Đang tải... (xem toàn văn)
Hệ thống thí nghiệm CRT là một trong những hệ thống thí nghiệm giúp sinh viên áp dụng kiến thực đã học vào thực tế. Hệ thống này cho phép sinh viên nghiên cứu về mạch điều khiển, về các thiết bị gia nhiệt, nắm vững vấn đề ổn định hệ thống điều khiển và quá trình hoạt động của một hệ thống gia nhiệt.
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT CRT Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Họ tên MSSV THÁI NGUYÊN, NĂM 2018 Lớp TRƯỜNG ĐHKTCN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sinh viên: TT MSSV Tên Lớp sinh viên Ngành học: Kỹ Thuật Điều Khiển Giáo viên hướng dẫn: Tên đề tài tốt nghiệp : “Điều khiển hệ thống gia nhiệt CRT sử dụng Arduino Board’’ Các số liệu ban đầu (nếu có) Nội dung phần thuyết minh tính tốn - Ngun lý hoạt động hệ thống gia nhiệt CRT ứng dụng mạch Arduino Board - Xây dựng mơ hình mạch để nhận dạng đối tượng - Xây dựng mơ hình để điều khiển đối tượng - Thiết kế điều khiển kinh điển, mờ, neural đưa nhận xét so sánh - Các kết mô thực nghiệm Số lượng phần mềm, bảng biểu, vẽ (kích thước A0) Ngày giao nhiệm vụ: 01/08/2018 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/10/2018 BAN CHỦ NHIỆM KHOA (Ký ghi rõ họ tên) GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC MỞ ĐẦU LỜI CÁM ƠN CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GIA NHIỆT CRT 1.1 Tổng quan hệ thống gia nhiệt CRT 1.2 Mô tả nguyên lý làm việc hệ thống 1.3 Mục tiêu điều khiển hệ thống 1.4 Xây dựng mơ hình hàm truyền hệ thống CRT CHƯƠNG NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 13 2.1 Mơ hình hóa đối tượng 13 2.2 Nhận dạng hệ thống điều khiển 14 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 19 3.1 Thiết kế điều khiển PI 19 3.2 Thiết kế điều khiển PID 20 3.3 Thiết kế điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control-FLC) 22 a Yêu cầu thiết kế điều khiển mờ 22 3.5 Thiết kế điều khiển mờ động PD 22 3.4 Thiết kế điều khiển mờ tĩnh 27 CHƯƠNG :MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG 32 4.4 Bộ điều khiển PI 34 4.2 Bộ điều khiển PID 35 4.5 Bộ điều khiển mờ tĩnh 37 4.4 Bộ điều khiển mờ động 39 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 MỞ ĐẦU Cơng nghiệp hóa-hiện đại hóa đóng vai trò quan trọng cơng đổi kinh tế nước nhà, bước hội nhập với kinh tế quốc tế Quá trình mang đến hội thuận lợi đồng thời tồn khó khăn thách thức lớn.Vì việc tìm hiểu phát triển ứng dụng khoa học công nghệ cần thiết.Ngày phát triển nhanh chóng cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung lĩnh vực điện–điện tử nói riêng làm cho mặt xã hội đất nước biến đổi ngày.Như biết,nhiệt độ thành phần vật lý quan trọng,được sử dụng rộng rãi nhiều ngành khác như: luyện kim,thực phầm,y tế… Việc thay đổi thất thường nhiệt độ không gây hư hại đến thiết bị hoạt động mà ảnh hưởng đến q trình sản xuất, sản phẩm Vấn đề ổn định nhiệt độ cho hệ thống gia nhiệt gặp nhiều khó khăn hệ thống thường cóqn tính nhiệt lớn, có nhiễu tác động có sai lệch giá trị đo.Thực tế có nhiều phương pháp để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt Nắm tầm quan trọng ổn định nhiệt độ, chúng em thực nghiên cứu đồ án “ điều khiển hệ thống gia nhiệt CRT phòng thí nghiệm khoa điện tử” Nó nói lên phần vấn đề nhận dạng thiết kế điều khiển cho hệ thống gia nhiệt Trong nội dung đồ án nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định nhiệt độ bình gia nhiệt theo PID sở lý thuyết học Trong quãng thời gian ngồi ghế nhà trường chúng em tích lũy cho nhiều kiến thức đại cương kiến thức chuyên ngành Trong trình thực đồ án ngồi cố gắng nhóm chúng em nhận giúp đỡ bảo tận tình thầy,cô giáo môn Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, thầy cô khoa Điện Tử thầy cô môn đặc biệt tới thầy hướng người trực tiếp hướng dẫn chúng em tận tình bảo để chúng em hồn thành tốt đồ án Do kiến thức hạn chế nên đồ án nhiều thiếu sót Em mong góp ý thầy bạn để đồ án hoàn thiện em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2018 sinh viên LỜI CÁM ƠN Trong quãng thời gian ngồi ghế nhà trường em tích lũy cho nhiều kiến thức đại cương kiến thức chuyên ngành Trong trình thực đồ án cố gắng em nhận giúp đỡ bảo tận tình thầy, cô giáo môn đo lường điều khiển Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Các thầy cô giáo Trường Đại Học Kĩ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, thầy cô khoa Điện Tử thầy mơn để nhóm em hoàn thành tốt đồ án Em xinchân thànhcảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2018 Sinh viên thực hiện: Nhận xét giáo viên hướng dẫn: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Thái Nguyên,Ngày Tháng 10 Năm 2018 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nhận xét giáo viên chấm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Thái nguyên,Ngày Tháng 10 Năm 2018 Giáo viên chấm (Ký,ghi rõ họ tên) CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GIA NHIỆT CRT 1.1 Tổng quan hệ thống gia nhiệt CRT Hình 1: Hệ thống thí nghiệm điều khiển khiển gia nhiệt CRT Hình 2:Mơ hình hệ thống thí nghiệm điều CRT Hệ thống thí nghiệm CRT hệ thống thí nghiệm giúp sinh viên áp dụng kiến thực học vào thực tế Hệ thống cho phép sinh viên nghiên cứu mạch điều khiển, thiết bị gia nhiệt, nắm vững vấn đề ổn định hệ thống điều khiển trình hoạt động hệ thống gia nhiệt Trên thí nghiệm ta tiến hành thí nghiệm sau: Điều khiển nhiệt độ kiểu ON/OFF mạch phần cứng Ø Điều khiển nhiệt độ kiểu PID, PI, P máy tính… Ø Điều khiển nhiệt độ kiểu ON/OFF thiết bị ngồi MiniReg 1.2 Mơ tả ngun lý làm việc hệ thống Nước bình 13 bơm từ bình chứa nước bơm Chúng ta điều khiển làm việc van tay Ta thay đổi lưu lượng để tạo nhiễu nhờ van van sau mở van van Nước bình 13 gia nhiệt điện trở nhiệt 12 nhiệt độ đạt được đo hai sensor nhiệt PT100 Một sensor nhiệt nằm bên trái dùng để bảo vệ: đạt nhiệt độ đặt lớn nhất, nhiệt điện trở tắt nhờ thiết bị điều nhiệt an toàn Tmax lắp khối thiết bị điện Còn sensor thứ hai nằm bên phải cho phép ta đọc giá trị đại lượng điều khiển, để tiến hành trình điều khiển Nước sau đun nóng trở lại bình chứa Tín hiệu điều khiển X từ thiết bị điều khiển truyền tới nhiệt điện trở, nhiệt độ đo Y đại lượng điều ển truyền tới thiết bị điều khiển Mục đích q trình đ ể điều khiển nhiệt độ nước bể chứa Pirex (12) với có mặt nhiễu tác động Nước lấy từ bể chứa (1) thông qua máy bơm ly tâm (2) đưa vào mạch Nước bơm tuần hoàn qua bể chứa (12), bể chứa nước làm nóng dây nhiệt điện trở(11) Từ bể chứa (12) nước quay trở lại bể chứa (1) Lưu lượng nước đưa vào điều chỉnh thông qua van (8) đo lường đồng hồ đo lưu lượng (7) Van (4) (6) tạo nhiễu lưu lượng cách độc lập Để đo nhiệt độ (Y) dùng cảm biến nhiệt độ Pt100 Cảm biến Pt100 khác cung cấp tín hiệu (Tmax) đến điều nhiệt thiết bị điện (9) Từ giúp cho cài đặt nhiệt độ lớn thực tay, sử dụng điều khiển On-Off Điều khiển hệ thống thực theo nhiều cách khác nhau: • thơng qua phần mềm, cách sử dụng chương trình phần mềm CRS/T máy tính cá nhân (10); • thơng qua điều chỉnh điện tử tùy chọn, MiniReg (8); • thơng qua máy điều chỉnh nhiệt thiết bị điện (9) Các điều khiển hai loại PID (Proportional Derivative Integral) On-Off, đạt cách so sánh tín hiệu tương ứng với nhiệt độ nước bể (Y) với tín hiệu đặt Set-Point lựa chọn người sử dụng Do việc điều chỉnh tạo tín hiệu khởi động (X) mà tác động dòng điện điện trở (11) Hơn nữa, máy tính cá nhân kiểm sốt nhiễu tốc độ dòng chảy cách tạo tín hiệu (n) có tác dụng van điện từ (4) Thiết bị điện (9) bao gồm điều chỉnh nhiệt an toàn,điều khiển cho thành phần điện đối tượng,bộ biến đổi AD / DA chuyển đổi cho phù hợp với máy tính cá nhân thông qua cổng USB,chỉ thị số dùng để hiển thị giá trị nhiệt độ tức thời 1.3 Mục tiêu điều khiển hệ thống Hệ thống bơm nước ly tâm theo vòng tuần hồn khép kín, tính toán hiển thị giá trị nhiệt độ, lưu lượng dòng chảy Điều khiển ổn định nhiệt độ bình Pirex q trình hoạt động nhờ thơng số đo tính tốn nhiễu loạn tác động đưa nước trở bể chứa Trong trình đưa nước vào Pirex nước xáo trộn đo đạc thơng số để việc làm nóng ổn định nhiệt độ xác Sơ đồ cấu trúc hệ thống Nước bể chứa Nước đường ống Nước đường ống Nước bình Pirex 1.bể chứa nước 2.bơm li tâm 3.van điều chỉnh tốc độ dòng chảy điều khiển tay 4.van mở đầu nhiễu 5.van điều khiển nhiễu tốc độ dòng chảy điều chỉnh tay 6.van điều chỉnh tay 7.đồng hồ đo lưu lượng dùng để điều khiển lưu lượng dòng chảy 8.máy điều chỉnh điện tử 9.thiết bị điện 10.máy tính cá nhân 11.điện trở đốt nóng điện 12.hai cảm biến nhiệt độ PT100 đo nhiệt độ bình Pirex 13.van tháo nước ngồi X tín hiệu khởi động Y tín hiệu điều khiển có thay đổi n tín hiệu nhiễu Tmax tín hiệu chỉnh nhiệt an tồn 1.4 Xây dựng mơ hình hàm truyền hệ thống CRT Hình Mơ hình hệ thống gia nhiệt CRT Nước bơm từ bồn chứa đưa vào bồn gia nhiệt với lưu lượng q1 nhiệt độ T1 Lưu lượng khỏi buồng gia nhiệt với lưu lượng vào,nhiệt độ đầu nước T0 , nhiệt độ T0 Gọi thể tích bồn gia nhiệt V Nước gia nhiệt dây điện trở cấp điện thông qua biến đổi có điện áp điều khiển U dk từ đến 5v để điều chỉnh điện áp đặt hai đầu dây gia nhiệt từ đến 220v Gọi điện trở dây gia nhiệt R, nhiệt lượng tỏa gia nhiệt Q Nhiệt lượng thất thoát môi trường bồn chứa Qtt Xây dựng mơ hình phương trình vi phân Phương trình truyền nhiệt trình truyền nhiệt từ dây gia nhiệt dến nước : dT ì ïïV pC dt = qC (T1 - T ) + Q (cal / s ) í ïQ = U ( J / s ) ïỵ R Vì nhiệt dung riêng nước tính băng cal đổi nhiệt lượng tỏa dây điện trở từ J sang cal, chuyển điện áp nguồn sang điện áp điều khiển ta được: -Sơ đồ mô 3.4 Thiết kế điều khiển mờ tĩnh -Đầu vào điều khiển mờ tĩnh sai lệch e(t),đầu tín hiệu điều khiển u(t) Bước : Xây dựng mơ hình vào điều khiển mờ -Chọn mơ hình thiết kế mamdani Hình 3.2 Mơ hình thiết kế cho bdk mờ tĩnh 27 Sau khảo sát miền xác định đầu vào,đầu ta có :+Sai lệch e=[-100 100] +Điện áp u=[-5 5] Bước : Chọn biến ngôn ngữ cho đầu vào-ra Sai lệch e=[amnhieu am zero duong duongnhieu]=[AN A Z D DN] Điện áp u=[amnhieu am zero duong duongnhieu]=[AN A Z D DN] Bước : Xây dựng hàm liên thuộc vào-ra -Xây dựng hàm liên thuộc cho tín hiệu vào e : Tập mờ đầu vào: E1=AN=[-20.98 -6.189] E2=A=[1.4 -4.419] E3=Z=[1.296 2.32] E4=D=[0.901 7.787] E5=DN=[0.362 12.18] Hình 3.3 Tập mờ đầu vào điều khiển mờ tĩnh -Xây dựng hàm liên thuộc cho tín hiệu u : Tập mờ đầu ra: 28 U1=AN=[-3.347 -1.822] U2=A=[0.138 -0.5728] U3=Z=[0.1226 0.0253] U4=D=[0.142 0.6305] U5=DN=[7.33 2.333] Hình 3.4 Tập đầu điều khiển mờ tĩnh Bước : Xây dựng luật hợp thành vào giải mờ Hình 3.5 Luật điều khiểncho điều khiển mờ tĩnh 29 Hình 3.5 Quan sát hoạt động luật Hình 3.6 Quan hệ vào-ra điều khiển 30 -Sơ đồ mơ -Mơ matlab Simulink Hình 18:Đặc tính làm việc hệ thống có bdk mờ tĩnh Hình 3.9: Điện áp cấp cho hệ thống làm việc 31 CHƯƠNG :MƠ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG 4.1 Mơ hình hệ thống thực nghiệm Ta tiến hành thực nghiệm, kiểm chứng mơ hình thực nghiệm sau: Hình 4.1 Mơ hình hệ thống thực nghiệm Mơ hình hệ thống thực nghiệm gồm có: -Máy tính -Arduino Board 4.2 Khối nguồn Cấp nguồn ±12V cho mạch điều khiển Bộ đệm 18V cho mạch cơng suất 32 Hình 3.2 Khối nguồn 4.3 Máy tính Có cài phần mềm Matlab phiên 2012a, cài phầm mềm lập trình Arduino 1.0.5 - Chức năng: - Giao tiếp với Arduino thông qua cáp USB - Mô hệ thống điều khiển Matlab - Nhiệm vụ: - Đọc liệu phản hồi từ board Arduino - Tính tốn xuất tín hiệu điều khiển tới robot thông qua board Arduino Card Arduino bo mạch vi xử lý có 20 ngõ I/O tương tác điều khiển nhiều thiết bị, dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khác Đặc điểm bật Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngơn ngữ lập trình học cách nhanh chóng 33 4.4 Bộ điều khiển PI -Bộ điều khiển PI có dạng : GPI ( s ) = 0.0113 + 3.0839e -5 * s a.Sơ đồ b.Đặc tính : -Đặc tính nhiệt độ đầu : 34 Hình 4.1a Đặc tính làm việc hệ thống -Đặc tính điện áp cấp u Hình 4.1b Điện áp cấp cho hệ thống c.Nhận xét -Từ đặc tính đầu hệ thống ta thấy đường đặc tính đầu khơng có độ q điều chỉnh,hệ thống ổn định sau khoảng 2300s -Hệ triệt tiêu sai lệch tĩnh với đầu vào dạng 1(t) -Điện áp cấp giảm dần hệ thống dần đến trạng thái xác lập 4.2 Bộ điều khiển PID -Hàm truyền điều khiển: ỉ GPID ( s ) = 0.1787 ỗ1 + + 7s ữ ố 354 s ø a.Sơ đồ 35 b.Kết mô Matlab Simulink -Đặc tính nhiệt độ đầu ra: Hình 4.3a Đặc tính làm việc hệ thống có bdk PID 36 -Điện áp cấp u(v): Hình 4.3b Điện áp cấp cho hệ thống làm việc c.Nhận xét: -Khi có tín hiệu điều khiển tín hiệu bắt đầu tăng từ giá trị ban đầu 25 C đến giá trị đặt 60 C -Hệ thống có độ điều chỉnh δ%=0.05% ổn định sau khoảng 2500s -Hệ thống triệt tiêu sai lệch tĩnh với đầu vào hàm 1(t) 4.5 Bộ điều khiển mờ tĩnh a.Sơ đồ 37 b.Kết mơ Matlab Simulink -Đặc tính nhiệt độ đầu Hình 4.5a Đặc tính làm việc hệ thống có bdk mờ tĩnh -Đặc tính điện áp cấp U Hình 4.5b Điện áp cấp cho hệ thống làm việc c.Nhận xét -Hệ thống tăng dần từ giá trị ban đầu 25ºC dần ổn định sau khoảng 500s -Bộ điều khiển mờ tĩnh chưa đáp ứng yêu cầu đặt ra.Tín hiệu chưa bám sát với tín hiệu đặt 38 Ngun nhân: Do mờ khơng thể xác định hàm toán học dẫn đến việc thiết kế trở nên khó khăn.Việc lựa chọn giá trị,dạng hàm liên thuộc phụ thuộc vào kinh nghiệm làm việc người 4.4 Bộ điều khiển mờ động a.Sơ đồ: b.Kết mơ Matlab Simulink -Đặc tính nhiệt độ đầu Hình 4.4 a Đặc tính làm việc hệ thống có bdk mờ động 39 -Đặc tính iện áp cấp u(v) Hình 4.4b Điện áp cấp cho hệ thống làm việc c.Nhận xét -Hệ thống có độ điều chỉnh δ%=0.067% ổn định sau khoảng 500s -Bộ điều khiển chưa đáp ứng yêu cầu đặt ra.Tín hiệu chưa bám sát tín hiệu đặt Nguyên nhân mờ không xác định hàm toán học dẫn đến việc thiết kế trở lên khó khăn.Việc tính tốn lựa chọn giá trị,dạng hàm liên thuộc phải dựa kinh nghiệm KẾT LUẬN *Đánh giá kết đạt được: -Việc ổn định nhiệt độ cho hệ thống gia nhiệt gặp nhiều khó khăn hệ thống thường có qn tính nhiệt lớn có nhiễu tác động -Có nhiều phương pháp điều khiển áp dụng cho toán này.Tuy nhiên phương pháp sử dụng điều khiển PI tối ưu Do vậy,tùy đối tượng mà ta lựa chọn điều khiển cho phù hợp,với hệ thống không cần tính xác cao điều khiển mờ ưu -Vì hàm truyền hệ thống nhận dạng thời điểm bơm ly tâm mở với lưu lượng F=20 (l/h), điện áp u0 = 0.5V Do điều khiển với trường hợp 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO th [1] Otaga, Modern Control Enginerring, Edition , Prace Hill, 2007 [2] Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển thông thường đại, Quyển : Hệ điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Nhận dạng hệ thống điều khiển , NXB Khoa học Kỹ thuật,2001 [4] Phạm Văn Thiêm, Nguyễn Đức Tuân, Thiết kế điều khiển PID FLC cho hệ thống gia nhiệt, Tạp chí khoa học cơng nghệ ĐH Thái Nguyên [5] Nguyễn Hữu Công, Phạm Văn Thiêm, Giáo trình “Thiết bị tự động”,2012 [6] Hồng Minh Sơn, Điều khiển trình, NXB Khoa học Kỹ thuật,2009 [7] Lý thuyết điều khiển nâng cao,NXB Khoa Học Kỹ Thuật 2005, Nguyễn Doãn Phước 41 ... HỆ THỐNG GIA NHIỆT CRT 1.1 Tổng quan hệ thống gia nhiệt CRT Hình 1: Hệ thống thí nghiệm điều khiển khiển gia nhiệt CRT Hình 2:Mơ hình hệ thống thí nghiệm điều CRT Hệ thống thí nghiệm CRT hệ thống... dựng mơ hình hàm truyền hệ thống CRT Hình Mơ hình hệ thống gia nhiệt CRT Nước bơm từ bồn chứa đưa vào bồn gia nhiệt với lưu lượng q1 nhiệt độ T1 Lưu lượng khỏi buồng gia nhiệt với lưu lượng vào,nhiệt... gian dòng điện chạy qua dây dẫn (s) Hàm truyền : Gd ( s ) = kd -Hàm truyền bình gia nhiệt : Gb ( s ) = kb * e -t b s Tb s + 13 Trong đó: ܶ :hằng số thời gian bình gia nhiệt ߬ :độ trễ bình gia