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.
TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
Giới thiệu
Trong nhiệt học, dẫn nhiệt là quá trình truyền năng lượng nhiệt giữa các phân tử gần nhau do chênh lệch nhiệt độ, diễn ra từ vùng có nhiệt độ cao hơn đến vùng có nhiệt độ thấp hơn, theo định luật thứ hai của nhiệt động học Quá trình này giúp cân bằng sự khác biệt nhiệt độ mà không làm mất nhiệt năng, theo định luật bảo toàn năng lượng Độ dẫn nhiệt là đại lượng đo lường khả năng dẫn nhiệt của một chất, khác với đối lưu, dẫn nhiệt không kèm theo sự chuyển động lớn của các phân tử.
Dẫn nhiệt xảy ra trong tất cả các trạng thái của vật chất, bao gồm chất rắn, chất lỏng, khí và plasma Ở chất rắn, quá trình này diễn ra nhờ sự dao động của các phân tử trong cấu trúc tinh thể kết hợp với việc vận chuyển năng lượng của điện tử tự do Trong khi đó, ở chất khí và chất lỏng, dẫn nhiệt chủ yếu là kết quả của sự va chạm và khuếch tán giữa các phân tử trong chuyển động ngẫu nhiên.
Ngoài dẫn nhiệt và đối lưu, bức xạ cũng là một phương thức quan trọng trong việc trao đổi nhiệt năng Trong nhiều tình huống, các quá trình này thường xảy ra đồng thời, góp phần làm tăng hiệu quả của việc trao đổi nhiệt.
Hình 1.1 Dẫn nhiệt xảy ra trên vật liệu khi có chênh lệch nhiệt độ
Dẫn nhiệt xảy ra khi các phân tử, nguyên tử hoặc hạt nhỏ như electron ở vùng nóng tương tác với các hạt lân cận ở vùng lạnh hơn, chuyển giao động năng từ hạt dao động nhanh sang hạt dao động chậm Sức nóng được trao đổi giữa các nguyên tử hay phân tử lân cận thông qua dao động và va chạm, hoặc do electron di chuyển từ một nguyên tử khác trong kim loại.
Dẫn nhiệt là quá trình quan trọng trong việc truyền nhiệt giữa các vật thể rắn khi chúng tiếp xúc Trong chất rắn, dẫn nhiệt diễn ra mạnh mẽ do mạng lưới nguyên tử gần nhau và cố định, cho phép trao đổi năng lượng dễ dàng qua dao động Tuy nhiên, khi mật độ hạt giảm và khoảng cách giữa chúng tăng lên, khả năng dẫn nhiệt giảm theo Điều này xảy ra vì khoảng cách lớn giữa các nguyên tử làm giảm số lần va chạm, dẫn đến việc trao đổi nhiệt ít hơn Do đó, chất lỏng và đặc biệt là khí có khả năng dẫn nhiệt kém.
Khi nhiệt độ hoặc áp suất của các chất khí tăng, xác suất va chạm giữa các nguyên tử cũng gia tăng, dẫn đến việc độ dẫn nhiệt của chúng tăng theo.
Kim loại như đồng, platinum và vàng là những vật liệu dẫn nhiệt tốt nhờ vào sự chuyển động nhanh chóng của các điện tử tự do trong chúng Các điện tử này thực hiện hầu hết các dòng nhiệt trong kim loại, trong khi proton chỉ mang dưới 1% năng lượng nhiệt Điều này dẫn đến việc độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện của hầu hết các kim loại có tỷ lệ tương tự, khiến cho các dây dẫn điện tốt như đồng cũng là những chất dẫn nhiệt hiệu quả Hiệu ứng Peltier-Seebeck, liên quan đến hiện tượng nhiệt điện, xuất phát từ khả năng dẫn nhiệt của điện tử trong các chất dẫn điện.
Hình 1.2 Dẫn nhiệt trên tinh thể do lan truyền
Trao đổi nhiệt là sự truyền dẫn nhiệt năng khi có sự chênh lệch nhiệt độ
Nhiệt lượng là lượng nhiệt năng trao đổi trong quá trình biến thiên, diễn ra khi nhiệt năng được chuyển từ khu vực có nhiệt độ cao sang khu vực có nhiệt độ thấp.
Cần phân biệt giữa trao đổi nhiệt và cân bằng nhiệt, với trao đổi nhiệt là quá trình giữa hai hoặc nhiều vật chất cho đến khi đạt nhiệt độ chung Đại lượng vật lý mô tả sự trao đổi nhiệt là dòng nhiệt 𝑄̇ (hoặc Φ𝑡ℎ) Sự trao đổi nhiệt tại bề mặt, như ranh giới rắn/lỏng hoặc rắn/khí, được thể hiện qua hệ số truyền nhiệt (α hoặc h).
1.1.3 Các hình thức trao đổi nhiệt
Trao đổi nhiệt được tồn tại dưới ba hình thức: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ nhiệt
Dẫn nhiệt, hay còn gọi là tán xạ nhiệt, là quá trình truyền động năng giữa các nguyên tử hoặc phân tử lân cận mà không có sự trao đổi vật chất Nhiệt luôn di chuyển từ khu vực có năng lượng cao (nhiệt độ cao) đến khu vực có năng lượng thấp (nhiệt độ thấp) Trong kim loại, sự dẫn nhiệt cũng diễn ra thông qua chuyển động của các electron.
Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt thông qua sự chuyển động của chất lỏng hoặc khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau, cũng như sự truyền nhiệt giữa hệ rắn và hệ lỏng (hoặc khí) Quá trình này được chia thành hai loại: đối lưu tự nhiên, nơi dòng vật chất di chuyển nhờ nội năng trong chất lỏng hoặc khí, và đối lưu cưỡng bức, nơi dòng chuyển động được tạo ra bởi ngoại lực như quạt hoặc bơm.
Bức xạ nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt qua sóng điện từ, có khả năng truyền qua mọi vật chất và chân không Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0 Kelvin đều bức xạ nhiệt Dòng nhiệt trong bức xạ không chỉ di chuyển từ nơi nóng sang nơi lạnh mà còn có thể theo chiều ngược lại, nhưng dòng nhiệt từ nóng sang lạnh luôn lớn hơn, dẫn đến tổng hợp dòng nhiệt chủ yếu theo chiều từ nóng sang lạnh Sự chênh lệch nhiệt độ sẽ giảm dần theo thời gian Định luật Stefan-Boltzmann được sử dụng để tính toán dòng nhiệt trong bức xạ nhiệt.
Các bài báo tham khảo
1 PGS TS Nguyễn Hữu Công (2015), “Nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong phôi tấm bằng mô hình hàm truyền”, Kỷ yếu hội thảo khoa học công nghệ, Đại học
2 TS Nguyễn Công Vịnh (2008), “Ứng dụng bộ điều khiển Logic Mờ (Fuzzy
Logic Controller) trong máy lái tự động tàu biển”, Tạp chí Khoa học công nghệ hàng hải, Đại học Hàng hải, tr 48-52
3 Lê Tiến Lộc, Lâm Thanh Hiển, “Nghiên cứu 3 chế độ điều khiển ON/OFF,
PID, FUZZY và ứng dụng trong điều khiển mô hình lò nhiệt”, Đại học Lạc Hồng
4 Nguyễn Chí Ngôn (2011), “Bộ điều khiển PI Mờ : Từ thiết kế đến ứng dụng”,
Tạp chí Khoa học, Đại học Cần Thơ, tr 82-92
5 KS Lê Hồng Nguyên, ThS Đặng Thị Tuyết Mai, TS Lê Mai Phương, KS Lê
Thanh Phương (2016) đã thực hiện một nghiên cứu đánh giá thực trạng và đề xuất các giải pháp tối ưu năng lượng cho lò đốt H-1202 trong phân xưởng xử lý Naphtha bằng Hydro (NHT) tại nhà máy lọc dầu Dung Quất Nghiên cứu này được công bố trong tạp chí Hoá - Chế biến Dầu khí của Viện Dầu khí Việt Nam, trang 53-62.
6 Kim Đình Thái, Bùi Tuấn Anh (2014), “Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép thái nguyên trên nền Simatic S7-300 và phần mềm
Wincc”, Tạp chí Khoa học công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội, tr 109-112
7 Nguyễn Thị Thanh Quỳnh, Phạm Văn Thiêm, “Thiết kế bộ điều khiển PID và bộ điều khiển FLC (Fuzzy Logic Controller) cho hệ thống gia nhiệt”, Tạp chí Khoa học công nghệ, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, tr 39-44.
Đặt vấn đề
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong các đặc tính vật lý của chất Sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng mạnh mẽ đến cấu trúc và các đại lượng vật lý khác của vật chất Chẳng hạn, khi nhiệt độ của một chất khí thay đổi, thể tích và áp suất của chất khí trong bình cũng sẽ biến đổi theo.
Trong nghiên cứu khoa học, công nghiệp và đời sống, việc thu thập thông số và kiểm soát nhiệt độ là vô cùng cần thiết Điều này đặc biệt quan trọng trong các thiết bị như lò nhiệt, máy điều hòa, máy lạnh và lò vi ba, nơi mà kiểm soát nhiệt độ quyết định chất lượng sản phẩm Trong ngành luyện kim, đạt được nhiệt độ chính xác là cần thiết để kim loại nóng chảy và đạt được các đặc tính cơ học mong muốn Tương tự, trong ngành thực phẩm, việc duy trì nhiệt độ thích hợp là quan trọng để nướng, nấu và bảo quản thực phẩm Sự biến đổi thất thường của nhiệt độ không chỉ gây hư hại cho thiết bị mà còn ảnh hưởng đến quy trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Có nhiều phương pháp điều khiển nhiệt độ khác nhau, mỗi phương pháp mang lại kết quả khác nhau.
Để thiết kế và chế tạo thành công sản phẩm công nghệ, người thực hiện cần có lý thuyết vững chắc và kinh nghiệm thực tế Mô hình Lò Nhiệt nghiên cứu và chế tạo ở Việt Nam hiện nay vẫn chỉ là các đề tài nghiên cứu và chưa được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống.
Dựa trên những vấn đề cấp thiết đã nêu, nghiên cứu này sẽ tập trung vào mô hình Lò Nhiệt nhằm phục vụ cho việc thiết kế và thi công mô hình thực tế một cách hiệu quả.
Mục tiêu - Công việc thực hiện
- Mô tả được mô hình toán học của lò nhiệt và đánh giá ảnh hưởng của các tham số tải (khối lượng vật sấy)
- Thiết kế bộ điều khiển PID theo Ziegler - Nichols ổn định nhiệt độ lò
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định hệ số bộ điều khiển PID ổn định nhiệt độ lò nhiệt
- Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm định chất lượng hệ thống
1.4.2 Công việc cần thực hiện
- Mô tả toán học lò nhiệt
- Đánh giá ảnh hưởng các yếu tố tải trong lò nhiệt
- Thiết kế bộ điều khiển PID cho lò nhiệt và mô phỏng
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định hệ số bộ điều khiển PID ổn định nhiệt độ lò nhiệt
- Thực hiện mô hình thực nghiệm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT
Mô hình lò nhiệt
Hình 2.1 Mô hình lò nhiệt
2.1.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở hoạt động dựa trên nguyên tắc khi dòng điện chạy qua dây dẫn hoặc vật dẫn, sẽ sinh ra nhiệt lượng theo định luật Jun-Lenxơ.
Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J)
I: Dòng điện tính bằng Ampe (A)
R: Điện trở tính bằng Ôm (Ω)
T: Thời gian tính bằng giây (s)
Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:
- Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp
Dây nung khi được làm nóng sẽ truyền nhiệt cho vật nung thông qua các phương thức bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc sự kết hợp của chúng, được gọi là nung gián tiếp.
2.1.2 Cấu tạo của lò nhiệt
Lò điện trở thông thường gồm 3 phần chính là vỏ lò, lớp lót và dây nung
Vỏ lò điện trở là khung cứng vững, chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò và giữ lớp cách nhiệt, đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối Đối với lò làm việc với khí bảo vệ, vỏ lò cần hoàn toàn kín, trong khi đối với lò điện trở bình thường, sự kín này chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và ngăn không khí lạnh lùa vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín
Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò
Lớp lót lò điện trở thường gồm 2 phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt
Vật liệu chịu lửa có thể được xây dựng từ gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch đặc biệt, tùy thuộc vào hình dáng và kích thước của buồng lò Ngoài ra, người ta cũng có thể sử dụng các loại bột chịu lửa và chất kết dính để tạo thành các khối đầm.
Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ngoài nhờ các khuôn
Phần cách nhiệt của lò nằm giữa vỏ lò và vật liệu chịu lửa, với mục đích chính là giảm tổn thất nhiệt Đối với đáy lò, phần cách nhiệt cần có độ bền cơ học nhất định, trong khi các phần khác không yêu cầu điều này Phần cách nhiệt có thể được xây dựng bằng gạch cách nhiệt hoặc được điền đầy bằng bột cách nhiệt.
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt, do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chịu nóng tốt, ít bị oxi hóa ở nhiệt độ cao
- Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao
- Điện trở suất phải lớn
- Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ
- Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi
- Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng
- Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép uốn
Dây nung được chia thành hai loại chính: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại Trong các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại thường được chế tạo từ hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken, nhờ vào điện trở suất cao của chúng Kim loại nguyên chất rất hiếm được sử dụng cho dây nung, trong khi dây nung kim loại thường có dạng tròn hoặc băng Dây nung phi kim loại phổ biến bao gồm SiC, grafit và than.
2.1.3 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học Ổn định các tham số của đối tượng điều khiển như nhiệt độ, tốc độ… là mối quan tâm hàng đầu khi thiết kế hệ thống điều khiển, Để thực hiện việc này thì công việc đầu tiên là xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển
Trong lý thuyết điều khiển tự động, xác định mô hình của đối tượng điều khiển là bước quan trọng trước khi thiết lập thuật toán và tham số điều khiển Hiện nay, có hai phương pháp chính để xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển.
- Dựa trên các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý của đối tượng và các tham số của đối tượng
- Dựa trên đường cong thực nghiệm của đối tượng
Lò nhiệt hoạt động dựa trên điện áp cung cấp cho dây đốt, tạo ra nhiệt độ cần thiết cho sản phẩm nung Để xây dựng hàm truyền của lò nhiệt, cần khảo sát phương trình vi phân mô tả mối quan hệ giữa nhiệt độ và năng lượng ở các bộ phận, đây là một bài toán phức tạp nếu muốn đạt độ chính xác cao.
Môi trường nung có thể được coi là đồng chất và đẳng nhiệt, do đó, phương trình cân bằng năng lượng cho thấy điện năng cung cấp sẽ được sử dụng để bù đắp năng lượng nhiệt mất ra bên ngoài và nâng cao nhiệt độ của môi trường nung.
2.1.3.1 Đồ thị đặc tính của lò nhiệt
Hình 2.2 Đặc tính chính xác Hình 2.3 Đặc tính gần đúng
2.1.3.2 Hàm truyền của lò nhiệt
- K: Hệ số khuếch đại của đối tượng lò nhiệt.
- 𝑻 𝟏 : Hằng số thời gian không nhạy của lò nhiệt
- 𝑻𝟐: Hằng số thời gian quán tính nhệt của lò
- K, 𝑻 𝟏 , 𝑻 𝟐 được xác định bằng phương pháp thực nghiệm.
Tổng quan về kỹ thuật điều khiển
A PID (Proportional-Integral-Derivative) controller is a feedback mechanism designed to minimize the error between a desired setpoint and a measured process variable, effectively driving the error to zero.
Bộ PID có 3 thành phần:
Ba thành phần này đều có chức năng đưa sai lệch về 0, nhưng mỗi thành phần lại có những tính chất riêng biệt Tín hiệu phản hồi thường được đo bằng cảm biến, và giá trị sai lệch được tính bằng cách lấy tín hiệu đặt (setpoint) trừ đi tín hiệu phản hồi.
2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID theo Ziegler - Nichols
Phương pháp này thường áp dụng cho đối tượng có quán tính lớn như lò nhiệt được mô tả bằng hàm truyền đạt:
PID của Ziegler - Nichols có dạng:
Hệ số tương ứng với hệ số khuếch đại tỷ lệ:
Hiệu chỉnh PI của Ziegler - Nichols là:
Hiệu chỉnh khuếch đại tỷ lệ P:
𝟐 Đối với hệ liên tục hiệu chỉnh PID có dạng tổng quát là :
Chuyển sang hệ rời rạc sử dụng hệ biến đổi Z đối với khâu vi phân:
Hàm truyền khâu vi phân :
Trong phương trình vi phân chuyển sang sai phân dạng :
Có 3 phương pháp tính tích phân:
Hình 2.5 Phương pháp tính tích phân
Cách 1: Tích phân theo hình thang ABCD
Cách 2: Tích phân theo hình chữ nhật lùi về phía sau ABFD
Cách 3:Tích phân theo hình chữ nhật tiến về phía trước AECD
Tổng quát theo cách 1 hàm truyền bộ lọc PID theo z là:
Dạng tổng quát ký hiệu tín hiệu vào bộ điều khiển là f(t), tín hiệu ra là u(t)
Trường hợp bộ điều khiển PID được mắc ở kênh sai số thì tín hiệu vào bộ điều khiển là:
Sai lệch e(t) sinh ra trong hệ thống hồi tiếp Đối với trường hợp này tín hiệu điều khiển có dạng:
Từ hai biểu thức trên ta có:
Tín hiệu điều khiển u có thể được xác định tại mọi thời điểm nếu chúng ta nắm rõ giá trị các thông số của bộ điều chỉnh Kp, Ki, Kd Những thông số này có thể được xác định thông qua thực nghiệm và các công thức liên quan.
Ziegler - Nichols đã trình bày.
Lý thuyết Mờ
Các công cụ cổ điển để xây dựng phép ánh xạ giữa thế giới thực và các mô hình dựa trên logic hai giá trị Boolean Phương pháp này thể hiện sự thiếu chặt chẽ, khi mà một đối tượng chỉ có thể thuộc về tập hợp hoặc không, mà không xem xét các trường hợp mà đối tượng có thể mang một phần tính chất của tập hợp đó.
Khi quy định rằng xe gắn máy có tốc độ nhanh gây nguy hiểm là những xe có tốc độ v thuộc tập hợp 𝐴: {𝑣 ≥ 50𝑘𝑚/ℎ}, không thể khẳng định rằng xe chạy với tốc độ 49,9𝑘𝑚/ℎ hoàn toàn không nguy hiểm theo lý thuyết tập hợp cổ điển.
Hầu hết các hiện tượng hàng ngày đều mang tính chất mơ hồ, cho thấy rằng chúng không hoàn toàn rõ ràng và thường khó để diễn tả chính xác.
Kiểu logic hai giá trị là một phương pháp hiệu quả trong việc giải quyết các bài toán có định nghĩa rõ ràng Tuy nhiên, có những khái niệm thực tế không phù hợp với cách tiếp cận này.
Để sử dụng hiệu quả các khái niệm trong mô hình, chúng ta cần tìm hiểu về logic mờ và giải thuật điều khiển mờ.
Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (𝑥, 𝑚𝐹(𝑥)) trong đó 𝑥 ∈ 𝑀 và 𝑚𝐹 là ánh xạ:
Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ F Ánh xạ 𝑚 𝐹 được gọi là hàm phụ thuộc của tập mờ F
Tập mờ F là một hàm ánh xạ từ các giá trị 𝑥 thuộc tập M sang khoảng giá trị từ 0 đến 1, phản ánh mức độ phụ thuộc của 𝑥 vào tập M Nếu độ phụ thuộc là 0, điều này có nghĩa là 𝑥 không thuộc tập M, trong khi độ phụ thuộc bằng 1 chỉ ra rằng 𝑥 hoàn toàn đại diện cho tập hợp M Sự gia tăng của 𝑚 𝐹 (𝑥) đồng nghĩa với việc độ phụ thuộc của 𝑥 cũng tăng theo, tạo ra một đường cong liên kết các phần tử trong tập hợp.
Hình 2.6 Đường cong qua các phần tử của tập hợp
M ột tập mờ bao gồm 3 thành phần:
- Miền làm việc [𝑥 1 ,𝑥 2 ] gồm các số thực tăng dần nằm trên trục hoành
- Đoạn [0,1] trên trục tung thể hiện độ phụ thuộc của tập mờ
- Đường cong hàm số 𝑚 𝐹 (𝑥)xác định độ phụ thuộc tương ứng của các phần tử của tập mờ
2.3.2.3 Các tính chất và đặc điểm cơ bản của tập mờ Độ cao của một tập mờ là giá trị cực đại độ phụ thuộc của các phần tử tập mờ
Hình 2.7 Độ cao tập mờ A, B
Tập mờ phải ở dạng chính tắc khi có ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 Trong các mô hình bộ điều khiển mờ, tất cả các tập mờ cơ sở cần được duy trì ở dạng chính tắc để đảm bảo hiệu suất ngõ ra không bị suy giảm.
Tập mờ được chuẩn hóa bằng cách điều chỉnh tất cả các giá trị độ phụ thuộc theo tỷ lệ xung quanh giá trị độ phụ thuộc cực đại.
Hình 2.8 Tập mờ B được đưa về dạng chính tắc
2.3.2.4 Miền xác định của tập mờ
Trong thực tế, các phần tử có độ phụ thuộc lớn hơn 0 của tập mờ thường không bao quát toàn bộ miền làm việc của nó Ví dụ, miền làm việc của tập mờ nằm trong đoạn [𝑥1, 𝑥2], nhưng đường cong thực tế bắt đầu từ 𝑥3 và đạt đến độ phụ thuộc toàn phần tại 𝑥4 Do đó, đoạn [𝑥3, 𝑥4] được gọi là miền xác định của tập mờ.
Hình 2.9 Miền làm việc của tập mờ
2.3.2.5 Miền giá trị của biến
Một biến mô hình thường được đặc trưng bởi nhiều tập mờ với miền xác định có phần chồng lên nhau
Hình 2.10 Biến NHIỆT ĐỘ gồm các tập mờ LẠNH, MÁT, ẤM, NÓNG.
Miền giá trị của một biến là tập hợp tất cả các giá trị khả thi của biến đó Chẳng hạn, đối với biến NHIỆT ĐỘ, miền giá trị được xác định trong khoảng [𝑥1, 𝑥6].
2.3.2.6 Các dạng hàm phụ thuộc
- Dạng tuyến tính Đây là dạng tập mờ đơn giản nhất, thường được chọn khi mô tả các khái niệm chưa biết hay chưa hiểu rõ ràng
Đường cong S trong tập mờ được xác định bởi ba thông số a, b và g, với độ phụ thuộc tương ứng là 0, 0.5 và 1 Độ phụ thuộc tại điểm x được tính theo công thức cụ thể.
- Dạng đường cong hình chuông
Dạng đường cong hình chuông đặc trưng cho các số mờ (xấp xỉ một giá trị trung tâm), bao gồm 2 đường cong dạng S tăng và S giảm
Hình 2.13 Đường cong hình chuông
Từ 2 tập mờ dạng đường cong S ta suy ra độ phụ thuộc tại điểm x của tập mờ dạng đường cong hình chuông như sau: Π(𝑥,𝛽,𝛾) =� 𝑆(𝑥;𝛾 − 𝛽,𝛾 −𝛽
- Dạng hình tam giác, hình thang
Cùng với sự gia tăng của các bộ vi điều khiển 8 bit và 16 bit, dạng tập mờ chuẩn hình chuông được thay bằng các dạng tập mờ hình tam giác và hình thang do yêu cầu tiết kiệm bộ nhớ vốn hạn chế của các bộ vi điều khiển
Hình 2.15 Dạng hình tam giác
Ví dụ: xét biến NHIỆT ĐỘ gồm các tập mờ LẠNH, MÁT, ẤM, NÓNG như hình vẽ
Hình 2.16 Dạng hình thang Khi đạt đến NÓNG thì tất cả nhiệt độ cao hơn sẽ luôn là NÓNG, khi đạt đến
LẠNH thì tất cả nhiệt độ thấp hơn sẽ luôn là LẠNH
Do đó ta có 2 tập mờ NÓNG và LẠNH có dạng hình thang
2.3.3.1 Các toán tử cơ bản của Zadeh trên tập mờ
- Bù của một tập mờ
2.3.3.2 Các toán tử bù trên tập mờ
Trong quá trình xây dựng các mô hình mờ, việc định nghĩa các toán tử thay thế cho các toán tử cơ bản như AND là điều cần thiết Những toán tử này giúp cải thiện tính chính xác và khả năng diễn đạt của các mô hình, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc xử lý và phân tích dữ liệu mờ.
OR, NOT của Zadeh Các toán tử này được gọi là các toán tử bù
Khi nghiên cứu các hệ mờ trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ áp dụng hai toán tử bù là product and và bounded sum để thực hiện các phép liên hệ và tương quan mờ.
Toán tử product and không thay đổi các đặc tính min/max của toán tử giao cơ bản của Zadeh
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT
Phần mềm Matlab
- MATLAB = MATrixLABoratory = Do công ty Mathworks thiết kế
Matlab là phần mềm mạnh mẽ cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, cho phép thực hiện các phép toán với ma trận, vẽ đồ thị hàm số và biểu đồ thông tin Ngoài ra, Matlab còn hỗ trợ thực hiện các thuật toán, tạo giao diện người dùng và kết nối với các chương trình viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau.
Phần mềm mô phỏng (Simulink)
Simulink là một công cụ mạnh mẽ cho việc mô phỏng và phân tích các hệ thống liên tục, rời rạc, tuyến tính và phi tuyến Với giao diện đồ họa người dùng (GUI) dạng sơ đồ khối, Simulink giúp người dùng dễ dàng thiết kế và kiểm tra các mô hình hệ thống một cách trực quan và hiệu quả.
- GUI = (Graphical User Interface) Giao diện người dùng, cho phép thực hiện các lệnh của Matlab thông qua các menu hoặc nút nhấn
- Trong cửa sổ lệnh gõ simulink
+ Ở ô bên trái liệt kê các thư viện hiện có để mô phỏng
+ Ô bên phải liệt kê các thư viện con của thư viện mẹ đang được chọn
- Để tạo 1 mô hình trong simulin: file → new → model Sau đó chọn các khối trong cửa sổ simulink library brower rồi kéo qua cửa sổ soạn thảo
Vídụ :Tạo sơ đồ khối như sau:
Sau khi hoàn thành việc vẽ sơ đồ khối trong Matlab, bước tiếp theo là tiến hành mô phỏng Để thực hiện điều này, bạn cần chọn thời gian mô phỏng bằng cách vào Simulation → Simulation Parameters và thiết lập Stop time là 20, sau đó nhấn Ok.
Sau đó chọn simulation – run.
Mô phỏng hệ thống điều khiển lò nhiệt
3.3.1 Đồ thị đặc tính lò nhiệt a Đặc tính chính xác b Đặc tính gần đúng
Hình 2.41 Đặc tính lò nhiệt
3.3.2.1 Đặc tính gần đúng (công thức 2.2)
3.3.2.2 Đặc tính chính xác (công thức 2.3)
3.3.3 Tham số lò nhiệt (mô phỏng)
3.3.4.1 Mô hình matlab (chưa điều khiển)
Hình 2.42 Mô hình mô phỏng lò nhiệt trong matlab Simulink
Hình 2.43 Tín hiệu nhiệt độ - điện áp
Nhận xét:Sau khoảng 90s nhiệt độ đạt được 150 0 C
3.3.4.2 Mô hình matlab (thuật toán Fuzzy Logic - PID)
Hình 2.44 Mô hình Matlab (thuật toán Fuzzy Logic - PID)
3.3.5 Xây dựng các khối FUZZY LOGIC CONTROLLER
Hình 2.45 Khối FUZZY Kp, Ki, Kd
3.3.5.1 Mô hình Fuzzy Logic Controller
Hình 2.46 Luật chỉnh định Kp
Hình 2.47 Luật chỉnh định Ki
Hình 2.48 Luật chỉnh định Kd
3.3.5.3 Đạo hàm sai số (DET)
Hình 2.50 Đạo hàm sai số (DET )
NB: Negative Big; NM: Negative Medium; NS: Negative Short; ZE: Zero Equal;
PS: Positive Big; PM: Positive Medium; PB: Positive Big
NB NM NS ZE PS PM PB
NB BB BB BB BB BB BB BB
NM GB GB GB GB GB GB GB
PM GB GB GB GB GB GB GB
PB BB BB BB BB BB BB BB
NB NM NS ZE PS PM PB
ZE BB BB BB BB BB BB BB
NB NM NS ZE PS PM PB
NB BB BB BB BB BB BB BB
NM GB GB B B B GB GB
PM GB GB B B B GB GB
PB BB BB BB BB BB BB BB
3.3.5.1 Kết quả mô phỏng dùng thuật toán Fuzzy Logic - PID
Hình 2.55 Đáp ứng nhiệt độ T-ref = 30 0 C Nhận xét: Sau khoảng 80s tín hiệu nhiệt độ lò nhiệt bám theo nhiệt độ đặt
Hình 2.56 Đáp ứng nhiệt độ T-ref = 100 0 C Nhận xét: Sau 80s tín hiệu nhiệt độ lò nhiệt bám theo nhiệt độ đặt
Hình 2.57 Đáp ứng nhiệt độ T-ref = 135 0 C Nhận xét: Sau 80s tín hiệu nhiệt độ lò nhiệt bám theo nhiệt độ đặt
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÒ NHIỆT TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH LÒ NHIỆT CƠ BẢN
Nghiên cứu ứng dụng lò nhiệt trong công nghiệp
Trong ngành công nghiệp hiện nay, việc điều khiển nhiệt độ trong các lò nung là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm Chất lượng của sản phẩm gia công nhiệt phụ thuộc vào trường nhiệt độ trong phôi, do đó, cần thiết phải kiểm soát nhiệt độ trong phôi nung theo tiêu chí chất lượng đã đặt ra Điều này đặt ra thách thức trong việc điều chỉnh một thông số mà không thể đo lường bằng cảm biến.
