TỔNG QUAN BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Giới thiệu chương
Chúng ta đang sống trong thời điểm khoa học kỹ thuật tiến bộ vượt bậc thể hiện rõ trong công nghiệp khi các nhà máy đều có thể vận hành một cách tự động, chính xác. Để làm được điều đó, các bộ điều khiển đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình vận hành Và việc tối ưu độ chính xác, thời gian đáp ứng là điều cần thiết và phải liên tục nghiên cứu để phát triển.
Nhiệt độ là một phần không thể thiếu trong đa số các lĩnh vực công nghiệp và đời sống Nhiệt độ được sử dụng trong luyện kim, trong nông nghiệp, trong bảo quản… Những ngành trên luôn đòi hỏi sự kiểm soát nhiệt độ một cách chính xác nhất nên cần có những thiết bị có thể giám sát, tinh chỉnh để đảm bảo nhiệt độ luôn đạt được trạng thái mong muốn Hiện nay trên thị trường có nhiều thiết bị với đa dạng cách điều khiển nhiệt khác nhau nhưng phần lớn các bộ điều khiển trong công nghiệp đều cùng loại với bộ PID vốn nổi tiếng với khả năng điều khiển đơn giản và mạnh mẽ trong quá trình gia nhiệt.
Trong chương này sẽ tìm hiểu tổng quan về đối tượng lò nhiệt và các phương thức gia nhiệt Từ đó chọn ra phương thức thích hợp và xây dựng nguyên lý hoạt động.
Đối tượng điều khiển
Đối tượng điều khiển của bộ điều khiển nhiệt độ là lò nhiệt Hiện nay trong công nghiệp sử dụng ba loại lò nhiệt chính là: Lò điện trở, lò hồ quang và lò cảm ứng.
Lò điện trở là thiết bị điện biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở) Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt Lò nhiệt điện trở thường dùng để nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim loại màu…
Về dây điện trở, có thể được làm bằng kim loại hay hợp kim:
Dây điện trở bằng kim loại thường dùng những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao như Molipden, Tantan và Wonfram dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ.
Dây điện trở bằng hợp kim thường là hợp kim Crôm – Niken hay hợp kim Crôm – Nhôm Thường có độ bền cơ học cao, dễ gia công, điện trở suất lớn và hệ số nhiệt điện trở bé. Để điều chỉnh công suất nhằm khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở ta có thể thực hiện bằng các phương pháp:
Hạn chế công suất cấp cho dây điện trở bằng cách đấu thêm điện trở phụ.
Dùng biến áp tự ngẫu, hoặc biến áp có nhiều đầu dây sơ cấp cấp cho lò điện trở.
Thay đổi sơ đồ đấu dây của dây điện trở (từ tam giác sao, hoặc nối tiếp song song).
Đóng cắt nguồn cấp cho dây điện trở theo chu kì.
Dùng bộ điều áp xoay chiều để thay đổi trị số điện áp cấp cho dây điện trở. Để nâng cao độ chính xác khi khống chế và ổn định nhiệt độ của lò điện trở, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở là hệ thống kín (có mạch vòng )
1: Bộ tổng hợp điều khiển 2: Bộ điều chỉnh và ổn định nhiệt độ 3: Điều chỉnh nhiệt độ t o
4: Cảm biến nhiệt độHình 1 1: Sơ đồ khối chức năng bộ điều khiển nhiệt độ
Việc điều chỉnh và ổn định nhiệt độ của lò được thực hiện thông qua việc thay đổi các thông số nguồn cấp cho lò Như vậy tín hiệu phản hồi tỷ lệ với nhiệt độ của lò trong hệ thống khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở.
Lò hồ quang điện là loại lò dùng năng lượng của hồ quang điện làm nóng và đun chảy loại vật liệu chất vào lò Một lò hồ quang bất kì có cấu tạo như hình sau:
1: Cơ cấu nâng hạ cung cấp nguyên liệu 2: Bồn chứa nguyên liệu
3: Giá nghiêng lò 4: Điện cực (hồ quang) 5: Cơ cấu dịch chuyển điện cực
Hình 1 2: Cấu tạo lò hồ quang
6: Vỏ cách nhiệt với bên ngoài 7: Miệng rót thép đã nấu chảy 8: Vận chuyển thép nấu chảy đến khuôn đúc 9: Cơ cấu di chuyển nắp lò
10: Cơ cấu bơm khí Oxy và Cacbon
Trong một chu trình nấu luyện của lò hồ quang, công suất điện tiêu thụ là khác nhau trong mỗi giai đoạn Mỗi giai đoạn làm việc đòi hỏi một công suất nhất định, mà công suất này phụ thuộc chiều dài ngọn lửa hồ quang Như vậy, điều chỉnh dịch điện cực tức là điều chỉnh chiều dài ngọn lửa hồ quang, do đó điều chỉnh được công suất lò hồ quang Đó là nhiệm vụ cơ bản của bộ điều chỉnh tự động lò hồ quang.
Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ Khi đặt một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên thì khối kim loại sẽ xuất hiện (cảm ứng) các dòng điện xoáy (dòng Foucault) Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại.
1: Vòng cảm ứng2: Mạch từ3: Nồi lò4: Tường lò Hình 1 3: Lò cảm ứng trong công nghiệp
Năng lượng điện truyền từ nguồn điện (tần số), qua vòng cảm ứng, biến đổi thành năng lượng điện từ Trong vật gia nhiệt, điện năng cảm ứng được chuyển thành nhiệt năng Hiện nay, trong các thiết bị gia nhiệt bằng dòng điện cao tần, nguồn cao tần (các bộ biến tần), có thể là máy phát điện quay, đèn điện tử hay biến tần dùng Thyristor.
1.2.4 Xác định lò nhiệt điều khiển
Lò điện trở Lò hồ quang Lò cảm ứng Ưu điểm Có khả năng tạo được nhiệt độ cao, đảm bảo tốc độ nung lớn, nung đều và chính xác, năng xuất cao, đảm bảo độ kín cần thiết.
Lò hộ quang có thể làm nóng lò và thép lên đến 4000 –
6000 o C Có thể loại bỏ khí độc, và các vùi trong khi khử Oxy và lưu huỳnh.
Tiết kiệm năng lượng hơn so với lò đốt, tốc độ nung nóng nhanh.
Nhược điểm Tiêu thụ nhiều điện năng Nếu lò có công suất lớn phải tính chọn các thiết bị bảo vệ Cần người có chuyên môn vận hành và bảo vệ.
Có thể xảy ra hiện tượng phóng hồ quang điện gây hỏng hóc thiết bị, gây cháy nổ ảnh hưởng đến an toàn lao động.
Giá thành tương đối cao, đa số được áp dụng trong sản xuất công nghiệp, không sử dụng cho những máy gia dụng Tiêu hao nhiều điện năng.
Bảng 1: So sánh lò điện trở, lò hồ quang, lò cảm ứng
Từ những đặc điểm trình bày trên, mục đích và phương pháp nghiên cứu của đề tài nhằm thí nghiệm một bộ điều khiển ổn định phục vụ cho đồ án tốt nghiệp và nghiên cứu các nội dung liên quan đến lý thuyết điều khiển tự động nên yêu cầu nhiệt độ đặt không quá cao Do vậy mô hình lò nhiệt điện trở được lựa chọn là đối tượng điều khiển vì được làm từ những vật liệu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, phù hợp với mô hình thí nghiệm.
Một số phương pháp gia nhiệt
1.3.1 Phương pháp dùng máy biến áp
Là phương pháp điều chỉnh điện áp theo cấp, đòi hỏi công suất lớn Đây là phương pháp ít dùng trong điều khiển tự động và điều khiển một đối tượng lớn Không thích hợp sử dụng trong đề tài này.
1.3.2 Phương pháp dùng rơle Đặc điểm của phương pháp này là khống chế mức nhiệt độ, mức điện áp khác nhau nhưng không mang tính chất liên tục do rơle chỉ tác dụng điều khiển ở một số thời điểm nhất định Quá trình điều khiển thường xuyên bị dao động, phụ thuộc vào các thời điểm đặt khác nhau vì thế độ chính xác điều chỉnh không cao, độ tin cậy kém.
Tuy vậy phương pháp dùng rơle có ưu điểm là đơn giản, phù hợp với yêu cầu công nghệ, không đòi hỏi độ chính xác cao.
1.3.3 Phương pháp dùng hai Thyristor mắc song song ngược
Khi có xung điều khiển thì hai Thyristor sẽ lần lượt mở cho dòng đi qua Ta có thể điều khiển cho Thyristor liên tục di chuyển từ đóng sang mở tương ứng với công suất của lò thay đổi Ưu điểm của phương pháp này là cho phép điều chỉnh trong phạm vi rộng, độ chính xác tương đối cao, độ nhạy và điều chỉnh tương đối lớn có khả năng tương đối liên tục và đều đặn Phương pháp điều khiển hai Thyristor có thể điều khiển.
Triac có chức năng giống như hai Thyristor mắc song song ngược chiều, phương pháp gia nhiệt bằng Triac có những ưu điểm sau:
- Điều chỉnh trơn được điện áp ra nên điều chỉnh trơn được nhiệt độ.
- Mạch nhỏ gọn, linh hoạt.
- Mạch điều khiển đơn giản hơn hai Thyristor mắc song song ngược.
1.3.5 Phương pháp sử dụng thiết bị chuyển đổi
Hiện này có một số thiết bị nhỏ gọn sử dụng bộ chuyển đổi từ tín hiệu xung PWM hoặc tín hiệu điện áp nhỏ (thường là từ 0 đến 5V hoặc từ 0 đến 10V) nó có nhưng ưu điểm:
- Có sẵn trên thị trường.
