ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG GIẢI THUẬT PID MỜ

2022 PHẠM VĂN SANG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG GIẢI THUẬT PID MỜ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG GIẢI THUẬT PID MỜ Người hướng dẫn Sinh viên thực Mã sinh viên Lớp : ThS VÕ KHÁNH THOẠI : PHẠM VĂN SANG : 1811505520266 : 18TDH2 Đà Nẵng, tháng 5/ 2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG GIẢI THUẬT PID MỜ Người hướng dẫn Sinh viên thực Mã sinh viên Lớp : ThS VÕ KHÁNH THOẠI : PHẠM VĂN SANG : 1811505520266 : 18TDH2 Đà Nẵng, tháng 5/ 2022 {Trang trắng dùng để dán Nhận xét người hướng dẫn, thay trang Nhận xét người hướng dẫn} {Trang trắng dùng để dán Nhận xét, đánh giá đại diện doanh nghiệp (nếu có), thay trang Nhận xét, đánh giá doanh nghiệp} {Trang trắng dùng để dán Nhận xét người phản biện, thay trang Nhận xét người phản biện} TÓM TẮT Tên đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG PID MỜ Sinh viên thực hiện: Mã SV: PHẠM VĂN SANG 1811505520266 Lớp: 18TDH2 Mục tiêu đề tài Xây dựng giải thuật PID mờ ứng dụng vi điều khiển để điều chỉnh, ổn định tham số nhiệt độ đặt điều khiển nhiệt độ Nội dung • Đề tài xây dựng giải thuật PID mờ cho điều khiển nhiệt độ, mô phần mềm Matlab & Simulink • Xác định phương pháp điều khiển công suất, đối tượng điều khiển • Thiết kế hồn thiện phần cứng mơ hình điều khiển nhiệt độ bao gồm module mạch điều khiển, mạch công suất, cảm biến thiết bị gia nhiệt Kết dự kiến đạt • Xây dựng điều khiển PID mờ mô thành cơng phần mềm Matlab & Simulink • Nhúng giải thuật điều khiển vào vi điều khiển, điều khiển PID mờ ổn định theo yêu cầu công nghệ, độ điều chỉnh thấp so với PID thơng thường • Thiết kế mạch cơng suất, đảm bảo mạch cấp công suất phù hợp với yêu cầu điều khiển Hồn thiện mơ hình Giới hạn đề tài Với mục tiêu ứng dụng thành công PID mờ để ổn định tham số đặt nên đề tài mô thiết kế mô hình cho đối tượng lị nhiệt Tức điều khiển ổn định nhiệt độ gia nhiệt cho lò nhiệt độ lớn so với nhiệt độ ban đầu Đề tài không thực trường hợp điều khiển nhiệt độ thấp so với nhiệt độ ban đầu lò {Trang trắng dùng để dán Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp, thay trang Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp} LỜI NÓI ĐẦU Hiện lượng nhiệt có vai trị quan trọng công nghiệp đời sống sinh hoạt Trong công nghiệp, nhiệt sử dụng để nung nấu vật liệu: gang, thép ; sưởi ấm, sấy khô sản phẩm; tạo nhiệt độ thích hợp để bảo quản, thúc đẩy phát triển sản phẩm nông nghiệp Vì vậy, việc điều khiển nhiệt độ cách xác yêu cầu bắt buộc để đảm bảo hiệu sản xuất, cao chất lượng sản phẩm Quá trình gia nhiệt mơ hình phi tuyến, để lò nhiệt đạt tới nhiệt độ mong muốn cần khoảng thời gian dài Nên việc ứng dụng thuật toán kinh điển sử dụng điều khiển PI, PID vào điều khiển nhiệt độ mang lại kết khả quan cho trình gia nhiệt Tuy nhiên, hàm truyền lị nhiệt hàm có hai thành phần gồm quán tính bật khâu trễ làm cho việc chỉnh định tham số điều khiển PID kinh điển gặp nhiều khó khăn nhiệt độ đặt mong muốn thay đổi trình vận hành Trong