فرمول های آزادسازی کنترلر و سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

فرمول های آزادسازی کنترلر و سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

اسلاید 1: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

اسلاید 2: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع در این سیستم، هدف کنترل نرخ مایع پمپ شونده به تانک جهت قرارگیری سطح مایع در نقطه مطلوب می باشدیک سیستم کنترل سطح مایع رایج

اسلاید 3: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع ● این سیستم از بخشهای زیر تشکیل شده است:شماتیک سیستم● مخزن آب● پمپ آب● حسگر سطح مایع● میکرو کنترلر● مبدل D/A● تقویت کننده

اسلاید 4: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع شماتیک سیستم● مخزن آب: سطح مایع داخل این مخزن کنترل می شود. آب از بالای 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 پلاستیکی با ابعاد 12cm*10cm*10cm می باشد● پمپ آب: پمپ مورد استفاده یک پمپ 12 ولتی بوده که در زمان کار در حداکثر ولتاژ خود 3 آمپر جریان می کشد.

اسلاید 5: 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 430 اهم در زمانیکه بازوی شناور در انتهای مخزن (مخزن خالی) بوده تا 40 اهم در زمانیکه بازو در بالای مخزن است، تغییر می کند.

اسلاید 6: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع شماتیک سیستم● میکروکنترلر: از نوع PIC167877 بوده که در این پروژه بعنوان یک کنترل کننده دیجیتال مورد استفاده قرار می گیرد. این میکرو شامل یک مبدل آنالوگ به دیجیتال 10 بیتی و 8 کاناله می باشد. ● مبدل دیجیتال به آنالوگ: در این پروژه از مبدل AD7302 که 8 بیتی 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 LM675 استفاده شده که توان خروجی مبدل دیجیتال به آنالوگ را افزوده که قادر به راه اندازی پمپ می باشد. این تقویت کننده تا حدود 30 وات توان قادر به تولید می باشد

اسلاید 7: 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 مخزننرخ ذخیره آب داخل مخزننرخ خروج آب مخزنسطح مقطع مخزنارتفاع آب داخل مخزن

اسلاید 8: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع مدل سیستم● نرخ خروجی آب از مخزن بصورت زیر بدست آورده می شود: ارتفاع آب داخل مخزنضریب تخلیه خروجی مخزنمقطع خروجی مخزنثابت گرانشجایگذاری در معادله قبل

اسلاید 9: 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=Q0 باشد، نرخ خروجی نیز در نهایت دارای مقدار Qout=Q0 می گردد و ارتفاع مایع نیز به مقدار ثابت h0 رسیده 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:

اسلاید 10: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع مدل سیستم● با خطی سازی معادله فوق می توان به معادله زیر دست یافت:

اسلاید 11: 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:نرخ فلوی پمپولتاژ اعمالی به پمپ● حسگر سطح:خروجی حسگر سطح● تقویت کننده توان:ولتاژ خروجی تقویت کننده توانولتاژ ورودی تقویت کننده توان

اسلاید 12: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع مدل سیستم● بلوک دیاگرام سیستم مدلسازی شده:

اسلاید 13: 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

اسلاید 14: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع شناسائی سیستم● خروجی پورت B میکروکنترلر به ورودی های داده مبدل دیجیتال به آنالوگ متصل می گردد که این مبدل توسط پین RC0 میکرو کنترل می گردد● خروجی مبدل دیجیتال به آنالوگ به تقویت کننده توان LM675 متصل شده که پمپ را راه اندازی می کند● مقدار پله برابر با 200 اختیار شده که متناظر با ولتاژ 200/256*5000 برابر 3/9 ولت از مبدل D/A می باشد● ارتفاع آب داخل سطح (خروجی حسگر سطح) بصورت زمان حقیقی توسط ثبت کننده داده از نوع DrDaq و نرم افزار picolog ثبت می گردد. DrDaq یک کارت الکترونیکی کوچک بوده که به پورت موازی PC متصل می گردد. ● picolog بر روی PC اجرا شده که برای ثبت اندازه گیریهای DrDaq بصورت زمان حقیقی استفاده می گردد. این نرم افزار همچنین شامل یک گزینه گرافیکی برای رسم منحنی داده های اندازه گیری می باشد

اسلاید 15: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع شناسائی سیستم● برنامه میکرو برای ارسال یک پله واحد به مبدل آنالوگ به دیجیتال:

اسلاید 16: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع شناسائی سیستم● برنامه میکرو برای ارسال یک پله واحد به مبدل آنالوگ به دیجیتال:

اسلاید 17: 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 (200) به پورت B ارسال می گردد. سپس با صفر کردن ورودی WR از 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.

اسلاید 18: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع شناسائی سیستم● نمایش پاسخ پله سیستم: همانطور که ملاحظه می گردد پاسخ پله یک سیستم مرتبه اول نوعی بوده که البته شامل نویز می باشد

اسلاید 19: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع شناسائی سیستم● با توجه به اینکه ثبت کننده داده DrDaq 8 بیتی می باشد با یک ورودی مرجع 5 ولت، رزولوشن آن 5/19 میلی 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 بالاتر 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

اسلاید 20: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع طراحی کنترل کننده● در این حالت دیاگرام مداری حلقه بسته بصورت زیر می باشد

اسلاید 21: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع طراحی کنترل کننده● با اتصال خروجی حسگر سطح به پین آنالوگ ورودی AN0 حلقه، 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 PI زیگلر-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=31s و TD=2s داده می شوند و بهره K

اسلاید 22: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع طراحی کنترل کننده● پس مدل سیستم زیر را خواهیم داشت:● با توجه به اینکه ثابت زمانی سیستم 31 ثانیه است، زمان نمونه برداری باید کمتر از یک دهم ثابت زمانی سیستم انتخاب گردد که در این پروژه 100 میلی ثانیه و یا 1/ 0 ثانیه اختیار شده است● ضرایب کنترل کننده PI زیگلر-نیکولز بر اساس پارامترهای مدل بصورت زیر بدست آورده می شوند:

اسلاید 23: 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:

اسلاید 24: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع طراحی کنترل کننده● نحوه برنامه نویسی 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/D برای دریافت داده های داده های آنالوگ از کانال AN0 مقداردهی اولیه می شوند● تابع Read_AD_input یک نمونه را از مبدل A/D خوانده و در متغیر yk ذخیره می کند

اسلاید 25: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع طراحی کنترل کننده● تایمر برای ایجاد وقفه هر 10 میلی ثانیه یکبار مقداردهی اولیه می گردد● در ابتدای روتین ISR، الگوریتم PI بعد از دهمین وقفه یعنی بعد از 100 میلی ثانیه، اجرا می گردد که تضمین می کند زمان نمونه برداری کنترل کننده 100 میلی ثانیه باشد● روتین ISR، خروجی حسگر سطح را خوانده و آن را تبدیل به دیجیتال می کند، پس از آن الگوریتم PI پیاده سازی شده است● بعد از ارسال خروجی به مبدل D/A، روتین ISR مجددا وقفه های تایمر را فعال می کند

اسلاید 26: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع طراحی کنترل کننده● پاسخ پله حلقه بسته با ورودی مرجع تنظیم شده در 2280- واضح است که پاسخ سیستم بدون خطای ماندگار به مقدار مرجع رسیده است که البته پاسخ همراه با نویز است

اسلاید 27: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع طراحی کنترل کننده● ادامه:

اسلاید 28: سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع طراحی کنترل کننده● ادامه: