THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DÙNG ĐÈN
Thiết kế hệ thống diều khiển
2.1.1 Thiết kế phần cứng a) Phần kết cấu mô hình
Hình 2.1: Mô hình lò nhiệt làm bằng nhôm Aluminium
Để thực hiện mô hình lò nhiệt nhằm đo và điều khiển nhiệt độ, tôi đã thiết kế một hình hộp chữ nhật bằng vật liệu nhôm Aluminium với kích thước chiều dài 32cm, rộng 24cm và cao 24cm Hệ thống điều khiển sẽ được tích hợp để quản lý nhiệt độ hiệu quả.
Trong quá trình nghiên cứu và thiết kế đề tài, nhóm chúng tôi đã thực hiện một cuộc khảo sát sơ bộ nhằm xác định hướng phát triển cho tương lai, kèm theo sơ đồ các khối điều khiển.
Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch điều khiển
Sau khi vi điều khiển nhận dữ liệu từ máy tính, nó sẽ đo nhiệt độ trong lò thông qua cảm biến Dựa trên các dữ liệu này, vi điều khiển thực hiện tính toán và xuất ra xung điều khiển Triac, nhằm điều chỉnh dòng điện qua bóng đèn Halogen để gia nhiệt cho lò.
Hình 2.3: Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống
Các thành phần trong sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống cụ thể như sau:
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng bóng đèn halogen làm thiết bị gia nhiệt cho lò, vì đèn halogen có khả năng sinh nhiệt nhanh chóng và đạt nhiệt độ cao Cụ thể, chúng tôi chọn bóng halogen có công suất 300W để thực hiện thí nghiệm.
Bài viết trình bày quá trình thiết kế mô hình lò nhiệt hình hộp chữ nhật và điều khiển bóng đèn halogen 300W Sau khi tham khảo tài liệu kỹ thuật nhiệt, tác giả đã tính toán nhiệt độ lò dựa trên công thức tương đương, trong đó không tính đến nhiệt lượng đối lưu ra môi trường.
+ Trong đó: Q : nhiệt lượng tỏa ra của bóng đèn
Q1 : nhiệt lượng hấp thụ của không khí trong hộp
Q2 : nhiệt lượng bức xạ ra môi trường
Q3 : nhiệt lượng truyền qua vách của lò
Từ (1) em tính được nhiệt độ trong lò đạt giá trị bão hoà khoảng 102°C nên em chọn cảm biến DS18b20 có dải nhiệt độ đo từ -55°C đến +125°C
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là cảm biến (loại digital) của hãng MAXIM với độ phân giải cao (12 bit)
Một số thông số của cảm biến DS18B20:
- Dải đo nhiệt độ : -55°C đến +125°C
- Sai số: 0,5°C có thể đạt độ chính xác đến 0,1°C bằng việc hiệu chỉnh qua phần mềm
Để hiệu chỉnh cảm biến gần đúng với nhiệt độ thực tế, chúng tôi đã tiến hành đo nhiệt độ môi trường bằng cảm biến và so sánh với nhiệt kế thuỷ ngân Qua việc này, chúng tôi xác định độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai thiết bị và tiến hành hiệu chỉnh cảm biến nhằm giảm thiểu sai số.
Điểm không của Vsine được xác định là giao điểm giữa đồ thị sine và trục t trong hệ tọa độ Otv Việc xác định chính xác điểm không này là rất quan trọng để điều chỉnh góc mở của triac một cách hiệu quả.
Điện áp được hạ qua điện trở R3 và R5, sau đó đi qua cầu diode để chỉnh lưu thành điện áp một chiều, cung cấp đầu vào cho cách ly quang (Opto) Việc sử dụng cách ly quang nhằm bảo vệ mạch điều khiển khỏi những tác động tiêu cực từ mạch công suất.
Opto có khả năng phát hiện điểm 0 của Vsine dựa trên nguyên lý hoạt động của diode phát quang bên trong Khi điện áp vào vượt qua ngưỡng 1.3V, diode sẽ chuyển trạng thái từ đóng sang cắt, và ngược lại khi điện áp giảm, điều này dẫn đến việc transistor cũng chuyển trạng thái Kết quả là một xung được tạo ra ở đầu ra khi điện áp đầu vào bằng 0, xung này được truyền đến chân ngắt ngoài của vi điều khiển, cụ thể là chân số 2 của Arduino.
Các điện trở trong mạch có tác dụng hạn dòng cho đầu vào diode phát quang và đầu vào vi điều khiển
13 Đồ thị biểu diễn cách làm việc của mạch phát hiện điểm 0 được thể hiện ở hình bên dưới
Hình 2.5: Nguyên lý bắt điểm không
Với nguồn điện xoay chiều 220V-50Hz thì điện áp đỉnh Umax = 220√2 (V) và chu kỳ dòng điện T = 20 (ms)
• Mạch điều khiển công suất Để thay đổi nhiệt độ trong lò nhiệt với đầu vào là nguồn điện xoay chiều
Mạch điều khiển công suất sử dụng Triac để điều chỉnh điện áp vào trở sinh nhiệt ở mức 220V-50Hz Arduino nhận tín hiệu điện áp và dữ liệu từ mạch bắt điểm không, từ đó điều khiển góc mở của Triac thông qua tín hiệu băm xung Điều này giúp thay đổi điện áp vào điện trở, làm thay đổi nhiệt lượng tỏa ra Sử dụng mạch Arduino Uno, em sẽ đọc tín hiệu cảm biến nhiệt độ trong lò và điều chỉnh góc mở của Triac dựa trên tín hiệu điểm không để đạt được hiệu quả điều khiển mong muốn.
Hình 2.6: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển
Trong quá trình thiết kế, em bắt đầu với việc thiết kế mạch công suất, sau đó mới phát triển thêm hai mạch điều khiển và mạch bắt điểm 0 Tuy nhiên, để giúp người đọc dễ dàng hiểu hơn, em sẽ trình bày hai mạch điều khiển và mạch bắt điểm 0 trước, làm nền tảng cho việc giới thiệu mạch công suất sau này.
Như đã đề cập ở trên, với nguồn cấp đầu vào của lò nhiệt là điện dân dụng
Để điều chỉnh điện áp 220V-50Hz trên tải, có nhiều phương pháp khác nhau Trong bài viết này, tôi sử dụng phương pháp thay đổi góc mở của Triac để điều chỉnh điện áp Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Triac sẽ được mô tả chi tiết trong phần sau.
Triac là một linh kiện bán dẫn có ba cực năm lớp, làm việc như 2 Thyristor mắc song song ngược chiều, có thể dẫn điện theo hai chiều
Các cực của Triac được quy định bởi các ký hiệu sau T1, T2 và G, trong đó
Hình 2.7: Nguyên lý điều khiển Triac
Udk là tín hiệu điều khiển Triac, có dạng xung U là điện áp lưới 220V-
50Hz UR, IR lần lượt là điện áp trên hai đầu điện trở và dòng điện chạy qua nó
T là chu kỳ điện áp lưới α1, α2 là các góc mở Triac (được tính từ khi điện áp lưới bằng 0 tới khi phát xung điều khiển)
Tiếp theo em đi vào mô tả chi tiết mạch công suất:
Hình 2.8: Sơ đồ điều khiển Triac
Lò điện trở được thiết kế với dòng điện cực đại 1,5A, do đó, sau khi tính toán và nghiên cứu, tôi đã chọn Triac BTA137 có dòng định mức 8A và điện áp làm việc cực đại 600V.
Em hướng tới việc cách ly mạch điều khiển với mạch công suất, do đó tín hiệu điều khiển được tách biệt khỏi mạch công suất thông qua một Opto tốc độ cao.
MOC3021 chuyên dụng dành cho điều khiển Triac
2.1.2 Phần mềm a) Yêu cầu phần mềm
Chương trình phần mềm cho vi điều khiển Arduino có thể được phát triển bằng nhiều công cụ như Arduino IDE và Visual Studio Trong đồ án này, chúng tôi sẽ thực hiện lập trình vi điều khiển bằng cả hai công cụ này Phần mềm trên vi điều khiển sẽ thực hiện các nhiệm vụ cụ thể theo yêu cầu của dự án.
- Nhận dữ liệu thông số từ máy tính và cảm biển
- Xử lý và nhận các tín hiệu từ các đầu vào trên phần cứng
- Tính toán đầu ra cho bộ điều khiển thiết kế, trong đề tài là bộ điều khiển PID
Sử dụng các công cụ trong matlab 2018a để xử lý dữ liệu thu thập từ hệ thống để nhận dạng hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID
Các thuật toán điều khiển cho lò nhiệt được viết trên ứng dụng Arduino IDE dành cho mạch arduino uno
Trong đồ án em sử đụng phần mềm visual 2013 trên máy tính để tạo giao diện người dùng giám sát và điều khiển hệ thống
17 b) Giải thuật chương trình chính
Hình 2.9: Lưu đồ thuật toán của chương trình trong vi điều khiển
Nhận dạng hàm truyền
Việc xác định hàm truyền cho lò nhiệt thường gặp khó khăn khi sử dụng phương pháp lý thuyết, do đó, hàm truyền thường được xác định thông qua phương pháp thực nghiệm Khi cung cấp một mức công suất nhất định, nhiệt độ sẽ được ghi nhận và phân tích để xây dựng mô hình chính xác cho lò nhiệt.
Sau một thời gian, nhiệt độ trong 18 lò sẽ tăng dần cho đến khi đạt giá trị bão hòa Dựa trên dữ liệu thu thập từ cảm biến, chúng ta sẽ sử dụng phần mềm Matlab để nhận dạng hệ thống.
2.2.2 Nhận dạng hàm truyền lò nhiệt
Sử dụng các tín hiệu vào và ra của hệ thống, tôi áp dụng các công cụ có sẵn trong MATLAB để nhận dạng và xây dựng mô hình cho đối tượng Mô hình nhận dạng đạt được có cấu trúc đơn giản, với sai lệch giữa mô hình và hệ thống thực tế ở mức tối thiểu.
Sau khi thu thập dữ liệu vào ra từ lò nhiệt, chúng ta sử dụng Toolbox của Matlab (System Identification Toolbox) để nhận dạng đối tượng Quá trình nhận dạng này được thực hiện dựa trên dữ liệu trong miền thời gian (Time-Domain Data).
Các câu lệnh để tiến hành nhận dạng dữ liệu trong cửa sổ Matlab:
>> u1=xlsread('D:\Desktop\DATN\data.xlsx',1,'C1:C1817');
>> y1=xlsread('D:\Desktop\DATN\data.xlsx',1,'A1:A1817');
Hình 2.10: Sai lệch mô hình nhận dạng
Sau quá trình nhận dạng, mô hình đối tượng đạt được độ tương đồng 92,56% so với tín hiệu mẫu, cho thấy mức độ chính xác cao Sai lệch của mô hình thực so với đối tượng chỉ khoảng 7,44%, điều này được coi là chấp nhận được trong nghiên cứu.
Mô hình có được sau khi nhận dạng:
Kết luận
Hình 2.11: Mạch điều khiển thực tế
- Sau khi thiết kế về cơ bản phần cứng đã đáp ứng được với yêu cầu đề tài, mạch chạy ổn định (hình 2.11)
- Mô hình của đối tượng sau khi nhận dạng được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển trong phần tiếp theo
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Bộ điều khiển PID
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ điều khiển vòng kín
Bộ điều khiển PID là giải pháp đa năng trong lĩnh vực điều khiển, được sử dụng phổ biến trong hơn 90% các ứng dụng công nghiệp Khi được thiết kế hợp lý, bộ điều khiển PID có khả năng tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, đảm bảo đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp và triệt tiêu sai lệch tĩnh.
Luật điều khiển PID được định nghĩa:
Trong đó u là tín hiệu điều khiển và e là sai lệch điều khiển ( e = ysp – y)
Tín hiệu điều khiển là tổng của 3 thành phần: Tỉ lệ, tích phân và vi phân Hàm truyền của bộ điều khiển PID:
Các tham số của bộ điều khiển là KP , KI ( hoặc Ti ) , KD ( hoặc TD)
Tác động của thành phần tích phân đơn giản trong hệ thống điều khiển là tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai lệch điều khiển Khi sai lệch lớn, tín hiệu điều khiển cũng lớn, và khi sai lệch giảm, tín hiệu điều khiển cũng giảm theo Khi sai lệch e(t) bằng 0, tín hiệu điều khiển u(t) sẽ bằng 0 Tuy nhiên, một vấn đề cần lưu ý là khi sai lệch đổi dấu, tín hiệu điều khiển cũng sẽ đổi dấu theo.
Thành phần P nổi bật với khả năng tác động nhanh chóng và hiệu quả Khi hệ số tỉ lệ KP tăng, tốc độ phản ứng cũng gia tăng, cho thấy vai trò quan trọng của thành phần P trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ.
Khi hệ số tỉ lệ K𝑃 tăng, tín hiệu điều khiển sẽ có sự thay đổi mạnh mẽ, dẫn đến dao động lớn và làm cho hệ thống nhạy cảm hơn với nhiễu đo Đối với các đối tượng không có đặc tính tích phân, việc sử dụng bộ điều khiển P vẫn sẽ gặp phải sai lệch tĩnh.
Thành phần tích phân trong hệ thống điều khiển có khả năng điều chỉnh tín hiệu dựa trên sai lệch Khi sai lệch điều khiển dương xuất hiện, tín hiệu điều khiển sẽ được tăng cường, trong khi sai lệch âm sẽ dẫn đến việc giảm tín hiệu Điều này diễn ra bất kể độ lớn của sai lệch Ở trạng thái ổn định, sai lệch sẽ được triệt tiêu hoàn toàn với e(t) = 0, cho thấy ưu điểm nổi bật của thành phần tích phân trong việc duy trì sự ổn định của hệ thống.
Nhược điểm của thành phần tích phân trong điều khiển là thời gian chờ để e(t) về 0, dẫn đến đặc tính tác động chậm hơn Hơn nữa, thành phần tích phân có thể làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống và thậm chí gây ra mất ổn định.
Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa để cải
23 thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống
➢ Thành phần vi phân (D) u(t) = de(t) dt (3.5)
Thành phần vi phân trong hệ thống điều khiển có vai trò quan trọng trong việc cải thiện sự ổn định của hệ kín Do đặc điểm động học của quá trình, thường xuất hiện một khoảng thời gian trễ giữa sự thay đổi của sai lệch e(t) và đầu ra y(t) Thành phần vi phân giúp dự đoán đầu ra của quá trình, từ đó đưa ra phản ứng kịp thời dựa trên xu hướng và tốc độ thay đổi của sai lệch e(t), góp phần tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống.
Một ưu điểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn định một số quá trình mà bình thường không ổn định được với các bộ P hay PI
Nhược điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị đặt do tính đáp ứng nhanh nêu ở trên
3.1.2 Bộ điều khiển PID số
Trong ngành công nghiệp, bộ điều khiển PID thường được thiết kế từ mạch tương tự hoặc cơ cấu chấp hành, nhưng chúng chưa đáp ứng được yêu cầu cao về độ chính xác và khả năng chống nhiễu Sự phát triển của các ứng dụng nhúng và vi xử lý đã đưa điều khiển số trở thành một lĩnh vực quan trọng, cho phép số hóa các bộ điều khiển nhằm thực thi nhanh chóng và chính xác hơn Hơn nữa, việc xây dựng bộ điều khiển trên nền tảng máy tính số hoặc vi điều khiển cũng trở nên đơn giản hơn rất nhiều.
Bài viết này trình bày cách chuyển đổi bộ điều khiển PID từ miền thời gian sang dạng PID số Việc lựa chọn các tham số cho bộ PID số tương tự như trong miền thời gian, tuy nhiên cần chú ý đến một yếu tố quan trọng là chu kỳ lấy mẫu.
Ta sử dụng các công thức xấp xỉ tích phân lùi ( backward integral approximation) và vi phân lùi ( backward difference approximation) với chu kì lấy mẫu T
∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏 0 𝑡 ≈∑ 𝑛 𝑘=1 𝑇e(kT) (3.6) de(t) dt ≈ e(nT)-e(nT-T)
Khi đó công thức (3.1) trở thành: u(nT)= K p [ e(nT) + 1
Trong đó: un = u(nT) ; u n-1 = u(nT-T)
Thiết kế bộ điều khiển PID
3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng công cụ PID tuner của Matlab
Sau khi nhận dạng đối tượng bằng Toolbox của Matlab (System Identification Toolbox) Chúng ta tiến tìm các tham số của bộ điều khiển PID
25 cho hệ thống bằng công cụ PID tuner của Matlab
3.2.2 Mô phỏng và đánh giá chất lượng bộ điều khiển
Hình 3.2: Mô phỏng trên Simulink
Hình 3.3: Đặc tính mô phỏng
Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển được thiết kế hiệu quả, với độ quá điều chỉnh thấp và thời gian đáp ứng đối với hệ lò nhiệt đạt yêu cầu chấp nhận.
Trong quá trình thực nghiệm trên hệ thống thực, chúng em đã điều chỉnh bộ điều khiển PID mới để đạt được các chỉ tiêu chất lượng yêu cầu Bộ điều khiển PID này được phát triển dựa trên thiết kế ban đầu trên MATLAB, với các tham số điều khiển cụ thể là Kp = 0.3, Ki = 0.00002 và Kd = 1.5.
Hình 3.4: Đặc tính của hệ thống
So với kết quả mô phỏng trên Matlab và giao diện chương trình, hệ thống sau khi áp dụng bộ điều khiển cho thấy đặc tính tương đối tốt, với độ quá điều chỉnh nhỏ và thời gian đáp ứng ngắn, đáp ứng đầy đủ các tiêu chí chất lượng.
Khi giá trị đặt ở 100°C sau khoảng 150s thì hệ thống tăng nhiệt độ từ 30°C đến gần 100°C Sau khoảng hơn 200s thì vào trạng thái xác lập, độ quá điều chỉnh khoảng 1,6%
Hình 3.6: Đáp ứng của hệ thông khi tăng nhiệt độ đặt
Khi tăng nhiệt độ đặt, hệ thống duy trì sự ổn định và bám sát giá trị mới hiệu quả Cụ thể, khi nhiệt độ tăng từ 32°C lên 60°C, độ quá điều chỉnh đạt khoảng 2,5% với thời gian xác lập khoảng 220 giây Tương tự, khi nhiệt độ tăng từ 60°C lên 80°C, độ quá điều chỉnh là khoảng 3% và thời gian xác lập khoảng 260 giây.
Hình 3.7: Đáp ứng của hệ thống khi giảm nhiệt độ đặt
Khi giảm nhiệt độ đặt, hệ thống vẫn duy trì sự ổn định và bám sát giá trị mới, tuy nhiên, thời gian để đạt được nhiệt độ ổn định sẽ kéo dài hơn khi nhiệt độ giảm xuống thấp.
Hình 3.8: Hệ thống lò nhiệt dùng đèn halogen
Lò nhiệt sử dụng bóng halogen được điều khiển từ máy tính thông qua chương trình giám sát và điều khiển Hình 3.8 minh họa giao diện điều khiển, mạch điều khiển và lò nhiệt, cho thấy cách thức hoạt động hiệu quả của hệ thống này.
