1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC KÝ HIỆU 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH 3 DANH MỤC BẢNG 3 LỜI MỞ ĐẦU 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 5 1.1. Giới thiệu về lò nhiệt 5 1.1.1 Định nghĩa 5 1.1.2 Ưu nhược điểm 5 2.1.3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở 7 1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ 7 1.2.1 Giới thiệu chung 7 1.2.3 Các phương pháp đo nhiệt độ thông dụng 10 1.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 17 1.3.1 Điều khiển on-off 17 1.3.2 Điều khiển hiệu chỉnh P 19 1.3.3 Điều khiển hiệu chỉnh PD 21 1.3.4 Điều khiển hiệu chỉnh PID 22 1.3.5 Điều khiển sử dụng Fuzzy logic 23 1.4 Kết luận 25 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ 27 2.1 Quá trình phát triển của logic mờ 27 2.2 Cơ sở toán học 30 2.3 Các khái niệm 33 2.4 Tính toán mờ 43 2.4.1 Mờ hóa 43 2 2.4.2 Xử lý mờ 45 2.4.3 Giải mờ 49 2.5 Kết luận 52 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 53 3.1 Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nhiệt 53 3.2 Điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ PID 54 3.3 Điều khiển nhiệt độ sử dụng Fuzzy logic 59 3.4 Kết luận 70 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 72 4.1 Lựa chọn thiết bị 72 4.1.1 Vi điều khiển 72 4.1.2 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 76 4.1.3 Cổng giao tiếp RS232 79 4.2 Thiết kế mạch 80 4.3 Giao diện điều khiển 83 4.4 Phương pháp điều khiển và lập trình 83 4.4.1 Mờ hóa 84 4.4.2 Hợp thành 85 4.4.3 Giải mờ 87 4.5 Thiết kế cơ khí 87 4.6 Kết luận chung 89 4.6.1 Kết quả thực hiện 89 4.6.2 Những hạn chế 90 4.6.3 Hướng phát triển 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 92 3 DANH MỤC KÝ HIỆU DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG 4 LỜI MỞ ĐẦU Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh vực, trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Nhiệt độ trở thành mối quan tâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy móc và hệ thống và điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những đối tượng của ngành Cơ điện tử. Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế, quốc phòng, công nghiệp vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một quá trình không thể thiếu được, đặc biệt trong công nghiệp. Đo nhiệt độ trong công nghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ của sản xuất, việc đo và kiểm soát nhiệt độ tốt quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong. Ngoài ra, trong bảo quản trang thiết bị, vũ khí, khí tài trong quân đội tại các kho đạn dược, kho thuốc nổ, viện nghiên cứu vũ khí cũng rất cần quan tâm đếm nhiệt độ, bảo đảm an toàn cho đơn vị, cung cấp trang bị vũ khí tốt nhất, phục vụ nhiệm vụ sẵn sàng chiến đấu bảo vệ Tổ quốc. Với những lý do trên, trên cơ sở những kiến thức lĩnh hội được trong suốt 5 năm học tập tại Học viện Kỹ thuật quân sự, tôi xin nhận đề tài “Ứng dụng Fuzzy để điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt” với sự hướng dẫn của thầy Đại úy, TS.Trịnh Xuân Long. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy đã tận tình chỉ bảo để tôi có thể hoàn thành nội dung đồ án. Trong khuôn khổ của một đồ án tốt nghiệp, tôi đã được thực hiện được những nội dung sau: - Tìm hiểu lò nhiệt, các phương pháp đo và điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt. - Khảo sát lý thuyết điều khiển nhiệt độ và thuật toán logic mờ. - Mô phỏng Matlab- Simulink thuật toán PID, Fuzzy logic. - Lập giao diện giao tiếp máy tính sử dụng Visual Basic. - Xây dựng mô hình thực nghiệm lò nhiệt. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt trong thực tế đang là vấn đề rất được quan tâm để đạt được mục đích đáp ứng nhiệt độ yêu cầu nhanh nhất và chính xác nhất, từ đó tăng năng suất, giảm chi phí thiết bị nung, hao tổn điện năng, giảm giá thành sản phẩm. Trong chương này, sẽ tìm hiểu về lò nhiệt, các phương pháp đo và điều khiển nhiệt độ. 1.1. Giới thiệu về lò nhiệt 1.1.1 Định nghĩa Lò nhiệt là hệ thống biến đổi điện năng thành nhiệt năng sử dụng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nhiệt luyện kim loại hợp kim, nung nấu các vật liệu… Lò nhiệt được sử dụng trong lĩnh vực kĩ thuật: + Sản xuất thép chật lượng cao. + Sản xuất các hợp kim phe-rô. + Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện. + Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi. + Sản xuất đúc và kim loại bột. Trong các lĩnh vực công nghiệp khác: + Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm. + Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thủy tinh, gốm, sứ, vật liệu chịu nhiệt… Trong đời sống hằng ngày: + Lò nhiệt rất phổ biến, xuất hiện phong phú và đa dạng trong sinh hoạt của con người: bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện… 1.1.2 Ưu nhược điểm 6 So với các lò sử dụng nhiên liệu thì lò nhiệt điện có các ưu điểm sau: - Tạo được nhiệt độ cao. - Bảo đảm tốc độ nung lớn và năng suất cao. - Bảo đảm nung đều và chính xác do điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ. - Kín. - Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển phẩm. 1.Lò điện trở nhiệt SX 2 -4-10 2. Lò nhiệt luyện N60 LE 3. Lò nướng sấy hãng Omega 4 .Lò nhiệt luyện N40 E Hình 1.1 Một số lò nhiệt thông dụng trong đời sống 7 - Bảo đảm điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ. Tuy nhiên, cũng có nhược điểm: - Năng lượng điện đắt. - Vận hành hệ thống một cách đồng bộ, tuân thủ nghiêm các qui tắc an toàn. - Yêu cầu có trình độ khi sử dụng. 2.1.3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở có một dòng điện chạy qua dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một nhiệt lượng theo định luật Jun- Lenxo: 2 . .Q I R T= Q- Nhiệt lượng tính bằng Jun (J); I- Dòng điện tính bằng Ampe (A); R- Điện trở tính bằng Ohm ( Ω ); T- Thời gian tính bằng giây (s). Từ công thức trên ta thấy điện trở R 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 là nung gián tiếp. Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung vật liệu có hình dạng đơn giản như tiết diện hình vuông, tròn, chữ nhật. Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong công nghiệp. Vì vậy khi nói đến lò điện trở là không thể không đề cập đến vật liệu làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò. 1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ 1.2.1 Giới thiệu chung Từ thời xưa, người ta đã biết đến tính chất của vật chất là có quan hệ mật thiết với mức độ nóng lạnh của vật chất đó. Nóng hay lạnh là thể hiện mức độ 8 giữ nhiệt của vật. Mức độ nóng lạnh đó gọi là nhiệt độ. Khái niệm này dựa vào quan niệm về hiện tượng truyền nhiệt và cân bằng nhiệt (các vật có nhiệt độ như nhau thì không có hiện tượng truyền nhiệt cho nhau và lúc đó thì nó đã đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt). Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là tham số vật lý biểu thị động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử tạo thành vật thể. Khi hai vật tiếp xúc với nhau thì giữa chúng có hiện tượng trao đổi năng lượng giữa các phân tử cho đến khi động năng của các phân tử trong hai vật bằng nhau mới thôi. Đó chính là hiện tượng truyền nhiệt giữa hai vật có nhiệt độ khác nhau, hiện tượng đó diễn ra cho tới khi xảy ra sự cân bằng nhiệt. Tham số nhiệt độ thể hiện khả năng giữ nhiệt và có mối quan hệ với các tính chất khác của vật. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các đầu đo hay còn gọi là các cảm biến đo nhiệt độ. Các cảm biến làm nhiệm vụ chuyển đổi thông tin nhiệt độ của đối tượng thành tín hiệu điện (dòng điện hoặc điện áp) thuận lợi cho việc xử lý. Các cảm biến đo nhiệt độ có thể kể ra như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện, IC cảm biến nhiệt độ, điốt và tranzitor… Tuỳ theo từng khoảng nhiệt độ cần đo có thể dùng các phương pháp khác nhau. Thông thường nhiệt độ cần đo được chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ trung bình và thấp thì phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo. Đối với nhiệt độ cao thì đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo. Căn cứ vào khoảng nhiệt độ cần đo và sai số của phép đo mà ta quyết định lựa chọn cảm biến và phương pháp đo thích hợp. Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và cặp nhiệt là từ 250°C- 2500°C, độ chính xác có thể đạt tới ± 1% đến 0,1%. Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cảm biến tiếp xúc P-N (nhiệt điện trở, diot và transitor, IC) là từ -200°C đến 200°C, sai số đến ± 1%. 9 Phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ quang phổ…Có khoảng đo từ 1000°C đến vài nghìn °C với sai số ± 1% đến 0,1%. Trên thực tế có nhiều loại thang đo được sử dụng để đo nhiệt độ bao gồm: thang đo Celeius (˚C), thang đo Kelvin (˚K), thang đo Fahrenheit (˚F), thang đo Rankine (˚R). Công thức chuyển đổi giữa các thang đo: T(˚C) = T(˚K) – 273,15 T(˚F) = T(˚R) – 459,67 T(˚C) = (T(˚F) – 32)* 5/9 T(˚F) = T(˚C) * 9/5 + 32 Bảng 1.1 Chuyển đổi các thang đo nhiệt độ Kelvin( 0 K ) Celeius( 0 C ) Rankime( 0 R ) Fahrenteit( 0 F ) 0,00 -273,15 0,00 -459,67 273,15 0,00 491,67 32,00 273,16 0,01 491,69 32,02 1.2.2 Các thông số của cảm biến Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ biến đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượng vật lý khác như điện, áp suất, độ giãn nở dài, giãn nở khối, điện trở…Cảm biến nhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống điều khiển nhiệt độ nào. Mỗi cảm biến có các thông số quan trọng cần phải nắm vững. a. Thông số cấu tạo: được quyết định bởi nhà sản xuất và phụ thuộc vào từng loại cảm biến. b. Thông số sử dụng: bao gồm các yếu tố - Khoảng làm việc: là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng đo được khi chưa bị bão hòa. Khoảng làm việc cao hay thấp là do tính chất cấu tạo và lý hóa của từng loại cảm biến qui định. - Độ nhạy được định nghĩa: df s dx = df: Sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến; 10 dx: Sự thay đổi đại lượng vật lý. - Ngưỡng độ nhạy: Mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được. - Tính trễ: Còn gọi là quán tính của cảm biến. Tính trễ của cảm biến tạo ra sai số của phép đo. Tốc độ thay đổi của đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ của cảm biến. Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà quán tính của cảm biến quá lớn thì không thể đo chính xác được. Mọi cảm biến điều có tính trễ do ảnh hưởng của vỏ bảo vệ. 1.2.3 Các phương pháp đo nhiệt độ thông dụng a. Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện Hình 1.2 Cặp nhiệt thực tế Cặp nhiệt điện là dụng cụ đo nhiệt độ thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt điện chuyển đổi thành suất điện động để đưa vào các vôn kế chỉ thị bằng kim, bằng vạch sáng hoặc các con số. Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên các nguyên lý sau: Hiệu ứng Thomson: qua một dây dẫn có dòng điện I và hiệu nhiệt trên dây là 1 T - 2 T thì sẽ có một sự hấp thụ hay tỏa nhiệt. Hiệu ứng Pentier: khi có dòng điện đi qua một mối nối của hai dây dẫn thì tại vị trí mối nối sẽ có sựu hấp thụ hay tỏa nhiệt. [...]... Phương pháp cổ điển chỉ áp dụng với các đối tượng điều khiển có mô hình toán học nhưng trong thực tế các hệ thống điều khiển điều có tính phi tuyến, độ phức tạp cao Bảng 1.2 So sánh các phương pháp điều khiển nhiệt độ Các phương pháp Ưu điểm Khuyết điểm điều khiển Điều khiển on-off - Điều khiển đơn giản Điều khiển tỉ lệ P lực độ vọt lố lớn - Quá tải và độ vọt lố - Thời gian đáp ứng lâu nhỏ - Xảy ra quá... khâu động bổ sung này, bộ điều khiển cơ bản sẽ 24 được gọi là bộ điều khiển mờ động x(t) ∫ dt Bộ điều khiển mờ cơ d dt bản y’(t ) Hình 1.17 Bộ điều khiển logic mờ động Trong những năm gần đây các hệ mờ đã có những bước tiến nhanh chóng áp dụng vào nhiều hệ thống khác nhau: điều khiển, xử lý tín hiệu truyền thông, chế tạo vi mạch, các hệ chuyên gia Trong điều khiển nhiệt độ lò nhiệt quá trình điều khiển. .. dàng sử dụng 1 Cảm biến LM35 2 Cảm biến AD590 Hình 1.7 IC cảm biến nhiệt độ * Khuyết điểm - Nhiệt độ đo dưới 2000 C - Cần cung cấp nguồn cho cảm biến 1.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 1.3.1 Điều khiển on-off Điều khiển on-off là lặp lại trạng thái on-off của hệ thống điều khiển theo điểm đặt, ví dụ trong hình relay ngõ ra là on khi nhiệt độ trong lò nhiệt dưới điểm đặt và off khi nhiệt độ đến... dưới, nhiệt độ trên tới giá trị tới hạn thấp của ngõ ra đền được điều khiển bằng hai sợi nung với tổng công suất là 600W, trong lân cận điểm đặt, nhiệt độ điều khiển mỗi sợi nung là 300W 19 Hình 1.10 Hệ thống thích hợp sử dụng điều khiển On-Off Quá trình điều khiển 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... bằng nhiệt độ đặt Dao động nhiệt được biểu diễn trong sơ đồ sau: Hình 1.11 Dao động nhiệt độ xung quanh giá trị đặt 1.3.2 Điều khiển hiệu chỉnh P Đây là bộ điều khiển tỉ lệ mà biến đặt (manipulate variable) tỉ lệ với độ lệch(deviation) từ điểm đặt bên trong dãy tỉ lệ cho phạm vi nhiệt độ đặt Khi nhiệt độ hiện tại thấp hơn mức giới hạn thấp nhất của dãy tỉ lệ, biến đặt vào là 100% Khi nhiệt độ bên trong. .. nhất b Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở Nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong các đường ống, các lò phản ứng hóa học, các lò hơi, không khí trong phòng, lồng ấp ứng Nhiệt điện trở thích hợp đo nhiệt độ trong khoảng −500 C đến 3000 C Nguyên lý làm việc dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ: R=f(t) Cuộn dây điện trở thường nằm trong ống bảo vệ và tùy theo công dụng mà... ra Bài toán điều khiển lò nhiệt là bài toán điều khiển khá phức tạp do đối 25 tượng nhiệt độ có tính trễ và phi tuyến Ngày nay với sự ra đời của nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, mỗi phương pháp có nhiều điểm mạnh yếu khác nhau Nếu kết hợp tốt các phương pháp sẽ cho kết quả tốt hơn Tất cả đều hướng đến mục tiêu là độ chính xác, tốc độ cao cũng như khả năng đáp ứng tốt của thiết bị điều khiển Phương... phẩm, luyện kim, hóa dầu…Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ trong lò nhiệt tuy nhiên thông dụng hiện nay thường dùng cặp nhiệt điện (can nhiệt) Điều khiển nhiệt độ tương đối phức tạp vì nhiệt độ là đại lượng phi tuyến, do đó khi điều khiển cần kết hợp các phương pháp để cho kết quả tối ưu Tuy nhiên, do kiến thức mới và có nhiều nội dung khó nên trong đồ án chỉ tập trung phương pháp logic mờ, sẽ được trình... là “hoạt động điều khiển chia tỷ lệ thời gian” Hình 1.12 Điều khiển hiệu chỉnh P 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 21 Hình 1.13 Đáp ứng của hệ thống 1.3.3 Điều khiển hiệu chỉnh PD Vấn đề về tính ổn định và độ quá điều chỉnh trong điều khiển tỉ lệ với độ khuếch đại lớn có thể được giảm đi khi thêm vào đó khâu... nhỏ - Xảy ra quá tải mạch đến khi biến điều khiển Điều khiển vi phân tỉ - Đáp ứng nhanh được thiết lập - Rất nhạy với nhiễu lệ PD Điều khiển PID - Có thể điều khiển tốt - Cần thực nghiệm xác - Thiết lập đơn giản định các thông số PID - Khó tối ưu nếu chỉ sử Điều khiển mờ - Gần với suy luận con dụng riêng lẻ người bộ điều khiển mờ Từ đó, bộ điều khiển mờ ra đời đáp ứng yêu cầu của thực tiễn, dựa trên những . 52 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 53 3.1 Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nhiệt 53 3.2 Điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ PID 54 3.3 Điều khiển nhiệt độ sử dụng Fuzzy logic 59 3.4 Kết luận. nghiệm lò nhiệt. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt trong thực tế đang là vấn đề rất được quan tâm để đạt được mục đích đáp ứng nhiệt độ yêu. thành nội dung đồ án. Trong khuôn khổ của một đồ án tốt nghiệp, tôi đã được thực hiện được những nội dung sau: - Tìm hiểu lò nhiệt, các phương pháp đo và điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt. - Khảo