ĐIỀU CHỈNH mức nước CHO KÊNH THỦY NÔNG

Trần Ninh Linh-DAHP


LỜI MỞ DẦU
Ngày nay do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu đã gây ra nhiều hiện
tượngthời tiết cực đoan như lũ lụt, hạn hán, nhiệt độ trái đất tăng, sóng thần…đã
làm ảnh hưởng lớn đến cuộc sống của con người. Nước ta là một trong những
nước chịu ảnh hưởng nặng nề từ biến đổi khí hậu, vì vậy xây dựng một hệ thống thủy
lợi quy mô lớn, hiện đại là vấn đề cần thiết đối với nước ta. Với sự phát triển của khoa
học kĩ thuật, chất lượng hệ thốngthủy ngày càng được nâng cao đặc biệt là khả năng
áp dụng các bộ điều khiển lôgic vào việc tự động hóa
cũng như điều khiển hệ thốnggiúp hệ thống điều khiển linh hoạt, nhanh, chính
xác.Sau đây em xin trình bày đề tài “ Hiệu chỉnh mức nước cho đoạn thủy nông” đây
là mô hình thu nhỏ của hệ thông hồ đập trong nước ta giúp sự điều tiết mức nước hợp
lý trong hồ đập.
Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành đề tài song do giới hạn về thời
gian,cũng như kiến thức nên nội dung còn thiếu sót.Em mọi sự góp ý của thầy cũng
như các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên : Trần Ninh Linh

Trần Ninh Linh-DAHP


MỤC LỤC
LỜI MỞ DẦU.
CHƯƠNG I. Tìm hiểu Matlap và Simulink
I.MATLAP
1.1.Khái niệm chung
1.2.Hàm truyền trong Matlap
1.3.Các lệnh và cách vẽ đồ thị trong Matlap

1.4.Tổng quan về Control system toolbox.
II.SIMULINK
2.1. Giới thiệu về Simulink
2.2. Một số thư viện simulink
CHƯƠNG II. Hiệu chỉnh mức nước cho đoạn thủy nông
I.ĐẶT VẤN ĐỀ
II.MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG
2.1.Phương trình động học ,hàm truyền của hệ thống
2.1.1. Dùng phương pháp giải tích :
2.1.2. Cho các thông số
2.1.3 .vẽ đồ thị hàm quá độ ,hàm trọng lượng
2.2. Dùng matlab ,simulink để mô phỏng đánh giá tính ổn định hệ thống
III.Thiết kế bộ điều khiển PID
3.1.Xác định thông số PID
3.2. Mô phỏng trên simulink
IV.Kết Luận
Lời cảm ơn !
Tài liệu tham khảo

Trần Ninh Linh-DAHP


CHƯƠNG 1 : TÌM HIỂU MATLAB VÀ SIMULINK
I. MATLAB
1.1. Khái niệm chung
-

-

MATLAB ( Matrix Laboratory ): là ngôn ngữ lập trình bậc cao được sử dụng để giải

các bài toán về kỹ thuật. Nó tích hợp các công cụ rất mạnh phục vụ tính toán, lập trình
, thiết kế , mô phỏng , trong các môi trường rất dễ sử dụng , trong đó các bài toán và
lời giải được biểu diễn qua các ký hiệu toán học quen thuộc.
Khởi động matlab :

Hình 1.1: Màn hình làm việc của Matlab.
- Một số cửa sổ cơ bản:
 Cửa sổ (Command Windows): Ðây là cửa sổ chính của MATLAB. Tại đây ta thực
hiện toàn bộ việc nhập dữ liệu và xuất kết quả tính toán. Dấu nhắc >> để gõ các lệnh.
Có một số lệnh tổng quát liên quan đến cửa sổ này như sau:
clear all : xóa tất cả các lệnh trong cửa sổ
clc: xóa cửa sổ lệnh
home: di chuyển con chạy lên góc trên trái của cửa sổ
help: trợ giúp thông tin về một mục nào đó
echo, echo on/off: tắt mở hiển thị các dòng của file m khi chạy chương trình.
edit: gọi chương trình soạn file *.m. type tên_file: đọc nội dung file *.m.
demo: gọi chương trình demo.
quit, exit: thoát chương trình MATLAB.
Trần Ninh Linh-DAHP


