báo cáo project based learning 1 thiết kế hệ thống điều khiển tuyến tính hệ thống lò nhiệt

Thông số của bộ điều khiên PID tìm được đạt hiệu quả cao, nhiệt độ thu được ôn định ở mức độ châp nhận được... Nội dung của điều khiến thích nghỉ là: tạo ra được hệ điều khiển mà cấu tr

DAI HQC BACH KHOA

KHOA DIEN

D BACH KHOA

Quá trình gia nhiệt là quá trình phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như thực phẩm, sản xuất và nông nghiệp Sưởi ấm thích hợp trong quá trình sản xuất sản pham

dé dam bảo chất lượng và kéo dài tuôi thọ Điều khiên PID được biết đến như một điều khiển đơn giản và mạnh mẽ được ứng dụng điều khiên quá trình gia nhiệt này Theo thống kê có hơn 97% bộ điều khiển trong công nghiệp là cùng loại với bộ điều khién PID

Lò nhiệt là mô hình phi tuyến Đặc trưng của lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt Lò nhiệt đạt tới nhiệt độ cần cung cấp, thì mất thời gian khá đài Hiện nay, đã có rất nhiều thuật toán có thể áp dụng để điều khiển hệ thống lò nhiệt này, điển hình là thuật toán PID Có các

phương pháp tiêu biêu đề tìm thông số PID như phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất và thứ hai Ngoài ra còn phân biệt giữa PID liên tục và PID số(rời rạc)

Ở mô hình lần này nhóm nghiên cứu và thực hiện phương pháp điều khiên PID liên tục dé điều khiến nhiệt độ lò nhiệt Đầu tiên, nhóm thiết kế hàm truyền đạt liên tục cho hệ thống Sau đó mô phỏng hàm truyền thiết kế được bằng phần mềm Matlab/Simulink, đề

tìm ra quy luật thay đổi của hệ thống Từ đó, áp dụng vào thực nghiệm tìm ra được bộ

thông số điều khiến tốt nhất cho hệ thống Thông số của bộ điều khiên PID tìm được đạt hiệu quả cao, nhiệt độ thu được ôn định ở mức độ châp nhận được

GIỚI THIỆU

1 Lý do chọn đề tài: Ngày nay do yêu câu của thực tế sản suất có công nghệ hiện đại trên tất cả các lĩnh vực

đòi hỏi phải có hệ điều khiên có thê thay đôi được cấu trúc và tham số của nó một cách linh hoạt để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng đã định Dựa trên cơ sở của nền kỹ thuật điện, điện tử, tin học và máy tính đã được phát triển ở mức độ cao, lý thuyết điều khiến thích

nghi ra đời đáp ứng được yêu cầu trên Nội dung của điều khiến thích nghỉ là: tạo ra được

hệ điều khiển mà cấu trúc và tham số của nó có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số đối tượng điều khiên sao cho chất lượng của hệ được đảm bảo theo các chỉ tiêu đã định Do tính ưu việt của điều khiến thích nghi mà hiện nay các bộ điều khiên đang bắt đầu được

ứng dụng vào điều khiên các hệ thống phức tạp, các hệ phi tuyến trong thực tế

Mô hình hệ thống lò nhiệt là một mô hình cho phép cài đặt các thuật bù điều khiến nhiệt độ, với tính chất chịu ảnh hưởng rất nhiều của nhiễu và sự thay đổi tham số, do đó hệ thống lò nhiệt là hệ thống khó điều khién dé đạt được chat lượng tốt

Xuất phát từ những lý do trên, nhóm đã nghiên cứu đề tài Nhận dạng và điều khiên thích nghi hệ thống lò nhiệt, đề từ đó thiết kế bộ điều khiên thích nghi tự động điều khiển nhiệt độ với chất lượng tốt hơn

2 Mục tiêu

Đề tài tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và thực thi bộ điều khiên thích nghi cho hệ thống lò nhiệt nhằm duy trì ôn định nhiệt độ trong lò

Trong thời gian làm dé tai, những mục tiêu của đề tài được đặt ra như sau:

+ Nhận dạng hệ thống lò nhiệt thông qua nhận dạng thực nghiệm

+ Xác định mô hình hóa + Xây dựng thuật toán điều khiến

+ Xây dựng mô hình

+ Tim hiéu linh kiện

+ Mô phỏng hệ thống (qua trình đo gặp nhiều sai sô nên mô phỏng không như mong muốn, sẽ có gắng lấy mẫu chính xác hơn)

3 Giới hạn đề tài

- Trong khuôn khô của đề tài, mô hình lò nhiệt có thể tăng hoặc giảm độ sáng tức là

tang giảm nhiệt độ khi có nhiễu đưa vào để ôn định lò nhiệt

- Phương pháp điều khiển: sử dụng phương pháp điều khiển PID với thông số có định

4 Nội dung đề tài

Bài báo cáo gồm 5 phân: ° Chương I: Tông quan

° Chương 2: Chi tiết lý thuyết dé tai

Chuong 3: M6 Hinh

CHUONG 1 : TONG QUAN VE DU AN 1.1 Đặt vấn đề

Tên dự án: Thiết kế hệ thống điều khiển lò nhiệt được các thầy cô đặt ra nhằm giúp cho sinh viên bắt đầu làm quen, nắm bắt với khái niệm như thế nào là một Dự án Liên môn,

bước đầu hình dung được việc xây dựng đề tài bằng cách áp dụng các kiến thức của nhiều

Man hinh LCD Bộ điểu khiến Tín hiệu điều khiến Nguồn 12V

Hình 1.2

- Mục tiêu điều khiển của hệ thống lò nhiệt là én dinh 1 nhiét dé dat trade nao do hé thống (ở đây là nhiệt độ trong thùng xốp) bằng sự thay đổi độ sáng của bóng đèn dây tóc

- Cau trúc chính của hệ thống lò nhiệt bao gồm:

+ Đèn dây tốc 220v + Thùng xốp 20x30 cm

+ Cảm biến nhiệt độ LM35 + Mach diéu khién PID + Màn hình LCD

+ Nguồn 12V

1.3 Nguyên lý hoạt động Khi ta đặt giá trị nhiệt độ đặt trước ,từ bộ điều khiến tín hiệu điều khiên sẽ được đưa tới đối tượng lò nhiệt : mạch điều khiến điều chỉnh điện áp đặt bóng đèn điều chỉnh độ sáng làm cho lò nhiệt đạt nhiệt độ đặt cho trước Đáp ứng đầu ra là nhiệt độ được đo bởi cảm biến đo nhiệt độ , giá trị này lại được phản hỏi về Tại đây sai lệch giữa giá trị góc đặt và góc phản hồi được đưa tới bộ điều khiên , hệ thống sẽ điều chỉnh cho sai lệnh này vẻ dần về 0 bằng cánh điều chỉnh điện áp đưa vào bóng đèn để đảm bảo nhiệt độ luôn đạt giá trị đặt, quá trình được lặp đi lặp lại liên tục dé điều khiển ôn định góc cánh phẳng theo giả trị đặt trước

1.4 Phương pháp điều khiến - Sử dụng bộ điều khiên hôi tiếp PID:

CHUONG 2: LY THUYET VE DU AN

1, 2

2.1 2.1.1 Thanh phan Ti lé (P): Tin hiéu diéu khién u(t) tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t)

Phương trình sai phân mô tả động học:( Kp=Km)

u(t) = Km.e(t)

Trong đó: uŒ): tín hiệu ra của bộ điều khiến e(t): tin hiéu vao

Km : hé so khuyéch đại của bộ điều khién

+ Ham truyén dat trong mién anh Laplace:

E(p) = X(p) — Y(p) = X(p) — Kim Wadt(p).E(p)

Tín hiệu điều khiên uf) tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch e(t)

Phương trình vi phân mô tả động học:

Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

U(p) H/,(p)= (P) E(p) T,.p l

Sai lệch của hệ thống:

E(p) = X(p) — Y(p) = X(p) - TP 4p)-E(p)

1+ a W,,(P)

bỏ được sai lệch dư của hệ thống, ít chịu ảnh hưởng tác động của nhiễu cao tần + Nhược điểm: Bộ điều khiên tác động chậm nên tính ôn định của hệ thống kém

2.1.3 Thành phần vi phân (D): Tín hiệu ra của bộ điều khiến tỉ lệ với vị phân tín hiệu sai lệch e(t) Phương trình vi phân mô tả động học:

đe(t)

U(t) = Tụ

Trong đó: e(t): tín hiệu vào của bộ điều khiển

U(t): tin hiệu điều khiển Td : hằng số thời gian vi phân

+ Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

5 = lim E(p)

Theo hinh trên, ta có: E(p) = Xíp)- Y(p) = X(p) - Td.p.Wdt(p).E(p)

l

=> E(p) = ———— X(p) 1+T,.p.W,,(p)

tác động nhanh, đây là một đặc tính

mà trong điều khiên tự động thường rất mong muốn

+ Nhược điểm: Khi trong hệ thống dùng bộ điều khiên có luật vi phân thì hệ thống dễ bị tác động bởi nhiễu cao tần, đây là loại nhiễu thường tôn tại trong công nghiệp 4 Các Phương pháp xác định tham số Km, Tï, Tả cho hệ thống điều khiến sử dụng thuật toan PID

nhiễu ở mọi tần số + Ti: sai lệch tĩnh bằng 0 khi hệ được kích thích bằng tín hiệu hằng, giảm độ quá

Kứ | *đốiượng | T* ⁄

- lay 2 thông s6 Kth, Tth( chu ky cua h(t) ) - chon tham sé PID ti Kth, Tth:

+ su dung P: Km = Kth/2 + su dung PI: Km = 0.45Kth Ti = 0.85Tth + su dung PID: Km = 0.6Kth Ti = 0.5Tth Td = 0.12Tth

2.2 Các mạch khác Mach cong dao Mạch trừ

Mạch tạo xung bằng ic 555

HH

CHUONG 3: THIET KE HE THONG DIEU KHIEN VOI BO DIEU KHIEN PID U Giới thiệu chung về lò nhiệt:

a) Nguyên lý làm việc của lò nhiệt

Đề lò nhiệt duy trì nhiệt độ ở l mức nhất định thì ta cần đặt một nhiệt độ đặt và nhiệt độ

phản hồi vào mạch khuếch đại vi sai Khi bóng đèn sáng làm cho nhiệt độ lò vượt ngưỡng

hay dưới ngưỡng nhiệt độ đặt thì cảm biến nhiệt độ sẽ đo đạt và phản hồi về bộ khuếch đại vi sai dé so sánh với nhiệt độ đặt rồi cho đầu ra vào bộ điều khiên PID đề làm ổn định

- Giá thành rẻ và dễ gia công các chi tiết đơn giản nên chọn xốp làm vật liệu đề làm hộp bảo vệ

3 Linh kién

Cam bién nhiét dé LM35

12

LM 35DT

nhỏ và giá thành rẻ là một trong những ưu điểm của nó Vì đây là cảm biến tương tự (analog sensor) nên

ta có thê để dàng đọc được giá trị của nó

Cấu tạo:

Gém 3 chân trong đó có 2 chân cấp nguồn và một chân xuất điện áp tùy theo nhiệt độ mà cảm biến nhận được

¢ Chan 1: Chan nguén Vee

¢ Chan 2: Dau ra Vout ¢ Chan 3: GND Đặc điểm:

se - Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V ® - Độ chính xác cao ở 25 là 0.5

e Tro khang dau ra thap 0.1 cho ImA tai

© Dai nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55°C đến 150°C với các mức điện ấp ra khác nhau

Biến trỏ Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thê biến đổi được theo ý muốn Chúng có thê được sử dụng trong các mạch điện đề điều chỉnh hoạt động của mạch điện.Điện trở của thiết bị có thê được thay đổi bằng cách thay đôi chiều đài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sáng hoặc bức xạ điện từ,

Ky hiệu của biên trở trong sơ đô mạch điện có thê ở các dạng như sau:

13

£2 wiv

1.1 Cấu tạo biến trở Nhìn từ bên ngoài, chúng ta dễ dàng nhận thấy biến trở có cau tao

gồm 3 bộ phận chính: 1.2 - Cuộn dây được làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn

1.3- Con chạy/chân chạy Cho khả năng chạy dọc cuộn dây dé lam thay đối giá trị trở kháng - Chân ngõ ra gồm có 3 chân (3 cực) Trong số ba cực này, có hai cực được có định ở đầu của điện

trở Các cực này được làm bằng km loại Cực còn lại là một cực di chuyên và thường được gọi là

cần gạt Vị trí của cần gạt này trên dải điện trở sẽ quyết định giá trị của biến trở

carbon Chi phi re nén được sản xuất với số lượng lớn tuy nhiên độ chính xác không cao

« - Dây cuốn: Loại dây này thường sử dụng dây Nichrome với độ cách điện cao Do đó mà chúng được sử dụng trong các ứng dụng công suất cao đòi hỏi độ chính xác Tuy nhiên độ phân giải của

nhiên liệu này chưa thực sự tốt

« - Nhựa dẫn điện: Thường bắt gặp trong các ứng dụng âm thanh cao cấp Tuy nhiên chỉ phí cao

khiến chúng bị hạn chế Cermet 1.3.1 Khuếch đại thuật toán LM358

IC LM358 là bộ khuếch đại thuật toán chân căm (DIP) kép công suất thấp, bộ khuếch đại này có

ưu điểm hơn so với bộ khuếch đại thuật toán chuẩn trong các ứng dụng dùng nguồn đơn

Cac tinh nang cua khuếch đại thuật toán:

¢ Bao vé qua áp lối ra

¢ Tang khuéch dai vi sai 1éi vao

¢ Dong cung cap 16i vào thấp e Dài tín hiệu cùng pha mở rộng tới nguôn âm

se LM358 cấu tạo gồm có 2 kênh khuếch đại thuật toán ® Kênh I: chân 2,chân 3 là chân đầu vào và chân 1 là chân đầu ra

15

® Kênh 2: chân 5,chân 6 là chân đầu vào và chân 7 là chân đầu ra

s® - Chân 4 là chân nôi với nguôn âm, chân 8 là chân nôi nguôn đương

le 55Š Điện tro Tụ điện

c) Mô tả toán học của lò ( hàm truyền của lò)

Lấy tín hiệu vào của đối tượng lò nhiệt là tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ trả về khi thay đổi điện áp đầu

—L§s e

T*s+l

vào của bóng đèn bằng Nhiệt độ lay mẫu thu được như sau:

16

7 9823 -0,5xi

GÍSÌ=————— *e 1+10 489xs

I Thiết kế bộ điều khiển PID: PID là bộ điều khiên tỷ lệ-tích phân-vi phân (Propotional-Integral-Derivative) Bộ điều khiển PID cho lò nhiệt

Tổng hợp ba khâu P,I,D ta được bộ điều khiên PID Bộ điều khiển PID được mô tả bằng hàm truyền đạt

T1=10 489 T2=0 § Kp=7 9823

j=2P =0 761

NET]

Kd=Kp+T2=3 99115

18

TAI LIEU THAM KHAO

PHU LUC

19