chương 1 giới thiệu hệ thống điều khiển nhiệt độ

Chương I:GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ I.Khái niệm về hệ thống điều khiển nhiệt độ: Nhiệt độ là đại lượng vật lý hiện diện khắp mọi nơi và trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là tro

Chương I:

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NHIỆT ĐỘ I.Khái niệm về hệ thống điều khiển nhiệt độ:

Nhiệt độ là đại lượng vật lý hiện diện khắp mọi nơi và trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghiệp vì mỗi sản phẩm , thiết bị hay điều kiện làm việc cần những nhiệt độ khác nhau Muốn có được nhiệt độ phù hợp cần phải có một hệ thống điều khiển.Tùy theo tính chất ,yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điều khiển thích hợp

Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại :Hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control system)

− Điều khiển hồi tiếp thường được xác định và giám sát kết quả điều khiển ,

so sánh nó với yêu cầu thực thi và tự động điều chỉnh đúng

− Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước khi xác định tuần tự

Điều khiển

Đối tượng

n

c u

e

II Các nguyên tắc điều khiển :

1.Nguyên tắc thông tin phản hồi:

Trong các quá trình điều khiển ,tồn tại hai dòng thông tin một từ cơ quan chủ quản đến đối tượng và một từ đối tượng đi ngược về cơ quan điều khiển , được gọi là liên kết ngược hay hồi tiếp

a) Quá trình điều khiển theo

nguyên tắc bù nhiễu:

Tác động vào đối tượng là

luật điều khiển u theo nguyên tác

bùnhiễu để đạt đầu ra c mong

muốn,nhưng không quan sát tín hiệu ra c

Về nguyên tắc ,đối với hệ phức tạp thì điều khiển theo mạch hở không cho kết quả tốt

b) Điều khiển theo sai lệch:

Cơ quan điều khiển quan

sát c, so sánh với định chuẩn điều mong muốn r để chọn luật điều khiển u

Nguyên tắc ở đây là điều chỉnh linh hoạt ,loại sai lệch ,thử nghiệm và sửa.Đây là nguyên tắc cơ bản trong điều khiển

c) Điều khiển phối hợp:

n

Điều khiển

Đối tượng

r

Điều khiển

n

c

tượng

2.Nguyên tắc đa dang tương xứng:

Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của cơ quan điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng Tính đa dạng của cơ quan điều khiển có thể dùng để chế ngự đối tượng thể hiện ở :khả năng thu thập thông tin , lưu trữ ,phân tích xử lý ,chọn quyết định ,tổ chức thực hiện

3.Nguyên tắc bổ sung ngoài:

Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đó Trong điều kiện thừa nhận nguyên tắc bổ sung ngoài sau:thừa nhận có một đối tượng chưa biết (hộp đen)tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen

4.Nguyên tắc dự trư:õ

Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng các bất trắc có thể xảy ra và không được dùng toàn bộ lực lượng trong điều kiện bình thường Vốn dự trữ là không sử dụng ,nhưng cần để bảo đảm cho hệ thống vận hành an toàn

5.Nguyên tắc phân cấp:

Đối với một hệ thống phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm ,để khuếch đại khả năng điều khiển Phải tránh khuynh hướng hình thức và phân cấp quá đáng ,xử lý cho đúng nhiện vụ và quyền hạn

ở mỗi cấp

6.Nguyên tắc cân bằng nội:

Mỗi hệ thống cần được xây dựng với cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự giải quyết những biến động xảy ra

III.Các loại điều khiển:

Sự phân loại điều khiển có tính chất quy ước

1.Điều khiển ổn định hóa:

Mục tiêu điều khiển là kết quả đầu ra bằng đầu vào chuẩn r(t) = const với sai lệch cho phép exl (sai số ở chế độ xác lập)

e(t) = r(t) - c(t) ≤ exl

Đặc biệt khi đầu ra hệ thống cần giữ là hằng số ,ta có hệ thống điều chỉnh hay hệ thống ổn định

Ví dụ: hệ thống ổn định nhiệt độ ,điện áp ,áp suất ,nồng độ tốc độ…

2.Điều khiển theo chương trình:

Nếu r(t) là một hàm định trước theo thời gian ,yêu cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị của tín hiệu vào r(t) thì ta có hệ thống điều khiển theo chương trình

Ví dụ: hệ thống điều khiển máy công cụ CNC ,điều khiển tự động nhà máy xi măng Hoàng Thạch ,hệ thống thu thập và truyền số liệu hệ thống điện, quản lý vật tư ở nhà máy …

3.Điều khiển theo dõi:

Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) là một hàm không bết trước theo thời gian ,yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t) luôn bám sát được r(t) ,ta có hệ thống theo dõi.Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển vũ khí ,hệ thống lái tàu ,máy bay…

4.Điều khiển

thích nghi:

Tín hiệu

v(t) chỉnh định

u (t)

TC

n (t)

v (t)

lại tham số điều khiển sao cho hệ thích nghi với mọi biến động của môi trường ngoài

5.Điều khiển tối ưu hàm mục tiêu đạt cực trị:

Ví dụ các bài toán qui hoạch ,vận trù trong kinh tế ,kỹ thuật đều là các phương pháp điều khiển tối ưu

IV.Mô hình tổng quát và các phương pháp đo nhiệt độ:

1.Mô hình hệ thống điều khiển:

Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ là một đạng của hệ thống thu thập dữ liệu Nhìn chung một hệ thống thu thập dữ liệu đầy đủ có những thành phần sau:

• Phần thu thập dữ liệu từ đối tượng bên ngoài vào hệ thống vi xử lý-máy tính Phần này gồm các cảm biến ,mạch gia công tín hiệu ,bộ chuyển đổi tín hiệu tương đồng sang tín hiệu số (ADC) và các thiết bị ngoại vi khác như nguồn, đường dây truyền dữ liệu …

• Phần điều khiển : bao gồm hệ vi xử lý , máy tính và hệ thống tác động vào đối tượng

• Phần mềm: là chương trình cho kít xử lý tại chổ và chương trình cho máy tính nhằm thu nhận dữ liệu và điều khiển nhiệt độ cũng như giao tiếp với người sử dụng Các thành phần trên liên quan chặt chẽ với nhau ,tạo thành một hệ thống hợp nhất Từ phân tích trên một hệ thống thu thập dữ liệu (ADS)sẽ có những thành phần cấu trúc sau:

2.Chức năng các khối trong hệ thống điều khiển:

2.1.Kít chủ vi xử lý:

Kit sử dụng một chip vi xử lý ,là đơn vị master nhận yêu cầu từ người sử dụng và truyền dữ liệu cho các slave khác ,ở đây sử dụng kỹ thuật truyền thông

đa xử lý để giao tiếp kit chủ và các kit xử lý slave,giữa kit chủ và máy tính, chỉ có thể giao tiếp khi tác động phím từ kit

Kit chủ có thiết kế phần cứng như các kit slave, duy chỉ có thêm về phần cứng mạng truyền và phần chương trình quản lý các thông số của các đơn vị slave

2.2.Các kit xử lý tạm thời (slave):

Kênh n

KÊNH TƯƠN G TỰ

KÍT LƯU TRỮ VÀ ĐIỀU KHIỂ N

ADC

Mạch đối tượng 1

DAC

Mạch Gia công n

BỘ PHÂN KÊNH

Máy tính chủ

Mạch đối tượng n

Mạch Gia công 1

Các kit xử lý tạm thời có nhiệm vụ thu nhận các giá trị từ ADC và có khả năng điều khiển nhiệt độ theo các phương pháp khác nhau.Chức năng của các thông số từ cổng nối tiếp

2.3 Mạng truyền:

Dùng để giao tiếp giữa các kit ,giữa các kit với máy tính Mạng truyền sử dụng ở đây là theo khuyến cáo của nhà sản xuất chip giao tiếp mã 485.Chuẩn truyền 485 được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điều khiển vi tính đơn giản trong kết nối phần cứng cũng như giao thức truyền đây là mạng Half Duplex Trong một thời gian sử dụng nhất định chỉ có thể nhiều nhất hai đối tượng liên lạc với nhau.Các cách thức giao tiếp là một vi xử lý chủ và các vi xử lý tớ ,các

vi xử lý tớ không thể liên lạc với nhau mà chỉ có thể liên lạc thông qua vi xử lý chủ

2.4 Chương trình điều khiển:

Thực hiện việc giao tiếp giữa các vi xử lý và kit chủ ,giữa kit chủ và máy tính ,đặt trị

3.Các phần tử trong thiết bị đo và phương pháp đo nhiệt độ:

3.1.Các phần tử trong thiết bị đo:

• CẢM BIẾN

Phần tử biến đổi các đại lượng không điện sang đại lượng điện,bộ phận này thường dùng thermocouple

• BỘ CHẾ BIẾN TÍN HIỆU

Biến đổi tín hiệu điện thu được từ thermocouple cho phù hợp với mức vào mạch biến đổi tín hiệu A/D

• BỘ HIỂN THỊ KẾT QUẢ

Hiển thị kết quả thu được dưới dạng hiển thị số

• BỘ ĐIỀU KHIỂN

Thực hiện điều khiểntheo phương pháp PID hay ON/OFF

• MẠCH KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Khuếch đại tín hiệu điều khiển để điều chỉnh nhiệt độ

3.2.Các phương pháp đo:

Hiện nay có rất nhiều phương pháp đo khác nhau :từ đơn giản đến phức tạp, từ loại có độ chính xác vừa đến loại chính xác cao

• Đo nhiệt độ bằng cột thủy ngân

• Đo nhiệt độ bằng điện trở

• Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện

• Đo nhiệt độ bằng diode và transistor

• Dụng cụ đo nhiệt theo nhiệt nóng chảy của các chất

• Dụng cụ đo nhiệt độ theo dòng điện bức xạ

• Đo nhiệt độ bằng IC cảm biếm nhiệt

• Đo nhiệt độ bằng cảm biến thạch anh

Đo nhiệt độ dùng cảm biến thạch anh có ưu điểm hơn so với các phương pháp khác ,vì nó có độ chính xác cao ,việc chuyển đổi dạng số rất dễ dàng đối với thông tin liên quan đến tần số

Ví dụ: đặc tính đo lường của tinh thể thạch anh do hãng Heulett Packard chế tạo có:

+ Khoảng đo -80oC ÷ 250oC

+ Khoảng tuyến tính ± 0.05% khoảng đo.

+ Độ nhạy 1000HZ oC

+ Khả năng đo 0.0001oC

Tuy nhiên có hạn chế là khó chế tạo ,các mạch dao động thạch anh khó tinh chỉnh

a) Cách lắp đặt bộ cảm ứng nhiệt:

Vị trí của cảm ứng nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến việc đo đạc và điều khiển nhiệt độ của vật thể Cảm ứng nhiệt càng xa nguồn nhiệt thì càng vọt lố cao do đó tùy theo yêu cầu cụ thể mà ta lắp đặt vị trí thích hợp

b) Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ:

ToC =T(oK)-273.15

ToC ={T(oF)-32}×5/9