سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

در این سیستم، هدف کنترل نرخ مایع پمپ شونده به تانک جهت قرارگیری سطح مایع در نقطه مطلوب می باشد

یک سیستم کنترل سطح مایع رایج

سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

این سیستم از بخشهای زیر تشکیل شده است:●

شماتیک سیستم

مخزن آب● پمپ آب●

حسگر سطح ● میکرو کنترلر●مایع

D/A مبدل ●

تقویت کننده●

سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

شماتیک سیستم

سطح مایع داخل این مخزن کنترل می شود. آب از باالی مخزن داخل مخزن آب:●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

می باشد12cm*10cm*10cmاستفاده یک مخزن پالستیکی با ابعاد

ولتی بوده که در زمان کار در حداکثر 12 پمپ مورد استفاده یک پمپ پمپ آب:● آمپر جریان می کشد. 3ولتاژ خود

سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

شماتیک سیستم

حسگر سطح یک پتانسیومتر دوار بوده که شامل یک بازوی شناور حسگر سطح:●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 اهم در زمانیکه بازوی شناور در انتهای مخزن )مخزن خالی( بوده تا 430مقاومت از

اهم در زمانیکه بازو در باالی مخزن است، تغییر می کند. 40

سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

شماتیک سیستم

بوده که در این پروژه بعنوان یک کنترل کننده PIC167877 از نوع میکروکنترلر:●دیجیتال مورد استفاده قرار می گیرد. این میکرو شامل یک مبدل آنالوگ به دیجیتال

کاناله می باشد. 8 بیتی و 10

بیتی است 8 که AD7302 در این پروژه از مبدل مبدل دیجیتال به آنالوگ:●استفاده می شود.

توان خروجی یک مبدل دیجیتال به آنالوگ به حدود چند صد تقویت کننده توان:●میلی وات محدود بوده که برای راه اندازی پمپ کافی نیست. برای این منظور از یک

استفاده شده که توان خروجی مبدل دیجیتال به آنالوگ را LM675مبدل توان از نوع وات توان 30افزوده که قادر به راه اندازی پمپ می باشد. این تقویت کننده تا حدود

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

سطح مقطع مخزن ارتفاع آب داخل مخزن

سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

مدل سیستم

نرخ خروجی آب از مخزن بصورت زیر بدست آورده می شود:●

ارتفاع آب داخل مخزن

ضریب تخلیه خروجی مخزن

مقطع 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

باشد، نرخ خروجی نیز در نهایت Qin=Q0 وقتی که نرخ ورودی مقدار ثابت ● رسیده که h0 می گردد و ارتفاع مایع نیز به مقدار ثابت Qout=Q0دارای مقدار

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:●

نرخ فلوی پمپ ولتاژ اعمالی به پمپ

حسگر سطح:●

خروجی حسگر سطح

تقویت کننده توان:●

ولتاژ خروجی تقویت کننده توان

ولتاژ ورودی 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

میکروکنترلر به ورودی های داده مبدل دیجیتال به B خروجی پورت ● میکرو کنترل می RC0آنالوگ متصل می گردد که این مبدل توسط پین

گردد

متصل LM675 خروجی مبدل دیجیتال به آنالوگ به تقویت کننده توان ●شده که پمپ را راه اندازی می کند

اختیار شده که متناظر با ولتاژ 200 مقدار پله برابر با ● می باشدD/A ولت از مبدل 9/3 برابر 5000*256/200

ارتفاع آب داخل سطح )خروجی حسگر سطح( بصورت زمان حقیقی ● ثبت می گردد. picolog و نرم افزار DrDaqتوسط ثبت کننده داده از نوع

DrDaq یک کارت الکترونیکی کوچک بوده که به پورت موازی PC متصل می گردد.

● picolog بر روی PC اجرا شده که برای ثبت اندازه گیریهایDrDaq بصورت 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 ● ارسال می گردد. سپس با صفر کردن ورودی B( به پورت 200سیگنال پله )

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.

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

بیتی می باشد با یک ورودی مرجع DrDaq 8 با توجه به اینکه ثبت کننده داده ● میلی ولت می باشد که منجر به ناپیوستگی های 5/19 ولت، رزولوشن آن 5

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

با لحاظ کردن نقاط میانی پله ها، می توان یک منحنی هموار بصورت زیر ●سطح تقویت گردد(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

حلقه، بسته شده AN0 با اتصال خروجی حسگر سطح به پین آنالوگ ورودی ●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

زیگلر-نیکولز طراحی می گرددPIمنظور یک کنترل کننده 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 K داده می شوند و بهره TD=2s و T1=31sزیگلر-نیکولز توسط

سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

طراحی کنترل کننده

پس مدل سیستم زیر را خواهیم داشت:●

ثانیه است، زمان نمونه برداری 31 با توجه به اینکه ثابت زمانی سیستم ● 100باید کمتر از یک دهم ثابت زمانی سیستم انتخاب گردد که در این پروژه

ثانیه اختیار شده است0/ 1میلی ثانیه و یا

زیگلر-نیکولز بر اساس پارامترهای مدل بصورت PI ضرایب کنترل کننده ●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 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:●

مقداردهی AN0 برای دریافت داده های داده های آنالوگ از کانال A/D مبدل ●اولیه می شوند

ذخیره yk خوانده و در متغیر A/D یک نمونه را از مبدل Read_AD_input تابع ●می کند

سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

طراحی کنترل کننده

میلی ثانیه یکبار مقداردهی اولیه می گردد10 تایمر برای ایجاد وقفه هر ●

100 بعد از دهمین وقفه یعنی بعد از PI، الگوریتم ISR در ابتدای روتین ●میلی ثانیه، اجرا می گردد که تضمین می کند زمان نمونه برداری کنترل

میلی ثانیه باشد100کننده

، خروجی حسگر سطح را خوانده و آن را تبدیل به دیجیتال می ISR روتین ● پیاده سازی شده استPIکند، پس از آن الگوریتم

مجددا وقفه های تایمر را ISR، روتین D/A بعد از ارسال خروجی به مبدل ●فعال می کند

سیستم کنترل دیجیتال سطح مایع

طراحی کنترل کننده

- واضح است که 2280 پاسخ پله حلقه بسته با ورودی مرجع تنظیم شده در ●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:●