CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đềVấn đề của đề tài "Điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID" là tìm hiểu và áp dụng phương pháp điều khiển PID vào hệ thống lò nhiệt để đạt được mục tiêu
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Vấn đề của đề tài "Điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID" là tìm hiểu và áp dụng phương pháp điều khiển PID vào hệ thống lò nhiệt để đạt được mục tiêu điều khiển nhiệt độ hiệu quả.
Lò nhiệt là một hệ thống điều khiển nhiệt độ thông qua việc điều chỉnh nguồn nhiệt đến một quá trình hay một không gian nhất định Việc điều khiển nhiệt độ chính xác trong lò là một yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trong công nghiệp, nghiên cứu khoa học, y học, và nhiều lĩnh vực khác.
Phương pháp điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một phương pháp điều khiển phổ biến và mạnh mẽ trong ngành tự động hóa Nó kết hợp ba thành phần cơ bản: tỷ lệ, tích phân và vi phân để tạo ra tín hiệu điều khiển phù hợp Tín hiệu điều khiển này được tính toán dựa trên sai số giữa giá trị đặt và giá trị đo của nhiệt độ, và được sử dụng để điều chỉnh nguồn nhiệt vào lò nhiệt.
Vấn đề của đề tài này là đảm bảo rằng hệ thống điều khiển PID đáp ứng đúng yêu cầu và đạt được hiệu suất tối ưu trong việc điều khiển nhiệt độ trong lò Cần xác định và giải quyết các thách thức có thể phát sinh trong việc cài đặt và điều chỉnh hệ thống PID, bao gồm cân bằng giữa độ ổn định và thời gian phản hồi, phản hồi chậm, tác động nhiễu, và hiệu ứng tương tác giữa các thành phần PID.
Tóm lại, vấn đề của đề tài "Điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID" là nghiên cứu và áp dụng phương pháp điều khiển PID vào hệ thống lò nhiệt để đạt được sự ổn định và chính xác trong điều khiển nhiệt độ.
Mục tiêu của đề tài
Xây dựng một bộ điều khiển nhiệt độ hiệu quả cho lò nhiệt, giúp duy trì nhiệt độ ổn định và chính xác trong quá trình hoạt động Phương pháp điều khiển PID được áp dụng để cải thiện tính ổn định và độ chính xác của hệ thống điều khiển nhiệt độ, đồng thời giảm thiểu sai số điều khiển cho hệ thống.
Các mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:
- Thiết kế và xây dựng bộ điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng phương pháp PID.
- Đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển nhiệt độ, đảm bảo nhiệt độ được duy trì ổn định và chính xác trong suốt quá trình hoạt động.
- So sánh hiệu quả và độ chính xác của hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng phương pháp PID so với phương pháp điều khiển cổ điển.
- Đề xuất các cải tiến và phát triển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng phương pháp PID trong tương lai.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Điều khiển nhiệt độ của lò nhiệt có công suất nhỏ.
- Lò nhiệt là mô hình phi tuyến Đặc trưng của lò nhiệt có đặc tính là khâu quán tính bậc cao, được xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất có khâu trễ pha.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước về đề tài
"Bộ điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng phương pháp PID" đã đạt được một số kết quả đáng chú ý Đây là một lĩnh vực quan trọng trong ngành tự động hóa và điều khiển, nhằm điều chỉnh và duy trì nhiệt độ ổn định trong lò nhiệt.Trong nước, cũng đã có một số nghiên cứu về bộ điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng phương pháp PID Các nghiên cứu này thường tập trung vào áp dụng PID truyền thống và tinh chỉnh thủ công các thông số PID để đạt được hiệu suất tốt Một số phương pháp tinh chỉnh PID đã được đề xuất như phương pháp Ziegler-Nichols và phương pháp áp dụng thuật toán thông minh như thuật toán tối ưu hóa và thuật toán di truyền.
Ngoài nước nhiều nghiên cứu đã được tiến hành với mục tiêu nâng cao hiệu suất và độ chính xác của bộ điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng phương pháp PID Các phương pháp tối ưu hóa PID đã được áp dụng để cải thiện hiệu suất điều khiển và giảm đáng kể sai số Một số nghiên cứu cụ thể đã tập trung vào việc cải thiện độ phân giải và tốc độ phản hồi của bộ điều khiển, tăng cường khả năng chống nhiễu và ổn định của hệ thống.
Ngoài ra, một số nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển dự báo, điều khiển phân tầng và điều khiển mô hình hóa Các phương pháp này có thể cung cấp khả năng dự báo và tương tác linh hoạt hơn với môi trường lò nhiệt, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất và độ chính xác của hệ thống điều khiển nhiệt độ.
Nội dung thực hiện
Thực hiện hệ thống lò nhiệt bằng phương pháp PID bao gồm các bước chính sau:
- Bước 1: Xác định mục tiêu điều khiển nhiệt độ: Đầu tiên, xác định mục tiêu nhiệt độ muốn đạt được trong lò nhiệt Điều này sẽ được dùng làm tham số đầu ra để điều khiển.
- Bước 2: Xây dựng và cài đặt thuật toán điều khiển PID: Dựa trên thông số PID đã xác định, xây dựng thuật toán điều khiển PID.
- Bước 3: Xác định thông số PID: Xác định các thông số PID tối ưu cho hệ thống điều khiển.
- Bước 4: Điều chỉnh và hiệu chỉnh PID: Điều chỉnh và hiệu chỉnh các thông số PID để đảm bảo hiệu suất tối ưu
- Bước 5: Kiểm tra và đánh giá hiệu suất: Tiến hành kiểm tra và đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển PID trên lò nhiệt thực tế Đo và so sánh nhiệt độ thực tế với mục tiêu nhiệt độ để đánh giá độ chính xác và ổn định của hệ thống.
- Bước 6: Tinh chỉnh và tối ưu hóa: Dựa trên kết quả đánh giá, tinh chỉnh và tối ưu hóa hệ thống điều khiển PID để cải thiện hiệu suất.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết về lò nhiệt
Lò nhiệt là một thiết bị sử dụng năng lượng điện để tạo ra nhiệt độ cao, thường được sử dụng trong các ứng dụng như sưởi ấm không gian, sấy khô hoặc chảo nhiệt Nguyên lý hoạt động của lò nhiệt dựa trên chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng thông qua các thành phần điện tử như mạch kích triac và mạch phát hiện điểm 0 Điện năng từ nguồn điện sẽ được điều khiển và biến đổi thành nhiệt độ cao để đáp ứng yêu cầu của quá trình sưởi ấm hoặc làm nóng.
Một lò nhiệt thông thường bao gồm các thành phần chính sau:
- Nguồn điện: Lò nhiệt sử dụng nguồn điện để cung cấp năng lượng cho quá trình sưởi ấm hoặc làm nóng Nguồn điện thường là một nguồn AC (điện áp xoay chiều).
- Mạch điều khiển: Mạch điều khiển trong lò nhiệt có nhiệm vụ điều khiển công suất đầu ra và duy trì nhiệt độ mong muốn Mạch điều khiển thường được xây dựng với sự kết hợp của các thành phần điện tử như mạch kích triac và mạch phát hiện điểm 0, cùng với vi xử lý để xử lý tín hiệu và thực hiện các thuật toán điều khiển.
- Thiết bị chuyển đổi: Thiết bị chuyển đổi, như mạch kích triac, được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng điện thông qua lò nhiệt Mạch kích triac cho phép điều chỉnh công suất đầu ra bằng cách kiểm soát thời gian dẫn của điện trong một chu kỳ điện áp AC Khi thời gian dẫn tăng, công suất đầu ra tăng và ngược lại.
- Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để đo và giám sát nhiệt độ trong lò nhiệt Các loại cảm biến nhiệt độ thông thường bao gồm các cảm biến điện trở, cảm biến nhiệt độ quang điện hoặc cảm biến nhiệt độ hồ quang.
Lý thuyết về bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là một hệ thống điều khiển tự động được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và điều khiển quá trình PID là viết tắt của Proportional-Integral-Derivative, đại diện cho ba thành phần chính trong hệ thống này là: khâu khuyếch đại (P), khâu tích phân (I), khâu vi phân (D).
Hình 2.1 Bộ điều khiển PID Một hệ thống với bộ điều khiển PID cơ bản:
Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển hệ thống Trong đó:
SP: Giá trị đặt e(t): Sai số (e = SP – PVht) u(t): Tín hiệu điều khiển
PV: Giá trị hiện tại của hệ thống
PV h : Giá trị hồi tiếp
Hàm truyền của bộ điều khiển PID số có dạng:
- T (s): là thời gian lấy mẫu
Trong đề tài này nhóm sử dụng phương pháp điều chỉnh thủ công để điều khiển
Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết đặt giá trị đầu tiên của K và K bằng không Tăng dần K choi d p đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó K có thể được đặt tớip xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Sau đó tăng K đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý Tuy nhiên,i
Ki quá lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng, tăng K nếu cần thiết, cho đến khid vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu Tuy nhiên, K quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố d
Bảng 2.1 Điều khiển hệ thống phụ thuộc vào các thông số PID
Thông số Thời gian khởi động
Quá độ Thời gian xác lập
Sai số ổn định Độ ổn định
Kp Giảm Tăng Thay đổi Giảm Giảm cấp nhỏ
Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể
Kd Giảm ít Giảm ít Giảm ít Về lý thuyết không tác động
Cải thiện nếu Kd nhỏ
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG
Giới thiệu tổng quan về hệ thống
Hệ thống "Điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID" là một ứng dụng của phương pháp điều khiển PID trong việc duy trì và điều chỉnh nhiệt độ của một lò nhiệt Phương pháp PID (Proportional-Integral-Derivative) là một phương pháp điều khiển phổ biến và hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động.
Trong hệ thống "Điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID", mục tiêu là điều chỉnh nhiệt độ trong lò nhiệt để đạt được một giá trị đặt trước được xác định
Khối xử lí chính sẽ được thực hiện trên bo mạch Arduino sử dụng vi điều khiển Arduino Uno Trong hệ thống lò nhiệt, cảm biến nhiệt độ sử dụng để đo lường và cung cấp thông tin về mức nhiệt độ hiện tại Thông tin này sau đó được truyền cho bộ điều khiển để xử lý và đưa ra quyết định điều chỉnh góc mở của Triac với sự đồng bộ của mạch dò điểm 0 qua đó điều khiển nhiệt độ.
Hệ thống thiết kế một giao diện người dùng GUI dựa trên nền tảng Winform viết bằng ngôn ngữ C# Giao diện người dùng này sẽ cung cấp cho người dùng về điều chỉnh các thông số PID, nhiệt độ đặt với vi điều khiển Arduino Uno đồng thời cũng nhận lại nhiệt độ, sai số, tín hiệu điều khiển từ Arduino Uno gửi về thông qua giao thức truyền thông UART Giao diện còn cung cấp cho người dùng về biểu đồ của đáp ứng ngõ ra, sai sô, tín hiệu điều khiển thông qua đó dễ dàng đánh giá được đáp ứng của hệ thống mà đưa ra các điều chỉnh về thông số PID.
Về giao thức truyền thông UART, giao thức này cung cấp một phương thức truyền thông đơn giản và đáng tin cậy, cho phép truyền dữ liệu giữa các thành phần của hệ thống Những thông số lựa chọn như cổng COM, tốc độ truyền, data bit cũng sẽ được thiết lập trên giao diện người dùng – GUI.
Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng trên Proteus
Chân A0 của Arduino nhận tín hiệu ADC thông qua cảm biến LM35 được nối với mạch nguồn DC 12V để đọc nhiệt độ.
Chân PIN DIGITAL 7 được nối với chân 1 của mạch kích Triac, chân 2 của mạch Triac được nối vào GND.
Ngõ ra của mạch phát hiện điểm 0 được nối vào chân DIGITAL 2, dùng trực tiếp nguồn 5V của Arduino để cấp nguồn cho mạch, chân transitor củaOPTO được nối vào mass.
Nguyên tắc hoạt động
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống lò nhiệt dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng để tạo ra và duy trì một nhiệt độ mong muốn trong lò Quá trình hoạt động của hệ thống lò nhiệt có thể được mô tả như sau:
Nguồn cung cấp năng lượng sử dụng nguồn xoay chiều 220V.
Môi trường lò: dùng thùng xốp với kích thước 31cm x 21cm x 25cm để làm môi trường lò chứa bóng đèn sợi đốt và cảm biến nhiệt Kích thước hộp nhỏ đủ để đáp ứng được cho quá trình hoạt động của hệ thống.
Hệ thống điều khiển: sử dụng phương pháp điều khiển bằng PID
Cảm biến nhiệt độ: Hệ thống lò nhiệt sử dụng cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ hiện tại trong lò Cảm biến ở đây nhóm dùng LM35 gắn kết với bộ vi xử lý Arduino Uno để gửi tín hiệu về nhiệt độ hiện tại.
Hệ thống điều chỉnh: Dựa trên tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, hệ thống điều khiển sẽ so sánh giá trị nhiệt độ hiện tại với giá trị đặc tính mục tiêu Nếu có sai lệch, hệ thống điều khiển sẽ điều chỉnh góc mở Triac để giữ cho nhiệt độ trong lò ở mức mong muốn.
Phản hồi và điều chỉnh: Quá trình điều chỉnh được tiếp tục thông qua phản hồi từ cảm biến nhiệt độ Hệ thống điều khiển sẽ liên tục so sánh nhiệt độ hiện tại và nhiệt độ mục tiêu, và điều chỉnh nguồn cung cấp năng lượng hoặc môi trường lò để duy trì nhiệt độ ổn định.
Quá trình này được lặp đi lặp lại để duy trì nhiệt độ mong muốn trong lò nhiệt Các thông số và thiết bị trong hệ thống lò nhiệt có thể được tinh chỉnh để đạt hiệu suất và đáp ứng tốt nhất cho quá trình nung hoặc xử lý nhiệt cụ thể. Để hiểu rõ hơn vấn đề hoạt động của lò, chúng ta sẽ đi vào nguyên lý của từng khối mạch trong hệ thống
Hình 3.3 Mạch phát hiện điểm 0 mô phỏng trên Proteus
Mạch phát hiện điểm 0 là một mạch điện được sử dụng để xác định thời điểm khi tín hiệu điện chuyển từ âm thành dương hoặc từ dương thành âm trong chu kỳ điện áp xoay chiều (AC) Nó sử dụng một cặp đầu dò để giám sát điện áp và phát hiện điểm zero crossing (điểm 0) Khi mạch phát hiện điểm 0 nhận được tín hiệu điện từ đầu dò, nó sẽ gửi một tín hiệu đến bộ điều khiển để đồng bộ hóa hoạt động của các thiết bị điện trong hệ thống.
Khi cấp điện áp xoay chiều 220V qua cầu diode, ta thu được điện áp với bán kỳ dương dao động tần số fPHz, tức chu kỳ dao động là T=0.02s ms Dòng điện qua cầu diode tới zener có V =4.7V Khiz
Vdiode5(V )⟹ V ED ≈ 4.7(V )⟹ Led của OPTO sẽ sáng ⟹ Ngõ ra đưa vào Arduino là 0(V)
Nếu V CD 0 && delimiter2 > delimiter1 && delimiter3 > delimiter2) {
Kp = message.substring(0, delimiter1).toDouble();
Ki = message.substring(delimiter1 + 1, delimiter2).toDouble();
Kd = message.substring(delimiter2 + 1, delimiter3).toDouble(); nhietdodat = message.substring(delimiter3 + 1).toDouble();
// TODO: Sử dụng các giá trị kp, ki, kd, nhietdodat nhận được trong các xử lý khác
Serial.begin(9600); pinMode(LM35_PIN, INPUT); pinMode(zeroCrossingPin, INPUT); pinMode(TRIAC_PIN, OUTPUT);
{ attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(zeroCrossingPin), TriacControl, RISING);
Timer1.initialize(1000000); //don vi us
Kết quả thực nghiệm
Bộ thông số PDI sau quá trình tinh chỉnh thu được: Kp=4; Ki=0; Kd=0;
Hình 4.10 Kết quả thực nghiệm
Đánh giá kết quả thực nghiệm
Đáp ứng ngõ ra của hệ thống với thông số bộ điều khiển Kp=4; Ki=0;Kd=0; cho ra đáp ứng với e ss ≈ 0, thời gian xác lập xấp xỉ 30s, độ vọt lố xấp xỉ bằng 0, hệ thống ổn định.