Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC MỤC LỤC.................................................................................. 2 DANH MỤC HÌNH ẢNH.............................................................................................. 4 DANH MỤC BẢNG BIỂU............................................................................................ 5 TÓM TẮT....................................................................................................................... 6 MỞ ĐẦU 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÒ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM 10 1.1. Giới thiệu chung về lò sấy nông sản thực phẩm 10 1.2. Tổng quan về sản phẩm nông sản và quá trình sấy nông sản 13 1.2.1. Tổng quan hệ lò sấy ngô 15 1.2.2. Sơ đồ thu ngô, tách ngô và sấy ngô 16 1.2.3. Các giai đoạn trong quá trình thu ngô và tách Ngô, sấy ngô và các thông số khi sấy. 16 1.2.4. Phương án thiết kế tự động hoá dây truyền hệ thống sấy Ngô. 17 1.3. Mô hình toán học của lò sấy nông sản thực phẩm 22 1.3.1. giới thiệu chung về lò điện trở 22 1.3.2. Đặc điểm. 22 1.3.3. Nguyên lý làm việc. 23 1.3.4. Phân loại lò điện trở. 23 1.3.5. Cấu tạo lò điện trở. 23 1.3.6. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học. 25 1.3.7. Các phương pháp nhận dạng dựa trên đáp ứng quá độ và phổ tín hiệu. 26 1.3.8. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc nhất có trễ. 26 1.3.9. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc hai có trễ. 26 1.4. Mô hình toán học của lò nhiệt 28 1.5. Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh. 30 1.5.1.Cấu trúc chung của một hệ điều khiển tự động. 30 1.5.2. Đặc tính quá độ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển tự động. 31 1.5.3. Phân tích các luật điều khiển. 32 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM 39 2.1. Thiết kế hệ điều chỉnh lò nhiệt 39 2.2. Tính toán 40 2.1.2. Mô hình lò nhiệt 41 2.2 .2. Thiết kế bộ điều chỉnh PID số theo phương pháp ZieglerNichols 42 2.3 Mô phỏng hệ thống điều chỉnh 46 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57
MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU TÓM TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG BIỂU .3 TÓM TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÒ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG BIỂU TÓM TẮT Đề tài nêu phương pháp thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nơng sản thực phẩm, hệ thống thực phần mềm mơ Matlab qua khảo sát đánh giá hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nơng sản thực phẩm Qua thời gian nghiên cứu, thiết kế, tính tốn mơ hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt với q trình hiệu chỉnh điều khiển PID để ứng dụng thiết thực, phục vụ hiệu hệ thống điều khiển Tuy nhiên có nhiều hạn chế việc ứng dụng xây dựng mơ hình hệ thống Với đề tài sử dụng nhiều phương pháp để nghiên cứu đánh giá ứng dụng nhiều thiết thực việc học tập nghiên cứu sản xuất ABSTRACT The topic of the system design method automatically adjusts the temperature of the drying of agricultural products, the system is implemented on Matlab simulation software through which to monitor and evaluate the temperature control system of agricultural drying food Throughout the study, design, calculation and simulation of the furnace temperature control system with the calibration process of the PID controller for practical, effective service in the control system However, there are many limitations in the application and modeling of the system This subject has used many methods to study and evaluate and is applied a lot and practical in studying research as well as in production MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển khoa học kĩ thuật, đa dạng linh kiện điện tử số, thiết bị điều khiển tự động, công nghệ cũ thay công nghệ đại.Với bùng nổ tiến khoa học-kĩ thuật lĩnh vực điện, điện tử, tin học năm gần dẫn đến biến đổi sâu sắc lý thuyết lẫn thực tế lĩnh vực điều khiển lập trình vi điều khiển, hệ thống tự động điều khiển, vi xử lý, PLC…đang ứng dụng rộng rãi công nghiệp, dây chuyền sản xuất Hệ thống điều khiển tự động cho hệ thống dây chuyền nhà máy cơng nghiệp khơng thể thiếu Nó định nhiều đến phát triển xã hội cơng cơng nghiệp hố đại hoá để bước bắt kịp phát triển khu vực giới mặt Kinh tế Xã hội Do đó, việc tự động hố q trình sấy cơng nghiệp lựa chọn hàng đầu nhằm góp phần bảo quản nguyên liệu, tăng suất tạo sản phẩm có chất lượng cao, đảm bảo an toàn thực phẩm, tăng khả cạnh tranh mạnh mẽ thị trường Kinh tế xã hội phát triển nhu cầu dịch vụ hàng hóa nước xuất ngày tăng, đòi hỏi chất lượng cao mặt hàng nông sản (Ngô, gạo, cà phê, ca cao, hồ tiêu) mặt hàng số Vì vậy, nhà máy chế biến khơng bán tự động mà phải tự động hóa hồn tồn đáp ứng yêu cầu đặt Thực việc cải tạo nâng cấp hệ thống máy móc thay hệ thống điều khiển lập trình nhằm làm giảm sức lao động, cho mạch điều khiển hệ thống gọn nhẹ, hoạt động xác đáng tin cậy quan trọng dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển có yêu cầu Từ em lựa chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nơng sản thực phẩm” Mục tiêu đề tài em xây dựng đầy đủ phương pháp luận để khảo sát, đánh giá, nghiên cứu, thiết kế điều khiển cho lò sấy nơng sản thực phẩm Trong trình thực đề tài em tìm hiểu, trao đổi tổng hợp kiến thức mà học thời gian học, tham khảo tài liệu liên quan khác để hoàn thành đề tài giao Cấu trúc đồ án gồm hai chương, chương em trình bày cụ thể vấn đề nghiên cứu khác nhau: Chương 1: Tổng quan hệ thống lò sấy nơng sản thực phẩm Chương 2: Thiết kế, tính tốn mơ hệ thống tự động điều chỉnh lò sấy nơng sản thực phẩm Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô thuộc mơn Điều khiển Tự động hóa , đặc biệt thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hoa Lư tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp thuận lợi Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ an, ngày tháng năm 2018 Người thực Bùi Thị Trinh CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÒ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM 1.1 Giới thiệu chung lò sấy nơng sản thực phẩm Các sản phẩm nơng sản nước ta quan tâm ln trang nóng tin tức đặc biệt lúa gạo, cà phê, ngô, khoai, sắn, loại hoa sấy… sản lượng hàng năm thu hoạch lớn, sau thu nhà máy chế biến thực chế biến nông sản để đưa thị trường phục vụ cho đời sống ngày, để đưa sản phẩm có chất lượng cao khâu sấy nơng sản khâu quan trọng định chất lượng sản phẩm có đạt chuẩn không Sấy nông sản phải điều chỉnh nhiệt độ cho phù hợp để sản phẩm đạt tiêu chuẩn Sấy khơ thực phẩm lò sấy nơng sản q trình sấy khơ thực phẩm cách sử dụng cơng nghệ khí nóng đối lưu tuần hồn, rút nước từ từ thực phẩm khô hồn tồn Sấy khơ phương pháp làm khô thực phẩm để giúp vận chuyển dễ dàng bảo quản sản phẩm lâu Một số hình ảnh thiết bị sấy lò sấy Hình 1 Hệ thống lò sấy nơng sản thực phẩm Hình Hệ thống sấy cơm dừa tầng sơi Hình Hệ thống sâý nơng sản thực phẩm dạng tháp Hình Máy sấy thùng quay, sấy liên tục Hiện thị trường có nhiều loại máy sấy khơ nơng sản khác phổ biến máy sấy khô nông sản khí nóng đối lưu tuần hồn, tiếp máy ứng dụng cơng nghệ sấy vi sóng, cơng nghệ nước bão hòa, ứng dụng hồng ngoại… Ưu điểm loại máy sấy thực phẩm công nghiệp: • Bảo tồn ngun vẹn màu sắc hương vị nguyên liệu: nguyên vẹn so với sản phẩm tươi sống trước sấy • Thời gian cho mẻ sấy ngắn: hệ thống hút ẩm, rút nước khỏi sản phẩm nhanh, hạn chế thất thoát thoát nhiệt • Kích thước: lớn, phù hợp cho quy mơ sấy công nghiệp, mẻ sấy khoảng 500kg- ngun liệu tươi sống • Có thể thiết kế linh hoạt: tùy theo nhu cầu sử dụng đặc trưng sản phẩm khách hàng • Giá thành hợp lý: giúp làm giảm thiểu chi phí giá vốn cho sản phẩm sấy • Sử dụng cho đa dạng loại thực phẩm: nông sản, thủy hải sản, dược liệu, loại vật liệu cần sấy nhiệt độ lớn sấy sơn, sấy keo, sấy khn, gỗ… • Sử dụng cơng nghệ cao: giúp giảm thiểu mức điện tiêu thụ • Khay sấy: đa dạng, dễ dàng thay đổi, điều chỉnh theo yêu cầu sử dụng khách hàng Phạm vi ứng dụng loại máy sấy thực phẩm Hiện nay, tất loại nông sản áp dụng quy trình sấy cơng nghiệp sản phẩm sấy khô đạt tiêu chuẩn cho thị trường Không dừng lại nông sản, sản phẩm thủy hải sản sấy hệ thống máy sấy nông sản kể Ngoài ra, phạm vi ứng dụng chúng vơ đa dạng, ví như: Các sản phẩm nơng sản sấy khơ kể đến như: cà phê sấy, cà rốt sấy, táo tàu sấy, ớt sấy, nấm sấy, thịt gấc sấy… Các loại ngũ cốc dạng hạt: thóc lúa, gạo, ngơ loại đậu đậu đen, đậu xanh, đậu nành… Các nông sản dạng lát mỏng: khoai mỳ, sắn, khoai lang, khoai tây… Thủy hải sản như: tôm khô, cá khô, mực khô… Thức ăn cho gia súc: cám, bột loại Sản phẩm dược liệu, làm thuốc: hoa hồng, hoa nhài, vị thuốc khác Các sản phẩm phục vụ ngành công nghiệp chế biến sản xuất: bột mỳ, bột sữa, bột ngũ cốc… Ngồi nhiều loại sản phẩm đặc thù khác sấy khô: nhằm giúp bảo quản chúng lâu 1.2 Tổng quan sản phẩm nơng sản q trình sấy nơng sản Hiện nay, nước ta có nhiều khu vực có diện tích đất chủ yếu đồi núi phần lớn người nông dân sử dụng vùng đồi để trồng Ngô, sắn Hàng năm vào vụ thu hoạch người nông dân lượng ngô thu tới hàng triệu tấn, ngô thu tồn dạng bắp sau vẽ (số lượng ít) dùng máy để tách lõi với hạt lúc ngô chưa khô, chưa đạt tiêu chuẩn độ ẩm, khơng làm khơ kịp thời ngơ bị mốc làm ảnh hưởng tới sức khỏe người 10 Hình Biểu diễn miền lấy tích phân Như có ba phương pháp tính tích phân: Cách 1: Tích phân theo hình thang ABCD Cách 2: Tích phân theo hình chữ nhật lùi phía sau ABFD Cách 3: Tích phân theo hình chữ nhật tiến phía trước AECD Theo cách ta có: u ( kT ) = u ( k − 1) T + T u ( kT ) = u ( k − 1) T + T f ( kT ) + f ( k − 1) T Và Gi ( z ) = ki (2.14) { U ( z ) ki T z + = F ( z) z −1 } (2.15) (2.16) Theo cách ta có: u ( kT ) = u ( k − 1) T + Tf ( k − 1) T Và Gi ( z ) = k U ( z ) kiTz = F ( z ) z −1 (2.17) (2.18) Theo cách 3ta có: u ( kT ) = u ( k − 1) T + Tf ( kT ) Và Gi ( z ) = ki U ( z) kz = i F ( z ) z −1 41 (2.19) (2.20) Theo cách hàm truyền PID theo z : GC ( z ) = k p + k d z − k iT z + + − z z −1 (2.21) ta kí hiệu tín hiệu vào f(t), tín hiệu u(t), gọi độ lệch biến hệ thống e(t) điều khiển PID tín hiệu điều khiển có dạng: u ( kT ) = k p e ( kT ) + kd e ( kT ) − e ( k − 1) T T + kiT e ( kT ) + e ( k − 1) T (2.22) Đồng thời ta có: e ( k − 1) T − e ( k − ) T e ( k − 1) T + e ( k − ) T u ( k − 1) T = k p e ( k − 1) T + kd + kiT T Từ biểu thức ta có: { } u ( kT ) − u ( k − 1) T = k p e ( kT ) − e ( k − 1) T + kd e ( kT ) + e ( k − ) T − 2e ( k − 1) T + k iT T e ( kT ) + e ( k − 1) T + u ( k − 1) T k kT 2k kT = e ( kT ) k p + d + i ÷− e ( k − 1) T k p + d − i ÷ (2.23) T T + kd e ( k − ) T + u ( k − 1) T T Từ kết thu ta thấy: tín hiệu điều khiển u xác định thời điểm ta biết giá trị tham số điều chỉnh tham số k p , ki , kd Mặt khác nhờ phương pháp ta xác định hệ số b Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai - Phương pháp thực nghiệm có đặc điểm khơng sử dụng mơ hình tốn học đối tượng, mơ hình xấp xỉ Mơ hình: 42 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống Hình Xác định hệ số khuếch đại Thay PID khuếch đại tăng k lên kth hệ kín biên giới ổn định Xác định tham số điều khiển sau: Nếu chọn P thì: R ( s ) = K p = 0.5K th Nếu chọn PI thì: R ( s ) = K p + ÷ với K p = 0.45 K th , Ti = 0.85Tth Ti s Nếu dùng PID thì: R ( s ) = K p + + Td s ÷ Ti s (2.24) Với K p = 0.6 Kth ; Ti = 0.5Tth ; Td = 0.12Tth - Nhược điểm phương pháp cáp dụng cho đối tượng có chế độ biên giới ổn định hiệu chỉnh hệ số khuếch đại hệ kín 43 2.3 Mơ hệ thống điều khiển Từ mơ hình tính tốn ta có hàm truyền xác định biểu thức: W ( s) = ke − sT2 + sT1 (2.25) Biểu diễn hàm truyền đối tượng dạng: WDT ( s ) = k ( T1s + 1) ( T2 s + 1) (2.26) Mơ đối tượng: Hình Sơ đồ mô hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt Đáp ứng đối tượng: Hình 10 Q trình q độ lò nhiệt Sơ đồ mô hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hệ thống lò nhiệt dùng PID 44 Hình 11 Sơ đồ mơ hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt dùng PID Khảo sát phần mềm Matlab Simulink với giá trị ban đầu khác sau: Trường hợp 1: Cho tham số để khảo sát q trình nhiệt lò: k=50 (nhiệt độ xác lập (50 độ C)/phần trăm công suất(100%)); T2 = 40 ( s ) ; T1 = 180 ( s ) Ta có tham số điều khiển PID sau: kp = 1.2T1 = 5.4 T2 Ti = 2T2 = 80 Td = T2 = 20 ki = 0.0675 kd = 108 Thay giá trị vừa tìm vào: WPID ( s ) = k p + Ta được: + Td s ÷ Ti s WPID ( s ) = 5.4 1 + + 20 s ÷ 80 s Kết mơ thể hiện: 45 Hình 12 Kết mô Matlab ứng với giá trị đặt dùng điều khiển PID hệ thống điều chỉnh lò nhiệt Hình 13 Kết mơ Matlab ứng với giá trị đặt hiệu chỉnh PID hệ thống điều chỉnh lò nhiệt 46 Hình 14 Bộ thông số PID sau hiệu chỉnh hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt Trường hợp 2: Cho tham số để khảo sát trình nhiệt lò: k=60 (nhiệt độ xác lập (60 độ C)/phần trăm công suất(100%)); T2 = 30 ( s ) ; T1 = 120 ( s ) Ta có tham số điều khiển PID sau: kp = 1.2T1 = 4.8 T2 Ti = 2T2 = 60 Td = T2 = 15 ki = 0.08 kd = 72 Thay giá trị vừa tìm vào: WPID ( s ) = k p + Ta được: + Td s ÷ Ti s WPID ( s ) = 4.8 1 + + 15s ÷ 60 s 47 Hình 15 Kết mơ Matlab ứng với giá trị đặt dùng điều khiển PID hệ thống điều chỉnh lò nhiệt 48 Hình 16 Kết mơ Matlab ứng với giá trị đặt sau hiệu chỉnh PID hệ thống điều chỉnh lò nhiệt Hình 17 Bộ thơng số PID sau hiệu chỉnh hệ thống điều chỉnh nhiệt độ Trường hợp 3: Cho tham số để khảo sát q trình nhiệt lò: k=70 (nhiệt độ xác lập (60 độ C)/phần trăm công suất(100%)); T2 = 50 ( s ) ; T1 = 200 ( s ) Ta có tham số điều khiển PID sau: kp = 1.2T1 =6 T2 Ti = 2T2 = 100 Td = T2 = 25 ki = 0.06 kd = 150 Thay giá trị vừa tìm vào: WPID ( s ) = k p 1 + Ta được: + Td s ÷ Ti s WPID ( s ) = 1 + + 25s ÷ 100 s 49 Hình 18 Kết mô Matlab ứng với giá trị đặt dùng điều khiển PID hệ thống điều chỉnh lò nhiệt 50 Hình 19 Kết mô Matlab ứng với giá trị đặt sau hiệu chỉnh PID hệ thống điều chỉnh lò nhiệt 51 Hình 20 Bộ thơng số PID sau hiệu chỉnh hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt Nhận xét: Từ ba trường hợp xét kết mô ta thấy điều khiển giúp hệ thống làm việc ổn định, độ vọt lố giảm, thời gian đáp ứng nhanh, hệ thống làm việc êm, độ điều chỉnh thấp, chất lượng hệ thống tốt, điều khiển PID với kênh có tham số thích hợp đáp ứng u cầu tính điều khiển kênh qua giúp hệ thống làm việc ổn định đạt chất lượng cao 52 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ Đồ án tốt nghiệp, đề tài em hoàn thành vấn đề sau: - Tìm hiểu tổng quan hệ thống lò sấy nơng sản thực phẩm vấn đề liên quan đến thực tiễn - Qua nắm sở lý thuyết điều khiển tự động, lý thuyết điều khiển tuyến tính áp dụng sở lý thuyết điều khiển tuyến tính để giải vấn đề xây dựng khảo sát hệ thống lò sấy nơng sản thực phẩm, qua bổ sung củng cố kiến thức cần thiết cho thân - Đã tự lập xây dựng hướng giải đề tài nắm rõ cách xây dựng đối tượng phần mềm Matlab để khảo sát đánh giá thiết kế hệ thống - Qua việc sâu vào phần mềm mô Matlab ta thấy đa khả ứng dụng lớn rộng rãi thực tiễn - Em trang bị tốt hiểu biết thân công cụ điều khiển ứng dụng lớn điều khiển PID thực tế HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài sử dụng công cụ lý thuyết điều khiển tuyến tính để đánh giá,khảo sát, tính tốn, thiết kế mơ hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt qua đóng góp vào sở để xây dựng mơ hình thực tế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ nhiệt nhằm phục vụ việc nghiên cứu việc sản xuất Tuy vấn đề khơng phần giúp ích cho việc nghiên cứu hệ 53 thống nhiều chiều cách đơn giản nhất, qua giúp việc đánh giá hệ thống nhiều chiều lý thuyết điều khiển tuyến tính cách hiệu Để đánh giá kết thân em cảm thấy khơng đạt mong đợi Trong trình thực không bao quát tối đa vấn đề nên kết thu chưa mong muốn tốt Tuy kết thu mang tính chất tương đối phần đáp ứng yêu cầu điều khiển đặt Một lần em xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Hoa Lư q thầy tồn thể bạn sinh viên Viện Kỹ thuật – Công nghệ tạo điều kiện giúp đỡ em nhiều để em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Trong q trình thực có sai sót mong q thầy đóng góp góp ý để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoa Lư (chủ biên), Lê Văn Chương, Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, Nhà xuất đại học Vinh, 2017 [2] Nguyễn Hoa Lư, Giáo trình sở tự động, Nhà xuất Đại học Vinh,2004; [3] Nguyễn Quang Hùng, Lê Quốc Bình, Hệ thống điều khiển nhiệt lò điện trở sử dụng điều khiển, Hà Nội, 2000 [4] Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật,2006; [5] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật,2006; [6] Matlab – Simulink 2013a, MathWorks; [7] Các tài liệu Internet tham khảo diễn đàn công nghệ 55 ... phương pháp thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nơng sản thực phẩm, hệ thống thực phần mềm mơ Matlab qua khảo sát đánh giá hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nơng sản thực phẩm Qua... hệ thống lò sấy nơng sản thực phẩm Chương 2: Thiết kế, tính tốn mơ hệ thống tự động điều chỉnh lò sấy nơng sản thực phẩm Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô thuộc mơn Điều khiển Tự động. .. khiển tự động tồn hoạt động lò giám sát hệ thống đèn báo Hệ thống bao gồm: • Bộ gia nhiệt • Hệ thống thơng gió động quạt • Bộ điều khiển báo hiệu 1.3 Mơ hình tốn học lò sấy nơng sản thực phẩm Hệ thống