Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Tự động điều chỉnh tốc độ

hỗn hợp dòng khí bằng bộ điều chỉnh đa vòng

- 1 -

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề

Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nước ta đã có những bước phát triển

vượt bậc. Lượng sản phẩm sản xuất ra không những cung cấp đủ nguồn lương

thực thực phẩm cho đất nước mà còn được xuất khẩu ra thị trường thế giới. Với

những thành tựu to lớn đã đạt được của ngành nông nghiệp một lượng lớn các

sản phẩm nông sản cho đất nước tiêu dùng cũng như xuất khẩu cần phải được

bảo quản. Rất nhiều nơi ở trong nước cũng như thế giới nông sản sau khi thu

hoạch không được bảo quản tốt đã ảnh hưởng rất nhiều đến phẩm chất, chất

lượng. Do vậy mà giá thành bị giảm sút, vì thế công việc bảo quản nông sản sau

thu hoạch là cần thiết và quan trọng, nó quyết định đến giá trị sản phẩm của nông

sản. Phương pháp chủ yếu và hữu hiệu cho quá trình bảo quản là quá trình sấy.

Vì tính chất đa dạng, phong phú và phức tạp của các loại hình nông sản mà

đặc điểm của chúng rất khác nhau. Đặc biệt về kỹ thuật bảo quản cũng không

giống nhau. Mặt khác sản phẩm nông nghiệp ở nước ta quanh năm bốn mùa đều

có thu hoạch thời gian bảo quản khá dài lúc nào cũng có sản phẩm để bảo quản

dự trữ. Cho nên vấn đề đặt ra là phải đảm bảo tốt chất lượng của nông sản mà

chúng ta cần bảo quản. Đối với các loại nông sản dùng làm giống để tái sản xuất

mở rộng, chúng ta phải giữ gìn tốt để tăng cường tỷ lệ nảy mầm, sức nảy mầm,

để tăng số lượng cho vụ sau. Còn đối với những nông sản dùng làm nguyên liệu

cho chế biến tiêu dùng xã hội chúng ta phải hạn chế mức thấp nhất sự giảm chất

lượng của sản phẩm. Hơn nữa việc nâng cao chất lượng sản phẩm nông sản, chịu

tác động rất lớn từ việc bảo quản. Từ những nhận định tổng quát về đặc điểm của

nông sản như trên ta thấy. Như vậy ở mỗi loại nông sản khác nhau sẽ có một đặc

tính sấy khác nhau.

Trong quá trình sấy thì nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ hỗn hợp dòng khí là các thông

số rất quan trọng nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của quá trính sấy. Nó tạo

- 2 -

ra môi trường tác động vào vật sấy làm cho sự biến đổi sinh, lý, hoá trong vật

sấy theo một hàm nhất định nào đó, đảm bảo sau khi sấy sản phẩm phải đạt được

yêu cầu đặt ra. Hơn thế nữa chất lượng sản phẩm quyết định bởi sự ổn định của

môi trường sấy. Phương pháp ổn định các thông số trên thật sự có hiệu quả khi

áp dụng các thành tựu của khoa học kĩ thuật.

Ngày nay cùng với sự tiến bộ vượt bậc của ngành khoa học kỹ thuật đặc biệt

sự phát triển về công nghệ thông tin, điện, điện tử, vi xử lí, tự động hoá, điều

khiển tự động…đã góp phần lớn lao trong việc giải quyết các bài toán điều khiển

tự động. Vì vậy điều khiển và ổn định các thông số của tác nhân sấy là hết sức

quan trọng.

Ở các hệ thống sấy công nghiệp hiện nay trong nước và ngoài nước, người ta

chỉ chú trọng nhiều về việc điều khiển nhiệt độ hỗn hợp dòng khí chứ chưa quan

tâm nhiều đến tốc độ của dòng khí chuyển động với vận tốc bao nhiêu trong quá

trình sấy. Trước những thiếu xót và yêu cầu đặt ra cho ngành công nghệ sấy và

được sự phân công của bộ môn và Thầy Nguyễn Văn Đường tôi tiến hành thực

hiện nghiên cứu đề tài “ Tự động điều chỉnh tốc độ hỗn hợp dòng khí bằng bộ

điều chỉnh đa vòng”.

2. Mục đích của đề tài

Xây dựng hệ thống thí nghiệm quá trình sấy nông sản, từ đó nghiên cứu

ảnh hưởng tốc độ hỗn hợp dòng khí đến quá trình sấy. Tìm hiểu lý thuyết điều

khiển tự động để giải quyết yêu cầu bài toàn đặt ra. Tổng hợp hệ thống điều

khiển tìm ra tham số bộ điều chỉnh phù hợp.

3. Nội dung

Tìm hiểu công nghệ sấy một số loại nông sản quen thuộc, xây dựng mô

hình vật lý cho hệ thống thí nghiệm quá trình sấy nông sản và nghiên cứu

phương pháp điều chỉnh tốc độ hỗn hợp dòng khí. Sau đó tổng hợp hệ thống điều

- 3 -

khiển tốc độ, tính toán tham số bộ điều chỉnh và mô phỏng. Cuối cùng tính toán

thiết kế mạch điều khiển và thí nghiệm chạy thử, lấy kết quả.

4. Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết được các nội dung yêu cầu của bài toán trên ta cần thực hiện

nghiên cứu theo hướng sau.

Kế thừa các kết quả của thế hệ trước về lý thuyết và phương pháp thực

hiện quá trình thí nghiệm sấy. Đồng thời bằng kiến thức về điều khiển tự động

cũng như các kiến thức bổ trợ khác áp dụng vào để tính toán thiết kế hệ thống

điều khiển tốc độ. Tổng hợp hệ thống điều khiển và tìm ra tham số bộ điều khiển

phù hợp với yêu cầu. Lựa chọn thiết bị điều khiển thích hợp để xây dựng mạch

điều khiển.

- 4 -

CHƯƠNG I

KỸ THUẬT SẤY VÀ LÀM KHÔ NÔNG SẢN

1.1. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH SẤY KHÔ NÔNG SẢN

Hầu hết các sản phẩm nông nghiệp để bảo quản lâu dài cần phải thông qua

quá trình phơi sấy, để làm khô tới thuỷ phần yêu cầu của bảo quản. Sấy là

phương pháp tương đối có hiệu quả, tạo nên tiền đề để bảo quản tốt sản phẩm.

Mặt khác có nhiều sản phẩm chỉ có thông qua khâu phơi, sấy mới đảm bảo phẩm

chất tốt, nâng cao được giá trị thương phẩm như chè, cà phê, thuốc lá v.v…

Để bảo quản hạt thì điều kiện thích hợp của độ ẩm là ở giới hạn từ 12 –

14%. Phần lớn hạt sau khi thu hoạch về có độ ẩm cao hơn, trong điều kiện những

mùa mưa độ ẩm của khí quyển cao, nên sự thoát hơi nước tự nhiên của hạt chậm

lại, cho nên có nhiều trường hợp hạt ngô, lúa v.v… nhập kho có độ ẩm lên tới

20- 30%. Với độ ẩm của hạt lớn hơn 14% thì hoạt động sống tăng, hô hấp mạnh,

khối hạt bị nóng và ẩm thêm. Đó là những điều kiện thuận lợi cho sự phát triển

của vi sinh vật và côn trùng. Để tránh những hiện tượng trên ta phải đảm bảo độ

ẩm của hạt ở 14%. Do đó đối với một nước nông nghiệp nhiệt đới như nước ta

khí hậu nóng ẩm mưa nhiều thì sấy là một việc làm rất quan trọng.

Độ ẩm của nông sản hạt ảnh hưởng đến chất lượng chế biến, sản lượng của

bột giảm, chi phí năng lượng tăng lên do bột dính vào máy chế biến và máy sẽ

nhanh hỏng. Đồng thời sản phẩm chế biến từ hạt sẽ bảo quản khó và chỉ tiêu

phẩm chất sẽ thấp.

Sấy nông sản là một quá trình công nghệ phức tạp, nó có thể thực hiện trên

những thiết bị sấy khác nhau. Ứng với mỗi loại nông sản khác nhau ta cần chọn

chế độ sấy thích hợp nhằm đạt năng xuất cao, chất lượng sản phẩm tốt tiết kiệm

năng lượng. Để tìm được các chế độ sấy thích hợp cho từng loại nông sản thì ta

cần phải khảo sát các mẫu nông sản nhất định để tìm được đặc tính sấy tương

- 5 -

ứng. Muốn vậy ta phải có thiết bị để khảo nghiệm hay hệ thống thí nghiệm quá

trình sấy.

1.1.1. Đặc trưng cơ bản của quá trình sấy

a. Tác nhân sấy đối lưu

Môi chất sấy đối lưu thường là không khí ẩm, hỗn hợp dòng khí của

không khí sau khi qua buồng đốt cũng là hỗn hợp không khí ẩm.

Lượng ẩm trong không khí không bão hoà ở trạng thái hơi quá nhiệt có thể

coi như là khí.

Theo định luật Danton, áp suất của hỗn hợp khí chiếm một thể tích nhất

định (hỗn hợp hơi không khí) bằng tổng áp suất riêng phần của các cấu tử khí.

P = Pkk + Ph (1.1)

Ở đây : P Áp suất khí quyển của không khí ẩm N/m2.

Pkk Áp suất riêng phần của không khí khô N/m2.

Ph Áp suất riêng phần của hơi nước N/m2.

Ngoài áp suất khí quyển và áp suất riêng phần của hơi nước, trạng thái

không khí ẩm còn được đặc trưng bằng một loại thông số: độ ẩm, độ ẩm tương

đối, độ ẩm tuyệt đối, hàm lượng nhiệt, hàm lượng ẩm…

b. Các thông số đặc trưng

* Lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí ẩm gọi là độ ẩm tuyệt đối

của không khí.

* Tỷ số lượng hơi nước trong 1m3 không khí ẩm đối với hàm lượng cực

đại của nó trong 1m3 ở nhiệt độ và áp suất đã cho gọi là độ ẩm tương đối φ.

m

nSS=ϕ (1.2)

Sm là lượng hơi nước cực đại ( kg/m3).

Khối lượng riêng của hơi nước tỉ lệ với áp suất riêng phần của nó trong

hỗn hợp khí – không khí, bởi vậy có thể biểu thị độ ẩm tương đối bằng tỉ số áp

suất riêng phần của hơi nước Ph và áp suất bão hoà Pbh.

- 6 -

h

bh

PP

ϕ = (1.3)

Nếu Ph = Pbh → φ = 1

Pbh phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng áp, suất bão hoà Pbh tăng, φ

giảm và ngược lại khi nhiệt độ giảm → Pbh giảm, φ tăng.

* Hàm lượng ẩm của không khí

Là lượng nước có trong 1kg không khí khô.

dx1000

= (1.4)

h h

h bh

P .Pd 622. 622.

P-P P- .Pϕϕ

= = (1.5)

* Nhiệt dung của không khí

Nhiệt dung là lượng nhiệt cần thiết để làm nóng 1kg vật chất từ 0oC đến

toC ở áp suất không đổi, còn gọi là nhiệt dung của vật đó. Nhiệt dung của không

khí ẩm có thể coi như tổng số giữa hai đại lượng: nhiệt dung của không khí khô

và nhiệt dung hơi nước.

C = Ck + Cn (1.6)

ndC =

1000.Ch.nước (1.7)

kdC = C +

1000.Ch.nước (1.8)

Trong đó: C là nhiệt dung của không khí ẩm.

Ck là nhiệt dung riêng của không khí khô.

Cn nhiệt dung riêng của hơi nước.

Đơn vị của C là J/kg.oC.

1.1.2. Bản chất của quá trình sấy

Sấy là một quá trình phức tạp, nó là sự kết hợp của hai quá trình truyền

nhiệt và truyền chất. Hai quá trình này xảy ra trên bề mặt vật sấy, do sự liên kết

với tác nhân sấy và trong lòng vật sấy. Đặc trưng cơ bản của quá trình sấy là sự

- 7 -

thay đổi độ ẩm trung bình và nhiệt độ trung bình của vật sấy theo thời gian.

Những qui luật này của quá trình sấy cho phép tính toán lượng hơi nước bốc ra

từ vật liệu sấy và lượng nhiệt tiêu thụ từ quá trình sấy.

Độ đồng đều của quá trình sấy, được đánh giá thông qua sự thay đổi tốc

độ chứa ẩm cục bộ u và nhiệt độ cục bộ t trong lòng vật sấy. Những sự thay đổi

này, phụ thuộc vào mối tương quan của quá trình truyền nhiệt và truyền chất

trong lòng vật sấy, đồng thời phụ thuộc vào quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi

về chất của bề mặt vật sấy với tác nhân sấy.

Việc xác định trường chứa ẩm u(x,y,z,τ) và trường nhiệt độ t(x,y,z,τ) trong

lòng vật sấy là hết sức phức tạp. Nó đòi hỏi phải giải hệ phương trình vi phân các

quá trình truyền nhiệt, truyền chất với các điều kiện biên thích hợp, tương ứng

với phương pháp và chế độ sấy. Đây là các hệ phương trình vi phân phi tuyến chỉ

có thể giải được bằng phương pháp tuyến tính hoá gần đúng.

Để mô tả quá trình trao đổi nhiệt và chất của vật ẩm với môi trường xung

quanh cần phải nắm vững các qui luật cơ bản của quá trình sấy vật ẩm. Trước hết

hãy phân tích quá trình sấy vật ẩm đơn giản nhất bằng không khí nóng với các

thông số cố định (nhiệt độ không khí tk, độ ẩm tương đối φ và tốc độ của nó v).

