chương 1 chỉ nêu ñược một số nội dung vắn tắt, chưa thống kê ñược các số liệu ñược cụ thể về lĩnh vực mà ñề tài nghiên cứu ở trong nước cũng như ở nước ngoài. -5- CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2.1 Hệ thống ño và ñiều khiển nhiệt ñộ 2.1 Khái niệm về hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ Nhiệt ñộ là một ñại lượng vật lý hiện diện khắp nơi trong nhiều lĩnh vực ñời sống hàng ngày như sản suất nông nghiệp, chế biến bảo quản, trong công nghiệp…và nhiệt ñộ là một ñối tượng quan trọng hàng ñầu cần kiểm soát. Trong nhiều lĩnh vực kinh tế, vấn ñề ño và kiểm soát nhiệt ñộ là một quá trình không thể thiếu ñược ñặc biệt trong công nghiệp. ðo và kiểm soát nhiệt ñộ luôn gắn liền với quá trình sản xuất, việc ño và kiểm soát nhiệt ñộ tốt sẽ quyết ñịnh rất nhiều ñến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, chế biến nông sản, lúa gạo, gốm sứ, luyện kim, xi măng, công nghiệp chế tạo ñộng cơ ñốt trong… Tùy theo tính chất, yêu cầu của quá trình mà nó ñòi hỏi sử dụng phương pháp thích hợp.
Tính ổn ñịnh và chính xác của nhiệt ñộ cũng là vấn ñề ñặt ra cần phải giải quyết. Hệ thống ñiều khiển thông thường có hai dạng là hệ thống ñiều khiển vòng kín và hệ thống ñiều khiển vòng hở. Hệ thống ñiều khiển vòng hở hay còn gọi là hệ thống bán tự ñộng, nó thực hiện nguyên tắc khống chế cứng. Tức là tín hiệu ra không cần ño lường ñể hồi tiếp chuyển trở về ñầu vào.
Phương pháp này ít ñược sử dụng. ðối tượng ðiểm ñặt ñiều khiển Khối ñiều khiển Khối biến ñổi (nhiệt ñộ) Hình 2.1 Sơ ñồ ñiều khiển vòng hở. Hệ thống ñiều khiển vòng kín hay còn gọi là hệ thống tự ñộng (Hệ thống ñiều khiển có hồi tiếp), nó thực hiện nhờ nguyên tắc ñiều khiển có phản hồi, tức là tín hiệu ra ñược ño lường rồi phản hồi về ñầu vào bộ ñiều khiển, thông qua bộ ñiều khiển tạo tín hiệu ñiều khiển mới cho bộ tạo nhiệt. Hệ thống sẽ xác ñịnh sai khác (sai số) giữa trạng thái mong muốn và trạng thái thực rồi tạo ra lệnh ñiều khiển ñể loại bỏ sai số, tự ñộng ñiều chỉnh sao cho ñúng với yêu cầu.
-6- Tuy nhiên thường các hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ sử dụng ñiều khiển vòng kín ñể kiểm soát và ổn ñịnh nhiệt ñộ. ðể ñiều khiển hệ thống vòng kín người ta dùng rất nhiều phương pháp : ñiều khiển PID, ñiều khiển mờ, mờ thích nghi, mờ lai. ðối tượng + Khối Khối ñiều khiển ðiểm ñặt ñiều khiển biến ñổi (nhiệt ñộ) - Khối phản hồi Hình 2.2 Sơ ñồ ñiều khiển vòng kín. Sự cần thiết ở ñây là phải khảo sát kỹ ñối tượng mà ta cần ñiều khiển ñể thiết lập ñược mô hình toán học cụ thể.
Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ thực tế có thể phân làm hai loại: Hệ thống ñiều khiển có hồi tiếp (feedback control system ) và hệ thống ñiều khiển tuần tự (sequence control system ). ðiều khiển tuần tự là hệ thống thực hiện ñiều khiển theo từng bước tùy theo kết quả ñiều khiển của từng bước. Như vậy hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ là một hệ thống ñiều khiển hồi tiếp.2 Khái niệm về nhiệt ñộ và thang ño nhiệt ñộ Sự cảm nhận của con người về sự nóng lạnh bị hạn chế bởi cảm giác ñau ñớn. Do ñó, sự nhận ñịnh về nhiệt ñộ cũng tương ñối kém.
Cho nên, cần phải có một thang ño nhiệt ñộ chính xác ñể nhận biết ñược sự nóng hay lạnh. Trong khi ñó, việc ñưa ra một thang ño nhiệt ñộ là một vấn ñề khó. Có thể lấy một chiều dài và phân chia ra thành những phần bằng nhau theo một thang ño tuyến tính ñã biết. Tuy nhiên, ñối với nhiệt ñộ thì chúng ta không thể lấy hai nhiệt ñộ và chia khoảng giữa chúng một cách tuyến tính với một thang ño gỉa ñịnh trước là tuyến tính.
Ví dụ : Hai mức thủy ngân trong trong ống thủy tinh ñã ñược ñịnh cỡ ở nhiệt ñộ sôi và ñông ñặc, có thể không cho giá trị ñọc bằng ở những nơi khác nhau, nếu như ống thủy tinh chứa thủy ngân có cấu tạo và ñường kính khác nhau. Ở thế kỷ 19, người ta ñã tìm ra sự biến ñổi của thang ño nhiệt ñộ tại những ñiểm cố ñịnh và ñưa ra phương pháp xác ñịnh các giá trị ñó (mãi ñến năm 1948, tổng hội nghị về ño lường và trọng lượng ñã ñưa ra một thang ño Celsius ñược xem như một tên gọi quốc tế cho thang ño nhiệt ñộ). Sau ñó, khái niệm về một khí lý tưởng ñược Regnault ñưa ra theo công thức sau : -7- P.1) Trong ñó : P là áp suất, V là thể tích, t là nhiệt ñộ, R và c là những hằng số. Dựa vào ñó, ông ñã chế tạo ra dụng cụ ño khí.
Vì thế, một loạt các nhiệt ñộ chuẩn ñược xác ñịnh theo tiêu chuẩn thực nghiệm. Tiếp ñến, Kevin cũng ñưa ra một thang ño cơ nhiệt dựa trên công thức: P.T với T là nhiệt ñộ Kevin và T = t + 273,15 (2.3 Sơ ñồ tổng quát của hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ như sau Một hệ thống ñiều khiển tự ñộng gồm có ba thành phần cơ bản, ñó là: ñối tượng ñiều khiển, cảm biến hay thiết bị ño lường và bộ ñiều khiển ñể hiệu chỉnh hành vi của hệ thống. r(t) e(t) u(t) c(t) Nhiệt ñộ ðối tượng, quá trình Bộ ñiều khiển ñiều khiển mong muốn c(t) Nhiệt ñộ thực tế Cảm biến nhiệt ñộ Hình 2.3 Sơ ñồ tổng quát hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ Hình 2.3 là một hệ thống ñiều khiển có hồi tiếp qua bộ cảm biến và chuyển ñổi, tín hiệu nhiệt ñộ ñược ño lường rồi hồi tiếp về ñể so sánh với gía trị ñặt, sai lệch giữa tín hiệu ñặt và tín hiệu ño ñược trong thực tế sẽ ñược ñưa tới bộ ñiều khiển xử lý, tạo ra tín hiệu ñiều khiển công suất cấp cho ñối tượng ñiều khiển. Như vậy, các phương pháp ñiều khiển khác nhau về bản chất là do các bộ ñiều khiển khác nhau tạo nên và ñể ñảm bảo ñộ chính xác cao cũng như ñáp ứng ñược từng yêu cầu cụ thể thì phải lựa chọn phương pháp ñiều khiển thích hợp cho từng trường hợp cụ thể.3 :c(t) là tín hiệu cần ñiều khiển ñược gọi là tín hiệu ra (output), u(t) là tín hiệu ñiều khiển, r(t) là tín hiệu chuẩn (tham chiếu), tín hiệu vào (input - tín hiệu ñặt), f(t) tín hiệu hồi tiếp (feed back), e(t) tín hiệu sai số 2.4 Hệ thống ño lường cơ bản Mạch ño Chuyển ñổi Chỉ thị Hình 2.4 Sơ ñồ khối của một hệ thống ño lường tổng quát -8- ðể thực hiện phép ño của một ñại lượng nào ñó thì tuỳ thuộc vào ñặc tính của ñại lượng cần ño, ñiều kiện ño, cũng như ñộ chính xác theo yêu cầu của một phép ño mà ta có thể thực hiện ño bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của các hệ thống ño lường khác nhau.
Khối chuyển ñổi: Làm nhiệm vụ nhận trực tiếp các ñại lượng vật lý ñặc trưng cho ñối tượng cần ño, biến ñổi các ñại lượng thành các ñại lượng vật lý thống nhất (dòng ñiện hay ñiện áp) ñể thuận lợi cho việc tính toán. Mạch ño: Có nhiệm vụ tính toán biến ñổi tín hiệu nhận ñược từ bộ chuyển ñổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả ño của bộ chỉ thị. Khối chỉ thị: Làm nhiệm vụ biến ñổi tín hiệu ñiện nhận ñược từ mạch ño ñể thể hiện kết quả ño.5 Hệ thống ño lường số ðại Chế Cảm biến lượng biến tín Dồn Hiển thị ño kênh hiệu Vi tương ADC ño xử lý Chế tự Sử dụng ðại Cảm kết quả biến lượng biến ðiều khiển chọn kênh tín ño hiệu Chương trình ño ñiều khiển Hình 2.5 Sơ ñồ hệ thống ño lường số Hệ thống ño lường số có các ưu ñiểm: Các tín hiệu tương tự ñược biến ñổi thành các tín hiệu số có các xung rõ ràng ở trạng thái 0,1 sẽ giới hạn ñược nhiều mức tín hiệu gây sai số. Mặt khác, hệ thống này tương thích với dữ liệu của máy tính, qua giao tiếp với máy tính sẽ ñáp ứng việc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật ñiều khiển.
ðối tượng cần ño là ñại lượng vật lý, dựa vào các ñặc tính của ñối tượng cần ño mà ta chọn một loại cảm biến phù hợp ñể biến ñổi thông số ñại lượng vật lý cần ño thành ñại lượng ñiện, ñưa vào mạch chế biến tín hiệu (gồm:bộ cảm biến, hệ thống khuếch ñại, xử lý tín hiệu). Bộ chuyển ñổi tín hiệu sang số ADC(Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển ñổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với vi xử lý. Bộ vi xử lý có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ sở trình tự những lệnh chấp hành ñã thực hiện trước ñó. -9- Bộ dồn kênh tương tự (multiplexers) và bộ chuyển ADC ñược dùng chung tất cả các kênh.
Dữ liệu nhập vào vi xử lý sẽ có tín hiệu chọn ñúng kênh cần xử lý ñể ñưa vào bộ chuyển ñổi ADC và ñọc ñúng giá trị ñặc trưng của nó qua tính toán ñể có kết quả của ñại lượng cần ño.6 Mô hình ñiều khiển giữ ổn ñịnh nhiệt ñộ bằng máy tính Hoạt ñộng ñiều khiển và giữ ổn ñịnh nhiệt bằng máy tính như hình 2. Ta giả sử ổn ñịnh nhiệt ñộ của một lò nướng. Lò nướng này ñược gia nhiệt bởi một thiết bị gia nhiệt. Máy tính ñiều khiển rơle ñóng/ ngắt ñể giữ nhiệt ñộ ổn ñịnh theo các phương pháp ñiều khiển nhiệt ñộ ñược lựa chọn.
Nguyên tắt hoạt ñộng như sau: Nhiệt ñộ mong muốn ñược ñặt lớn hơn nhiệt ñộ môi trường. Nhiệt ñộ thực tế của lò ñược cảm biến, chuyển ñổi thành tín hiệu số và truyền về máy tính thông qua bộ giao tiếp. Chương trình trên máy tính so sánh nhiệt ñộ của lò ño ñược với nhiệt ñộ mong muốn ñể tạo ra tín hiệu sai lệch. Tín hiệu sai lệch dưới dạng số ñược chuyển thành dạng tương tự ñể ñiều khiển thiết bị gia nhiệt.
Nếu nhiệt ñộ thực tế ño ñược nhỏ hơn nhiệt ñộ mong muốn thì máy tính sẽ xuất tín hiệu ñể ñóng rơle làm cho thiết bị gia nhiệt tăng nhiệt ñộ. ðến khi nhiệt ñộ của lò lớn hơn nhiệt ñộ mong muốn thì máy tính sẽ xuất tín hiệu ñể ngắt rơle làm cho thiết bị gia nhiệt ngưng tăng nhiệt ñộ lò. Do sự trao ñổi nhiệt với môi trường xung quanh nên nhiệt ñộ của lò giảm xuống.