đồ án 2 hệ thống điều khiển tự động điều khiển pid hệ lò nhiệt

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.78 MB, 26 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

---⸙∆⸙---

Môn h c: ọ Đồ án 2 h thệống điều khi n tểự động

ĐIỀU KHI N PID H LỊ NHI T ỂỆỆ

GVHD: Nguyễn Văn Đơng Hải SVTH:

Trương Quang Trường 20151425

Lý Đắc Vinh 20151430

Tp. H Chí Minh tháng 12 ồ năm 2022

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ... 1

1.1 G IỚI THI U VỆ Ề PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ... 1

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ... 5

2.1XÁC ĐỊNH HÀM TRUY N VÀ THÔNG S CHO BỀỐ Ộ ĐIỀU KHIỂN ... 5

4.2 T HÔNG S ỐPID CHUẨN KHI ĐẶT NHIỆT ĐỘ 𝟒𝟎𝒐𝑪 ... 18

4.3 T HÍ NGHIỆM THAY ĐỔI BỘ THƠNG S ỐKP ... 19

4.4 T HÍ NGHIỆM THAY ĐỔI BỘ THƠNG S ỐKI ... 20

4.5 T HÍ NGHIỆM THAY ĐỔI BỘ THÔNG S ỐKD ... 22

4.6 T HÍ NGHI M V I ỆỚ PID KHI NHIỆT ĐỘ ĐẶT LÀ 𝟔𝟎𝒐𝑪 ... 23

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

1 | P a g e

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Gi i thi u v ớ ệ ề phương pháp điều khiển

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 nên là mối quan tâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy và điều khi n nhiể ệt độ ở thành m t trong nh ng m c tiêu c tr ộ ữ ụ ủa ngành Điều Khiển Tự Động. Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh t , vế ấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một q trình khơng th thiể ếu được, nh t là trong công nghiấ ệp. Đo nhiệt độ trong công nghiệp luôn g n li n v i quy trình cơng ngh c a s n xu t, viắ ề ớ ệ ủ ả ấ ệc đo và kiểm soát nhiệt độ tốt quyết định r t nhiấ ều đến chất lượng c a s n ph m trong các ngành công nghi p th c ủ ả ẩ ệ ự phẩm, luyện kim, xi măng, gốm s , công nghi p ch tứ ệ ế ạo động cơ đốt trong...

Tùy theo tính ch t, yêu c u c a quá ấ ầ ủ trình mà nó địi hỏi các phương pháp điều khi n thích ể hợp. Tính ổn định và chính xác c a nhiủ ệt độ cũng được đòi hỏi ở đây đặt ra các vấn đề cần phải gi i quy t. ả ế

Một điều thực sự cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cần phải điều khiển để ẫn đế d n mơ hình tốn học cụ thể. Từ đó chúng ta sẽ ải quy gi ết bài toán điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu s n. H thẳ ệ ống điều khi n nhiể ệt độ có th phân làm ể hai lo i: h thạ ệ ống điều khiển h i ti p (feedback control system) và h thồ ế ệ ống điều khi n tu n ể ầ tự (sequence control system).

Một h thệ ống mu n chính xác c n ph i th c hi n h i ti p tín hi u v so sánh vố ầ ả ự ệ ồ ế ệ ề ới tín hi u ệ vào và ra s ẽ được gởi đến bộ điều khi n hi u chể ệ ỉnh đầu ra. H thệ ống điều khi n h i ti p có ể ồ ế nhiều ưu điểm nên thường được thấy trong các hệ thống tự động.

Đây là một hệ thống hồi tiếp qua bộ cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệt độ về so sánh với giá trị đặt, sai l ch gi a tín hiệ ữ ệu đặt và đo sẽ được đưa tớ ộ điều khi n t o tín hi u i b ể ạ ệ điều khiển công su t c p cho b ph n gia nhiấ ấ ộ ậ ệt. Như vậy các phương pháp điều khiển khác nhau v b n ch t là do các b ề ả ấ ộ điều khi n khác nhau t o nên. ể ạ

Ở đồ án này, nhóm chúng em sẽ sử dụng phương pháp điều khiển PID số để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt. Đầu tiên, chúng em sẽ thiết kế hàm truyền cho lị nhiệt sau đó tìm quy luật thay đổi của hệ thống bằng cách mô phỏng hàm truyền thiết kế được trên phần mềm Matlab/Simulink. T ừ đó, chúng em có được b thơng sộ ố điều khi n t t nh t cho h th ng. ể ố ấ ệ ố

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

1.2 Gi i hớ ạn đề tài 1.2.1 Phạm vi điều khi n ể

Sử dụng Arduino UNO R3 điều khi n lò nhi t bể ệ ằng phương pháp PID.