Vật thí nghiệm quá trình sấy ở đây là vật mỏng có bề mặt trao đổi lớn và

hiệu độ chứa ẩm trong vật nhỏ. Đặc trưng cơ bản của quá trình sấy vật ẩm thể

hiện rõ tính thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ cục bộ theo thời gian. Các qui luật

này phải được khảo sát đồng thời trong các mối quan hệ với nhau.

Nếu nhiệt độ và tốc độ không khí không lớn, độ ẩm của vật sấy cao thì quá

trình xảy ra tương đối mềm và có thể chia thành ba giai đoạn được mô tả trong

Hình 1.1.

Giai đoạn một kể từ thời điểm bắt đầu quá trình sấy, vật sấy có nhiệt độ bề

mặt và tâm bằng nhau và bằng t0 với độ ẩm φ0. Nhiệt độ của vật sấy tăng lên,

trong đó nhiệt độ bề mặt tm tăng nhanh hơn nhiệt độ tâm ti chút ít. Giai đoạn một

- 8 -

kết thúc khi nhiệt độ của vật sấy đạt đến nhiệt độ của nhiệt kế ướt. Giai đoạn này

được gọi là giai đoạn làm nóng vật sấy, thời gian của giai đoạn này ngắn so với

thời gian của toàn bộ quá trình sấy. Độ ẩm của vật sấy trong giai đoạn này xảy ra

không đáng kể.

Hình 1.1. Sự thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ vật trong quá trình sấy

OA giai đoạn 1; AB giai đoạn 2; BC giai đoạn cuối

Giai đoạn hai được gọi là giai đoạn tốc độ sấy không đổi, bắt đầu từ thời

điểm nhiệt độ vật sấy đạt đến nhiệt độ của nhiệt kế ướt. Trong giai đoạn này

nhiệt lượng chủ yếu cung cấp để bốc hơi ẩm, nhiệt độ của vật sấy không tăng.

Ẩm trên bề mặt vật sấy bốc hơi vào không khí, trong lòng vật sấy tồn tại quá

trình truyền ẩm từ trong lòng vật ẩm ra bề mặt của nó. Do nhiệt độ không khí

nóng tc không đổi và nhiệt độ vật sấy không đổi, nghĩa là chênh lệch nhiệt độ của

không khí nóng và vật sấy không đổi. Như vậy tốc độ bốc hơi ẩm từ bề mặt sấy

vào môi trường sấy không đổi. Đồ thị độ chứa ẩm trong vật có độ dốc không đổi.

Giai đoạn này là giai đoạn bốc ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt đến trị số độ ẩm

cân bằng thì giai đoạn tốc độ sấy không đổi kết thúc và bắt đầu giai đoạn cuối

cùng của quá trình sấy.

Giai đoạn thứ ba của quá trình sấy bắt đầu từ thời điểm ẩm tự do đã bốc

hơi hết và chuyển sang bốc hơi ẩm liên kết. Để tách ẩm liên kết ra khỏi vật sấy

- 9 -

đòi hỏi phải có năng lượng lớn hơn nên nhiệt độ của vật sấy tăng lên (nhiệt độ

ẩm tăng lên), năng lượng liên kết truyền từ không khí nóng sang vật sấy giảm

xuống nên tốc độ bốc hơi ẩm giảm xuống, vì vậy giai đoạn này gọi là giai đoạn

tốc độ sấy giảm dần. Độ chứa ẩm của vật càng giảm, thì mối liên kết của ẩm với

vật càng tăng, năng lượng để tách ẩm càng tăng, nhiệt độ của vật càng tăng, hiệu

nhiệt độ giữa không khí nóng và vật giảm và tốc độ bốc hơi giảm. Khi độ ẩm của

vật giảm đến độ ẩm cân bằng φc thì kết thúc quá trình trao đổi ẩm giữa vật sấy và

không khí nóng, nhiệt độ của vật sấy bằng nhiệt độ của không khí nóng, quá

trình truyền nhiệt cũng chấm dứt, kết thúc quá trình sấy. Trong quá trình tăng

nhiệt độ, nhiệt độ của tâm vật sấy tăng chậm hơn nhiệt độ bề mặt, nhiệt được

truyền từ bề mặt vào tâm vật. Giai đoạn cuối quá trình sấy kéo dài do tốc độ bốc

hơi ẩm nhỏ. Trong thực tế quá trình sấy kết thúc ở độ ẩm của vật lớn hơn độ

chứa ẩm cân bằng, phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ của không khí

nóng.

Thực tế giai đoạn một thường xảy ra rất nhanh so với giai đoạn thứ hai

nên giai đoạn này thường được kết hợp lại và được gọi là giai đoạn tốc độ sấy

không đổi. Quá trình sấy được phân ra thành hai giai đoạn: giai đoạn sấy với tốc

độ không đổi(nhiệt độ vật sấy không đổi) và giai đoạn sấy với tốc độ sấy giảm

dần(nhiệt độ vật sấy tăng dần). Để phân tích quá trình sấy chúng ta sử dụng

phương trình cân bằng nhiệt cho từng giai đoạn.

- Giai đoạn sấy tốc độ không đổi

Dòng nhiệt truyền từ không khí nóng sang vật là dòng đối lưu được xác

định bằng công thức.

qdl = α.F(tc – tv) (1.9)

Trong đó : α hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa không khí nóng và vật sấy

(w/m2.oC).

F diện tích tiếp xúc giữa vật sấy và không khí nóng (m2).

- 10 -

tc nhiệt độ không khí nóng (oC)

tv nhiệt độ vật sấy (oC)

Dòng nhiệt tiêu thụ cho quá trình sấy.

qtt =(C1G1+CnGn) vdtdτ

+[r+Cph(th-tv)] ndGdτ

(1.10)

Trong đó: C1,Cn nhiệt dung riêng của vật khô và nước (J/kg.oC)

G1,Gn khối lượng của vật khô và nước (kg)

vdtdτ

tốc độ tăng nhiệt độ của vật (oC/s)

r nhiệt hoá hơi của nước (J/kg)

Cph nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi nước (J/kgoC)

th nhiệt độ hơi nước thoát ra khỏi vật (oC)

ndGdτ

tốc độ bốc hơi ẩm (kg/s)

Từ phương trình cân bằng nhiệt qtt = qdl.

Xác định được tốc độ bốc hơi ẩm:

v

c v n n1 1n

vph h

dtαF(t t ) (C G C G )dG dτdτ r C (t t )

− − +=

+ − (1.11)

Trong giai đoạn sấy nhiệt độ không đổi, nhiệt độ của vật bằng nhiệt độ

nhiệt kế ướt (tu) và hơi ẩm bốc ra là hơi bão hoà, như vậy tốc độ bốc hơi ẩm

được xác định theo công thức.

c vn αF(t t )dGdτ r

−= (1.12)

- Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần:

Tốc độ sấy cũng được xác định theo công thức (1.4) bề mặt bốc hơi lùi

dần vào trong lòng vật sấy, nhiệt độ vật sấy cao hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt. Tốc

độ bốc hơi ẩm giảm, thời gian kéo dài.

- 11 -

1.2. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH SẤY

Để có thể điều khiển các thông số trên thì cần phải biết sự ảnh hưởng của các

tham số đến quá trình sấy.

*Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy đến quá trính sấy

Hình 1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sấy

Nhiệt độ của tác nhân sấy càng cao thì thời gian sấy càng ngắn và tốc độ

sấy tăng. Nguyên nhân do sự chệnh lệch nhiệt độ giữa tác nhân sấy và nhiệt độ

bề mặt vật sấy tăng, thúc đẩy quá trình truyền nhiệt và ẩm cả trong vật sấy và từ

bề mặt sấy sang tác nhân sấy từ đồ thị ta thấy t3 > t2 > t1.

* Ảnh hưởng của độ ẩm tác nhân sấy

Hình 1.3. Ảnh hưởng độ ẩm đến quá trình sấy

Độ ẩm của tác nhân sấy càng cao thì thời gian sấy càng tăng và ngược lại

thật vậy từ đồ thị ta có φ1 > φ2> φ3.

- 12 -

* Ảnh hưởng tốc độ dòng khí

Hình 1.4. Ảnh hưởng tốc độ đến quá trình sấy

Tốc độ tác nhân sấy càng lớn, thì thời gian sấy càng giảm. Thật vậy khi

tốc độ tăng thì sự thoát nước trên bề mặt vật sấy càng nhanh. Trên đồ thị tốc độ

dòng khí v3 > v2 > v1.

1.3. CHẾ ĐỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP SẤY

1.3.1. Chế độ sấy

Đối với mỗi loại nông sản khác nhau, có chế độ sấy khác nhau. Chế độ sấy

phải đảm bảo sao cho sản phẩm khô đều, đồng thời giữ được giá trị thương

phẩm. Muốn vậy khi sấy sản phẩm cần phải : chọn nhiệt độ không khí nóng

thích hợp, chọn tốc độ hỗn hợp dòng khí và chọn thời gian sấy phù hợp với mỗi

loại sản phẩm.

a. Chế độ sấy của một số loại hạt

Sấy hạt lúa mì: Phải đảm bảo số lượng và chất lượng gluten. Ở nhiệt độ

sấy t > 50oC gluten bị biến dạng còn ở nhiệt độ t < 50oC không bị biến dạng. Cho

nên khi sấy lúa mì không nên sấy ở nhiệt độ t ≥ 50oC.

Sấy lúa nước: Theo tài liệu nghiên cứu của viện nghiên cứu hạt Liên Xô

thường sấy ở nhiệt độ 50oC. Vì ở nhiệt độ này đường và chất béo không bị biến

dạng và không nứt vỏ. Ở nước ta thường sấy ở nhiệt độ 35-40oC.

- 13 -

Sấy ngô: Ngô thu hoạch về thường có độ ẩm cao, xấp xỉ 35%. Ẩm tối đa

để bảo quản lâu dài không vượt quá. Đối với ngô bắp là 20%, đối với ngô hạt

nếu thời gian dài là 12-13% nếu thời gian vài tháng là 15%.

Do đó nếu sấy ngô ở nhiệt độ cao hơn 50oC sẽ xảy ra hiện tượng lớp vỏ

ngoài khô nhanh làm cản trở không cho nước ở trong thoát ra ngoài, cho nên lúc

đầu mà sấy ở nhiệt độ quá cao thì không tốt. Người ta thường sử dụng các dàn

phơi và kho có quạt gió để phơi khô bắp và dùng phương sấy bằng không khí

nóng. Nhiệt độ sấy giới hạn không vượt quá với hạt ngô thay đổi tuỳ theo mục

đích sử dụng của nó. Cụ thể ngô giống sấy ở nhiệt độ 45oC, ngô dùng để chế

biến sấy ở nhiệt độ 80oC, ngô dùng làm thức ăn gia súc sấy ở nhiệt độ 100oC.

Các loại hạt thuộc họ đậu: đậu đỗ có vỏ ngoài rất bền, nếu sấy ở nhiệt độ

cao quá vỏ sẽ bị nhăn cứng lại làm cho nước trong hạt không thoát ra ngoài được

và sẽ làm cho hạt tách làm đôi. Do vậy sấy đậu phải sấy qua nhiều đợt.

Đợt đầu không quá 30oC (có thể phơi nắng) nếu nhiệt độ quá 30oC protein

của hạt bị biến dạng, sau đó để nguội lúc này độ ẩm thoát ra ngoài. Sau đó ta sấy

ở nhiệt độ ≤ 30oC, nước sẽ dễ bay hơi hơn.

b. Chế độ sấy một số sản phẩm cây công nghiệp

Sấy cà phê: cà phê ban đầu sấy ở nhiệt độ 75-80oC về sau có thể giảm

xuống 45oC. Do điều kiện nhiệt độ hạ đột ngột, làm cho lớp vỏ lụa tách ra và như

vậy tạo diều kiện cho việc sát khô được dễ dàng.

Sấy thuốc lá gồm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Lúc đầu nhiệt độ 32oC ẩm độ 85-96%. Khi ngọn lá bắt đầu

vàng thì sấy từ 32oC lên 35oC. Khi 1/3 diện tích lá vàng thì tăng nhiệt độ lên 36-

40oC, ẩm độ 70-80%.

Giai đoạn 2: Ở giai đoạn này lúc đầu giữ nhiệt độ ở 45-48oC mở cửa thoát

ẩm, thông gió giữ độ ẩm không quá 70% sau đó tăng nhiệt độ lên 60-70oC và

mở toàn bộ cửa thoát ẩm để hơi nước thoát ra nhanh chóng làm thuốc khô nhanh.

- 14 -

Giai đoạn 3: Giai đoạn này tăng dần nhiệt độ lên tới hơn 80oC, đóng dần

cửa thoát ẩm, thông gió, xong cũng không nên tăng nhiệt độ quá cao.

