CƠ SỞ LÍ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi quan trọng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt là trong các hệ thống điều khiển vòng kín với tín hiệu phản hồi PID hoạt động bằng cách tính toán sai số giữa giá trị đo được và giá trị đặt mong muốn, từ đó điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào để giảm thiểu sai số Để đạt hiệu quả tối ưu, các thông số PID cần được điều chỉnh phù hợp với tính chất của từng hệ thống, mặc dù kiểu điều khiển vẫn giữ nguyên.
P (Proportional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.
I (Integral) là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu, sử dụng phương pháp điều khiển tích phân để điều chỉnh tín hiệu sao cho độ sai lệch giảm về 0 Phương pháp này giúp xác định tổng sai số tức thời theo thời gian, cũng như sai số tích lũy từ quá khứ.
D (Derivative) là vi phân của sai lệch, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với tốc độ thay đổi của sai lệch đầu vào Khi thời gian tăng, phạm vi điều chỉnh vi phân cũng mạnh hơn, cho phép bộ điều chỉnh phản ứng nhanh chóng với những thay đổi trong đầu vào.
1.1.2 Các loại bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển tỉ lệ P (Proportional Controller).
PI ( Proportinal and Integral Controller) là bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân.
PD (Proportional and Derivative Controller ) là bộ điều khiển đạo hàm.
PID (Proportional, Integral, and Derivative Controller) là bộ điều khiển tỉ lệ- tích phân- đạo hàm.
1.1.3 Tại sao cần điều khiển PID Để có thể hiểu về điều khiển PID một cách dễ dàng, chúng ta cùng xét dựa trên một bài toán: kiểm soát nhiệt độ nước xả ra từ lò sưởi đốt gas công nghiệp.
TH1: Kiểm soát nhiệt độ theo phương pháp thủ công
Để kiểm soát nhiệt độ nước xả ra từ lò sưởi đốt gas công nghiệp, người điều khiển cần theo dõi đồng hồ đo nhiệt độ và điều chỉnh van gas cho phù hợp Khi nhiệt độ vượt quá yêu cầu, cần giảm góc mở van gas để giảm nguyên liệu đốt, từ đó hạ nhiệt độ nước xả Ngược lại, nếu nhiệt độ nước giảm dưới mức yêu cầu, người vận hành phải tăng góc mở van gas để cung cấp thêm nguyên liệu đốt, giúp tăng nhiệt độ nước xả lên mức mong muốn.
Nhiệm vụ điều khiển do người vận hành thực hiện được gọi là điều khiển phản hồi, trong đó người vận hành điều chỉnh tốc độ đốt dựa trên phản hồi từ quá trình thông qua đồng hồ đo nhiệt độ Hệ thống điều khiển bao gồm người vận hành, van, lò sưởi và đồng hồ đo nhiệt độ, tạo thành một vòng điều khiển khép kín Mọi thay đổi của người vận hành đối với van gas sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ, và kết quả sẽ được đưa trở lại cho người vận hành qua đồng hồ đo nhiệt, tạo thành một vòng lặp đóng.
TH2: Kiểm soát nhiệt độ theo phương pháp tự động (điều khiển PID)
Hình 1.2: Kiểm soát nhiệt độ theo phương pháp tự động
Thay vì kiểm soát nhiệt độ nước xả từ lò sưởi đốt gas công nghiệp theo cách thủ công, chúng ta có thể sử dụng bộ điều khiển PID để tự động hóa quá trình này Để hệ thống hoạt động hiệu quả, cần thực hiện một số công việc cần thiết.
Sử dụng thiết bị đo nhiệt độ điện tử
Sử dụng van điều khiển điện tử (có thể tích hợp thêm bộ truyền động, bộ xác định vị trí, )
Sử dụng bộ điều khiển PID và thiết lập, cũng như kết nối nó với thiết bị đo nhiệt độ và van điều khiển điện tử.
Người vận hành thiết lập tham số điểm đặt cho bộ điều khiển PID ở nhiệt độ mong muốn, và đầu ra của bộ điều khiển là vị trí mở của van điều khiển Nhiệt độ được đo từ cảm biến, gọi là biến quá trình, và được truyền đến bộ điều khiển PID Bộ điều khiển so sánh giá trị nhiệt độ từ cảm biến với giá trị điểm đặt ban đầu, tính toán sai số giữa hai tín hiệu Dựa vào sai số và các hằng số điều chỉnh, bộ điều khiển xác định đầu ra thích hợp để điều chỉnh góc mở van, giữ nhiệt độ tại giá trị điểm đặt Nếu nhiệt độ vượt quá điểm đặt, bộ điều khiển sẽ giảm góc mở van, và ngược lại.
