CHƢƠNG I DẪN NHẬPChương 1. Dẫn Nhập Trang 1 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, sự đi lên của xã hội phải kể đến sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cùng với với sự ra đời của các phần mềm ứng dụng đã tạo ra thành quả lớn với độ an toàn và chính xác ngày càng cao. Những thành quả đó làm cho chất lượng cuộc sống của con người được nâng lên, giúp thỏa mãn những nhu cầu, đòi hỏi ngày càng cao của con người trong thời kì hiện đại. Với tình hình hiện nay, sinh hoạt của con người thường gắn liền với những thiết bị, máy móc và vấn đề đặt ra là chúng ta sẽ tạo ra thiết bị đó như thế nào và điều khiển chúng ra sao để đạt được hiệu quả tốt nhất, mà giá thành là thấp nhất. 1.2 Lý do chọn đề tài Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt hằng ngày, chúng ta luôn luôn cần xác định và điều khiển nhiệt độ của môi trường hay của vật nào đó. Ngày nay, chúng ta có nhiều phương pháp điều khiển và ổn định nhiệt độ cho một hệ thống đạt được yêu cầu mà con người mong muốn. Đã có nhiều đề tài làm về điều khiển lò nhiệt sử dụng các phương pháp điều khiển khác nhau như điều khiển On/Off, dùng bộ điều khiển PID…., tuy các phương pháp điều đem lại một hiệu quả nhất định nào đó nhưng trong những yêu cầu đòi hỏi độ chính xác cao về độ vọt lố, thời gian quá độ, sai số xác lập, tính bền vững của hệ thống… thì các phương pháp đó chưa đảm bảo được. Chính vì lý do nên chúng em chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LÒ NHIỆT DÙNG FUZZY LOGIC” với mong muốn nghiên cứu, tìm hiểu, thiết kế một bộ điều khiển có thể khắc phục được những nhược điểm trên và có thể so sánh các phương pháp điều khiển khác nhau để đưa ra cái nhìn tổng quan về các phương pháp để có thể đưa ra những lựa chọn phù hợp trong thực tế. 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu Trong giới hạn của đề tài, người thực hiện đề tài chỉ tập trung nghiên cứu về phương pháp điều khiển và ổn định lò nhiệt dùng Fuzzy logic. Thiết kế mô hình lò nhiệt thực tế và xây dựng bộ điều khiển cho mô hình đó. 1.4 Giới hạn đề tài Với thời gian và kiến thức có hạn nên đề tài tập trung vào những vấn đề sau: Nghiên cứu về phương pháp điều khiển nhiệt độ lò dùng Fuzzy Logic. Tìm hiểu về phần mềm Fuzzy Designer.Chương 1. Dẫn Nhập Trang 2 Thi công mô hình thực điều khiển lò nhiệt và thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng Fuzzy Logic. 1.5 Tình hình nghiên cứu trong thực tiễn 1.5.1 Trong nƣớc: Hiện nay đã có nhiều các trung tâm, các công ty hoạt động trong lĩnh vực liên quan đến nhiệt như: sản xuất gốm sứ cách điện chịu nhiệt, vật liệu chịu lửa và lắp đặt bộ thiết bị cung cấp nhiệt cho Dây chuyền nhiệt luyện liên tục, sản xuất các loại Lò như: Lò trung tần, Lò cao tần, Lò tôi,…, song kết quả đạt được vẫn chưa là thuộc sở hữu trí tuệ của Việt Nam, hầu hết các sản phẩm được gia công theo nhu cầu của nước ngoài. Những năm gần đây, việc thiết kế và điều khiển ổn định nhiệt độ được quan tâm rất nhiều, nhất là việc ứng dụng dùng: PID, FUZZY LOGIC, mạng NeuroFuzzy được ra đời đã tạo thành công lớn cho lĩnh vực thiết kế của đất nước, đã chứng tỏ được khả năng tri thức và khả năng làm chủ công nghệ, mở ra một bước ngoặt lớn cho ngành tự động của nước nhà. 1.5.2 Ngoài nƣớc: Các sản phẩm về nhiệt của nước ngoài hiện được sử dụng khá rộng rãi với nhiều tính năng hỗ trợ về phần mềm và phần cứng, rất đa dạng và nhiều tính năng, có nhiều sự hỗ trợ trực tuyến qua mạng như tài liệu hỗ trợ và phần mềm. 1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Mỗi đề tài nghiên cứu khoa học phải đảm bảo được tính mới mẻ và tính kế thừa. Một giải pháp mới được đưa ra dựa trên những giải pháp có sẵn và phải có sự phát triển so với các giải pháp đó. Về thực tiễn, sau khi nghiên cứu thành công đề tài, sinh viên là người trực tiếp thụ hưởng được nhiều thành quả nhất. Quá trình thực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tế vô cùng bổ ích. Các hệ thống điều khiển tự động không chỉ được sử dụng trong công nghiệp mà ngày càng đi sâu vào đời sống xã hội của con