1.3.2. Phương pháp thực hiện quá trình sấy

Qua tìm hiểu chế độ sấy một số loại nông sản cho ta thấy, ở mỗi một loại nông

sản khác nhau, cần có một chế độ sấy thích hợp. Xong trong thực tế không phải

bao giờ mọi nông sản cũng được sấy ở các chế độ riêng của nó. Vì với cùng một

điều kiện sấy như nhau ở nhiều loại nông sản, sản phẩm sau khi sấy vẫn đáp ứng

được yêu cầu về chất lượng và phẩm chất đặt ra. Cho nên đến nay việc áp dụng

thực hiện sấy nhiều loại nông sản ở cùng một chế độ vẫn còn nhiều. Nhưng nếu

chỉ quan tâm đến phẩm chất và chất lượng sản phẩm sau khi sấy thì chưa đủ. Mà

với một lượng sản phẩm sấy lớn trong thời gian dài và lâu thì một đòi hỏi đặt ra

cho ngành công nghệ sấy là chi phí năng lượng thực hiện quá trình sấy. Thật vậy

giả sử có hai loại nông sản nào đó nếu sấy ở cùng một chế độ đều cho ra sản

phẩm đảm bảo phẩm chất, chất lượng yêu cầu. Như trình bày ở trên thì dù đảm

bảo về chất lượng, nhưng trong hai loại nông sản đó chắc chắn có một loại sẽ sấy

ở chế độ, mà ở đó có các thông số về nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ thấp hơn so với loại

nông sản còn lại mà vẫn đảm bảo về yêu cầu chất lượng. Như vậy nếu như ta biết

được nông sản nào sấy ở chế độ nào, thì ta sẽ giảm được đáng kể chi phí năng

luợng để thực hiện quá trình sấy đó.

Do đó để đảm bảo được phẩm chất, chất lượng và chi phí cho quá trình

sấy thì việc xác định được đặc tính sấy của từng loại nông sản là hết sức quan

trọng và cần thiết. Để từ đó ta xác định được một chế độ và phương pháp sấy

phù hợp với yêu cầu.

Ở hệ thống thí nghiệm này đển khảo nghiệm đặc tính sấy của một số loại

nông sản chúng tôi thực hiện thí nghiệm bằng phương pháp sấy đối lưu.

- 15 -

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Qua chương 1 đã nêu được một vài khái niệm cơ bản về quá trình sấy và

làm khô nông sản. Đồng thời phân tích được ảnh hưởng của các tham số nhiệt

độ, độ ẩm, tốc độ hỗn hợp dòng khí đến quá trình sấy từ đó tìm đặc trưng và chế

độ sấy của một số loại nông sản. Đưa ra được lý do và tầm quan trọng của việc

xác định đặc tính sấy của từng loại nông sản nhằm xác định chế độ sấy phù hợp.

- 16 -

CHƯƠNG II

HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH SẤY NÔNG SẢN

2.1. HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM SẤY NÔNG SẢN

Để thực hiện quá trình điều khiển hệ thống, ta cần đi xây dựng mô hình

toán học cho hệ thống. Muốn vậy cần phải xây dựng mô hình vật lý quá trình thí

nghiệm sấy để khảo sát diễn biến của nó. Mô hình vật lý quá trình thí nghiệm sấy

nông sản được mô tả trong Hình 2.1.

Hình 2.1. Sơ đồ mô hình thí nghiệm quá trình sấy

Ở mô hình đã xây dựng được này, để điều khiển toàn bộ quá trình thực

hiện thí nghiệm, chúng tôi đã nghiên cứu và quan tâm đến 3 thông số cơ bản nhất

của quá trình sấy và điều khiển nó đó là nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ hỗn hợp dòng

khí. Vì đây là mô hình thí nghiệm quá trình sấy nên với thời gian có hạn nên

Thầy trò chúng tôi chỉ tạo và ổn định được môi trường có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ

gió hỗn hợp dòng khí ổn định như mong muốn.

- 17 -

Hoạt động của mô hình như sau: Dòng không khí lạnh với lưu lượng sẽ

được thay đổi tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ sấy bằng cách điều khiển tốc độ

quạt gió. Sau đó được thổi qua bộ phận tạo nhiệt nằm trong ống dẫn khí để làm

nóng không khí. Đồng thời sau khi qua bộ phận đốt nóng nếu cần không khí sẽ

được qua bộ phận tạo ẩm. Hỗn hợp không khí sau khi có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ

gió gần như mong muốn sẽ được thổi vào buồng trộn.

Ở đây hỗn hợp không khí sẽ được trộn đều nhờ sự chuyển động hỗn loạn

của các phần tử khí trong không gian buồng trộn. Sau khi hỗn hợp dòng khí vào

buồng trộn sẽ được chia làm hai hướng sấy khác nhau.

Thứ nhất là sấy xuyên: Dòng khí thổi theo phương thẳng đứng xuyên qua

sản phẩm sấy thông qua buồng sấy 2 nhờ quạt hút được gắn trong buồng.

Thứ hai là sấy bề mặt: Dòng khí thổi theo phương nằm ngang qua sản

phẩm sấy thông qua buồng sấy 3.

Tất cả các tham số của quá trình sấy như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió của hỗn hợp

dòng khí đều được đo bằng các cảm biến tương ứng S2, S1, So.

2.2. CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM SẤY

2.2.1. Cấu tạo, chức năng, yêu cầu kỹ thuật

+ Buồng trộn

Kích thước 700x800x700 được ép xốp ở giữa để giữ nhiệt, bên ngoài là

các mặt ghép bằng nhôm và khung sắt. Đây là nơi sẽ chứa hỗn hợp không khí

sấy.

+ Ống dẫn tác nhân sấy

Gồm ba ống tròn trong đó có một ống dẫn hỗn hợp khí vào buồng trộn,

còn hai ống dùng để làm buồng sấy có cùng kích thước. Chiều dài ống l =

450mm, đường kính d = 180mm. Chúng có chức năng dẫn tác nhân sấy vào

buồng trộn và đến đối tượng sấy.

- 18 -

+ Quạt gió:

Động cơ quạt được chọn là động cơ xoay chiều 1 pha bao gồm ba chiếc

tương ứng với ba vị trí trên sơ đồ với các thông số như sau.

Điện áp cung cấp Um = 220V, cosφ = 0,8.

Tốc độ n = 2800 V/phút, Im = 0,22A. Công suất P = 38W.

Ở đây công suất của quạt sẽ được điều khiển ổn định theo yêu cầu mong

muốn.

+ Các cảm biến:

So, S1, S2 lần lượt là các cảm biến đo tốc độ, độ ẩm, nhiệt độ của hỗn hợp

dòng khí trong thí nghiệm quá trình sấy. Và các thông số này được điều khiển

thông qua các bộ điều khiển như trên Hình 2.1.

2.2.2. Cảm biến nhiệt độ

Để đo và điều khiển được nhiệt độ cần phải có thiết bị cảm biến để đo

được nhiệt độ của quá trình. Có nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, phần

trình bày sau đây sẽ chỉ đề cập tới cảm biến sử dụng trong đề tài này đó là cảm

biến nhiệt độ dạng IC bán dẫn LM335.

LM335 là cảm biến đo nhiệt độ được tích hợp từ các chất bán dẫn, có thể

đo nhiệt độ rất chính xác và dễ dàng chuẩn hoá. LM335 có điện áp đánh thủng tỉ

lệ trực tiếp với nhiệt độ tuyệt đối là 10mV/oK.

Khi kiểm tra ở 25oC thì LM335 có sai số nhỏ hơn 1oC.

Không giống như các cảm biến khác, LM335 có tín hiệu đầu ra tuyến tính.

LM335 được ứng dụng trong phạm vi nhiệt độ từ -40oC ÷ 100oC. Trở

kháng thấp và đầu ra tuyến tính làm cho việc ghép nối mạch ra và mạch điều

khiển trở nên rất đơn giản.

+ Các đặc điểm của LM335

- Đo trực tiếp nhiệt độ Kelvin.

- Dòng làm việc từ 400µA ÷ 5mA.

- 19 -

- Trở kháng động nhỏ hơn 1Ω.

- Kiểm tra dễ dàng.

- Phạm vi nhiệt độ đo rộng.

- Rẻ tiền.

Chuẩn hoá LM335

Hình 2.2. Sơ đồ chuẩn hoá LM335

LM335 có một phương pháp chuẩn hoá thiết bị dễ dàng cho độ chính xác

cao. Nối nhánh hiệu chỉnh của LM335 với một biến trở 10KΩ (biến trở chỉnh

tinh).

Bởi vì đầu ra của LM335 tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối, bằng việc điều chỉnh

biến trở, đầu ra cảm biến sẽ cho 0V tại 0oK.

Sai số điện áp đầu ra chỉ là sai số độ dốc(do đầu ra tuyến tính theo nhiệt

độ). Vì vậy, chuẩn hoá độ dốc tại một nhiệt độ sẽ làm đúng tất cả các nhiệt độ

khác.

Điện áp đầu ra của cảm biến được tính theo công thức:

VoutT = VoutT0.o

TT

(2.1)

Trong đó: T là nhiệt độ chưa biết.

To là nhiệt độ tham chiếu.

VCC

R2

2.2K

R1

10K1

32

D1LM335

1

3

2Output

10mV/oK

- 20 -

Cả hai đều tính bằng nhiệt độ Kelvin.

Bằng cách chuẩn hoá đầu ra tại một nhiệt độ, sẽ làm đúng đầu ra cho tất cả

các nhiệt độ khác. Thông thường đầu ra được lấy chuẩn là 10mV/oK.

Ví dụ tại 25oC ta sẽ có đầu ra có điện áp là 2,98V.

Tuy nhiên, LM335 cũng như bất kỳ loại cảm biến nào khác, sự tự làm nóng

có thể làm giảm độ chính xác.

Ngoài ra, LM335 là loại cảm biến không thấm nước. Vì vậy, ta có thể sử

dụng nó trong việc thiết kế và chế tạo cảm biến độ ẩm ở trong đồ án này.

2.2.3. Cảm biến độ ẩm

Cũng như nhiệt độ, để điều khiển được độ ẩm, chúng ta cũng phải có thiết

bị cảm biến cho phép đo được độ ẩm hiện tại của quá trình. Trước khi tìm hiểu

nguyên tắc và các phương pháp đo độ ẩm, chúng ta cần thông qua lại một vài

khái niệm sau:

- Nhiệt độ bão hoà: theo nhiệt động học thì nhiệt độ bão hoà là nhiệt độ sôi

hoặc ngưng tụ của nước phụ thuộc vào áp suất.

- Áp suất bão hoà: áp suất tương ứng với nhiệt độ bão hoà gọi là áp suất

bão hoà.

Như vậy áp suất càng lớn thì nhiệt độ bão hoà càng cao.

- Độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm: độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là

khối lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí ẩm.

Ký hiệu độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là: φa (kg/m3).

Với không khí ẩm bão hoà, khối lượng hơi nước chứa trong nó là cực đại.

Vì vậy, độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm bão hoà là độ ẩm tuyệt đối cực đại. Ký

hiệu là φmax hay φb.

- Độ ẩm tương đối của không khí ẩm: độ ẩm tương đối của không khí ẩm

là tỉ số giữa độ ẩm tuyệt đối φa và độ ẩm tuyệt đối cực đại φmax.

- 21 -

Ký hiệu độ ẩm tương đối là φ:

a a

max b

ϕ ϕϕϕ ϕ

= = (2.2)

Độ ẩm tương đối là một thống số quan trọng của không khí ẩm. Với định

nghĩa trên đây có thể thấy rằng, độ ẩm tương đối đặc trưng cho khả năng nhận

thêm hơi nước hay nói cách khác là khả năng sấy của không khí ẩm. Độ ẩm

tương đối càng bé thì khả năng sấy của không khí càng lớn.

Cũng từ định nghĩa thì ta thấy, đối với không khí khô (φa = 0) nên nó có

độ ẩm tương đối bằng 0. Ngược lại, không khí ẩm bão hoà (φa = φmax) sẽ có độ

ẩm tương đối là 100%. Như vậy, độ ẩm tương đối của không khí ẩm biến đổi

trong giới hạn 0% ≤ φ ≤ 100%.

+ Phương pháp đo độ ẩm.

Như ta đã thấy thì ta có hai khái niệm về độ ẩm là độ ẩm tương đối và độ

ẩm tuyệt đối. Tuy nhiên, trong thực tế thì việc xác định độ ẩm tuyệt đối là rất

khó khăn, ít nhất thì chúng ta phải có các dụng cụ đo có độ chính xác rất cao, kéo

theo các dụng cụ này chế tạo rất khó và rất đắt tiền. Ngay cả khi chúng ta đã có

độ ẩm tuyệt đối rồi thì việc chuyển đổi thành tín hiệu đồng nhất là điện áp hoặc

dòng điện để đi điều khiển cũng là cả một vấn đề.

Như vậy, theo phân tích ở trên, chúng ta chỉ còn cách là đi xác định độ ẩm

tương đối. Nhưng theo định nghĩa về độ ẩm tương đối thì φ lại phụ thuộc vào độ

ẩm tuyệt đối.

Do vậy, để xác định được độ ẩm của không khí chúng ta phải xác định

được độ ẩm tuyệt đối hay phải xác định được lượng hơi nước có trong không khí

ẩm.

Mặt khác, theo phân tích ở trên ta thấy hơi nước bão hoà phụ thuộc vào áp

suất bão hoà.

- 22 -

a

max

ϕϕϕ

= (2.3)

Thật vậy, theo nhiệt động học của không khí ẩm ta có:

pa.V = Ga.Ra.T (2.4)

pa.V = p.Va (2.5)

Trong đó: Ga là khối lượng hơi nước (kg).

Va là phân thể tích hơi nước (m3).

V là thể tích không khí khô (m3).

Ra là hằng số khí của hơi nước.

p là áp suất của không khí ẩm (bar).

pa là phân áp suất hơi nước (bar).

T là nhiệt độ của không khí ẩm (oK).

Từ (2.4) và (2.5) ta có biểu thức

Ga.Ra.T = p.Va (2.6)

p = (Ga.Ra.T)/Va (2.7)

Tại T = const thì Ra = const nên:

pa = φa.Ra.T (2.8)

pb = φb.Ra.T (2.9)

Trong đó pa, pb tương ứng là phân áp suất của hơi nước và phân áp suất của

hơi nước bão hoà ứng nhiệt độ T của không khí.

=> a a

b b

pp

ϕϕϕ

= = (2.10)

Áp suất bão hoà ta có thể xác định được qua nhiệt độ. Do vậy, để đo được

độ ẩm ta chỉ cần đo nhiệt độ.

- 23 -

Hiện nay có nhiều loại ẩm kế đo độ ẩm. Tuy các ẩm kế hoạt động theo

nhiều nguyên lý khác nhau nhưng cùng một cơ sở nhiệt động là đều dựa trên

hiệu số nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt.

Ta xét quá trình bay hơi của nước vào không khí trong điều kiện đoạn

nhiệt. Vì là đoạn nhiệt nên nhiệt lượng cần thiết để nước bay hơi lấy ngay từ

không khí. Do đó, lớp không khí sát ngay bề mặt bay hơi mất đi một nhiệt lượng

đúng bằng nhiệt lượng bay hơi của nước. Vì vậy, nhiệt độ của lớp không khí

ngay sát bề mặt bốc hơi giảm đi một lượng nào đó so với nhiệt độ không khí xa

bề mặt bay hơi. Nhiệt độ lớp không khí ngay sát bề mặt bay hơi gọi là nhiệt độ

nhiệt kế ướt tư và nhiệt độ không khí ở xa bề mặt bay hơi gọi là nhiệt độ nhiệt kế

khô tk. Như mọi người đều biết, để đo nhiệt độ của không khí người ta có thể

dùng các nhiệt kế bình thường, chẳng hạn nhiệt kế thuỷ ngân hay nhiệt kế rượu.

Để xác định nhiệt độ nhiệt kế ướt người ta cũng dùng những nhiệt kế bình

thường nhưng đặc biệt bầu thuỷ ngân hoặc bầu rượu được bọc một lớp bông luôn

luôn thấm nước nhờ mao dẫn từ một cốc nước. Nước trong lớp bông bao quanh

bầu nhiệt kế nhận nhiệt của không khí và bay hơi. Vì không khí xung quanh bầu

nhiệt kế mất nhiệt lượng để cho nước bay hơi nên nhiệt độ của lớp không khí này

giảm xuống. Vì lý do nói trên nên nhiệt độ này gọi là nhiệt độ nhiệt kế ướt. Nhiệt

độ của không khí xa bề mặt bay hơi cũng được đo bằng chính nhiệt kế đó nhưng

không có bông thấm nước bao quanh bầu của nó nên gọi là nhiệt độ nhiệt kế khô.

Rõ ràng, không khí càng khô hay độ ẩm tương đối φ của nó càng bé thì

nước xung quanh bầu nhiệt kế sẽ bay hơi càng nhiều và lớp không khí sát đó

càng mất nhiều nhiệt lượng và do đó nhiệt độ nhiệt kế ướt càng bé hay độ chênh

lệch giữa nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt càng lớn. Dĩ nhiên, khi

không khí khô tuyệt đối hay độ ẩm tương đối φ = 0 thì độ chênh lệch nhiệt độ

này là cực đại. Ngược lại, khi không khí ẩm bão hoà hay độ ẩm tương đối của nó

φ = 100% thì nước xung quanh bầu nhiệt kế không thể bay hơi và do đó nhiệt độ

- 24 -

nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt bằng nhau hay độ chênh lệch nhiệt độ của

hai nhiệt kế này bằng không. Có thể thấy, nhiệt độ nhiệt kế ướt chỉ chính là nhiệt

độ bão hoà tương ứng với phân áp suất bão hoà của hơi nước trong không khí

ẩm. Như vậy, độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt

kế ướt đặc trưng cho khả năng nhận ẩm của không khí và do đó trong kỹ thuật

sấy người ta gọi là thế sấy ε. Như vậy, thế sấy bằng:

ε = tk - tư (2.11)

+ Tính toán phân áp suất bão hoà theo nhiệt độ

Để xác định độ ẩm tương đối của không khí ẩm, trước hết chúng ta cần xác

định phân áp suất bão hoà theo nhiệt độ.

Theo công thức:

a a

b b

pp

ϕϕϕ

= = (2.12)

Như vậy, chúng ta cần phải biết phân áp suất hơi nước pa và áp suất bão

hoà tương ứng với nhiệt độ t của không khí pb.

Để xác định áp suất bão hoà của hơi nước nói chung và phân áp suất bão

hoà của hơi nước trong không khí nói riêng khi biết nhiệt độ người ta thường

dùng bảng thông số vật lý của nước và hơi nước bão hoà. Tuy nhiên, việc tính

toán này không thật tiện lợi khi chúng ta xử lý các số liệu này trên máy tính bằng

các ngôn ngữ lập trình. Hơn hết, nếu dùng độ ẩm đo được làm tín hiệu điều

khiển trong các hệ thống điều khiển tự động đặc biệt là điều khiển số với việc xử

lý tính toán số liệu bằng vi xử lý và đưa ra tín hiệu đi điều khiển thì việc giải tích

hoá quan hệ pb = f(t) là hết sức cần thiết trong điều khiển số.

Nhà bác học Phylôhenko đã đưa ra công thức thực nghiệm để tính phân áp

suất bão hoà của hơi nước trong không khí ẩm khi biết nhiệt độ dưới dạng:

- 25 -

lg(pb) = 0,622 + 7,5.238

tt+

(mmHg) (2.13)

Độc lập với Phylôhenko, Antoine cũng giới thiệu công thức tính như sau:

pb = exp(12,031− 4026,42235 t+

) (bar) (2.14)

Trong đó t là nhiệt độ đo được tính bằng oC

Nếu sử dụng hai công thức này để tính áp suất bão hoà cho dải nhiệt độ từ

-25oC đến 200oC và lấy giá trị áp suất bão hoà theo nhiệt độ cho trong bảng làm

chuẩn người ta nhận thấy có sai số nhất định. Do đó, xử lý số liệu từ bảng chuẩn

quan hệ pb = f(t) trên máy tính, người ta đã đưa ra hai công thức sau:

Theo dạng Phylônhenko:

pb = exp( 17.t 5,093233,59 t

−+

) (bar) (2.15)

Theo dạng Antoine:

pb = exp( 4026,4212,000235,500 t

−+

) (bar) (2.16)

Ở đây t là nhiệt độ đo được cũng tính bằng oC

Hai công thức sau có sai số tương đối so với giá trị trong bảng chuẩn là bé

và ổn định hơn các công thức của Antoine và Phylônhenko.

+ Tính độ ẩm tương đối của không khí theo phân áp suất bão hoà

Sau khi xác định được áp suất bão hoà theo nhiệt độ ta dễ dàng xác định

được độ ẩm tương đối của không khí ẩm. Phần trình bày sau đây sẽ cho chúng ta

thấy cách xác định độ ẩm tương đối bằng các công thức giải tích toán học.

- 26 -

Giả sử q1 là nhiệt lượng mà không khí cung cấp cho bầu thuỷ ngân của

nhiệt kế ướt và q2 là nhiệt lượng mà nước quanh bầu thuỷ ngân tiêu tốn để bay

hơi. Ta thấy:

q1 = q2 (2.17)

Theo lý thuyết truyền nhiệt thì:

q1 = α.(tk – tư) (2.18)

q2 = qm.r (2.19)

Trong đó: α là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên (W/m2.K).

qm là cường độ bay hơi (kg/m2s).

r là nhiệt ẩm hoá hơi.

Cường độ bay hơi có thể tính gần đúng theo công thức Danton:

qm = αm.(pm – pa).760p

(2.20)

Trong đó: αm là hệ số bay hơi (kg/m2.s.bar).

pm là phân áp suất bão hoà ứng với nhiệt độ nhiệt kế ướt.

pa là phân áp suất của hơi nước trong không khí ẩm.

p là áp suất khí trời nơi ta xác định độ ẩm tương đối.

Nếu áp suất khí trời p được bằng bar thì công thức trên được viết lại

như sau:

qm = αm.(pm - pa).1,013

p (2.21)

Thay các công thức (2.18), (2.19), (2.20) và (2.21) vào công thức (2.17) ta

được:

pm – pa = ααm.1,013.r

.p.(tk – tư) = A.p.(tk - tư) (2.22)

- 27 -

Trong đó:

A = ααm.1.013.r

Hệ số A gọi là hệ số ẩm kế và phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt α và hệ

số bay hơi αm. Các hệ số này lại phụ thuộc vào tốc độ chuyển động tự nhiên của

không khí. Như vậy, có thể xem A = f(v).

Thực nghiệm cho thấy khi tốc độ không khí v < 0,5 (m/s) thì A = 66.10-5

và khi v ≥ 0,5 (m/s) thì hệ số A xác định theo công thức:

A = (65+ 6,75v

).10-5 (2.23)

Từ (2.21) ta thấy:

pa = pm – A.p.(tk – tư) (2.24)

Thay pa vào (2.12) ta có công thức xác định độ ẩm tương đối của không

khí theo áp suất bão hoà pb và độ chênh nhiệt (tk – tư):

φ = m

b b

P A.pP P

− .(tk – tư) (2.25)

Trong (2.25), pm và pb đều là áp suất bão hoà nhưng pm là áp suất bão hoà

ứng với nhiệt độ nhiệt kế ướt tư còn pb là áp suất bão hoà ứng với nhiệt độ nhiệt

kế khô tk. Như vậy, kết hợp (2.15) hay (2.16) và (2.25) chúng ta có thể hoàn toàn

xác định được độ ẩm tương đối của không khí khi biết nhiệt độ nhiệt kế khô tk và

nhiệt độ nhiệt kế ướt tư.

Tuy nhiên, việc sử dụng các nhiệt kế dạng thuỷ ngân hay dạng nhiệt kế

rượu thì không thể lấy tín hiệu đi điều khiển được. Vì vậy trong đồ án này, để đo

nhiệt độ chúng tôi dùng các cảm biến đo nhiệt độ cho tín hiệu ra là điện áp hoặc

dòng điện để dùng xử lý và tính toán độ ẩm tương đối của không khí.

- 28 -

2.2.4. Cảm biến tốc độ

Để điều khiển được tốc độ gió của hỗn hợp dòng khí ta cần phải biết được

tốc độ thực tại của nó trong quá trình thực hiện thí nghiệm quá trình sấy. Mặt

khác việc đo đạc vận tốc dòng khí là tương đối phức tạp. Vì vậy để đo và điều

khiển được vận tốc hỗn hợp dòng khí trong đồ án này, chúng tôi sẽ đo và điều

khiển thông qua tốc độ quay của động cơ. Như vậy bài toán đặt ra để đo và điều

khiển tốc độ gió(vận tốc) trở thành việc đo và điều khiển tốc độ quay của động

cơ.

Việc đo tốc độ động cơ từ trước cho đến nay có rất nhiều các phương pháp

khác nhau mỗi một phương pháp có các ưu và nhược điểm khác nhau sau đây ta

sẽ giới thiệu hai phương pháp đo thường được dùng phổ biến.

+ Phương pháp đo dựa trên định luật Faraday

dedtφ= − (2.26)

Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dφ

trong khoảng thời gian dt. Từ thông đi qua một mạch là một hàm số có dạng:

0(x) = (x).F(x)φ φ (2.27)

Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí theo

góc quay.

Mọi sự thay đổi giữa nguồn từ thông (phần cảm) và mạch có từ thông đi

qua (phần ứng) sẽ làm suất hiện trong mạch một suất điện động có biên độ tỷ lệ

với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng tín hiệu trong nó tín hiệu

ra của cảm biến.

0dF(x) dxe

dx dtφ= − (2.28)

Các loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý này gọi là tốc độ kế vòng

loại điện từ. Đặc trưng là tốc độ kế dòng 1chiều(máy phát dòng một chiều), tốc

độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ, và không đồng bộ).

- 29 -

* Tốc độ kế dòng một chiều.

Các phần tử cấu tạo cơ bản của một tốc độ kế dòng một chiều được biểu

diễn trên Hình 2.3.

Hình 2.3. Tốc độ kế một chiều

Stato là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu có hai cực nam và

bắc nằm phía ngoài cùng.

Roto gồm một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại và quay giữa các cực của

stato. Mặt chu vi của roto có khắc các rãnh song song với trục và cách đều nhau,

tổng các rãnh là một số chẵn (n = 2k). Trong mỗi rãnh có đặt một dây dẫn bằng

đồng, gọi là dây chính. Chúng được nối với nhau từng đôi bằng các dây phụ ở

hai đầu theo đường kính trục.

Cực góp là một hình trụ đồng trục với roto nhưng có bán kính nhỏ hơn.

Trên bề mặt cực góp có các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá được nối với một

dây đồng chính của roto.

Hai chổi quét được áp sát vào cực góp sao cho ở mọi thời điểm chúng luôn

luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau. Hai chổi này được đặt dọc theo

đường trung tính vuông góc với hướng trung bình của từ trường để nhận được

suất điện động là lớn nhất

Dưới đây sẽ tính suất điện động cho một dây dẫn chính, dây thứ j. Khi dây

quay quanh trục trong từ trường, ở hai đầu dây xuất hiện một suất điện động ej:

jj

de

dtφ

= − (2.29)

- 30 -

dΦj là từ thông mà dây cắt trong khoảng dt

c cj j jNd =ds .dB =ds .Bφuuruur

(2.30)

Trong đó dsc là tiết diện bị cắt trong khoảng thời gian dt, Bj là thành phần

Bur

vuông góc với dsc. Tiết diện bị cắt được tính bởi tích số:

dsc = l.v.dt (2.31)

với l là chiều dài dây dẫn và v là vận tốc dài của nó.

v = ω.r (2.31)

ω, r tương ứng là vận tốc góc và bán kính của roto. Cuối cùng biểu thức tính suất

điện động của một dây dẫn là:

ej = -ω.r.l.BjN (2.32)

Với dây dẫn phía đối diện, theo nguyên lý đối xứng, suất điện động của nó

sẽ là:

ej’ = ω.r.l.BjN (2.33)

Sau khi tính toán, biểu thức của suất điện động ứng với một nửa số dây ở

bên phải đường trung tính sẽ là:

r o o= -ωE .n. N.n.2π

φ φ= − (2.34)

Trong đó N là số vòng quay trong một dây, n là tổng số dây chính trên

roto Φ0 là từ thông suất phát từ cực nam châm. Với nửa số dây bên trái:

r o oωE = .n. =N.n.2π

φ φ (2.35)

Nguyên tắc cuộn dây là nối 2k dây với nhau thành hai cụm sao cho mỗi

cụm có k dây mắc nối tiếp với nhau, còn hai cụm mắc ngược pha nhau, mỗi cụm

cho một sức điện động E:

o oωE = .n. = N.n.2π

φ φ (2.36)

Suất điện động này được đưa ra mạch ngoài bằng cách dùng hai chổi quét.

Sức điện động này tỷ lệ với vân tốc góc ω.

- 31 -

* Tốc độ kế dòng xoay chiều

+ Máy phát đồng bộ

Hình 2.4. Máy phát đồng bộ

Cả hai loại máy phát đồng bộ và không đồng bộ đều có cấu tạo gần như

nhau và chúng cũng làm việc dựa trên định luật Faraday. Chỉ khác dòng điện ra

là dòng xoay chiều nên để xác định biên độ cần có thêm mạch chỉnh lưu và lọc

tín hiệu. Do giới hạn của đề tài nên không nêu chi tiết về máy phát đồng bộ.

+ Phương pháp đo dựa vào tần số của vật cần đo tốc độ

Việc đo tốc độ của động cơ có thể xác định bằng cách đo tần số. Để xác

định được tần số của vật quay người ta có nhiều phương pháp đo khác nhau.

Trong đó phổ biến là việc đo bằng cách xác định tần số xung điện.

Tiêu biểu đặc trưng cho phương pháp này là các loại tốc độ kế xung.

Trong tốc độ kế xung đo tốc độ quay, vật trung gian thường dùng là đĩa được

chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu hiệu

đặc trưng như lỗ, đường vát, răng, mặt phản xạ…

Một cảm biến thích hợp đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một

cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần như vậy nó cấp một

tín hiệu xung. Biểu thức của tấn số f của các tín hiệu xung này được viết dưới

dạng:

f = p.N (2.37)

Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu trên đĩa và N là số vòng quay

của đĩa trong một giây.

- 32 -

Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quan đến

bản chất của vật quay, cấu tạo của vật quay và các dấu hiệu trên nó. Thật vậy đối

với:

- Cảm biến từ trở biến thiên sử dụng khi vật quay là sắt từ.

- Cảm biến Hall hoặc cảm biến từ điện trở dùng trong trường hợp vật quay

là một hay nhiều nam châm, hoặc vật quay tạo thành màn chắn từ một cách tuần

hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến.

- Cảm biến quang cùng một nguồn sáng được dùng khi trên vật trung gian

quay có các lỗ, đường vát hoặc mặt phản xạ.

* Cảm biến từ trở biến thiên.

Trong cảm biến từ trở biến thiên, cuộn đo có lõi từ chịu tác động của từ

trường của một nam châm vĩnh cửu. Cuộn này đặt đối diện với một đĩa quay làm

bằng vật liệu từ sắt có khía răng hoặc bánh răng. Khi đĩa quay, từ trở của mạch

từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn làm xuất hiện trong cuộn dây một

suất điện động có tần số tỷ lệ với tốc độ quay Hình 2.5.

Hình 2.5. Nguyên lý cấu tạo của cảm biến từ trở

Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc vào hai yếu tố chủ

yếu:

- Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay, khoảng cách này chính là khe

từ. Khoảng cách này càng lớn thì biên độ càng nhỏ và ngược lại.

- 33 -

- Tốc độ quay về nguyên tắc biên độ của suất điện động tỷ lệ thuận với tốc

độ quay. Khi tốc độ quay lớn thì biên độ lớn và ngược lại.

* Tốc độ kế quang.

Tốc độ kế quang đơn giản nhất, gồm một nguồn sáng và một đầu thu

quang.

Vật quay phải có các vùng phản xạ được bố trí tuần hoàn trên một hình

tròn được chiếu bằng tia sáng, hoặc là vật được gắn với một đĩa có phần trong

suốt xen kẽ các phần chắn sáng đặt giữa nguồn sáng và đầu thu quang Hình 2.6.

Đầu thu quang nhận được một thông lượng biến điệu và nó phát tín hiệu

có tần số tỷ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ của tín hiệu này không phụ thuộc

vào ω.

Hình 2.6. Nguyên lý hoạt động của tốc độ kế quang

Phạm vi tốc độ đo phụ thuộc vào hai yếu tố:

- Số lượng lỗ trên đĩa quay.

- Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử.

Để đo tốc độ nhỏ cỡ 0,1vòng/phút, phải dùng đĩa có số lượng lỗ rất lớn cỡ

từ 500÷1000. Trong trường hợp cần đo tốc độ lớn cỡ 5 610 10÷ vòng/phút thì

phải sử dụng loại đĩa quay chỉ có một lỗ, khi đó chính tần số ngắt của mạch điện

là đại lượng xác định tốc độ cực đại Vmax có thể đo được.

Trong đề tài này việc chọn lựa cảm biến được dựa vào đặc điểm cấu tạo

của quạt và tín hiệu cần lấy ra. Hơn thế nữa việc xử lí tín hiệu ra của cảm biến

- 34 -

được thực hiện bằng vi điều khiển. Vì vậy mà chúng tôi đã lựa chọn loại cảm

biến để đo tốc độ là cảm biến quang, dựa trên nguyên lý thu, phát phản xạ bằng

led hồng ngoại.

+ Cảm biến quang

* Nguyên lý cấu tạo

- Khối tạo nguồn cung cấp nguồn nuôi cho toàn mạch gồm có cầu chỉnh

lưu D1 (2A) các tụ lọc và ICLM7805 để ổn nguồn 5V.

- Ba cặp thu phát hồng ngoại tương ứng với ba vị trí các quạt bố trí trên hệ

thống. Nhiệm vụ của của cặp thu phát này là cảm nhận được vị trí thay đổi của

tấm phản xạ gián trên quạt.

- Một ICLM324 là IC khuyếch đại thuật toán trong nó bao gồm 4 mạch so

sánh Hình 2.5.

Sử dụng để so sánh giữa tín hiệu đặt ở đầu vào không đảo và tín hiệu đo

được từ cảm biến đặt vào đầu đảo.

Hình 2.7. Cấu tạo ICLM324

- Một IC74HC04 là IC gồm 6 cổng NOT mục đích của việc đưa thêm

cổng NOT vào để tăng tính ổn định đồng thời thuận lợi cho việc đưa tín hiệu vào

vi xử lí.

Ngoài ra còn sử dụng một số các linh kiện khác như các biến trở dùng để

đặt các giá trị điện áp chuẩn. Các điện trở dùng để hạn chế dòng và các đèn led

để báo hiệu có tín hiệu hay không.

4

1

3

2

1 2 3 4 5 6 7

14 13 12 11 10 9 8

GND

+3 -

+

+ +

+

- 35 -

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang

+ Nguyên lý hoạt động

Để sử dụng đo được tốc độ quạt thì trên các quạt cần gián các tấm phản

xạ. Do tốc độ của quạt là tương đối cao vì thế mà ta chỉ gián một tấm để tạo nên

một vùng có tính phản xạ nhất định. Đặt các đầu thu phát cách các điểm gián tấm

phản xạ đó khoảng 5mm và các cặp thu phát được đặt song song với nhau.

Nguyên tắc thực hiện đo bằng việc so sánh hai điện áp ở hai đầu vào đảo

(U-) và không đảo (U+) của mạch so sánh. Nếu U+ > U- thì đầu ra Ura sẽ có mức

cao xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi. Ngược lại đầu ra sẽ có mức thấp.

- 36 -

Phần phát luôn luôn được cấp nguồn để phát ra tia hồng ngoại. Khi quạt

quay sẽ kéo theo tấm phản xạ đó quay theo. Khi tấm phản xạ này quay đến đối

diện phần phát thì tia hồng ngoại sẽ được phản xạ đến phần thu. Lúc này do tính

chất cấu tạo của phần thu khi có ánh sáng hồng ngoại chiếu vào điện trở của nó

giảm xuống rất nhanh và sự giảm này phụ thuộc vào cường độ phản xạ của phần

phát. Khi đó điểm nối đầu đảo của mạch so sánh sẽ gần như được nối đất U- ≈

0V. Điện áp này sẽ được so sánh với điện áp đặt vào đầu không đảo của mạch so

sánh . Giá trị điện áp đầu vào không đảo của mạch so sánh sẽ được đặt và điều

chỉnh bởi các biến trở ở đây đặt U+ ≈ 1,5V. Lúc này U+ > U- nên ở đầu ra so

sánh sẽ có một điện áp Ura ≈ 5V.

Ngược lại khi mà tấm phản xạ lệch khỏi vị trí đối diện với phần phát, lúc

này phần phản xạ sẽ rất nhỏ do cấu tạo của nền gián tấm phản xạ cho nên giá trị

điện trở của phần thu gần như bằng vô cùng. Vì vậy điện áp đặt vào đầu đảo của

mạch so sánh sẽ xấp xỉ bằng điện áp đặt vào hai đầu điện trở 10kΩ và xấp xỉ

bằng điện áp nguồn nuôi của nó U- ≈ 5V. Lúc này thì U+ < U- nên ở đầu ra sẽ có

mức thấp Ura ≈ 0V.

Như vậy mỗi lần tấm phản xạ đi qua cặp thu phát thì ở đầu ra mạch so

sánh sẽ cho ra một xung điện áp có biên độ xấp xỉ 5V và tần số phụ thuộc vào

tần số quạt được tính theo công thức.

f = p.N (2.30)

Ở đây p = 1, N = 2800 vòng/phút → f = 46 xung/giây

Vậy ứng với mỗi một xung là một vòng quay của động cơ. Nên việc đo

tốc độ động cơ bây giờ trở thành việc đếm số xung phát ra từ bộ cảm biến theo

quan hệ như công thức (2.30).

Mặt khác số xung này sẽ được đếm bằng vi điều khiển mà hầu hết các vi

điều khiển khi hoạt động đều tích cực ở mức thấp. Nên ở đầu ra của mạch so

sánh đều được cho qua các cổng NOT, dưới đây là sơ đồ cổng.

- 37 -

Hình 2.9. Sơ đồ cổng IC74HC04

Ở đây ta cần sử dụng 3 cảm biến để đo tốc độ ở 3 vị trí khác nhau trên hệ

thống. Với giới hạn đề tài này thì chỉ cần một cảm biến để đo tốc độ đầu ra cuối

cùng của hệ thống để đưa trở về đầu vào. Xong tốc độ được điều khiển thông qua

tốc độ động cơ. Hơn nữa động cơ được điều khiển bởi biến tần do vậy mà bộ

biến tần cần biết được tốc độ hiện tại để mà điều khiển. Chính vì vậy mà bản

thân hệ biến tần động cơ này cần có các cảm biến đo tốc độ.

2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG II

Với yêu cầu điều khiển cũng như mục đích của đề tài trong chương 2 ta đã

xây dựng được mô hình vật lý cho hệ thống thí nghiệm quá trình sấy. Đồng thời

tìm hiểu được các phương pháp đo nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ từ đó đã chế tạo

thành công một số các phần tử cảm biến tương ứng dùng cho hệ thống.

- 38 -

CHƯƠNG III

XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

3.1. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ DÒNG KHÍ

Để điều khiển tốc độ gió của hỗn hợp dòng khí ta sẽ tiến hành điều khiển

thông qua tốc độ của động cơ quạt. Tốc độ gió của hỗn hợp dòng khí sẽ tỉ lệ với

tốc độ quay của động cơ. Như vậy bài toán của ta qui về tự động điều khiển tốc

độ động cơ xoay chiều một pha.

Mục tiêu cơ bản của phương pháp tự động điều chỉnh tốc độ của động cơ

nhằm đảm bảo ổn định tốc độ của hỗn hợp dòng khí trong thí nghiệm quá trình

sấy. Với cách điều khiển này ta sẽ đảm bảo được yêu cầu của đại lượng điều

chỉnh là tốc độ không phụ thuộc vào các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh.

Động cơ chúng ta điều khiển ở đây là động cơ xoay chiều 1 pha ro to lồng

sóc. Các động cơ này được cấp điện từ các bộ biến đổi chúng là các bộ nghịch

lưu thyristor, các bộ biến tần thyristor, transitor, các bộ biến đổi xoay chiều

thyristor, bộ băm xung điện áp transitor và thyristor. Ở trong đề tài này chúng tôi

sử dụng chúng là các bộ biến tần transitor.

+ Chức năng của các bộ biến đổi này gồm hai chức năng

* Thứ nhất biến đổi năng lượng điện từ từ dạng này sang dạng khác thích

ứng với động cơ ta sử dụng là động cơ gì.

* Thứ hai bộ biến đổi còn mang thông tin điều khiển để điều khiển các

tham số đầu ra bộ biến đổi (như công suất, điện áp, dòng điện, tần số…). Tín

hiệu điều khiển được lấy ra từ bộ điều chỉnh. Các bộ điều chỉnh nhận tín hiệu sai

lệch về trạng thái làm việc của hệ thống thông qua so sánh giữa tín hiệu đặt và

tín hiệu đo lường các đại lượng ra của hệ thống. Tín hiệu sai lệch này qua bộ

điều chỉnh sẽ được khuyếch đại và tạo ra hàm chức năng để điều khiển sao cho

đảm bảo chất lượng động và tĩnh. Ở đây đại lượng ta cần điều chỉnh là tốc độ

động cơ. Để đảm bảo chất lượng của việc điều khiển nhằm nâng cao tính ổn định

- 39 -

tốc độ hỗn hợp dòng khí, ta sẽ tiến hành sử dụng nhiều mạch vòng điều khiển.

Cụ thể trong trường hợp này ta điều khiển hai mạch vòng tốc độ ở hai vị trí khác

nhau khác nhau nhưng tại cùng một thời điểm.

3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

Để điều chỉnh tốc độ của động cơ xoay chiều một pha người ta có nhiều

phương pháp khác nhau như:

+ Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp.

+ Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở mạch roto.

+ Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp.

+ Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng…

Ngoài các phương pháp trên còn có nhiều các phương pháp khác ở đây

không đề cập đến. Mặt khác do giới hạn của đề tài nên chúng tôi chỉ nêu qua ra

hai phương pháp tiêu biểu hiện nay thường được sử dụng. Đó là phương pháp

điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp và tần số nguồn cung cấp.

3.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn

Để điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ ta cần phải điều khiển thiết bị biến

đổi theo tín hiệu điều khiển đặt vào.

Với tần số không đổi thì mô men của động cơ tỉ lệ với bình phương điện

áp đặt vào stator.

Mth= Mt.U22 (3.1)

Với : 2

2th 2 2

n1 1

UM 2m (r r r )9,55

=+ +

(3.2)

Trong đó: Mth là mô men tới hạn của động cơ ứng với điện áp điều chỉnh.

U2 là điện áp ra của bộ biến đổi.

Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ xoay chiều 1 pha thường có độ trượt tới

hạn nhỏ nên phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách giảm điện áp

- 40 -

thường được thực hiện cùng với tăng điện trở phụ mạch roto để tăng độ trượt tới

hạn, do đó tăng được giải điều chỉnh lớn hơn.

Khi điện áp đặt vào động cơ giảm dẫn đến mô men tới hạn của các đặc

tính cơ giảm, trong khi đó tốc độ không tải lí tưởng ωo giữ nguyên. Nên khi giảm

tốc độ thì độ cứng đặc tính cơ giảm độ ổn định tốc độ động cơ kém đi.

3.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn

Từ biểu thức :

160fnp

= (3.3)

Trong đó : f1 là tần số nguồn cung cấp.

p là số đôi cực.

n là tốc độ quay của động cơ (vòng/phút).

Như vậy ta thấy khi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ, ta sẽ

thay đổi được tốc độ của động cơ.

Tần số càng cao tốc độ càng lớn và ngược lại. Nhưng bên cạnh đó khi thay

đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ thì sẽ kéo theo một số các thông số có

liên quan đến tần số như cảm kháng, do đó dẫn đến dòng điện từ thông …của

động cơ cũng thay đổi. Và sau đó là các đại lượng như độ trượt tới hạn, mô men

tới hạn cũng thay đổi theo. Chính vì vậy điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng

bộ một pha bằng phương pháp thay đổi tần số thường kèm theo điều chỉnh điện

áp, dòng điện hoặc từ thông của mạch stato. Khi giảm tần số đến xuống dưới

định mức thì cảm kháng của động cơ cũng giảm và dẫn đến dòng điện động cơ

tăng lên làm cho mô men tới hạn cũng tăng. Để tránh cho động cơ không bị quá

dòng phải đồng thời tiến hành giảm điện áp sao cho uf

= const. Vì vậy để phát

huy tối đa mọi khả năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độ bằng bộ biến tần thì

người ta phải điều chỉnh cả điện áp theo một hàm nào đó phù hợp với tải. Để

thực hiện được việc này ta có thể điều khiển nhờ các mạch phản hồi điện áp ứng

- 41 -

với một tần số cho trước nào đó. Trong đề tài này chúng tôi điều khiển tốc độ

động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số, và cơ cấu để thực hiện việc này là

biến tần.

3.3. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BẰNG BIẾN TẦN

3.3.1. Cấu trúc biến tần bán dẫn

Bộ biến tần (BBT) là thiết bị biến đổi năng lượng điện, từ tần số công

nghiệp 50Hz sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều. Bộ

biến tần được chia làm hai loại: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp(có khâu

trung gian một chiều).

Bộ biến tần trực tiếp thường được sử dụng ở hệ thống công suất cao.

Trong hệ thống này công suất thuộc loại nhỏ vì vậy chúng tôi sử dụng bộ biến

tần gián tiếp.

+ Bộ biến tần gián tiếp

Sơ đồ khối của bộ biến tần gián tiếp được thể hiện Hình 3.1.

Hình 3.1. Sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp

Điện áp xoay chiều có tần số công nghiệp 50Hz được chỉnh lưu thành

nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu(CL) không điều khiển hoặc có điều khiển, sau

đó được lọc và bộ nghịch lưu(NL) sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều có

tần số biến đổi cung cấp cho động cơ.

Bộ biến tần này sẽ đảm bảo được các yêu cầu sau:

- Có khả năng điều chỉnh tần số theo tốc độ giá trị đặt mong muốn.

- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở

không đổi trong vùng điều chỉnh mô men không đổi.

- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.

- 42 -

+ Phân loại biến tần gián tiếp.

Biến tần gián tiếp được chia làm ba loại chính.

* Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu

dùng diode Hình 3.2a.

Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng diode) có trị số

không đổi được lọc nhờ tụ điện có trị số khá lớn. Điện áp và tần số được điều

chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung(PWM). Các mạch nghịch lưu

bằng các transitor(BJT, MOSFEST, IGBT) được điều khiển theo nguyên lý

PWM đảm bảo cung cấp điện áp cho động cơ có dạng gần sin nhất.

* Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển

Hình 3.2b.

Hình 3.2. Sơ đồ các bộ biến tần gián tiếp

a. Biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng PWM và bộ chỉnh lưu diode.

b. Biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều

khiển.

c. Biến tần nghịch lưu nguồn dòng với bộ chỉnh lưu điều khiển.

Điện áp điều chỉnh nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển(thông thường bằng

thyristo hoặc transitor). Bộ nghịch lưu có chức năng điều chỉnh tần số động cơ,

dạng điện áp ra có dạng hình xung vuông.

- 43 -

* Bộ biến tần với nghịch lưu dòng điện và chỉnh lưu điều khiển dùng thyristor

Hình 3.2c.

Nguồn một chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng với bộ lọc là

cuộn kháng đủ lớn.

Trong đề tài này chúng tôi đã chọn giải pháp sử dụng biến tần nghịch lưu

nguồn áp dạng PWM và bộ chỉnh lưu diode.

3.3.2. Nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu

Xét mạch nghịch lưu một pha có sơ đồ khối.

Hình 3.3. Sơ đồ khối mạch nghịch lưu

Mạch nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ mạch chỉnh

lưu thành điện áp xoay chiều cần thiết để cung cấp cho động cơ về biên độ và tần

số. Việc điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số sẽ được điều khiển

thông qua thời gian đóng cắt các đèn bán dẫn. Ở mỗi nửa chu kỳ sẽ có hai đèn

thông cung cấp nguồn cho tải là động cơ. Mọi sự thay đổi của tải sẽ được cảm

biến tốc độ đo và đưa vào vi xử lí để xử lý tính toán, từ đó phát ra tín hiệu điều

khiển thời gian đóng cắt các đèn bán dẫn cho phù hợp với yêu cầu.

Để có thể ổn định được tốc độ của động cơ tức ổn định tốc độ hỗn hợp

dòng khí, thì bản thân cơ cấu thừa hành là bộ biến tần này phải đảm bảo được

mọi yêu cầu ổn định về tốc độ với mọi giá trị đặt đầu vào ứng với sự thay đổi

của đầu ra.

3.4. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐA VÒNG

Trong hệ thống tự động điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí người ta có

thể thực hiện điều khiển theo ba cách sau.

- 44 -

- Điều khiển vòng hở.

- Điều khiển vòng kín.

- Điều khiển đa vòng.

3.4.1. Hệ thống điều khiển vòng hở

Hệ thống hở bao gồm hai phần: Bộ điều khiển và đối tượng điều khiển.

Hình 3.4. Hệ thống điều khiển vòng hở

Tín hiệu vào hay vận tốc x(t) áp đặt vào bộ điều khiển, ngõ ra bộ điều

khiển là tín hiệu điều khiển u(t) để điều khiển đối tượng điều khiển sao cho biến

điều khiển là y(t) có giá trị như mong muốn. Trong trường hợp đơn giản, bộ điều

khiển có thể là mạch khuyếch đại, khớp nối cơ khí, mạch lọc hay các phần tử

khác tuỳ thuộc vào bản chất của hệ thống. Trong trường hợp phức tạp hơn, bộ

điều khiển có thể là một máy tính số như bộ vi xử lí. Do tính đơn giản và kinh tế

của hệ thống điều khiển vòng hở được ứng dụng nhiều trong điều kiện yêu cầu

chất lượng không đòi hỏi cao.

3.4.2. Hệ thống điều khiển vòng kín

Hình 3.5. Hệ thống điều khiển vòng kín

Hệ thống điều khiển vòng hở hoạt động không chính xác và không linh

hoạt do thiếu hồi tiếp từ ngõ ra về ngõ vào của hệ thống. Để duy trì sự điều khiển

chính xác, tín hiệu ra y(t) phải được lấy về so sánh với tín hiệu vào x(t) và tín

- 45 -

hiệu điều khiển u(t) tỷ lệ với sai lệch vào e(t) và ra phải được tác động đến đối

tượng để điều chỉnh sai lệch. Hệ thống với một hay nhiều đường hồi tiếp như vậy

gọi là hệ thống điều khiển vòng kín.

3.4.3. Hệ thống điều khiển đa vòng

Trên là hai phương pháp điều khiển hay được sử dụng trong các hệ thống

điều khiển tự động. Nhưng trong thực tế không chỉ có một vòng hồi tiếp đơn mà

với những yêu cầu khắt khao về điều khiển để đạt được chất lượng theo mong

muốn, người ta thường dùng nhiều vòng hồi tiếp từ ngõ ra trở về ngõ vào tạo ra

hệ thống đa vòng.

Điều khiển đa vòng là một phương pháp điều khiển mà sử dụng nhiều đơn

vòng lồng với đơn vòng khác để điều khiển một biến đầu ra của hệ thống điều

khiển.

Do cấu trúc đa vòng mang lại được những yêu cầu thiết yếu về phần cứng

lẫn phần mềm, nên được sử dụng để thành lập luật điều khiển cho những hệ có

yêu cầu điều khiển cao.

Trong điều khiển quá trình công nghiệp thì điều khiển đa vòng được ứng

dụng rộng rãi.

Trong bất kỳ một trường hợp nào để thiết kế hệ đa vòng, thì việc tìm hiểu

sự tương tác hay mối quan hệ tác động qua lại giữa các vòng phải được xem xét

kỹ lưỡng khi thực hiện điều khiển. Vì tính ổn định cũng như chất lượng yêu cầu

điều khiển. Nếu trong quá trình làm việc mối quan hệ giữa hai vòng có thể bị cắt

đứt thì biến điều khiển sẽ lập tức bị mất ổn định. Việc điều khiển đa vòng có thể

thực hiện điều khiển bền vững theo chu trình kín. Đây là điều mong muốn của hệ

điều khiển đa vòng.

Với phương pháp điều chỉnh đa vòng sẽ làm cho trực tuyến và tinh chỉnh

biến điều khiển một cách đáng kể.

- 46 -

Ở những thiết kế đơn vòng thì nhiều khi tổng hợp hệ thống điều khiển với

yêu cầu điều khiển đặt ra trước có thể không thực hiện được.

Trong hệ tự động điều chỉnh tốc độ gió cho hệ thống thí nghiệm quá trình

sấy. Để thực hiện điều khiển chúng tôi sử dụng phương pháp điều chỉnh đa vòng.

Mỗi một vòng trong hệ đa vòng sẽ tác dụng vào biến điều khiển 1 lần.

Hình 3.6. Hệ thống điều khiển đa vòng

Sơ đồ khối của hệ thống điều chỉnh đa vòng được sử dụng trong hệ thống

thí nghiệm này có dạng như Hình 3.6.

Từ sơ đồ khối trên ta thấy biến điều khiển y(t) phản ánh vận tốc ra của hệ

thống được điều khiển thông qua hai vòng lồng nhau.

Nguyên tắc thực hiện đa vòng của hệ thống như sau:

Giả sử hệ thống đang làm việc ở trạng thái ổn định với tốc độ hay lưu

lượng đặt mong muốn. Ngẫu nhiên có nhiễu tác động vào hệ thống làm cho trạng

thái của hệ thống lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu, và như vậy biến đầu ra là vận

tốc gió của hệ thống sẽ thay đổi có thể tăng hoặc giảm.

Nếu tốc độ gió đầu ra giảm thì bắt buộc cần phải tăng tốc độ quạt ở buồng

sấy sao cho tốc độ gió ra đạt yêu cầu mong muốn. Mặt khác khi tăng tốc quạt ở

buồng sấy thì sẽ kéo theo ảnh hưởng đến tốc độ gió trong buồng trộn. Tốc độ gió

trong buồng trộn chịu tác động của tốc độ quạt thổi từ buồng dẫn khí. Như vậy

từ thực tế ta có thể thấy nếu như cần tăng tốc độ động cơ quạt ở buồng sấy thì

cũng cần phải tăng tốc độ gió trong buồng trộn. Và ngược lại nếu như tốc độ gió

đầu ra tăng thì tốc độ quạt ở hai vị trí nói trên cần phải giảm. Tức biến điều khiển

là vận tốc dòng khí sẽ được điều khiển thông qua hai vòng đơn lồng nhau, và giá

- 47 -

trị vận tốc đầu ra sẽ được ổn định như mong muốn. Sở dĩ cần phải điều khiển cả

quạt thổi vào buồng trộn là vì tốc độ gió ở đây khi được đưa đến vật sấy cần phải

đảm bảo về chất lượng về nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ thổi qua vật sấy.Vì thế mà

hai vòng đơn điều khiển này phải có mối quan hệ mật thiết, tác động qua lại bổ

trợ lẫn nhau.

3.4.4. Phương pháp thực hiện điều khiển

Tổng quát một hệ thống điều khiển tự động bao gồm ba thành phần cơ bản

đó là đối tượng điều khiển, cảm biến hay thiết bị đo lường và bộ điều khiển dùng

để hiệu chỉnh các hành vi của hệ Hình 3.5.

Tín hiệu đầu ra bộ so sánh e(t) = x(t) - y(t) trong Hình 3.5 cũng chính là

tín hiệu vào của bộ điều khiển.

+ Các nguyên tắc điều khiển

• Nguyên tắc điều chỉnh

* Nguyên tắc san bằng sai lệch

Nguyên tắc điều chỉnh này thực hiện bằng cách san bằng sai lệch giữa giá

trị thực(kết quả hay đáp ứng ra hệ thống) và giá trị chuẩn cho trước. Các thiết bị

phục vụ cho mục đích này gọi là thiết bị điều chỉnh và bao giờ cũng phải dùng

hồi tiếp để so sánh với tín hiệu chuẩn ở đầu vào của hệ thống.

* Nguyên tắc bù trừ các nhiễu

Sử dụng các thiết bị bù trừ nhiễu để giảm ảnh hưởng của nhiễu là nguyên

nhân trực tiếp gây ra hậu quả mất ổn định cho hệ thống. Hệ thống điều khiển

theo nguyên tắc bù trừ nhiễu là hệ thống điều khiển vòng hở có sai số xác lập

không bằng zero.

* Nguyên tắc triệt tiêu các nhiễu

Đây là phương pháp điều chỉnh đơn giản nhất của nguyên tắc điều chỉnh,

thường thực hiện bằng cách cách ly hệ thống với môi trường. Các thiết bị đảm

nhiệm công việc này được áp dụng khá rộng rãi và được gọi dưới các tên khác

- 48 -

nhau như thiết bị đệm, thiết bị làm cô lập… Thực tế không phải lúc nào các thiết

bị này cũng mang đến hiệu quả cho hệ thống. Trong trường hợp đó phải sử dụng

hai nguyên tắc trên.

Nguyên tắc điều khiển

* Nguyên tắc thông tin phản hồi

Trong quá trình điều khiển tồn tại hai dòng thông tin một từ cơ quan chủ

quản đến đối tượng và một từ đối tượng đị ngược về cơ quan điều khiển, được

gọi là liên kết ngược hay hồi tiếp.

- Quá trình điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu.

Trên hình 3.7 tác động vào đối tượng là luật điều khiển u(t) theo nguyên

tắc bù nhiễu để đạt được đầu ra y(t) mong muốn, nhưng không quan sát tín hiệu

ra y(t). Về nguyên tắc, đối với hệ phức tạp thì điều khiển theo mạch hở với

nguyên tắc bù nhiễu không cho kết quả tốt.

Hình 3.7. Điều khiển bù nhiễu vòng hở

- Điều khiển theo sai lệch.

Hình 3.8. Điều khiển vòng kín theo sai lệch

- 49 -

Cơ quan điều khiển quan sát y(t), so sánh với định chuẩn mong muốn x(t)

để chọn luật điều khiển u(t). Nguyên tắc ở là đây điều chỉnh linh hoạt, loại sai

lệch, thử nghiệm và sửa. Đây là một nguyên tắc cơ bản trong điều khiển.

- Điều khiển phối hợp

Là phương pháp điều khiển kết hợp của hai nguyên tắc trên sơ đồ trên

Hình 3.9.

Hình 3.9. Nguyên tắc điều khiển phối hợp

* Nguyên tắc đa dạng tương xứng.

Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của cơ quan điều

khiển phải tương ứng với sự đa dạng của đối tượng điều khiển.

Tính đa dạng của cơ quan điều khiển có thể dùng để chế ngự đối tượng thể

hiện ở: khả năng thu thập thông tin, truyền tin, lưu trữ, phân tích xử lý, chọn

quyết định, tổ chức thực hiện.

* Nguyên tắc bổ sung ngoài

Một hệ thống điều khiển luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể

và có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đó. Trong điều kiện thừa nhận

nguyên tắc bổ sung ngoài sau: thừa nhận có một đối tượng chưa biết(hộp đen)

tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen.

* Nguyên tắc dự trữ

Vì nguyên tắc ba luôn coi thông tin chưa đầy đủ, vì thế mà để đề phòng

các bất chắc có thể xảy ra cho hệ thống điều khiển ta không được dùng toàn bộ

- 50 -

lực lượng trong điều kiện bình thường mà phải có một lượng dự trữ nhất định.

Vốn dự trữ này là không sử dụng, nhưng cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành

an toàn.

* Nguyên tắc phân cấp

Đối với hệ thống phức tạp cần xây dựng lớp điều khiển bổ sung cho vị trí

trung tâm, để khuyếch đại khả năng điều khiển. Phải tránh hai khuynh hướng

hình thức và phân cấp quá đáng, xử lý cho đúng nhiệm vụ và quyền hạn ở mỗi

cấp…

* Nguyên tắc cân bằng nội

Mỗi hệ thống cần được xây dựng với cơ chế cân bằng nội để có khả năng

tự giải quyết những biến động xảy ra.

+ Các loại điều khiển

• Điều khiển ổn định hoá

Mục tiêu điều khiển là kết quả đầu ra bằng đầu vào chuẩn x(t)= const với

sai lệch cho phép exl (sai lệch ở chế độ xác lập)

e(t) = x(t) - y(t) ≤ exl

Đặc biệt khi đầu ra hệ thống cần giữ là hằng số, ta có hệ thống điều chỉnh

hay hệ thống ổn định.

Điều khiển theo chương trình

Nếu hàm x(t) là một hàm định trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng ra của

hệ thống sao chép lại các giá trị tín hiệu x(t) thì ta có hệ thống điều khiển theo

chương trình. Ví dụ như điều khiển CNC, điều khiển tự động nhà máy xi măng

hoàng thạch, hệ thống thu thập và truyền số liệu hệ thống điện, quản lý vật tư

nhà máy…

Điều khiển theo dõi

Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống x(t) là một hàm không biết trước theo

thời gian, yêu cầu điều khiển đáp ứng ra y(t) luôn bám sát được x(t) ta có hệ

- 51 -

thống theo dõi. Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống

điều khiển vũ khí, hệ thống tàu lái, máy bay…

Điều khiển thích nghi

Tín hiệu vào x(t) chỉnh định lại tham số điều khiển sao cho thích nghi với

mọi biến động của môi trường ngoài.

Trong phạm vi đề tài này với hệ thống thí nghiệm đã xây dựng được, cùng

với yêu cầu đặt ra cho hệ thống điều chỉnh tốc độ gió. Thì để điều khiển và ổn

định tốc độ hỗn hợp dòng khí chúng tôi áp dụng phương pháp điều chỉnh đa

vòng nhằm đạt được yêu cầu mong muốn. Và đã sử dụng nguyên tắc điều khiển

sai lệch và ổn định hoá.

Đối tượng là hệ thống thí nghiệm quá trình sấy, trong đó biến điều khiển

là tốc độ hỗn hợp dòng khí. Ta sẽ điều khiển biến này thông qua điều khiển tốc

độ động cơ xoay chiều một pha. Lúc này thông số cần điều khiển là tốc độ quay

của động cơ. Do dòng khí khi được thổi từ ngoài qua hệ thống từ buồng trộn đến

buồng sấy sẽ qua các thiết bị và không gian chứa hỗn hợp khí vì thế mà tốc độ

hỗn hợp dòng khí sẽ thay đổi khi đến được đối tượng sấy. Vì thế các tín hiệu

điều khiển sẽ được đưa đến đồng thời hai đầu vào là các giá trị đặt cho hai bộ

biến tần ở hai vị trí khác nhau nhưng cùng một thời điểm.

3.5. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC

Đối với hệ thống thí nghiệm quá trình sấy, thì việc điều khiển tốc độ hỗn

hợp dòng khí là đơn kênh tức chỉ có một biến đầu vào và một biến đầu ra.

Hình 3.10. Sơ đồ khối vào ra của hệ thống

Trong đó: Vv là vận tốc hỗn hợp dòng khí ở đầu vào.

- 52 -

Vr là vận tốc hỗn hợp dòng khí ở đầu ra.

Để xác định được mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra chúng ta thực hiện

bằng thực nghiệm. Tức đi tìm phương trình trạng thái hay hàm truyền của chúng

đây là cơ sở cho việc xây dựng sơ đồ cấu trúc cho hệ thống. Từ sơ đồ cấu trúc

chúng ta sẽ thấy được quá trình làm việc của hệ.

Hình 3.11. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống

Trên đây là sơ đồ cấu trúc cụ thể của hệ thống điều khiển tốc độ hỗn hợp

dòng khí trong quá trình thí nghiệm sấy.

Trong đó R1, R2 là hai bộ điều khiển ở hai vòng khác nhau nhưng chúng có

mối quan hệ tác động qua lại lẫn nhau. Nhờ sự kết hợp điều khiển hai vòng mà

độ chính xác và ổn định trong quá trình làm việc của hệ thống được nâng cao.

Chúng là các bộ PID số được xây dựng trên nền vi điều khiển 8051.

R11, R22 là các bộ điều khiển chúng đóng vai trò là cơ cấu chấp hành trực

tiếp tác động vào đối tượng (động cơ) đó là các bộ biến tần.

W11, W22 là các hàm truyền của phần tử trong hệ thống chúng bao gồm

toàn bộ ống dẫn hỗn hợp khí + động cơ quạt + cảm biến, và buồng sấy.

Trên sơ đồ cấu trúc trên Vd là giá trị tốc độ đặt ban đầu mà người làm thí

nghiệm đặt. Khi đó ở đầu ra của hệ thống ta sẽ có giá trị vận tốc mong muốn Vra.

Vận tốc ra này sẽ được cảm biến đo và tạo tín hiệu phản hồi về đầu vào để so

sánh với tín hiệu đặt. Nếu có sự sai lệch giữa hai giá trị này thì đầu ra của bộ

điều khiển sẽ tạo ra một tín hiệu điều khiển. Đây chính là tín hiệu đặt vào các bộ

biến tần để điều khiển động cơ sao cho giá trị vận tốc đầu ra luôn bám sát giá trị

đặt đầu vào. Mặt khác trên sơ đồ cấu trúc ta thấy việc điều khiển thực hiện thông

- 53 -

qua hai vòng lồng nhau. Như vậy tín hiệu ra sau khối W11 sẽ chính là tín hiệu đặt

cho bộ điều khiển R2.

Việc điều khiển đa vòng như vậy sẽ đem lại cho hệ thống tính ổn định và

chính xác cao.

Xong trên thực tế để xác định mô tả động học cho từng đối tượng riêng lẻ

là rất khó thực hiện. Hơn thế nữa nếu xác định được thì khi tổng hợp hàm truyền

của hệ thống sẽ có bậc rất cao. Điều này gây ảnh hưởng rất lớn cho việc khảo sát

hệ thống, và có thể sẽ không tổng hợp được. Vì thế để tự động điều khiển tốc độ

hỗn hợp dòng khí trong thí nghiệm quá trình sấy của hệ thống. Ta sẽ đi khảo sát

bằng thực nghiệm toàn bộ hệ thống để xác định hàm truyền của đối tượng.

Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống như sau.

Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc hệ

Trong đó: R là bộ điều chỉnh.

S là đối tượng điều khiển (hệ thống thí nghiệm quá trình sấy).

Vd là giá trị đặt ban đầu.

E là sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo.

U là tín hiệu điều khiển.

Vr là tín hiệu ra.

Như vậy ta sẽ phải khảo sát bằng thực nghiệm để tìm ra hàm truyền của

đối tượng. Việc này được thực hiện thông qua bước tiếp theo của nội dung đề tài

là tổng hợp hệ thống điều khiển ở chương 4.

