ĐỀ TÀI :( Số 3) Tính toán và thiết kế mạch đo, thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt .

Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo , thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt . Yêu cầu: Dải đo từ: t0C =tmin ÷ tmax = 0 ÷ (50+n)0 Chuẩn hóa đầu ra: U=0 ÷ 5V; U=0 ÷ 5V I=0 ÷ 20mA; I= 4 ÷ 20mA. 1. Vẽ sơ đồ hệ thống. 2. Dùng phần mềm mô phỏng thiết kế mạch đảm bảo yêu cầu : Dùng cảm biến IC đo nhiệt độ. Tính toán thông số bộ điều khiển PID. Tính toán mạch chuẩn hóa nhiệt độ. Vẽ mạch nguyên lý hệ thống. Khi hệ thống không dùng bộ điều khiển PID và mạch phản hồi : tính toán mạch đo và cảnh báo : + Khi nhiệt độ vượt quá giá trị t0C = 0 ÷ tmax –(10 + 2a). Đóng điện thế cho hệ thống quạt làm mát sử dụng động cơKĐB xoay chiều 3 pha . + Đưa ra tính hiệu cảnh báo bằng còi và đèn sáng nhấp nháy ( U= 48 VDC) , thời gian sáng tối bằng nhau và bằng : T0 =(5+ 0,5a) khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C = tmax (10 + 2a) . + Dùng LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ. PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu về bố cục nội dung: Chương 1: Tổng quan về mạch đo. Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính. Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo. Tính toán, lựa chọn cảm biến. Tính toán, thiết kế mạch đo. Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp. Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa. Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo, mạch nhấp nháy cho LED. ………. Kết luận và hướng phát triển.

BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập- Tự do- Hạnh phúc KHOA ĐIỆN  BÀI TẬP LỚN MÔN : VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI :( Số 3) Tính tốn thiết kế mạch đo, thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực : PHẠM VĂN TƯỜNG Mã SV : Lớp: 1041240343 (stt 75) TĐH –K10 Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Lời nói đầu Trong thực tế cơng nghiệp sinh hoạt hàng ngày, lượng nhiệt đóng vai trò quan trọng Năng lượng nhiệt dùng q trình cơng nghệ khác nung nấu vật liệu: nấu kim loại, chất dẻo , Vì việc sử dụng nguồn lượng cách hợp lý hiệu cần thiết Lò điện trở ứng dụng rộng rãi công nghiệp đáp ứng nhiều yêu cầu thực tiễn đặt Ở lò điện tr ở, yêu cầu kỹ thu ật quan trọng phải điều chỉnh khống chế nhiệt độ lò Chúng em chọn làm đề tài “ Tính tốn , thiết kế mạch đo , thiết kế điều ển PID để điều ển ổn định nhiệt độ lò nhiệt ” sở lý thuyết học chủ yếu môn học lý thuyết ều khiển, kèm theo kiến thức mơn học s ngành mơn h ọc có liên quan Kỹ thuật đo lường - cảm biến, Lý thuyết điều khiển tự động, Vi mạch tương tự vi mạch số … Trong làm em có tham khảo số tài liệu mạng internet đ ể phục v ụ cho vi ệc hoàn thiện tập lớn Do lượng kiến thức chuyên ngành thiếu y ếu , em mong r ằng thầy giúp em điều thiếu sai xót phần làm em đ ể em kịp thời củng cố bồi dưỡng kiến thức Em xin chân thành cảm ơn ! -2- Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 BỘ CÔNG THƯƠNG TTRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BÀI TẬP LỚN: VMTT& VMS Số Họ tên HS-SV : PHẠM VĂN TƯỜNG (STT 75 ) Nhóm : MSV : 1041240343 Lớp : TĐH Khoá : 10 Khoa : Điện NỘI DUNG Đề tài: Dùng vi mạch tương tự vi mạch số tính tốn, thiết kế mạch đo , thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =tmin ÷ tmax = ÷ (50+n)0 - Chuẩn hóa đầu ra: U=0 ÷ 5V; U=0 ÷ -5V I=0 ÷ 20mA; I= ÷ 20mA Vẽ sơ đồ hệ thống Dùng phần mềm mô thiết kế mạch đảm bảo yêu cầu : - Dùng cảm biến IC đo nhiệt độ - Tính tốn thơng số điều khiển PID - Tính tốn mạch chuẩn hóa nhiệt độ - Vẽ mạch nguyên lý hệ thống - Khi hệ thống không dùng điều khiển PID mạch phản hồi : tính tốn mạch đo cảnh báo : + Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C = ÷ tmax –(10 + 2*a) Đóng điện cho hệ thống quạt làm mát sử dụng động cơKĐB xoay chiều pha + Đưa tính hiệu cảnh báo còi đèn sáng nhấp nháy ( U= 48 VDC) , thời gian sáng tối : T0 =(5+ 0,5*a) nhiệt độ vượt giá trị : t0C = tmax - (10 + 2*a) + Dùng LED hiển thị nhiệt độ PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: Chương 1: Tổng quan mạch đo Chương 2: Giới thiệu thiết bị Chương 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, lựa chọn cảm biến - Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, thiết kế mạch nguồn cung cấp - Tính tốn, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa - Tính tốn, thiết kế mạch cảnh báo, mạch nhấp nháy cho LED - ……… Kết luận hướng phát triển -3- Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Mục lục -4- Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Chương : Tổng quan mạch đo 1.1 Khái niệm nhiệt độ Nhiệt độ đại lý đặc trưng cho cường độ chuy ển động nguyên tử, phân tử c hệ vật chất Tuỳ theo trạng thái vật chất ( rắn, l ỏng, khí) mà chuy ển đ ộng có khác trạng thái láng, phân tử dao động quanh vi trí cân nh ưng vi trí cân ln dịch chuyển làm cho chất lỏng khơng có hình dạng định Còn tr ạng thái rắn, phần tử, nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân Các d ạng v ận đ ộng phân tử, nguyên tử gọi chung chuy ển động nhiệt Khi tương tác v ới bên ngồi có trao đổi lượng khơng sinh cơng, q trình trao đổi l ượng nói gọi truyền nhiệt Q trình truyền nhiệt tuân theo nguyên lý : + Bảo toàn lượng + Khuếch tán nhiệt : Nhiệt tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhi ệt độ th ất Ởtr ạng thái rắn, truyền nhiệt xảy chủ yếu dẫn nhiệt xạ nhi ệt Đối với chất lỏng khí ngồi dẫn nhiệt xạ nhi ệt có truy ền nhi ệt đối lưu Đó tượng vận chuyển lượng nhiệt cách vận chuyển phần khối vật chất vùng khác hệ chênh l ệch t ỉ trọng 1.2 Các thang đo nhiệt độ Từ xa xưa người nhận thức tượng nhiệt đánh giá cường độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo đơn vị đo thời kỳ Có nhiều đ ơn vị đo nhiệt độ, chúng định nghĩa theo vùng,từng thời kỳ phát tri ển khoa h ọc kỹ thuật xã hội Hiện có thang đo nhi ệt đ ộ là: Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ) Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15 Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đ ơn vị quốc tế (SI) Dựa thang đo đánh giá nhi ệt độ Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực khơng mang tới thời nóng bỏng ẩn chứa vơ số điều bí ẩn có sức hấp dẫn lạ kỳ , đă ngày thâm nh ập vào đ ời sống Nhưng thưc tế dạng lượng thường dạng tương tự Do muốn xừ lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số -5- Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Xuất phát từ ý tưởng đó, em đă thưc việc xây dựng mạch ện đo nhiệt đ ộ hi ển thị đèn LED Mạch mang tính chất thử nghiệm thưc tế vấn đề chuy ển đổi ADC , vấn đề cảnh báo nhiệt độ đèn vấn đề đo lường đại lượng không điện ện 1.3 Biến nhiệt thành điện áp Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật gi ải nhi ệt đ ộ , phân làm phương pháp : Đo trực tiếp đo gián tiếp +Đo trưc tiếp phương pháp đo chuyển đổi nhiệt điện đươc đặt trực tiếp môi trường cần đo +Đo gián tiếp phương pháp đo dụng cụ đo đặt ngồi mơi trường cần đo(áp dụng với trường hợp đo môi trường co nhiệt độ cao ) Ta khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo cao.( ÷ 50+n) n: STT sinh viên Đo nhiệt độ phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát loại nhiệt kế nhi ệt ện trở LM35 1.4 Tổng quan mạch đo Mạch đo Đối tượng cần đo đại lượng vật lý, dựa vào đặc tính đại lượng cần đo mà ch ọn loại cảm biến phù hợp để thực việc biến đổi thong s ố cần đo thành đại l ượng điện hay điện áp : U=0÷5V U=0 ÷ -5v I = ÷ 20 mA I =4 ÷ 20mA Sau qua bọ lọc khuếch đại tín hiệu, tín hi ệu sau hi ệu ch ỉnh chuy ển qua chuyển đổi ADC ( Analog Digital Converter) chuy ển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số Bộ so sánh có chức so sánh điện áp đầu cảm bi ến v ới m ột giá tr ị đ ặt s ẵn Nếu UCB >= U đ ( tức nhiệt độ vươt ngưỡng cho phép ) mạch so sánh tác động làm đóng tiếp điểm Relay cấp điện cho khối cảnh báo làm mát Các phương pháp đo nhiệt độ Đo nhiệt độ phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên mơi trường, khơng có điện đại lượng cần đo Nhiệt độ phân làm nhiều dải để đo: + Dải mức thấp + Dải mức trung bình + Dải mức cao Nhiệt độ đo với cảm biến hỗ trợ : + Cặp nhiệt kế + Nhiệt điện kế kim loại + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn -6- Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 + Cảm biến thạch anh Lựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt thành điện Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt áp dụng vào thiết bị đo nhiệt độ phương pháp phổ biến , tiện lợi Do , chúng em đă lựa chọn phương pháp áp dụng vào đề tài mình.Hơn , em đă nói phần tử bán dẫn nhạy nhiệt ,đ ể đảm bảo độ chuẩn xác tương đối cao ,thoả măn tiêu chuẩn yêu cầu, chấp nhận 1.5 Hình thành sơ đồ khối Sơ đồ khối Nguồn nuôi Nguồn nuôi Nguồn nuôi Đại lượng cần đo So sánh Cảm biến Mạch đo Hiển thị Chuyển đổi ADC So sánh Cảnh báo , Làm mát Giải mã Nguồn nuôi Nguồn nuôi -7- Nguồn nuôi Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Yêu cầu cho khối : - Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , theo yêu cầu đ ề tài thiết bị khác cần cấp nguồn nuôi khác - Cảm biến : nhận tín hiệu cần đo ,dùng làm mạch đệm tín hiệu l ọc nhiễu tín hiệu trước chuyển vào khối khác - Mạch đo: có nhiệm vụ tính tốn biến đổi tín hiệu điện nhận từ chuyển đổi cho phù hợp với yêu cầu kết đo thị - ADC : dùng cho chức chuyển đổi tín hiệu tương tự đo cảm bi ến thành tín hiệu dạng số để đưa tín hiệu so sánh thị : + So sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa với tín hiệu cài đặt.Tuỳ theo tín hiệu ngõ ra, định để cấu chấp hành gia tăng, gi ảm, hay gi ữ nguyên nhiệt độ chí