người, từ những ứng dụng lớn trong những nhà máy sản xuất cho tới những thiết bị gia dụng sử dụng hằng ngày. Gần như mọi xử lý, mọi yêu cầu đặt ra cho hệ thống đều dẫn đến một vấn đề là điều khiển cho hệ thống sản xuất hoạt động tự động hóa, ổn định, chính xác và an toàn. Các phương pháp điều khiển khác nhau đã được đưa ra theo các yêu cầu trên. Chúng được áp dụng vào việc điều khiển với mục đích: đảm bảo choChương 1. Dẫn Nhập Trang 3 hệ thống hoạt động tốt nhất với chi phí thấp. Việc tìm hiểu, thiết kế các bộ điều khiển và so sánh các phương pháp điều khiển này giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan hơn về các phương pháp điều khiển. Từ đó, nó sẽ giúp chúng ta sẽ có những lựa chọn phù hợp khi đi vào yêu cầu thực tế. 1.7 Nội dung đề tàì Phần còn lại của đề tài đươc chia làm các phần như sau: Chương 2: Cơ sở lý thuyết Ờ chương này giới thiệu về lý thuyết cơ sở của bộ điều khiển (Fuzzy logic), các thành phần của một bộ điều khiển mờ, và cách thiết lập một bộ điều khiển mờ. Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mờ cho lò nhiệt Đây là chương trọng tâm của đồ án, chương này giới thiệu chi tiết về hệ thống điều khiển lò nhiệt. Phần cứng của hệ thống điều khiển, các chức năng điều khiển của hệ thống và từ đối tượng điều khiển – lò nhiệt có được bộ điều khiển dùng Fuzzy logic cụ thể cho đối tượng đó. Chương 4: Các thiết bị và phần mềm Chương này sẽ giới thiệu tồng quát về các thiết bị phần cứng sử dụng trong hệ thống bao gồm PLC, Bộ điều khiển nhiệt độ, lò nhiệt, cảm biến PT100. Các phần mềm đã sừ dụng trong chương trình RSlogix 5000, Fuzzy designer. Chương 5: Kết quả, kết luận và hướng phát triển đề tài Chương này trình bày chi tiết các kết quả thu được khi hệ thống hoạt động, qua đó đánh giá khả năng điều khiển của bộ điều khiển. Nêu kết luận chung về ưu điểm và hạn chế của đề tài, khẳng định những kết quả đóng góp đạt được, đề xuất ý kiến để cải thiện khuyết điểm và định hướng phát triển đề tài.CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾTChương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Trang 4 2.1 Giới thiệu chung về tập mờ 2.1.1 Khái niệm cơ bản về mờ Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” là gì ta hãy thực hiện phép so sánh sau : Ta xét phát biểu thông thường về nhiệt độ một lò nhiệt : thấp, trung bình, hơi cao, rất cao. Phát biểu “thấp” ở đây không được chỉ rõ là bao nhiêu độ, như vậy từ “thấp” có miền giá trị là một khoảng nào đó, ví dụ -10 oC đến 20 oC chẳng hạn. Tập hợp L={ thấp, trung bình, hơi cao, rất cao} như vậy được gọi là một tập các biến ngôn ngữ. Với mỗi thành phần ngôn ngữ xk của phát biểu trên nếu nó nhận được một khả năng (xk) thì tập hợp F gồm các cặp (x, (xk)) được gọi là tập mờ. 2.1.2 Định nghĩa tập mờ Tập mờ F xác định trên tập kinh điển B là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp giá trị (x, F(x)), với x X và F(x) là một ánh xạ : F(x: B [0, 1]) Trong đó: F gọi là hàm thuộc, B gọi là tập nền 2.1.3 Các thuật ngữ trong logic mờ Hình 2.1: Miền giá trị Độ cao tập mờ F là giá trị h = Sup F(x), trong đó sup F(x) chỉ giá trị nhỏ nhất trong tất cả các chặn trên của hàm F(x). Miền xác định của tập mờ F, ký hiệu là S là tập con thoả mãn : S = Supp F(x) = {x B | F(x) > 0} Miền tin cậy của tập mờ F, ký hiệu là T là tập con thoả mãn :Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Trang 5 T = {x B | F(x) = 1} Các dạng hàm thuộc (membership function) trong logic mờ Có rất nhiều dạng hàm thuộc như: Gaussian, PI-shape, S-shape, Sigmoidal, Z-shape … Hình 2.2: Các dạng hàm thuộc 2.3.1.1 Biến ngôn ngữ Biến ngôn ngữ là phần tử chủ đạo trong các hệ thống dùng logic mờ. Ở đây các thành phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau. Để minh hoạ về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ về nhiệt độ của một lò nhiệt, ta có thể phát biểu về nhiệt sai: Very low (VL) Low (L) Medium (M) High (H) Very high (VH)Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Trang 6 Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ. Gọi x là giá trị