Đặt vấn đề Nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý rất quan trọng. Việc thay đổi nhiệt độ của một vật chất ảnh hưởng rất nhiều đến cấu tạo, tính chất và các đại lượng vật lý khác của vật chất. Ví dụ: sự thay đổi nhiệt độ của một chất khí sẽ làm thay đổi thể tích, áp suất của chất khí trong bình. Vì vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt, thu thập các thông số và điều khiển nhiệt độ là điều rất cần thiết.
Trong các lò nhiệt, máy điều hoà, máy lạnh hay cả trong lò viba, điều khiển nhiệt độ là tính chất quyết định cho 12 sản phẩm ấy. Trong ngành luyện kim, cần phải đạt đến một nhiệt độ nào đó để kim loại nóng chảy và cũng cần đạt một nhiệt độ nào đó để ủ kim loại nhằm đạt được tốt các đặc tính cơ học như độ bền, độ dẻo, độ chống gỉ sét,. Trong ngành thực phẩm, cần duy trì một nhiệt độ nào đó để nướng bánh, để nấu, để bảo quản,. Việc thay đổi thất thường nhiệt độ, không chỉ gây hư hại đến chính thiết bị đang hoạt động, còn ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, ngay cả trên chính sản phẩm ấy.
Có nhiều phương pháp để điều khiển đều mang đến một kết quả khác nhau thông qua những phương pháp điều khiển khác nhau. Qua thực tiễn cho thấy rằng để có thể thiết kế và chế tạo thành công một sản phẩm công nghệ thì đòi hỏi người thực hiện phải nắm được lý thuyết vững chắc kết hợp với kinh nghiệm thực tế. Thực tế cũng chứng minh rằng mô hình Lò Nhiệt được nghiên cứu và chế tạo ở Việt Nam hiện nay vẫn cũng chỉ là các đề tài nghiên cứu và chưa áp ứng dụng rộng rãi trong thực tế cuộc sống. Từ những vấn đề cấp thiết nêu trên, người thực hiện đề tài này muốn đi sâu vào nghiên cứu mô hình Lò Nhiệt để từ đó khi tiến hành thiết kế và thi công mô hình thực tế.4 Mục tiêu - Công việc thực hiện 1.1 Mục tiêu: - Mô tả được mô hình toán học của lò nhiệt và đánh giá ảnh hưởng của các tham số tải (khối lượng vật sấy).
- Thiết kế bộ điều khiển PID theo Ziegler - Nichols ổn định nhiệt độ lò. - Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định hệ số bộ điều khiển PID ổn định nhiệt độ lò nhiệt. - Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm định chất lượng hệ thống.2 Công việc cần thực hiện - Mô tả toán học lò nhiệt. - Đánh giá ảnh hưởng các yếu tố tải trong lò nhiệt.
- Thiết kế bộ điều khiển PID cho lò nhiệt và mô phỏng. - Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định hệ số bộ điều khiển PID ổn định nhiệt độ lò nhiệt. - Thực hiện mô hình thực nghiệm. 13 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT 2.1 Mô hình lò nhiệt Hình 2.1 Mô hình lò nhiệt 2.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ: 𝑄 = 𝐼 2 𝑅𝑇 (2.1) Trong đó: Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J) I: Dòng điện tính bằng Ampe (A) R: Điện trở tính bằng Ôm (Ω) T: Thời gian tính bằng giây (s) Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò: - Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp.
- Dây nung: Khi dây nung được nung nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián tiếp.2 Cấu tạo của lò nhiệt Lò điện trở thông thường gồm 3 phần chính là vỏ lò, lớp lót và dây nung.1 Vỏ lò Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò. Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, đối với các lò điện trở bình thường sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.2 Lớp lót Lớp lót lò điện trở thường gồm 2 phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt. - Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tùy theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm.
Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ngoài nhờ các khuôn. - Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu.
Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt.3 Dây nung Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt, do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Chịu nóng tốt, ít bị oxi hóa ở nhiệt độ cao. - Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao. - Điện trở suất phải lớn. - Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ.
15 - Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi. - Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng. - Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép uốn. Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm 2 loại: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại.
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều được chế tao bằng hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở suất lớn. Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm. Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng. Dây nung phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than.3 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học Ổn định các tham số của đối tượng điều khiển như nhiệt độ, tốc độ… là mối quan tâm hàng đầu khi thiết kế hệ thống điều khiển, Để thực hiện việc này thì công việc đầu tiên là xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển.
Trong lý thuyết điều khiển tự động thì việc xác định mô hình của đối tượng điều khiển là một bước rất quan trọng trước khi xác định thuật toán và các tham số điều khiển. Để xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển đến nay có 2 phương pháp: - Dựa trên các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý của đối tượng và các tham số của đối tượng. - Dựa trên đường cong thực nghiệm của đối tượng. Lò nhiệt có đầu vào là điện áp cung cấp cho dây đốt (hay công suất cung cấp) và ngõ ra là nhiệt độ của sản phẩm cần nung hay nhiệt độ vùng sử dụng.
Để thành lập hàm truyền lò nhiệt ta phải khảo sát phương trình vi phân mô tả các quan hệ nhiệt độ - năng lượng ở các bộ phận, đây là bài toán phức tạp nếu muốn chính xác. Một cách gần đúng, có thể xem môi trường nung là đồng chất, đẳng nhiệt. Như vậy phương trình cân bằng năng lượng cho ta: điện năng cung cấp sẽ được dùng để bù vào năng lượng nhiệt truyền ra bên ngoài và nâng nhiệt độ môi trường nung.1 Đồ thị đặc tính của lò nhiệt Hình 2.2 Đặc tính chính xác Hình 2.3 Đặc tính gần đúng 2.2 Hàm truyền của lò nhiệt - Đặc tính gần đúng 𝑲.2) 𝑻𝟐 𝒔 + 𝟏 - Đặc tính chính xác 𝑲 𝟏 𝑮(𝒔) = + (2.3) 𝑻𝟏 𝒔 + 𝟏 𝑻𝟐 𝒔 + 𝟏 Trong đó: - K: Hệ số khuếch đại của đối tượng lò nhiệt. - 𝑻𝟏 : Hằng số thời gian không nhạy của lò nhiệt.
- 𝑻𝟐 : Hằng số thời gian quán tính nhệt của lò. - K, 𝑻𝟏 , 𝑻𝟐 được xác định bằng phương pháp thực nghiệm.2 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển 2.1 Thuật toán PID: Hình 2.4 Thuật toán PID Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một bộ hiệu chỉnh có phản hồi nhằm làm giá trị sai lệch của một tín hiệu đang được điều khiển bằng 0. Bộ PID có 3 thành phần: - Proportional: tỷ lệ - Integral: tích phân - Derivative: đạo hàm Ba thành phần này đều có vai trò đưa sai lệch về 0, nhưng mỗi thành phần đều có tính chất riêng. Tín hiệu phản hồi (feedback signal) thường là tín hiệu đo bằng cảm biến.
Giá trị sai lệch là tín hiệu của tín hiệu đặt (setpoint) trừ cho tín hiệu phản hồi.2 Thiết kế bộ điều khiển PID theo Ziegler - Nichols Phương pháp này thường áp dụng cho đối tượng có quán tính lớn như lò nhiệt được mô tả bằng hàm truyền đạt: 𝑲.4) 𝑻𝒊 𝒔 𝟏,𝟐𝑻𝟐 Với: 𝑪 = ; 𝑻𝒊 = 𝟐𝑻𝟏 ; 𝑻𝒅 = 𝟎, 𝟓𝑻𝟏 𝑲𝑻𝟏 18 Hệ số tương ứng với hệ số khuếch đại tỷ lệ: 𝑪 𝑲𝒑 = 𝑪 ; 𝑲𝒊 = ; 𝑲𝒅 = 𝑪𝑻𝒅 𝑻𝟏 Hiệu chỉnh PI của Ziegler - Nichols là: 𝟏 𝑫(𝒔) = 𝑪(𝟏 + ) (2.5) 𝑻𝒊 𝒔 𝟎,𝟗𝑻𝟐 Với: 𝑪 = 𝑲𝑻𝟏 Hiệu chỉnh khuếch đại tỷ lệ P: 𝑫(𝒔) = 𝑪 (2.6) 𝑻𝟏 Với: 𝑪 = 𝑲𝑻𝟐 Đối với hệ liên tục hiệu chỉnh PID có dạng tổng quát là : 𝑲𝒊 𝑮(𝒔) = 𝑲𝒑 + + 𝑲𝒅 𝒔 (2.7) 𝒔 Chuyển sang hệ rời rạc sử dụng hệ biến đổi Z đối với khâu vi phân: 𝑑𝑓(𝐷) 1 1 𝑧−1 𝑍� � = (1 − 𝑍 −1 )𝐹 (𝑧) = × (2.8) 𝑑𝐷 𝑇 𝑇 𝑧 Hàm truyền khâu vi phân : 𝑧−1 𝐺𝐷 (𝑧) = 𝐾𝑑 (2.9) 𝑇𝑧 Trong phương trình vi phân chuyển sang sai phân dạng : 𝑑𝑓(𝐷) 1 � = {𝑓(𝑘𝑇 − 𝑓 [(𝑘 − 1)𝑇])} (2.10) 𝑑𝐷 𝑡=𝑘𝑇 𝑇 19 Có 3 phương pháp tính tích phân: Hình 2.5 Phương pháp tính tích phân Cách 1: Tích phân theo hình thang ABCD 𝑇 𝑢(𝑘𝑇) = 𝑢(𝑘 − 1)𝑇 + (2.