Ổn định nhiệt độ lò điện trở dùng bộ điều khiển PID

Ổn định nhiệt độ lò điện trở dùng bộ điều khiển PID. Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vaitrò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệ khácnhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc,… Vì vậy việc sử dụng nguồnnăng lượng này một cách hợp lý, hiệu quả là rất cần thiết. Lò điện trở được ứng dụng rấtrộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra như: nungnóng, sấy khô, …Ở lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh vàkhống chế được nhiệt độ của lò. Chúng em chọn đề tài “ Điều khiển nhiệt độ lò điện trở”trên cơ sở những lý thuyết đã học trong các môn Lý thuyết điều khiển, Vi xử lý, Điện tửtương tựsố, Kỹ thuật đo lường,.. Do quy mô của một bài tập lớn nên nhóm chỉ triển khaimô hình lò điện trở là bóng đèn tượng trưng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn Th.s Võ Duy Thành Nhóm sinh viên Nguyễn Đăng Hùng - 20142083

Nguyễn Xuân Tú - 20145056

Đỗ Tuấn Anh - 20140063

MỤC LỤC

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 7

CHƯƠNG 2 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN 8

2.1 Sơ đồ khối 8

2.2 Khối vi điều khiển 9

2.3 Khối chuyển đổi ADC 10

2.4 Khối cảm biến 11

2.5 Khối phím bấm 11

2.6 Khối hiển thị 11

2.7 Khối nguồn 12

2.8 Khối phát hiện điểm không của điện lưới 13

2.9 Khối phát xung điều khiển 16

2.10 Tải 17

CHƯƠNG 3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 18

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM 20

4.1 Tính toán bộ điều khiển 20

4.2 Thực nghiệm đo tín hiệu 22

4.3 Tính toán sai số 25

CHƯƠNG 5 MÃ NGUỒN 26

KẾT LUẬN 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Vi điều khiển dsPIC30F4011 9

Hình 2 Bộ ADC trong dsPIC30F4011 10

Hình 3 LCD 16x2 11

Hình 4 Mạch nguồn 5V dùng IC 7805 12

Hình 5 Mạch phát hiện điểm không 13

Hình 6 Dạng sóng đầu ra chỉnh lưu cầu 14

Hình 7 Dạng sóng đầu ra mạch Zero Crossing Detector 15

Hình 8 Khối phát xung điều khiển Triac 16

Hình 9 Tải 17

Hình 10 Lưu đồ thuật toán 18

Hình 11 Sơ đồ Matlab Simulink 20

Hình 12 Đáp ứng bước nhảy 21

Hình 13 Mô hình đối tượng nhiệt độ lò nhiệt 22

Hình 14 Cấu trúc điều khiển lò nhiệt dùng bộ điều khiển PID 22

Hình 15 Dạng sóng đầu ra mạch Zero Crossing Detector(màu đỏ) 23

Hình 16 Tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển 23

Hình 17 Điện áp trên tải khi góc mở <90 độ 24

Hình 18 Điện áp trên tải khi góc mở > 90 độ 24

MỞ ĐẦU

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc,… Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý, hiệu quả là rất cần thiết Lò điện trở được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra như: nung nóng, sấy khô, …Ở lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và

khống chế được nhiệt độ của lò Chúng em chọn đề tài “ Điều khiển nhiệt độ lò điện trở”

trên cơ sở những lý thuyết đã học trong các môn Lý thuyết điều khiển, Vi xử lý, Điện tử tương tự-số, Kỹ thuật đo lường, Do quy mô của một bài tập lớn nên nhóm chỉ triển khai

mô hình lò điện trở là bóng đèn tượng trưng

Do kiến thức còn nhiều thiếu sót nên báo cáo có những chỗ chưa được hoàn thiện, mong thầy có thể bổ sung giúp chúng em hoàn thiện một cách tốt nhất

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 27 tháng 12 năm 2017 Nhóm sinh viên thực hiện

Đỗ Tuấn Anh Nguyễn Đăng Hùng Nguyễn Xuân Tú

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc,… Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý, hiệu quả là rất cần thiết Lò điện trở được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra như: nung nóng, sấy khô, …Ở lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò

Bài báo cáo gồm 5 chương chính:

Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Các khối chức năng và lựa chọn linh kiện Chương 3: Lưu đồ thuật toán

Chương 4: Thực nghiệm Chương 5: Mã nguồn

CHƯƠNG 2 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG VÀ LỰA CHỌN

LINH KIỆN 2.1 Sơ đồ khối

2.2 Khối vi điều khiển

Hình 1 Vi điều khiển dsPIC30F4011

- Tập lệnh cơ bản gồm 84 lệnh

- Chế độ định địa chỉ linh hoạt

- Độ dài lệnh 24-bit, độ dài dữ liệu 16-bit

- Bộ nhớ chương trình Flash

- Bộ nhớ RAM độ lớn 1Kbytes

- Mảng 16 thanh ghi làm việc 16-bit

- Tốc độ làm việc lên tới 30 MIPS

- Bộ nhớ Flash24 Kbyte: ghi/xoá lên tới 10.000 lần (điều kiện công nghiệp) và trên dưới 100.000 lần (thông thường)

