Transcript سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫یک سیستم کنترل سطح مایع رایج‬
‫در این سیستم‪ ،‬هدف کنترل نرخ مایع پمپ شونده به تانک جهت قرارگیری سطح مایع در نقطه مطلوب می باشد‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شماتیک سیستم‬
‫● این سیستم از بخشهای زیر تشکیل شده است‪:‬‬
‫● مخزن آب‬
‫● پمپ آب‬
‫● حسگر سطح مایع‬
‫● میکرو کنترلر‬
‫● مبدل ‪D/A‬‬
‫● تقویت کننده‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شماتیک سیستم‬
‫● مخزن آب‪ :‬سطح مایع داخل این مخزن کنترل می شود‪ .‬آب از باالی مخزن داخل آن پمپ شده و یک حسگر سطح‪ ،‬ارتفاع‬
‫مایع را داخل آن اندازه گیری می کند‪ .‬میکرو کنترلر پمپ را بگونه ای کنترل می کند که مایع در سطح مورد نیاز باشد‪ .‬مخزن‬
‫مورد استفاده یک مخزن پالستیکی با ابعاد ‪ 12cm*10cm*10cm‬می باشد‬
‫● پمپ آب‪ :‬پمپ مورد استفاده یک پمپ ‪ 12‬ولتی بوده که در زمان کار در حداکثر ولتاژ خود ‪ 3‬آمپر جریان می کشد‪.‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شماتیک سیستم‬
‫● حسگر سطح‪ :‬حسگر سطح یک پتانسیومتر دوار بوده که شامل یک بازوی شناور متصل به بازوی لغزان پتانسیومتر دوار‬
‫می باشد‪ .‬سطح بازوی شناور و در نتیجه مقاومت با سطح مایع داخل مخزن تغییر می کند‪ .‬یک ولتاژ به دو سر پتانسیومتر‬
‫اعمال شده و تغییر این ولتاژ در دو سوی بازوی پتانسیومتر اندازه گیری می گردد‪ .‬این مقاومت از ‪ 430‬اهم در زمانیکه بازوی‬
‫شناور در انتهای مخزن (مخزن خالی) بوده تا ‪ 40‬اهم در زمانیکه بازو در باالی مخزن است‪ ،‬تغییر می کند‪.‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شماتیک سیستم‬
‫● میکروکنترلر‪ :‬از نوع ‪ PIC167877‬بوده که در این پروژه بعنوان یک کنترل کننده دیجیتال مورد استفاده قرار می‬
‫گیرد‪ .‬این میکرو شامل یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ‪ 10‬بیتی و ‪ 8‬کاناله می باشد‪.‬‬
‫● مبدل دیجیتال به آنالوگ‪ :‬در این پروژه از مبدل ‪ AD7302‬که ‪ 8‬بیتی است استفاده می شود‪.‬‬
‫● تقویت کننده توان‪ :‬توان خروجی یک مبدل دیجیتال به آنالوگ به حدود چند صد میلی وات محدود بوده که برای راه‬
‫اندازی پمپ کافی نیست‪ .‬برای این منظور از یک مبدل توان از نوع ‪ LM675‬استفاده شده که توان خروجی مبدل دیجیتال‬
‫به آنالوگ را افزوده که قادر به راه اندازی پمپ می باشد‪ .‬این تقویت کننده تا حدود ‪ 30‬وات توان قادر به تولید می باشد‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫مدل سیستم‬
‫● این سیستم در حالت کلی یک سیستم مرتبه اول بوده که نحوه مدلسازی آن مطابق ذیل می باشد‪:‬‬
‫نرخ فلوی ورودی به مخزن‬
‫نرخ ذخیره آب داخل مخزن‬
‫نرخ خروج آب مخزن‬
‫ارتفاع آب داخل مخزن‬
‫سطح مقطع مخزن‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫مدل سیستم‬
‫● نرخ خروجی آب از مخزن بصورت زیر بدست آورده می شود‪:‬‬
‫ارتفاع آب داخل مخزن‬
‫مقطع خروجی مخزن‬
‫ضریب تخلیه خروجی مخزن‬
‫ثابت گرانش‬
‫جایگذاری در معادله قبل‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫مدل سیستم‬
‫● رابطه فوق یک رابطه غیرخطی بین نرخ فلو و ارتفاع آب داخل مخزن می باشد که می توان آن را خطی کرد‬
‫● وقتی که نرخ ورودی مقدار ثابت ‪ Qin=Q0‬باشد‪ ،‬نرخ خروجی نیز در نهایت دارای مقدار ‪ Qout=Q0‬می گردد و ارتفاع مایع نیز‬
‫به مقدار ثابت ‪ h0‬رسیده که دارای ارتباط زیر با یکدیگر می باشند‬
