<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO</b>

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH</b>

<b>ĐIỆN – ĐIỆN TỬ</b>

<b>BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN⸙∆⸙</b>

<b>ĐỒ ÁN 2 ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG</b>

<b>ĐỀ TÀI:ết kế hệ thống ổn định mực nước bồn đơn dùng bộ điều khiển PID</b>

Ngô Văn Thuyên Nguyễn Minh Hiếu 20151473 SĐT:

<b>Tp. Hồ Chí Minh tháng 3 năm 2023</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Quy trình cơng nghệ của hệ thống 2.2 Giới thiệu về vi điều khiển 2.3 Sơ lược về bộ điều khiển PID 2.4 Hệ thống điều khiển rời rạc

2.5 Mơ hình tốn của hệ thống bồn nước đơn 2.6. Mô phỏng hệ thống trên matlab

3.3.4 Lựa chọn máy bơm và mạch công suất 3.4 Sơ đồ nối dây mơ hì

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 4.1 Yêu cầu thiết kế

4.2 Lưu đồ giải thuật

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Tài liệu tham khảo Phụ lục chương trình

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>Danh sách hình ả</b>

Hình 1: Sơ đồ điều khiển mức nước lị hơi Hình 2: Hệ thống làm mát cơng nghiệp Hình 3: Sơ đồ ngun lý hệ thống Hình 4:Sơ đồ khối bộ điều khiển PID Hình 5: Sơ đồ bộ điều khiển PID số Hình 6: Mơ hình hệ bồn đơn

Hình 7: Mơ phỏng hệ thống trên matlab Hình 8: Bộ điều khiển PID rời rạc trên matlab Hình 9: Đáp ứng hệ thống với các bộ điều khiển Hình 10: Sơ đồ khối hệ thống

Hình 11: Arduino Uno Hình 12: Cảm biến siêu âm HC

Hình 13: Sơ đồ kết nối cảm biến với Arduino

Hình 19: Sơ đồ kết nối động cơ và moldul L298N Hình 20: Sơ đồ kết nối tổng quan hệ thống Hình 21: Lưu đồ hệ thống

Hình 22: Lưu đồ chương trình điều khiển máy bơm Hình 23: Giao diện trên winform C#

Hình 24: Mơ hình hệ thống bồn đơn Hình 25:Đáp ứng hệ thống với giá trị đặt 3cm Hình 26: Đáp ứng hệ thống với giá trị đặt 5cm

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>Danh sách bả</b>

Bảng 1: Ý nghĩa các thông số trong hệ thống Bảng 2: Thông số của mơ hình

Bảng 3: Ảnh hưởng của thơng số PID đến đáp ứng hệ thống Bảng 4: Đáp ứng hệ thống với các bộ điều khiển khác nhau Bảng 5: Chất lượng hệ thống ở 3cm và 5cm

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>CHƯƠNG 1: TỔ</b>

Đặ ấn đề

Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.

Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều cơng ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu ượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người. Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xử lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, các bể nước, tháp nước tự động… Từ những vấn đề trên đặt ra yêu cầu là dùng phương pháp nào để giám sát và điều khiển mức chất lỏng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy, khả năng linh hoạt, dễ vận hành và sử dụng nhất. Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động điều khiển mức chất lỏng, ở trong đề tài này em sẽ thực hiện mơ hình điều khiển ổn định mực chất lỏng sử dụng bộ điều khiển PID ở hệ bồn đơn.

Trong lĩnh vực nhiệt điện

Trong nhà máy nhiệt điện lò hơi khu vực quan trọng nhất của nhà máy. Đối với các lò hơi có bao hơi (lị hơi làm việc ở áp suất dưới tới hạn), mức nước trong bao hơi là một thông số rất quan trọng, cần được giám sát và điều khiển.

Chính vì thế mà hệ thống điều khiển mức nước bao hơi là một khâu rất cần thiết. Nhiệm vụ của hệ thống này là bảo đảm tương quan lượng nước đưa vào lò hơi và lượng hơi sinh ra. Nếu mức nước trong bao hơi quá cao vượt quá giá trị cho phép sẽ làm giảm năng suất của lò hơi, giảm nhiệt độ gây ảnh hưởng đến sự vận hành của tuabin. Nếu mức nước bao hơi quá thấp s với giá trị cho phép thì nhiệt độ trong lị hơi tăng, gây cháy lị hơi.

Hình : Sơ đồ điều khiển mức nước lò hơi Trong hệ thống làm mát công nghiệp:

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Trong các hệ thống làm mát công nghiệp, việc điều khiển mực nước trong các bể chứa và tháp làm mát là cần thiết để đảm bảo hiệu suất làm mát và ngăn chặn việc quá tải hoặc thiếu nước. Các cảm biến mực nước được sử dụng để theo dõi mức nước và kích hoạt các thiết bị điều khiển để bổ sung hoặc xả nước tùy theo nhu cầu.

Hình : Hệ thống làm mát cơng nghiệp

<b>ục tiêu đề tài</b>

Thiết kế được hệ thống ổn định mực nước hệ bồn đơn sử dụng giải thuật PID.Hệ thống có thể đo và điều chỉnh độ cao mực nước ở giá trị mong muốn, có thể kết nối với máy tính để truyền dữ liệu và điều khiển hệ thống bằng máy tính.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THU Ế</b>

Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống.

Hình : Sơ đồ nguyên lý hệ thống

<b>Nguyên lý làm việc:</b>

Nước từ bể chứa được bơm vào bồn nước bằng máy bơm ,máy bơm này có thể thay đổi cơng suất bơm phù hợp với mức nước trong bồn .Mực nước được cảm biến đo và gửi tín hiệu đến vi điều khiển, vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển máy bơm, đầu ra của bồn nước là van xả có thể điều chỉ góc mở bằng tay.

Hệ thống được lập trình dựa vào thuật toán PID số sao cho mực nước trong bồn phải luôn ở 1 giá trị cố định đặt trước mà không phụ thuộc vào lượng nước xả ra ở van.

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một , nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm m vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp ột (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số

Vi điều khiển thường được sử dụng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó cũng được sử dụng trong các thiết bị điện, điện tử như máy giặt lị vi sóng điện thoại đầu đọc DVD thiết bị đa phương tiện hay dây chuyền sản xuất tự động,...

Các loại vi điều khiển phổ biến trên thị trường hiện nay:

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

• Arduino: Arduino là một nền tảng phát triển phổ biến cho các dự án điện tử. Nó cung cấp một loạt các bo mạch vi điều khiển, dễ sử dụng và lập trình thơng qua mơi trường

• Raspberry Pi: Raspberry Pi là một bo mạch vi xử lý mạnh mẽ và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng nhúng và IoT. Raspberry Pi có khả năng chạy hệ điều hành Linux và hỗ trợ nhiều ngơn ngữ lập trình.

biến của Microchip Technology. Nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng từ nhỏ đến lớn, có nhiều phiên bản và loạt chip khác nhau với các tính năng và hiệu suất khác nhau.

• STM32: STM32 là dịng vi điều khiển của STMicroelectronics, được xây dựng trên lõi ARM Cortex M. Nó cung cấp một loạt các phiên bản với các tính năng và hiệu suất khác nhau, phù hợp cho các ứng dụng nhúng đa dạng.

• ESP8266 và ESP32: Đây là các vi điều khiển Wi Fi rất phổ biến trong lĩnh vực IoT. ESP8266 và ESP32 có tích hợp Wi Fi, chức năng giao tiếp nhiều chuẩn, và hỗ trợ lập trình thơng qua Arduino IDE hoặc mã nguồn mở ESP • AVR: AVR là một dịng vi điều khiển của Microchip Technology (trước

đây là Atmel). Nó nổi tiếng với vi điều khiển AVR ATmega, được sử dụng rộng rãi trong các dự án nhúng và điện tử.

Hình Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển PID được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vịng kín (có tín hiệu phản hồi). Bộ điều khiển PID sẽ tính tốn giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Để đạt được kết quả tốt nhất, các thơng số PID sử dụng trong tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Trong đó:

P (Proportional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.

I (Integral): là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0. Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ. Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ.

D (Derivative): là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.

Các phương pháp tính tốn thơng số bộ điều khiển PID: Chỉnh định bằng tay.

hương pháp Ziegler – Chỉnh định dùng phần mềm.