Để kiểm soát nhiệt độ trong phôi, cần áp dụng phương pháp tính toán trường nhiệt độ dựa trên nhiệt độ lò Các phương pháp tính toán có thể bao gồm phân ly biến số, mô hình hóa, và phương pháp phần tử hữu hạn.
Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển hiện nay thường dựa vào hàm truyền của đối tượng để tính toán Nếu có thể xây dựng bộ quan sát nhiệt độ trong phôi bằng mô hình hàm truyền hoặc mô hình không gian trạng thái, việc thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho phôi sẽ trở nên dễ dàng hơn.
4.1.2 Thiết kế bộ quan sát nhiệt độ cho phôi tấm
Xét một lò gia nhiệt đốt một phía với thể tích buồng lò nhỏ và nhiệt độ đồng nhất Bỏ qua sự truyền nhiệt qua đầu và cạnh của tấm kim loại phẳng, rộng lớn Nhiệt độ đo được trong lò được coi là nhiệt độ trên bề mặt của lớp 1; hệ dẫn nhiệt được xem là đoản nhiệt, không có nhiệt độ thoát ra khỏi tấm.
Hình 4.1 Mô hình phôi tấm
Với các thông số của tấm như sau:
- Hệ số dẫn nhiệt của tấm 𝜆: 𝑊
- Hệ số truyền nhiệt của tấm 𝛼: 𝑊
- Kích thước: chiều dài a (mét); chiều rộng b (mét); chiều dày d (mét)
- Diện tích bề mặt tiếp xúc 𝐴 =𝑎×𝑏 (𝑚 2 )
Ta coi phôi là một đối tượng động học, được phân chia thành n lớp Đối tượng này có nhiệt độ vào là 𝑇 𝑓 trong không gian lò và nhiệt độ ra là 𝑇 𝑛 ở lớp dưới cùng Số lớp n được chọn tùy thuộc vào độ dày của tấm và yêu cầu về độ chính xác.
Hình 4.2 Mô hình phôi 2 lớp
4.1.2.1 Xây dựng mô hình hàm truyền đối với vật mỏng
Vật mỏng là vật có hệ số 𝐵𝐼𝑂 < 0,25 ; trong trường hợp này ta coi phôi tấm như có 1 lớp (𝐵 = 1) Mô hình đối tượng được xây dựng như sau:
Dòng nhiệt chảy vào là:
Do không có nhiệt chảy ra nên lượng nhiệt tích vào vật là:
Vậy ta có phương trình cân bằng nhiệt:
Sử dụng phép biến đổi Laplace ta có:
Khi đó vật mỏng sẽ được mô tả bởi hàm truyền:
4.1.2.2 Xây dựng mô hình hàm truyền khi phôi được chia thành 2 lớp (𝒏=𝟐)
Dòng nhiệt chảy vào là:
Dòng nhiệt chảy ra lớp 1 hay cũng là dòng nhiệt chảy vào lớp 2
Vậy phương trình cân bằng nhiệt là:
Xuất phát từ phương trình (4.7 b) ta có:
Suy ra hàm truyền của lớp thứ 2:
Xuất phát từ phương trình (4.7 a) ta có :
Suy ra hàm truyền lớp 1:
4.1.2.3 Xây d ựng mô hình hàm truyền khi phôi được chia thành 𝒏 l ớp
Từ việc xây dựng mô hình hàm truyền cho trường hợp 1 lớp, 2 lớp; ta tổng quát hóa cho trường hợp 𝐵lớp như Hình 4.3
Hình 4.3 Mô hình phôi 𝐵 lớp
Sau khi tính toán tương tự như trên, hàm truyền của phôi 𝐵 lớp được xác định:
4.1.3 Mô phỏng cho bộ quan sát nhiệt độ trong phôi Để kiểm tra thuật toán, ta tiến hành mô phỏng cho ví dụ tính toán hàm truyền từng lớp khi chia phôi thành 1 lớp, 2 lớp và 3 lớp Vật liệu được chọn là thép tấm với các thông số như sau:
- Hệ số dẫn nhiệt của tấm 𝜆 = 55,8 (𝑊/(𝑚.𝐾)); Hệ số truyền nhiệt của tấm
- 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 (𝑚 2 )
- Khối lượng riêng 𝜌 = 7800 (𝐾𝐷/𝑚 3 );Nhiệt dung riêng 𝑐 = 460 (𝐽/(𝐾𝐷.𝐾))
4.1.3.1 Coi t ấm thép là 1 lớp
Khi đó sự truyền nhiệt qua tấm là truyền nhiệt đối lưu:
Hàm truyền đối tượng là:
4.1.3.2 Coi tấm thép là 2 lớp
Khi đó chiều dày mỗi lớp là 𝑑/2 = 0,05/2 = 0,025 (𝑚)
Hàm truyền từng lớp của đối tượng là:
4.1.3.3 Coi tấm thép là 3 lớp
Khi đó chiều dày mỗi lớp là 𝑑/3 = 0,05/3(𝑚)
Hàm truyền từng lớp của đối tượng là:
4.1.3.4 Kết quả mô phỏng cho bộ quan sát nhiệt độ
Tiến hành mô phỏng với giả thiết nhiệt độ lò được giữ không đổi: 𝑇 𝑓 = 1000 𝑜 𝐶; ta được kết quả như các Hình 4.4; 4.5 và 4.6
Hình 4.4 Kết quả mô phỏng nhiệt độ trong phôi 1 lớp
Hình 4.5 Kết quả mô phỏng nhiệt độ trong phôi 2 lớp
Hình 4.6 Kết quả mô phỏng nhiệt độ trong phôi 3 lớp
Dựa trên các định luật truyền nhiệt và phương trình cân bằng nhiệt, nghiên cứu đã phát triển một phương pháp xây dựng mô hình hàm truyền cho phôi tấm được chia thành n lớp trong hệ đoản nhiệt Kết quả này cho phép thi công mô hình lò nhiệt cơ bản với bộ điều khiển Mờ - PID, giúp duy trì ổn định nhiệt độ cho các sản phẩm kim loại công nghiệp và kim loại quý hiếm.
Thi công mô hình lò nhiệt cơ bản
Mô hình lò nhiệt cần phải vững chắc, với các thông số chính xác và tính thẩm mỹ cao Đề tài nghiên cứu thực hiện mô hình này dựa trên một lò nướng có công suất 1000W và nhiệt độ tối đa đạt 250 độ C.
4.2.1 Thiết kế mạch điều khiển:
Hình 4.8 Sơ đồ khối mạch điều khiển
4.2.1.2 Cấu tạo - Sơ đồ nguyên lí a Mạch nguồn 5Vdc
Hình 4.9 Mạch nguồn 5Vdc Chuyển từ nguồn 12Vdc sang 5Vdc cấp cho mạch vi điều khiển và mạch công suất Mạch sử dụng IC LM2576T
Một số đặc điểm của LM2576T:
- Cho phép điều chỉnh điện áp ra từ 1.25V đến 33V
- Dòng điện cho phép lên tới 3A
LM2576 có 5 chân như sau:
- Chân 3: cực âm chung cho cả điện áp ra và điện áp vào
- Chân 4: hồi tiếp điện áp để hiệu chỉnh điện áp ra
Chân 5 cho phép cắt hoặc mở nguồn điện Nếu được nối về cực âm, nguồn sẽ cung cấp điện liên tục cho tải Ngược lại, nếu để hở mạch hoặc nối lên cực dương, nguồn cấp cho tải sẽ bị cắt, dẫn đến việc không có điện áp ra.
Hình 4.10 Sơ đồ mạch nguồn 5V b Mạch giao tiếp cách li
Hình 4.11 Mạch giao tiếp dùng SSR (Solid State Relay)
Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lí SSR 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 d Board mạch MCU
Arduino Mega2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng ATmega2560 gồm:
- 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM)
- 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng)
Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển
Arduino Mega2560 nổi bật so với các vi xử lý trước đây vì không sử dụng chip FTDI để chuyển đổi tín hiệu từ USB Thay vào đó, nó áp dụng công nghệ khác, mang lại hiệu suất và khả năng xử lý tốt hơn cho các dự án điện tử.
ATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB Ngoài ra,
Arduino Mega2560 có thiết kế tương tự như Arduino Uno R3, nhưng nổi bật với số lượng chân nhiều hơn và tính năng mạnh mẽ hơn Điều này cho phép người dùng lập trình cho Mega2560 bằng phần mềm tương tự như cho Arduino Uno R3.
Sơ đồ các linh kiện của Arduino Mega:
Hình 4.16b Sơ đồ chân board Arduino Mega2560
- Biến trở 10K ( thay đổi nhiệt độ cài đặt)
4.2.3 Các công thức chuyển đổi giá trị số - Nhiệt độ
Hình 4.17 Mô hình Matlab Simulink – Lò nhiệt
Hình 4.18 Đáp ứng nhiệt độ từ cảm biến nhiệt NTC10K
- Nhiệt độ lò thay đổi theo nhiệt độ đặt;
- Độ vọt lố rất thấp;
- Hệ thống hoạt động ổn định
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
- Đề tài đã được thực hiện từ bước mô hình hóa lò nhiệt;
- Thiết kế bộ điều khiển PID theo Ziegler-Nichols và mô phỏng;
- Thiết kế bộ điều khiển Mờ - PID giữ ổn định cho lò nhiệt và mô phỏng;
- Nghiên cứu ứng dụng điều khiển nhiệt độ phôi tấm trong công nghiệp;
- Chế tạo mô hình lò nhiệt thực nghiệm và dùng Matlab Simulink thiết kế bộ điều khiển Mờ - PID giữ ổn định cho lò nhiệt
Hướng phát triển của đề tài
Mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau như tôi, ram, nhiệt luyện, ủ vật liệu từ, và ủ thủy tinh quang học, mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Ứng dụng PLC S7-300 được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển Mờ - PID nhằm duy trì sự ổn định nhiệt độ cho các lò nhiệt và lò sấy Điều này đặc biệt quan trọng đối với các sản phẩm công nghiệp có giá trị thương mại cao, yêu cầu độ chính xác tối ưu trong quá trình sản xuất.
- Kết hợp giải thuật điều khiển Mờ - PID với lập trình ứng dụng thiết kế lò nhiệt thông minh trong công nghiệp công nghệ cao.