0

Đồ án đo lường và điều khiển: PID điều khiển nhiệt độ

32 3 0

Đang tải.... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 15/01/2023, 17:54

đồ án đo lường và điều khiển nhiệt độ sử dụng PID,trường đại học công nghiệp hà nội, hướng dẫn chi tiết làm sản phẩm, có code, mô phỏng mạch trên proteus, mô phỏng hàm truyền trên matlab, vẽ khung sản phẩm trên solidwork TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA: CƠ KHÍ - BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU: ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ PID GVHD: Ths.Lê Ngọc Duy Thành viên nhóm: • Nguyễn Đức Nghĩa • Nguyễn Xuân Tuấn Anh • Nguyễn Văn Tú Hà Nội–Năm 2022 2020607229 2020606573 2020606051 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .4 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối chức .6 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Các loại cảm biến 2.2.2 Lựa chọn cảm biến LM35 2.3 Phân tích điều khiển 10 2.3.1 Một số loại điều khiển 10 2.3.2 Lựa chọn điều khiển PID .12 2.3.3 Tính chọn tham số cho điều khiển PID 13 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 19 CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 20 3.1 Chế tạo phận khí 20 3.2 Các phận điện điện tử 21 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 26 3.4 Thử nghiệm đánh giá hệ thống 28 CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT .29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 PHỤ LỤC .31 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Lồng ấp trẻ sơ sinh máy ấp trứng Hình 2.1: Sơ đồ khối chức Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .6 Hình 2.3: Cảm biến DHT11 Hình 2.4: Cảm biến DS18B20 Hình 2.5: Cảm biến LM35 Hình 2.6: Bộ điều khiển PID 10 Hình 2.7: Hệ thống hàm thuộc Fuzzy Logic .11 Hình 2.8: Sơ đồ khối điều khiển PID .12 Hình 2.9: Đặc tính lị nhiệt 13 Hình 2.10: Biểu đồ đặc tính nhiệt độ .15 Hình 2.11: Biểu đồ đặc tính nhiệt độ .15 Hình 2.12: Đáp ứng hệ thống mơ Matlab 16 Hình 2.13: Hệ thống có điều khiển matlab 17 Hình 2.14: Hàm truyền PID 17 Hình 2.15: Đáp ứng hệ thống 17 Hình 2.16: Đáp ứng hệ thống sau hiệu chỉnh 18 Hình 2.17: Sơ đồ mạch proteus 19 Hình 3.1: Bản vẽ khung hệ thống 20 Hình 3.2: Cảm biến LM35 21 Hình 3.3:Arduino uno 22 Hình 3.4: Module L298N 23 Hình 3.5: Dạng sóng PWM 24 Hình 3.6: Bóng đèn sợi đốt 12v/5w .24 Hình 3.7: Nguồn 12V/2A quạt tản nhiệt 25 Hình 3.8: Lắp ráp khung thiết bị điện điện tử 25 Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán 26 Hình 3.10: Đáp ứng nhiệt độ đầu thực tế 28 Hình 3.11: Đáp ứng nhiệt độ matlab 28 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Tham số PID 14 Bảng 3.1: Sơ đồ chân LM35 21 Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật Arduino 22 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung Nhiệt độ thành phần vật lý quan trọng Việc thay đổi nhiệt độ vật chất ảnh hưởng nhiều đến cấu tạo, tính chất, đại lượng vật lý khác vật chất Nhiệt độ thông số quan trọng kiểm sốt quy trình cơng nghiệp, đặc biệt nhà máy kỹ thuật hóa học, nhiệt độ đóng vai trị quan trọng q trình sản xuất nơng nghiệp hay sống hàng ngày người Trong nhiều năm qua, xuất phát từ nhu cầu sống việc kiểm soát nhiệt độ trở thành chủ đề quan trọng ứng dụng