(Khoá luận tốt nghiệp) nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng máy tính qua card ghép nối mở rộng

LỜI NÓI ĐẦU 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 Trong lò nhiệt, máy điều hồ, máy lạnh hay lị viba, điều khiển nhiệt độ tính chất định cho sản phẩm Trong ngành luyện kim, cần phải đạt đến nhiệt độ để kim loại nóng chảy, cần đạt nhiệt độ để ủ kim loại nhằm đạt tốt đặc tính học độ bền, độ dẻo, độ chống gỉ sét, … Trong ngành thực phẩm, cần trì nhiệt độ để nướng bánh, để nấu, để bảo quản, … Việc thay đổi thất thường nhiệt độ, khơng gây hư hại đến thiết bị hoạt động, cịn ảnh hưởng đến q trình sản xuất, sản phẩm Có nhiều phương pháp để điều khiển lò nhiệt độ Mỗi phương pháp mang đến kết khác thông qua phương pháp điều khiển khác Trong nội dung Đồ án này, em nghiên cứu, trình bày phương pháp điều khiển On-Off , PI điều khiển PID thông qua Card AD giao tiếp với máy tính PCL818 Mọi liệu q trình điều khiển hiển thị lên máy tính dựa ngơn ngữ lập trình Delphi Đề tài : “ Nghiên cứu, Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ máy tính qua card ghép nối mở rộng ” em thầy Nguyễn Trọng Thắng hướng dẫn có nội dung sau : Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển nhiệt độ Chương 2: Nghiên cứu, Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển nhiệt độ máy tính qua Card PCL-818 ADVANTECH Chương 3: Thiết kế phần mềm CHƢƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 1.1 CÁC KHỐI CƠ BẢN TRONG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Hệ thống điều khiển nhiệt độ thông dụng cơng nghiệp thể hình 1.1: Cảm biến mạch gia cơng Mạch kích lị nhiệt Card AD/DA PCL-818L Màn hình hiển thị Máy tính Chƣơng trình điều khiển Hình 1.1 : Hệ thống điều khiển nhiệt độ Cụ thể hệ thống điều khiển nhiệt độ em thiết kế gồm khối sau : - Khối cảm biến gia công : sử dụng cảm biến nhiệt độ Thermocouple, lấy tín hiệu thơng qua Op-Amp OP-07, đưa nhiệt độ cần xử lý ngõ vào Analog biến đổi AD - Bộ biến đổi AD : mạch lấy tín hiệu AD để xử lý thơng qua Card AD PCL-818 hãng Advantech Thơng qua đó, Card AD đưa giá trị nhiệt độ thơng số khác cho máy tính xử lý Ngồi PCL-818 Card DA với nhiệm vụ điều khiển mạch công suất cho mạch nhiệt độ - Mạch công suất : mạch bị tác động trực tiếp bới PCL-818, với nhiệm vụ kích ngắt lị q trình điều khiển Linh kiện sử dụng mạch Solid State Relay(SSR) - Khối xử lý Màn hình hiển thị : Máy tính khối xử lý Với ngơn ngữ lập trình Delphi, máy tính điều khiển q trình đóng, ngắt lị Màn hình hiển thị hình giao diện Delphi Các giá trị, nhu thông số, tác động kỹ thuật tác động trực tiếp hình Các hãng kỹ thuật ngày tích hợp thành phần thành sản phẩm chuyên dùng bán thị trường Có chương trình giao diện ( Visual Basic ) có nút điều khiển, thuận lợi cho người sử dụng Có thể chọn khâu khuếch đại P, PI, PD hay PID hãng Hình 1.2 : Bộ điều chỉnh kĩ thuật số Để tìm hiểu rõ chi tiết khác phương pháp thiết bị kỹ thuật sử dụng, ta xem xét thông qua phần 1.2 NHIỆT ĐỘ - CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ thành phần chủ yếu hệ thống thu thập liệu Do vậy, chọn lựa thiết bị đo lường nhiệt độ xác ta tiết kiệm chi phí , tăng độ an toàn giảm thời gian kiểm tra… thiết bị đo lường nhiệt độ thường dùng cặp nhiệt điện, điện trở nhiệt Việc chọn lựa thiết bị để hoạt động xác tuỳ thuộc vào nhiệt độ tối đa, tối thiểu cần đo, độ xác điều kiện môi trường Trước hết, tìm hiểu khái niệm nhiệt độ 1.2.1 Nhiệt độ thang đo nhiệt độ Galileo cho người phát minh thiết bị đo nhiệt độ, vào khoảng năm 1592 Ơng ta làm thí nghiệm sau : bồn hở chứa đầy cồn, ơng cho treo ống thủy tinh dài có cổ hẹp, đầu có bầu hình cầu chứa đầy khơng khí Khi gia tăng nhiệt, khơng khí bầu nở sôi sùng sục cồn Cịn lạnh khơng khí co lại cồn dâng lên lịng ống thủy tinh Do đó, thay đổi nhiệt bầu biết cách quan sát vị trí cồn lịng ống thủy tinh Tuy nhiên, người ta biết thay đổi nhiệt độ khơng biết chưa có tầm đo cho nhiệt độ Đầu năm 1700, Gabriel Fahrenheit, nhà chế tạo thiết bị đo người Hà Lan, tạo thiết bị đo xác cho phép lặp lại nhiều lần Đầu thiết bị gán độ, đánh dấu vị trí nhiệt nước đá trộn với muối (hay ammonium chloride) nhiệt độ thấp thời Đầu thiết bị gán 96 độ, đánh dấu nhiệt độ máu người Tại 96 độ mà 100 độ? Câu trả lời người ta chia tỷ lệ theo 12 phần tỷ lệ khác thời Khoảng năm 1742, Anders Celsius đề xuất ý kiến lấy điểm tan nước đá gán độ điểm sôi nước gán 100 độ, chia làm 100 phần Đầu năm 1800, William Thomson (Lord Kelvin) phát triển tầm đo phổ quát dựa hệ số giãn nở khí lý tưởng Kelvin thiết lập khái niệm độ tuyệt đối tầm đo chọn tiêu chuẩn cho đo nhiệt đại Thang Kelvin : đơn vị K Trong thang Kelvin này, người ta gán cho nhiệt độ cho điểm cân ba trạng thái: nước – nước đá – mp65t giá trị số 273.15K Từ thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối( Thang Kelvin), người ta xác định thang thang Celsius thang Fahrenheit( cách dịch chuyển giá trị nhiệt độ) Thang Celsius : Trong thang đo này, đơn vị nhiệt độ ( C ), độ Celsius độ Kelvin Quan hệ nhiệt độ Celsius nhiệt độ Kelvin xác định biểu thức : T( C) = T( K) - 273,15 (1.1) Thang Fahrenheit : T( C) =5/9 {T( F) – 32} T( F) =9/5 T( C) + 32 (1.2) (1.3) 1.2.2 Các loại cảm biến nhiệt độ Tùy theo lĩnh vực đo điều kiện thực tế mà chọn bốn loại cảm biến : thermocouple, RTD, thermistor, IC bán dẫn Mỗi loại có ưu điểm khuyết điểm riêng 1.2.2.1 Thermocouple a Ƣu điểm - Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất - Đơn giản - Rẻ tiền - Tầm thay đổi rộng - Tầm đo nhiệt rộng b Khuyết điểm - Phi tuyến - Điện áp cung cấp thấp - Đòi hỏi điện áp tham chiếu - Kém ổn định - Kém nhạy 1.2.2.2 RTD (resistance temperature detector) a Ƣu điểm - Ổn định - Chính xác - Tuyến tính thermocouple b Khuyết điểm - Mắc tiền - Cần phải cung cấp nguồn dòng - Lượng thay đổi R nhỏ - Điện trở tuyệt đối thấp - Tự gia tăng nhiệt 1.2.2.3 Thermistor a Ƣu điểm - Ngõ có giá trị lớn - Nhanh - Đo hai dây b Khuyết điểm - Phi tuyến - Giới hạn tầm đo nhiệt - Dễ vỡ - Cần phải cung cấp nguồn dòng - Tự gia tăng nhiệt 1.2.2.4 IC cảm biến a Ƣu điểm - Tuyến tính - Ngõ có giá trị cao - Rẻ tiền b Khuyết điểm - Nhiệt độ đo 200 C - Cần cung cấp nguồn cho cảm biến Trong nội dung luận văn này, sử dụng Thermocouple để đo nhiệt độ 1.2.3 Thermocouple hiệu ứng seebeck 1.2.3.1 Hiệu ứng Seebeck Năm 1821, Thomas Seebeck khám phá nối hai dây kim loại khác hai đầu gia nhiệt đầu nối có dịng điện Kim loại A Kim loại A Kim loại B chạy mạch Hình 1.3 : Mơ hình tổng quát thermocouple Nếu mạch bị hở đầu thì hiệu điện mạch hở (hiệu điện Seebeck) hàm nhiệt độ mối nối thành phần cấu thành nên hai kim loại Khi nhiệt độ thay đổi lượng nhỏ hiệu điện Seebeck thay đổi tuyến tính theo : eAB = T với hệ số Seebeck (1.4) 1.2.3.2 Quá trình dẫn điện Thermocouple + eAB - Kim loại A Kim loại B Hình 1.4 : Cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện thiết bị chủ yếu để đo nhiệt độ Nó dựa sở kết tìm kiếm Seebeck(1821), cho dòng điện nhỏ chạy mạch bao gồm hai dây dẫn khác mối nối chúng giữ nhiệt độ khác Suất điện động Emf sinh điều kiện gọi suất điện động Seebeck Cặp nhiệt điện sinh mạch nhiệt điện gọi Thermocouple Hình 1.5 : Mối nối nhiệt điện Để hiểu hiệu dẩn điện cặp nhiệt điện Seebeck, trước hết ta nghiên cứu cấu trúc vi mô kim loại nguyên tử thành phần mạng tinh thể Theo cấu trúc nguyên tử Bohn hiệu chỉnh Schrodinger Heisenberg, điện tử xoay quanh hạt nhân Nguyên tử cân lực ly tâm nguyên tử quỹ đạo chúng với hấp dẩn điện tĩnh từ hạt nhân Sự phân bố lượng điện tích âm theo mức độ tăng dần tiến gần đến hạt nhân Hình 1.6 : Biểu thị năm mức lượng nguyên tử natri Hình 1.6 biểu thị năm mức lượng cho nguyên tử Natri với 11 điện tử với cấu trúc quỹ đạo Những điện tử mức dầu tiên, gần hạt nhân, có lượng tĩnh lớn, kết hấp dẫn điện tĩnh lớn hạt nhân Điện tử đơn mức thứ tư , cách xa hạt nhân có lượng để giữ chặt, có lượng cao dễ dàng tách khỏi nguyên tử Điện tử đơn mức lượng cao xem điện tử hoá trị Một điện tử hóa trị dễ dàng để lại nguyên tử trở thành điện tích tự mạng tinh thể Các nguyên tử có điện tích âm khỏi ngun tử gọi lỗ trống dương Có thể cho điện tử mức lượng thấp chuyển lên mức lượng cao trình yêu cầu hấp thu lượng điện tử tương đương để có khác mức lượng Sự hấp thụ lương lấy từ kích thích nhiệt Ứng dụng lượng nhiệt kích thích điện tử băng hố trị nhảy tới băng kế tiếp, lỗ trống dương trở thành điện tử dẫn điện trình truyền điện 1.2.3.3 Cách đo hiệu điện J3 Cu Cu + + v v1 - Constantan Cu J2 Volt kế Hình 1.7 : Sơ đồ mắc vôn kế với cặp nhiệt điện J1 Cu + v3 - Cu Cu + v1 + v1 J1 J3 Cu + v2 - Cu - + v2 - Constantan J1 Constantan J2 J2 Hình 1.8 : Sơ đồ tương đương Không thể đo trực tiếp hiệu điện Seebeck nối volt kế với thermocouple vơ tình lại tạo thêm mạch Ví dụ ta nối thermocouple loại T (đồng-constantan) Khi , ta có mạch tương đương sau : Cái mà muốn đo hiệu điện v1 nối volt kế vào thermocouple lại tạo hai mối nối kim loại : J J3 Do J3 mối nối đồng với đồng nên không phát sinh hiệu điện thế, J2 mối nối đồng với constantan nên tạo hiệu điện v2 Vì kết đo hiệu v1 v2 Điều nói lên biết nhiệt độ J1 nhiệt độ J2, tức để biết nhiệt độ đầu đo cần phải biết nhiệt độ môi trường Một cách để xác định nhiệt độ J2 ta tạo mối nối vật lý nhúng vào nước đá, tức ép nhiệt độ C thiết lập J2 mối nối tham chiếu + v Cu - Cu Volt kế Cu + v2 - Cu J2 + v1 J1 + v - Constantan Cu + v2 - + v1 - Constan J2 tan T= C Hình 1.9 : Cặp nhiệt điện tạo mối nối vật lý 10 T J1 (3.2) Kỹ thuật gọi kỹ thuật điều khiển PD Khâu vi phân hiệu chỉnh khả đáp ứng thay đổi nhiệt độ đặt, giảm độ vọt lố , đáp ứng c(t) bớt nhấp nhô hơn, biểu diễn hình sau : Hình 3.3 : Khâu vi phân Bộ hiệu chỉnh PD thực linh kiện mạch thụ động, dùng khếch đại thuật toán, điện trở tụ điện Nhược điểm PD nhạy nhiễu thân PD mạch lọc thơng cao, với độ lợi lớn làm tăng ảnh hưởng tín hiệu nhiễu Bộ PI Hàm truyền đạt PI có dạng : W P.((Ts To ) D d (Ts dt To )) (3.3) Hiệu chỉnh PI tương đương thêm vào nghiệm zero = -Ki/Kp nghiệm cực s = vào hàm truyền vòng hở Hiệu bậc hệ thống tăng lên 1, thêm vào khâu tích phân vào hàm truyền hệ chưa hiệu chỉnh điều quan trọng loại hệ thống tăng lên Sai số xác lập 48 hệ có khâu PI băng ) tín hiệu vào hàm nấc số tỉ lệ nghịch với giá trị Kp tín hiệu vào hàm RAMP 3.1.1.4 Điều khiển khâu vi tích phân tỷ lệ PID Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc gây vọt lố vài trường hợp không chấp nhận mạch động lực Sự có mặt khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố đáp ứng bớt nhấp nhô hệ thống đáp ứng nhanh Khâu tích phân tỉ lệ(PI) có mặt hệ thống dẩn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu( hệ vơ sai) Muốn tăng độ xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với hệ thống thực bị hạn chế có mặt khâu PI bắt buộc Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ( PID ) kết hợp ưu điểm khâu PI PD, có khả tăng độ dự trử pha tần số cắt, khử chậm pha Sự có mặt PID vịng hồi tiếp dẩn đến dao động hệ đáp ứng độ bị vọt lố hàm Dirac (t).Các hiệu chỉnh PID ứng dụng nhiều công nghiệp dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm Hàm truyền PID có dạng: Gc(s)= KP + KDs + KI s (3.4) Với giá trị KP ,KD, KI số Phương trình vi tích phân mơ tả tương quan tín hiệu u(t) với tín hiệu e(t) điều khiển PID : u (t ) K P e(t ) K D de(t ) dt K I e(t ).dt (3.5) Trong đó, e(t) sai lệch hệ thống e(t) = r(t) – c(t) Với r(t) c(t) tín hiệu vào đáp ứng hệ thống Vấn đề thiết kế cần xác định giá trị Kp, Ki, Kd cho thoả mãn yêu cầu chất lượng Ta xem xét ảnh hưởng khâu qua 1trình điều khiển chất lượng hệ thống 49 Hiệu phương pháp điều khiển lượng lò nhiệt sai số trung bình giá trị nhiệt độ Hình 3.4 : Biểu đồ lượng lị nhiệt hệ thống số Khi ta thu thập thông số lị nhiệt, thơng qua biến đổi AD, DA dùng PCL 818L đưa lên máy tính để xử lý Do vậy, để điều khiển xác cho hệ thống, người ta sử dụng phương pháp hiệu chỉnh PID số 3.1.2 Phƣơng pháp điều khiển PID số Quá trình phân tích tín hiệu rời rạc : Trước tiên, tín hiệu loại chuỗi xung, hàm liên tục theo thời gian Vì vậy, ta thu nhận thơng số tín hiệu phương pháp lượng tử hoá Phương pháp lượng tử hoá theo thời gian phương pháp dùng cho tín hiệu có biên độ liên tục, thời gian rời rạc Hệ thống xử lý tín hiệu loại gọi hệ thống rời rạc, ví dụ mạch tạo xung, điều chế xung… Nếu phép lượng tử hoá tiến hành theo biên độ thời gian kết nhận tín hiệu số Trong hệ thống số, thông số điều khiển-biên độ xung xuất điểm rời rạc cách chu kỳ lấy mẩu 50 tín hiệu Việc ổn định hệ thống trở nên phức tạp so với hệ thống liên tục Do đó, địi hỏi kỹ thuật phân tích thiết kế đặt biệt Hệ thống điều khiển số dùng ứng dụng nhiều đa dạng đưa máy tính số vào hệ thống điều khiển, cải tiến giá độ tin cậy vào máy tính số Digital Computer Khâu điều khiển G1(s) D/A Khâu điều khiển G2(s) A/D Hình 3.5 : Hệ thống điều khiển số Trong phần này, phát triển khái niệm phân tích thiết kế hệ thống liên tục cho hệ thống điều khiển số Chúng ta tập trung vào hệ thống điều khiển số, máy tính số nối đến khâu diều khiển hệ thống điều khiển biến đổi A/D, D/A Hệ thống minh hoạ hình Như vậy, hệ thống bao gồm tín hiệu : tín hiệu rời rạc [r(nT), e(nT), b(nT)] tín hiệu tương tự [u(t), m(t), c(t)] định nghĩa hệ thống liệu lấy mẫu (Sampled-Data System) Có thể mơ tả hoạt động lấy mẩu tốt cách xét hàm liên tục e(t) hình (8.2a) Giả sử hàm lấy mẩu thời điểm cách khoảng thời gian T, mơ tả hàm lấy mẩu chuổi số sau: e(0), e(T), e(2T)…e(nT) (3.6) Chuổi cho phép mô tả có giới hạn hàm e(t) giá trị e(t) thời điểm 0, T, 2T, …, nT Giá trị e(t) thời điểm khác lấy gần phương pháp nội suy 51 Hình 3.6 : Ví dụ lấy tín hiệu rời rạc phương pháp Fourier Trên thực tế, khâu điều khiển hệ thống điều khiển tương tự, nên dử liệu rời rạc sau lấy mẩu phải xây dựng lại thành dạng liên tục suốt thời gian lần lấy mẫu Trong phần sau, cho khái niệm đặc tính hệ thống liệu lấy mẫu, minh hoạ kỹ thuật phân tích thiết kế hệ thống Phân tích độ ổn định hệ thống, khâu ngoại suy liệu đề cập Để biểu diễn biến số hệ thống điều khiển, sữ dụng phương pháp biến đổi : phương pháp biến đổi z Việc sử dụng phương pháp biến đổi Laplace gặp nhiều trở ngại dùng phương trình sai phân thay cho việc thiết kế hệ thống điều khiển liệu lấy mẫu 3.1.3 Thiết kế PID số Ở mục này, ta phân tích kỹ thuật thiết kế theo phương pháp đáp ứng tần số, xem xét điều khiển sớm trể pha theo quan điểm khác trước Bộ điều khiển gọi PID (Proportional Integral Derivative), điều khiển vi tích phân tỷ lệ Hàm truyền điều khiển vi tích phân tỷ lệ PID cho bởi: D( w) Kp KI w K D w (3.7) 52 Trong biểu thức này, Kp độ lợi khâu tỷ lệ, Ki độ lợi khâu tích phân cịn Kd độ lợi khâu vi phân Đầu tiên, xem xét đến điều khiển PI (tính phân tỷ lệ) Hàm truyền đạt : D( w) Kp KI w K P w K I w (3.8) (1 w / wwo ) w KI Với wwo = Ki/Kp Chú ý lọc trể pha có ưu điểm mạch điều khiển trễ pha : tăng độ dự trữ ổn định giảm sai số xác lập Tiếp theo, ta xét điều khiển PD, hàm truyền đạt sau D( w) Kp K D w Kp (1 w ) wwo (3.9) Với wwo = Kp/Kd Mục đích điều khiển PD cải tiến ổn định hệ thống, tăng băng thơng hệ thống vịng kín để tăng tốc độ đáp ứng Tác dụng điều khiển PD tần số cao ngược với tác dụng PI tần số thấp 3.1.4 