CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỒN NƯỚC ĐÔI I.GIỚI THIỆU: SVTH:Mai Văn Văn Trang 7 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Hiện nay sự nghiệp công nghiệp hóa,hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất. Hiện nay, tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, cụ thể như công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy,sản xuất xi măng…cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống. Nói chung, để nâng cao hiệu quả sản xuất, xuất, đảm bảo an toàn cho người, máy m móc óc và môi trường trong trong công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng thì vấn đề điều khiển quá trình công nghệ là rất quan trọng. Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển,vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường.
Trong điều khiển quá trình, bài toán đặt ra là điều chỉnh quá trình công nghệ có yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng. Các đại lượng cần điều khiển như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ…cần phải điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đặt ra. Đặc thù của quá trình công nghệ là diễn biến tương đối chậm, mô hình phức tạp khó xác định, khả năng điều khiển hạn chế,khó thay đổi thiết kế về công nghệ. Nên trong điều khiển quá trình công nghệ ta phải thiết lập một hệ thống phù hợp với đặt thù của quá trình công nghệ.
Hiện nay, trong công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước,sản xuất giấy, sản xuất điện năng…Vấn đề điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn. Chính vì vậy, vấn đề dặt ra trong đề tài là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao. Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là hệ bồn nước đôi. Hệ bồn nước đôi được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước,cột chất lỏng của hai bồn được duy trì ổn định.
Để làm được điều này thì đòi hỏi phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu SVTH:Mai Văn Văn Trang 8 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước đôi, làm mức nước trong hai bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi. Việc điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong hai bồn ổn định là tương đối khó,cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy bơm. Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước đôi, nhưng ở đây ta sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển. Công việc điều khiển được thục hiện mô phỏng trên Matlab, với công cụ là Simulink.TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN: Các cấu hình của hệ bồn nước thường gặp: 1.Cấu hình hệ bồn nước đơn: 1.Mô hình của hệ thống: Đây là mô hình hệ thống và nó là một phần rất quan trọng của hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bồn: Hình 1.1 Cấu hình bồn nước đơn 1.Phươngg trình toán học của mô hình: 1.Phươn Mô hình biểu biểu thị mối quan hệ giữa giữa lưu lượng lượng nước Q i vào bồn với lưu lượng nước Qo ra khỏi bồn qua van.
dH (t ) Qi Qo A (1.1) dt SVTH:Mai Văn Văn Trang 9 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang của bồn nước. H là chiều cao của mức chất lỏng trong bồn. Nếu giả sử Van như là khe hở nhỏ thì dòng chảy qua van sẽ liên quan mức nước H có trong bồn: Qo C d a 2 g .2) Trong đó: Cd là hệ số của van xả a là diện tích mặt cắt ngang của khe g là hằng số hấp dẫn và g = 980cm/s 2 Giả sử Cd là một hằng số thì Qo sẽ có quan hệ phi tuyến với H ,kết hợp (1.2) ta có phương trình phi tuyến : dH (t ) A Cd a 2 g .3) Mà lưu lượng nước chảy vào bồn là: Qi K p .4) Vậy ta có phương trình toán học là: dH (t ) A C d a 2 g. Cấu hình bồn nước đôi: 2.1 Hệ một đầu vào một đầu ra (SISO): 2.1 Cấu hình bồn nước đôi liên kết: 2.1 Mô hình toán học: Mô hình của bồn nước: 2 bồn nước có cùng diện tích SVTH:Mai Văn Văn Trang 10 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Hình 1.2 Cấu hình bồn nước đôi liên kết hệ SISO 2.2 Phương trinh toán học: Đối với mô hình này, nước được bơm trực tiếp vào bồn 1 và nước từ bồn 1 qua van B sẽ chảy vào bồn 2.
