Giám sát và điều khiển ổn định nhiệt độ dùng card ni 6001 sử dụng phương pháp pid

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ DÙNG CARD NI 6001 SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP PID MÃ HỊA THÁI NGUYỄN VĂN TỒN TP.HCM, NĂM 2019 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ DÙNG CARD NI 6001 SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP PID SINH VIÊN: MÃ HÒA THÁI MSSV : 15068191 SINH VIÊN: NGUYỄN VĂN TOÀN MSSV LỚP: GVHD : 15070211 ĐHĐKTĐ11C : NGUYỄN THỊ DIỆU AN TP.HCM, NĂM 2019 PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài Mã Hòa Thái - 15068191 Nguyễn Văn Toàn - 15070211 Tên đề tài Giám sát điều khiển ổn định nhiệt độ dùng card NI 6001 sử dụng phương pháp PID Nội dung Giao tiếp PC với card NI 6001 Labview Áp dụng điều khiển ổn định nhiệt độ dùng PID Kết Giám sát điều khiển nhiệt độ dùng PID Giảng viên hướng dẫn Tp.hcm, ngày 20 tháng năm 2019 Sinh viên i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN - ii MỤC LỤC CHƢƠNG DẪN NHẬP 1.1 Giới thiệu .1 1.1.1 Tổng quan đề tài 1.1.2 Các phƣơng pháp đo nhiệt độ 1.1.3 Ứng dụng CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MODULE USB 6001 .7 2.1 Giới thiệu module USB 6001 2.1.1 Tổng quan NI 6001 2.1.2 Phần cứng .9 CHƢƠNG GIỚI THIỆU VỀ LABVIEW .23 3.1 Những khái niệm LabView 23 3.1.1 VI (Vitual Instrument) Thiết bị ảo 23 3.1.2 Front Panel 23 3.1.3 Block Diagram .24 3.2 Lập trình LabView 25 3.2.1 Khởi tạo chƣơng trình 25 3.2.2 Các cơng cụ lập trình 26 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 32 4.1 Giới thiệu chung lò điện trở 32 4.1.1 Nguyên lý làm việc lò điện trở .32 4.1.2 Cấu tạo lò điện trở 32 4.2 Các phƣơng pháp xây dựng mơ hình tốn học .34 4.3 Mơ tả tốn học lò (hàm truyền lò) 34 4.4 Lý thuyết điều khiển hệ thống 36 4.4.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động .36 4.4.2 Các tiêu đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển .37 4.4.3 Bộ điều khiển PID .39 4.4.4 Bộ điều khiển Fuzzy 48 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .54 5.1 Sơ đồ đấu nối 54 5.2 Phần cứng 54 5.2.1 Mạch cầu H 55 5.2.2 Dây mayso 55 5.2.3 Cảm biến LM35 56 5.2.4 Động RF-300FA 57 iii 5.3 Lƣu đồ giải thuật 58 5.4 Thiết kế điều khiển PID 60 5.5 Thiết kế điều khiển Fuzzy 69 5.6 Chƣơng trình hồn chỉnh 73 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 75 6.1 Kết 75 6.1.1 Kết điều khiển PID đáp ứng thực tế lò 75 6.1.2 Kết điều khiển Fuzzy đáp ứng thực tế lò .76 CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN 79 7.1 Kết đạt đƣợc 79 7.2 Ƣu nhƣợc điểm đề tài 79 7.3 Hƣớng phát triển đề tài 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 iv DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 Sơ đồ mạch cầu mạch (3 dây) nhiệt kế nhệt điện trở Hình Một số cảm biến PT100 công nghiệp Hình Cảm biến nhiệt độ LM35 Hình Lị nhiệt chế tạo Hình Lị vi sóng Hình Máy ấp trứng Hình Module USB NI-6001 Hình 2 Thành phần phần cứng Module USB NI 6001 Hình Sơ đồ khối 12 Hình Các chấn vào Module USB NI 6001 13 Hình Mạch tín hiệu Analog Input 15 Hình Kết nối với DAQ Device .16 Hình Một ví dụ đo tín hiệu ± 10V .16 Hình Phạm vi tín hiệu vào tương tự .17 Hình Kết cắt bớt sau đo vượt ± 10V 17 Hình 10 Mạch tín hiệu Analog Output 18 Hình 11 Đầu tương tự kết nối với tải 19 Hình 12 Một ví dụ kết nối với tải 20 Hình 13 Nguồn +5V 21 Hình 14 Sơ đồ kết nối với tải 21 Hình Front Panel .24 Hình 3 Block Diagram 25 Hình Bảng công cụ 26 Hình Bảng điều khiển 27 Hình Các điều khiển dụng cụ thị số 28 Hình Các điều khiển dụng cụ thị kiểu logic 29 Hình Mơ hình lị nhiệt trở 34 v Hình Đặc tính lị điện trở 35 Hình Đặc tính q độ lị 36 Hình 4 Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động 36 Hình Sai số xác lập 37 Hình Độ vọt lố POT 38 Hình Thời gian độ thời gian lên 38 Hình Sơ Đồ điều khiển PID .39 Hình Đáp ứng khâu tỉ lệ Kp 41 Hình 10 Đáp ứng khâu tỉ lệ Ki 42 Hình 11 Đáp ứng khâu tỉ lệ Kd 43 Hình 12 Sơ đồ khối hệ hở 45 Hình 13 Đáp ứng hệ hở 45 Hình 14 Sơ Đồ khối hệ kín 46 Hình 15 Đáp ứng hệ kín 47 Hình 16 Các thuật ngữ logic mờ 48 Hình 17 Các dạng hàm thuộc logic mờ 49 Hình 18 Hàm liên thuộc tam giác 50 Hình 19 Phương pháp giải mờ cực đại 51 Hình 20 Sơ đồ khối điều khiển mờ .52 Hình Sơ đồ đấu dây 54 Hình Mơ hình phần cứng kết nối với PC 54 Hình Mạch cầu H 55 Hình Dây Mayso .56 Hình 5 LM35 .57 Hình Động RF-300FA 57 Hình Lưu đồ giải thuật điều khiển Fuzzy 59 Hình Lưu đồ giải thuật điều khiển PID 60 Hình Thiết kế vòng lặp While Loop .61 Hình 10 Thêm DAQ Assitant vào cửa sổ Block Diagram 61 Hình 11 Cấu thình thơng số Card NI 6001 62 vi Hình 12 Cấu hình thơng số Card NI 6001 63 Hình 13 Thêm khối đồ họa temperature vào Front Panel 64 Hình 14 Chuyển đổi tín hiệu sang độ C 64 Hình 15 Khối chia lấy trung bình 64 Hình 16 Cài đặt cho khối Statistics 65 Hình 17 Khối lấy số mẫu 66 Hình 18 Nhận tín hiệu từ cảm biến đưa đồ thị 66 Hình 19 Thêm khối PID.vi 67 Hình 20 Cài đặt thơng số PID 67 Hình 21 Tạo khổi cấp tín hiệu ngõ 68 Hình 22 Kết nối ngõ tín hiệu cho quạt 68 Hình 23 Kết nối ngõ tín hiệu cho dây nung 68 Hình 24 Bộ điều khiển PID 69 Hình 25 Đọc tín hiệu từ cảm biến đưa nhiệt độ 69 Hình 26 Ngõ nhận tín hiệu cho dây nung 70 Hình 27 Ngõ nhận tín hiệu cho quạt 70 Hình 28 Hàm liên thuộc Error 71 Hình 29 Hàm liên thuộc Vout 71 Hình 30 Luật hợp thành 72 Hình 31 tạo khối fuzzy controller 72 Hình 32 file fuzzy tải lên từ máy tính 73 Hình 33 kết nối khối lại vào fuzzy controller 73 Hình 34 Bộ điều khiển Fuzzy 73 Hình 35 Chương trình hồn chỉnh .74 Hình 36 Giao diện Front Panel 74 Hình Đáp ứng hệ thống PID 30 độ 75 Hình Đáp ứng hệ thống PID 33 độ 76 Hình Đáp ứng hệ thống PID 37 độ 76 Hình Đáp ứng hệ thống Fuzzy 30 độ .77 Hình Đáp ứng hệ thống Fuzzy 33 độ .77 vii Hình 6 Đáp ứng hệ thống Fuzzy 37 độ .77 viii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 17 Khối lấy số mẫu Một hộp thoại xuất hiện, thiết lập Maximum number of sample 100, click chọn OK Bước 8: Nối khối lại với ta sau Hình 18 Nhận tín hiệu từ cảm biến đưa đồ thị Bước 9: Ở Block Diagram chọn Control & Simulation >> PID >> PID.vi 66 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 19 Thêm khối PID.vi Bước 8: Ở khối Setpoint Actual Temp ta click phải chọn Create>> Local Variable sau kết nối hai khối Local Variable vào khối PID.vi Click phải vào điểm OutPut Range chọn Create >> Control để cài đặt thông số ngõ khối PID.vi Tương tự click phải vào điểm PID gains chọn Create >> Control để cài đặt thơng số cho PID.vi Hình 20 Cài đặt thông số PID Bước 9: Tạo khối ouput để cấp cho đèn chạy cách vào Measurement I/O >> NI DAQmx >> Create Channel, Start, Write, Stop, Clear 67 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 21 Tạo khổi cấp tín hiệu ngõ Bước 10: Ở khối Create Channel ta chọn Digital Output, click phải vào điểm Lines chọn Create >>Contanst >> Dev1/port0/line0 để tạo ngõ nhận tín hiệu cho quạt tản nhiệt Ở điểm Name to assign chọn Create >> Contanst để đặt tên cho khối Sau nối khối Create Channel, Start, Write, Stop, Clear với Hình 22 Kết nối ngõ tín hiệu cho quạt Bước 11: Tương tự bước 10 khối Create Channel ta chọn Analog Output Ta đặt tên cho khối Heater PID Ở điểm Physical Channel chọn Create >> Contanst>> Dev1/ao0 Hình 23 Kết nối ngõ tín hiệu cho dây nung Bước 12: nối khối lại với ta chương trình điều khiển cho PID 68 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 24 Bộ điều khiển PID Ta có hàm truyền PID là: ( ) ( ) Từ thông số hàm độ ta chọn thông số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols: KP = 1.2 =1.2 x = 3.6 TI = 2T1 = x 480 = 960s TD = 0.5T1 = 0.5 x 480 = 240s ( ) ( ) 5.5 Thiết kế điều khiển Fuzzy Bước 1: Tương tự khối PID, thiết kệ khâu nhận liệu từ cảm biến để đưa nhiệt độ Hình 25 Đọc tín hiệu từ cảm biến đưa nhiệt độ 69 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bước 2: Tạo ngõ nhận tín hiệu cho dây nung Hình 26 Ngõ nhận tín hiệu cho dây nung Bước 3: Tạo ngõ nhận tín hiệu cho quạt tản nhiệt Hình 27 Ngõ nhận tín hiệu cho quạt Bước 4: Thiết kế hàm thuộc luật hợp thành cho Fuzzy: Ta chọn Tools >> Control and Simulation >> Fuzzy System Designer để thiết kế thông tin cho điều khiển mờ -Xác định biến ngôn ngữ Đầu vào sai lệch nhiệt độ đặt nhiệt độ phòng Error Đầu điều khiển xuất điện áp để cấp cho dây nung + Sai lệch Errror có miền giá trị [-1;3] + Ngõ Vout miền giá trị [-1;6] -Xác định số lượng tập mờ cho biến đầu vào đầu + Error = {EN,ETB,EL} +Vout = {VN,VTB,VL} -Xây dựng hàm liên thuộc: chọn kiểu hảm liên thuộc hình tam giác hình thang Tiến hành xây dựng công cụ Fuzzy System Designer Labview -Với hàm liên thuộc, nên chọn màu hiển thị khác để dễ dàng quan sát xây dựng 70 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 28 Hàm liên thuộc Error Hình 29 Hàm liên thuộc Vout -Xây dựng luật điều khiển: chuyển sang thẻ Rule để tiến hành xây dựng luật mờ hình sau: 71 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 30 Luật hợp thành - Chọn luật hợp thành mờ Max-Min - Chọn phương pháp giải mờ Center of Area Sau xây dựng xong, ta lưu file với tên Fuzzy.fs Bước 5: Ta lấy khối FL Fuzzy Controller.vi từ Control design and Simulation >> Fuzzy Logic Hình 31 tạo khối fuzzy controller 72 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bước 6: Để đưa file fuzzy.fs vừa lưu vào khôi Fuzzy ta cần tạo khối FL load Fuzzy System.vi Sau nhấn chuột phải kích tạo control cho khối FL load Fuzzy System.vi Hình 32 file fuzzy tải lên từ máy tính Bước 7: kết nối khối FL load Fuzzy Controller System.vi với khối Setpoint2 Actual Temp2 vào khối Fuzzy.vi Hình 33 kết nối khối lại vào fuzzy controller Bước 8: Kết nối khối lại với ta có chương trình điều khiển Fuzzy Hình 34 Bộ điều khiển Fuzzy 5.6 Chƣơng trình hồn chỉnh Ta gộp hai chương trình lại chạy chung với ta chương trình sau 73 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 35 Chương trình hồn chỉnh Giao diện Front Panel hồn chỉnh Hình 36 Giao diện Front Panel 74 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 6.1 Kết 6.1.1 Kết điều khiển PID đáp ứng thực tế lò Giảm độ vọt lố cách giảm Kd, nhiên tăng Kd làm rút ngắn thời gian đáp ứng Từ cách tìm thơng số PID theo lý thuyết ứng dụng vào điều khiển lò ta thu kết sau 30 độ, Kc = 3.6 33 độ, Kc = 3.6 37 độ, Kc = 3.6 Ti = 16, Td = Ti = 16, Td = Ti = 16, Td = Thời gian đạt 30 giây 39 giây 49 giây Độ vọt lố 0.5 0.4 0.1 Thời gian ổn định phút 35 giây phút 50 giây phút 30 giây Sai số 1.2 0.8 0.4 PID Bảng Kết điều khiển PID Hình Đáp ứng hệ thống PID 30 độ 75 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình Đáp ứng hệ thống PID 33 độ Hình Đáp ứng hệ thống PID 37 độ 6.1.2 Kết điều khiển Fuzzy đáp ứng thực tế lò FUZZY 30 độ 33 độ 37 độ Thời gian đạt 31 giây 42 giây 52 giây Độ vọt lố 1.1 1.3 1.7 Thời gian ổn định phút 21 giây phút 44 giây phút 25 giây Sai số 0.4 0.6 0.5 Bảng Kết điều khiển Fuzzy 76 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình Đáp ứng hệ thống Fuzzy 30 độ Hình Đáp ứng hệ thống Fuzzy 33 độ Hình 6 Đáp ứng hệ thống Fuzzy 37 độ 77 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Từ kết ta thấy Fuzzy thời gian đạt lâu lại có thời gian ổn định nhanh PID Bộ Fuzzy có độ vọt lố cao phần sai số nhỏ PID 78 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN 7.1 Kết đạt đƣợc Đồ án tốt nghiệp với đề tài : “ Giám sát điều điều khiển ổn định nhiệt độ dùng Card NI 6001 sử dụng phương pháp PID” chúng em hoàn thành đạt số kết sau: - Nghiên cứu vấn đề đo giám sát nhiệt độ - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Labview - Xây dụng module phần cứng chương trình giám sát nhiệt độ dùng Card NI 6001 phần mềm Labview - Mơ hình hoạt động tương đối ổn định dùng thực hành – thí nghiệm cho sinh viên thuộc khoa Điện chuyên ngành Tự Động Hóa 7.2 Ƣu nhƣợc điểm đề tài Nhìn chung, điều khiển cho kết đáp ứng hệ thống tốt Dù hạn chế thời gian xác lập, điều khiển fuzzy cho hiệu tốt tối ưu điều khiển khiển PID, trường hợp số quy luật điều khiển sai bám tốt Để khắc phục hạn chế, cần có nhiều thời gian chỉnh định để thiết kế điều khiển tốt 7.3 Hƣớng phát triển đề tài Tăng số lượng kênh đo nhiệt độ giám sát để phù hợp với hệ thống lớn Sử dung nhiều phương pháp điều khiển khác Mờ - Noron, Fuzzy nhiều ngõ vào, kết hợp PID với Fuzzy 79 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phương Hà, “ Điều khiển tự động” (1,2), NXB KHKT, 2002 [2] Nguyễn Hồng Phương, Bùi Cơng Cường, “ Hệ mờ ứng dụng”, NXB KHKT, 2004 [3] Nguyễn Trọng Thuần, “ Điều khiển logic ứng dụng”, NXB KHKT, 2002 [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, “ Lý thuyết điều khiển mờ”, NXBKT,2006 80 ... tài Giám sát điều khiển ổn định nhiệt độ dùng card NI 6001 sử dụng phương pháp PID Nội dung Giao tiếp PC với card NI 6001 Labview Áp dụng điều khiển ổn định nhiệt độ dùng PID Kết Giám sát điều khiển. .. CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ DÙNG CARD NI 6001 SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP PID SINH VIÊN: MÃ HÒA THÁI MSSV : 15068191 SINH VIÊN: NGUYỄN... Thông thường, nhiệt độ đo chia thành dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình nhiệt độ cao Ở nhiệt độ thấp trung bình phương pháp đo thường phương pháp đo tiếp xúc, tức cảm biến nhiệt độ đặt trực