điều khiển đại, lý thuyết mờ giúp ta xây dựng hệ thống mờ túy hay mờ lai với nhiệm vụ nâng cao chất lượng điều khiển kinh điển Vì vậy, khn khổ đồ án tốt nghiệp, em xin trình bày đề tài "Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ" nhằm nâng cao chất lượng điều khiển PID khả chỉnh định tham số PID nhiệt đồ đặt thay đổi trình vận hành Đồ án tốt nghiệp công cụ giúp em tổng kết lại tất kiến thức học ghế nhà trường bốn năm qua Tuy vậy, với kinh nghiệm kiến thức chưa nhiều chắn tránh khỏi hạn chế thiếu sót Em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp q thầy hội đồng để em có kiến thức quý báu Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đền thầy Võ Khánh Thoại tận tình hướng dẫn em suốt trình thực đồ án Xin gửi lời biết ơn trân trọng đến quý thầy Bộ mơn Tự động hóa tất thầy cô khoa Điện Điện tử giảng dạy chúng em kiến thức quý báu suốt năm qua Con cảm ơn gia đình ủng hộ hỗ trợ quãng thời gian Xin chân thành cảm ơn! i CAM ĐOAN Kính gửi Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Em tên Phạm Văn Sang, mã số sinh viên 1811505520266, sinh viên lớp 18TDH2 Em xin cam đoan đề tài “Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ” thực hướng dẫn thầy ThS Võ Khánh Thoại, nội dung kết đồ án trung thực, không chép từ đồ án cơng trình nghiên cứu có từ trước Em xin chịu hồn tồn trách nhiệm với nội dung đồ án Người cam đoan Phạm Văn Sang ii MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN TÓM TẮT NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ v DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii Trang MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Đối tượng điều khiển 1.2.1 Lò điện trở 1.2.2 Lò hồ quang .5 1.2.3 Lò cảm ứng 1.2.4 Xác định lò nhiệt điều khiển .6 1.3 Một số phương pháp gia nhiệt 1.3.1 Phương pháp dùng máy biến áp 1.3.2 Phương pháp dùng rơle .7 1.3.3 Phương pháp dùng hai Thyristor mắc song song ngược .7 1.3.4 Phương pháp dùng Triac .8 1.4 Mơ hình đề xuất 1.4.1 Hàm truyền lò nhiệt .8 1.4.2 Nguyên lý hệ thống .9 1.4.3 Sơ đồ điều khiển 10 1.5 Kết luận chương .10 Chương 2: LÝ THUYẾT PID VÀ LOGIC MỜ 11 2.1 Giới thiệu chương 11 2.2 Lý thuyết PID 11 2.2.2 Thành phần tỉ lệ (P) 12 iii Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ thuận xem diode bán dẫn bình thường Khi Diode zenner dẫn nghịch xem nguồn 4.7 𝑉 cung cấp điện áp cho led opto PC817 phát sáng kích dẫn chân với Hình 4.14 Hình 4.15 Sơ đồ chân thực tế PC817 Cầu Diode KBP206 Tuy nhiên có khoảng thời gian ngắn hai nửa chu kì điện áp nhỏ 4.7𝑉 Điện áp ghim vào hai chân opto PC817 không đủ làm cho led phát sáng Chân chân không dẫn điện Ta gọi khoảng thời gian điểm dựa vào ngắt vi điều khiển để phát điểm 0, tính góc mở Triac SVTH: Phạm Văn Sang Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại 41 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ Cú pháp ngắt Arduino: 𝑎𝑡𝑡𝑎𝑐ℎ𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑢𝑝𝑡 (𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑢𝑝𝑡, 𝐼𝑆𝑅, 𝑚𝑜𝑑𝑒); Trong đó: - Interrupt: số thứ tự ngắt Với Arduino