- Chỉ cần cấp nguồn và điều khiển không cần phải thiết kế chế tạo.
mô hình đề xuất
Từ những đối tượng điều khiển và phương thức gia nhiệt đã trình bày trên, mô hình được đề suất để điều khiển nhiệt độ là đối tượng lò nhiệt có đặc điểm của lò nhiệt điện trở với phương pháp gia nhiệt bằng thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện sang công suất và vật gia nhiệt là bóng đèn sưởi chữ U sợi cacbon Cảm biến nhiệt độ DS18B20 được sử dụng để đọc giá trị nhiệt độ trong lò nhiệt gửi đến bộ điều khiển xử lý cho ra tín hiệu điều khiển mạch công suất để đưa ra mức nhiệt độ đã đặt từ trước.
Hàm truyền của lò nhiệt được xác định bằng phương pháp thực nghiệm Bằng cách cấp nhiệt độ tối đa cho lò (công suất 100%), khi nhiệt độ tăng đến giá trị bão hòa.
Ta có được đặt tính thời gian của lò nhiệt được biểu diễn như hình a Do đặc tính của lò nhiệt khá phức tạp nên ta xấp xỉ đáp ứng gần đúng như hình b [2].
Do tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị (𝑃 = 100%)
Tín hiệu ra gần đúng là hàm:
Hình 1 4: Lò cảm ứng trong công nghiệp
Tra bảng biến đổi Laplace ta được: Áp dụng định lý chậm trễ ta được:
Ta có hàm truyền lò nhiệt là:
- Bộ điều khiển nhiệt: Có nhiệm vụ điều khiển, hiển thị và ổn định nhiệt độ trong lò.
- Thiết bị gia nhiệt: Cung cấp nhiệt độ cho lò với mức công suất được quy định bởi bộ điều khiển.
- Cảm biến nhiệt độ: Có nhiệm vụ đo nhiệt độ bên trong lò và phản hồi về bộ điều khiển.
1.4.3 Sơ đồ và nguyên lí hoạt động
Hệ thống được chia ra làm 2 phần điều khiển và giám sát.
Hình 1 5: Lò cảm ứng trong công nghiệp
Phần giám sát được thiết kế bằng arduino nano kết nối với modul vô tuyến truyền nhận dữ liệu với với hệ thông điều khiển.
Arduino nano đưa tín hiệu nhiệt nhận được lên máy tính và vẽ biểu đồ giám sát lò nhiệt.
Phần điều khiển gồm các thiết bị thực thi có nhiệm vụ đo và điều khiển nhiệt độ theo nhiệt độ đã đặt ở phần giám sát đưa xuống.
Nhận được nhiệt độ đặt, arduino due điều chỉnh tín hiệu đầu ra để cho ra được nhiệt độ đặt, cảm biến nhiệt đo và đưa nhiệt độ của lò hiện tại về arduino due. Đồng thời gửi tín hiệu nhiệt độ hiện tại lên arduino mega, từ đó arduino mega in nhiệt độ lên màn hình và gửi tín hiệu nhiệt độ về phần giám sát.
Hình 1 6: Phần giám sát của hệ thống
Hình 1 7: Phần điều khiển trực tiếp của hệ thống
LÝ THUYẾT PID VÀ LOGIC MỜ
Lý thuyết PID
Bộ điều khiển PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát, dựa trên sự kết hợp của ba khâu: tỷ lệ, tích phân, vi phân Lần đầu tiên được đưa ra thị trường vào năm 1039 và vẫn là bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi nhất trong quá trình điều khiển cho đến ngày nay Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị “sai số” e(t) là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn.
Luật điều khiển PID được định nghĩa:
11Equation Section (Next) Trong đó 𝑢 là tín hiệu điều khiển và 𝑒 là sai lệch điều khiển
- Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỉ lệ (khâu P) làm cho tín hiệu điều khiển càng lớn.
- Nếu e(t) chưa bằng không thì thành phần tích phân (khâu I) vẫn tạo ra tín hiệu điều chỉnh bất kể sai lệch đó nhỏ hay lớn.
- Nếu e(t) thay đổi lớn thành phần vi phân (khâu D) sẽ thực hiện vai trò dự đoán đầu ra của quá trình và đưa ra phản ứng thích hợp nhằm tăng tốc độ đáp ứng của hệ.
Tín hiệu điều khiển là tổng của 3 thành phần: Tỉ lệ, tích phân và vi phân Ta có hàm truyền của bộ điều khiển PID:
Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Thành phần tỉ lệ tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai lệch điều khiển Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản Hệ số tỉ lệ 𝐾 𝑃 càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trò lớn trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ.
Tuy nhiên, khi hệ số 𝐾 𝑃 càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển càng mạnh dẫn đến dao động lớn, đồng thời làm hệ nhạy cảm hơn với nhiễu đo Hơn nữa, đối với đối tượng không có đặc tính vi phân thì sử dụng bộ P vẫn tồn tại sai lệch tĩnh.
Thành phần tích phân I cộng thêm các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch triệt tiêu 𝑒(𝑡) = 0 Đây là tác dụng của thành phần tích phân.
Về nhược điểm, khâu I cần phải mất một khoảng thời gian để 𝑒(𝑡) = 0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn Đôi khi còn làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm chí có thể mất ổn định. Để khắc phục, Người ta thường sử dụng khâu P đi kèm với khâu I để hợp thành bộ điều khiển PI vừa để cải thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống.
Thành phần vi phân cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra Nhằm cải thiện sự ổn định của hệ kín Thành phần D đóng vai trò dự đoán đầu ra của quá trình và đưa ra phản ứng thích hợp dựa trên chiều hướng và tốc độ thay đổi của sai lệch 𝑒(𝑡), làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ.
Nhược điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị đặt do tính đáp ứng nhanh nêu ở trên.
2.1.4 Chỉnh định tham số PID
Vì những thành phần tham số bộ PID có vai trò khác nhau và không thể đồng thời đạt đạt được tất cả các tiêu chí chất lượng một cách tối ưu nên cần lựa chọn, chỉnh định một cách hợp lý dựa tùy vào yêu cầu chất lượng và mục đích điều khiển.
Có nhiều phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển PID, Ở đây, vì giới hạn về mặt nội dung nên chỉ trình bày phương pháp phổ biến nhất Đó là phương pháp Ziegler-Nichols 1, phương pháp này dựa trên đặc tính quá độ của quá trình thu được từ thực nghiệm với giá trị thay đổi dạng bậc thang.
Thông số của bộ điều khiển được lựa chọn theo bảng sau [3]:
Bảng 2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 1
Phương pháp này có một số nhược điểm sau:
Việc lấy đáp ứng tín hiệu bậc thang rất dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và không áp dụng được cho quá trình dao động hoặc quá trình không ổn định. Đối với các quá trình có tính phi tuyến mạnh, các số liệu đặc tính nhận được phụ thuộc rất nhiều vào biên độ và chiều thay đổi giá trị đặt. Đặc tính đáp ứng của hệ kín với giá trị đặt thường hơi quá dao động.
Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control)
Tập mờ 𝐹 xác định trên tập kinh điển 𝐵 là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp giá trị (𝑥, 𝜇 𝐹 (𝑥)), với 𝑥 ∈ 𝑋 và 𝜇 𝐹 (𝑥) là một ánh xạ:
Trong đó: 𝜇 𝐹 gọi là hàm thuộc, 𝐵 gọi là tập nền.
Độ cao tập mờ 𝐹 là giá trị trong đó 𝑆𝑢𝑝 𝜇 𝐹 (𝑥) chỉ giá trị nhở nhất trong tất cả các chặn trên của hàm 𝜇 𝐹 (𝑥)
Miền xác định của tập mờ 𝐹, ký hiệu là 𝑆 là tập con thỏa mãn:
Miền tin cậy của tập mờ 𝐹, ký hiệu là 𝑇 là tập con thỏa mãn:
Các dụng hàm thuộc (membership function) trong logic mờ: Gaussian, PI- shape, S-shape, Sigmoidal, Z-shape…
Hình 2 2: Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ
Biến ngôn ngữ là phần tử chủ đạo trong các hệ thống dùng logic mờ Ở đây các thành phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau Ta xét ví dụ sau để minh họa về biến ngôn ngữ:
Xét tốc độ của một chiếc xe môtô, ta có thể phát biểu xe đang chạy: Rất chậm (VS), chậm (S), trung bình (M), nhanh (F), rất nhanh (VF).
Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ Gọi 𝑥 là giá trị của biến tốc độ, ví dụ … Hàm thuộc tương ứng của các biến ngôn ngữ trên được kí hiệu là:
Hình 2 3: Một số dạng hàm thuộc
Như vậy biến tốc độ có hai miền giá trị:
- Miền các giá trị ngôn ngữ:
- Miền các giá trị vật lý:
Biến tốc độ được xác định trên miền ngôn ngữ N được gọi là biến ngôn ngữ Với mỗi ta có hàm thuộc:
Ví dụ hàm thuộc tại giá trị rõ là:
2.2.3 Các phép toán trên tập mờ
Cho 𝑋, 𝑌 là hai tập mờ trên không gian nền B, có các hàm thuộc tương ứng là
Phép hợp hai tập mờ:
Hình 2 4: Ví dụ về liên hệ giữa biến ngôn ngữ và biến vật lý
Phép giao hai tập mờ:
2.2.4 Luật hợp thành mờ Định lý Mamdani:
“Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc điều kiện” Nếu hệ thống có nhiều đầu vào, đầu ra thì mệnh đề suy diễn có dạng tổng quát như sau:
If and and… Then and and…
Luật hợp thành: Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành.
Các luật hợp thành cơ bản:
Giải mờ là quá trình xác định giá trị rõ ở đầu ra từ hàm thuộc 𝜇 𝐵 𝘍 (𝑦) của tập mờ.
Có 2 phương pháp giải mờ.
Phương pháp cực đại các bước thực hiện:
Xác định miền chứa giá trị , là giá trị mà tại đó đạt Max:
Xác định 𝑦 ′ theo một trong 3 cách sau:
+ Nguyên lý trung bình: chọn 𝑦 ′ = (𝑦1 +
𝑦2)/2 + Nguyên lý cận trái: chọn 𝑦 ′ = 𝑦 1 + Nguyên lý cận phải: Chọn 𝑦 ′ = 𝑦 2
Hình 2 5: Giải mờ theo phương pháp cực đại
Phương pháp trọng tâm: Điểm 𝑦 ′ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi trục hoành được 𝜇 𝐵 𝘍 (𝑦) Công thức xác định:
Trong đó: S là miền xác định của tập mờ
2.2.6 Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản gồm: Khâu mờ hóa, thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ.
Các nguyên lý thiết kế hệ thống điều khiển mờ:
- Giao diện đầu vào gồm các khâu: Mờ hóa và các khâu hiệu chỉnh như tỉ lệ, tích phân, vi phân.
- Thiết bị hợp thành: Sự triển khai luật hợp thành R.
- Giao diện đầu ra gồm: khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đội tượng.
Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển mờ:
- Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra.
- Xác định các tập mờ cho từng biến ngôn ngữ vào/ra (mờ hóa).
+Xác định miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ.
+Xác định các hàm thuộc.
+Rời rạc hóa tập mờ.
- Xây dựng các luật hợp thành.
- Chọn thiết bị hợp thành.
- Giải mờ và tối ưu hóa.
2.2.7 Nhược điểm của bộ điều khiển mờ thuần túy Điều khiển mờ là phương pháp điều khiển hiện đại, có nhiều phát triển Tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa có các nguyên tắc chuẩn mực cho việc thiết kế cũng như khảo sát tính ổn định, bền vững, chất lượng quá trình, hay ảnh hưởng của nhiễu…cho các bộ điều khiển mờ Việc thiết kế các bộ mờ chủ yếu dựa trên kinh nghiệm chỉnh định thực nghiệm Điểm yếu của lý thuyết mờ là vấn đề về độ phi tuyến của hệ thống.
TỔNG QUAN CÁC LINH KIỆN
Arduino Due
Hình 3 1: Bo mạch arduino Due
Arduino Due là một bo mạch vi điều khiển dựa trên CPU Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 Đây là bo mạch Arduino đầu tiên dựa trên bộ vi điều khiển lõi ARM 32 bit Nó có 54 chân đầu vào/đầu ra kỹ thuật số (trong đó 12 chân có thể được sử dụng làm đầu ra PWM), 12 đầu vào analog, 4 UART (cổng nối tiếp phần cứng), xung nhịp 84 MHz, kết nối có khả năng USB OTG, 2 DAC (kỹ thuật số sang analog), 2 TWI, giắc cắm nguồn, tiêu đề SPI, tiêu đề JTAG, nút đặt lại và nút xóa.
Vi điều khiển AT91SAM3X8E Điện áp hoạt động 3,3V Điện áp đầu vào (được khuyến nghị) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-16V
Chân I/O kỹ thuật số 54 (trong đó 12 cung cấp đầu ra PWM)
Chân đầu vào tương tự 12
Chân đầu ra tương tự 2 (ĐẮC)
Tổng đầu ra DC hiện tại trên tất cả các dòng
Dòng điện một chiều cho chân 3,3V 800mA
Dòng điện một chiều cho chân 5V 800mA
512 KB tất cả có sẵn cho các ứng dụng người dùng
SRAM 96 KB (hai ngân hàng: 64KB và 32KB)
Tốc độ đồng hồ 84 MHz
Bảng 3: Thông số kĩ thuật Arduino Due
Arduino Mega 2560 Rev3
Arduino Mega 2560 là một bảng vi điều khiển dựa trên ATmega2560
Hình 3 2: Bo Arduino Mega 2560 Rev3
Nó có 54 chân đầu vào/đầu ra kỹ thuật số (trong đó 15 chân có thể được sử dụng làm đầu ra PWM), 16 đầu vào tương tự, 4 UART (cổng nối tiếp phần cứng), bộ tạo dao động tinh thể 16 MHz, kết nối USB, giắc cắm nguồn, tiêu đề ICSP, và một nút đặt lại
Nó chứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp nguồn cho nó bằng bộ chuyển đổi AC-to-DC hoặc pin để bắt đầu Bảng Mega 2560 tương thích với hầu hết các phần mềm được thiết kế cho Uno và các bảng cũ Duemilanove hoặc Diecimila.
Vi điều khiển ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (được khuyến nghị) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Chân I/O kỹ thuật số 54 (trong đó 15 cung cấp đầu ra
Chân đầu vào tương tự 16
Dòng DC trên mỗi chân I/O 20mA
Dòng điện một chiều cho chân
Bộ nhớ flash 256 KB trong đó 8 KB được sử dụng bởi bootloader
Tốc độ đồng hồ 16 MHz
Bảng 4: Thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560 Rev3
Arduino Nano
Arduino Nano là một bo mạch nhỏ, hoàn chỉnh và thân thiện với breadboard dựa trên ATmega328 (Arduino Nano 3.x) Nó có ít nhiều chức năng tương tự như Arduino Duemilanove, nhưng trong một gói khác Nó chỉ thiếu giắc cắm nguồn DC và hoạt động với cáp USB Mini-
B thay vì cáp tiêu chuẩn.
