Đề tài Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển tự động lò điển trở

ó theo các giá trị mờ (tập mờ) + Khâu thực hiện luật hợp thành có tên gọi là thiết bị hợp thành, xử lý vecto và cho ra giá trị mờ B’ của ngôn ngữ đầu ra. + Khâu giải mờ có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B’ thành một giá trị rõ Y’ chấp nhận được cho đối tượng (tín hiệu điều chỉnh) Bộ điều khiển mờ: ? B’ y’ . X Hình 1.10 Cấu trúc bên trong của bộ điều khiển mờ 1.6. Nguyên lý điều khiển và phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ 1.6.1 Nguyên lý và cấu trúc của một hệ thống điều khiển mờ e ? B’ u x e u y Hình 1.11 Mạch điều khiển với bộ điều khiển mờ Hệ thống điều khiển mờ đối tượng đó cũng có coi như là một hệ thống neuron (thần kinh), hay đúng hơn là một hệ thống điều khiển được thiết kế mà không cần biết trước mô hình đối tượng. - Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế trên: + Giao diện đầu vào bao gồm các khâu Fuzzy hoá và các khâu phụ trợ thêm để thực hiện bài toán động như khâu I,D . . . + Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển hay còn gọi là luật quyết định. + Khâu giao diện đầu ra (khâu chấp hành) gồm khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng. - Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và sự lựa chọn những luật điều khiển . Các tín hiệu ra y của đối tượng được đo bằng bộ cảm biến và được xử lý sơ bộ trước khi đưa vào bộ điều khiển - Trái tim của bộ điều khiển mờ chính là các luật điều khiển mờ cơ bản có dạng là tập các mệnh đề hợp thành cùng cấu trúc nếu . . . thì và nguyên tắc triển khai các mệnh đề hợp thành đó có tên là nguyên tắc MAX - MIN hay SUM - MIN . . . Mô hình R của luật điều khiển được xây dựng theo một nguyên tắc triển khai đ• chọn trước và có tên gọi là luật hợp thành . - Đối với các hệ thống điều khiển gián đoạn có bộ điều khiển mờ , khi nó còn làm việc trên cơ sở tín hiệu số, có thể thiết kế các bộ điều chỉnh theo luật P,I,D như sau: + Luật điều khiển P : yk = K.xk K:là hệ số khuyếch đại + Luật điều khiển I : TI: là hằng số tích phân + Luật điều khiển D : TD: là hằng số vi phân Ta là chu kỳ gián đoạn (chu kỳ lấy mẫu tín hiệu) Nếu như chỉ dùng một thiết bị hợp thành thể hiện luật điều khiển thì luật đó sẽ phải có dạng chung: Nếu ?1 = Ak1 và ?2 = Ak2 và ?3 = Ak3 . . . thì ?1 = Bk1 và ?2 = Bk2 . (1.22) 1.6.2. Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ Một điều khá lý thú của điều khiển là với một miền compact X?Rn (n số đầu vào) các giá trị vật lý của biến ngôn ngữ đầu vào và một đường cong phi tuyến g(x) tuỳ ý nhưng liên tục cùng các đạo hàm của nó trên X thì bao giờ cũng tồn tại một bộ điều khiển mờ cơ bản có quan hệ truyền đạt y(x) thoả m•n: sup?y(x) - g(x)?<? (1.23) x?X Trong đó ? là một số thực dương bất kỳ cho trước. Điều đó cho thấy kỹ thuật điều khiển mờ có thể giải quyết được một bài toán tổng hợp điều khiển (tĩnh) phi tuyến bất kỳ . 1.6.2.1. Định nghĩa các biến vào/ra 1.6.2.2. Xác định tập mờ Bước tiếp theo là định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra bao gồm số các tập mờ và dạng các hàm liên thuộc của chúng. Để làm được việc đó cần xác định : a. Miền giá trị vật lý (cơ sở) của các biến ngôn ngữ vào/ra . b. Số lượng tập mờ ( giá trị ngôn ngữ) Về nguyên tắc, số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mỗi biến ngôn ngữ nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10 giá trị. c . Xác định hàm liên thuộc Cần chọn các hàm liên thuộc có phần chồng lên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý để trong quá trình điều khiển không xuất hiện ?lỗ hổng?. Trong một vài trường hợp đặc biệt, chọn hàm liên thuộc hình thang hoàn toàn hợp lý, đó là những trường hợp mà sự thay đổi các miền giá trị của tín hiệu vào không kéo theo sự thay đổi bắt buộc tương ứng cho miền giá trị tín hiệu ra. Nói chung hàm liên thuộc được chọn sao cho miền tin cậy của nó chỉ có một phần tử, hay chỉ tồn tại một điểm vật lý có độ phụ thuộc bằng độ cao của tập mờ. d . Rời rạc hoá các tập mờ Độ phân giải của các giá trị phụ thuộc được chọn trước hoặc là cho các nhóm điều khiển mờ loại dấu phẩy động (các số biểu diễn dưới dạng dấu phẩy động có độ chính xác đơn) hoặc nguyên ngắn( giá trị phụ thuộc là các số nguyên có độ dài 2 byte) hoặc theo byte (các giá trị phụ thuộc là các số không dấu có độ dài 1byte). 1.6.2.3. Xây dựng các luật điều khiển. - Trong việc xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành) cần chú ý ở vùng lân cận điểm không, không được tạo ra các ?lỗ hổng?, bởi vì khi gặp phải các ?lỗ hổng? xung quanh điểm làm việc bộ điều khiển sẽ không thể làm việc theo đúng như trình tự đ• định - Để tiện lợi và bao quát các luật này biểu diễn dưới dạng ma trận R - Ngoài ra cần phải để ý rằng, trong phần lớn các bộ điều khiển, tín hiệu ra sẽ bằng không khi tất cả tín hiệu vào bằng không. - Để phát triển thêm, có thể chọn hệ số an toàn cho từng luật điều khiển, tức là khi thiết lập luật hợp thành chung R = R1?R2? . . . ?Rk của tất cả các luật điều khiển Rk , k = 1,2, . . .n được chọn tham gia một cách bình đẳng mà theo một hệ số an toàn định trước 1.6.2.4. Chọn thiết bị hợp thành. - Sử dụng luật MAX-MIN , MAX-PROD, - Sử dụng công thức Lukasiewics có luật SUM-MIN, SUM-PROD - Sử dụng tổng Einstein - Sử dụng tổng trực tiếp 1.6.2.5. Chọn nguyên lý giải mờ Phương pháp giải mờ (xác định giá trị đầu ra rõ) được chọn cũng gây ảnh hưởng đến độ phức tạp và trạng thái làm việc của toàn hệ thống. Thường trong thiết kế hệ thống điều khiển mờ, giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm có nhiều ưu điểm hơn cả, bởi vì trong kết quả đều có sự tham gia của tất cả các kết luận của các luật điều khiển Rk k = 1,2, . . . n (mệnh đề hợp thành). 1.6.2.6. Tối ưu hoá. Sau khi bộ điều khiển mờ được tổng hợp, có thể ghép nối nó với đối tượng điều khiển thực hoặc với 1 đối tượng mô phỏng để thử nghiệm. 1.7. Các bộ điều khiển mờ . 1.7.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh Các bộ điều khiển mờ tĩnh là những bộ điều khiển có quan hệ vào/ra y(x) trong đó x là đầu vào và y là đầu ra, theo dạng một phương trình đại số (tuyến tính hay phi tuyến). Các bộ điều khiển tĩnh điển hình là những bộ khuyếch đại P, bộ điều chỉnh Relay hai vị trí . . . Mô hình bộ điều khiển tĩnh dùng bộ điều khiển mờ tỷ lệ cho điều khiển nhiệt độ. x ET _ y Hình 1.12 Bộ điều khiển mờ tĩnh 1.7.1.1 .Thuật toán tổng hợp một bộ điều khiển mờ tĩnh a. Định nghĩa tập mờ N1 tập mờ đầu vào A11, A21, . . . , AN11 trên khoảng [?1,?1] của x1có hàm liên thuộc ?Aj1(x1), j = 1,2, . . . , N1 dạng hình thang cho trong (hình 1.13) sau, với a11 = b11 = ?1 và cN11 = dN11 = ?1 ?Aji(x) aji bji cji dji xi Hình 1.13 Hàm liên thuộc của các tập mờ đầu vào với i = 1;2 và j = 1;2, . . . , Ni N2 tập mờ đầu vào A12, A22, . . . , AN21 trên khoảng [?2,?2] của x2có hàm liên thuộc ? Aj2(x2), j = 1,2, . . . , N2 dạng hình thang cho trong (hình1.13) sau, với a12 = b12 = ?2 và cN22 = dN22 = ?2 Ký hiệu các giá trị e1i = ?i , eNii = ?i và cho i = 1;2và j = 2;3, . . . , Ni-1 b. Chọn thiết bị hợp thành. Chọn nguyên tắc triển khai SUM- PROD cho mệnh đề hợp thành, tích đại số cho phép giao và công thức Lukasiewicz cho phép hợp thì tập mờ đầu vào là một giá trị rõ . c. Chọn phương pháp giải mờ Chọn phương pháp độ cao để giải mờ và để ý rằng các liên thuộc là hình thang cân nên phép lấy tích MIN có thể bỏ qua mà không ảnh hưởng tới kết quả. 1.7.1.2. Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn Xét đường y(x) có 6 cặp điểm nút (xk,yk) khuyếch đại = 1?6. Để đường đặc tính của bộ điều khiển sẽ tổng hợp cũng liên tục được tại những điểm nút này thì : + Mỗi một giá trị rõ đầu vào phải tích cực được hai luật điều khiển + Mỗi hàm liên thuộc đầu vào có dạng hình tam giác với đỉnh là một nút thứ khuếch đại và miền xác định là khoảng [xk-1.xk+1] nằm hai phía điểm nút yk. + Sử dụng nguyên tắc độ cao để giải mờ . + Cài đặt luật hợp thành theo nguyên lý MAX-MIN y y6 y4,y5 x1 x2 x3 x4 x5 x5 x y3 y1,y2 Hình 1.14 Đường đặc tính y(x) cho trước. Tổng quát lên thì thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ có đường đặc tính y(x) tuyến tính từng khúc cho trước sẽ như sau: + Xác định các nút (xk,yk) , k = 1,2, . . . , n của y(x). + Định nghĩa n tập mờ đầu vào Ak, k = 1,2, . . . , n có hàm liên thuộc ?Ak(x) dạng hình tam giác với đỉnh là điểm xk và miền xác định là khoảng [xk-1,xk+1] , trong đó cho B1 và Bn thì các điểm x0, xn+1 là những điểm bất kỳ thoả m•n x0xn. + Xác định n tập điểm đầu ra Bk, k = 1,2 , . . . , n có ?Bk(y) là các hàm Kroecker định nghĩa tại yk. + Định nghĩa tập n luật điều khiển dạng Rk: nếu ? = Ak thì ? = Bk , k = 1,2, . . . , n + Sử dụng nguyên tắc độ cao để giải mờ. 1.7.2 .Bộ điều khiển mờ động. Bộ điều khiển mờ động là những bộ điều khiển phối hợp giữa hệ kinh điển (các khâu P,I,D) với hệ mờ. Mô hình điều khiển mờ động sử dụng phối hợp các khâuPID. x1 ET1 u1 DET1 y ET2 U2 x2 y2 DET2 Hình 1.15 Bộ điều khiển mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra. Sự biến đổi tín hiệu sai lệch đầu vào ET theo thời gian có thể xác định bằng đạo hàm của sai lệch. Đạo hàm DET đươc lấy từ đầu của khâu D kinh điển giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các biến động đột suất cả các đối tượng 1.7.2.1.Bộ điều khiển mờ theo luật PID Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có 3 đầu vào gồm sai lệch ET giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra, đạo hàm DET của sai lệch và tích phân ET của sai lệch. Đầu ra của bộ điều khiển mờ chính là tín hiệu điều khiển u(t). Mô hình toán học của bộ PID theo thuật toán chỉnh định có dạng : Thường người ta thiết kế bộ điều khiển mờ theo luật PID có mô hình hoặc 1.7.2.2. Bộ điều khiển mờ theo luật I Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ một bộ điều khiển mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính ) bằng cách nối tiếp một khâu tích phân kinh điển vào trước hoặc sau khối mờ đó. Do tính phi tuyến của hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác nhau . Mô hình điều khiển theo luật I được mắc ở đầu ra như sau: Nhiễu x ET P y _ Hình1.16 Mô hình điều khiển mờ theo luật I 1.7.2.3. Bộ điều khiển mờ theo luật PD Theo (1.25) thì khi mắc nối tiếp ở đầu vào của một bộ điều khiển mờ theo luật tỷ kệ một khâu vi phân sẽ có được một bộ điều khiển mờ theo luật PD. - Mô hình điều khiển mờ theo luật PD như sau: Hình 1.17 Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD 1.7.2.4 Bộ điều khiển mờ theo luật PI Bộ điều khiển mờ theo luật PI thường được sử dụng để triệt tiêu sai lệch tĩnh của hệ thống. Bộ điều khiển PI sẽ được thiết kế trên cơ sở của bộ điều khiển PD mờ, bằng cách nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khâu tích phân . Mô hình điều khiển theo luật PI như sau: Nhiễu DET x P y _ Hình 1.18 Mô hình điều khiển mờ theo luật PI. * Kết luận chương 1 Trong chương này chúng em đ• đề cập đến những vấn đề sau: - Lịch sử phát triển lý thuyết mờ. - Bộ điều khiển mờ và ưu điểm của nó. - Một số khái niệm cơ bản: khái niệm về tập mờ, độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ. - Các phép toán trên tập mờ: hợp hai tập mờ, biến ngôn ngữ. - Luật hợp thành. - Các phương pháp giải mờ: phương pháp cực đại, phương pháp trọng tâm. - Các khâu điều khiển mờ. Đồng thời trong chương này chúng em đ• trình bày các phương pháp toán học để tổng hợp và phân tích một hệ thống tổng hợp mờ cung cấp cho bạn đọc những kiến thức cơ bản nhất để có khả năng tự tổng hợp bộ điều khiển mờ đơn giản. Chương 2 Đặc điểm công nghệ của lò điện trở Đặt vấn đề Đối tượng nghiên cứu là lò điện trở là một đối tượng phi tuyến. Trong thực tế có rất nhiều phương pháp tổng hợp thiết kế bộ điều khiển kinh điển cho đối tượng này. Nhưng do đối tượng thường xuyên thay đổi trạng thái nên hệ điều khiển kinh điển có độ tin cậy không cao và người thiết kế gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình xác định các thông số của bộ điều khiển, khó khăn đó sẽ không còn là vấn đề nan giải khi bộ điều khiển được thiết kế dựa trên cơ sở logic mờ và càng đơn giản hơn trong việc thực hiện giải pháp này. Trên đây chúng ta đ• nghiên cứu về tổng quan lý thuyết điều khiển mờ: các luật hợp thành, các phương pháp giải mờ….Để có thể điều khiển được đối tượng một cách chính xác chúng ta h•y đi nghiên cứu về đặc điểm công nghệ của đối tượng cụ thể đó là lò điện trở. Trên yêu cầu công nghệ, sơ đồ đối tượng điều chỉnh được trình bày như sau: 2.1 Mô tả mô hình lò điện trở 2.1.1. Cấu tạo của lò điện trở Hình 2.1: Sơ đồ đối tượng điều chỉnh Trong đó: 1. Buồng đốt 2. Quạt gió 3. Nhiệt kế điện trở 4. Dây nung R/U- chuyển đổi điện trở sang điện áp A/D - chuyển đổi tương tự sang số MT - máy tính D/A- chuyển đổi số sang tương tự TX - mạch tạo xung TH - thyristor - Buồng đốt được chế tạo kín và được cách nhiệt với bên ngoài - Dây đốt là dây điện trở được đặt trong buồng đốt. Cấp điện cho dây đốt là nguồn điện xoay chiều điều chỉnh được thông qua việc điều chỉnh góc mở của hai thyristor mắc song song ngược T1, T2 - Quạt đặt ở phía đầu buồng đốt dùng để lưu thông luồng không khí được sấy nóng A/D, D/A nằm trong CARD ghép nối m• hiệu.…dùng để biến đổi tín hiệu tương tự sang số và tín hiệu số thành tín hiệu tương tự đưa vào máy tính (MT) để thực hiện quá trình điều khiển bằng máy tính. MT được sử dụng làm thiết bị điều chỉnh, sử dụng các phần mềm MATLAB điều khiển thực. Trong hệ thống, đối tượng là một loại lò điện trở sử dụng loại dây nung Cr- Al( ký hiệu là XA) có nhiệt độ làm việc dưới 12000C. Tín hiệu ra của lò được lấy ra bởi nhiệt kế điện trở số 3. Nhiệt độ của lò được khống chế từ 00C đến 10000C tương ứng tín hiệu ra của cặp nhiệt điện từ 0V 10V. Tín hiệu này sẽ được đưa tới bộ chuyển đổi R/U sau đó cũng được đưa tới máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D. Sau khi được xử lý điều chỉnh ở máy tính rồi qua bộ chuyển đổi D/A ta thu được U . Tín hiệu U được đưa vào bộ điều chỉnh công suất (tức là thay đổi góc mở của Thyristor). Nhờ tín hiệu điều khiển mà ta có thể thu được tín hiệu đặt vào lò theo yêu cầu. 2.1.2. Phân loại lò điện trở Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua hệ thống dây đốt( dây điện trở). Từ dây đốt qua bức xạ, đối lưu truyền nhiệt và dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò nhiệt điện trở thường dùng để nung, nhiệt luyện nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu. Phân loại lò điện trở có nhiều cách • Theo nhiệt độ làm việc của lò. Lò nhiệt độ thấp( t0<6500C) Lò nhiệt độ trung bình (6500C <t0<12000C) Lò nhiệt độ cao trên 12000C • Theo nơi dùng Lò dùng trong công nghiệp Lò dùng trong phòng thí nghiệm Lò dùng trong gia đình… • Theo kết cấu của lò Lò buồng Lò giếng, lò chụp, lò bể… • Theo mục đích sử dụng Lò tôi Lò ram Lò ủ Lò nấu chảy ở nước ta thường dùng kiểu lò buồng để nhiệt luyện(tôi, ủ, nung , thấm than), kiểu lò giếng để nung 2.1.3. Cấu tạo lò điện trở Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung. 2.1.3.1 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, cấn thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn 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 được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò ( vật nung ) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. - Vỏ lò chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v... - Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v... - Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng thép tấm dày 3 ? 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000?2000 mm và 8 ? 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 ? 4000 mm và 14? 20 mm khi đường kính vỏ lò khoảng 4500? 6500 mm. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình. Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò. Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán. 2.3.1.2 Lớp lót Lớp lót lò điện trở thường gồm hai 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 tuỳ theo hình dáng và kích thước đ• cho của buồng lò. Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là các khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn. Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau : + Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò. + Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc. + Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc. + Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn. + Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò và ảnh hưởng của vật nung. + Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làm việc chu kỳ. 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. Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là : + Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu + Khả năng tích nhiệt cực tiểu + ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt. 2.1.3.3 Dây nung Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại. Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại. 2.1.4 Các phương pháp điều chỉnh lò điện trở Nhiệt độ cần điều chỉnh là nhiệt độ buồng lò.Việc điều khiển buồng lò chính là điều khiển công suất đặt vào lò Đại lượng cần điều chỉnh là nhiệt độ buồng lò. Việc điều khiển nhiệt độ buồng lò chính là điều khiển công suất đặt vào lò P=I2 R T Có hai phương án để xây dựng công thức này: Phương án thứ nhất là điều chỉnh về phía tiêu thụ tức là thay đổi điển trở của lò. Phương pháp này ít được áp dụng bởi tính không liên tục về phạm vi điều khiển. Phương án thứ hai là điều chỉnh về phía cung cấp tức là thay đổi cường độ dòng điện chạy qua thanh nung. Điều này có thể thực hiện bằng biến áp, role hoặc các linh kiện điện tử… 2.1.4.1 Phương pháp dùng máy biến áp. Đây là phương pháp điều chỉnh điện áp theo cấp, nó đòi hỏi biến áp phải có công suất lớn. Phương pháp dùng biến áp để thay đổi mức điện áp cung cấp cho lò là phương pháp thô sơ ít dùng trong hệ thống điều khiển tự động. 2.1.4.2 Phương pháp dùng rơle Phương pháp này có đặc điểm là khống chế mức nhiệt độ, mức điện áp khác nhau nhưng do rơle chỉ có tác dụng điều chỉnh ở một số thời điểm ở ngưỡng nhất định nên việc điều chỉnh mạng tính chất không liên tục. Mặt khác quá trình điều khiển luôn bị dao động phụ thuộc vào các thời điểm đặt khác nhau, vì thế độ chính xác điều chỉnh không cao, rơ le phải đóng cắt nhiều lần nên độ tin cậy kém. Tuy nhiên phương pháp này có ưu điểm: đơn giản, dễ nối phù hợp với các yêu cầu về công nghệ đòi hỏi độ chính xác không cao. 2.1.4.3 Phương pháp dùng rơle kết hợp với Thysistor. Khi sử dụng phương pháp này thì khả năng điều chỉnh với các phạm vi khác nhau là tương đối tốt. Tuy nhiên phương pháp này không thực hiện được bởi vì khi tiếp điểm của rơle đóng ta luôn có cả chu kỳ cung cấp cho tải, khi mở nguồn thì cung cấp phía Thysistor bị ngắt, do đó việc cung cấp cho lò chỉ hoàn toàn là do Thysistor và như vậy công suất đưa vào lò chỉ điều khiển được 1/2 chu kỳ. 2.1.4.4 Phương pháp dùng hai Thysistor mắc đối xứng. Khi có xung điều khiển thì hai Thysistor sẽ lần lượt mở cho dòng đi qua. Ta có thể điều khiển cho Thysistor liên tục chuyển từ đóng sang mở tương ứng với công suất lò thay đổi từ giá trị 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 tương đối liên tục và đều đặn. Phương pháp điều chỉnh Thysistor có thể điều biên hoặc điều khiển độ rộng xung. +) Mở theo biên: Đây là phương pháp đơn giản hơn. Khi sai lệch đưa vào bộ điều khiển, đầu ra của nó sẽ điều khiển để mở Thysistor, khi đó (sau khi đ• chia 255-ADC 8 bit) này sẽ đóng vai trò điện áp điều khiển, tức là trong toàn bộ chu kỳ, điện áp đưa vào đầu dây nung là cố định. Tuy nhiên điện áp đưa vào lò nung phụ thuộc vào góc mở của Thysistor. Khi đ• có điện áp vào lò thì công suất đưa vào lò tỷ lệ với diện tích phần Sin còn lại. Chính vì thế mà phương pháp này luôn bị phi tuyến. +) Mở theo độ rộng xung: Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của phương pháp trên đó là sự phi tuyến, trong thực tế sự tuyến tính của phương pháp này làm cho chất lượng đường điều chỉnh nhiệt độ tốt hơn. Với phương pháp này, trong một chu kỳ, thời gian đưa vào dây nung thay đổi theo sự điều khiển của độ rộng xung. Còn điện áp đưa vào khi Thysistor đóng hoặc mở là cố định. 2.1.4.5 Phương pháp dùng Triac Triac có chức năng giống hai Thysistor mắc song song ngược chiều vì vậy để đơn giản mạch điều khiển công suất ta có thể dùng Triac thay cho hai Thysistor mắc xung đối. 2.1.5 Ưu điểm của lò điện trở - Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao - Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ - Kín - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyễn vật phẩm - Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ 2.1.6 Một ứng dụng điển hình của lò điện trở Lò điện trở làm việc trong dải nhiệt độ 800?10000C được ứng dụng rất đa dạng trong nhiều công nghệ khác nhau như: + ủ kim loại để giảm độ cứng + Tôi hợp kim đen, hợp kim màu để nâng cao độ cứng. + Nung vật phẩm hợp kim trước khi gia công nóng: rèn , dập, cán, kéo... + Thường hóa các vật phẩm cơ khí để tăng độ cứng , độ bền, chống mài mòn + Hóa nhiệt luyện : thấm các bon cho các sản phẩm để làm tăng lượng các bon ở lớp bề mặt kim loại, cải thiện đặc tính của kim loại 2.2. Nhận dạng đối tượng Trong thực tế người thiết kế thường nhận dạng đối tượng bằng phương pháp thực nghiệm. Đối với đối tượng lò điện trở thì ta có thể dùng hai phương pháp để nhận dạng đối tượng này đó là phương pháp thực nghiệm và phương pháp lý thuyết. Nhưng khi sử dụng phương pháp lý thuyết để xác định hàm truyền của đối tượng thì chúng ta gặp rất nhiều khó khăn trong việc tổng hợp các khâu động học, và hàm truyền của đối tượng thường không chính xác do trong hệ thống sử dụng rất nhiều các cầu nối mà mỗi cầu nối cũng có một hàm truyền nhất định. Vì vậy ta sử dụng phương pháp thực nghiệm sẽ khắc phục được những khó khăn này. Do không có modul kết nối phần cứng và phần mềm chuyên dụng nên chúng em chỉ tiến hành thiết kế và mô phỏng hệ điều khiển mờ cho lò điện trở trên phần mềm. Với đặc tính động học của đối tượng do cô giáo hướng dẫn cho sẵn có dạng như sau: Hình 2.2. Đặc tính động học của đối tượng Từ đường đặc tính động học của đối tượng cho sẵn chúng ta nhận thấy đây là hàm quán tính bậc nhất có trễ có dạng: e-LP Để xác định được hàm truyền của đối tượng khi biết đường đặc tính trên ta sử dụng phương pháp Ziegler - Nichols thứ nhất. Hình 2.3. Cách xác định các thông số của đối tượng Ta có L là khoảng thời gian đầu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với kích thích 1(t) tại đầu vào và có giá trị = 30. K là giá trị giới hạn h = h(t)= 0.5 T là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến của h(t) tại điểm L=30 đạt được giá trị K. Khi đó T= 500 Qua kết quả tính toán ở trên ta có hàm truyền của đối tượng là: * Kết luận chương 2 Trong chương 2 chúng em đ• thực hiện được một số công việc sau: - Mô tả được mô hình lò sấy. - Phân loại lò điện trở. - Nêu được ưu điểm của lò điện trở. - Nhận dạng đối tượng. Qua đó ta nhận thấy lò điện trở có tính phi tuyến cao và có quán tính lớn vì vậy để điều khiển được nhiệt độ của lò một cách chính xác thì việc nghiên cứu đặc điểm của lò là một việc làm hết sức quan trọng nó giúp ích rất nhiều trong việc thiết lập luật mờ cho bộ điều khiển. Từ đường đặc tuyến động học cho sẵn chúng em đ• tính toán các thông số của đối tượng, từ đó xác định được hàm truyền của đối tượng lò điện trở giúp ích cho việc mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho lò điện trở ở chương sau. Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển tự động lò điện trở Đặt vấn đề Trên cơ sở mô hình mờ Mamdani được trình bày ở trên, dựa vào đặc điểm công nghệ của lò điện trở, trong chương này chúng em tiến hành xây dựng thuật toán điều khiển nhiệt độ như sau: Trước hết tín hiệu đưa vào điều khiển được nhận từ bộ cảm biến nhiệt độ từ đó xác định được sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng. Sau đó chúng em sử d