Giám sát điều khi n và thu th p d li u hoể ậ ữ ệ ạt động c a lò nhi t s d ng ph n m m Terminal, ủ ệ ử ụ ầ ề Arduino IDE và Matlab.

1.2.2 Mục đính nghiên cứu

Mục tiêu th c hiự ện đề tài này là để đủ điều ki n hoàn thành yêu c u c a môn h c. C th ệ ầ ủ ọ ụ ể khi nghiên cứu đề tài chúng em mu n phát huy nh ng thành quố ữ ả đã học và ng d ng c a ứ ụ ủ phương pháp điều khi n PID vào m t h th ng th c tể ộ ệ ố ự ế. Ngồi ra, nó cịn là cơ hội để chúng em t ki m tra l i nh ng ki n thự ể ạ ữ ế ức đã học ở trường vả tích góp kinh nghi m nh m tiệ ằ ến đến thực hiện đồ án t t nghi p s p tố ệ ắ ới.

1.3 Gi i thi u linh ki n ớ ệ ệ

1.3.1 Arduno UNOR3

Arduino UNO R3 là kit Arduino UNO thế h th 3, v i khệ ứ ớ ả năng lập trình cho các ng ứ dụng điều khi n ph c tể ứ ạp do được trang b c u hình m nh cho các lo i b nh ROM, RAM ị ấ ạ ạ ộ ớ và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có kh ả năng xuất tín hi u PWM, ệ các ngõ đọc tín hiệu analog và các chu n giao tiẩ ếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).

Hình 1.1 Hình ảnh thực tế ủ c a Arduino UNO R3

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

3 | P a g e

Thông s k thu t ố ỹ ậ

cổng USB)

PWM)

Dòng tối đa trên mỗi chân

cả các thành viên trong họ LM35 đều hoạt động theo nguyên t c giắ ống nhau nhưng khả năng đo nhiệt độ khác nhau và chúng cũng có nhiều kiểu chân khác nhau.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C Độ tự gia nhiệt thấp, 0.08°C trong khơng khí tĩnh Sai số: 0.25°C

Kiểu chân: TO92 Kích thước: 4.3 × 4.3mm

Nguyên lý hoạt động

Cảm bi n LM35 hoế ạt động b ng cách cho ra m t giá trằ ộ ị điện áp nhất định t i chân ạ VOUT (chân giữa) ứng v i m i m c nhiớ ỗ ứ ệt độ. Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của cảm biến LM35 điện áp 5V, chân ph i nả ối đất, đo hiệu điện th ế ở chân gi a, b n s ữ ạ ẽ có được nhiệt độ (0-100ºC) tương ứng với điện áp đo được.

Vì điện áp ngõ ra của cảm biến tương đối nh nên thông ỏ thường trong các mạch ứng d ng ụ thực tế, chúng ta thường dùng Op-Amp để khuếch đại tín hiệu điện áp ngõ ra này.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

5 | P a g e

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

2.1 Xác định hàm truy n và thông s cho b ề ố ộ điều khi n ể

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Khối PID:

Tín hi u t scope ệ ừ

Nhận xét:Ta có b Pid vộ ới Kp=0.1, Ki=0.0001, Kd=0.7 là bộ PID chuẩn của hệ.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

NHẬN XÉT: Sau khi s dử ụng bộ Kp ta nhận thấy tăng Kp sẽ làm độ ọt lố tăng rất l n, v ớ

nhưng sai số xác lập giảm.

2.3 Kh o sát v i b PI (Kp=0.1, Kd=0) ả ớ ộ

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

NHẬN XÉT: Sau khi s d ng b PD ta nh n thử ụ ộ ậ ấy tăng Kd có tác d ng làm giụ ảm độ vọt lố, thời gian xác l p ậ lâu hơn nhưng không ảnh hưởng đến sai số xác l p cậ ủa hệ ố th ng.

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG M CH Ạ

Sau khi qua cầu diode đổi điện 220v DC s ẽ qua điện tr R(10K-10W) và zener Z1 gim áp ở trên Opto PC 817 4.7v. R1 giảm áp và dòng để điều khi n Opto. ể

Ở mạch này, Khi Vbrigde 5Vthì lúc này dịng điện qua opto PC817 không đủ để làm sáng led trong opto. Ngõ ra đưa vào vi xử lý là 5V. Mặt khác, khi Vbrigde 5V thì diode zenner được xem như m t nguồn 4,7 V cung cộ ấp điện áp cho led trong opto PC817 phát sáng kích d n chân 3 và 4 vẫ ới nhau. Sau đó, chân tín hiệu k t n i vế ố ới vi điều khiển được n i ố xuống GND. Từ đó tín hiệu đưa vào vi xử lý b ng 0V. Dằ ựa vào điểm này, ta s d ng ử ụ ngắt ngoài của vi điều khiển để nh n bi t tín hiậ ế ệu đồng b cộ ủa điện áp xoay chi u, tính ề góc m cở ủa triac. Ta chỉ điều khi n th i gian trong kho ng th i gian t 1 ms t i 9 ms. Vì ể ờ ả ờ ừ ớ điện áp cần có khoảng th i gian trễ ờ để tăng lên 5 V và giảm về 0V.

3.2 Mạch nhân đôi

Linh ki n s d ng: ệ ử ụ

Op-amp LM358; Điện tr 10kở Ω.

Nguyên lý làm vi c: ệ

Mạch khuếch đại không đảo là c u hình m ch op-amp t o ra tín hiấ ạ ạ ệu đầu ra được khuếch đại và tín hiệu đầu ra của op-amp khơng đảo này cùng pha với tín hiệu đầu vào được áp dụng.

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

17 | P a g e

3.3 M ch kích TRIAC ạ

Linh ki n s d ng: ệ ử ụ Điện tr 1Kở Ω; MOC 3023; TRIAC BTA16.

Nguyên lý làm việc:

Khi có tín hiệu điện áp từ vi điều khi n phát hiể ện được điểm 0 thì led c a MOC3023 s ủ ẽ phát quang và kích d n chân 4 chân 6 vì th s ẫ ế ẽ có điện áp kích chân G của triac để đèn sáng. Sự thay đổ ủi c a góc kích quyết định cơng su t m cấ ở ủa triac. Khi góc kích thay đổi thì điện áp đầu ra của triac cũng sẽ thay đổi

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT MƠ HÌNH LỊ NHI T TH C T Ệ Ự Ế

4.1 Mơ hình lị nhi t thế ực tế

4.2 Thông s PID chuố ẩn khi đặt nhiệt độ 𝟒𝟎 𝒐𝑪 Pid chu n Kp=4, Kd=0.001, Ki=0.01 ẩ

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

19 | P a g e

4.3 Thí nghiệm thay đổ ội b thông s Kp ố Thơng qua Matlab chúng ta có đồ th : ị

Nhận xét:

- Khi tăng Kp thì độ v t l gi m, th i gian xác l p gi m, sai s xác l p giọ ố ả ờ ậ ả ố ậ ảm

- Khi giảm Kp thì độ ọ ố ả v t l gi m m nh, th i gian xác l p gi m m nh, sai s xác l p ạ ờ ậ ả ạ ố ậ

giảm

Theo lý thuy t: ế

- Khi Kp tăng độ v t lọ ố tăng

- Khi Kp giảm độ ọ ố ảm v t l gi

- Sai s xác l p và th i gian xác lố ậ ờ ập thay đổi không đáng kể

Kết lu n: ậ Kết quả khi tăng Kp không giống lý thuy t. ế

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

4.4 Thí nghiệm thay đổ ội b thông s Ki ố Thơng qua Matlab chúng ta có đồ thị

Nhận xét:

- Khi tăng Ki thì độ vọt l ố tăng, thời gian xác lập không thay đổi nhiều, sai s xác l p ố ậ tăng

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

21 | P a g e

- Khi giảm Ki thì độ vọt l gi m, th i gian xác l p gi m m nh, sai s xác lố ả ờ ậ ả ạ ố ập thay đổi không đáng kể và gần bằng giá trị đặt

Theo lý thuy t: ế

- Ki tăng độ v t l ọ ố tăng, sai số xác l p dậ ần được lo i b , th i gian xác lạ ỏ ờ ập tăng

- Hệ th ng m t ố ấ ổn định và để đạt được tr ng thái ạ ổn định ph i m t kho ng th i gian ả ấ ả ờ

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

4.5 Thí nghiệm thay đổ ội b thơng s Kd ố Thơng qua Matlab chúng ta có đồ thị

Nhận xét:

- Khi tăng Kd thì độ v t l gi m, th i gian xác lọ ố ả ờ ập tăng, sai số xác l p gi m m nh ậ ả ạ - Khi giảm Kd thì độ vọt lố giảm, thời gian xác lập tăng, sai số xác lập giảm

</div>