Báo cáo project based learning 1 thiết kế hệ thống Điều khiển tuyến tính Điều khiển nhiệt Độ lò nhiệt

Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay do yêu cầu của thực tế sản suất có công nghệ hiện đại trên tất cả các lĩnh vực đòi hỏi phải có hệ điều khiển có thể thay đổi được cấu trúc và tham số c

Ứng dụng thực tế

Hệ thống điều khiển nhiệt độ quá trình lên men bia

Trong quá trình sản xuất bia, quá trình lên men (fermentation) là quá trình quan trọng để tạo ra hương vị và độ cồn cho bia Trong quá trình này, men bia được thêm vào hỗn hợp bia và được ủ trong một thùng ủ (fermenter) trong một khoảng thời gian nhất định Trong quá trình ủ men, vi khuẩn men bia sẽ tiêu hóa đường trong hỗn hợp bia và sản xuất ra cồn và khí CO2 Để đảm bảo quá trình lên men đạt được chất lượng và hiệu suất tốt nhất, nhiệt độ trong thùng ủ phải được kiểm soát chặt chẽ Hệ thống điều khiển nhiệt độ được sử dụng để điều khiển nhiệt độ trong quá trình lên men bia Nhiệt độ được điều khiển thông qua việc tăng hoặc giảm lượng nước lạnh chảy vào các ống dẫn nhiệt Nếu nhiệt độ quá thấp, men bia sẽ không hoạt động tốt và quá trình lên men sẽ chậm lại Nếu nhiệt độ quá cao, men bia sẽ bị chết và không thể sản xuất ra đủ lượng cồn và khí CO2

Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong quá trình lên men bia cũng cần được theo dõi và điều chỉnh liên tục để đảm bảo quá trình lên men diễn ra đúng cách Việc kiểm

Nhóm 21.32 – 21TDH1 10 soát nhiệt độ trong quá trình lên men bia là một yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản xuất của sản phẩm.

Nung xi măng

Trong quá trình sản xuất xi măng, quá trình nung xi măng là một bước quan trọng để đạt được chất lượng sản phẩm mong muốn Trong quá trình nung, nhiệt độ và thời gian nung phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo xi măng được nung đều và có độ cứng và độ bền cao

Hệ thống điều khiển nhiệt độ được sử dụng để kiểm soát quá trình nung xi măng Nhiệt độ được kiểm soát thông qua việc tăng hoặc giảm lượng nhiên liệu được đốt trong lò nung Thời gian nung cũng được kiểm soát để đảm bảo xi măng được nung đến độ cứng và độ bền mong muốn

Trong quá trình nung xi măng, quá trình kiểm soát nhiệt độ và thời gian nung cần được theo dõi và điều chỉnh liên tục Nếu nhiệt độ quá cao, xi măng có thể bị cháy hoặc bị nung không đều, gây ra sự cố và giảm chất lượng sản phẩm Ngược lại, nếu nhiệt độ quá thấp, xi măng sẽ không được nung đến độ cứng và độ bền mong muốn

Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong quá trình nung xi măng giúp đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản xuất của sản phẩm Ngoài ra, việc sử dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ cũng giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu tác động của quá trình sản xuất đến môi trường

1.1.3 Hệ thống điều hòa không khílại

Trong một văn phòng, hệ thống điều khiển nhiệt độ được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong không khí để đảm bảo sự thoải mái cho nhân viên làm việc Việc kiểm soát này giúp tăng năng suất và sức khỏe của nhân viên, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

LÒ NHIỆT 2.1 Vài nét cơ bản về hệ thống

Sơ đồ khối cơ bản:

Một hệ thống thường có có đầu vào, đầu ra, Bộ điều khiển điều khiển thiết bị chấp hành tác động lên đối tượng và tín hiệu phản hồi về Với đề tài này:

● Đầu vào, đầu ra đều là nhiệt độ

● Bộ điều khiển được chọn là PID

● Thiết bị chấp hành nhóm thống nhất là Bóng đèn sợi đốt

● Đối tượng điều khiển là Thùng xốp

● Bộ hồi tiếp tín hiệu nhóm lựa chọn cảm biến đo nhiệt

Thiết bị chấp hành Đối tượng

Tín hiệu đặt Tín hiệu đầu ra

Sơ đồ cơ bản mô tả hệ thống (vị trí tương đối):

Theo khuông khổ để tài mà Thầy Cô đã giao Nhóm em đã phác thảo sơ bộ

Mô hình Lò nhiệt của nhóm em như hình ảnh trên, mô hình bao gồm:

● 1 Thùng xốp để giả định lò nhiệt;

● Thiết bị gia nhiệt là bóng đèn sợi đốt 220VAC;

● Bộ điều khiển PID & mạch công suất biến đổi tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển thành giá trị điện áp tương ứng để điều khiển độ sáng bóng đèn sợi đốt;

● Cảm biến nhiệt độ LM35 được đặt trong thùng xốp đo nhiệt độ và phản hồi về hộp điều khiển;

● Tại hộp điều khiển ngoài mạch PID & Mạch công suất còn có các cơ cấu cài đặt nhiệt độ & màn hình hiển thị nhiệt độ theo thời gian thực

2.2 Một số yêu cầu kĩ thuật của đề tài

● Hệ thống cần có khả năng kiểm soát nhiệt độ trong lò nhiệt, đảm bảo nhiệt độ ổn định và đạt được mức độ nhiệt độ cần thiết cho quá trình sản xuất.Có thể hiển thị và cài đặt được nhiệt độ mong muốn

● Khi bị nhiễu tác động hệ thống vẫn ổn định & giữ nhiệt độ được cài đặt

● Bộ điều khiển PID phải là bộ điều khiển tương tự analog sử dụng IC thuật toán OPAMP

● Hệ thống cần có khả năng kiểm soát thời gian để đảm bảo quá trình nung được thực hiện trong khoảng thời gian cần thiết Điều khiển nhiệt độ:

● Hệ thống cần đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình kiểm soát và điều khiển

● Hệ thống cần được thiết kế để dễ sử dụng và điều khiển

2.3 Phương hướng giải quyết ban đầu

Dựa trên những kiến thức đã học về chương trình điều khiển tuyến tính, mạch điện tử để đưa ra phương án giải quyết vấn đề:

● Thu thập số liệu và xây dựng hàm truyền

● Tìm hiểu về bộ điều khiển pid và ứng dụng cũng như nguyên lý hoạt động của nó

● Áp dụng kiến thức điều khiển tuyến tính để đưa ra sơ đồ khối thích hợp để điều khiển hệ thống

● Ứng dụng tất cả yếu tố trên để đưa ra mô hình điều khiển nhiệt độ tự động theo yêu cầu

2.4 Quy trình công nghệ (sơ thảo) của nhóm đưa ra

2.5 Một số linh kiện cần thiết:

- Chiều cao bóng đèn: 160 mm

⮚ Tên sản phẩm: AC 220V Thyristor

⮚ Số Hiệu sản phẩm: YYAC-3S

⮚ Điều khiển Điện Áp: DC 3.3V- 5.0V

⮚ Tải trọng Làm Việc Điện Áp:

Hình 3.2 1 Bộ Điều khiển PWM 220V

Chẳng hạn như kiểm soát độ sáng của đèn:

Nếu (PWM = = pwm_set) P1 ^ 0 = 0; //pwm_set càng lớn thì đèn càng sáng

2 - Điện áp hoạt động từ:

3 - Mạch có chức năng tạo xung 400Khz

4 - Điều chỉnh độ rộng xung bằng biến trở R3

5 - Điều chỉnh độ tần số bằng

2.3 Cảm biến nhiệt độ LM35

Hình 3.2 3 Cảm biến nhiệt độ LM35

1 Điện áp hoạt động: 4~20VDC

2 Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA

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

1 - Điện áp đầu vào: AC100-240V

2 - Đầu cắm AC: chuẩn Hoa Kỳ

3 - Điện áp đầu ra: DC12V

4 - Dòng đầu ra tối đa: 5A

7 - Jack cắm DC : 5.5*2.5mm (tương thích 5.5 * 2.1mm)

