đồ án thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp thay đổi thời gian đốt cho lò điện oven của công nghiệp hà nội

Đề tài: Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp thay đổi thời gian đốt cho lò điện.(lò oven)Giáo viên hướng dẫn: Ths Nguyễn Văn Vinh.Trường Đại học công nghiệp hà nội

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN

VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

pháp thay đổi thời gian đốt cho lò điện.

Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Văn Vinh.

CHƯƠNG I: MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN, MẠCH PID, PHƯƠNG PHÁP THAY

ĐỔI CÔNG SUẤT SẤY BẰNG CÁCH THAY ĐỔI THỜI GIAN CẤP ĐIỆN 6

I Mạch khuếch đại thuật toán 6

1 Định nghĩa 6

2 Nguyên lý hoạt động 7

3 Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng 8

4 Ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán 9

II MẠCH PID 10

1 Bộ điều khiển PID 10

2 Mạch PID 14

III Phương pháp thay đổi công suất bằng cách thay đổi thời gian cấp điện 15

1 Giới thiệu về lò điện 15

2 Phương pháp thay đổi công suất bằng cách thay đổi thời gian cấp điện 16

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 18

I Lý thuyết điều khiển 18

II Nguyên tắc tạo ra xung răng cưa 19

III Phương pháp thời gian tổng Kuln để xác định tham số bộ PID 21

CHƯƠNG III : XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 23

I Mạch PI 23

II Mạch tạo xung dùng IC555 27

III Mạch so sánh 34

1 Mạch so sánh dung LM741: 35

IV Mạch Moc3021 ghép nối mạch lực và mạch điều khiển 40

V Mạch mô phỏng 41

Lời nói đầu

Khoa học công nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanh và xa đi theo đó là

những thành tựu ứng dụng trong mọi lĩnh vực dời sống, công nghiệp Kĩ thuật

điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều phát

triển có ý nghĩa Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con người dưòng như hình

dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là

lượng chất xám cao hơn Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công

nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng kha rộng rãi, một giả pháp đa năng

chocác ứng dụng cả Analog cũng như Digital Thống kê cho thấy có tới hơn

90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế là PID Rõ ràng nếu có thiết kế và

chọn lựa các thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt được các chỉ

tiêu chất lượng mong muốn là khả thi Bộ điều khiển PID cũng giúp người sử

dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ lệ(P), tích

phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các đối

tượng điều khiển Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển

PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…? Ngay cả

những lý thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như

bộ điều khiển PID mang lại.Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều

trong điều khiển thích nghi,bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ

cấu chỉnh định

Lời cảm ơn

Đầu tiên , em xin gửi lời cảm ơn tới nhà trường , khoa điện, bộ môn đã tạo

điều kiện thuận lợi nhất cho em học tập cũng như nghiên cứu

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Văn Vinh- người đã hết sức tận

tình chỉ bảo, định hướng, góp ý, định hướng ý tưởng thực hiện cũng như chỉ dẫn

tài liệu để thực hiện đề tài này

Với một sinh viên năm thứ 3, khi mà lý thuyết cũng như kiến thức thực tế còn

chưa có nhiều thì đề tài này thực sự khó nhưng khá bổ ích với chúng em Tuy

nhiên trong quá trình thực hiện, với kiến thức còn ít ỏi của mình thì em khó có

thể tránh khỏi những sai sót cũng như nhầm lẫn, nên em mong quý thầy cô góp

ý để em có thể hiểu rõ hơn vấn đề

Em xin trân thành cảm ơn!

