Thiết kế bộ điều khiển thích nghi thuật toán điều chỉnh hàm số cho đối tượng bồn nước đôi c5

82

CHƯƠNG 5
THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỰC HỆ BỒN
NƯỚC ĐÔI NỐI TIẾP

5.1 Giới thiệu về mô hình

1

2

3

4
4

5

Hình 5.1: Mô hình thực hệ bồn nước đôi nối tiếp
1 – Cảm biến áp suất đo mực nước trong bồn.
2 – Bồn nước 1 và bồn nước 2


83

3 – Bể chứa nước
4 – Bơm nước DC
5 – Khối nguồn và mạch công suất
1

2

3

Hình 5.2: Khối nguồn và mạch công suất
1 – Bo công suất điều khiển 2 bơm nước DC
2 – Nguồn 24VDC, cấp nguồn cho bơm nước
3 – Nguồn 5VDC, cấp nguồn cho mạch điều khiển và cảm biến áp suất
5.2 Mô tả cấu trúc phần cứng
5.2.1 Cảm biến áp suất
Mô hình bốn nước đôi nối tiếp sử dụng cảm biến áp suất nước của hãng
Freescale để đo mực nước trong hai bồn.


84

Hình 5.3: Cảm biến áp suất nước MPVZ5004GW7U
Thông số kỹ thuật:
- Hãng sản xuất: Freescale Semiconductor
- Mã số: MPVZ5004GW7U
- Dải áp suất đo: 0 ÷ 3.92 kPa (Tương đương 0 ÷ 400 mmH2O)
- Điện áp nguồn cung cấp: 4.75 ÷ 5.25 VDC
- Điện áp đầu ra: 1 ÷ 4.9 V
- Số chân: 8

Hình 5.4: Sơ đồ chân của cảm biến
Nguồn cung cấp được cấp vào chân 2 và 3, điện áp ngõ ra ở chân số 4.
Các chân còn lại không sử dụng.

85

Hình 5.5: Mạch lọc ngõ vào và ngõ ra cho cảm biến
5.2.2 Bơm nước DC
Mô hình sử dụng hai bơm nước 24VDC để bơm nước vào hai bồn

Hình 5.6: Bơm nước DC
Thông số kỹ thuật:
- Hãng sản xuất: Daikin
- Điện áp nguồn cung cấp: 24VDC
- Áp suất nước: 110 psi
- Lưu lượng nước: 1 lít/phút


86

5.2.3 Bo công suất
Bo công suất điều khiển tốc độ hai bơm nước DC bằng tín hiệu analog.

Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý bo công suất

4
5
6

1
2
3
Hình 5.8: Bo công suất điều khiển hai bơm nước

87

1 – Ngõ vào analog 2 điều khiển bơm nước 2
2 – Ngõ vào analog 1 điều khiển bơm nước 1
3 – Cấp nguồn 5VDC cho bo công suất
4 – Cấp nguồn cho động cơ 2
5 – Cấp nguồn 24VDC
6 – Cấp nguồn cho động cơ 1
5.2.4 PLC S7-200 và Module analog EM235
Matlab giao tiếp với PLC S7-200 để đọc và ghi dữ liệu.
Mô hình sử dụng hai module analog EM235, mỗi module có 4 ngõ vào
analog và một ngõ ra analog. Sử dụng 2 ngõ vào analog để nhận tín hiệu từ
cảm biến áp suất và 2 ngõ ra analog điều khiển bo công suất để điều khiển hai
bơm nước.

Hình 5.9: Module analog EM235


88

Thông số kỹ thuật của module analog EM235:
-

Hãng sản xuất: Siemens

-

Số ngõ vào analog: 4

-

Tín hiệu ngõ vào:
+

Điện áp: 0 – 10V/ 0 – 5V

+

Dòng điện: 0 – 20mA

-

Số ngõ ra analog: 1

-

Tín hiệu ngõ ra:

-

+

Điện áp : 0 – 10V

+

Dòng điện: 0 – 20mA

Nguồn nuôi: 24VDC

Hình 5.10: PLC S7-200 CPU226
5.3 Điều khiển mô hình thực và so sánh các kết quả điều khiển
Điều khiển mô hình thực bằng Simulink của Matlab giao tiếp với PLC.
Trong Matlab simulink hỗ trợ công cụ OPC Toolbox cho phép Matlab giao
tiếp với PLC thông qua phần mềm OPC KEPServerEx V4.0.


89

Thuật toán điều khiển được xây dựng trên Simulink của Matlab. Tín hiệu
phản hồi được đưa vào ngõ vào analog của module EM235, sử dụng lệnh
OPC Read trong Simulink của Matlab để đọc tín hiệu phản hồi từ PLC.
Sau khi Matlab thực hiện các phép tính bằng các thuật toán đã lập trình,
sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển, sử dụng lệnh OPC Write để truyền dữ liệu điều
khiển xuống PLC, tín hiệu điều khiển sẽ được xuất ra ngõ ra anolog của
module EM235 để điều khiển bo công suất, điều khiển tốc độ của bơm nước.