ỨNG DỤNG THỰC TẾ
Một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ “Điều khiển và giám sát mức chất lỏng” trong thực tế.
1.2.1 Lĩnh vực sản xuất Điện
- Nhiệt Điện: Phần lớn việc quản lý và giám sát chất lỏng trong các nhà máy nhiệt điện tập trung vào hệ thống làm mát cho các bình ngưng
Hình 1.3: Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt điện
Trong nhà máy nhiệt điện đốt than sử dụng tuabin ngưng hơi, hệ thống tuần hoàn bình ngưng đóng vai trò quan trọng trong chu trình nhiệt, giúp thải khoảng 40 - 45% nhiệt lượng mà nước nhận từ lò hơi Mặc dù lượng nhiệt thải đi lớn, nhưng quá trình này diễn ra ở nhiệt độ gần với môi trường, do đó hiệu quả thải nhiệt và hiệu quả của chu trình nhà máy nhiệt điện phụ thuộc mạnh mẽ vào các yếu tố môi trường và điều kiện truyền nhiệt trong bình ngưng Công nghệ quản lý và giám sát mức nước cũng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống làm mát tại các nhà máy nhiệt điện.
- Điện hạt nhân: Công nghệ giám sát và quản lý mức chất lỏng được ứng dụng nhiều trong các hệ thống làm mát.
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt nhân
Thủy điện là nguồn năng lượng điện được sản xuất từ sức mạnh của nước, chủ yếu từ thế năng của nước tích trữ tại các đập Quá trình này làm quay tuabin và máy phát điện Tại các nhà máy thủy điện, hệ thống tự động được sử dụng để đo và điều chỉnh lưu lượng nước trong hồ, cũng như lưu lượng nước chảy vào hệ thống điều khiển tuabin Để nâng cao hiệu quả sản xuất, thủy điện có thể áp dụng công nghệ “Điều khiển và giám sát mức nước” trong quá trình sản xuất điện.
1.2.2 Lĩnh vực xử lý nước thải
Trong những năm gần đây, nhiều cơ quan và tổ chức đã áp dụng công nghệ vào xử lý nước thải nhằm thực hiện hiệu quả chiến lược bảo vệ môi trường.
Ví dụ về một hệ thống xử lý nước thải
Hình 1.5: Quy trình công nghệ xử lý nước thải mực in
Quy trình liên kết các bể chứa nước thải một cách logic cho thấy sự cần thiết phải giám sát và điều khiển nước thải một cách hợp lý Điều này không chỉ giúp tăng hiệu suất của hệ thống mà còn giảm chi phí vận hành hiệu quả.
1.2.3 Nhà máy sản xuất nước
Nhà máy cung cấp nước đô thị đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp nước sạch đầy đủ cho nhu cầu sinh hoạt của người dân tại các thành phố Để đáp ứng nhu cầu sử dụng không xác định, hệ thống cấp nước cần được điều khiển sao cho áp suất bơm trong đường ống luôn ổn định.
Hình 1.6: Cấu trúc hệ thống điều khiển một nhà máy nước
Nhà máy sản xuất nước tinh khiết sử dụng công nghệ giám sát mức chất lỏng để điều khiển hệ thống Nước được bơm từ nguồn gốc và trải qua quy trình lọc bao gồm bồn lọc lon, bồn lọc cơ học, và bồn lọc than Sau đó, nước được khử trùng bằng tia cực tím trước khi đưa đến đầu ra.
Công nghệ “ Điều khiển và giám sát mức nước” cũng có thể áp dụng hiệu quả trong lĩnh vực sản xuất nước sạch
Hình 1.7: Công nghệ sản xuất nước tinh khiết
1.2.4 Công nghệ lọc hoá dầu, tháp nước tự động, trạm bơm nước lớn
Công nghệ "Điều khiển và giám sát mức nước" có thể được áp dụng hiệu quả trong các lĩnh vực như lọc hóa dầu, tháp nước và các trạm bơm nước lớn tự động, nhằm nâng cao năng suất sản xuất.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỰC NƯỚC
PID sẽ điều khiển motor để bơm nước lên mức đã được cài đặt Sau khi đạt được mức nước mong muốn, van sẽ được mở để cho nước chảy xuống bồn thứ hai, đồng thời đảm bảo mực nước trong bồn thứ nhất duy trì ổn định ở mức đã định.
