Έλεγχος δύο συζευγμένων δεξαμενών
Loading...
Date
2025-10-14
Authors
Βενιζέλος-Τριανταφύλλου, Βασίλειος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, σχεδίαση και υλοποίηση ενός συστήματος ελέγχου για τη ρύθμιση της στάθμης υγρού σε δύο συζευγμένες δεξαμενές, χρησιμοποιώντας τεχνικές αυτομάτου ελέγχου και πειραματική επαλήθευση.
Το υπό μελέτη σύστημα παρουσιάζει έντονα μη γραμμική δυναμική λόγω της φύσης της ροής του υγρού, των φυσικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δεξαμενών, καθώς και της συμπεριφοράς των επιμέρους εξαρτημάτων, γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για τη δοκιμή διαφορετικών μεθόδων ελέγχου και την αξιολόγηση της απόδοσής τους σε πραγματικές συνθήκες. Η εργασία αυτή στοχεύει στην κατασκευή πλήρους πειραματικής πλατφόρμας και στη σύγκριση δύο διαφορετικών ελεγκτικών στρατηγικών: της κλασικής μεθόδου Αναλογικού–Ολοκληρωτικού–Παραγωγικού ελεγκτή (PID controller) και του προσαρμοστικού ελέγχου που εφαρμόζει προσαρμοστική γραμμικοποίηση μέσω
ανάδρασης (adaptive feedback linearization).
Για την υλοποίηση του συστήματος, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε μια φυσική διάταξη δύο δεξαμενών, με χρήση αισθητήρων βάρους, DC αντλίας, motor drivers και ηλεκτρονικών ελεγκτών, με επίκεντρο την πλατφόρμα Arduino. Πραγματοποιήθηκε αναλυτική παρουσίαση όλων των στοιχείων του συστήματος, καθώς και της
συνδεσμολογίας τους, ώστε να διασφαλιστεί η σταθερότητα και αξιοπιστία της πλατφόρμας. Στη συνέχεια, έγινε η απαραίτητη βαθμονόμηση των αισθητήρων, η αναγνώριση των παραμέτρων του συστήματος και η μαθηματική μοντελοποίηση της δυναμικής του, βασισμένη σε εξισώσεις ροής τύπου Bernoulli,Torricelli και στην αρχή διατήρησης και ισοζυγίου μάζας. Το προκύπτον μοντέλο αποτέλεσε τη βάση για τον σχεδιασμό και την ανάλυση των στρατηγικών ελέγχου.
Αρχικά, εφαρμόστηκε έλεγχος PID, με τον καθορισμό των παραμέτρων του να γίνεται εμπειρικά μέσω της μεθόδου trial and error. Η προσέγγιση αυτή, παρότι απλή και διαδεδομένη, αποδείχθηκε ευάλωτη σε μεταβολές του συστήματος και περιορισμένης ευελιξίας. Αντίθετα, ο ελεγκτής AFL βασίζεται στην αντιστροφή της μη γραμμικής δυναμικής του συστήματος(γραμμικοποίηση), μετατρέποντάς το σε ισοδύναμο γραμμικό, όπου μπορούν να εφαρμοστούν πιο ισχυρές τεχνικές ελέγχου. Η προσέγγιση αυτή επέτρεψε ακριβή ρύθμιση της στάθμης και αυξημένη προβλεψιμότητα, ενώ παρέμεινε σταθερή ακόμα και σε συνθήκες παραμετρικής αβεβαιότητας, υπό την προϋπόθεση ότι το μοντέλο του συστήματος είναι επαρκώς ακριβές. Και οι δύο ελεγκτές εφαρμόστηκαν τόσο σε προσομοιωτικό περιβάλλον (MATLAB) όσο και στο πραγματικό φυσικό σύστημα, μέσω ζωντανής επικοινωνίας με τον μικροελεγκτή.
Για την αξιολόγηση της απόδοσης των ελεγκτών πραγματοποιήθηκε σειρά δοκιμών με διαφορετικά σενάρια αναφοράς και εξωτερικές διαταραχές. Καταγράφηκαν κρίσιμα χαρακτηριστικά όπως ο χρόνος ανόδου, το σφάλμα μόνιμης κατάστασης, η απόσβεση και η γενική σταθερότητα του συστήματος. Τα αποτελέσματα έδειξαν σαφώς τη βελτιωμένη συμπεριφορά του ελεγκτή AFL σε σχέση με το PID, ειδικά σε καταστάσεις όπου η δυναμική του συστήματος μεταβάλλεται ή παρουσιάζει υψηλό μη γραμμικό φορτίο.Παρόλα αυτά, δεδομένης τις φύσης της πλατφόρμας υπήρξαν περιορισμοί στους ελεγκτές που δεν τους επέτρεψαν να ελέγξουν το σύστημα σε όλο το φάσμα περιοχών στάθμης των δεξαμενών.
Η εργασία δομείται μεθοδικά, ξεκινώντας από την περιγραφή και κατασκευή της πλατφόρμας, προχωρώντας στη μοντελοποίηση και βαθμονόμηση, και καταλήγοντας στον σχεδιασμό και την υλοποίηση των ελεγκτών. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη σύνδεση θεωρητικών εννοιών με πρακτικές εφαρμογές, στην ανάλυση της συμπεριφοράς του συστήματος, και στην τεκμηρίωση των επιλογών και των αποτελεσμάτων. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε παρέχει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για την κατανόηση και διαχείριση συστημάτων με μη γραμμική συμπεριφορά και αποτελεί ένα χρήσιμο υπόδειγμα εφαρμογής μεθόδων ελέγχου σε πραγματικές πειραματικές συνθήκες.
Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την εργασία αυτή επιβεβαιώνουν τη σημασία της ακρίβειας του μοντέλου και της επιλογής κατάλληλης στρατηγικής ελέγχου ανάλογα με τη φύση του συστήματος. Η επιτυχής υλοποίηση των δύο ελεγκτικών μεθόδων, σε συνδυασμό με τη δυνατότητα ζωντανού ελέγχου μέσω Arduino, προσφέρει σημαντικές γνώσεις και εμπειρία στον σχεδιασμό και την πειραματική εφαρμογή τεχνικών ελέγχου, καθιστώντας την εργασία χρήσιμο εργαλείο τόσο για ακαδημαϊκούς όσο και για επαγγελματίες στον τομέα των συστημάτων αυτοματισμού και δυναμικής ανάλυσης.
Description
Keywords
Έλεγχος συστημάτων, Συζευγμένες δεξαμενές