Thiết kế hệ thống điều chỉnh và giám sát nhiệt độ lò nung công nghiệp sử dụng bộ điều chỉnh pid

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID Giảng viên hướng dẫn : Th.S Phan Văn Dư Sinh viên thực : Nguyễn Đức Nguyên MSSV : 135D5202163011 Lớp : 54K3 - KTĐK&TĐH Nghệ An, 06-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆNKỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LỊ NUNG CƠNG NGHIỆP SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID Giảng viên hướng dẫn : Th.S Phan Văn Dư Sinh viên thực : Nguyễn Đức Nguyên MSSV : 135D5202163011 Lớp : 54K3 - KTĐK&TĐH Nghệ An, 06-2018 MỤC LỤC MỤC LỤC…………………………………………………………………….…… DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI CẢM ƠN .6 TÓM TẮT ĐỒ ÁN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LỊ NUNG CƠNG NGHIỆP .9 1.1 Lị nung cơng nghiệp .9 1.1.1 Giới thiệu chung lị nung cơng nghiệp 1.1.2 Ưu điểm lò nung 1.1.3 Nhược điểm lò nung 10 1.2 Cấu tạo lị nung cơng nghiệp 10 1.2.1 Vật nung, dây nung 10 1.2.2 Vỏ lò nung 11 1.2.3 Lớp lót 12 1.3 Phân loại lị nung cơng nghiệp .13 1.4 Nguyên lý làm việc lò nhiệt 14 1.4.1 Nguyên lý làm việc 14 1.4.2 Tổn thất nhiệt lò .14 1.5 Các yêu cầu lò nhiệt 15 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID CHO HỆ THỐNGĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG .16 2.1 Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò nung 16 2.1.1 Điều chỉnh ON-OFF 16 2.1.2 Phương pháp dùng rơle kết hợp với Thysistor 17 2.1.3 Phương pháp dùng hai Thysistor mắc song song ngược 17 2.1.4 Phương pháp dùng Triac 18 2.1.5 Phương pháp dùng điều chỉnh PID 18 2.2 Xác định hàm truyền lò nhiệt 21 2.3 Tổng hợp điều chỉnh PID 23 2.3.1 Thiết kế PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 26 2.3.1.1 Bộ điều chỉnh P 28 2.3.1.2 Bộ điều chỉnh PI 28 2.3.1.3 Bộ điều chỉnh PID 29 2.3.2 Thiết kế PID theo công cụ hỗ trợ PID Turning 33 CHƯƠNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID .36 3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế 36 3.2 Thiết kế khối chức 36 3.2.1 Khối điều khiển Arduino Uno .36 3.2.2 Khối cảm biến nhiệt độ LM35 40 3.2.3 Khối điềunhiệt 41 3.2.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống 42 3.3 Thuật toán điều khiển 43 3.4 Xây dựng mơ hình 45 3.4.1 Phần cứng mơ hình 45 3.4.2 Giao diện điều khiển 47 3.5 Kết thử nghiệm 47 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 52 DANH MỤC VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt P Proportional Khâu tỉ lệ I Integral Khâu tích phân D Differential Khâu vi phân PID PWM Proportional Intergal Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ Derivative Pulse Width Modulation Độ rộng xung DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt 16 Hình 2.2 Đặc tính điều chỉnh điều khiển ON – OFF 16 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh sử dụng điều chỉnh PID .19 Hình 2.4 So sánh đáp ứng hệ thống so với điều chỉnh 21 Hình 2.5 Đặc tính nhiệt độ lị nhiệt 22 Hình 2.6 Đáp ứng xung hệ thống khơng có trễ 23 Hình 2.7 Đáp ứng xung hệ thống có trễ  =10s 23 Hình 2.8 Xác định thơng số cho phương pháp Zeigler-Nichols thứ 26 Hình 2.9 Sơ đồ mô dùng Simulink hệ thống điều chỉnh…………… 28 Hình 2.10 Khối PID 27 Hình 2.11 Khối Subsystem 27 Hình 2.12 Đáp ứng độ điều chỉnh P 28 Hình 2.13 Đáp ứng độ điều chỉnh PI 29 Hình 2.14 Đáp ứng độ PID 30 Hình 2.15 Đáp ứng PID hiệu chỉnh 31 Hình 2.16 Đáp ứng độ với công suất nhiễu 0.0001 32 Hình 2.17 Đáp ứng độ với công suất nhiễu 0.001 32 Hình 2.18 Đáp ứng q độ với cơng suất nhiễu 0.005 33 Hình 2.19 Sơ đồ mô hệ thống điều chỉnh .34 Hình 2.20 Giao diện PID controller 34 Hình 