Thiết kế và chế tạo mô hình điềukhiển nhiệt độ lò nhiệt dùng thuật toán điều khiển mờ lập trình bằng vi điềukhiển

Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tửĐồ án tốt nghiệpLỜI NÓI ĐẦUTrong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp hiện nay, việc đo và khống chếnhiệt độ là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng. Vì nếu nắm bắt được tìnhtrạng làm việc của các hệ thống, dây chuyền sản xuất sẽ giúp ta tránh được những hưhỏng và sự cố có thể xảy ra. Nhưng làm sao để kịp khắc phục lỗi của hệ thống nếuthông tin đưa về chưa đầy đủ? Điều khiển mờ ra đời để giảm thiểu và khắc phụcnhững lỗi đó. Ngay từ khi mới ra đời vào những năm đầu của thập kỷ 90, chuyên ngành điềukhiển mờ đã được phát triển rất mạnh mẽ và đem lại nhiều thành tựu trong lĩnh vựcđiều khiển. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiểnkinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính củađối tượng một cách chính xác, điều khiển mờ có thể xử lý những thông tin “khôngchính xác” hay không đầy đủ là đã đưa ra những quyết định chính xác. Bên cạnh đó sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số các hệ thốngđiều khiển dần dần tự động hoá. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, vi mạch sốđược ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, vớitốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tựđộng với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước. Để đáp ứng được yêu cầu điều khiển và khống chế nhiệt độ tự động có nhiềuphương pháp để thực hiện, tuy nhiên nhóm nhận thấy phương pháp kết hợp điềukhiển mờ và vi điều khiển là phương pháp mới, khả năng ổn định nhiệt độ tốt. Vì vậyđược sự đồng ý của Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật HưngYên, nhóm chúng em tiến hành thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình điềukhiển nhiệt độ lò nhiệt dùng thuật toán điều khiển mờ lập trình bằng vi điềukhiển

Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp hiện nay, việc đo và khống chế nhiệt độ là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng. Vì nếu nắm bắt được tình trạng làm việc của các hệ thống, dây chuyền sản xuất sẽ giúp ta tránh được những hư hỏng và sự cố có thể xảy ra. Nhưng làm sao để kịp khắc phục lỗi của hệ thống nếu thông tin đưa về chưa đầy đủ? Điều khiển mờ ra đời để giảm thiểu và khắc phục những lỗi đó. Ngay từ khi mới ra đời vào những năm đầu của thập kỷ 90, chuyên ngành điều khiển mờ đã được phát triển rất mạnh mẽ và đem lại nhiều thành tựu trong lĩnh vực điều khiển. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác, điều khiển mờ có thể xử lý những thông tin “không chính xác” hay không đầy đủ là đã đưa ra những quyết định chính xác. Bên cạnh đó sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số các hệ thống điều khiển dần dần tự động hoá. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, vi mạch số được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước. Để đáp ứng được yêu cầu điều khiển và khống chế nhiệt độ tự động có nhiều phương pháp để thực hiện, tuy nhiên nhóm nhận thấy phương pháp kết hợp điều khiển mờ và vi điều khiển là phương pháp mới, khả năng ổn định nhiệt độ tốt. Vì vậy được sự đồng ý của Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Hưng Yên, nhóm chúng em tiến hành thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển nhiệt độ lò nhiệt dùng thuật toán điều khiển mờ lập trình bằng vi điều khiển” GVHD: Nguyễn Phương Thảo GVHD2 :Nguyễn Trung Thành Lớp: ĐK8LC1 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp *Đề tài nghiên cứu gồm những phần chính sau: CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT CHƯƠNG II:TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHƯƠNG III:TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F4431 CHƯƠNG IV:THIẾT KẾ HỆ THỐNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ CHƯƠNG V:THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nhờ có sự hướng dẫn tận tình của cô giáo Ths Nguyễn Phương Thảo cùng các thầy cô trong khoa đã tạo điều kiện giúp đỡ để nhóm em hoàn thành được đề tài này. Tuy nhiên, do trình độ còn hạn chế, chưa có kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự chỉ bảo của thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1 GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo GVHD2 :Nguyễn Trung Thành SVTH: ĐK8LC.1 2 2 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2 GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo GVHD2 :Nguyễn Trung Thành SVTH: ĐK8LC.1 3 3 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo GVHD2 :Nguyễn Trung Thành SVTH: ĐK8LC.1 4 4 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC Contents GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo GVHD2 :Nguyễn Trung Thành SVTH: ĐK8LC.1 5 5 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Mặt cắt ngang của lò nhiệt…………………………………………………11 Hình 2: Mô hình thực nghiệm của lò……………………………………………….18 Hình 3: Đường đặc tính gần đúng của đối tượng………….………………… 18 Hình 4: Miền xác định và miền tin cậy của một tập mờ….………………………22 Hình 5: Ví dụ minh hoạ hàm thuộc………………………….…………………… 23 Hình 6: Bộ điều khiển mờ với quy tắc MAX-MIN………… …………………… 26 Hình 7: Giá trị rõ y’ không phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều khiển quyết định…………………………………………………………………………… 30 Hình 8: Giá trị rõ y’ phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều khiển quyết định…………………………………………………………………………………… 3 1 Hình 9: Giá trị rõ y’ phụ thuộc tuyến tính vào độ thoả mãn… ………………… 31 Hình 10: Giá trị rõ y’ là hoành độ của điểm trọng tâm……… …………………32 Hình 11: Xác định giá trị rõ y’ theo phương pháp điểm trọng tâm khi miền giá trị của tập mờ không liên thông…… ……………………………………………….33 Hình 12: Cấu trúc bên trong bộ điều khiển mờ…….…………………………… . 33 Hình 13: Mạch điều khiển với bộ điều khiển mờ………….…….………………… 34 Hình 14: Vi điều khiển PIC 18F4431………………… ………………………… 38 Hình 15: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 18F4431………………… ….…………. 39 Hình 16: Bộ nhớ chương trình PIC 18F4431……………………………………… 40 Hình 17: Bộ nhớ dữ liệu PIC 18F4431… …………………………………………41 GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo GVHD2 :Nguyễn Trung Thành SVTH: ĐK8LC.1 6 6 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp Hình 18: Sơ đồ khối của Timer0………… ………………………………………… 45 Hình 19: Sơ đồ khối của Timer1………… ………………………………………… 46 Hình 20: Sơ đồ khối của Timer2………… ………………………………………… 47 Hình 21: Sơ đồ khối của Timer5………… ………………………………………… 48 Hình 22: Sơ đồ khối ADC………………….…………………………………………50 Hình 23: Sơ đồ khối Capture/Compare/PWM……………… ……………………51 Hình 24: RC oscillator…………………….………………………………………….53 Hình 25: Sơ đồ logic của tất cả các ngắt trong vi điều khiển PIC 18F4431…55 Hình 26: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ…….………………………….58 Hình 27: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển nhiệt độ……………………………… 59 Hình 28: Mô tả các giá trị ngôn ngữ của DT bằng các tập mờ….…………… 61 Hình 29: Mô tả các giá trị ngôn ngữ của dμ bằng các tập mờ…….……………62 Hình 30: Sơ đồ khối hệ thống điện - điện tử………………………….……………72 Hình 31: Sơ đồ mạch khối nguồn…………………………………….…………… 73 Hình 32: Cảm biến nhiệt LM35D…………………………………….…………… 74 Hình 33: Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ LM35…………………….…………… 75 Hình 34: Sơ đồ khối bộ biến đổi ADC trong PIC……………… ………………76 Hình 35: Sơ đồ kết nối linh kiện trong khối xử lý trung tâm…………………….78 Hình 36: Cấu tạo và sơ đồ chân của MOC 3021……………… ………………80 Hình 37: Cấu tạo và ký hiệu của Triac…………………………….……………….81 Hình 38: Mạch điều khiển công suất lò nhiệt dùng rơle bán dẫn… ………… 82 Hình 39: Xung điều khiển PWM……………………………………….……………83 Hình 40: Sơ đồ và thông số của Triac BTA26600B……………….…………… 85 Hình 41: Sơ đồ mạch khối nguồn…………………………………….…………… 86 Hình 42: Sơ đồ mạch khối điều khiển……………………………….………………87 Hình 43:Board mạch khối nguồn và khối điều khiển …………….………………88 Hình 44 . Hình ảnh của sản phẩm thực tế……………………… ……………… 91 GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo GVHD2 :Nguyễn Trung Thành SVTH: ĐK8LC.1 7 7 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT 1.1. Cấu tạo lò nhiệt Thông thường lò nhiệt cấu tạo bởi ba phần chính là: vỏ lò, lớp lót, dây nung Hình 1: Mặt cắt ngang của lò nhiệt 1: Lớp lót 2: Vật nung 3: Dây nung 4: Vỏ lò 1.1.1. Vỏ lò. Vỏ lò là một khung cứng, vững, chủ yếu để chịu trọng tải trong quá trình làm việc của lò. Mặt khác, cũng là để giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo sự kín đáo hoàn toàn hay tương đối của lò sấy. Đối với các lò nung nóng với khí bảo vệ, sự cần thiết của lò là phải hoàn toàn kín. Đối với lò bình thường, sự kín của lò là để giảm tổn thất và tránh được sự lùa của không khí vào lò. Khung vò lò thường cứng, chắc, đủ để chịu được trọng tải của lớp lót, tải lò và các chi tiết cơ khí gắn trên vỏ lò. Vỏ lò sấy có hai dạng cơ bản: dạng chữ nhật và dạng hình tròn. Vỏ lò chữ nhật thường dùng trong các buồng lò băng tải, lò liên tục, lò đáy bước và lò đáy rung…. GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo GVHD2 :Nguyễn Trung Thành SVTH: ĐK8LC.1 8 8 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp Vỏ lò tròn được dùng trong các lò giếng và lò chụp…. Vỏ lò tròn chịu được tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò hình chữ nhật cùng một lượng thép làm vỏ lò. Khi làm vỏ lò trong người ta thường chọn độ dầy tương ứng của tấm thép so với đường kính vỏ lò như sau: Đường kính Độ dầy tấm thép 1000 – 2000 mm 3 – 6 mm 2500 – 4000 mm 8 – 12 mm 4500 – 6500 mm 14 – 20 mm Khi cần độ cứng vững chắc cho vỏ lò, người ta thường dùng vòng đệm tăng cường. Với vỏ lò chữ nhật thì vòng đệm là chữ U hay chữ L, còn vòng đệm trong thì dùng đai. Phương pháp gia công vỏ lò thường là hàn hay tán đinh… 1.1.2. Lớp lót. Lớp lót các lò sấy thường gồm 2 phần: Phần vật liệu chịu lửa và phần cách nhiệt. Phần vật liệu chịu lửa có thể xây dựng trên gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch đặc biệt, tuỳ theo hình dạng và kích thước đã cho của buồng lò, cũng có khi người ta dầm bằng các loại chịu lửa gọi là khối dầm. Khối dầm có thể tiến hành ngay trong lò hay ngoài nhờ các khuôn. Phần vật liệu chịu lửa phải đạt các yêu cầu sau: - Chịu được nhiệt độ cực đại của lò nhiệt. - Có độ bền nhiệt độ cực đại của lò nhiệt. - Có độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong các điều kiện làm việc đặc biệt. - Đảm bảo khả năng gắn dây cung bền và chắc chắn. - Có đủ độ bền hoá học, khi làm việc chịu nhiệt được tác dụng của khí quyển và vật nung. - Đảm bảo khả năng tổn thất nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng trong lò làm việc có chu kỳ. GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo GVHD2 :Nguyễn Trung Thành SVTH: ĐK8LC.1 9 9 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và vật liệu chịu lửa. Nhiệm vụ chủ yếu của phần này là giảm tổn thất nhiệt. Riêng phần cách nhiệt ở đây còn yêu cầu độ bền cơ học nhất định. Các yêu cầu cơ bản đối với phần cách nhiệt là: - Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu. - Khả năng tích cực tiểu. - Ổn định về tính vật lí trong điều kiện làm việc xác định. - Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch chịu lửa hay điền đầy bằng xi, bông, bột amiang 1.1.3. Dây nung Theo đặc tính của lò sấy mà chia thành 2 loại dây nung là kim loại và phi kim loại. Dây nung có thể có hình tròn và hình băng. Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc ở điều kiện khắc nghiệt, đời hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Chịu được nhiệt độ cao (ít bị oxi hoá ở điều kiện nhiệt độ cao). - Sức bền cơ học cao (không bị biến dạng ở nhiệt độ cao). - Điện trở suất lớn. - Hệ số nhiệt điện trở nhỏ để khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của dây vẫn ổn định. - Các tính chất dẫn điện phải ổn định hay ít thay đổi. - Các kích thước phải ít thay đổi khi sử dụng. - Dễ gia công, dễ hàn, ép khuôn. - Dây nung kim loại là hợp kim Crôm - nhôm - Niken. Thường chế tạo loại tròn hoặc loại băng. - Dây nung phi kim loại: phổ biến là cacbon-silic (SiC) hay disilic-molipden (MoSi 2 ), graphit và than - Dây nung có thể bố trí trên nóc và dưới đáy lò sấy, trên thực tế có thể nhiều cách bố trí dây nung khác nhau, tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật của từng loại lò sấy. GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo GVHD2 :Nguyễn Trung Thành SVTH: ĐK8LC.1 10 10 [...]... chuyên gia trong vi c thiết kế bộ điều khiển So với các giải pháp kĩ thuật từ trước đến nay được áp dụng để tổng hợp các hệ điều khiển, phương pháp tổng hợp bộ điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm rõ rệt sau: - Khối lượng công vi c thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình đối tượng trong vi c tổng hợp hệ thống - Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn các bộ điều khiển khác và dễ dàng thay... trị của tập mờ không liên thông 2.5 Các khâu điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ x0 y’ Hợp thành B’ Mờ hoá Giải mờ Hình 12: Cấu trúc bên trong bộ điều khiển mờ Hình 12:cấu trúc bên trong bộ điều khiển mờ - Bộ điều khiển mờ bao gồm các khâu cơ bản sau: + Khâu Fuzzy hoá có nhiệm vụ chuyển đổi một giá trị rõ đầu vào thành một vectơ µ gồm các độ phụ thuộc của giá trị rõ đó theo các giá trị mờ (tập mờ) + Khâu... nghiệp Hình 13: Mạch điều khiển với bộ điều khiển mờ Hệ thống điều khiển mờ đối tượng cũng có thể coi như là một hệ thống neuron (thần kinh), hay đúng hơn là một hệ thống điều khiển được thiết kế mà không cần biết trước mô hình đối tượng - Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế trên: + Giao diện đầu vào bao gồm các khâu Fuzzy hoá và các khâu phụ trợ thêm để thực hiện bài toán như khâu I, D + Thiết bị... nghiệp CHƯƠNG II:TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.1 Mở đầu Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển khoa học kĩ thuật hiện đại, đến nay điều khiển mờ đã là một phương pháp điều khiển nổi bật bởi tính linh hoạt và đã thu được những kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết mờ, logic mờ và suy luận mờ Những ý tưởng cơ bản trong hệ điều khiển logic mờ là tích hợp kiến thức của... biến ngôn ngữ - Số lượng tập mờ - Xác định hàm thuộc - Rời rạc hoá tập mờ Bước 3: Xây dựng luật hợp thành Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành Bước 5: Giải mờ và tối ưu hoá Những lưu ý khi thiết kế bộ điều khiển mờ: - Không bao giờ dùng điều khiển mờ để giải quyết bài toán mà có thể dễ dàng thực hiện bằng bộ điều khiển kinh điển - Không nên dùng bộ điều khiển mờ cho hệ thống cần độ an toàn cao GVHD1 :Nguyễn... gia trong thao tác vào các bộ điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic mờ được thiết lập thông qua vi c lựa chọn các luật điều khiển mờ (như luật if-then) trên các biến ngôn ngữ Luật điều khiển if-then là cấu truúcdạng điều kiện nếu - thì, trong đó có một số từ đặc trưng bởi các hàm liên tục Các luật mờ và các thiết bị suy luận mờ là những công cụ gắn với vi c sử dụng kinh... nhiệt trong lò Tổn hao nhiệt trong lò là do các nguyên nhân sau đây: - Do trao đổi nhiệt đối lưu của không khí trong và ngoài lò khi lò không kín - Do trao đổi nhiệt bức xạ của vỏ lò đối với môi trường xung quanh - Do tổn hao nhiệt khi mở cửa lò sấy, khi thay đổi vật nung trong lò Chính các sự tổn hao này làm cho nhiệt độ trong lò không được ổn định, vi c ổn định nhiệt độ lò về bản chất chính là điều chỉnh... ứng dụng gtrong ngành khoa học kĩ thuật Nó có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập, ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng, có đầy đủ sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, công cụ lập trình, mạch nạp chương trình và giá thành của loại vi điều khiển này không quá đắt tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng Trong... nên khâu trễ của lò Nhiệt độ trong lò sẽ tăng dần cho đến khi tỉ lệ với điện áp đặc vào thì lúc này sẽ kết thúc quá trình quá độ Trong quá trình xác lập thì lượng nhiệt ra là nhiệt độ, luôn tỉ lệ với điện áp đặt vào Hình 3: Đường đặc tính gần đúng của đối tượng Tín hiệu vào u(t) = 1(t) là hàm bậc thang đơn vị là theo biến đổi Laplace thì: Tín hiệu ra của quá trình được mô tả bằng phương trình: y(t) =... hiệu) T: là hằng số tích phân + Luật điều khiển D: y = (x - y) T: là hằng số vi phân Nếu như chỉ dùng một thiết bị hợp thành thể hiện luật điều khiển thì luật đó sẽ phải có dạng chung: Nếu x = A và x = A và x = A thì γ = B và γ = B 2.6.2 Trình tự thiết kế bộ điều khiển mờ Bước 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra Bước 2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hoá) - Miền giá trị vật lý của . Trường Đại học SPKT Hưng Yên Khoa: Điện – Điện tử Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp hiện nay, việc đo và khống chế nhiệt độ. tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic mờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển. tạp hơn gọi là nung gián tiếp. Trường hợp này thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp cho nên nói tới lò nhiệt không thể không đề cập tới vật liệu làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò. 1.2.2.