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

NỘI DUNG

Đề tài: Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp

thay đổi thời gian đốt cho lò điện

Mô tả: Cho lò điện (Oven) Thiết kế bộ điều chỉnh PID bằng

KĐTT và mạch khống chế thời gian sấy Dùng phương pháp thời

gian tổng của Kuln để xác lập các tham số cho PID

Khuyến khích: - Tự xác định thành phần bộ điều khiển để hệ kín

ổn định

Phần thuyết minh:

Yêu cầu về bố cục nội dung:

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch KĐTT, mạch PID, phương

pháp thay đổi công suất sấy bằng cách thay đổi thời gian cấp

điện

Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò điện với

bộ điều khiển PID

Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng

Yêu cầu về thời gian :

Ngày giao đề : 10/11/2013

Ngày hoàn thành : 15/12/2013

Thời gian bảo vệ dự kiến : 20/12/2013

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

CHƯƠNG I: MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN, MẠCH

PID, PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI CÔNG SUẤT SẤY BẰNG

CÁCH THAY ĐỔI THỜI GIAN CẤP ĐIỆN

I Mạch khuếch đại thuật toán

1 Định nghĩa

Mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier), thường được gọi tắt

là op-amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm cả

tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường

có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển

bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu

vào và tổng trở đầu ra

Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều

các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và

khoa học Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất

rẻ Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số

thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà

không làm hư hỏng

Ký hiệu một mạch khuếch đại thuật toán như sau:

Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán trên

sơ đồ điện

Trong đó:

 V+: Đầu vào không đảo

 V−: Đầu vào đảo

 Vout: Đầu ra

 VS+: Nguồn cung cấp điện dương

 VS−: Nguồn cung cấp điện âm

Các chân cấp nguồn (VS+ and VS−) có thể được ký hiệu bằng nhiều cách khác

nhau Cho dù vậy, chúng luôn có chức năng như cũ Thông thường những chân

này thường được vẽ dồn về góc trái của sơ đồ cùng với hệ thống cấp nguồn cho

bản vẽ được rõ ràng Một số sơ đồ người ta có thể giản lược lại, và không vẽ

phần cấp nguồn này Vị trí của đầu vào đảo và đầu vào không đảo có thể hoán

chuyển cho nhau khi cần thiết Nhưng chân cấp nguồn thường không được đảo

ngược lại

2 Nguyên lý hoạt động

Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại gồm có đầu vào đảo và đầu vào không

đảo, và mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế

giữa hai đầu vào này Điện áp này gọi là điện áp vi sai đầu vào Trong hầu hết

các trường hợp, điện áp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán sẽ được điều

khiển bằng cách trích một tỷ lệ nào đó của điện áp ra để đưa ngược về đầu vào

đảo Tác động này được gọi là hồi tiếp âm Nếu tỷ lệ này bằng 0, nghĩa là không

có hồi tiếp âm, mạch khuếch đại được gọi là hoạt động ở vòng hở Và điện áp ra

sẽ bằng với điện áp vi sai đầu vào nhân với độ lớn tổng của mạch khuếch đại,

theo công thức sau:

V ra =(V + - V - )*G vòng hở

Trong đó:

V + là điện thế tại đầu vào không đảo

V − là điện thế ở đầu vào đảo và

G gọi là độ lớn vòng hở của mạch khuếch đại.

Do giá trị của độ lợi vòng hở rất lớn và thường không được quản lý chạt chẽ

ngay từ khi chế tạo, các mạch khuếch đại thuật toán thường ít khi làm việc ở

tình trạng không có hồi tiếp âm Ngoại trừ trường hợp điện áp vi sai đầu vào vô

cùng bé, độ lợi vòng hở quá lớn sẽ làm cho mạch khuếch đại làm việc ở trạng

thái bão hòa trong các trường hợp khác Một thí dụ cách tính toán điện áp ra khi

có hồi tiếp âm sẽ được thể hiện trong phần mạch khuếch đại cơ bản

Một cấu hình khác của mạch khuếch đại thuật toán là sử dụng hồi tiếp

dương , mạch này trích một phần điện áp ra đưa ngược trở về đầu vào không

đảo Ứng dụng quan trọng của nó dùng để so sánh, với đặc tính trễ hysteresis

3 Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng

Với mọi giá trị điện áp ở đầu vào, một mạch khuếch đại thuật toán "lý

tưởng" có:

 Độ lớn vòng hở vô cùng lớn

 Băng thông vô cùng lớn

 Tổng trở đầu vào vô cùng lớn (để cho dòng điện đầu vào bằng không)

