Đang tải... (xem toàn văn)
đề tài “ Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp thay đổi thời gian đốt cho lò nhiệt điện” https://www.mediafire.com/?sd9kmi3ti8plk33
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ********* ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI :Điều khiển nhiệt độ lò Oven Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Văn Vinh Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Mạnh Mã sinh viên : 0541240041 Lớp : TĐH1 – K5 1 Mở đầu Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết. Lò điện trở được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. Ở lò điện trở, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò. Với đề tài “ Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp thay đổi thời gian đốt cho lò nhiệt điện” trên cơ sở những lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lý thuyết điều khiển, kèm theo đó là kiến thức của các môn học cơ sở ngành và các môn học có liên quan như Đo lường cảm biến, VMTT – VMS … Đề tài được chia làm 3 chương như sau: . * Chương I: Tìm hiểu chung về mạch KĐTT, mạch PID, phương pháp thay đổi công suất sấy bằng cách thay đổi thời gian cấp điện. * Chương II: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò điện với bộ điều khiển PID. * Chương III: Xây dưng chương trình mô phỏng. 2 CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH KĐTT, MẠCH PID, PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI CÔNG SUẤT SẤY BẰNG CÁCH THAY ĐỔI THỜI GIAN CẤP ĐIỆN I/ Khái quát về mạch KĐTT: 1) Khái niệm chung: - Khuếch đại có nghĩa là dung năng lượng nhỏ làm thay đổi (điều khiển) một năng lượng lớn khác. Năng lượng nhỏ được gọi là năng lượng điều khiển. Năng lượng lớn gọi là năng lượng bị điều khiển. - Trong mạch điện tử mạch khuếch đại được xây dựng từ các phần tử tích cực và các phần tử thụ động. Các phần tử tích cực là tranzito, mạch khuếch đại thuật toán…. Các phần tử thụ động là điện trở, tụ điện, điện cảm. - Mạch khuếch đại dùng để khuếch đại dòng điện, khuếch đại điện áp và khuếch đại công suất. Quá trình điều khiển dòng điện, điện áp trong mạch khuếch đại diễn ra nhờ các phần tử tích cực. 2) Mô hình: i I i O U S U I U O R L R S R I R O +) Điện áp vào : U I (V) +) Tín hiệu ra : U O (V). +) Dòng điện vào: i I (A) +) Dòng điện ra: I O (A) +) Điện trở vào : R I () +) Điện trở ra : R O (Ω) Ngoài ra còn có thể có cả nguồn tín hiệu vào của mạch khuếch đại U S và điện trở nguồn tín hiệu R S (Ω). 3) Một số quan hệ giữa các đại lượng: a) Quan hệ giữa dòng điện - điện áp lối vào: U I = U S Trong khi đó, dòng điện cửa vào: i I = U S 3 Mạch khuếch đại Vậy ta có: U I = i I R I b) Quan hệ giữa dòng điện - điện áp ra: Ta phân biệt hai trường hợp trong quan hệ giữa dòng điện - điện áp cửa ra, đó là: .) Khi chưa có tải: U O = U OH ( trong đó U OH là điện áp cửa ra khi hở mạch .) Khi có tải với điện trở của phụ tải là R L , thì điện áp cửa ra là: U O = i O R L c) Hệ số khuếch đại áp : K U = d) Hệ số khuếch đại dòng : K I = e) Hệ số khuếch đại đêxiben: K U = 20lgK U (dB). II/ Khái quát về mạch PID: 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: 4 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) = Km.e(t) trong đó: u(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển. e(t): tín hiệu vào. Km : hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển. + Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace: W(p) = U(p)/E(p) = Km + Hàm truyền đạt trong miền tần số: W(jω) = Km + Hàm quá độ là hàm mô tả tác động tín hiệu vào 1(t): h(t) = Km.1(t) + Hàm quá độ xung: (δ(t) là xung Dirac) * Từ các đặc tính trên ta thấy quy luật tỉ lệ phản ứng như nhau đối với tín hiệu ở mọi dải tần số, góc lệch pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra bằng 0, tín hiệu ra sẽ tác động ngay khi có tín hiệu vào. + Sai lệch hệ thống: Hình I.1.2 Sai lệch của hệ thống được tính: 5 Theo hình I.1.2, ta có: E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) – Km .Wdt(p).E(p) Từ các phân tích trên ta thấy thành phần tỉ lệ (P) có tác dụng làm giảm sai lệch tĩnh, thời gian tác động nhanh. 2. Thành phần tích phân (I): * Tín hiệu điều khiển ut) 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: + Sai lệch của hệ thống: Hình I.2.2 Sai lệch của hệ thống được tính: Từ hình I.2.2, ta có: 6 + 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. 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: 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: + Sai lệch của hệ thống: Sai lệch của hệ thống được tính: Theo hình trên, ta có: E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) – Td.p.Wdt(p).E(p) 7 + 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. 4. Các Phương pháp xác định tham số Km, Ti, Td cho hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID Cấu trúc: Hàm truyền đạt: Mô hình: + Km: 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. + Ti: sai lệch tĩnh bằng 0 khi hệ được kích thích bằng tín hiệu hằng, giảm độ quá điều chỉnh. + Td: phản ứng nhanh với sự thay đổi của e(t), tăng độ quá điều chỉnh, nhạy cảm với nhiễu tần số cao. * Công thức Zigler-Nichols 2: - thay PID bằng 1 khâu khuyếch đại Kth - kích thích hệ bằng 1(t) 8 thay đổi Kth cho tới khi h(t) có dạng điều hòa (như hình vẽ): - lấy 2 thông số Kth, Tth( chu kỳ của h(t) ) - chọn tham số PID từ Kth, Tth: + sử dụng P: Km = Kth/2 + sử dụng PI: Km = 0.45Kth Ti = 0.85Tth + sử dụng PID: Km = 0.6Kth Ti = 0.5Tth Td = 0.12Tth III/ Phương pháp thay đổi công suất bằng cách thay đổi thời gian cấp điện Phương pháp điều khiển thời gian cấp điện còn gọi là điều khiển On- OFF hay phương pháp đóng ngắt dùng khâu relay có trễ.Khi lò hoạt động ở công suất P t tương ứng với nhiệt độ t của lò. Cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu 9 nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng lượng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ đo. Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên: nguồn chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < - ∆. Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽ dao động quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của rơ le. Khâu rơ le có trễ còn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử và như vậy ∆ là giá trị thềm hay ngưỡng. Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là: • Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải. • Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng. • Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùng trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất. CHƯƠNG II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LÒ ĐIỆN VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID I/ Giới thiệu chung về lò điện: a) Nguyên lý làm việc của lò điện trở * Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ: 10 [...]... PID: Kp = 1.2T/L Ti = 2L Td = τ/L II/ Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng PID\ 13 Yêu cầu thiết kế: với yêu cầu của đề tài là Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng PID” thì các mạch phần cứng cần thiết kế bao gồm: • Thiết kế mạch đo nhiệt độ với dải đo 0 – 2000C • Thiết kế mạch điều khiển PID • Thiết kế mạch khuyếch đại công suất cho đối tượng nhiệt độ đơn giản Trong khuôn khổ của môn học,... không đi sâu vào việc thiết kế mạch đo nhiệt độ và mạch khuyếch đại công suất cho đối tượng nhiệt độ mà chỉ đề cập đến vấn đề thiết kế mạch điều khiển PID Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển: Từ sơ đồ tổng quan ta thấy: Khối trung tâm của hệ thống là CPU, nó điều phối toàn bộ chức năng của hệ thống Giá trị nhiệt độ được đo bằng SENSOR, sau đó được chuẩn hóa và khuyếch đại qua một mạch khuyếch đại đo lường... sẵn bởi phần mềm Kết quả của quá trình tính toán được lấy để cho qua bộ DAC biến đổi thành tín hiệu tương tự đưa ra van chấp hành đến đối tượng nhiệt độ cần điều khiển Giá trị nhiệt 14 độ của đối tượng điều khiển tỉ lệ với năng lượng cấp vào từ van chấp hành Giá trị năng lượng cấp cho đối tượng được điều khiển bởi xung clock nối ghép trung gian giữa CPU, ADC và DAC * Ta có bộ điều khiển PID có hàm... Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu 11 +) Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt • Dây nung Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện... tương đối của lò +) Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín; còn đối với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò +) Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung)... trong thực tế công nghiệp Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò b) Cấu tạo của lò điện trở Lò điện trở thông thường gồm 3 phần chính là vỏ lò, lớp lót và dây nung • Vỏ lò +) Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự...Q=I2RT Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J) I: Dòng điện tính bằng Ampe (A) R: Điện trở tính bằng Ôm (Ω) T: Thời gian tính bằng giây (s) Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò: - Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp - Dây nung: Khi dây nung được nung nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi... kiện khắc nghiệt, do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Chịu nóng tốt, ít bị oxi hóa ở nhiệt độ cao - Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao - Điện trở suất phải lớn - Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ - Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi - Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng - Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép uốn !!!!!!Theo đặc tính của vật liệu dùng làm... cấu cơ khí gắn trên vỏ lò • Lớp lót +) Lớp lót lò điện trở thường gồm 2 phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt +) Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tùy theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến... * Đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc 1 có trễ có hàm truyền: * Hệ thống có sơ đồ như hình vẽ: Giả sử cho L/T=0.9, T=95 => L=85.5 thì có các tham số Kp = 1.333 Ti = 171 Td = 42.75 CHƯƠNG III XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 15 (chương trình mô phỏng đi cùng tệp đính kèm) Lời cảm ơn 16 Đầu tiên , em xin gửi lời cảm ơn tới nhà trường , khoa điện, bộ môn đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em học . Zigler-Nichols 2: - thay PID bằng 1 khâu khuyếch đại Kth - kích thích hệ bằng 1(t) 8 thay đổi Kth cho tới khi h(t) có dạng điều hòa (như hình vẽ): - lấy 2 thông. PID từ Kth, Tth: + sử dụng P: Km = Kth/2 + sử dụng PI: Km = 0.45Kth Ti = 0 .85 Tth + sử dụng PID: Km = 0.6Kth Ti = 0.5Tth Td = 0.12Tth III/ Phương pháp