- Bộ nhớ EEPROM: ghi/xoá lên tới 100.000 lần (điều kiện công nghiệp) và trên dưới 1.000.000 lần (thông thường)

- Khả năng tự nạp trình dưới điều khiển của software

- Watch Dog Timer mềm dẻo với bộ dao động RC nguồn thấp trên chip

- Chế độ bảo vệ firmware khả lập trình

2.3 Khối chuyển đổi ADC

Hình 2 Bộ ADC trong dsPIC30F4011

Nhóm em chọn bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) 10-bit tích hợp trong Dspic30f4011 với những thông số

- Tốc độ lấy mẫu tối đa 1 Msps (Mega samples per second)

- Tối đa 4 kênh ADC

- 16 đầu vào analog

- Thực hiện biến đổi cả trong chế độ Sleep và Idle

- Chế độ nhận biết điện thế thấp khả lập trình

- Tạo Reset bằng nhận diện điện áp khả lập trình

- Kết quả ADC được cất trong 16 thanh ghi 16bit ADCBUF0 -15

giá tr ị nh ị phân c ủ a h ệ s ố AN LM35

Vref- = 0V

 Cấu trúc chân của lcd:

o Vss: Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với

GND của mạch điều khiển

o VDD: Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này

với VCC=5V của mạch điều khiển

o VEE: Điều chỉnh độ tương phản của LCD

o RS: Chân chọn thanh ghi (Register select)

o R/W: Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write)

o E: chân cho phép Enable

o DB0-7: 8 chân dữ liệu

o LED+: chân dương của đèn

o LED-: chân âm của đèn

Ở đây đầu vào VIN là một hiệu điện thế xoay chiều 9V lấy từ máy biến áp Hiệu điện thế này được chỉnh lưu qua một cầu diode, sau đó được lọc phẳng bởi một tụ hóa có trị số phù hợp ( 1000uF) và được lọc nhiễu cao tần bởi một tụ gốm có giá trị phù hợp ( 104) Điện áp một chiều sau lọc sẽ đưa vào đầu vào của IC 7805, đảm bảo điều kiện lớn hơn 7VDC để tạo được đầu ra 5VDC ổn định Đầu ra ta cũng thêm bộ đôi tụ lọc để điện áp ra đạt chất lượng tốt hơn Sau cùng là một đèn led báo có nguồn Điện áp 5VDC sẽ được cấp cho vi điều khiển và một số thành phần khác của mạch

Thông số linh kiện:

1 Cầu diode 2A 600V KBP206 chịu được điện áp đầu vào 600VAC, dòng tải tối đa 2A

2 IC LM7805 với đầu ra ổn định 5V, dòng tải tối đa 1A Điện áp vào lớn nhất 20V, điện áp vào nhỏ nhất 7V Dải nhiệt độ hoạt động: -20C

 85 C

2.8 Khối phát hiện điểm không của điện lưới

Để có thể phát xung chính xác cho triac, ta cần phải biết thời điểm điện áp lưới có giá trị bằng không Để làm được điều này, nhóm sử dụng một thiết kế phổ biến có sơ đồ như sau

Hình 5 Mạch phát hiện điểm không

Nguyên lý của mạch :

VIN là hiệu điện thế xoay chiều 12V lấy từ biến áp Hiệu điện thế này được chỉnh lưu bởi một cầu diode cho ta dạng sóng như sau:

Hình 6 Dạng sóng đầu ra chỉnh lưu cầu

Điện áp này được đặt vào đầu vào của một opto-coupler Ta nhận thấy cứ khi điện áp này

có giá trị lớn hơn 0.7 V thì đầu vào của opto có tín hiệu ( diode phát quang đầu vào opto dẫn) và cảm biến quang phototran ở đầu ra của opto được thông Ta sẽ nhận được dạng sóng như sau:

Hình 7 Dạng sóng đầu ra mạch Zero Crossing Detector

Ta thấy, cứ thời điểm trị tuyệt đối của điện áp lưới nhỏ hơn 0.7V thì đầu ra V_ZCD của opto phát ra một xung Nhờ đó ta xác định được thời điểm qua không của điện lưới Thông số linh kiện:

1 Opto-coupler 4N35:

Tốc độ đóng cắt: 3  s

Điện trở cách ly: 1011 ohms

Hiệu điện thế đánh thủng: 2500 V

Dòng qua led: 60mA

2.9 Khối phát xung điều khiển

Ở đây ta sử dụng triac để làm nhiệm vụ điều khiển điện áp ra trên tải là bóng đèn từ đó thay đổi được nhiệt độ trong lò Nguyên lý là thay đổi góc mở của triac thì điện áp ra trên tải sẽ thay đổi Ta có sơ đồ nguyên lý:

