Điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng bộ điều khiển PID

Điều khiển PID là một kiểu điều khiển có hồi tiếp, ngõ ra thay đổi tương ứng với sự thay đổi của giá trị đó. Ta có thể áp chỉ áp dụng điều khiển P, PI hay PID Điều khiển PID là một kiểu điều khiển có hồi tiếp, ngõ ra thay đổi tương ứng với sự thay đổi của giá trị đó. Ta có thể áp chỉ áp dụng điều khiển P, PI hay PID. PID (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển PID được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vòng kín (có tín hiệu phản hồi). Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống. Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt còn được gọi là 3 khâu điều khiển: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P,I và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ và D dự đoán các sai số tương lại, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.

BỘ 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 2 ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

Nhận xét của Giảng viên hướng dẫn

L i Cảm n

Trong thời gian làm o o, nh m em đã nhận đượ nhiều sự giúp đỡ, đ ng

g p ý kiến và hỉ ảo nhiệt từ ủa thầy ô

Em xin gửi lời ảm ơn hân thành đến thầy Vũ Văn Phong, đã tận tình hướngdẫn, hỉ ảo em trong suốt qu trình làm o o Trong thời gian làm việ vớithầy, em không những tiếp thu thêm nhiều kiến thứ ổ í h mà òn họ tập đượtinh thần làm việ , th i độ nghiên ứu khoa họ nghiêm tú , hiệu quả, đây là nhữngđiều rất ần thiết ho em trong qu trình họ tập và làm việ sau này

Em ũng xin hân thành ảm ơn thầy ô giảng viên trong trường Đ i ọ

ư Ph m Thuật TP hí inh n i hung, thầy Vũ Văn Phong n i riêng đã

d y ho em kiến thứ về môn đ n điều khiển tự động, giúp em nắm vững những

ơ sở lý thuyết và t o điều kiện giúp đỡ em trong suốt qu trình làm o o

Mục Lục

ụ lụ 1

Danh s h hình 3

hương 1 : Giới thiệu 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 ụ tiêu 4

1.3 Nội dung nghiên ứu 5

1.4 Giới h n 5

hương 2 : ơ ở Lý Thuyết 6

2.1 Bộ điều khiển PID 6

2.2.1 Tổng qu t về PID 6

2.2.2 Lý thuyết về ộ điều khiển PID 8

2.2.3 hâu tỷ lệ P 8

2.2.4 hâu tí h phân I 9

2.2.5 hâu vi phân D 11

2.2.6 Bộ điều khiển PID 12

2.2.7 Nhận xét 12

2.2.8 Lựa họn phương ph p điều hỉnh ộ điều khiển PID 13

2.3 thiết ị sử dụng trong đề tài 13

2.3.1 Vi điều khiển Arduino 13

2.3.2 ảm iến nhiệt độ 16

2.3.3 Relay n dẫn 18

2.3.4 Đèn dây t 19

2.3.5 Vỏ mô hình 20

2.4 Phần mềm Arduino IDE 21

2.4.1 Giới thiệu 21

2.4.2 ử dụng ngôn ngữ lập trình 22

2.5 Phần mềm Visual tudio 22

2.5.1 Giới thiệu tính năng phần mềm Visual tudio 23

2.5.2 Giới thiệu về ông ụ 25

hương 3: Thi ông ệ Thống 26

3.1 ơ đ khối tổng qu t ủa hệ thống 26

3.2 ơ đ đấu nối hệ thống 27

3.4 ô hình phần ứng 27

3.3 Giao diện điều khiển 28

hương 4 hương Trình Điều hiển 29

4.1 Lưu đ giải thuật 29

4.1.3 hương trình điều khiển PID 30

4.2 hương trình điều khiển 30

hương 5: ết Quả Đ t Đượ 33

5.1 ết quả đ t đượ 33

5.1.1 ết quả thi ông phần ứng 33

5.1.2 ết quả thi ông phần mềm 33

5.2 Nhận xét về kết quả 35

5.3 ướng ph t triển 35

Danh Sách Các Hình

ình 2.3 Đ p ứng ủa hệ thống với sự thay đổi p 9ình 2.4 Đ p ứng ủa hệ thống với sự thay đổi i 10ình 2.5 Đ p ứng ủa hệ thống với sự thay đổi d 11

Chương 1: Giới Thiệu

1.1 Đặt Vấn Đề

Trong thự tế ông nghiệp và sinh ho t hàng ngày, năng lượng nhiệt đ ng mộtvai trò rất quan trọng Năng lượng nhiệt thể đượ dùng trong qu trình ôngnghệ kh nhau như nung nấu vật liệu, gang thép, khuôn đú hay đơn giản là ấptrứng, sấy khô thự phẩm,…

Ngày nay, ùng với sự ph t triển ủa khoa họ k thuật, hệ thống tự động

h a ngày àng ph t triển Trong qu trình sản xuất ở nhà m y, xí nghiệp hiệnnay, ùng với sự ph t triển ủa nghành hăn nuôi nên việ đo, khống hế sử dụngnhiệt độ vô ùng quan trọng Vậy nên, nếu hệ thống lò nhiệt ra đời với hứ năngthông dụng giúp ảo quản thự phẩm, sưởi ấm động vật, ấp trứng, giải ph ng sứlao động trong ông việ tay hân, mang l i hiệu quả ao

Đượ sự định hướng và hỉ dẫn ủa thầy Vũ Văn Phong húng em đã họn đềtài “Thiết kế lò nhiệt điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển PID” trên ơ

sở tìm hiểu về ộ điều khiển PID, đ n đã thự nghiệm ho lo i ảm iếnđượ ứng dụng trong nông nghiệp để gi m s t thông số môi trường (nhiệt độkhông khí) đối với việ ấp trứng gà và nhiều ứng dụng kh

- Ổn định nhiệt độ t i nhiệt độ đặt mong muốn

- iển thị nhiệt độ từ lò nhiệt o l i người sử dụng

- T o ra đượ ộ PID giúp hệ thống đ p ứng tốt nhất về thời gian x lập, độ vọt lố,sai số hệ thống

1.3 Nội dung nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

hương này trình ày về lý thuyết ộ điều khiển PID, phương ph p tìm gitrị i, p, d và giới thiệu phần mềm Arduino và thiết ị

Chương 3: Thi công hệ thống

hương này trình ày lựa họn thiết ị, thiết kế phần ứng, xây dựng lưu đ ,viết hương trình điều khiển PID

Chương 4: Kết quả thực hiện

hương này trình ày kết quả đ t đượ , phân tí h kết quả và hướng ph t triểntrong tương lai để đượ sản phẩm tốt nhất

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

hương này trình ày kết luận ủa o o đ n, hướng ph t triển trong tươnglai để đượ sản phẩm tốt nhất

1.4 Giới hạn

- Độ hính x : ô hình sử dụng thùng xốp và ng đèn sợi t thể không đ tđượ độ hính x ao trong việ điều khiển nhiệt độ Việ đo và điều hính nhiệt

độ ằng ằng ảm iến và ng đèn dây t thể gặp phải sai số và không đ ngtin ậy

- Độ ổn định: Thúng xốp khả năng h nhiệt tốt nhưng n ũng thể giữ l inhiệt độ rất lâu khiến hệ thống điều khiển thể hậm trong việ đ p ứng thay đổinhiệt độ mong muốn Điều này thể dẫn đến dao động và không ổn định trongviệ duy trì nhiệt độ

- Thời gian phản h i: B ng đèn dây t thể thời gian phản h i hậm khi điều

mở ng đèn thể không đ p ứng nhanh h ng và hính x với yêu ầu nhiệt độmong muốn

- Giới h n ông suất: B ng đèn dây t giới h n về ông suất và nhiệt độ tối đa

mà n thể đ t đượ Điều này thể h n hế khả năng điều khiển nhiệt độ trongmột ph m vi rộng hoặ trong ứng dụng đòi hỏi nhiệt độ ao

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

2.1 Bộ điều khiển PID

2.2.1 Tổng quát về PID

Hình 2.1 Sơ đồ khối của một hệ thống PID

Điều khiển PID là một kiểu điều khiển h i tiếp, ngõ ra thay đổi tương ứngvới sự thay đổi ủa gi trị đ Ta thể p hỉ p dụng điều khiển P, PI hay PIDĐiều khiển PID là một kiểu điều khiển h i tiếp, ngõ ra thay đổi tương ứngvới sự thay đổi ủa gi trị đ Ta thể p hỉ p dụng điều khiển P, PI hay PID.PID (Proportional Integral Derivative) là một ơ hế phản h i vòng điều khiểnđượ sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển ông nghiệp Bộ điều khiểnPID đượ sử dụng nhiều nhất trong hệ thống điều khiển vòng kín ( tín hiệuphản h i) Bộ điều khiển PID sẽ tính to n gi trị sai số là hiệu số giữa gi trị đothông số iến đổi và gi trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thự hiện giảm tối đasai số ằng h điều hỉnh gi trị điều khiển đầu vào Để đ t đượ kết quả tốt nhất,thông số PID sử dụng trong tính to n phải điều hỉnh theo tính hất ủa hệthống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, thông số phải phụ thuộ vào đặthù ủa hệ thống Giải thuật tính to n ộ điều khiển PID ao g m 3 thông số riêng

