nghiên cứu về điều khiển ổn định áp suất cho đường ống nước

LỜI MỞ ĐẦU
1, MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:
Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày
càng tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiêm năng lượng. Các
nghành công nghiệp nói chung và ngành nước nói chung vẫn sử dụng
công nghệ truyền động không thích hợp,điều khiển thụ động, không linh
hoạt. Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần
lớn bởi chi phí điện bơm nước( 30-35%). Trước đây tồn tại quan điểm
việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém và không
mang lại hiệu quả thiết thực. Với công nghệ biến tần tính toán đã chỉ ra
việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm
cấp II có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và giảm được chi phí
cho công tác quản lý vạn hành thiết bị.Máy bơm và quạt gió là những ứng
dụng rất thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng.
Trong phạm vi đồ án, chúng ta chỉ đề cập tới việc sử dụng thiết bị biền
tần trong điều khiển tốc độ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm và ổn
định áp suất trong đường ống cấp nước.
2, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế,người ta sử dụng máy
bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho cả khu
dân cư, thành phố, cho cả khu công nghiệp. Với đề tài này,chúng em đã
mô hình hòa hệ thống nên chỉ sử dụng biến tần công suất nhỏ và động cơ
không đồng bộ để mô tả sự hoạt động của hê thống với tín hiệu giả đưa
về tư triết áp. Một phần vì các máy bơm ba pha thường rất to và nặng kéo
theo hệ thống sẽ không đơn giản, lý do nữa là chi phí cho một đồ án như
vậy là quá lớn với khả năng của chúng em. Để thực hiện được đề tài
chúng em đã:
- Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình
tự điều khiển từng máy bơm
- Tìm hiểu về biến tần sử dụng
- Lựa chọn biến tần và động cơ có công suất hợp lý

- Tìm hiểu giao tiếp PLC với biến tần
- Lập trình PLC
- Lập trình bộ PID để điều khiển máy bơm
- Thiết kế giao diện WinCC để giám sát và điều khiển.
3 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài cho thấy việc ứng dụng của tự động hóa vào trong cuộc sống là rất
cần thiết,nó giúp ta tiết kiệm được thời gian công sức, tiền bạc nhưng
mang lai hiệu quả kinh tế cao và hoạt động rất ổn định.
Từ đề tài nghiên cứu về điều khiển ổn định áp suất cho đường ống nước,
chúng ta có thể mợ rộng cho hệ thống điều khiển lò nhiệt,hệ thống điều
hòa không khí……
4 PHẠM VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường và ngoài thực tế, do còn
hạn chế về kiến thức cũng như khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên
chúng em chỉ có thể tọa mô hình mang tính chất mô phỏng cao để thể
hiện quy trình hoạt động của một hệ thống cấp nước thực tế. Trong đó,
chúng em đã thực hiện một số công việc :
- Lập trình PLC hoạt động theo thuật toán đưa ra
- Giao tiếp PLC với WinCC giám sát hệ thống
- Giao tiếp PLC với biến tần
- Thiết kế giao diện điều khiển tự động với WinCC
- Điều khiển PID cho động cơ theo giá trị yêu cầu
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT
Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp nước vào cùng một
đường ống.Áp lực và lưu lượng của đường ống thay đổi hang giờ theo
nhu cầu.Bơm và các thiết bị đi kèm như đường ống van,đài nước được
thiết kế với lưu lượng nước bơm rất lớn.Vì thế điều chỉnh lưu lượng nước
bơm được thực hiện bằng các phương pháp sau:
- Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm

- Điều chỉnh bằng đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời.
- Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối thủy lực.
Điều khiển theo những phương pháp trên không những không tiết kiệm
được năng lượng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường
ống do chấn động khi đóng mở van gây nên,đồng thời các máy bơm cung
cấp không bám sát được chế độ tiêu thụ trên mạng lưới.
Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều
khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần
là thiết bị điều chỉnh biến đổi quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số
của dòng điện cung cấp cho động cơ.
1.1Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống.
Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ đây
biến tần điều khiển tốc độ động cơ.
Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu
lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ.
Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về PLC.PLC sẽ so sánh giá trị
truyền về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi
tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào đông cơ
để đảm bảo áp suất nước trong đường ống là ổn định.
Sự điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể
như sau:
- Điều chỉnh tốc độ quay khi áp suất thay đổi.
- Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm
bơm.Một thiết bị biến tần có thể điều khiển tới 5 máy bơm.
1.1.1 Phương thức điều khiển bơm
Có 3 phương thức điều khiển các máy bơm:
+ Điều khiển theo mực nước:
trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hut hồi tiếp về PLC.Bộ vi xử
lý sẽ so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt.Trên cơ sở
kết quả so sánh PLC sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao cho phù

hợp để mực chất lỏng trong bể luôn bằng giá trị cài đặt.Ngược lại khi tín
hiệu hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt,biến tần sẽ điều khiển các bơm để
mực chất lỏng luông đạt giá trị đặt.
+ Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động:
Mỗi một máy bơm được nối với một bộ biến tần trong đó có một biến
tần là chủ động,các biến tần khác là thụ động.Khi tín hiệu hồi tiếp về
biến tần chủ động thì bộ vi xử lý của biến tần này sẽ so sánh với tín hiệu
được đặt để từ đó tác động đến các biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ
quay của các máy bơm cho phù hợp và không gây ra hiện tượng đập thủy
lực phản hồi từ hệ thống.Phương thức điều khiển này là linh hoạt nhất
khắc phục những kho khăn trong quá trình vận hành bơm khác với thiết
kế.Phương thức này được sử dung co trương hợp thay đổi cả về lưu
lượng và áp suất trên mạng lưới.
+ Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm:
Một máy bơm chính thông qua thiết bị biến tần,các máy bơm còn lại
đóng mở trực tiếp bằng khởi động mềm.Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng
trên mạng lưới hồi tiếp về PLC.Bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt
và điều khiển tốc độ máy bơm chính chạy với tốc độ phù hợp.Đây cũng
chính là cách mà nhóm em đã tiến hành làm.Khi mà bơm được điều
khiển bằng biến tần hoạt động ở chế độ định mức mà vẫn chưa đáp ứng
được áp suất trên được ống thì PLC sẽ ra lệnh để đưa các máy bơm khởi
động mềm tham gia vào hề thống nhằm duy trì được áp suất mong muốn
trong đường ống.Đến một lúc nào đó,khi mà áp suất trong đường ống đã
đủ thì PLC sẽ ngắt các bơm phụ ra dần dần tránh áp suất cao gây nguy
hiểm cho đường ống.Trong trường hợp ngắt tất cả các bơm mà áp suất
vẫn còn cao thì PLC sẽ ra lệnh cho biến tần đẻ biến tần giảm dần tần số
của động cơ để đưa áp suất trong đường ống về gần bằng giá trị đặt
nhanh nhất trong thời gian có thể.Tất cả những việc này thì được theo
dõi và giám sát bằng WinCC qua màn hình máy tính(hoặc được điều
khiển bằng tay)

1.1.2 Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến
tần:
- Hạn chế được dòng khởi động cao
- Tiết kiệm năng lượng
- Điều khiển linh hoạt các máy bơm
- Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400Kw
- Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt
- Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ
- Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc quá điện áp khi khởi
động
- Bảo vệ được động cơ khi :ngắn mạch,mất pha,lệch pha,quá tải,quá
dòng,quá nhiệt…
- Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows
- Kích thước nhỏ gọn không chiếm diện tích trong nhà trạm
- Mô-men khơỉ động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng
- Dễ dàng lắp đặt vận hành
- Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần
1.1.3Mô tả hoạt động của hệ thống(được điều khiển theo hình thức biến
tần điều khiển một bơm)
Trong hệ thống có tất cả là 2 máy bơm:một máy bơm 3 pha và một
máy bơm 1 pha.Biến tần sẽ điều khiển trực tiếp máy bơm 3 pha,máy bơm
1 pha sẽ bơm dự phòng khi mà máy bơm 3 pha chạy hết công suất định
mức mà áp suất vẫm chưa ổn định ở giá trị setpoint.Máy bơm dự phòng
này sẽ được điều khiển trực tiếp bằng điện lưới 220V.
Khởi động hệ thống lên thì máy bơm 3 pha được điều khiển bằng biến
tần sẽ được động cơ chạy cho tới khi đạt được áp suất đặt,khi áp suất
trong đường ống đã bằng áp suất đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ của
máy bơm này.Trường hợp tải thay đổi tức là áp suất thay đổi,tùy theo tải
tăng hay giảm thì biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hay chậm.
Khi tải tăng tức là áp suất giảm,lúc này muốn ổn định áp suất thì biến

tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn(tức tăng tần số của máy bơm
3 pha) cho tới khi đạt được áp suất đặt.
Ngược lại,khi tải giảm thì biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuống
cho tới khi đạt được áp suất đặt.
Nếu lúc tải giảm mạnh nhất(áp suất tăng lên cao) thì bơm dự phòng sẽ
tự động dừng chỉ còn bơm biến tần hoạt động.Hệ thống cứ hoạt động liên
tục như vậy,áp suất trong đường ống luôn luôn giữ ổn định tránh tình
trạng áp suất tăng quá cao sẽ gây vỡ đường ống cấp nước
1.2 Hệ thống điều khiển áp suất
1.2.1 Yêu cầu công nghệ
Sử dụng biến tần MicroMaster 440 điều khiển trơn cho động cơ
bơm, công suất tiêu thụ của động cơ sẽ được biến tần điều chỉnh cho phù
hợp với nhu cầu phụ tải. Động cơ thứ 2 sẽ sử dụng chạy nền nếu sau này
phụ tải phát triển lớn hơn.Một sensor áp suất được đưa vào đầu ra nước
cấp của Nhà máy để đo áp lực nước đưa về hệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển là 1 PLC S7-200 (SIEMENS) đảm bảo cho việc tự
động hóa hoàn toàn quá trình bơm cấp nước của Nhà máy.Vận hành hệ
thống thông qua WinCC. Hệ thống được hoạt động ở 2 chế độ:bằng tay
và bằng WinCC.Việc chuyển đổi giữa hai chế độ tự động và bằng tay
được thực hiện bằng các công tắc chuyển đổi vị trí.Hệ thống mới và cũ sẽ
được đấu nối đảm bảo chính xác, và vận hành an toàn trong mọi tình
huống. Đảm bảo tính an toàn cao nhất của cả hệ thống.
H1.Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm
Như vậy với việc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo
đúng thực tế lưu lượng phụ tải, do vậy sẽ giảm đáng kể năng lượng tiêu
hao không cần thiết vào các giờ phụ tải thấp điểm.
Hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên đường ống mạng và điều
khiển ngược lại để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu. PLC sẽ điều
khiển áp suất nước trên đường ống mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức là
hệ thống sẽ điều khiển áp suất theo thời gian thực. Hệ thống điều khiển tự

động này một số chức năng chính sau:
 Đo lường: do đầu đo áp suất đo lường và chuyển đổi để đưa về
CPU của S7-200.
 Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề này.
 Điều khiển: S7-200 sẽ phối hợp với biến tần làm việc này theo yêu
cầu.
 Giám sát: S7-200 sẽ kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt
động.
 Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị: sử dụng phần mềm giao
diện người máy (HMI) WinCC.
 Hệ thống có thể chuyển đổi qua lại giữa các motor bơm chạy với
biến tần nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo
dưỡng mà không làm gián đoạn sản xuất.
Đồng thời để cho phép mở rộng và phát triển phụ tải sau này, hệ thống có
thể sử dụng cùng lúc hai bơm nếu cần. Bơm thứ hai sẽ đươc tự động đóng
chạy trực tiếp thông qua côngtắctơ như là một bơm nền và bơm có biến
tần sẽ chạy điều chỉnh đỉnh cho phù hợp với phụ tải.
1.3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 1 sơ đồ khối hệ thống
CHƯƠNG II: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHẬN DẠNG
2.1.1 Tổng quan về nhận dạng quá trình
2.1.1.1 Nhận dạng quá trình là gì?
Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các dữ liệu vào-
ra thực nghiệm được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ
thống (system identification). Khái niệm nhận dạng hệ thống được định
nghĩa trong chuẩn IEC 60050- 351 là “ những thủ tục suy luận một mô
hình toán học biễn diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống
từ đáp ứng của nó với một tín hiệu đầu vào xác định, ví dụ hàm bậc
thang, một xung hoặc nhiễu ồn trắng”. [Nguyên văn tiếng Anh: “ The

procedures for deducing a mathematical model representing the static
and transiet behavior of a system from its response to a well- defined
input signal e.g a step function, an impulse, or a white noise”.]
2.1.1.2 Các bước tiến hành dể nhận dạng một quá trình
Giống như nhiều công việc phát triển hệ thống khác, nhận dạng hầu
như bao giờ cũng là một quá trình phức tạp. Những bước cơ bản trong
xây dựng mô hình thực nghiệm cho một quá trình công nghiệp bao gồm:
• Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình
• Lựa chọn phương pháp nhận dạng
• Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào / ra
• Quyết định về dạng mô hình
• Xác định các tham số mô hình
• Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình
2.1.1.3 Phân loại và lựa chọn phương pháp nhận dạng
Các phương pháp nhận dạng hiện nay vô cùng phong phú. Tuy
nhiên, ta có thể phân loại các phương pháp nhận dạng từ nhiều góc độ
khác nhau, ví dụ theo dạng mô hình sử dụng, dạng tín hiệu thực nghiệm,
thuật toán áp dụng hoặc mục đích sử dụng mô hình.
• Nhận dạng dựa vào dạng mô hình sử dụng trực tiếp
• Nhận dạng chủ động / Nhận dạng bị động
• Nhân dạng vòng hở / Nhận dạng vòng kín
• Nhận dạng trực tuyến / Nhận dạng ngoại tuyến
• Nhận dạng dựa vào ước lượng mô hình
Việc lựa chọn một phương pháp nhận dạng phù hợp phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như yêu cầu chất lượng mô hình, khả năng nhận dạng chủ
động, khối lượng tính toán và mục đích sử dụng mô hình. Mỗi phương
pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, dẫn đến khả năng áp dụng
khác nhau tùy theo từng bài toán.
2.1.2 Nhận dạng quá trình theo phương pháp kinh điển
Để nhận dạng đối tượng, đầu tiên cần xác định cấu trúc mô hình

toán học phù hợp cho đối tượng. Trong điều khiển quá trình với các
phương pháp kinh điển, mô hình tuyến tính bậc nhất và bậc hai (có hoặc
không có trễ, có hoặc không dao động, có hoặc không thành phần tích
phân) là những dạng thực dụng nhất. Sau đó là xác định các tham số của
mô hình. Để nhận dạng được các tham số này, tác động tín hiệu kích thích
phù hợp đến đầu vào của quá trình, ghi lại đáp ứng đầu ra của quá trình,
từ đó xác định các tham số phù hợp với mô hình đang sử dụng. Cuối
cùng là bước mô phỏng – kiểm chứng – đánh giá mô hình được xác định
ở các bước trên với sự trợ giúp của máy tính.
2.1.2.1Xác định cấu trúc mô hình toán học (hàm truyền đạt) của đối
tượng
Đối tượng ở đây là động cơ Bơm nước
Hàm truyền của ĐC bơm được xác định bằng phương pháp thực
nghiệm.
Cấp công suất tối đa cho bơm, áp suất nước do bơm tạo ra tăng dần.Sau 1
thời gian áp suất đạt đến giá trị bão hòa.Đặc tính áp suất theo thời gian có
thể biểu diễn như hình (2.2a).Do đặc tính chính xác của DDC bơm khá
phức tạp nên ta xấp xĩ bằng đáp ứng gần đúng như ở hình (2.2b).
Công suất P=100% Áp suất đầu ra
Hình 2.1: Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển
P(atm) P(atm)
K K
t(sec) t(sec)
Động cơ bơm
a) L T b) L T
Hình 2.2: Đặc tính của động cơ bơm
a) Đặc tính chính xác b) Đặc tính gần đúng

Ta xác định hàm truyền gần đúng của động cơ bơm dùng định nghĩa:
W(p) =

)(
)(
pu
py
Do tín hiệu là hàm nắc đơn vị (P=100%) nên:
u(p) =
p
1
Tín hiệu ra gần đúng ở hình 2.2b) chính là hàm :
y(t) = f ( t-L)
trong đó: f(t) = k(1-e
T
t−
)
Tra bảng Laplace ta được: F(p) =
2
(1 )
k
p T p+
Do vậy áp dụng định lý chậm trễ ta được:
W(p) =
1
2
.
(1 )
T p
k
e
p T p
−

+
Suy ra hàm truyền đạt của động cơ bơm:
W(p) =
1
2
.
1
T p
k
e
T p
−
+
Trong đó:
k: hệ số khuếch đại tĩnh
T1 thời gian trễ xấp xĩ
T2: hằng số thời gian
2.1.2.2 Xác định các tham số của hàm truyền đạt
Như đã trình bày ở phần trên, đối tượng điều khiển là động cư bơm có
hàm truyền đạt của mô hình toán học quán tính bậc nhất có trễ:

1
2
( )
1
T p
k
W p e
T p
−

=
+
Qua khảo sát thực nghiệm ta tìm được hàm truyền của động cơ bơm là:

p
e
p
pW
08.0
5.01
7.1
)(
−
+
=
Tác động đầu vào đối tượng là hàm nấc đơn vị u(t), ta có sơ đồ khối của
hệ hở:
W(p)


u(t) y(t)
Sơ đồ khố hệ hở với kích thích đầu vào hàm nấc đơn vị
Sử dụng phép xấp xỉ Pades cho thành phần trễ ở W(p):

p
p
e
p
08.05.01
08.05.01

08.0
×+
×−
≈
−
Suy ra
)(
)(
5027
854.3
)(
2
pu
py
pp
p
pW =
++
+−
=
Theo phương pháp số TUSTIN vẽ y(p) => y(t) thì:
Từ hàm ảnh p ta chuyển sang miền hàm ảnh z:
1
1
.
2
+
−
=
z

z
T
p
=>
2
2( 1)
3.4 85
( 1)
( )
2( 1) 54( 1)
50
( 1) ( 1)
z
T z
W z
z z
T z T z
−
− +
+
=
 
− −
+ +
 ÷
+ +
 
Sau khi biến đổi ta được biểu thức sau:
)(
)(

)45450()8100()45450(
)8.685(170)8.685(
)(
2222
2222
zu
zy
TTzTzTT
TTzTzTT
zW =
+−+−+++
+++−
=
=>
)()45450()(.)8100()(.)45450(
)().8.685()(.170)(.)8.685(
2222
2222
zyTTzyzTzyzTT
zuTTzuzTzuzTT
+−+−+++=
+++−
Từ đó ta tra bảng ảnh gốc:
- Hàm gốc pt sai phân: y(k) = y(z)
y(k+1) = z.y(z)
y(k+n) = z
)(. zy
n
- Hàm gốc pt vi phân:
)(. pyp

dt
yd
n
n
n
=
Suy ra
)45450(
)()45450()1().8100(
)45450(
)().8.685()1(.170)2().8.685(
)2(
2
22
2
222
++
+−−+−−
+
++
+++++−
=+
TT
kyTTkyT
TT
kuTTkuTkuTT
ky
Vì các biên độ: u(k+2) = u(k+1) = u(k) = 1 nên :

)45450(

)()45450()1().8100(340
)2(
2
222
++
+−−+−−
=+
TT
kyTTkyTT
ky
Rút gọn biểu thức:

)08.008.1(
)()08.008.1()1().16.02(8.6
)2(
2
222
++
+−−+−−
=+
TT
kyTTkyTT
ky


Biểu thức trên chỉ ra: đáp ứng đầu ra của hệ thống thay đổi thế nào khi
các kích thích đầu vào thay đổi sau mỗi lần lấy mấu. Trong đó y(k) và
y(k+1) lần lượt là các đáp ứng đầu ra thu được sau 2 lần lấy mẫu trước
đó.