nhiều lĩnh vực Trong máy điều hòa, lị nhiệt, lị vi sóng việc điều khiển nhiệt độ đóng vai trị định đến chất lượng sản phẩm Trong y học điều khiển nhiệt độ ứng dụng để sản xuất lồng ấp trẻ sơ sinh, nông nghiệp ứng dụng máy ấp trứng, ngành thực phẩm ứng dụng để bảo quản thức ăn, Hình 1.1: Lồng ấp trẻ sơ sinh máy ấp trứng Chính tầm quan trọng điều khiển nhiệt độ nguồn cảm hứng để chúng em lựa chọn thực đề tài nghiên cứu 1.2 Các yêu cầu Mô hình đo lường điều khiển nhiệt độ PID hiển thị nhiệt độ đo cảm biến lên máy tính, điều khiển nhiệt độ khoảng khơng gian nhỏ xung quanh cảm biến theo giá trị đặt định nằm khoảng nhiệt độ điều khiển Nhiệt độ đo cảm biến không chênh lệch so với giá trị nhiệt độ đặt độ C Nhiệt độ không vọt lố 20% thời gian để nhiệt độ đặt giá trị đặt 4p 1.3 Phương pháp nghiên cứu • Tìm hiểu tổng quan đề tài • Mơ proteus • Thiết kế phần cứng, phần mềm • Nghiên cứu lý thuyết • Thực nghiệm kiểm chứng sản phẩm 1.4 Ý nghĩa thực tiễn • Biết hiểu kiến thức chuyên ngành • Sử dụng phần mềm cần thiết khí điện tử Proteus, Arduino, solidwork … • Hồn thành sản phẩm báo cáo mơn học u cầu • Đưa sản phẩm áp dụng thực tế CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối chức Qua tìm hiểu từ yêu cầu thiết kế đề tài, ta đưa sơ đồ chức hệ thống điều khiển hình đây: Hình 2.1: Sơ đồ khối chức Thiết bị gia nhiệt Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển - Nguồn: Cấp điện áp cho hệ thống hoạt động - Module điều khiển L298N: Nhận tín hiệu PWM từ Arduino từ tính Vtb điều khiển tín hiệu quạt đèn - Cảm biến nhiệt độ: Đo nhiệt độ bóng đèn, gửi tín hiệu analog từ chân Vout đến Arduino - Arduino: Nhận tín hiệu tương đương từ cảm biến chuyển sang tín hiệu số hiển thị giá trị máy tính - Máy tính: Hiển thị giá trị gửi từ Arduino 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Các loại cảm biến ❖ Cảm biến DHT11 Ra đời sau sử dụng thay cho dịng SHT1x nơi khơng cần độ xác cao nhiệt độ độ ẩm Cảm biến sử dụng giao tiếp số theo chuẩn dây Hình 2.3: Cảm biến DHT11 Thơng số kỹ thuật: • Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC • Dịng điện tiêu thụ: 2.5mA • Phạm vi cảm biến độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH • Phạm vi cảm biến nhiệt độ: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C • Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây lần) ❖ Cảm biến DS18B20 Thuộc loại cảm biến (loại digital) đo nhiệt độ hãng MAXIM với độ phân giải cao (12bit) Hình 2.4: Cảm biến DS18B20 Cảm biến nhiệt độ hoạt động 125 độ C cáp bọc PVC => nên giữ 100 độ C Đây cảm biến kỹ thuật số, nên khơng bị suy hao tín hiệu đường dây dài Thơng số kỹ thuật: • Nguồn: – 5.5V • Dải đo nhiệt độ: -55 đến 125 độ C ( -67 đến 257 độ F) • Sai số: ± 0.5 độ C đo dải -10 – 85 độ C • Độ phân giải: Từ – 12 bits • Có cảnh báo nhiệt vượt ngưỡng cho phép cấp nguồn từ chân data • Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa : 750ms (khi chọn độ phân giải 12bit) • Mỗi IC có mã riêng (lưu EEPROM IC) nên giao tiếp nhiều DS18B20 dây • Ống thép khơng gỉ (chống ẩm , nước) đường kính 6mm, dài 50mm • Đường kính đầu dị: 6mm ❖ Cảm biến nhiệt độ LM35 Điện áp Analog đầu tuyến tính theo nhiệt độ thường sử dụng để đo nhiệt độ môi trường theo dõi nhiệt độ thiết