Đề tài nghiên cứu ba chế độ điều khiển onoff, pid, fuzzy và ứng dụng trong điều khiển mô hình lò nhiệt

Trang 1 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Mục lục 1 Lời mở đầu 3 PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Chương I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Mục Đích Và Phạm Vi Nghiên Cứu 4 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5 1.3 Phương hướng và phương pháp nghiên cứu 5 1.4 Khó khăn trong quá trình nghiên cứu và biện pháp khắc phục 5 1.5 Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống 6 PHẦN 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương 1: PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Hệ Thống Đo Lường Cơ Bản 7 1.2 Sơ Đồ Khối Chi Tiết Của Hệ Thống Đo 7 1.3 Cấu Tạo Thermocouple 9 1.4 Sơ Đồ Mạch IC Đo và Khuếch Đại Tín Hiệu 12 Chương 2: KHỐI GIAO TIẾP MÁY TÍNH 2.1 Sơ lược về chuẩn RS232 13 2.2 MAXIM 232 và họ IC dùng cho biến đổi TTLRS-232-C 15 Chương 3: KHẢO SÁT VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA32 3.1 Đặc Điểm Chung C ủa VĐK ATMEGA32 17 3.2 Sơ Đồ Khối Của VĐK ATMEGA32 19 3.3 Chức Năng Các Chân Của VĐK ATMEGA32 21 3.4 Tổng Quan Về Kiến Trúc Của VĐK ATMEGA32 24 3.5 Sơ Đồ Tổ Chức Bộ Nhớ ATMEGA32 27 3.6 Bộ nhớ SRAM 27 3.7 Bộ nhớ EEFROM 31 3.8 Bộ chuyển đổi A/D bên trong ATmega32 33 3.9 Bộ đị nh thời Watchdog bên trong 40 Chương 4: KHỐI CÔNG SUẤT 4.1 Giới Thiệu Tổng Quát Về Solid State Relay (SSR) 41 4.2 Các loại SSR của hang OMRON 42 4.3 Cấu trúc và cách mắc ngõ vào ra của SSR 43 Chương II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 5.1 Phương Pháp ON/OFF 44 5.2 Điều khiển kiểu PID 5.2.1 Điều khiển Tỉ Lệ (P) 45 Trang 2 5.2.2 Điều khiển Tích Phân (I) 46 5.2.3 Điều khiển Vi Phân (D) 46 5.2.4 Điều khiển Tích Phân - Tỉ Lệ (PI) 47 5.2.5 Điều khiển Vi Phân – Tỉ Lệ (PD) 47 5.2.6 Điều khiển Vi Phân – Tích Phân – Tỉ Lệ (PID) 48 5.3 Điều khiển kiểu FUZZY 5.3.1 Khái niệm cơ bản 51 5.3.2 Định nghĩa tập mờ 51 5.3.3 Bộ đi ều khiển mờ 52 5.3.4 Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ 53 5.3.5 Thiết kế PID mờ 54 PHẦN 3: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Chương 1: ĐÁNH GIÁ 3.1 Kết Quả Điều Khiển ON/OFF Và Đáp Ứng Thực Tế Của Lò 62 3.2 Kết Quả Điều Khiển PID Và Đáp Ứng Th ực Tế Của Lò 63 3.3 Kết Quả Quá Trình Nghiên Cứu Thuật Giải FUZZY 65 Danh mục tài liệu tham khảo 67 Phụ lục 68 Trang 3 LỜI MỞ ĐẦU - Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay, cùng với sự phát triễn như vũ bão của kỹ thuật điện tử trong những năm gần đây mà đặc thù là công nghệ bán dẫn và vi điện tử, đã cho ra đời nhiều sản phẩm vi xử lý ngày một hoàn thiện hơn. Từ họ vi điều khiển 8051 kinh điển đã xuất hiện các dòng khác với những tính năng ư u việt và hoàn thiện hơn như PIC, AVR, LPC… Nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của Vi xử lý thì điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu rất cần thiết trong đời sống sinh hoạt cũng như sản xuất. Dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trong đời sống hàng ngày, có thể nói điều khiển tự động đang chi phối dần cuộc sống của chúng ta, mang lại sự tiện nghi và thoải mái cho chúng ta. Trong phạm vi đề tài này nhóm sẽ ứng dụng Vi điều khiển AVR của họ ATMEL để thực hiện việc đo và điều khiển nhiệt độ. - Điều khiển nhiệt độ chỉ là một lĩnh vực nhỏ trong điều khiển tự động, và cũng đã có nhiề u công trình có hiệu quả cao như các lò nung trong công nghiệp, các lò nướng dân dụng, … đòi hỏi phải điều khiển sao cho nhiệt độ bằng hoặc xấp xỉ nhiệt độ đặt để đáp ứng các điều kiện mà nhu cầu sản xuất đặt ra. Đề tài này ra đời chỉ nhằm mục đích tìm hiểu và đưa ra giải pháp mà có thể dễ dàng ứng dụng được với giá thành rẻ, dễ thi công, và hi ệu quả tạm chấp nhận được. - Mặc dù nhóm đã dành hết tâm huyết để nghiên cứu thực hiện đề tài được đúng thời hạn. Tuy nhiên, đây là đề tài thực tế về điều khiển nhiệt độ đầu tiên mà nhóm tham gia thực hiện nên có thể không tránh khỏi sai sót trong quá trình thiết kế và thi công. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến để đề tài có thể hoàn thiện hơn. - Thi công bộ điều khiển lò sấy để có thể nghiên cứu tại trường, chủ động trong quá trình gối đầu bước tiếp theo có định hướng với công ty Nectokin. Nghiên cứu một số công nghệ mới như : điều khiển dùng AVR, PID, kỹ thuật điều khiển mờ (Fuzzy)… Nhằm nâng cao rõ rệt trình độ chuyên sâu của giáo viên. Đề tài thực hiện thành công sẽ làm mô hình cho sinh viên thực tập điều khiển quá trình, đi ều khiển hệ thống tự động. - Kết thúc giai đoạn 1 thực hiện đề tài, nhóm đã hoàn thành đúng tiến độ đề ra như: thi công hoàn chỉnh lò nhiệt, thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất, lâp trình chế độ điều khiển ON/OFF, PID, thiết kế giao diện giao tiếp máy tính, nghiên cứu và viết chương trình thuật giải Fuzzy logic. - Trong giai đoạn 2 sẽ đưa thuật giải Fuzzy vào điều khiển lò nhiệt và hoàn chỉnh mô hình để đề xuất đưa vào giảng dạy. Trang 4 Phần 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 1.1 Mục đích đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu một số công nghệ mới như : điều khiển dùng AVR, PID, kỹ thuật điều khiển mờ (Fuzzy)… Nhằm nâng cao trình độ chuyên sâu. - Đề tài thực hiện thành công sẽ làm mô hình cho sinh viên thực tập điều khiển quá trình, điều khiển hệ thống tự động - Đối tượng điều khiển là mô hình lò sấy. - Phạm vi và mục đích nghiên cứu là ứng dụng những kiế n thức đã học vào thực tiễn nhằm củng cố và nâng cao trình độ. Mô hình lò sấy cần điều khiển Bộ Điều Khiển Thông Dụng Trên Thị Trường Thông số: • Kích thước: 48x48x100 (mm), màn hình LED, số cao 13.5mm, hiển thị tới 1999, multi-input K,J,L, Pt100 • Kiểu điều khiển : ON/OFF hoặc 2-PID (có auto-tuning) • Có thể chọn nhiều dải nhiệt độ; 8 chế độ cảnh báo. • Chức năng khoá mã bảo vệ. • Nguồn cung cấp 220VAC, 110VAC, 24VDC (chọn). • Đầu ra điều khiển 24VDC. Điện trở nhiệt để nung lò Đầu dò nhiệt độ Thermocouple loại K Trang 5 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: - Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật đề tài đo lường và điều khiển nhiệt độ không phải là một đề tài mới, và trên thực tế đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề trên. Tuy nhiên để thực hiện được và đưa vào ứng dụng trong thực tiễn sản xuất thì hầu như rất ít và trên thực tế thì hầu hết các bộ đo lường và điề u khiển nhiệt độ là được nhập từ các hãng sản xuất lớn. 1.3 Phương hướng và phương pháp nghiên cứu: - Thiết kế và thi công mạch đo nhiệt độ sử dụng Thermocouple loại K - Thiết kế và thi công mạch khuếch đại sử dụng IC AD595 chuyên dụng cho thermocouple loại K. - Tìm hiểu về vi điều khiển AVR và phương pháp chuyển đổi ADC (Analog to Digital Convert). - Tìm hiểu về các phương pháp điều khiển nhiệt độ ON/OFF, PID VÀ FUZZY. - Thiết kế chương trình giao diện của bộ hiển thị trên LCD 20x4 và phím nhấn giao tiếp người dùng - Tiế n hành điều khiển lò nhiệt thực tế để cân chỉnh các thông số điều khiển. - Thiết kế mạch giao tiếp máy tính để gửi các thông số điều khiển và đáp ứng ngõ ra. 1.4 Những khó khăn trong quá trình nghiên cứu và biện pháp khắc phục : - Nhiệt độ là đối tượng khó đo lường vì dễ phát sinh nhiễu nhất là trong môi trường sản xuất công nghiệp như nhà máy, xí nghiệp… Biện pháp giải quyết của nhóm là mắc thêm tụ để lọc nhiễu (phần nguồn và tín hiệu vào) đồng thời kết hợp xử lý chống nhiễu bằng phần mềm. - Để thực hiện thuật toán chuyển đổi từ điện áp tr ả về tại đầu dò ra nhiệt độ đòi hỏi thực hiện nhiều phép toán nâng cao như hàm mũ, logaric… mà dùng vi điều khiển để thực hiện thì thời gian đáp ứng là rất chậm. Sau một thời gian tối ưu hóa thuật toán vẫn không thành công biện pháp được nhóm đề xuất là lập bảng tra giá trị quy đổi từ tín hiệu đầu vào tương ứng với nhiệt độ thực tế, kế t quả là tốc độ xử lý rất nhanh gần như tức thời. - Vi điều khiển AVR là họ vi điều khiển tương đối mới của hãng ATMEL, lý do nhóm chọn VĐK này vì nó được tích hợp sẵn bộ biến đổi ADC (Analog to Digital) rất cần cho việc đo nhiệt độ và một lý do quan trọng hơn nữa là nhóm muốn tìm hiểu nghiên cứu những cái mới không trùng lắp với các đề tài đ i trước (thường dùng họ 8051 kết hợp với IC chuyển đổi ADC) .Để tiếp cận cách sử dụng nó và ứng dụng vào đề tài trong khoảng thời gian ngắn là một cố gắng nỗ lực hết mình của nhóm (thiết kế mạch nạp, mạch điều khiển, kiến trúc VĐK AVR, phần mềm lập trình, phần mềm nạp, ngôn ngữ lập trình…) Trang 6 1.5 Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống: Khối Cảm Biến (dùng thermocouple loại K its_90) Khối Khuếch Đại (IC AD595) Khối chuyển đổi ADC Và Xử Lý Trung Tâm (AVR ATMEGA32) Khối bàn phím (nhập thông số điều khiển) Khối Công Suất Điều Khiển Lò SSR (Solid State Relay) Khối Hiển Thị (LCD 20x4) Khối Giao Tiếp Máy Tính (Max232) Trang 7 Phần 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương 1: ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Hệ Thống Đo Lường Cơ Bản: - Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì tuỳ thuộc vào đặc tính của đại lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà ta có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sỡ của các hệ thống đo lường khác nhau. Sơ đồ khối của một hệ thống đ o lường tổng quát: - Khối chuyển đổi: làm nhiệm vụ nhận trực tiếp các đại lượng vật lý đặc trưng cho đối tượng cần đo biến đổi các đại lượng thành các đại lượng vật lý thống nhất(dòng điện hay điện áp) để thuận lợi cho việc tính toán. - Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thị. - Khối hiển thị: làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể hiện kết quả đo. 1.2 Sơ Đồ Khối Chi Tiết Của Hệ Thống Đo: Điều Khiển Chọn Kênh ATMEGA 32 Khối Chuyển Đổi Mạch Đo Khối Hiển Thị Khối Cảm Biến Khuếch Đại tín hiệu đo Dồn Kênh tương tự Khối ADC Khối xử lý trung tâm Khối bàn phím Khối Giao Tiếp Máy Tính Khối Hiển Thị Khối Công Suất Trang 8 Nguyên lý hoạt động: Để cho mạch nhỏ gọn hơn nhóm đã lựa chọn sử dụng vi điều khiển AVR ATMEGA 32 của hãng ATMEL tích hợp sẵn bộ ADC 8 kênh Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý,dựa vào các đặc tính của đối tượng cần đo mà ta chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lượng vật lý cần đo 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 sang số ADC(Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với khối xử lý trung tâm. Bộ vi xử lý có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên c ơ sở trình tự những lệnh chấp hành đã thực hiện trước đó. Bộ dồn kênh tương tự (multiplexers) và bộ chuyển ADC được dùng chung tất cả các kênh . Dữ liệu nhập vào vi xử lý sẽ có tín hiệu chọn đúng kênh cần xử lý đê đưa vào bộ chuyển đổi ADC và đọc đúng giá trị đặc trưng của nó qua tính toán để có kết quả của đại lượng cần đ o. Khối bàn phím là những nút nhấn để người dùng nhập thông số điều khiển. Khối giao tiếp máy tính dùng IC Max232 để truyền và nhận dữ liệu từ máy tính. Khối công suất dùng SSR (Solid State Relay) để cung cấp năng lượng nung điện trở nhiệt đốt lò. Khối hiển thị dùng LCD 20x4 để thông báo nhiệt độ đặt, nhiệt độ đio và chế độ điều khiển. Phương Pháp Đo Nhiệt Độ : Đo nhiệt độ là một phương thức đo lường không điện, đo nhiệt độ được chia thành nhiều dãy: + Đo nhiệt độ thấp + Đo nhiệt độ trung bình + Đo nhiệt độ cao. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hổ trợ chuyên biệt như: + Cặp nhiệt điện + Nhiệt kế điện kế kim loại + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn + Cảm biến thạch anh. Để đo lường các đại lượng có nhiệt độ lớn như ứng dụng cho các lò sấy nhóm đề xuất sử dụng cặp nhiệt điện thermocouple loại K, có dãy đo rộng (-270 0 C đến 1372 0 C), chịu nhiệt tốt. Trang 9 Hình dạng thực tế của Thermocouple loại K 1.3 Cấu Tạo Thermocouple: - Tầm đo: từ -270 0 C đến 1372 0 C - Gồm 2 thanh kim loại A và B được nối chung 1 đầu, khi có sự thay đổi nhiệt độ ở đầu nối chung thì ở 2 đầu còn lại sẽ sinh ra suất điện động e AB Sơ đồ cấu tạo Thermocouple - Giá trị của suất điện động e AB được cho bởi công thức sau: Δe AB = αΔT Với: α là hệ số tỉ lệ của Thermocouple ứng với mỗi khoảng nhiệt độ sẽ có một hệ số. (nếu là loại K : α ≈ 0,04mV trong dãy nhiệt từ 0-200 0 C) ΔT là độ thay đổi của nhiệt độ Δe AB là độ thay đổi của suất điện động ứng với khoảng nhiệt thay đổi - Như vậy ta thấy đối với Thermocouple loại K thì sự thay đổi điện áp ứng với nhiệt độ gần như là tuyến tính và ta có đặc tuyến sau: Trang 10 Đồ thị tương quan giữa nhiệt độ và suất điện động Đồ thị tương quan giữa hệ số α và nhiệt độ . 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Chương I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Mục Đích Và Phạm Vi Nghiên Cứu 4 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. chúng ta. Trong phạm vi đề tài này nhóm sẽ ứng dụng Vi điều khiển AVR của họ ATMEL để thực hiện việc đo và điều khiển nhiệt độ. - Điều khiển nhiệt độ chỉ