Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA THÁI NGUN - 2013 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN HỒNG QUANG KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA THÁI NGUYÊN - 2013 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ I MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH VẼ IV DANH MỤC BẢNG BIỂU VI LỜI CAM ĐOAN LỜI MỞ ĐẦU I CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÕ SẤY CÔNG NGHIỆP 1.1 Tổng quan lò cơng nghiệp 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại LCN 1.1.2.1 LCN theo đặc điểm nguồn nhiệt: 1.1.2.2 LCN theo đặc điểm công nghệ .5 1.1.2.3 LCN theo chế độ nhiệt .6 1.1.2.4 LCN theo đặc điểm cấu trúc 1.1.3 Các đặc trưng LCN 1.1.3.1 Chế độ nhiệt độ lò 1.1.3.2 Chế độ nhiệt lò 1.1.3.3 Công suất nhiệt lò 1.1.3.4 Năng suất lò 1.1.4 Các chế độ làm việc LCN 1.1.4.1 Chế độ làm việc xạ 1.1.4.2 Chế độ làm việc đối lưu 1.2 Giới thiệu chung lò sấy cơng nghiệp 1.2.1 Cấu trúc hệ thống lò sấy .9 1.2.1.1 Các phận hệ thống lò sấy 1.2.1.2 Các dạng cấu trúc hệ thống lò sấy 10 1.2.2 Các tiêu xác định chất lượng dầu Fuel-oil (FO) 11 1.2.2.1 Khái quát chung 11 1.2.2.2 Các tiêu xác định chất lượng dầu Fuel-oil (FO) 11 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO 15 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TOÁN CỦA LÕ SẤY DẦU 18 2.1 Giới thiệu chung lò điện trở .18 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu II 2.1.1 Đặc điểm .18 2.1.2 Nguyên lý làm việc 18 2.1.3 Phân loại lò điện trở 18 2.1.4 Cấu tạo lò điện trở 19 2.2 Các phương pháp xây dựng mơ hình tốn học 21 2.3 Mơ tả tốn học lò điện trở 25 2.3.1 Nhận dạng lò điện trở 25 2.3.2 Xác định mơ hình đối tượng hệ thống .26 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH THUẬT TOÁN CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 28 3.1 Giới thiệu điều chỉnh PID số luật hiệu chỉnh 28 3.1.1 Cấu trúc chung hệ điều khiển tự động 28 3.1.2 Đặc tính độ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển tự động 29 3.1.3 Phân tích luật điều khiển 30 3.1.3.1 Luật điều khiển tỷ lệ (P) 30 3.1.3.2 Luật điều khiển tích phân(I) 31 3.1.3.3 Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân(PI) 31 3.1.3.4 Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân (PID) .32 3.1.4 Tác động việc tăng thông số độc lập 34 3.2 Các phương pháp thiết kế điều khiển PID…………………………………… 34 3.2.1 Phương pháp thực nghiệm .34 3.2.2 Phương pháp thiết kế dựa miền tần số .38 3.2.2.1.Phương pháp tối ưu độ lớn 38 3.2.2.2.Phương pháp tối ưu đối xứng 41 3.3.2 Phương pháp Ziegler- Nichols để xác định tham số cho điều khiển PID truyền thống 45 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 48 4.1 Mô 48 4.2 Thiết kế hệ thống- Thực nghiệm 50 4.2.1 Tổng quan phần cứng hệ thống 50 4.2.2 Thiết kế chi tiết phần cứng .50 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 4.2.3 Thử nghiệm thực tế 62 KẾT LUẬN 633 TÀI LIỆU THAM KHẢO .644 PHỤ LỤC I Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu ngun liệu DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy dầu FO cho nồi .15 Hình 1.2: Bộ sấy dầu điện 16 Hình 2.1 Phương pháp kẻ tiếp tuyến 22 Hình 2.2 Phương pháp điểm quy chiếu 23 Hình 2.3 Đường đặc tính đối tượng lò điện trở 26 Hình 2.3 Phương pháp hai điểm quy chiếu .27 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 28 Hình 3.2 Quá trình độ hệ thống ổn định theo thời gian .29 Hình 3.3: Mơ tả tiêu chất lượng động hệ thống điều khiển 30 Hình 3.4 Đặc tính độ điều khiển PID 33 Hình 3.5 Mơ hình xác định Kth Tth .37 Hình 3.6 Đồ thị dạng hình S ổn định 38 Hình 3.7: Quỹ đạo nghiệm số .46 Hình 3.8: Sơ đồ mô Kth=47 46 Hình 4.1: Sơ đồ mơ điều khiển 48 Hình 4.2: Đáp ứng hệ lò điện trở PID theo phương pháp tối ưu môdul 48 Hình 4.3: Đáp ứng hệ thống lò điện trở PID chọn theo phương pháp Ziegler – Nichols I 49 Hình 4.4: Đáp ứng hệ thống lò điện trở PID chọn theo phương pháp Ziegler – Nichols II 49 Hình 4.5: Sơ đồ khối nguồn 5V .51 Hình 4.6: Sơ đồ khối nguồn -5V .51 Hình 4.7: Sơ đồ khối chân vi xử lý DsPIC30F4013 51 Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý DsPIC30F4013 .53 Hình 4.9: LED số 53 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 54 Hình 4.11: Sơ đồ khối LED thị 54 Hình 4.12: Giắc cắm RS-232 loại chân (DB9) .55 Hình 4.13: Sơ đồ khối LED thị 56 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu Hình 4.14: Sơ đồ khối điều khiển rơle 56 Hình 4.15: Sơ đồ chân DAC MCP4922 .57 Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý mạch đầu vào cách ly 58 o o Hình 17: Bảng điện trở PT100 nhiệt độ thay đổi từ C đến 200 C 58 Hình 18: Mạch tạo nguồn dòng 1mA .59 Hình 4.19: Mạch lọc Sallen-Key khuếch đại 59 Hình 4.20: Mạch bắt điểm điện áp xoay chiều 220V 60 Hình 4.21: Tín hiệu điểm INT0 .60 Hình 4.22: Mạch điều khiển BTA41 61 Hình 4.23 Điện áp tải thay đổi góc mở .61 Hình 4.24: Đáp ứng đối tượng lò nhiệt sử dụng điều khiển PI theo phương pháp tối ưu môdul Error! Bookmark not defined Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Đặc tính dầu thơ (FO) 14 Bảng 4.1 Tham số điều khiển theo phương phápZiegler- Nichols I 45 Bảng 4.2 Tham số điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho đối tượng lò điện trở .45 Bảng 4.3 Tham số điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II 47 Bảng 4.4 Tham số điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho đối tượng lò điện trở .47 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu ngun liệu LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu.” tự thực hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Hồng Quang Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Ngoài tài liệu tham khảo dẫn cuối luận án, đảm bảo không chép cơng trình kết người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Học viên Nguyễn Xuân Trường Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu LỜI MỞ ĐẦU Lò sấy dầu nguyên liệu dùng phổ biến nhà máy sử dụng dầu làm nhiên liệu đốt lò : Nhà máy Nhiệt điện, Nhà máy Xi măng, Nhà máy hấp sấy nguyên liệu vải cho nghành dệt may, … Chất lượng dầu sấy thể nhiệt độ khối lượng dầu sấy, đại lượng ảnh hưởng đến suất chất lượng trình cháy nhiệt độ lò nung hay lò nhà máy Việc ứng dụng thuật toán điều khiển cho lò sấy dầu nguyên liệu nâng cao chất lượng số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nước ta Lý chọn đề tài: - Trên thực tế khảo sát nhà máy TAIRONG VN KCN Việt Trì nhà máy sử dụng nguyên liệu dầu để đốt cho lò chuyên sử lý vải, quần áo cho nhà máy