Ứng dụng logic mờ để điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt

Các phương pháp điều khiển nhiệt độ .1 Điều khiển on-off

Điều khiển on-off là lặp lại trạng thái on-off của hệ thống điều khiển theo điểm đặt, vớ dụ trong hỡnh relay ngừ ra là on khi nhiệt độ trong lũ nhiệt dưới điểm đặt và off khi nhiệt độ đến điểm đặt. Nhiệt độ được đặt ở một giá trị nào đó mà người vận hành mong muốn, cấp điện sợi nung khi giá trị nhiệt độ trong lò nhiệt thấp hơn giá trị đặt và tắt nguồn cấp điện cho sợi nung được gọi là điều khiển on-off còn được gọi là điều khiển 2 vị trí vì hai biến đặt cũng liên quan đến điểm đặt. Ví dụ như G nhỏ duy trì đáp ứng nhiệt nhanh và hunting được tắt bằng hình thức on-off như hỡnh dưới, nhiệt độ trờn tới giỏ trị tới hạn thấp của ngừ ra đền được điều khiển bằng hai sợi nung với tổng công suất là 600W, trong lân cận điểm đặt, nhiệt độ điều khiển mỗi sợi nung là 300W.

Quá trình điều khiển on-off lò nhiệt diễn ra với giá trị sai số cho phép nhằm ngăn ngừa nhiễu trong quá trình bật tắt lò nhiệt quá nhanh khi nhiệt độ lò gần bằng nhiệt độ đặt. Một chu ky từ on tới off của thiết bị đầu ra được gọi là chu kỳ tỉ lệ (proportional period) và hoạt động điều khiển theo chu kỳ tỉ lệ gọi là “hoạt động điều khiển chia tỷ lệ thời gian”. Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm bậc thang sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực.

Phương pháp cổ điển chỉ áp dụng với các đối tượng điều khiển có mô hình toán học nhưng trong thực tế các hệ thống điều khiển điều có tính phi tuyến, độ phức tạp cao. Và logic mờ đã được áp dụng thành công trên các thiết bị như máy ghi hình, lò vi sóng, máy giặt, điều hòa…và cũng trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, mô hình còn hạn chế, đơn giản nên logic mờ là phương pháp điều khiển thích hợp.

XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

Vào thư viện Commonly Used Blocks, lấy các khối thông dụng như Constant, Gain, Sum, Subsystem…. Lò điện trở được nung nóng bằng dây điện trở, nguồn điện cung cấp cho lò là nguồn áp có thể điều chỉnh được.Việc điều khiển nhiệt độ lò được thực hiện thông qua điều khiển điện áp cung cấp cho lò. Khâu so sánh làm nhiệm vụ so sánh điện áp đặt và điện áp phản hồi lấy từ đầu ra của khối cảm biến, đầu ra của khâu so sánh là sai lệch e = U – Ucb.

Đầu tiên, chọn điều khiển lò theo qui luật tỉ lệ P, biến đầu vào là sai lệch nhiệt độ (ký hiệu là E), đầu ra là điện áp cấp cho lò (ký hiệu là U). Giả thiết, ta điều khiển lò theo quy luật PI, khi đó biến ngôn ngữ đầu vào bộ điều khiển mờ là sai lệch (ký hiệu là E) và tích phân sai lệch (ký hiệu là TE). Chọn các tập mờ có dạng hình tam giác cân và hình thang vì nó thể hiện được tính tăng giảm của nhiệt độ.

Sửa tên đầu vào là E và TE, đầu ra là LO tại dòng Name, chọn luật hợp thành là max- min, giải mờ bằng phương pháp trọng tâm. Trong ô Type chọn dạng hình thang cho hàm DR, hình tam giác cân cho hàm 0, DI, DV, DL. Trở lại, giao diện FIS Editor, vào Menu EditRules…Thiết lập luật điều khiển cho các hàm.

Kiểm tra hoạt động của luật điều khiển tại giao diện FIS Editor ta vào ViewRules hoặc ấn phím tắt Ctrl+5. Để xem luật điều khiển trong không gian chọn View Suface hoặc ấn phím Ctrl+6. Tiếp đến, tạo mụ hỡnh trong Simulink, tại dũng gừ lệnh cửa sổ Command Window gừ “simulink”, thư viện Simulink hiện ra.

Lựa chọn cỏc thư viện chọn các khối cần thiết như trong mô hình PID trên. Bộ điều khiển PID có thời gian lên giá trị thiết lập nhanh nhưng độ quá điều chỉnh lớn ảnh hưởng đến tuổi thọ của thiết bị, gây nguy hiểm trong quá trình vận hành. Bộ điều khiển mờ có độ quá điều chỉnh nhỏ nhưng thời gian xác lập lâu, tốn nhiều năng lượng, ảnh hưởng đến năng suất quá trình nung, nhiệt luyện.

Do đó, tùy thuộc vào điều kiện sản xuất cụ thể, yêu cầu kĩ thuật cũng như khả năng công nghệ mà ta lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

- Kiến trúc RISC (Máy tính dùng tập lệnh rút gọn, bộ vi xử lý này thực hiện ít lệnh hơn những bộ vi xử lý khác) với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, trụy nhập bộ nhớ nạp- lưu trữ và 32 thanh ghi đa năng. - Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng vào/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM),. - Khả năng lập trình được trong hệ thống, có thể lập trình được ngay khi đang được cấp nguồn trên bản mạch không cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch.

Nếu giao tiếp JTAG được kích hoạt, điện trở kéo các chân PC5(TDI), PC3(TMS), PC2(TCK) sẽ được kích hoạt ngay cả khi có khởi động lại (reset). Cảm biến ds18b20 là một sản phẩm của công ty Dallas (Mỹ), đây cũng là công ty đóng góp nhiều vào việc cho ra đời bus một dây và các cảm biến một dây. Rất thích hợp với các ứng dụng đo lường đa điểm vì nhiều đầu đo có thể được nối trên một bus, bus này được gọi là bus một dây (1- wire bus).

Các thông tin được gửi đến và nhận về từ DS18B20 trên giao diện 1- wire, do đó chỉ cần hai đường dẫn gồm một đường cho tín hiệu và một đường làm dây đất là đủ để kết nối vi điều khiển đến điểm đo. Nguồn nuôi cho các thao tác ghi/đọc/chuyển đổi có thể được trích từ đường tín hiệu, không cần có thêm đường dây riêng để cấp điện áp nguồn. Mỗi vi mạch đo nhiệt độ DS18B20 có một mã số định danh duy nhất, được khắc bằng laser trong quá trình chế tạo vi mạch nên nhiều vi mạch DS1820 có thể cùng kết nối vào một bus 1-wire mà không có sự nhầm lẫn.

8 bit có ý nghĩa nhất là byte mã kiểm tra CRC (cyclic redundancy check), byte này được tính toán từ 56 bit đầu tiên của dãy mã trên ROM .Để truy cập lên cảm biến một dây Ds18b20 ta phải sử dụng hai nhóm lệnh: các lệnh ROM và các lệnh chức năng (function commands) bộ nhớ, các. Chúng được dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường…Khi cần dùng nhiều cổng hơn ta có thể lắp đặt các card mở rộng trên đó có thêm một đến hai cổng COM. - Chuẩn RS232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây tín hiệu và đất.

Do yêu cầu về sự ổn định của mạch, khả năng cũng như kinh nghiệm còn hạn chế nên mạch điều khiển em sử dụng KIT phát triển có sẵn Easy Avr. Đây là board mạch đầy đủ các tính năng cho Avr Microcontroller giúp sinh viên cũng như kĩ sư lập trình dễ dàng lập trình giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và mạch ngoài. Giao diện sử dụng phần mềm Visual Basic 6.0, có nhiệm vụ hiển thị nhiệt độ, theo dừi lũ nhiệt và cho phộp người dựng thiết lập nhiệt độ truyền xuống vi điều khiển để điều khiển.

Có nhiều phương pháp để điều áp có thể điều khiển theo tuyến tính (góc mở), điều khiển theo xung (đóng ngắt) để đạt được nhiệt độ yêu cầu. Điện áp xoay chiều 220VAC được qua biến áp đưa vào khâu đồng bộ (opamp 741) lấy ra tín hiệu hình vuông, xung này được đưa vào chân ngắt INT0 của AVR (đây chính là mạch detect zero crossing), tại hàm ngắt của AVR sẽ tính toán duty cylcle đảm bảo kích xung mở cho MOC3020.