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 Khoađiện ∞ ∞ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ & VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI :THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI T HỜI GIAN ĐỐT CHO LÒ ĐIỆN Giáoviên :TS . NguyễnVănVinh Sinh viên thực hiện : Lớp : Tự động hóa 3- khóa 6 Nhóm : 8 MỤC LỤC 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! 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 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  V out : Đầu ra  V S+ : Nguồn cung cấp điện dương  V S− : Nguồn cung cấp điện âm Các chân cấp nguồn (V S+ and V S− ) 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: 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 khâunullator , 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 theo điện áp  Mạch khuếch đại tổng  Mạch tích phân  Mạch vi phân  Mạch so sánh  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: trong đó , , và 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 K p (K i và K d 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 K i (K p và K d 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 [...]... muốn thay đổi cơng suất của lò điện ta chỉ có thể thay đổi 2 đại lượng: I: dòng điện cấp T: 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 cơng suất bằng cách thay đổi thời gian cấp điện Phương pháp điều khiển thời gian. .. 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 cơng suất Chương II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LỊ VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID I Lý thuyết điều khiển Mơ hình lò nhiệt r(t) Cơng suất nhiệt Lò nhiệt c(t) Nhiệt độ của lò cấp cho lò 100% Giả sử ta muốn nhiệt độ trong lò là to tương ứng lò sẽ... có độ rộng là T1 và T2.Vậy muốn cho lò hoạt động ở cơng suất bất kì ta chỉ cần điều chỉnh độ rộng của xung này Ví dụ muốn lò hoạt động ở cơng suất 50% ta điều chỉnh xung vào lò có T1=T2 như hình vẽ sau: ON OFF T1 T2 Phương pháp thay đổi cơng suất lò điện bằng cách thay đổi thời gian cấp điện chính là tạo ra một xung vng để điều khiển thời gian cấp điện Điều khiển được độ rộng của xung vng qua đó thay. .. sẽ hoạt động với một cơng suất là Pt Đầu tiên ta đóng nguồn cho lò hoạt động với cơng suất 100% Nếu nhiệt độ trong lò vượt q 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 khơng cấp nguồn Ta được thời gian cấp nguồn cho lò nhiệt là... 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 cơng 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... ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn Một số ứng dụng có thể u 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 cơng suất bằng cách thay đổi thời gian cấp điện a Giới thiệu về lò điện Lò điện trở làm việc dựa... 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 vng Sơ đồ ngun lí điều khiển lò nhiệt dùng PID: Xung tam giác Udc Nguồn DC PID Xung vng Bộ điều khiển Nguồn Lò nhiệt Sơ đồ ngun lí mạch điều khiển nhiệt độ II .Phương pháp thời gian tổng Kuln để xác định tham số bộ PID Cho đốitượnghàmtruyền : G(s)=KdteTrongđó B(s)=... qua đó thay đổi thời gian cấp nguồn cho lò nhiệt II Ngun tắc tạo ra xung răng cưa Ngun tắc tạo ra một xung vng 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 vng 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... 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 khơng đổi) Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính tốn 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 (đơi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được... chân 4 ở mức áp cao, lúc đó chân 3 mới có thể biến đổi theo Flip Flop Do vậy trong các mạch dao động, người ta thường cho chân 4 nối vào mức nguồn cao Sơ đồ mạch tạo xung dùng IC555 III .Mạch so sánh Mạch so sánh dung LM741: IV .Mạch Moc3021 ghép nối mạch lực và mạch điều khiển • • MOC 3021: để ngăn cách mạch lực và mạch điều khiển Oven là lò nhiệt V .Mạch mơ phỏng  . 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. THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID I. Lý thuyết điều khiển Mô hình lò nhiệt r(t) c(t) Công suất nhiệt Nhiệt độ của lò Lò nhiệt cấp cho lò 100% Giả sử ta muốn nhiệt độ trong lò. công nghiệp Hà Nội Khoađiện ∞ ∞ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ & VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI :THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI T HỜI GIAN ĐỐT CHO LÒ ĐIỆN Giáoviên :TS . NguyễnVănVinh Sinh