 Cửa sổ lịch sử (Command History) : liệt kê các lệnh đã sử dụng trước đó kèm thời
gian bắt đầu. Có thể lặp lại lệnh cũ bằng cách nhắp chuột kép vào lệnh đó. Cũng có
thể cắt, sao hoặc xóa cả nhóm lệnh hoặc từng nhóm lệnh riêng rẻ.
 Cửa sổ workspace : thể hiện tên các biến bạn sử dụng cùng với kích thước vùng nhớ,
kiểu dữ liệu , các biến được giải phóng sau mỗi lần tắt chương trình.Ngoài ra nó còn
cho phép thay đổi giá trị ,kích thước của biến
 Cửa sổ M-file : là cửa sổ dùng để soạn thảo chương trình ứng dụng,để thực thi
chương trình viết trong M-file bằng cách gõ tên của fine chứa chương trình đó trong
cửa sổ.

1.2. Hàm truyền trong MATLAB
-

Biểu diễn hàm truyền trong Matlab:
ts= [ a1 a2 a3 …];



Dùng để khai báo các hệ số của đa thức tử số
ms= [ b1 b2 b3 …];

 Dùng để khai báo các hệ số của đa thức mẫu số
T= tf(ts,ms);
Với tf (transfer function ): Dùng để khai báo hàm truyền
VD: Cho hàm truyền g ( s ) 

s ^ 4  s ^ 3  2s ^ 2  s  5
2s ^ 5  s ^ 3  7 s

>> ts=[ 1 1 2 -1 5;
>> ms=[ 2 0 -1 0 7 0];
>> g=tf(ts,ms)
s^4 + s^3 + 2 s^2 - s + 5
g= -----------------------------2 s^5 - s^3 + 7 s
1.3. Cách vẽ cách lệnh vẽ đồ thị trong MATLAB:
- Plot (x,y): Vẽ đồ thị trong tọa độ (x,y).
Subplot(m,n,p): Chia cửa sổ hiện tại thành một ma trận (m,n) khoảng để vẽ đồ thị
và chọn p là cửa sổ hoạt động. Các thành phần của đồ thị được đánh số từ trái qua
phải,từ trên xuống dưới.
+ step(g): vẽ đồ thị hàm (g)

+ impulse(g): vẽ đồ thị hàm (g)
Trần Ninh Linh-DAHP


VD1: Cho hàm truyền và sơ đồ khối như sau:
G1 

1
1
; G2 
;
S 1
5S  1

K 1

u(t)
+
-

G1(S)

y(t)
G2(S)

K
Hình 1.2: Sơ đồ khối
* Nhập lệnh trên matlab:
>> g1=tf([1],[1 1]);
>> g2=tf([1 0],[5 1]);

>> k=1
>> gh=g1*g2
gh =
s
--------------5 s^2 + 6 s + 1
>> gk=feedback(gh,1)
gk =
s
--------------5 s^2 + 7 s + 1
>> subplot(221);
>> step(gh);
>> subplot(222);
>> impulse(gh);
>> subplot(223);
>> step(gk);
>> subplot(224);
>> impulse(gk);

Trần Ninh Linh-DAHP


Hình 1.3: Đáp ứng step,impulse.
1.4. Tổng quan về Control system toolbox.
 Control system toolbox là một thư viện của Matlab dùng trong lĩnh vực điều khiên tự
động. Cùng với các lệnh của Matlab,tập lênh của Control system toolbox sẻ giúp ta
thiết kế,phân tích và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống tuyến tính.
 Control system toolbox bao gồm:
- Hệ thống tuyến tính đại diện mô hình của các hệ thông thời gian tuyến tính bất biến.
- Mô hình cơ bản.
- Mô hình có thể điều chỉnh.

- Các mô hình với thời gian chậm trể.
- Các thuộc tính mô hình.
- Mảng mô hình.
- Loại mô hình chuyển đổi.
- Chuyển đổi liên tục rời rạc.
- Đơn giản hóa mô hình.
- Thời gian phân tích –Domain.
- Phân tích tần số-Domain.
- Phân tích ổn định.
- Phân tích độ nhạy.
- Thiết kế điều khiển,thiết kế hệ thống điều khiển và điều chỉnh,điều chỉnh PID.
- SISO Phản hồi Loops.
- Kiểm soát tuyến tính bậc – Gaussian
- Vị trí cực.
 Các tính năng chính của control system toolbox.


Chuyển chức năng, không gian trạng thái, cực-zero-tăng, và tần số đáp ứng mô hình
của hệ thống tuyến tính
Trần Ninh Linh-DAHP






Series, song song, thông tin phản hồi, và chung kết nối khối sơ đồ của mô hình tuyến
tính.
Phản ứng bước, Nyquist cốt truyện, và thời gian và miền tần số công cụ khác để phân



tích sự ổn định và hiệu quả các biện pháp.
Gốc locus, sơ đồ Bode, LQR, LQG, và kiểm soát cổ điển và không gian trạng thái kỹ
thuật thiết kế hệ thống khác.
Tự động điều chỉnh của bộ điều khiển PID.



Chuyển đổi mô hình đại diện, liên tục thời gian mô hình rời rạc, và thứ tự thấp xấp xỉ



của hệ thống bậc cao.
II. SIMULINK
2.1. Giới thiệu về simulink
 Simulink là một công cụ trong Matlab dùng để mô hình, mô phỏng và phân tích các hệ
thống động với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa. Việc xây dựng được đơn
giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả. Simulink bao gồm một bộ thư
viện khối với các hộp công cụ toàn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến.
Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thể dễ dàng chuyển đổi qua lại
trong quá trình tích phân,vì vậy người dùng có thể tận dụng được ưu thế của cả hai
môi trường

Mở simulink :

Cách 1 : nhất chuột vào biểu tượng trên thanh công cụ

Hình 1.4: Khởi động Simulink


Cách 2 : gõ từ khóa simulink
>> simulinkSau đó cửa sổ thư viện Simulink sẽ xuất hiện

Trần Ninh Linh-DAHP


Hình 1.5: Cửa sổ Simulink.



Tạo một mô hình mới bằng cách :
Click vào icon New model hoặc gõ Ctrl+N

Hình 1.6: Tạo mô hình


Tạo các khối : từ thư viện Simulink chọn khối cần dùng, nhấp chuột và kéo rê ra cửa
sổ mô hình

Hình 1.7: Vẽ sơ đồ khối



Lưu trữ mô hình bằng lệnh Save (File  save) hoặc nhấp vào icon Save
Mô phỏng mô hình : dùng lệnh Start ( menu simulation  star) hoặc nhấp chuột vào
icon Star .

Hình 1.8: Mô phỏng
2.2.Một số thư viện simulink



Các khối nguồn – tín hiệu vào (source):
Trần Ninh Linh-DAHP


Khối Step (ở thư viện Simulink \ Sources) có chức năng
xuất ra tín hiệu hàm bậc thang. Double click vào khối này
để cài đặt các thông số:
•
Step time : khoảng thời gian đầu ra chuyển sang
mức Final value kể từ lúc bắt đầu mô phỏng. Cài đặt giá
trị này bằng 0.
•
Initial value : Giá trị ban đầu. Cài đặt bằng 0.
•
Final value : Giá trị lúc sau. Cài đặt theo giá trị ta
muốn tác động tới hệ thống. Nếu là hàm bậc thang đơn vị
thì giá trị này bằng 1.
•
Sample time : thời gian lấy mẫu. Cài đặt bằng 0.
Khối Signal Generator (ở thư viện Simulink \ Sources) là
bộ phát tín hiệu xuất ra các tín hiệu hìng sin, hìng vuông,
hìng răng cưa và ngẫu nhiên (cài đặt các dạng hìng này
trong mục Wave form).