2.1.2 Sơ đồ khối của hệ thống
Chức năng: Đọc giá trị trả về từ cảm biến từ tính toán PID và xuất tín hiệu điều khiển tới mạch điều khiển động cơ L298.
Linh kiện chính sử dụng:
- Mạch vi điều khiển Arduino Nano.
+ Vi điều khiển: Atmega328P(8bits).
+ Tần số hoạt động: 16 MHz.
+ Điện áp đầu vào khuyên dùng: 7VDC – 12VDC.
Vi điều khiển Động cơ Giá trị đặt
Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống
+ Điện áp vào giới hạn: 6 -20V DC.
+ Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardwre PWM).
+ Số chân Analog: 8 (độ phân giải 10bit).
+ Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30mA.
+ Dòng ra tối đa (5V) 500mA.
+ Dòng ra tối đã (3.3V) 50mA.
+ Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader. + SRAM 2KB (Atmega328).
Hình 2 2 Vi điều khiển Arduino Nano
- Mạch điều khiển động cơ DC L298
+ IC chính: L298 – Dual Full Bridge Driver
+ Điện áp đầu vào: 5~30VDC
+ Công suất tối đa: 25W 1 cầu
+ Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
+ Mức điện áp logic: Low 0.3~1.5V; High 2.3V~Vss
Hình 2 3 Mạch điều khiển động cơ DC L298.
2.1.2.2Khối cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm có khả năng nhận biết khoảng cách từ vật thể đến cảm biến thông qua sóng siêu âm, với thời gian phản hồi nhanh và độ chính xác cao Điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng phát hiện vật cản và đo khoảng cách.
- Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04.
+ Điện áp hoạt động: 5VDC.
+ Tín hiệu giao tiếp: TTL.
+ Chân tín hiệu: Echo, Trigger.
+ Tần số phát sóng: 40Khz.
+ Khoảng cách đo được: 2~450cm.
+ Kích thước: 43mm × 20mm × 17mm.
Hình 2 4 Cảm biến siêu âm Ultrasnnic HC-SR04.
- Được sử dụng để bơm nước lên bồn với khả năng bơm tối đa lên đến 1~1 lít/1 phút.
- Động cơ DC bơm nước Water Pump P350 12VDC
+ Điện áp sử dụng: 6~12VDC.
+ Thời gian chạy liên tục: < 1h.
+ Đường kính đầu bơm: Đường kính trong 6mm, đường kính ngoài 8.5mm.
Hình 2.5: Động cơ DC bơm nước Water Pump P385 12VDC
2.1.3 Sơ đồ nguyên lý tổng quát
Hình 2.6: Thiết kế sơ đồ nguyên lý tổng quát trên Proteus
THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Gồm các thiết bị sau:
- 1 Động cơ DC bơm nước.
- 1 Mạch vi điều khiển Arduino Uno R3.
- 1 Mạch điều khiển động cơ DC L298.
- 2 Ống mềm Silicone Tube 8×6mm.
- 2 Bìa mô hình foam 30×30cm
Sau khi lựa chọn thiết bị phù hợp ta sẽ thực hiện thiết kế mô hình thực tế như sau:
Hình 2.7: Mô hình điều khiển mực nước sử dụng bộ điều khiển PID
Hình 2.8: Mạch điều khiển động cơ và Arduino Nano
GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN
HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Hệ thống điều khiển mực nước bao gồm các thành phần chính như Arduino Nano, mạch điều khiển động cơ L298, cảm biến siêu âm HC-SR04, động cơ 12V DC, van khóa xả nước và bộ cấp nguồn 12V DC Động cơ bơm là đối tượng điều khiển, nhận tín hiệu từ mạch điều khiển động cơ L298, trong khi Arduino Nano thực hiện tính toán PID để điều chỉnh hoạt động Tín hiệu phản hồi được lấy từ cảm biến siêu âm, giúp hệ thống duy trì mức nước ổn định.
Máy tính (PC) đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển hệ thống thông qua phần mềm Arduino IDE Chức năng điều khiển cho phép người dùng nhập các thông số PID như Kd, Ki, Kp và giá trị đặt Setpoint Đồng thời, chức năng giám sát trên máy tính giúp theo dõi các thông số của hệ thống, hiển thị trên màn hình các thông tin như mực nước và đồ thị so sánh giữa giá trị đặt (Setpoint) và giá trị thực tế (Process Variable).
