Nhiệt độ luôn thay đổi với c*c yếu tố môi trường bên ngoài, để ổn đinh được nhiệt độ ở mức đã chọn thch hợp với hệ thống ấp trứng ta c-n phải thiết kế bộ điều khiển nhằm đo và điều chỉnh
Trang 1BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
-⸙∆⸙ -ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI:
Điều khiển nhiệt độ của hệ lò ấp trứng sử dụng bộ điều khiển PID và Arduino
GVHD: PGS TS NGÔ VĂN THUYÊN SVTH: Nguyễn Tiến Thành
MSSV: 19151285
Tp Hồ Chí Minh tháng 6 năm2022
Trang 21.3 Giới hạn của đề tài 6
1.4 Nội dung và kế hoạch thực hiện 6
Chương 2 Cơ sở lý thuyết 7
2.1 Các phương pháp ấp trứng 7
2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật ấp trứng: 7
2.2 Cấu trúc lò ấp trứng 8
2.3 Mô hqnh toán hrc 9
2.4 Phương pháp điều khiển nhiệt độ của lò nhiệt 10
2.4.1 Phương pháp điều khiển ON/OFF 10
2.4.2 Phương pháp điều khiển liên tục (PWM) 10
2.4.3 Phương pháp điều khiển Fuzzy 10
2.4.4 Bô y điều khiển PID 11
2.4.5 Phương pháp tối ưu cho lò nhiệt 12
2.5 Cấu trúc 1 lò ấp trứng trong công nghiệp 13
Trang 34.1 Yêu cầu thiết kế 21
4.1 Gi~i thuật điều khiển lò nhiệt 21
4.2 Chương trqnh điều khiển 22
Chương 5 Kết qu~ 25
5.1 Kết qu~ phần cứng 25
5.1.1 Mạch phát hiện điểm 0 25
5.1.2 Mạch kích triac 26
5.1.3 Mô hqnh lò nhiệt trong thực tế 27
5.2 Kết qu~ chạy mô hqnh 27
Chương 6 Kết Luận Và Hướng Phát Triển 29
Trang 4MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 Mô hình hàm truyền lò nhiệt cơ bản 9
Hình 2 Hình (a) đă 'c t(nh ch(nh x*c ,(b) đă 'c t(nh g-n đ.ng 9
Hình 3Cấu tr.c cơ bản bộ điều khiển mờ 10
Hình 4Cấu tr.c bộ điều khiển PID cơ bản 11
Hình 5Cấu tạo lò ấp trức trong công nghiệp 13
Hình 6Đề xuất sơ đồ khối của mô hình 14
Hình 15Sơ đồ nối dây thực tế 20
Hình 16 Lưu đồ điều khiển của hệ thống 21
Hình 22 Đo nhiệt độ phòng bằng serial monitor 27
Hình 23Vẽ đồ thị nhiệt độ phòng bằng serial Plotter 27
Hình 24Kết quả chạy mô hình l-n 1 28
Hình 25Kết quả chạy mô hình l-n 2 28
Trang 5MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Yêu c-u về nhiệt độ 6
Bảng 2Yêu c-u về độ ẩm 7
Bảng 3Bảng luật điều khiển thông số PID 11
Bảng 4Thông số cơ bản của Arduino Uno R3 14
Trang 6Chương 1TỔNG QUAN 1.1Đặt vấn đề
Trong thời đại 4.0 ngày nay, khoa học và kỹ thuật t*c động cực kì lớn đến đời sống cũng như sản xuất của con người Trong việc trồng trọt và chăn nuôi người ta cũng *p dụng ch.ng để đạt được năng suất cao nhất Với những kiến thức em đã được học lý thuyết em mong muốn tạo ra một hệ thống *p Nhiệt độ luôn thay đổi với c*c yếu tố môi trường bên ngoài, để ổn đinh được nhiệt độ ở mức đã chọn (th(ch hợp với hệ thống ấp trứng) ta c-n phải thiết kế bộ điều khiển nhằm đo và điều chỉnh nhiệt độ theo ý mình
Với hệ thống đơn giản như ổn định và điều khiển nhiệt độ ta nên chọn bộ điều khiển PID đơn giản và dung vi điều khiển để điều khiển hệ thống vì có gi* thành rẻ dễ thiết kế và dể sử dụng
1.2Mục tiêu đề tài
-Thiết kế được hệ thống ổn định nhiệt độ
-Hệ thống phải đặt và điều chỉnh được nhiệt độ đ-u ra và đọc được nhiệt độ hiện tại của lò ấp trứng
-Đ*p ứng được c*c yêu c-u (về nhiệt độ) quy trình ấp trứng 1.3 Giới hạn của đề tài
Trong đề tài này chỉ thiết kế được mô hình lò *p kh* nhỏ, tạo ra được nhiệt độ để gi.p trứng nở, tuy nhiên đ*p ứng hơi chậm khi sử dụng bóng đèn sợi tóc tạo ra nhiệt độ C*c thông số thu được bằng cảm biến PT100 và bóng đèn sợi đốt.
Đề tài cũng chỉ đ*p ứng được một tiêu ch( trong lò ấp trứng đó là điều khiển nhiệt độ 1.4 Nội dung và kế hoạch thực hiện
STT Nội dung công việc Sản phẩm Thời gian 1 Viết đề xuất thiết kế File word đề xuất Trước ngày
c-u thiết kế mạch lò nhiệt
File word b*o c*o 28/3-4/4/2022
Trang 7Chương 2Cơ sở lý thuyết 2.1Các phương pháp ấp trứng
Có hai phương ph*p ấp trứng ch(nh là ấp trứng bằng phương ph*p thủ công và ấp trứng bằng m*y ấp công nghiệp.
Phương ph*p ấp trứng thủ công:
Ấp trứng gia c-m bằng lò ấp dùng c*c nguyên vật liệu và năng lượng sẵn có ở địa phương, không phải ấp bằng m*y công nghiệp Phương ph*p ấp trứng gia c-m mà việc điều chỉnh chế độ nhiệt độ, ẩm độ qua c*c giai đoạn ấp hoàn toàn nhờ vào kinh nghiệm, cảm gi*c của nguời chủ ấp thì gọi là ấp trứng thủ công.
Ưu điểm: đơn giản, dễ lắp đặt, sử dụng những nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên để ấp trứng
Nhược điểm: Phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm và không kh( của môi trường xung quanh nên c-n người có kinh nghiệm nhiều năm trong việc ấp trứng để điều chỉnh môi trường hợp l( cho trứng nở, tỉ lệ nở con khỏe mạnh thấp (60 – 70 %), vệ sinh lò ấp rất khó khăn, số lượng ấp bị hạn chế, tốn nhiều công sức và công đọan
Phương ph*p ấp trứng gà bằng m*y ấp công nghiệp: là phương ph*p sử dụng m*y, lò gia nhiệt để điều chỉnh môi trường để ấp trứng
Ưu điểm: dễ dàng can thiệp vào môi trường (nhiệt độ độ ẩm không kh(), tỉ lệ nở con kh* cao (~80%), dễ vệ sinh, số lượng ấp được rất lớn chiếm (t không gian so với phương ph*p thủ công, dễ kiểm so*t sự cố khi ấp trứng
Nhược điểm: C-n kỹ năng sử dụng lò ấp công nghiệp, gi* thành cao hơn phương ph*p thủ công,
2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật ấp trứng: Nhiệt độ
Bảng 1 Yêu c-u về nhiệt độ
Ngày ấp Nhiệt độ m*y ấp trứng
Vào vài ngày cuối của thời kỳ ấp, sự trao đổi chất của phôi mạnh nhất, nhiệt độ của trứng tăng lên cao nhất nên nhiệt độ của lò ấp phải giảm, đồng thời độ ẩm của lò phải tăng (phun nước ấm lên trứng) để vừa hạ nhiệt trứng vừa tr*nh gà nở bị s*t vỏ và chết ngạt.
Trang 8Độ ẩm th(ch hợp cho ấp trứng cụ thể như sau:
Khi trứng bắt đ-u đưa vào ấp đến ngày thứ 21 nở ra gà con Trứng to nở trễ, trứng nhỏ nở sớm, thời gian nở chênh lệch 5 - 10 giờ
Đ~o trứng
Trứng được đảo một góc 90 và đảo 2 giờ/l-n - Ngưng đảo trứng từ ngày thứ 18 sau khi ấp trứng.
Nếu 6 ngày đ-u không đảo phôi d(nh vào vỏ không ph*t triển và chết.
- Sau 13 ngày không đảo t.i niệu không khép k(n, lượng abumin không vào được bên trong t.i niệu dẫn đến tỷ lệ chết phôi cao, gà mổ vỏ sẽ không đ.ng vị tr(, phôi bị dị hình ở ph-n mắt, mỏ, đ-u.