kết hợp để báo động hiển thị + Chỉ thị:làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận từ mạch đo để thể kết đo - Hiển thị : cho phép người quản lý thấy thời điểm hệ th ống đo để k ịp thời sử lý - Cảnh báo làm mát : thực chức báo động nhi ệt đ ộ vượt ng ưỡng cho phép, đồng thời khởi động quạt làm mát lò nhiệt để làm giảm nhiệt độ lò xuống mức cho phép 1.6 Nhiệt kế điện trở Phương pháp dùng nhiệt điện trở (là môt thiết bị biến đổi nhiệt độ thành thay đổi thương số điện trở R:Rt=f(t) ) phân làm loại : Nhiệt điện trở kim loại :thuường đươc làm Niken,Cu,platin Quan hệ R-t: Rt=Ro(1+at) Ro: điện trở nhiệt độ chuẩn a:hệ số nhiệt độ t:nhiệt độ môi trường Dải nhiệt độ:0 - 125 độ C Nhiệt điện trở bán dẫn : Chế tạo từ hỗn hợp chất oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO,MgẠl2O2 Đăc tính quan trọng có độ nhạy nhiệt cao gấp hàng chuc l ần lo ại Dải nhiệt độ rộng Quan hệ điện trở nhiệt độ: Rt=Ro Exp[B.(1/T-1/To) ] Trong đó: To nhiệt độ chuẩn tuyệt đối Ro la điện trở chất bán dẫn nhiệt độ To Rt la điện trở chất bán dẫn nhiệt độ T môi trường B số có giá trị từ 3000 đến 5000 K -8- Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Hiện thị trường có sẵn IC tích hợp sử dụng phần tử bán dẫn làm nhi ệm vụ cảm biến nhiệt tiện lợi Chương : Giới thiệu thiết bị 2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 Hình : Cản biến LM35 LM35 cảm biến nhiệt độ analog LM35 cảm biến nhiệt độ sử dụng rộng rãi giá thành rẻ, độ xác cao, dễ dàng xây dựng ứng dụng LM35 cho đầu tín hiệu analog, tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ cần đo Dải nhiệt độ đo -55 đến 150oC Hệ số tỷ lệ tín hiêu với nhiệt độ 10mV/oC Nguồn ni từ 4-30V, ăn dòng 60 μA Trở kháng chân Vout 0.1 Ω cho tải mA, dễ dàng phối ghép mạch Cấu tạo cảm biến nhiệt độ LM35 Cấu tạo: gồm chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính đầu Nguyên lý: nhiệt độ thay đổi cho sức điện động thay đổi ( mV) Ưu điểm: bền, đo nhiệt độ cao Khuyết điểm: nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao Thường dùng: lò nhiệt, mơi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… Gồm dây kim loại khác hàn dính đầu gọi đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu lại gọi đầu lạnh ( đầu chuẩn ) Khi có chênh lệch nhiệt độ đầu nóng đầu lạnh phát sinh sức điện động V đầu lạnh Một vấn đề đặt phải ổn định đo nhiệt độ đầu lạnh, điều tùy thuộc lớn vào chất liệu Do cho chủng loại cặp nhiệt độ, loại cho sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T Các bạn lưu ý điều để chọn đầu -9- Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 dò điều khiển cho thích hợp Dây cặp nhiệt điện khơng dài để nối đến điều khiển, yếu tố dẫn đến khơng xác chổ này, để giải điều phải bù trừ cho ( offset điều khiển ) Cách mắc LM35 : Phép đo nhiệt độ dải 2oC - 150oC Phép đô nhiệt độ full dải -55oC - 150oC Chọn R1= –VS / 50 µA VOUT= 1500 mV 150°C VOUT= 250 mV 25°C VOUT= –550 mV –55°C 2.2 IC giải mã ADC TC7107 Chân V + điện áp cung cấp dương Các chân ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 tín hiều đầu chân D1, C1,B1, A1,F1,G1,E1 LED hiển thị hàng đơn vị Các chân 9,10,11,12,13,14,25 tín hiệu đầu chân D2,C2,B2,A2,F2,E2,G2 LED hi ển thị hàng chục Các chân 15,16,17,18,22,23,24 tín hiệu chân D3,B3,F3,E3,G3,A3,C3 LED hiển thị hàng trăm Chân 19 (AB4) Kích hoạt hai nửa hình hiển thị số hình Chân 20 (POL) Kích hoạt hình phân cực âm Chân 21 (GND) nối đất Chân 26 (V- )điện áp cung cấp điện âm Chân 27 Đầu VINT Integrator Đi ểm kết nối cho tụ điện tích hợp - 10 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Hình 14 : Mạch tạo xung xử dụng IC555 IC 555 loại linh kiện phổ biến với việc dễ dàng tạo đượcxung vng thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn gi ản,đi ềuch ế đ ược đ ộ r ộng xung Nó ứng dụng hầu hết vào mạch tạo xung đóng cắt mạch dao động khác Tính tốn chọn thơng số cho mạch tạo xung Đề yêu cầu thiết kế mạch để đưa xung vuông đối xứng v ới Tn = Tx = 7,5s đ ể đóng ngắt mạch cảnh báo nhiệt độ Ta có Tn = 0,69 * R2 * C = 7,5s Tx = 0,69 * R1 * C = 7,5s Chọn C=100uF ; R1 = R2 = 108 KΩ - 21 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 3.3 Mạch PID ổn định tín hiệu đầu Hình 15: Bộ điều khiển PID Tính tốn PID (Giả xử lò nhiệt đối tượng bậc ) Ta có : T∑ = 0.6= R9*C3+ R10*C4 Giả sử : KP =1; TI =0.4; TD =0.1002 TI = R7C1 + R8C2 = 0.4 TD=( R7R8C1C2)/ (R8C2 +R7C1)=0.1002 =>R7R8C1C2 = 0.04008 KP = ( R8C2 +R7C1)/ (R8C2) = =>R8C1=0.4=> R8 = 40k, C1 = 10uF Ta có C2R7 =0.1002  C2=0.1002/R7 R7*10-5+40000*0.1002/R7=2.5 (1) (2) Từ ( 1) (2) => R7 = 16K, C2 =10uF - 22 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 3.4 Khối ADC (analog digitor converter) Hình 16 : Khối chuyển đổi ADC Các tham số điều chỉnh giải mã chuyển đổi ADC em có tham khảo ti ểu lu ận mạng internet để áp dụng vào thực hành làm - 23 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 3.5 Khối hiển thị Sau nhận tín hiệu từ khối giải mã tín hiệu đưa đến IC TC7107 hi ển th ị LED đoạn Hình 17 : Khối hiển thị 3.6 Khối so sánh Hình 18 : Khối so sánh Giá trị điện áp đặt R25 = 1,051 V tương ứng với giá trị đầu cảm bi ến 105 0C Giá trị điện áp chân vào lại tín hiệu lấy trực tiếp từ đầu cảm bi ến Khi U1 lớn Uđặt tín hiệu đầu khuếch đại thuật toán OP - 24 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 3.7 Khối nguồn cung cấp cho toàn hệ thống Hình 19: Khối nguồn cung cấp cho hệ thống Về nguồn cung cấp cho hệ thống đo lường điều khiển , ta có th ể xử dụng ngu ồn đa tích hợp sẵn máy biến áp Trong mạch điều ển chủ yếu xử dụng nguồn điện chiều DC có mức điện áp 5V ,24V ,48V mức ện áp có th ể biến đổi dễ dàng từ nguồn điện xoay chiều pha pha cách dùng mạch ch ỉnh lưu Còn phía mạch động lực phận gia nhiệt lò nh ph ần làm mát ,… thiết bị hoạt động trực tiếp với lưới điện xoay chiều 3.8 Tổng quan điều khiển PID Một hệ thống điều khiển PID nói chung có mơ hình tổng quan d ạng: Hình 20 : Hệ thống điều khiển PID tổng quát Quá trình điều khiển theo mơ hình q trình khép kín Giá trị setpoint- SP giá trị đặt trước mà hệ thống phải làm việc xung quanh giá trị tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng hệ thống Việc đảm bảo tính ổn định chất lượng hệ thống thực - 25 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 chất đưa hệ thống bám sát SP với độ sai lệch nhỏ thời gian độ nhanh Bộ điều khiển PID gồm thành phần: Tỉ lệ (P), Vi phân (D), Tích phân (I) Trong phần