Nano ta có ngắt với số thứ tự Ngắt số với chân Digital ngắt số với chân Digital - ISR: tên hàm gọi có kiện ngắt Trong trường hợp này, ta gọi hàm kích dẫn Triac - Mode: kiểu kích hoạt ngắt, sử dụng kiểu “RISING” – kích hoạt trạng thái chân Digital chuyển từ mức điện áp thấp sang mức điện áp cao Hình 4.16 Lệnh ngắt gọi hàm kích dẫn Triac Mạch kích góc mở Triac: Hình 4.17 Mạch kích góc mở Triac Mạch cơng suất kích góc mở Triac thiết kế hình 4.4 Khi có tín hiệu phát điểm 0, chân kích Triac vi điều khiển phát tín hiệu điện áp led MOC3023 phát quang kích dẫn chân chân có điện áp kích chân G Triac để sáng đèn Ta điều khiển khiển thời gian kích Triac khoảng từ 𝑚𝑠 đến 𝑚𝑠 điện áp cần có khoảng thời gian để tăng lên 5𝑉 giảm 5𝑉 SVTH: Phạm Văn Sang Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại 42 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ Trong đó: - t1 tương ứng với góc mở Triac - t2 thời gian xung kích chân G để kích dẫn - t3 khoảng thời gian mà dịng điện đóng ngắt nửa chu kì Với thời gian t1 điều khiển dài hay ngắn phụ thuộc từ tín hiệu PWM gửi vào Arduino Nano Hình 4.18 Hình 4.19 SVTH: Phạm Văn Sang Hàm xử lý thời gian kích Triac Sơ đồ chân kích thước MOC3023 Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại 43 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ Hình 4.20 Sơ đồ chân Triac BTA12 Khối quét led đoạn: Khối qt led đoạn có vai trị hiển thị thời gian sáng đèn với đơn vị mili giây giúp cho việc theo dõi mơ hình thuận lợi Đảm bảo bóng đèn cấp cơng suất thích hợp vào thời điểm sai lệch nhiệt độ Hình 4.21 SVTH: Phạm Văn Sang Khối quét led đoạn Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại 44 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ Khối quét led đoạn bao gồm led đoạn số Anode kết nối với IC 74HC595 Transistor NPN tương ứng với số led Arduino Nano điều khiển IC 74HC595 Transitor để hiển thị thời gian sáng đèn led đoạn Hình 4.22 Mã hex led đoạn Anode chung 74HC595 ghi dịch nối tiếp vào song song bit, tức nhận (đầu vào) liệu nối tiếp điều khiển chân đầu song song Hình 4.23 SVTH: Phạm Văn Sang Chương trình quét led đoạn Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại 45 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ - Các chân Q0 đến Q7 chân đầu ra, nối vào led led đoạn Chân Q7’ sử dụng để xếp tầng với IC 74HC595 khác - Chân SH_CP chân Clock phát xung nhịp không đổi để giữ thời gian - Chân DS chân Data gửi liệu chân đầu phải mức thấp chân mức cao - Chân ST_CP chân Latch cập nhật liệu nhận vào chân đầu đặt mức cao Hình 4.24 4.4 4.4.1 Khai báo IC 74HC595 Kết luận chương Một số kết mạch chạy thực tế Do thực lị nhiệt thực tế có ảnh hưởng yếu tố phụ môi trường, sai số thiết bị, độ ổn định nguồn điện cấp…nên kết khảo sát mô thực tế khác Việc mơ mang tính chất tham khảo để tìm kiếm tham số thực tế điều khiển cách nhanh chóng Các tham số thực tế PID lấy xấp xỉ tỉ lệ với giá trị tham số mô từ công cụ PID Turning Ta khảo sát thực tế mơ hình với nhiệt độ đặt 600C, Thời gian lấy mẫu PID 0.01 giây, thời gian lấy mẫu nhiệt độ giây, thời gian chạy chương trình 500 giây SVTH: Phạm Văn Sang Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại 46 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ Hình 4.25 Kết với giá trị 𝐾𝐼 = 10.5; 𝐾𝐼 = 0.06; 𝐾𝐷 = Hình 4.26 Kết với giá trị 𝐾𝐼 = 10.5; 𝐾𝐼 = 0.03; 𝐾𝐷 = SVTH: Phạm Văn Sang Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại 47 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ Hình 4.27 Hình 4.28 SVTH: Phạm Văn Sang Kết với giá trị 𝐾𝐼 = 10.5; 𝐾𝐼 = 0.06; 𝐾𝐷 = Kết với giá trị 𝐾𝐼 = 10.5; 𝐾𝐼 = 0.09; 𝐾𝐷 = 0.01 Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại 48 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ 4.4.2 Hình 4.29 Kết với giá trị 𝐾𝐼 = 12; 𝐾𝐼 = 0.06; 𝐾𝐷 = Hình 4.30 Kết với giá trị 𝐾𝐼 = 9; 𝐾𝐼 = 0.06; 𝐾𝐷 = Kết luận chương Kết thực từ mơ hình thực tế lò nhiệt với thời gian lấy mẫu 0.01 giây hệ thống đáp ứng tốt với giá trị 𝐾𝐼 = 10.5; 𝐾𝐼 = 0.06; 𝐾𝐷 = không xuất lọt vố, bám sát với nhiệt độ đặt với khoảng dao động nhỏ thời gian đáp ứng tốt Khi tăng giá trị 𝐾𝑃 tỉ lệ thuận với thời gian đáp ứng hệ thống Nếu giảm 𝐾𝑃 hệ thống có lọt vố Với giá trị 𝐾𝐼 , giảm giá trị gần xuất sai số xác lập lớn Cịn tăng 𝐾𝐼 lên xuất lọt vố hệ thống bắt đầu không ổn định dao động quanh điểm đặt tương đối lớn SVTH: Phạm Văn Sang Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại 49 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ Ta nhận thấy hệ thống hoạt động ổn định 𝐾𝐷 = 0, tăng giá trị 𝐾𝐷 hệ thống xuất sai số xác lập Thực nghiệm cho thấy lò nhiệt hoạt động tốt với giải thuật PID số, giá trị dao động quanh nhỏ, xuất dao động chủ yếu yếu tố phụ môi trường, nhiễu đo… Lò nhiệt hoạt động ổn định dùng điều khiển tích phân tỉ lệ PI với giá trị 𝐾𝑃 = 10.5, 𝐾𝐼 = 0.06, thời gian lấy mẫu 0.1s nhiệt độ đặt 600C SVTH: Phạm Văn Sang Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại 50 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ KẾT LUẬN Kết đạt được: Xây dựng chạy thành cơng chương trình mơ Simulink điều khiển PID PID mờ, so sánh chất lượng đáp ứng điều khiển Thiết kế hồn thiện mơ hình phần cứng bao gồm mạch điều khiển, mạch công suất Giải vấn đề điều khiển lò nhiệt thực tế với điều khiển PID số Hệ thống thực tế hoạt động ổn định, không xuất lọt vố thời gian đáp ứng tương đối nhanh Một số mặt hạn chế Giải thuật điều khiển sử dụng PID số, khác với mục tiêu đề tài điều khiển PID mờ Hạn chế công cụ hỗ trợ cần thiết, khả xuất sai số dao động quanh nhiệt độ đặt mơ hình thủ cơng chưa chuẩn hóa nên việc nhận dạng hàm truyền chưa xác nhất, dẫn đến việc chất lượng điều khiển chưa mong đợi Hướng phát triển đề tài Vì nhớ giải thuật điều khiển PID mờ tương đối lớn, nhúng vi điều khiển thông thường, nên sử dụng vi điều khiển có nhớ lớn STM32, Raspberry pi… Hoặc xây dựng thư viện thơng số mờ, quy tắc giải mờ ngơn ngữ lập trình vi điều khiển, từ việc xây dựng giải thuật hồn tồn dựa ngơn ngữ lập trình, không phụ thuộc vào phân mềm Matlab & Simulink Khi PID xác định theo công thức (2.20) Về phần cứng, sử dụng khảo sát lị nhiệt đạt chuẩn phịng thí nghiệm, thiết kế mạch công suất nguồn đảm bảo cho việc xác định hàm truyền chuẩn xác Về thuật toán, thay đổi dạng số lượng hàm thuộc, sử dụng luật hợp thành phương pháp giải mờ khác để tìm phương pháp tối ưu Ngồi ra, đề tài thể dạng sóng thời gian thực khối Scope Simulink Cần ý phát triển thêm dạng hiển thị để giúp cho việc quan sát trực quan dễ dàng SVTH: Phạm Văn Sang Người hướng dẫn: Võ Khánh Thoại 51 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1], [3], [4]: Đỗ Chí Phi – Trang bị điện – Cao đẳng Cao Thắng [2]: https://steeluniversity.org/courses/m3d-eaf-electric-arc-furnace/ [5], [6]: Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng (2004) – Lý thuyết điều khiển tự động – NXB Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh [7]: A O Dwyer (2013) – PI and PID controller tuning rules for time delay processes: a summary, Part 2: PID controller tuning rules – Proceedings of the Irish Signals and Systems Conference, National University of Ireland, Galway [8]: Nguyễn Thị Phương Hà – Giáo trình lý thuyết điều khiển đại – Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh [9]: Nguyễn Đức Hiển, Hồng Đình Cơ – Tài liệu học tập điều khiển mờ mạng nơron – Trường Đại học kinh tế -Kỹ thuật công nghiêp SVTH: Phạm Văn Sang Người hướng dẫn: Võ Khánh Thoại 52 Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ PHỤ LỤC Chương trình kích mở Triac: #define TRIAC_PIN float thoigian; int i,j,output; double adc; char MA7DOAN[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff}; char madem; uint8_t Thoigianquet=1; uint8_t Tranled1 = 5; uint8_t Tranled2 = 4; uint8_t Tranled3 = 3; uint8_t latchpin = 9; uint8_t clockpin = 10; uint8_t datapin = 8; void TriacControl() { QuetLed(); delayMicroseconds((1000-output)*10); digitalWrite(TRIAC_PIN,HIGH); delayMicroseconds(100); digitalWrite(TRIAC_PIN,LOW); QuetLed(); } void setup() { Serial.begin(9600); Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ pinMode(TRIAC_PIN,OUTPUT); attachInterrupt(0, TriacControl, RISING); pinMode(Tranled1,OUTPUT); pinMode(Tranled2,OUTPUT); pinMode(Tranled3,OUTPUT); pinMode(latchpin , OUTPUT); pinMode(clockpin, OUTPUT); pinMode(datapin, OUTPUT); output=100; digitalWrite(latchpin, LOW); madem=MA7DOAN[0]; shiftOut(datapin, clockpin, MSBFIRST,(madem)); digitalWrite(latchpin, HIGH); } void loop() { adc=0; for(i=0;i3) Thoigianquet=1; if(Thoigianquet==1) { Thiết kế điều khiển nhiệt độ sử dụng giải thuật PID mờ digitalWrite(latchpin, LOW); madem=MA7DOAN[output/100]; shiftOut(datapin, clockpin, MSBFIRST,(madem-128)); digitalWrite(latchpin, HIGH); digitalWrite(Tranled3,HIGH); digitalWrite(Tranled1,LOW); } else if(Thoigianquet==2) { digitalWrite(latchpin, LOW); madem=MA7DOAN[output/10%10]; shiftOut(datapin, clockpin, MSBFIRST,(madem)); digitalWrite(latchpin, HIGH); digitalWrite(Tranled1,HIGH); digitalWrite(Tranled2,LOW); } else { digitalWrite(latchpin, LOW); madem=MA7DOAN[output%10]; shiftOut(datapin, clockpin, MSBFIRST,(madem)); digitalWrite(latchpin, HIGH); digitalWrite(Tranled2,HIGH); digitalWrite(Tranled3,LOW); } }