dệt may khu vực Tuy nhiên hệ thống sấy dầu thực thủ công, bán tự động nên chất lượng dầu chưa đạt làm ảnh hưởng tới trình cháy nhiệt độ lò Từ làm ảnh hưởng tới suất chất lượng sản phẩm sấy Vì việc cần có lò sấy tự động ổn định nhiệt độ để nâng cao suất chất lượng cần thiết - Xuất phát nhu cầu thực tế trên, học viên đề xuất thực đề tài luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu” Mục tiêu đề tài là: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu”: - Xây dựng đầy đủ phương pháp luận để phân tích, tổng hợp, thiết kế điều khiển cho lò sấy dầu nguyên liệu - Thiết kế, chế tạo, lắp ráp điều khiển PID điều khiển hệ thống nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu - Kiểm chứng kết mơ thực nghiệm phòng thí nghiệm Đối tượng phạm vi nghiên cứu: * Đối tượng nghiên cứu: - Thiết bị sấy dầu công nghiệp - Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 4.2.3 Thử nghiệm thực tế * Mục tiêu thử nghiệm  Đánh giá độ tin cậy, hoạt động ổn định phần cứng chương trình phần mềm hoạt động thực tế  Làm sở để đánh giá, hồn thiện luận văn * Nội dung thử nghiệm Thử nghiệm hoạt động điều khiển PID Hình 4.2.4 Đáp ứng đối tượng lò nhiệt sử dụng điều khiển PI theo phương pháp tối ưu mơdul KẾT LUẬN Trong q trình thực nhiệm vụ chủ yếu, luận văn có kết khoa học đáng kể sau đây:  Xây dựng đầy đủ phương pháp luận để phân tích tổng hợp, thiết kế điều khiển cho lò sấy  Nghiên cứu thiết kế lắp đặt đo nhiệt độ xác dùng PT100  Nghiên cứu thiết kế điều khiển PID nhiệt độ  Kết lý thuyết kiểm chứng phần mềm mô Matlab Simulink  Kết thực nghiệm: thiết kế, chế tạo lắp ráp hoàn chỉnh, chạy ổn định điều khiển PID cho đối tượng nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu Nhận xét:  Luận văn thiết kế lắp đặt hoàn chỉnh điều khiển PID cho đối tượng nhiệt độ lò sấy  Hướng phát triển thời gian tới luận văn phát triển phần mềm máy tính HMI, vẽ đặc tính, tính tốn điều khiển online phần mềm Matlab áp dụng số phương pháp điều khiển khác ( điều khiển thích nghi, điều khiển mờ… ) Tiếng Việt TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thương Ngô (1999), Lý thuyết điều khiển đại, NXB Khoa học Kỹ thuật Phạm Công Ngô (2006), Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink (2004) , Nhà Xuất Bản Khoa học kỹ thuật Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống Điều khiển trình, NXB Bách Khoa Hà Nội Tiếng Anh Katsuhiko Ogata -1997 by prentice –Hall Inc Modern Control Engineering – Third Edition Richard C.Dorf , Robret H.Bishop -2008 Pearson Education Inc Modern Control Systems – Eleventh Editon i PHỤ LỤC Code vi xử lý 1.1 Chương trình file //Hang so khoi tao chuong trinh //74HC595 #define CLK595 PORTB.F5 #define DATA595 //Chan dieu khien xung nhip 595 PORTB.F3 #define LATCH595 //Chan dieu khien du lieu 595 PORTB.F4 //Chan dieu khien chot du lieu 595 //Katot LED7 #define KATOT1 PORTD.F0 //Chan dieu khien Katot LED7 so mot #define KATOT2 PORTD.F1 //Chan dieu khien Katot LED7 so hai #define KATOT3 PORTF.F0 //Chan dieu khien Katot LED7 so ba #define KATOT4 PORTF.F1 //Chan dieu khien Katot LED7 so bon //Phim bam #define PHIMBAM1 PORTD.F9 //Chan dieu khien phim bam mot #define PHIMBAM2 PORTC.F14 //Chan dieu khien phim bam hai #define PHIMBAM3 PORTC.F13 //Chan dieu khien phim bam ba #define PHIMBAM4 PORTB.F8 //Chan dieu khien phim bam bon //Role #define ROLE1 PORTB.F9 #define ROLE2 PORTB.F10 //Chan dieu khien Role1 //Gia tri hang so ma hexa de hien thi LED const char Ma_hexa_LED7[10] = {0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F, 0x6F}; const char Ma_hexa_LED7_2[10] = {0xBF, 0x86, 0xDB, 0xCF, 0xE6, 0xED, 0xFD, 0x87, 0xFF, 0xEF}; //Cac bien toan cuc unsigned int uchr_Phimduocbam; unsigned int uchr_Demphim; unsigned int ui_ADC[36]; float fl_Nhietdo, ui_Giatrithat_ADC, Tong_ADC, float fl_setpoint,fl_sailech,fl_tpI,fl_kd,fl_ki,fl_gtPID,fl_Nhietdoqk,fl_dt,fl_kp; Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu ii unsigned char i, j,k,t; unsigned char uch_LED_Trangthai; unsigned char uch_PAGE; unsigned long ul_Triac; unsigned char uch_ON_Triac; unsigned int OneTime, OneTime1, OneTime2, OneTime3, Dorong; #include "Hienthi_LED7.c" #include "Khoitao.c" //Cac ham nguyen mau void Guigiatri_74HC595(unsigned char dulieu); void Hienthi_LED7(unsigned char data); void Hienthi_Hangdonvi(unsigned int data); void Hienthi_Hangchuc(unsigned int data); void Hienthi_Hangtram(unsigned int data); void Hienthi_Hangnghin(unsigned int data); void Hienthi_Songuyenbonchuso(unsigned int Data); void Hienthi_Saudauphay_motchuso(float data); void Hienthi_Truocdauphay_motchuso(float data); void Hienthi_Truocdauphay_haichuso(float data); void Hienthi_Truocdauphay_bachuso(float data); void Hienthi_Sothuc(float Data); void Tat_ToanboLED7(void); void Khoitao_Congvaora(void); void Khoitao_Bientoancuc(void); void Khoitao_Timer1(void); void Khoitao_Timer5(void); void Tinhtoan_pid(void); //Tu dong ngat Timer1 void Timer1Int() org 0x1A { IFS0bits.T1IF = 0; //Xoa co ngat Timer1 TMR1 = 0; Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu if(PORTA.F11) Uch_ON_Triac = 1;//PORTD.F3=0; if(uch_ON_Triac==1) ul_Triac++; if(ul_Triac>Dorong) PORTD.F3=0; if(ul_Triac>(Dorong+5)) { PORTD.F3=1; uch_ON_Triac=0; ul_Triac=0; } k++; if(k==100) {Tinhtoan_pid(); k=0;} } //Tu dong ngat Timer5 void Timer5Int() org 0x40 { //Xoa co ngat Timer5 IFS1bits.T5IF = 0; TMR5 = 0; //Quet phim Quetphim(); //ADC ui_ADC[j] = Adc_Read(0); Tong_ADC = (float)(Tong_ADC + ui_ADC[j]); j++; if((j==33)&&(t==0)) { ui_Giatrithat_ADC = Tong_ADC/33.0000000; fl_Nhietdo = 0.32786885*ui_Giatrithat_ADC-255.32622951; j = 0; Tong_ADC = 0; if(t==0) {fl_Nhietdoqk= fl_Nhietdo;t=1;} Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu } } //Timer1 void Khoitao_Timer1(void) { IPC0 = IPC0 | 0x7000; // Interrupt priority level = IFS0bits.T1IF = 0; // Clear TMR1IF IEC0bits.T1IE = 1; // Enable Timer1 interrupts PR1 = 90; // TMR1 = 0; T1CON = 0x8000; // Timer1 ON, internal clock FCY, prescaler 1:1 } //****************************************************************** // Timer void Khoitao_Timer5(void) { IPC5 = IPC5 | 0x0100; IEC1bits.T5IE = 1; PR5 = 50; T5CON = 0x8030; // Timer5 ON, internal clock FCY, prescaler 1:256 } //Tinh toan pid void Tinhtoan_pid(void) { //fl_Nhietdo, ui_Giatrithat_ADC, Tong_ADC,fl_setpoint,fl_sailech,fl_tpI,fl_kd,fl_ki; fl_sailech= fl_Nhietdo-fl_setpoint; fl_tpI= fl_tpI+fl_sailech; if(fl_tpI>(200/fl_ki))fl_tpI=200/fl_ki; if(fl_tpI200)fl_gtPID=200; if(fl_gtPID