Đề tài Điều khiển mức nước trong bình chứa

 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương
 LỜI MỞ DẦU
 Ngày nay do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu đã gây ra nhiều hiện
tượng thời 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 thống thủy ngày càng được nâng cao đặc biệt 
là khả năng áp dụng các bộ điều khiển lôgic khả trình PLC vào việc tự động hóa
cũng như điều khiển hệ thống giúp hệ thống điều khiển linh hoạt, nhanh, chính
xác.Sau đây em xin trình bày đề tài “ điều khiển mức nước trong bình chứa ” đây là 
mô hình thu nhỏ của hệ thông hồ đập trong nước ta giúp sự điều tiết mước 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 mọng sự góp ý của thầy 
cũng như các bạn.
 Em xin chân thành cảm ơn!
 Sinh viên : Trần Văn Hưng
 Trang: 1 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương
 MỤC LỤC
LỜI MỞ DẦU....................................................................................................... 1
CHƯƠNG I. Cơ sở lý thuyết điều khiển và matlab
 1.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động.................................................... 3
 1.2. Đặc tính động học của các khâu và của hệ thống 
 trong miền tần số................................................................................... 9
 1.3. Tính ổn định của hệ thống điều khiển tự động................................ 18
 1.4 MATLAB.............................................................................................. 19
CHƯƠNG II. Xây dựng và mô tả bài toán mức nước trong bình
 2.1. Mô hình đối tượng............................................................................... 25
 2.2. Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống......................................... 25
 2.3. Khảo sát các đặc tính động học của hệ thống................................... 27
CHƯƠNG III. Thiết kế bộ điều khiển PID
 3.1.Xác định thông số PID.......................................................................... 33
 3.2. Mô phỏng trên simulink...................................................................... 35
 3.3.Sử dụng simulink tuning xác định thông số PID............................... 37
Kết Luận............................................................................................................... 39
Tài liệu tham khảo....................................................................................... 39
 Trang: 2 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương
 CHƯƠNG I. Cơ sở lý thuyết điều khiển và matlab
1.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động
1.1.1. Định nghĩa:
 Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác lên hệ thống 
“gần” với mục đích định trước. điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có 
sự tác động của con người.đáp ứng của hệ thông thõa mãn yêu cầu tăng độ chính 
xác,tăng năng suất,tăng hiệu quả kinh tế,
Một hệ thống điều khiển tự động được xây dưng từ 3 thành phần cơ bản:
 - O : đối tượng .
 - C : bộ điều khiển.
 - M : cảm biến (cơ cấu đo lường)
Các loại tín hiệu có trong hệ thống gồm :
 - u : tín hiệu vào (tín hiệu điều khiển)
 - y : tín hiệu ra
 - f : các tác động bê ngoài
 Trang: 3 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương
 - z : tín hiệu phản hồi
 - e : sai lệch điều khiển
1.1.2. Các nguyên tắc điều khiển
-Nguyên tắc 1: nguyên tắc thông tin phản hồi
-Nguyên tắc 2 : nguyên tắc đa dạng tương xướng
 Tính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở khả năng thu thập thông tin,lưu giữ 
thông tin truyền tin,phân tích xử lý chọn quyết định, 
-Nguyên tắc 3 : nguyên tắc bổ sung ngoài
 Một hệ thông luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và tác động qua 
lại chặt chẽ với môi trường đó
-Nguyên tắc 4 : nguyên tắc dự trữ
 Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phỉa đề phòng bất trắc xẩy ra và 
không được dùng toàn bộ lực lượng trong điều khiển bình thường. vốn dự trữ 
không sử dụng nhưng cần để dảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn.
-Nguyên tắc 5 : nguyen tắc phân cấp
 Một hệ thồng điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung 
cho trung tâm.câu trúc thường sử dụng là cấu trúc hình cây.
-Nguyên tắc 6 : nguyên tắc cân bằng nội
 Một hệ thống cần xây dựng cơ chế cân bằng nội đẻ có khả năng tự giải quyết 
những biến động xảy ra.
 Trang: 4 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương
1.1.3. Phân loại hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ)
 - Phân loại theo tín hiệu ra gồm có hai loại tín hiệu ra ổn định và tín hiệu ra 
 chương trình.
 - phân loại theo số vòng kín
 + hệ hở : không có số vòng kín nào
 + hệ kín có nhiêu loại như hệ 1 còng kín,hệ nhiều vòng kín, 
 - phân loại theo khả năng quan sát tín hiệu
 + hệ liên tục : qua sát được tất cả các trạng thái của hệ thông theo thời 
 gian.
 + hệ không liên tục : quan sát được một phần trạng thái của hệ 
 thống.trong hệ thống không liên tục người ta chia làm hai loại là “ hệ 
 thông gián đoạn và hệ thông với các sự kiện gián đoạn”
 - phân loại theo mô hình toán học
 + hệ tuyến tính : đặc tính của tất cả các phần tử có trong hệ thống 
 tuyến tính. Đặc tính cơ bản: xếp chồng.
 + hệ phi tuyến : có ít nhất một đặc tính tĩnh của một phần tử Lf một 
 hàm phi tuyến.
 + hệ thông tuyến tính hóa tuyến tính hóa từng phần của hệ phi tuyến 
 với một số điều kiện cho trước để được hệ tuyến tính gần đúng.
 Trang: 5 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương
1.1.4. Biến đổi Laplace
 Giã sử có hàm f(t)liên tục,khả tích. ảnh laplace của f(t) qua phép biến đỏi 
 laplace ,ký hiệu F(p) được tính theo định nghĩa:
 F ( p ) f (t )e pt dt
 0
 F( p) f (t)e pt dt
 0
 - p: biến laplace
 - f(t): hàm gốc
 - F(p): hàm ảnh
1.1.5. Hàm truyền đạt
 Hàm truyền đạt của một khâu (hay hệ thông) là tỉ số giữa tind hiệu ra với tín 
 hiệu vào biễu diễn theo toán tử laplace, ký hiệu là W(p),với các điều kiện ban 
 đầu triệt tiêu.
 Y ( p)
 W( p) 
 U (p)
 Với y(0) y '(0) .... y(n 1) (0) 0
 u(0) u '(0) ... u(m 1) (0) 0
 -Ý nghĩa
 + Quan sát hàm truyền đạt, nhận biết cấu trúc hệ thống
 + Xác định tín hiệu ra theo thời gian(biến đổi laplace ngược)
 Trang: 6 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương
 + Xác định các giá trị đầu, giá trị xác lập cũa hệ thống
 + Xác định được heeh số khuếch đại tĩnh cũa hệ thống
1.1.6. Đại số sơ đồ khối
 Đại số sơ đồ khối là biến đổi một sơ đồ phức tạp về dạng đơn giản hơn để 
thuận tiện cho việc tính toán.
 - Mắc nối tiếp
 W(p) W1.W2...W3
 - Mắc song song
 W( p) W1 W2 ... W3
 - Mắc phản hồi
 W
 W(p)= 1
 1 W W
 1. 2
1.1.7. Phương trình trạng thái
 - Khái niệm
 Trang: 7 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương
 + đối với một hệ thống, ngoài tín hiệu và tín hiệu ra cần phải xác định,đôi khi ta 
cần quan sát các trạng thái khác. Ví dụ đối với động cơ điện là dòng điện, gia tốc 
động cơ v.v 
 + Khác với tín hiệu ra phải đo lường được bằng các bộ cảm biến, các biến trạng 
thái hoặc đo được,hoặc xác định được thông qua các trạng thái khác.
 + Từ đó người ta xây dượng một mô hình toán cho phép ta có thể xác định 
 được các biến trạng thái.
- Dạng tổng quát của phương trình trạng thái.
 Xét hệ thống có m tín hiệu vào và tín hiệu ra.
 Hệ có :
 + m tín hiệu vào: u1(t),u2 (t),...,um (t)
 + r tín hiệu ra: y1(t), y2 (t),..., yr (t)
 + n biến trạng thái: x1(t), x2 (t),..., xn (t)
- Phương trình trạng thái mô tả toán học của hệ thống về mặt thời gian dưới dạng 
các phương trình vi phân.
- Hệ thống được biểu diễn các phương trình vi phân bấc nhất.
 Trang: 8 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương
1.2. Đặc tính động học của các khâu và của hệ thống trong miền tần số
 Những đối tượng khác nhau có mô tả toán học như nhau được gọi là 
 khâu động học.có một số khâu dộng học không có phần tử vật lý nào tương ứng
- tín hiệu tác động vào một khâu
 + tín hiệu bậc thang đơn vị
 +tín hiệu xung đơn vị
 +tín hiệu điều hòa
 + và tín hiệu bất kỳ có thể phân tích thành các tín hiệu trên.
1.2.1. Phản ứng của một khâu
 - Định nghĩa : Phản ứng của một khâu (hệ thống) đối với tín hiệu vào xác định 
 chính là đặc tính quá độ hay đặc tính thời gian của khâu đó.
1.2.1.1. Hàm quá độ của một khâu
 - Hàm quá độ của một khâu là phản ứng của khaau đó với tín hiệu vào 1(t)
 Trang: 9 Đồ Án 1 GVHD:Th.S.Hồ Sỹ Phương
 - Ký hiệu: h(t)
 1 W( p)
 - Biểu thức: h(t) L 
 p 
1.2.1.2. Hàm trọng lượng của một khâu
 -Hàm trọng lượng của một khâu là phản ứng của khâu đối với tín hiệu vào (t) 
 - Ký hiệu w(t)
 - Biễu thức : w(t) L 1 W( p)
1.2.2. Đặc tính tần số của một khâu
1.2.2.1. Hàm truyền đạt tần số
- Định nghĩa: hàm truyền đạt của một khâu,ký hiệu là W(jw).là tỉ số giữa tín hiệu 
vào và tín hiệu ra ở trạng thái xác lập khi tìn hiệu vào biến thên theo quy luật điều 
hòa.
 Theo định nghĩa:
 j(t )
 yxl t Yme Ym j 
 W j j(t) e
 u t Ume Um
 -Nhận xét: Hàm truyền tần số
 + Là số phức
 + Phụ thuộc vào tần số tín hiệu
1.2.2.2. Đặc tính tần số biên pha (nyquist)
 Trang: 10