iệt òn đượ gọi là 3 khâu điều khiển: gi trị tỉ lệ, tí h phân và đ o hàm, viếttắt là P,I và D Gi trị tỉ lệ x định t động ủa sai số hiện t i, gi trị tí h phân

x định t động ủa tổng sai số qu khứ và gi trị vi phân x định t động

ủa tố độ iến đổi sai số Tổng ủa a t động này dùng để điều hỉnh qu trìnhthông qua một phần tử điều khiển như vị trí ủa van điều khiển hay ộ ngu n ủaphần tử gia nhiệt P phụ thuộ vào sai số hiện t i, I phụ thuộ vào tí h lũy sai

số qu khứ và D dự đo n sai số tương l i, dựa vào tố độ thay đổi hiện t i.Giải thuật tính to n ộ điều khiển PID ao g m 3 thông số riêng iệt òn đượgọi là 3 khâu điều khiển: gi trị tỉ lệ, tí h phân và đ o hàm, viết tắt là P,I và D

Gi trị tỉ lệ x định t động ủa sai số hiện t i, gi trị tí h phân x định t động

ủa tổng sai số qu khứ và gi trị vi phân x định t động ủa tố độ iến đổisai số Tổng ủa a t động này dùng để điều hỉnh qu trình thông qua một phần

tử điều khiển như vị trí ủa van điều khiển hay ộ ngu n 12 ủa phần tử gia nhiệt

P phụ thuộ vào sai số hiện t i, I phụ thuộ vào tí h lũy sai số qu khứ và D dự

đo n sai số tương l i, dựa vào tố độ thay đổi hiện t i

Hình 2.2 Bộ điều khiển PID

Công thức toán của bộ điều khiển PID trên miền Laplace

Trong đ :

- P: độ lợi tỉ lệ

- I : độ lợi tí h phân

- D : độ lợi vi phân

- TI : thời gian khâu vi phân

- TD : thời gian khâu tí h phân

2.2.2 Lý thuyết về bộ điều khiển PID

ơ đ điều khiển PID đượ đặt tên theo a khâu hiệu hỉnh ủa n , tổng ủa akhâu này t o thành ởi iến điều khiển ( Output )

Output = Pout + Iout + Dout

Pout, Iout, Dout là thành phần đầu ra từ a khâu ủa ộ điều khiển PID,đượ x định như dưới đây:

2.2.3 Khâu tỉ lệ P (Proportional)

Điều hỉnh tỉ lệ (P): là phương ph p điều hỉnh t o ra tín hiệu điều hỉnh tỉ lệvới sai lệ h đầu vào Đ p ứng tỉ lệ thể đượ điều hỉnh ằng h nhân sai số đvới một hằng số P, đượ gọi là độ lợi tỉ lệ

P : ệ số tỉ lệ, thông số điều hỉnh

e : sai số = P-PV

t : thời gian tứ thời

Hình 2.3 Đáp ứng của hệ thống với sự thay đổi Kp

Nhận xét:

- p àng lớn thì tố độ đ p ứng àng nhanh

- p àng lớn thì sai số x lập àng nhỏ ( nhưng không thể triệt tiêu)

- p àng lớn thì ự ủa hệ thống xu hướng di huyển ra xa trụ thự dẫnđến hệ thống àng dao động độ vọt lố àng ao

- Nếu p tăng qu gi trị giới h n thì hệ thống sẽ dao động không tắt dần dẫn đếnmất ổn định

2.2.4 Khâu tích phân (Integral)

Điều hỉnh tí h phân (I): là phương ph p điều hỉnh tỉ lệ để l i một độ lệ h sauđiều hỉnh rất lớn Để khắ phụ ta sử dụng kết hợp điều hỉnh tỉ lệ với điều hỉnh

tí h phân Điều hỉnh tí h phân là phương ph p điều hỉnh t o ra tín hiệu điều

hỉnh sao ho độ lệ h giảm tới 0 Thời gian àng nhỏ thể hiện t động điều hỉnh

Iout : thừa số tí h phân ủa đầu ra

I : độ lợi tí h phân, 1 thông số điều hỉnh

e : sai số = P-PV

t : thời gian tứ thời

r : một iến tí h phân trung gian

Hình 2.4 Đáp ứng của hệ thống với sự thay đổi Ki

Nhận xét:

- i àng lớn thì đ p ứng qu độ àng hậm

- hâu i làm nhanh đ p ứng ủa hệ thống, tuy nhiên ũng làm ho hệ thống tăngvọt lố, thời gian đ p ứng qu độ tăng lên

2.2.5 Khâu vi phân D (Proportional Derivative)

Điều hỉnh vi phân (D): khi hằng số thời gian hoặ thời gian hết ủa hệ thốngrất lớn điều hỉnh theo P hoặ PI đ p ứng qu hậm thì ta sử dụng kết hợp vớiđiều hỉnh vi phân Điều hỉnh vi phân t o ra tín hiệu điều hỉnh sao ho tỉ lệ với

tố độ thay đổi sai lệ h đầu vào hâu (D) vi phân tố độ thay đổi ủa sai số qutrình đượ tính to n ằng h x định độ dố ủa sai số theo thời gian ( tứ là

đ o hàm ậ một theo thời gian) và nhân tố độ này với độ lợi tỉ lệ Biên độ ủaphân phối khâu vi phân trên tất ả hành vi điều khiển đượ giới h n ới tố độ

vi phân

Hàm truyền:

Trong đ :

Dout : thừa số vi phân ủa đầu ra

d : Độ lợi vi phân, một thông số điều hỉnh

e : sai số = P-PV

t : thời gian tứ thời

Hình 2.5 Đáp ứng của hệ thống với sự thay đổi Kd

Nhận xét:

- hâu hiệu hỉnh D tăng làm nhanh đ p ứng ủa hệ thống, làm giảm thời gian

qu độ, độ vọt lố nhỏ Tuy nhiên n rất nh y với tần số ao

- hâu vi phân không thể sử dụng một mình mà phải kết hợp với khâu P và I

2.2.6 Bộ điều khiển PID

Hàm truyền:

Hình 2.6 Đáp ứng của khâu hiệu chỉnh PID

PID ải thiện đ p ứng qu độ (giảm vọt lố, giảm thời gian qua độ) và giảm sai số

Độ lợi tích phân - Ki

Gi trị àng lớn kéo theo sai số ổn định ị khử àng nhanh Đổi l i là độ vọt lốàng lớn, ất kỳ sai số âm nào đượ tí h phân trong suốt đ p ứng qu độ phải đượtriệt tiêu tí h phân ằng sai số dương trướ khi tiến tới trang th i ổn định

Độ lợi tích phân – Kd

Gi trị àng lớn giảm độ vọt lố, nhưng l i hậm đ p ứng qu độ và thể dẫnđến mất ổn định do khuế h đ i tín hiệu trong phép vi phân sai số

2.2.8 Lựa chọn phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID

nhiều phương ph p kh nhau để điều hỉnh vòng lặp PID Nhưng phương

ph p hữu hiệu nhất thường ao g m những triển khai ủa vài d ng mô hình xử lý,sau đ họn P, I, D dựa trên thông số ủa mô hình động họ phương ph pđiều hỉnh thủ ông tương đối không hiệu qu lắm, đặ iệt nếu vòng lặp thờigian đ p ứng đượ tính ằng phút hoặ lâu hơn

2.3 Các thiết bị sử dụng trong đề tài

2.3.1 Vi điều khiển Arduino

kh nhau

Hình 2.7 Board Arduino UNO R3

Board Arduino UNO R3

Arduino UNO R3 là một oard m h tổ hợp sử dụng vi điều khiểnAtmega2560 N 54 hân đầu vào/ra, trong đ 15 hân thể sử dụng như làkết quả đầu ra PW , 16 hân vào analog, 4 hân UART, ho t động ở tần số

16 z, kết nối U B, 1 ja k D , 1 đầu I P, một nút reset, Arduino mega2560hứa tất ả những thứ ần thiết để lập trình và họ tập hỉ ần kết nối oard với

m y tính ằng p U B, một ộ huyển đổi A /D hoặ pin là thể ấp ngu n

ho oard arduino mega2560

Thông số cơ bản:

- Vi điều khiển: Atmega2560

- Điện p ho t động: 5V

- Điện p đầu vào( đề nghị) : 7-12V

- Điện p đầu vào giới h n: 6-20V

- Digital I/O pins :54

- Analog input pins: 16

- Bộ nhớ flash : 256 B

- RA : 8 B

- EEPRO : 4 B

- lo k peed: 16 z

Nguồn cấp cho Arduino UNO R3

thể ấp ngu n ho Arduino UNO R3 ằng ổng U B 5V hoặ ằng ngu ntương ứng khoảng 6 đến 20V như khuyên dùng Nên xem xét kĩ hân ngu n vì

Arduino mega2560 một số phương tiện truyền thông với m y tính, arduino

kh , vi điều khiển kh N phần ứng dành ho giao tiếp là ổng U B, ổng

Phần mềm sử dụng là phần mềm Arduino IDE.

IDE là phần mềm hỗ trợ ph t triển tí h hợp, viết tắt ủa từ (IntegratedDevelopment Environment) dùng để so n thảo, iên dị h ode và n p hương trình

ho oard m h Arduino

Lý do chọn Board Arduino UNO R3

họn oard Arduino UNO R3 nhằm thỏa mãn yêu ầu sau:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ dễ họ tương tự như ngôn ngữ , ++

- Gi thành rẻ nhưng đ p ứng đầy đủ những gì người dùng ần thiết

- Dễ ảo quản, sửa hữa và tin ậy

- Dung lượng đủ để đ p ứng hứa đượ những hương trình phứ t p

- Giao tiếp đượ thiết ị thông minh kh : m y tính, điện tho i nối m ng,…

- Việ gắn ảm iến hay module ho oard Arduino mega2560 dễ dàng ằng

h gắn phía trên oard t o thành tầng dễ dàng và gọn gàng

2.3.2 Cảm biến nhiệt độ

ảm iến nhiệt độ NT (Negative Temperature oeffi ient of Resistors) hay

òn gọi là NT Thermistors ũng thường dượ gọi là điện trở nhiệt NT

ảm iến nhiệt độ NT là lo i ảm iến điện trở nhiệt ũng giống như ảmiến đo nhiệt độ nhưng n hỉ ho t động hiệu quả trong một khoảng nhiệt độ nhấtđịnh Điện trở nhiệt NT sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, do đ , n thể đượ dùng đểthể thay đổi trở kh ng dưới t dụng ủa nhiệt Đây ũng hính là điều kh iệt rõnét nhất giữa điện trở nhiệt NT với những lo i điện trở thông thường kh

- Thời gian giữ điện p ự đ i: 2 giây, A 18v 1mA

- Đầu ảm iến ằng thép không gỉ, hống thấm nướ : -20 đến 105 °

- ử dụng ộ huyển đổi tương tự sang digital và 10k NT để Nhiệt độ môi trườngxung quanh

Đọc cảm biến

Hình 2.9 Đấu nối cảm biến

Ro = 10 ohm: Điện trở danh định NT

R = 10 ohm: Điện trở đo

2.3.3 Relay bán dẫn

Relay R ( olid tate Relay) hay òn gọi là Relay Rắn là lo i relay sử dụng

ấu trú n dẫn thay vì ấu trú ơ họ nên độ ền và tuổi thọ ao

odule Relay rắn R sử dụng ngu n D 5V để kí h Relay ho t động đ ngngắt điện thế A với ông suất tối đa 250V 2A, module này hỉ dùng để đ ng ngắtngu n A , không sử dụng đượ để đ ng ngắt ngu n D , trong Relay R tí hhợp sẵn opto h ly (photo tria ) nên sử dụng rất an toàn

odule đượ thiết kế nhỏ gọn, ra hân đầy đủ, led hiển thị tr ng th i đ ngngắt, phù hợp ho ứng dụng đ ng ngắt ngu n A ần tần suất đ ng ngắt nhiều

Đèn sợi đốt hay òn đượ gọi là ng đèn dây t Đây là một lo i đèn hiếu

s ng ằng h đốt n ng dây t khi dòng điện h y qua Dây t là ộ phậnhính để đèn ph t ra nh s ng

Phần dây t ủa đèn đượ ao ọ ởi một lớp vỏ thủy tinh trong suốt hìnhtròn với khả năng xuyên s ng ao, t o g hiếu rộng Bên trong lớp vỏ thủy tinh

ủa ng đèn sợi đốt đượ rút hết hết không khí và ơm vào đ một lượng khí trơ

í h ỡ đèn sợi đốt ần phải đủ n ng để hơi n ng ph t ra từ đèn không làm nổ đèn

2.3.5 Vỏ mô hình

Thùng xốp là một sản phẩm đa năng đượ sử dụng để giữ nhiệt, ảo quản thựphẩm, thủy hải sản và làm h thủy sinh Thùng xốp thể đượ làm ằng nhiềuhất liệu kh nhau, nhưng thường làm từ hất liệu polystyren xốp

Arduino IDE là một phần mềm với một mã ngu n mở, đượ sử dụng hủ yếu

để viết và iên dị h mã vào module Arduino N ao g m phần ứng và phần mềm