1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BÁO CÁO PROJECT BASED LEARNING 1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ NHIỆT ĐẶNG NGỌC KIÊN NGUYỄN VĂN PHỤC NGUYỄN Q.
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BÁO CÁO PROJECT BASED LEARNING THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ NHIỆT ĐẶNG NGỌC KIÊN NGUYỄN VĂN PHỤC NGUYỄN QUANG REN NGƠ QUANG TRUNG ĐỒN VŨ PHÚ VINH Giáo viên hướng dẫn: TS.TRẦN THỊ MINH DUNG Danang, 31/03/2021 NỘI DUNG DANH MỤC HÌNH ẢNH……………………………………………………………………… LỜI NĨI ĐẦU…………………………………………………………………………………… GIỚI THIỆU……………………………………………………………………………….……… CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ…………………… ……………… 1.1 Giới thiệu lò nhiệt………………………………………………………………… 1.2 Ưu điểm, nhược điểm………………………………………………………………… CHƯƠNG 2: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID………………………………………………………….… 2.1 Tổng quan…………………………………………………………………………… 2.2 Khâu tỉ lệ (P)………………………………………………………………………… 2.3 Khâu tích phân (I)…………………………………………………………………… 2.4 Khâu vi phân (D)……………………………………………………………………… CHƯƠNG 3: CHI TIẾT LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI………………………………………………… 3.1 Xây dự mơ hình lý thuyết……………………………………………………………… 3.1.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống……………………………………………… 3.1.2 Tính chọn thành phần hệ thống………………………………… 3.2 Thiết kết mạch điện tử……………………………………………………… … 3.2.1 Sơ đồ khối mạch điện…… …………………………… …………………… 3.2.2 Phân tích khối chức năng………………………………………………… 3.2.2.1 khối nguồn……………………………………………… 3.2.2.2 khối điều khiển (PID)…………………………………………… 3.2.2.3 khối động lực…………………………………………………… 3.2.2.4 khối cảm biến phản hồi………………………………………………… 3.2.2.5 Khối hiển thị điều khiển……………………… CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MATLAB …………………… …… 4.1 Tải liệu vào Matlab Worksp: 4.2 Đưa liệu vào System Identìication 4.3 Kiểm tra mơ hình 4.4 Chọn hàm truyền hệ thống CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH THỰ TẾ VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ………………… 5.1 Mơ hình thực tế……………………………………………………… 5.2 Kết đạt được……………………………………………………… CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN……………………………………… 6.1 Kết luận……………………………………………………………… 6.2 Hướng phát triển………………………………………………… DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… LỜI KẾT…………………………………………………………………………… DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát………………………………………………………………….11 Hình 2.2 Sơ đồ PID…………………………………… ………………………………………11 Hình 3.0 Sơ đồ khối hệ thống…………………………………………… ……………………14 Hình 3.1 Đối tượng…………………………………………………………………………….15 Hình 3.2 Thiết bị chấp hành……………………………………………… ………………….15 Hình 3.3 Cảm biến LM35…….………………………… ……………… ………………….15 Hình 3.4 Đặc tính LM35………………………………………… ………………………15 Hình 3.5 Sơ đồ PID…………………………………………………………………………… 16 Hình 3.6 Sơ đồ bố trí……………………………………………………………………………16 Hình 3.7 Sơ đồ khối mạch điện………………………………… …………………………….17 Hình 3.9 Biến áp hạ áp………………………………………………………………………….18 Hình 3.11 Sơ đồ mạch lọc……………………………….……………………………… ……18 Hình 3.12a LM7812………………………………………………………… …………………19 Hình 3.12b LM7912…………………………………………………… …………………… 19 Hình 3.13 Sơ đồ chân………………………………………………………………………… 19 Hình 3.14 Sơ đồ mạch ổn áp…………………………………………………………… …….19 Hinh 3.15 Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn………………………………………………… 19 Hình 3.16 Mạch in………………………………………………………………………………20 Hình 3.17 Mạch mơ 3D………………………………………………………………….20 Hình 3.18 Mạch nguồn………………………………………………………………………….21 Hình 3.19 Sơ đồ tổng quát khối điều khiển……………………………………… ……………21 Hình 3.20 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo………………………………………………………….21 Hình 3.21 Sơ đồ mạch tích phân đảo……………………………………………………………22 Hình 3.32 Sơ đồ mạch vi phân đảo……………………………………….…………………… 22 Hình 3.33 Sơ đồ mạch cộng đảo……………………………………………………………… 23 Hình 3.34 Sơ đồ mạch vi sai…………………………………………………………………….23 Hình 3.35 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển mô Proteus…………………………… 24 Hình 3.36 Sơ đồ tổng quát khối động lực……………………………………………………….24 Hình 3.37 Sơ đồ mạch đảo tính hiệu…………………………………………………… …… 25 Hình 3.38 Sơ đồ mạch phát điểm khơng………………………………………… ………25 Hình 3.39 Đồ thị thời gian mạch phát điểm khơng……………………………………26 Hình 3.40 Sơ đồ mạch tạo xung cưa……………………………………………………….26 Hình 3.41 Đồ thời gian mạch tạo xung cưa…………………………………………….26 Hình 3.42 Sơ đồ mạch so sánh………………………………………………………………… 27 Hình 3.43 Đồ thị thời gian mạch so sánh……………………………………………………… 27 Hình 3.44 Sơ đồ mạch kích góc pha dùng Triac……………………………………………… 28 Hình 3.45 Đồ thị thời gian mạch kích góc pha………………………………………………….28 Hình 3.46 Đồ thị thời gian khối động lực……………………….………………………………29 Hình 3.47 Sơ đồ tổng quát khối cảm biến phản hồi…………………………………………… 29 Hình 3.48 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại………………………………………………… 29 Hình 3.49 Vơn kế điện tử…………………………………………………………………….….30 Hình 3.50 Biến trở………………………………………………………………………………30 Hình 3.51 Mạch in………………………………………………………………………………31 Hình 3.52 Mạch mơ 3D………………………………………………………………….31 Hình 3.53 Tồn mạch …………………………………………… ….…………………………32 Hình 4.1 Nhập liệu vào Matlab………………………………………………………………33 Hình 4.2 Bảng Import data…………………………………………………………… ……….34 Hình 4.3 Bảng System Identification……………………………………………………………34 Hình 4.4 Bảng Frequency Function…………………………………………………………… 35 Hình 4.5 Bảng Transient Response ……………………………………………………… … 36 Hình 4.6 Bảng Model Output……………………………………………………………………36 Hình 4.7 bảng Data/model infor……………………………………………………………… 37 Hình 5.1 Mơ hình thực tế……………………………………………………………………… 38 Hình 5.2 Mơ hình thực tế……………………………………………………………………… 38 LỜI NĨI ĐẦU Với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật người ngày địi hỏi trình độ tự động hóa phải phát triển để đáp ứng nhu cầu Tự động hóa ngày phát triển rộng rải lĩnh vực kinh tế, đời sống xã hội, ngành mũi nhọn công nghiệp Trình độ tự động hóa quốc gia đánh giá kinh tế quốc gia Chính vè lẽ mà việc phát triển tự động hóa việc cần thiết Việc tạo sản phẩm tự động hóa khơng công nghiệp mà đời sống người ngày phổ biến Hầu lĩnh vực thấy cần thiết tự động hóa Trong thực tế công nghiệp sinh hoạt hàng ngày, lượng nhiệt đóng vai trị quan trọng Năng lượng nhiệt dùng trình cơng nghệ khác nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khn đúc Vì việc sử dụng nguồn lượng cách hợp lý hiệu cần thiết Lò nhiệt ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp đáp ứng nhiều yêu cầu thực tiễn đặt Ở lò nhiệt, yêu cầu kỹ thuật quan trọng phải điều chỉnh khống chế nhiệt độ lò, đề tài chúng em chọn sử dụng phương pháp PID làm điều khiển Chúng em chọn làm đề tài “Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt” sở lý thuyết học chủ yếu mơn học Điều khiển tuyến tính, kèm theo kiến thức mơn học sở ngành mơn học có liên quan Mạch số, Mạch điện tử, … Vì lý lượng kiến thức hạn hẹp lần tự làm nghiên cứu đề tài nên trình làm chúng em cịn gặp nhiều khó khăn, khúc mắc chưa rõ chưa giải Trong thời gian thực đề tài, nhóm em nhận giúp đỡ Thầy Cô ban dạy môn PBL1, đặc biệt hướng dẫn tận tình từ Cơ Trần Thị Minh Dung, Thầy Nguyễn Khánh Quang Cơ Trương Thị Bích Thanh để nhóm em hồn thành đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn! Việc hoàn thành đề tài khơng tránh sai lầm thiếu sót Em mong nhận phê bình đánh giá Thầy Cơ để chúng em rút kinh nghiệm nhằm bổ sung kiến thức cho Đà nẵng, ngày 14 tháng năm 2021 Nhóm thực WinTeam GIỚI THIỆU Lý chọn đề tài: Đây đề tài không đơn giản chúng em, nhiên chúng em chọn đề tài thử thách để tiếp cận sâu vào lĩnh vực Điều khiển Tự động hóa Lựa chọn mang lại cho chúng em nhiều thứ như, hội làm việc nhau, có mục đích để tự tìm tịi, nghiên cứu tự tay làm sản phẩm hoàn chỉnh, rèn luyện khả xếp thời gian, công việc hợp lý… Đó lý mà nhóm em chọn đề tài Điều khiển nhiệt độ lò nhiệt a) Đóng góp đề tài: - Đối với sinh viên: Đề tài hội thử thách mà sinh viên phải vượt qua Trong thực đề tài sinh viên học nhiều thứ kiến thức lẫn kỹ mềm - Đối với khoa học đời sống: Đề tài hướng sinh viên trọng việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào sinh hoạt sản xuất, đồng thời giúp phát ý tưởng có ích cho đời sống Do tính ưu việt điều khiển thích nghi mà điều khiển bắt đầu ứng dụng vào điều khiển hệ thống phức tạp, hệ phi tuyến thực tế b) Mục tiêu đề tài: - Thiết kế hệ thống tuyến tính, cụ thể hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiêt (máy ấp trứng) - Đánh giá tính ổn định hệ thống - Xác định mơ hình hóa - Thiết kế mạch điều khiển - Đánh giá nhận xét c) Tiến trình thực đề tài: BẢNG CƠNG VIỆC Thành viên Thời gian Tháng Tháng Tháng Nguyễn Quang Ren Đoàn Vũ Phú Vinh Nguyễn Văn Phục Ngô Quang Trung Đặng Ngọc Kiên Bảng 1.0 Bảngcông việc BẢN CHÚ THÍCH Tìm hiểu lý thuyết Tìm hiểu linh kiện Thiết kế mạch, mô mạch Mua nguyên liệu lắp ráp thí nghiệm mạch Tìm hiểu mơ matlab Viết báo cáo ghi chép tổng hợp tiến độ cơng việc Bảng 1.1 Bảng thích d) Đóng góp thành viên nhóm thực đề tài: TT Họ tên Nhiệm vụ Đóng góp (%) Đặng Ngọc Kiên Tìm hiểu lý thuyết, linh kiện yêu cầu cần thiết cho đề tài 20% Nguyễn Văn Phục Tìm hiểu lý thuyết, ngun lý mạch, tìm hiểu mơ mathlab 20% Nguyễn Quang Ren Tìm hiểu lý thuyết, nguyên lý cấu tạo mạch Lắp ráp thử nghiệm mạch 20% Ngơ Quang Trung Tìm hiểu lý thuyết, linh kiện yêu cầu cần thiết cho đề tài 20% Đồn Vũ Phú Vinh Tìm hiểu lý thuyết, ngun lý mạch, tìm hiểu mơ mathlab Đồng thời giám sát quản lý tiến độ dự án 20% Tổng 100% Bảng 1.2 Bảng đóng góp thành viên CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 1.1 Giới thiệu lò nhiệt: Là hệ thống biến đổi điện thành nhiệt năng, sử dụng q trình cơng nghệ khác nhiệt luyện kim hợp kim, nung nóng vật liệu Được cấu tạo gồm ba thành phần chính: vỏ lị, lớp lót, dây nung - Được ứng dụng lĩnh vực kĩ thuật : + Sản xuất thép, hợp kim + Nhiệt luyện hóa nhiệt luyện - Được ứng dụng lĩnh vực công nghiệp: + Trong cơng nghiệp nhẹ thực phẩm, lị nhiệt dùng để sấy, mạ vật phẩm chuẩn bị thực phẩm + Sản xuất gốm, sứ, thủy tinh, vật liệu chịu nhiệt - Ngoài ra, sử dụng rộng rãi đời sống sinh hoạt ngày như: làm nồi cơm điện, bếp điện, lị vi sóng, 1.2 Ưu điểm, nhược điểm: - Ưu điểm: + vận hành an tồn + Năng lượng tính tốn cho tiết kiệm, hiệu + Hoạt động ổn định thời gian dài + Dễ dàng kiểm soát + Lắp ráp, vận chuyển dễ dàng + Hoạt động tốt môi trường - Nhược điểm: + Hệ thống phức tạp khó sửa chữa bảo trì + u cầu có trình độ sử dụng + Vận hành hệ thống có đồng nê cần tuân thủ đầy đủ qui tắc nhằm đảm bảo an toàn 10 * Khâu khâu so sánh: Ta sử dụng mạch so sánh đơn giản dùng opamp để so sánh tín hiệu thu mạch đảo xung cưa vừa tạo ra, kết thu chuỗi xung vuông với độ rông xung biến đổi theo tín hiệu Output PID, ta dùng xung để kích cho Triac, Sơ đồ mạch so sánh thể hình… Hình 3.42 Sơ đồ mạch so sánh Ta dễ dàng nhìn thấy qua đồ thị sau: Hình 3.43 Đồ thị thời gian mạch so sánh + Mạch điều chỉnh góc pha: Chúng ta điều chỉnh góc pha cách kích dịng điện AC với độ trễ định so với điểm 0, ta dùng mạch kích triac Sơ đồ mạch kích triac thể hình… 27 Hình 3.44 Sơ đồ mạch kích góc pha dùng Triac Ta dễ dàng nhìn thấy qua đồ thị sau: Hình 3.45 Đồ thị thời gian mạch kích góc pha Quan sát đồ thấy điện áp pha kích phụ thuộc vào xung điều khiển triac, độ sáng bóng đèn tăng giảm dựa vào góc pha đươc kích triac 28 Để tổng qt khối động lực ta quan sát hình sau: Hình 3.46 Đồ thị thời gian khối động lực 3.2.2.4 khối cảm biến phản hồi: Chân liệu IC cảm biến LM35 chân ngõ điện áp dạng tuyến tính Chân số cảm biến xuất 1mV = 0.1°C (0.01V = 1°C) Để dễ tính tốn xác ta cần khuếch đại Output cảm biến lên 10 lần - Sơ đồ tổng quát: Hình 3.47 Sơ đồ tổng quát khối cảm biến phản hồi Sơ đồ ngun lí mạch khuếch đại: Hình 3.48 Sơ đồ ngun lý mạch khuếch đại 29 3.2.2.4 khối Hiện thị điều khiển: - Yêu cầu: + Hiển thị giá trị nhiệt độ đặt nhiệt đô thực tế cảm biến đo + Nút vặn để đặt giá trị nhiệt độ mong muốn - Thành phần: + Màn hình hiển thị thông số: Ta sử dụng hai vôn kế điện tử để đo giá trị điện áp Setpoint khối cảm biến phản hồi Hình 3.49 Vơn kế điện tử Thơng số: * Dịng điện đo: 0v – 30v DC * Màn hình: LED * Sai số: 0.1v – 0.3v * Kích thước: D29 x R22 x C48 mm + Nút vặn Setpoint: Ta dùng biến trở để thay đổi giá trị điện áp đặt Hình 3.50 Biến trở 30 Vẽ mơ 3D Proteus: Hình 3.51 Mạch in Hình 3.52 Mạch mơ 3D Trong đó: Khối cảm biến Khối điều khiển PID Khối động lực 31 Mạch gia công thực tế: Hình 3.53 Tồn mạch Bảng điều khiển: Hình 3.54 Bảng điều khiển 32 CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG HÀM TRUYỀN ĐỐI TƯỢNG VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Nhận dạng hàm truyền đối tượng: - Tải số liệu lấy mẫu vào Matlab: + Từ liệu ta đo ta lập file excel có tên DOMATLAB.xlsx + Sau ta đưa liệu vào Workspace với cấu trúc: A= xlsread(‘DOMATLAB.xlsx’,’sheet1’,’E6:F25’) Hình 4.1 Nhập liệu vào Matlab 33 - Đưa liệu vào System Identìication: + Sau đưa liệu vào ta vào APP chọn System Identification + Tiếp theo ta chọ Import data → Time domain data nhật liệu Hình 4.2 Bảng Import data + sau nhậu liệu xong ta chọn Estimate→ process model để tìm hàm truyền Hình 4.3 Bảng System Identification 34 - Kiểm tra mơ hình: + Đáp ứng tần số: * Ta tích vào Frequency resp hộp thoại System Identification Hình 4.4 Bảng Frequency Function +Đáp ứng độ: * Ta tích vào Transient response hộp thoại System Identification Hình 4.5 Bảng Transient Response 35 + Đáp ứng hệ thống : * Ta tích vào Model output hộp thoại System Identification Hình 4.6 Bảng Model Output Hàm truyền đối tượng tìm thơng qua Matlab đồ thị hình trên, độ xác 92,84% Tương đối ổn định 36 - Chọn hàm truyền hệ thống: Hình 4.7 bảng Data/model infor Hàm truyền hệ thống tìm được: 𝐺 (𝑧) = 8.535𝑠 + 13.74 𝑠 + 33.96𝑠 + 57.16 37 CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH THỰ TẾ VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 5.1 Mơ hình thực tế: Bên ngồi mơ hình: Hình 5.1 Mơ hình thực tế Bên mơ hình: Hình 5.2 Mơ hình thực tế 5.2 Kết đạt được: - Hệ thống hoạt động tương đối ổn định - sai số +/- 2*c 38 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận: Qua trình nghiên cứu thực đề tài, nhóm chúng em xin rút kết luận sau: + Hợp tác làm việc nhóm hiệu + Hiểu tổng quan đề tài + Nắm tương đối kiến thức hệ thống điều khiển tuyến tính + Trình bày trình thực đề tài + Trình bày nguyên lí hoạt động khâu + Thực mơ làm mơ hình thực tế thành công + Đạt yêu cầu đề tài Ngồi cịn nhiều điểm hạn chế đề tài: + Kích thước mạch điều khiển cịn lớn, chiếm nhiều khơng gian + Xử lí nhiễu cịn chậm + Mô Matlab chưa thực thiết thực đề tài 6.2 Hướng phát triển đề tài: Tuy đạt yêu cầu định đề tài bên cạnh cịn tồn điểm bất cập, tương lai nhóm chúng em thay điều khiển điện tử thành điều khiển dùng vi điều khiển đễ giảm giá thành, thu nhỏ kích thước mạch tăng khả ổn định xử lí nhiễu hệ thống Ứng dụng rộng rãi từ hệ thống công suất nhỏ hệ thống lớn công nghiệp 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO Slide PBL1-Mạch Điện Tử Tương Tự - Thầy Lê Quốc Huy Lý thuyết điều khiển tự động – NXB Khoa học kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang; “ Matlab Simulink”; NXB khoa học kỹ thuật Và số trang web 40 LỜI KẾT Cuối cùng, tập thể nhóm WinTeam xin trân trọng bày tỏ lòng biết ớn sâu sắc tất Thầy Cô ban dạy môn PBL1 tạo cho chúng em điều kiện để tiếp xúc, học hỏi tích góp kinh nghiệm làm đồ án thực tế, kiến thức quý báu cho PBL sau đồ án tốt nghiệp Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn Đà nẵng, ngày 14 tháng năm 2021 Nhóm thực WinTeam 41