Ở đây ta xây dựng bộ điều khiển để điều khiển mực nước ở bồn 2 với ngõ vào điện áp cấp cho máy bơm. - Lưu lượng nước chảy vào bồn 1 từ máy bơm: Qi = KpU(t) (1.6) -Vận tốc nước chảy ra từ van xả B VB C dB 2 g ( H 1 (t ) H 2 (t )) (1.7) -Diện tích mặt cắt trong của bồn 1: 1 2 A1 * D1 (1.8) 4 -Diện tích mặt cắt của van xả B bồn 1: 1 2 aB * DB (1.9) 4 SVTH:Mai Văn Văn Trang 11 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Từ (1.9) ta tính được lưu lượng nước chảy ra khỏi bồn 1 như sau: Q01 a B *VB C dB a B 2 g ( H 1 (t ) H 2 (t )) (1.10) -Phương trình vi phân mô tả động học của bồn 1 : A1 H 1 (t ) Qi Qo1 K pU (t ) CdB aB 2 g ( H 1 (t ) H 2 (t )) t (1.11) Từ đây ta suy ra được phương trình vi phân mô tả sự biến thiên cả mực nước trong bồn 1 là: H 1 ( t ) C a 2g Kp dB B H 1 (t ) H 2 (t ) U (t ) (1.12) t A1 A1 - Lưu lượng nước chảy vào bồn 2: Qi 2 C dB a B 2 g ( H 1 (t ) H 2 (t )) (1.13) -Vận tốc nước chảy ra khỏi bồn 2: VC CdC 2 gH 2 (t ) (1.14) -Diện tích mặt cắt van xả của bồn 2: 1 2 A2 * D2 4 (1.15) -Lưu lượng nước chảy ra khỏi bồn 2: Q02 aC *VC C dC aC 2 gH 2 (t ) (1.16) Từ đây ta có phương trình vi phân mô tả động học cho bồn 2 là: H 2 (t ) A2 Qi 2 Qo 2 CdB a B 2 g ( H1 (t ) H 2 (t )) CdC aC 2 gH 2 (t ) t (1.17) SVTH:Mai Văn Văn Trang 12 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Suy ra phương trình vi phân mô tả sự biến thiên mực nước trong bồn 2 là: H 2 (t ) C dB a B 2 g C dC aC 2g H 1 (t ) H 2 (t ) H 2 (t ) (1.18) ta có hệ phương trình : H 1 (t ) C dB a B 2g Kp H 1 (t ) H 2 (t ) U (t ) t A1 A1 H 2 (t ) C dB a B 2g H 1 (t ) H 2 (t ) C dC a C 2g H 2 (t ) (1.2 Cấu hình hệ bồn nước đôi nối tiếp: 2.1 Mô hình của hệ thống: Hệ thống bao gồm hai bồn nước có diện tích bằng nhau và một máy bơm dùng để bơm nước vào bồn. Hai bồn nước được gắn vào mặt phẳng sao cho nước có thể chảy từ bồn 1 (bồn phía trên) vào bồn thứ 2 (bồn phía dưới). Trong mỗi bồn nước có thể chảy ra ngoài thông qua một val nằm dưới đáy bồn.
Mực nước trong các bồn sẽ được đo bằng cảm biến áp suất nằm dưới đáy mỗi bồn. Với mô hình này ta có 2 phương án thiết lập cấu trúc mô hình khác nhau cho đối tượng: -phương án 1: máy bơm sẽ bơm nước vào bồn 1 và nước từ bồn 1 chảy ra van của bồn 1 và chảy xuống bồn 2. Ở đây ta sẽ xây dựng bộ điều khiển để điều khiển mực nước ở bồn 2. -phương án 2: máy bơm sẽ bơm nước cùng lúc vào cả 2 bồn, nước từ bồn 1 sẽ chảy vào bồn 2.
Và ta điều khiển mực nước trong bồn 2. SVTH:Mai Văn Văn Trang 13 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID Hình 1.3 Cấu hình bồn nước đôi nối tiếp hệ SISO 2.2 Phương trình toán học của mô hình: a. Phương án 1: - Lưu lượng nước chảy vào bồn 1 từ máy bơm : Qi = KpU(t) (1.20) -Vận tốc nước chảy ra từ van xả của bồn 1 VB C dB 2 g ( H 1 (t )) (1.21) -Diện tích mặt cắt trong của bồn 1: 1 2 A1 * D 1 (1.22) 4 -Diện tích mặt cắt của van xả B của bồn 1: 1 2 aB * DB (1.23) ta tính được lưu lượng nước chảy ra khỏi bồn 1 như sau: Q01 a B *VB CdB a B 2 gH1 (t ) (1.24) -Phương trình vi phân mô tả động học của bồn 1 : SVTH:Mai Văn Văn Trang 14 Hệ thống điều khiển mực nước trong bồn nước đôi sử dụng bộ điều khiển PID H 1 (t ) A1 Qi Qo1 K pU (t ) CdB a B 2 gH1 (t ) t (1.25) Từ đây ta suy ra được phương trình vi phân mô tả sự biến thiên cả mực nước trong bồn 1 là: H1 (t ) CdB AB 2g Kp t A1 H1 (t ) A1 U (t ) (1.