Báo cáo project based learning 1 thiết kế hệ thống Điều khiển tuyến tính Điều khiển nhiệt Độ lò nhiệt

Do đó, nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ là một yêu cầu cần thiết trong sản xuất.. Với sự phát triển của công nghệ số, các giải thuật điều khiển nhiệt độ như PID cũng đ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

BÁO CÁO PROJECT BASED LEARNING 1

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT

Sinh viên thực hiện : Lê Mạnh Cường

Lời mở đầu

Lò nhiệt đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp như luyện kim, gốm sứ, thực phẩm và hóa chất Việc kiểm soát nhiệt độ chính xác và ổn định là yếu tố then chốt giúp tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm Do đó, nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ là một yêu cầu cần thiết trong sản xuất

Là sinh viên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, chúng em mong muốn áp dụng kiến thức vào thực tế Trong đồ án PBL 1, nhóm đã lựa chọn đề tài “lò nhiệt” với mục tiêu thiết kế một

hệ thống điều khiển có độ chính xác cao, vận hành ổn định và tiết kiệm năng lượng Đề tài yêu cầu sự vận dụng của nhiều kiến thức chuyên ngành như mạch điện tử, mạch số, lý thuyết điều khiển tự động và nghiên cứu thêm tài liệu chuyên sâu

Dù đã nỗ lực hoàn thành, nhưng do còn hạn chế về kinh nghiệm thực tiễn, chắc chắn báo cáo không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận được sự góp

ý từ thầy cô để hoàn thiện hơn

Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô và kính chúc thầy cô sức khỏe, thành công

MỤC LỤC

Lời mở đầu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Ứng dụng thực tế 4

1.2.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ quá trình lên men bia 4

1.2.2 Nung xi măng 5

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT 7

2.1 Vài nét cơ bản về hệ thống 7

2.2 Một số yêu cầu kĩ thuật của đề tài 8

2.3 Phương hướng giải quyết ban đầu 8

2.4 Quy trình công nghệ (sơ thảo) của nhóm đưa ra 9

2.5 Một số linh kiện cần thiết: 9

Chương 3: Phân công nhiệm vụ và công việc 13

3.1 Phân công nhiệm vụ 13

3.2 Giản đồ Gantt 14

CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 15

4.1 Lý thuyết phương pháp Nicholes-Ziegler 15

4.2 Thực tế các bước nhận dạng 17

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Kết quả đạt được ……….22

5.2 Hạn chế ……….22

5.3 Kết luận ……….22

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN NHIỆT ĐỘ

1.1 Đặt vấn đề

Đề tài "lò nhiệt" là một chủ đề thú vị trong lĩnh vực mạch điện tử và điều khiển

tự động Điều khiển nhiệt độ là một trong những ứng dụng phổ biến của các mạch điện tử và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến sinh hoạt Với sự phát triển của công nghệ số, các giải thuật điều khiển nhiệt độ như PID cũng được sử dụng rộng rãi để đảm bảo tính chính xác và ổn định trong quá trình điều khiển Sử dụng nhiệt điện trở PT100 và Opamp giúp đọc và xử lý tín hiệu nhiệt độ, trong khi giải thuật PID giúp điều chỉnh nhiệt độ trong lò nhiệt để đảm bảo quá trình đun nóng được thực hiện đúng cách

Vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ cũng rất quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là trong các ngành sản xuất thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ và chế tạo động cơ đốt trong Việc đo và kiểm soát nhiệt độ đúng cách có thể giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng hiệu suất sản xuất Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển nhiệt độ là rất cần thiết trong thời đại hiện nay

1.2 Ứng dụng thực tế

1.2.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ quá trình lên men bia

Trong quá trình sản xuất bia, quá trình lên men (fermentation) là quá trình quan trọng để tạo ra hương vị và độ cồn cho bia Trong quá trình này, men bia được thêm vào hỗn hợp bia và được ủ trong một thùng ủ (fermenter) trong một khoảng thời gian nhất định Trong quá trình ủ men, vi khuẩn men bia sẽ tiêu hóa đường trong hỗn hợp bia và sản xuất ra cồn và khí CO2

Để đảm bảo quá trình lên men đạt được chất lượng và hiệu suất tốt nhất, nhiệt

độ trong thùng ủ phải được kiểm soát chặt chẽ Hệ thống điều khiển nhiệt độ được

sử dụng để điều khiển nhiệt độ trong quá trình lên men bia Nhiệt độ được điều khiển thông qua việc tăng hoặc giảm lượng nước lạnh chảy vào các ống dẫn nhiệt Nếu nhiệt độ quá thấp, men bia sẽ không hoạt động tốt và quá trình lên men sẽ chậm lại Nếu nhiệt độ quá cao, men bia sẽ bị chết và không thể sản xuất đủ cồn, CO2

Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong quá trình lên men bia cũng cần được theo dõi và điều chỉnh liên tục để đảm bảo quá trình lên men diễn ra đúng cách Việc kiểm soát nhiệt độ trong quá trình lên men bia là một yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản xuất của sản phẩm

Hình 1.1 Quy trình sản xuất bia 1.2.2 Nung xi măng

Trong quá trình sản xuất xi măng, quá trình nung xi măng là một bước quan trọng để đạt được chất lượng sản phẩm mong muốn Trong quá trình nung, nhiệt

độ và thời gian nung phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo xi măng được nung đều và có độ cứng và độ bền cao

Hệ thống điều khiển nhiệt độ được sử dụng để kiểm soát quá trình nung xi măng Nhiệt độ được kiểm soát thông qua việc tăng hoặc giảm lượng nhiên liệu được đốt trong lò nung Thời gian nung cũng được kiểm soát để đảm bảo xi măng được nung đến độ cứng và độ bền mong muốn

Trong quá trình nung xi măng, quá trình kiểm soát nhiệt độ và thời gian nung cần được theo dõi và điều chỉnh liên tục Nếu nhiệt độ quá cao, xi măng có thể bị cháy hoặc bị nung không đều, gây ra sự cố và giảm chất lượng sản phẩm Ngược lại, nếu nhiệt độ quá thấp, xi măng sẽ không được nung đến độ cứng và độ bền mong muốn

Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong quá trình nung xi măng giúp đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản xuất của sản phẩm Ngoài ra, việc sử dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ cũng giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu tác động của quá trình sản xuất đến môi trường

Hình 1.2 Quy trình sản xuất xi măng

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT

2.1 Vài nét cơ bản về hệ thống.

Hình 2.1 Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt

Một hệ thống thường có đầu vào, đầu ra, Bộ điều khiển điều khiển thiết bị chấp hành tác động lên đối tượng và tín hiệu phản hồi về Với đề tài này:

 Đầu vào, đầu ra đều là nhiệt độ

 Bộ điều khiển được chọn là PID

 Thiết bị chấp hành nhóm thống nhất là Bóng đèn sợi đốt

 Đối tượng điều khiển là Thùng xốp

 Bộ hồi tiếp tín hiệu nhóm lựa chọn cảm biến đo nhiệt

Hình 2.2 Sơ đồ cơ bản mô tả hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt

2.2 Một số yêu cầu kĩ thuật của đề tài

 Hệ thống cần có khả năng kiểm soát nhiệt độ trong lò nhiệt, đảm bảo nhiệt

độ ổn định và đạt được mức độ nhiệt độ cần thiết cho quá trình sản xuất.Có thể hiển thị và cài đặt được nhiệt độ mong muốn

 Khi bị nhiễu tác động hệ thống vẫn ổn định & giữ nhiệt độ được cài đặt

 Bộ điều khiển PID phải là bộ điều khiển tương tự analog sử dụng IC thuật toán OPAMP

 Hệ thống cần có khả năng kiểm soát thời gian để đảm bảo quá trình nung được thực hiện trong khoảng thời gian cần thiết Điều khiển nhiệt độ

 Hệ thống cần đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình kiểm soát và điều khiển

 Hệ thống cần được thiết kế để dễ sử dụng và điều khiển

2.3 Phương hướng giải quyết ban đầu

Dựa trên những kiến thức đã học về chương trình điều khiển tuyến tính, mạch điện tử để đưa ra phương án giải quyết vấn đề:

 Thu thập số liệu và xây dựng hàm truyền

 Tìm hiểu về bộ điều khiển pid và ứng dụng cũng như nguyên lý hoạt động của nó

 Áp dụng kiến thức điều khiển tuyến tính để đưa ra sơ đồ khối thích hợp để điều khiển hệ thống

 Tìm hiểu lò nhiệt

 Thiết kế lò nhiệt

 Ứng dụng tất cả yếu tố trên để đưa ra mô hình điều khiển nhiệt độ tự động theo yêu cầu

2.4 Quy trình công nghệ (sơ thảo) của nhóm đưa ra

Hình 2.3 Quy trình nhóm đưa ra để hoàn thành công việc

2.5 Một số linh kiện cần thiết:

Arduino UNO R3

- Nguồn nuôi mạch: 6-12VDC(cấp vào jack cắm nguồn)/5VDC cấp vào cổng USB

- Vi điều khiển: ATmega328P

- Số chân vào ra số: 14 (6 chân PWM)

- Dòng tối đa chân digital: <=40mA

- Số chân Analog: 6 chân

- Dòng ra chân 5V: 500mA

- Dòng ra chân 3.3V: 50mA

- Tần số thạch anh: 16MHz

- Đầu kết nối tín hiệu: USB

- Dung lượng bộ nhớ Flash: 32 kB (ATmega328) với 0.5kB được sử dụng

Chương 3: Phân công nhiệm vụ và công việc

3.1 Phân công nhiệm vụ.

STT Tên sinh viên Nhiệm vụ

3 Ngô Tấn Khang - Viết báo cáo và trình bày nội dung

- Tổng hợp kết quả thí nghiệm hoặc mô phỏng

- Đề xuất hướng cải tiến hệ thống

Hình 3.1 Bảng phân công nhiệm vụ

3.2 Giản đồ Gantt

Hình 3.2 Giản đồ Gantt biểu thị công việc

CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ MÔ

PHỎNG TRÊN MATLAB

4.1 Lý thuyết phương pháp Nicholes-Ziegler

Hàm truyền của lò nhiệt được xác định bằng phương pháp thực nghiệm Cấp nhiệt độ tối đa cho lò (công suất vào P = 100% ) nhiệt độ lò tăng dần Sau một thời gian nhiệt độ lò đạt đến giá trị bão hòa Đặc tính nhiệt độ theo thời gian có thể biểu diễn như hình 3.1a Do đặc tính chính xác của lò nhiệt khá phức tạp nên

ta xấp xỉ bằng đáp ứng gần đúng như hình 3.1b

Hình 4.1 Thí nghiệm xác định hàm truyền lò nhiệt

Ta xác định hàm truyền gần đúng của lò nhiệt đúng định nghĩa:

𝐺(𝑠) = C(𝑠)

R(s)

Do tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị (P = 100%) nên:

𝑇2 = 1s Tín hiệu ra gần đúng (H4.1b) chính là hàm:

c(t) = f(t -𝑇1) trong đó: f(t) = K(1 - 𝑒−𝑡/𝑇2) Tra bảng biến đổi laplace ta được:

s(1 + 𝑇2𝑠)

4.2 Thực tế các bước nhận dạng.

Sau khi đã có được đối tượng cũng như các cơ cấu chấp hành & cảm biến đọc nhiệt độ ta tiến hành lấy số liệu đầu vào 𝑢(𝑡) và đầu ra 𝑦′(𝑡) của đối tượng cần nhận dạng

Hình 4.3 Kết nối Adruino đến laptop

Ta kết nối arduino đọc cảm biến nhiệt độ DS18B20 với latop và dùng phần mềm Terminal lấy số liệu

Hình 4.4 Trích số liệu từ Arduino bằng Terminal

Sau khi nhiệt độ bão hoà thì sẽ được một file như sau: Bảng số liệu được đưa vào Excel:

Một vài số liệu được trích xuất từ File Excel: ( do hơn 1000 mẫu nên không trích xuất hết được )

Tiến hành đưa số liệu vào Mathlab thu được các kết quả như hình:

Hình 4.8 Tính toán số liệu trên Matlab

Nhận dạng được một số hàm truyền G(s):

- 100V

- 120V

- 150V

Ta thấy hàm truyền của điện áp 120V gần đúng với tất cả các trường hợp nhất,

từ đó đưa ra kết luận hàm truyền G(s):

CHƯƠNG 5:KẾT LUẬN

5.1 Những kết quả đại được

- Nhận dạng thông qua thực nghiệm