Các khối tải – thiết bị khảo sát ngõ ra (sink):

Khối Mux (ở thư viện Simulink \ Signals Routing) là bộ

ghép kênh nhiều ngõ vào 1 ngõ ra, từ ngõ ra này ta đưa vào
Scope để xem nhiều tín hiệu trên cùng một cửa sổ. Double
click vào khối này để thay đổi số kênh đầu vào (trong mục
Number of inputs)
Khối Scope (ở thư viện Simulink \ Sinks) là cửa sổ xem
các tín hiệu theo thời gian, tỉ lệ xích của các trục được điều
chỉnh tự động để quan sát tín hiệu một cách đầy đủ.
Khối XY Graph dùng để xem tương quan 2 tín hiệu trong
hệ thống (quan sát mặt phẳng pha).



Các khối xử lý – khối động học :

Khối Sum (ở thư viện Simulink \ Math Operations) là
bộ tổng (cộng hay trừ) các tín hiệu, thường dùng để
lấy hiệu số của tín hiệu đặt với tín hiệu phản hồi.
Double click để thay đổi dấu của bộ tổng.
Khối Gain (ở thư viện Simulink \ Math Operations)
là bộ tỉ lệ. Tín hiệu sau khi qua khối này sẽ được
nhân với giá trị Gain. Double click để thay đổi giá trị
độ lợi Gain.
////

Trần Ninh Linh-DAHP


Trần Ninh Linh-DAHP

CHƯƠNG II.Hiệu chỉnh mức nước cho đoạn thủy
I.

nông

ĐẶT VẤN ĐỀ

Theo thống kê ,hiện nay Việt Nam là một trong các n ước hang năm bị thiếu th ốn
về nguồn nước và năng lượng dự trữ.Đặc biệt về mùa hạ,ở các tỉnh miền trung
lượng nước dự trữ trong các hồ chứa ,song ngòi bị khô cạn,không đ ủ cung c ấp cho
sản xuất nông nghiệp.Nguồn nước cung cấp cho đồng ruộng ,sông ngòi và h ồ ch ứa
chủ yếu dựa vào lượng mưa thiên nhiên được đặc trưng bằng s ự phân b ố không
liên tục,không đồng đều;nặng lượng điện phục vụ cho các vùng nông thôn còn
nhiều hạn chế.Chính vì những lẻ đó,vấn đề sử dụng h ợp lý có hiệu qu ả các nguồn
nước và năng lượng dự trử nói trên để phục vụ cho sản xuất nông nghi ệp th ực s ự
có ý nghĩa thiết thực đối với nền kinh tế quốc dân.
Hướng phát triển kinh tế -xã hội Việt Nam trong những năm tới ,có d ự tính vi ệc
nghiên cứu và thực hiện các biện pháp sử dụng hợp lý các nguồn n ước và năng
lương dự trữ hiện có ,đồng thời giảm đến mức tối thiểu các công ngh ệ tiêu hao
lãng phí điện ,nước trong các hệ thống thủy lợi thủy nông.Các công trình nghiên
cứu đã được công bố trên các nền công ,nông nghiệp phát tri ển cho th ấy r ằng v ấn
đề này có thể giải quyết và đưa đến kết quả tốt đẹp bằng ph ương pháp ứng d ụng
công nghệ tự động hóa trong các hệ thống thủy lợi thủy nông .Bởi vậy ,vi ệc nghiên
cứu ,thiết kế ,chế tạo hệ thống tự động điều khiển lưu lượng và m ức n ước trong
các công trình thủy lợi,thủy nông ,đảm bảo tăng hiệu quả sử dụng các nguồn n ước
và năng lượng điện dự trữ.tăng năng suất lao động ,gi ảm s ự hao phí là đòi h ỏi c ủa
thực tế và đòi hỏi đó ngày càng trở nên cấp bách.
II.

MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG

Sơ đồ của hệ thống điều khiển lưu lượng và mức nước được mô tả nh ư hình 1.

P1

P2
L:chiều dài kênh

Hồ chứa nước
Q1(t)

Kênh dẫn

H(t)
Q2(t)
Trần Ninh Linh-DAHP


Hình 1.Sơ đồ hệ thống điều khiển lưu lượng và mức nước
Các ký hiệu và thông số tại điểm làm việc:

Ký
hiệu

Ý nghĩa

Giá trị ổn định

Đơn vị

H(t)

Lưu lượng biến thiên nước
được đưa vào kênh
Lưu lượng nước ra tức thời
của dòng chảy ở cuối đoạn
kênh
Mức nước ở cuối đoạn kênh

m3/s.kPa0.5

g

Hệ số lưu lượng nước của 1
dòng chảy ở cuối đoạn kênh
Thiết diện mặt thoáng của
L*R =320
nước được giới hạn trong
L:chiều dài kênh
đoạn kênh
R:chiều
rộng
kênh
Thiết diện ngang của dòng 0.6
chảy ở cuối đoạn kênh
Gia tốc trọng trường
9,81
Gía trị đặt của mực nước trong 1
kênh

m

(t)
(t)

m3/s
m3/s

m

m2

m2
m/

Góc mở của van
Hệ số tỷ lệ

0.45

m3/s.kPa0.5

2.1.Phương trình động học ,hàm truyền của hệ thống

Dòng nước có lưu lượng biến thiên Q1(t) được đưa vào kênh. Theo đ ịnh luât
Bernoulli ,Lưu ra của dòng chảy ở cuối đoạn kênh là :
=

(1)

Trần Ninh Linh-DAHP

Gỉa sử đoạn kênh là ngắn,khi đó phương trình cân bằng kh ối l ượng c ủa đo ạn
kênh được mô tả có dạng :
=

(t) –

=

⇨

(t)

(t) –

(2)

Nếu mặt cắt của lòng dẫn có dạng hình ch ử nh ật thì

,

được xem như không

đổi.
Khi đó tuyến tính hóa phương trình (2) phân tích thành chuổi Taylor ta có :
=

+

H(t)

)

Từ đó ta có phương trình vi phân mô tả sự biến thiên của m ực n ước ở trong
kênh như sau :
=

(t) -

(3)

Từ mô hình 1 ta thấy nước được bơm trực tiếp vào kênh dẫn và từ kênh dẫn sẽ
chảy vào các hệ thống tưới tiêu.Gỉa thiết rằng thành phần bi ến đ ổi c ủa l ượng
dòng vào tỷ lệ với góc mở

,từ đó ta xây dựng được biểu thức :
(t) =

Khi đó thay giá trị

vào phương trình (3) ta có được phương trình sau :

=

⇨

Chia hai vế cho

-

+

(*)

=

khi đó (*) thành :
Trần Ninh Linh-DAHP


+

Đặt

=

(**)

; =

Khi đó phương trình (**) có dạng :

⇨ Đây là phương trình vi phân bậc 1 của khâu quán tính.
2.1.1. Dùng phương pháp giải tích :
 Biến đổi Laplace (đkbđ=0) ta được :





=>Hàm truyền của hệ thống
 Đưa về dạng vi phân ta có:

Với điều kiện ban đầu cho trước

,khi đó :

 Biến đổi laplace(đkbđ =0) :

Trần Ninh Linh-DAHP


 Đưa về dạng gốc từ miền ảnh ta có hàm quá độ của hệ thống :

 Hàm trọng lượng:

2.1.2.Cho các thông số :
=0.45 (m3/s.kPa0.5) ;
,g=9.81

/s) ,

=1 (m3/s.kPa0.5), =L*R=200*1.6=320(

,

= 0.6

=1(m)

Khiđó:

;

 Hàm truyền :
 Hàm quá độ
 Hàm trọng lượng
2.1.3 .vẽ đồ thị hàm quá độ ,hàm trọng lượng.
- Các giá trị tính được :
 Đồ thị hàm quá độ :

Trần Ninh Linh-DAHP


 Đồ thị hàm trọng lượng:

Trần Ninh Linh-DAHP


2.2 Dùng matlab ,simulink để mô phỏng đánh giá tính ổn định hệ thống
 Hàm quá độ của hệ thống
Với

:

Chương trình:
>> num = [0.3386];
>> den =[240.8 1];
>> w= tf(num,den);
>> step(w)

Trần Ninh Linh-DAHP


>> grid on

Hình 2.1:Đồ thị hàm quá độ
 Hàm trọng lượng của hệ thống.
Chương trình:
>> num = [0.3386];
>> den =[240.8 1];
>> w= tf(num,den);
>> impulse(w)
>>grid on

Trần Ninh Linh-DAHP


Hình 2.2:Đồ thị hàm trọng lượng
 Nhận xét:
- Hệ thống gồm một khâu quán tính bậc 1 có hệ số khuếch đại bằng 0.3386
- Từ đồ thị hàm trọng lượng và hàm quá độ ta thấy không có độ vọt lố. Thời gian
xác lập (đáp ứng) của hệ thống là 1500s .

III.

Thiết kế bộ điều khiển PID

3.1.Xác định thông số PID

Ở đây chúng em khảo sát cho hàm truyền có dạng sau:

3.1.1.Dùng SIMULINK xây dựng mô hình hệ thống vòng hở như sau:

Trần Ninh Linh-DAHP


-Step là tín hiệu bậc thang thể hiện phần trăm công suất cung cấp cho hệ thống.Giá
trị hàm nấc từ 0

tương ứng công suất cung cấp 0% 100%.

-Chỉnh giá trị của hàm step bằng 1 để công suất cung cấp cho hệ thống là 100%(Step
time =0,Initial =0,Final time =1).Thời gian mô phỏng Stop time=3000s.
-Hàm quá độ sau khi mô phỏng qua Simulink như hình 3.1:

Hình 3.1:Kết quả mô phỏng đối tượng khi chưa có bộ điều khiển
3.2.1. Thiết kế mô hình sử dụng bộ điều khiển PID bằng phương pháp Toolbox PID Turner
trong phần mềm Matlap:
 Tìm kp,ki ,
Trần Ninh Linh-DAHP


Ta có phương trình :

Biến đổi laplace ta được:



=

=

Thông số được tìm bằng phương pháp Toolbox PID Turner trong phần mềm Matlap:

Thông số tìm được:

Trần Ninh Linh-DAHP


III.2. Mô phỏng trên simulink
Với

các thông

số

tìm được từ

phương pháp

Toolbox PID Turner:

Sau khi chạy cương trình:

Trần Ninh Linh-DAHP


Chuyển sang cửa sổ Figure

 Nhận xét:

+> Thời gian đáp ứng khoảng 250s.nhanh hơn khi chưa sủ dụng

bộ điều khiển PID.Hệ thống được cải thiện.
+> Độ vọt lố: khoảng 10%.
IV.

Kết Luận.
Qua quá trình tìm hiểu về đề tài em nhận thấy rằng tầm quan trọng của đề tài là

rất lớn.Có ảnh hưởng rộng,là một phần không thể thiếu trong việc điều tiết nước ở
hồ,đập..vv và ngày càng khẳng định được vai trò không thể thay thế được.Qua bài thu
hoạch này, em đã hiểu rõ hơn về cấu tạo cũng như nguyên lí hoạt động của hệ thống
điều khiển mực nước,tiếp cận gần hơn với các hệ thống điều khiển thực tế.
Qua quá trình thực hiện đề tài,đã giúp em củng cố kiến thức lý thuyết,cũng như
thành thạo hơn trong sử dụng ứng dụng của MATLAB & SIMULINK để khảo sát hệ
thống,cũng như xây dựng khối điều khiển PID.

Trần Ninh Linh-DAHP


LỜI CẢM ƠN !
Trước tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo
trong khoa Vật Lý và Công Nghệ , bộ môn Điều khiển và Tự động hóa trường Đại
Học Vinh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức, kinh
nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua.
Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Hoa Lư , thầy đã tận
tình giúp đỡ, trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình làm đồ án
môn học.Trong thời gian làm việc với thầy , chúng em không ngừng tiếp thu thêm
nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu
khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho chúng em trong

quá trình học tập và những đồ án kế tiếp cũng như công tác sau khi ra trường.
Sau cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè trong lớp đã giúp đỡ và đóng góp
ý kiến để chúng em hoàn thành đồ án môn học này.

Trần Ninh Linh-DAHP