CHƯƠNG 3: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN

MATLAB 3.1 Lý thuyết phương pháp Nicholes-Ziegler

Hàm truyền của lò nhiệt được xác định bằng phương pháp thực nghiệm Cấp nhiệt độ tối đa cho lò (công suất vào P = 100%), nhiệt độ lò tăng dần Sau một thời gian nhiệt độ lò đạt đến giá trị bão hòa Đặc tính nhiệt độ theo thời gian có thể biểu diễn như hình 2.9a Do đặc tính chính xác của lò nhiệt khá phức tạp nên ta xấp xỉ bằng đáp ứng gần đúng như hình 2.9b

Hình 2.9 Thí nghiệm xác đinh hàm truyền lò nhiệt a Đặc tính chính xác; b Đặc tính gần đúng

Ta xác định hàm truyền gần đúng của lò nhiệt đúng định nghĩa:

Do tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị (𝑃 = 100%) nên:

𝑠 Tín hiệu ra gần đúng (H2.9b) chính là hàm:

Tra bảng biến đổi laplace ta được:

Do vậy, áp dụng định lý chậm trễ ta được:

𝑠(1 + 𝑇 2 𝑠) Suy ra hàm truyền của lò nhiệt là:

Hình 2.9 Đặc tính của lò nhiệt

K: Khâu quán tính hệ số khuếch đại được tính bởi công thức:

- Khi nhiệt độ ban đầu khác không, K được tính từ độ tăng nhiệt độ đầu ra so với môi trường Để áp dụng cho hệ tuyến tính, ta lấy khai triển Taylor của 𝑒 −𝑇 1 𝑠 , hàm truyền trở thành:

- Tóm lại, Ziegler-Nichols xấp xỉ hàm truyền lò với hệ bậc nhất có trễ hay hệ tuyến tính bậc hai, và cho phép tìm hàm truyền bằng thực nghiệm khi vẽ quá trình quá độ hệ thống với đầu vào là hàm nấc

3.2 Thực tế các bước nhận dạng

Vị trí của các khối cần nhận dạng:

Sau khi đã có được đối tượng cũng như các cơ cấu chấp hành & cảm biến đọc nhiệt độ ta tiến hành lấy số liệu đầu vào 𝑢(𝑡) và đầu ra 𝑦′(𝑡) của đối tượng cần nhận dạng (Khung xanh lá ở sơ đồ trên):

Ta kết nối arduino đọc cảm biến nhiệt độ LM35 (DS1820)với lap top để xuất hiệu lên laptop như trên và dùng phần mềm Terminal lấy số liệu

Sau khi nhiệt độ bão hoà thì sẽ được một file như sau:

Bảng số liệu được đưa vào Excel:

Một vài số liệu được trích xuất từ File Excel:

-Dữ liệu hơn 20000 ngàn mẫu nên không trích xuất được hết a.120v(6000 Mẫu)

Tiến hành đưa số liệu vào Mathlab thu được các kết quả như hình:

Nhóm 21.32 – 21TDH1 25 Trích xuất kết quả của một trong những hàm nhận dạng đưa vào Mathlab ta thu được

Từ những dữ liệu này ta Copy sang Matlab & vẽ được đáp ứng gần đúng của đối tượng:

Nhận dạng được một số hàm truyền G(s):

So sánh các hàm truyền nhận được với dữ liệu đầu vào kết luận Hàm truyền của điện áp 120V gần đúng với tất cả các trường hợp nhất, từ đó đưa ra kết luận hàm truyền G(s):

Tính toán như lý thuyết ta được các thông số như sau:

Ta được hàm truyền đối tượng:

⮚ Khai báo giá trị của 𝑇 1 , 𝑇 2 , 𝐾 ở command window để có thể chạy được sơ đồ ở phần simulink theo như khảo sát đã thực hiện.Ta sử dụng Simulink - Matlab để vẽ ra sơ đồ khối của lò nhiệt và tìm ra các thông sốcho bộ PID của lò nhiệt.

⮚ Kích đúp chuột vào PID ta được bảng block Parameters: PID → Chọn Tuner

⮚ Bảng PID Tuner được mở ra Điều chỉnh thanh Respose Time (second) và Transient behavior sao cho đồ thị mịn và có độ lọt vố nhỏ hơn 10% Ta được Hế số PI như sau:

⮚ Set point =1, ta được đồ thị sau:

⮚ Giả lập nhiễu, ta được:

Kết luận, PID khử nhiễu ổn

Bảng so sánh Các thông số Kp, Ki

Phương hướng giải quyết ban đầu