Vào trước năm 1960, khi vi xử lý chưa phát triển, hầu hết các hệ thống tự động được thiết kế là hệ thống điều khiển liên tục. Hệ thống điều khiển liên tục được điều khiển bởi các mạch điện tử như mạch tỷ lệ, mạch tích phân, mạch vi phân. Các mạch tỷ lệ, tích phân, vi phân là cơ sở của bộ điều khiển PID và khái niệm điều khiển PID liên tục cũng ra đời. Nhưn từ sau năm 1960, người ta bắt đầu điều khiển hệ thống theo dạng số hóa dùng vi xử lý, các bộ điều khiển hiện đại cũng được thiết kế và áp dụng nhiều hơn. Để đáp ứng yêu cầu hiện tại, người ta thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc hay còn gọi là điều khiển số để phù hợp khi điều khiển bằng vi xử lý. Bộ điều khiển PID liên tục dần được thay thế bởi các bộ điều khiển PID số. Hệ thống điều khiển rời rạc có nhiều ưu điểm như dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển, áp dụng các thuật toán điều khiển phức tạp bằng cách lập trình

Hàm truyền của bộ điều khiển PID số có dạng như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Các thơng số được định nghĩa như sau

điện áp điều khiển máy bơm độ cao mực chất lỏng trong bồn

Lưu lượng nước vào Lưu lượng nước ra tiết diện ngang bồn chứa tiết diện van xả

hệ số tỉ lệ với công suất máy

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Hệ thống được mô phỏng trên matlab simulink với phương trình tốn như sau:

Hình : Mơ phỏng hệ thống trên matlab Với các thông số thực tế của mơ hình là:

tiết diện ngang bồn chứa tiết diện van xả

hệ số tỉ lệ với công suất máy bơm

hệ số xả

Bảng : Thơng số của mơ hình Chức năng các khối trong hệ thống:

Khối PID so là bộ điều khiển với các thơng số Kp, Ki, Kd.

Hình : Bộ điều khiển PID rời rạc trên matlab Khối saturation để giới hạn điện áp của máy bơm trong khoảng từ 0 Khối bon don là phương trình tốn học của hệ thống đã tìm được ở mục

Các thông số của bộ điều khiển PID được lựa chọn theo kinh nghiệm dựa vào bảng sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

đổi thông số Thời gian lên Độ vọt lố Thời gian xác lập

Sai số xác lập

Bảng : Ảnh hưởng của thông số PID đến đáp ứng hệ thống Các thông số PID được chọn như sau

Đáp ứng của hệ thống với các bộ điều khiển PID,PI và PD

Hình : Đáp ứng hệ thống với các bộ điều khiển Chất lượng hệ thống qua các bộ điều khiển

Độ vọt lố(%) Thời gian xác lập(s) Sai số xác lập(cm) Thời gian lên(s)

Bảng : Đáp ứng hệ thống với các bộ điều khiển khác nhau

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Nhận xét: Hệ thống ổn định với các thông số PID lựa chọn ở trên. Qua các bộ điều khiển PID, PI, PD bộ điều khiển PID cho đáp ứng của hệ thống tốt nhất

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>CHƯƠNG 3: THIẾẾẦỨ</b>

Hệ thống có thể ổn định chính xác mực nước với chiều cao từ 2 thể tích bồn chứa khoảng 3500 cm

Hệ thống có thể kết nối và hiển thị kết quả trên LCD. Hệ thống có thể kết nối với máy tính để truyền dữ liệu. Chọn các thiết bị phù hợp để tối ưu chi phí.

Hình : Sơ đồ khối hệ thống Chức năng các khối có trong hệ thống:

Máy tính: để cấp nguồn cho MCU và nhận dữ liệu từ MCU gửi về để đánh giá hệ thống.

MCU : Dùng để điều khiển mạch cơng suất cấp tín hiệu cho máy bơm hoạt động. Nhận tín hiệu từ cảm biến để điều chỉnh tốc độ bơm phù hợp.

Khối điều khiển: Là mạch công suất để điều khiển máy bơm. Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho mạch công suất.

Khối cảm biến: để đo kết quả mực nước trong bồn.

Nước được bơm lên bồn sau đó cảm biến đo và phản hồi kết quả cho MCU.

