Đồ án Thiết kế hệ thống điều chỉnh ổn định nhiệt gió nóng bằng thuật toán điều khiển mờ

Trường đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử ((((( / + ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài :Thiết kế hệ thống điều chỉnh ổn định nhiệt gió nóng bằng thuật toán điều khiển mờ Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thưc hiện : Lời nói đầu Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật , việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật mới trong lĩnh vực tự động hoá đã mang lại những chuyển biến rõ rệt ,góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực công nghệ , trong đó có các thiết bị gia nhiệt như lò sấy , lò nung được ứng dụng nhiều .Việc xây dựng một hệ thống điều khiển tự động các thiết bị như vậy đã và đang đặt ra nhiều yêu cầu trong đó đặc biệt là việc tối ưu hoá đáp ứng các chỉ tiêu về chất lượng ,ổn định nhiệt độ tốt. Từ những năm đầu của thập kỷ 90 cho đến nay hệ mờ (fuzyy system)đã được các nhà khoa học, các kỹ sư và sinh viên nghiên cứu trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật đặc biệt quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất .Tuy nhiên cả phương pháp luận và tính ứng dụng điều khiển mờ vẫn còn hạn chế đặc biệt ở Việt Nam. Do vậy em mong muốn thuật toán điều khiển mờ cũng như các phương pháp điều khiển nâng cao như điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu….sẽ được nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn nữa ở Việt Nam Trong khuôn khổ đồ án này em nghiên cứu ổn định nhiệt độ gío nóng bằng thuật toán điều khiển mờ Do thời gian và trình độ còn hạn chế , trong khuôn khổ đồ án môn học này em chỉ xin nghiên cứu và đề cập những vấn đề cơ bản nhất về hệ thống ổn định nhiệt gió nóng cũng như thuật toán điều khiển mờ Em xin gửu lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Điện -Điện tử đặc biệt là cô giáo-thạc sỹ …………….. đã tận tình giúp đỡ tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án này Trong đồ án còn nhiều thiếu sót rất mong nhận được ý kiến chỉ bảo,đóng góp của thầy cô và các bạn Hưng Yên ngày 6 - 11 - 2006 Sinhviên NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Mục lục Trang Chương 1 Hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ gió nóng cho 6 lò điện trở 1.1. Một số đặc điểm của lò điện trở và phương pháp điều 6 chỉnh nhiệt độ 1.2 Khái niệm và các thành phần của hệ thống 8 1.3 Thết kế phần cứng 10 Chương 2 Tổng quan về lý thuyết điều khiển tự động và thuật toán 14 điều khiển mờ 2.1 lý thuyết điều khiển tự động 14 2.2 Thuật toán điều khiển mờ 21 Chửụng 3 : Ứng dụng thuật toán điều khiển mờ điều chỉnh ổn định nhiệt gió nóng 29 3.1. xây dựng thuật toán điều khiển 29 3.2. Mô phỏng hệ thống bằng phần mền MATLAB 33 Tài liệutham khảo 39 Chương 1 Hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ gió nóng cho lò điện trở 1.1. Một số đặc điểm của lò điện trở và phương pháp điều chỉnh nhiệt độ 1.1.1.. ẹoỏi tửụùng loứ điện trở Trong thửùc teỏ, trong coõng nghieọp caực loứ nhieọt thửụứng coự coõng suaỏt raỏt lụựn, quaựn tớnh lụựn, taàm nhieọt hoaùt ủoọng roọng vaứ coự nhieàu caựch ủoỏt noựng khaực nhau nhử duứng loứ xo, khớ ủoỏt, soựng cao taàn…Khi ủieàu khieồn nhieọt ủoọ, ủaởc tớnh caàn chuự yự laứ ủoọ quaựn tớnh, naờng suaỏt toaỷ nhieọt ra moõi trửụứng. Tớnh chaỏt cuỷa loứ nhieọt phuù thuoọc vaứo theồ tớch, vaọt lieọu caựch nhieọt vaứ nguoàn nhieọt. Quán tính của lò lớn, sự thay đổi nhiệt độ của lò xảy ra chậm . Lò có hệ số dung lượng lớn thì độ trễ lớn Nhiệt độ buồng lò không hoàn toàn đồng đều và cặp nhiệt cũng có quán tính khá lớn nên việc xác định nhiệt độ còn phụ thuộc vào vị trí đặt bộ cảm biến nhiệt độ . ở đây đối tượng điều chỉnh chính là nhiệt độ gió nóng mà được đốt nóng bởi lò điện trở nên vị trí đặt sen so phải nằm tại nơi đo nhiệt độ gió nóng Biến thiên nhiệt độ của lò có tính chất tự cân bằng nên nhiệt độ gió nóng cũng có tính chất cân bằng . Nhờ tính chất như vậy , khi mất cân bằng giữa lượng nhiệt cung cấp và lượng nhiệt tiêu thụ thì nhiệt độ gió nóng có thể tiến tới một giá trị xác lập mới mà không cần sự tham gia của máy điều chỉnh 1.1.2- Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò gió nóng đối tượng điều chỉnh chính là nhiệt độ gió nóng , nhưng thực chất vẫn là điều khiển lò điện trở . việc điều chỉnh nhiệt độ của gió nóng cung chính là điều khiển nhiệt độ trong buồng lò hay điều khiển công suất đặt vào lò P=I2.R.t Phương pháp thay đởi điện trở : Phương pháp này ít được sử dụng do kém linh hoạt, thời gian thay đổi chậm và không có nhiều cấp Phương pháp thay đổi điện áp bằng cách dùng biến áp hoặc thyristor. Phương pháp dùng thyristor được áp dụng có thể thay đổi được nhiều cấp điện áp, thời gian tác động nhanh và hoạt động tin cậy.Về cơ bản có 2 phương pháp điều khiển là điều khiển ON-OFF(đóng - ngắt)Và điều khiển tyến tính . ẹieàu khieồn ON_OFF laứ laởp laùi traùng thaựi ủoựng ngaột nguoàn cung caỏp cho heọ thoỏng ủieàu khieồn theo ủieồm ủaởt, khi nhieọt ủoọ trong loứ dửụựi nhieọt ủoọ ủaởt thỡ ngoừ ra rụle ủoựng ngaột nguoàn laứ ON vaứ OFF khi nhieọt ủoọ trong loứ cao hụn nhieọt ủoọ ủaởt Để điều khiển ON-OFF có thể dùng các thiết bị đóng ngắt như rơle ,công tắc tơ hay các thiết bị cho phép lập trình như PLC Phương pháp điều khiển ON-OFF đơn giản song không điều khiển được nhiệt độ ở nhiều cấp độ ,ổn định nhiệt độ kém. Phương pháp điều khiển tuyến tính cho kết quả chính xác hơn với nhiều cấp độ điềukhiển , khả năng ổn định tốt . Phương pháp điều khiển tuyến tính sử dụng ở đây là thuật toán điều khiển mờ 1.2 Khái niệm và các thành phần của hệ thống 1.2.1 khái niệm Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ gió nóng cho lò điện trở là một hệ thống có nhiệm vụ điều khiển nhiệt độ của lò điện trở sao cho lò điện trở luôn có nhiệt độ phù hợp với yêu cầu của công nghệ sản xuất. Qúa trình điều chỉnh cần phải được tự động hoá có sự giám sát, thay đổi được dễ dàng khi yêu cầu đầu ra thay đổi 1.2.2Sơ đồ đối tượng điều chỉnh Trên cơ sở yêu cầu công nghệ , sơ đồ đối tượng điều chỉnh được trình bày như sau:
Trong đó: 1- bưồng đốt 2- quạt gió 3- nhiệt kế điện trở 4-dây nung R/U -chuyển đổi diện trở sang điện áp A/D -chuyển đổi tương tự số MT- máy tính D/A -chuyển đổi số tương tự TX- mạch tạo xung TH -thyristor 1.2.3 Đặc điểm làm việc và thông số kỹ thuật của các thành phần * buồng đốt : Buồng đốt có lớp chịu nhiệt chế tạo từ bột Samot thấm vảI lát trong buồng lò chụi nhiệt độ cao có độ bền cơ học tốt có tính cách điện và ổn định ở nhiệt độ caokhi nhiệt độ thay đổi lớn và không bị ăn mòn bởi môi trường làm việc Buồng đốt được thiết kế với: - công suất 2 KW - Điện áp cung cấp : 220 V *Quạt gió: Đựoc thiết kế theo kiểu ly tâm tạo cột áp lớn để đưa khí nóng tối đa ra buồng nung + Điện áp cấp: 220V +Tốc độ 2850V/ p +Công suất 2,4 KW - ở đây ta cho quạt gió làm việc với công suát lớn nhất và chưa quan tâm tới tốc độ và lưu lượng của quạt gió * Nhiệt kế điện trở: Nhiệt kế điẹn trở bạch kim loại Pt-100được sử dụng để làm cẩm biến đo nhiệt độ . Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của nó được mô tả bằng biểu thức: Rt=R0.(1+

) VớiR0 là điện trở ở 00C Rt là điện trở tại t0C *Dây nung: Dây nung Ni- Cr được đặt trong lòng của buồng đốt và được đốt theo hiệu ứng Jun- Len xơ. Với lượng nhiệt toả ra trên dây khi có dòng điện chạy qua được tính theo công thức : Q=I2Rt Trong đó : Q là nhiệt lượng toả ra trên dây nung (J) I là dòng điện chạy qua dây nung(A) Rlà điện trở dây nung R=20
- t là thời gian dòng điện chạy qua dây nung(s) *máy tính: Máy tính số được ghép nối với các bộ phận khác thông qua bộ chuyển đổi A/D vàD/A.Tín hiệu vào của A/D là điện áp từ 0-5 Vvì vậy phải sử dụng bộ chuyển đổi điện trở sang điện áp R/U .Hai van thyristor được sử dụng làm bộ phận điều khiển điện áp cấp cho lò điện trở và được điều hiển bởi mạch tạo xung 1.3 Thết kế phần cứng 1.3.1 bộ chuyển đổi R/U - Bộ chuyển đổi R/U để chuyển tín hiệu của nhiệt kế điện trở sang điện áp từ 0 V đến 5Vđể đưa vào ADC Sơ đồ bộ chuyển đổi như sau :
Trong sơ đồ này ta sử dụng 2 ICLM741 và IC 082 .ICLM741là IC ổn dòngluôn cho dòng ra là 2 mA Khi đó điện áp chỉ còn phụ thuộc vào sự thay đổi của điện trở Rt Thông số kỹ thuật của LM741 +Nguồn cung cấp
15V +Công suất tiêu tán là :50mV +điện áp rò ở đầu vào :2mV +Dòng rò ở đầu vào : 20nA + trở kháng vào : 2M
+ Trở kháng ra :75
1.3.2Bộ điều khiển công suất Bộ điều khiển công suất được sử dụng ở đây là bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha gồm 2 thyristor mắc song song ngược . . Vì anôtT1 nối với catôt T2 và anôtT2 nối với catôt T1 nên trong mạch điều khiển nhất thiết phải dùng một biến áp xung có 2 cuộn dây thứ cấp cách ly với nhau. Các điôt được dùng để khoá chặn các xung âm Khi có xung điều khiển thì 2 thyristor sẽ lần luợt mở cho dòng đi qua . Ta có thể điều khiển góc mở của thyristor đảm bảo cho công suất lò thay đổi từ 0 đến giá trị lớn nhất Phương pháp này cho phép điều chỉnh trong phạm vi rộng , đáp ứng yêu cầu điều khiển độ chính xác điều khiển tương đối cao, độ nhạy điều chỉnh tương đối lớn, có khả năng điều chỉnh liên tục và đều đặn Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển công suất như sau :
Thyristor lựa chọn dùng trong mạch là loại có công suất nhỏ KY-202Hdo Nga chế tạo với thông số kỹ thuật như sau : + Điện áp làm việc là 0,4 KV + Dòng điện cực đại cho phép 10A + Điện áp điều khiển 10V +Dòng điện rò 0,3 đến 0,5 A Hệ thống này được dùng để diều khiển công suất nguồn cung cấp cho sợi đốt của lò tức là làm thay đổi nhiệt độ của lò .Tín hiệu điều khiển được đưa vào đầu vào Y của hệ thống , còn công suất đốt được điều khiển bằng van thyristor . Nguồn cung cấp cho lò là nguồn điện xoay chiều vì vậy thyristor được sử dụng ở chế độ khoá tự nhiên tức là nó tự khoá khi dòng điện đi qua nó bằng không
là góc mở của thyristor . , tức là góc lệch từ thời điểm ban đầu của nửa chu kỳ dòng xoay chiều cho đến thời điểm mở thyristor thời điểm này chính là thời điểm phát xung điều khiển , ta có thể thay đổi thời điểm phát xung điều khiển làm thay đổi góc mở tức là thay đổi công suất cung cấp cho dây nung của lò. Việc điều khiển thời điểm phát xung cho thyristor được thực hiện bằng bộ tạo xung răng cưa , bộ so sánh và bộ phát xung mở thyristor + mạch phát xung : Tín hiệu xung răng cưa được so sánh với tín hiệu điều khiển nhờ bộ khéch đại thuật toán
A741 .Xung răng cưa được đưa vào đầu đảo còn khéch đại thuật toán được đưa vào đầu không đảo . ở đây sử dung khuếch đai thuật toán ở chế độ khuếch đại không phản hồi vì vậy khi điện áp của xung răng cưa lớn hơn điện áp điều khiển thì điện áp của
A7 sẽ bão hoà Đầu ra của
A741 sẽ là xung vuông với tần số 100Hz Giao diện với máy tính : card A/D –D/A Do yêu cầu của hệ thống ta sử dụng các vi mạch biến đổi A/D Và D/A ghép nối với các slotcủa máy tính Vi mạch biến đổi tương tự số ADC0804 Các thông số của vi mạch : thời gian biến đổi :150ns công suất tiêu thụ :5mW nguồn cung cấp :5V Vi mạch biến đổi số – tương tự DAC 0808 Các thông số của vi mạch : - thời gian biến đổi :150ns - công suất tiêu thụ :33Mw -nguồn cung cấp :
4,5Vđến 18V Card A/D-D/Ađược cắm vào slot còn trốn trên mainboard của máy tính , địa chỉ của nó được giải mã bởi IC 74LS138 . khi muốn chọn kênh tương tự cho vi mạch AD ta đưa số thứ tự kênh cần chọn ra bus dữ liệu còn địa chỉ của chốt dữ liệu cho AD được giải mã qua 74LS138 .Số thứ tự kênh tương ứng được chốt ở đầu ra của 74LS373 Để xuất dữ liệu ra D/A phải thông qua vi mạch đệm tín hiệu 74LS245 .Trong bản đồ án dùng card để thu thập tín hiệu từ nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ gió nóng và đưa tín hiệu ra để điều khiển điện áp vào lò nên chỉ cần dùng một kênh đầu vào và một địa chỉ để xuất tín hiệu ra.