của biến nhiệt sai. Ví dụ x =-10 oC, x = 20 oC … Hàm thuộc tương ứng của các biến ngôn ngữ trên được ký hiệu là: VS(x), S(x), M(x), F(x), VF(x) Hình 2.3: Hàm thuộc biến nhiệt sai Như vậy biến nhiệt sai có hai miền giá trị: Miền các giá trị ngôn ngữ : N = {VL, L, M, H, VH} Miền các giá trị vật lý : V = { x B | x 0 } Biến tốc độ được xác định trên miền ngôn ngữ N được gọi là biến ngôn ngữ. Với mỗi x B ta có hàm thuộc: x X = { VS(x), S(x), M(x), F(x), VF(x) } 2.1.3.2 Các phép toán trên tập mờ Cho X, Y là hai tập mờ trên không gian nền B, có các hàm thuộc tương ứng là X, Y thì: - Phép hợp hai tập mờ :X Y + Theo luật Max X Y(b) = Max{ X(b) , Y(b) } + Theo luật Sum X Y(b) = Min{ 1, X(b) + Y(b) } + Tổng trực tiếp X Y(b) = X(b) + Y(b) - X(b). Y(b)Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Trang 7 - Phép giao hai tập mờ: X Y + Theo luật Min X Y(b) = Min{ X(b) , Y(b) } + Theo luật Lukasiewicz X Y(b) = Max{0, X(b)+ Y(b)-1} + Theo luật Prod X Y(b) = X(b). Y(b) - Phép bù tập mờ: xc (b) = 1- X (b) 2.1.4 Luật hợp thành 2.1.4.1 Mệnh đề hợp thành Ví dụ điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt, ta quan tâm đến 2 yếu tố: + Nhiệt sai: ET = {very low, low, medium low, medium, medium high, high, very high} + Công suất điều khiển lò: DKL = {very low, low, medium low, medium, medium high, high,very high} Ta có thể suy diễn cách thức điều khiển như thế này: Nếu ET = very low thì DKL = very low Nếu ET = low thì DKL = low Nếu ET = medium low thì DKL = medium low Nếu ET = medium thì DKL = medium Nếu ET = medium high thì DKL = medium high Nếu ET = high thì DKL = high Nếu ET = very high thì DKL = very high Trong ví dụ trên ta thấy có cấu trúc chung là “Nếu A thì B”. Cấu trúc này gọi là mệnh đề hợp thành, A là mệnh đề điều kiện, C = A=>B là mệnh đề kết luận. 2.1.4.2 Luật hợp thành mờ Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành.Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Trang 8 Các luật hợp thành cơ bản: Luật Max – Min Luật Max – Prod Luật Sum – Min Luật Sum– Prod 2.1.5 Giải mờ Giải mờ là quá trình xác định giá trị rõ ở đầu ra từ hàm thuộc B’(y) của tập mờ B’. Có 2 phương pháp giải mờ: 2.1.5.1 Phƣơng pháp cực đại Các bước thực hiện: Xác định miền chứa giá trị y’, y’ là giá trị mà tại đó B’(y) đạt Max G = { y Y | B’(y) = H } Xác định y’ theo một trong 3 cách sau : Nguyên lý trung bình: Nguyên lý cận trái: chọn y’ = y1 Nguyên lý cận phải: chọn y’ = y2 Hình 2.4: Giải mờ bằng phương pháp cực đại 2.1.5.2 Phƣơng pháp trọng tâm Điểm y’ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi trục hoành và đường B’(y) Công thức xác định: Trong đó: S là miền xác định của tập mờ B’Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Trang 9 2.1.5.3 Phƣơng pháp độ cao Nếu các hàm thuộc có dạng Singleton thì ta được: Với Hk = B’k (yk) 2.2 Bộ điều khiển mờ 2.2.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản: Khâu mờ hoá Thực hiện luật hợp thành Khâu giải mờ Xét bộ điều khiển mờ MISO sau, với véctơ đầu vào X= [u1 u2 … un]T Hình 2.5: Bộ điều khiển mờ MISO 2.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ Hình 2.6: Nguyên lý điều khiển mờChương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Trang 10 Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ: Giao diện đầu vào gồm các khâu: mờ hóa và các khâu hiệu chỉnh như tỷ lệ, tích phân, vi phân… Thiết bị hợp thành: sự triển khai luật hợp thành R. Giao diện đầu ra gồm: khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng 2.2.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ Các bước thiết kế: B1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra. B2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hóa). Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ. Số lượng tập mờ. Xác định hàm thuộc. Rời rạc hóa tập mờ. B3: Xây dựng luật hợp thành. B4: Chọn thiết bị hợp thành. B5: Giải mờ và tối ưu hóa. Phân loại bộ điều khiển mờ: điều khiển Mandani, điều khiển mờ trượt, điều khiển tra bảng, điều khiển Tagako/Sugeno.CHƢƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ NHIỆTChương 3. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Cho Lò Nhiệt Trang 11 3.1 Cấu trúc tổng quát Hệ thống điều khiển được thiết kế nhằm mục đích điều khiển một lò nướng dân dụng có công suất dưới 3000W, có thể chia ra làm các khối như sau: Khối xử lý trung tâm: dùng PLC. Khối hiển thị: Bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S. Khối cảm biến: dùng cảm biến nhiệt độ là PT100. Khối điều khiển: có khả năng điều khiển đối tượng dùng điện áp 220V. Khối công suất: Mạch kích SCR Khối nguồn: Nguồn chính cung cấp nguồn 12VAC cho toàn mạch. Máy tính: Nhập giá trị đặt- giá trị cần điều khiển cho lò. Sơ đồ khối mô tả hệ thống:
MỤC LỤC Nhiệm vụ đồ án i Nhận xét giáo viên hướng dẫn ii Nhận xét giáo viên phản biện .iii Lời mở đầu iv Lời cảm ơn v Tóm tắt đề tài vi Danh mục hình Danh mục bảng CHƢƠNG I DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Lý chọn đề tài .1 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Giới hạn đề tài 1.5 Tình hình nghiên cứu thực tiễn .2 1.5.1 Trong nước: 1.5.2 Ngoài nước: 1.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.7 Nội dung đề tàì CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung tập mờ 2.1.1 Khái niệm mờ 2.1.2 Định nghĩa tập mờ 2.1.3 Các thuật ngữ logic mờ 2.1.4 Luật hợp thành 2.1.5 2.2 Giải mờ Bộ điều khiển mờ .9 2.2.1 Cấu trúc điều khiển mờ 2.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ .9 2.2.3 Thiết kế điều khiển mờ 10 CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ NHIỆT 3.1 Cấu trúc tổng quát 11 3.1.1 Khối xử lý trung tâm 13 3.1.2 Khối hiển thị .13 3.1.3 Khối cảm biến .14 3.1.4 Khối công suất .14 3.1.5 Khối nguồn 17 3.1.6 Máy tính .17 3.2 Sơ đồ kết nối 18 3.3 Bộ điều khiển mờ 21 CHƢƠNG IV CÁC THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG 4.1 Thiết bị điều khiển PLC Compactlogix L32E .24 4.2 Thiết bị hiển thị điều khiển TZN4S 26 4.2.1 Tổng quan 26 4.3 4.2.2 Thông số điều khiển TZN4S 27 4.2.3 Chế độ ON/OFF 28 4.2.4 Kết nối điều khiển nhiệt độ TZN4S 29 Thiết bị chấp hành 30 4.3.1 Cảm biến PT100 30 4.3.2 Lò nhiệt – Lò điện trở 31 CHƢƠNG V KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƢƠNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết nghiên cứu 37 5.1.1 Kết dùng điều khiển TNZ4S 37 5.1.2 Kết dùng điều khiển mờ 38 5.2 Kết luận 42 5.3 Hướng phát triển đề tài 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Miền giá trị Hình 2.2: Các dạng hàm thuộc Hình 2.3: Hàm thuộc biến nhiệt sai Hình 2.4: Giải mờ phương pháp cực đại Hình 2.5: Bộ điều khiển mờ MISO Hình 2.6: Nguyên lý điều khiển mờ Hình 3.1: Sơ đồ khối mô tả mạch 11 Hình 3.2: Mơ hình lị nhiệt 12 Hình 3.3: Sơ đồ mô tả hệ thống 13 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý kênh điều khiển 15 Hình 3.6: Điện áp đồng pha sau biến áp xung 15 Hình 3.7: Điện áp Tp32 so với điện áp nguồn 16 Hình 3.8: Điện áp Tp33 16 Hình 3.9: Điện áp Tp34 16 Hình 3.10: Hoạt động SCR 17 Hình 3.11: Sơ đồ kết nối dây domino 18 Hình 3.12: Sơ đồ kết nối mạch khiển 18 Hình 3.13: Sơ đồ kết nối RN 18 Hình 3.14: Sơ đồ kết nối mạch khiển với nguồn 19 Hình 3.15: Sơ đồ kết nối điểu khiển lị nhiệt chế độ AUTO 20 Hình 3.16: Sơ đồ kết nối điểu khiển lò nhiệt chế độ MAN 21 Hình 3.17: Hình ảnh tập mờ đầu vào phân bố miền xác định 21 Hình 3.18: Hình ảnh tập mờ đầu phân bố miền xác định 22 Hình 3.19: Mối quan hệ vào hệ thống 22 Hình 3.20: Mặt điều khiển 23 Hình 3.21: Quan hệ biến ngôn ngữ vào 23 Bảng 4.1 Đặc tính kỹ thuật module dùng mơ hình 24 Hình 4.1: Bộ điều khiển TZN-4S 26 Hình 4.2: Mặt trước điều khiển TZN4S 27 Hình 4.3: Ngõ 29 Hình 4.4: Kết nối TZN4S 29 Hình 4.5: Đặc tính điều khiển ON OFF 30 Hình 4.6: Khâu đồng pha dùng tụ diode 35 Hình 4.7: Khâu so sánh dùng cổng đảo 35 Hình 4.8: Khâu khếch đại transistor công suất 36 Hình 5.1: Kết dùng điều khiển TNZ4S 37 Hình 5.2: Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 50oC 38 Hình 5.3: Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 70oC 39 Hình 5.4: Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 100oC 40 Hình 5.5: Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 110oC 41 Hình 5.6: Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 125oC 41 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Giải thích kí hiệu từ hình 3.12 19 Bảng 4.1 Đặc tính kỹ thuật module dùng mơ hình 24 Bảng 4.2: Giải thích kí hiệu điều khiển TZN4S 27 Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật điều khiển TZN4S 28 Bảng 4.4: Một vài ưu khuyết điểm cảm biến PT100 31 CHƢƠNG I DẪN NHẬP Chương Dẫn Nhập 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, lên xã hội phải kể đến phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, với với đời phần mềm ứng dụng tạo thành lớn với độ an tồn xác ngày cao Những thành làm cho chất lượng sống người nâng lên, giúp thỏa mãn nhu cầu, đòi hỏi ngày cao người thời kì đại Với tình hình nay, sinh hoạt người thường gắn liền với thiết bị, máy móc vấn đề đặt tạo thiết bị điều khiển chúng để đạt hiệu tốt nhất, mà giá thành thấp 1.2 Lý chọn đề tài Trong nghiên cứu khoa học, sản xuất đời sống sinh hoạt ngày, luôn cần xác định điều khiển nhiệt độ môi trường hay vật Ngày nay, có nhiều phương pháp điều khiển ổn định nhiệt độ cho hệ thống đạt yêu cầu mà người mong muốn Đã có nhiều đề tài làm điều khiển lò nhiệt sử dụng phương pháp điều khiển khác điều khiển On/Off, dùng điều khiển PID…., phương pháp điều đem lại hiệu định yêu cầu địi hỏi độ xác cao độ vọt lố, thời gian độ, sai số xác lập, tính bền vững hệ thống… phương pháp chưa đảm bảo Chính lý nên chúng em chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LÒ NHIỆT DÙNG FUZZY LOGIC” với mong muốn nghiên cứu, tìm hiểu, thiết kế điều khiển khắc phục nhược điểm so sánh phương pháp điều khiển khác để đưa nhìn tổng quan phương pháp để đưa lựa chọn phù hợp thực tế 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu Trong giới hạn đề tài, người thực đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định lò nhiệt dùng Fuzzy logic Thiết kế mơ hình lị nhiệt thực tế xây dựng điều khiển cho mô hình 1.4 Giới hạn đề tài Với thời gian kiến thức có hạn nên đề tài tập trung vào vấn đề sau: Nghiên cứu phương pháp điều khiển nhiệt độ lò dùng Fuzzy Logic Tìm hiểu phần mềm Fuzzy Designer Trang Chương Dẫn Nhập Thi cơng mơ hình thực điều khiển lò nhiệt thiết kế điều khiển nhiệt độ dùng Fuzzy Logic Tình hình nghiên cứu thực tiễn 1.5 1.5.1 Trong nƣớc: Hiện có nhiều trung tâm, công ty hoạt động lĩnh vực liên quan đến nhiệt như: sản xuất gốm sứ cách điện chịu nhiệt, vật liệu chịu lửa lắp đặt thiết bị cung cấp nhiệt cho Dây chuyền nhiệt luyện liên tục, sản xuất loại Lò như: Lị trung tần, Lị cao tần, Lị tơi,…, song kết đạt chưa thuộc sở hữu trí tuệ Việt Nam, hầu hết sản phẩm gia cơng theo nhu cầu nước ngồi Những năm gần đây, việc thiết kế điều khiển ổn định nhiệt độ quan tâm nhiều, việc ứng dụng dùng: PID, FUZZY LOGIC, mạng NeuroFuzzy đời tạo thành công lớn cho lĩnh vực thiết kế đất nước, chứng tỏ khả tri thức khả làm chủ công nghệ, mở bước ngoặt lớn cho ngành tự động nước nhà 1.5.2 Ngoài nƣớc: Các sản phẩm nhiệt nước sử dụng rộng rãi với nhiều tính hỗ trợ phần mềm phần cứng, đa dạng nhiều tính năng, có nhiều hỗ trợ trực tuyến qua mạng tài liệu hỗ trợ phần mềm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.6 Mỗi đề tài nghiên cứu khoa học phải đảm bảo tính mẻ tính kế thừa Một giải pháp đưa dựa giải pháp có sẵn phải có phát triển so với giải pháp Về thực tiễn, sau nghiên cứu thành cơng đề tài, sinh viên người trực tiếp thụ hưởng nhiều thành Quá trình thực đề tài lần trải nghiệm thực tế vô bổ ích Các hệ thống điều khiển tự động khơng sử dụng công nghiệp mà ngày sâu vào đời sống xã hội người, từ ứng dụng lớn nhà máy sản xuất thiết bị gia dụng sử dụng ngày Gần xử lý, yêu cầu đặt cho hệ thống dẫn đến vấn đề điều khiển cho hệ thống sản xuất hoạt động tự động hóa, ổn định, xác an toàn Các phương pháp điều khiển khác đưa theo yêu cầu Chúng áp dụng vào việc điều khiển với mục đích: đảm bảo cho Trang Chương Dẫn Nhập hệ thống hoạt động tốt với chi phí thấp Việc tìm hiểu, thiết kế điều khiển so sánh phương pháp điều khiển giúp có nhìn tổng quan phương pháp điều khiển Từ đó, giúp có lựa chọn phù hợp vào yêu cầu thực tế 1.7 Nội dung đề tàì Phần cịn lại đề tài đươc chia làm phần sau: Chương 2: Cơ sở lý thuyết Ờ chương giới thiệu lý thuyết sở điều khiển (Fuzzy logic), thành phần điều khiển mờ, cách thiết lập điều khiển mờ Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mờ cho lò nhiệt Đây chương trọng tâm đồ án, chương giới thiệu chi tiết hệ thống điều khiển lò nhiệt Phần cứng hệ thống điều khiển, chức điều khiển hệ thống từ đối tượng điều khiển – lị nhiệt có điều khiển dùng Fuzzy logic cụ thể cho đối tượng Chương 4: Các thiết bị phần mềm Chương giới thiệu tồng quát thiết bị phần cứng sử dụng hệ thống bao gồm PLC, Bộ điều khiển nhiệt độ, lò nhiệt, cảm biến PT100 Các phần mềm sừ dụng chương trình RSlogix 5000, Fuzzy designer Chương 5: Kết quả, kết luận hướng phát triển đề tài Chương trình bày chi tiết kết thu hệ thống hoạt động, qua đánh giá khả điều khiển điều khiển Nêu kết luận chung ưu điểm hạn chế đề tài, khẳng định kết đóng góp đạt được, đề xuất ý kiến để cải thiện khuyết điểm định hướng phát triển đề tài Trang Chương Các Thiết Bị Và Phần Mềm Sử Dụng Điều khiển ON-OFF lặp lại trạng thái ON-OFF hệ thống điều khiển theo điểm đặt relay ngõ TZN4S - 14C OFF nhiệt độ 600C ON nhiệt độ lớn 800C Hình 4.5: Đặc tính điều khiển ON OFF Nếu relay ngõ bật ON OFF điểm đặt ngõ làm hệ thống điều khiển bị ảnh hưởng Vì lí mà từ trễ ON-OFF thường xảy ngõ ra, từ trể gọi độ nhạy Điều khiển độ nhạy cao đòi hỏi phải tránh tần số hoạt động ONOFF Biến đặt điều khiển hoạt động ON-OFF, biến đặt thay đổi tuần hoàn, thay đổi tuần hoàn gọi hunting, để hoạt động lị nhiệt tốt hunting phải nhỏ, q trình làm giảm hunting khó nên điều khiển ON-OFF chưa phải kiểu điều khiển tối ưu có nhiều khuyết điểm chưa khác phục Chính lò nhiệt điều khiển chế độ khác điều khiển mờ dùng PLC 4.3 Thiết bị chấp hành 4.3.1 Cảm biến PT100 Nhiệt độ thành phần chủ yếu hệ thống thu thập liệu Do vậy, chọn lựa thiết bị đo lường nhiệt độ xác ta tiệt kiệm chi phí lượng, tăng độ an toàn giảm thời gian kiểm tra… thiết bị đo lường nhiệt độ thường dùng cảm biến nhiệt độ Trang 30 Chương Các Thiết Bị Và Phần Mềm Sử Dụng Cặp nhiệt điện, điện trở nhiệt, thermistors and infrared thermometers loại cảm biến nhiệt độ thông thường Việc chọn lựa thiết bị để hoạt động xác tuỳ thuộc vào nhiệt độ tối đa, tối thiểu cần đo, độ xác điều kiện môi trường RTD cấp nguồn dịng 1mA => Phương trình điện áp ngõ phụ thuộc nhiệt độ: V = 100 + 0.398 *T Bảng 4.4: Một vài ưu khuyết điểm cảm biến PT100 Ưu điểm Ngõ có giá trị lớn Nhanh Đo hai dây Khuyết điểm Phi tuyến Giới hạn tầm đo nhiệt Dễ vỡ Cần phải cung cấp nguồn dòng Tự gia tăng nhiệt 4.3.2 Lò nhiệt – Lò điện trở 4.3.2.1 Nguyên lý làm việc lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa sở có dịng điện chạy qua dây dẫn vật dẫn tỏa nhiệt lượng theo định luật Jun-Lenxo: Q = I2RT Trong đó: Q: Nhiệt lượng (J) I: Dịng điện (A) R: Điện trở (Ω) T: Thời gian (s) Từ công thức tên ta thấy điện trở R đóng vai trò: Vật nung: trường hợp gọi nung trực tiếp.Trường hợp gặp dùng để nung vật dụng có hình dạng đơn giản (Tiết diện hình chữ nhật vng trịn) Dây nung: Khi dây nung nung nóng, truyền nhiệt cho vật nung xạ, đối lưu, dẫn nhiệt phức hợp Trường hợp gọi nung gián tiếp, thường gặp nhiều công nghiệp Trang 31 Chương Các Thiết Bị Và Phần Mềm Sử Dụng Cấu tạo lị điện trở 4.3.2.2 Lị điện trở thơng thường bao gồm ba phần là: vỏ lỏ, lớp lót dây nung Vỏ lò: Vỏ lỏ điện trở khung cứng, chủ yếu để chịu trải trọng q trình làm việc lị Mặt khác vỏ lò dùng để giữ lớp cách nhiệt rời đảm bảo kín hồn tồn hay tương đối lị Sự kín vỏ lị để giảm tổn thất nhiệt tránh lùa khơng khí lạnh vào lò Lò điện trở sử dụng đề tài có vỏ lị khơng bọc kín, lò nướng dân dụng Khung vỏ lò cần cứng đủ để chịu tải trọng vật nung cấu khí gằn vỏ lị Lóp lót lị điện trở thường có phần: vật liệu chịu lửa cách nhiệt Phần cách nhiệt thường nằm vỏ lò phần vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếu phần để giảm tồn thất nhiệt Yêu cầu phần cách nhiệt là: - Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu - Khả tích nhiệt cực tiểu - Ổn định tính chất lý, nhiệt mơi trường làm việc xác định Phần vật liệu chịu lửa cần phải đảm bảo yêu cầu sau: - Chịu nhiệt độ làm việc cực đại lị - Có độ bền nhiệt đủ lớn làm việc - Có đủ độ bền học, - Đảm bảo khả gắn dây nung bền chắn - Có đủ độ bền hóa học làm việc, chịu tác dụng khí lò vật nung - Đảm bảo khả tích nhiệt cực tiểu Dây nung phận phát nhiệt lò, làm việc điều kiện khắc nghiệt, phải đảm bảo yêu cầu sau: - Chịu nóng tốt, bị oxi hóa nhiệt độ cao - Phài có độ bền học cao, không bị biến dạng nhiệt độ cao - Điện trở suất phải lớn - Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ - Các tính chất điện phải cố định thay đổi - Các kích thước phải không thay đổi sử dụng Trang 32 Chương Các Thiết Bị Và Phần Mềm Sử Dụng - Dễ gia công, dễ hàn dễ ép uốn Theo đặc tính vật liệu làm dây nung, người ta chia làm hai loại dây nung: dây nung kim loại dây nung phi kim loại Để đảm bảo yêu cầu dây nung, hầu hết lò điện trở kim loại, dây nung kim loại chế tạo hợp kim Crôm – Nhôm Crôm – Niken hợp kim có điện trở suất lớn Cịn kim loại nguyên chất dùng để chế tạo dây nung Dây nung kim loại thường chế tạo dạng tròn dạng bảng Dây nung phi kim loại dùng phổ biến SiC, Grafit than 4.3.2.3 Lý thuyết điều khiển lò nhiệt 4.3.2.3.1 Các phƣơng pháp điều khiển lò nhiệt Điều khiển ON OFF lặp lại trạng thái đóng ngắt nguồn cung cấp cho hệ thống điều khiển theo điểm đặt, nhiệt độ lị nhiệt độ đặt ngõ role đóng ngắt nguồn ON OFF nhiệt độ lò cao nhiệt độ đặt Bộ điều khiển mờ: việc tổng hợp điều khiển mờ đơn giản, khơng cần xác định mơ hình tốn học đối tượng thiết kế (nên khối lượng công việc thiết kế giảm nhiều) Bộ điều khiển mờ dễ hiểu, chất lương điều khiền cao điều khiển khác tronng nhiều trường hợp 4.3.2.3.2 Mạch điều khiển công suất (mạch điều áp xoay chiều) Công suất tải lị tính theo cơng thức: P = 3U2t / Rt Như để thay đổi cơng suất đưa tải, ta thay đổi R U Tuy nhiên thực tế người ta chọn thay đổi U để thay đổi cơng suất tải Khi có sẵn nguồn điện xoay chiều, để thay đổi điện áp tải ta dùng điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng Thyristor.Việc điều chỉnh điện áp theo tải dựa theo nguyên tắc tương tự chỉnh lưu tức thay đổi điểm mở Thyristor so với điểm qua khơng cuaa3 điện áp nguồn cịn gọi thay đổi góc mở van Do diode dẫn dịng theo chiều mà ta lại yêu cầu điện áp tải xoay chiều nên mạch điều áp xoay chiều không dùng diode mà dùng Triac.Nhưng Triac không thông dụng Thyristor nên thực tế người ta dùng sơ đồ Thyristo đấu ngược thay cho triac Các T1, T2 lẩn lượt dẫn dòng theo chiều xác định nên dòng qua cặp Trang 33 Chương Các Thiết Bị Và Phần Mềm Sử Dụng Thyristor đấu ngược dòng xoay chiều Các Thyristor phát xung điều khiển lệch góc 180 độ điện để đảm bảo dịng qua Thyristor hịan tồn đối xứng Thyristor mở cho dòng qua thỏa mãn hai điều kiện: UAK > IG > Khi thyristor chuyển sang trạng thái dẫn cực điều khiền khơng cịn tác dụng Thyristor trở trạng thái khóa dịng điện IA 60% dỏng định mức Nếu làm mát nước thyrstor điều khiển 80% dòng định mức Trong nhiệm vụ thiết kế này, dịng điện qua thyristor khơng q lớn nên ta chọn chế độ làm mát khơng khí có quạt gió cưỡng Trang 36 CHƢƠNG V KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Chương Kết Quả, Kết Luận Và Hướng Phát Triển Kết nghiên cứu 5.1 Sau thực đề tài “ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LÒ NHIỆT DÙNG FUZZY LOGIC” đề tài hồn thành nội dung sau: 5.1.1 Kết dùng điều khiển TNZ4S Khi nhiệt độ nhỏ 60oC lị hoạt động Khi nhiệt độ lớn 70C lị ngưng hoạt động Hình 5.1: Kết dùng điều khiển TNZ4S Giá trị nhiệt độ lên cao lò 92oC Chu kỳ lần tăng giảm nhiệt độ phút Trang 37 Chương Kết Quả, Kết Luận Và Hướng Phát Triển 5.1.2 Kết dùng điều khiển mờ 5.1.2.1 Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 50oC Hình 5.2: Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 50oC Với chu kỳ lấy mẫu thời gian điều khiển 3s Nhiệt độ bắt đầu điều khiển: 33oC Khoảng 240s nhiệt độ đạt đến nhiệt độ đặt Nhiệt độ vọt lố cao nhất: 59o C Độ vọt lố (% vọt lố): POT 59,0 50,0 100% 18% 50.0 Sai số xác lập 1oC = 2% Khoảng thời gian nhiệt độ ổn định giá trị đặt: 14 phút Trang 38 Chương Kết Quả, Kết Luận Và Hướng Phát Triển 5.1.2.2 Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 70oC Hình 5.3: Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 70oC Nhiệt độ bắt đầu điều khiển: 35oC Khoảng 156s nhiệt độ đạt đến nhiệt độ đặt Nhiệt độ vọt lố cao 81o C Độ vọt lố (% vọt lố): POT 81 70 100% 15,7% 70 Sai số xác lập 1oC= 1,4% Khoảng thời gian nhiệt độ ổn định quanh giá trị đặt: 10 phút Trang 39 Chương Kết Quả, Kết Luận Và Hướng Phát Triển 5.1.2.3 Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 100oC Hình 5.4: Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 100oC Nhiệt độ bắt đầu điều khiển: 38oC Khoảng 180s nhiệt độ đạt đến nhiệt độ đặt Nhiệt độ vọt lố cao nhất: 105 oC Độ vọt lố (% vọt lố): POT 105 100,0 100% 5% 100,0 Sai số xác lập: oC = 2% Khoảng thời gian nhiệt độ ổn định giá trị đặt: phút Trang 40 Chương Kết Quả, Kết Luận Và Hướng Phát Triển 5.1.2.4 Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 110oC Hình 5.5: Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 110oC Nhiệt độ bắt đầu điều khiển: 68oC Khoảng phút nhiệt độ đạt đến nhiệt độ đặt Nhiệt độ vọt lố cao nhất: 126o C Độ vọt lố (% vọt lố): POT 126 110,0 100% 4,5% 110,0 Sai số xác lập: 2oC = 1.8% Khoảng thời gian nhiệt độ ổn định giá trị đặt: phút 5.1.2.5 Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 125oC Hình 5.6: Kết điều khiển với nhiệt độ đặt 125oC Trang 41 Chương Kết Quả, Kết Luận Và Hướng Phát Triển Nhiệt độ bắt đầu điều khiển: 37oC Khoảng phút nhiệt độ đạt đến nhiệt độ đặt Nhiệt độ thấp nhất: 120o C Độ vọt lố (% vọt lố): POT 125 120,0 100% % 125,0 Sai số xác lập: 2oC = 2,4% Khoảng thời gian nhiệt độ ổn định giá trị đặt :8 phút 5.2 Kết luận Trong khoảng thời gian cho phép, đề tài thực yêu cầu, nhiệm vụ đặt ban đầu Kết từ thực nghiệm cho thấy: điều khiển hoạt động tốt, đáp ứng số yêu cầu độ vọt lố nhỏ, thời gian đáp ứng tương đối nhiên cịn hạn chế là: nhiệt độ chưa ổn định giao động quanh giá trị đặt.Việc tính tốn lựa chọn, thiết kế thơng số cho điều khiển phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người thiết kế nên muốn thiết kế hệ thống có chất lượng tốt cần có nhiều thời gian để thiết kế hệ thống thực tốt 5.3 Hƣớng phát triển đề tài Sau thực đề tài, với số thiếu sót giới hạn phía nhóm sinh viên thực đề tài yếu tố kỹ thuật thiết bị (lị nhiệt qn tính lớn), để đề tài thực tốt hơn, đem lại kết cao cần phát triển số vấn đề sau: Cải tiến điều khiển cách kết hợp phương pháp điều khiển PID đề giảm vọt lố thời gian đáp nhanh Tùy thuộc vào ứng dụng điều kiện thực tiễn để lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu Kết hợp thêm phần giám sát lò nhiệt qua Scada phần mềm giám sát khác… Trang 42 Tài Liệu Tham Khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo [1] Nguyễn Thị Phương Hà & Huỳnh Thái Hoàng, “Lý thuyết điều khiển tự động”, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2009 [2] Nguyễn Thị Phương Hà, “Lý thuyết điều khiển đại”, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2009 [3] Huỳnh Thái Hoàng, “Hệ thống điều khiển thông minh”, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2006 Website tham khảo www.dientuvietnam.net www.wikipedia.org http://diendancodientu.com http://cdtvn.net Trang 43 ... TRIỂN ĐỀ TÀI Chương Kết Quả, Kết Luận Và Hướng Phát Triển Kết nghiên cứu 5.1 Sau thực đề tài “ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LỊ NHIỆT DÙNG FUZZY LOGIC” đề tài hồn thành nội dung sau: 5.1.1 Kết dùng điều khiển. .. hạn đề tài, người thực đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định lò nhiệt dùng Fuzzy logic Thiết kế mơ hình lị nhiệt thực tế xây dựng điều khiển cho mơ hình 1.4 Giới hạn đề tài. .. pháp điều khiển ổn định nhiệt độ cho hệ thống đạt yêu cầu mà người mong muốn Đã có nhiều đề tài làm điều khiển lị nhiệt sử dụng phương pháp điều khiển khác điều khiển On/Off, dùng điều khiển PID….,