Chương 1: Trình bày nội dung về tổng quan đề tài nghiên cứu - Chương 2: Các cơ sở lý thuyết được áp dụng vào trong ĐATN. - Chương 3: Trình bày nội dung thiết kế phần cứng cho hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm. - Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong buồng. - Chương 5: Nội dung thiết kế ứng dụng giám sát trên điện thoại - Chương 6: Nội dung về kết quả thu được.
- Chương 7: Kết luận và đưa ra hướng phát triển cho đề tài. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan hệ thống điều khiển nhiệt độ 2. Khái niệm Điều khiển nhiệt độ và độ ẩm là quá trình tự động hóa quan trọng trong đó các thông số nhiệt độ và độ ẩm của môi trường được giám sát và điều chỉnh liên tục để duy trì trong một phạm vi xác định.
Các hệ thống này thường sử dụng các cảm biến để đo lường các thông số môi trường như nhiệt độ và độ ẩm, sau đó sử dụng các thiết bị điều khiển để điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm theo yêu cầu. Ứng dụng Trong nhiều ngành công nghiệp và dân dụng, việc kiểm soát chính xác nhiệt độ và độ ẩm là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm, bảo vệ thiết bị, và tạo ra môi trường thoải mái và an toàn cho con người. Ví dụ: - Sản xuất thực phẩm: Đảm bảo rằng thực phẩm được bảo quản ở nhiệt độ và độ ẩm thích hợp để ngăn ngừa hư hỏng và duy trì chất lượng. - Dược phẩm: Đảm bảo rằng thuốc và các sản phẩm y tế được bảo quản trong điều kiện lý tưởng để duy trì hiệu quả và an toàn.
- Công nghiệp: Bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi quá nhiệt và độ ẩm cao, điều này có thể gây hư hỏng và làm giảm tuổi thọ của thiết bị. - Nhà kính: Tạo ra môi trường tối ưu cho sự phát triển của cây trồng, giúp tăng năng suất và chất lượng. Các thành phần cơ bản của hệ thống buồng nhiệt - Cảm biến: Cảm biến này dùng để đo lường nhiệt độ của môi trường. Các loại cảm biến phổ biến bao gồm thermistor (nhiệt điện trở), thermocouple (nhiệt cặp), RTD (cảm biến nhiệt điện trở), và IC cảm biến nhiệt.
- Bộ điều khiển: Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và so sánh với giá trị setpoint (giá trị mục tiêu). Các thuật toán điều khiển như PID (Proportional-Integral- 4 Derivative) thường được sử dụng để điều chỉnh các thiết bị đầu ra để duy trì nhiệt độ ở mức mong muốn. - Thiết bị gia nhiệt: Được sử dụng để tăng nhiệt độ môi trường, ví dụ như điện trở gia nhiệt, lò sưởi. - Màn hình giám sát: Người sử dụng thường có thể thiết lập giá trị setpoint và theo dõi nhiệt độ thực tế thông qua giao diện người-máy, ví dụ như màn hình hiển thị LCD, máy tính, hoặc điều khiển từ xa.
- Các thuật toán và phần mềm được lập trình để thực hiện các hàm điều khiển, xử lý tín hiệu từ cảm biến, tính toán và điều chỉnh đầu ra của các thiết bị điều khiển để duy trì nhiệt độ ở mức mong muốn. Ưu điểm của hệ thống buồng nhiệt có giám sát từ xa Hệ thống điều khiển nhiệt độ hiện đại đã được tích hợp với công nghệ giám sát từ xa và lưu trữ dữ liệu, mang lại nhiều lợi ích cho người dùng trong việc quản lý và vận hành các quy trình nhiệt độ. Ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn nâng cao tính linh hoạt và an toàn của hệ thống. - Quản lý thông qua ứng dụng di động: Người dùng có thể dễ dàng theo dõi trạng thái nhiệt độ từ bất kỳ đâu thông qua ứng dụng trên điện thoại di động, kết nối với hệ thống qua mạng internet.
- Dữ liệu lịch sử: Hệ thống tự động lưu trữ dữ liệu về nhiệt độ theo thời gian, cho phép người dùng theo dõi và phân tích sự biến đổi của nhiệt độ qua các chu kỳ hoạt động. Dữ liệu được cập nhật liên tục: dữ liệu được cập nhật theo thời gian thực của hệ thống để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy cao. - Điều khiển linh hoạt: Người dùng có thể thay đổi setpoint và điều khiển nhiệt độ từ xa một cách linh hoạt, giúp duy trì nhiệt độ ổn định và chính xác mà không cần phải có mặt vật lý tại buồng nhiệt. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 2.
Giới thiệu Cảm biến nhiệt độ độ ẩm là thiết bị dùng để đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm trong không khí, được chế tạo từ các linh kiện điện tử có độ nhạy cao. Chúng thường được sử dụng cho các hệ thống tự động, giám sát môi trường để đảm bảo điều kiện của môi trường luôn được duy trì ổn định. Nhờ vào khả năng đo lường chính xác và độ nhạy cao, cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ quản lý thời tiết, nông nghiệp, đến các ứng dụng trong công nghiệp. Điều này giúp cải thiện quy trình quản lý và đảm bảo sự ổn định của môi trường xung quanh.
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm (Nguồn: Nshop) 2. Cấu tạo Cảm biến nhiệt độ được cấu tạo từ những bộ phận sau: - Cảm biến: đây là phần quan trọng nhất dùng để đo chính xác giá trị của nhiệt độ. - Lớp cách điện: có chức năng cách điện, ngăn ngừa đoản mạch. - Chất làm đầy: có tính mịn và sấy khô, có nhiệm vụ bảo vệ cảm biến với tác động từ bên ngoài.
- Lớp vỏ: bảo vệ cảm biến. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ (Nguồn: tktech.vn) Cảm biến độ ẩm thì được tạo nên từ các bộ phận sau: - Tụ điện: là bộ phận đảm nhận vai trò đo sự chênh lệch của độ ẩm được đặt tại 2 đầu điện cực. - Hai lớp điện cực: có chức năng hấp thụ độ ẩm từ không khí. - Lớp điện môi: là lớp cách điện nằm giữa hai đầu điện cực.
- Lớp vỏ: có chức năng bảo vệ. Nguyên lí hoạt động Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên lí: khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nóng và lạnh, sẽ xuất hiện một sức điện động (V) tại đầu lạnh. Khi nhiệt độ tại đầu lạnh được giữ ổn định, ta có thể đo được giá trị nhiệt độ thông qua các đặc tính của chất liệu trong cảm biến… Hình 2. Nguyên lí hoạt động cảm biến nhiệt độ (Nguồn: tktech.vn) Trong khi đó, cảm biến độ ẩm hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ hơi nước, khiến cho tính chất của các thành phần trong cảm biến thay đổi.
Khi độ ẩm trong không khí tăng lên, các phần tử hấp thụ nước sẽ dẫn đến sự thay đổi của điện trở hoặc điện dung của cảm biến. Sự thay đổi này tạo ra một dòng điện biến thiên. Cảm biến sẽ thu thập các dữ liệu từ sự biến thiên của dòng điện và phân tích để xác định mức độ ẩm, thường được biểu thị dưới dạng phần trăm (%). Bộ điều khiển PID 2.
Định nghĩa PID (Proportional Integral Derivative), có nghĩa là 1 cơ chế phản hồi các vòng điều khiển, chúng được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại. Bộ điều khiển này sử dụng nhiều trong những hệ thống điều khiển vòng kín có tín hiệu phản hồi. Nhiệm vụ của PID giúp tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi với giá trị đặt mong muốn. Điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một phương pháp điều khiển phổ biến trong các hệ thống tự động hóa và công nghiệp.
Phương pháp này dựa trên ba thành phần chính: tỷ lệ (P), tích phân (I), và đạo hàm (D). Mỗi thành phần đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh hệ thống để đạt được giá trị mong muốn (setpoint). Bộ thiết bị làm giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Để đạt được hiệu quả mong muốn bởi thông số của PID cần phải thực hiện điều chỉnh theo tính chất hệ thống.
Việc điều khiển sẽ giống nhau, còn thông số được phụ thuộc vào chính đặc thù của hệ thống đó. Tổng quan đáp ứng bộ điều khiển PID 8 2. Tổng quan sơ đồ điều khiển - Sơ đồ khối tổng quan bộ điều khiển: Hình 2. Sơ đồ khối bộ PID - Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt: tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D.
Tính toán PID số - Hàm truyền tổng quát: 𝑢𝑘 = 𝑢𝑘𝑃 + 𝑢𝑘𝐼 + 𝑢𝑘𝐷 (2.1) - Khâu P: (Hay còn gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.2) - Khâu D: Là tích phân của thời gian sai lệch khi lấy mẫu. Cho biết tổng sai số tức thời theo thời gian và tích lũy trong quá khứ. Thời gian càng nhỏ tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh.3) 𝑇 - Khâu I: Là vi phân của sai lệch.
Tạo ra tín hiệu điều chỉnh cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh càng mạnh. 9 Có 3 cách tính khâu I: Hình 2. Tính khâu I a) Tích phân lùi 𝑢𝑘𝐼 = 𝐾𝐼 ∑𝑁 𝐼 𝑘=1 𝑇.4) b) Tích phân tiến: 𝑢𝑘𝐼 = 𝐾𝐼 ∑𝑁 𝐼 𝑘=1 𝑇.5) c) Xấp xỉ hình thang: 𝑒 +𝑒𝑘 𝑒 𝑒 𝑢𝑘𝐼 = 𝐾𝐼 ∑𝑁 𝑘=1 𝑇.6) 2 2 - Bộ lộc thông thấp cho khâu D: Trong bộ điều khiển PID, thành phần vi phân (D) có vai trò dự đoán xu hướng của sai số bằng cách tính toán tốc độ thay đổi của sai số.
Tuy nhiên, việc sử dụng trực tiếp thành phần vi phân có thể khiến hệ thống nhạy cảm với nhiễu, gây ra dao động không mong muốn. Để khắc phục điều này, một bộ lọc thông thấp thường được sử dụng để làm mượt tín hiệu vi phân. Sơ đồ lọc thông thấp khâu D 1 Hệ số lọc thông thấp α = , với 0 < α < 1 N+T Phương trình tính toán: 𝑢𝑓𝐷 (𝑘 ) = (1 − 𝛼).7) 10 - Anti Wind-up: Hình 2. Sơ đồ khối Anti - Windup - Từ sơ đồ khối ta rút ra được phương trình tính toán cho khâu I là: 𝑡 𝑢𝐼 (𝑡 ) = ∫0 [𝐾𝐼.
Mô hình toán học lò nhiệt - Lò nhiệt là một mô hình phi tuyến, đặc trưng của bài toán lò nhiệt là một khâu quán tính nhiệt. Lò nhiệt muốn đạt đến khoảng nhiệt độ cần cug cấp thì mất khoảng thời gian khá dài.