Tài liệu Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò điện trở

ĐỀ TÀI: Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò điện trở

[TABLE=width: 588]
[TR]
[TD]BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI
[/TD]
[TD]CỘNG HOÀ XĂ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Nhóm sinh viên thực hiện: Khoa : Điện
Đỗ Hồng Quang Ngành : Điều khiển tự động
Nguyễn Văn Phong Lớp : ĐKTĐ
Khoá : 46

1.Đề tài thiết kế:
Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ ḷ điện trở
2. Các số liệu ban đầu:
Kết quả thực tập tốt nghiệp
. .
.
3. Nội dung phần thuyết minh và tính toán
- Xây dựng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ ḷ điện trở và khảo sát quá tŕnh nhiệt luyện.
- Thiết kế phần cứng.
- Xác định đặc tính động học của đối tượng.
-Tổng hợp hệ thống kinh điển.
- Khảo sát quá tŕnh nhiệt luyện của vật.
- Phần mền chương tŕnh điều khiển
4. Các bản vẽ đồ thị (ghi rơ các loại bản vẽ và kích thước bản vẽ)


5. Cán bộ hướng dẫn
Phần Họ tên cán bộ


6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:
7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế:

Ngày tháng năm 2006
[TABLE=width: 568]
[TR]
[TD]Chủ nhiệm bộ môn
(Kư, ghi rơ họ tên)






[/TD]
[TD]Cán bộ hướng dẫn
(Kư, ghi rơ họ tên)






[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Sinh viên đă hoàn thành
(và nộp toàn bộ bản thiết kế cho bộ môn)
Ngày 5 tháng 6 năm 2006
(kư, ghi rơ họ tên)












MỤC LỤC
Lời mở đầu.
PHẦN MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN.
1.1. Ḷ điện trở xét về mặt đối tượng điều khiển.
1.1.1. Đặc điểm của ḷ nhỉệt điện trở:
1.1.2. Phân loại ḷ điện trở.
1.1.3. Một số yêu cầu với vật liệu làm dây đốt.
1.2. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ ḷ điện trở.
1.2.1. Phương pháp dùng biến áp:
1.2.2. Phương pháp dùng rơle:
1.2.3. Phương pháp dùng rơle kết hợp với thysistor.
1.2.4. Phương pháp dùng hai thysistor mắc xung đối.
1.3. Cặp nhiệt.
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
2.1. Bộ khuếch đại.
2.1.1. Khối ổn ḍng.
2.1.2 Khối bù.
2.1.3. Khối khuếch đại.
2.2. Bộ điều khiển công suất.
2.2.1. Cấu tạo và nguyên lư hoạt động của Thyristor.
2.2.2. Bộ điều khiển công suất ḷ nung :
2.3. Card D/A, A/D.
2.3.1. Sơ đồ địa chỉ vào ra sủ dụng cho máy tính IBM và tương thích.
2.3.2. Các vi mạch dùng trong card
2.3.3. Nguyên lư hoạt động của Card.
CHƯƠNG 3 NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
3.1. Những cơ sở lư thuyết.
3.2. Xác định tham số mô h́nh từ đặc tính động học của đối tượng.
3.3. Khảo sát tính chính xác của mô h́nh.
CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ PID KINH ĐIỂN
4.1. Bộ điều khiển PID.
4.1.1. Sử dụng mô h́nh xấp xỉ bậc nhất có trễ của đối tượng
4.1.2. Xác định tham số bằng thực nghiệm
4.1.3. Phương pháp Chien-Hrrones-Reswick.
4.1.4. Phương pháp tổng của Kuhn.
4.2. Bộ điều khiển tối ưu độ lớn
4.2.1. Nguyên lư tối ưu độ lớn
4.2.2. Thiết kế bộ điều khiển
4.3. Bộ điều khiển tối ưu đối xứng:
4.3.1. Nguyên lư tối ưu đối xứng.
4.3.2. Điều khiển đối tượng tích phân- quán tính bậc hai
4.3.3. Điều khiển đối tượng tích phân -quán tính bậc cao.
4.3.4. Điều khiển đối tượng bất ḱ.
4.3.5. Nâng cao chất lượng hệ kín bằng bộ điều khiển tiền xử lư.
4.4. Phương pháp phân bổ nghiệm số.
4.5. Bộ PID trên miền thời gian xấp xỉ liên tục.
4.5.1. Xấp xỉ thành phần I:
4.5.2. Xấp xỉ thành phần D.
4.5.3. Xấp xỉ luật PID
CHƯƠNG 5 TỔNG HỢP HỆ THỐNG
5.1. Chất lượng quá tŕnh điều khiển
5.1.1. Đánh giá chất lượng của hệ thống ở trạng thái xác lập.
5.1.2. Chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ở trạng thái quá độ:
5.1.3. Đánh giá chất lượng của hệ thống thông qua tiêu chuẩn tích phân .
5.2. Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng ḷ nhiệt điện trở.
5.2.1. Sơ đồ khối hệ thống.
5.2.2. Xác định thông số bộ điều khiển.
5.2.3. Xây dựng thuật toán điều chỉnh PI số.
5.2.4. Xây dựng bộ điều khiển PI thông số thay đổi.
CHƯƠNG 6 GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG
6.1. Gíới thiệu chung về bộ phẩn mềm TCS.
KÊT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
BỘ PHẦN MÊM ĐIỀU KHIỂN






Lời mở đầu.
Sau gần 5 năm học tập tại trường đại học bách khoa hà nội, được sự giúp đỡ tận t́nh của các thầy cô giáo cũng như sụ quan tâm chỉ bảo tận t́nh của các thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động. Chúng em đó tớch luỹ được những kiến thức cơ bản của ngành Điều Khiển Tự Động. Để giúp cho sinh viên nắm vững kiến thức chuyên ngành một cách có hệ thống và vước đầu làm quen với công việc thực tế của người kỹ sư, sinh viên dược giao đũ ỏn tốt nghiệp với mục đích tập phân tích, tổng hợp và xây dựng một hệ thống điều khiển tự động trong thực tế.
Đề tài chúng em được giao là:
Xây dựng hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ ḷ điện trở.
Sau gần bốn tháng làm việc nghiêm túc với sự nỗ lực của bản thân dưới sự giúp đỡ tận t́nh của thầy cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Hoà, người đă hướng dẫn trực tiếp chúng em hoàn thành bản đồ án này
Với ḷng kính trọng và biết ơn sâu sắc, một lần nữa chúng em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Hoà, người đă hướng dẫn chỉ bảo rất tận t́nh để chúng em hoàn thành bản đồ án này.
Hà Nội, ngày 2/6/2006
Nhóm sinh viên
Nguyễn Văn Phong.
Đỗ Hồng Quang








PHẦN MỞ ĐẦU


Trong thời đại ngày nay với sự phát triển như vũ băo về khoa học kỹ thuật, bộ mặt thế giới đă có những thay đổi vô cùng to lớn. Có thể nói khoa học kỹ thuật hiện đại đă, đang và gơy ảnh hưởng mạnh mẽ đến toàn nhơn loại. Mọi nơi mọi lúc trong cuộc sống, con người đều trực tiếp hoặc gián tiếp có sự ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật mới. Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào trong lĩnh vực tự động hoá đă mang lại những chuyển biến rừ rệt, góp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của nhiều lĩnh vực công nghệ, đáp ứng các chỉ tiêu về chất lượng và giá thành sản phẩm nhằm nơng cao chất lượng cuộc sống.
Trong đời sống và sản xuất, yêu cầu về sử dụng nhiệt năng rất lớn. Trong các ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt năng dùng để nung sấy, nhiệt luyện, nấu chảy các chất là một điều không thể thiếu. Nguồn nhiệt năng này được dùng từ điện năng quan các ḷ điện rất phổ biến và thuận tiện.
Từ điện năng, có thể thu được nhiệt năng bằng nhiều cách: nhờ hiệu ứng Joule( ḷ điện trở), nhờ phóng điện hồ quang( ḷ hồ quang), nhờ tác dụng nhiệt của ḍng xoáy Foucault thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ ( ḷ cảm ứng) v v
Trong thực tế các xí nghiệp công nghiệp nước ta th́ mô h́nh ḷ điện trở là phổ biến hơn cả v́ một số ưu điểm như: có kết cấu khá đơn giản, có dải công suất rộng( từ vài KW đến hàng trăng KW), dễ lắp đặt, sửa chữa, thay thế cũng như bảo hành.
Trong khuôn khổ một đồ án tốt nghiệp, chỉ giới hạn ở việc xơy dựng hệ thống cụ thể là hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ ḷ điện trở dùng để khảo sát quá tŕnh nhiệt luyện.
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, đồ án này đề cập đến những vấn đề sau:
Chương 1 Tổng quan về đối tượng điều khiển.
Chương 2 Thiết kế phần cứng.
Chương 3 Nhận dạng đối tượng điều khiển
Chương 4 Các phương pháp thiết kế bộ PID kinh điển.
Chương 5 Tổng hợp hệ thống.
Chương 6 Giao diện điều khiển và giám sát hệ thống.
Tuy nhiên do thời gian và tŕnh độ có hạn nên có nhiều thiếu sót, rất mong được sự chỉ bảo tận t́nh của các thầy cô giáo cũng như bạn bè đề bản đồ án này được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chơn thành cảm ơn những ư kiến đóng góp quư bỏu đó.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN.
Mục đích của bản thiết kế tốt nghiệp là xơy dựng một hệ thống điều khiển nhiệt độ là điện trở và lấy quá tŕnh nhiệt luyện làm thí nghiệm để khảo sát.
Nhiệt luyện là tập hợp các nguyên công nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội với các tốc độ khác nhau đẻ làm biến đổi tổ chức của kim loại và hợp kim do đó làm biến đổi tớnh chất của chúng theo ư muốn.
Nhiệt luyện là phương pháp gia công có những đặc điểm riêng. Sau đơy là những phơn biệt nguyên công này với các nguyên công khác.
· Khác với đúc, hàn là nó không nung núng đến trạng thái lỏng, luôn luôn chỉ ở trạng thái rắn( tức là nhiệt độ nưng nóng phải thấp hơn nhiệt độ đông đặc).
· Khác với cắt gọt, biến dạng dẻo( rốn, dập) khi nhiệt luyện h́nh dạng và kích thước các sản phẩm không thay đổi hay thay đổi không đáng kể.
· Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và cơ tớnh không thể kiểm tra bằng vẻ ngoài.
Sơ đồ của quá tŕnh nhiệt luyện đơn giản nhất:

Đối với quá tŕnh nhiệt luyện, ít nhất cũng được đặc trưng bằng ba thông số quan trọng nhất:
Nhiệt độ nung nóng T[SUP]0[/SUP][SUB]n[/SUB]: nhiệt độ cao nhất mà quá tŕnh phải đạt đến.
Thời gian giữ nhiệt : thời gian ngưng ở nhiệt độ nung nóng.
Tốc độ nguội V[SUB]nguội[/SUB]: sau khi giữ nhiệt.
Ba thông số này đặc trưng cho ba giai đoạn nối tiếp của quá tŕnh nhiệt luyện: nung nóng, giữ nhiệt, làm nguội.
Đối với kết quả nhiệt luyện được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:
· Tổ chức tế vi: Bao gồm các tạo pha, kích thước hạt, chiều sơu lớp hoá bền. Có thể nói đơy là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất song để thực hiện khá mất thời gian nên thường chỉ để kiểm tra trong từng mẻ khi sản xuất đă ổn định.
· Độ cứng: Là chỉ tiêu cơ tớnh đẻ xác định và cũng có liên quán đến các chỉ tiêu khác như độ bền, độ dẻo, độ dai. V́ vậy bất cứ chi tiết, dụng cụ nào qua nhiệt luyện cũng được quy định giá trị độ cứng( tuỳ từng trường hợp, phải lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị quy định) và thông thường được kiểm tra theo tỉ lệ( trong một số trường hợp có thể phải kiểm tra 100%).
· Độ cong vênh, biến dạng: Nói chung độ biến dang khi nhiệt luyện trong nhiều trường hợp là nhỏ hoặc không đáng kể, song một số trường hợp quan trọng yêu cầu này rất khắt khe, nếu vượt quá phạm vi cho phép cũng không thể dùng được.
Nhiệt luyện thường gặp nhất chỉ dùng cách thay đổi nhiệt độ( không biến đổi thành phần và biến dạng dẻo) để biến đổi tổ chức trên toàn diện. Nó bao gồm nhiều phương pháp:
Ủ : Nung nóng rồi làm nguội chậm đẻ đạt được tổ chức cơn bằng với độ cứng và độ bền thấp nhất, độ dẻo cao nhất.
Thường hoá: nung nóng đến tổ chức hoàn toàn Austenit, làm nguội b́nh thường trong không khí tĩnh để đạt tổ chức gần cơn bằng.
Mục đích của ủ và thường hoá là làm mềm thép để dễ gia công cắt và dập nguội.
Tôi: nung nóng làm xuất hiện Austenit rồi làm nguội nhanh để đạt tổ chức không cơn bằng với độ cứng cao nhất ( nhưng cũng đi kốm với độ giũn cao). Nếu hiệu ứng này chỉ xảy ra ở bề mặt gọi là tôi bề mặt.
Ram: nguyên công bắt buộc sau khi tôi, nung nóng lại thép toi để điều chỉnh độ cứng, đệ bền theo đúng yêu cầu làm việc.
Như vậy tôi và ram là hai nguyên công nhiệt luyện đi kốm với nhau ( không tiến hành riêng lẻ mà luôn kết hợp với nhau), mục đích củ tôi và ram là tạo cơ tớnh phù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể.
Hoá nhiệt luyện: dùng các thay đổi nhiệt độ và biến đỏi thành phần hoá học ở bề mặt vùng này để biến đổi tổ chức và cơ tớnh mạnh hơn. Thường tiến hành bằng cách thấm, khếch tán một hay nhiều nguyên tố nhất định.
Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí:
Nhiệt luyên là khơu quan trọng và không thể thiếu được đối với sản xuất cơ khí và nó có những tác dụng chủ yếu sau:
· Tăng độ cứng, tớnh chống mại mũn và độ bền của thép: Mục tiêu của sẳn xuất cơ khó là sản xuất ra các cơ cấu và máy bền hơn, nhẹ hơn, khoẻ hơn với các tớnh năng tốt hơn. Để đạt được điều đó không thể không sử dụn những thành quả của vật liệu kim loại và nhiệt luyện, sử dụng triệt để các tiềm năng của vật liệu về mặt cơ tớnh.
Bằng những phương pháp nhiệt luyện thớch hợp như tôi và ram, tôi bề mặt, thấm cácbon
· Cải thiện tớnh công nghệ: Muốn tạo thành chi tiết máy, sản phẩm thép phải qua nhiều khơu, nguyên công gia công cơ khí: rèn dập, cắt Để đảm bảo sản xuất dễ dàng với năng suất lao đông coa, chi phí thơp, thép phải có cơ tớnh sao cho phù hợp với điều kiện gia công tiếp theo như cần mềm để dễ cắt hoặc dẻo để dễ biến dạng nguội.
Các chuyển biến khi nung thép.
Thao tác đầu tiến của nhiệt luyện là nung nóng kim loại. Phụ thuộc vào thành phần Cácbon cổtng thép và nhiệt độ nung nóng mà trong thép có những chuyển biến khác nhau. Cơ sở để xác định chuyển biến khi nung thép là giản đồ pha Fe_C, song chỉ giới hạn ở khu vực của thép và ở trạng thái rắn. Quan sát trên giản đồ pha ta thấy rừ ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi hai pha cơ bản: Ferit và Xementit, trong đó có Peclit là hỗn hợp cùng tích của hai pha này.
Thép cung tích có tổ chức đơn giản hơn cả, chỉ có Peclit.
Các thép trước và sau cùng tích cútor chức phức tạp hơn: Ngoài Peclit ra cũn có thêm Ferit hoặc Xêmentit thứ hai.
Bơy giờ khi nung nóng các thép lên nhiệt độ cao, hóy xem chúng lần lượt có những chuyển biến ǵ?
Khi nhiệt độ nung nóng thấp hơn 700[SUP]0[/SUP]C trong đó thép vẫn chưa có chuyển biến ǵ( cho nên sau đó dù làm nguội ra sao tổ chức của thép vẫn không bị biến đổi).
Khi nung nóng lên đến nhiệt độ 700[SUP]0[/SUP]C phần tổ chức Peclit của mọi thép chuyển biến thành Austenit theo phản ứng sau