bị, , Cảm biến có kiểu chân TO-92 với chân dễ giao tiếp sử dụng Hình 2.5: Cảm biến LM35 Thơng số kỹ thuật: • Điện áp hoạt động: 4~20VDC • Cơng suất tiêu thụ: khoảng 60uA • Khoảng đo: -55°C đến 150°C • Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C • Sai số: 0.25°C • Kiểu chân: TO92 • Kích thước: 4.3 × 4.3mm 2.2.2 Lựa chọn cảm biến LM35 Trong thiết kế sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35, có hai lý để lựa chọn cảm biến này: thứ nhất, dải nhiệt độ mà cảm biến hoạt động rộng (-55oC đến 150oC), thứ hai đầu cảm biến điện áp tương tự dễ đọc thông qua kênh ADC vi điều khiển, điện áp đầu tuyến tính với nhiệt độ đo Sẽ có gia tăng 0,01V (10mV) cho độ tăng nhiệt độ C Điện áp chuyển đổi thành nhiệt độ cách sử dụng công thức đây: T = Vout / 10mv - T: nhiệt độ đo (oC ) - Vout: điện áp đầu cảm biến (mV ) (1) ADC dùng điện áp tham chiếu +5V rộng 10bit Điện áp đọc từ cảm biến chuyển thành dạng kỹ thuật số theo công thức sau [3]: Vout =TD * 5000/1024 (2) Trong TD đầu kỹ thuật số tương đương với điện áp cảm biến ( tính mV), kết hợp (1) (2) nhiệt độ thực tính oC cho bởi: T = TD * 500/1024 (3) 2.3 Phân tích điều khiển 2.3.1 Một số loại điều khiển ❖ Bộ điều khiển PID PID kết hợp điều khiển: tỉ lệ, tích phân vi phân, có khả điều chỉnh sai số thấp có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế dao động Hình 2.6: Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID hay đơn giản PID kỹ thuật điều khiển trình tham gia vào hành động xử lý “tỉ lệ, tích phân vi phân“ Bộ điều khiển PID bao gồm: • Bộ điều khiển tỉ lệ – P (Proportional Controller) • PI ( Proportinal and Integral Controller) gọi điều khiển tỉ lệ tích phân • PD (Proportional and Derivative (PD) Controller ) gọi điều khiển đạo hàm • PID (Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller) điều khiển tỉ lệ – tích phân- đạo hàm (vi phân) 10 Ta thấy đáp ứng hệ thống vọt lố cao, thời gian xác lập lớn, khơng có sai số xác lập Vậy ta cho thành phần tích phân PID bé để giảm độ vọt lố thời gian xác lập Với Ki =0.001 ta đáp ứng: Hình 2.16: Đáp ứng hệ thống sau hiệu chỉnh Đáp ứng hệ thống có vọt lố thấp thời gian đáp ứng tốt (khoảng 130s) Đảm bảo yêu cầu thiết kế đặt 18 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu Từ sơ đồ khối chức năng, ta thiết kế mạch điện đo xử lý tín hiệu: Hình 2.17: Sơ đồ mạch proteus - Cảm biến LM35 sau đo nhiệt độ bóng đèn gửi tín hiệu từ chân Vout đến chân Analog Arduino (ở nối với A0) để đọc tín hiệu, tín hiệu nhận từ LM35 chuyển từ Analog sang dạng tín hiệu số Digital, chân nối với chân nguồn 5V, chân nối với chân đất GND (Ground) - Mạch cầu L298N có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp cấp vào quạt đèn, chân ENA, ENB nối với chân xung PWM Arduino (ở nối với chân số 10), chân IN1 - IN4 nối với chân Digital Arduino có nhiệm vụ định nghĩa chiều dòng điện chân OUT1 - OUT4 nối với quạt đèn (ở nối với chân – 7) 19 CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 3.1 Chế tạo phận khí ❖ Q trình thiết kế gia cơng tủ điện thực theo bước Hình 3.1: Bản vẽ khung hệ thống Nhận tiết tiêu chuẩn, thép đúc lên kế hoạch, lập sơ đồ sản xuất Tạo mẫu kiểm tra Thiết kế tạo liệu gia công CAD/CAM/CNC Gia cơng bề mặt, chi tiết có hình dáng đơn giản phương pháp gia cơng tạo hình 2D Lắp ráp khn lại với thành khối Gia công bề mặt phức tạp phương pháp gia cơng tạo hình 3D Đánh bóng chi tiết khn Kiểm tra thử nghiệm khuôn 20 3.2 Các phận điện điện tử ❖ Cảm biến LM35 Hình 3.2: Cảm biến LM35 Là IC cảm biến nhiệt độ có điện áp đầu thay đổi, dựa nhiệt độ xung quanh Nó vi mạch nhỏ rẻ, sử dụng để đo nhiệt độ đâu khoảng từ -55 °C đến 150 °C Dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển có chức ADC tảng phát triển Arduino Bảng 3.1: Sơ đồ chân LM35 Số chân Tên chân VCC Chức Cấp nguồn điện từ 4v đến 30v ANALOG Chân lấy điện áp ra, điện áp chân thay đổi OUTPUT 10mV/oC GND Chân nối đất 21 ❖ Arduino Uno: Hình 3.3:Arduino uno Bảng 3.2: Thơng số kĩ thuật Arduino Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA 22 Cường độ dòng điện qua chân Digital Analog Arduino UNO vượt 40mA làm hỏng vi điều khiển Do khơng dùng để truyền nhận liệu, phải mắc điện trở hạn dòng ❖ Module L298N: Hình 3.4: Module L298N Thơng số kỹ thuật: • Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H • Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V • Dòng tối đa cho cầu H là: 2A (=>2A cho motor) • Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V • Dịng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA (Arduino chịu đến 40mA) • Cơng suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃) Mô-đun điều khiển L298N thiết bị điện tử điều khiển điện áp cung cấp cho thiết bị điện (trong trường hợp bóng đèn) Đầu vào trình điều khiển nhiệt độ đầu điều khiển PID đầu điều khiển trực tiếp nhiệt độ 23 Trong hệ thống, trình điều khiển nhiệt độ tín hiệu loại Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) thiết kế cách sử dụng bóng bán dẫn MOSFET PWM thường sử dụng làm truyền động hầu hết ứng dụng điều khiển cơng suất Hình cho thấy dạng sóng tín hiệu PWM Chu kỳ nhiệm vụ D định nghĩa [3]: 𝐷= 𝑇𝑜𝑛 𝑇𝑂𝑛 +𝑇𝑂𝐹𝐹 Với TON TOFF thời gian bật tắt dạng sóng Hình 3.5: Dạng sóng PWM Nhiệt lượng bóng đèn tỏa tỉ lệ thuận với giá trị trung bình điện áp Đối với dạng sóng PWM hình, điện áp trung bình cho bởi: Vtb = Vp * D ❖ Bóng đèn sợi đốt: Hình 3.6: Bóng đèn sợi đốt 12v/5w Một mục tiêu thiết kế sử dụng thành phần tiêu chuẩn chi phí thấp Để đáp ứng tiêu chí này, bóng đèn sợi đốt nhỏ 12V/5W (bóng đèn 24 sử dụng đèn hầu hết loại xe máy) sử dụng hệ thống làm máy phát nhiệt Nó tìm thấy với thử nghiệm nhiệt bề mặt bóng đèn vượt +100ºC [3] ❖ Nguồn Quạt tản nhiệt: Hình 3.7: Nguồn 12V/2A quạt tản nhiệt Lắp đặt thiết bị điện tử khung tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh: Hình 3.8: Lắp ráp khung thiết bị điện điện tử 25 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán 26 ❖ Hàm đọc giá trị nhiệt độ từ cảm biến: reading =analogRead(A0); double voltage = reading * 5.0 / 1024.0; t0 = voltage * 100.0;// nhiet hien tai t0= locnhieu.updateEstimate(t0); ❖ Hàm tính tốn cơng thức PID: e1=t1-t0; p=kp*e1; i=i+ki*e1; d=kd*(e1-e); e=e1; out1=255*(p+i+d); out2=(-1)*out1; if(out1>255) out1=255; if(out1255) out2=255; if(out2255) out1=255; if(out1255) out2=255; if(out225 5) out1 =25 5; if(out125 5) out2 =25 5; if(out2< 120 ) out2=0; 27 3.4 Thử
- Xem thêm -

Xem thêm: Đồ án đo lường và điều khiển: PID điều khiển nhiệt độ,