Soi trứng
Kiểm tra loại bỏ những quả trứng trắng, trứng chết phôi để tiết kiệm diện t(ch m*y, đồng thời tr*nh ô nhiễm và x*c định thời điểm phôi chết để có biện ph*p cải thiện chế độ ấp hoặc chất lượng trứng giống tr*nh thiệt hại không c-n thiết.
Chỉ tiêu chất lượng trứng đ-u ra - Tỉ lệ nở con cao
- Trứng nở đ.ng thời gian cho đừng loại kh*c nhau - Trứng nở ra con khỏe mạnh, không bệnh 2.2Cấu trúc lò ấp trứng
Cấu tr.c lò ấp trứng bao gồm:
Lò để sản phẩm c-n ấp: Có thể chịu được nhiệt độ từ 0°C-80°C, cao từ 30 cm trở lên để khi trứng nở gà, vịt không thể ra ngoài và để đủ dụng cụ gia nhiệt ở dưới
Cảm biến nhiệt: Đọc được nhiệt độ môi trường trong khoảng 0°C-80°Cđể đọc nhiệt độ lò và hồi tiếp về vi điều khiển bẳng t(n hiệu Analag đã được khuếch đại, dịch mức tạo ra t(n hiệu tốt nhất cho vi điều khiển có thể đọc được
Mạch công suất: Tạo góc k(ch cho thiết bị tạo nhiệt, tuỳ vào nhiệt độ lớn hay nhỏ của lò nhiệt để đưa ra góc phù hợp
Trang 9Thiết bị tạo ra nhiệt độ: Có khả năng đốt nóng, toả nhiệt, tạo ra được nhiệt độ cao
2.3Mô hqnh toán hrc
Hình 1 Mô hình hàm truyền lò nhiệt cơ bản
Ta có hàm truyền của lò nhiê 't có dạng như sau:
Do t(n hiệu vào là hàm nấc đơn vị (P=100%) nên R(s) = 1s T(n hiệu ra g-n đ.ng là hàm:
trong đó Biến đổi Laplace ta được:
Do vậy, *p dụng định lý chậm trễ ta được:
Hàm truyền của lò nhiệt là:
C*c thông số T1, T2 được x*c định bằng phương ph*p thực nghiê'm
Trang 10Hình 2 Hình (a) đă 'c t(nh ch(nh x*c ,(b) đă 'c t(nh g-n đ.ng 2.4Phương pháp điều khiển nhiệt độ của lò nhiệt
2.4.1 Phương pháp điều khiển ON/OFF
Đây là dạng điều khiển cổ điển nhưng vẫn còn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay Phương ph*p điều khiển ON-OFF còn được gọi là phương ph*p đóng ngắt hay dùng khâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng lượng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ đo Khi đó công suất cấp cho sợi đốt cũng chỉ có 2 gi* trị (nghĩa là 100% hoặc 0%) Cho nên bộ điều khiển t*c động ON-OFF còn gọi là bộ điều khiển t*c động 2 vị tr(
Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế t-n số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên: nguồn chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < - ∆ Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽ dao động quanh gi* trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của relay
Ưu điểm:
- Thiết bị tin cậy, chắc chắn, vận hành đơn giản, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải.
- T(nh to*n thiết kế (t phức tạp và cân chỉnh dễ dàng Nhược điểm:
- Sai số x*c lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùng trễ bằng c*ch dùng ph-n tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất (cho phép tăng t-n số đóng cắt).
2.4.2 Phương pháp điều khiển liên tục (PWM)
Khi yêu c-u về mặt công nghệ trở nên nghiêm ngặt hơn thì hệ thống kiểm so*t nhiệt độ cũng c-n đảm bảo nhiệm vụ duy trì nhiệt độ ổn định, đ*p ứng nhanh cho hệ thống gia nhiệt.
L.c này phương ph*p cổ điển ON/OFF lại bộc lộ nhiều khuyết điểm thuộc về bản chất cố hữu, không thể cải tiến được Do đó yêu c-u đặt ra là xây dựng một phương thức điều khiển tối ưu hơn tương th(ch với công nghệ hiện đại Dựa trên nguyên lý điều khiển điện *p trung bình một c*ch tuyến t(nh và liên tục, kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) được đưa vào sử dụng hiệu quả với nhiều đối tượng điều khiển (tốc độ, nhiệt, chất lưu, mômen, vị tr(…).
Ưu điểm nổi bật nhất của phương pháp PWM là: t-n số đ*p ứng nhanh, giảm sai số x*c lập, điều chỉnh công suất liên tục và tiết kiệm năng lượng.
Trang 112.4.3 Phương pháp điều khiển Fuzzy
Hoạt động của một bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương ph*p r.t ra kết luận theo tư duy của con người sau nó được cài đặt vào m*y t(nh trên cơ sở logic
Ngoài ra còn có khối giao diện vào và ra như:
Hình 3Cấu tr.c cơ bản bộ điều khiển mờ
Khối mờ ho* có chức năng chuyển mỗi gi* trị rõ của biến ngôn ngữ đ-u vào thành véctơ µ có số ph-n tử bằng số tập mờ đ-u vào.
Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển.
Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ ngõ ra thành gi* trị y0 (ứng với mỗi gi* trị rõ x0 để điều khiển đối tượng).
Giao diện đ-u vào thực hiện công việc tổng hợp và chuyển đổi t(n hiệu vào (từ tương tự sang số), ngoài ra còn có thể có thêm c*c khâu phụ trợ để thực hiện bài to*n động như t(ch phân, vi phân…
Giao diện đ-u ra thực hiện chuyển đổi t(n hiệu ra (từ số sang tương tự) để điều khiển đối tượng.
Ưu điểm:
- Hữu (ch trong việc không x*c định được mô hình to*n của đối tượng hệ thống cho phép quyết định với gi* trị ước lượng trong điều kiện thông tin không đ-y đủ hoặc không chắc chắn
Nhược điểm:
- Mang t(nh ước lượng trong điều kiện không chắc chắn Chưa có phương ph*p cụ thể đảm bảo việc lựa chọn tập mờ và luật mờ tối ưu cho bộ điều khiển - Chất lượng điều khiển hệ thống phụ thuộc vào số luật mờ, chất lượng luật mờ.
2.4.4 Bô y điều khiển PID
Trang 12Hình 4Cấu tr.c bộ điều khiển PID cơ bản
PID là bộ điều khiển vi t(ch phân tỉ lệ với ba khâu l-n lượt là: Khâu tỉ lệ Kp, khâu t(ch phân Ki, khâu vi phân Kd.
Với: u(k) là t(n hiệu điều khiển thời điểm hiện tại, e(k) là sai số ở thời điểm hiện tại, e(k-1) là sai số trước đó 1 mẫu, e(k-2) là sai số trước đó 2 mẫu
T là thời gian lấy mẫu
Điều khiển tỉ lệ (Kp) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm nhưng không loại bỏ sai số x*c lập
Điều khiển t(ch phân (Ki) sẽ loại bỏ sai số x*c lập nhưng có thể làm đ*p ứng qu* độ xấu đi
Điều khiển vi phân (Kd) có t*c dụng làm tăng sự ổn định của hệ thống, giảm vọt lố và cải thiện đ*p ứng qu* độ
Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển khi tăng Kp, Ki, Kd lên hệ thống vòng k(n được tóm tắt như sau:
Trang 13Bảng 3Bảng luật điều khiển thông số PID
Đ*p ứng vòng k(n Thời gian
lên Vọt lố Thời gian x*clập Sai số x*c lập Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm
Kd Giảm nhỏ Giảm Giảm Không ảnh hưởng 2.4.5 Phương pháp tối ưu cho lò nhiệt
Hàm truyền của lò nhiệt là:
Lựa chọn phương ph*p PID:
Điều chỉnh nhiệt độ đặt tối ưu, lò ấp trứng c-n lưu dữ nhiệt độ ổn định=> sử dụng lưu đồ giải thuật PID điều chỉnh.
Scale nhiệt độ tối ưu => sử dụng mạch khuếch đại công suất, dịch mức.
Nhận biết nhiệt độ, đưa t(n hiệu về vi xử l( sử l( t(n hiệu =>Sử dụng mạch công suất triac k(ch góc Anpha th(ch hợp.
Trang 142.5 Cấu trúc 1 lò ấp trứng trong công nghiệp
Trong công nghiệp người ta sẽ yêu c-u khắt khe hơn về c*c tiêu chuẩn của phương ph*p ấp trứng nên lò nhiệt cũng có một số chi tiết phức tạp hơn gia tăng sản lượng cũng như tỉ lệ nở trứng.
Hình 5Cấu tạo lò ấp trức trong công nghiệp Cấu tạo chung của lò ấp trứng trong công nghiệp: - (1)(2) dùng để chứa trứng
- (3) bộ điều khiển trung tâm (vi xử lý).
- (4)(5)(6) dung để làm m*t (giảm nhiệt độ), làm khô (giảm độ ẩm) - (7) là bộ phận dung để gia nhiệt.
- (9) là động cơ dung để đảo trứng.
- (10) dung để tăng độ ẩm th(ch hợp cho từng giai đoạn.
Trang 15Chương 3Thiết kế phần cứng 3.1Yêu cầu thiết kế
- Theo yêu c-u của người dùng về ph-n cứng của hệ thống điều khiển và gi*m s*t nhà k(nh này c-n phải đặt những yêu c-u sau:
- Thiết kế được lò nhiệt ấp được số lượng trứng từ 20-25 quả trong 1 l-n ấp - Có thể ấp được nhiều loại trứng kh*c nhau như trứng vịt, trứng c.t, trứng gà, … - Công suất tiêu thụ của hệ thống gia nhiệt tối đa 60W.
- Sai số cho phép nằm trong khoảng ±2 ℃
- Có thể thay đổi được nhiệt độ nằm trong khoảng từ 25 -80 ℃ ℃
- Hệ thống ổn định theo nhiệt độ mong muốn người dùng, sai số thấp, thời gian nhiệt độ x*c lập vừa đủ để hệ thống hoạt động tốt, …
- Đọc và hiển thị được nhiệt độ của lò, lấy được thông số sau đó cài đặt cho hệ
- Khối công suất: bao gồm mạch công xuất để nhận t(n hiệu từ khối trung tâm k(ch cho khối nhiệt độ tạo ra nhiệt độ th(ch và thiết bị gia nhiệt để gia tăng nhiệt độ khi chưa đạt nhiệt độ yêu c-u
- hợp
- Khối cảm biến: bao gồm cảm biến Pt100 và bộ chuyển đổi t(n hiệu đo giảm sai số của lò nhiệt
- Khối Nguồn: Cấp nguồn cho c*c khối hoạt động
- Khối hiển thị: Hiển thị nhiệt độ đo được và nhiệt độ ch.ng ta đặt để dễ dàng kiểm so*t.
Trang 161 chân anolog chuyển dổi t(n hiệu từ nhiệt dộ sang t(n hiệu số dể xử lý 1 chân digital dể xuất t(n hiệu ra cho khối nhiệt dộ.
1 chân digital dể nhận t(n hiệu k(ch xung từ bên ngoài Nguồn ra 5V, 3.3V th(ch hợp cho c*c mạch hoạt dộng bên ngoài C*c lựa chọn có thể: ARDUINO, PIC16F887A, PIC16F877A, ATMEL
Dễ sử dụng và đ*p ứng được c*c nhu c-u của mô hình lò nhiê 't
Kết nối với m*y t(nh dễ dàng bằng port USB dễ dàng đổ chương trình vì có c*c thư viê 'n hỗ trợ ở ph-n mền Matlab
Có nguồn 5V để dùng cho c*c thiết bị hoă 'c module kh*c nếu c-n Thông số ARDUINO R3
Bảng 4Thông số cơ bản của Arduino Uno R3
Vi diều khiển ATmega328 họ 8bit
Ðiện *p hoạt dộng 5V DC (chỉ duợc cấp qua cổng USB) T-n số hoạt dộng 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Ðiện *p vào khuyên dùng 7-12V DC Ðiện *p vào giới hạn 6-20V DC
Trang 17Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (dộ phân giải 10bit) Dòng tối da trên mỗichân
+ Ð*p ứng yêu c-u trong dải từ 20 °C-60°C + Hệ thống gia nhiệt duy trì liên tục, nhiệt dộ tự nhiên
Chất liệu cảm biến tốt sử dụng được lâu dài.
C*c lựa chọn có thể: Đọc nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ LM35, PT100, DS18B20, C~m biến: Pt100.
Tổng quan PT100:
RTD là một loại cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt RTD có thiết kế là một thanh kim loại hay dây kim loại mà điện trở của nó phụ thuộc theo sự thay đổi của nhiệt độ.
Trang 18Ưu điểm: Độ ch(nh x*c cao Thang đo phạm vi rộng Đa dạng về chiều dài.
Độ ổn định cao theo năm th*ng, độ trôi sai số chỉ khoảng 0.1%/năm.
Hình 9Cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây
Thông số kỹ thuật PT100: Dãy đo nhiệt độ: 0°C 400°C Kết nối ren hoặc tiếp x.c Chiều dài que đo: 30mm Đường k(nh que đo: 4mm.