Điều khiển PID hệ thống điều khiển nhiệt độ Gồm có điều khiễn lị điện có sơ đồ sau : Dây đốt Đặt nhiệt độ Mạch điều khiển Mạch động 1.1.1.1 i lực khiển ề Bộ điều khiển nhiệt độ u Phản hồi Mạch đo thị Hình 3.7 : Sơ đồ điều khiển 53 Đ TC 1.1.1.3 ò đ i ệ n Bộ điều khiển gồm mạch đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện (ThermoCouple – có điện áp thay đổi theo nhiệt độ), mạch điều khiển dùng khuếch đại thuật toán chấp hành (mạch động lực) dùng TRIAC đóng ngắt nguồn điện lưới cung cấp cho lò áp qua zero(zero switching) Với điều khiển này,trong đồ án chọn nguyên tắc điều rộng xung, đảm bảo cung cấp cơng suất cho lị tỉ lệ với tín hiệu điều khiển tương ứng với hàm truyền hệ số khuếch đại Lị nhiệt có đầu vào điện áp (hay công suất) cung cấp cho dây điện trở ngỏ nhiệt độ bên lò Để thành lập hàm truyền lò nhiệt ta phải khảo sát phương trình vi phân mơ tả quan hệ nhiệt độ lượng Đây tốn phức tạp muốn xác Một cách gần , ta xem mơi trường nung đồng chất , đẳng nhiệt Từ phương trình cân bằ ng lượng: điện cung cấp dùng để bù vào lượng nhiệt truyền bên tích nhiệt vào mơi trường nung, ta tính hàm truyền lị bậc có dạng sau : P K Ts (3.10) Trong : P : công suất cung cấp độ tăng nhiệt nhiệt độ ngỏ so với nhiệt độ môi trường K hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ vào chế độ xác lập T thời hằng, thể qn tính nhiệt hệ thống Mơ hình hàm truyền cho thấy trình độ với đầu vào hàm nấc có dạng hàm mũ Thực tế cho thấy mơ hình gần , hệ thống có bậc cao q trình q độ đầu vào hàm nấc không vọt lố , có dạng hình sau cho nhiệt độ đầu Theo Ziegler-Nichols hệ thống biểu diễn dạng hàm truyền sau : 54 Ke Ls H(s)= Ts (3.11) bao gồm: Một khâu quán tính hệ số khuếch đại K Thời T, khâu trễ thời gian L Các thơng số lấy kẻ tiếp tuyến điểm uốn cho đồ thị độ hàm nấc hình bên Hệ số khuếch đại K tính sau: Khi nhiệt độ đầu khác khơng, K tính từ độ tăng nhiệt độ ngỏ so với mơi trường Để áp dụng cho hệ tuyến tính, ta lấy khai triển Talor e Ls hàm truyền trở nên: H(s) K (Ls 1)(Ts 1) (3.12) Trong lò nhiệt sử dụng luận văn này, số liệu lấy sau K = 600; L = 2; T = 26; Vậy hàm truyền lò nhiệt xác định dựa ZieglerNichols là: H(s)= 600 (2s 1)(26s 1) (3.13) Quá trình phƣơng pháp điều khiển nhiệt độ: a.Điều khiển On-Off Hệ thống điều khiển nhiệt độ trở thành: e HC P K (Ts 1)(Ls 1) nhiệt độ đặt 55 nđộ (3.14) Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào thông số sơ đồ hiệu chỉnh.Một nguyên lý thường dùng PID(vi tích phân tỉ lệ) Phương pháp điều khiển công suất dùng điều rộng xung.Tải nhận công suất khoảng Ton chu kỳ T không đổi.Cơng suất tải điều khiển cách thay đổi độ rộng xung tương đối a: a= Ton T (3.15) công suất cung cấp cho tải P=a*Pmax Pmax:công suất cực đại ứng với trường hợp a=1,khi phần tử điều khiển cơng suất TRIAC đóng mạch liên tục Vì TRIAC ngắt mạch dịng qua zero,chu kỳ T phải đủ lớn TRIAC dẫn điện nhiều chu kỳ điện áp lưới(tần số lưới điện 50Hz),trong đồ án chọn T=1s b.Thuật toán hiệu chỉnh PID Hàm H(s)= u(s) Kp e(s) truyền liên tục KI s Kd * s (3.16) PID có dạng: Trong u:ngõ ra,e ngõ vào hiệu chỉnh Thuật tốn PID nhận sai phân hàm truyền trên,tương ứng phương trình vi tích phân sau: Kp*e(t)+Ki e(t )dt +Kd* de(t ) =u(t)*K dt (3.17) Gián đoạn hoá: - Khâu vi phân(dùng định nghĩa sai phân): Kd* de(t ) Kd = *(e[n]-e[n-1]) T dt - Khâu tích phân(theo ngun tắc hình thang): 56 (3.18) e(t )dt = T n (e( k ) e( k 1)) với e(0)=0 2k1 (3.19) suy Kd (e[n] e[n 1]) u[n]*K=Kp*e[n]+ T e(0)=0 T n (e(k ) e( k 1)) 2k1 với (3.20) thay[n] [n-1] trừ vào phương trình nhận cơng thức cho phép tính u[n] từ u[n-1] giá trị liên tiếp e[n] sau: u[n]-u[n-1]=( A *e[n]+A *e[n-1]+A *e[n-2] )/K u[n]=u[n-1]+( A *e[n]+A *e[n-1]+A *e[n-2] )/K với A =Kp+ A1 = Ki Kd *T+ T (3.22) Ki * Kd Kd * T -Kp A2 = T T (3.23) Trong T chu kỳ lấy mẫu 57 (3.21) 3.2 Lƣu đồ giải thuât a.Lƣu đồ đọc AD : Begin Kích OPTO để lị nhiệt hoạt động Ngắt(EOC=0)&(INT =1)? N Y Đọc AD Y[i]:= giá trị (AD)/8.192 Vẽ đặc tuyến lị nhiệt Hết chu kì? Thốt N Hình 3.8 : Lưu đồ đọc AD 58 Do đảm bảo trình diển thịi gian lấy mẫu 1s, vậy, chương trình thu nhận thơng số lò đặt Timer Khi thu nhận giá trị nhiệt độ từ lị nhiệt, thơng qua chương trình xấp xỉ bình phương cực tiểu, ta thu thơng lị : độ khuếch đại, thời gian trễ, thời nhiệt độ… Nhiệt độ ngõ vào có giátrị từ -> 409.6 oC, vậy, điện áp ngõ tương ứng từ -> 4.096V Đối với Card AD PCL – 818, điện áp chuẩn bên 5V ( Internal Reference Voltage = 5V) tương ứng với giá trị toàn tầm 12bit = 4096 Vì vậy, giá trị nhiệt độ : Nhiệt độ = Re ad _ AD 8.192 59 b Lƣu đồ hiệu chỉnh lò nhiệt : Begin Kích OPTO để lị nhiệt hoạt động N (EOC=0)&(INT=1)? Y Đọc AD vẽ đồ thị To[i]:= giá trị (AD)/8.192 ess =(TđặtTht)/Tđặt Hiệu chỉnh PID U0=A0*Ekt+ A1*Ekt1+A2*Ekt2 N Y Hình 3.9 : Lƣu đồ hiệu chỉnh 60 KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu thiết kế Đồ Án Em biết cách chọn lọc kiến thức từ giáo trình mà em nghiên cứu, quan trọng em tích lũy kinh nghiệm Thiết kế hệ thống nguyên lý mạch điện Kĩ thuật số hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Trọng Thắng.Tuy nhiên, số kiến thức nghiên cứu chuyên sâu vào lĩnh vực điện tử em chưa nắm rõ cịn thiếu sót Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trọng Thắng thầy cô khác hướng dẫn tận tình , cung cấp cho em kiến thức quý báu cho em thời gian thực Đồ Án Em chân thành cảm ơn hổ trợ, đóng góp ý kiến bạn bè Đây lần đầu em làm Đồ Án , thiếu sót hay khiếm khuyết điều khơng tránh khỏi Em chân thành cám ơn đóng góp ý kiến chuyên môn để khả kỹ thuật em mở rộng Chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nguyễn Văn Trung Hải Phòng Tháng 12 / 2013 61 Tài liệu tham khảo Nguyễn Phùng Quang (2005), Điều khiển số, ĐHBK Hà Nội Nguyễn Trọng Thuần (2000), Điều khiển logic & Ứng dụng, Nhà xuất khoa học - Kĩ thuật Nguyễn Phương Hà (2005), Lý thuyết Điều khiển tự động, Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM Thân Ngọc Hoàn (2004), Điện tử công suất, Nhà xuất xây dựng Ngơ Diên Tập (2005), Kỹ thuật Ghép Nối Máy Tính, Nhà xuất khoa học – Kĩ thuật 62