Nghiên cứu xây dựng nguồn chuẩn nhiệt độ phục vụ công tác truyền chuẩn cho các hệ thống đo nhiệt

Nghiên cứu xây dựng nguồn chuẩn nhiệt độ phục vụ công tác truyền chuẩn cho các hệ thống đo nhiệt Nghiên cứu xây dựng nguồn chuẩn nhiệt độ phục vụ công tác truyền chuẩn cho các hệ thống đo nhiệt Nghiên cứu xây dựng nguồn chuẩn nhiệt độ phục vụ công tác truyền chuẩn cho các hệ thống đo nhiệt luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

bộ giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hµ néi - Lê mạnh cường NGHIấN CU, XY DNG NGUỒN CHUẨN NHIỆT ĐỘ PHỤC VỤ CÔNG TÁC TRUYỀN CHUẨN CHO CC H THNG O NHIT luận văn thạc sĩ nGành đo lường hệ thống điều khiển Ngi hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Lan Hương Hµ Néi – 2012 MỤC LỤC MỤC LỤC .1 Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU .3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG CHUẨN ĐẠI LƯỢNG NHIỆT .5 1.1 Lịch sử phát triển .5 1.1.1 Đại lượng nhiệt đơn vị đo 1.1.2 Nguyên tắc xây dựng thang ITS-90 1.1.3 Định nghĩa thang ITS-90 1.2 Chuẩn liên kết chuẩn đơn vị đo nhiệt độ 13 1.2.1 Chuẩn đầu chuẩn quốc gia, đơn vị nhiệt độ 13 1.2.2 Sơ đồ truyền dẫn xuất chuẩn 14 1.3 Nguyên tắc liên kết chuẩn 15 1.3.1 Chuẩn đầu .15 1.3.2 Chuẩn thứ .15 1.3.3 Chuẩn bậc 16 1.3.4 Chuẩn bậc 17 1.3.5 Phương tiện đo .18 1.3.6 Quan hệ độ không đảm bảo đo 19 1.3.7 Đánh giá độ không đảm bảo đo, sai số theo sơ đồ liên kết 20 1.4 Hiệu chuẩn, kiểm định tầm quan trọng phương tiện đo 21 1.4.1 Hiệu chuẩn 21 1.4.2 Kiểm định .21 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 22 2.1 Đặc điểm phần tử gia nhiệt 22 2.2 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 25 2.2.1 Các loại cảm biến nhiệt độ thông dụng 25 2.2.2 Nhiệt kế điện trở Platin (Pt100) 27 2.2.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 31 2.2.3.1 Điều khiển on-off .32 2.2.3.2 Điều khiển khâu tỉ lệ P .33 2.2.3.3 Điều khiển khâu PI 34 Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 2.2.3.4 Điều khiển khâu vi phân-Tích phân-Tỉ lệ (PID) 35 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TẠO CHUẨN NHIỆT ĐỘ 38 3.1 Lựa chọn phương pháp 38 3.2 Tính toán thiết kế 38 3.2.1 Khối tạo nguồn nhiệt .39 3.2.2 Khối mạch công suất .40 3.2.3 Khối đo điều khiển nhiệt độ (TZN4M14-S) 42 3.3 Các phương pháp tính tốn, xác định thông số PID 47 3.3.1 Phương pháp Ziegler-Nichol – phương pháp thứ 47 3.3.2 Phương pháp Ziegler-Nichol – phương pháp thứ hai 48 3.3.3 Phương pháp Chien-Hornes-Reswick 49 CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 51 4.1 Kết tính tốn tham số chỉnh định cho điều khiển .51 4.2 Kết thử nghiệm số liệu chỉnh định PID tính .53 4.3 Đánh giá hệ hệ thống .53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC SỐ LIỆU 55 Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 MỞ ĐẦU Như biết, nhiệt độ thành phần vật lý quan trọng Sự thay đổi nhiệt độ vật chất ảnh hưởng nhiều đến cấu tạo tính chất đại lượng vật lý khác vật chất Ví dụ thay đổi nhiệt độ chất khí làm thay đổi thể tích, áp xuất chất khí bình Vì vậy, nghiên cứu khoa học, cơng nghiệp sản xuất đời sống sinh hoạt hàng ngày thu thập thông số điều khiển nhiệt độ điều cần thiết Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp nay, ngành công nghiệp luyện kim, chế biến thực phẩm …thì vấn đề đo điều khiển nhiệt độ đặt biệt quan trọng yếu tố định đến chất lượng sản phẩm Trong lò nhiệt, máy điều hòa, máy lạnh hay lò viba, điều khiển nhiệt độ tính chất định cho sản phẩm Trong ngành luyện kim, cần phải đạt đến nhiệt độ để kim loại nóng chảy cần đạt nhiệt độ để ủ kim loại nhằm đạt tốt đặc tính học độ bền, độ dẻo, độ chống gỉ sét… Trong ngành thực phẩm, cần trì nhiệt độ để nướng bánh, để nấu để bảo quản…Việc thay đổi thất thường nhiệt độ không gây hư hại đến thiết bị hoạt động, cịn ảnh hưởng đến q trình sản xuất, sản phẩm Trong sản xuất Cơng nghiệp nói chung sản xuất Cơng nghiệp Quốc phịng nói riêng đo lường điều khiển nhiệt độ đóng vai trị quan trọng Có nhiều phương pháp để điều khiển lò nhiệt độ, phương pháp điều mang đến kết khác thông qua phương pháp điều khiển khác Trong nội dung luận văn em dùng phương pháp điều khiển nhiệt độ dùng giải thuật PID làm đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, xây dựng nguồn chuẩn nhiệt độ phục vụ công tác truyền chuẩn cho hệ thống đo nhiệt” Mặc dù em cố gắng để hoàn thành luận văn thời hạn tránh thiếu sót, mong thầy thơng cảm Cuối em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn TS.Nguyễn Thị Lan Hương, thầy giáo Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 mơn Tự động hóa Điều khiển q trình nhiệt – Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt - Lạnh Đại Học Bách khoa Hà Nội Nội dung đồ án trình bày chương: - Chương 1: Trình bầy tổng quan hệ thống chuẩn mẫu đại lượng nhiệt - Chương 2: Trình bầy lý thuyết điều khiển nhiệt độ - Chương 3: Trình bầy tính tốn thiết kế hệ thống tạo chuẩn nhiệt độ - Chương 4: Trình bầy thử nghiệm đánh giá hệ thống - Kết luận hướng phát triển Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUẨN MẪU ĐẠI LƯỢNG NHIỆT Nhiệt độ khái niệm phức tạp lại thường gặp đời sống khoa học kỹ thuật Thông thường người ta cho nhiệt độ đại lượng đặc trưng cho mức độ nóng lạnh vật Tuy nhiên, cảm giác nóng lạnh cịn phụ thuộc nhiều vào yếu tố chủ quan người, nên rõ ràng quan niệm nhiệt độ nói thiếu xác Thực nghiệm cho thấy nhiệt độ thay đổi tính chất vật chất thay đổi theo ( ví dụ thể tích, điện trở v.v ) Do vậy, để đo nhiệt độ, trước hết người ta chọn chất tính chất vật lý cuả để dựa vào thay đổi tính chất mà đánh giá thay đổi nhiệt độ Từ xây dựng thang nhiệt độ cách chọn điểm chuẩn nhiệt độ cách chia độ điểm chuẩn 1.1 Lịch sử phát triển Thang nhiệt độ nhà vật lý người Đức Fahrenheit xây dựng vào năm 1715 cho ta khái niệm cụ thể thang nhiệt độ đơn vị nhiệt độ Ông chế tạo nhiệt kế thủy ngân để đo nhiệt độ, điểm chuẩn nhiệt độ chọn nhiệt độ hỗn hợp nước đá, muối cloruaamon (quy ước độ ) thân nhiệt người