2.2 ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG
Để biết được mô hình toán học của đối tượng có được nhận dạng đúng
với khảo sát qua thực nghiệm hay không hoặc để so sánh giữa 2 mô hình
lý thuyết và thực nghiệm ta phải tính toán được các giá trị y(k+2) sau mỗi
lần lấy mẫu.Điều này khá phức tạp nếu số lần lấy mẫu nhiều, chưa kể tới
sai số trong tính toán sẽ làm cho kết quả thu được không còn tính chính
xác.Với sự trợ giúp của máy tính, công việc tính toán này không nhữn dễ
dàng, nhanh chóng và chính xác hơn mà còn có tính trực quan nhờ công
cụ mô phỏng mạnh mẽ là MATLAB.Thêm nữa mô phỏng trên MATLAB
giúp chúng ta xác định ngay được các tham số của mô hình.
2.2.1 Mô phỏng đối tượng bằng phần mềm matlab
Chọn t = T: Chu kì lấy mẫu

Kết quả thu được như đồ thị hình sau: (Với chu kì lấy mẫu T = 0.02s)
Hình 2.4: Đáp ứng đầu ra của động cơ bơm khi kích thích đầu vào hàm nấc đơn vị

Trong quá trình nhận dạng đối tượng, ngoài bước quyết đinh về dạng
mô hình toán học và xác định các tham số của mô hình đó, bước mô
phỏng – kiểm chứng – đánh giá dựa theo các phương pháp toán học hoặc
tiêu chuẩn để kiểm tra lại các kết quả được xác đinh trước đó,thường là
trên cơ sở nhiều tệp dữ liệu khác nhau. Nếu chưa đạt yêu cầu, cần quay
lại một trong các bước trước.
Với sự trợ giúp của máy tính, chúng ta vừa mô phỏng đối tượng
thông qua lập trình trên Matbab. Trong hình 2-4, Matlab chỉ các rằng: đối
tượng có đáp ứng đầu ra là khâu quán tính bậc nhất có trễ với giá trị tại
trạng thái xác lập bằng hệ số khuếch đại tĩnh (k = 1,7). Điều này đúng với
hàm truyền tìm được thông qua khảo sát thực nghiệm
2.2.2 Xác định tham số theo phương pháp 2 điểm quy chiếu (The
Reaction Curve Method).
Các phương pháp nhận dạng quá trình trực tiếp dựa trên biểu đồ đáp

ứng quá độ rất được ưa chuộng với những người làn thực tế, bởi tính trực
quan và đơn giản. Tất nhiên, mức độ chính xác của các mô hình nhận
được thường là ở mức độ khiêm tốn bởi hai lí do:
• Mô hình sử dụng thường đơn giản (bậc thấp)
• Ảnh hưởng của nhiễu không được giải quyết tốt
Song đối với mức độ yêu cầu của một phần không nhỏ các bài toán
điều khiển quá trình thì người ta có thể bằng lòng với cách làm này.
Có 3 phương pháp để xác định các hệ số của mô hình FOPDT, đó là:
• Phương pháp kẻ tiếp tuyến
• Phương pháp hai điểm quy chiếu
• Phương pháp diện tích
Đối với phương pháp 1, việc kẻ tiếp tuyến để ước lượng các tham
số mô hình mang tính cảm nhận chủ quan, thiếu chính xác và khó thực thi
trên máy tính. Hơn nữa, nhiễu quá trình và thiếu đo có thể gây sai lệnh rất
lớn trong kết quả. Vì vậy, trong thực tế ta nên tránh áp dụng phương
pháp này.
Trong khi đó, nhược điểm của phương pháp 3 là khối lượng tính
toán xấp xỉ tích phân là rất lớn. Thêm nữa, kết quả tính toán các tham số
thời gian phụ thuộc một cách tương đối nhạy cảm vào các giá trị ước
lượng cho các hệ số khuếch đại tĩnh k. Chỉ cần giá trị k có sai số tương
đối nhỏ cũng có thể dẫn tới sai số lớn trong tính toán T1 và T2.
Vì vậy, để khắc phục một phần nhược điểm của phương pháp kẻ
tiếp tuyến cũng như giảm bớt khối lượng tinh toán xấp xỉ tích phân của
phương pháp diện tích nói trên ta có thể áp dụng phương pháp hai điểm
quy chiếu. Trong phương pháp này, ta dùng hai điểm quy chiếu tương
ứng với các giá trị 0,283∆y∞ và 0,632∆y∞ thay cho chỉ sủ dụng một
điểm.
Output

0.623∆y∞
∆y∞ = k. ∆u
0,283∆y∞
t (sec)
t1 t2
Hình 2.5: Phương pháp đồ thị đáp ứng quá độ sử dụng 2 điểm quy chiếu

Khi đó, theo kết quả tính toán trên MATLAB:
Đầu ra đối tượng đạt được giá trị: 0,283 ∆y∞ (= 0,283*1,7= 0,4811)
sau 27 lần lấy mẫu, tức là:
t1 = 27 * T = 27 * 0,01 = 0,27 (s)
Đầu ra đối tượng đạt được giá trị: 0,632∆y∞ (= 0,632*1,7= 1,0744)
sau 61 lần lấy mẫu, tức là:
t2 = 60 * T = 61 * 0,01 = 0,61 (s)
Vậy Với tín hiệu đầu vào là hàm nấc đơn vị (∆u = 1), dễ nhận thấy:
3 tham số (với T= 0,01s) là:







=−=−=
=−=−=
==
∆
∆
=
∞

1.051.061.0
51.0)27.061.0(5.1)(5.1
7.1
1
7.1
221
122
TtT
ttT
u
y
k
Tương tự, nếu tiếp tục giảm chu kỳ lấy mẫu, ta có các kết quả sau:
• T=0.005s
⇒



==
==
590.0005.0.118
255.0005.0.51
2
1
t
t



=−=

=−=
⇒
0875.05025.0590.0
5025.0)255.0590.0(5.1
1
2
T
T
• T=0.0016s



=−=
=−=
⇒



==
==
⇒
0824.05016.0584.0
5016.0)2496.0584.0(5.1
584.00016.0*365
2496.00016.0*156
1
2
2
1
T

T
t
t
Và được tổng hợp trong bảng dưới đây:
Thời gian lấy mẫu T (s) 0,0100 0,0050 0,0016 0,0010 0,0008
Hệ số khuếch đại tĩnh k 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7
Thời gian trễ xấp xỉ T1 (s) 0,1000 0,0875 0,0824 0,0820 0,0812
Hằng số thời gian T2 0,5100 0,5025 0,5016 0,5010 0,5004
• Nhận xét :
Tại giá trị chu kỳ lấy mẫu T = 0,0008 (giây), ta có:
Sai số tương đối:



=−=
=−=
0004,05,05004,0
0012,008,00812,0
2
1
T
T
ε
ε

Đây là những sai số chấp nhận được. Như vậy, khi giảm dần chu
kỳ lấy mẫu (tức là tăng tần xuất lấy mẫu), ta nhận thấy, các giá trị T1
và T2 dần tiến đến sát giá trị ban đầu được xác định qua thực nghiệm
(T1= 0,08 ; T2 = 0,5). Nói cách khác, quá trình nhận dạng đối tượng
dựa trên đáp ứng quá độ theo phương pháp kinh điển đã kiểm chứng

mô hình toán học của đối tượng được rút ra từ khảo sát thực nghiệm là
đúng.
Vậy, đối tượng điều khiển (động cơ bơm) có dạng truyền đạt:

p
e
p
pW
08,0
5,01
7,1
)(
−
+
=
2.3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
2.3.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID
2.3.1.1Giới thiệu về bộ điều khiển

Từ hơn sáu thập kỷ nay,PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong các
hệ thống điều khiển quá trình bởi các lý do sau:
-Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ hiểu và dễ sử dụng đối
với những người làm thực tế.
-Có rất nhiều phương pháp và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham
số của bộ điều khiển.
- Các luật điều khiển P, PI, PID thích hợp cho một phần lớn các quá
trình công nghiệp.
Nhiều báo cáo đã đưa ra các con ssos thống kê rằng hơn 90% bài toán
điều khiển quá trình công nghiệp được giải quyết với các bộ điều khiển
PID, trong số đó khoảng trên 90% thực hiện luật PI, 5% thực hiện luật P

thuần túy và 3% thực hiện luật PID đầy đủ, còn lại là những dạng dẫn
xuất khác.
Setpoint
output
process
+
-
e(t)
Kp
dt
de(t)
t
0
Kd
Ki
e(t)dt
t
0

Hình 2 sơ đồ khối bộ PID
2.3.1.2 Chỉnh định PID:
Các phương pháp chỉnh định tham số cho bộ PID được phân loại thành
5 nhóm chính như sau:
- Các phương pháp dựa trên đặc tính sử dụng một số đặc điểm của quá
trình và tính toán các tham số bộ điều khiển để thu được các đặc tính
vòng kín mong muốn.
- Các phương pháp mô hình mẫu tổng hợp bộ điều khiển dựa trên mô
hình toán học của quá trình và mô hình mẫu của hệ kín hoặc hệ hở
( đưa ra dưới dạng hàm truyền đạt hoặc đặc tính đáp ứng tần số ).
- Các phương pháp nắn đặc tính tần số theo quan điểm thiết kế truyền

thông, sử dụng mô hình hàm truyền đạt hoặc mô hình đáp ứng tần số
của quá trình và tính toán các khâu bù sao cho các đường đặc tính tần
số hệ hở hay hệ kín đạt được các chỉ tiêu thiết kế trên miền tần số
như dải thông, độ dự trữ biên và pha …
- Các phương pháp tối ưu tham số sử dụng mô hình toán học của quá
trình toán học của quá trình và xác định các tham số của bộ điều
khiển bằng cách cực tiểu hóa/ cực đại hóa một tiêu chuẩn chất lượng.
- Các phương pháp dựa trên luật kinh nghiệm bắt trước suy luận của
con người, có thể sử dụng cả đáp ứng của quá trình và các đặc tính
đáp ứng vòng kín mong muốn
2.3.1.3 Lựa chọn luật điều khiển:
Theo astrom và hangglund đưa ra một số nguyên tắc cơ bản sau:
- Chọn luật điều khiển PI là đủ nếu như quá trình có đặc tính của một
khâu quán tính bậc nhất và không có thời gian trễ, hoặc yêu cầu
chính là chất lượng điều khiển ở trạng thái xác lập, còn đặc tính bán
tín hiệu chử đạo trong quá trình quá độ không đặt ra hàng đầu. Thành
phần I có thể bỏ qua nếu đối tượng đã có đặc tính tích phân hoặc sai
lệch tĩnh không nhất thiết phải triệt tiêu.
- Chọn luật điều khiển PID nếu như quá trình có đặc tính của khâu bậc
2 và thời gian trễ tương đối nhỏ.
- Đối với các quá trình có thời gian trễ lớn cần sử dụng các khâu bù trễ
- Sử dụng các khâu bù nhiễu nếu khả năng thực hiện cho phép để cải
thiện chất lượng điều khiển.
- Các luật điều khiển P, PI, PD có thể chưa đáp ứng được yêu cầu đặt
ra về chất lượng điều khiển đối với các quá trình bậc cao, thời gian
trễ lớn hoặc giao động mạnh. Khi đó cần sử dụng các thuật toán điều
khiển tiên tiến hoặc các sách lược điều khiển đặc biệt hơn.
Kết luận: Từ 5 nguyên tăc trên với nhu cầu đáp ứng theo hệ thống
trong đồ án có đối tượng đáp ứng là bậc nhất thì chúng em đưa ra kết
luận sử dụng luật điều khiển P hoặc PI. Vì quá trình và cảm biến trong

vòng điều khiển áp suất nhanh hơn thiết bị chấp hành. Quá trình có đặc
tính tích phân nên sử dụng luật P cho điều khiển lỏng và luật luật PI cho
điều khiển chặt (thời gian tích phân lớn ). Nhưng do yêu cầu cao hơn về
độ chính xác vì lý do an toàn trong quá trình đo. Ngoài ra còn khâu PID
thường đáp ứng với khâu quán tính bậc 2. Và thành phần vi phân D ýt
sử dụng bởi thực sự không cần thiết, hơn nữa phép đo áp suất ýt khi có
sự ảnh hưởng của nhiễu. Nên trong quá trình đo áp suất không sử dụng
luật PID.
Cách chọn luật điều khiển cũng như sự cần thiết sử dụng các sách lược
bổ sung tóm tắt trong bảng sau:
ST
T
Điều kiện
Điều
khiển
Điều khiển chặt
Nhiễu đo lớn Giới hạn
điều
khiển nhỏ
Nhiễu đo
nhỏ và giới
hạn điều
khiển lớn
1

1
1
1
1,5k
θ

>
<
I I+FFC+
(DTC)
PI+FFC
+(DTC)
PI+FFC+DT
C
2

1
1
0,6 1
1,5 2,25k
θ
< >
< <
I or
PI
I+(FFC) PI+
(FFC)
PI+FFC+DT
C
3

1
1
0,15 0,6
2,25 15k
θ

< <
< <
PI
PI PI or
PID
PDI
4

1 1
2 2
0,15; 1,5
0.3; 2
k
k
θ
θ
< >
> <
P or
PI
PI PI or
PID
PI or PID
5

1
2
0,3
2k
θ

<
>
PD+
S
PW
PPT PD
+SPW
PD +SPW
Ghi chú
FFC : bù nhiễu lọc nhiễu(Feed Forward compensation)
DTC ; bù trễ(Dead time compensation)
SPW : trọng số tín hiệu đặt (SetPoint Weighting)
PPT : chỉnh đặt điểm cực(pole Placement Tuning)
Đối với đối tượng có mô hình là khâu quán tính bậc nhất có trễ:
G(p) =
1
2
1
T p
k
e
T p
−
+
Hệ số khuếch đại chuẩn hóa và thời gian trễ chuẩn hóa là :

1
( )
u
k

k
G j
ω
=
và
1
1
2
T
T
θ
=

Từ các hệ số trên áp dụng vào quá trình đo áp suất với đối tượng điều
khiển có hàm truyền đạt được xác định ở phần dưới:

0.08
1.7
W( )
1 0.5
p
p e
p
−
=
+
Khi đó ta xác định được:

1
1

2
0,08
0,16
0,5
T
T
θ
= = =
Dựa theo bảng trên ta thấy đối tượng trên sử dụng luật điều khiển PI
hoặc luật PID do
1
θ
=0,16 nên thuộc vào trường hợp 3 trong bảng trên.
Từ các nhận xét trên, chúng ta thấy lựa trọn luật điều khiển PI cho đối
tượng cụ thể trong đồ án này là phù hợp.
2.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID
Xét hệ thống điều khiển PI có cấu trúc vòng kín như hình vẽ sau:
Trong đó:
r : là tín hiệu đặt
y : tín hiệu đáp ứng đầu ra(Process value)
e : tín hiệu sai lệch,sai số(e=SP-PV)
u : là tín hiệu đầu ra bộ điều khiển
2.3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển PI theo ziegler-Nichols
Nội dung chính của phần này là trình bây cách tổng hợp bộ điều khiển PI
sao cho tín hiệu ra của hệ thống(y) bám vào giá trị đặt là giá trị mà chúng
ta mong muốn ở đầu ra hệ thống
Mô phỏng hệ thống dùng bộ điều khiển PI với sự trợ giúp của máy tính
Phương trình vi phân mô tả hiệu chỉnh PI là:
u(t) = K
P

e(t) + K
I
∫
dt)t(e

K
P
: hệ số khâu tỉ lệ.
K
I
: hệ số khâu tích phân.
K
D
:hệ số khâu vi phân.
Biến đổi Laplace:
( ) 1
W ( ) . 1
( )
PI c
ip
u p
p k
e p T
 
= = +
 ÷
 ÷
 
trong đó:
,

P D
i D
I P
K K
T T
K K
= =

Trong đó
Kc là hệ số khuếch đại
Ti :thời gian tích phân
Từ hàm truyền đạt trên miền ảnh laplace ta chuyến sang miền ảnh Z
Theo tustin thì
p=
2 1
1
Z
T Z
−
 
 ÷
+
 
với T là chu kỳ trích mẫu
ta thay vào biểu thức W
PI
ta được biểu thức
W
PI
(z)=kc+

. ( 1)
2. .( 1)
c
i
k T z
T z
+
−
=
( )
( )
z
z
u
e
2.3.2.2Hai phương pháp xác định tham số PID của Ziegler-Nichols
+Phương pháp 1:
Sử dụng dạng mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất có trễ của đối tượng
điều khiển

( )
.
1
Ls
S
S
k e
S
T
−

=
+
+Phương pháp 2:
Không dùng đến mô hình toán học của đối tượng,nhưng chỉ áp dụng cho
1 lớp các đối tượng nhất định
Nhận xét:
Do hàm truyền đối tượng là động cơ bơm là khâu quán tính bậc nhất có
trễ

1
( )
2
.
W
1
T p
p
p
k e
T
−
=
+
Nên ta sẽ chọn phương pháp 1 để tìm tham số PID cho hệ thống
Các tham số của bộ điểu khiển thực dụng sẽ được chỉnh định theo luật
tương ứng tóm tắt bảng dưới đây:
Luật điều khiển kc Ti Td
P
2
1

.
T
k T

PI
2
1
0,9
.
T
k T
3,3T
1
PID
2
1
1,2T
kT
2 T
1
0,5 T
1
2.3.2.3 Mô phỏng trên miền laplace
-Lệnh C2D : chuyển đổi từ hệ liên tục sang hế gián đoạn
Cú pháp
sysd = c2d(sys,Ts,’method’)
Ts : là thời gian trích mẫu
với ’method’ là:
‘zoh’ chuyến sang hệ gián doạn thừa nhận một khâu giữ bậc 0 ở ngõ vào
‘foh’ chuyến sang hệ gián doạn thừa nhận một khâu giữ bậc 1 ở ngõ vào

‘tustin’ chuyến sang hệ gián doạn sử dụng phép gần đúng song tuyến
TUSTIN với đạo hàm
Trong bài này ta dùng phương pháp theo TUSTIN
-Lệnh STEP : Tìm đáp ứng nấc đơn vị
Cú pháp
Step(sys)
Step(sys,t) : vẽ đáp ứng nấc đơn vị theo thời gian t do người sử dụng xác
định vector t chỉ ra những thời điểm mà tại đó đáp ứng nấc được tính
t = 0 : dt : Tfinal
2.3.3 chương trình mô phỏng hàm truyền của hệ với sự tác động của
bộ PI
kc=input('nhap he so khuyech dai kc= ')
%============ ki=kc/Ti ====================
ki=input('nhap he so khuyech dai ki= ')
%============ khai báo ham truyền đối
tượng===========
num=[-3.4 85]
den=[1 27 50]
h=tf(num,den)
g=c2d(h,0.01,'tustin')
num1=[0 kc ki]
den1=[1 0]
q=tf(num1,den1)
c=c2d(q,0.01,'tustin')
A=c*g
B=feedback(A,1)
t=0:0.01:1.5;
step(B,t)

sau khi thực hiện chương trình ta có kết quả trên comand window

Transfer function:
-3.4 s + 85

s^2 + 27 s + 50


Transfer function:
-0.01309 z^2 + 0.00374 z + 0.01683

z^2 - 1.758 z + 0.7624

Sampling time: 0.01
num1 =
0 3.7500 14.2040
den1 =
1 0

Transfer function:
3.75 s + 14.2

s


Transfer function:
3.821 z - 3.679

z - 1

Sampling time: 0.01

Transfer function:
-0.05002 z^3 + 0.06245 z^2 + 0.05055 z - 0.06192

z^3 - 2.758 z^2 + 2.52 z - 0.7624

Sampling time: 0.01

Transfer function:
-0.05002 z^3 + 0.06245 z^2 + 0.05055 z - 0.06192

0.95 z^3 - 2.696 z^2 + 2.571 z - 0.8243

Sampling time: 0.01
Kết quả mô phỏng cho từng trường hợp
a, trường hợp
kc= 225/68
Ti=0,264
ki=kc/Ti=12,533 (s)
b, trường hợp
giữ nguyên kc= 225/68 ki=kc/Ti=8 (min)