 Điện áp bù bằng không

 Tốc độ thay đổi điện áp vô cùng lớn

 Tổng trở đầu ra bằng không và

 Tạp nhiễu (độ ồn) bằng không

Như thế, đầu vào của mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng khi tính toán

trong vòng hồi tiếp có thể mô phỏng bằng một khâu nullator, ngõ ra với một

thông norator và kết hợp cả 2 (một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng hoàn

chỉnh) bằng một khâu nullor

Mạch khuếch đại thuật toán thực sự chỉ gần đạt được các ý tưởng trên: bên

cạnh các giá trị giới hạn về tốc độ thay đổi, băng thông, điện áp bù và những

thứ tương tự như thế, các thông số của mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ bị

thay đổi theo thời gian và có thể bị thay đổi theo nhiệt độ, tình trạng của các

đầu vào Các mạch tích hợp hiện đại sử dụng transistor hiệu ứng trường (FET)

hoặc transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện Oxit kim loại MOSFEST sẽ

có các đặc tính gần với mạch lý tưởng hơn các mạch sử dụng transistor lưỡng

cực khi các tín hiệu lớn phải xử lý trong điều kiện nhiệt độ phòng qua một băng

thông giới hạn Đặc biệt, tổng trở vào cao hơn rất nhiều, tuy nhiên các mạch

dùng transistor lưỡng cực thường tốt hơn về mặt trôi điện áp bù, và độ ồn

Khi những giới hạn của một mạch khuếch đại thuật toán thực sự được tạm

thời bỏ qua, nó có thể được xem như một chiếcHỘP ĐEN có độ lợi Chức năng

của mạch và các thông số có thể xác định bằng mạch hồi tiếp, và thường là hồi

tiếp âm

4 Ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán

a Ứng dụng mạch tuyến tính

 Mạch khuếch đại vi sai

 Mạch khuếch đại đảo

 Mạch khuếch đại không đảo

 Mạch khuếch đại đo lường

 Mạch chuyển đổi kiểu Schmitt (Schmitt trigger)

 Mạch giả lập cuộn cảm

 Mạch phát hiện mức không

 Mạch biến đổi tổng trở âm

b Các ứng dụng phi tuyến

 Mạch chỉnh lưu chính xác

 Mach khuếch đại đầu ra Lô-ga

II MẠCH PID

1 Bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional

Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử

dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp

Bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển

phản hồi Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa

giá trị bộ điều khiểnvà giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm

tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào

Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển

PID là bộ điều khiển tốt nhất.Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông

số PID sử dụng trong tính toán phải đặt điều chỉnh theo tính chất của hệ

thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc

thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó

đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ , tích phân và đạo

hàm, viết tắt là P, I, và D

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của

ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có:

MV(t) = Pout+ Iout+Dout

Trong đó: Pout, Iout, Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển

PID, được xác định như dưới đây

 Khâu tỉ lệ

Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số)Khâu tỉ lệ (đôi

khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện

tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng

số K p, được gọi là độ lợi tỉ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

trong đó

: thừa số tỉ lệ của đầu ra

: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

: sai số

: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ

Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định Ngược lại, độ lợi

nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều

khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm

 Khâu tích phân

Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd không đổi)

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả

biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời

gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy

sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ

điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh

được xác định bởi độ lợi tích phân,

Thừa số tích phân được cho bởi:

trong đó

: thừa số tích phân của đầu ra

: độ lợi tích phân, 1 thông số điều

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá

trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ

điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá

khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và

tạo ra một độ lệch với các hướng khác)

 Khâu vi phân

Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki không đổi)

Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ

dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân

tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi

được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi

phân,

Thừa số vi phân được cho bởi:

trong đó

: thừa số vi phân của đầu ra

Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

: Sai số = SP - PV

: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính

này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Tuy nhiên, phép vi

phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối

với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu

nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn

Một số ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ

thống.Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu

 Như vậy, tín hiệu ra chính lá vi phân của tín hiệu vào có đảo dấu

III Phương pháp thay đổi công suất bằng cách thay đổi thời gian cấp điện

1 Giới thiệu về lò điện

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở có một dòng điện chạy qua một dây dẫn

thì ở đó tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun- Len xơ:

