CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN MỰC NƯỚC Vòi nước Nguồn tổ ong 220VAC/12VDC Sau khi thiết kế mô hình xong thì em sẽ tiến hành khảo sát hệ thống với từng bộ điều khiển PD, PI, PID để tìm các thông số KP, KI, KD để hệ thống đạt chất lượng tốt nhất. Sau đó, quan sát đáp ứng ngõ ra trên MATLAB và lập bảng tính toán các thông số như độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập của hệ thống; rút ra nhận xét và đưa ra kết luận. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô tả quy trình công nghệ và nguyên lý làm việc: Hình 2.1: Sơ đồ mô tả quy trình công nghệ Nguyên lý làm việc: Đầu tiên, vi điều khiển sẽ đọc tín hiệu từ cảm biến để xác định độ cao mực nước trong bồn nước. Sau đó, dựa vào độ cao mực nước đọc từ cảm biến thì vi điều khiển sẽ xuất tín hiệu để điều khiển mạch công suất để điều khiển máy bơm.
Sau khi mạch công suất đọc được tín hiệu từ vi điều khiển sẽ điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện để điều khiển công suất đầu ra máy bơm. Máy bơm sẽ bơm nước vào bồn nước với lưu lượng nước được bơm là bơm mạnh, yếu, hay dừng bơm tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển của mạch công suất nhận được từ vi điều khiển gửi về. Cùng lúc đó thì cảm biến vẫn luôn hoạt động để gửi tín hiệu về vi điều khiển, và vi điều khiển sẽ đọc tín hiệu từ cảm biến để xác định độ cao mực nước. Chu trình này cứ tiếp tục lặp đi lặp lại với thời gian lấy mẫu tùy thuộc vào cách lập trình mà ta viết.
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 17 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Vì hệ thống được lập trình bằng vi điều khiển nên ta sẽ sử dụng giải thuật điều khiển là PID số/rời rạc sao cho mực nước trong bồn luôn ở giá trị cố định mà ta đặt trước chứ không phụ thuộc vào lượng nước xả ra ở van. Ở đây, van chỉ giúp chúng ta điều tiết lưu lượng nước xả ra nhiều hay ít. Từ đó, giúp chúng ta xem thời gian xác lập của mô hình nhanh hay chậm, khả năng cân bằng lượng nước vào và ra có ổn định không. Qua đó, giúp chúng ta đánh giá chất lượng và tính ổn định của hệ thống.2 Khái quát về vi điều khiển: Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một con chip, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử.
Nó là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module ADC, DAC, timer, counter, truyền dữ liệu UART,… Vi điều khiển thường được sử dụng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó cũng được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện tử như máy giặt, lò vi sóng, đầu đọc DVD, máy lạnh, quạt (loại có remote điều khiển), lò nướng,… Vi điều khiển ngày nay rất đa dạng, ta có thể kể đến một số loại đang phổ biến như: PIC (Peripheral Interface Controller): PIC là một dòng vi điều khiển phổ biến của Microchip Technology. Nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng từ nhỏ đến lớn, và đang được các trường đại học, cao đẳng dùng để giảng dạy cho sinh viên vì độ phổ biến, dễ tiếp cận, dễ dàng cho người mới bắt đầu học. STM32: STM32 là dòng 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. Arduino: được ra mắt vào năm 2006, với nhiều thư viện mở đa dạng, dễ dàng lập trình trong Arduino IDE, giúp người học không cần hiểu quá sâu về bộ nhớ, thanh ghi,… mà vẫn có thể lập trình các dự án nhỏ và vừa. Đây chính là vi điều khiển có thể nói là dễ sử dụng và dễ dàng tiếp cận nhất cho người mới bắt đầu học hoặc những người không am hiểu về code mà vẫn muốn lập trình về vi điều khiển. ESP8266 và ESP32: Đây là các vi điều khiển Wi-Fi rất phổ biến trong lĩnh vực BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT IoT.
ESP8266 và ESP32 có tích hợp Wi-Fi, chức năng giao tiếp nhiều chuẩn, và hỗ trợ lập trình thông qua Arduino IDE hoặc mã nguồn mở ESP- IDF. AVR: AVR là một dòng 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.3 Khái quát về bộ điều khiển PID: PID được viết tắt bởi cụm từ Proportional Integral Derivative, nghĩa là cơ chế phản hồi các vòng điều khiển. Theo thống kê, thì bộ điều khiển PID xuất hiện đến 90% trong các hệ thống điều khiển ngoài thực tế.
Vì vậy, chúng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại. Bộ điều khiển này bắt đầu xuất hiện là vào năm 1890. Ban đầu nó xuất hiện trong các thiết kế của bộ điều tốc. Sau đó được phát triển trên các hệ thống tàu thuyền tự động bằng tên khác là PID Controller.
Đến năm 1922, Nicolas Minorsky mới chính thức cho xuất bản tác phẩm lý thuyết bộ PID. Trong sách ông đã đưa ra chi tiết về khái niệm của PID cũng như các kiến thức của bộ điều chỉnh mà đến nay nó vẫn có giá trị hữu dụng. Bộ thiết bị làm giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Để đạt được hiệu quả mong muốn thì thông số của PID cần phải điều chỉnh tùy theo tính chất hệ thống.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ta có công thức toán học của bộ điều khiển PID như sau: 𝑑 𝑢 (𝑡 ) = 𝐾 𝑒 (𝑡 ) + 𝐾 𝑒(𝑡 )𝑑𝑡 + 𝐾 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 Với e(t) là tín hiệu vào bộ điều khiển, u(t) là tín hiệu ngõ ra bộ điều khiển.
Trong đó: 𝐾 : là khâu tỉ lệ. Nó tạo ra tín hiệu nhằm điều chỉnh tỉ lệ và sai lệch đầu vào với thời gian lấy mẫu. 𝐾 ∫ 𝑒(𝑡 )𝑑𝑡: là khâu tích phân. Nó thực hiện bằng cách tạo và điều chỉnh tín hiệu cho độ sai lệch giảm về 0.
Với thời gian càng nhỏ thì việc hiệu chỉnh tích phân càng mạnh, đồng thời độ lệch càng nhỏ. ( ) 𝐾 : là khâu vi phân. Nó giúp tạo và điều chỉnh tín hiệu sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch ở đầu vào. Khác với phương pháp trên, thời gian càng lớn thì việc hiệu chỉnh vi phân càng mạnh, đồng thời sự thay đổi đầu vào càng nhanh.
Các phương pháp xác định được các thông số KP, KI, KD: Phương pháp Zeigler-Nichols Phương pháp phản hồi rơ le Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng Cohen-Coon Phương pháp gán thời gian xác lập Thử sai Một số phương pháp đã được trình bày trong sách “Lý thuyết Điều khiển Tự động” của tác giả Nguyễn Thị Phương Hà - Huỳnh Thái Hoàng, ta có thể đọc để tham khảo.4 Khái quát về PID số/rời rạc: 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. Nhưng từ sau năm 1960, thì kỷ nguyên bùng nổ và phát triển của vi xử lý, BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 20 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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/rời rạc. 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. Chính vì có khả năng lập trình nên PID số/rời rạc sẽ linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh các thông số để điều khiển hệ thống ví dụ như các thông số KP, KI, KD và thích ứng nhanh chóng với các biến đổi khi hệ thống bị thay đổi hay bị tác động bởi các đối tượng bên ngoài (làm hàm truyền sẽ thay đổi theo).3: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID số/ rời rạc Ta có hàm truyền của bộ điều khiển PID số/rời rạc là: 𝑈(𝑧) 𝐾𝑇 𝑧+1 𝐾 𝑧−1 𝐺 (𝑧 ) = =𝐾 + + 𝐸(𝑧) 2 𝑧−1 𝑇 𝑧 Trong đó: 𝐺 (𝑧) = 𝐾 : là khâu tỉ lệ.
𝐺 (𝑧) = : là khâu tích phân. 𝐺 (𝑧 ) = : là khâu vi phân 𝑇: là thời gian lấy mẫu của hệ thống (s) BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển rời rạc Trong đó: 𝑇: thời gian lấy mẫu của hệ thống (s) 𝑒(𝑘) : là sai số tín hiệu rời rạc 𝐺 (𝑠): là bộ điều khiển PID số/rời rạc (hình 2.3) 𝑢(𝑘 ): là tín hiệu điều khiển rời rạc. Z𝑂𝐻: là khâu giữ dữ liệu hay còn gọi là khối lưu trữ dữ liệu. Dùng để chuyển tín hiệu rời rạc theo thời gian thành tín hiệu liên tục theo thời gian.
𝐺(𝑠): là hàm truyền của đối tượng mà ta điều khiển. Vd: động cơ, lò nhiệt, bồn nước,… 𝐻 (𝑠): là hàm truyền mà tín hiệu hồi tiếp c(t) sẽ đi qua 𝑟(𝑡 ) 𝑣à 𝑐(𝑡): tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra của hệ thống Tín hiệu điều khiển u(k) của bộ điều khiển PID số/rời rạc sẽ có công thức là: 𝛼𝑒(𝑘 ) + 𝛽𝑒 (𝑘 − 1) + 𝛾𝑒 (𝑘 − 2) + Δ𝑢(𝑘 − 1) 𝑢 (𝑘 ) = Δ Trong đó: 𝛼 = 2𝑇𝐾 + 𝐾 𝑇 + 2𝐾 𝛽 = 𝑇 𝐾 − 4𝐾 − 2𝑇𝐾 𝛾 = 2𝐾 Δ = 2𝑇 BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 22 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.5 Mô hình toán học của hệ bồn nước đơn: 2.