Với các loại MCU đã trình bày ở mục 2 thì ở đề tài này ta sẽ chọn Arduino có nhiều thư viện được tích hợp sẵn giúp việc lập trình trở nên đơn giản hơn.Arduino UNO có đầy đủ chức năng để điều khiển mơ hình như ngắt để thực hiện thuật tốn PID số tránh ảnh hưởng đến các tác vụ khác, có chân băm xung PWM để điều khiển máy bơm.Arduino UNO cịn có thể giao tiếp truyền , nhận dữ liệu với máy tính.Có đủ số chân để kết nối với các thiết bị trong mơ hình.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Hình Thơng số kỹ thuật:

Điện áp hoạt động Tần số hoạt động Điện áp vào giới hạn

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

Dòng ra tối đa (5V)

Trên thị trường tồn tại khá nhiều loại cảm biến dùng trong việc đo khoảng cách. Tùy vào nhu cầu về tính chính xác, giá thành, mục đích sử dụng, mơi trường xung quanh mà có những loại cảm biến đặc thù. Có 4 loại cảm biến thường được dùng để đo khoảng cách:

Cảm biến laser :

Dùng trong đo khoảng cách dựa trên nguyên lý phản xạ của tia laser. Được ưa chuộng bởi tính ứng dụng cao trong nhiều môi trường. Đây là loại cảm biến khá phổ biến vì độ chính xác cao, sở hữ đa tính năng,kích thước nhỏ gọn dễ dàng và tiết kiệm được thời gian và có thể đo trên phạm vi diện rộng các vật tuy nhiên Các loại máy sử dụng cảm biến đo khoảng cách bằng laser thường sử dụng pin cần phải nạp năng lượng thường xun, khi xảy ra sự cố thì khó sửa chữa, phải thực hiện nhiều thao tác trên các nút bấm bằng tay.

Cảm biến từ :

Cảm biến từ thuộc nhóm cảm biến tiệm cận, là thiết bị dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ có khả năng nhận biết phát hiện vật mang từ tính (chủ yếu là sắt), không tiếp xúc, ở khoảng cách gần (khoảng vài mm đến vài chục mm) hoạt động được ngay cả trong môi trường khắc nghiệt tuổi thọ của nó cao và dễ dàng trong việc lắp đặt tuy nhiên trong mơi trường chất lỏng thì cảm biến hoạt động kém hiệu quả hơn đưa ra những số liệu tương đối.

Cảm biến điện

Thiết bị cảm biến điện dung được dùng để phát hiện chất lỏng, chất rắn; hoặc đo mức liên tục ngõ ra tín hiệu 4 10v bên cạnh đó cảm biến điện dung cịn có khả năng nhạn biết được vật không phải làm từ kim

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

loại... cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện dung của tụ điện bên trong cảm biến. Cảm biến điện dung hoạt động tốt trong các môi trường khắc nghiệt như : môi trường dễ cháy nổ, nhiệt độ và áp suất cao,...tuy nhiên cảm biến này lại bị giới hạn về khoảng cách nhận biết của vật, nó khá nhạy cảm khi môi trường thay đổi. .

Cảm biến siêu âm :

Cảm biến siêu âm là loại cảm biến có độ chính xác rất cao, nó có thể nhận biết được mọi nguyên vật liệu. Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm có nhiều cơng dụng và mức độ sử dụng rộng rãi trong y học, công nghiệp,...

Trong đề tài ta sẽ chọn cảm biến siêu âm vì nó có những ưu điểm như Đo được hầu hết các loại chất rắn và chất lỏng, đo khoảng cách mà không cần tiếp xúc với chất cần đo nên độ bền cao,thiết kế nhỏ gọn, độ chính xác cao, giá thành rẻ hơn so với các loại cảm biến khác.

Cảm biến siêu âm HC được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì rẻ và chính xác. Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2

Cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm HC sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. Cảm biến gồm 2 module.1 module phát ra sóng siêu âm và 1

hu sóng siêu âm phản xạ về. Đầu tiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần số 40khz. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng. Bằng cách đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật.

Hình Cảm biến siêu âm HC Sơ đồ chân cảm biến

Trig :chân điều khiển phát Echo :chân nhận tín hiệu phản hồi

</div>