Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý trong điều khiển lò xấy gỗ tự động

Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý trong điều khiển lò xấy gỗ tự động Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý trong điều khiển lò xấy gỗ tự động Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý trong điều khiển lò xấy gỗ tự động luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TRONG ĐIỀU KHIỂN LÒ XẤY GỖ TỰ ĐỘNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HỒNG QUANG

HÀ NỘI - 2009

lời cam đoan

Tôi xin cam đoan bản luận văn này do tôi thực hiện Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn tôi không sao chép tài liệu hoặc bản thiết kế của người khác

Người thực hiện

Lương Đức Thịnh

Lời nói đầu

Trong mỗi chỳng ta ai cũng đó từng nghe đến cõu tục ngữ “ Rừng vàng

biển bạc “để núi lờn sự phong phỳ của thiờn nhiờn việt nam Một trong những yếu tố tạo nờn rừng vàng chớnh là gỗ gỗ đó gắn liền với cuộc sống của con người chỳng ta cả ngàn năm : Gỗ dựng để làm nhà , gỗ dựng làm đồ sử dụng , gỗ dựng làm vật sưởi ấm Ngày nay sau những năm thỏng đổi mới cựng với sự phỏt triển

của xó hội nhu cầu xõy dựng, tiờu dựng tăng cao Đặc biệt được sự quan tõm của đảng và chớnh phủ mụi trường đầu tư trở lờn thụng thoỏng nghành cụng nghiệp chế biến lõm sản đó cú những bước phỏt triển và cỏc sản phẩm từ gỗ ngày càng khẳng định chỗ đứng của mỡnh

Tuy nhiờn cỏc sản phẩm từ gỗ thường xảy ra hiện tượng cong vờnh trong quỏ trỡnh sử dụng mà nguyờn nhõn chớnh của nú là gỗ chưa được xử lý xấy tốt Trước đây phương pháp sấy gỗ chủ yếu là bằng cách hong phơi theo tự nhiên, phương pháp này chịu nhiều ảnh hưởng của thời tiết mà chất lượng sau khi hong phơi thì không đạt kết quả cao,gỗ thường bị nứt nẻ sau khi phơi cáng gay khó khăn cho việc gia công ở các giai đoạn sau Ngày nay cựng với sự phỏt triển của khoa học kỹ thuật cỏc bộ điều khiển lũ xấy gỗ tự động ra đời đó nõng cao khả năng xấy giỳp cho sản phẩm gỗ đạt được chất lượng mong muốn.Tuy nhiờn hiện nay cỏc bộ điều khiển lũ xấy gỗ chủ yếu là nhập ngoại với giỏ thành rất cao vỡ vậy trong đồ ỏn này em xin đăng ký đề tài ‘ nghiờn cứu ứng dụng vi xử lý trong điều khiển lũ xấy gỗ tự động “để tạo ra sản phẩm mang thương hiệu việt Nhiệm vụ đầu tiờn là mụ hỡnh hoỏ đối tượng điều khiển sau đú chọn cấu trỳc điều khiển là điờu khiển phản hồi - một cấu trỳc được ỏp dụng trong hầu hết cỏc hệ thống điều khiển tự động mà bộ điều khiển PID cũng là bộ điều khiển thớch hợp trong phần

lớn cỏc bộ điều khiển cụng nghiệp Tuy nhiờn việc thực nghiệm xỏc định mụ hỡnh toỏn học của đối tượng điều khiển cú thể cũn thiếu những thụng tin quan trọng cần cho việc thiết lập cỏc tham số bộ điều khiển hơn nữa ảnh hưởng của nhiễu

không đo được cũng là những yếu tố khiến cho việc xác định tham số của bộ điều khiển chưa thoả mãn Do đó việc áp dụng bộ điều khiển PID truyền thống gặp nhiều khó khăn nên nhiệm vụ đầu tiên của đề tài là thiết kế bộ điều khiển mờ tự

chỉnh giúp nâng cao chất lượng điều chỉnh Sau khi đã tính toán thiết kế xong bộ điều khiển mờ tự chỉnh nhiệm vụ tiếp theo của luận văn là thiết kế hệ thống thực

tế và chỉnh định các tham số để hệ thống hoạt động với chất lượng tốt nhât

Bản luận văn bao gồm năm chương :

Chương môt : Tổng Quan công nghệ xấy gỗ

Chương hai : Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình

Chương ba : Điều khiển mờ

Chương bốn : Xây dựng mô hình bộ điều khiển mờ tự chỉnh và các kết

quả mô phỏng trên MATLAB

Chương năm: Thiết kế hệ thống lò xấy gỗ tự động

Do khả năng còn hạn chế nên bản thiết kế không tránh khỏi thiếu sót tôi rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy , cô và các bạn đông nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Hồng Quang đã tận tình

hướng dẫn và tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất để quá trình thực hiện đề tài được thuận lợi

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô đã tận tình giúp đỡ trong quá trình đào tạo tại bộ môn tự động hoá xí nghiệp công nghiệp – khoa điện trường ĐHBK

Hà Nội

Lương Đức Thịnh

MỤC LỤC

Lời cam đoan 1

Lời đầu 2

Mục lục mở 4

Danh mục hỡnh vẽ 7

Chương 1: TỔNG QUAN CễNG NGHỆ XẤY GỖ 10

1.1 Khỏi quỏt về vấn đề xấy gỗ 10

1.1.1 Khỏi quỏt về lịch sử xấy gỗ trờn thế giới 10

1.1.2 Thực trạng công nghệ xấy gỗ tại việt nam 11

1.2 Cơ sở lý thuyết cho công nghệ xấy gỗ 11

1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xấy 11

1.2.2 Lựa chọn quy trình sấy gỗ 15

Chương 2:cơ sơ hệ thống điều khiển quá trình 19

2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển quá trình 19

2.1.1 Quá trình và các biến quá trình 19

2.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 21

2.2 Mô hình hoá quá trình 23

2.2.1 Đặt vấn đề 23

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 24

2.3 Cơ sở thiết kế điều khiển 26

2.3.1 Cấu trúc điều khiển 26

2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển 28

Chương 3: điều khiển mờ 30

3.1 Khái niệm cơ bản 30

3.1.1 Định nghĩa tập mờ 30

3.1.2 Biến ngôn ngữ 30

3.1.3 Luật hợp thành mờ 31

3.2 Thiết kế hệ điều khiển mờ 34

3.2.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản 34

3.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ 35

3.2.3 Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 37

3.2.4 Xây dựng luật điều khiển 40

3.2.5 Chọn thiết bị hợp thành 42

3.2.6 Chọn nguyên lý giải mờ 42

3.3 Các bộ điều khiển mờ 42

3.3.2 Bộ điều khiển theo luật PI 43

3.3.3 Bộ điều khiển theo luật PD 43

3.3.4 Bộ điều khiển mờ PID 44

3.3.5 Bộ điều khiển mờ thích nghi 44

Chương 4: XÂY DỰNG Mễ HèNH BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TỰ CHỈNH VÀ CÁC KẾT QUẢ Mễ PHỎNG MATLAB 46

4.1 Mụ hỡnh bộ điều khiển mờ tự chỉnh 46

4.1.1 Đặt vấn đề 46

4.1.2 Xây dựng biến ngôn ngữ và hàm liên thuộc 47

4.1.3 Xác định hàm liên thuộc 48

4.2 Sơ đồ hệ thống xõy dựng trờn Simulink 50

4.2.1 Bộ điều khiển mờ cho tín hiệu điều khiển 50

4.2.2 Bộ điều khiển mờ tạo tớn hiệu cho hệ số tự chỉnh α 53

4.3 Cỏc kết quả mụ phỏng đạt được 55

4.3.1 Hệ thống tuyến tớnh bậc 2 55

4.3.2 Hệ thống ổn định cận biờn` 57

4.4 áp dụng bộ điều khiển mờ tự chỉnh cho điều chỉnh nhiệt độ 61

4.4.1 Nhận dạng lũ điện trở 61

4.4.2 Xỏc định mụ hỡnh đối tượng của hệ thống 62

4.4.3 Phương phỏp Ziegler – Nichols để xỏc định tham số cho bộ điều khiển PID truyền thống 64

4.4.4 Kết quả mụ phỏng 68

Chương 5: thiết kế hệ thống lò xấy gỗ tự động 70

5.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 70

5.1.1 Tổng quan về MSP 430 71

5.1.2 Thiết kế phần cứng cho bộ điều khiển 75

5.1.3 Thiết kế phần mềm 83

5.2 Thiết kế hệ thống công suất 88

5.2.1 Xây dựng mô hình 88

5.2.2 Thiết kế mạch điều khiển 90

5.3 Thiết kế hệ thống vỏ lò 96

5.3.1 Thiết kế vỏ lò 96

5.3.2 Hệ thống ổn quạt tuần hoàn` 97

5.3.3 Hệ thống thoát ẩm 97

5.3.4 Hệ thống phun ẩm 98

5.3.5 TrÇn phô 98

5.3.6 HÖ thèng cöa chÝnh cöa kiÓm tra 98

5.3.7 HÖ thèng n©ng h¹ c¸nh cöa chÝnh 98

Kết luận 100

Tài liệu tham khảo 101

Danh mục hình vẽ

Hình 2.1 : Qúa trình và phân loại biến quá trình

Hình 2.2 : Các thành phần của hệ điều khiển quá trình

Hình 2.3 : Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng Hình 2.4 : Cấu trúc tổng quát của bộ điều khiển phản hồi Hình 3.1 : Mô tả giá trị ngôn ngữ bằng tập mờ

Hình 3.2 : Hàm liên thuộc của luật hợp thành àA ⇒ B(x,y) Hình 3.2 : Bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 3.3 : Bộ điều khiển mờ động

Hình 3.4 : Mạch điều khiển với bộ điều khiển mờ

Hình 3.5 : Bộ điều khiển mờ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra Hình 3.6 : Bộ mờ điều khiển nhiệt độ

Hình 3.7 : Định nghĩa tập mờ cho biến ngôn ngữ

Hình 3.8: Bảng Luật mờ

Hình 3.9: Bộ điều khiển mờ tỷ lệ

Hình3.10 : Bộ điều khiển mờ PI

Hình 3.11: Bộ điều khiển mờ PD

Hình 3.12: Bộ điều khiển mờ PID

Hình 4.1 : Mô hình bộ điều khiển mờ tự chỉnh

Hình 4.2 : Biến ngôn ngữ và hàm liên thuộc của e,Δe, Δu Hình 4.3 : Biến ngôn ngữ và hàm liên thuộc của α

Hình 4.4 : Bảng luật hợp thành

Hình 4.5 : Sơ đồ hệ điều khiển PID mờ tự chỉnh

Hỡnh 4.6 : Đỏp ứng của hệ thống tuyến tớnh bậc 2 khi L = 0.1

cho FPIC ( ) và STFPIC ( _) Hỡnh 4.7 : Đỏp ứng của hệ thống tuyến tớnh bậc 2 khi L = 0.2 cho FPIC ( ); STFPIC ( ): hệ số tự chỉnhα (….)

và tớn hiệu điều khiển u (-. .-)

Hỡnh 4.8: Đỏp ứng của hệ thống tuyến tớnh bậc 2 khi L = 0.3

cho FPIC ( ) và STFPIC ( _) Hinh 4.9 : Đỏp ứng của hệ thống ổn định cận biờn khi L = 0.1

cho FPIC ( ); STFPIC ( _) Hỡnh 4.10: Đỏp ứng của hệ thống ổn định cận biờn khi L = 0.2

cho FPIC ( ); STFPIC ( _) và khõu PI (….) (Kp = 1.55, Ti =

3.00)

Hỡnh 4.12: Đỏp ứng của hệ thống ổn định cận biờn khi L = 0.2

cho khõu PI (Kp = 0.5, Ti = 3.00) và khõu PID (….) (Kp = 0.7, Ti = 1.80, Td = 0.45)

Hỡnh 4.13: Đỏp ứng của hệ thống ổn định cận biờn khi L = 0.3

cho FPIC ( ); STFPIC ( _) Hỡnh 4.14: Đường đặc tớnh đối tượng lũ điện trở ghi trờn mỏy

Hỡnh 4.15: Mụ hỡnh đối tượng

Hỡnh 4.16: Xỏc định Kth

Hỡnh 4.17: Sơ đồ mụ phỏng khi Kth = 11

Hỡnh 4.18: Đặc tớnh hằng số tới hạn\

Hỡnh 4.19: Đỏp ứng của hệ thống lũ điện trở cho FPIC ( ); STFPIC

( _)Và bộ PID chọn theo phương phỏp Ziegler – Nichols Hỡnh 4.20: Đỏp ứng của hệ thống lũ điện trở cho FPIC ( ); STFPIC

( _)Và bộ PID chọn theo phương phỏp Ziegler – Nichols II Hình 5.1: Mô hình lò xấy gỗ tự động

Hỡnh 5.2: Sơ đồ cấu trỳc MSP430

Hỡnh 5.3: Cấu trỳc CPU, thanh ghi và bộ nhớ

Hình 5.4: Kit ứng dụng dùng MSP 430

Hỡnh 5.5: Sơ đồ cỏc khối chớnh trong mạch ứng dụng MSP430 Hỡnh 5.6: Sơ đồ nối khối nguồn cung cấp

Hỡnh 5.7: Hỡnh dạng và kớch thước của LCD SBLCDA4 Hỡnh 5.8: Sơ đồ chõn MSP430FG4618

Hỡnh 5.9: Sơ đồ chức năng MSP430FG4618

Hỡnh 5.10: Sơ đồ chõn của MSP430F2013

Hỡnh 5.11: Sơ đồ cấu trỳc của MSP430F2013

Hỡnh 5.12: Sơ đồ giao tiếp RS232

Hình 5.13: Sơ đồ thiết bị của Kit MSP-EXP430FG4618

Hỡnh 5.14: Lưu đồ chương trình chính

Hỡnh 5.15: Lưu đồ chương trình chính

Hình 5.16: Nhật ký lò xấy

Hình 5.17: Giao diện cài đặt thông số

Hình 5.18: Giao diện chính của bộ điều khiển

Hình 5.19: Sơ đồ hệ thống công suất

Hình 5.20: Hoạt động của Thyristor

Hình 5.21: Mạch tạo nguồn điêu khiển

Hình 5.22: Mạch tạo xung răng cưa

Hình 5.23: Mạch so sánh

Hình 5.24: Sơ đồ mạch điều khiển Thyistor

Hình 5.25: Mạch điều khiển thực tế

Hình 5.26: Tủ điều khiển hệ thống nhiệt

Hình 5.27: Hình ảnh vỏ lò xấy hoàn thiện

Chương I Tổng quan quan về công nghệ sấy gỗ 1.1 Khái quát về vấn đề sấy gỗ

1.1.1 Tổng quan về lịch sử sấy gỗ trên thế giới:

Gỗ như là một phần không thể thiếu được của con người từ thời xa xưa, gỗ dùng để làm nhà, vỏ thì được làm quần áo mặc, gỗ khô thì để giữ lửa……Và cũng

từ rất xa xưa ấy con người đã biết hong khô gỗ đảm bảo độ bền để dựng nhà ở

Hiện nay những nước có nền công nghiệp phát triển cao đều có nền công nghiệp chế biến gỗ tiên tiến Mỗi công đoạn đều có công nghệ riêng và thậm chí ngay cả trong một thiết bị chế biến gỗ cũng có sự chuyên môn hoá giữa các công

ty trong nước hay ngay cả ở nước ngoài Ngày nay công nghệ sấy đã hoàn thiện

đến mức mà những chỉ tiêu về công nghệ kỹ thuật đã trở thành tiêu chuẩn hoá quốc gia và thậm chí là quốc tế ( chế độ sấy, thiết bị và tiêu chuẩn hoá về kiểm tra sản phẩm … )

Trên thế giới hiện nay các phương pháp sấy đặc biệt đã và đang được đưa vào nghiên cứu, áp dụng vàp lĩnh vực sấy gỗ với quy mô ngày càng nhiều như: phương pháp sấy gỗ băng chân không, sấy cao tần sấy băng hơi quá nhiệt, sấy bằng hơi bão hoà, sấy ngưng tụ ẩm, sấy bằng năng lượng mặt trời

Về thiết bị sấy có xu hướngchế tạo vỏ lò sấy băng kim loại, kĩ thuật điều khiển tự động đã và đang được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng Về công nghệ sấy, chế độ sấy vẫn là vấn đề quan trọng Chế độ sấy thường hướng theo chế độ sấy của Nga, Pháp, Anh,……ở Việt Nam sử dụng chế độ sấy của Nga và Anh là chính

1.1.2 Thực trạng công nghệ sấy gỗ ở Việt Nam.:

Việt Nam vốn dĩ là một nước nông nghiệp, có nền công nghiệp còn lạc hậu

Từ sau những năm đổi mới do nhu cầu về xây dựng, tiêu dùng,bên cạnh sự thông thoáng của môi trường đầu tư và quan trọng hơn cả đó là sự quan tâm của nhà nước đối với ngành công nghiệp rừng và chế biến lâm sẩn thì công nghiệp sấy gỗ mới bắt đầu phát triển

Trước đây phương pháp sấy gỗ chủ yếu là bằng cách hong phơi theo tự nhiên, phương pháp này chịu hiều ảnh hưởng của thời tiết mà chất lượng sau khi hong phơi thì không đạt kết quả cao,gỗ thường bị nứt nẻ sau khi phơi cáng gây khó khăn cho việc gia công ở các giai đoạn sau

Lúc này nền kinh tế thị trường đang dần đươc phát triển và thiết bị sấy gỗ

đã xuất hiện ở Việt Nam theo con đường nhập ngoại chủ yếu theo 2 dạng: lò sấy hơi nước và lò sấy ngưg tụ ẩm bằng thiết bị lạnh vỏ bằng kim loại Từ năm 1990 thiết bị sấy được chế tạo trong nước cũng dần được phát triển Thiết bi được sản xuất trong nước đa phần là tường gạch, bê tông, gia nhiệt bằng hơi lò đốt và hơi nước Đi đôi với thiết bị sấy công nghệ sấy cũng dần được quan tâm cải thiện và

áp dụng do đó công nghệ sấy ở Việt Nam được nâng lên rất nhiều Trong những năm gần đây, sự phát triển của nền công nghiệp đã thu được nhiều thành tựu to lớn

do tính học hỏi và sáng tạo của người Việt Nam Mong rằng công nghệ sấy gỗ ở Việt Nam sẽ ngày càng phát triển hơn nữa cùng với nền công nghệ chế biến gỗ của thế giới

1.2 Cơ sỏ lý thuyết cho công nghệ sấy gỗ

1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sấy:

Chất lượng gỗ sấy có thể ảnh hưởng rất nhiều bởi các nhân tố trong đó có các nhân tố chính sau:

* Các nhân tố về cấu tạo gỗ :

Các yếu tố thuộc về cấu tạo gỗ chủ yếu ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển ẩm trong gỗ.Do vậy nó ảnh hưởng đến chất lượng gỗ sấy và lựa chọn chế

độ sấy

+ Khả năng vận chuyển ẩm của gỗ giác tốt hơn gỗ lõi

+Chiều thớ gỗ: những loại gỗ thẳng thớ dễ sấy hơn những loại gỗ xoắn thớ

+ Thể bít: là yếu tố cản trở quá trình vận chuyển ẩm

+ Các chất chiết xuất, các chất tích tụ: là các yếu tố cản trở quá trình vận chuyển ẩm

* Các yếu tố thuộc về tính chất vật lý của gỗ

+ Khối lượng thể tích gỗ là nhân tố hàng đầu quyết định việc lựa chọn chế

độ sấy Gỗ có khối lượng thể tích cang lớn thì ta càng phải sự dụng chế độ sấy

mềm với Tk và ∆T nhỏ do đó thời gian sấy sẽ kéo dài.Sở dĩ như vậy vì gỗ có khối lượng thể tích càng lớn thì mật độ gỗ càng cao dẫn đến quá trình vận chuyển ẩm gặp nhiều trở lực Ngược lại gỗ có khối lượng thể tích nhỏ quá trình vận chuyển

ẩm sẽ càng dễ dàng hơn do độ rỗng của gỗ lớn và thời gian sấy ngắn hơn

+ Điểm bão hoà thớ gỗ là ranh giới đánh dấu sự có mặt hay không của nước

tự do trong gỗ.Khi hút ẩm thì nước thấm được hút vào trước và khi đạt đến gia trị tối đa thì nước tự do mới bắt đầu được hút vào.Ngược lại khi gỗ nhả ẩm thì nước

tự do sẽ thoát ra hết rồi nước thấm mới bắt đầu thoát ra.Thời điểm mà nước thấm

được bắt đầu được hút vào hay thoát ra đưộcgị là điểm bão hoà thớ gỗ

+ Độ ẩm bão hoà thớ gỗ là mốc bắt đầu dánh giá sự thay dổi hầu hết các tính chất của gỗ Trong quá trình sấy khi độ ẩm của gỗ giảm xuống dướ độ ẩm bão hoà thớ gỗ thì trong gỗ bắt đầu xuất hiện sự co rút,sự co rút không đều sinh ra nội ứng suất gây nên hầu hết các khuyết tật ở gỗ sấy Vì thế trong quá trình sấy ta cần hết sức chú ý đến đặc điểm này của gỗ Đới với những loại gỗ khác nhau giá trị độ ẩm bão hoà khác nhau Thông thường người ta lấy độ ẩm bão hoà thớ gỗ trung bình là 30% trong quá trình sấy có thể coi độ ẩm của gỗ giảm dần theo một hàm liên tục nhưng không tuyến tính.sự phân bố độ ẩm của gõ không đều từ ngoài vào trong Do đó không còn nước tự do

+ Độ ẳm thăng bằng của gỗ là độ ẩm mà tốc độ hút ẩm và tốc độ nhả ẩm là như nhau Nó phụ thuộc vào loại gỗ, trạng thái môi trường ( nhiệt độ, độ ẩm ) Mối quan hệ này là nền tảng của quá trình xây dựng chế độ sấy

+Tính chất dẫn nhiệt và dẫn điện của gỗ

Tính chất dẫn nhiệt của gỗ là yếu tố quan trọng trong quá trình làm nóng

gỗ, xử lý nhiệt ẩm,xử lý giữa chừng, xử lý cuối ổn định gỗ sấy Các đại lượng cơ bản đặc trưng cho tính dẫn nhiệt của gỗ sấy là nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt

Nhiệt dung riêng của gỗ là nhiệt lượng cần thiết để làm nóng một đơn vị khối lượng gỗ (1 kg ) lên 1 oC Nhiệt dung riêng của gỗ phụ thuộc vào nhiệt độ và

độ ẩm của gỗ, không phụ thuộc vào loại gỗ

Hệ số dẫn nhiệt được dặc trưng cho cường độ vận chuyển nhiệt trong gỗ, là nhiệt lượng cần thiết để thông qua một đợn vị diện tích gỗ ( 1m2 ) một dơn vị độ dài (1m ) trong một đơn vị thời gian (1s ) gây nên ở hai đầu bề mặt gỗ có nhiệt độ chênh lệch là 1oC

Hệ số dẫn nhiệt là thông số rất quan trọng trong công nghệ sấy do đó việc xác định chính xác hệ số dẫn nhiệt của từng loại gỗ có ý nghĩa rất lớn cả về lý luận cũng như thực tiễn

* Quy cách kích thước

Nếu kích thước nguyên liệu không đồng nhất theo chiều dày thì khi sấy dẫn dến sự thoát ẩm không đồng nhất giữa các tấm ván có những trạng thái ứng suất khác nhau Ván sau khi sấy có độ ẩm không đồng đều và nảy sinh các khuyết tật

* Loại nguyên liệu:

Loại nguyên liệu khác nhau có đặc điểm và cấu tạo và tính chất khác nhau Khi sấy đồng thời nhiều laọi nguyên liệu sẽ dẫn đến chất lượng gỗ sấy không đảm bảo Vì thế nguyên liẹu sấy phải cùng nhóm gỗ

+Độ ẩm nguyên liệu vào:

Sự đồng đều nguyên liêu đầu vào cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gỗ sấý Chênh lệch ẩm giữa các thanh gỗ trong đống gỗ càng lớm thì chất lượng gỗ sấy càng thấp, độ ẩm gỗ sấy không đều, chênh lệch ẩm giữa các tấm gỗ sau khi sấy là càng lớn

- Nguôn gỗ nguyên liệu:

Nguồn nhiên liệu khác nhau, độ tuổi của gỗ sấy khác nhau khi sấy cùng nhau cũng ảnh hưởng đến chất lượng gỗ sấy

1.2.2 Lựa chọn quy trình sấy gỗ.:

Sấy là một công đoạn sản xuất do vậy yêu cầu đặt ra với nó cũng bao gỗm các yếu tố đặt ra đối với nó cũng bao gồm các yếu tố kinh tế kỹ thuật, chủ yếu là năng suất, chất lượng

Từ các yêu cầu đó,một chế độ sấy phải đảm bảo cho:

- Gỗ sấy đạt chất lượng yêu cầu đặt ra

- Thời gian sấy ngắn nhất, năng suất cao nhất

- Chi phí sấy ( năng lượng, nhân công và các chi phí khác ) là nhỏ nhất

Trong công nghệ sấy gỗ việc lựa chọn chế độ sấy có ý nghĩa hết sức quan trọng Việc lựa chọn chế độ sấy hợp lý la điều kiện trước hếtđể đạt được chất lượng sấy cao và quá trình sấy có hiệu quả.Các chế độ sấy có thể phân loại theo nhiệt độ,mức độ ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng gỗ hoặc theo nguyên tắc điều hành quá trình sấy Phân loại theo nhiệt độ sấy : chế độ nhiệt độ sấy cao ( T>100 oC ) và chế độ nhiệt độ thấp, đối với loại gỗ ở Việt Nam chủ yếu chỉ dùng chế độ sấy nhiệt độ thấp

Phân loại theo mức độ ảnh hưởng đến chất lượng gỗ sấy: Chế độ sấy mềm, chế độ sấy cứng và chế độ sấy thông thường Với chế độ sấy mềm độ bền và màu sắc của gỗ hoàn toàn được giữ nguyên, nội ứng suất tồn tại không đáng kể Với chế độ sấy cứng gỗ bị biến màu, độ bền của gỗ giảm từ 15-20%

Phân loại theo nguyên tắc tiến hành quá trình sấy: chế độ sấy 2 cấp, 3 cấp

và nhiều cấp Phổ biến nhất hiện nay là chế độ sấy 3 cấp, môi trường sấy được thay đổi theo 3 cấp độ ẩm của gỗ: MC > 30%, MC = 20-30%, MC<20%.Chế độ sấy nhiều cấp ngày càng được áp dụng rộng rãi

Trong thực tế sản xuất hiên nay việc lựa chọn chế độ sấy rất phức tạp do gỗ Việt Nam đa dạng về chủng loại và độ ẩm ban đầu cũng như chiều dày ván đưa vào một mẻ sấy nói chung không đồng nhất

Trong công nghệ sấy, khối lượng riêng γ và đặc tính cấu tạo của gỗ có ảnh hưởng rất lớn dến quá trình sấy chủ yếu dựa vào khối lượng riêng và có tính đến

đặc tính cấu tạo của gỗ Theo nguyên tắc đó có thể phân loại gỗ theo 4 nhóm công nghệ sấy:

Nhóm 1: các loại gỗ cứng, nặng (gỗ nhóm II, III )

Nhóm 2: Các loại gỗ trung bình ( gỗ nhóm IV,V )

Nhóm 3: Các loại gỗ nhẹ, mềm ( nhóm VI, VIII )

Nhóm 4: Loại đặc biệt khó sấy do đặc tính cấu tạo: giỏi, chò nâu, sâng, gội, vên vên……

Độ dày: gỗ càng dày càng khó sấy và đòi hỏi chế độ sấy với T và ∆T nhỏ

Để chọn chế độ sấy người taphan cấp theo chiều ván thao nhiều cấp khác nhau:

S <22mm, 22mm< S < 30mm, 30mm < S < 40mm,

40mm < S <50mm, 50mm < S

Yêu cầu chất lượng: yêu cầu chất lượng có thể xác định dựa vào mục đích

sử dụng gỗ sau khi sấy Hiện nay chất lượng có thể xác định theo yêu cầu của

khách hàng (vd: hàng mộc xuát khẩu )> trong sản xuất hàng mộc<các đồ gỗ nội thất, độ chính xác gia công các chi tiết phụ thuộc đáng kể vào chất lượng gỗ sấy Chính vì lý do đó mà việc phân cấp chất lượng gô sấy có thể xuất phát tù cấp chính xác gia công chi tiết hang mộc:

Cấp chính xác gia công chi tiết 1 2 3 4

Độ ẩm ban đầu của gỗ ( MCđ ): Độ ẩm càng cao thì càng phải sử dụng chế

độ sấy với T và ∆T thấp Trên cơ sở dữ liệu vừa phân tích ta tiến hành lựa chọn chế độ sấy cho từng mẻ sấy

Nguyên tắc xây dựng, lựa chọn chế độ sấy là dựa vào sự phân tích ảnh hưởng của các yếu tố môi trường sấy vào các quá trình xảy ra trong gỗ trong đó quá trình vận chuyển ẩm đóng vai trò hết sức quan trọng, do vậy mọi chế độ sấy phải thúc đẩy quá trình vận chuyển ẩm từ trong ra bề mặt ngoài của gỗ Xuất phát

từ nguyên tắc này người ta càng coi trọng giai đoạn làm nóng ở gỗ ở giai đoạn độ

ẩm môi trường (φ ) cao

Đặc tính của quá trình sấy gỗ phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm của nó Độ ẩm ban đầu càng thấp, nhiệt độ của môi trường sấy càng có thể nâng cao, độ ẩm của môi trường sấy Ván càng dày và độ ẩm ban đầu càng lớn thì cần thay đổi T và φ nhiều bậc hơn Tuy nhiên khi ta thay đổi bậc nhiệt độ cần chú ý đến hiệu ứng ngược của grand đói với quá trìnhvận chuyển ẩm

Biểu đồ thay đổi trị số của môi trường sấy có thể được xác định theo 3 phương pháp khác nhau:

+ Lập trình thay đổi T, φ,∆T cho cả quá trình sấy theo thời gian sấy Đây là phương pháp đơn giản, dễ sử dụng nhưng kém linh hoạt và cho chất lượng sấy thấp, nó có thể áp dụng cho những loại gỗ và thiết bị sấy đã được nghiên cứu kỹ

+ Thay đổi T, φ,∆T theo độ ẩm tức thời của gỗ Đây là phương pháp đang

được áp dụng rộng rãi hiện nay do nó linh hoạ, dễ điều chinh Tuy nhiên nó đòi hỏi phải thờng xuyên kiểm tra độ ẩm của gỗ trong lò sấy

+ Thay đổi T,φ, ∆T theo đặc tính phát triển của nội ứng suất trong gỗ sấy

Đay là phương pháp cho chat lượng gỗ sấy cao nhất Tuy nhiên khi chưa có phương pháp xác định nội ứng suất trong gỗ sấy một cách nhanh chóng và thuận tiện thì phương pháp này chỉ là một ý tưởng

Từ những phân tích trên ta thấy hiện nay trên thế giới công nghệ sấy chủ yếu là dựa trên phương pháp thay đổi T, φ,∆T theo độ ẩm tức thời của gỗ tuy nhiên độ ẩm của không khí hoàn toàn có thể thay đổi khi ta thay đổi nhiệt độ và

hệ thống cửa thoát ẩm của phòng sấy vì vậy thông số quan trọng nhất trong quá trình sấy gỗ chính là nhiệt độ của lò sấy Do đó trong đồ án sẽ tập trung chủ yếu trong vấn đề ổn định nhiệt độ lò xấy và coi các yếu tố còn lại là lý tưởng Ngày nay với sự phát triển của bộ vi xử lý tốc độ cao cũng như các kỹ thuật đo tiên tiến việc điều khiển các quá trình nhiệt bằng các bộ điều khiển số là hoàn toàn có thể thực hiện được.Trong đồ án này em xin phép áp dụng bộ vi xử lý MSP 430 của hãng Texas Intruments để xây dựng bộ điều khiển cho quá trình gia nhiệt trong lò xấy gỗ

Chương II Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình

2.1- Tổng quan về hệ thống điều khiển quá trình :

2.1.1- Quá trình và các biến quá trình :

Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao bồm nhiều bước như phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung

là các nhiệm vụ phát triển hệ thống

- Biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên

ngoài vào quá trình, ví dụ như lưu lượng dòng nguyên liệu, dòng chất lưu, nhiệt

độ hơi nước cấp nhiệt

- Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ lưu lượng sản phẩm ra, áp suất khí nén trong bình khí hay áp suất cần duy trì của hệ thống cấp nước công nghiệp

- Biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá tình, ví dụ mức chất lỏng, nhiệt độ lò, áp suất hơi

Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra, biến trạng thái nào cũng

được điều khiển (hình 2.1) Do đó các biến vào cũng cần phân biệt : Biến điều khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua

đó tác động tới biến ra theo ý muốn, còn lại các biến không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp nhưng trong quá trình đang quan tâm coi là nhiễu

Biến cần điều khiển là một biển ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được

điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo

` nhiễu

biến vào biến điều khiển

Vật chất thông

tin Quá trình

biến trạng thái

biến không Cần điều khiển

biến cần Cần điều khiển Cần điều khiểnbiến không

Hình 2.1 Qúa trình và phân loại biến quá trình

Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau Khi thì dựa trên số lượng biến ra : một quá trình chỉ có một biến ra

được gọi là quá trình đơn biến ; ngược lại, quá trình có nhiều biến ra là quá trình đa biến Khi thì dựa vào số lượng biến ra/ra, ta có cách phân biệt ; một quá trình có một biến vào - một biến ra được gọi tắt là SiS0 (single input - single output ) ; quá trình nhiều vào - nhiều ra được gọi là MIM0 ( multple inputs - multiple 0utputs ) có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là những quá trình đa biến, quá trình MIM0

Ngoài ra, dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng ( biến ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu ), ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ

Nhìn từ quan điểm của lý thuyết điều khiển, ta có thể phân biệt bài toán

điều chỉnh, bài toán bám Nhiệm vụ điều chỉnh là thiết lập hoặc duy trì biến

đầu ra tại một giá trị đặt cho trước trong khi có tác động của nhiễu, trong khi yêu cầu của điều khiển bám là biến đầu ra bám theo một tín hiệu chủ đạo liên tục thay đổi ( biết trước hoặc không biết trước ) Bài toàn bám được quan tâm nhiều hơn trong lĩnh vực điều khiển máy móc, điều khiển chuyển động

Trong điều khiển quá trình, bài toán điều chỉnh chiếm vai trò chủ yếu, bởi các giá trị đặt thường cố định hoặc ít thay đổi trong chế độ vận hành bình thường Các ví dụ tiêu biểu cho bài toán điều chỉnh bao bồm điều chỉnh nhiệt

độ, áp suất, mức, lưu lượng các biến cần điều khiển được quan tâm trong các quá trình này đều là các biến tương tự, vì vậy cần đặt ra các yêu cầu đặc trưng cho khả năng chuyển đổi và xử lý tín hiệu của các thiết bị đo, điều khiển

và chấp hành

Xét về khả năng vận hành và điều khiển của quá trình, ta thường phải quan tâm đến giới hạn vật lý của các trang thiết bị cũng như những quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng là những trở ngại không nhỏ trong việc thực hiện các giải pháp điều khiển Đặc biệt, các quá trình công nghệ hiện đại thường được thiết kế tối ưu về mặt an toàn, tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư, nhưng lại gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế điều khiển, đây là bìa toán tối ưu cần

được nỗ lực giải quyết

2.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình :

Các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều cấu trúc bởi ba thành phần cơ bản là thiết

bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển

Thiết bị chấp hành

Quá trình công nghệ

Đại luợng đo (PV)

tín hiệu điều khiển (CO)

Tín hiệu đo (PM)

- Giá trị đặt : Set point (SP), Set Value (SV)

- Tín hiệu điều khiển : Control Signal, Controller 0utput (C0)

- Biến cần điều khiển : Controled Variable (CV)

- Đại lượng đo : Process Vaiue (PV)

- Tín hiệu đo : Process Measurement (PM)

Sơ đồ trên đây dựa trên câú trúc ghép nối truyền thống với các tín hiệu tương tự và vào/ra tập trung Trong thực tế người ta có thể sử dụng các cấu trúc

ghép nối khác như vào ra phân tán và sử dụng các công nghệ bus trường Khi

đó quan hệ liên kết giữa các thành phần trong hệ thống có thể khác một chút về mặt hình thức, nhưng bản chất trao đổi thông tin không có gì khác biệt

Đặc trưng cơ bản của các thành phần trong hệ thống (hình 2.2)

* Thiết bị đo : Có chức năng cung cấp một tín hiệu ra tỷ lệ theo một

nghĩa nào đó với đại lượng đo Một thiết bị đo thường gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến và bộ chuyển đổi đo chuẩn ( transmitter ), tín hiệu ra từ cảm

biến được khuyếch đại, điều hoà và chuyển đôỉ sang một dạng thích hợp cho thiết bị điều khiển, chỉ báo hoặc truyền xa, ví dụ dòng điện, điện áp, số xung thiết bị đo có nhiệm vụ phải phản ánh chính xác diễn biến của quá trình Trong nhiều trường hợp, vai trò của thiết bị đo có quyết định to lớn đến độ chính xác của quá trình điều khiển Người ta thường phải xử lý tín hiệu đo như lọc nhiễu, hạn chế biến độ trước khi thực hiện các luật điều khiển

Ngày nay, để phù hợp với công nghệ điều khiển cũng như khả năng truyền thông, đầu ra của các bộ chuyển đổi được chuẩn hoá có thể là điện áp 0-10V, dòng điện 4-20mA và ứng dụng công nghệ bus trường

* Thiết bị điều khiển : (controller ) là một thiết bị tự động thực hiện

chức năng điều khiển theo luật điều khiển đã thiết lập, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp Một bộ điều khiển có thể hiểu là một thiết bị điều khiển cứng, đơn lẻ ( ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (PLC, máy tính )

Trên cơ sở các tin hiệu vào ( tín hiệu đo, tín hiệu đặt ) và một cấu trúc

điều khiển/sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là

điều khiển tương tự (analog controller ), thiết bị điều khiển logic (logic controller ) hay thiết bị điều khiển số ( digital controller ) Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logíc

Thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hịêu số hoặc tín hiệu tương tự với sự tích hợp các thành phần chuyển đổi tương tự - số như cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được thực hiện bằng máy tính số Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị

* Thiết bị chấp hành : ( actuator system, final control element ) nhận

tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là các bộ biến đổi điện tử công suất, động cơ điện, van điều khiển, máy bơm, quạt gió ví dụ, tuý theo tin hiệu điều khiển mà một van điều khiển thay đổi độ mở van và do đó thay

đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình Một máy bơm

có điều chỉnh tốc độ ( bơm ba pha với biến tần chẳng hạn ) cũng có thể sử dụng

để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng

2.2- Mô hình hoá quá trình :

2.2.1- Đặt vấn đề :

Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học Về nguyên tắc, có hai phương pháp cơ bản để xây dựng mô hình toán học cho một quá trình là :

* Mô hình hoá bằng lý thuyết hay còn gọi là mô hình hoá vật lý đi từ các

định luật cơ bản của vật lý và hoá học kết hợp các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là các phươnảctình vi phân ( thường hoặc đạo hàm riêng ) và phương trình đại số, phương pháp lý thuyết có ưu điểm là cho ta hiểu sâu các quan hệ bên trong của quá trình liên quan trực tiếp tới các hiện tượng vật lý, hoá học hoặc sinh học Nếu được tiến hành chi tiết, mô hình lý thuyết sẽ cho ta xác định được tương đối chính xác cấu trúc của mô hình

* Mô hình hoá bằng thực nghiệm hay còn gọi là phương pháp hộp đen

hay nhận dạng quá trình, dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào - ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu

trúc và các tham số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp Hiện nay, các phương pháp thực nghiệm được áp dụng khá phổ biến vì có thể sử dụng các công cụ phần mềm hiện đại hỗ trợ rất mạnh chức năng nhận dạng trực tuyến cũng như ngoại tuyến

* Theo dạng mô hình sử dụng trực tiếp, mô hình tuyến tính bậc nhất và bậc hai ( có hoặc không có trễ, có hoặc không dao động, có hoặc không có thành phần tích phân ) là những dạng thực dụng nhất trong điều khiển quá trình với các phương pháp kinh điển Với các phương pháp điều khiển hiện đại khác cho phép sử dụng các mô hình phức tạp hơn

* Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động : nhận dạng chủ động khi tín hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích ( thực tế hay sử dụng tin hiệu dạng bậc thang, xung vuông và dao động điều hoà ) đây là phương pháp tốt nhất khi điều kiện thực tế cho phép Trong thực tế, khi hệ thống đang vận hành, việc nhận dạng chủ động có thể không được thực hiện vi những lý do công nghệ, khi ấy phải chấp nhận sử dụng số liệu vào/ra vận hành thực và ta có phương pháp nhận dạng bị động

b- Các bước tiến hành :

Cũng như nhiều công việc phát triển hệ thống khác, nhận dạng hầu như bao giờ cũng là một quá trình lặp, bao gồm các bước :

- Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình

- Lựa chọn phương pháp nhận dạng ( trực tuyến/ngoại tuyến, vòng hở/vòng kín, chủ động/bị động) chọn thuật toán ước lượng tham số và tiêu chuẩn đánh giá mô hình

- Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cấp biến vào/ra trên cơ sở phương pháp nhận dạng đã chọn, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy

- Quyết định về dạng mô hình (phí tuyến/tuyến tính, liên tục/gián

đoạn ) theo mục đích sử dụng và khả năng ứng dụng của phương pháp nhận dạng đã chọn, đưa ra giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình ( bậc từ số/mẫu số,

có trễ hay không trễ )

- Xác định các tham số mô hình tho phương pháp/thuật toán đã họn

- Mô phỏng, kiềm chứng và đánh giá mô hình nhận được theo các tiêu chuẩn và nếu có thể lặp lại một hoặc một số trong các bước trên

Để áp dụng phương pháp này, cần phải xác định mô hình sử dụng có

đặc tính thuộc trường hợp nào dưới đây :

* Đặc tính quan tính : có thể xấp xỉ thành mô hình quân tính bậc nhất

hoặc bậc hai có trễ (F0PDT - First - 0rder - phus - Dead Time, S0pdt - Second- 0rder - Plus - Dead - Time)

* Đặc tính dao động tắt dần : có thể xấp xỉ về mô hình dao động bậc hai

* Đặc tính tích phân: có thể xấp xỉ về mô hình quân tính bậc nhất hoặc

bậc hai có trễ cộng thêm thành phần tích phân

Nhóm các phương pháp này là : i) phương pháp kê tiếp tuyến, ii) phương pháp hai hay ba điểm quy chiều, iii) phương pháp diện tích

* Các phương pháp dựa trên đáp ứng tần số :

Nhận dạng dựa trên số liệu đặc tính đáp ứng tần số trước hết có thể phục

vụ các phương pháp thiết kế điều khiển trực tiếp trên miền tần số Với phương

pháp này, quá trình được kích thích chủ động bằng tín hiệu hình sin hoặc kích thích bằng tín hiệu dạng xung, tuy nhiên, phương pháp này thường khó khả thi

đối với nhiều quá trình công nghiệp

* Các phương pháp bình phương tối thiểu :

Đối với những quá trình phức tạp hoặc những quá trình đòi hỏi cao về chất lượng điều khiển, có thể áp dụng phương pháp nhận dạng chính xác hơn những phương pháp trên Một phương pháp được coi là đa năng dựa trên nguyên lý đơn giản và quen thuộc - nguyên lý bình phương tối thiểu ( Least Squares, LS) thực chất bài toán nhận dạng được đưa về bài toán tối ưu ví hàm mục tiêu cần cực tiểu hoá là tổng bình phương sai lệch ( có thể với hệ số trọng lượng ) giữa các số liệu quan sát thực và các giá trị tính toán ước lượng

2.3 - Cơ sở thiết kế điều khiển :

Sau khi xác định được bài toán điều khiển, bước tiếp theo là thiết kế điều khiển Công việc thiết kế điều khiển được tiến hành theo hai bước cơ bản là thiết kế cấu trúc điều khiển và thiết kế bộ điều khiển

2.3.1- Cấu trúc điều khiển :

Cấu trúc điều khiển hay còn gọi là sách học điều khiển thể hiện quan hệ

về mặt cấu trúc giữa các biến chủ đạo ( giá trị đặt ), biến đo và biến điều khiển thông qua các bộ điều khiển và các phần từ cấu hình hệ thống khác ( ví dụ, các khâu tính toán, lựa chọn, bù trễ ) kết quả là đưa ra được sơ đồ khối mô tả chi tiết cấu trúc của hệ thống điều khiển Trên cơ sở đó sẽ thực hiện bước tiếp theo

là lựa chọn cấu trúc và các tham sốcủa bộ điều khiển

Trong thực tế, hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình đều có cấu trúc

điều khiển dựa trên sự kết hợp hoặc mở rộng của hai nguyên lý điều khiển cơ bản, đó là điều khiển phân hồi và điều khiển thẳng

- Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng được mô tả trên hình (2.3) đặc điểm cơ bản của điều khiển truyền thẳng là yêu cầu phải biết rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu ( phải đo được nhiễu) đây là nhược

điểm lớn nhất của điều khiển truyền thẳng Nếu đáp ứng được yêu cầu trên thì

điều khiển truyền thẳng có ưu điểm quan trọng là khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu tới quá trình

Giá trị chủ đạo

(giá trị đặt )

Vật chất thông tin

Nhiễu qúa trình

Biến cần điều khiển

Bộ điều khiển truyền thẳng Quá trình

Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng

- Với bài toán điều khiển là thiết lập và duy trì một đại lượng cần điều khiển tại một giá trí đặt cho trước trong khi có tác động của nhiễu ( có thể không đo được ) ta nên chọn cấu trúc điều khiển phân hồi

Điều khiển phản hồi ( F eedback control ) hay còn gọi là điều khiển vòng kín ( elosed - loop control ) dựa trên nguyên tắc liên tục đo ( hoặc quan sát ) giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển Trong các sách lược điều khiển, điều khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng hàng đầu Điều khiển phản hồi được sử dụng gần như trong tất cả các hệ thống điều khiển tự động

Có thể nói " điều khiển phản hồi là cách duy nhất để ổn định một quá trình không ổn định " {1}

Cấu trúc tổng quát của một hệ thống điều khiển phản hồi được minh hoạ trên hình (2.4)

Hình 2.4 : Cấu trúc tổng quát của bộ điều khiển phản hồi

G

C

Z

YU

W

kí hiệu

G :mô hình qúa trình tổng quát

C : bộ điều khiển tổng quát

W :các đầu vào quá trình ( bao gồm cả nhiễu đo)

Z : các đầu ra cần kiểm soát

Y : các đầu vào của bộ điều khiển

U : tín hiệu điều khiển

Điều khiển phản hồi có hai cấu hình hay dùng là :

* Cấu hình điều khiển một bậc tự do : bộ điều khiển thực hiện luật điều

khiển dựa trên sai lệch giữa giá trị quan sát dược của biến được điều khiển với giá trị đặt Ví dụ, luật tỷ lệ, tích phân, vi phân trong bộ điều khiển PID Bộ điều khiển chỉ tính toán đầu ra của nó dựa theo sai lệch, không phân biệt sai lệch đó

là do nhiễu quá trình hay do thay đổi giá trị đặt gây ra Nói cách khác, trong hầu hết trường hợp ta sẽ gặp khó khăn trong việc chỉnh định bộ điều khiển để thoả mãn yêu cầu đáp ứng bám giá trị đặt và đáp ứng loại bỏ nhiễu

* Một cấu hình điều khiển khác, bộ điều khiển chứa hai khâu trong ứng

với hai đầu vào, có thể chỉnh định một cách độc lập để đưa ra đáp ứng các yêu cầu riêng về bám giá trị đặt cũng như loại bỏ nhiễu - gọi là bộ điều khiển phân hồi có cấu hình điều khiển hai bậc tự do Về bản chất, cấu hình điều khiển hai bậc tự do là sự kết hợp của điều khiển phản hồi và điều khiển thẳng, nó cũng chiếm ưu thế khi lựa chọn ứng dụng trong công nghiệp

2.3.2- Thiết kế bộ điều khiển :

Các bộ điều khiển phản hồi là những thành phần cốt lõi của mỗi hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển phản hồi có chức năng nhận tín hiệu,

do sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biếu điều khiển thông qua thiết bị chấp hành Trong một

hệ thống điều khiển quá trình, các bộ điều khiển phản hồi có thể đựơc thực hiện dưới dạng một thiết bị điều khiển vòng đơn ( Single - Loop Controller, SLC ) Distrbuted Control System ), PLC 9 Programmable Logic Controller ) hoặc máy tính PC công nghiệp

Từ hơn sáu thập kỷ nay, PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong các

hệ thống điều khiển quá trình bởi vì :

* Cấu trúc và nguyên lý hoạt đôộng đơn giản , dễ hiểu và dễ sử dụng đối với những người làm thực tế

* Có rất nhiều phương pháp và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham

số của bộ điều khiển

* Các luật điều khiển P, PI và PID thích hợp cho một phần lớn các quá trình công nghiệp

* Do kết cấu " cứng " nên khả năng hiệu chỉnh tham số hạn chế, hầu như

được thiết kế, chế tạo chỉ phục vụ cho một hoặc một lớp đối tượng điều khiển

cụ thể, không được chế tạo theo chuẩn đồng loạt

* Hạn chế khả năng tự chỉnh định tham số

* Hạn chế tích hợp các chức năng khác như tính toán, ra thông báo, cảnh báo

* Thiết bị chịu ảnh hưởng lớn của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ

ẩm, nhiễu

Ngày nay, do công nghệ vi xử lý, máy tính số phát triển, nên hâù hết các

bộ điều khiển PID được thực hiện bằng kỹ thuật số - xây dựng trên nền máy tính số Chúng hoàn toàn khắc phục được những nhược điểm của bộ điều khiển tương tự

Các giá trị của biến ngôn ngữ cũng có miền giá trị vật lý tương ứng ví dụ

+ Rất nhanh là khoảng lớn hơn 80km/h…

Các biến ngôn ngữ được thể hiện qua các hàm liên thuộc tương ứng + àrất chậm(x) + àchậm(x) + àtrung bình(x)

+ ànhanh(x) + àrất nhanh(x)

Giả sử các biến ngôn ngữ tốc độ được mô tả bằng tập mờ hình 3.1

của đầu vào xác định

nó thuộc bao nhiêu phần trăm của các biến ngôn ngữ như rất chậm, chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh

điều kiện và một hoặc nhiều mệnh đề kết luận

Ví dụ một số mệnh đề hợp thành phát biểu theo biến ngôn ngữ như sau:

Nếu x = A thì y = B

Nếu xe đang chạy chậm thì tăng ga lên

Nếu xe đang chạy rất chậm thì tăng mạnh ga lên

Trong hệ mờ luật mờ là bộ não của nó, người thiết kế phải dựa vào kinh nghiệm của mình mà phát biểu và xây dựng cho được một tập mờ dạng này làm cơ sở cho việc triển khai thiết kế tiếp theo

b Qui tắc hợp thành

Hình 3.1: Mô tả giá trị ngôn ngữ bằng tập mờ

Từ một giá trị đầu vào x0 hay cụ thể hơn là độ phụ thuộc àA(x0) ta phải xác định được đầu ra hay độ phụ thuộc của đầu ra Độ phụ thuộc đầu ra sẽ là một tập mờ gọi là tập mờ àB'(y), tập mờ B' cùng cơ sở với tập mờ kết luận B.Có nhiều cách mô tả mệnh đề hợp thành gọi là các qui tắc hợp thành đó là:

1- Công thức Zadeh: (qui tắc hợp thành Zadeh)

àA ⇒ B(x,y) = MAX{MIN{àA(x), àB(y)}, 1 - àA(x)} (3.1 a) 2- Công thức Lukasiewicz: (qui tắc hợp thành Lukasiewicz)

àA ⇒ B(x,y) = MIN{1, 1 - àA(x) + àB(y)} (3.1 b) 3- Công thức Kleene-Dienes: (qui tắc hợp thành Kleene-Dienes)

àA ⇒ B(x,y) = MAX{1 - àA(x), àB(y)} (3.1 c) Theo nguyên tắc của Mandani " Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc của điều kiện" ta có cách xác định hàm liên thuộc

àA ⇒ B(x,y) cho mệnh đề hợp thành A⇒ B như sau

4- Công thức MIN: (qui tắc hợp thành MIN của Mandani, sách gọi là

c Luật hợp thành

Để đơn giản người ta ký hiệu mệnh đề hợp thành A⇒B tại một giá trị rõ

0

x

x= là R Tên gọi chung của mô hình R (ma trận) là luật hợp thành

Hàm liên thuộc àA ⇒ B(x,y) của mô hình R được biểu diễn theo cách tổ hợp các mệnh đề hợp thành nào, theo quy tắc hợp thành nào thì luật hợp thành

có tên gọi là tên ghép của cách tổ hợp và tên quy tắc hợp thành đó

Ví dụ, + Hàm liên thuộc àA ⇒ B(x,y) được tổ hợp theo phép hợp àA∪B(x) = MAX{àA(x), àB(x)} và quy tắc MIN thì ta có luật hợp thành MAX-MIN

+ Hàm liên thuộc àA ⇒ B(x,y) được tổ hợp theo phép hợp àA∪B(x) = MAX{àA(x), àB(x)} và quy tắc PROD thì ta có luật hợp thành MAX-PROD

+ Hàm liên thuộc àA ⇒ B(x,y) được tổ hợp theo phép hợp Lukasiewier:

Hình 3.2: Hàm liên thuộc của luật hợp thành àA⇒B(x,y)

a, Hàm liên thuộc b, Với qui tắc MAX-MIN c, Với qui tắc

àA ∪B(x) = min{1, àA(x) + àB(x)} và quy tắc MIN thì ta có luật hợp thành SUM-MIN

+ Hàm liên thuộc àA ⇒ B(x,y) được tổ hợp theo phép hợp Lukasiewier: àA

∪B(x) = min{1, àA(x) + àB(x)} và quy tắc PROD thì ta có luật hợp thành PROD…

SUM-Chú ý: Nếu luật hợp thành chỉ có một mệnh đề hợp thành (không phải tổ hợp)

thì thực chất chưa thể hiện được khái niệm MAX hoặc SUM, khi đó luật hợp thành MAX-MIN tương đương SUM-MIN, MAX-PROD tương đương SUM-PROD

3.2 thiết kế hệ điều khiển mờ

- Không thiết kế hệ điều khiển mờ cho các bài toán mà hệ điều khiển kinh điển có thể dễ dàng thực hiện được như các bộ điều khiển P, PI, PD, PID

- Hạn chế sử dụng điều khiển mờ cho các hệ thống cần đảm bảo độ an toàn cao do những yêu cầu về chất lượng và mục đích của hệ thống điều khiển

mờ chỉ có thể xác định và đạt được qua thực nghiệm

- Hệ thống điều khiển mờ là hệ thống điều khiển mang tính chuyên gia, gần với nguyên lý điều khiển của con người, do đó người thiết kế phải hoàn toàn đủ hiểu biết và kinh nghiệm về hệ thống cần điều khiển mới có thể thiết kế

được hệ điều khiển mờ

3.2.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản:

Bộ điều khiển mờ cơ bản có dạng như hình 3.2

Bộ điều khiển mờ cơ bản gồm ba khâu chính là khâu mờ hoá, thiết bị thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ

Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển mờ tĩnh Tuy vậy, để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài

toán điều khiển động, các khâu động học

cần thiết sẽ được nối thêm vào bộ điều

khiển mờ cơ bản hình 3.3 Các khâu

động có nhiệm vụ cung cấp thêm cho bộ

điều khiển mờ có bản các giá trị đạo

hàm hay tích phân của tín hiệu Cùng với các khâu động bổ sung này, bộ điều khiển mờ cơ bản sẽ được gọi là bộ điều khiển mờ

3.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ

Về nguyên lý, hệ thống điều khiển mờ cũng không có gì khác với các hệ thống điều khiển khác Sự khác biệt ở đây là bộ điều khiển mờ làm việc có tư duy như “bộ não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo

Hệ thống điều khiển mờ làm việc dựa trên kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người, sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở của logic mờ

Hình 3.4 là một hệ thống điều khiển tự động với bộ điều khiển mờ Bộ

điều khiển mờ hình 3.4 gồm các khâu chính là:

Hình 3.2 Bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 3.3 Bộ điều khiển mờ động

cơ sở các luật điều khiển

+ Giao diện đầu ra gồm khâu giải mờ, và các khâu giao diện trực tiếp với

đối tượng

Trái tim của bộ điều khiển mờ chính là luật điều khiển Các luật điều khiển mờ cơ bản là tập các mệnh đề hợp thành có cấu trúc Nếu …thì … và nguyên tắc triển khai các mệnh đề hợp thành đó có tên là MAX-MIN hay SUM-MIN… Mô hình R của luật điều khiển được xây dựng theo một nguyên tắc triển khai đã chọn trước và có tên gọi là luật hợp thành Thiết bị thực hiện luật hợp thành trong bộ điều khiển mờ gọi là thiết bị hợp thành

Để thiết bị thực hiện luật điều khiển làm việc đúng chế độ phải chọn cho

nó các biến ngôn ngữ hợp lý có khả năng biểu diễn các đại lượng vào/ra chuẩn

và phù hợp với luật điều khiển Dạng đúng của luật điều khiển mờ cơ bản được hình thành nhờ quá trình luyện tập và kinh nghiệm thực tế

Hình 3.4 Mạch điều khiển với bộ điều khiển mờ

Số lượng luật hợp thành tăng theo hàm mũ so với tín hiệu vào, vì thế số luật điều khiển sẽ tăng rất nhiều khi đầu vào tăng

3.2.3 Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ

Để thiết kế bộ điều khiển mờ người thiết kế phải có đầy đủ kinh nghiệm

điều khiển thực tế Khi đã có đủ hiểu biết về hệ thống cần thiết kế ta đi theo các bước sau:

+ Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào ra

+ Định nghĩa tập mờ cho các biến vào ra

+ Xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành)

+ Chọn thiết bị hợp thành (MAX-MIN, SUM-MIN…)

+ Chọn nguyên lý giải mờ

+ Tối ưu cho hệ thống

Hình 3.5 Bộ điều khiển mờ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

Để hiểu các bước ta đi phân tích hệ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ

a Định nghĩa các biến vào ra

Đại lượng vào thứ nhất của bộ điều khiển là chênh lệch nhiệt độ giữa giá trị đặt và nhiệt độ thực ký hiệu ET

Ngoài độ

chênh lệch còn sử

dụng sự biến đổi

theo thời gian của

dP, được ký hiệu là DP tại đầu ra của

bộ điều khiển mờ cơ bản thành tín hiệu P của bộ điều khiển mờ Như vậy thiết

bị hợp thành có hai biến vào là ET và DET, một biến ra là DP

b Xác định tập mờ

Tiếp theo cần định nghĩa biến ngôn ngữ vào ra bao gồm số các tập mờ và dạng các hàm liên thuộc của chúng Để làm được việc đó ta cần xác định:

1 Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ (cơ sở)

Sai lệch nhiệt độ ET được chọn trong miền giá trị từ -120C đến +120C Tốc độ biến đổi DET có giá trị biến đổi từ -60C/s đến +60C/s

Tốc độ biến đổi công suất ra DP trong khoảng -120w/s đến +120w/s

Hình 3.6 Bộ mờ điều khiển nhiệt độ