Kính cảm ơn Trường Đại học Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh, cùng Quý Thầy, Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học cao học. Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy Tiến sĩ Võ Công Phương, người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu đề tài này. Cảm ơn tất cả các bạn trong khóa học, những người cùng chung chí hướng trong con đường tri thức để tất cả chúng ta có được kết quả ngày hôm nay. Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này. Xin trân trọng gửi lòng tri ân và cảm ơn quý Thầy Cô.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo QUÁCH DUY THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID GIỮ ỔN ĐNNH NHIỆT ĐỘ LỊ NHIỆT CƠNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP HCM 05 - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo QUÁCH DUY THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID GIỮ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SĨ VÕ CÔNG PHƯƠNG TP HCM 05 - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Thiết kế Bộ điều khiển Mờ - PID giữ ổn định nhiệt độ lị cơng suất vừa nhỏ” cơng trình nghiên cứu riêng tơi, hướng dẫn Thầy Tiến sĩ Võ Công Phương Các số liệu, kết mô nêu luận văn trung thực, có nguồn trích dẫn chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác LỜI CẢM ƠN Kính cảm ơn Trường Đại học Giao thơng vận tải thành phố Hồ Chí Minh, Q Thầy, Cơ tận tình truyền đạt kiến thức tạo điều kiện tốt cho tơi suốt q trình học cao học Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy Tiến sĩ Võ Cơng Phương, người nhiệt tình hướng dẫn bảo cho suốt thời gian thực nghiên cứu đề tài Cảm ơn tất bạn khóa học, người chung chí hướng đường tri thức để tất có kết ngày hơm Cảm ơn gia đình người thân động viên, hỗ trợ suốt thời gian thực nghiên cứu Xin trân trọng gửi lòng tri ân cảm ơn quý Thầy Cơ Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng năm 2017 Người thực luận văn Quách Duy MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH TÓM TẮT Chương 1: TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Dẫn nhiệt 1.1.2 Trao đổi nhiệt 1.2 Các báo tham khảo 11 1.3 Đặt vấn đề 121 1.4 Mục tiêu - Công việc thực 122 1.4.1 Mục tiêu 122 1.4.2 Công việc thực 122 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT 13 2.1 Mơ hình lị nhiệt 13 2.1.1 Ngun lí làm việc lị điện trở 13 2.1.2 Cấu tạo lò nhiệt 13 2.1.3 Các phương pháp xây dựng mơ hình tốn học 15 2.2 Tổng quan kỹ thuật điều khiển 17 2.2.1 Thuật toán PID 17 2.2.2 