Đồ án Hệ thống điều khiển nhiệt độ (feedback control system và sequence control system)

PHẦN 1: GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT Chương I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ I.Khái niệm về hệ thống điều khiển nhiệt độ: Nhiệt độ là đại lượng vật lý hiện diện khắp mọi nơi và trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghiệp vì mỗi sản phẩm , thiết bị hay điều kiện làm việc cần những nhiệt độ khác nhau .Muốn có được nhiệt độ phù hợp cần phải có một hệ thống điều khiển.Tùy theo tính chất ,yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điều khiển thích hợp Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại :Hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control system) Điều khiển hồi tiếp thường được xác định và giám sát kết quả điều khiển , so sánh nó với yêu cầu thực thi và tự động điều chỉnh đúng . Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước khi xác định tuần tự. II. Các nguyên tắc điều khiển : 1.Nguyên tắc thông tin phản hồi: Trong các quá trình điều khiển ,tồn tại hai dòng thông tin một từ cơ quan chủ quản đến đối tượng và một từ đối tượng đi ngược về cơ quan điều khiển , được gọi là liên kết ngược hay hồi tiếp . a) Quá trình điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu: Tác động vào đối tượng là luật điều khiển u theo nguyên tác bùnhiễu để đạt đầu ra c mong muốn,nhưng không quan sát tín hiệu ra c . Về nguyên tắc ,đối với hệ phức tạp thì điều khiển theo mạch hở không cho kết quả tốt . b) Điều khiển theo sai lệch: Cơ quan điều khiển quan sát c, so sánh với định chuẩn điều mong muốn r để chọn luật điều khiển u. Nguyên tắc ở đây là điều chỉnh linh hoạt ,loại sai lệch ,thử nghiệm và sửa.Đây là nguyên tắc cơ bản trong điều khiển. c) Điều khiển phối hợp: 2.Nguyên tắc đa dang tương xứng: Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của cơ quan điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng .Tính đa dạng của cơ quan điều khiển có thể dùng để chế ngự đối tượng thể hiện ở :khả năng thu thập thông tin , lưu trữ ,phân tích xử lý ,chọn quyết định ,tổ chức thực hiện. 3.Nguyên tắc bổ sung ngoài: Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đó .Trong điều kiện thừa nhận nguyên tắc bổ sung ngoài sau:thừa nhận có một đối tượng chưa biết (hộp đen)tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen. 4.Nguyên tắc dự trư: Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng các bất trắc có thể xảy ra và không được dùng toàn bộ lực lượng trong điều kiện bình thường . Vốn dự trữ là không sử dụng ,nhưng cần để bảo đảm cho hệ thống vận hành an toàn . 5.Nguyên tắc phân cấp: Đối với một hệ thống phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm ,để khuếch đại khả năng điều khiển .Phải tránh khuynh hướng hình thức và phân cấp quá đáng ,xử lý cho đúng nhiện vụ và quyền hạn ở mỗi cấp 6.Nguyên tắc cân bằng nội: Mỗi hệ thống cần được xây dựng với cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự giải quyết những biến động xảy ra. III.Các loại điều khiển: Sự phân loại điều khiển có tính chất quy ước 1.Điều khiển ổn định hóa: Mục tiêu điều khiển là kết quả đầu ra bằng đầu vào chuẩn r(t) = const với sai lệch cho phép exl (sai số ở chế độ xác lập) e(t) = r(t) - c(t) ( exl Đặc biệt khi đầu ra hệ thống cần giữ là hằng số ,ta có hệ thống điều chỉnh hay hệ thống ổn định . Ví dụ: hệ thống ổn định nhiệt độ ,điện áp ,áp suất ,nồng độ tốc độ… 2.Điều khiển theo chương trình: Nếu r(t) là một hàm định trước theo thời gian ,yêu cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị của tín hiệu vào r(t) thì ta có hệ thống điều khiển theo chương trình . Ví dụ: hệ thống điều khiển máy công cụ CNC ,điều khiển tự động nhà máy xi măng Hoàng Thạch ,hệ thống thu thập và truyền số liệu hệ thống điện, quản lý vật tư ở nhà máy … 3.Điều khiển theo dõi: Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) là một hàm không bết trước theo thời gian ,yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t) luôn bám sát được r(t) ,ta có hệ thống theo dõi.Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển vũ khí ,hệ thống lái tàu ,máy bay… 4.Điều khiển thích nghi: Tín hiệu v(t) chỉnh định lại tham số điều khiển sao cho hệ thích nghi với mọi biến động của môi trường ngoài. 5.Điều khiển tối ưu hàm mục tiêu đạt cực trị: Ví dụ các bài toán qui hoạch ,vận trù trong kinh tế ,kỹ thuật đều là các phương pháp điều khiển tối ưu. IV.Mô hình tổng quát và các phương pháp đo nhiệt độ: 1.Mô hình hệ thống điều khiển: Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ là một đạng của hệ thống thu thập dữ liệu .Nhìn chung một hệ thống thu thập dữ liệu đầy đủ có những thành phần sau: Phần thu thập dữ liệu từ đối tượng bên ngoài vào hệ thống vi xử lý-máy tính. Phần này gồm các cảm biến ,mạch gia công tín hiệu ,bộ chuyển đổi tín hiệu tương đồng sang tín hiệu số (ADC) và các thiết bị ngoại vi khác như nguồn, đường dây truyền dữ liệu … Phần điều khiển : bao gồm hệ vi xử lý , máy tính và hệ thống tác động vào đối tượng . Phần mềm: là chương trình cho kít xử lý tại chổ và chương trình cho máy tính nhằm thu nhận dữ liệu và điều khiển nhiệt độ cũng như giao tiếp với người sử dụng .Các thành phần trên liên quan chặt chẽ với nhau ,tạo thành một hệ thống hợp nhất .Từ phân tích trên một hệ thống thu thập dữ liệu (ADS)sẽ có những thành phần cấu trúc sau: 2.Chức năng các khối trong hệ thống điều khiển: 2.1.Kít chủ vi xử lý: Kit sử dụng một chip vi xử lý ,là đơn vị master nhận yêu cầu từ người sử dụng và truyền dữ liệu cho các slave khác ,ở đây sử dụng kỹ thuật truyền thông đa xử lý để giao tiếp kit chủ và các kit xử lý slave,giữa kit chủ và máy tính, chỉ có thể giao tiếp khi tác động phím từ kit . Kit chủ có thiết kế phần cứng như các kit slave, duy chỉ có thêm về phần cứng mạng truyền và phần chương trình quản lý các thông số của các đơn vị slave. 2.2.Các kit xử lý tạm thời (slave): Các kit xử lý tạm thời có nhiệm vụ thu nhận các giá trị từ ADC và có khả năng điều khiển nhiệt độ theo các phương pháp khác nhau.Chức năng của các thông số từ cổng nối tiếp . 2.3. Mạng truyền: Dùng để giao tiếp giữa các kit ,giữa các kit với máy tính .Mạng truyền sử dụng ở đây là theo khuyến cáo của nhà sản xuất chip giao tiếp mã 485.Chuẩn truyền 485 được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điều khiển vi tính đơn giản trong kết nối phần cứng cũng như giao thức truyền đây là mạng Half Duplex . Trong một thời gian sử dụng nhất định chỉ có thể nhiều nhất hai đối tượng liên lạc với nhau.Các cách thức giao tiếp là một vi xử lý chủ và các vi xử lý tớ ,các vi xử lý tớ không thể liên lạc với nhau mà chỉ có thể liên lạc thông qua vi xử lý chủ. 2.4. Chương trình điều khiển: Thực hiện việc giao tiếp giữa các vi xử lý và kit chủ ,giữa kit chủ và máy tính ,đặt trị. 3.Các phần tử trong thiết bị đo và phương pháp đo nhiệt độ: 3.1.Các phần tử trong thiết bị đo: CẢM BIẾN Phần tử biến đổi các đại lượng không điện sang đại lượng điện,bộ phận này thường dùng thermocouple. BỘ CHẾ BIẾN TÍN HIỆU Biến đổi tín hiệu điện thu được từ thermocouple cho phù hợp với mức vào mạch biến đổi tín hiệu A/D. BỘ HIỂN THỊ KẾT QUẢ Hiển thị kết quả thu được dưới dạng hiển thị số. BỘ ĐIỀU KHIỂN Thực hiện điều khiểntheo phương pháp PID hay ON/OFF. MẠCH KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT Khuếch đại tín hiệu điều khiển để điều chỉnh nhiệt độ. 3.2.Các phương pháp đo: Hiện nay có rất nhiều phương pháp đo khác nhau :từ đơn giản đến phức tạp, từ loại có độ chính xác vừa đến loại chính xác cao. Đo nhiệt độ bằng cột thủy ngân. Đo nhiệt độ bằng điện trở. Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện. Đo nhiệt độ bằng diode và transistor . Dụng cụ đo nhiệt theo nhiệt nóng chảy của các chất. Dụng cụ đo nhiệt độ theo dòng điện bức xạ. Đo nhiệt độ bằng IC cảm biếm nhiệt. Đo nhiệt độ bằng cảm biến thạch anh. Đo nhiệt độ dùng cảm biến thạch anh có ưu điểm hơn so với các phương pháp khác ,vì nó có độ chính xác cao ,việc chuyển đổi dạng số rất dễ dàng đối với thông tin liên quan đến tần số. Ví dụ: đặc tính đo lường của tinh thể thạch anh do hãng Heulett Packard chế tạo có: Khoảng đo -80oC ( 250oC. Khoảng tuyến tính ( 0.05% khoảng đo. Độ nhạy 1000HZ oC . Khả năng đo 0.0001oC. Tuy nhiên có hạn chế là khó chế tạo ,các mạch dao động thạch anh khó tinh chỉnh. a) Cách lắp đặt bộ cảm ứng nhiệt: Vị trí của cảm ứng nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến việc đo đạc và điều khiển nhiệt độ của vật thể .Cảm ứng nhiệt càng xa nguồn nhiệt thì càng vọt lố cao do đó tùy theo yêu cầu cụ thể mà ta lắp đặt vị trí thích hợp b) Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ: ToC =T(oK)-273.15 ToC ={T(oF)-32}(5/9 Chương II: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượng vật lý khác chẳng hạn như điện, áp suất, độ giãn nở dài, độ giãn nở khối, điện trở, … Cảm biến nhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống đô lường điều khiển nhiệt độ nào. Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết được tín hiệu nhiệt độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu có thể đo lường được như điện áp, dòng điện, điện trở, thể tích áp suất… I.CÁC THÔNG SỐ CẢM BIẾN: 1.Thông số cấu tạo: được quyết định do nhà sản xuất và phụ thuộc vào từng loại cảm biến. 2.Thông số sử dụng: bao gồm các yếu tố sau: Khoảng làm việc : là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng khi chưa bị bảo hòa . Khoảng làm việc cao hay thấp là do tính chất cấu tạo và tính lý hóa của từng loại cảm biến qui định. đô nhạy: được định nghĩa: df: sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến dx : sự thay đổi đại lượng vật lý. Ngưỡng độ nhạy: là 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 cuả 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 lớn thì không thể đo chính xác được. Mọi cảm biến đều có tính trễ do ảnh hưởng của vỏ bảo vệ. II.CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG: 1.Cặp nhiệt điện : Cặp nhiệt điện là dụng cụ đo nhiệt độ thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên các nguyên lý sau: Hiệu ứng Thomson: qua một dây dẩn có dòng điện I và hiệu nhiệt trên dây là T1-T2 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 sự hấp thụ hay tỏa nhiệt Hiệu ứng Seebeck: trong một dây dẫn bất kỳ , khi có sự chênh lệch nhiệt độ tại một điểm thì ngay tại điểm đó sẽ xuất hiện một suất điện động Định luật Macmut: trong một mạch điện kín của dây dẫn đồng nhất bất kỳ sự phân bố nhiệt độ ra sao, suất điện động tổng cộng của mạch luôn bằng không. Nguyên tắc: Nguyên tắc cấu tạo của cặp nhiệt điện dựa theo cơ sở thực nghiệm sau: Khi nung nóng một dây kim loại hay một đoạn dây ,tại đó tập trung điện tử tự do và có khuynh hướng khuếch tán từ nơi tập trung nhiều đến nơi tập trung ít . Có nghĩa là đầu nóng (+)sang đầu nguội(-) (hiệu ứng seebeck). Ở đoạn dây xuất hiện một suất điện động Thomson phụ thuộc vào bản chất của dây kim loại. Rỏ ràng ở đây nếu ta dùng hai dây kim loại đồng chất a ,nối với nhau qua hai điểm T1 và T2 trong mạch sẽ xuất hiện hai suất điện động bằng nhau nhưng ngược chiều nhau nên tổng suất điện động bằng không. Nhưng nếu mạch kín trên được cấu tạo bởi hai dây kim loại khác nhau a và b thì tổng suất điện động xuất hiện trong mạch này bằng suất điện động Thomson phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối T1,T2 ở hai đầu mối ghép của dây dẫn .Ngoài ra trong mạch còn có suất điện động Seebeck ,điều này được giải thích là do sự tập trung khác nhau của điện tử tự do ở hai đầu mối ghép . Mặt khác ,do sự xuất hiện thế năng tiếp xúc tại khu vực mối ghép bởi hai dây dẫn không đồng chất . lý thuyết trên được thể hiện bằng công thức: Eab(T1,T2)=Eab(T2)-Eab(T1) Trong đó: + Eab(T1,T2) : tổng suất điện động trong mạch kín khi hai đầu mối ghép có nhiệt độ T1,T2. +Eab(T1) : suất điện động Thomson xuất hiện trong mạch tại mối ghép có nhiệt độ T1. +Eab(T2) : suất điện động Thomson xuất hiện trong mạch tại mối ghép có nhiệt độ T2. Công thức trên chính là cơ sở chế tạo cạp nhiệt điện .Nếu để chuẩn một đầu có nhiệt độ T1=0oC thì suất điện độngở hai đầu cặp nhiệt tại mối ghép khi T2=T là: A,B,C là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo. Như vậy suất điện động E0 là hàm phi tuyến đối với nhiệt độ .Nói cách khác độ nhạy của cặp nhiệt thay đổi trong từng khoảng đo.Hoặc về mặt toán học hàm Eo được xem là tuyến tính với nhiệt độ khi B,C( A. Tóm lại: suất điện động được xem là tuyến tính với nhiệt độ trong khoảng làm việc nào đó tùy theo cấu tạo của từng loại kim loại để làm cặp nhiệt. Cấu tạo : Cặp nhiệt điện được chế tạo bằng hai sợi kim loại khác nhau ,và có ít nhất là hai mối nối.Một đầu được giữ ở nhiệt độ chuẩn gọi là đầu ra đầu còn lại tiếp xúc với đối tượng đo. Cặp nhiệt điện có cực dương và cực âm,cực dương thường đánh dấu màu đỏ Tùy theo vật liệu chế tạo ,cặp nhiệt điện được phân thành các loại sau: Vật liệu cấu tạo Về nguyên tắc ,khi đốt nóng mối hàn của hai kim loại bất kỳ đều phát sinh một suất điện động nhiệt .Nhưng không phải tất cả các kim loại và hợp kim nào cũng đều dùng làm cặp nhiệt được.Vật liệu làm cặp nhiệt điện đòi hỏi một số yêu cầu sau: độ tinh khiết cao tính chống ăn mòn tốt độ nóng chảy cao hơn nhiệt môi trường cần đo một số tính chủ yếu như dẫn điện ,dẫn nhiệt tốt tính lặp lại trong khoảng một thời gian dài Ngoài ra độ chính xác của cặp nhiệt điện còn phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo và lý tính của môi trường đo. Cách sử dụng: Để cặp nhiệt độ có thể làm việc tốt và lâu bền ,khi sử dụng cần lưu ý: + Cặp nhiệt điện cần có vỏ bảo vệ để chống tác động xâm thực của môi trường yêu cầu đối với vỏ bọc là cách điện nhưng không cách nhiệt. + Phải đặt cặp nhiệt ở nơi thích hợp vì thường là nhiệt không phân bố đều. + Vị trí lắp đặt phải tránh chổ có từ trường ,điện trường mạnh. +Để cặp nhiệt thẳng đứng đề phòng ống bảo vệ bị biến dạng do nhiệt cao. +Nên lắp đặt dây bù vào ống sắt nối đất để tránh nhiễu . 2.Nhiệt kế điện trở: Nguyên lý làm việc của nhiệt kế là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ của các vật liệu dẫn điện. 2.1.Nhiệt điện trở kim loại: Cấu tạo: Vật liệu cấu tạo điện trở kim loại đòi hỏi các yêu cầu sau: + Hệ số nhiệt lớn + Điện trở suất lớn + Tính ổn định lý hóa tốt + Tính thuần khiết Độ nhạy: Độ nhạy S của nhiệt điện trở kim loại có dạng sau: (R S= = (Ro (Tỷ suất ( : là hệ số nhiệt điện trở. Ro: là điện trở ở 0oC. Hệ số nhiệt điện trở: Hệ số nhiệt điện trở của kim loại sẽ tính như sau: 1dR ( ( RdT Hệ số nhiệt ( phụ thuộc vào tính đồng nhất của kim loại . 2.2.Nhiệt điện trở bán dẫn: Thay đổi nhiệt độ được chế tạo bằng chất bán dẫn thường gọi là Thermistor Thành phần chính của thermistor là bột của các oxyt kim loại như Máy nghiền bi,Fe,Ni…,hoặc các hổn hợp tinh chế như MgAl2O4 ,Zn2TiO4 … Phân loại: Nhiệt điện trở bán dẫn được chia thàn hai loại : Nhiệt điện trở Pct :là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương ,nghĩa là nhiệt độ tăng thì R giảm. Nhiệt điện trở Nct: thành phần chính là bột kim loại như: MnAl2O4 và Zn2TiO4 .Độ tin cậy của nhiệt điện trở bán dẫn phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệ chế tạo .Nct thường có hình dạng như:dạng hạt ,dạng dĩa ,dạng khoen. Hệ số thu nhiệt độ: Thermistor sẽ bị đốt nóng khi khi nhiệt độ môi trường xung quanh tăng từ nhiệt độ T0 đến T ,như vậy là nhiệt điện trở đã tiêu thụ được một công suất theo công thức như sau: W= C(T-T0) C : là hệ số thu nhiệt của điện trở :là năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của Thermistor lên 1oC so với nhiệt độ xung quanh,có đơn vị là wm/oC . Cách sử dụng: Khi sử dụng nhiệt kế không nên dùng nhiệt điện trở ở nhiệt độ quá cao hay qúa thấp làm cơ cấu tinh thể kim loại thay đổi ,cũng không nên để nơi quá ẩm sẽ tạo điều kiện cho điện trở rỉ không kiểm soát được .Không nên đặt điện trở kim loại nơi có chấn động rung hay va đập . Các ưu điểm: có độ chính xác cao,có thể kết nối với máy tính… 3.IC cảm biến nhiệt độ: Đây là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển đổi thành điện ,cho phép đo được ở dạng biến áp hay dòng. Một số loại IC cảm biến thông dụng:LX5700, LX135, LM235, LM335, AD590, LM134,… Chương III: GIỚI THIỆU HỌ MICROCONTROLLER I.PHẦN CỨNG: Sơ đồ khối: Microcontroller 8051/8031 là một IC thuộc họ vi điều khiển MCS_51 do hãng Intel phát minh và chế tạo.Các IC tiêu biểu cho họ MC_51 là 8051 và 8031. Chúng có các đặc điểm chung sau: + 4K byte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất ,chỉ có ở 8051). + 128 byte Ram. + 4 port I/O 8 bit. + 2 bộ định thì 16 bit . + Giao tiếp nối tiếp. + 64K không gian bộ nhớ chương trình mở rộng. + 64K không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng. + Một bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bit đơn). + 210 bit có khả năng định vị riêng biệt trong Ram nội. + 5 nguồn ngắt với 2 mức ưu tiên. 2.Sơ lược các chân của 8051: 2.1.Port 0: Port 0 gồm các chân từ 32 ( 39 .Port 0 có chức năng I/O trong các thiết kế cở nhỏ (không dùng bộ nhớ mở rộng) .Đối với các thiết kế lớn với bộ nhớ mở rộng ,nó được hợp kênh giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu. 2.2.Port 1: Port 1 là một Port I/O trên các chân 1-8 .Các chân được ký hiệu P1.0,P1.1,…có thể dùng giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần . 2.3.Port 2: Port 2 là Port công dụng kép trên các chân 21-28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng. 2.4.Port 3: Port 3 là một Port công dụng kép trên các chân 10-17 .Các chân của Port này có nhiều chức năng ,các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của 8051/8031như ở bảng sau: Bit  Tên  Chức năng chuyển đổi   P3.0  RXD  Dữ liệu nhận cho Port nối tiếp   P3.1  TXD  Dữ liệu phát cho Port nối tiếp   P3.2  /INT0  Ngắt ngoài 0   P3.3  /INT1  Ngắt ngoài 1   P3.4  T0  Ngõ vào của Timer/Counter 0   P3.5  T1  Ngõ vào của Timer/Counter 1   P3.6  /WR  Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài.   P3.7  /RD  Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài.   2.5.PSEN (Prorgam Store Enable):