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
3.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung Để thay đổi tốc độ, ta phải thay đổi điện áp đặt trên 2 đầu động cơ Và phương pháp để thay đổi điện áp hiệu quả và phổ biến hiện nay là phương pháp điều chế độ rộng xung.
_ PID rời rạc Động cơ
Hình 3.1 Độ rộng xung PWM
Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) là kỹ thuật điều chế dựa trên việc thay đổi độ rộng của xung trong chuỗi vuông, từ đó làm thay đổi giá trị trung bình của điện áp đầu ra.
Để tạo xung PWM, ta sử dụng chức năng tạo xung PWM của Arduino Giả sử độ rộng xung là D(%), và biên độ điện áp của chuỗi xung là V Điện áp trung bình ở ngõ ra có thể được tính dựa trên các thông số này.
3.2.2 Bộ điều khiển PID rời rạc
Bộ điều khiển PID – Proportional Intergral Derivative Controller
- Bộ điều khiển vòng kín được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp.
- Là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: Tỉ lệ, tích phân và vi phân.
Việc lựa chọn thông số bộ điều khiển phù hợp giúp triệt tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng và giảm độ vọt lố.
- Triệt tiêu sai số xác lập.
- Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.
Sơ đồ khối bộ điều khiển PID lý tưởng:
Hàm truyền bộ điều khiển PID lý tưởng:
Kp, Ki, Kd lần lượt là các hệ số khâu tỉ lệ, tích phân và vi phân:
Độ lợi tỉ lệ (KP) có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của hệ thống; giá trị càng cao thì phản ứng càng nhanh nhưng cũng làm tăng sai số Nếu KP quá lớn, hệ thống sẽ dễ bị mất ổn định và dẫn đến dao động không mong muốn.
Độ lợi tích phân (KI) càng lớn giúp giảm nhanh sai số ổn định, tuy nhiên cũng dẫn đến độ vọt lố lớn hơn Để đạt được trạng thái ổn định, mọi sai số âm trong quá trình đáp ứng quá độ cần phải được triệt tiêu bởi sai số dương thông qua tích phân.
Độ lợi vi phân (KD) có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống điều khiển; giá trị KD cao giúp giảm độ vọt lố nhưng lại làm chậm quá trình đáp ứng và có thể gây mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
Sơ đồ khối bộ điều khiển PID rời rạc:
Hàm truyền của các khâu hiệu chỉnh rời rạc:
+ Khâu vi phân liên tục:
+ Khâu vi phân rời rạc:
+ Khâu tích phân liên tục:
+ Khâu tích phân rời rạc:
Hàm truyền bộ điều khiển PID rời rạc: Đặt
Chia 2 vế của phương trình cho Ta có:
Tín hiệu điều khiển PID cho hệ rời rạc là:
Tổng kế sự ảnh hưởng của các khâu điều khiển Đáp ứng vòng kín Thời gian lên Vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập
KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm
KI Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu
KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ
Bảng 3.1: Sự ảnh hưởng của các khâu điều khiển
Các phương pháp tìm thông số PID:
- Điều chỉnh thủ công, bằng tay.
- Dùng công cụ phần mềm.
Chọn phương pháp điều chỉnh thủ công, bằng tay:
- Đặt Tăng đến khi hệ thống dao động tuần hoàn.
- Đặt thời gian tích phân bằng chu kỳ dao động.
- Điều chỉnh giá trị cho phù hợp.
- Nếu có dao động thì điều chỉnh giá trị
THỰC NGHIỆM
T IẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM
Bước 1: Đổ nước vào bồn chứa.
Bước 2: Nạp code trên phần mềm Arduino IDE.
Bước 3: Cấp nguồn 12V DC nuôi mạch điều khiển động cơ L298 và Arduino
Nano, động cơ 12V DC, cảm biến siêu âm.
Bước 4: Giám sát mực nước đang ổn định và ghi nhận kết quả.
Bước 5: Tắt nguồn dừng hệ thống.
K ẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Hình 4.1: Mực nước được ổn định ở chiều cao mong muốn.
Hình 4.2 Biểu đồ biểu thị mực nước, giá trị đặt Setpoint
K ẾT LUẬN THỰC NGHIỆM
Sau khi cấp nguồn, mạch bắt đầu hoạt động và nước được bơm lên độ cao mong muốn Khi mực nước ổn định, độ vọt lố và thời gian xác lập đều giảm Biểu đồ mực nước duy trì sự ổn định, không dao động và luôn theo đường setpoint.
