KHẢO NGHIỆM MÁY SẤY THÍ NGHIỆM CHÂN KHÔNG ỨNG DỤNG TRONG SẤY GỖ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ SẤY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHẢO NGHIỆM MÁY SẤY THÍ NGHIỆM CHÂN KHÔNG ỨNG DỤNG TRONG SẤY GỖ - THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO NGHIỆM MÁY SẤY THÍ NGHIỆM CHÂN KHÔNG ỨNG DỤNG TRONG SẤY GỖ - THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ

HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ SẤY

Họ và Tên Sinh Viên: NGUYỄN THÀNH CHUNG THIÊN SANH XUÂN

Tháng 06 năm 2013

KHẢO NGHIỆM MÁY SẤY THÍ NGHIỆM CHÂN KHÔNG ỨNG DỤNG TRONG SẤY GỖ - THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU

KHIỂN NHIỆT ĐỘ SẤY

TÁC GIẢ

NGUYỄN THÀNH CHUNG – THIÊN SANH XUÂN

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu

cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S TRẨN THỊ KIM NGÀ PGS.TS NGUYỄN VĂN HÙNG

Tháng 06 năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin cảm ơn gia đình em đã sinh ra, nuôi dưỡng và dạy dỗ em có được ngày hôm nay, lời biết ơn trân trọng nhất

Xin cảm ơn quý thầy cô trong và ngoài trường ĐH Nông Lâm Tp.HCM nói chung

và các thầy cô Khoa Cơ Khí-Công Nghệ nói riêng, người đã hết lòng truyền đạt kinh nghiệm sống, học tập cũng như cách làm việc trong suốt quá trình theo học tại trường

Xin cảm ơn đến các Thầy Cô hướng dẫn,Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Hùng, Cô Th.S Trần Thị Kim Ngà Thầy Cô đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm về mọi mặt trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Xin cảm ơn các Thầy Cô và các Anh Chị khoa Lâm Nghiệp đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu, khảo nghiệm để hoàn thành luận văn

Cuối cùng mình xin cảm ơn các bạn Cơ – Điện Tử K35 và các bạn trong CLB Cán

Bộ Đoàn Ngôi sao xanh, các bạn thân hữu gần xa đã giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

TPHCM, ngày tháng 06 năm 2013 Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THÀNH CHUNG THIÊN SANH XUÂN

TÓM TẮT

- Đề tài nghiên cứu “ Khảo nghiệm máy sấy thí nghiệm chân không ứng dụng

trong sấy gỗ - Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển nhiệt độ sấy” được thực hiện

tại trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 2 đến tháng

6 năm 2013

- Đề tài đã khảo nghiệm với 2 mẫu gỗ d = 30 mm, d = 50 mm ở nhiệt độ 60 oC

- Khảo nghiệm: Loại gỗ tràm

+ Nhiệt độ sấy dao động từ 25 oC  72 oC

+ Đã khảo nghiệm được khoảng 2 mẻ, ta thấy gỗ sau khi sấy chân không có chất lượng như màu sắc gỗ sáng hơn, độ ẩm giảm từ 10%  12%, các khuyết tật của gỗ như: độ cong vênh, nứt nẻ dưới 35%

- Ngoài ra còn thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển nhiệt độ sấy ứng dụng PID

MỤC LỤC

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích: 1

Chương 2 TỔNG QUAN 2

2.1 Đối tượng gỗ sấy: 2

2.1.1 Đối tượng: 2

2.1.2 Khái niệm về sấy gỗ 2

2.1.3 Tầm quan trọng của gỗ: 3

2.2 Máy sấy chân không: 3

2.2.1 Định nghĩa: 3

2.2.2 Các loại máy sấy chân không: 4

2.3 Các giai đoạn vận tốc sấy : 7

2.4 Xả ẩm: 8

2.4.1 Quá trình khuếch tán nội (trong lòng vật liệu sấy) 8

2.4.2 Quá trình khuếch tán ngoại 8

2.5 Tổng quan về bộ điều khiển sử dụng PID 9

2.5.1 Thành phần tỉ lệ (P): 9

2.5.2 Thành phần tích phân (I) 10

2.5.3 Thành phần vi phân (D) 12

2.5.4 Các phương pháp xác định tham số KP, KI, KD cho hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID 13

2.6 Các phương pháp điều khiển số 16

2.6.1 Điều khiển On - Off 16

2.6.2 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ 16

2.6.3 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ PD 16

2.6.4 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID 16

2.7 Tra cứu các linh kiện điện tử 17

2.7.1 Tìm hiểu contactor quang – solid state relay 17

2.7.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 18

2.7.3 Tìm hiểu vi điều khiển PIC 16f877A 18

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

3.1 Thời gian trí thực hiện đề tài 21

3.2 Đối tượng và các thiết bị nghiên cứu 21

3.2.1 Đối tượng nghiên cứu 21

3.2.2 Thiết bị nghiên cứu: 21

3.3 Các bước thực hiện: 22

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

4.1 Khảo sát máy sấy chân không 24

4.1.1 Sơ đồ nguyên lý: 24

4.1.2 Buồng sấy: 26

4.1.3 Tháp giải nhiệt: 28

4.2 Mạch điều khiển hệ thống: 29

4.3 Quy trình sấy gỗ chân không: 30

4.4 Kết quả khảo nghiệm sấy gỗ chân không và mục đích khảo nghiệm: 30

4.4.1 Chọn điều kiện sấy: 30

4.4.2 Chọn thời gian sấy 30

4.5 Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển nhiệt độ sấy gỗ ứng dụng PID 36

4.5.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển nhiệt độ 36

4.5.2 Thiết kế mạch nguồn 36

4.5.3 Mạch cảm biến 37

4.5.4 Mạch kích sử dụng SSR cho đối tượng điều khiển 37

4.5.5 Mạch hiển thị nhiệt độ 38

4.5.6 Mạch nút nhấn 38

4.5.7 Khối trung tâm xử lí Pic 16f877a 39

4.5.8 Mạch điều khiển tổng hợp 40

4.6 Giải thuật chương trình vi xử lí 41

4.7 Phương pháp chọn các tham số PID dùng trong bộ điều khiển 43

4.8 Khảo nghiệm sơ bộ 44

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 45

5.1 Kết quả đạt được: 45

5.2 Đề nghị 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 47

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

W: Lượng nước khuếch tán

dτ: Thời gian khuếch tán

F: Diện tích bề mặt khuếch tán

k: Hệ số khuếch tán

dx

dc: Gradien độ ẩm

Pbm: Áp suất hơi nước bề mặt

Pkk: Áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí Dτ: Thời gian bay hơi, giờ

B : Hệ số bay hơi

U(t): Tín hiệu điều khiển

e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển

Ti : Hằng số thời gian tích phân

P : Công suất tiêu thụ

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Mẫu gỗ tràm 2

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống sấy phun chân không 4

Hình 2.3 Sơ đồ máy sấy gỗ chân không 5

Hình 2.4: Sơ đồ máy sấy chân không SPT – 200 6

Hình 2.5 Đường cong sấy W=f(t) 7

Hình 2.6 Đường cong vận tốc sấy 7

Hình 2.7 Đồ thị đặc tính thành phần tỉ lệ 10

Hình 2.8 Đồ thị đặc tính thành phần tích phân 11

Hình 2.9 Đồ thị đặc tính thành phần vi phân 13

Hình 2.10 Khâu quán tính bậc 1 hoặc bậc cao 14

Hình 2.11 Xấp xỉ về dạng quán tính bậc 1 có trễ 15

Hình 2.12 Dạng điều hòa 15

Hình 2.13 Contactor quang và solid state relay 17

Hình 2.14 Cảm biến LM35 18

Hình 2.15 Vi điều khiển pic 16F877A 19

Hình 2.16 Sơ đồ chân pic 16F877A 19

Hình 3.1 Đồng hồ đo áp suất 21

Hình 3.2 Cân điện tử 22

Hình 4.1: Sơ đồ máy sấy chân không 24

Hình 4.2 Hệ thống máy sấy gỗ chân không 25

Hình 4.3 Sơ đồ buồng sấy 26

Hình 4.4 Buồng sấy 27

Hình 4.5 Đưa mẫu vào buồng sấy 27

Hình 4.6 Tháp giải nhiệt 28

Hình 4.7 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống sấy 29

Hình 4.8 Biểu đồ giảm ẩm của d = 30 mm 32

Hình 4.9 Biểu đồ giảm ẩm của d = 50 mm 34

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn 5V 36

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lí mạch cảm biến 37

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lí của solid state relay 37

Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lí khối nút nhấn 38

Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lí mạch trung tâm xử lí 39

Hình 4.17 Mô hình thực tế 42

Hình 4.18 Biểu đồ kết quả đo nhiệt độ trong mô hình ở nhiệt độ 50 oC 44

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1: bảng số liệu trong quá trình sấy gỗ với D = 30 mm 31

Bảng 2: Bảng số liệu độ ẩm của mẫu d = 30 mm 32

Bảng 3: bảng số liệu trong quá trình sấy gỗ với D = 50 mm 33

Bảng 4: Bảng số liệu độ ẩm của mẫu d = 50 mm 34

Bảng 4.1 Kết quả đo giá trị nhiệt độ trong mô hình 44

Chương 1

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Sấy gỗ là một bộ phận quan trọng của lĩnh vực gia công thuỷ nhiệt gỗ Ý nghĩa của quá trình gia công thuỷ nhiệt gỗ trong công nghiệp chế biến gỗ nói riêng và trong nền kinh tế quốc dân rất to lớn Hiện nay, với yêu cầu chất lượng ngày càng cao của thị trường gỗ thì công đoạn sấy càng trở nên quan trọng trong công nghiệp chế biến gỗ Một yêu cầu quan trọng đó là sản phẩm gỗ phải đạt được độ ẩm tiêu chuẩn và đồng đều không cong vênh nứt nẻ Nhất là đối với thị trường xuất khẩu gỗ hiện nay thì vấn

đề chất lượng càng trở nên quan trọng

Nhằm phục vụ trong quá trình nghiên cứu, học tập và giới thiệu cho sinh viên về

hệ thống sấy trong chân không Được sự đồng ý của khoa cơ khí – công nghệ và sự hướng dẫn của PGS-TS Nguyễn Văn Hùng và Th.S Trần Thị Kim Ngà chúng em tiến hành thực hiện đề tài “ Khảo nghiệm máy sấy thí nghiệm chân không ứng dụng trong sấy gỗ - Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển nhiệt độ sấy”

1.2 Mục đích:

 Khảo sát và khảo nghiệm máy sấy gỗ chân không nhằm tìm ra được chế độ sấy gồm nhiệt độ và chu kì xả ẩm và từ đó để làm cơ sở thiết kế chế tạo mô hình điều khiển nhằm điều khiển nhiệt độ cho một số hệ thống sấy khác

Chương 2

TỔNG QUAN 2.1 Đối tượng gỗ sấy:

2.1.1 Đối tượng:

- Gỗ tràm

Hình 2.1 Mẫu gỗ tràm 2.1.2 Khái niệm về sấy gỗ

 Sấy gỗ là quá trình khử ẩm từ gỗ bằng cách làm chất ẩm trong gỗ bay hơi Trong kỹ thuật đôi khi người ta nén vật liệu để đẩy ẩm ra, nhưng đối với gỗ người ta không dùng phương pháp này

 Hàm lượng nước chứa trong gỗ được đặc trưng bằng độ ẩm của gỗ, là hàm lượng nước chứa trong gỗ quy về một đơn vị khối lượng gỗ

 Mục đích công nghệ của sấy gỗ là làm thay đổi, giảm độ ẩm cho phù hợp với môi trường sử dụng và yêu cầu công nghệ gia công gỗ

 Sự thay đổi độ ẩm của gỗ dẫn đến sự thay đổi hình dạng, kích thước gỗ Vì vậy

độ ẩm của chi tiết gỗ trong kết cấu hay công trình cần phải ổn định hình dạng, kích thước trong môi trường sử dụng

2.1.3 Tầm quan trọng của gỗ:

 Gỗ phải được sấy trong bất kỳ một quá trình gia công, chế biến gỗ nào (sản xuất

đồ mộc, sản xuất gỗ dán, ván nhân tạo, sản xuất kết cấu xây dựng từ gỗ, chế biến song mây tre, làm hàng thủ công mỹ nghệ )

 Sử dụng gỗ tươi, hoặc gỗ sấy có độ ẩm chưa đạt yêu cầu sẽ dẫn đến giảm thời gian sử dụng sản phẩm, hoặc hủy bỏ (hàng sơn mài xuất khẩu bị nứt, hàng song mây tre bị mốc, chi tiết đồ mộc bị cong vênh, co rút, giản nở không lắp lẫn được, hoặc lắp xong bị nứt, bị hỏng ; Kết cấu xây dựng bị mục, mọt )

 Vì vậy nhiệm vụ chủ yếu của sấy gỗ là giảm đều độ ẩm toàn chồng gỗ, trong

thanh gỗ đem sấy theo tiết diện và chiều dài lúc đảm bảo chất lượng vật liệu

2.2 Máy sấy chân không:

2.2.1 Định nghĩa:

+ Sấy là quá trình tách ẩm từ vật liệu chứa nước hoặc bay hơi Trong quá trình sấy diễn ra 2 quá trình:

 Quá trình truyền nhiệt: Nhiệt lượng dùng để tách ẩm được truyền từ nguồn

nhiệt đến vật liệu cần sấy qua các kiểu dẫn truyền, đối lưu hoặc bức xạ

 Quá trình truyền khối: Ẩm lượng trong vật liệu sấy sẽ được truyền ra ngoài

qua quá trình bốc hơi nhờ sự chênh lệch về ẩm độ giữa vật liệu sấy và môi trường xung quanh

 Quá trình vận chuyển nhiệt và ẩm khi sấy xảy ra từ từ và độ ẩm vật liệu sẽ giảm

do bốc hơi ẩm vào môi trường tác nhân sấy xung quanh Việc hạ thấp độ ẩm của vật liệu chỉ có thể thực hiện cho đến khi không còn có thể đẩy ẩm ra ngoài

2.2.2 Các loại máy sấy chân không:

a) Hệ thống sấy phun chân không:

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống sấy phun chân không

Trong đó:

1 Thùng chứa 6 Thiết bị gia nhiệt

2 Bơm 7 Buồng sấy phun

3 Bộ lọc 8 Vít tháo sản phẩm

4 Thùng trung gian 9 Bơm chân không

5 Bơm 10 Thiết bị thu hồi sản phẩm

11 Van

 Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Trong hệ thống sấy phun chân không này, dịch lỏng được gia nhiệt sơ bộ ở thùng

chứa được bơm bơm qua bộ lọc 2, sang thùng trung gian 4, sau đó được bơm cao áp 5

đẩy qua thiết bị trao đổi nhiệt 6 và phun vào buồng chân không 7 Ở đấy ẩm được bốc

hơi trong diều kiện chân không, sản phẩm được làm khô hoặc kết tinh rơi xuống và

được vít tải 8 tải ra ngoài Những hạt vật liệu khô nhỏ bị cuốn theo hơi ẩm được tách

bằng xyclon 10, còn hơi ẩm được hút qua thiết bị ngưng tụ và bơm chân không ra ngoài

b) Máy sấy gỗ chân không:

Hình 2.3 Sơ đồ máy sấy gỗ chân không

1: Bản lề cửa 6: Ống dẫn khí

2: Nắp buồng sấy 7: Bộ ngưng tụ hơi nước

3: Buồng sấy 8: Bơm chân không

4: Tủ điều khiển 9: Van điện từ

5: Đồng hồ đo áp suất 10: Đế buồng sấy

 Nguyên lý hoạt động:

Gỗ xẻ theo quy cách được xếp vào xe goòng và đưa vào buồng sấy, giữa các lớp gỗ sấy là các thanh kê Trong buồng sấy có bố trí các bộ phận gia nhiệt, các quạt gió và

bộ phận cảm biến nhiệt độ Bên ngoài buồng sấy bố trí bơm hút chân không, bộ ngưng

tụ ẩm và tủ điều khiển khi sấy bộ phận gia nhiệt sẽ đốt nóng không khí trong buồng sấy, nhờ quạt gió không khí nóng sẽ được phân bố đều trong buồng sấy và làm cho gỗ nóng lên Nhiệt độ được khống chế bởi cảm biến, thời gian gia nhiệt được cài đặt định thì nhờ bộ cài đặt thời gian Khi thời gian gia nhiệt hết, thông qua bộ điều khiển thời gian, rơle điều khiển bơm chân không và van điện từ đóng mạch cho bơm chân không hoạt động, thông qua bộ cảm biến áp suất, áp suất trong buồng sấy được duy trì ở mức

độ cố định Khi thời gian hút chân không hết bộ định thì thời gian lại ngắt mạch bơm chân không và van điện từ đồng thời tác động lên rơle điều khiển nguồn nhiệt đóng

mạch Cứ thế các chu kì gia nhiệt hút chân không được lặp lại nhiều lần cho đến khi gỗ sấy đạt được ẩm độ mong muốn

c) Máy sấy chân không SPT – 200:

Hình 2.4: Sơ đồ máy sấy chân không SPT – 200

1 Động cơ 7 Chân không kế

2 Bơm chân không 8 Van đóng mở chân không giữa buồng sấy và bơm

chân không

3 Hệ thống ống dẫn 9 Van đóng mở không khí bên ngoài

4 Buồng sấy 10 Nút điều chỉnh nhiệt độ

5 Công tắc 11 Hoạt chất hút ẩm cilicagel

cilicagel (11) làm cho một phần lớn ẩm được giữ lại ở đây để không khí khô ( không

hòa tan) đi vào nhằm bảo vệ bơm chân không

 Thông số kỹ thuật máy chân không SPT – 200

– Máy do BaLan sản suất năm 1987

– Điện thế sử dụng : 220V, 50hz

– Công suất điện trở cung cấp nhiệt : 1200W

– Khoảng nhiệt độ có thể thay đổi được : 0  200 oC

– Độ chính xác khi hiệu chỉnh nhiệt độ : 2oC

– Áp suất chân không : 0.075 bar

2.3 Các giai đoạn vận tốc sấy :

 Đường cong vận tốc sấy : Hiển thị quan hệ giữa vận tốc sấy và độ ẩm của sản

phẩm sấy, được xác định bằng thực nghiệm

Hình 2.5 Đường cong sấy W=f(t) Hình 2.6 Đường cong vận tốc sấy

Quá trình sấy đến độ ẩm cân bằng gồm các giai đoạn chính :

 Giai đoạn đốt nóng sản phẩm sấy, tương ứng với đoạn AB

 Giai đoạn vận tốc sấy không đổi (đẳng tốc), đoạn BK1

 Giai đoạn vận tốc sấy giảm dần, tương ứng với đoạn K1C

 Điểm K1 gọi là điểm tới hạn, tương ứng với độ ẩm tới hạn Wth, tại đó xuất hiện

ẩm tự do

 Việc xác định hai giai đoạn sấy có ý nghĩa quan trọng để thiết lập chế độ sấy phù hợp với từng giai đoạn sấy và từng loại sản phẩm sấy

2.4 Xả ẩm:

Quá trình xả ẩm ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy được chia ra làm hai quá trình:

2.4.1 Quá trình khuếch tán nội (trong lòng vật liệu sấy)

Quá trình khuếch tán nội là quá trình chuyển dịch ẩm từ các lớp bên trong ra lớp bề mặt của vật ẩm Động lực của quá trình này là do sự chênh lệch nồng độ ẩm giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt Qua nghiên cứu ta thấy rằng ẩm dịch chuyển từ nơi

có phân áp suất cao đến nơi có phân áp suất thấp Như ta đã biết do nhiệt độ tăng nên phân áp suất giảm Do đó tùy thuộc vào phương pháp sấy và thiết bị sấy mà dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nồng độ ẩm và dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nhiệt độ có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với nhau

Ta có thể biểu thị tốc độ khuếch tán nội bằng phương trình sau:

dx

dc F k d

dW

.





Trong đó: W – Lượng nước khuếch tán, kg;

dτ – Thời gian khuếch tán, giờ;

2.4.2 Quá trình khuếch tán ngoại

Quá trình khuếch tán ngoại là quá trình dịch chuyển ẩm từ lớp bề mặt của vật liệu sấy vào môi trường không khí xung quanh Động lực của quá trình này là do sự chênh phân áp suất hơi trên bề mặt của vật ẩm và phân áp suất hơi trong môi trường không khí

Lượng nước bay hơi trong quá trình khuếch tán ngoại thực hiện được dưới điều kiện

áp suất hơi nước trên bề mặt (Pbm) lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong

không khí (Pkk) Sự chênh lệch đó là P P bmP kk Lượng hơi nước bay hơi tỷ lệ thuận với P, với bề mặt bay hơi và thời gian làm khô ta có:



d F P P B

dW  ( bm  kk) .

Tốc độ bay hơi nước được biểu diễn như sau:

F P P B d

Trong đó: W – Lượng nước bay hơi, kg

F – Diện tích bề mặt bay hơi, m2

dτ – Thời gian bay hơi, giờ

B – Hệ số bay hơi

2.5 Tổng quan về bộ điều khiển sử dụng PID

Một hệ thống điều khiển PID nói chung đều có mô hình tổng quan dưới dạng:

Quá trình điều khiển theo mô hình trên là một quá trình khép kín Giá trị

setpoint-SP là giá trị đặt trước mà hệ thống phải làm việc xung quanh giá trị đó tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng của hệ thống Việc đảm bảo tính ổn định cũng như chất lượng của

hệ thống thực chất là đưa hệ thống luôn bám sát SP với độ sai lệch nhỏ nhất và thời gian quá độ nhanh nhất

Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: tỉ lệ (P), vi phân (D), tích phân (I) Mỗi thành phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống Cụ thể:

2.5.1 Thành phần tỉ lệ (P):

Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t)

Phương trình sai phân mô tả động học: u(t) =

Trong đó:

u(t): Tín hiệu ra của bộ điều khiển

e(t): Tín hiệu vào

KP: Hệ số khếch đại của bộ điều khiển

 Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

2.5.2 Thành phần tích phân (I)

Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch e(t)

Phương trình vi phân mô tả động học:

Trong đó: U(t): Tín hiệu điều khiển

e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển

Ti: Hằng số thời gian tích phân

 Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

+ Ưu điểm: Bộ tích phân loại bỏ được sai lệch dư của hệ thống, ít chịu ảnh hưởng tác

động của nhiễu cao tần

+ Nhược điểm: Bộ điều khiển tác động chậm nên tính ổn định của hệ thống kém

2.5.3 Thành phần vi phân (D)

Tín hiệu ra của bộ điều khiển tỉ lệ với vi phân tín hiệu sai lệch e(t)

Phương trình vi phân mô tả động học:

U(t) =

Trong đó: e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển

U(t): Tín hiệu điều khiển

Td: Hằng số thời gian vi phân

 Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

+ Ưu điểm: Luật điều khiển vi phân có đặc tính tác động nhanh, đây là một đặc tính

mà trong điều khiển tự động thường rất mong muốn

+ Nhược điểm: Khi trong hệ thống dùng bộ điều khiển có luật vi phân thì hệ thống

dễ bị tác động bởi nhiễu cao tần, đây là loại nhiễu thường tồn tại trong công nghiệp

2.5.4 Các phương pháp xác định tham số K P , K I , K D cho hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID

Cấu trúc:

Hàm truyền đạt:

 W(p) =

Mô hình:

+ K P : Thay đổi trực tiếp giá trị tín hiệu ra => thay đổi sai lệch tĩnh, đáp ứng nhanh, bị

ảnh hưởng bởi nhiễu ở mọi tần số

+ K I: Sai lệch tĩnh bằng 0 khi hệ thống được kích thích bằng tín hiệu hằng, giảm độ

- Đối tượng là khâu quán tính bậc 1 hoặc bậc cao

Hình 2.10 Khâu quán tính bậc 1 hoặc bậc cao

- Xấp xỉ về dạng quán tính bậc 1 có trễ

2.6 Các phương pháp điều khiển số

2.6.1 Điều khiển On - Off

 Đây là loại điều khiển tương đối đơn giản nhất, được dùng trong các loại sản phẩm phục vụ cho gia đình như máy điều hòa nhiệt độ, lò nhiệt… Khi lò nhiệt có nhiệt

độ nhỏ hơn giá trị nhiệt độ đặt, bộ nhiệt sẽ bật lên với công suất cực đại Khi lò nhiệt

có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ đặt, bộ nhiệt sẽ tắt lò Quá trình 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 với nhiệt độ đặt

2.6.2 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ

o Đây là hình thức điều khiển tốt hơn điều khiển On - Off bằng cách cung cấp năng lượng cho lò nhiệt dựa vào sự khác biệt về nhiệt độ giữa lò nhiệt và nhiệt độ đặt, với P được xem là độ khuếch đại tỉ lệ của bộ điều khiển

W = P(Tđặt – Tđo) Khi P tăng, sự đáp ứng quá độ nhanh hơn nhưng ngược lại, hệ thống có nhiệt độ nằm dưới mức nhiệt độ điều khiển và không ổn định

2.6.3 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ PD

 Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều khiển tỉ lệ với độ khuếch đại lớn,

có thể được giảm đi khi thêm vào đó là khâu vi phân cho tín hiệu sai số

2.6.4 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID

 Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai

số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp

là không chấp nhận được đối với mạch động lực Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứng

nhanh hơn Khâu tích phân tỉ lệ (PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẫn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu Muốn tăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc

- Hàm truyền trong miền ảnh laplace:

 Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị Kp, Ki, Kd sao cho thỏa mãn các yêu cầu

về chất lượng Hiệu quả của phương phương pháp này là điều khiển được năng lượng

lò nhiệt cho đến khi sai số trung bình của giá trị nhiệt độ là 0

2.7 Tra cứu các linh kiện điện tử

2.7.1 Tìm hiểu contactor quang – solid state relay

Hình 2.13 Contactor quang và solid state relay

Solid state relay (ssr) là thiết bị điện từ, dùng để cách ly và điều khiển giữa mạch điều khiển có công suất bé và mạch động lực có công suất tải lớn Có khả năng chịu dòng cao (từ 10A 75A dành cho điện áp ngõ ra 300VAC và 50A 75A dành cho điện áp 600 VAC) Do trong SSR, các phần tử được cách ly, không có đóng ngắt bằng tay như các công tắc cơ khí nên không tạo nên tia lửa điện hay hồ quang điện

trong quá trình đóng ngắt Đồng thời, thời gian delay cho quá trình đóng ngắt là 3ms, thời gian trễ này nhằm ngăn ngừa những xung điện đột ngột trong quá trình đóng ngắt

2.7.2 Cảm biến nhiệt độ LM35

Các bộ cảm biến LM35 là các bộ cảm biện nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang đo Cesius Chúng cũng không cần cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh Chúng đưa ra điện áp 10

mV cho mỗi sự thay đổi 10 oC

Hình 2.14 Cảm biến LM35

 Đặc điểm chính của cảm biến LM35

+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC

+ Độ chính xác cao ở 250C là 0.50C

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mV tải

Dải nhiệt độ được của LM35 là từ -55 0C – 150 0C với các mức điện áp ra khác nhau

2.7.3 Tìm hiểu vi điều khiển PIC 16f877A

 PIC (Programable Intelligent Computer) do hãng General Instrument đặt tên, con vi điều khiển đầu tiên của họ là PIC1650 Hãng Microchip tiếp tục phát triển các dòng sản phẩm này Cho đến nay, các sản phẩm vi điều khiển PIC của Microchip đã gần 100 loại, từ họ 10Fxxx đến các họ 12Cxxx, 17Cxx, 16Fxx, 16Fxxx,16FxxxA, 16LFxxxA, 18Fxxx, 18LFxxx

Hình 2.15 Vi điều khiển pic 16F877A

Hình 2.16 Sơ đồ chân pic 16F877A

Những tính năng chính của PIC 16F877A:

 8 K Flash ROM

 368 bytes RAM

 256 bytes EEPROM

 Port I/O (A, B, C, D, E), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập

 Bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2

 1 bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài

 Bộ CCP, Capture/Compare/PWM - tạm gọi là: Bắt giữ / So sánh / Điều biến xung

 1 bộ biến đổi tương tự – số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào

 2 bộ so sánh tương tự (Comparator)

 1 bộ định thời giám sát (WDT – Watch Dog Timer)

 1 cổng song song (Parallel Port) 8 bit với các tín hiệu điều khiển

 1 cổng nối tiếp (Serial Port)

 15 nguồn ngắt (Interrupt)

 Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode)

 Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSPTM (In-Circuit Serial Programing)

 Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS

 35 tập lệnh có độ dài 14 bit

 Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz