Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ổn định nhiệt độ nước

Điều khiển nhiệt độ chỉ là một lĩnh vực nhỏ trong điều khiển tự động , và cũng có nhiều công trình hiệu quả cao như các lò nung trong công nhiệp , lò nướng dân dụng ,… đòi hỏi phải điều khiển sao cho nhiệt độ bằng hoặc xấp xỉ nhiệt độ dặt để đáp ứng các điều kiện mà nhu cầu sản xuất đặt ra . Đề tài “ ổn định nhiệt độ ” nhằm mục đích tìm hiểu và đưa ra giải pháp mà có thể dễ dàng ứng dụng được với giá thành rẻ, dễ thi công, và hiệu quả.

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1 Nhiệm vụ 2

1.2 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Phạm vi nghiên cứu 3

1.6 Nội dung 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Khái niệm và phân loại các thiết bị điều khiển ổn định nhiệt độ 4

2.1.1 Khái niệm 4

2.1.2 Phân loại 4

2.2 Các phương pháp ổn định nhiệt độ 7

2.2.1 Phương pháp đóng – ngắt (ON/OFF) 7

2.2.2 Điều khiển vòng kín 8

2.2.3 Điều khiển PID 10

CHƯƠNG 3.CHẾ TẠO MÔ HÌNH 14

3.1 Mô hình hóa các hệ trong hệ thống 14

3.1.1 Hệ lưu chất 14

3.1.2 Hệ điện 14

3.1.3 Hệ nhiệt 14

3.2 Khảo sát bình chứa 15

3.2.1 Mô hình khảo sát 15

3.2.2 Các bước tiến hành và kết quả đo 16

3.2.3 Xử lý kết quả 17

Từ các số liệu trên ta vẽ được đồ thị nhiệt độ thời gian của thiết bị như sau: 17

3.4 Tổng hợp mô phỏng 18

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN 21

4.1 Sơ đồ khối 21

4.2 Chế tạo phần điều khiển: 21

4.2.1.Thiết bị gia nhiệt: 21

4.2.2 Cảm biến nhiệt DS18B20 22

4.2.3 Arduino uno R3 24

4.2.4 LCD 1602 32

.4.2.5 Relay Solid SSR-25DA Fotex 33

4.2.6 Khối nguồn 34

4.3 Sơ đồ kết nối 36

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Nhiệt độ khảo sát theo thời gian 16 Bảng 4.1 Một vài thông số của Ardunio uno R3 26 Bảng 4.2 Kết nối LCD với Árduion 33

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Bình thủy điện 5

Hình 2.2 Bình nóng lạnh 7

Hình 2.3 Chế độ điều khiển ON/OFF 8

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch 9

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu 9

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển hỗn hợp 10

Hình 2.7 Ảnh hưởng của hệ số P vào hệ thống 11

Hình 2.8 Ảnh hưởng của hệ số I vào hệ thống 12

Hình 2.9 Ảnh hưởng của hệ số D vào hệ thống 13

Hình 3.1 Mô hình hệ thống bình nước 15

Hình 3.2 Đồ thị nhiệt độ thay đổi theo thời gian 17

Hình 3.3 Hệ thống sau khi đã mô hình hóa 18

Hình 3.4 Hộp thoại Function Block Parameters 19

Hình 3.5 Hộp thoại PID Tuner 19

Hình 3.6: Hệ thống khi chưa có PID 20

Hình 3.7 Hệ thống khi có PID 20

Hình 4.1 Các khối trong hệ thống ổn định nhiệt 21

Hình 4.2 điện trở ra nhiệt nước 22

Hình 4.3 Hình ảnh thực tế DS18B20 23

Hình 4.4 Các chân chức năng của cảm biến DS18B20 23

Hình 4.5 Phần cứng của Arduino uno R3 28

Hình 4.6 Các chân của Arduino R3 31

Hình 4.7 Hình ảnh thực tế LCD 32

Hình 4.8 Hình ảnh thực tế SSR-25DA Fotex 34

Hình 4.9 Hình ảnh thực tế nguồn adapter 9V - 2A 34

Hình 4.10 Hình ảnh thực tế mạch hạ áp nguồn LM2596 35

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển 36

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển, nó tác động nhiều đến các lĩnh vực của đời sống xã hội Khoa học kỹ thuật đòi hỏi con người luôn luôn không ngừng tìm tòi học tập để tiến bộ Với sự nhảy vọt của khoa học, kỹ thuật điện - điện tử là ngành mới phát triển chỉ trong một thời gian ngắn nó đã đạt được những thành tựu to lớn ở hầu hết các lĩnh vực khác nhau trong đời sống xã hội Các thiết bị và công nghệ luôn được đổi mới tiên tiến hiện đại để góp phần nâng cao chất lượng cũng như các máy móc, thiết bị hoạt động có hiệu quả,

