện nay, động cơ không
đồng bộ ba pha roto lồng sóc được sử dụng khá nhiều trong các trạm bơm. Việc

Hình 4.3

sử dụng động cơ không đồng bộ roto ngắn mạch dẫn đến một vấn đề là dòng mở máy
đạt (5-7) định mức, nếu thời gian mở máy dài sẽ gây sụt áp cho thiết bị sử dụng
chung nguồn và nguy hại bộ dãy động cơ.
Tuy nhiên, tại các trạm bơm đặc biệt yêu cầu thay đổi lưu lượng các bơm, thì động cơ
kéo bơm được dùng là loại không đồng bộ ba pha roto dây quấn, động cơ 1 chiều, nếu
yêu cầu momen lớn thì động cơ động bộ được chọn.
7|Page

download by :


Môi trường làm việc của máy bơm thường rất khác nghiệt: Trên tàu thủy các việc tản
nhiệt của bơm là khó khăn (vì khơng gian hẹp) nên nhiệt độ động cơ thường cao,
nước mặn gây ăn mòn kết cấu bơm, hóa chất, xăng dầu. Trong các mơi trường dễ cháy
như xăng dầu, nhựa, …động cơ kéo thường không dùng loại một chiều hoặc không
đồng bộ roto dây quấn do khi làm việc gây ra tia lửa tại cổ góp và chổi điện dẫn đến
cháy nổ.
Ngồi ra cịn các yếu tố khi lựa chọn động cơ:
Công suất sử dụng cần thiết (tốc độ, momen xoắn, …)
Độ chính xác khi vận hành và khả năng phản hồi tín hiệu
tốt Cơ cấu điều khiển

Điện áp và tần số phù hợp với lưới điện sẵn có, đang sử dụng
Phổ biến, giá thành rẻ
Khối lượng, kết cấu nhỏ gọn

4.3. Van điều chỉnh dòng chảy
Một loại cơ cấu chấp hành phổ biến được sử dụng trong hệ thống điều khiển q
trình là van điều khiển dịng chảy, điều chỉnh dòng chảy của chất lỏng. Van điều
khiển có một van vận hành tích hợp, cho phép nó được điều khiển từ xa bằng tín hiệu
từ bộ điều khiển. Thơng thường, tín hiệu này là điện hoặc khí nén.
Hình 4.4 cho thấy ba loại van điều khiển lưu lượng. Hình 4.4 (a) cho thấy van bật-tắt,
kích hoạt bằng điện từ. Khi điện từ được cung cấp năng lượng, van sẽ được kéo mở,
và chất lỏng chảy. Khi điện từ được khử khí hóa, một lị xo sẽ trả lại van đến vị trí
đóng. Van bật-tắt được sử dụng trong các quy trình hàng loạt (ví dụ, một máy giặt nơi
bồn chứa được làm đầy đến mức quy định càng nhanh càng tốt, được kích hoạt trong
một thời gian, sau đó trống rỗng). Nhiều quy trình địi hỏi khả năng thay đổi lưu
lượng của chất lỏng trong đường ống một cách liên tục. Để làm được điều này, thân
van phải được điều khiển bằng bộ truyền động tuyến tính của một số kiểu.
Hình 4.4 (b) mơ tả một van hoạt động bằng điện. Trong trường hợp này, một điện
động cơ dẫn động một trụ van kiểu trục vít, vì vậy nó có thể được đặt ở bất kỳ vị
trí nào.

8|Page

download by :


Van hoạt động bằng khí nén sử dụng áp suất khơng khí làm tín hiệu điều khiển. Được
thể hiện ở Hình 4.4 (c), bạn có thể thấy rằng khi áp suất khơng khí tăng lên, màng
ngăn sẽ di chuyển xuống (chống lại một lị xo) và đóng van. Loại van này có thể
được sử dụng trong chế độ tắt mở hoặc ứng dụng dịng chảy thay đổi.

Hình 4.4

9|Page

download by :


Phân tích những điểm quan trọng khi chọn lựa thiết bị đo cho
hệ thống
5.

5.1.

Những điểm quan trọng khi chọn lựa thiết bị đo
5.1.1. Phương pháp đo mức nước
Phương pháp đo mức nước là một cách thức để có thể đo lường mức
nước hay mức chất lỏng một cách đơn giản nhưng hiệu quả và tối ưu nhất. Với
các phương pháp đo mức khác nhau có thể đo lường chính xác từng loại nước
hay chất lỏng trong từng điều kiện môi trường khác nhau. Phương pháp đo ảnh
hưởng tới khoảng đo và tầm đo làm, điều này quyết định rất nhiều vào mức độ
phù hợp của thiết bị đo đối với hệ thống.
Các phương pháp đo mức nước hiện nay cũng khá đa dạng, có thể kể
đến như phương pháp đo mức nước bằng sóng siêu âm, đo mức nước bằng
radar, đo mức nước bằng phương pháp thủy tĩnh, hay đo mức bằng phương
pháp điện dung.
5.1.2. Độ chính xác
Độ chính xác là chất lượng của việc điều chỉnh hoặc tiếp cận những gì
được coi là đúng. Độ chính xác trong các dụng cụ đo liên quan đến mức độ gần
gũi mà các kết quả đo được có với giá trị tham chiếu, còn được gọi là giá trị

thực hoặc cường độ thực.
Độ chính xác phụ thuộc vào chất lượng hiệu chuẩn của thiết bị được
nghiên cứu bằng phương pháp đo lường. Độ chính xác của kết quả là chính
xác, nhưng kết quả chính xác khơng nhất thiết phải chính xác, vì kết quả có thể
được tập trung nhưng khác xa với giá trị thực.
Độ chính xác quyết định tới độ tin cậy của hệ thống. Việc hệ thống có
thể đạt được đúng yêu cầu hay không phụ thuộc vào mức độ chính xác của
thiết bị đo.
5.1.3. Độ nhạy
Độ nhạy là tỷ số giữa biến thiên của tín hiệu ra với biến thiên của tín
hiệu vào của phương tiện đo hoặc chính xác hơn là độ nhạy càng lớn thì
phương tiện đo càng có khả năng phát hiện được những biến đổi nhỏ của đại
lượng đo.
Phân loại:
-

Độ nhạy tuyệt đối
10 | P a g e

download by :


-

Độ nhạy tương đối (thường dùng): tỷ số biến thiên đại lượng ra với
biến thiên tương đối của đại lượng vào

5.1.4. Độ trễ băng thông
Độ trễ là thời gian cảm biến đo mức truyền dữ liệu tới bộ xử lý số liệu
để hệ thống có thể vận hành. Thời gian này ảnh hướng tới thời gian làm việc

của toàn bộ hệ thống.
Độ trễ băng thông là thuật ngữ dùng để chỉ sự chậm trễ thường phát sinh
trong xử lý dữ liệu của bộ xử lý. Ngược lại với băng thông, độ trễ càng nhỏ thì
tốc độ mạng càng nhanh và delay càng ít và ngược lại, độ trễ càng lớn thì tốc
độ mạng càng chậm và delay càng nhiều.
5.1.5. Truyền dữ liệu
Chọn bộ cảm biến và bộ phận xử lý dữ liệu thống nhất chung một chuẩn
để thuận lợi trong quá trình nhận và truyền dữ liệu.

5.2. Chọn thiết bị đo cho hệ thống
5.2.1. Các phương pháp và cảm biến đo mức thông dụng
Phương pháp đo
Đo mực nước hoặc trọng lượng vật liệu trong bồn chứa là những vấn đề
thường gặp trong q trình cơng nghiệp.
- Phương pháp đo trực tiếp: theo dõi bề mặt chất lỏng – dùng cơ cấu
phao nối liền với các bộ phận hiển thị. Phương pháp này đơn giản
và tin cậy, nhưng nó khơng tạo nên tín hiệu điều khiển dễ dàng.
- Phương pháp đo gián tiếp: đo một biến khác mà có liên quan đến
mực nước – đo áp suất tĩnh ở điểm nào đó trong vùng thể tích.
Phương pháp này dựa trên cơ sở áp suất tĩnh tỉ lệ thuận với khối
lượng riêng và chiều cao của khối chất lỏng phía trên điểm đo.
Các loại cảm biến đo mức cũng được phân thành hai loại.
- Rời rạc: chỉ cảm nhận mực nước ở một giá trị nhất định nào đó
- Liên tục: cho ra một tín hiệu tương tự tỉ lệ với mực chất lỏng

Cảm biến đo mức nước dạng phao
Đo mức nước bằng phao inox hoặc phao nhựa là phương pháp giám sát
mực nước trong bồn đơn giản nhất; rẻ nhất; và cũng là cảm biến báo mức chất
lỏng có độ chính xác thấp nhất
Phao cảm biến mực nước hoạt động theo nguyên lý khi nước dâng đến

đâu thì phao nhựa hoặc phao inox nổi lên đến đó. Cho đến khi nước làm chìm
phao cho tín hiệu về báo đèn sáng lên đồng thời ngưng bơm. Khi nước trong
11 | P a g e

download by :


bồn rút đi phao lại hạ thấp từ từ theo mức nước rút và tắt đèn khi phao và mức
nước có khoảng cách biểu thị cho việc gần cạn nước trong bồn
Trường hợp dùng phao; chúng ta thường thấy trong các nhà dân hoặc
chung cư dùng để báo đầy bào tràn hay báo cạn mực nước.
Phương pháp này cũng được áp dụng trong các nhà máy cũ. Tuy nhiên;
hiện nay việc sử dụng các dòng siêu âm; thủy tĩnh thay thế hoàn toàn dạng
phao đang được triển khai rất nhiều đểm đảm bảo độ tin cậy báo về cao và tín
hiệu ra giúp giám sát trên vi tính; điện thoại thông qua mạng internet

Cảm biến đo mức nước thủy tĩnh
Cảm biến thủy tĩnh hay còn gọi phao đo mực nước dạng áp suất hoạt
động theo nguyên lý áp suất nước ép vào đầu cảm biến thông qua bộ phận xử
lý đưa về tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V (cảm biến đo mức 0-10V )
Thiết bị đo mực nước trong bể này bao gồm 1 dây cáp bọc nhựa bảo vệ
và một bộ phận xử lý tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện với lớp bảo vệ IP68
chống nước xâm nhập. Chủ yếu dùng để đo mức nước trong các bể nước sạch;
nước thải. Thường phao đo mức nước dạng thả chìm hay kết hợp với một bộ
hiển thị mức nước hoặc bộ điều khiển mức nước trong nước hợp nước gần đầy
hoặc gần cạn để tránh cháy bơm hoặc tràn nước ra khỏi bể
Tuy nhiên; mặc dù có độ sai số dưới mức 0.5% nhưng thiết bị đo được
bền nhất và tốt nhất trong mơi trường nước bình thường. Cịn đối với môi
trường nước thải; hầu hết các bể nước thải tại các khu công nghiệp đều chứa
các tạp chất axit hóa chất ăn mịn nên thiết bị sẽ khơng được bền trong các môi

trường nước thải công nghiệp

Cảm biến báo mức nước dạng que
Thiết bị báo mức nước dạng que hay còn gọi đầu dò mực nước ( Phao ty
cực đo mức nước). Đây là dịng thiết bị có thiết kế gồm 1 que dị đường kính 68mm chiều dài tự do theo như cầu khách hàng; Và một đầu chứa vi mạch
chuyển đổi thành các dạng tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V hoặc tín hiệu dạng
truyền thơng.
Que dị mực nước có 2 dạng chính: Đo mức liên tục xuất tín hiệu analog
hoặc modbus rtu và dạng báo tràn báo cạn mức chất lỏng.
Đa dạng chức năng và đo được tất cả các môi trường rắn lỏng như:
Nước; nước sạch; khu vực nước nóng lị hơi; nước thải; xi măng; hạt nhựa;
axit; hóa chất ăn mịn cao…
Độ sai số 1 mm….1% tùy loại với mức giá tương đối rẻ so với các dòng
siêu âm hoặc radar
Nhiệt độ chịu được max 300 oC và áp suất chịu được max 100 bar
12 | P a g e

download by :


