THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ NHIỆT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN LIÊN MÔN 1 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ NHIỆT MÁY ẤP TRỨNG TÊN NHÓM: MOE Giảng viên hướng dẫn Sinh viên

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN LIÊN MÔN 1

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NHIỆT

ĐỘ TRONG LÒ NHIỆT (MÁY ẤP TRỨNG)

TÊN NHÓM: MOE

Giảng viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

: TRẦN THỊ MINH DUNG NGUYỄN KHÁNH QUANG :

Lời Mở Đầu

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, mặc dù gặp phải nhiều khó khăn nhưng được sự giúp đỡ, hỗ trợ kịp thời từ quý Thầy Cô và các bạn nên

Đồ án đã hoàn thành đúng tiến độ Em xin chân thành cảm ơn cô Trần Thị Minh Dung, thầy Nguyễn Khánh Quang đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo kinh nghiệm quý báu.

Mặc dù nhóm thực hiện đã cố gắng hoàn thiện được đồ án, nhưng trong quá trình soạn thảo cũng như kiến thức còn hạn chế nên có thể còn nhiều thiếu sót Nhóm thực hiện mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn sinh viên.

Sau cùng nhóm thực hiện xin chúc Thầy cô sức khỏe, thành công và tiếp tục đào tạo những sinh viên giỏi đóng góp cho đất nước Chúc các bạn sức khỏe, học tập thật tốt để không phụ công lao các Thầy Cô đã giảng dạy

Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn.

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN

I. Đặt vấn đề

- Đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt” trên cơ sở những lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học Điều khiển tuyến tính, kèm theo

đó là kiến thức của các môn học cơ sở ngành và các môn học có liên quan như Mạch điện tử, Mạch số …được các thầy cô đặt ra nhằm giúp cho sinh viên bắt đầu làm quen, nắm bắt với khái niệm như thế nào là một Dự án Liên môn, bước đầu hình dung được việc xây dựng đề tài bằng cách áp dụng các kiến thức của nhiều môn học khác nhau

- Đồ án này sẽ nêu ra cách xác định hàm truyền đạt của lò điện trở, từ hàm truyền thu được khảo sát động học sử dụng MATLAB, tổng hợp bộ điều khiển

P, PD, PID cho vòng điều chỉnh nhiệt độ và mô phỏng trên SIMULINK và Mô phỏng hệ thống

II. Mô tả hệ thống

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

setpointSP 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

III. Mục đích của đề tài:

- Hiểu được nguyên lí cấu tạo và hệ thống của 1 lò nhiệt

- Thiết kế bộ điều khiển PID với khả năng điều chỉnh nhiệt độ theo yêu cầu

- Đưa ra hàm truyền bằng cách đo thực tế và sử dụng matlab

- Đánh giá, đưa ra nhân xét với các tín hiệu gây nhiễu và đưa ra giải pháp.

IV. Tiến trình thực hiện

V. Phân công nhiệm vụ giữa các thành viên

1. Mai Trí Toàn

- Tìm hiểu lý thuyết

- Tham gia nghiên cứu và thiết kế bộ PID

2. Nguyễn Đăng Đức Bảo

- Tìm hiểu cách mô hình hóa hệ thống

- Đưa ra các ý tưởng về thiết kế mạch

- Tham gia nghiên cứu về bộ PID

3. Nguyễn Đăng Bảo Đức

- Tìm hiểu về linh kiện và những phần cứng liên quan tới đề tài

- Tham gia đo đạt số liệu, tìm hàm truyền

- Tham gia tìm hàm truyền hệ thống qua matlab

4. Phùng Xuân Phong

- Lập kế hoạch, đưa ra dự kiến ban đầu

- Tham gia nghiên cứu PID

- Tham gia đo đạt số liệu

- Tham gia tìm hàm truyền hệ thống trên matlab

5. Trần Lê Anh Quang

- Vẽ Gantt chart

- Tham gia đo đạt số liệu

CHƯƠNG II:THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ NHIỆT

I. Thiết kế cơ khí

Lò nhiệt gồm 2 phần chính:vỏ lò, dây nung

• Vỏ lò đươc dùng là một thùng xốp có kích thước 30cm*40cm*20cm, vừa vững chắc vừa giảm tổn thất về nhiệt Gọn nhẹ, dễ tìm kiếm và gia công

• Dây nung được dùng là bóng đèn sợi đốt 220V-60W, được bố ở chính giữa

lò

II. Thiết kế mạch điện

I. Bộ điều khiển:

Sử dụng bộ điều khiển PID tự thiết kế , sử dụng mạch điện tử

 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:

1.1 Bộ điều khiển tỉ lệ (P- Portitional Controller)

Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số

Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ

 Ưu điểm: Đơn giản, tác động nhanh, không làm thay đổi về pha

 Khuyết điểm: - Không triệt tiêu hết sai lệch tĩnh

- Độ chính xác bị hạn chế (đặc biệt là các đối tượng có

độ quán tính lớn và thời gian trễ lớn)

1.2 Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ (PI)

Khâu tích phân tỉ lệ gây ra sự chậm pha ở tần số thấp.

 Ưu điểm: - Độ chính xác cao ở chế độ xác lập

- Không có sai lệch tĩnh

- Thay đổi tốc độ, giảm sai lệch nhanh (nhờ P)

 Khuyết điểm: - Độ dự trữ ổn định lớn hơn so với tích phân I

- Tốc độ tách động chậm hơn so với tỉ lệ P

1.3 Bộ điều khiển vi phân tỉ lệ (PD)

 Ưu điểm: - Độ ổn định cao

- Tính tác động nhanh cao so với P, PI

 Khuyết điểm: - Vẫn có sai lệch tĩnh vì không có thành phần I

1.4 Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID)

 Ưu điểm: - Nhanh đáp ứng quá độ, tăng bậc vô sai của hệ thống

- Không có sai lệch tĩnh

- Điều chỉnh tốc độ thay đổi của hệ thống

- Tăng độ dự trữ pha ổn định

II. Cảm biến đo nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ LM35 là một loại cảm biến tương tự rất hay được ứng dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực Vì nó hoạt động khá chính xác với sai số nhỏ, đồng thời với kích thước nhỏ và giá thành rẻ là một trong những ưu điểm của nó

3. Thiết bị chấp hành

Hệ thống các bóng đèn dây tóc được kết nối với nguồn điện

III. Nguyên lí hoạt động

- Giá trị đặt bằng biến trở

- Bộ điều khiển cung cấp tín hiệu điện điều khiển cho thiết bị chấp hành

- Sử dụng đo nhiệt độ của đối tượng rồi phản hồi bộ điều khiển

- Bộ điều khiển xử lý thông tin và hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển sao cho giá trị đầu ra đạt như yêu cầu

CHƯƠNG III:NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ THIẾT KẾ

BỘ ĐIỀU KHIỂN

Các bước cần thiết để thiết lập mô hình toán học bao gồm: Cho điện áp đầu vào

và đo đầu ra nhiệt độ, khai báo các biến đầu vào và ra vào matlab, sử dụng

toolbox để thiết lập công thức và vẽ hàm truyền

I. Lấy số liệu

- Khai báo các biến đầu vào điện áp tang dần ở 1 thời gian chờ cố định để thu các biến đầu ra nhiệt độ:

điện

áp

nhiệt

độ

Thời gian chờ

85 59.57 10 phút

87 60.24 10 phút

89 61.45 10 phút

91 62.13 10 phút

93 62.87 10 phút

95 63.48 10 phút

97 64.27 10 phút

99 64.97 10 phút

101 65.45 10 phút

103 66.23 10 phút

105 67.87 10 phút

107 68.27 10 phút

109 70.45 10 phút

111 72.67 10 phút

113 74.25 10 phút

115 76.66 10 phút

117 77.43 10 phút

119 78.55 10 phút

121 80.34 10 phút

123 81.42 10 phút

125 82.52 10 phút

127 83.34 10 phút

129 83.88 10 phút

131 84.21 10 phút

133 85.43 10 phút

135 84.45 10 phút

137 85.32 10 phút

139 86.45 10 phút

141 87.23 10 phút

143 88.17 10 phút

145 88.87 10 phút

147 89.45 10 phút

149 90.34 10 phút

151 92.55 10 phút

153 94.17 10 phút

155 95.21 10 phút

157 96.23 10 phút

159 96.89 10 phút

161 97.45 10 phút

163 98.55 10 phút

165 99.61 10 phút

167 100.3

5

10 phút

169 102.3

2

10 phút

171 103.4

5

10 phút

173 104.4

6

10 phút

175 105.4

7

10 phút

177 106.2

3

10 phút

179 106.8

9

10 phút

181 107.1

7

10 phút

183 107.8

6

10 phút

185 108.2

3

10 phút

187 108.8

7

10 phút

189 109.2

3

10 phút

191 110.17 10 phút

193 111.45 10 phút

195 112.19 10 phút

197 112.87 10 phút

199 113.23 10 phút

201 114.23 10 phút

203 114.97 10 phút

205 115.34 10 phút

207 115.89 10 phút

209 116.17 10 phút

211 116.45 10 phút

213 116.98 10 phút

215 117.23 10 phút

217 117.45 10 phút

219 117.77 10 phút

221 118.21 10 phút

223 118.35 10 phút

-II. Nhận dạng hàm truyền

1. Khai báo các biến đầu vào và đầu ra trong matlab:

- Bằng lệnh xlsread(‘thư mục chứa tệp\tên tệp’,bậc ma trận,’cột bắt đầu: cột kết thúc’)

- Cho u1; y1 lần lượt là biến đầu vào điện áp và biến đầu ra nhiệt độ

-2. Sử dụng toolbox để thiết lập công thức và vẽ hàm truyền:

- Chọn thiết lập ở miền thời gian:

Khai báo các biến như hình:

Chọn proceed mode để tính hàm truyền:

-3. Kết quả thu được:

-III. Thiết kế bộ điều khiển

Mạch mô phỏng:

Mạch thực tế:

CỦA ĐỀ TÀI

I. Những kết quả đạt được

- Thiết lập mô hình toán học, hàm trạng thái của mô hình và mô phỏng thành công trên Matlab Simulink

- Thiết kế được bộ điều khiển hệ thống

- Mô hình sản phẩm gần như hoàn chỉnh , có thể điều khiển được nhiệt độ theo yêu cầu , các thành phần mạch điện hoạt động ổn định

II. Hạn chế của đề tài

- Đề tài còn nhiều yếu tố chưa giải quyết triệt để:

- Hệ thống dữ liệu vẫn còn sai số

- Thời gian xác lập tương đối dài

- Phần mềm còn đơn giản, chưa thật đẹp

III. Kết luận

- Trong quá trình thực hiện đề tài mặc dù gặp nhiều khó khăn: hạn chế về kiến thức, kinh phí, thiết bị…đề tài chưa thật hoàn chỉnh, song sản phẩm cũng đạt được một số nội dung nhất định Làm cơ sở để sinh viên có cơ hội tiếp cận với thực tế sản xuất và ôn lại kiến thức đã học về thiết kế mô hình bộ điều khiển PID,

sử dụng Matlab để mô phỏng hàm truyền giảm thời gian xác lập và độ lọt vố

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Gia,2005

Tp HCM.

TP.HCM, 2007.

Tp HCM.