Ứng dụng điều khiển mờ PID cho hệ thống trung hòa độ pH nước mía của nhà máy đường

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HÀ NGUYÊN HỒNG ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO HỆ THỐNG TRUNG HỊA ĐỘ pH NƯỚC MÍA CỦA NHÀ MÁY ĐƯỜNG Chuyên nghành: Tự Động Hĩa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Minh Trí Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Hồng Anh Phản biện 2: TS. Nguyễn Anh Duy Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 9 tháng 6 năm 2012 Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng; - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Điều khiển độ pH được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cơng nghiệp hĩa chất, sinh học… Đặc điểm của quá trình điều khiển độ pH cho các quá trình cơng nghiệp rất khác nhau, mức độ phi tuyến cao. Đối với các hệ thống mà đầu vào biến đổi theo thời gian, yêu cầu đáp ứng đầu ra cĩ độ chính xác cao thì nhiệm vụ điều khiển rất phức tạp. Xuất phát từ tình hình thực tế trên, qua tìm hiểu nhiều nguồn thơng tin khác nhau, việc áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại vào thực tế cịn tương đối ít đặc biệt là đối với các đối tượng phi tuyến, trên cơ sở đĩ việc xây dựng và ứng dụng bộ điều khiển mờ PID đạt các yêu cầu kỹ thuật là hướng nghiên cứu của luận văn. Được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, bộ mơn Tự động hĩa và TS Nguyễn Văn Minh Trí, trong khuơn khổ chương trình đào tạo sau đại học của Đại học Đà Nẵng, tơi lựa chọn đề tài tốt nghiệp là “Ứng dụng điều khiển Mờ PID cho hệ thống trung hịa độ pH nước mía của nhà máy đường”. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Đánh giá ưu điểm của bộ điều khiển kết hợp Mờ - PID so với bộ điều khiển kinh điển trong điều khiển độ pH - Thiết kế bộ điều khiển tự động thay đổi tham số để giữ độ pH đầu ra luơn ổn định theo một giá trị đặt cho trước, trong đề tài này, giá trị cần ổn định nằm trong phạm vi từ 6.8~7.2 pH. 4 - Phát triển hệ thống điều khiển mờ - PID dùng vi điều khiển Atmega32 ứng dụng cho hệ thống điều khiển độ pH 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Hệ thống điều khiển độ pH của nhà máy đường thuộc Nhà máy Mía đường – Nhiệt điện Ayun Pa, Huyện Ayun Pa, Tỉnh Gia Lai Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu vấn đề về điều khiển độ pH, điều khiển mờ, PID và mờ PID - Nghiên cứu áp dụng điều khiển mờ PID với đối tượng cĩ tính phi tuyến - Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ PID trên nền tản vi điều khiển Atmega32 - Xây dựng phần mềm ứng dụng giải thuật điều khiển Mờ - PID cho vi điều khiển Atmega32 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mơ phỏng và thực nghiệm - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu, giáo trính, sách, báo viết về các vấn đề: + Độ pH, điều khiển độ pH trong các quá trình cơng nghiệp + Điều khiển mờ, PID, chỉnh định tham số cho hệ thống điều khiển Mờ PID 5 + Lập trình và thiết kế mạch điện tử, kỹ thuật lập trình cho hệ thống điều khiển số - Phương pháp nghiên cứu mơ phỏng: Nghiên cứu mơ phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab - Simulink - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Áp dụng các lý thuyết đã nghiên cứu để xây dựng bộ điều điều khiển mờ PID cho hệ thống điều khiển độ pH của Nhà máy đường – Nhiệt điện Ayun Pa, Tỉnh Gia Lai 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học: - Kết quả nghiên cứu của đề tài được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển độ pH trong thực tế với đầu vào biến thiên lớn theo thời gian, tham số quá trình khơng biết chính xác. - Việc áp dụng điều khiển mờ PID vào các bộ điều khiển sẽ giải quyết nhiều vấn đề về nhận dạng hệ thống, hệ thống cĩ tính phi tuyến cao. Thực tiễn đề tài: - Giải quyết được yêu cầu bài tốn điều khiển đối tượng phi tuyến, giảm cơng sức thiết kế trong việc lựa chọn các tham số hệ thống. - Xây dựng bộ điều khiển vận hành thực tế tại Nhà máy mía đường– nhiệt điện Gia Lai. 6. BỐ CỤC LUẬN VĂN MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘ pH Giới thiệu và xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển độ pH cho Nhà máy đường. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MỜ, PID VÀ MỜ PID Giới thiệu lý thuyết điều khiển mờ, điều khiển PID và xây dựng bộ điều khiển Mờ - PID CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ pH Thiết kế bộ điều khiển PID và Mờ - PID dựa trên hệ thống xây dựng ở Chương 1 CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ Mơ phỏng kết quả bộ điều khiển xây dựng ở Chương 3 trên phần mềm Matlab-Simulink để đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID TRÊN NỀN TẢNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 32 Giới thiệu kiến trúc và lập trình cho vi điều khiển AVR ATMEGA 32 của hãng Atmel. Xây dựng cấu trúc phần cứng, giải thuật phần mềm cho bộ điều khiển Mờ - PID trên nền tảng vi điều khiển ATMEGA 32. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ PHỤ LỤC 7 CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN ĐỘ pH 1.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ pH 1.1.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển độ pH của nhà máy đường Nước mía sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt, được nâng nhiệt độ lên khoảng 50÷60 0C và đưa vào các kim phun trong thùng pha trộn số 1. Với các lưu lượng khác nhau của nước mía hỗn hợp qua các kim phun sẽ tạo ra các áp suất chân khơng khác nhau hút khí SO2 từ một đường ống dẫn theo một tỉ lệ nhất định. Phản ứng sunhit hĩa nước mía hỗn hợp nâng độ pH lên khoảng 4÷4.5. Sau khi được sunphit hĩa, nước mía và dung dịch kiềm Ca(OH)2 dùng để trung hịa cùng được đưa vào trong một ống dẫn để dẫn đến thùng pha trộn thứ hai. Dưới tác dụng của dịng chảy xốy trong thùng, phản ứng trung hịa xảy ra. Điều khiển độ pH đầu ra bằng cách điều chỉnh lượng Ca(OH)2. Nước mía ép Khí SO2 Ca(OH)2 pH C 2 1 Hình 1.1: Hệ thống trung hịa độ pH nhà máy đường 8 1.1.2. Hàm truyền hệ thống trung hịa độ pH Quá trình trung hịa diễn ra giữa axit mạnh H2SO3 và Ca(OH)2 (1.1) Sự thay đổi được mơ tả theo như biểu thức sau: (1.2) (1. 3) Nồng độ cũng phải tuân theo phản ứng ion sau: (1.4) Hằng số điện ly kw của nước: (1.5) Nồng độ ion H+ quan hệ tương ứng với độ pH, mối quan hệ này cịn được thể hiện trong thuật ngữ về sai lệch nồng độ ion X: (1.6) Kết hợp với biểu thức (1.4) cho ta kết quả: (1.7) Biểu thức mơ tả quá trình động học cĩ được bằng cách trừ (1.3) cho (1.2) và sử dụng cơng thức (1.7), kết quả là: (1.9) (1.10) Mối quan hệ giữa độ pH và nồng độ dung dịch được thể hiện qua biểu thức: (1.11) 9 Hằng số thời gian quá trình τ là khoảng thời gian các chất phản ứng với nhau trong thùng pha trộn cho đến khi được đưa đến đầu ra: (1.12) Giả thuyết rằng dịng chảy chất trung hịa nhỏ hơn nhiều so với lượng chất cần trung hịa, ta cĩ dạng tuyến tính quá trình trung hịa [1]: Trong đĩ: - V: Thể tích của thùng phản ứng (m3/h) - CA: Nồng độ ion hydrogen của dung dịch Ca(OH)2 - CB: Nồng độ ion hydrogen của dung dịch nước mía - CO: Nồng độ ion hydrogen của dung dịch đầu ra - qA: Lưu lượng dung dịch Ca(OH)2 - qB: Lưu lượng dung dịch nước mía - Qout: Lưu lượng hỗn hợp dung dịch sau trung hịa Từ đây ta cĩ thể rút ra hàm truyền dạng tuyến tính của hệ thống trung hịa độ pH của nhà máy đường: (1.13) Xét đến ảnh hưởng của thời gian trễ do quá trình (1.13) trở thành: (1.14) 1.1.3. Tính phi tuyến 1.1.4. Phương pháp điều khiển hệ thống trung hịa độ pH 10 Dùng khai triển Macloranh hàm , ta được: Từ (1.14) ta cĩ: Trong đĩ: uoff – là giá trị độ pH ban đầu của dung dịch nhiễu quá trình bao gồm thay đổi lưu lượng dung dịch nước mía Thực hiện phép biến đổi ta được phương trình trạng thái của hệ thống: Hàm truyền khâu trung hịa độ pH được biểu diễn dưới dạng phương trình trạng thái. Vì K, τ, uoff thay đổi theo thời gian, ta cĩ thể đặt: (1.17) Trong đĩ f, b, d là phi tuyến và khơng xác định rõ. 1.2. ĐO LƯỜNG ĐỘ pH 1.2.1. Cấu tạo cảm biến đo độ pH 1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ pH 11 CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT MỜ, PID VÀ MỜ PID 2.1.LÝ THUYẾT MỜ 2.1.1. Tổng quan điều khiển mờ 2.1.2. Bộ điều khiển mờ 2.1.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ 2.1.2.2. Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 2.1.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ 2.1.3.1. Mơ hình mờ Mamdami 2.1.3.2. Mơ hình mờ Sugeno 2.1.4. Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ 2.1.4.1. Theo mơ hình mờ Mamdami 2.1.4.2. Theo mơ hình mờ Sugeno 2.2. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID 2.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID kinh điển 2.2.2. Cấu trúc bộ điều khiển PID số 2.2.3. Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID theo Ziegler-Nichols 2.2.3.1. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 2.2.3.2. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 2.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜPID 2.3.1 Dẫn nhập 2.3.2. Cấu trúc bộ điều khiển Mờ PID 12 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển Mờ PID thiết kế được thể hiện như trên hình 2.15: Cách thức để xây dựng bộ điều khiển mờ PID bằng cách chọn tham số theo trạng thái của hệ thống: 2.3.3. Luật chỉnh định tham số R1: Nếu σ = dương lớn thì K = dương lớn R2: Nếu σ = dương nhỏ thì K = dương nhỏ R3: Nếu σ = 0 thì K = 0 R4: Nếu σ = âm lớn thì K = dương lớn R5: Nếu σ = âm nhỏ thì K = dương nhỏ d(t) K KI K f Đối tượng σ Fuzzy control x1d e - Hình 2.15: Sơ đồ khối bộ điều khiển Mờ PID y =0 P1: K lớn P2: K nhỏ P3: K nhỏ P4: K = 0 Hình 2.16: Quỹ đạo pha trạng thái hệ thống và cách chọn K 13 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID CHO HỆ THỐNG TRUNG HỊA ĐỘ PH 3.1.MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG TRUNG HỊA ĐỘ pH Từ phương trình (1.14) – chương 1, ta chọn các thơng số của hệ thống như sau: Bảng 3: Thơng số hệ thống trung hịa độ pH TT THAM SỐ ĐƠN VỊ GIÁ TRỊ 1 Thể tích thùng phản ứng m3 5 2 Lưu lượng nước mía m3/s 0.0389 3 Nồng độ nước mía mol/l 0.002 4 Nồng độ sữa vơi mol/l 0.1 5 Thời gian trễ quá trình s 50 6 Lưu lượng sữa vơi lớn nhất m3/h 2 Hàm truyền hệ thống: (3.1) 3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN Theo phương pháp Ziegler-Nichols, ta xác định được các thơng số của bộ điều khiển PID như sau: (3.3) (3.4) 14 3.3. TÍNH TỐN THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN Từ hàm truyền của hệ thống theo (3.1), ta tính được các thơng số của bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols: (3.5) (3.6) (3.7) 3.4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID 3.4.1. Định nghĩa các biến ngơn ngữ vào ra Các biến ngơn ngữ đầu vào: Sai lệch độ pH giữa giá trị đặt và giá trị đo được: e (pH) Độ biến thiên độ pH: de (pH/s) Siêu mặt: σ = Hình 3.3: Mờ hĩa đầu vào và tính tốn giá trị đầu ra Biến ngơn ngữ đầu ra: Hệ số khuếch đại K dùng để chỉnh định bộ điều khiển PID 3.4.2. Xây dựng tập mờ cho từng biến vào ra Mờ hĩa giá trị đầu vào: XICHMA = {AL, AN, ZERO, DN, DL} Trong đĩ: AL – Sai lệch âm lớn AN – Sai lệch âm nhỏ FUZZY CONTROL e de K 15 Zero – Sai lệch bằng 0 DN – Sai lệch dương nhỏ DL – Sai lệch dương lớn Mờ hĩa giá trị đầu ra: K = {ZERO, DN, DL} Trong đĩ: - ZERO : Hệ số khuếch đại khơng - DN: Hệ số khuếch đại dương nhỏ - DL: Hệ số khuếch đại dương lớn 3.4.3. Xây dựng luật hợp thành Theo kết quả từ chương II, ta cĩ luật hợp thành mờ như sau: Hình 3.7: Xây dựng luật hợp thành mờ 3.4.4. Giải mờ Thiết bị hợp thành Max – Min, giải mờ bằng phương pháp trọng tâm (Centroid of gravity - COG), ta cĩ kết quả hệ số khếch đại K: Hình 3.9: Mặt phẳng các giá trị khuếch đại K 16 CHƯƠNG 4 MƠ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 4.1.ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN 4.1.1. Khi khơng cĩ nhiễu đầu vào Các thơng số mơ phỏng của thùng phản ứng trung hịa như sau: a= 0.0328, b= 1.95*10-4(Các tham số này được tính tốn theo 1.17) Đáp ứng của hệ thống: Hình 4.2: Đáp ứng của hệ thống khi khơng cĩ nhiễu đầu vào với bộ điều khiển PID Hình 4.3: Sai lệch độ pH của hệ thống 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time pH Dap ung cua he thong khi khong co nhieu dau vao 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Time Sa i l ec h pH Sai lech pH cua he thong khi khong co nhieu dau vao 17 4.1.2. Khi cĩ nhiễu đầu vào Các thơng số mơ phỏng của thùng phản ứng trung hịa khi cĩ nhiễu như sau: Hình 4.5: Đáp ứng của hệ thống khi cĩ nhiễu đầu vào tại t=1400 4.2.ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID 4.2.1. Khi khơng cĩ nhiễu đầu vào Hình 4.8: Đáp ứng của hệ thống khơng cĩ nhiễu khi sử dụng bộ điều khiển mờ PID 0 500 1000 1500 2000 2500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time pH Dap ung cua he thong khi co nhieu dau vao 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time pH Dap ung cua he thong khong nhieu khi su dung bo dieu khien mo PID 18 Hình 4.9: Sai lệch của hệ thống khơng nhiễu khi sử dụng bộ điều khiển Mờ PID Hình 4.11: Khi tăng giá trị λ = 1.2 Nhận xét: Khi tăng giá trị λ càng lớn thì độ quá điều chỉnh của hệ thống càng tăng nhưng thời gian xác lập tương đối nhanh. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Time Sa i l ec h pH Sai lech do pH cua he thong khong nhieu khi su dung BDK Mo PID 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time pH Dap ung cua he thong khong nhieu khi su dung bo dieu khien Mo PID 19 4.2.2. Khi cĩ nhiễu đầu vào Hình 4.12: Đáp ứng của hệ thống khi cĩ nhiễu sử dụng bộ điều khiển Mờ PID 4.3. SO SÁNH KẾT QUẢ 4.3.1. Khi khơng cĩ nhiễu tác động Hình 4.14: So sánh chất lượng bộ điều khiển mờ PID và PID Nhận xét: Khi khơng cĩ nhiễu tác động, bộ điều khiển mờ PID cho chất lượng điều khiển tốt hơn độ quá điều chỉnh thấp, thời gian xác lập tương đối nhanh. 0 500 1000 1500 2000 2500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time pH Dap ung cua he thong co nhieu khi su dung BDK Mo PID 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time pH So sanh dieu khien PID va Mo PID Mo PID PID 20 4.3.2. Khi cĩ nhiễu tác động Hình 4.16: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PID và Mờ PID Hình 4.17: Sai lệch pH hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PID và Mờ PID 4.4. KẾT LUẬN Bộ điều khiển mờ đưa ra cĩ chất lượng hơn hẳn ở bộ điều khiển PID ở tiêu chí độ vọt lố, đáp ứng tiêu chí ban đầu của đề tài. Bằng việc thay đổi tham số I, hệ thống nhanh chĩng tiến đến xác lập. Ngồi ra, việc thiết kế và hiệu chỉnh bộ điều khiển Mờ PID cũng tương đối đơn giản, khắc phục được một số nhược điểm như khi thiết kế bộ điều khiển PID. 0 500 1000 1500 2000 2500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time pH So sanh chat luong bo dieu khien PID va Mo PID PID Mo PID 0 500 1000 1500 2000 2500 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Time Sa i l ec h pH So sanh sai lech dau ra bo dieu khien PID va Mo PID 21 CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID TRÊN NỀN TẢNG VI ĐIỀU KHIỂN AVR ATMEGA 32 5.1. KIẾN TRÚC VI ĐIỀU KHIỂN AVR ATMEGA32 5.1.1. Đặc điểm chính 5.1.2. Cấu trúc AVR 5.1.3. Lập trình cho vi điều khiển Atmega32 5.1.4. Giới thiệu trình biên dịch CodeVision 5.1.4.1. Tạo một dự án mới 5.1.4.2. Cấu hình chip và lựa chọn xung nhịp 5.1.4.3. Cấu hình các port xuất nhập 5.1.4.4. Cấu hình Timer1 5.2.THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN 5.2.1. Module CPU, DAC, giao tiếp máy tính theo chuẩn RS 232 Hình 5.15: Module CPU +5V +12V +12V +12V +5V +5V +5V +5V D5 LCD_RS LCD_RW LCD_E LCD_D4 LCD_D5 LCD_D6 LCD_D7 LCD_RS LCD_RW LCD_D4 LCD_D5 LCD_D6 LCD_D7 MON_ENT MON_UP MON_DOWN MON_CAN +12V LCD_E MON_CAN MON_ENT MON_DOWN MON_UP ALARM_L ALARM_H PH_IN PT_IN ADC_VREF UART_RX UART_TX NO_RL2 COM_RL2 NO_RL1 COM_RL1 COM_RL1 NO_RL1 COM_RL2 NO_RL2 +12V GND -12V GND AD C _ VR EF D1 D2 D3 D4 ALARM_L ALARM_H D10 D9 PH_IN GND PT_IN GND MET QUA UART_RX UART_TX QUA MET +5V +5V D8 GND D7 D6 LS1 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 R19 4.7K R21 5K Y1 8MHz C1 22p J15POWER 1 2 3 4 5 6 U17 MAX_232 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 C1+ VS+ C1- C2+ C2- VS- T2UOT R2IN VCC GND T1OUT R1IN R1OUT T1IN T2IN R2OUT D1 POWER R1 10k Q1 2N3903 C9 1uF R2 330 Q2 2N3903 LS2 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 R6 100 R7 4.7K J13ANALOG INPUT 1 2 3 4 C11 1uF D4 D1N4148 LM336 1 2 3 AD JV+ V- R22 10K J7DB9 CONECTOR 1 2 3U2 ATMEGA32 9 12 13 20 29 30 31 10 32 22 23 24 25 26 27 28 21 11 18 19 14 15 16 17 1 2 3 4 5 6 7 8 40 39 38 37 36 35 34 33 RST XTAL2 XTAL1 PD6/ICP1 PC7/TOSC2 AVCC GND VCC AREF PC0/SCL PC1/SDA PC2/TCK PC3/TMS PC4/TD0 PC5/TDI PC6/TOSC1 PD7/OC2 GND PD4/OC1B PD5/OC1A PD0/RxD PD1/TxD PD2/INT0 PD3/INT1 PB0/T0 PB1/T1 PB2/AIN0 PB3/AIN1 PB4/SS PB5/MOSI PB6/MISO PB7/SCK PA0/ADC0 PA1/ADC1 PA2/ADC2 PA3/ADC3 PA4/ADC4 PA5/ADC5 PA6/ADC6 PA7/ADC7 C12 1uF D5 D1N4148 R18 100 C13 1uF J5MONITOR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 C14 1uF J12RELAY OUT 1 2 3 4 C2 22p SW1 RESET C16 22uF J11 ISP 10DIP 12 34 56 78 910 22 Các bộ phận chính của module CPU: - Mạch giao tiếp máy tính - Mạch relay đầu ra - Mạch lập trình ISP Module DAC: Hình 5.16: Mạch chuyển đổi DAC 10 bit 5.2.2. Module bàn phím, trạng thái và hiển thị LCD Hình 5.17: Module hiển thị và bàn phím +12V +12V -12V +12V D1 D2 D3 D4 D5 D6D7 D8 D9 D10 +4V LM336 1 2 3 ADJ V+ V- R10 2K2 R23 10K + - U18 CA3140 3 2 6 7 5 4 8 1 U11 AD7541 1 2 3 4 5 6 7 8 9 18 17 16 15 14 13 12 11 10 OUT1 OUT2 GND bit1(MSB) BIT2 BIT3 BIT4 BIT5 BIT6 RFEEDBACK VREF VDD bit12(LSB) BIT11 BIT10 BIT9 BIT8 BIT7 R11 10K R15 30K + - U15 TL081 3 2 6 7 1 4 5R24 10K R27 20K 1 3 2 J9 0-10V 1 2 +5V GND CAN ENT UP DOWN ER R AL AR M + 5V + 12 V R S R W E D 4 D 5 D 6 D 7 RS RW E D4 D5 D6 D7 ENT UP DOWN CAN 12V 5V ALARM ERR GND D1 12V D2 5V D3 ALARM D4 ERROR R1 330 R2 330 R3 330 R4 330 SW1 ENTER 1 4 2 3 J1LCD 16x2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 SW2 DOWN 1 4 2 3 SW3 UP 1 4 2 3 SW4 CANCEL 1 4 2 3 R10 330R9 10k R5 10k R6 10k R7 10k R8 10k J2 CONECTOR TERMINAL 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 23 5.2.3. Module đo lường độ pH, nhiệt độ PT100 Mạch đo lường pH: Hình 5.18: Module kết nối với Transmitter pH Mạch đo lường nhiệt độ PT100: Hình 5.19: Module đo lường nhiệt độ PT100 5.2.4. Thơng số kỹ thuật bộ chuyển đổi tín hiệu pH 5.3.THIẾT KẾ PHẦN MỀM BỘ ĐIỀU KHIỂN +12V -12V +12V -12V +12V + - U15 TL081 3 2 6 7 1 4 5 + - U16 TL081 3 2 6 7 1 4 5 R23 10K J10 4-20mA 1 2 R24 20K 1 3 2 R25 250 1 3 2 R26 10K R27 10KR28 1K 1 3 2 R29 4k7 D3 2.56V R30 10K R31 5K 1 3 2 J11 0-5V 1 2 -12V +12V +12V -12V +12V -12V +12V LM 334 1 2 3V+ R V- R40 1K R41 4K7 R42 1K R43 5K D4 3.3V J13 0-5V 1 2 + - U17 TL081 3 2 6 7 1 4 5 + - U18 TL081 3 2 6 7 1 4 5 + - U19 TL081 3 2 6 7 1 4 5 J12 PT100 1 2 3 R32 1K R33 330 R34 1K R35 1K R37 200 1 3 2 R3810K 13 2 R39 10K 1 3 2 R45 5K 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN Căn cứ theo mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài, luận văn đã đạt được những kết quả như sau: - Đưa ra bài tốn điều khiển trung hịa độ pH của nhà máy đường, xây dựng phương trình hệ thống bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. - Trình bày cơ sở lý thuyết điều khiển PID kinh điển, điều khiển mờ, ưu nhược điểm của từng phương pháp.Xây dựng lý thuyết kết hợp giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID để tạo ra bộ điều khiển mới đáp ứng được chất lượng điều khiển yêu cầu. - Mơ phỏng kết quả nghiên cứu trên phần mềm Matlab/Simulink, đánh giá ưu nhược điểm của bộ điều khiển. - Triển khai kết quả nghiên cứu lý thuyết thành dạng thuật tốn chương trình để áp dụng trong việc thiết kế các bộ điều khiển. - Từ kết quả lý thuyết, thiết kế bộ điều khiển dựa trên vi điều khiển ATMEGA 32 lắp đặt vận hành tại nhà máy Mía đường – Nhiệt điện AyunPa để kiểm chứng kết quả nghiên cứu. Bộ điều khiển đã hoạt động tốt, kết quả tham khảo như Phụ lục I. 2. KIẾN NGHỊ - Từ các yêu cầu về chất lượng điều khiển của hệ thống, xây dựng phương pháp tính tốn lựa chọn các giá trị tối ưu cho bộ điều khiển. 25 - Xây dựng bộ điều khiển đa năng, tự động cập nhất các thơng số hệ thống để đưa ra các thơng số điều khiển. - Xây dựng hệ phần mềm thân thiện người dùng, cĩ các chức năng giao tiếp, cập nhật thơng số với máy tính. Bổ sung giao tiếp RTC, hệ thống chuẩn đốn lỗi hệ thống điều khiển, phát triển thêm các module modbus RS485 để kết nối bộ điều khiển với hệ thống điều khiển tồn nhà máy. Phát triển bộ điều khiển thành sản phẩm thương mại, mở rộng ứng dụng cho các đối tượng điều khiển khác. - Kết hợp điều khiển độ pH với điều khiển lưu lượng, mực chất lỏng trong thùng pha trộn và phân tích ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng điều khiển của hệ thống, từ đĩ thiết kế được bộ điều khiển chất lượng cao. - Bổ sung module tự động rửa sạch cảm biến pH đồng thời nâng cấp hệ thống cĩ nhiều điểm đo pH. Nghiên cứu theo định hướng phát triển của đề tài là cả một quá trình nghiên cứu phức tạp, kết hợp nhiều lĩnh vực như lý thuyết điều khiển, điện tử, lập trình,…Ngồi ra cần phải đánh giá kết quả so với chất lượng của một số bộ điều khiển khác như điều khiển neural, điều khiển theo mơ hình dự báo. Vấn đề này cần nhiều thời gian đầu tư nghiên cứu và cũng là vấn đề tác giả sẽ nghiên cứu tiếp trong thời gian tới. 26