Thiết kế điều khiển PID theo Ziegler - Nichols 17 2.3 Lý thuyết Mờ 21 2.3.1 Giới thiệu 21 2.3.2 Tập hợp mờ 21 2.3.3 Các toán tử mờ 28 2.3.4 Bổ từ mờ (Fuzzy Hedge) 29 2.3.5 Biến ngôn ngữ 31 2.3.6 Mệnh đề mờ 32 2.3.7 Xử lý mờ 33 2.3.8 Các luật hợp thành mờ 34 2.3.9 Giải mờ 36 2.3.10 Hệ mờ 38 2.3.11 Thiết kế Mờ - PID 41 Chương 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT 43 3.1 Phần mềm Matlab 43 3.2 Phần mềm mô (Simulink) 43 3.3 Mơ hệ thống điều khiển lị nhiệt 44 3.3.1 Đồ thị đặc tính lị nhiệt 44 3.3.2 Hàm truyền lò nhiệt 45 3.3.3 Tham số lị nhiệt (mơ phỏng) 45 3.3.4 Mô Matlab 45 3.3.5 Xây dựng khối FUZZY LOGIC CONTROLLER 46 3.3.6 Xây dựng khối PID 51 Chương 4: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÒ NHIỆT TRONG CƠNG NGHIỆP VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT CƠ BẢN 53 4.1 Nghiên cứu ứng dụng lị nhiệt cơng nghiệp 53 4.1.1 Đặt vấn đề 60 4.1.2 Thiết kế quan sát nhiệt độ cho phôi 60 4.1.3 Mô cho quan sát nhiệt độ phôi 60 4.2 Thi cơng mơ hình lị nhiệt 60 4.2.1 Thiết kế mạch điều khiển 60 4.2.2 Sơ đồ kết nối 65 4.2.3 Các công thức chuyển đổi giá trị số - Nhiệt độ 66 4.2.4 Kết thực nghiệm 67 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 𝑄̇ ℎ𝑜ặ𝑐 (Φ𝑡ℎ ): dòng nhiệt α h: hệ số truyền nhiệt Q: Nhiệt lượng tính Jun (J) I: Dịng điện tính Ampe (A) R: Điện trở tính Ơm (Ω) T: Thời gian tính giây (s) q: Các từ tần suất thường, luôn h: Các Hedge rất, khảo sát phần trước fs: Tập mờ trung tâm DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Dẫn nhiệt xảy vật liệu có chênh lệch nhiệt độ Hình 1.2 Dẫn nhiệt tinh thể lan truyền Hình 1.3 Dẫn nhiệt .9 Hình 1.4 Đối lưu 10 Hình 1.5 Bức xạ nhiệt .10 Hình 2.1 Mơ hình lị nhiệt 13 Hình 2.2 Đặc tính xác Hình 2.3 Đặc tính gần 16 Hình 2.4 Thuật toán PID 17 Hình 2.5 Phương pháp tính tích phân .19 Hình 2.6 Đường cong qua phần tử tập hợp .22 Hình 2.7 Độ cao tập mờ A, B 22 Hình 2.8 Tập mờ B đưa dạng tắc 23 Hình 2.9 Miền làm việc tập mờ 23 Hình 2.10 Biến NHIỆT ĐỘ gồm tập mờ LẠNH, MÁT, ẤM, NĨNG .24 Hình 2.11 Dạng tuyến tính 24 Hình 2.12 Đường cong dạng S 25 Hình 2.13 Đường cong hình chng 25 Hình 2.14 Dạng hình thang .26 Hình 2.15 Dạng hình tam giác 26 Hình 2.16 Dạng hình thang .27 Hình 2.17 Xấp xỉ vùng mờ 29 Hình 2.18 Giới hạn vùng mờ .30 Hình 2.19 Hedge cao 30 Hình 2.20 Hedge cao 30 Hình 2.21 Hedge chắn cao 31 Hình 2.22 Hedge nhìn chung 31 Hình 2.23 Tập mờ LẠNH, MÁT, ẤM, NÓNG 32 Hình 2.24 Phương pháp tương quan tối thiểu 33 Hình 2.25 Phương pháp tương quan tích 34 Hình 2.26 Miền mờ dùng phương pháp tương quan tối thiểu 35 Hình 2.27 Hợp miền mờ theo toán tử OR .35 Hình 2.28 Luật hợp SUM-MIN 36 Hình 2.29 Phương pháp điểm trọng tâm 36 Hình 2.30 Phương pháp cực đại 37 Hình 2.31 Tập mờ LẠNH, MÁT, ẤM, NĨNG 37 Hình 2.32 Sơ đồ khối hệ mờ 38 Hình 2.33 Hệ mờ 39 Hình 2.34 Độ chồng lấp 39 Hình 2.35 Tổng hợp hệ mờ tỉ lệ 40 Hình 2.36 Thuật toán Mờ - PID 41 Hình 2.37 Sai số (ET) 41 Hình 2.38 Đạo hàm sai số (DET ) .41 Hình 3.1 Biểu tượng Matlab .43 Hình 3.2 Sơ đồ khối Matlab 44 Hình 3.3 Đặc tính lò nhiệt 44 Hình 3.4 Mơ hình mơ lò nhiệt Matlab Simulink 45 Hình 3.5 Tín hiệu nhiệt độ - điện áp 45 Hình 3.6 Mơ hình matlab (thuật tốn Fuzzy Logic - PID) 46 Hình 3.7 Khối FUZZY Kp-Ki-Kd 46 Hình 3.8 Luật chỉnh định Kp 46 Hình 3.9 Luật chỉnh định Ki .47 Hình 3.10 Luật chỉnh định Kd 47 Hình 3.11 Sai số (ET) 47 Hình 3.12 Đạo hàm sai số (DET ) .47 Hình 3.13 Surface Kp 48 Hình 3.14 Surface Ki .49 Hình 3.15 Surface Kd 50 Hình 3.16 Khối PID 51 Hình 3.17 Đáp ứng nhiệt độ T-ref = 300C .51 Hình 3.18 Đáp ứng nhiệt độ T-ref = 1000C .52 Hình 3.19 Đáp ứng nhiệt độ T-ref = 1350C .52 Hình 4.1 Mơ hình phơi .60 Hình 4.2 Mơ hình phơi lớp .60 Hình 4.3 Mơ hình phơi 𝐵 lớp 60 Hình 4.4 Kết mô nhiệt độ phôi lớp .60 Hình 4.5 Kết mơ nhiệt độ phôi lớp .60 Hình 4.6 Kết mơ nhiệt độ phôi lớp .60 Hình 4.7 Lị nhiệt 1000W 60 Hình 4.8 Sơ đồ khối mạch điều khiển .60 Hình 4.9 Mạch nguồn 5Vdc 61 Hình 4.10 Sơ đồ mạch nguồn 5V 61 Hình 4.11 Mạch giao tiếp dùng SSR (Solid State Relay) 62 Hình 4.12 Đặc tuyến SSR 62 Hình 4.13 Sơ đồ ngun lí SSR 62 Hình 4.14 Cảm biến nhiệt độ NTC10K 63 Hình 4.15 Phần mềm tính giá trị R1 cho mạch NTC10K 63 Hình 4.16a Board Arduino Mega2560 65 Hình 4.16b Sơ đồ chân board Arduino Mega2560 66 Hình 4.17 Mơ hình Matlab Simulink – Lị nhiệt .67 Hình 4.18 Đáp ứng nhiệt độ từ cảm biến nhiệt NTC10K 67 TÓM TẮT Trong thực tế công nghiệp sinh hoạt hàng ngày, lượng nhiệt đóng vai trị quan trọng Năng lượng nhiệt dùng q trình cơng nghệ khác nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc thiết bị gia dụng phục vụ cho hàng ngày Vì việc sử dụng nguồn lượng cách hợp lý hiệu cần thiết Lò điện trở ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp đáp ứng nhiều yêu cầu thực tiễn đặt Ở lò điện trở, yêu cầu kỹ thuật quan trọng phải điều chỉnh khống chế nhiệt độ lò Luận văn: “Thiết kế Bộ điều khiển Mờ - PID giữ ổn định nhiệt độ lị nhiệt cơng suất vừa nhỏ” nghiên cứu thực mô môi trường MATLAB / Simulink kết cho thấy thuật toán điều khiển nhiệt độ ổn định Mơ hình lị