đồ án Thiết kế tính toán điều khiển mức nước cho đối tượng bình chứa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Viện Điện
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP

BKNS

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
Đề tài: Thiết kế tính toán điều khiển mức nước cho đối tượng bình chứa.

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Huy Phương
Sinh viên thực hiện:

Phạm Văn Sơn

MSSV:

20122631

Lớp:

ĐK & TĐH 03 - K57

Hà Nội, tháng 5 năm 2016
Lời nói đầu


Ts. Nguyễn Huy Phương

Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

2


Ts. Nguyễn Huy Phương

Mục Lục

Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

3


Ts. Nguyễn Huy Phương

Chương 1: Phương trình trạng thái cho đối tượng bình mức
1.1

Giới thiệu về bình mức chứa chất lỏng.
Bình chứa là một đối tượng rất quan trọng và thông dụng trong hệ thống

điều khiển quá trình. Bài toán đặt ra cho mọi bình chứa là duy trì trữ lượng
vật liệu trong bình tại một giá tri hoặc trong một phạm vi mong muốn, tùy
theo chức năng sử dụng của bình chứa. Đại lượng cần được quan tâm đối với
hệ thống bình chứa chất lỏng là giá trị mức hoặc thể tích. Đối với chất khí
hoặc hơi ta quan tâm tới áp suất, đối với bình chứa chất rắn ta quan tâm tới
mức hoặc khối lượng vật liệu. Trong thực tế bình chứa có những chức năng
sau về mặt công nghệ:
- Bình chứa quá trình: Tạo không gian và thời gian thực hiện các quá
-

trình công nghệ.
Bình chứa trung gian: Giảm tương tác giữa các quá trình liên tiếp
nhau, giảm thiểu sự biến thiên của các đại lượng đầu vào, giúp quá

-

trình vận hành trơn tru và dễ điều khiển hơn.
Bình chứa cấp chất lỏng: Đảm bảo cột áp để duy trì hoạt động bình
thường cho các máy bơm cấp.

Đối với bình chứa chất lỏng có chức năng trung gian để giản tương tác
và giảm nhiễu, mục đích điều khiển là đảm bảo hệ thống vận hành ổn định
như vậy mức nước trong bình chỉ cần khống chế trong một phạm vi an toàn.
Đối với bình chứa quá trình giá trị mức phải được giữ chính xác ở một giá trị
đặt.

Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

4


Ts. Nguyễn Huy Phương

1.2

Mô hình bình mức.

Hình 1: Mô hình bình mức.

Các ký hiệu và thông số tại điểm làm việc:

Ký hiệu
F1

Ý nghĩa
Lưu lượng nước vào

F2

Lưu lượng nước ra

h

Mức nước trong bình

0.5

m

Cv

Hệ số cỡ van

2.5.10-5

m3/s.kPa0.5

p

Độ mở van

50

%

∆P

Độ chênh áp qua van

gs

Trọng lượng riêng của chất lỏng

1

A

Tiết diện bình chứa

1

Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

Giá trị ổn định

Đơn vị
m3/s

kPa

5

m2


Ts. Nguyễn Huy Phương

1.2.1

1.2.2

Xác định các biến quá trình.

Hình 2: Các biến quá trình trong mô hình bình mức.
Biến điều khiển: p
Biến cần điều khiển: h
Biến nhiễu: F1
Phương trình mô tả trạng thái của bình mức.
Phương trình cân bằng vật chất của quá trình:
Với:

F2(t) = Cv.p.

Coi ∆P = ρg∆h = ρgh với
ρ là khối lượng riêng của chất lỏng
g là hằng số gia tốc trọng trường
h là mức chất lỏng trong bình
Trong đó: ∝=
Ta có phương trình mô tả trạng thái của bình mức:
1.2.3

Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc.
Hầu hết mô hình toán học xây dựng bằng phương pháp lý thuyết cho các

quá trình thực đều chứa các phương trình vi phân phi tuyến. Nhưng hiện nay
Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

6


Ts. Nguyễn Huy Phương
đa số các phương pháp phân tích và thiết kế điều khiển đều dựa trên mô hình
tuyến tính. Vì thế ta cần tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc bằng cách
sử dụng khai triển Taylor.
Biến thiên mức nước là hàm phụ thuộc vào lưu lượng vào, độ mở van và
cả mức. Tại điểm làm việc đạo hàm của h bằng 0 nên:
Ta dùng kí hiệu ngang trên () để chỉ giá trị một biến tại điểm làm việc và
kí hiệu (∆*) biểu diễn biến chênh lệch so với giá trị tại điểm làm việc.
Ta có:
Laplace 2 vế ta được:
A.s.H(s) = F1(s) -

Chương 2: Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng
bình mức
2.1. Mô hình hóa đối tượng.
Từ phương trình:
Đặt các biến ra y=h; biến vào u=p; biến nhiễu d=F1.
Ta có y = - +
Hàm truyền mô tả quan hệ giữa đầu ra độ mở van p với h:
Hàm truyền mô tả quan hệ giữa nhiễu F1 với h:
Thay các thông số ở điểm làm việc:

Cv = 2.5.10-5 m3/s.kPa0.5
A = 1 m2;
;
;
Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

7


Ts. Nguyễn Huy Phương
=1000
Ta được G(s) = ; Gd(s) = .
2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID.
2.2.1 Các phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh PID.
Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng
SISO theo nguyên lý phản hồi. Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi là vì tính
đơn giản cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai
lệch tĩnh e của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu
cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch e càng lớn thì thông qua thành phần u p, tín hiệu điều
-

chỉnh u càng lớn.
Nếu sai lệch e chưa bằng 0 thì thành phần u I, PID vẫn tạo tín hiệu

-

điều chỉnh.
Nếu sự thay đổi của sai lệch e càng lớn thì thông qua thành phần u D,
phản ứng thích hợp của u càng nhanh.

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra:
u(t) = Kp [ e(t)+]
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu ra, K p là hệ số khuếch
đại, Ti là hằng số thời gian tích phân, Td là hằng số thời gian vi phân.
Ta thu được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là:
R(s) = Kp(1++Tds)
Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

8


Ts. Nguyễn Huy Phương
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, Ti, Td. Muốn hệ
thống có chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi chọn các
tham số phù hợp. Hiện nay có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ
điều khiển PID nhưng phổ biến cho đối tượng quán tính bậc nhất vẫn là:
- Phương pháp Ziegler-Nichol.
- Phương pháp Chien-Hrones-Reswick.
a. Phương pháp Ziegler-Nichol thứ nhất.
Phương pháp thứ nhất sử dụng dạng mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất
có trễ của đối tượng điều khiển G(s) = . Phương pháp thực nghiệm này có
nhiệm vụ xác định các tham số K p, Ti, Td cho bộ điều khiển PID để hệ kín
nhanh chóng trở về chế độ xác lập và độ quá điều chỉnh không vượt quá giới
hạn cho phép, khoảng 40% giá trị xác lập. Từ ba tham số L (hằng số thời gian
trễ), K (hệ số khuếch đại) và T (là hằng số thời gian quán tính) ta có thể xác
định tham số bộ điều khiển:
- Nếu chỉ sử dụng bộ điều khiển khuếch đại R(s)=Kp thì chọn Kp=
- Nếu sử dụng bộ PI có R(s)=Kp (1+) thì chọn Kp = và Ti=
- Nếu sử dụng PID có R(s)=Kp (1+) thì chọn Kp = ,Ti= và Td =L/2

b. Phương pháp Ziegler-Nichol thứ hai.
Phương pháp này có đặc điểm là không sử dụng mô hình toán học ngay
cả mô hình xấp xỉ gần đúng.
Phương pháp Ziegler-Nichol thứ hai thay bộ điều khiển PID trong hệ kín
bằng bộ khuếch đại. Sau đó tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ
kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa rồi xác
định chu kì Tth của dao động.
Từ đó xác định tham số cho bộ điều khiển P, PI, PID.
- Nếu chỉ sử dụng bộ điều khiển khuếch đại R(s)=Kp thì chọn Kp=kth
- Nếu sử dụng bộ PI có R(s)=K p (1+) thì chọn Kp =0.45kth và
-

Ti=0.85Tth
Nếu sử dụng PID có R(s)=Kp (1+) thì chọn Kp =0.6kth, Ti= và Td

=0.12Tth
c. Phương pháp Chien- Hrones- Reswick.
Về mặt nguyên lý phương pháp Chien- Hrones- Reswick gần giống với
phương pháp Ziegler-Nichol, song nó không sử dụng mô hình tham số gần
đúng dạng quán tính bậc nhất có trễ cho đối tượng mà sử dụng ngay hàm quá
Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

9


Ts. Nguyễn Huy Phương
độ của đối tượng. Phương pháp Chien-Hrones- Reswick cũng phải giả thiết
rằng đối tượng là ổn định, hàm quá độ h(t) không dao động và có dạng chữ S
tức là luôn có đạo hàm âm. Tuy nhiên phương pháp này thích hợp với những
đối tượng bậc cao như khâu quán tính bậc n và hàm h(t) thỏa mãn b/a>3 (b=T,

a=L).

Hình 3: Hàm quá độ của đối tượng thích hợp cho phương pháp ChienHrones- Reswick
Từ dạng hàm quá độ, Chien- Hrones- Reswick đã đưa ra 4 cách xác định
tham số bộ điều khiển ứng với các yêu cầu chất lượng như sau:
- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh:
+ Bộ điều khiển P: chọn Kp =
+ Bộ điều khiển PI: chọn Kp = , Ti=4L
+ Bộ điều khiển PID: chọn Kp = , Ti = 12L/5, Td=21L/50
-

Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ qua điều chỉnh
không vượt quá 20%.

+ Bộ điều khiển P: chọn Kp =
+ Bộ điều khiển PI: chọn Kp = , Ti=T
+ Bộ điều khiển PID: chọn Kp = , Ti = 1.35T, Td =0.47L

Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

10


Ts. Nguyễn Huy Phương

2.2.2 Tính toán thông số bộ điều khiển.
Đối tượng bình mức có hàm truyền đạt G(s) = của độ mở van p so với
mức nước h. Trong điều khiển mức, đặc tính động học của cảm biến và của
thiết bị chấp hành rất nhanh so với quá trình và khi thay đổi độ mở van sau
một thời gian trễ L thì mức nước mới thay đổi. Vì vậy t xấp xỉ đối tượng như

một khâu quán tính bậc nhất có trễ G(s) =. Chọn thời gian trễ L=100(s).
Để thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng ta sử dụng phương pháp ZieglerNichol thứ nhất để xác định thông số cho bộ điều khiển. Ta chọn bộ điều
khiển ở đây là PI có dạng R(s)=Kp (1+) =P+I/svới:
Hệ số Kp = = = -2.94 hay P=-2.94
Hệ số Ti==10*100/3 =1000/3 hay I=-8.82*.
Bộ điều khiển PI: R(s)= -2.94+

Chương 3: Mô phỏng trên Matlab – Simulink.
3.1 Mô phỏng sử dụng bộ PI chưa chỉnh định và chưa sử bụng bộ bù
nhiễu.
Ta có sơ đồ điều khiển

Với sơ đồ điều khiển này ta có kết quả mô phỏng:

Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

11


Ts. Nguyễn Huy Phương

Khi chưa chỉnh định bộ PI và chưa thiết kế bộ bù nhiễu thì đường đặc tính h
đã bám theo giá trị đặt nhưng độ quá điều chỉnh còn rất lớn lên đến 180% và
thời gian quá độ lâu khoảng 2700s.
3.2 Mô phỏng sử dụng bộ PI chưa chỉnh định có sử bụng bộ bù nhiễu.
Sơ đồ cấu trúc điều khiển:

Tính toán bộ bù nhiễu:

Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

12


Ts. Nguyễn Huy Phương
Đầu ra của hệ chịu ảnh hưởng của nhiễu F1(s). Để hệ bất biến với nhiễu
ta đưa thêm vào hệ khâu bù nhiễu, với cấu trúc như hình vẽ. Hệ tuyến tính với
hai đầu vào r và d sử dụng nguyên lý xếp chồng, khi đầu vào là d thì r= 0.
Ta có: y = d.Gd + (r-y-d.Rd).Gs.Rs
y.(1+Rs.Gs) = d.(Gd-Rs.Rd.Gs) +r.Gs.Rs
Vì tín hiệu vào r = 0 nên để hệ bất biến với nhiễu d thì đầu ra y=0.
Suy ra Gd – Rd.Rs.Gs = 0
Rd = = =
Với bộ điều khiển PI: R(s) = -2.94+
Ta được Rd =
Mô phỏng trên matlab- simulink ta thu được kết quả:

Sau khi thiết kế thêm bộ bù nhiễu thì đường đặc tính h vẫn bám theo giá
trị đặt, độ quá điều chỉnh đã giảm mạnh từ 180% xuống còn khoảng 46%, thời
gian quá độ cũng giảm so với lúc chưa thiết kế bù nhiễu Tqd = 2500s.
3.3 Chỉnh định thông số bộ điều khiển PID kết hợp bù nhiễu.
Mặc dù đã sử dụng thêm bộ bù nhiễu nhưng như đồ thị trên ta thấy độ
quá điều chỉnh vẫn còn khá lớn (46%) và thời gian quá độ tương đối lâu. Để
Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

13


Ts. Nguyễn Huy Phương
hạn chế độ quá điều chỉnh cũng như thời gian quá độ của hệ ta cần chỉnh định

lại thông số của bộ PI một cách thích hợp.
Dưới đây ta sẽ giới thiệu việc chỉnh định thông số bộ điều khiển nhờ sử
dụng công cụ PID Tuner trong Simulink. Đây là một công cụ khá hữu ích
trong viêc chỉnh định thông số cho bộ điều khiển PID một cách tự động.

Đầu tiên mở hộp thoại Funcion Block Parameter bằng cách kích đúp vào
khối PID controller.
Tiếp theo ta nhấn trái chuột vào Tune… hộp thoại PID Tuner xuất hiện,
tại đây ta có thể điều chỉnh thời gian đáp ứng nhanh, chậm và độ quá điều
chỉnh lớn nhỏ rồi hệ thống sẽ đưa ra các hệ số của bộ PI tương ứng. Để cập
nhật các thông số này t chỉ cần nhấp chuột vào biểu tượng Update Block ở
góc trên bên phải hộp thoại. Cuối cùng ta tắt hộp thoại PID Tuner đi và chạy
mô phỏng với bộ điều khiển mới.

Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

14


Ts. Nguyễn Huy Phương

Sau khi cập nhật các tham số của bộ điều khiển, ta thu được bộ điều
khiển là khâu PI:
R(s)= -1.2564+
Thay bộ điều khiển mới vào ta tính được công thức của bộ bù nhiễu mới
là:
Rd =
Cuối cùng ta thu được kết quả mô phỏng như sau:

Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

15


Ts. Nguyễn Huy Phương

Dựa vào đồ thị ta thấy: Sau khi chỉnh định bộ điều khiển PID thì độ quá
đã giảm nhiều chỉ còn 14% và thời gian quá độ chỉ còn 2000s.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB khoa
học và kỹ thuật, 2004.
[2] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, NXB Bách
khoa Hà Nội, 2006.
Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

16


Ts. Nguyễn Huy Phương
[3] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển
tự động, NXB khoa học kỹ thuật, 2005.
[4] Nguồn Internet.

Sv: Phạm Văn Sơn-20122361

17