BÁO CÁO THỰC HÀNH THIẾT BỊ ĐO IUH

MỤC LỤC I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:....................................................................3 II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................................. 3 2.1. Đo nhiệt độ.....................................................................................3 2.1.1. Nguyên lý đo........................................................................ 3 2.1.2. Kỹ thuật đo........................................................................... 3 2.1.3. Sự điều chỉnh........................................................................4 2.2. Khảo sát hệ thống gia nhiệt........................................................... 4 III. CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM....................................................4 3.1 Các thao tác cần thiết......................................................................4 3.1.1. Chuẩn bị................................................................................4 3.2. Khảo sát vòng lặp điều khiển........................................................ 5 3.2.1 Xác định các thông số đặc trưng của hệ thống..................... 5 3.2.2. Xác định các thông số của bộ điều khiển PID theo phương pháp Brodia .....................................................................................7 3.2.3 Kiểm chứng các thông số sau khi thay đổi thiết lập............. 8 3.3.3. Kiểm chứng các thông số với tác động nhiễu......................8 IV. BÁO CÁO THÍ NGHIỆM....................................................................9 4.1 Kết quả thí nghiệm..........................................................................9 4.1.1. Xác định các thông số đặc trưng của hệ thống.................... 9 4.1.2. Xác định các thông số điều khiển theo phương pháp Broida9 4.2. Bàn luận....................................................................................... 14 1. Nhận xét các số liệu đo được ở các thí nghiệm. Giải thích? ... 14 2. Nhận xét các đường biểu diễn trên đồ thị. Giải thích? ............ 14 3. Nhận xét sự tác động của nhiễu lên hệ thống. Giải thích? ...... 14 4. Nêu các ứng dụng quá trình điều khiển nhiệt độ công nghiệp?14

□&□ BÁO CÁO THỰC HÀNH

Đặng Nguyễn Cẩm tiên

22657411 DHHO18ATT

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 24/11/2024

MỤC LỤC

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: 3

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Đo nhiệt độ 3

2.1.1 Nguyên lý đo 3

2.1.2 Kỹ thuật đo 3

2.1.3 Sự điều chỉnh 4

2.2 Khảo sát hệ thống gia nhiệt 4

III CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 4

3.1 Các thao tác cần thiết 4

3.1.1 Chuẩn bị 4

3.2 Khảo sát vòng lặp điều khiển 5

3.2.1 Xác định các thông số đặc trưng của hệ thống 5

3.2.2 Xác định các thông số của bộ điều khiển PID theo phương pháp Brodia 7

3.2.3 Kiểm chứng các thông số sau khi thay đổi thiết lập 8

3.3.3 Kiểm chứng các thông số với tác động nhiễu 8

IV BÁO CÁO THÍ NGHIỆM 9

4.1 Kết quả thí nghiệm 9

4.1.1 Xác định các thông số đặc trưng của hệ thống 9

4.1.2 Xác định các thông số điều khiển theo phương pháp Broida9 4.2 Bàn luận 14

1 Nhận xét các số liệu đo được ở các thí nghiệm Giải thích? 14

2 Nhận xét các đường biểu diễn trên đồ thị Giải thích? 14

3 Nhận xét sự tác động của nhiễu lên hệ thống Giải thích? 14

4 Nêu các ứng dụng quá trình điều khiển nhiệt độ công nghiệp?14

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:

Nghiên cứu quá trình điều khiển nhiệt độ Mô hình điều khiển bao gồm: đầu dò, (sensor), nột bộ điều khiển và một bộ gia nhiệt

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Đo nhiệt độ

Đầu dò đo nhiệt độ được sử dụng trong mô hình điều khiển thí nghiệm này là đầu dò điện trở Platin (Pt)

2.1.1 Nguyên lý đo

Điện trở của các kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ Sự tăng điện trở

tỷ lệ với nhiệt độ xác định hệ số nhiệt độ dương (positive temperature coefficient _CTP) Trong thực tế, để chế tạo đầu dò tốt , phải sử dụng vật liệu có hệ số nhiệt độ cao, đường biễu diễn sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ là đường thẳng Chúng ta cũng có thể chọn một vật liệu mà có thể chịu được nhiệt độ cao và loại có điện trở chuẩn phù hợp

Platin là một vật liệu tốt được sử dụng làm đầu dò điện trở đo nhiệt

độ trong công nghiệp Nó có ưu điểm là độ bền hóa học cao, dễ điều khiển, độ tinh khiết rất cao

2.1.2 Kỹ thuật đo

Đo nhiệt độ sử dụng nhiệt kế điện trở được tiến hành bằng việc đo hiệu điện thế (V) sinh ra của điện trở (R), cường độ dòng điện (I) theo định luật Ohm:

V=I.R

Ở 0oC, cường độ dòng điện này kích thích 1 hiệu điện thế 0,1V đối với đầu dò Pt100 Điện thế đo được này phải được chuyển đổi một cách chặt chẽ để có thể hiển thị hoặc nối với mô hình thí nghiệm bởi các cáp nối, có 3 loại kết nối: Bộ 2 dây, bộ 3 dây, bộ 4 dây

2.1.3 Sự điều chỉnh

Để tính toán và bù cho bất kì sự biến đổi nào, đầu dò điện trở phải được điều chình tự động Bao gồm việc kiểm tra giá trị nhiệt độ đo được

và trong trường hợp có sự chênh lệch, ghi nhận sự thay đổi đã được theo dõi Vì vậy, việc điều chỉnh là cần thiết đối với trang bị để giảm thiểu sự chênh lệch đến mức sai số cho phép

2.2 Khảo sát hệ thống gia nhiệt

Nguyên lý gia nhiệt: một dòng điện chạy qua một đai gia nhiệt mica làm kích thích sự tăng nhiệt độ bên trong vòng đai Vòng đai được kết nối với bộ điều khiển công suất điện xoay chiều mà được điều khiển bởi bộ điều khiển dòng điện 4-20mA Bộ này cho phép điều khiển việc gia nhiệt với điện áp thấp, đã được biến áp từ nguồn điện cao áp hơn

III.CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

3.1 Các thao tác cần thiết

3.1.1 Chuẩn bị

 Công tắc nguồn phải ở vị trí OFF

 Cắm chuôi điện vào nguồn cấp

 Không được mở tủ điện trong suốt quá trình làm thí nghiệm

 Bật công tắc nguồn trong sang vị trí ON

 Chỉnh bộ điều khiển sang chế độ Manual và đặt giá trị OUTPUT là 0%

 Sử dụng 4 đầu cắm kết nối bộ điều khiển với hệ thống:

 Đầu “temperature” màu đỏ nôí với đầu “measure” màu đỏ

 Đầu “temperature” màu đen nối với đầu “measure” màu đen

 Đầu “ output” màu đỏ nối với đầu “ Heater” màu đỏ

 Đầu “output” màu đen nối với đầu “Heater” màu đen

3.2 Khảo sát vòng lặp điều khiển

3.2.1 Xác định các thông số đặc trưng của hệ thống

A Độ khuếch đại tĩnh

Trong phần này, chúng ta có thể xác định thực nghiệm tỷ lệ thay đổi của độ khuếch đại tĩnh theo hàm số giá trị điều chỉnh output

 Chỉnh bộ điều khiển ở chế độ Manual

 Chỉnh giá trị OP= 0%

 Đợi cho đến khi hệ thống ổn định

 Ghi nhận giá trị nhiệt độ của hệ thống M

 Chỉnh giá trị OP= 10%

 Ghi nhận giá trị nhiệt độ đo được PV cho đến khi hệ thống ổn định

 Lặp lại quá trình này với mỗi lần gia tăng giá trị Output thêm 10% cho đến khi OP= 100%

 Tính biến thiên của giá trị đo (ΔPV) và biến thiên giá trị OP (ΔOP) ở mỗi điểm và biểu diễn theo % ( chú ý: mô hình thí nghiệm này

khoảng đo điều chỉnh trong khoảng 0÷400 ℃)

ΔOP (%) = với OPmax=100%

ΔPV (%) = với PVmax=400oC

 Tính hệ số tỷ lệ

Gs=

 Ghi các giá trị vào bảng

 Vẽ đồ thị

 Nhận xét về đồ thị

B Hằng số thời gian và thời gian trễ

Trong phần này, chúng ta xác định bằng thực nghiệm hằng số thời gian

và thời gian trễ của hệ thống ở mức OP= 40%

1 Chỉnh bộ điều khiển sang chế độ Manual và đặt giá trị OUTPUT là 40%

2 Sử dụng 4 đầu cắm kết nối bộ điều khiển với hệ thống

3 Điều chỉnh nhễu

Công tắc “ Perturbation” cho phép đều chỉnh nguồn gia nhiệt

● Chuyển sang chế độ Auto

● Chuyển peturbati sang 0

4 Đợi cho giá trị PV ổn định nghĩa là đường màu xanh của PV có dạng đường thẳng rồi ghi lại kết quả

5 Chỉnh OP sang 50 cứ 15s ghi lại giá trị cho đến khi giá trị PV ổn định

6 Tính toán các giá trị cần tính

7 Suy ra bộ điều khiển gì

8 Tính P, I, D rồi chỉnh máy theo P,I, D tính được chuyển máy sang chế độ Auto

Giả sử cho SP=50 mà giá trị PV chạy tới điểm đó suy ra kết quả ta đo được là đúng

Xác định thời gian để đáp ứng của hệ thống khi đạt 28% rt (gọi là ), 40% rt (gọi là ), và 63% rt như trong hình vẽ (trong sách)

 Xác định hằng số thời gian:

 Xác định hằng số thời gian trễ:

3.2.2 Xác định các thông số của bộ điều khiển PID theo phương pháp Brodia

Từ kết quả trên ta có thể chọn được bộ điều khiển phù hợp với hệ thống theo mối quan hệ sau

> 20 ON-OFF

< 20 P

< 10 PI

< 5 PID Sau đó, xác định các thông số của bộ điều khiển như sau

Bảng 1: cách xác định các thông số cho bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển Độ khuếch đại

Kp Thời gian tích phân Ti Thời gian vi phân

PID

3.2.3 Kiểm chứng các thông số sau khi thay đổi thiết lập

 Thiết lập các thông số PB, Ti, Td như đã xác định trong phần trên

 Chỉnh bộ điều khiển ở chế độ Auto

 Đặt giá trị Setpoint là 90

 Ghi nhận lại các giá trị nhiệt độ cho đến khi đạt ổn định

 Thay đổi giá trị đặt lên 100

 Ghi nhận lại các giá trị nhiệt độ cho đến khi đạt ổn định

 Thay đổi giá trị đặt xuống 90

 Ghi nhận lại các giá trị nhiệt độ cho đến khi đạt ổn định

 Thay đổi cài đặt xuống 80

 Ghi nhận lại các giá trị nhiệt độ cho đến khi đạt ổn định

 Biểu diễn các giá trị trên đồ thị

 Nhận xét về kết quả đạt được

3.3.3 Kiểm chứng các thông số với tác động nhiễu

Hai loại nhiễu: một loại được gây ra bằng cách cho quạt hoạt động nhanh trong khoảng 2 đến 3 giây, một loại khác được gây ra bằng cách thay đổi công suất gia nhiệt (tức là chuyển công tắc

"Perturbation" sang vị trí 1 trong khoảng 3 giây hoặc chuyển sang vị trí 1 trong suốt quá trình đo)

Ghi nhận lại đáp ứng của hệ thống

IV BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

4.1 Kết quả thí nghiệm

4.1.1 Xác định các thông số đặc trưng của hệ thống

Bảng 4.1: Giá trị nhiệt độ đo được ở chế độ Manual tương ứng sự thay

đổi của OP

4.1.2 Xác định các thông số điều khiển theo phương pháp Broida

Bảng 4.2: Giá trị PV ở mức OP= 40% và OP= 50% ở chế độ điều khiển

Manual

Thời gian

(s) OP (%) Nhiệt độ PV ( 0 C) Thời gian (s) OP (%) Nhiệt độ PV ( 0 C)

60 50 121.9 615 50 137.3

Xác định hằng số thời gian:

� = 5.5 ∗ (�2 − �1)

Xác định thời gian trễ:

�� = �3− �

Tính toán:

Hằng số thời gian và thời gian trễ:

Trong đó:

PVmax = 141.2�� PVmin = 120.9��

∆t = PVmax - PVmin= 141.2 – 120.9 = 20.3��

t3= PVmin+ 0.63 × ∆� = 120.9 + 0.63 × 20.3 = 133.69��

t2= PVmin+ 0.40 × ∆� = 120.9 + 0.40 × 20.3 = 129.02��

t1= PVmin + 0.28 × ∆� = 120.9 + 0,28 × 20.3 = 126.58��

�1= 165 +126.7− 126.5180 − 165 (126.58 – 126.5) = 171s

�2= 225 +129.2 − 128.7240 − 225 (129.02– 128.7) = 234.6s

�3= 375 + 390− 375

133.9 − 133.4(133.69 – 133.4) = 383.7s

Hằng số thời gian �:

� = 5.5(�2 − �1) = 5.5(234.6 − 176.4) = 320.1℃

��= �3- �= 383.7- 320.1= 63.6 (s)

�

��=320.163.6 = 5.033

5 < �

� �< 10 → Bộ điều khiển PI

Bảng 4.3 Cách xác định các thông số cho bộ điều khiển

Bộ điều

khiển Bộ khuếch đại Kp Thời gian tích phân Ti Thời gian vi phân Td

PID �� + 0,4�

� ��

�� + 2,5�

Độ khuếch đại tĩnh G s :

Ta có các công thức tính toán:

∆OP % = OPi+1OP− OPi

max × 100% = 50 − 40100 × 100 ≈ 10%

∆PV % = PVi+1PV− PVi

max × 100% = 141.2 − 120.9400 × 100

= 5.08%

Gs = ∆PV %∆OP % =5.0810 = 0.508

Độ khuếch đại :�� = �0.8 �

� ×�� = 0.507×63.60.8×320.1 = 7.93%

Thời gian tích phân: �� = � = 320.1 (�)

Thời gian vi phân : �� = 0�

��% = 7.93 = 12,61%100

Giá trị cài vào máy là ��% = 12,61% × 400 = 50,44%

Bảng 4.4 Các thông số cài đặt vào bộ điều khiển

Bộ điều

khiển Bộ khuếch đại Kp Thời gian tích phân Ti Thời gian vi phân Td

4.1.3 Kiểm chứng các thông số sau khi thay đổi thiết lập

Bảng 4.4 Đáp ứng của hệ thống ở chế độ điều khiển Auto

STT Thời gian (s) Setpoint_SP (℃) Giá trị nhiệt độ_ PV (℃)

SP (℃)

Thời gian(s)

4.2 Bàn luận

1 Nhận xét các số liệu đo được ở các thí nghiệm Giải thích?

· Nhận xét: Các giá trị nhiệt độ đo được tại mỗi mức OP cho thấy sự

tăng dần nhiệt độ khi giá trị OP tăng lên Sự ổn định ở mỗi điểm kiểm tra cho thấy hệ thống có khả năng duy trì mức nhiệt độ ổn định khi đạt trạng thái cân bằng

· Giải thích: Điều này là do mối quan hệ tuyến tính giữa mức OP (công

suất gia nhiệt) và nhiệt độ PV, được điều chỉnh bởi cơ chế điều khiển nhiệt độ Tốc độ gia nhiệt phụ thuộc vào công suất đầu ra của hệ thống điều khiển

2 Nhận xét các đường biểu diễn trên đồ thị Giải thích?

· Nhận xét: Đường biểu diễn thể hiện sự tăng nhiệt độ ban đầu, sau đó

ổn định ở một giá trị Với chế độ Auto, giá trị PV dao động nhẹ quanh Setpoint và giảm dần sự dao động qua thời gian

· Giải thích: Hiện tượng này minh họa đặc tính của bộ điều khiển PI.

Thành phần P giúp điều chỉnh nhanh khi có sai lệch, trong khi thành phần

I loại bỏ sai số tích lũy, dẫn đến độ ổn định cao hơn

3 Nhận xét sự tác động của nhiễu lên hệ thống Giải thích?

· Nhận xét: Khi tác động nhiễu (ví dụ: thay đổi công suất hoặc quạt làm

mát), giá trị nhiệt độ PV biến đổi tạm thời trước khi trở lại ổn định

· Giải thích: Bộ điều khiển PI có khả năng bù nhiễu nhờ thành phần tích

phân giúp khôi phục giá trị PV về Setpoint, nhưng độ nhạy và thời gian hồi phục phụ thuộc vào thông số cài đặt như KpK_pKp​ và TiT_iTi​

4 Nêu các ứng dụng quá trình điều khiển nhiệt độ công nghiệp?

· Ứng dụng trong công nghiệp hóa chất: Kiểm soát nhiệt độ trong các

phản ứng hóa học để đảm bảo hiệu suất và an toàn

· Ứng dụng trong sản xuất thực phẩm: Duy trì nhiệt độ phù hợp trong

quá trình thanh trùng hoặc làm lạnh

· Ứng dụng trong cơ khí: Điều khiển nhiệt độ trong quá trình xử lý

nhiệt của kim loại

· Ứng dụng trong HVAC (Hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa không khí): Duy trì nhiệt độ môi trường trong các tòa nhà và kho lạnh.