nhiệt thi cơng phải có tính an tồn, thẩm mỹ, hoạt động ổn định Một board mạch vi điều khiển (Arduino mega 2560) nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt NTC thực điều khiển dòng điện qua điện trở thạch anh cách thay đổi tín hiệu PWM gửi cho SSR (Solid State Relay) Quá trình điều khiển giám sát thông số thực trực tiếp Matlab Simulink Chương 1: TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Dẫn nhiệt Trong nhiệt học, dẫn nhiệt (hay tán xạ nhiệt, khuếch tán nhiệt) việc truyền lượng nhiệt phân tử lân cận chất, chênh lệch nhiệt độ Nó ln ln diễn từ vùng nhiệt độ cao tới vùng nhiệt độ thấp hơn, theo định luật hai nhiệt động học giúp cân lại khác biệt nhiệt độ Theo định luật bảo tồn lượng, nhiệt khơng bị chuyển thành dạng khác, suốt trình này, nhiệt không bị Đại lượng đo lường dẫn nhiệt vật chất định độ dẫn nhiệt Khác với đối lưu, dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt không kèm theo chuyển động với số lượng lớn phân tử vật chất Dẫn nhiệt diễn tất dạng vật chất, tức chất rắn, chất lỏng, khí plasma Trong chất rắn, kết hợp dao động phân tử cấu trúc tinh thể vận chuyển lượng điện tử tự Trong chất khí chất lỏng, dẫn nhiệt va chạm khuếch tán phân tử chuyển động ngẫu nhiên chúng Ngoài dẫn nhiệt đối lưu, nhiệt trao đổi xạ, thường nhiều trình xảy tình trao đổi nhiệt định Hình 1.1 Dẫn nhiệt xảy vật liệu có chênh lệch nhiệt độ 55 Vậy ta có phương trình cân nhiệt: 𝐶 𝑑𝑇 𝑇𝑓 − 𝑇 = 𝑑𝐷 𝑅 (4.3) Sử dụng phép biến đổi Laplace ta có: 𝐶𝑅𝑇𝑠 = 𝑇𝑓 − 𝑇 ⇒ 𝑇(𝐶𝑅𝑠 + 1) = 𝑇𝑓 Đặt 𝜏 = 𝑅𝐶 ⇒ 𝑇(𝑠) = 𝑇 (𝑠) 𝜏𝑠+1 𝑓 Khi vật mỏng mô tả hàm truyền: 𝑊 (𝑠) = 𝑇(𝑠) = 𝑇𝑓 (𝑠) 𝜏𝑠 + (4.4) 4.1.2.2 Xây dựng mơ hình hàm truyền phơi chia thành lớp (𝒏 = 𝟐) Dòng nhiệt chảy vào là: 𝑄 = 𝐴𝛼�𝑇𝑓 − 𝑇1 � = 𝑇𝑓 − 𝑇1 𝑣ớ𝐷 𝑅1 = 𝑅1 𝐴𝛼 (4.5) Dòng nhiệt chảy lớp dòng nhiệt chảy vào lớp 𝑄= 𝐴𝛼1 (𝑇1 − 𝑇2 ) 𝑑/2 (𝑇1 − 𝑇2 ) = 𝑣ớ𝐷 𝑅2 = 𝑑� 𝑅2 𝐴𝛼1 (4.6) Vậy phương trình cân nhiệt là: 𝑑𝑇1 𝑇𝑓 − 𝑇1 𝑇1 − 𝑇2 = − 𝑑𝐷 𝑅1 𝑅2 ⎨ 𝐶 𝑑𝑇2 = 𝑇1 − 𝑇2 ⎩ 𝑑𝐷 𝑅2 ⎧𝐶1 Xuất phát từ phương trình (4.7 b) ta có: (𝑎) (4.7) (𝑏) 𝐶2 𝑅2 𝑇2 𝑠 = 𝑇1 − 𝑇2 ⇒ 𝑇2 (𝐶2 𝑅2 𝑠 + 1) = 𝑇1 Suy hàm truyền lớp thứ 2: 𝑊2 (𝑠) = 𝑇2 (𝑠) = 𝑇1 (𝑠) 𝐶2 𝑅2 𝑠 + Xuất phát từ phương trình (4.7 a) ta có : �𝑠 − 𝑇𝑓 (𝑠) 1 𝑊2 (𝑠) + + � 𝑇1 (𝑠) = 𝐶2 𝑅2 𝐶1 𝑅1 𝐶1 𝑅2 𝐶1 𝑅1 (4.8) 56 Suy hàm truyền lớp 1: 𝑊1 (𝑠) = 𝑇1 (𝑠) = 𝑅 𝑇𝑓 (𝑠) + 𝐶1 𝑅1 𝑠 + (1 − 𝑊2 (𝑠)) (4.9) 𝑅2 4.1.2.3 Xây dựng mơ hình hàm truyền phơi chia thành 𝒏 lớp Từ việc xây dựng mơ hình hàm truyền cho trường hợp lớp, lớp; ta tổng qt hóa cho trường hợp 𝐵 lớp Hình 4.3 Hình 4.3 Mơ hình phơi 𝐵 lớp Sau tính tốn tương tự trên, hàm truyền phơi 𝐵 lớp xác định: 𝑊𝑛−1 (𝑠) = 𝑊𝑛 (𝑠) = 𝑇𝑛 (𝑠) = 𝑇𝑛−1 (𝑠) 𝐶𝑛 𝑅𝑛 𝑠 + 𝑇𝑛 (𝑠) = 𝑇𝑛−1 (𝑠) + 𝐶𝑛−1 𝑅𝑛−1 𝑠 + 𝑅𝑛−1 (1 − 𝑊𝑛 (𝑠)) 𝑊3 (𝑠) = 𝑊2 (𝑠) = 𝑊1 (𝑠) = + 𝐶3 𝑅3 𝑠 + + 𝐶2 𝑅2 𝑠 + + 𝐶1 𝑅1 𝑠 + 𝑅𝑛 𝑅3 𝑅4 𝑅2 𝑅3 𝑅1 𝑅2 (1 − 𝑊4 (𝑠)) (1 − 𝑊3 (𝑠)) (1 − 𝑊2 (𝑠)) 57 4.1.3 Mô cho quan sát nhiệt độ phơi Để kiểm tra thuật tốn, ta tiến hành mơ cho ví dụ tính tốn hàm truyền lớp chia phôi thành lớp, lớp lớp Vật liệu chọn thép với thông số sau: - Hệ số dẫn nhiệt 𝜆 = 55,8 (𝑊/(𝑚 𝐾)); Hệ số truyền nhiệt 𝛼 = 335 (𝑊/𝑚2 ) - Kích thước phôi tấm: chiều dài 𝑎 = 0,4 (𝑚); chiều rộng 𝑏 = 0,25 (𝑚); chiều dày 𝑑 = 0,05 (𝑚); diện tích bề mặt tiếp xúc 𝐴 = 𝑎 × 𝑏 = 0.1 (𝑚2 ) - Khối lượng riêng 𝜌 = 7800 (𝐾𝐷/𝑚 );Nhiệt dung riêng 𝑐 = 460 (𝐽/(𝐾𝐷 𝐾)) 4.1.3.1 Coi thép lớp Khi truyền nhiệt qua truyền nhiệt đối lưu: - 𝑉 = 𝑎 × 𝑏 × 𝑑 = 0,4 × 0,25 × 0,05 = 0,005 (𝑚3 ) - 𝑚 = 𝑉 × 𝜌 = 0.005 × 7800 = 39 (𝐾𝐷) - 𝐶 = 𝑚 × 𝑐 = 39 × 460 = 17940 -𝑅= 𝐴𝛼 = 0.1×335 = 0.0299 Hàm truyền đối tượng là: 𝑊 (𝑠) = 4.1.3.2 Coi thép lớp 1 = 𝐶𝑅𝑠 + 536,406𝑠 + Khi chiều dày lớp 𝑑/2 = 0,05/2 = 0,025 (𝑚) - 𝑉1 = 𝑉2 = 0,4 × 0,25 × 0,025 = 0,0025 (𝑚3 ) - 𝑚1 = 𝑚2 = 𝑉1 × 𝜌 = 0,0025 × 7800 = 19,5 (𝐾𝐷) - 𝐶1 = 𝐶2 = 𝑚1 × 𝑐 = 19,5 × 460 = 8970 - 𝑅1 = - 𝑅2 = 𝐴𝛼 = 𝑑/2 𝐴𝜆 0.1×335 = 0,025 = 0.0299 0.1×55,8 = 0.00448 Hàm truyền lớp đối tượng là: - 𝑊2 (𝑠) = 𝑇2 (𝑠) 𝑇1 (𝑠) = 𝐶2 𝑅2 𝑠+1 = 40,1856𝑠+1 58 - 𝑊1 (𝑠) = 𝑅 1+𝐶1 𝑅1 𝑠+ (1−𝑊2 (𝑠)) 𝑅2 4.1.3.3 Coi thép lớp = 40,1856𝑠+1 10762𝑠2 +575,7127𝑠+1 Khi chiều dày lớp 𝑑/3 = 0,05/3(𝑚) - 𝑉1 = 𝑉2 = 𝑉3 = [0,4 × 0,25 × (0,05/3)] (𝑚3 ) - 𝑚1 = 𝑚2 = 𝑚3 = 𝑉1 × 𝜌 = [0,4 × 0,25 × (0,05/3)] × 7800 = 13 (𝐾𝐷) - 𝐶1 = 𝐶2 = 𝐶3 = 𝑚1 × 𝑐 = 13 × 460 = 5980 - 𝑅1 = 𝐴𝛼 = - 𝑅2 = 𝑅3 = 0.1×335 𝑑/3 𝐴𝜆 = = 0.0299 (0,05/3) 0.1×55,8 = 0.00299 Hàm truyền lớp đối tượng là: - 𝑊3 (𝑠) = - 𝑊2 (𝑠) = - 𝑊1 (𝑠) = 𝑇3 (𝑠) 𝑇2 (𝑠) = 𝐶3 𝑅3 𝑠+1 = 17,88𝑠+1 𝑅 1+𝐶2 𝑅2 𝑠+ (1−𝑊3 (𝑠)) 𝑅3 1 𝑅 1+𝐶1 𝑅1 𝑠+ (1−𝑊2 (𝑠)) 𝑅2 = = 17,88𝑠+1 318,85𝑠 +53,55𝑠+1 318,85𝑠 +53,55𝑠+1 57449𝑠3 +13127𝑠 +589,05𝑠+1 4.1.3.4 Kết mô cho quan sát nhiệt độ Tiến hành mơ với giả thiết nhiệt độ lị giữ không đổi: 𝑇𝑓 = 1000𝑜 𝐶; ta kết Hình 4.4; 4.5 4.6 Hình 4.4 Kết mô nhiệt độ phôi lớp 59 Hình 4.5 Kết mơ nhiệt độ phơi lớp Hình 4.6 Kết mơ nhiệt độ phôi lớp 4.1.3.5 Kết nghiên cứu Dựa định luật truyền nhiệt, phương trình cân nhiệt, kết nghiên cứu đạt phương pháp xây dựng mơ hình hàm truyền phôi chia thành n lớp cho hệ đoản nhiệt Từ kết này, ta hoàn tồn thi cơng mơ hình lị nhiệt với điều khiển Mờ - PID giữ ổn định nhiệt độ cho loại sản phẩm kim loại công nghiệp, kim loại quý 60 4.2 Thi cơng mơ hình lị nhiệt Mơ hình lị nhiệt phải đảm bảo chắn, có thơng số xác mang tính thẩm mỹ Mơ hình lị nhiệt thực đề tài “gia cơng” từ lị nướng có cơng suất 1000W, nhiệt độ 2500C Hình 4.7 Lị nhiệt 1000W 4.2.1 Thiết kế mạch điều khiển: 4.2.1.1 Sơ đồ khối Hình 4.8 Sơ đồ khối mạch điều khiển 61 4.2.1.2 Cấu tạo - Sơ đồ ngun lí a Mạch nguồn 5Vdc Hình 4.9 Mạch nguồn 5Vdc Chuyển từ nguồn 12Vdc sang 5Vdc cấp cho mạch vi điều khiển mạch công suất Mạch sử dụng IC LM2576T Một số đặc điểm LM2576T: - Cho phép điều chỉnh điện áp từ 1.25V đến 33V - Dòng điện cho phép lên tới 3A LM2576 có chân sau: - Chân 1: điện áp vào - Chân 2: điện áp - Chân 3: cực âm chung cho điện áp điện áp vào - Chân 4: hồi tiếp điện áp để hiệu chỉnh điện áp - Chân 5: cho phép cắt mở nguồn (nếu nối cực âm nguồn mở liên tục cho tải, để hở mạch nối lên dương nguồn cấp cho tải bị cắt tức khơng có điện ápra) Hình 4.10 Sơ đồ mạch nguồn 5V 62 b Mạch giao tiếp cách li Hình 4.11 Mạch giao tiếp dùng SSR (Solid State Relay) Hình 4.12 Đặc tuyến SSR Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lí SSR 63 c Cảm biến nhiệt NTC10K Hình 4.14 Cảm biến nhiệt độ NTC10K Hình 4.15 Phần mềm tính giá trị R1 cho mạch NTC10K 64 d Board mạch MCU Arduino Mega2560 vi điều khiển cách sử dụng ATmega2560 gồm: - 54 chân digital (15 sử dụng chân PWM) - 16 đầu vào analog - UARTs (cổng nối tiếp phần cứng) - thạch anh 16 MHz - cổng kết nối USB - jack cắm điện - đầu ICSP - nút reset Nó chứa tất thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển Arduino Mega2560 khác với tất vi xử lý trước khơng sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý Thay vào đó, sử dụng ATmega16U2 lập trình cơng cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB Ngoài ra, Arduino Mega2560 giống Arduino Uno R3, khác số lượng chân nhiều tính mạnh mẽ hơn, nên bạn lập trình cho vi điều khiển chương trình lập trình cho Arduino Uno R3 Sơ đồ linh kiện Arduino Mega: Hình 4.16a Board Arduino Mega2560 65 Hình 4.16b Sơ đồ chân board Arduino Mega2560 4.2.2 Sơ đồ kết nối - Cảm biến NTC100K Out_NTC10K→ pin A0 Arduino - Biến trở 10K ( thay đổi nhiệt độ cài đặt) Out_POT10K→pin A1 Arduino - Module SSR CT1 → pin Arduino Load 1, Load → Nhiệt trở 66 4.2.3 Các công thức chuyển đổi giá trị số - Nhiệt độ 𝑇= Trong đó: 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 × 250 1023 = 𝐴 + 𝐵𝐵𝐵(𝑅) + 𝐶[𝑙𝑙(𝑅) ]3 𝑇 - T: độ K - R: điện trở T (ohms) - A, B, C: số Steinhart-Hart (4.10) (4.11) 67 4.2.4 Kết thực nghiệm Hình 4.17 Mơ hình Matlab Simulink – Lị nhiệt Hình 4.18 Đáp ứng nhiệt độ từ cảm biến nhiệt NTC10K Nhận xét: - Nhiệt độ lò thay đổi theo nhiệt độ đặt; - Độ vọt lố thấp; - Hệ thống hoạt động ổn định 68 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận - Đề tài thực từ bước mơ hình hóa lị nhiệt; - Thiết kế điều khiển PID theo Ziegler-Nichols mô phỏng; - Thiết kế điều khiển Mờ - PID giữ ổn định cho lị nhiệt mơ phỏng; - Nghiên cứu ứng dụng điều khiển nhiệt độ phôi cơng nghiệp; - Chế tạo mơ hình lị nhiệt thực nghiệm dùng Matlab Simulink thiết kế điều khiển Mờ - PID giữ ổn định cho lò nhiệt Hướng phát triển đề tài - Mở khả áp dụng nhiều lĩnh vực công nghệ khác như: tôi, ram, nhiệt luyện, ủ vật liệu từ, ủ thủy tinh quang học, có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao; - Ứng dụng PLC S7-300 thiết kế điều khiển Mờ - PID giữ ổn định nhiệt độ cho lò nhiệt, lò sấy cần độ xác sản phẩm cơng nghiệp có giá trị thương mại cao; - Kết hợp giải thuật điều khiển Mờ - PID với lập trình ứng dụng thiết kế lị nhiệt thơng minh cơng nghiệp công nghệ cao 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phương Hà, “Điều khiển tự động” (1,2), NXB KHKT, 2002 [2] Nguyễn Trọng Thuần, “Điều khiển Logic ứng dụng”, NXB KHKT Hà Nội, 2002 [3] Nguyễn Hồng Phương, Bùi Cơng Cường, “Hệ mờ ứng dụng”, NXB KHKT, 2004 [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển mờ”, NXBKT, 2006 [5] Li-Xin Wang, “A Course in Fuzzy Systems and Control”, Prentice Hall, 2006 [6] Tood P.Meyrath, “Multipurpose Analog PID controller”, 2007 [7] Nguyễn Hữu Công, Nguyễn Mạnh Tường; "Một nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống có tham số biến đổi chậm"; VICA4 - 2000 [8] Cong N Huu, Nam N Hoai; Optimal control for a distributed parameter and delayed – time system based on the numerical method; Teth international conference on Control, Automotion, Robotics and vision (ICARCV’2008) [9] Nguyễn Hữu Cơng; Điều khiển tối ưu đối tượng có tham số phân bố, biến đổi chậm; Luận án tiến sĩ kỹ thuật 2003 [10] Liansheng Wang, Pheng Ann Heng, Wong Tien Tsin; Estimation of the Current Density in a Dynamic Heart Model and Visualization of Its Propagation; Proceedings of the 4th international workshop on Medical Imaging and Augmented Reality 2008 [11] Angelo Alessandri, Mauro Gaggero, and Riccardo Zoppoli; Feedback Optimal Control of Distributed Parameter Systems by Using Finite-Dimensional Approximation Schemes; IEEE transactions on neural networks and learning systems, vol 23, no 6, june 2012