làm thời lượng làm có hạn trọng tâm ph ần thi ết k ế b ộ điều khiển PID để ổn định nhiệt độ lò nhiệt nên làm em trình bày ngắn g ọn v ề tổng quan điều khiển PID Mỗi thành phần có tác động khác tới trình ều ển h ệ th ống Cụ thể: Thành phần Tỉ lệ (P): Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t) Phương trình sai phân mơ tả đ ộng học: u(t) = Km.e(t) Trong đó: u(t): tín hiệu điều khiển e(t): tín hiệu vào Km : hệ số khuyếch đại điều khiển + Hàm truyền đạt miền ảnh Laplace: W(p) = U(p)/E(p) = Km + Hàm truyền đạt miền tần số: W(jω) = Km Sai lệch hệ thống tính: Từ phân tích ta thấy thành phần tỉ lệ (P) có tác dụng làm gi ảm sai l ệch tĩnh, th ời gian tác động nhanh - 26 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Thành phần tích phân (I) + Hàm truyền đạt miền ảnh Laplace: + Hàm truyền miền tần số: đó: + Hàm độ: + Hàm độ xung: Thành phần vi phân (D) : Tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân tín hi ệu sai l ệch e(t) Ph ương trình vi phân mô tả động học : U(t) = Td - 27 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Trong đó: e(t) : tín hiệu vào điều khiển U(t): tín hiệu điều khiển Td : số thời gian vi phân + Hàm truyền đạt miền ảnh Laplace: + Hàm truyền đạt miền tần số: đó: + Hàm độ: + Hàm độ xung: + Sai lệch hệ thống: Theo hình I.3.2, ta có: E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) – Td.p.Wdt(p).E(p) + Ưu điểm: Luật điều khiển vi phân có đặc tính tác động nhanh, đặc tính mà điều khiển tự động thường mong muốn + Nhược điểm: Khi hệ thống dùng điều ển có luật vi phân hệ th ống dễ bị tác động nhiễu cao tần, loại nhiễu thường tồn cơng nghi ệp Các điều khiển tích hợp Trong hệ thống điều khiển thường sử dụng kết hợp thành phần tùy theo yêu cầu chất lượng hệ thống tính phức tạp thiết kế thành phần mà người thi ết kế sử dụng khâu điều khiển P, PI hay PID Trong kết hợp khâu ều khiển PID hoàn hảo cho hệ thống điều khiển - 28 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Phương trình vi phân mơ tả quan hệ tín hiệu vào điều ển PID: đó: e(t) : tín hiệu vào điều khiển U(t): tín hiệu ều ển K m = K1 : hệ số khuyếch đại Td = K3/K1 : số thời gian vi phân Ti = số thời gian tích phân + Sơ đồ cấu trúc: + Hàm truyền đạt miền ảnh Laplace: + Hàm truyền đạt miền tần số: Trong : - 29 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 + Đồ thị đặc tính: Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy đặc tính làm việc ều ển PID r ất linh hoạt, mềm dẻo Ở dải tần số thấp điều khiển làm việc theo qui lu ật t ỉ l ệ tích phân Ở dải tần số cao điều khiển làm việc theo qui luật t ỉ l ệ vi phân, điều khiển làm việc theo qui luật tỉ lệ Bộ điều khiển có tham số Km, Ti Td + Khi ta cho Ti = ∞, Td = điều khiển làm việc theo luật tỉ lệ + Khi Ti = ∞ điều khiển làm việc theo qui luật tỉ lệ - vi phân + Khi Td = điều khiển làm việc theo qui luật tỉ lệ - tích phân Tín hiệu điều khiển lệch pha so với tín hiệu vào góc α Đây đặc tính mềm dẻo điều khiển Nếu ta chọn tham số phù hợp cho điều khiển PID hệ th ống cho ta đặc tính mong muốn, đáp ứng cho hệ thống công nghiệp Đặc biệt ta chọn tham số tốt, điều khiển đáp ứng tính tác đ ộng nhanh, đặc điểm bật điều khiển Trong điều khiển có thành phần tích phân nên hệ thống triệt tiêu sai l ệch dư Bằng thực nghiệm lý thuyết ta xác định tham s ố K m, Ti, Td để điều khiển đáp ứng đặc tính hệ thống Các Phương pháp xác định tham số Km, Ti, Td cho hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID - 30 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Mơ hình: + Km: thay đổi trực tiếp giá trị tín hiệu => thay đổi sai lệch tĩnh, đáp ứng nhanh, b ị ảnh hưởng nhiễu tần số + Ti: sai lệch tĩnh hệ kích thích tín hiệu hằng, giảm độ điều chỉnh + Td: phản ứng nhanh với thay đổi e(t), tăng độ điều chỉnh, nhạy cảm v ới nhi ễu tần số cao Xác định tần số thực nghiệm: công thức Ziegler-Nichols a, Zigler-Nichols 1: Đối tượng khâu quán tính bậc bậc cao Xấp xỉ dạng qn tính bậc có trễ Xác định Km, Ti, Td từ k, τ, T - 31 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 + sử dụng P: Km = T/kτ + sử dụng PI: Km = 0.3T/kτ Ti = 10τ/3 + sử dụng PID: Km = 0.2T/kτ Ti = 2τ Td = τ/2 b, Zigler-Nichols 2: thay PID khâu khuyếch đại Kth kích thích hệ 1(t) thay đổi Kth h(t) có dạng điều hòa lấy thông số Kth, Tth( chu kỳ h(t) ) chọn tham số PID từ Kth, Tth: + sử dụng P: Km = Kth/2 + sử dụng PI: Km = 0.45Kth Ti = 0.85Tth + sử dụng PID: Km = 0.6Kth Ti = 0.5Tth Td = 0.167Tth Phương pháp tối ưu mođun áp dụng cho khâu quán tính hệ biến đổi chậm Phương pháp tối ưu đối xứng áp dụng cho khâu tích phân quán tính độ điều chỉnh nhỏ, thời gian q độ lớn 3.9 Mơ tả tốn học lò điện trở Giới thiệu chung lò điện trở Nguyên lý làm việc lò điện trở - 32 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Lò điện trở làm việc dựa sở có dòng điện chạy qua dây d ẫn ho ặc v ật dẫn tỏa lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ: Q=I2RT Q: Nhiệt lượng tính Jun (J) I: Dòng điện tính Ampe (A) R: Đi ện tr tính b ằng Ơm (Ω) T: Thời gian tính giây (s) Từ cơng thức ta thấy điện trở R đóng vai trò : vật nung dây nung ( dây nung nung nóng, truyền nhiệt cho vật nung xạ, đối lưu, dẫn nhiệt phức hợp ) Trường hợp dây nung thường gặp nhiều thực tế công nghiệp Cho nên nói đến lò điện trở khơng thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, phận phát nhiệt lò Các phương pháp xây dựng mơ hình tốn học Ổn định tham số đối tượng điều khiển nhiệt độ, tốc độ… mối quan tâm hàng đầu thiết kế hệ thống điều khiển Để thực việc cơng việc xác định mơ hình tốn học đối tượng điều khiển Trong lý thuyết điều khiển tự động việc xác định mơ hình đối tượng điều khiển bước quan trọng trước xác định thuật toán tham số điều ển Để xác định mơ hình tốn học đối tượng điều khiển đến có phương pháp: dựa phương trình tốn học mơ tả mối quan hệ đại lượng vật lý đối tượng tham số đối tượng dựa đường cong thực nghiệm đối tượng Mô tả tốn học lò ( hàm truyền lò) - 33 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 Hình 21: Mơ lò nhiệt điện trở Đối tượng khâu quán tính bậc cao xấp xỉ khâu qn tính bậc có tr ễ Kết luận hướng phát triển Do thời gian làm giới hạn kiến thức có hạn nên phần làm em có số sai sót Em mong thầy cô giúp em s ửa chữa sai sót để em hồn thiện tốt tập bồi dưỡng thêm ki ến thức mà em thiếu yếu để phục vụ cho học tập làm việc sau Em xin chân thành cám ơn ! - 34 - Họ tên : PHẠM VĂN TƯỜNG Lớp : TĐH 4- K10 H ẾT - 35 -