THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 4 KÊNH, 3 CHẾ ĐỘ Hiện tại bộ điều khiển nhiệt độ cho lò sấy của công ty được nhập từ Nhật bản với gía thành cao và mỗi bộ chỉ điều khiển được 1 kênh. Nhiệm vụ của đề tài này là thiết kế và thi công 1 bộ điều khiển 4 kênh (4 lò) với 3 chế độ điều khiển là: ONOFF, PID VÀ FUZZY, sai số cho phép ±5%, có khả năng giao tiếp máy tính. Đối tượng điều khiển là lò sấy có 4 vùng nhiệt độ cần điều khiển độc lập.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ KÊNH, CHẾ ĐỘ Lê Tiến Lộc, Nguyễn Trung Quang SV Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Lạc Hồng ABSTRACT After employment history at the Nec/Tokin company, So The realities of prodution that research group was perform a contract “The Temperature Controller with channels and modes” in order to reduce company’s investing and to enhance of use The system response has stable and no overshoot Keywords: Temperature controller, ON/OFF method, PID, FUZZY, ZieglerNichols tuning method I GIỚI THIỆU Hiện điều khiển nhiệt độ cho lò sấy cơng ty nhập từ Nhật với gía thành cao điều khiển kênh Nhiệm vụ đề tài thiết kế thi công điều khiển kênh (4 lò) với chế độ điều khiển là: ON/OFF, PID VÀ FUZZY, sai số cho phép ±5%, có khả giao tiếp máy tính Đối tượng điều khiển lò sấy có vùng nhiệt độ cần điều khiển độc lập Đầu dò nhiệt độ Thermocouple loại K Con hàng trước sấy Con hàng sau sấy Điện trở nhiệt để nung lò Băng tải chuyền sản phẩm Mơ hình lò sấy cần điều khiển Nhiệt độ đối tượng khó đo lường dễ phát sinh nhiễu môi trường sản xuất cơng nghiệp nhà máy, xí nghiệp… Biện pháp giải nhóm mắc thêm tụ để lọc nhiễu (phần nguồn tín hiệu vào) đồng thời kết hợp xử lý chống nhiễu phần mềm Để thực thuật toán chuyển đổi từ điện áp trả đầu dò nhiệt độ đòi hỏi thực nhiều phép toán nâng cao hàm mũ, logaric… mà dùng vi điều khiển để thực thời gian đáp ứng chậm Sau thời gian tối ưu hóa thuật tốn khơng thành cơng biện pháp nhóm đề xuất lập bảng tra giá trị quy đổi từ tín hiệu đầu vào tương ứng với nhiệt độ thực tế, kết tốc độ xử lý nhanh gần tức thời Vi điều khiển AVR họ vi điều khiển tương đối hãng ATMEL, để tiếp cận cách sử dụng ứng dụng vào đề tài khoảng thời gian ngắn cố gắng nỗ lực nhóm (thiết kế mạch nạp, mạch điều khiển, kiến trúc VĐK AVR, phần mềm lập trình, phần mềm nạp, ngơn ngữ lập trình…) II CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Điều khiển kiểu ON/OFF: Là phương pháp điều khiển đơn giản dễ thiết kế giá thành rẻ, điều khiển bị dao động quanh nhiệt độ đặt không ổn định Phương pháp thường dùng đối tượng cho phép khoảng nhiệt rộng Đầu điều khiển có hai vị trí phụ thuộc vào dấu sai lệch Nếu hai vị trí đóng hồn tồn mở hồn tồn người ta gọi điều khiển on-off Hầu hết điều khiển hai vị trí có thêm vùng trung hòa để ngăn ngừa dao động đầu (là dao động hai vị trí đầu sai lệch quanh quẫn bên điểm đặt) Vùng trung hòa vùng quanh điểm đặt mà không diễn hành động điều khiển Độ sai lệch phải vượt qua vùng xảy hành động điều khiển [3] Đồ thị mô tả phương pháp điều khiển ON/OFF Điều khiển kiểu PID: Hệ thống điều khiển vòng kín hệ thống xác định sai khác trạng thái mong muốn trạng thái thực (sai số) tạo lệnh điều khiển để loại bỏ sai số Điều khiển PID thực ba cách phát hiệu chỉnh sai số Cách thứ P (proprotional – tỷ lệ) PID Thuật ngữ cho biết hoạt động điều khiển vi điều khiển tỷ lệ với sai số Nói cách khác, sai số lớn hiệu chỉnh sai số cao [4] Phương trình miền thời gian : y(t) = Kp.e(t)+y0 (1) Hàm truyền : G(s) = Kp (2) Cách thứ hai I (integral – tích phân) PID, để tích phân lỗi theo thời gian, có nghĩa hiệu chỉnh sai số có tính đến thời gian xảy sai số Nói cách khác, sai số xảy thời gian dài hiệu chỉnh lỗi cao [4] Phương trình miền thời gian: t ∫ y(t)=KI e(t)dt + y0 (3) Hàm truyền: G(s)=KI/s (4) Cuối D (derivative – đạo hàm) PID, có nghĩa việc hiệu chỉnh sai số có liên quan đến đạo hàm thay đổi sai số thời gian Nói cách khác, sai số thay đổi nhanh hiệu chỉnh sai số lớn [4] Phương trình miền thời gian: y (t ) = KD Hàm truyền: de(t ) dt G(s) = KD.s (5) (6) Bộ điều khiển PID bao gồm ba điều khiển : vi phân, tích phân, tỷ lệ Tức kết hợp tất ưu điểm điều khiển kể : tích phân loại bỏ sai lệch tĩnh, vi phân giảm khuynh hướng dao động tính trước giá trị tương lai sai lệch đặc biệt hữu dụng tải thay đổi bất ngờ [4] Phương trình miền thời gian : t y(t) = KP.e(t)+KI ∫ e(t ).dt + yo (7) Hàm truyền: G(s) = KP + KI/s + KD.s (8) Từ (1), (3), (5), (7) dùng phép biến đổi Laplace miền thời gian (t) ta có hàm truyền (2), (4), (6), (8) Xem chi tiết tài liệu tham khảo [4] Hệ thống điều khiển sử dụng P, PI, PD, PID để hiệu chỉnh sai số Nhìn chung, vấn đề “hiệu chỉnh” hệ thống cách lựa chọn giá trị thích hợp ba cách nêu Đồ thị mô tả phương pháp điều khiển PID Điều khiển kiểu FUZZY: Trong lĩnh vực tự động hóa, việc điều khiển đối tượng nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ ẩm, vận tốc, gia tốc… ln tốn khó tính chất phi tuyến đối tượng Phương pháp điều khiển mờ, Fuzzy Logic, đưa cách thức điều khiển dựa luật phát biểu gần với suy nghĩ người thay dựa phương trình tốn học phức tạp [6] Cấu trúc điều khiển mờ Một điều khiển mờ gồm khâu bản: + Khâu mờ hoá + Thực luật hợp thành + Khâu giải mờ Thiết kế PID mờ [6] Có thể nói lĩnh vực điều khiển, PID xem giải pháp đa cho ứng dụng điều khiển Analog Digital Việc thiết kế PID kinh điển thường dựa phương pháp Zeigler-Nichols, Offerein, Reinish … Ngày người ta thường dùng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa phầm mềm), sở thiết kế PID mờ hay PID thích nghi Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ III PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN Thiết kế thi công mạch đo nhiệt độ sử dụng Thermocouple loại K Thiết kế thi công mạch khuếch đại không đảo sử dụng Opam OP07 LM324 Tìm hiểu vi điều khiển AVR phương pháp chuyển đổi ADC (Analog to Digital Convert) Tìm hiểu phương pháp điều khiển nhiệt độ ON/OFF, PID Và FUZZY Thiết kế chương trình giao diện hiển thị LCD 20x4 phím nhấn giao tiếp người dùng Tiến hành điều khiển lò nhiệt thực tế để cân chỉnh thông số điều khiển Thiết kế mạch giao tiếp máy tính để gửi thơng số điều khiển đáp ứng ngõ Sơ Đồ Khối Chi Tiết Của Hệ Thống: Cảm Biến Cảm Biến Khối Hiển Thị Khuếch Đại tín hiệu đo Khuếch Đại tín hiệu đo Cảm Biến Khuếch Đại tín hiệu đo Cảm Biến Khuếch Đại tín hiệu đo Dồn Kênh tương tự Khối ADC Khối Giao Tiếp Máy Tính Khối Cơng Suất Khối xử lý trung tâm Khối bàn phím Nguyên lý hoạt động: Để cho mạch nhỏ gọn nhóm lựa chọn sử dụng vi điều khiển AVR ATMEGA 32 hãng ATMEL tích hợp sẵn ADC kênh Chi tiết tài liệu tham khảo [1] Đối tượng cần đo đại lượng nhiệt độ ta chọn Thermocouple loại K để biến đổi thông số thành đại lượng điện ,đưa vào mạch chế biến tín hiệu (gồm:bộ cảm biến,hệ thống khuếch đại,xử lý tín hiệu) Bộ chuyển đổi tín hiệu số ADC(Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số kết nối với khối xử lý trung tâm Bộ vi xử lý có nhiệm vụ thực phép tính xuất lệnh sở trình tự lệnh chấp hành lập trình trước Bộ dồn kênh tương tự (multiplexers) chuyển ADC dùng chung tất kênh Dữ liệu nhập vào vi xử lý có tín hiệu chọn kênh cần xử lý đê đưa vào chuyển đổi ADC đọc giá trị đặc trưng qua tính tốn để có kết đại lượng cần đo Khối bàn phím nút nhấn để người dùng nhập thông số điều khiển Khối giao tiếp máy tính dùng Max232 để truyền nhận liệu từ máy tính Khối cơng suất dùng SSR (Solid State Relay) để cung cấp lượng nung điện trở nhiệt đốt lò Khối hiển thị dùng LCD 20x4 để thơng báo nhiệt độ đặt, nhiệt độ đo chế độ điều khiển Sơ Đồ Mạch: Mạch khuếch Đại: Qua trình tham khảo số mạch khuếch đại đầu dò cuối nhóm đề nghị sử dụng mạch sau, tính ổn định đơn giản thiết kế xem chi tiết nguyên lý tài liệu tham khảo [2] VCC 20K VR9 VCC 1M 10uF - PORTRIGHT-L LM324 OP-07 VDD 4.7V TC- + 11 10uF 10K 4.7V + 10K TC+ VCC U1 10K 20K 300k 10K VDD 390k 100K VR4 Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ Nguyên lý hoạt động: - - Do tín hiệu thu đầu dò(TC+ TC-) nhỏ nên phải qua tầng khuếch đại đưa vào khối xử lý trung tâm Tầng khuếch đại dùng OP07 loại Opam khuếch đại tín hiệu nhỏ Tầng dùng LM324 để khuếch đại tín hiệu thêm lần trước xử lý Diode zener tạo mức điện áp ghim để hở mạch đầu dò tín hiệu tối đa VR9 biến trở chỉnh Offset (chỉnh 0) VR4 biến trở dùng để chỉnh độ khuếch đại cho tầng 2 Mạch Xử Lý Trung Tâm: VCC VCC(5V) 13 VCC(5V) R5 NUT RESET LED R J2 ISO6 OPTO ISOLATOR-A VCC VCC(5v) VCC(12v) CON2 C1 C J3 C2 R3 D3 C R LED R4 D4 R LED ISO7 OPTO ISOLATOR-A VCC(5v) VCC(12v) CON2 J4 ISO8 OPTO ISOLATOR-A R D2 VCC(12v) CON2 31 a RST X1 R2 VCC(5v) X2 LED CRYSTAL 12 R CAP NP Y1 D1 ISO5 OPTO ISOLATOR-A DOWN C4 CAP NP R1 30 32 AVCC AREF C3 VCC(12v) J1 29 28 27 26 25 24 23 22 PC7 PC6 PC5 PC6 PC4 PC3 PC2 PC1 VCC(5v) UP MODE BANPHIM 4 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 ad0 ad1 ad2 ad3 U2 CON12 40 39 38 37 36 35 34 33 PAO/AD0 PA1/ADC1 PA2/ADC2 PA3/ADC3 PA4/ADC4 PA5/ADC5 PA6/ADC6 PA7/ADC7 14 15 16 17 18 19 20 21 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 ATMEGA32 R 10 U1 R6 VCC LCD 11 12 13 14 15 16 J5 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Nguyên lý hoạt động: - Tín hiệu thu từ đầu dò qua mạch khuếch đại, sau vào chân ADC Vi Điều Khiển ATMEGA32 Tại tín hiệu xử lý (bằng chương trình lập trình nạp vào trước đó) để đưa nhiệt độ - Từ nhiệt độ vi điều khiển tính tốn xuất tín hiệu điều khiển dựa vào phương thức điều khiển chọn lựa ON/OFF, PID hay FUZZY Tín hiệu đưa đến khối cơng suất gồm OPTO PC817 Khi nhiệt độ đo nhỏ nhiệt độ đặt OPTO dẫn điện làm kích SSR (Solid State Relays – Relay bán dẫn) cầp nguồn để nung điện trở nhiệt bên lò - Nhiệt độ lò phương thức điều khiển cài đặt thơng qua khối bàn phím giao tiếp người dùng Khối LCD dùng để hiển thị tất thông số cài đặt thông số điều khiển CON2 Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý ON/OFF sau: Điều Khiển ON/OFF - Nhập thông số Dự trữ độ trôi nhiệt αT% Nhiệt độ đặt: đặt Đọc nhiệt độ lò: Tđo Tđo > T đặt αT % Yes Ton = Toff = ∞ Kết Thúc No Ton = ∞ Toff = Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý PID sau: [5] Điều khiển PID Các ký hiệu: + e(0) sai số nhiệt độ đặt nhiệt độ đo chu kỳ Nhập thông số Kp, Ki, Kd + e(-1) sai số chu kỳ trước + e(-2) sai số chu kỳ trước chu kỳ hai chu kỳ Tính: A0 = Kp ++ A1 = -Kp -+; A2 = Gán sai số ban đầu: e(-2) = e(-1) = 0, u(-1) = Tính sai số: e(0)= Nhiệt độ đặt – Nhiệt độ Tính u = A0*e(0) + A1*e(-1) + A2*e(-2) + u(-1) Sai u>0 Gán u = Đúng Sai u < umax Đúng Xuất xung Ton = *T ; Toff = T-Ton Gán lại e(-2) = e(-1) ; e(-1)=e(0), u(-1)= u Kết thúc Một chu kỳ điều khiển Gán u = umax Umax = e0*A0 IV KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI: Nhờ vào khả giao tiếp máy tính, điều khiển trả tín hiệu ta dùng chương trình MATLAB để thu thập vẽ đồ thị biểu diễn đáp ứng lò sau Kết Quả Điều Khiển ON/OFF Và Đáp Ứng Thực Tế Của Lò: - Vùng nhiệt độ thay đổi nằm khoảng sai số cho phép ±5 (nhưng phải chọn độ trôi nhiệt nhập vào hệ thống) Hạn chế tầm nhiệt độ đặt có độ dự trữ trơi nhiệt khác cần phải xác định xác để giảm độ trôi nhiệt Chấp nhận cho sản phẩm không yêu cầu nhiệt độ xác Đồ thị thu dựa vào đáp ứng lò với phương pháp ON/OFF Kết Quả Điều Khiển PID Và Đáp Ứng Thực Tế Của Lò: Đồ thị thu dựa vào đáp ứng lò với thơng số PID (Kp=200; Ki=150; Kd=80) Ta thấy với thông số độ vọt lố gần khơng có thời gian tăng trưởng chấp nhận Đáp ứng tốt thông số PID hợp lý (Sau vài lần thử sai, cuối hệ thống đạt đáp ứng mong muốn với Kp=200; Ki=150; Kd=80) Độ vọt lố khống chế đến mức thấp cách giảm thơng số Kd Có thể thay đổi thời gian tăng trưởng hệ cách điều chỉnh Kp Hệ nhanh ổn định sau thời gian xác lập Kết Quả Quá Trình Nghiên Cứu Thuật Giải FUZZY: Do FUZZY giải thuật điều khiển tương đối thời gian kiến thức có hạn nên phần nhóm dừng lại mức độ nghiên cứu lý thuyết Đây xem hướng mở rộng đề tài, có điều kiện nhóm tiếp tục nghiên cứu thêm để hồn thiện V LỜI CẢM ƠN Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn tập thể ban lãnh đạo công ty Nec/Tokin Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm q trình nghiên cứu thực đề tài Nhóm nghiên cứu gởi lời biết ơn sâu sắc đến q thầy hết lòng truyền thụ kiến thức quý báu thời gian qua Đặc biệt xin chân thành cám ơn hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Thanh Sơn thầy Nguyễn Hồng Huy theo sát hỗ trợ nhóm trình thực đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] www.techniks.com/Files/atmega32datasheet.pdf [2] http://solderman.dapj.com/2005/01/design-of-thermocouple-amplifier.html [3 ] www.w-dhave.inet.co.th/index/TempControl/TemperatureControl.pdf [4] Điều khiển tự động (1,2), Nguyễn Thị Phương Hà, NXB KHKT [5] Bài hướng dẫn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ ĐH Bách Khoa TP HCM [6] Lý thuyết điều khiển mờ, Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, NXB KHKT Hà Nội ... R1 30 32 AVCC AREF C3 VCC(12v) J1 29 28 27 26 25 24 23 22 PC7 PC6 PC5 PC6 PC4 PC3 PC2 PC1 VCC(5v) UP MODE BANPHIM 4 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 ad0 ad1 ad2 ad3 U2 CON12 40 39 38 37 36 35 34 . .. phầm mềm), sở thi t kế PID mờ hay PID thích nghi Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ III PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN Thi t kế thi công mạch đo nhiệt độ sử dụng Thermocouple loại K Thi t kế thi công mạch khuếch... mà khơng diễn hành động điều khiển Độ sai lệch phải vượt qua vùng xảy hành động điều khiển [3] Đồ thị mô tả phương pháp điều khiển ON/OFF Điều khiển kiểu PID: Hệ thống điều khiển vòng kín hệ thống