Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển mức nước PLC S7-1200 - ĐH Bách Khoa

Đồ án điều khiển ổn định mức nước sử dụng thuật toán PID trên PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal. Hướng dẫn lập trình chi tiết, sơ đồ đấu nối và mô phỏng thực

• Tác giả: Nguyễn Văn B
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn A
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế, xây dựng, lắp đặt, lập trình hệ thống điều khiển mức dùng cảm biến chênh áp(để đo mức) và van điện khí nén
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án ổn định mức nước PID trên PLC S71200 và TIA Portal

Đồ án ổn định mức nước dùng PID trên PLC S71200 và TIA Portal là đề tài nghiên cứu trọng điểm trong ngành tự động hóa. Đề tài tập trung giải quyết bài toán duy trì mức chất lỏng ổn định tại giá trị đặt trước trong các bình chứa công nghiệp. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 kết hợp thuật toán PID Compact tích hợp sẵn trên môi trường TIA Portal. Thuật toán này liên tục tính toán sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị đo thực tế từ cảm biến. Sau đó, bộ điều khiển xuất tín hiệu điều khiển tương ứng đến cơ cấu chấp hành để bù trừ lưu lượng nước vào hoặc ra. Giải pháp này giúp loại bỏ sai số xác lập, giảm thời gian quá độ và triệt tiêu độ vọt lố. Hệ thống tự động thích ứng với các biến động tải bất ngờ trong quá trình vận hành liên tục. Việc kết hợp PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal mang lại khả năng cấu hình trực quan, giám sát tham số thời gian thực và tối ưu hóa thời gian phát triển đồ án. Kết quả nghiên cứu cung cấp nền tảng kiến thức vững chắc cho việc triển khai các hệ thống điều khiển quá trình trong các nhà máy nhiệt điện, hóa chất và xử lý nước thải.

1.1. Cấu trúc phần cứng hệ thống điều khiển mức nước

Phần cứng hệ thống bao gồm bốn khối chức năng chính được ghép nối đồng bộ. Khối điều khiển trung tâm sử dụng PLC Siemens S7-1200 với các module đầu vào và đầu ra tương tự chuẩn. Khối đo lường sử dụng cảm biến chênh áp hoặc cảm biến mức siêu âm để đo chiều cao cột nước trong bình chứa. Cảm biến chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện tiêu chuẩn từ 4 đến 20mA gửi về PLC. Khối chấp hành bao gồm biến tần điều khiển động cơ bơm nước hoặc van tuyến tính điều tiết dòng chảy. Khối hiển thị và giao tiếp bao gồm màn hình HMI hoặc máy tính giám sát SCADA. Nguồn cấp công nghiệp 24VDC đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định và an toàn trước các xung nhiễu điện từ.

1.2. Môi trường lập trình TIA Portal và hàm PID Compact

Môi trường phần mềm TIA Portal cung cấp nền tảng kỹ thuật số toàn diện cho việc cấu hình và lập trình PLC S7-1200. Trong đó, khối hàm công nghệ PID Compact đóng vai trò hạt nhân xử lý thuật toán điều khiển kín. Khối hàm này hỗ trợ tính toán thời gian thực theo chu kỳ ngắt vòng lặp cố định OB30. Giao diện cấu hình cho phép người kỹ sư dễ dàng khai báo dải đo, giới hạn đầu ra và thời gian trễ của đối tượng. TIA Portal tích hợp sẵn công cụ đồ thị động trực quan để theo dõi trực tiếp các biến số PV, SP và Output. Tính năng này giúp quá trình phân tích phản ứng động học của cột nước diễn ra nhanh chóng, chính xác và hiệu quả.

II. Phân tích thách thức phi tuyến trong điều khiển ổn định mức nước

Quá trình điều khiển mức nước trong thực tế đối mặt với nhiều đặc tính phi tuyến và quán tính nhiệt động phức tạp. Tiết diện bình chứa có thể thay đổi theo chiều cao, đặc biệt là dạng bình trụ tròn nằm ngang. Khi diện tích mặt thoáng thay đổi liên tục, hàm truyền động học của đối tượng không còn giữ giá trị cố định. Mối quan hệ giữa lưu lượng chảy qua van và áp suất thủy tĩnh cũng mang tính phi tuyến rõ rệt. Ngoài ra, độ trễ vận chuyển của dòng nước và quán tính cơ học của máy bơm gây ra sai số lớn nếu chỉ áp dụng các phương pháp điều khiển đóng cắt On-Off truyền thống. Các hiện tượng bọt khí, dòng xoáy và rung lắc cơ khí thường xuyên tạo ra tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên tác động vào cảm biến đo. Nếu hệ thống điều khiển không có khả năng lọc nhiễu và bù trễ thích hợp, bộ chấp hành sẽ chuyển đổi trạng thái liên tục. Hiện tượng này dẫn đến tình trạng quá nhiệt động cơ, mài mòn cơ khí van và làm mất ổn định toàn bộ chu trình công nghệ. Do đó, việc xây dựng mô hình toán học chính xác và áp dụng giải thuật PID số là yêu cầu tất yếu.

2.1. Đặc tính phi tuyến và quán tính của bồn chứa

Bồn chứa chất lỏng là đối tượng điều khiển có quán tính bậc nhất kèm thời gian trễ. Đối với bình trụ nằm ngang, diện tích mặt nước biến thiên phi tuyến theo chiều cao mức nước. Khi mức nước ở gần đáy hoặc gần đỉnh, tốc độ dâng nước diễn ra rất nhanh do diện tích tiếp xúc nhỏ. Ngược lại, tại vị trí đường kính trung tâm, tốc độ dâng nước chậm lại đáng kể. Sự biến thiên này làm thay đổi hằng số thời gian của hệ thống theo từng điểm làm việc. Do đó, các thông số điều khiển cố định khó duy trì chất lượng tối ưu trên toàn dải đo nếu không được tính toán kỹ lưỡng.

2.2. Ảnh hưởng của nhiễu tải và trễ của cơ cấu chấp hành

Nhiễu tải phát sinh chủ yếu do sự thay đổi đột ngột của lưu lượng xả tại đầu ra bình chứa. Khi nhu cầu tiêu thụ hạ lưu tăng đột biến, mức nước sụt giảm nhanh chóng tạo ra sai lệch lớn. Đồng thời, van điều khiển tuyến tính và bơm biến tần luôn tồn tại khoảng trễ đáp ứng cơ học nhất định. Độ trễ này khiến tín hiệu điều khiển từ PLC không thể tác động tức thời lên lưu lượng thực tế. Nếu bộ điều khiển phản ứng quá nhạy, hệ thống dễ rơi vào trạng thái dao động tự kích. Việc phân tích chính xác các yếu tố nhiễu giúp thiết lập dải bù hợp lý cho thuật toán.

III. Phương pháp tinh chỉnh PID trên PLC S71200 bằng TIA Portal

Giải pháp điều khiển mức nước sử dụng giải thuật PID Compact trên PLC S7-1200 đem lại hiệu quả vận hành vượt trội. Quá trình lập trình bắt đầu bằng việc chuẩn hóa tín hiệu đầu vào tương tự từ cảm biến mức qua các khối hàm NORM_X và SCALE_X. Tín hiệu số nguyên từ ngõ vào analog được quy đổi thành giá trị thực tế theo tỷ lệ phần trăm hoặc đơn vị mét. Tiếp theo, khối PID Compact được gọi trong khối tổ chức ngắt chu kỳ OB30 nhằm đảm bảo chu kỳ lấy mẫu bất biến. Phần mềm TIA Portal hỗ trợ hai chế độ tinh chỉnh thông số tự động gồm Pretuning và Fine Tuning. Chế độ Pretuning xác định sơ bộ các hằng số khuếch đại Kp, thời gian tích phân Ti và thời gian vi phân Td thông qua việc kích thích đáp ứng quá độ. Sau đó, chế độ Fine Tuning tinh chỉnh sâu các thông số nhằm tối thiểu hóa sai số xác lập và triệt tiêu dao động dư. Bên cạnh đó, người kỹ sư có thể can thiệp thủ công theo phương pháp Ziegler-Nichols để tối ưu hóa đặc tính đáp ứng của hệ thống.

3.1. Quy trình cấu hình và chuẩn hóa tín hiệu trong TIA Portal

Quy trình cấu hình bắt đầu từ việc khai báo cấu hình phần cứng module analog trong dự án TIA Portal. Kênh tín hiệu đầu vào nhận giá trị dòng điện 4-20mA tương ứng với dải số nguyên 0 đến 27648. Hàm NORM_X chuyển đổi giá trị nguyên này về dải giá trị chuẩn hóa 0.0 đến 1.0. Sau đó, hàm SCALE_X biến đổi dải chuẩn hóa thành giá trị mức nước thực tế từ 0 đến 100%. Tín hiệu đã xử lý được đưa vào chân Process Value của khối PID Compact. Tương tự, tín hiệu đầu ra điều khiển từ khối PID được quy đổi ngược lại để xuất điện áp hoặc dòng điện điều khiển biến tần bơm.

3.2. Thuật toán tự dò thông số Pretuning và Fine Tuning

Tính năng tự dò thông số tích hợp trong TIA Portal giúp rút ngắn đáng kể thời gian cài đặt hệ thống. Khi kích hoạt chế độ Pretuning, PLC phát xung thử nghiệm lên cơ cấu chấp hành và ghi nhận đường cong phản ứng quá độ của mức nước. Dựa trên độ dốc và thời gian trễ, hệ thống tự động tính toán bộ thông số Kp, Ti, Td ban đầu. Tiếp theo, chế độ Fine Tuning được kích hoạt khi mức nước gần đạt giá trị đặt. Khối hàm thực hiện các hiệu chỉnh nhỏ liên tục để ổn định trạng thái cân bằng. Kết quả mang lại chất lượng điều khiển mượt mà, hạn chế tối đa độ vọt lố khi khởi động.

IV. Đánh giá kết quả đồ án và ứng dụng điều khiển mức công nghiệp

Đồ án ổn định mức nước dùng PID trên PLC S7-1200 và TIA Portal chứng minh tính khả thi cao trong thực nghiệm kỹ thuật. Hệ thống sau khi được hiệu chỉnh đạt được thời gian xác lập nhanh, độ vọt lố dưới 5% và triệt tiêu hoàn toàn sai số tĩnh. Khi xuất hiện nhiễu cấp hoặc nhiễu tải bất ngờ, bộ điều khiển phản hồi kịp thời để đưa cột nước trở về vị trí cân bằng chỉ sau vài chu kỳ dao động ngắn. Giải pháp này không chỉ giải quyết trọn vẹn yêu cầu học thuật của đồ án môn học mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong thực tiễn sản xuất. Các mô hình bồn chứa công nghiệp trong ngành cấp nước đô thị, hóa dầu, chế biến thực phẩm và nhà máy nhiệt điện đều đòi hỏi quy trình điều tiết mức nước tự động với độ tin cậy tuyệt đối. Việc làm chủ công nghệ điều khiển PLC S7-1200 kết hợp thuật toán PID nâng cao giúp các kỹ sư tự động hóa tự tin thiết kế, vận hành và tối ưu hóa các dây chuyền sản xuất quy mô lớn.

4.1. Đánh giá chất lượng đáp ứng động học của mô hình

Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống đạt tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt. Thời gian đáp ứng của mức nước khi thay đổi giá trị đặt diễn ra êm thuận, không gây hiện tượng sốc áp suất trên đường ống. Độ quá điều chỉnh được kiểm soát chặt chẽ giúp bảo vệ an toàn cho bình chứa và ngăn ngừa sự cố tràn chất lỏng. Ngay cả khi có sự thay đổi đột ngột về tải xả đáy, thuật toán PID nhanh chóng tăng tần số biến tần để bù đắp lưu lượng thiếu hụt. Đường cong đặc tính trên giao diện đồ thị phản ánh độ ổn định và độ tin cậy cao của toàn bộ hệ thống.

4.2. Khả năng mở rộng và ứng dụng trong tự động hóa công nghiệp

Cấu trúc phần mềm và phần cứng của đồ án có tính module hóa cao, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nâng cấp mở rộng. Hệ thống dễ dàng tích hợp thêm các vòng lặp điều khiển lưu lượng, áp suất và nhiệt độ để hình thành mô hình điều khiển phân tầng đa biến (Cascade Control). Ngoài ra, PLC S7-1200 hỗ trợ giao thức truyền thông công nghiệp Profinet và Modbus TCP/IP, cho phép kết nối mạng lưới SCADA quản lý từ xa. Mô hình này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống cấp nước lò hơi, tháp giải nhiệt công nghiệp và các trạm xử lý nước thải tự động hiện đại.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa giữ vai trò thiết yếu trong việc nâng cao hiệu quả vận hành và an toàn sản xuất tại các nhà xí nghiệp. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử công suất cùng các linh kiện bán dẫn đã tạo điều kiện thiết kế các hệ thống truyền động nhỏ gọn, hạ giá thành và nâng cao độ chính xác tác động. Việc tự động hóa quy trình sản xuất, đặc biệt là bài toán điều khiển mức chất lỏng trong các bình chứa công nghiệp, là nhu cầu kỹ thuật cấp thiết nhằm duy trì tính ổn định của dây chuyền công nghệ.

Đồ án môn học 2 với đề tài "Thiết kế, xây dựng, lắp đặt, lập trình hệ thống điều khiển mức dùng cảm biến chênh áp (để đo mức) và van điện khí nén" được thực hiện tại Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (năm 2022) bởi sinh viên Nguyễn Văn B (mã số sinh viên 1123452332, lớp DHTĐHA123) dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Đức Dương. Nội dung tài liệu bao quát hai bài toán kỹ thuật cụ thể:

1. Bài toán 1 (Bài 1): Xây dựng mô hình số, mô hình hóa động học, tính toán thông số bộ điều khiển mức, mô phỏng và chạy thực nghiệm hệ thống điều khiển mức bình trụ tròn nằm ngang sử dụng cảm biến siêu âm kết hợp biến tần điều khiển tốc độ bơm ly tâm ba pha.
2. Bài toán 2 (Bài 2): Thiết kế, xây dựng, lắp đặt phần cứng, tính chọn thiết bị và lập trình hệ thống điều khiển mức bình hình hộp chữ nhật thẳng đứng sử dụng cảm biến chênh áp đo mức nước và van tuyến tính điện khí nén.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là các đối tượng bình chứa chất lỏng có đặc tính dung tích và động học khác nhau (bình trụ tròn nằm ngang và bình hình hộp chữ nhật), các cảm biến đo mức (cảm biến siêu âm, cảm biến chênh áp), cơ cấu chấp hành (bơm ly tâm ba pha điều khiển qua biến tần, van điện từ solenoid, van tuyến tính điện khí nén) và thiết bị điều khiển khả trình (PLC Siemens S7-1200 cùng module mở rộng tín hiệu tương tự). Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được giới hạn trong phòng thí nghiệm chuyên ngành tự động hóa; phạm vi thời gian hoàn thành vào năm 2022. Về mặt thông số kỹ thuật, hệ thống bình trụ tròn nằm ngang có chiều dài $L = 1{,}5\text{ m}$, bán kính $R = 0{,}3\text{ m}$, chiều cao mực nước cực đại $H_{\max} = 0{,}6\text{ m}$; hệ thống bình hình hộp chữ nhật có chiều dài $L = 0{,}7\text{ m}$, cạnh đáy hình vuông $a$, chiều cao cực đại $H_{\max} = 0{,}6\text{ m}$; môi chất làm việc là nước có khối lượng riêng $\rho = 1000\text{ kg/m}^3$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng lý thuyết điều khiển quá trình hiện đại để phân tích và tổng hợp hệ thống. Trong mỗi bài toán, tác giả tiến hành phân loại các biến quá trình thành ba nhóm đại lượng cơ bản: đại lượng cần điều khiển (Controlled Variable - biến ra cần duy trì tại giá trị đặt hoặc bám theo tín hiệu chủ đạo), đại lượng điều khiển (Manipulated Variable - biến vào có thể can thiệp theo ý muốn) và đại lượng nhiễu (Disturbance - gồm nhiễu đầu vào, nhiễu tải, nhiễu ngoại sinh và nhiễu đo). Số bậc tự do của hệ thống ($DOF$) được xác định nghiêm ngặt bằng hiệu số giữa số biến quá trình độc lập và số phương trình cân bằng mô tả hệ thống.

Phương pháp mô hình hóa toán học dựa trên định luật bảo toàn khối lượng và bảo toàn năng lượng:

• Mô hình động học bình chứa: Thiết lập phương trình vi phân biến thiên thể tích $\frac{dV}{dt} = \sum F_{\text{in}} - \sum F_{\text{out}}$. Đối với bình trụ tròn nằm ngang, diện tích mặt cắt ướt là hàm phi tuyến theo chiều cao mức nước $H$, được tác giả phân tích hình học tích phân qua hai trường hợp $H \le R$ và $R < H \le 2R$, từ đó xác định công thức diện tích mặt thoáng $A(H) = 2L\sqrt{H(2R - H)}$. Phương trình vi phân phi tuyến được tuyến tính hóa quanh điểm làm việc xác lập $(\bar{H}, \bar{F})$ bằng phương pháp khai triển đạo hàm đơn phần để thành lập phương trình sai phân và hàm truyền đạt Laplace dạng tích phân quán tính: $$h(s) = \frac{1}{As} \left[ f_1(s) + f_3(s) - f_2(s) \right]$$
• Mô hình động học bơm ly tâm và biến tần: Dựa trên định luật bảo toàn năng lượng và phương trình cân bằng mômen quay trục động cơ $J\frac{d\omega}{dt} = M_e - M_c$. Hàm truyền động cơ kết hợp biến tần được xấp xỉ hóa khi sử dụng phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor (Field-Oriented Control / POC) không cảm biến tốc độ (sensorless).
• Mô hình hóa van điều khiển: Phân tích đặc tính van tuyến tính $f(p) = p$ có kèm khâu trễ quán tính và đặc tính van phần trăm bằng nhau (equal percentage) $f(p) = R_v^{p-1}$ với tỷ số dải lưu lượng $R_v$ từ 20 đến 50, quy đổi theo chuẩn tín hiệu dòng điện công nghiệp $4 - 20\text{ mA}$ tương ứng độ mở $p \in [0, 1]$.
• Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển: Tác giả áp dụng sách lược điều khiển phản hồi một vòng (Single-loop Feedback Control), sử dụng bộ điều khiển PI (Proportional - Integral). Các tham số được tính toán tối ưu theo hai tiêu chuẩn kinh điển: tiêu chuẩn mô-đun tối ưu (Modulus Optimum) và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng (Symmetrical Optimum).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm: tính toán giải tích tham số trên script M-file của Matlab; xây dựng sơ đồ khối và chạy mô phỏng đáp ứng quá độ trên Matlab-Simulink; lập trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal cho PLC Siemens S7-1200; thu thập dữ liệu thực nghiệm qua module tín hiệu tương tự và hiển thị dạng đồ thị đáp ứng. Nguồn dữ liệu hoàn toàn xuất phát từ thông số hình học của mô hình thực tế, bảng tra đặc tính thiết bị công nghiệp và tín hiệu đo đạc từ cảm biến chênh áp, cảm biến siêu âm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển mức được triển khai theo kiến trúc điều khiển tự động hóa công nghiệp ba cấp: cấp chấp hành - cảm biến, cấp điều khiển cục bộ (PLC) và cấp giám sát vận hành (HMI/SCADA).

Phân loại thiết bị	Tên thiết bị và mã hiệu	Vai trò kỹ thuật trong hệ thống
Bộ điều khiển trung tâm	Siemens PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/RLY (mã 6ES7 214-1HG40-0XB0 / ghi chú 6ES7 234-1HG40-0XB0)	Tiếp nhận tín hiệu đo, thực thi thuật toán điều khiển PID và phát lệnh điều khiển
Module mở rộng Analog	Siemens SM 1234 Signal Module (mã 6ES7 234-4HE30-0XB0)	Cung cấp 4 kênh đầu vào tương tự (dòng $4 - 20\text{ mA}$) và 2 kênh đầu ra tương tự (áp $0 - 10\text{ V}$)
Cảm biến đo mức	Cảm biến siêu âm (LT) và cảm biến chênh áp đo mức nước	Đo mức chất lỏng thực tế trong bình chứa, xuất tín hiệu chuẩn $4 - 20\text{ mA}$
Cơ cấu chấp hành	Bơm ly tâm 3 pha trục ngang kết hợp biến tần (MD200, SS2)	Cung cấp lưu lượng nước cấp $F_1$, điều chỉnh tốc độ quay thông qua biến tần
Van điều khiển	Van tuyến tính điện khí nén (CV) và các van điện từ Solenoid (SV01, SV02, SV3)	Điều tiết lưu lượng cấp vào bình hoặc đóng cắt các tuyến dòng chảy vào/ra
Thiết bị phụ trợ	Bộ nguồn $24\text{ VDC}$, contactor, rơ-le nhiệt, rơ-le trung gian	Cung cấp nguồn nuôi cảm biến, đóng cắt mạch động lực và bảo vệ quá tải

Quy trình thiết kế và triển khai phần mềm gồm các bước:

1. Thiết kế phần cứng và đấu nối: Bố trí khung bàn thí nghiệm, lắp đặt bồn chứa, đi dây mạch động lực cho bơm ba pha, đấu nối mạch điều khiển $24\text{ VDC}$, liên kết cảm biến đo mức về các kênh analog input của module SM 1234 và kết nối kênh analog output tới đầu vào điều khiển biến tần/van khí nén.
2. Lập trình điều khiển trên TIA Portal: Cấu hình phần cứng cho CPU 1214C và module SM 1234; viết các khối hàm chuẩn hóa (NORM_X) và chuyển đổi tỷ lệ (SCALE_X) để chuyển đổi giá trị nguyên từ thanh ghi tương tự sang đại lượng vật lý thực tế (mức nước, áp suất, tần số); cấu hình khối hàm điều khiển PID_Compact để thực thi luật điều khiển PI.
3. Thiết kế giao diện vận hành: Xây dựng màn hình giám sát và điều khiển trên nền tảng WinCC Runtime (WINCC-RT), cho phép đặt giá trị mức mong muốn (Setpoint), giám sát giá trị đo tức thời và trạng thái hoạt động của cơ cấu chấp hành.

Nội dung chính theo từng chương

Bài 1 - Chương 1: Phân biệt biến quá trình và bậc tự do của hệ thống bình trụ tròn nằm ngang

Chương này xác định sơ đồ công nghệ và các biến quá trình của bình trụ tròn nằm ngang. Nước được cấp từ thùng chứa vào bình qua hai tuyến: tuyến 1 sử dụng bơm ly tâm ba pha Pu01 điều khiển qua biến tần kết hợp van solenoid SV01; tuyến 2 sử dụng bơm Pu02 và van SV3. Nước thoát ra ngoài qua van xả SV02. Chiều cao mức nước $H$ ($H_{\max} = 0{,}6\text{ m}$) được đo bằng cảm biến siêu âm LT và đưa về bộ điều khiển mức LIC. Bốn biến quá trình được xác lập gồm: lưu lượng cấp $F_1$ (biến điều khiển), lưu lượng ra $F_2$ (nhiễu tải), lưu lượng cấp phụ $F_3$ (nhiễu vào) và mức nước $H$ (biến cần điều khiển). Với một phương trình vi phân biến thiên thể tích duy nhất, hệ thống có số bậc tự do là 3.

Bài 1 - Chương 2: Xây dựng mô hình động học của hệ thống, xây dựng phương trình sai phân và phương trình Laplace

Tác giả chứng minh rằng đối với bình trụ tròn nằm ngang, công thức tính thể tích nước $V$ theo chiều cao $H$ là đồng nhất cho cả hai trường hợp mực nước dưới bán kính ($H \le R$) và vượt bán kính ($R < H \le 2R$). Sau khi áp dụng đạo hàm vi phân và tuyến tính hóa quanh điểm làm việc xác lập, phương trình sai phân và phương trình Laplace của bình chứa được rút gọn. Tiếp theo, chương xây dựng mô hình toán cho bơm ly tâm dựa trên cân bằng động học mômen động cơ. Kết hợp mô hình bình chứa với động học bơm biến tần (hoạt động theo chế độ điều khiển tựa từ thông rotor sensorless), tác giả rút ra hàm truyền đạt đối tượng tổng quát, bỏ qua các thành phần vô cùng bé bậc cao và tổng hợp bộ điều khiển PI theo tiêu chuẩn mô-đun tối ưu.

Bài 1 - Chương 3: Tính toán bộ điều khiển mức trong bình

Chương tập trung tính toán các thông số cụ thể cho hệ thống: bán kính bình $R = 0{,}3\text{ m}$, chiều dài $L = 1{,}5\text{ m}$, mức tối đa $H_{\max} = 0{,}6\text{ m}$. Động cơ bơm có tốc độ định mức $\omega_{\text{normal}} = 1430 \times 2\pi / 60\text{ rad/s}$, hằng số thời gian biến tần xấp xỉ $T_{sw} = 0{,}01\text{ s}$. Dựa trên các quan hệ giải tích đã dẫn xuất, tác giả xác định diện tích mặt thoáng làm việc $A$, hằng số thời gian đối tượng $T$, các hệ số khuếch đại của bơm ($K_1, K_2, K_3$) và các tham số khuếch đại của bộ điều khiển PI ($K_P = T / T_{sw}$, $K_I = T / (8 T_{sw}^2)$).

Bài 1 - Chương 4: Mô phỏng hệ thống điều khiển mức trong bình trụ tròn nằm ngang trên Matlab

Toàn bộ thông số tính toán được nhập vào script M-file của Matlab để nạp dữ liệu cho mô hình Simulink. Sơ đồ mô phỏng bao gồm các khối: khối Subsystem đầu vào (chứa khâu truyền đạt và khối PID thiết lập dạng PI), khối Subsystem1 (chứa các khâu hàm truyền của đối tượng, các khối Gain, khối Sum và các khối Step tạo tín hiệu tác động/nhiễu), khối Single Tank GUI và khối Scope quan sát đáp ứng. Kết quả mô phỏng được khảo sát trong hai trường hợp:

• Trường hợp không có nhiễu: Khi đặt Setpoint tại $20%$, đáp ứng dao động từ $19{,}4%$; tại Setpoint $30%$, đáp ứng dao động từ $29{,}6%$; tại Setpoint $40%$, đáp ứng dao động từ $39{,}12%$.
• Trường hợp có nhiễu: Cài đặt hai khối Step mô phỏng nhiễu lưu lượng. Kết quả cho thấy đáp ứng mức vẫn bám sát giá trị đặt, độ lệch dao động không vượt quá $5%$.

Bài 1 - Chương 5: Chạy thực nghiệm mô hình

Chương trình điều khiển được nạp vào phần cứng thực tế gồm PLC Siemens CPU 1214C DC/DC/RLY và module mở rộng analog SM 1234. Bốn kênh đầu vào analog được cài đặt nhận tín hiệu dòng $4 - 20\text{ mA}$, hai kênh đầu ra analog phát tín hiệu điện áp $0 - 10\text{ V}$. Các khối hàm NORM_X và SCALE_X được sử dụng để chuẩn hóa tín hiệu cảm biến siêu âm, cảm biến áp suất và tần số biến tần MD200, SS2. Kết quả đo thực nghiệm ghi nhận trên đồ thị gồm ba tín hiệu: đường màu xanh lá (tốc độ động cơ), đường màu đỏ (mức nước thực tế) và đường màu xanh dương (giá trị đặt Setpoint). Hệ thống bám tốt giá trị đặt, vận hành ổn định và thích nghi tốt khi xuất hiện dòng chảy ra hoặc dòng cấp phụ từ bơm thứ hai.

Bài 2 - Chương 1: Phân biệt biến quá trình và phân tích bậc tự do của mô hình

Nghiên cứu đối tượng bình hình hộp chữ nhật thẳng đứng có chiều dài $L = 0{,}7\text{ m}$, cạnh đáy hình vuông $a$, chiều cao cực đại $H_{\max} = 0{,}6\text{ m}$. Quá trình điều khiển gồm dòng vào chính $F_1$ cấp từ bơm Pu01 qua van tuyến tính điện khí nén CV, dòng vào phụ $F_2$ từ bơm Pu02 và dòng xả đáy $F_3$. Tác giả xác lập 4 biến quá trình ($F_1, F_2, F_3, H$) và một phương trình bảo toàn khối lượng, xác định bậc tự do của mô hình bằng 3.

Bài 2 - Chương 2: Xây dựng mô hình động học của hệ thống, xây dựng phương trình sai phân, phương trình Laplace và mô hình hóa van điều khiển

Chương thiết lập phương trình vi phân thể tích cho bình hình hộp đứng: $\frac{dV}{dt} = F_1 + F_2 - F_3$ với $V = a \cdot L \cdot H$. Do diện tích tiết diện ngang là hằng số ($S = a \cdot L$), mô hình tuyến tính hóa của bình có dạng tích phân thuần nhất. Tiếp đó, tác giả tiến hành mô hình hóa van điều khiển điện khí nén theo hai trường hợp: van tuyến tính $f(p) = p$ có trễ quán tính và van phần trăm bằng nhau có đặc tính $f(p) = R_v^{p-1}$ ($R_v = 20 - 50$). Tín hiệu điều khiển $u$ được chuẩn hóa từ $4\text{ mA}$ ($u = 0$, van đóng $p = 0$) đến $20\text{ mA}$ ($u = 100%$, van mở hoàn toàn $p = 1$).

Bài 2 - Chương 3: Tính chọn các thiết bị chính sử dụng trong mô hình

Phần này trong đề cương văn bản hệ thống hóa các thiết bị cần trang bị cho mô hình: thiết bị đo (cảm biến chênh áp đo mức nước theo nguyên lý áp suất thủy tĩnh), thiết bị chấp hành (bơm ly tâm ba pha trục ngang, van điện từ solenoid, van tuyến tính điện khí nén, contactor, rơ-le nhiệt, rơ-le trung gian) và thiết bị điều khiển (nguồn cấp $24\text{ V}$, module mở rộng analog Siemens SM 1234).

Bài 2 - Chương 4: Tổng hợp bộ điều khiển mức và mô phỏng trên Matlab-Simulink

Trình bày phương pháp luận tổng hợp bộ điều khiển mức PI cho đối tượng bình hộp chữ nhật kết hợp van điều khiển theo hai phương pháp kinh điển: tiêu chuẩn mô-đun tối ưu và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng, đồng thời xây dựng mô hình mô phỏng trên Simulink để đánh giá chất lượng điều khiển.

Bài 2 - Chương 5: Thiết kế sơ đồ lắp đặt khung bàn và thiết kế sơ đồ đấu nối cho mô hình

Nội dung chương bao gồm thiết kế kết cấu cơ khí của khung bàn gá đặt bình chứa và đường ống dẫn, sơ đồ lắp ráp mô hình thực tế, sơ đồ đấu nối dây tủ điều khiển trung tâm và sơ đồ đấu nối mạch động lực cho hệ thống bơm.

Bài 2 - Chương 6: Thiết kế chương trình cho hệ thống điều khiển

Bao gồm các bước xây dựng chương trình điều khiển PLC trên TIA Portal, thiết lập giao diện giám sát và điều khiển WinCC Runtime (WINCC-RT), cùng quy trình chạy thử nghiệm toàn bộ hệ thống trên phần cứng thực tế.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật và số liệu cụ thể sau:

• Kết quả mô phỏng số (Bài 1): Bộ điều khiển PI tổng hợp theo tiêu chuẩn mô-đun tối ưu đảm bảo hệ thống bám sát giá trị đặt ở cả ba mốc thử nghiệm. Khi không có nhiễu, sai lệch xác lập nằm trong dải hẹp ($19{,}4%$ so với đặt $20%$; $29{,}6%$ so với đặt $30%$; $39{,}12%$ so với đặt $40%$). Khi có tác động của nhiễu tải và nhiễu đầu vào, độ lệch điều khiển trong giai đoạn quá độ và xác lập đều được giới hạn nghiêm ngặt, không vượt quá ngưỡng $5%$ giá trị mong muốn.
• Kết quả thực nghiệm trên phần cứng (Bài 1): Hệ thống điều khiển mức sử dụng PLC S7-1200 và module SM 1234 đã kích hoạt thành công biến tần điều khiển tốc độ bơm ly tâm. Đáp ứng mức thực tế (đường màu đỏ) bám sát giá trị đặt Setpoint (đường màu xanh dương) và giữ trạng thái ổn định ngay cả khi có nhiễu dòng xả hoặc bổ sung dòng nước từ bơm phụ Pu02.
• Giải pháp kỹ thuật đề xuất: Ứng dụng giải pháp điều khiển biến tần theo phương pháp tựa từ thông rotor (POC) kết hợp sensorless để tinh gọn kết cấu cảm biến tốc độ; thiết lập cấu hình chuẩn hóa tín hiệu analog hai chiều ($4 - 20\text{ mA}$ cho cảm biến đầu vào và $0 - 10\text{ V}$ cho đầu ra điều khiển); xây dựng mô hình toán học giải tích chi tiết cho van điều khiển có đặc tính phần trăm bằng nhau để bù trừ tính phi tuyến của hệ thống thủy lực.
• Đóng góp tự nêu của tác giả: Đồ án đã liên kết hoàn chỉnh chu trình phát triển một hệ thống điều khiển tự động: từ phân tích bản chất vật lý, thiết lập phương trình toán học, kiểm chứng thuật toán trên Matlab/Simulink đến chế tạo phần cứng, đấu nối tủ điện và lập trình PLC công nghiệp thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ trên nội dung văn bản gốc, công trình tồn tại một số điểm hạn chế kỹ thuật:

• Văn bản fulltext còn tồn tại các lỗi kỹ thuật in ấn và thiếu sót số liệu ở một số đoạn (như sự không nhất quán giữa mã hiệu CPU ghi ở trang bìa và mục nội dung; số liệu dao động mức ở kịch bản có nhiễu tại mốc $20%$ có sự nhầm lẫn chữ số thập phân trong bản thảo).
• Khâu xấp xỉ động học biến tần - động cơ đã loại bỏ các thành phần bậc cao vô cùng bé để đơn giản hóa việc tính toán bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn mô-đun tối ưu, điều này có thể làm giảm độ chính xác mô phỏng ở vùng tần số cao.
• Phần nội dung chi tiết của Bài 2 trong văn bản dừng lại ở khâu mô hình hóa van điều khiển; các chương tính chọn chi tiết, đấu nối và giao diện WinCC của Bài 2 chủ yếu nằm ở khung cấu trúc đề cương, chưa trình bày đầy đủ đồ thị đáp ứng thực nghiệm như Bài 1.

Hướng nghiên cứu tiếp theo dựa trên phạm vi nghiên cứu bao gồm: hoàn thiện việc lắp đặt và kiểm chứng thực nghiệm đối với hệ thống Bài 2 (sử dụng cảm biến chênh áp và van điện khí nén); khảo sát chất lượng điều khiển trong điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn với các dạng nhiễu ngẫu nhiên và biến thiên liên tục.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Đo lường và Hệ thống Công nghiệp đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc bài tập lớn về điều khiển quá trình.
• Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Cần tài liệu hướng dẫn thực tế về quy trình mô hình hóa bình chứa phi tuyến, phương pháp thiết lập tham số bộ điều khiển PI theo tiêu chuẩn mô-đun tối ưu/tối ưu đối xứng.
• Phần nội dung đáng tham khảo nhất:
  1. Phương pháp tích phân phân chia hai trường hợp hình học ($H \le R$ và $R < H \le 2R$) để tìm diện tích mặt thoáng bình trụ tròn nằm ngang tại [Chương 2, Bài 1].
  2. Đoạn mã script M-file và cấu trúc khối Simulink kết hợp Single Tank GUI tại [Chương 4, Bài 1].
  3. Cách cấu hình module tương tự SM 1234 và ứng dụng cặp hàm chuẩn hóa NORM_X - SCALE_X trong TIA Portal tại [Chương 5, Bài 1].

Câu hỏi thường gặp

Bậc tự do của mô hình bình trụ tròn nằm ngang và bình hình hộp chữ nhật được xác định như thế nào?

Trong cả hai bài toán, tác giả xác định có 4 biến quá trình độc lập ($F_1$ - lưu lượng cấp từ bơm Pu01, $F_2$ - lưu lượng xả đáy, $F_3$ - lưu lượng cấp phụ từ bơm Pu02, và $H$ - chiều cao mức chất lỏng) và 1 phương trình bảo toàn khối lượng (phương trình biến thiên thể tích $\frac{dV}{dt} = \sum F_{\text{in}} - \sum F_{\text{out}}$). Số bậc tự do của mỗi mô hình bằng số biến trừ đi số phương trình: $DOF = 4 - 1 = 3$.

Cấu hình phần cứng PLC và module mở rộng Analog trên TIA Portal gồm những gì?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/RLY (mã hiệu 6ES7 234-1HG40-0XB0 / 6ES7 214-1HG40-0XB0) kết hợp với module mở rộng Analog SM 1234 (mã hiệu 6ES7 234-4HE30-0XB0). Trên TIA Portal, 4 kênh đầu vào tương tự (Analog Inputs) được cấu hình sang chế độ dòng điện (Current $4 - 20\text{ mA}$) để tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến đo mức, và 2 kênh đầu ra tương tự (Analog Outputs) được cấu hình sang chế độ điện áp ($0 - 10\text{ V}$) để phát tín hiệu điều khiển biến tần.

Thuật toán điều khiển biến tần và tiêu chuẩn tối ưu hóa bộ điều khiển mức ở Bài 1 là gì?

Biến tần điều khiển bơm ly tâm Pu01 được cài đặt chế độ điều khiển tựa từ thông rotor (POC) kết hợp thuật toán không cảm biến tốc độ (sensorless). Bộ điều khiển tốc độ và bộ điều khiển mức nước PI được tác giả tổng hợp dựa trên tiêu chuẩn mô-đun tối ưu (Modulus Optimum), cho phép triệt tiêu hằng số thời gian quán tính lớn nhất của đối tượng và đảm bảo hệ thống có đáp ứng nhanh.

Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink ở Bài 1 đạt độ chính xác như thế nào?

Trong điều kiện mô phỏng không có nhiễu tại các điểm đặt Setpoint bằng $20%$, $30%$ và $40%$, giá trị mức nước thực tế dao động tương ứng quanh các mốc $19{,}4%$, $29{,}6%$ và $39{,}12%$. Khi bổ sung hai khối Step mô phỏng tác động của nhiễu tải và nhiễu đầu vào, độ sai lệch giữa đáp ứng thực tế và giá trị đặt vẫn được duy trì trong giới hạn cho phép, không vượt quá hoặc nhỏ hơn $5%$ giá trị mong muốn.

Đặc tính lưu lượng của van điều khiển tuyến tính trong Bài 2 được mô hình hóa theo dạng nào?

Tác giả phân tích hai dạng đặc tính: đặc tính tuyến tính lý thuyết $f(p) = p$ có khâu trễ thời gian do quán tính cơ cấu chấp hành, và đặc tính phần trăm bằng nhau (equal percentage) $f(p) = R_v^{p-1}$ với hệ số dải lưu lượng $R_v \in [20, 50]$. Tín hiệu dòng điện $4\text{ mA}$ tương ứng với tín hiệu điều khiển $u = 0$ và độ mở van $p = 0$; tín hiệu $20\text{ mA}$ tương ứng với $u = 100%$ và độ mở van hoàn toàn $p = 1$.

Kết luận

Đồ án môn học của sinh viên Nguyễn Văn B đã hoàn thành mục tiêu thiết kế và nghiên cứu hệ thống điều khiển mức chất lỏng công nghiệp qua hai đối tượng bồn chứa điển hình. Tác giả đã chứng minh năng lực kết hợp chặt chẽ giữa việc xây dựng mô hình toán học giải tích, kiểm chứng thuật toán mô phỏng trên Matlab-Simulink và triển khai cấu hình, lập trình điều khiển trên phần cứng PLC Siemens S7-1200 thực tế. Mặc dù văn bản còn một số giới hạn về mặt biên tập và mức độ hoàn thiện thực nghiệm ở phần sau, các kết quả mô phỏng và số liệu chạy thử nghiệm trên TIA Portal đã khẳng định tính khả thi của giải pháp điều khiển mức ứng dụng biến tần và van tuyến tính.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 PHÂN BIỆT BIẾN QUÁ TRÌNH VÀ BẬC TỰ DO CỦA HỆ THỐNG BÌNH TRỤ TRÒN NẰM NGANG I- Phân biệt biến quá trình 1.1 - Định nghĩa  Đại lượng cần điều khiển (controlled variable): Biến ra, đại lượng hệ trọng tới sự vận hành an toàn, ổn định hoặc chất lượng sản phẩm, cần được duy trì tại một giá trị đặt , hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo.  Đại lượng điều khiển (controlled variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp được theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển.  Đại lượng nhiễu : Biến vào không can thiệp được : + Nhiễu quá trình (disturbance) :  Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số đầu vào (lưu lương, nhiêt độ hoặc các thành phần nguyên liệu, nhiên liệu,…)  Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng dòng chảy, áp suất hơi nước, …)  Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài,…. + Nhiễu đo, nhiễu tạp (measurement noise) 1.2 - Biến quá trình mô hình bình trụ tròn nằm ngang  Các thông số và các biến quá trình của mô hình như hình 1: - F1 : Lưu lượng thể tích của nước cấp ( /h) từ Pu01 - F2 : Lưu lượng thể tích của nước đầu ra ( /h) - F3 : Lưu lượng thể tích của nước cấp ( /h) từ Pu02 - H : Là chiều cao mực nước bình; Hmax=0.6(m) - ρ : Khối lượng riêng của nước; ρ=1000(Kg/ ) - V : Thể tích lượng nước trong bình - L : Chiều dài bình; l=1.5m - R : Bán kính của bình: R=0.3m - ω : Tốc độ của bơm Pu01  Biến quá trình của mô hình: Trên cơ sở mô hình điều khiển mức ở Hình 1.1, chúng ta xác định các biến quá trình bao gồm các biến vào, ra và nhiễu như hình minh họa trong hình 1.2: Các biến quá trình của mô hình điều khiển mức II- Phân tích bậc tự do của hệ thống Bậc tự do của mô hình bình trụ tròn nằm ngang Ở mô hình bình trụ tròn nằm ngang ta có: - Số biến quá trình: 4 ( ) - Số phương trình: 1 Phương trình biến thiên thể tích nước trong bình: - Số bậc tự do: 3 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG, XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH SAI PHÂN VÀ PHƯƠNG TRÌNH LAPLACE I- Mô hình động học của hệ thống Dựa vào các biến quá trình đã nêu ra ở phần I : Ta áp dụng định luật bảo toàn khối lượng: (*) Mà , , , Trong đó: là khối lượng riêng của nước Thay vào phương trình (*) ta có biến thiên thể tích phần nước trong bình được mô tả bởi phương trình sau: (1.1) Thể tích của bình được tính theo chiều cao mực chất lỏng:  Trường hợp 1: H R Hình 1.3: Hình mặt cắt của bình với H R Ta có: Diện tích phần nước trong bình chứa bằng 2 lần diện tính phần S1.

Mà diện tích của phần S1 được tính là: Suy ra: Diện tích phần nước có trong bình là: Thế tích phần nước có trong bình là: (1.2)  Trường hợp 2: R H 2R Hình 1.4: Mặt cắt của bình với R H 2R Ta có: Diện tích phần nước trong bình chứa: S = S2+S3 Diện tích S2: Diện tích S3: Suy ra: Diện tích phần nước trong bình là: Thể tích phần nước có trong bình là: (1.3) Nhận thấy: Ở cả 2 trường hợp mực nước ở dưới bán kính bình và trường hợp mực lớn hơn bán kính thì cả 2 trường hợp điều cho ra được công thức tính thể tích mực nước có trong bình là giống nhau. Suy ra: Với V là thể tích nước trong bình trụ tròn nằm ngang được tính theo: (1.1), ta có phương trình vi phân mô tả bình chứa: (1.4), ta xét trạng thái xác lập, ta có: (1.6), ta có phương trình sai phân mô tả bình chứa: (1.7) Áp dụng đạo hàm đơn phần ta có: (1.7) suy ra phương trình sai phân mô tả bình chứa rút gọn: (1.9), ta có phương trình Laplace mô tả bình chứa Suy ra: (1.10) với Kí hiệu ngang trên để chỉ giá trị của 1 biến tại điểm làm việc Kí hiệu biểu diễn chênh lệch so với giá trị tại điểm làm việc. : giá trị tương đối của lưu lượng đầu vào, đầu ra của bình(%) : lưu lượng cực đại : Chiều cao cực đại : giá trị chiều cao tương đối  Sơ đồ cấu trúc hệ thống: Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc mô hình điều khiển mức II- Điều chỉnh lưu lượng dùng bơm ly tâm kết hợp biến tần Lưu lượng nước cấp được điều chỉnh bằng bơm ly tâm bap ha Pu01. Đây là vấn đề khá quan trọng do đặc tính bơm ly tâm phi tuyến mạnh.6: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh lưu lượng dùng bơm với: - áp suất môi chất ở đầu vào, đầu ra của bơm ( ) - thể tích riêng môi chất ở đầu vào, đầu ra của bơm ( ) - hàm enthalpy môi chất ở đầu vào, đầu ra của bơm - lưu lượng khối lượng môi chất ở đầu vào, đầu ra của bơm ( ) - lưu lượng thể tích môi chất ở đầu vào, đầu ra của bơm ( ) - thông lượng nhiệt đưa vào trên đơn vị chiều dài (W/m), - tốc độ quay của động cơ bơm ( rad/s ) - công suất cấp của bơm (W) - nội năng đơn vị môi chất ở đầu vào, đầu ra của bơm - hiệu suất của bơm Trong trường hợp này: Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có biến thiên năng lượng của hệ thống bơm được mô tả như sau: (1.11) Từ đó ta có phương trình vi phân tốc độ quay của động cơ: (1.12) với: là thành phần sinh momen động cơ bơm là thành phần momen tải cần có để chuyển động dung dịch Điều chỉnh lưu lượng bằng điều khiển tốc độ bơm tức là điều khiển công suất bơm Pu01.

Khi thay đổi lưu lượng bằng thay đổi tốc độ bơm, ta có động học quá trình phi tuyển có quán tính lớn.7: Đặc tính bơm ly tâm khi thay đổi tốc độ quay để thay đổi lưu lượng Từ phương trình vi phân tốc độ quay của động cơ (1.12), ta có phương trình sai phân mô tả bơm ly tâm: (1.13), ta chuyển sang phương trình laplace mô tả bơm ly tâm như sau: (1.14) với Kết hợp 2 phương trình (1.14), ta có phương trình laplace mô tả quá trình điều khiển mức kết hợp dùng bơm ly tâm để thay đổi lưu lượng: (1.15) Sơ đồ khối mô tả quá trình điều khiển mức bình trụ tròn nằm ngang: Hình 1.8: Sơ đồ khối mô hình điều khiển mức bình trụ tròn nằm ngang điều chỉnh lưu lượng dùng bơm ly tâm III- Tổng hợp bộ điều khiển mức nước Áp dụng sách lược điều khiển phản hồi vào đối tượng mô hình bình trụ tròn nằm ngang kết hợp với sơ đồ khối ở hình 1.8, ta tổng hợp được sơ đồ khối mach vòng điều chỉnh mức như sau: Hình 1.9: Mạch vòng điều chỉnh mức bình trụ tròn nằm ngang Bộ điều khiển mức ở đây dùng sóng siêu âm có hàm truyền Biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ bơm, được cài đặt chạy theo chế độ điều khiển theo phương pháp tựa từ thông rotor – POC kết hợp sensorless. Bộ điều khiển tốc độ được tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu module, ta có hàm truyền của toàn bộ khâu điều khiển tốc độ bơm bằng biến tần có công thức: (1.16) Do giá trị này rất bé nên ta có thể coi là thành phần này là thành phần vô cùng bé bậc cao, có thể loại bỏ được. Vậy nên ta có : (1.17) Ta có hàm truyền đạt đối tượng có dạng: (1.18) Theo kinh nghiệm, chọn suy ra kết hợp với công thức (1.18) ta có được hàm truyền đạt đối tượng đã rút gọn: (1.19) Tổng hợp bô điều chỉnh theo tiêu chuẩn tối ưu module theo công thức: (1.20) ta có được bộ điều chỉnh : (1.22) CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC TRONG BÌNH Xét mô hình điều khiển quá trình trên với các thông số: I- Thông số cơ bản  Bán kính :  Chiều dài :  Chiều cao max :  Lưu lượng max :  Chiều cao tại điểm làm việc xét :  Giá trị setpoit ban đầu :  Chênh lệch tại điểm so với giá trị đặt setpoit : II- Thông số cấp độ III- Thông số của bơm  Tốc độ quay :  Tốc độ quay tại điểm làm viêc:  Hiệu suất của bơm :  Công suất động cơ:  Momen quán tính của động cơ:  Công suất tại điểm :  Lưu lượng tại thời điểm :  Lưu lượng tại thời điểm :  Công suất tại điểm :  Công suất :  Thông số của phương trình laplace mô tả bơm ly tâm: IV- Thông số bộ điều khiển mức Chọn Thông số bộ điều khiển mức CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC TRONG BÌNH TRỤ TRÒN NẰM NGANG TRÊN MALAB I- TRƯỜNG HỢP KHÔNG CÓ NHIỄU Ở trên chúng ta đã tính toán các thông số của bộ điều khiển mức trong bình nằm ngang, nhập các thông số đó vào mfile của matlab ta được như sau: %% DATA R = 0.2*hmax; deltahsp = 1; deltaF2 = 1; %% Data of level A = 2*L*sqrt(hw*(2*R-hw)); T = A*hmax/Fmax; %% Data of Pump F1w = 0.005; %kgm2 wnormal = 1430*2*pi/60; %rad/s ww = 0.1*p1w; pw = p2w - p1w; T2 = J*ww^2/(mup*PSw - F1w*pw); K2 = -(mup*PSw - F1w*pw)/(Fmax*ww*pw); K1 = mup/(pw*Fmax); K3 = -F1w/(pw*Fmax); Tsw = 0.01; %% Level Controller KP = T/Tsw KI = T/(8*Tsw^2) Chú thích: Kí hiệu w tên thông số là thay cho kí hiệu ( ) của các thông số thực ta tính ở trên. Trong phần Simulink ta thiết kế hệ thống như sau Bước 1: Ta khởi động hệ thống matlab, vào Simulink và tạo ra 1 file mới.

Sau đó save và đặt tên file. Bước 2: Trong file mới tạo ta dựa vào sơ đồ cấu trúc phản hồi của hệ thống điều khiển mức trong bình trụ tròn nằm ngang (Hình 9) để mô phỏng. Ta lấy các khối mô phỏng tương ứng với các khối trong sơ đồ cấu trúc: - Khối Subsystem đầu vào: + Lấy khối đầu vào In: + Lấy khối Transfer Fcn và nhâp thông số như sau: + Khối PID và chọn thành bộ PI nhập như sau: + Khối đầu ra out: Sau đó ta sẽ được Subsystem hoàn thiện như sau: - Khối Subsystem1: + Vẫn lấy khối đầu vào In: + Lấy khối 3 Transfer Fcn và nhập thông số như sau: + Lấy 3 khối Gain và nhập như sau: + Lấy 2 khối Step: + Lấy khối Sum: + Lấy khối out: Sau đó ta sẽ được Subsystem1 như sau: Hình 1.