khoẻ mạnh (quy ước 96 độ ), 1/96 khoảng hai điểm chuẩn nhiệt độ độ Fahrenheit ( ký hiệu °F ) Năm 1736, nhà luyện kim người Pháp Rêomuya chế tạo nhiệt kế rượu với hai điểm chuẩn nhiệt độ nhiệt độ đông đặc nước (quy ước độ ) nhiệt độ sôi nước (quy ước 80 độ ) Như độ Rêômuya ( ký hiệu 1°R ) 1/80 khoảng điểm nhiệt độ sôi nước điểm nhiệt độ đông đặc nước Năm 1742, nhà vật lý Thụy điển Celsius chế tạo nhiệt kế thủy ngân với thang nhiệt độ có hai điểm chuẩn nhiệt độ nhiệt độ tan nước đá (quy ước độ ) Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 nhiệt độ sôi nước (quy ước 100 độ ) Khi độ Celsius (ký hiệu 1°C ) 1/100 khoảng điểm nhiệt độ sôi nước điểm nhiệt độ tan nước đá Thang nhiệt độ gọi thang nhiệt độ Celsius ( ký hiệu t ) dùng phổ biến đời sống khoa học kỹ thuật Các đơn vị nhiệt độ theo định nghĩa nêu có mối liên hệ với sau: 1o F = 5o C = oR 9 Theo đó, giá trị nhiệt độ tính theo đơn vị khác chuyển đổi sau: t / oC = ( ) o t / F − 32 = t / oR Thang nhiệt độ theo đơn vị nhiệt độ mang tính chất thực nghiệm phụ thuộc vào việc chọn chất nhiệt biểu cụ thể Vấn đề đặt phải xây dựng thang nhiệt độ dựa lý thuyết vật lý túy Năm 1848, nhà vật lý người Anh Kelvin đề xuất việc xây dựng thang nhiệt độ nhiệt động mà sở lý thuyết định luật Carno nguyên lý II nhiệt động học Thang nhiệt độ nhiệt động ( ký hiệu T ) lấy hai điểm chuẩn nhiệt độ nhiệt độ không tuyệt đối ( độ ) nhiệt độ cân ba pha nước tinh khiết ( 273,16 độ ) với đơn vị nhiệt độ Kelvin ( ký hiệu K ) Kelvin đơn vị hệ đơn vị quốc tế SI định nghiã sau: “Kel vin 1/273,16 nhiệt độ nhiệt động điểm ba nước “ Thang nhiệt độ nhiệt động liên hệ với thang nhiệt độ Celsius biểu thức: T / K = t /°C + 273,15 Theo đó, đơn vị độ Kelvin đơn vị độ Celsius Thang nhiệt độ nhiệt động xây dựng sở lý thuyết nhiệt động học xét cho hệ khí lý tưởng Trên thực tế việc thể thang nhiệt độ nhiệt động có Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 thể thực nhiệt kế khí với khí thực nhiệt kế khí Hydro có tính chất gần với khí lý tưởng Tuy nhiên, việc thể thang nhiệt độ nhiệt động trực tiếp nhiệt kế khí khó khăn phức tạp Vì cần thiết phải xây dựng thang nhiệt độ thực dụng quốc tế cho việc thể dễ dàng phải phù hợp với thang nhiệt độ nhiệt động đến mức cao mà trình độ khoa học kỹ thuật cho phép Các thang nhiệt độ thực dụng quốc tế xây dựng theo nguyên tắc chung lấy điểm nhiệt độ cân pha chất tinh khiết làm điểm chuẩn nhiệt độ ( ví dụ nhiệt độ cân ba pha nước tinh khiết, điểm nhiệt độ đông đặc vàng tinh khiết v.v ) dùng phương tiện đo nhiệt độ chuẩn ( ví dụ nhiệt kế điện trở chuẩn Platin ) với phương trình nội suy quy định để nội suy giá trị nhiệt độ điểm chuẩn nhiệt độ thang Đại hội cân đo quốc tế lần thứ VII công nhận thang nhiệt độ quốc tế gọi thang nhiệt độ thực dụng quốc tế 1927 (IPTS-1927) Các đại hội cân đo quốc tế sau xem xét lại, xác hố mở rộng thang nhiệt độ nêu trên: Đại hội Cân đo quốc tế lần thứ IX năm 1948 với thang nhiệt độ thực dụng quốc tế 1948 (IPTS-48); Đại hội Cân đo quốc tế lần thứ XIII với thang nhiệt độ thực dụng quốc tế 1968 (IPTS-68) gần nhất, Đại hội cân đo quốc tế lần thứ XVII với thang nhiệt độ quốc tế 1990 (ITS-90) Theo thang nhiệt kế điện trở Platin phủ toàn dải nhiệt độ từ -259,3467°C ( điểm ba Hydro ) đến 961,78°C ( điểm đông đặc bạc ); Pyromet quang học mà nguyên lý hoạt động dựa định luật xạ Planck sử dụng dải nhiệt độ 961,78°C Như nói nhiệt độ thể thang nhiệt độ thực dụng quốc tế việc thể gần nhiệt độ nhiệt động, nhiệt độ thể theo thang khác khơng hồn tồn trùng mà có khác dù nhỏ Vì vậy, ký hiệu nhiệt độ cho thang nói ghi thêm số gắn với thang nhiệt độ cụ thể; ví dụ ký hiệu nhiệt độ theo thang IPTS-68 T68 t68 ; theo thang ITS-90 ( thang nhiệt độ áp dụng nay) T90 t90 Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 1.1.1 Đại lượng nhiệt độ đơn vị đo Thang nhiệt độ quốc tế 1990 uỷ ban cân đo quốc tế công nhận hội nghị năm 1989, phù hợp với yêu cầu đề nghị ủy ban cân đo quốc tế năm 1987 Thang thay thang nhiệt độ thực dụng quốc tế năm 1968 ( sửa đổi năm 1975) thang nhiệt độ tạm thời từ 0,5K đến 30K năm 1976 Đơn vị nhiệt độ Đơn vị đại lượng vật lý nhiệt độ nhiệt động T kelvin, ký hiệu K, xác định 1/273,16 nhiệt độ nhiệt động điểm ba nước Do cách xác định thang nhiệt độ trước tồn thói quen phổ biến diễn tả nhiệt độ sai khác so với 273,15K, điểm băng tan Nhiệt độ nhiệt động lực T biểu diễn theo cách gọi nhiệt độ Celsius, ký hiệu t, xác định bằng: t / °C = T /K – 273,15 Đơn vị nhiệt độ Celsius độ Celsius, ký hiệu °C, định nghĩa độ lớn kelvin Hiệu nhiệt độ diễn tả theo kelvin độ celsius Thang nhiệt độ quốc tế 1990 ( gọi thang ITS 90) định nghĩa nhiệt độ kelvin quốc tế, ký hiệu T90, nhiệt độ quốc tế Celsius, ký hiệu t90 Mối liên hệ T90 t90 biểu diễn sau: t90 / °C = T90 /K – 273,15 Đơn vị đại lượng vật lý T90 kelvin, ký hiệu K, đơn vị đại lượng vật lý t90 độ Celsius, ký hiệu °C 1.1.2 Nguyên tắc xây dựng thang ITS-90 - Thang ITS-90 mở rộng từ 0,65K đến nhiệt độ cao đo thực tế định luật xạ Planck dùng cho xạ đơn sắc Thang ITS-90 bao gồm số dải dải phụ, thơng qua dải nhiệt độ T90 xác định Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 - Các dải dải phụ phủ miền phủ tồn cách xác định khác cho T90, cách xác định khác hoàn toàn tương đương Tuy nhiên với phép đo độ xác cao, xuất sai khác số phép đo tiến hành điểm nhiệt độ theo cách xác định khác Cũng tương tự sử dụng cách xác định hai dụng cụ nội suy thích hợp cho trị số khác nhiệt độ nằm điểm chuẩn nhiệt độ Trên thực tế sai khác không đáng kể chấp nhận phù hợp với thang nhiệt độ - Thang ITS-90 xây dựng theo cách để dải nó, với nhiệt độ cho nào, trị số T90 gần với trị số nhiệt độ nhiệt động T theo ước lượng tốt thời điểm thang ITS-90 công nhận - Một nguyên tắc chủ đạo xây dựng thang ITS-90 có nhiều cách lựa chọn thể thang tùy theo dải nhiệt độ sử dụng, độ xác khả tái tạo - Thang ITS-90 khác với IPTS-68 số điểm sau: + Mở rộng tới nhiệt độ thấp (0,65K thay 13,8K IPTS-68) + Gần với nhiệt độ nhiệt động + Có tính liên tục xác + Giới hạn nhiệt kế điện trở chuẩn platin mở rộng đến điểm bạc (961,78°C) + Dải nhiệt độ xây dựng dựa định luật xạ Planck mở rộng xuống điểm bạc (961,78°C) thay điểm vàng (1084,18°C), đồng thời quy định chọn ba điểm bạc, đồng vàng làm điểm chuẩn nhiệt độ cho dải nhiệt độ thang + Cặp nhiệt điện Pt-10%Rh-Pt khơng cịn dụng cụ định nghĩa thang Hình 1.1 sơ đồ thang ITS-90, bảng 1.1 danh mục điểm chuẩn nhiệt độ thang ITS-90 Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 Đảm bảo vấn đề an tồn cho lị nhiệt (mạch cơng suất) mạch điều khiển người ta thường dùng cách ly quang OP-TO Khi ngõ analog out tích cực mức 0, khơng có dịng cực B kích cho BJT hoạt động Lúc BJT không dẫn khơng kích cho OP-TO hoạt động Khi ngõ vào cực B tích cực mức 1, có dịng chạy vào cực B Khi đó, transistor có dịng Ic (colector current) dịng Ic kích cho OP-TO hoạt động Khi đó, BJT bên kích, tạo dịng điện chạy vào ngõ kích Triac lị nhiệt kích hoạt động Như vậy, có tín hiệu điều khiển vào cực Base BJT, có dịng điện chạy vào chân 1và OPTO Lập tức OPTO dẫn điện tạo thành dòng điện chạy vào chân G Triac BTA-16 Tuy nhiên, sử dụng mạch kích OPTO-Triac cịn nhiều nhược điểm cần có tương thích linh kiệm với nhau, việc tính tốn trạng thái q áp, q dịng hay tính linh hoạt qua trình hoạt động mạch kích Trong mạch kích sử dụng nhiều Contactor quang Solid State Relay (SSR) Contactor quang – Solid State Relay (SSR) Hình 3.4: Solid State Relay sử dụng Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 41 Solid State Relay (SSR) thiết bị điện từ dùng để cách ly điều khiển mạch điều khiển có cơng suất bé mạch động lực có cơng suất tải lớn Có khả chịu dòng cao (từ 10A đến 75A dành cho điện áp ngõ 300VAC từ 50A đến 75A dành cho điện áp ngõ 600VAC) Do SSR phần tử phần tử cách ly, đóng ngắt tay contactor khí nên không tạo tia lửa điện hay hồ quang điện q trình đóng ngắt nên tránh nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển Đồng thời, thời gian delay cho q trình đóng ngắt 3ms thời gian trễ nhằm ngăn ngừa cung điện đột ngột q trình đóng ngắt Với khả đáp ứng cao, mạch kích đơn giản, dễ kết nối với điều khiển TZN4M-14S, điều khiển lò nhiệt giảm nhiều chi phí khơng cần thiết thay dần Contactor khí Hình 3.5: Sơ đồ ngun lý mạch Solid State Relay (SSR) Với ưu điểm tính vượt trội Contactor quang-Solid State Relay, đồ án ta chọn khối mạch công suất Contactor quang-Solid State Relay 3.2.3 Khối đo điều khiển nhiệt độ Bộ điều khiển nhiệt độ TZN4M-14S Bộ điều khiển TZN4M-14S sử dụng rộng rãi lính vực điều khiển nhiệt độ, điều khiển nhiệt độ theo thuật tốn PID có sẵn tính tốn xác, tối ưu hãng AUTONIC đưa Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 42 Có chức tự động điều chỉnh PID kép tốc độ đáp ứng High điều khiển để đạt tới giá trị nhiệt độ xác lập nhanh nhất, tốc độ đáp ứng Low điều khiển để giảm nhiệt cho dù đáp ứng chậm - Độ xác hiển thị cao: ± 0,3 % FS (giá trị ngõ vào) - Có chế độ điều khiển tự động - Có nhiều loại ngõ vào (chức lựa chon 13 loại ngõ vào): Lựa chọn ngõ vào cảm biến nhiệt độ, điện áp dịng - Có nhiều ngõ phụ (Sup) khác LBA, SBA, loại ngõ Alam loại chức tùy chọn Alam, ngõ chuyển đổi (tranmisstion) giá trị PV (4 – 20mADC), ngõ truyền thơng RS 48 Hình 3.6: Bộ điều khiển TZN4M-14S sử dụng đồ án Mặt trước phím điêu khiển, cài đặt: Hình 3.7: Sơ dồ mặt trước điều khiển Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 43 Hiển thị giá trị xử lý (PV) màu đỏ Hiển thị giá trị cài đặt (SV) màu xanh Chỉ thị SV2 hoạt động Chỉ thị hoạt động chế độ Autotuning Phím mode Phím chỉnh hoạt động autotuning Các phím cài đặt Chỉ thị hoạt động ngõ điều khiển Chỉ thị ngõ EVEN 10 Chỉ thị ngõ EVEN Các thông số kỹ thuật TZN4M cho bảng dây: Series TZN4M Thông số kỹ thuật Nguồn cấp 100 - 220VAC 50/60Hz Dải điện áp cho phép 90 đến 100% nguồn cấp Công suất tiêu thụ Khoảng 5VA Cách thức hiển thị Hiển thị LED đoạn (giá trị xử lý PV màu đỏ, giá trị cài đặt SV màu xanh Ngõ vào (can nhiệt, RTD, K(CA), J(IC), R(PR), E(CR), T(CC), S(PR) analog) Pt100Ω, JIS100Ω dây Ngõ điều khiển Relay, Solid State Relay (SSR), dòng Loại điều khiển On-off, P, PI, PD, PIDS, PIDF Loại cài đặt Các phím nhấn mặt trước Dải tỉ lệ (P) 0.0 đến 100.0% Thời gian tích phân (I) đến 3600s Thời gian vi phân (D) đến 3600s Thời gian điều khiển đến 120s Chu kỳ lấy mẫu 0,5s Độ bền chống nhiễu Nhiễu sóng vng gây máy móc Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 44 Tính tốn thiết kế, cài đặt cho điều khiển sau: Ngõ điều khiển ta chọn ngõ Solid State Relay (SSR) điện áp điều khiển: 12VDC ± 3VDC; 30mA max Loại điều khiển chọn điều khiển PIDS điều khiển có có q trình xác lập nhanh theo nhiệt độ đặt Sơ đồ kết nối đầu vào đầu đo nhiệt Pt100 loại dây với TZN4M-14S hình vẽ đây: Hình 3.8: Sơ đồ kết nối TZN4M với đầu đo nhiệt Pt100, dây Sơ đồ kết nối điều khiển với Solid State Relay Hình 3.9: Đầu điều khiển cho SSR Đầu chân kết nối với SSR hình vẽ: Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 45 Chức hoạt động chế độ Autotuning (tự động điều chỉnh PID) đo điểm nóng đáp ứng hệ thống điều khiển rịi thể giá trị với đáp ứng cao ổn định sau tính tốn thời gian cố định địi hỏi PID để điều khiển nhiệt độ tốt nhất: - Thực chức tự điều chỉnh thời gian đầu sau kết nối điều khiển với cảm biến - Việc thực tự điều chỉnh bắt đầu nhấn phím AT 3sec - Khi tự điều chỉnh bắt đầu, đèn AT sẻ nháy, đèn tắt hoạt động dừng - Trong chức tự điều chỉnh thực hiện, bị dừng việc nhấn phím AT 5sec Autotuning có chế độ tự điều chỉnh (tự điều chỉnh PID kép) hình vẽ: Hình 3.10: Chế độ Autotuning Sau tính tốn thiết kế, lựa chọn thiết bị điều khiển, đầu đo nhiệt, khối gia nhiệt khối mạch công suất ta xây dựng hệ thống đo điều khiển nhiệt độ Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 46 3.3 Các phương pháp tính tốn, xác định thơng số PID Hình 3.11 : Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần : khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) vi phân (D) Bộ điều khiển PID sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp tính đơn giản cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) hệ thống Bộ PID mơ tả mơ hình vào-ra : t  de(t )  u (t ) = k p e(t ) + ∫ e(τ )dτ + TD  dt  TI  Từ ta có hàm truyền PID :   W ( p) = k p 1 + + TD p    TI p Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID : 3.3.1 Phương pháp thứ Ziegler-Nichols (phương pháp xác định tham số sử dụng mơ hình xấp xỉ bậc có trễ cho đối tượng): Đối tượng cần điều khiển có hàm truyền đạt dạng qn tính bậc có trễ W1 ( p ) = e − τ.p T.p + Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 47 Ta có đường đặc tính đối tượng hình vẽ Hình 3.12 : Phương pháp Ziegler-Nichols Ta kẻ tiếp tuyến với đường đặc tính điểm uốn nó, : • L : hoành độ giao điểm tiếp tuyến với trục hoành • k = lim h(t) t∞ • T : khoảng thời gian cần thiết để đường tiếp tuyến từ giá trị đến giá trị k Khi Ziegler-Nichols đề nghị sử dụng tham số sau cho điều khiển : kp = 1,2T kL TI = L TD = L/2 b Phương pháp thứ hai Ziegler-Nichols (phương pháp xác định tham số thực nghiệm): Điều đặc biệt phương pháp khơng sử dụng mơ hình tốn học đối tượng Nguyên lý phương pháp sau : Thay điều khiển PID khuếch đại Sau tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín biên giới ổn định, tức h(t) dao động điều hòa Xác định chu kỳ Tth dao động Xác định tham số PID sau : kp = 0,6kth TI = 0,5Tth Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 TD = 0,12 Tth 48 c Phương pháp Chien-Hrones-Reswick : Phương pháp gần giống với phương pháp thứ Ziegler-Nichols, song khơng dùng mơ hình tham số gần dạng bậc có trễ cho đối tượng mà sử dụng trực tiếp hàm độ h(t) đối tượng Phương pháp thích hợp với đối tượng bậc cao quán tính bậc n : b k , cụ thể đối tượng với hàm h(t) thỏa mãn > , với a,b n a (1 + pT ) S ( p) = hình vẽ Hình 1.13 : Phương pháp Chien-Hrones-Reswick Từ dạng hàm độ h(t) với hai tham số a, b thỏa mãn Chien-Hrones-Reswick đưa cách xác định tham số điều khiển cho yêu cầu chất lượng khác : • Yêu cầu tối ưu theo nhiễu hệ kín khơng có độ q điều chỉnh chọn : k p= 19b 20a.k TI = 12a TD = 21a 50 • Yêu cầu tối ưu theo nhiễu hệ kín khơng có độ q điều chỉnh ∆hmax vượt 20% : k p= 6b 5a.k TI = 2.a TD = 21a 50 • Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước hệ kín khơng có độ điều chỉnh : k p= 3b 5a.k TI = b Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 TD = a 49 • u cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước hệ kín khơng có độ q điều chỉnh ∆hmax vượt q 20% : k p= 19b 20a.k TI = 27b 20 TD = 47a 100 Do sử dụng phần tử nhiệt dây dẫn kim loại có đặc tính tuyến tính nên ta sử dụng mơ hình hàm truyền dạng khâu qn tính bậc có trễ (hình 3.12) Hình Phương trình hàm truyền có dạng W1 ( p ) = e − τ.p T.p + Theo phương pháp Ziegler-Nichols trình bày ta có Ta kẻ tiếp tuyến với đường đặc tính điểm uốn nó, : • L : hồnh độ giao điểm tiếp tuyến với trục hồnh • k = lim h(t) t∞ • T : khoảng thời gian cần thiết để đường tiếp tuyến từ giá trị đến giá trị k Khi Ziegler-Nichols đề nghị sử dụng tham số sau cho điều khiển : kp = 1,2T kL TI = L Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 TD = L/2 50 CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM ĐANH GIÁ HỆ THỐNG Trong chương trình bày số liệu thực nghiệm kết tính tốn thơng số PID cho điều khiển 4.1 Kết tính tốn tham số cho điều khiển PID Khảo sát số liệu thực tế hệ thống khơng có điều khiển ta đặc tính nhiệt theo thời gian hình vẽ: Hình 4.1 Số liệu khảo sát với đáp ứng xung chữ nhật Trên hình vẽ phần mềm CASCAD ta biết đường đặc tính nhiệt với đáp ứng xung chữ nhật Từ đồ thị nhiệt độ theo thời gian với đáp ứng xung chữ nhật ta xác định mơ hình nhận dạng đặc tính q độ đối tượng Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 51 Hình 4.2 Mơ hình đặc tính q độ xung hình thang Từ đường đặc tính q độ xung hình thang ta xác định đối tượng điều khiển khâu qn tính bậc có trễ Do vậy, phương trình hàm truyền cho đối tượng là: W1 ( p ) = e − τ.p T.p + Theo Ziegler-Nichols đề nghị sử dụng tham số sau cho điều khiển : kp = 1,2T kL TI = L TD = L/2 Ta tính được: KP = 8,2 TI = 306 TD = 76 Từ giá trị KP = 8,2; TI = 306; TD = 76 ta cài đặt cho điều khiển nhiệt độ TZN4M14S chạy thử với nhiệt độ đặt 150 oC ta thu kết sau Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 52 4.2 Kết thử nghiệm chạy số liệu PID tính tốn 180 160 140 120 100 Series1 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 Hình 4.3 Đồ thị khảo sát q trình điều khiển PID tính toán Với chu kỳ lấy mẫu 20s, từ số liệu khảo sát với chỉnh định PID tính tốn ta thấy kết nghiên cứu đạt mục đích u cầu tốn đặt 4.3 Đánh giá hệ thống Với yêu cầu tốn đặt q trình thiết kế thử nghiệm số liệu khảo sát ta đạt kết sau: - Hệ thống đảm bảo độ xác ổn định theo nhiệt độ đặt - Lựa chọn phương pháp tính tốn chỉnh định phù hợp vói u cầu tốn đặt - Hệ thống có khả được nhiễu gây máy móc cơng nghiệp Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 53 TÀI LIÊU THAM KHẢO [1] FUNDAMENTAL OF INDUSTRIANL INTRUMENTATIAL AND PROCESS CONTROL [2] Micro controller Based Temperature Monitoring And Control [3] Lý thuyết điều khiển tự động - Nguyễn Thị Phương Hà – Huỳnh Thái Hoàng [4] Và số tài liệu tham khảo Internet Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 54 PHỤ LỤC SỐ LIỆU KHẢO SÁT Luận văn Thạc sĩ Lê Mạnh Cường khóa 2009-2011 55 ... dùng phương pháp điều khiển nhiệt độ dùng giải thuật PID làm đề tài tốt nghiệp ? ?Nghiên cứu, xây dựng nguồn chuẩn nhiệt độ phục vụ công tác truyền chuẩn cho hệ thống đo nhiệt? ?? Mặc dù em cố gắng để... đổi nhiệt độ Từ xây dựng thang nhiệt độ cách chọn điểm chuẩn nhiệt độ cách chia độ điểm chuẩn 1.1 Lịch sử phát triển Thang nhiệt độ nhà vật lý người Đức Fahrenheit xây dựng vào năm 1715 cho ta... lý II nhiệt động học Thang nhiệt độ nhiệt động ( ký hiệu T ) lấy hai điểm chuẩn nhiệt độ nhiệt độ không tuyệt đối ( độ ) nhiệt độ cân ba pha nước tinh khiết ( 273,16 độ ) với đơn vị nhiệt độ Kelvin