3.3.2 Thông số kỹ thuật vi điều khiển ATmega328
Nhà sản xuất AVR điện áp hoạt động 5 V
Bộ nhớ flash 32 KB trong đó 2 KB được sử dụng bởi bootloader
Tốc độ đồng hồ 16 MHz
Chân IN tương tự số 8
Dòng DC trên mỗi chân I/O 40 mA (Chân I/O) Điện áp đầu vào 7-12V
Chân I/O kỹ thuật số 22 (6 trong số đó là PWM) Đầu ra PWM 6
Sự tiêu thụ năng lượng 19mA
Bảng 5: Thông số kĩ thuật Arduino Nano
Modul NRF24L01
Module thu phát RF NRF24L01 2.4Ghz có nhiều cải tiến so với chip NRF24L01 cũ về tốc độ truyền, khoảng cách, độ nhạy, bổ sung thêm pipelines, buffers, và tính năng auto-retransmit nhưng vẫn tương thích ngược với phiên bản cũ về cách sử dụng Module thu phát NRF24L01 hoạt động trên dải tần 2.4GHz và sử dụng giao tiếp SPI, khoảng cách tối đa trong điều kiện không vật cản lên đến 1000m
- Có sẵn anthena sứ 2.4GHz.
- Truyền được 100m trong môi trường mở với 250kbps baud.
- Tốc độ truyền dữ liệu qua sóng: 250kbps to 2Mbps.
- Tự động bắt tay (Auto Acknowledge).
- Tự động truyền lại khi bị lỗi (auto Re-Transmit).
- Bộ đệm dữ liệu riêng cho từng kênh truyền nhận: 32 Byte separate TX and RX FIFOs.
- Các chân IO đều chịu được điện áp vào 5V.
- Lập trình được kênh truyền sóng trong khoảng 2400MHz đến 2525MHz (chọn được 125 kênh).
- Thứ tự chân giao tiếp: GND, VCC, CS, CSN, SCK, MOSI, MISO, IQR.
Cảm biến nhiệt độ Ds18B20
3.5.1 Giới thiệu cảm biến DS18B20
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là một loại cảm biến trả về tín hiệu số rất hay được ứng dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực Vì nó hoạt động khá chính xác với sai số nhỏ, đồng thời với kích thước nhỏ và giá thành rẻ là một trong những ưu điểm của nó. Cảm biến có kiểu chân TO-92 với chỉ 3 chân rất dễ giao tiếp và sử dụng.
Datasheets Cảm biến Nhiệt độ DS18B20
Series ds18 Độ phân giải 10mV/°C
Hình 3 5: Cảm biến nhiệt độ
Chân 3 Điện áp hoạt động 4.2V ~ 30V
Công suất tiêu thụ 60uA
Bảng 6: Thông số kĩ thuật cảm biến nhiệt DS18B20
Relay bán dẫn SSR-40 DA Fotek
3.6.1 Giới thiệu relay bán dẫn SSR-40 DA Fotek
Relay bán dẫn SSR-40 DA Fotek chính hãng là loại relay bán dẫn với điện áp đầu vào DC Input 4~32VDC, đầu ra đóng ngắt tải AC mắc nối tiếp 24~380 VAC dòng điện tối đa 40A (theo thông số nhà SX), sử dụng cho các ứng dụng cần điều khiển tải AC bằng tín hiệu DC yêu cầu tần số đóng ngắt lớn, độ bền cao.
Hình 3 6 Rơ le bán dẫn SSR 40 DA-H
Mã sản phẩm: SSR-40 DA Điện áp kích: 4~32VDC Điện áp đóng ngắt tải AC mắc nối tiếp: 24 ~ 380VAC
Dòng tải: max 40A (cần thêm tản nhiệt cho SSR khi dòng > 20A, 50% công suất).
Bóng sưởi chữ u sợi cacbon
Bóng sưởi sợi cacbon với ưu điểm không đốt cháy oxi lên không tạo ra cảm giác khó chịu cho người dùng, tuổi thọ của thiết bị bị cũng cao hơn bóng halogen chính vì vậy sản phẩm này được ứng dụng rộng rãi trong các quạt sưởi.
Bóng sưởi không chói mắt phát nhiệt bằng dây maiso sợi cacbon tia hồng ngoại, không đốt cháy oxy, bóng đèn có màu vàng dịu bởi vậy đã hạn chế việc gây chói mắt so với các dòng khác
Phù hợp với tất cả các đối tượng người tiêu dùng Sản phẩm có thể được lắp đặt và di động trong phòng tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng.
LCD 16x2 và I2C
Hình 3 7: Bóng đèn gia nhiệt
Màn hình LCD 16x2 là một linh kiện được sử dụng rộng rãi trong trong các dự án điện tử và lập trình Dùng để hiển thị kí tự lên từ vi điều khiển.
3.7.2 Thông số kĩ thuật Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC.
Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780).
Giao tiếp: I2C. Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Sơ đồ đi dây các linh kiện
4.1.1 Cảm biến nhiệt DS18B20 Đầu tiên là cảm biến nhiệt được nối nguồn 5V.
Chân dữ liệu được nối vào chân số 2 của arduino để lấy tín hiệu.
Hình 4 1: Sơ đồ nói dây cảm biến DS18B20
4.1.2 Role và thiết bị gia nhiệt
Dây nối điều khiển được nối vào chân số 3 của arduino và còn lại một cái nữa nối vào chân mass của nguồn.
Nguồn cấp cho thiết bị gia nhiệt là nguồn xoay chiều 220V, nối nối tiếp qua rơ le và về mass của nguồn.
Hình 4 2: Sơ đồ nói dây cảm biến DS18B20
Hình 4 3: Sơ đồ nối dây LCD 16x2 và I2C
Chân sda và slc của lcd nối trưc tiếp vào chân sda và scl của arduino mega Cấp nguồn cho bộ lcd là 5c DC.
NRF24 Arduino nano Arduino mega
Hình 4 4: Sơ đồ chân modul nrf24l01
Bảng 7: Nối chân giữa nrf24l01 với arduino
Xây dựng hàm truyền lò nhiệt
Hàm truyền của lò nhiệt luôn là khác nhau với mỗi lò khác nhau, tùy thuộc vào thể tích lò, thanh gia nhiệt, hay công suất gia nhiệt mà thời gian đáp ứng cũng khác nhau Vì vậy hàm truyền của lò được xác định một cách tương đối bằng phương pháp thực nghiệm, quan sát đồ thị tăng nhiệt của lò khi được cấp công suất tối đa từ đó rút ra được các giá trị theo công thức (1.1) Các giá trị 𝑇1, 𝑇2 được xác định bằng đường tiếp tuyến của điểm nút đồ thị.
Hình 4 5: Đặc tính của lò nhiệt
Trong đề tài này, để giúp cho việc xác định một cách chuẩn xác hàm truyền của lò nhiệt Ta xử dụng công cụ System Identification Toolbox có trong phần mềm Matlab để nhận dạng đối tượng.
Phương pháp xác định bằng cách thu thập giá trị mà cảm biến nhiệt độ đọc được và hiển thị trong phần mềm Matlab & Simulink Giá trị nhiệt độ gửi lên Simulink thông qua board trung gian Arduino Mega.
51 Hình 4 6: Cho tối đa công suất lò nhiệt trên simulink
Hình 4 7: Biểu đồ dữ liệu và hàm truyền
Từ đó đưa dữ liệu vào workspace, bằng công cụ đã nói ở trên ta suy ra được biểu đồ hàm truyền:
Tìm ra hàm truyền với độ chính xác 88.37%
Ta có các thông số như sau:
(9 8138∗s + 1)( 487 33∗s+ 1)Hình 4.8: Hàm truyền gần đúng của lò
VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Chương trình mô phỏng
5.1.1 Chương trình PID mô phỏng
Từ hàm truyền lò nhiệt ở trên kết hợp với phương pháp Ziegler-Nichols 1, ta tính toán ra được các thông số PID để đưa vào mô hình.
Hình 5 1: Chương trình mô phỏng PID
Từ hàm truyền sử dụng PID tuner để hiệu chỉnh thông số PID của lò.
Kết quả các thông số tuner:
Hình 5 2: PID Tuner để hiệu chỉnh thông số mô phỏng
Và kết quả mô phỏng của hàm truyền hệ thống như sau:
Hình 5 3: Kết quả mô phỏng PID
Phương pháp PID ZN1: độ vọt lố 26%, thời gian xác lập 35s, sai số xác lập 0.
Phương pháp PID tuner: độ vọt lố 14%, thời gian xác lập 50s, sai số xác lập 0.
5.1.2 Chương trình PID mờ mô phỏng
1 Cấu trúc bộ mờ và các hàm thuộc
Hình 5 4: Kết quả mô phỏng PID Ở đây, với mỗi đầu vào bộ mờ ta lập 2 hàm thuộc đầu vào tương ứng với 3 biến ngôn ngữ.
Khoảng giá trị của các biến vật lý cho các hàm thuộc của sai lệch 𝑒(𝑡) phụ thuộc vào khoảng giá trị của tín hiệu đo được.
Khoảng giá trị của các biến vật lý cho các hàm thuộc của đạo hàm sai lệch 𝑑𝑒(𝑡) ta cũng lấy tương tự như đối với 𝑒(𝑡) Tuy nhiên có một chú ý là khoảng giá trị này phụ thuộc vào thời gian lấy mẫu 𝑇.
