Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp thay đổi thời gian đốt cho lò điện

Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp thay đổi thời gian đốt cho lò điện

Đại học công nghiệp Hà Nội

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN, MẠCH PID,

PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI CÔNG SUẤT BẰNG CÁCH THAY ĐỔI

THỜI GIAN CẤP ĐIỆN 7

I MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 7

II MẠCH PID .10

3.1Khái niệm: 10

3.2 Hệ đếm bất kỳ: 11

3.3 Ghép các hệ đếm: 12

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT 12

I Sơ đồ khối: 13

II Hoạt động của từng khối: 13

1 Khối tạo xung: 14

1.1 IC NE555: 14

2 Khối đếm 20

2.1.IC 74LS90 20

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 20

2.1.2 Sơ đồ logic và bảng trạng thái 21

3.1 IC 74LS47 22

3.1.1 Khái niệm 22

3.1.2 Hình dạng và sơ đồ chân: 23

3.1.3 Sơ đồ logic và Bảng trạng thái: 24

4 Khối hiển thị: 27

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 khiểnPID 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!

Nhận xét của giáo viên :

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

CHƯƠNG I: MẠCH KĐTT

I.MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

1 Địnhnghĩa

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 cácthiết 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 sẽbằng với điện áp vi sai đầu vào nhân với độ lớn tổng của mạch khuếch đại, theo công thức sau:

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)

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 cạnhcác 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 thayđổi 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)

II MẠCH PID

1.Bộ điều khiển PID

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

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 chỉnh

: sai số

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

: một biến tích phân trung gian

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

: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

: Sai số

: 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 vắng mặt các tác động bị khuyết

2.Mạch PID

a Mạch khuếch đại

b.Mạch tích phân

c Mạch vi phân

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

a 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

b 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 điềukhiển 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

cấp cho lò 100%

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 T2 T1: 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 T2

Nguồn DC

Phương 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

hình Hình

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:

PID

Xung tam giác

Xung vuông