2.21 Kết Turning tìm thơng số PID .35 Hình 3.1 Board Arduino Uno 36 Hình 3.2 Sơ đồ chân Atmega328 .38 Hình 3.3 Cảm biến LM35 40 Hình 3.4 Sơ đồ chân cảm biến LM35 40 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển độ sáng bóng đèn……… …………43 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch phát điểm điện áp xoay chiều 41 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển quạt…………………………………44 Hình 3.8 Sơ đồ tổng quát hệ thống 43 Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán điều khiển 44 Hình 3.10 Arduino Uno R3 45 Hình 3.11 Mơ hình lị nhiệt 45 Hình 3.12 Giao diện điều khiển 47 Hình 3.13 Kết nối Matlab với Arduino qua cổng COM 48 Hình 3.14 Kết thử nghiệm 48 Hình 3.15 Hệ thống sau vào ổn định .49 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 So sánh phương pháp điều chỉnh 20 Bảng 2.2 Cách xác định tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 26 Bảng 2.3 Giá trị k p , ki , kd theo Zeigler-Nichols thứ 27 Bảng 3.1 Các thông số chi tiết Arduino Uno 37 LỜI CẢM ƠN Sau trình học tập rèn luyện Đại học Vinh giúp đỡ thầy cô giáo đặc biệt quan tâm bảo tận tình thầy cô viện Kỹ thuật Công nghệ , em tích lũy cho thân nhiều kiến thức cần có kỹ sư tự động hóa ,các kỹ thực tế để hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo viện Kỹ thuật & Công nghệ trường Đại học Vinh quan tâm hướng dẫn truyền đạt kiến thức quý báu kinh nghiệm cho em suốt thời gian học trường nói chung đồ án tốt nghiệp nói riêng Qua em xin chân thành cảm ơn Th.S Phan Văn Dư hướng dẫn tận tình để giúp em hồn thành đồ án tốt nghiệp Do cịn thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót mong thầy bạn đóng góp ý kiến để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày phương pháp thiết kế điều khiển giám sát nhiệt độ cho lò nung cơng nghiệp có nhiều ứng dụng thực tế sản xuất công nghiệp Hệ thống sử dụng điều chỉnh PID đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định, mang lại hiệu kinh tế kỹ thuật ABSTRACT This project presents the method of designing controller and temperature monitoring for industrial furnaces that there are many applications in actual manufacturing and industry The system uses the regulator PID to make sure that the system is stable operation, to bring economic and techniques effectively MỞ ĐẦU Trong đời sống sản xuất, yêu cầu sử dụng lượng nhiệt lớn Năng lượng nhiệt dùng để đốt nóng làm chín thực phẩm, sấy hoa nông sản, nung gốm sứ, nhiệt luyện kim loại… Vì việc sử dụng nguồn lượng cách hợp lý có hiệu cần thiết Có nhiều cách để thu nhiệt từ lượng điện Tuy nhiên hầu hết xí nghiệp nước ta mơ hình lị điện trở phổ biến số ưu điểm như: Có kết cấu đơn giản, có dải cơng suất rộng, dễ lắp đặt sửa chữa thay bảo hành thiết bị.Việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển cho lò nung, đáp ứng yêu cầu q trình cơng nghệ cơng nghiệp thực vấn đề thiết, thu hút quan tâm chuyên gia lĩnh vực điều khiển Trong thực tế nay, để điều khiển lớp rộng đối tượng công nghiệp người ta sử dụng điều khiển truyền thống PI, PID, nói với nhiều ưu điểm trội PID nhân tố tích cực, chiếm vị quan trọng hệ thống điều khiển túy Vì lý đó, em chọn thực đề tài “Thiết kế hệ thống điều chỉnh giám sát nhiệt độ lò nung công nghiệp sử dụng điều chỉnh PID” Nội dung đồ án trình bày chương: Chương Tổng quan lị nung cơng nghiệp Chương 2.Thiết kế điều chỉnh PID cho hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lị nung Chương Thiết kế mơ hình hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lị nung sử dụng điều chỉnh PID Mặc dù có nhiều cố gắng nhiên thời gian có hạn điều kiện thực cịn hạn chế khơng tránh khỏi sai sót cách trình bày phần thể hiện, mong thầy bạn góp ý bổ sung thêm Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Đức Nguyên Hình 3.8 Sơ đồ tổng quát hệ thống Giải thích sơ đồ tổng quát hệ thống: Tín hiệu từ máy tính thơng qua phần mềm MATLAB truyền xuống Arduino thực điều khiển, giám sát thu thập liệu Ta lệnh cho Arduino bắt đầu thực chương trình, kết thúc chương trình, cài đặt nhiệt độ đặt ý muốn Thu thập hiển thị lên hình điều khiển liệu nhiệt độ đặt, nhiệt độ vẽ đồ thị Cảm biến sử dụng mô hình LM35 Cảm biến LM35 ghi nhận giá trị nhiệt độ từ lò nhiệt đưa giá trị V Với Arduino chân Analog phát 1024 mức với điện áp từ 0-5 V Cứ 10mV nhiệt độ thay đổi oC Arduino nhận tín hiệu giá trị nhiệt độ phản hồi từ LM35, chương trình điều khiển so sánh nhiệt độ với giá trị nhiệt độ đặt đưa định điều khiển mức khuếch đại cho transistor cho phù hợp để thay đổi điện áp điểu khiển độ sáng bóng đèn 3.3 Thuật tốn điều khiển Thuật tốn điều chỉnh lị nung cơng nghiệp có sơ đồ sau: 43 Hình 3.9 Sơ đồ thuật tốn điều khiển Chương trình điều khiển thực sau: 1- Khi nạp chương trình từ máy tính xuống arduino, arduino gửi lên cổng Serial tín hiệu a, Matlab đợi nhận tín hiệu a từ Sesial gửi lại arduino tín hiệu a hiển thị dòng chữ Serial Communication setup kết nối thành cơng 2- Nếu có lệnh chạy từ Matlab chường trình điều khiển bắt đầu hoạt động, cịn khơng trạng thái chờ 3- Đọc nhiệt độ lị từ Lm35, giá trị có kiểu định dạng Volt, đổi thang hiển thị giá trị thực lò 4- Bộ điều khiển thực xử lý tham số PID đưa vào tiến hành hiệu chỉnh 5- Xuất lệnh điều chỉnh nhiệt độ lò nung, tùy thuộc vào giá trị ngõ điều rộng xung mà trạng thái lị đóng hay mở 6- Kết thúc vòng điều khiển 44 3.4 Xây dựng mơ hình 3.4.1 Phần cứng mơ hình Hình 3.10 Arduino Uno R3 Hình 3.11 Mơ hình lị nhiệt 45 46 3.4.2 Giao diện điều khiển Hình 3.12 Giao diện điều khiển 3.5 Kết thử nghiệm Sau chế tạo phần cứng thử nghiệm Em tiến hành thực q trình thử nghiệm với thơng số sau: - Với thông số điều khiển PID k p = 9, ki = 0.005, kd = 6.3 47 Hình 3.13 Kết nối Matlab với Arduino qua cổng COM Hình 3.14 Kết thử nghiệm 48 Hình 3.15 Hệ thống sau vào ổn định Kết quả: Đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ phương pháp PID Hệ thống đáp ứng với nhiệt độ đặt thu thập liệu để vẽ đồ thị Từ giám sát đánh không cần đến trực tiếp đối tượng cần đo 49 KẾT LUẬN Đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống điều chỉnh giám sát nhiệt độ lị nung cơng nghiệp sử dụng điều chỉnh PID” đạt kết sau: + Kiến thức tập lệnh AVR ATmega để giao tiếp với cảm biến Lm35 xây dựng chương trình để kết nối với máy tính + Hiểu cấu trúc module Arduino Uno R3và cảm biến nhiệt độ Lm35 + Thiết kế chế tạo thành công hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ lò điện trở + Các kết thực tế đáp ứng yêu cầu đặt trước thiết kế - Hạn chế đề tài + Hệ thống đơn giản chưa tích hợp nhiều tính cảnh báo, điều khiển thiết bị,… - Hướng phát triển đềtài Qua đề tài này, em đạt số kết định Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu thực tế thiết kế cịn phát triển thêm hướng như: + Lập trình điều khiển PID mờ cho lò nhiệt + Thiết kế lị nhiệt pha để sản xuất cơng nghiệp + Ứng dụng SCADA để điều khiển +Thiết kế hệ SCADA hoàn chỉnh cho hệ thống lò nhiệt 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Văn Thế Minh, Kĩ thuật vi xử lý, Nhà xuất giáo dục, 1997 [2] Nguyễn Hoa Lư, Lê Văn Chương, Lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, NXB Đại học Vinh 2016 [3] Nguyễn Thương Ngơ, Lí thuyết Điều khiển đại- NXB Khoa học Kĩ thuật1999 [4] Ngô Đình Phú, Giáo trình Vi xử lý, Khoa Điện – Điện tử, trường đại học Sư phạm Kĩ Thuật Tp Hồ Chí Minh, 2004 [6] Các website: http://codientu.org/ https://vi.wikipedia.org http://www.alldatasheet.com/ https://www.youtube.com/watch?v=d_ufSLB3Cz0&feature=youtu.be 51 PHỤ LỤC * Chương trình #include #define sensor A0 #define Lamp #define Fan float celsius, celsius_set = 0, last_celsius; float err, err_old, PW1,PW2; int time_=1; volatile float DUTY; //float Kp = 2, Ki = 0.065, Kd = 3.5, P, D, I; float Kp = 9, Ki = 0.005, Kd = 6.3, P, D, I; int mode = -1; float reading; float voltage; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(Fan,OUTPUT); pinMode(Lamp,OUTPUT); Timer1.initialize(100000); Timer1.attachInterrupt(GetTemp); Serial.setTimeout(5000); attachInterrupt(1, BatDiem0, RISING); // Ngắt ,bắt điểm PW1 = 0; PW2 = 0; 52 reading = 0; Serial.println('a'); char a = 'b'; while (a != 'a') { a = Serial.read(); // doi nhan tin hieu 'a' tu Matlab } } void loop() { if (Serial.available()>0) { mode = Serial.read(); switch(mode) { case 'T': //GetTemp(); Serial.println(celsius); break; case 'R': celsius_set = Serial.parseInt(); break; } } } void GetTemp(void) { for ( int i=0; i=10) { digitalWrite(Lamp,HIGH); } else { delay(time_); 54 digitalWrite(Lamp,LOW); delay(1); digitalWrite(Lamp,HIGH); } } *Chương trình tạo giao diện điều khiển Matlab GUI function varargout = FinalGraph(varargin) gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, 'gui_Singleton', gui_Singleton, 'gui_OpeningFcn', @FinalGraph_OpeningFcn, 'gui_OutputFcn', @FinalGraph_OutputFcn, 'gui_LayoutFcn', [] , 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end function FinalGraph_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) handles.output = hObject; guidata(hObject, handles); set(handles.Temp_set,'String',num2str(30)); function varargout = FinalGraph_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout{1} = handles.output; function connect_Serial_Callback(hObject, eventdata, handles) 55 % hObject handle to connect_Serial (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) comPort = 'COM3'; while(~exist('serialFlag','var')) [arduino.s,serialFlag] = serialSetup(comPort) end set(handles.status,'String','Connected '); startRun = 1; tempGraph(); function Temp_set_Callback(hObject, eventdata, handles) global mode mode = 'R' function Temp_set_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function CloseSerial_Callback(hObject, eventdata, handles) closeSerial(); function Add_Callback(hObject, eventdata, handles) sTemp = get(handles.Temp_set,'string'); sTemp = str2num(sTemp); sTemp = sTemp+1; set(handles.Temp_set,'string',num2str(sTemp)); global mode mode = 'R'; function Sub_Callback(hObject, eventdata, handles) sTemp = get(handles.Temp_set,'string'); sTemp = str2num(sTemp); sTemp = sTemp-1; 56 set(handles.Temp_set,'string',num2str(sTemp)); global mode mode = 'R'; function stop_Callback(hObject, eventdata, handles) global mode mode = 'E'; 57 ... Tổng quan lò nung công nghiệp Chương 2 .Thiết kế điều chỉnh PID cho hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nung Chương Thiết kế mơ hình hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nung sử dụng điều chỉnh PID Mặc dù... CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG 2.1 Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò nung 2.1.1 Điều chỉnh ON-OFF Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh lò nhiệt điều. .. NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID 3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ lò nhiệt cần đạt yêu cầu sau: - Sử dụng vi điều khiển để điều khiển