Hình 5 5: Các hàm thuộc của sai lệch 𝑒(𝑡)
Hình 5 6: Các hàm thuộc của sai lệch d𝑒(𝑡)
Các hàm đầu ra là tỉ lệ PID thuộc từ [0 1]
2 Xây dựng luật hợp thành
Phương pháp Mallesham – Rajani sư dụng luật hợp thành Min Max và giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm.
Bảng 8: Luật hợp thành mờ
Hình 5 7: Các hàm thuộc đầu ra tỉ lệ PID Hình 5 8: Luật hợp thành và phương pháp giải mờ
Hình 5 9: Luật hợp thành mờ
3 Chương trình mô phỏng simulink PID fuzzy và kết quả
Hình 5 10: Chương trình mô phỏng PID mờ Kết quả :
Nhận xét : độ vọt lố 18%, thời gian xác lập 28s, sai số xác lập 0 So với hệ PID tuner và PID ZN1 thì mỗi phương pháp đều có một lợi thế riêng PID mờ thì có ưu thế về thời gian xác lập, PID turning có độ vọt lố thấp và PID ZN1 là sự hài hoà giữa 2 phương pháp.
Hình 5 11: kết quả mô phỏng PID mờ
Chương trình trên hệ thống thực
Do chương trình mô phỏng có độ chính xác của hàm truyền không cao Hệ thống thực có nhiều yếu tố khác tác động như dòng và áp đầu vào, nhiễu, Nên em đã dựa vào một phần mô phỏng và thực tế cho ra các thông số PID để hệ thống ổn định.
Hình 5 12: Chương trình trên matlab
Hình 5 13: Kết quả mô hình thực với Kp=1.56, Ki=0.05, Kd=1
Nhận xét: độ vọt lố 19%, thời gian xác lập 110s, sai số xác lập 1.5 độ.
Nhận xét: độ vọt lố 8%, thời gian xác lập 140s, sai số xác lập 1.5 độ.
Cấu trúc bộ vào ra bộ mờ và luật hợp thành mờ giống mô phỏng như hệ thống đầu vào sẽ có thay đổi tỉ lệ đầu vào e(t) và de(t) vì hệ thống không thể đáp ứng nhanh như mô phỏng.
Hình 5 15: Thay đổi của e(t) trong hệ thống thậtHình 5 14: Kết quả mô hình thực với Kp=1.56, Ki=0.03, Kd=0
Hình 5 16: Thay đổi của de(t) trong hệ thống thật
Hình 5 17: Chương trình Fuzzy trên simulink
Hình 5 18: Kết quả chạy thực tế PID Fuzzy Nhận xét: độ vọt lỗ 0%, thời gian xác lập 30s, sai số xác lập 1.5 độ.
Hình 5 19: Chương trình thực nạp xuống chạy hệ thống
Giao diện giám sát
Với đề tài này, em không tập trung vào phần giao diện giám sát nên chỉ vẽ biểu đồ bằng thời gian thực với kết quả gửi lên từ arduino nano và gửi nhiệt độ đặt xuống để arduino due xử lí và điều khiển.
Hình 5 20: Giao diện giám sát
Trong giao diện, đường màu xanh lá cây là nhiệt độ đặt và đường màu đỏ là nhiệt độ đáp ứng của lò nhiệt.
Kết luận và hướng phát triển đề tài
Xây dựng và chạy thành công chương trình bằng Simulink bộ điều khiển PID, PID mờ, so sánh chất lượng đáp ứng các bộ điều khiển trong mô phỏng cũng như thực tế.
Thiết kế và hoàn thiện mô hình phần cứng bao gồm mạch điều khiển, mạch công suất
Hệ thống PID mờ thực tế hoạt động ổn định, thời gian đáp ứng tương đối nhanh so với phương pháp PID truyền thống.
Hạn chế về công cụ hỗ trợ cần thiết, khả năng xuất hiện sai số dao động quanh nhiệt độ đặt do mô hình thủ công chưa được chuẩn hóa nên việc nhận dạng hàm truyền chưa được chính xác nhất, dẫn đến việc chất lượng điều khiển chưa được như mong đợi.
Vẫn còn sai số xác lập trên mô hình.
Hệ thống phụ thuộc vào nguồn điện đầu vào, khi điện yếu thì thời gian lên lâu và dễ vọt lố.
5.4.2 Hướng phát triển đề tài
Về phần cứng, sử dụng các bộ khảo sát lò nhiệt đạt chuẩn trong phòng thí nghiệm, thiết kế mạch công suất nguồn đảm bảo cho việc xác định hàm truyền được chuẩn xác.
Về thuật toán, thay đổi các dạng và số lượng hàm thuộc, sử dụng các luật hợp thành và phương pháp giải mờ khác hoặc các phương pháp khác để tìm được phương pháp tối ưu.
Tính ứng dụng cao trong các hệ thống lò nhiệt thực tế hiện nay. Ứng dụng điều khiển không dây là phân tán lên chuỗi hệ thống điều khiển