1 Transistor C1815

2 Opto-coupler MOC3021: Điện áp ngược

max 3V Dòng vào IF = 60mA Điện áp

ngõ ra ở trạng thái ngắt 400V Dòng ngõ

ra 1A

3 Triac BT136: Vmax = 600VAC Imax =

4A Nhiệt độ hoạt động -40 125 C

2.10 Tải

Do không có điều kiện làm một mô hình lò điện trở đúng nghĩa nên nhóm thay thế bằng một tải bóng đèn 25W đặt trong hộp kín Sơ đồ mạch lực:

Hình 9 Tải

CHƯƠNG 3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM 4.1 Tính toán bộ điều khiển

 Xác định hàm truyền đối tượng:

- Đo nhiệt độ 2s/ 1 lần trong thời gian 90s

- Vẽ đồ thị nhiệt độ theo thời gian ( Tmin = 18, Tmax = 42)

- Xác định hàm truyền đối tượng nhiệt là khâu quán tính bậc nhất có trễ:

G =

1

2

.1

Tín hiệu ra của bộ điều khiển là P*, nên ta phải quy đổi P* sang góc mở Alpha TRIAC

Với P* là phần trăm công suất (

max

* P

P P

 100%) Công thức :

Bỏ qua thành phần Sin coi phương trình là tuyến tính ta được :

Hình 13 Mô hình đối tượng nhiệt độ lò nhiệt

khiển

Hình 14 Cấu trúc điều khiển lò nhiệt dùng bộ điều khiển PID

4.2 Thực nghiệm đo tín hiệu

Hình 15 Dạng sóng đầu ra mạch Zero Crossing Detector(màu đỏ)

Hình 16 Tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển

Hình 17 Điện áp trên tải khi góc mở <90 độ

 = 1%

- Dải đô nhiệt: 50 ̊C

- Sai số tuyệt đối: 0.1

50  0.2%

 Sai số tối đa của hệ thống: = 1.13%

Hay tương đương với 0.57 ̊C

// DSPIC30F4011 Configuration Bit Settings

// 'C' source line config statements

// FOSC

Disabled)

// FWDT

// FBORPOR

regs)

// FGS

// FICD

PGD/EMUD)

// #pragma config statements should precede project file includes.

// Use project enums instead of #define for ON and OFF.

#include <xc.h>

lcd_send_cmd( 0x28 ); // giao thuc 4 bit, hien thi 2 hang, ki tu 5x8

lcd_send_cmd( 0x0c); // cho phep hicen thi man hinh

lcd_send_cmd( 0x06); // tang ID, khong dich khung hinh

lcd_send_cmd( 0x01); // xoa toan bo khung hinh

}

void lcd_gotoxy( unsigned char y, unsigned char x){

unsigned char address;

ADPCFG = 0xFFFE; // all PORTB = Digital; RB0 = analog

ADCON1 = 0x0000; // SAMP bit = 0 ends sampling

ADCHS = 0x0000; // Connect RB0/AN0 as CH0 input

// in this example RB0/AN0 is the input

ADCON1bits.SAMP = 0; // start Converting

}

IEC0bits.INT0IE=1; // INT0 is enable

IEC1bits.INT1IE=1; //INT1 is enable - increase temprature

IEC1bits.INT2IE=1; //INT2 is enable - decrease temprature

// set up TMR3 TMR3 is used to determine Ttt

T3CONbits.TCS=0; // count internal clock

T3CONbits.TCKPS=0b11; // prescaler 1:256

PR3=15625; //TCY=0.5*10^-6*64=3.2*10^-5 S

// set up OC3 module

OC3CONbits.OCTSEL=0; //Choose TMR2 for OUTPUT ComPARE 2

OC3CONbits.OCM=0b101; // 101 continuous pulse mode Compare event toggles OCx pin

OC3R=1250; // output compare register

KẾT LUẬN

Qua bài tập lớn lần này, chúng em đã có cái nhìn sâu sắc hơn về ứng dụng của vi điều khiển trong công nghiệp và đời sống, cụ thể là điều khiển nhiệt độ một đối tượng phổ biến trong công nghiệp cũng như đời sống là lò điện trở Đây là cơ hội tốt để chúng

em áp dụng những kiến thức đã học ở các môn học liên quan vào thực tế cuộc sống, cũng như bổ sung kiến thức cho nghề nghiệp của mình sau này Qua đây, chúng em cũng bổ sung thêm được kĩ năng làm việc nhóm hiệu quả, kĩ năng lên kế hoạch để hoàn thành tốt công việc được giao

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 27 tháng 12 năm 2017

Sinh viên thực hiện Nguyễn Đăng Hùng

Đỗ Tuấn Anh Nguyễn Xuân Tú

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Lý thuyết điều khiển tự động – NXB Khoa học và kỹ thuật, GS.TS Nguyễn

Doãn Phước

2 Slide môn “Vi điều khiển và ứng dụng” – Th.s Võ Duy Thành

3 Slide môn “Hệ thống điều khiển số” – GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang

4 Slide môn “Kỹ thuật đo lường” – Đại học Bách Khoa Hà Nội

5 Alldatasheet.com

6 dsPIC30F Family Reference Manual

7 Codientu.org