Hình 5.11: Công cụ OPC Toolbox trong Matlab simulink
Trong OPC Toolbox của Matlab simulink chúng ta sử dụng 3 lệnh: OPC
Configuration, OPC Read và OPC Write.


90

Lệnh OPC Configuration:

Lệnh OPC Configuration sử dụng để cấu hình cho phép Matlab giao tiếp
với OPC.
Lệnh OPC Read:

Lệnh OPC Read sử dụng để đọc dữ liệu từ PLC lên Malab thông qua
phần mềm OPC.
Lệnh OPC Write:

Lệnh OPC Write sử dụng để ghi dữ liệu từ Malab xuống PLC thông qua
phần mềm OPC.
5.3.1 Điều khiển mô hình thực với thuật toán phản hồi biến trạng thái
bằng phương pháp gán cực
Luật điều khiển:

u(t )  Kx(t )

Trong đó K là ma trận phản hồi trạng thái.


91

Hình 5.12: Chương trình điều khiển với bộ điều khiển gán cực trên Matlab
simulink

Hình 5.13: Bộ điều khiển gán cực


92

Hình 5.14: Kết quả điều khiển trên mô hình thực
Qua kết quả trên ta thấy, với bộ điều khiển gán cực cho ra được đáp ứng
mong muốn. Tuy nhiên trong quá trình quá độ tín hiệu bị dao động và có độ
vọt lố, điều này làm tăng thời gian đáp ứng.

5.3.2 Điều khiển mô hình thực với bộ điều khiển LQR
u  t   Kx  t   R 1BT Sx  t 

Luật điều khiển tối ưu:

Trong đó K là ma trận tối ưu thỏa mãn chỉ tiêu chất lượng:


1
J    xT Qx  uT Ru  dt
20


93



Chọn: J 

1
 q11 x12 (t )  q22 x22 (t )  r11u12 (t )  r22u22 (t )  dt

20

Trong đó Q là ma trận xác định dương (hoặc bán xác định dương)

0
q
Q   11


 0 q22 
Và R là ma trận xác định dương

0
r
R   11

 0 r22 
S(t) là nghiệm của phương trình vi phân Riccati:
AT S  SA  SBR 1BT S  Q  0

Trong phần mềm Matlab – Simulink sử dụng lệnh sau để tính ma trận K:
K = lqr(A,B,Q,R)

Hình 5.15: Chương trình điều khiển với bộ điều khiển LQR trên Matlab
simulink


94

Hình 5.16: Bộ điều khiển LQR

Hình 5.17: Kết quả điều khiển trên mô hình thực
Qua kết quả trên ta thấy, với bộ điều khiển LQR cho ra được đáp ứng
mong muốn. Tuy nhiên trong quá trình quá độ tín hiệu bị dao động và có độ
vọt lố, điều này làm tăng thời gian đáp ứng.


95

5.3.3 Điều khiển mô hình thực với bộ điều khiển thích nghi thuật toán
hàm Gauss
ˆ (t )Φ(x)
Luât điều khiển thích nghi: ua (t )  K A (t )x(t )  K B (t )u0 (t )  K
δ

K A (t )  (Γ A PB me(t )xT (t )  A K A )

T
K B (t )  (ΓB (PB me(t )u 0 (t )  BK B )

ˆ (t)  Γ PB e(t )ΦT (x)   K
K
δ
δ
m
δ
δ

Luật chỉnh định:

Trong đó: Γ A , ΓB , Γδ – là các hệ số khuếch đại dương của bộ hiệu chỉnh.

A , B , δ –

là các hệ số hiệu chỉnh vô hướng.

P  PT  0 – là ma trận đối xứng xác định dương thỏa mãn
phương trình Lyapunov sau đây:

ATm P  PAm  G
Mô hình chuẩn:

( G  G  0 )

xm (t )  Am xm (t )  Bmu0 (t )

Hình 5.18: Chương trình điều khiển với bộ điều khiển thích nghi thuật toán
hàm Gauss trên Matlab simulink


96

Hình 5.19: Bộ điều khiển thích nghi

Hình 5.20: Mô hình chuẩn

Hình 5.21: Cơ cấu hiệu chỉnh


97

Hình 5.22: Kết quả điều khiển trên mô hình thực
Qua kết quả trên ta thấy, với bộ điều khiển thích nghi thuật toán hàm
gauss cho ra được đáp ứng mong muốn. Tín hiệu ra bám sát theo tín hiệu của
mô hình chuẩn. Trong quá trình quá độ tín hiệu ra không có độ vọt lố và ít
dao động.