DIEU KHIEN HE THONG GIA NHIET CRT

Hệ thống thí nghiệm CRT là một trong những hệ thống thí nghiệm giúp sinh viên áp dụng kiến thực đã học vào thực tế. Hệ thống này cho phép sinh viên nghiên cứu về mạch điều khiển, về các thiết bị gia nhiệt, nắm vững vấn đề ổn định hệ thống điều khiển và quá trình hoạt động của một hệ thống gia nhiệt.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT

CRT Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

THÁI NGUYÊN, NĂM 2018

TRƯỜNG ĐHKTCN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Sinh viên:

1

Ngành học: Kỹ Thuật Điều Khiển

Giáo viên hướng dẫn:

1 Tên đề tài tốt nghiệp : “Điều khiển hệ thống gia nhiệt CRT sử dụng Arduino Board’’

2 Các số liệu ban đầu (nếu có).

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

- Nguyên lý hoạt động hệ thống gia nhiệt CRT và ứng dụng của mạch Arduino Board

- Xây dựng mô hình mạch để nhận dạng đối tượng

- Xây dựng các mô hình để điều khiển đối tượng

- Thiết kế bộ điều khiển kinh điển, mờ, neural và đưa ra nhận xét so sánh

- Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm

4 Số lượng các phần mềm, bảng biểu, bản vẽ (kích thước A0)

5 Ngày giao nhiệm vụ: 01/08/2018

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/10/2018

BAN CHỦ NHIỆM KHOA

(Ký và ghi rõ họ tên) GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

LỜI CÁM ƠN 2

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GIA NHIỆT CRT 4

1.1 Tổng quan về hệ thống gia nhiệt CRT 4

1.2 Mô tả nguyên lý làm việc của hệ thống 4

1.3 Mục tiêu điều khiển của hệ thống 5

1.4 Xây dựng mô hình hàm truyền của hệ thống CRT 7

CHƯƠNG 2 NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 13

2.1 Mô hình hóa đối tượng 13

2.2 Nhận dạng hệ thống điều khiển 14

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 19

3.1 Thiết kế bộ điều khiển PI 19

3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID 20

3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control-FLC) 22

a Yêu cầu khi thiết kế bộ điều khiển mờ 22

3.5 Thiết kế bộ điều khiển mờ động PD 22

3.4 Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh 27

CHƯƠNG 4 :MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG 32

4.4 Bộ điều khiển PI 34

4.2 Bộ điều khiển PID 35

4.5 Bộ điều khiển mờ tĩnh 37

4.4 Bộ điều khiển mờ động 39

KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

MỞ ĐẦU

Công nghiệp hóa-hiện đại hóa đã và đang đóng vai trò quan trọng trong công cuộc đổi mới kinh tế nước nhà, từng bước hội nhập với nền kinh tế quốc tế Quá trình này mang đến những cơ hội thuận lợi đồng thời cũng tồn tại những khó khăn thách thức lớn.Vì vậy việc tìm hiểu và phát triển các ứng dụng khoa học công nghệ là rất cần thiết.Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện–điện tử nói riêng đã làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng ngày.Như chúng ta đã biết,nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý quan trọng,được sử dụng rộng rãi ở nhiều ngành khác nhau như: luyện kim,thực phầm,y tế…

Việc thay đổi thất thường nhiệt độ không chỉ gây hư hại đến chính thiết bị đang hoạt động mà còn ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, ngay cả trên chính sản phẩm ấy Vấn

đề ổn định nhiệt độ cho hệ thống gia nhiệt gặp nhiều khó khăn do các hệ thống này thường cóquán tính nhiệt rất lớn, nhất là khi có nhiễu tác động và có sai lệch về giá trịđo.Thực tế có nhiều phương pháp để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt Nắm được tầm quan

trọng của ổn định nhiệt độ, chúng em đã thực hiện và nghiên cứu đồ án “ điều khiển

hệ thống gia nhiệt CRT tại phòng thí nghiệm khoa điện tử” Nó đã nói lên phần

nào về vấn đề nhận dạng và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống gia nhiệt Trong nội dung đồ án này sẽ nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định nhiệt độ bình gia nhiệt theo PID trên cơ sở những lý thuyết đã học

Trong quãng thời gian ngồi trên ghế nhà trường chúng em đã tích lũy cho mình được khá nhiều kiến thức đại cương cũng như kiến thức chuyên ngành Trong quá trình thực hiện đồ án ngoài sự cố gắng của nhóm chúng em đã nhận được sự giúp đỡ

và chỉ bảo tận tình của các thầy,cô giáo trong bộ môn Chúng em xin gửi lời cảm ơnsâu sắc tới:

Các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, các thầy cô trong khoa Điện Tử và các thầy cô trong bộ môn và đặc biệt tới các thầy hướng người đã trực tiếp hướng dẫn chúng em và tận tình chỉ bảo để chúng em hoàn thành tốt đồ án này Do kiến thức còn hạn chế nên đồ án còn nhiều thiếu sót Em mong được sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 5 tháng 10 năm 2018 sinh viên

LỜI CÁM ƠN

Trong quãng thời gian ngồi trên ghế nhà trường em đã tích lũy cho mình được khá nhiều kiến thức đại cương cũng như kiến thức chuyên ngành Trong quá trình thực hiện đồ án ngoài sự cố gắng của em đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy, cô giáo trong bộ môn đo lường điều khiển Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới:Các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Kĩ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, các thầy cô trong khoa Điện Tử và các thầy cô trong bộ môn để nhóm em hoàn thành tốt

đồ án này

Em xinchân thànhcảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 5 tháng 10 năm 2018

Sinh viên thực hiện:

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

………

………

………

………

………

………

………

………

Thái Nguyên,Ngày 5 Tháng 10 Năm 2018 Giáo viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên)

Nhận xét của giáo viên chấm: ………

………

………

………

………

………

………

Thái nguyên,Ngày 5 Tháng 10 Năm 2018

Giáo viên chấm

(Ký,ghi rõ họ tên)

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GIA NHIỆT CRT

1.1 Tổng quan về hệ thống gia nhiệt CRT

Hình 1: Hệ thống thí nghiệm điều khiển Hình 2:Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT CRT

Hệ thống thí nghiệm CRT là một trong những hệ thống thí nghiệm giúp sinh viên áp dụng kiến thực đã học vào thực tế Hệ thống này cho phép sinh viên nghiên cứu vềmạch điều khiển, về các thiết bị gia nhiệt, nắm vững vấn đề ổn định hệ thống điều khiển và quá trình hoạt động của một hệ thống gia nhiệt

Trên bộ thí nghiệm này ta có thể tiến hành các bài thí nghiệm sau:

Điều khiển nhiệt độ kiểu ON/OFF bằng mạch phần cứng

Ø Điều khiển nhiệt độ kiểu ON/OFF bằng thiết bị ngoài MiniReg

1.2 Mô tả nguyên lý làm việc của hệ thống.

Nước trong bình 13 được bơm từ bình chứa nước 1 bởi bơm 2 Chúng ta có thể điều khiển sự làm việc của van 3 bằng tay Ta cũng có thể thay đổi lưu lượng để tạo nhiễu nhờ van 6 và van 8 sau khi đã mở van 5 và van 7

Nước trong bình 13 được gia nhiệt bởi điện trở nhiệt 12 và nhiệt độ đạt được được

đo bởi hai sensor nhiệt PT100 Một sensor nhiệt nằm ở bên trái được dùng để bảo vệ: khi đã đạt được nhiệt độ đặt lớn nhất, nhiệt điện trở sẽ ngay lập tức được tắt nhờ thiết

bị điều nhiệt an toàn Tmax được lắp trong khối thiết bị điện Còn sensor thứ hai nằm ở bên phải cho phép ta có thể đọc giá trị của đại lượng được điều khiển, để tiến hành quá trình điều khiển

Nước sau khi được đun nóng sẽ trở lại bình chứa chính.

Tín hiệu điều khiển X đi ra từ thiết bị điều khiển được truyền tới nhiệt điện trở, còn nhiệt độ đo được Y cũng chính là đại lượng được điều khi ển được truyền tới thiết bị điều khiển

Mục đích của quá trình này là đ ể điều khiển nhiệt độ nước trong bể chứa Pirex (12) với sự có mặt của các nhiễu tác động

Nước được lấy từ bể chứa (1) thông qua một máy bơm ly tâm (2) và được đưa vào mạch

Nước được bơm tuần hoàn qua bể chứa (12), trong bể chứa nước được làm nóng bởi dây nhiệt điện trở(11) Từ bể chứa (12) nước quay trở lại bể chứa (1)

Lưu lượng nước đưa vào được điều chỉnh thông qua van (8) và được đo lường bởi đồng hồ đo lưu lượng (7)

Van (4) và (6) tạo ra nhiễu lưu lượng một cách độc lập

Để đo nhiệt độ (Y) dùng cảm biến nhiệt độ Pt100

Cảm biến Pt100 khác cung cấp một tín hiệu (Tmax) đến một bộ điều nhiệt trong thiết

bị điện (9) Từ đó giúp cho nó có thể cài đặt nhiệt độ lớn nhất được thực hiện bằng tay,

nó cũng có thể được sử dụng như một bộ điều khiển On-Off

Điều khiển hệ thống có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau:

• thông qua phần mềm, bằng cách sử dụng các chương trình phần mềm CRS/T trên các máy tính cá nhân (10);

• thông qua bộ điều chỉnh điện tử tùy chọn, MiniReg (8);

• thông qua máy điều chỉnh nhiệt trong thiết bị điện (9)

Các bộ điều khiển là một trong hai loại PID (Proportional Derivative Integral) hoặc On-Off, và có thể đạt được bằng cách so sánh các tín hiệu tương ứng với nhiệt độ nước trong bể (Y) với một tín hiệu đặt Set-Point được lựa chọn bởi người sử dụng

Do đó việc điều chỉnh tạo ra một tín hiệu khởi động (X) cái mà tác động trên các dòng điện trong điện trở (11)

Hơn nữa, máy tính cá nhân có thể kiểm soát nhiễu tốc độ dòng chảy bằng cách tạo ra tín hiệu (n) có tác dụng trên van điện từ (4)

Thiết bị điện (9) bao gồm bộ điều chỉnh nhiệt an toàn,điều khiển cho các thành phần điện chính của đối tượng,bộ biến đổi AD / DA chuyển đổi sao cho phù hợp với các máy tính cá nhân thông qua cổng USB,chỉ thị số dùng để hiển thị giá trị nhiệt độ tức thời

1.3 Mục tiêu điều khiển của hệ thống.

Hệ thống bơm nước ly tâm theo một vòng tuần hoàn khép kín, tính toán và hiển thịcác giá trị nhiệt độ, lưu lượng dòng chảy Điều khiển ổn định nhiệt độ trong bình Pirex trong quá trình hoạt động nhờ các thông số đo được và tính toán các nhiễu loạn tác động và đưa nước trở về bể chứa Trong quá trình đưa nước vào Pirex nước được xáo trộn và được đo đạc thông số để việc làm nóng và ổn định nhiệt độ được chính xác hơn

Sơ đồ cấu trúc hệ thống

1.bể chứa nước

2.bơm li tâm

3.van điều chỉnh tốc độ dòng chảy điều khiển bằng tay

4.van mở đầu nhiễu

5.van điều khiển nhiễu tốc độ dòng chảy điều chỉnh bằng tay

6.van điều chỉnh bằng tay

7.đồng hồ đo lưu lượng dùng để điều khiển lưu lượng dòng chảy

8.máy điều chỉnh điện tử

9.thiết bị điện

10.máy tính cá nhân

11.điện trở đốt nóng bằng điện

12.hai cảm biến nhiệt độ PT100 đo nhiệt độ bình Pirex

13.van tháo nước ra ngoài

X tín hiệu khởi động

Y tín hiệu điều khiển khi có thay đổi

n tín hiệu nhiễu

Tmax tín hiệu bộ chỉnh nhiệt an toàn

Nước trong

bể chứa

Nước trên đường ống đi

Nước trong bình Pirex Nước trong

đường ống về

1.4 Xây dựng mô hình hàm truyền của hệ thống CRT

Nước được bơm từ bồn chứa đưa vào bồn gia nhiệt với lưu lượng q và nhiệt độ1 T1

Lưu lượng ra khỏi buồng gia nhiệt bằng với lưu lượng vào,nhiệt độ đầu ra của nước

là T , nhiệt độ0 T Gọi thể tích bồn gia nhiệt là V.0

Nước được gia nhiệt bằng dây điện trở được cấp điện thông qua bộ biến đổi có điện

áp điều khiển U dk từ 0 đến 5v để điều chỉnh điện áp đặt trên hai đầu dây gia nhiệt từ

0 đến 220v Gọi điện trở dây gia nhiệt R, nhiệt lượng tỏa ra khi gia nhiệt là Q.

Nhiệt lượng thất thoát ra môi trường tại bồn chứa là Q tt

1 Xây dựng mô hình phương trình vi phân

Phương trình truyền nhiệt của quá trình truyền nhiệt từ dây gia nhiệt dến nước là :

1 2

R

ïï í

ï = ïî

Vì nhiệt dung riêng của nước tính băng cal cho nên đổi nhiệt lượng

tỏa ra trên dây điện trở từ J sang cal, chuyển điện áp nguồn sang

điện áp điều khiển ta được:

Hình 3 Mô hình hệ thống gia nhiệt CRT

44 5

lượng vào bồn chứa bằng lưu lượng đi ra khỏi bồn chứa Vậy quan

hệ giữa nhiệt độ đi vào bồn chứa lớn và nhiệt độ đi vào bồn gia

nhiệt, giả thiết bỏ quan tổn thất nhiệt trên đường ống, là:

Trong đó các tham số của mô hình như sau:

• Lưu lượng q thay đổi từ 4 l/h đến 30 l/h, tương đương là thay đổi từ 0.00111/s đến 0.00831/s, hay thay đổi từ 0.0011 kg/s đến 0.0083 kg/s

• Nhiệt dung riêng của nước: C=100 cal kg C/( / )

• Điện trở của dây gia nhiệt: R =40.7 W

· Nhiệt lượng thất thoát là : Q tt =0.84cal s/

Vậy mô hình hệ CRT được biểu diễn bằng phương trình vi phân như

dt U

-í ï ï

ï = î Vậy nhiệt độ trong bồn chứa phụ thuộc vào 02 đầu vào đó là: điện

áp cấp cho dây điện trở, và lưu lượng của dòng nước đưa vào bồn

chứa

Ngoài ra ta có thể dùng đầu vào là nhiệt lượng Q thay vì dùng U , dk

khi đó ta có sơ đồ simulink biểu diễn mô hình hệ thống bằng phương

trình vi phân tương ứng khi ta sử dụng đầu vào là nhiệt lượng Q.

Nếu coi bồn chứa có kích thước là vô hạn, khi đó nhiệt độ đầu vào Ti

không bị thay đổi bởi nhiệt độ T (hay T i = hằng số), mô hình của hệ

thống đơn giản chỉ còn lại là:

( )2

( ) 44

R

ïï í

ï = ïî

2 Xây dựng mô hình phương trình Laplace của hệ thống

a Sử dụng mô hình đơn giản, coi thể tích bồn chứa là vô hạn

R

ïï í

ï = ïî

Giả thiết điểm làm việc cân bằng là ta điều khiển cho nhiệt độ trong

bồn chứa là 60℃, nhiệt độ nước đi vào bồn chứa tại điểm làm việc là 30℃,

vậy ta có : 0 0

1

60 , 30

T = C T = C,

lưu lượng tại điểm làm việc là 10 l/h, hay q= 0.00281 / stừ hệ phương trình vi

phân ta tìm được Q=84cal U, dk =2.71V, Chuyển phương trình vi phân trên sang dạng tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc và sử dụng biến chênh lệch, ta có :

= ta được :

dt U

-í ï ï

ï = î +Tại điểm làm việc cân bằng,ta sử dụng đại lượng chênh lệch nhiệt độ d = -T T T i, khi

Đó tương ứng với các tham số tại điểm làm việc q= 10 /kg= 0.0028kg s/ là :

( )2

0 0 44 0.24

R

dd

ì ï

ï

í ï ï

= ï î

dk u

CHƯƠNG 2 NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

-Các bước tiến hành nhận dạng:

Bước 1: Thu thập,khai thác thông tin ban đầu về quá trình gia nhiệt

Bước 2: Mô hình hóa đối tượng

Bước 3: Lấy số liệu thực nghiệm,xác định dạng đặc tính của đối tượng

Bước 4: Tính toán, xác định các thông số của đối tượng dựa trên dữ liệu thu được

2.1 Mô hình hóa đối tượng.

a.Mô hình vào ra của hệ thống

b Mô tả toán học các phần tử có trong hệ

* Hai bơm (pump 1 và pump 2) và van Noise

-dùng để bơm nước lạnh vào bình gia nhiệt (coi là nhiễu phụ tải),lượng nước bơm vào phụ thuộc vào độ mở van tính theo phần trăm (0%÷100%) của van Noise

*khâu điều chế tiristor

2( ) 1 s

Vì t1<< nên:G s2( )=k1

*Dây nhiệt điện trở và bình gia nhiệt

-Dây nhiệt điện trở hoạt động dựa trên định luật joule-lence :khi cho dòng điện chạy

+

Trong đó: ܶ௕:hằng số thời gian của bình gia nhiệt

߬௕:độ trễ của bình gia nhiệt

ܭ௕ǣ hệ số bình gia nhiệt

* Đầu dò nhiệt PT100 và mạch đo

=> Hàm truyền của đối tượng điều khiển là:

( )( )

K K K

e

T s

t -

*+

1

dt s dt

-X(s): là giá trị tín hiệu điều khiển đưa vào khối điều khiển công suất,tín hiệu thực là giá trị điện áp từ 0÷5v

2.2 Nhận dạng hệ thống điều khiển.

Các bước tiến hành nhận dạng:

Bước 1: Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về đối tượng

Bước 2: Lựa chọn phương pháp nhận dạng (Phân tích đáp ứng quá độ)

Bước 3: Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy

Bước 4: Quyết định về dạng mô hình và giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình

Bước 5: Xác định các tham số mô hình theo phương pháp/thuật toán đã chọn Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình nhận được theo các tiêu chuẩn đã lựa chọn, tốt nhất là trên cơ sở nhiều tập dữ liệu khác nhau Nếu chưa đạt yêu cầu, cần quay lại một trong các bước 1- bước 4

Tại command window gõ lệnh ident sẽ xuất hiện cửa sổ nhận dạng System

*Cuối cùng kích chuột vào Estimate Tại cửa sổ System Identification Tool ®

Model output để máy tính tìm ra hệ số K và Tp1:

Hình 2.5 Kết quả quá trình nhận dạng lò nhiệt

Qua thực nghiệm thu được tập dữ liệu đối tượng (Data1).Sử dụng lệnh matlab ta xác định được dạng đặc tính của đối tượng điều khiển là một hàm quán tính bậc nhất có

1

dt s dt

+

-Tín hiệu điện áp đo được qua đầu dò PT100 qua bộ chuyển đổi với hệ số chuyển đổi k=0.0497 được chuyển sang giá trị nhiệt độ tương ứng.

-Số lần trích mẫu : sample=502, thời gian trích mẫu: T=2s, điện áp vào: u=0.5v

-Mô phỏng matlab Simulink

Hình 1: Đặc tính của tượng khi đầu ra là điện áp

* Vẽ đường đặc tính của đối tượng với đầu ra là nhiệt độ:

Hình 2: Đặc tính của đối tượng khi đầu ra là nhiệt độ

( )

s dt

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thiết kế bộ điều khiển PI

-Đối tượng có hàm truyền:

1484.8862( )

s dt

-14 14

s

-

0.01133.0839