‫● حال اگر یک انحراف کوچک در فلوی ورودی حول مقدار ماندگار بصورت زیر در نظر گرفته شود‪:‬‬
‫● تغییر ارتفاع‬
‫حاصل شده که دارای ارتباط زیر با هم می باشند‪:‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫مدل سیستم‬
‫● با خطی سازی معادله فوق می توان به معادله زیر دست یافت‪:‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫مدل سیستم‬
‫● پمپ‪ ،‬حسگر سطح و تقویت کننده توان نیز بهره های تناسبی ساده که فاقد دینامیک می باشند‪ ،‬روابط ورودی و‬
‫خروجی این واحدها بصورت زیر می باشند‪:‬‬
‫● پمپ‪:‬‬
‫ولتاژ اعمالی به پمپ‬
‫نرخ فلوی پمپ‬
‫● حسگر سطح‪:‬‬
‫خروجی حسگر سطح‬
‫● تقویت کننده توان‪:‬‬
‫ولتاژ ورودی تقویت کننده توان‬
‫ولتاژ خروجی تقویت کننده توان‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫مدل سیستم‬
‫● بلوک دیاگرام سیستم مدلسازی شده‪:‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شناسائی سیستم‬
‫● شناسائی سیستم‪ :‬برای شناسائی سیستم از تست پاسخ ضربه استفاده می شود که برای این منظور از پیکربندی‬
‫سخت افزاری زیر استفاده می شود‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شناسائی سیستم‬
‫● خروجی پورت ‪ B‬میکروکنترلر به ورودی های داده مبدل دیجیتال به آنالوگ متصل می گردد که این مبدل توسط‬
‫پین ‪ RC0‬میکرو کنترل می گردد‬
‫● خروجی مبدل دیجیتال به آنالوگ به تقویت کننده توان ‪ LM675‬متصل شده که پمپ را راه اندازی می کند‬
‫● مقدار پله برابر با ‪ 200‬اختیار شده که متناظر با ولتاژ ‪ 5000*200/256‬برابر ‪ 3/9‬ولت از مبدل ‪ D/A‬می باشد‬
‫● ارتفاع آب داخل سطح (خروجی حسگر سطح) بصورت زمان حقیقی توسط ثبت کننده داده از نوع ‪ DrDaq‬و نرم افزار‬
‫‪ picolog‬ثبت می گردد‪ DrDaq .‬یک کارت الکترونیکی کوچک بوده که به پورت موازی ‪ PC‬متصل می گردد‪.‬‬
‫● ‪ picolog‬بر روی ‪ PC‬اجرا شده که برای ثبت اندازه گیریهای ‪ DrDaq‬بصورت زمان حقیقی استفاده می‬
‫گردد‪ .‬این نرم افزار همچنین شامل یک گزینه گرافیکی برای رسم منحنی داده های اندازه گیری می باشد‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شناسائی سیستم‬
‫● برنامه میکرو برای ارسال یک پله واحد به مبدل آنالوگ به دیجیتال‪:‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شناسائی سیستم‬
‫● برنامه میکرو برای ارسال یک پله واحد به مبدل آنالوگ به دیجیتال‪:‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شناسائی سیستم‬
‫● برنامه میکرو برای ارسال یک پله واحد به مبدل آنالوگ به دیجیتال‪:‬‬
‫● در ابتدای برنامه پورتهای ورودی‪-‬خروجی پیکربندی شده و سپس یک سیگنال پله (‪ )200‬به پورت ‪ B‬ارسال می گردد‪ .‬سپس با‬
‫صفر کردن ورودی ‪ WR‬از مبدل دیجیتال به آنالوگ‪ ،‬این مبدل فعال شده و پس از نوشتن داده ها بر روی این مبدل‪ ،‬غیر فعال‬
‫شده تا خروجی آن تغییر ناگهانی نداشته باشد‪ .‬سپس این برنامه برای ایجاد انتظار در یک حلقه نامتناهی قرار می گیرد‪.‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شناسائی سیستم‬
‫● نمایش پاسخ پله سیستم‪ :‬همانطور که مالحظه می گردد پاسخ پله یک سیستم مرتبه اول نوعی بوده که البته شامل نویز می‬
‫باشد‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫شناسائی سیستم‬
‫● با توجه به اینکه ثبت کننده داده ‪ 8 DrDaq‬بیتی می باشد با یک ورودی مرجع ‪ 5‬ولت‪ ،‬رزولوشن آن ‪ 5/19‬میلی ولت می‬
‫باشد که منجر به ناپیوستگی های پله ای نشان داده شده در شکل می گردد( برای حذف این ناپیوستگی ها یا باید از یک ثبت‬
‫کننده داده با رزلوشن باالتر استفاده کرده و یا خروجی حسگر سطح تقویت گردد)‬
‫● با لحاظ کردن نقاط میانی پله ها‪ ،‬می توان یک منحنی هموار بصورت زیر بدست آورد‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫طراحی کنترل کننده‬
‫● در این حالت دیاگرام مداری حلقه بسته بصورت زیر می باشد‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫طراحی کنترل کننده‬
‫● با اتصال خروجی حسگر سطح به پین آنالوگ ورودی ‪ AN0‬حلقه‪ ،‬بسته شده است‬
‫● یکی از نیازمندیها دستیابی به خطای حالت دائم صفر می باشد که این مورد با استفاده از یک کنترل کننده انتگرالی قابل حصول‬
‫خواهد بود‪ .‬برای این منظور یک کنترل کننده ‪ PI‬زیگلر‪-‬نیکولز طراحی می گردد‬
‫● قبل از طراحی کنترل کننده باید پارامترهای سیستم را با استفاده از پاسخ پله حاصل از بخش قبل بدست آورد‪ .‬مطابق شکل‬
‫پارامترهای مدل سیستم زیگلر‪-‬نیکولز توسط ‪ T1=31s‬و ‪ TD=2s‬داده می شوند و بهره ‪K‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫طراحی کنترل کننده‬
‫● پس مدل سیستم زیر را خواهیم داشت‪:‬‬
‫● با توجه به اینکه ثابت زمانی سیستم ‪ 31‬ثانیه است‪ ،‬زمان نمونه برداری باید کمتر از یک دهم ثابت زمانی سیستم انتخاب‬
‫گردد که در این پروژه ‪ 100‬میلی ثانیه و یا ‪ 0 /1‬ثانیه اختیار شده است‬
‫● ضرایب کنترل کننده ‪ PI‬زیگلر‪-‬نیکولز بر اساس پارامترهای مدل بصورت زیر بدست آورده می شوند‪:‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫طراحی کنترل کننده‬
‫● با در نظر گرفتن ترم مشتق گیر برابر با صفر کنترل کننده زیر را خواهیم داشت که تحقق موازی آن در شکل نشان داده شده‬
‫است‪:‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫طراحی کنترل کننده‬
‫● نحوه برنامه نویس ی کنترل کننده در ادامه ارائه می گردد که خروجی کنترل کننده بر اساس یک تحقق موازی تولید شده است‬
‫● در ابتدای برنامه پارامترهای کنترل کننده تعریف می شوند‬
‫● این برنامه شامل توابع زیر می باشد‪:‬‬
‫● مبدل ‪ A/D‬برای دریافت داده های داده های آنالوگ از کانال ‪ AN0‬مقداردهی اولیه می شوند‬
‫● تابع ‪ Read_AD_input‬یک نمونه را از مبدل ‪ A/D‬خوانده و در متغیر ‪ yk‬ذخیره می کند‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫طراحی کنترل کننده‬
‫● تایمر برای ایجاد وقفه هر ‪ 10‬میلی ثانیه یکبار مقداردهی اولیه می گردد‬
‫● در ابتدای روتین ‪ ،ISR‬الگوریتم ‪ PI‬بعد از دهمین وقفه یعنی بعد از ‪ 100‬میلی ثانیه‪ ،‬اجرا می گردد که تضمین می کند‬
‫زمان نمونه برداری کنترل کننده ‪ 100‬میلی ثانیه باشد‬
‫● روتین ‪ ،ISR‬خروجی حسگر سطح را خوانده و آن را تبدیل به دیجیتال می کند‪ ،‬پس از آن الگوریتم ‪ PI‬پیاده سازی شده‬
‫است‬
‫● بعد از ارسال خروجی به مبدل ‪ ،D/A‬روتین ‪ ISR‬مجددا وقفه های تایمر را فعال می کند‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫طراحی کنترل کننده‬
‫● پاسخ پله حلقه بسته با ورودی مرجع تنظیم شده در ‪ -2280‬واضح است که پاسخ سیستم بدون خطای ماندگار به مقدار‬
‫مرجع رسیده است که البته پاسخ همراه با نویز است‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫طراحی کنترل کننده‬
‫● ادامه‪:‬‬
‫سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع‬
‫طراحی کنترل کننده‬
‫● ادامه‪:‬‬