BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH LÒ NHIỆT GVHD: ThS. VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH: NGÔ ĐÌNH LẬP MSSV: 11146060 SVTH: NGUYỄN TIẾN HƯNG MSSV: 11146052 SKL 0 0 3 7 8 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 do an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH LÒ NHIỆT Giảng viên hƣớng dẫn: ThS.
VÕ LÂM CHƢƠNG Sinh viên thực hiện: NGÔ ĐÌNH LẬP MSSV: 11146060 NGUYỄN TIẾN HƢNG 11146052 Lớp: 111461 Khoá: 2011 – 2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 do an Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: ThS.Võ Lâm Chƣơng Sinh viên thực hiện: Ngô Đình Lập MSSV: 11146060 Nguyễn Tiến Hƣng MSSV: 11146052 1. Tên đề tài: Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt.
Các số liệu, tài liệu ban đầu: 3. Nội dung chính của đồ án: Thiết kế, chế tạo mô hình lò nhiệt. Nhận dạng và điều khiển mô hình. Các sản phẩm dự kiến Mô hình lò nhiệt.
Chƣơng trình nhận dạng và điều khiển mô hình. Ngày nộp đồ án: 31/07/2015 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Đƣợc phép bảo vệ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i do an Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt. Võ Lâm Chƣơng - Họ tên sinh viên: Ngô Đình Lập MSSV: 11146060 Lớp: 111461 Địa chỉ sinh viên: 268/17, Lê Văn Việt, Quận 9, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 01668528627 Email:ngodinhlap93@gmail.com - Họ tên sinh viên: Nguyễn Tiến Hƣng MSSV: 11146052 Lớp: 111461 Địa chỉ sinh viên: 268/17, Lê Văn Việt, Quận 9, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 01657797673 Email:hung051193@yahoo.vn - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN):27/07/2015 - Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã đƣợc công bố mà không trích dẫn nguồn gốc.
Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng 07năm 2015 Ký tên ii do an Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt LỜI CẢM ƠN Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Nhà trƣờng, khoa Cơ khí chế tạo máy, Bộ môn Cơ điện tử, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ sở, chuyên môn trong suốt 4 năm học vừa qua. Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS.
Võ Lâm Chƣơng, thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình, định hƣớng, góp ý và cung cấp những ý tƣởng cũng nhƣ chỉ dẫn tài liệu thực hiện đồ án. Sự hƣớng dẫn của thầy là yếu tố quan trọng để chúng em có thể hoàn thành đồ án này. Xin cảm ơn các bạn lớp Cơ điện tử 111461 đã góp ý, giúp đỡ nhóm rất nhiều trong quá trình làm đồ án. Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những ngƣời luôn sát cánh, nuôi dƣỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có kết quả tốt nhƣ ngày hôm nay.
Mặc dù đã cố gắng nỗ lực rất nhiều, song đồ án chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự thông cảm và chỉ dẫn tận tình của quý thầy cô. Chúng em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện iii do an Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt TÓM TẮT ĐỒ ÁN CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH LÒ NHIỆT Trong đồ án này, nhóm chọn chủ đề nghiên cứu là điều khiển quá trình gia nhiệt của lò nhiệt, bao gồm khâu thiết kế, chế tạo mô hình, nhận dạng hàm truyền mô hình và điều khiển nhiệt độ của mô hình lò nhiệt.
Về phần cứng, nhóm đã thiết kế và chế tạo đƣợc mô hình lò nhiệt hoàn thiện, với giải pháp gia nhiệt cho lò bằng thanh điện trở, dùng Card PCI 6052E làm phần cứng thu thập dữ liệu. Về phần mềm, nhóm đã sử dụng công cụ System Identification Toolbox phục vụ việc nhận dạng mô hình lò nhiệt và bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ của mô hình. Sau thời gian nghiên cứu, kết quả đạt đƣợc là tìm đƣợc hàm truyền mô tả hệ thống lò nhiệt và điều khiển đƣợc nhiệt độ của lò bằng phƣơng pháp dùng bộ điều khiển PID, từ đó đạt đƣợc mục tiêu kiểm chứng đƣợc các lý thuyết về điều khiển quá trình bằng mô hình thực nghiệm. Tóm tắt các chƣơng trong đề tài: Chƣơng 1: Tổng quan đề tài Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 3: Phƣơng hƣớng và các giải pháp về nhận dạng hệ thống và bộ điềukhiển PID Chƣơng 4: Đề xuất công nghệ, tính toán thiết kế Chƣơng 5: Thực nghiệm đánh giá Sinh viên thực hiện iv do an Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt ABSTRACT DESIGN AND CONTROL HEATER FURNACE MODEL In this project, we research on heating process of heater furnace including design, implement model, model identification and temperature control.
About system hardware, we designed and implement a complete model. We use heating resistors to heat the model, and use card PCI 6052E for data acquisition. About software, we use System Identification Toolbox to identify the system and use PID controller to control the system temperature. The transfer function of model is identified and PID controller is applied to control the temperature output of the furnace.
So, we achieve the target – verify the theory of process control by experimental model. v do an Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP. i LỜI CAM KẾT .ii LỜI CẢM ƠN. vi DANH MỤC HÌNH ẢNH.
ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .xii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI. Tính cấp thiết của đề tài. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Đối tƣợng nghiên cứu:. Phạm vi nghiên cứu:. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể. Kế t cấ u luận văn. 2 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Mô hình hóa, nhận dạng hệ thống.
Phân loại mô hình. Phƣơng pháp xây dựng mô hình toán học. Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín. Các bƣớc nhận dạng hệ thống.
Bộ điều khiển PID. 10 vi do an Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt CHƢƠNG 3: PHƢƠNG HƢỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID. Yêu cầu đề tài. Lƣu đồ giải thuật của hệ thống.
Các giải pháp nhận dạng hệ thống. Hàm truyền của khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ. Khâu quán tính bậc cao. Lựa chọn giải pháp nhận dạng hệ thống.
Các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID. Phƣơng pháp điều chỉnh bằng tay:. Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phƣơng pháp thực nghiệm (phƣơng pháp thứ 2 của Ziegler-Nichols). Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR).
Phƣơng pháp Cohen-Coon. Phƣơng pháp Tyreus-Luyben. Sử dụng phần mềm. Lựa chọn phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID.
23 CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ. Đề xuất công nghệ. 24 Matlab Real-time Workshop. 24 System Identification Toolbox.
Phần cứng thu thập dữ liệu – Card PCI 6052E. Khối công suất. Tính toán thiết kế. 34 vii do an Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt 4.
Tính toán lựa chọn kích thƣớc thùng gia nhiệt. Thiết kế cơ khí. Thiết kế mạch điện. Mô hình thực tế:.
52 CHƢƠNG 5: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ. Các bƣớc chuẩn bị. Phần mềm, công cụ. Cài đặt chƣơng trình.
Nhận dạng hệ thống. Dữ liệu ban đầu về mô hình. Nhận dạng hệ thống bằng System Identification Toolbox. Điều khiển hệ thống.
79 KẾT LUẬN –KIẾN NGHỊ. 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 87 viii do an Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Nhận dạng vòng hở.2 Nhận dạng vòng kín .3 Vòng lặp nhận dạng hệ thống .4 Sơ đồ hệ thống điều khiển .5 Cấu trúc bộ điều khiển PID.6 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) .7 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số) .8 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số). Sơ đồ PID kết hợp với bộ anti-windup.
Lƣu đồ giải thuật của hệ thống .3 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất .4 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ .1 Sơ đồ khối Real-time Workshop .3 Sơ đồ chân card PCI 6052E .4 Sơ đồ khối card PCI 6052E .5 Bộ công suất .6 Sơ đồ mắc dây bộ công suất .7 Cách mắc dây cho tải .8 Đồ thị dạng sóng điện áp tải R .9 Quá trình đốt nóng không khí.10 Mô hình tổng thể .11 Cấu tạo lò nhiệt .12 Bản vẽ chi tiết thùng gia nhiệt .13 Thân và nắp đậy thùng gia nhiệt.14 Thanh điện trở đốt nóng .15 Thiết kế quạt cấp khí .16 Quạt cấp khí .17 Bông thủy tinh .18 Thùng bọc ngoài .19 Cách gá đặt giữa hai lớp thùng .20 Cảm biến Thermocouple loại K .21 Bảng điều khiển .23 Sơ đồ khối mạch điện. 49 ix do an Chế tạo và điều khiển mô hình lò nhiệt Hình 4.24 Mạch điện mô phỏng .25 Sơ đồ mạch điều khiển khởi động hệ thống .26 Mô hình thực tế.1 Chƣơng trình khảo sát đặc tính vòng hở của hệ thống .2 Đồ thị biểu diễn đáp ứng vòng hở của hệ thống .3 Chƣơng trình thu thập dữ liệu .4 Cửa sổ Ident Tool .6 Đồ thị biểu diễn tín hiệu input và output của các mẫu dữ liệu .8 Nhận dạng mô hình miền rời rạc .9 So sánh ngõ ra các mô hình ARX với ngõ ra hệ thống .10 Sai số của các mô hình ARX .11 Giản đồ cực – zero của các mô hình ARX .12 So sánh ngõ ra các mô hình ARMAX với ngõ ra hệ thống .13 So sánh ngõ ra các mô hình OE với ngõ ra hệ thống .