an toàn ổn định Các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội

Ngày nay nhu cầu chuyên dụng hóa, tối ưu (thời gian, không gian, giá thành) bảo mật, tính chủ động trong công việc… ngày càng đòi hỏi khắt khe, việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo mạch điện điện tử để đáp ứng những nhu cầu trên là hoàn toàn cấp thiết mang tính thực tế cao

Kỹ thuật vi xử điều khiển hiện nay rất phát triển, nó được ứng dụng rất nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp, tự động hóa, trong đời sống và còn nhiều lĩnh vực khác nữa So với kỹ thuật số thì kỹ thuật vi điều khiển nhỏ gọn hơn rất nhiều do nó được tích hợp lại và có khả năng lập trình được để điều khiển nên rất tiện dụng và cơ động Với tính ưu việt của vi điều khiển thì trong phạm vi đồ án nhỏ này, em đã sử dụng vi điều khiển để đo và khống chế nhiệt độ, đồng thời cho hiển thị lên LCD.Xuất phát từ các nhu cầu trên em lựa

chọn đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ổn định nhiệt độ nước”

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện bằng kiến thức đã học, một số sách tham khảo, một số nguồn tài liệu khác và dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy

Phạm Khánh Tùng Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn nên không

tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em rất mong được sự giúp đỡ và đóng góp của thầy cô để em có thể hoàn thành đồ án của mình một cách tốt nhất

Em xin chân thành cảm ơn

- Thiết kế , chế tạo bộ điều khiển ổn định nhiệt độ

1.2 Đối tượng nghiên cứu

- Thiết bị gia nhiệt: + Công suất của thiết bị gia nhiệt : 2000W

+ Nguồn 220V + Dung tích 5 lít

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

- Thiết kế được mô hình , mạch điều khiển ổn định nhiệt độ

- Lập trình , sử dụng phần mềm ardunion để điều khiển ổn định nhiệt độ

- Làm được sản phẩm thực tế

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng sơ đồ khối của hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ , từ đó chế tạo mô hình của hệ thống và xây dựng hàm truyền của hệ thống Xây dựng mô phỏng của hệ thống trên matlab để tìm ra các thông số cho mạch điều khiển

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Chế tạo mô hình

Chương 4: Thiết kế , chế tạo bộ điều khiển ổn định nhiệt độ

Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái niệm và phân loại các thiết bị điều khiển ổn định nhiệt độ

2.1.1 Khái niệm

- Điều khiển: Là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chương trình cho trước

- Điều khiển học : Là một bộ môn khoa học nghiên cứu nguyên tắc xây dựng các hệ điều khiển

- Điều khiển tự động : Là quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh được thực hiện mà không có sự tham gia của con người

- Hệ thống điều khiển : Là tập hợp tất cả các thiết bị mà nhờ đó quá trình điều khiển được thực hiện

- Hệ thống điều khiển tự động : Là tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật , đảm bảo điều khiển hoặc điều chỉnh tự động một quá trình nào đó

Điều khiển nhiệt độ chỉ là một lĩnh vực nhỏ trong điều khiển tự động , và cũng có nhiều công trình hiệu quả cao như các lò nung trong công nhiệp , lò nướng dân dụng ,… đòi hỏi phải điều khiển sao cho nhiệt độ bằng hoặc xấp xỉ nhiệt độ dặt để đáp ứng các điều kiện mà nhu cầu sản xuất đặt ra Đề tài “ ổn định nhiệt độ ” nhằm mục đích tìm hiểu và đưa ra giải pháp mà có thể dễ dàng ứng dụng được với giá thành rẻ, dễ thi công, và hiệu quả

2.1.2 Phân loại

Thời kì công nghiệp hóa hiện đại hóa đời ngày càng phát triển, nhu cầu về các bộ điều khiển ổn định nhiệt độ trong công nghiệp và dân sự ngày càng cao Bên cạnh những giải pháp truyền thống như đốt than, củi hay gas, điện thì trang bị một máy ra nhiệt chất lỏng tiện lợi ngày càng nhiều trong việc và cuộc sống Tuy nhiên, chi phí cho mỗi lần sử dụng, khá tốn thời gian cũng như chi phí về điện và cũng không thể biết chính xác được nhiệt độc cần sử

dụng là bao nhiêu, vì vậy các thiết bị ổn định được nhiệt độ chất lỏng ngày càng phát triển và sử dụng rộng rãi

Trên thị trường ngày nay có rất nhiều các thiết bị ổn định nhiệt độ nước như bình thủy điện hay bình nóng lạnh…

- Bình thủy điện:

Bình thủy điện là loại bình đun bằng điện có tác dụng giữ ấm như một chiếc phích nước truyền thống Bình phù hợp với cá nhân, gia đình có nhu cầu dùng nước nóng nhiều lần trong ngày cho các việc như pha trà, cafê, nấu sữa cho bé, nấu mì… Chỉ cần cho nước vào một lần, sau khoảng 20-30 phút, bạn

sẽ có nước sôi dùng cho cả ngày dài mà không cần phải nấu lại

Hình 2.1 Bình thủy điện

Loại: Bình thuỷ, phích điện

- Dung tích (lít): 2.2

- Công suất nấu nước sôi: 700W

- Tính năng: Tự ngắt khi nước sôi, Đèn báo

- Điều chỉnh nhiệt độ, Hiển thị mức nước, Chống rò điện

Ƣu điểm:

+ Nấu nước và đồng thời giữ nóng suốt trong thời gian dài

+ Nhiều mức nhiệt giữ nóng tự động

+ Có khóa an toàn

+ Nhiều cách rót nước

+ Dung tích lớn

Nhƣợc điểm:

+ Tiêu tốn điện năng

+ Thời gian nấu không nhanh bằng bình đun siêu tốc

- Bình nóng lạnh:

Bình nóng lạnh từ lâu đã trở thành thiết bị quen thuộc trong mỗi hộ gia đình đáp ứng nhu cầu nước nóng cho người sử dụng vào sinh hoạt Với các tính năng như hiệu quả,dễ dàng lắp đặt,chi phí không cao…,bình nóng lạnh thực sự đã trở nên phổ biến ở Việt Nam cũng như trên toàn thế giới

Chức năng điều khiển nhiệt độ: Khi nhiệt độ trong bình đạt nhiệt độ yêu cầu theo cài đặt thì rơle nhiệt tự động ngắt nguồn điện cấp điện cho thanh gia nhiệt, còn khi nào nhiệt độ giảm xuống thì rơle nhiệt lại tự động cấp điện trở lại cho thanh gia nhiệt

Chức năng bảo vệ: Trong trường hợp rơ le bị hư chế độ điều khiển nhiệt độ thì nó sẽ cắt điện toàn bộ hệ thống, giúp đảm bảo an toàn cho thiết bị và người

sử dụng

Hình 2.2 Bình nóng lạnh

Công suất : 2500W

Dung tích :15l

KẾT LUẬN: Các thiết bị ổn định nhiệt độ nước ngày nay được sử dụng

khá phổ biến, tuy nhiên các thiết bị chỉ được cài ngưỡng nhiệt độ nhất định

2.2 Các phương pháp ổn định nhiệt độ

2.2.1 Phương pháp đóng – ngắt (ON/OFF)

- Là phương pháp điều khiển đơn giản dễ thiết kế, dễ sử dụng, giá thành rẻ nhưng điều khiển sẽ bị dao động quanh nhiệt độ đặt chứ không ổn định => phương pháp này thường dùng trong những đối tượng cho phép khoảng nhiệt

độ rộng.Đầu ra của bộ điều khiển chỉ có hai vị trí phụ thuộc vào dấu của sai lệch Nếu hai vị trí này là đóng hoàn toàn và mở hoàn toàn thì người ta gọi đó

là điều khiển đóng- ngắt (ON/ OFF )

Hầu hết các bộ điều khiển hai vị trí đều có thêm vùng trung hòa để ngăn ngừa sự dao động của đầu ra ( là dao động của hai vị trí đầu ra khi sai lệch quanh bên điểm đặt ) Vùng trung hòa là vùng quanh bên điểm đặt mà tại đó

không diễn ra một hành động điều khiển nào cả Độ sai lệch phải vượt qua vung này mới xảy ra hành động điều khiển

- Về nguyên lí hoạt động của chế độ ON/OFF :

Bộ điều khiển cung cấp năng lượng đến quá trình điều khiển tạo ra một chu kỳ điều khiển biên độ phụ thuộc vào ba yếu tố :

+ Độ quán tính

+ Thời gian trễ

+ Mức độ thay đổi của tải

Độ dao động sẽ giảm khi xảy ra một hay nhiều thay đổi :

+ Tăng độ quán tính

+ Giảm thời gian trễ

+ Giảm độ thay đổi tải

Điều khiển hai vị trí chỉ phù hợp cho quá trình có độ quán tính lớn , thời gian trễ và độ thay đổi trên tải nhỏ ( ví dụ như điều khiển nhiệt độ lò nung)

Hình 2.3 Chế độ điều khiển ON/OFF

Với những đặc điểm như trên thì chế độ điều khiển ON/OFF thường được ứng dụng trong những hệ thống điều khiển nhiệt quy mô lớn, cho phép độ quá nhiệt cao và ít có sự thay đổi nhiệt độ; ví dụ như: hệ điều khiển lò nhiệt, tủ lạnh, quạt…

2.2.2 Điều khiển vòng kín

- Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống sẽ xác định sai khác giữa trạng thái mong muốn và trạng thái thực tạo ra điều khiển để loại bỏ sai số

Muốn hệ thống điều khiển có chất lượng cao thì bắt buộc phải có phải hồi thông tin, tức phải có đo lường các tín hiệu từ đối tượng điều khiển

- Điều khiển san bằng sai lệch

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch

Tín hiệu ra y(t) được đưa vào so sánh với tín hiệu vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển C nhằm tạo tín hiệu điều khiển đối tượng O

- Điều khiển theo bù nhiễu

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu

Nguyên tắc bù nhiễu là sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng của nhiễu

là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống

- Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp (theo sai lệch và bù nhiễu)

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên tắc điều khiển hỗn hợp

Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả hai nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp theo sai lệch vừa dùng các thiết bị để bù nhiễu

2.2.3 Điều khiển PID

- Là phương pháp hiệu chỉnh sai số, bao gồm ba bộ điều khiển: vi phân , tích phân , tỷ lệ

PID - Proportional Integral Derivative : là 1 thuật ngữ để chỉ cơ chế điều

nó vẫn được ưu tiên hơn cả khi hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, khoảng thay đổi nhiệt cho phép nhỏ

Thông thường khi sử dụng bộ điều khiển nhiệt có chế độ điều khiển PID thì luôn có kèm theo chức năng Tự động điều chỉnh (Auto Tuning) Chức năng này sẽ tự động điều chỉnh các tham số P, I và D sao cho hệ thống đạt

hiệu năng cao nhất Tuy nhiên, trong 1 số trường hợp thì người sử dụng vẫn phải điều khiển bằng tay (Manual) các tham số này

+ Tham số P (hệ số tỉ lệ): nếu đặt giá trị này càng cao thì tốc độ đáp ứng (đạt tới giá trị nhiệt mong muốn) càng nhanh Tuy nhiên nó cũng làm cho độ quá nhiệt nhiều hơn (đồng nghĩa với việc độ chính xác giảm đi và tổn hao năng lượng tăng lên) Nếu giá trị này quá lớn thì hệ quả là hệ thống sẽ mất ổn định

Khi tăng hệ số P Khi giảm hệ số P

Hình 2.7 Ảnh hưởng của hệ số P vào hệ thống

+ Tham số I (Tích phân): Nếu đặt giá trị này càng cao thì quá trình loại trừ sai số do tham số P gây ra (tức là đưa về giá trị nhiệt yêu cầu) càng nhanh Tuy vậy nó cũng gây ra hiện tượng quá độ càng lớn Ví dụ:

- Nhiệt độ đặt là 100oC Nhiệt độ bắt đầu tăng từ nhiệt độ phòng 28oC

- Sai số do tham số P gây ra trong chu kì đầu tiên là 10oC Tức là nhiệt độ đỉnh đạt 110o

C

Nếu đặt giá trị tích phân là I1 thì sau thời gian t1 ta sẽ có nhiệt độ là 100 Tuy nhiên sau đó nhiệt tiếp tục giảm xuống nhiệt độ T1 (giả sử chỉ còn 94oC) Nếu đặt giá trị tích phân là I2<I1 thì sau thời gian t2>t1 nhiệt độ mới đạt đến

1000C Sau đó nó giảm đến nhiệt độ T2 (khi đó 100>T2>T1, giả sử là 970C)

Khi tăng hệ số I Khi giảm hệ số I

Hình 2.8 Ảnh hưởng của hệ số I vào hệ thống

+ Tham số D (Vi phân): giá trị này càng cao thì càng làm giảm sự quá độ

do tham số I gây ra Đồng thời nó cũng làm cho quá trình đáp ứng bị chậm đi Nếu quá lớn sẽ gây ra sự mất ổn định hệ thống

Khi tăng hệ số D Khi giảm hệ số D

Hình 2.9 Ảnh hưởng của hệ số D vào hệ thống

KẾT LUẬN: Các phương pháp ổn định nhiệt độ đều có những ưu nhược

điểm riêng Tuy nhiên trong đồ án này em sử dụng phương pháp điều khiển PID để ổn định nhiệt độ nước

CHƯƠNG 3.CHẾ TẠO MÔ HÌNH

3.1 Mô hình hóa các hệ trong hệ thống

Khái niệm: Mô hình hóa là phương pháp xây dựng mô hình toán của hệ thống bằng cách dựa vào các qui luật vật lý chi phối hoạt động của hệ thống Các bước mô hình hóa:

- Phân tích chức năng: phân tích hệ thống thành các khối chức năng, trong

đó mô hình toán của các khối chức năng đã biết hoặc có thể rút ra được dựa vào các qui luật vật lý

- Phân tích vật lý: rút ra mô hình toán của các khối chức năng dựa vào các qui luật vật lý

- Phân tích toán học: các khối chức năng được kết nối toán học để được

Trong đó:

////

Phương trình cân bằng nhiệt của hệ thống:

3.2 Khảo sát bình chứa

3.2.1 Mô hình khảo sát

Hình 3.1 Mô hình hệ thống bình nước

Yêu cầu đối với bình nước:

- Đảm bảo an toàn điện

- Có van nước vào, nước ra

Với yêu cầu như trên, ta lựu chọn vật liệu làm bình là ống nước Tiền Phong có thông số như sau:

- Đường kính ống: 160mm ( phi 160)

- Chất liệu ống: PVC chống nhiệt

- Đường kính van xả :21 mm (phi 21)

3.2.2 Các bước tiến hành và kết quả đo

Nhằm mục đích có thể điều khiển đượ ở độ tới hạn nên khi khảo sát thực nghiệm điện áp được chọn cho bình là 140V = 60% công suất của đối tượng Các bước tiến hành khảo sát :

- Cấp nước cho bình nước thể : tích 5l nước

- Đặt cảm biến đo nhiệt độ có hiển thị hoặc nhiệt kế để đo

- Đặt đồng hồ bấm giờ bên cạnh hiển thị của cảm biến

- Cấp nguồn cho tải ra nhiệt của bình nước

- Quan sát ghi số liệu nhiệt độ theo thời gian

-Nêu khảo sát nhiều lần để có kết quả chính xác

Sau khi khảo sát bình nước có thể tích 5l nước, công suất 2000W ta có bảng quan hệ giưa nhiệt độ và thời gian như sau:

Bảng 3.1 Nhiệt độ khảo sát theo thời gian

Từ các số liệu trên ta vẽ được đồ thị nhiệt độ thời gian của thiết bị như sau:

Hình 3.2 Đồ thị nhiệt độ thay đổi theo thời gian

Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichols ta đưa mô hình hàm truyền của đối tượng có dạng như sau:

Dựa vào đồ thị trên ta có:

h = 69 là nhiệt độ bão hòa của bình nước

L = 150s là thời gian trễ của đối tượng

Mô phỏng đối tượng trên Simulink:

Hình 3.3 Hệ thống sau khi đã mô hình hóa

Chỉnh định thông số bộ điều khiển nhờ sử dụng công cụ PID Tuner trong Simulink

Đây là một công cụ khá hữu ích trong việc chỉnh định thông số

bộ điều khiển PID một cách tự động

Đầu tiên mở hộp thoại Funcion Block Parameter bằng cách kích đúp vào khối PID controller

Hình 3.4 Hộp thoại Function Block Parameters

Hình 3.5 Hộp thoại PID Tuner

Sơ đồ so sánh sự ổn định nhiệt độ trước và sau khi có PID:

Khi chưa có PID: