đồ án 2 hệ thống điều khiển tự động điều khiển pid hệ lò nhiệt

Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh t , vế ấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một quá trình không th thiể ếu được, nh t là trong công nghiấ ệp.. Tính ổn định và chính xác c a nhiủ ệt độ cũn

BỘ GIÁO D ỤC & ĐÀO TẠ O

-⸙∆⸙ -

Môn h c: ọ Đồ án 2 h th ệ ống điề u khi n t ể ự độ ng

ĐIỀ U KHI N PID H LÒ NHI T Ể Ệ Ệ

GVHD: Nguyễn Văn Đông Hải SVTH:

Trương Quang Trường 20151425

Lý Đắc Vinh 20151430

Tp H Chí Minh tháng 12 ồ năm 2022

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 G IỚI THI U VỆ Ề PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1

1.2 G IỚI HẠN ĐỀ TÀI 2

1.2.1 Phạm vi điều khi ển 2

1.2.2 Mục đính nghiên cứu 2

1.3 G IỚI THI U LINH KIỆ ỆN 2

1.3.1 Arduno UNOR3 2

1.3.2 C m bi n nhiả ế ệt độ LM35 3

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 5

2.1 X ÁC ĐỊNH HÀM TRUY N VÀ THÔNG S CHO BỀ Ố Ộ ĐIỀU KHIỂN 5

2.2 K HẢO SÁT V I B Ớ ỘKP V I Ớ K I , K =0 D 7

2.3 K HẢO SÁT V I B Ớ ỘPI (K P =0.1, K D =0) 9

2.4 K HẢO SÁT V I B D Ớ ỘP (K P =0.1, K I =0) 13

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 16

3.1 M ẠCH PHÁT HIỆN ĐIỂM 0 16

3.2 MẠCH NHÂN ĐÔI 16

3.3 M ẠCH KÍCH TRIAC 17

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT MÔ HÌNH LÒ NHIỆT THỰC TẾ 18

4.1 M Ô HÌNH LÒ NHI T TH C TẾ Ự Ế 18

4.2 T HÔNG S ỐPID CHUẨN KHI ĐẶT NHIỆT ĐỘ 𝟒𝟎𝒐𝑪 18

4.3 T HÍ NGHIỆM THAY ĐỔI BỘ THÔNG S ỐK P 19

4.4 T HÍ NGHIỆM THAY ĐỔI BỘ THÔNG S ỐK I 20

4.5 T HÍ NGHIỆM THAY ĐỔI BỘ THÔNG S ỐK D 22

4.6 T HÍ NGHI M V I Ệ Ớ PID KHI NHI ỆT ĐỘ ĐẶT LÀ 𝟔𝟎𝒐𝑪 23

1 | P a g e

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Gi i thi u v ớ ệ ề phương pháp điều khiển

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh vực, trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt Nhiệt độ trở nên là mối quan tâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy và điều khi n nhiể ệt độ ở thành m t trong nh ng m c tiêu c tr ộ ữ ụ ủa ngành Điều Khiển Tự Động Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh t , vế ấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một quá trình không th thiể ếu được, nh t là trong công nghiấ ệp Đo nhiệt độ trong công nghiệp luôn g n li n v i quy trình công ngh c a s n xu t, viắ ề ớ ệ ủ ả ấ ệc đo và kiểm soát nhiệt độtốt quyết định r t nhiấ ều đến chất lượng c a s n ph m trong các ngành công nghi p th c ủ ả ẩ ệ ựphẩm, luyện kim, xi măng, gốm s , công nghi p ch tứ ệ ế ạo động cơ đốt trong

Tùy theo tính ch t, yêu c u c a quá ấ ầ ủ trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điều khi n thích ểhợp Tính ổn định và chính xác c a nhiủ ệt độ cũng được đòi hỏi ở đây đặt ra các vấn đề cần phải gi i quy t ả ế

Một điều thực sự cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cần phải điều khiển để ẫn đế d n mô hình toán học cụ thể Từ đó chúng ta sẽ ải quy gi ết bài toán điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu s n H thẳ ệ ống điều khi n nhiể ệt độ có th phân làm ểhai lo i: h thạ ệ ống điều khiển h i ti p (feedback control system) và h thồ ế ệ ống điều khi n tu n ể ầ

tự (sequence control system)

Một h thệ ống mu n chính xác c n ph i th c hi n h i ti p tín hi u v so sánh vố ầ ả ự ệ ồ ế ệ ề ới tín hi u ệvào và ra s ẽ được gởi đến bộ điều khi n hi u chể ệ ỉnh đầu ra H thệ ống điều khi n h i ti p có ể ồ ếnhiều ưu điểm nên thường được thấy trong các hệ thống tự động

Đây là một hệ thống hồi tiếp qua bộ cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệt độ về so sánh với giá trị đặt, sai l ch gi a tín hiệ ữ ệu đặt và đo sẽ được đưa tớ ộ điều khi n t o tín hi u i b ể ạ ệđiều khiển công su t c p cho b ph n gia nhiấ ấ ộ ậ ệt Như vậy các phương pháp điều khiển khác nhau v b n ch t là do các b ề ả ấ ộ điều khi n khác nhau t o nên ể ạ

Ở đồ án này, nhóm chúng em sẽ sử dụng phương pháp điều khiển PID số để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt Đầu tiên, chúng em sẽ thiết kế hàm truyền cho lò nhiệt sau đó tìm quyluật thay đổi của hệ thống bằng cách mô phỏng hàm truyền thiết kế được trên phần mềm Matlab/Simulink T ừ đó, chúng em có được b thông sộ ố điều khi n t t nh t cho h th ng ể ố ấ ệ ố

Bộ Đ ều Khi n i ể

Cảm Bi n Nhiế ệt Độ

Bộ Ph n Gia Nhi t ậ ệGiá Tr ị

1.2 Gi i hớ ạn đề tài

1.2.1 Phạm vi điều khi n ể

Sử dụng Arduino UNO R3 điều khi n lò nhi t bể ệ ằng phương pháp PID

Giám sát điều khi n và thu th p d li u hoể ậ ữ ệ ạt động c a lò nhi t s d ng ph n m m Terminal, ủ ệ ử ụ ầ ềArduino IDE và Matlab

1.2.2 Mục đính nghiên cứu

Mục tiêu th c hiự ện đề tài này là để đủ điều ki n hoàn thành yêu c u c a môn h c C th ệ ầ ủ ọ ụ ểkhi nghiên cứu đề tài chúng em mu n phát huy nh ng thành quố ữ ả đã học và ng d ng c a ứ ụ ủphương pháp điều khi n PID vào m t h th ng th c tể ộ ệ ố ự ế Ngoài ra, nó còn là cơ hội để chúng

em t ki m tra l i nh ng ki n thự ể ạ ữ ế ức đã học ở trường vả tích góp kinh nghi m nh m tiệ ằ ến đến thực hiện đồ án t t nghi p s p tố ệ ắ ới

3 | P a g e

Thông s k thu t ố ỹ ậ

cổng USB)

PWM)

Dòng tối đa trên mỗi chân

cả các thành viên trong họ LM35 đều hoạt động theo nguyên t c giắ ống nhau nhưng khảnăng đo nhiệt độ khác nhau và chúng cũng có nhiều kiểu chân khác nhau

Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C

Độ tự gia nhiệt thấp, 0.08°C trong không khí tĩnh

Sai số: 0.25°C

Kiểu chân: TO92

Kích thước: 4.3 × 4.3mm

Nguyên lý hoạt động

Cảm bi n LM35 hoế ạt động b ng cách cho ra m t giá trằ ộ ị điện áp nhất định t i chân ạ

VOUT (chân giữa) ứng v i m i m c nhiớ ỗ ứ ệt độ Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của cảm biến LM35 điện áp 5V, chân ph i nả ối đất, đo hiệu điện th ế ở chân gi a, b n s ữ ạ ẽ có được nhiệt độ (0-100ºC) tương ứng với điện áp đo được

Vì điện áp ngõ ra của cảm biến tương đối nh nên thông ỏ thường trong các mạch ứng d ng ụthực tế, chúng ta thường dùng Op-Amp để khuếch đại tín hiệu điện áp ngõ ra này

5 | P a g e

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

2.1 Xác định hàm truy n và thông s cho b ề ố ộ điều khi n ể

−

=+

Để áp dụng cho hệ tuyến tính ta lấy khai triển Taylor của hàm Ls

e− , hàm truyền trở thành:

KG

Khối PID:

Tín hi u t scope ệ ừ

Nhận xét:Ta có b Pid vộ ới Kp=0.1, Ki=0.0001, Kd=0.7 là bộ PID chuẩn của hệ

NHẬN XÉT: Sau khi s dử ụng bộ Kp ta nhận thấy tăng Kp sẽ làm độ ọt lố tăng rất l n, v ớ

nhưng sai số xác lập giảm

2.3 Kh o sát v i b PI (Kp=0.1, Kd=0) ả ớ ộ

NHẬN XÉT: Sau khi s d ng b PD ta nh n thử ụ ộ ậ ấy tăng Kd có tác d ng làm giụ ảm độ vọt

lố, thời gian xác l p ậ lâu hơn nhưng không ảnh hưởng đến sai số xác l p cậ ủa hệ ố th ng

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG M CH Ạ

3.2 Mạch nhân đôi

Linh ki n s d ng: ệ ử ụ

Op-amp LM358; Điện tr 10kở Ω

Nguyên lý làm vi c: ệ

Mạch khuếch đại không đảo là c u hình m ch op-amp t o ra tín hiấ ạ ạ ệu đầu ra được khuếch

đại và tín hiệu đầu ra của op-amp không đảo này cùng pha với tín hiệu đầu vào được áp dụng

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT MÔ HÌNH LÒ NHI T TH C T Ệ Ự Ế

4.1 Mô hình lò nhi t thế ực tế

4.2 Thông s PID chuố ẩn khi đặt nhi ệt độ 𝟒𝟎 𝒐𝑪

Pid chu n Kp=4, Kd=0.001, Ki=0.01 ẩ

19 | P a g e

4.3 Thí nghiệm thay đổ ội b thông s Kp ố

Thông qua Matlab chúng ta có đồ th : ị

Nhận xét:

- Khi tăng Kp thì độ v t l gi m, th i gian xác l p gi m, sai s xác l p giọ ố ả ờ ậ ả ố ậ ảm

- Khi giảm Kp thì độ ọ ố ả v t l gi m m nh, th i gian xác l p gi m m nh, sai s xác l p ạ ờ ậ ả ạ ố ậ

giảm

Theo lý thuy t: ế

- Khi Kp tăng độ v t lọ ố tăng

- Khi Kp giảm độ ọ ố ảm v t l gi

- Sai s xác l p và th i gian xác lố ậ ờ ập thay đổi không đáng kể

Kết lu n: ậ Kết quả khi tăng Kp không giống lý thuy t ế

4.4 Thí nghiệm thay đổ ội b thông s Ki ố

Thông qua Matlab chúng ta có đồ thị

Nhận xét:

- Khi tăng Ki thì độ vọt l ố tăng, thời gian xác lập không thay đổi nhiều, sai s xác l p ố ậtăng

21 | P a g e

- Khi giảm Ki thì độ vọt l gi m, th i gian xác l p gi m m nh, sai s xác lố ả ờ ậ ả ạ ố ập thay đổi không đáng kể và gần bằng giá trị đặt

Theo lý thuy t: ế

- Ki tăng độ v t l ọ ố tăng, sai số xác l p dậ ần được lo i b , th i gian xác lạ ỏ ờ ập tăng

- Hệ th ng m t ố ấ ổn định và để đạt được tr ng thái ạ ổn định ph i m t kho ng th i gian ả ấ ả ờ

4.5 Thí nghiệm thay đổ ội b thông s Kd ố

Thông qua Matlab chúng ta có đồ thị

Nhận xét:

- Khi tăng Kd thì độ v t l gi m, th i gian xác lọ ố ả ờ ập tăng, sai số xác l p gi m m nh ậ ả ạ

- Khi giảm Kd thì độ vọt lố giảm, thời gian xác lập tăng, sai số xác lập giảm