Q=I2 RTQ: là nhiệt lượng tính bằng Jun (J)

I: là dòng điện tính bằng ampe (A)

R: là điện trở tính bằng Ôm (Ω))T: là thời gian tính bằng giây (s)Một lò nhiệt được xác định bởi các tham số hiệu điện thế định mức (Uđm),

dòng điện định mức (Iđm) và công suất định mức

Do các tham số của lò điện đã được xác định nên muốn thay đổi công suất

của lò điện ta chỉ có thể thay đổi 2 đại lượng:

I: dòng điện cấpT: thời gian cấp điện

Thay đổi dòng điện cấp có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của lò điện vì lò hoạt

động với các dòng điện khác với dòng điện định mức.Chúng ta đề cập đến

phương pháp thay đổi thời gian cấp điện

2 Phương pháp thay đổi công suất bằng cách thay đổi thời gian cấp điện

Phương pháp điều khiển thời gian cấp điện còn gọi là điều khiển On-OFF

hay phương pháp đóng ngắt dùng khâu relay có trễ.Khi lò hoạt động ở công suất

Pt tương ứng với nhiệt độ t của lò Cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung

cấp năng lượng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn

hơn nhiệt độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng

lượng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ đo

Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở

trên: nguồn chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < - ∆ Như vậy, nhiệt

độ đo y(k) sẽ dao động quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ

của rơ le

Khâu rơ le có trễ còn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử và như

vậy ∆ là giá trị thềm hay ngưỡng

Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là:

 Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với

mọi tải

 Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng

 Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động

quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải Khuyết điểm này có thể được hạn chế

khi giảm vùng trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ VỚI

BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

I Lý thuyết điều khiển

Giả sử ta muốn nhiệt độ trong lò là to tương ứng lò sẽ hoạt động với một

công suất là Pt .Đầu tiên ta đóng nguồn cho lò hoạt động với công suất 100%

Nếu nhiệt độ trong lò vượt quá mức to thì ta ngừng cấp Nếu nhiệt độ trong lò

xuống dưới mức to thì ta lại cấp nguồn cho lò hoạt động Cư như thế duy trì

nhiệt độ ở mức to Ta có sơ đồ thời gian cấp lò:

ON OFF

T1 T2T1: thời gian cấp nguồn

T2: thời gian không cấp nguồn

Ta được thời gian cấp nguồn cho lò nhiệt là một xung vuông có độ rộng là

T1 và T2.Vậy muốn cho lò hoạt động ở công suất bất kì ta chỉ cần điều chỉnh độ

rộng của xung này

Ví dụ muốn lò hoạt động ở công suất 50% ta điều chỉnh xung vào lò có

T1=T2 như hình vẽ sau:

ON OFF

T1 T2Phương pháp thay đổi công suất lò điện bằng cách thay đổi thời gian cấp

điện chính là tạo ra một xung vuông để điều khiển thời gian cấp điện

Điều khiển được độ rộng của xung vuông qua đó thay đổi thời gian cấp

nguồn cho lò nhiệt

II Nguyên tắc tạo ra xung răng cưa.

Nguyên tắc tạo ra một xung vuông là dùng xung một chiều qua bộ so sánh

với xung răng cưa Chỉ cần điều khiển được xung biên độ của xung một chiều là

ta có thể thay đổi được độ rộng của xung vuông

Mạch so sánh dùng 741:

Mạch có 2 cửa vào, cửa vào cho điện áp

Tham chiếu Vref, cửa vào cho điện áp

Đầu vào Vin cho tín hiệu ra Vout chỉ có 2 giá trị High (mức cao) và Low (mức

thấp)

High Low

Mạch PID có thể điều chỉnh được biên độ của xung một chiều, qua đó thay đổi

độ rộng của xung vuông

Sơ đồ nguyên lí điều khiển lò nhiệt dùng PID: