THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 4 KÊNH, 3 CHẾ ĐỘ Hiện tại bộ điều khiển nhiệt độ cho lò sấy của công ty được nhập từ Nhật bản với gía thành cao và mỗi bộ chỉ điều khiển được 1 kênh. Nhiệm vụ của đề tài này là thiết kế và thi công 1 bộ điều khiển 4 kênh (4 lò) với 3 chế độ điều khiển là: ONOFF, PID VÀ FUZZY, sai số cho phép ±5%, có khả năng giao tiếp máy tính. Đối tượng điều khiển là lò sấy có 4 vùng nhiệt độ cần điều khiển độc lập.
Trang 1THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 4
KÊNH, 3 CHẾ ĐỘ
Lê Tiến Lộc, Nguyễn Trung Quang
SV Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Lạc Hồng
ABSTRACT After employment history at the Nec/Tokin company, So The realities of
prodution that research group was perform a contract “The Temperature Controller with 4 channels and 3 modes” in order to reduce company’s investing
and to enhance of use The system response has stable and no overshoot.
Keywords: Temperature controller, ON/OFF method, PID, FUZZY, Ziegler-Nichols tuning method.
Hiện tại bộ điều khiển nhiệt độ cho lò sấy của công ty được nhập từ Nhật bản với gía thành cao và mỗi bộ chỉ điều khiển được 1 kênh Nhiệm vụ của đề tài này là thiết kế
và thi công 1 bộ điều khiển 4 kênh (4 lò) với 3 chế độ điều khiển là: ON/OFF, PID VÀ FUZZY, sai số cho phép ±5%, có khả năng giao tiếp máy tính
Đối tượng điều khiển là lò sấy có 4 vùng nhiệt độ cần điều khiển độc lập
Mô hình lò sấy cần điều khiển
Nhiệt độ là đối tượng khó đo lường vì dễ phát sinh nhiễu nhất là trong môi trường sản xuất công nghiệp như nhà máy, xí nghiệp… Biện pháp giải quyết của nhóm là mắc thêm tụ để lọc nhiễu (phần nguồn và tín hiệu vào) đồng thời kết hợp xử lý chống nhiễu bằng phần mềm
Để thực hiện thuật toán chuyển đổi từ điện áp trả về tại đầu dò ra nhiệt độ đòi hỏi thực hiện nhiều phép toán nâng cao như hàm mũ, logaric… mà dùng vi điều khiển để thực hiện thì thời gian đáp ứng là rất chậm Sau một thời gian tối ưu hóa thuật toán vẫn không thành công biện pháp được nhóm đề xuất là lập bảng tra giá trị quy đổi từ tín
Con hàng sau khi sấy
Băng tải chuyền sản phẩm
Điện trở nhiệt
để nung lò 1
Con hàng
trước khi sấy
Đầu dò nhiệt độ Thermocouple loại K
Trang 2hiệu đầu vào tương ứng với nhiệt độ thực tế, kết quả là tốc độ xử lý rất nhanh gần như tức thời
Vi điều khiển AVR là họ vi điều khiển tương đối mới của hãng ATMEL, để tiếp cận cách sử dụng nó và ứng dụng vào đề tài trong khoảng thời gian ngắn là một cố gắng
nỗ lực hết mình của nhóm (thiết kế mạch nạp, mạch điều khiển, kiến trúc VĐK AVR, phần mềm lập trình, phần mềm nạp, ngôn ngữ lập trình…)
1 Điều khiển kiểu ON/OFF:
Là phương pháp điều khiển đơn giản dễ thiết kế và giá thành rẻ, nhưng điều khiển sẽ bị dao động quanh nhiệt độ đặt chứ không ổn định Phương pháp này thường dùng trong những đối tượng cho phép khoảng nhiệt rộng
Đầu ra của bộ điều khiển chỉ có hai vị trí phụ thuộc vào dấu của sai lệch Nếu hai
vị trí này là đóng hoàn toàn và mở hoàn toàn thì người ta gọi đó là điều khiển on-off Hầu hết các bộ điều khiển hai vị trí đều có thêm vùng trung hòa để ngăn ngừa sự dao động của đầu ra (là dao động của hai vị trí đầu ra khi sai lệch quanh quẫn bên điểm đặt) Vùng trung hòa là vùng quanh điểm đặt mà tại đó không diễn ra một hành động điều khiển nào Độ sai lệch phải vượt qua vùng này thì mới xảy ra hành động điều khiển [3]
Đồ thị mô tả phương pháp điều khiển ON/OFF
2 Điều khiển kiểu PID:
Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống sẽ xác định sai khác giữa trạng thái mong muốn và trạng thái thực (sai số) và tạo ra lệnh điều khiển để loại bỏ sai số Điều khiển PID thực hiện ba cách phát hiện và hiệu chỉnh sai số này
Cách thứ nhất là P (proprotional – tỷ lệ) trong PID Thuật ngữ này cho biết hoạt động điều khiển của bộ vi điều khiển tỷ lệ với sai số Nói cách khác, sai số càng lớn thì
sự hiệu chỉnh sai số càng cao [4]
Phương trình trong miền thời gian :
y(t) = Kp.e(t)+y0 (1)
Trang 3Hàm truyền :
G(s) = Kp (2) Cách thứ hai là I (integral – tích phân) trong PID, để tích phân lỗi theo thời gian, có nghĩa là hiệu chỉnh sai số có tính đến thời gian xảy ra sai số Nói cách khác, sai số xảy
ra trong thời gian càng dài thì sự hiệu chỉnh lỗi càng cao [4]
Phương trình trong miền thời gian:
y(t)=KI.
t
0 e(t)dt + y0 (3) Hàm truyền: G(s)=KI/s (4)
Cuối cùng là D (derivative – đạo hàm) trong PID, có nghĩa là việc hiệu chỉnh sai số có liên quan đến đạo hàm hoặc thay đổi sai số đối với thời gian Nói cách khác, sai số thay
đổi càng nhanh thì hiệu chỉnh sai số càng lớn [4]
Phương trình trong miền thời gian:
dt
t de KD t
y( ) ( ) (5)
Bộ điều khiển PID bao gồm cả ba bộ điều khiển : vi phân, tích phân, tỷ lệ Tức là kết hợp tất cả ưu điểm của các bộ điều khiển kể trên : tích phân loại bỏ sai lệch tĩnh, vi phân giảm khuynh hướng dao động và tính trước giá trị tương lai của sai lệch đặc biệt hữu dụng khi tải thay đổi bất ngờ [4]
Phương trình trong miền thời gian :
y(t) = KP.e(t)+KI.
t
yo dt t e
0 ).
Hàm truyền: G(s) = KP + KI/s + KD.s (8)
Từ (1), (3), (5), (7) dùng phép biến đổi Laplace trên miền thời gian (t) ta có các hàm truyền (2), (4), (6), (8) Xem chi tiết tại tài liệu tham khảo [4]
Hệ thống điều khiển có thể sử dụng P, PI, PD, hoặc PID để hiệu chỉnh sai số Nhìn chung, vấn đề ở đây là “hiệu chỉnh” hệ thống bằng cách lựa chọn những giá trị thích hợp trong ba cách nêu trên
Trang 4Đồ thị mô tả phương pháp điều khiển PID
3 Điều khiển kiểu FUZZY:
Trong lĩnh vực tự động hóa, việc điều khiển các đối tượng như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ ẩm, vận tốc, gia tốc… luôn là một bài toán khó vì tính chất phi tuyến của các đối tượng này Phương pháp điều khiển mờ, Fuzzy Logic, đưa ra cách thức điều khiển dựa trên các luật phát biểu gần với suy nghĩ của con người thay vì dựa trên các phương trình toán học phức tạp [6]
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
Thiết kế PID mờ [6]
Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển Analog cũng như Digital Việc thiết kế bộ PID kinh điển thường dựa trên phương pháp Zeigler-Nichols, Offerein, Reinish … Ngày nay người ta thường dùng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa trên phầm mềm), đây chính là cơ sở của thiết kế PID mờ hay PID thích nghi
Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ
Trang 5III PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
Thiết kế và thi công mạch đo nhiệt độ sử dụng Thermocouple loại K
Thiết kế và thi công mạch khuếch đại không đảo sử dụng Opam OP07 và LM324
Tìm hiểu về vi điều khiển AVR và phương pháp chuyển đổi ADC (Analog to Digital Convert)
Tìm hiểu về các phương pháp điều khiển nhiệt độ ON/OFF, PID Và FUZZY Thiết kế chương trình giao diện của bộ hiển thị trên LCD 20x4 và phím nhấn giao tiếp người dùng
Tiến hành điều khiển lò nhiệt thực tế để cân chỉnh các thông số điều khiển Thiết kế mạch giao tiếp máy tính để gửi thông số điều khiển và đáp ứng ngõ ra
Sơ Đồ Khối Chi Tiết Của Hệ Thống:
Nguyên lý hoạt động:
Để cho mạch nhỏ gọn nhóm đã lựa chọn sử dụng vi điều khiển AVR ATMEGA
32 của hãng ATMEL tích hợp sẵn bộ ADC 8 kênh Chi tiết tại tài liệu tham khảo [1]
Đối tượng cần đo là đại lượng nhiệt độ ta chọn Thermocouple loại K để biến đổi thông số thành đại lượng điện ,đưa vào mạch chế biến tín hiệu (gồm:bộ cảm biến,hệ thống khuếch đại,xử lý tín hiệu)
Bộ chuyển đổi tín hiệu số ADC(Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với khối xử lý trung tâm
Bộ vi xử lý có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ
sở trình tự những lệnh chấp hành đã được lập trình trước đó
Cảm Biến 1
Cảm Biến 2
1
Cảm Biến 3
Cảm Biến 4
Khuếch Đại tín hiệu đo
Khuếch Đại tín hiệu đo
Khuếch Đại tín hiệu đo
Khuếch Đại tín hiệu đo
Dồn Kênh tương tự
Khối ADC Khối xử lý trung tâm
Khối bàn phím
Khối Giao Tiếp Máy Tính Khối Hiển Thị Khối Công Suất
Trang 6Bộ dồn kênh tương tự (multiplexers) và bộ chuyển ADC được dùng chung tất cả
các kênh Dữ liệu nhập vào vi xử lý sẽ có tín hiệu chọn đúng kênh cần xử lý đê đưa vào
bộ chuyển đổi ADC và đọc đúng giá trị đặc trưng của nó qua tính toán để có kết quả
của đại lượng cần đo
Khối bàn phím là những nút nhấn để người dùng nhập thông số điều khiển
Khối giao tiếp máy tính dùng Max232 để truyền nhận dữ liệu từ máy tính
Khối công suất dùng SSR (Solid State Relay) để cung cấp năng lượng nung điện
trở nhiệt đốt lò
Khối hiển thị dùng LCD 20x4 để thông báo nhiệt độ đặt, nhiệt độ đo và chế độ điều
khiển
Sơ Đồ Mạch:
1 Mạch khuếch Đại:
Qua quá trình tham khảo một số mạch khuếch đại đầu dò cuối cùng nhóm đề
nghị sử dụng mạch sau, vì tính ổn định cũng như đơn giản trong thiết kế xem chi tiết
nguyên lý tại tài liệu tham khảo [2]
1M
10K
VR4
-+ LM324
3
10K
PORTRIGHT-L VCC
10uF
<Doc> <RevCode>
<Title>
A3
Title
Size Document Number Rev
-+ U1
OP-07
3
7 1
4 8 10K
20K VR9
VCC
300k
4.7V
20K
VDD
10K
VDD
TC+
10uF
TC-390k 4.7V
VCC
100K
Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ Nguyên lý hoạt động:
- Do tín hiệu thu được tại đầu dò(TC+ TC-) là rất nhỏ nên phải qua 2 tầng khuếch
đại rồi đưa vào khối xử lý trung tâm Tầng khuếch đại 1 dùng OP07 là loại
Opam khuếch đại tín hiệu nhỏ Tầng 2 dùng LM324 để khuếch đại tín hiệu thêm
một lần nữa trước khi xử lý
- Diode zener tạo mức điện áp ghim để khi hở mạch đầu dò thì tín hiệu ra là tối đa
- VR9 là biến trở chỉnh Offset (chỉnh về 0)
- VR4 là biến trở dùng để chỉnh độ khuếch đại cho tầng 1
Trang 72 Mạch Xử Lý Trung Tâm:
VCC(12v)
R1
R
ISO6 OPTO ISOLATOR-A
VCC(5v)
VCC(5v)
C3
CAP NP
D3
LED
VCC
R2
R
VCC(12v)
C1 C
ad1 ad3
R3
R
ad2
D2
LED
R6
R
VCC(5V)
VCC(12v)
ISO5 OPTO ISOLATOR-A
LCD
R4
R
NUT RESET
1 2
R5 R
J5
CON12
1
2
4
5
11
12
14
16
VCC(5v)
J1
CON2
1
Y1 CRYSTAL
VCC(5v)
J4
CON2
1
D4
LED
ISO7 OPTO ISOLATOR-A
J2
CON2
1
ad0
D1
LED
VCC
ISO8 OPTO ISOLATOR-A
C2
C
U1 ATMEGA32
32
31 13
12
9
33 35 37 39 40 1
2 4 5 7
29 27 26 24 22
14 16 17 19 21
AREF AVCC
a X1
X2
RST
PA7/ADC7 PA6/ADC6 PA4/ADC4 PA2/ADC2 PA1/ADC1PAO/AD0 PB0
PB2 PB4 PB5 PB7
PC7 PC6 PC6 PC4 PC2
PD0 PD1 PD3 PD4 PD6
U2
BANPHIM
1
2
4
1
3
J3
CON2
1 2
VCC(5V)
VCC(12v)
C4
CAP NP
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Nguyên lý hoạt động:
- Tín hiệu thu được từ đầu dò sẽ qua mạch khuếch đại, sau đó vào chân ADC của
Vi Điều Khiển ATMEGA32 Tại đây tín hiệu này sẽ được xử lý (bằng chương trình đã được lập trình và nạp vào trước đó) để đưa ra nhiệt độ hiện tại
- Từ nhiệt độ hiện tại vi điều khiển sẽ tính toán và xuất ra tín hiệu điều khiển dựa vào những phương thức điều khiển được chọn lựa như ON/OFF, PID hay FUZZY Tín hiệu này được đưa đến khối công suất gồm bộ OPTO PC817 Khi nhiệt độ đo nhỏ hơn nhiệt độ đặt OPTO dẫn điện làm kích bộ SSR (Solid State Relays – Relay bán dẫn) và
sẽ cầp nguồn để nung điện trở nhiệt bên trong lò
- Nhiệt độ của lò cũng như phương thức điều khiển sẽ được cài đặt thông qua khối bàn phím giao tiếp người dùng Khối LCD dùng để hiển thị tất cả những thông số cài đặt và thông số điều khiển
Trang 8Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý ON/OFF như sau:
No
Yes
Điều Khiển ON/OFF
Nhập các thông số
- Dự trữ độ trôi nhiệt αT%T%
- Nhiệt độ đặt: đặt
Đọc nhiệt độ lò: Tđo
Tđo > T đặt αT%T
%
Ton = ∞ Toff = 0
Ton = 0 Toff = ∞
Kết Thúc
Trang 9Lưu đồ giải thuật của chương trình xử lý PID như sau: [5]
Đúng
Sai
Sai
Đúng
Điều khiển PID
Nhập các thông số Kp, Ki, Kd
Tính: A0 = Kp ++
A1 = -Kp -+; A2 =
Tính sai số: e(0)= Nhiệt độ đặt – Nhiệt độ hiện tại
Tính u = A0*e(0) + A1*e(-1) + A2*e(-2) + u(-1)
Gán sai số ban đầu: e(-2) = e(-1) = 0, u(-1) = 0
u > 0
Xuất xung Ton = *T ; Toff = T-Ton
Kết thúc
Gán u = 0
Gán lại e(-2) = e(-1) ; e(-1)=e(0), u(-1)= u
Một chu kỳ điều khiển
Các ký hiệu:
+ e(0) là sai số giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ đo ở chu kỳ hiện tại
+ e(-1) là sai số ở chu kỳ trước đó
+ e(-2) là sai số ở chu kỳ trước chu kỳ hiện tại hai chu kỳ
u < umax Gán u = umax
Umax = e0*A0
Trang 10IV KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI:
Nhờ vào khả năng giao tiếp máy tính, bộ điều khiển sẽ trả tín hiệu về và ta dùng chương trình MATLAB để thu thập và vẽ đồ thị biểu diễn đáp ứng của lò như sau
1 Kết Quả Điều Khiển ON/OFF Và Đáp Ứng Thực Tế Của Lò:
- Vùng nhiệt độ thay đổi nằm trong khoảng sai số cho phép là ±50 (nhưng phải chọn đúng độ trôi nhiệt và nhập vào hệ thống)
- Hạn chế là ở mỗi tầm nhiệt độ đặt có độ dự trữ trôi nhiệt khác nhau cần phải xác định chính xác để giảm độ trôi nhiệt
- Chấp nhận được cho những sản phẩm không yêu cầu nhiệt độ quá chính xác
Đồ thị thu được dựa vào đáp ứng của lò với phương pháp ON/OFF
2 Kết Quả Điều Khiển PID Và Đáp Ứng Thực Tế Của Lò:
Đồ thị thu được dựa vào đáp ứng của lò với thông số PID (Kp=200; Ki=150; Kd=80)
Trang 11Ta thấy với thông số như trên độ vọt lố gần như không có và thời gian tăng trưởng chấp nhận được
Đáp ứng tốt nếu thông số PID hợp lý (Sau vài lần thử sai, cuối cùng hệ thống đạt đáp ứng mong muốn vớiKp=200; Ki=150; Kd=80)
Độ vọt lố có thể khống chế đến mức thấp nhất bằng cách giảm thông số Kd
Có thể thay đổi thời gian tăng trưởng của hệ bằng cách điều chỉnh Kp
Hệ nhanh ổn định sau thời gian xác lập
Do FUZZY là giải thuật điều khiển tương đối mới và vì thời gian cũng như kiến thức có hạn nên đối với phần này nhóm chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết Đây cũng xem như là hướng mở rộng của đề tài, và nếu có điều kiện nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu thêm để hoàn thiện
V LỜI CẢM ƠN
Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn tập thể ban lãnh đạo công ty
Nec/Tokin Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nhóm trong quá trình nghiên
cứu thực hiện đề tài
Nhóm nghiên cứu cũng gởi lời biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô đã hết lòng truyền thụ những kiến thức quý báu trong thời gian qua Đặc biệt xin chân thành cám ơn sự
hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Thanh Sơn và thầy Nguyễn Hoàng Huy đã theo
sát hỗ trợ nhóm trong quá trình thực hiện đề tài
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[3 ] www.w-dhave.inet.co.th/index/TempControl/TemperatureControl.pdf
[4] Điều khiển tự động (1,2), Nguyễn Thị Phương Hà, NXB KHKT
[5] Bài hướng dẫn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ ĐH Bách Khoa TP HCM
[6] Lý thuyết điều khiển mờ, Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, NXB KHKT Hà Nội