Đồ án tốt nghiệp Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh có kết cấu nội dung gồm 4 chương, nội dung đồ án trình bày tổng quan về điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh, cơ sở tính toán và thực nghiệm hệ thống, tính toán thiết kế mạch.
MỤC LỤC MỤC LỤC i MỤC LỤC HÌNH ẢNH iv MỤC LỤC BẢNG BIỂU .vii LỜI NÓI ĐẦU viii viii KHÁI QUÁT CHUNG ix Lý chọn đề tài: ix 2.Phương pháp nghiên cứu ix 3.Đối tượng nghiên cứu ix 4.Mục tiêu ix 5.Mục đích nghiên cứu ix 6.Phạm vi nghiên cứu x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 11 11 1.1.Áp suất 12 1.1.1.Định nghĩa áp suất .12 1.1.2.Phương pháp đo áp suất 13 1.1.3.Thiết bị đo áp suất 13 1.2.Biến tần MM 440 15 1.2.1.Nguyên tắc hoạt động 16 1.2.2.Các tính chất 16 1.2.3 Các thông số kỹ thuật biến tần MM440 17 1.2.4.Một số ứng dụng của biến tần MM 440 18 1.3.Động không đồng ba pha .19 1.3.1.Cấu tạo động không đồng ba pha 19 1.3.2.Nguyên lý làm việc .21 1.4.Bơm thủy lực 22 1.4.1 Bơm bánh 22 1.4.2.Bơm piston 23 1.4.3.Bơm cánh gạt 24 1.5.Van thủy lực 24 1.5.1.Van điều khiển tay 24 1.5.2.Van an toàn 24 1.6.Một số thiết bị linh kiện sử dụng để thiết kế điều khiển 25 i 1.6.1 IC Lm 324 25 1.6.2.PLC S7 – 300 26 1.6.3.Vi điều khiển AVR 33 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN 36 2.1.Bộ điều khiển 36 2.1.1 Điều khiển vòng hở 36 2.1.2 Điều khiển vòng kín 36 2.1.3.Ưu điểm của điều khiển vòng kín so với điều khiển vòng hở 38 2.2.Xác định tham số điều khiển PID 38 2.2.1.Phương pháp Ziegler – Nichols 39 2.2.2.Phương pháp Chien – Hrones –Reswick 40 2.3.Kết đo thực nghiệm mơ hình 41 2.3.1.Đối với hệ hở 41 CHƯƠNG 3:TÍNH TỐN,THIẾT KẾ MẠCH 45 3.1.Mạch PID tương tự 45 3.1.1.Sơ đồ nguyên lý mạch 45 3.1.2.Mạch nguồn 46 3.1.3.Khối công tắc chuyển mạch 47 3.1.4.Mạch tạo setpoint 47 3.1.5.Mạch phản hồi 48 3.1.6.Mạch so sánh 48 3.1.7.Mạch tỉ lệ P 49 3.1.8.Mạch tích phân I 50 - Sơ đồ mạch: 50 3.1.9.Mạch vi phân D 51 3.1.10.Mạch cộng tổng 51 3.2.Mạch PID số 53 3.2.1.Sơ đồ nguyên lý 53 3.2.2.Mạch nguồn 54 3.2.3.Mạch tạo điện áp set point .54 3.2.4.Mạch phản hồi 54 3.2.5.Mạch vi điều khiển .55 3.2.6.Mạch hiển thị LCD 56 3.2.7.Mạch chuyển đổi khuếch đại 56 57 3.2.8.Lưu đồ thuật toán 58 ii 3.3 PID PLC 61 3.3.1.Khai báo phần cứng .61 3.3.2.Sơ đồ kết nối phần cứng 63 3.3.3.Lập bảng Symbol 65 3.3.4.Thuật toán điều khiển PID 66 3.4.Hình ảnh sản phẩm 67 3.5.Tính toán lựa chọn thiết bị 68 3.5.1.Lựa chọn và cài đặt biến tần 68 3.5.2.Lựa chọn bơm thủy lực 71 3.5.3 Lựa chọn động ba pha .71 3.5.4.Lựa chọn cảm biến áp suất 71 3.5.5 Lựa chọn van 73 3.5.6.Lựa chọn thùng dầu .74 CHƯƠNG 4:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 4.1.Những khó khăn thực hiện đề tài 75 4.2.Cách khắc phục 75 4.3.Kết đạt hạn chế 75 4.3.1.Kết đạt 75 4.3.2.Những hạn chế 75 4.4.Kết luận kiến nghị 75 4.5.Hướng phát triển của đề tài 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .77 PHỤ LỤC 78 Phụ lục 1: Chương trình vi điều khiển mạch PID số 78 Phụ lục 2: Chương trình PID PLC 88 iii MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1.Mơ hình tởng quát của hệ thớng 11 Hình 1.2.Sơ đồ khối cảm biến áp suất .14 Hình 1.3.Đồng hồ đo áp suất 15 Hình 1.4.Biến tần MM 440 16 Hình 1.5: Cấu tạo động khơng đồng ba pha 20 Hình 1.6: Rơto kiểu dây quấn (a) sơ đồ mạch điện tương ứng 21 Hình 1.7: Rơto kiểu lồng sóc .21 Hình 1.8.Bơm bánh 23 Hình 1.9.Bơm Piston 23 Hình 1.10 Bơm cánh gạt 24 Hình 1.11.Van điều chỉnh tay 24 Hình 1.12.Van an tồn 25 Hình 1.13.Hình ảnh sơ đồ chân LM 324 25 Hình 1.14.Cấu trúc Rack PLC S7-300 27 Hình 1.15 Hình ảnh module CPU 312C 27 Hình 1.16.Hình ảnh thực tế module mở rộng PLC S7-300 28 Hình 1.17.Vòng qt chương trình 30 Hình 1.18.Quá trình chuyển đổi ADC (analog to digital conveter) 31 Hình 1.19.Modul Analog CPU 313C 32 Hình 1.20.Sơ đồ khối Module vào số CPU 313C 32 Hình 1.21.Sơ đồ chân của Atmega 16 .34 Hình 2.1.Sơ đồ khối điều khiển PID 37 Hình 2.2.Đặc tính u cầu sau điều chỉnh PID 39 Hình 2.3.Các dạng đặc đặc tính y(t) theo phương pháp Ziegler-Nichols 39 Hình 2.4.Các dạng đặc tính H(t) theo phương pháp ZieglerNichols 40 Hình 2.5.Khảo sát với hệ thống hở 42 Hình 2.6.Khảo sát hệ thống kín 43 Hình 3.1.Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch PID tương tự 46 Hình 3.2.Sơ đồ mạch board 46 Hình 3.3.Mạch nguồn .46 iv Hình 3.4.Cơng tắc chuyển mạch 47 Hình 3.5.Mạch tạo Setpoint .48 Hình 3.6.Mạch phản hồi 48 Hình 3.7.Mạch so sánh 49 Hình 3.8.Mạch tỷ lệ P 49 50 Hình 3.9.Mạch tích phân I 50 Hình 3.10.Mạch vi phân D 51 Hình 3.11.Mạch cộng tổng 52 Hình 3.12.Sơ đồ nguyên lý mạch PID số 53 .53 Hình 3.13.Mạch nguồn PID số 54 Sử dụng IC ổn áp 7805 tạo nguồn 5V cung cấp cho vi điều khiển Atmega 16 54 Hình 3.14.Mạch tạo setpoint mạch PID số 54 Hình 3.15.Mạch phản hồi(FB) mạch PID số 54 Hình 3.16 Mạch vi điều khiển 55 Hình 3.17.Mạch hiển thị 56 Hình 3.18.Mạch chuyển đổi khuếch đại 56 Hình 3.19.Lưu đồ thuật toán chương trình chính 58 Hình 3.20 Lưu đờ tḥt toán nhập thơng số PID 60 Hình 3.21.Khai báo phần cứng .61 Hình 3.22.Khai báo thời gian ngắt OB 35 62 Hình 3.23.Khai báo dạng tín hiệu đưa vào Analog 62 Hình 3.24 Khai báo dạng tín hiệu đưa từ modul Analog 63 Hình 3.25.Sơ đồ kết nối phần cứng 65 Hình3.26.Bảng Symbol .65 Hình 3.27.Lưu đồ thuật tốn PID PLC .66 Hình 3.28.Hình ảnh mơ hình .67 68 Hình 3.29.Mặt bảng điều khiển 68 Hình 3.30.Bơm bánh ăn khớp ngồi 71 Hình 3.31.Cảm biến áp suất Sensys M5156 - 10286X - 10BG 72 Hình 3.32.Đờ thị thể hiện đường đặc tính dòng điện phụ thuộc vào áp suất 73 Hình 3.33.Van điều chỉnh tay 73 Hình 3.34.Van an tồn 74 v vi MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số đơn vị đo áp suất .12 Bảng 1.2 Các thông số kỹ thuật biến tần MM 440 17 Bảng 2.1.Yêu cầu chất lượng cho tham số điều khiển theo phương pháp Ziegler-Nichols 39 Bảng 2.2.Bảng yêu cầu chất lượng cho tham số điều khiển theo phương pháp Ziegler - Nichols .40 Bảng 2.3.Lựa chọn điều khiển theo phương pháp Chien Hrones - Reswick 40 Bảng 2.4.u cầu tối ưu theo nhiễu hệ kín khơng có độ điều chỉnh .41 Bảng 2.5.Yêu cầu tối ưu theo nhiễu hệ kín có độ q điều chỉnh khơng q 20% 41 Bảng 2.6.Kết đo thực nghiệm với hệ thống hở đóng van .42 Bảng 2.7.Kết đo thực nghiệm với hệ thống hở mở van.42 Bảng 2.8.Kết đo thực nghiệm với hệ thống kín 44 Bảng 3.1 Bảng thông số cài đặt biến tần MM 440 68 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật cảm biến Sensys M5156 – 10286X – 10BG 72 vii LỜI NĨI ĐẦU Trong sự nghiệp giáo dục của nước ta hiện nay mục tiêu là giáo dục và đào tạo ra những con người có đủ đức đủ tài,có văn hóa, có kỹ năng kỹ xảo nghề nghiệp và có thái độ ứng xử tốt phục vụ tốt cho sự nghiệp cơng nghiệp hóa hiện đại hóa xây dựng nước nhà. Để đạt được mục đích đó thì thế hệ trẻ đặc biệt là sinh viên phải ln chủ động tìm hiếu nghiên cứu và ứng dụng những thành tựu khoa học mới, cùng những nhu cầu ứng dụng thực tế cấp thiết của nền cơng nghiệp nước nhà Là những sinh viên năm cuối được làm đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho chúng em tìm hiếu thêm về kiến thức thực tế củng cố những kiến thức đã học,từ những u cầu của thực tế nhóm chúng em đã được nghiên cứu về đề tài: “Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh” Đề tài đề cập đến một lĩnh vực đang ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp nhưng lại là kiến thức mới đối với sinh viên. Đề tài chúng em được chia ra thành 4 chương : Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Cơ sở tính tốn và thực nghiệm hệ thống Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch Chương 4: Kết luận Phụ lục Nhờ có sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Phúc Đáo và các thầy cơ trong khoa đã tạo điều kiện giúp đỡ để nhóm em hồn thành được đề tài này. Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm còn thiếu nên khơng tránh khỏi những sai sót, rất mong sự chỉ bảo và góp ý của thầy cơ và các bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hưng n, tháng 06 năm 2014 viii KHÁI QT CHUNG 1. Lý do chọn đề tài: Hiện nay trong thực tế các hệ thống điều khiển áp suất được áp dụng rất rộng rãi như các hệ thống điều khiển áp suất trong cung cấp nước sạch,duy trì áp suất trong lò hơi, trong bảo quản, chế biến thực phẩm,trong khai thác dầu, trong nhà máy bia, trong y tế… Chính vì vậy chúng em đã lựa chọn đề tài: “Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh” là đề tài nghiên cứu tốt nghiệp 2.Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu trên internet Nghiên cứu bằng thực nghiệm 3.Đối tượng nghiên cứu Nghiên cưu tim hiêu tơng quan cac hê thơng điêu khiên ap st trong th ́ ̀ ̉ ̉ ́ ̣ ́ ̀ ̉ ́ ́ ực tê.́ Tìm hiểu và nghiên cứu cac ph ́ ương phap điêu khiên, ́ ̀ ̉ ứng dung cac bơ điêu ̣ ́ ̣ ̀ khiên PID ̉ Tim hiêu, nghiên c ̀ ̉ ứu về biến tần siemen MM 440 Tìm hiểu về lập trình PID trong PLC, lập trình vi điều khiển 4.Muc tiêu ̣ Đê tai cua chung em nghiên c ̀ ̀ ̉ ́ ứu cân đat đ ̀ ̣ ược môt sô muc tiêu sau: ̣ ́ ̣ Thiêt kê chê tao mô hinh đo va ôn đinh ap suât ́ ́ ́ ̣ ̀ ̀ ̉ ̣ ́ ́ Xây dựng được thuât toan đê điêu khiên ap suât theo l ̣ ́ ̉ ̀ ̉ ́ ́ ượng đăt mong muôn ̣ ́ Ap dung bô điêu khiên PID đê điêu khiên hê thông, s ́ ̣ ̣ ̀ ̉ ̉ ̀ ̉ ̣ ́ ử dung lân l ̣ ̀ ượt cac bô điêu ́ ̣ ̀ khiên PID sô, PID t ̉ ́ ương tự va bô thông sô PID trong modul Analog cua PLC đê ̀ ̣ ́ ̉ ̉ điêu khiên hê thông ̀ ̉ ̣ ́ So sanh cac bô điêu khiên trên vê đăc điêm ky thuât, kinh tê va đô tin cây ́ ́ ̣ ̀ ̉ ̀ ̣ ̉ ̃ ̣ ́ ̀ ̣ ̣ 5.Mục đích nghiên cứu Thực hiện đề tài: “Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh” giúp cho chúng em áp dụng được những kiến thức đã học và khả năng thực tế vào việc tính tốn lựa chọn thiết bị, linh kiện cho phù hợp, ngồi ra còn giúp cho chúng em ix tiếp cận được những tri thức mới, những tri thức đó chính là hành trang cho chúng em sau khi ra trường 6.Phạm vi nghiên cứu Với giới hạn của đề tài, chúng em đi sâu vào nghiên cứu những vấn đề chính sau đây: Tìm hiểu về đối tượng điều khiển Tìm hiểu về các bộ điều khiển PID số, PID tương tự, PID trong PLC Tìm hiểu về biến tần MM 440 Tìm hiểu về PLC S7 300, modul Analog trong PLC Tìm hiểu về AVR x cứu và thiết kế mạch điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh. Do thời gian có hạn, kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong q thầy cơ và các bạn chỉ bảo để chúng em hồn thiện bản than mình khi ra làm ngồi doanh nghiệp Qua đây chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cơ trong khoa và tồn thể các bạn trong lớp đã giúp đỡ chúng em trong q trình thực hiện đề tài. Chúng em đặc biệt cảm ơn thầy Nguyễn Phúc Đáo đã nhiệt tình chỉ bảo hướng dẫn và tạo điều kiện tối đa cho chúng em khi làm đề tài Sau khi thực hiện đề tài chúng em có một số kiến nghị như sau: Có nhiều đề tài đòi hỏi phải tìm hiểu rộng và sâu về kiến thức chúng em mong có nhiều thời gian để nghiên cứu hơn nữa để có thể hồn thành tốt nhất đề tài của mình Nhiều thiết bị mượn của khoa chúng em khơng được mang về nên rất khó khăn khi thực hiện vì khơng phải lúc nào chúng em cũng có thể lên xưởng thực hiện vì vậy rất mong khoa tạo điều kiện cho chúng em được mang thiết bị về phòng để làm 4.5.Hương phat triên cua đê tai ́ ́ ̉ ̉ ̀ ̀ Trong đề tài chúng em đã thiết kế thành cơng mạch điều khiển ổn định duy trì áp suất thủy tĩnh, tuy nhiên do thời gian có hạn, kinh nghiệm còn thiếu và kiến thức còn hạn chế vì vậy chúng em chưa thể thiết kế được những phần sau: Giám sát điều khiển trên PC thơng qua VB, WinCC, Matlap… Phát triển đề tài ứng dụng vào thực thế(Điều khiển các máy nâng hạ, cần trục…) bằng cách tăng trữ lượng thùng dầu, cơng suất động cơ… 76 TAI LIÊU THAM KHAO ̀ ̣ ̉ Môt sô tai liêu tham khao: ̣ ́ ̀ ̣ ̉ [1] Bùi Văn Dân, Giáo trình PLC,Khoa Điện Điện tử, Trường ĐH SPKT Hưng n [2] Nguyễn Phúc Đáo,Giáo trình khí nén thủy lực, Khoa Điện Điện tử,Trường ĐH SPKT Hưng n [3] Nguyễn Thành Long, Giáo trình Điện tử căn bản, Khoa Điện Điện tử, Trường ĐH SPKT Hưng n [4] Pham Cơng Ngơ ̣ , Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006 [5] Nguyễn Dỗn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật,2004 [6] D Ibrahim, Microcontroller Based Applied Digital Control, John Wiley & Sons, May 5, 2006 Môt sô trang web: ̣ ́ 1. www.doko.vn 2.www.tailieu.vn 3.http://luanvan.co/default.aspx 4.Docs.4share.vn 5.Kythuatviet.com 77 PHỤ LỤC Phu luc 1: Ch ̣ ̣ ương trinh vi điêu khiên mach PID sô ̀ ̀ ̉ ̣ ́ #include #include #include #include "stdio.h" #define START PINB.0 #define SETUP PINB.1 #define RED PINB.2 #define INC PINB.3 #define SCK PORTD.0 #define CS PORTD.1 #define SDI PORTD.2 #define sampling_time 50 long apsuatdat=0,apsuat=0,pre_apsuat=0,error,pre_error; long ppart=0,ipart=0,dpart=0,pid=0,dac=0,tong=0; int Kp=0,Kd=0,Ki=0,i=0,k=0,l=0; char str[16],start; char b[12]; int e_Kp=2,e_Ki=5,e_Kd=0,e_apsuatdat=500; #define ADC_VREF_TYPE 0x00 unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete 78 while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCW; } void ghibit(char b) { SDI=b; delay_us(10); // SCK=1;delay_us(10); SCK=0; } void ghibye(void) { CS=0; delay_us(10); ghibit(0); ghibit(0); ghibit(1); ghibit(1); for(l=11;l>1;l) ghibit(b[l]); CS=1; delay_us(10); } void PID_control() { error=apsuatdatapsuat; ppart=Kp*error; ipart+=Ki*error*sampling_time/1000; if(ipart>4095) ipart=4095; if(ipart4095) pid=4095; if(pid9)lcd_putchar(c+48); lcd_putchar(d+48); lcd_putchar('.'); //so2=so2*100; a=(so2/0.1); // b=(int)so210*a; lcd_putchar(a+48); // if(b>0) lcd_putchar(a+48); } 80 void lcd_puti(int so) { int so1; unsigned char a,b,c,d,e; if(so9999) lcd_putchar(a+48); so=so10000*a; b=so/1000; if(so1>999) lcd_putchar(b+48); so=so1000*b; c=so/100; if(so1>99) lcd_putchar(c+48); so=so100*c; d=so/10; if(so1>9) lcd_putchar(d+48); e=so10*d; lcd_putchar(e+48); } void main(void) { PORTA=0x00; DDRA=0xF0; // Port B initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=P State2=P State1=P State0=P PORTB=0x0F; DDRB=0x00; // Port C initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=Out Func1=Out Func0=Out // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=0 State1=0 State0=0 PORTC=0x00; 81 DDRC=0x07; // Port D initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=Out Func1=Out Func0=Out // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=0 State1=0 State0=0 PORTD=0x00; DDRD=0x07; // Timer/Counter 0 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer 0 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC0 output: Disconnected TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; OCR0=0x00; // Timer/Counter 1 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 125.000 kHz // Mode: Normal top=0xFFFF // OC1A output: Discon // OC1B output: Discon // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer1 Overflow Interrupt: On // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x03; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; 82 OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter 2 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer2 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off // INT2: Off MCUCR=0x00; MCUCSR=0x00; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x04; // USART initialization // USART disabled UCSRB=0x00; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization // ADC Clock frequency: 125.000 kHz // ADC Voltage Reference: AREF pin // ADC Auto Trigger Source: ADC Stopped 83 ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0x86; // SPI initialization // SPI disabled SPCR=0x00; // TWI initialization // TWI disabled TWCR=0x00; // Alphanumeric LCD initialization // Connections specified in the // Project|Configure|C Compiler|Libraries|Alphanumeric LCD menu: // RS PORTC Bit 0 // RD PORTC Bit 1 // EN PORTC Bit 2 // D4 PORTA Bit 7 // D5 PORTA Bit 6 // D6 PORTA Bit 5 // D7 PORTA Bit 4 // Characters/line: 16 lcd_init(16); // Global enable interrupts #asm("sei") Kp=e_Kp; Kd=e_Kd; Ki=e_Ki;apsuatdat=e_apsuatdat; lcd_gotoxy(0,0); lcd_puts(" DIEU KHIEN AP SUAT"); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts(" "); delay_ms(200); while (1) { nhan: for(k=0;k