Cảm biến đo mức chất lỏng dạng điện dung
Cảm biến điện dung đo liên tục hoạt động theo nguyên lý cảm nhận mức
chất lỏng dâng lên dựa vào que điện cực và chuyển chiều cao mức nước thành
tín hiệu mới analog hoặc modbus để đưa về đọc trên bộ hiển thị hoặc PLC
Cảm biến điện dung đo on/off ( Phao báo cạn báo đầy dạng điện cực)
hoạt động theo nguyên lý cảm biến gắn ngang. Mực chất lỏng dâng lên vượt
qua que điện cực thì cảm biến output tín hiệu PNP truyền về báo tràn và cần tắt
bơm. mực chất lỏng trong bồn gần cạn rút qua cảm biến gắn phái dưới sẽ kích
bơm để bơm chất lỏng vào.
Tuy nhiên, để điều khiển được dạng tín hiệu PNP xuất ra từ cảm biến ta

phải kết hợp thêm rơle kiếng hay còn gọi rơ le trung gian.

Cảm biến đo mức dùng sóng siêu âm
Thiết bị đo mức chất lỏng với phương pháp đo bằng sóng siêu âm là một
trong các loại cảm biến đo mức nước có độ chính xác rất cao; hầu hết sử dụng
đo mức nước; nước thải trong công nghiệp hoặc nước cất trong các nhà máy
sản xuất thuốc. Đây được coi là cảm biến đo mức liên tục ra 4-20mA hay cảm
biến đo mức liên tục 0-10V hoặc cảm biến đo mức liên tục truyền thông
modbus rtu
Hoặc đo mức Dầu Diezen; dầu Do trong các trạm xăng; Đo mức dầu
điều, dầu nành; dầu trong các nhà máy…
Điểm mạnh của dịng này là độ chính xác cao 0.15%. Đây là một trong
những mức đạt chuẩn Châu Âu. Bên cạnh đó; do q trình đo khơng ít xúc với
chất lỏng nên độ bền cao. Tốc độ truyền tín hiệu nhanh. Cài đặt thay đổi các
dãy đo một cách tự do mà không làm thay đổi độ sai số của thiết bị
Đo mức chất lỏng siêu âm dạng sóng cũng có 2 dịng đo liên tục và đo
on/off tín hiệu output ra giống phao ty cực điện dung
Nguyên lý cảm biến siêu âm là bắn sóng. Sóng chạm vào chất lỏng sẽ
phản hồi tín hiệu truyền về qua bộ phận xử lý đưa ra tín hiệu analog | Modbus
rtu hay PNP rồi kết nối với bộ hiển thị mức nước liên tục để người dùng quan
sát mức nước

Cảm biến đo mức chất lỏng bằng radar
Cảm biến báo mức radar hay còn gọi thiết bị đo cảm biến radar; được
xem là một dòng thiết bị đo mức chất lỏng hoặc chất rắn có độ tín cậy cao; thời
gian phản hồi tín hiệu nhanh.
Đặc biệt; dòng cảm biến mức radar đo được tất cả các loại chất lỏng
trong công nghiệp với nhiệt độ và áp suất cao; trừ các dịng axit hóa chất ăn
mịn. Bên cạnh đó; thiết bị radar cịn đo mức chất rắn như xi măng trong các
silo dạng tro bay hoặc đo mức xăng rất chính xác

13 | P a g e

download by :


Các hãng radar có độ chính xác cao hiện nay: Cảm biến mức radar hãng
Vega; Cảm biến mức radar hãng Dinel; cảm biến mức radar hãng endress
hauser. Đây là một trong những hãng nổi tiếng xuất xứ Châu Âu
Trong đó; thiết bị đo mức radar của hãng Dinel là dòng cảm biến mức
radar có mức giá khá tốt và dịng endress hauser có mức giá gần như là cao
nhất trong các hãng thiết bị đo mức thuộc EU/ G7.
5.2.2. Chọn thiết bị đo cho hệ thống
Yêu cầu kỹ thuật
- Độ chính xác cao
- Độ tin cậy cao
- Hoạt động ổn định
- Phù hợp với môi trường
- Độ trễ thấp
- Đo mức liên tục
Thiết bị đo cho hệ thống
Với những yêu cầu trên, nhóm chúng em quyết định chọn thiết bị đo
mức dùng sóng siêu âm, với độ chính xác cao 0,15%, nguyên lý hoạt động phù
hợp với hệ thống. Nguyên lý cảm biến siêu âm là bắn sóng. Sóng chạm vào
chất lỏng sẽ phản hồi tín hiệu truyền về qua bộ phận xử lý đưa ra tín hiệu
analog | Modbus rtu hay PNP rồi kết nối với bộ hiển thị mức nước liên tục để
người dùng quan sát mức nước.

14 | P a g e

download by :


6. Phân tích những điểm quan trọng trong việc xử lý tín hiệu
Bộ xử lý tín hiệu có chức năng là chuyển đổi một tín hiệu sơ cấp thành một tín hiệu có
thể sử dụng được bởi phần tử kế tiếp trong hệ thống.
Những cơng việc xử lý tín hiệu thường gặp là: cách ly và biến đổi trở kháng, khuếch
đại tín hiệu; lọc (chống nhiễu); tuyến tính hóa; lấy mẫu; chuyển đổi tín hiệu tương tự
sang tín hiệu số và ngược lại.

6.1. Bộ điều khiển pid và các phương pháp xác định tham số của bộ
điều khiển PID
PID là một bộđiều khiển phản hồ i vịng kín được sử dụng rộng rãi trong hệthống
điện, tựđộng hóa, điện tử... Một bộđiều khiển PID là sự kết hợp của 3 bộđiều khiển:
tỉ lệ, tích phân và vi phân như mơ tả

6.1a Ảnh hưởng của các thông số trong chỉnh định PID
Trong bộđiều khiển PID, mỗi thành phần P, I, D đều có liên hệtrực tiếp với đáp ứng
đầu ra và có sựảnh hưởng lẫn nhau trong quá trình chỉnh định. Cụ thể:
•Thành phần tỷ lệ P (Proportional): Giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh
•Thành phần tích phân I (Integral): Có vai trị làm sai lệch tĩnh giảm nhanh
•Thành phần vi phân D (Derivative): Giúp cải thiện quá trình quá độ
Giống như các bộ điều khiển khác, bộ điều khiển PID có đầu vào là sai số giữa giá trị
đặt, giá trị đáp ứng. Khi đưa vào bộ điều khiển, thành phần tỷ lệ P tác động đến các
sai số của hiện tại, thành phần tích phân I xác định tác động của tổng các sai số quá
khứ, thành phần vi phân D xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số (dự đoán sai
số tương lai). Sự kết hợp của 3 tham số trên làm cho bộ điều khiển PID có đáp ứng
nhanh hơn và khó điều chỉnh hơn các bộ điều khiển khác. Các ảnh hưởng cụ thể của
thành phần tỷ lệ P và thành phần tích phân I đã được phân tích chi tiết ở những
chương trước. Riêng với thành phần vi phân D do rất nhạy với nhiễu nên thường cần

thêm một bộ lọc thông thấp để loại bỏảnh hưởng của các nhiễu ở tần số cao.Việc tinh
15 | P a g e

download by :


chỉnh thông số của bộ PID thường thông qua 2 phương pháp là phương pháp Ziegler
Nicholes và phương pháp chỉnh định tay
6.1b Phương pháp Ziegler Nichols
Phương pháp Ziegler-Nichols là phương pháp thực nghiệm đểxác định tham sốcủa
bộđiều khiển, bằng cách dựa vào đáp ứng quá độcủa đ ối tư ợng điều khiển. Tùy theo
đặc điểm của đối tư ợng đi ều khiển mà Ziegler-Nichols đã đưa ra hai phương pháp
lựa chọn tham số là Ziegler-Nicholes 1 và Ziegler-Nichols 2
*Phương pháp Ziegler Nicholes thứ nhất
Là phương pháp lựa chọn tham sốvới nhữ ng đối tượng có đáp ứng chậm, đặc tính
của đối tư ợng là dạng hàm nấc chữ S như hình

Với L là thời gian trễcủa hệ thống, T là thời gian xác lập. Tham số của bộ PID khi đó
được tính chọn như bảng

* Phương pháp Ziegler Nicholes thứ hai
Là phương pháp lựa chọn tham số với nhữ ng đ ối tư ợng có hàm truyền mang khâu
tích phân như độcao mực nư ớc, vịtrí đ ộng cơ,... Các bước tính chọn tham sốđư ợc
thực hiện theo thứ tựnhư sau:•Bước 1: Cho thành phần tích phân I và vi phân D
16 | P a g e

download by :


bằng 0, tăng dần thành phân tỷlệ P cho tới khi hệthống đạt trạng thái ổn định biên

(ranh giới giữa ổn đ ịnh và không ổn đ ịnh) dao động tuần hồn với chu kỳT ghnhư
hình

Bước 2: Với giá trịthành phần tỷ lệ Kp=Kgh, tham sốcủa bộ PID khi đó được tính tốn
như sau:

*Phương pháp chỉnh định tay:
Là phương pháp chỉnh định các thành phần tỷlệ, tích phân, vi phân dựa theo ảnh
hưởng của chúng đến hệ thống. Quy trình chỉnh định tay được thực hiện theo thứ
tựnhư trong hình

17 | P a g e

download by :


Đầu tiên đặt thành phần tích phân và vi phân bằng 0, tăng dần thành phần tỷlệ P sao
cho hệthống đạt cỡ 10-15% độquá điều chỉnh. Tiếp theo, tiến hành tăng thành phần vi
phân D để hạn chế sự vọt lố gây ra từ thành phần tỷlệP. Sau khi đạt được 24 độ quá
điều chỉnh mong muốn, tiến hành thêm thành phần vi phân I để hệ thống đạt cỡ15%
độ quá điều chỉnh. Với sự kết hợp của 3 thành phần, bộ điều khiển PID cho phép
thành phần tỷ lệ P lớ n hơn 25-50%, thành phần tích phân I lớn hơn 20-40% so vơi
bộ P và PI thông thường
*So sánh hai phương pháp chỉnh định
Có thể thấy đáp ứng củ a phương pháp Ziegler Nicholes và phương pháp chỉnh định tay
đều cho kết quả tốt. Tuy nhiên phương pháp Ziegler Nicholes có phần vượt trội hơn về
độ quá điều chỉnh, thời gian đáp ứng cũng như độ dự trữ biên, độ dữ trữ pha

6.2. Xử lý nhiễu
Tín hiệu 4-20mA thường được dùng trong lập trình PLC là tín hiệu analog

được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp hiện nay. Loại tín hiệu này khơng bị giảm
khi truyền đi xa vì đặc tính là khơng phụ thuộc vào khoảng cách mà chỉ phụ thuộc vào
nội trở của dây dẫn. Tuy nhiên, trong nhà máy có rất nhiều các thiết bị có thể gây
nhiễu cho tín hiệu này, chẳng hạn như biến tần hoặc motor có cơng suất cao.
Đối với các tín hiệu 4-20mA khi truyền về PLC để xử lý, nếu tín hiệu bị nhiễu
hoặc chập chờn, chúng ta sẽ thấy là tín hiệu khơng ổn định. Nếu chúng ta có thiết bị
chun dụng để đo thì sẽ thấy tín hiệu lúc này sẽ khơng phải là 4-20mA mà có thể là
3,75-19,75mA. Điều này sẽ gây khó khăn cho việc lập trình trên PLC.
18 | P a g e

download by :


Ngồi ra khi một tín hiệu bị nhiễu, nó sẽ dẫn đến tình trạng cả hệ thống sẽ hoạt
động khơng ổn định.
Tín hiệu 4-20mA bị nhiễu là những tín hiệu có giá trị nhỏ hơn 4-20mA hoặc
lớn hơn 4-20mA. Để giảm tình trạng nhiễu tín hiệu, ta có thể xử lý bằng các phương
pháp sau:
Xử lý khi tín hiệu 4-20mA bị nhiễu bằng cách điều chỉnh tín hiệu:
Khi tín hiệu 4-20mA bị nhiễu, nếu chúng ta có thể phát hiện ra bằng cách sử dụng bộ
đo dòng analog để đo, sau đó sẽ chỉnh lại giá trị của thiết bị đầu vào để cho ra tín hiệu
4-20mA chuẩn. Việc này chỉ là phương pháp tạm thời để xử lý trước mắt chứ không
phải là cách xử lý triệt để.
Xử lý khi tín hiệu 4-20mA bị nhiễu bằng cách sử dụng bộ cách ly chống
nhiễu:
Cách xử lý triệt để và an toàn nhất là chúng ta nên sử dụng các bộ cách ly tín hiệu để
chống nhiễu cho thiết bị. Đây là các thiết bị được thiết kế với tính năng cách ly chống
nhiễu tại nguồn cấp, tín hiệu input, output để đảm bảo tín hiệu 4-20mA truyền đi ln
ổn định.
* Ngồi ra có thể lọc nhiễu bằng các bộ lọc thông thấp hoặc bộ lọc Norch

7. Mô phỏng
Ta sử dụng MATLAB Simulink để mô phỏng hệ thống.
Chọn các giá trị cho các biến để tiến hành mô phỏng:

19 | P a g e

download by :


Sau khi có dữ liệu ở file excel, ta lựa chọn được thông số tối ưu nhất cho các giá trị
Kp, Ki, Kd ta chọn:
KP = 1/1.36300043
KI = (1/1.36300043)/97
Kd = 0

Kết quả:

Hình 7. 1: Đồ thị sau khi mơ phỏng
Hình 7. 4: Đồ thị tank sau khi mô phỏng

20 | P a g e

download by :


Hình 7. 5: Đồ thị đáp ứng sau khi mơ phỏng

Hình 7. 6: Đồ thị đáp ứng của Pump sau khi mô phỏng

8. Nhận xét
Hệ thống tự động điều chỉnh mức chất lỏng được thiết kế trên cơ sở ứng dụng lý
thuyết đã học về bộ điều khiển PID, phù hợp với u cầu thực tế các q trình
cơng nghệ, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Kết quả mơ phóng cho trên MATLAB cho thấy hệ thống hoạt động đảm bảo độ tin
cậy, độ chính xác, dễ thực hiện kỹ thuật, đơn giản trong cơng việc kiểm sốt mức chất
lỏng trong bể chứa.
Ngồi ra, em đề xuất ngồi bộ PID thì có thể xử dụng bộ điều khiển PID + hoặc
PI+ có khả năng lọc nhiễu trước khi đi vào hệ thống.
21 | P a g e

download by :


9. Tài liệu tham khảo
1. Christopher T. Kilian, “Modern control technology: components and systems”,

Novato, CA: Delmar Thomson Learning, 2000.
2. Nguyễn Thành Tín, “Nghiên cứu tổng quan về PLC của hãng Siemens và ứng dụng

thiết kế điều khiển từ động hệ thống nhiều bơm lên bể chứa”, Đồ án tốt nghiệp đại học
hệ chính quy ngành điện tử cơng nghiệp, 2018.
3. Electronics Coach (2016), “Liquid Level Control System”,

truy cập ngày
28/11/2021.
4. HUPHACO, “Xử lý khi tín hiệu 4-20mA bị nhiễu”, />
tin-hieu-4-20ma-bi-nhieu/, truy cập ngày 6/12/2021

22 | P a g e

download by :