- 54 -

3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Trong chương này đã giải quyết được một số nội dung tiếp theo của đề tài,

đưa ra được một số các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một

pha. Từ đó lựa chọn thiết bị để điều khiển chúng cho phù hợp là các bộ biến tần.

Áp dụng các nguyên tắc điều chỉnh, điều khiển khiển cho hệ thống thí

nghiệm. Đặc biệt đã lựa chọn phương pháp điều chỉnh đa vòng cho hệ điều khiển

tốc độ gió, để xây dựng được sơ đồ cấu trúc cho hệ thống.

- 55 -

CHƯƠNG IV

TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Để khảo sát thí nghiệm quá trình sấy ta phải điều chỉnh tốc độ hỗn hợp

dòng khí. Vì vậy nhiệm vụ đầu tiên là phải tổng hợp hệ thống điều chỉnh tốc độ

gió. Muốn làm được điều đó ta thực hiện theo các bước sau: Xác định đặc tính

động học của đối tượng(nhận dạng), xác định các thông số của bộ điều chỉnh, và

cuối cùng là khảo sát hệ thống.

4.1. NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

Với một bài toán điều khiển cụ thể trước khi bước vào xây dựng thuật toán

điều khiển cho đối tượng. Hay nói cách khác là tìm cách điều khiển nó thì bước

đầu tiên là phải tìm hiểu xây dựng mô tả toán học cho đối tượng. Để thực hiện

được mục đích này ta có các phương pháp nhận dạng đối tượng điều khiển. Đối

tượng điều khiển ở đây có thể là một thiết bị cụ thể như động cơ, máy nén khí…

hay cả một hệ thống phức tạp cần điều khiển.

4.1.1. Những vấn đề chung về nhận dạng hệ thống điều khiển

Nhận dạng hệ thống là xây dựng mô hình toán học của hệ thống dựa trên

các thực nghiệm đo được. Quá trình nhận dạng là quá trình hiệu chỉnh các tham

số của mô hình sao cho tín hiệu ra của mô hình tiến trùng với tín hiệu đo của hệ

thống.

Để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống, người ta có hai phương pháp

lý thuyết và thực nghiệm

Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên các định

luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên

ngoài của hệ thống. Các quan hệ này được mô tả theo định luật vật lý như định

luật Newton, định luật cân bằng…dưới dạng những phương trình toán học.

Phương pháp thực nghiệm được thực hiện trong trường hợp, mà ở đó sự

hiểu biết về những qui luật giao tiếp bên trong hệ thống, cùng với mối quan hệ

- 56 -

giữa hệ thống với môi trường bên ngoài không đầy đủ để có thể xây dựng được

một mô hình hoàn chỉnh. Nhưng ít nhất từ đó có thể cho biết các thông tin ban

đầu về dạng mô hình để khoanh vùng. Hay tập hợp lớp các mô hình thích hợp

cho hệ thống. Thì ta phải áp dụng phương pháp thực nghiệm để xây dựng mô

hình cho hệ thống. Bằng cách tìm một mô hình thuộc lớp mô hình thích hợp đó

trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào ra, sao cho sai lệch giữa nó với hệ thống so

với mô hình khác là nhỏ nhất.

Trong điều khiển nhận dạng là một khâu quan trọng nó quyết định đến

chất lượng và hiệu quả của việc điều khiển sau này, nhằm xây dựng mô hình

toán học cho đối tượng. Một số đối tượng quen thuộc như các loại động cơ, máy

biến áp, máy phát điện, mạch khuyếch đại, mạch tích phân, vi phân…đã được

nghiên cứu kỹ bằng phương pháp giải tích. Nên mô hình toán học của chúng

dưới dạng hàm truyền thường có thể tra cứu được trong cẩm nang kỹ thuật.

Trong thực tế có nhiều đối tượng có cấu tạo phức tạp và không có sẵn mô hình

toán học cho trước vì vậy cần phải làm thực nghiệm để nhận dạng tham số mô

hình. Có nhiều cách phân loại phương pháp nhận dạng: Nhận dạng từ mô hình

không tham số như từ hàm quá độ h(t), nhận dạng tham số từ mô hình AR, MA,

ARMA…

Theo cách quan sát tín hiệu vào ra người ta phân ra phương pháp nhận

dạng chủ động và bị động. Nếu đối tượng có thể tách rời khỏi hệ thống ta có thể

tiến hành nhận dạng ngoại tuyến bằng phương pháp chủ động có nghĩa là chọn

tín hiệu vào x(t) như tín hiệu nhảy cấp, ngẫu nhiên, lúc này chỉ cần đo tín hiệu ra

y(t) mà thôi, như vậy bài toán nhận dạng sẽ đơn giản. Trong trường hợp đối

tượng không thể tách rời khỏi hệ thống người ta phải đồng thời quan sát cả tín

hiệu vào lẫn tín hiệu ra tức là phải tiến hành nhận dạng trực tuyến. Phương pháp

nhận dạng loại này gọi là phương pháp nhận dạng bị động. Phương pháp nhận

dạng trực tuyến đặc biệt quan trọng đối với hệ điều khiển thích nghi, trong đó

- 57 -

phải nhận dạng trực tuyến tham số của đối tượng để hiệu chỉnh lại tham số của

bộ điều khiển.

Trong điều khiển có hai phương pháp nhận dạng chính thường được dùng

đó là nhận dạng không tham số và nhận dạng tham số.

+ Nhận dạng không tham số là phương pháp nhận dạng mà mô hình để

nhận dạng là các đường cong quá độ hoặc các hàm mà véc tơ tham số không

nhất thiết phải có kích thước hữu hạn. Nhận dạng không tham số thường dùng

các phương pháp sau đây:

- Phân tích hàm quá độ h(t), hàm này nhận được ở đầu ra của hệ thống khi

đầu vào là hàm bậc thang đơn vị 1(t).

- Phân tích tần số, đối với hệ thống tuyến tính ổn định khi tín hiệu vào là

hàm sin thì tín hiệu ra cũng là hình sin. Bằng cách thay đổi biên độ và pha của

tín hiệu vào ta thu được đáp ứng ra có tần số thay đổi.

- Phân tích hàm tương quan, tín hiệu vào là nhiễu trắng, tín hiệu ra là hàm

tương quan.

- Phân tích phổ, với tín hiệu vào tuỳ ý người ta phân tích phổ của tín hiệu

vào và tín hiệu ra.

+ Nhận dạng tham số là phương pháp nhận dạng chủ động. Người ta đưa

vào hệ thống tín hiệu vào xác định u(t), sau đó đo tín hiệu ra y(t). Người ta mô tả

hệ thống bằng một mô hình tham số và dùng phương pháp bình phương tối thiểu

để hiệu chỉnh sao cho đánh giá của véc tơ tham số trùng với véc tơ tín hiệu ra

của hệ thống. Ngày nay, nhận dạng tham số được ứng dụng rất rộng dãi nhất là

trong điều khiển số. Nhận dạng tham số dùng để nhận dạng các hệ thống phức

tạp, trong trường hợp này hệ thống được gọi là “Hộp đen”. Vì vậy phương pháp

nhận dạng tham số còn có tên là nhận dạng hộp đen.

Do trong đề tài này đối tượng của chúng tôi là cả hệ thống thí nghiệm quá

trình sấy. Đây là một đối tượng tương đối phức tạp, mà ở đó sự hiểu biết giữa

- 58 -

các mối quan hệ vật lý bên trong và bên ngoài không rõ dàng. Nên để xây dựng

mô hình toán học cho hệ thống, chúng tôi sử dụng phương pháp nhận dạng bằng

thực nghiệm. Vì thế, sau đây chúng tôi chỉ giới thiệu phương pháp xây dựng mô

hình toán học cho hệ thống bằng phương pháp thực nghiệm.

4.1.2. Nhận dạng đối tượng bằng thực nghiệm

+ Phương pháp nhận dạng

Đối tượng có hai loại cơ bản là đối tượng có tính tự cân bằng và đối tượng

không tự cân bằng, nên sẽ có hai thuật toán để xác định hàm truyền.

Do giới hạn của đề tài nên ở đây ta chỉ xét đối tượng có tính tự cân bằng

và phương pháp xác định hàm truyền tương ứng.

Tính tự cân bằng là khả năng của đối tượng sau khi có nhiễu tác động phá

vỡ trạng thái cân bằng thì nó sẽ tự hiệu chỉnh để trở lại trạng thái cân bằng mà

không có sự tác động từ bên ngoài, đối tượng tự cân bằng được gọi là đối tượng

tĩnh.

Đường quá độ của đối tượng tự cân bằng được biểu diễn ở Hình 4.1.

Hình 4.1. Đường cong quá độ của đối tượng tự cân bằng

Để xác định đặc tính động học của đối tượng điều khiển, trong trường hợp

này, ta sử dụng phương pháp thực nghiệm chủ động bằng cách đặt ở đầu vào đối

tượng một nhiễu bậc thang và ghi lại phản ứng của nó ở đầu ra. Dựa vào phản

ứng này ta có thể xác định được hàm truyền của đối tượng.

- 59 -

Dạng tổng quát hàm truyền của đối tượng có tính tự cân bằng được mô tả

như sau:

oodt

-τ sW = W (s).e

Trong đó τo được gọi là thời gian trễ vận chuyển nó là khoảng thời gian

kể từ thời điểm phát tín hiệu vào cho đến thời điểm tín hiệu ra bắt đầu thay đổi.

Nhiệm vụ của ta ở đây là phải xác định hàm truyền Wo(s). Chuyển trục tung sang

toạ độ t = τo ta sẽ nhận được đường quá độ h1(t) trong hệ toạ độ mới, h1(t) chính

là đường quá độ của phần tử có hàm truyền đạt là Wo(s).

Tổng quát hàm truyền đạt của đối tượng được xác định bởi: m m 1

o 1 m 1o n n 1

o 1 n 1

b s b s ... b s 1W (s)a s a s ... a s 1

−−

−−

+ + + +=

+ + + + (n > m)

Xong thông thường trong thực tế khâu tĩnh có đường quá độ như h1(t) có

hàm truyền đạt lấy gần đúng ở một trong các dạng sau:

+ Khâu quán tính bậc nhất:

dto

KW (s)

1 Ts=

+

+ Khâu quán tính bậc nhất có trễ:

dto

τsK .eW (s)

1 Ts

−=

+

+ Khâu quán tính bậc hai:

dto

1 2

KW (s)

(1 T s)(1 T s)=

+ +

+ Khâu quán tính bậc hai có trễ:

dto

1 2

τsK .eW (s)

(1 T s)(1 T s)

−=

+ +

Việc chọn hàm truyền đạt của đối tượng xác định theo các bước sau:

- 60 -

* Xây dựng hàm so chuẩn σ(t) từ đường quá độ h1(t).

1

1

h (t)σ(t)h ( )

=∞

Với h1(∞) là trị số xác lập của h1(t).

- Xác định t7 sao cho σ(t7) = 0,7

- Xác định t3 = t7/3 từ đó xác định σ(t3)

+ Nếu σ(t3) > 0,31 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc nhất

có trễ.

dto

τsK .eW (s)

1 Ts

−=

+

+ Nếu 0,195 ≤ σ(t3) ≤ 0,31 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính

bậc hai.

dto

1 2

KW (s)

(1 T s)(1 T s)=

+ +

+ Nếu σ(t3) ≤ 0,195 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc hai

có trễ.

dto

1 2

τsK .eW (s)

(1 T s)(1 T s)

−=

+ +

Hệ số truyền của đối tượng được xác định theo công thức:

dth( )K

A∞=

A – Biên độ của xung bậc thang

Các giá trị thời gian τ, T, T1, T2 có các thuật toán xác định gần đúng dựa

trên đường quá độ h1(t). Trong phần này sẽ không nêu ra tất cả các phương pháp

đó mà chỉ trường hợp cụ thể của đối tượng điều khiển được nghiên cứu trong đề

tài này là hệ thống thí nghiệm.

Mặt khác do điều kiện phòng thí nghiệm thiếu thốn về trang thiết bị đo đạc

tốc độ gió, nên để tiến hành làm thực nghiệm xác định hàm truyền là hết sức

- 61 -

khó. Vì vậy sau đây chúng tôi chỉ nêu ra được cơ sở lý thuyết của phương pháp

sẽ thực hiện làm thực nghiệm.

+ Xác định mô tả động học

- Bước 1: Xác định đường quá độ h(t) bằng thực nghiệm.

Trước hết khởi động đồng thời các bộ phận trong hệ thống thí nghiệm sấy

như bộ phận tạo nhiệt, tạo ẩm. Sau đó đặt một điện áp có tần số nhất định vào

động cơ quạt là U = 220V, f = 50Hz, tương ứng với tốc độ đặt đầu vào là lớn

nhất. Đồng thời cùng lúc đó khởi động máy ghi để ghi lại sự thay đổi của tốc độ

hỗn hợp dòng khí sấy ở đầu ra hệ thống. Sử dụng tốc độ kế để đo vận tốc đầu ra.

Ta sẽ dừng việc lấy kết quả khi nào hệ thống ở trạng thái ổn định.

- Bước 2: Chọn dạng hàm truyền đạt

Theo đồ thị xác định được giá trị thời gian trễ vận chuyển kéo dài là

khoảng thời gian tính từ gốc toạ độ đền thời điểm bắt đầu có phản ứng đầu ra của

hệ thống.

Trừ thời gian vận chuyển phần còn lại của đường h(t) là h1(t). Từ đồ thị

ta đi xác định các giá trị h1(∞)→ 0,7h1(∞) = h1(t7) biết được giá trị của h1(t7) từ

đồ thị ta suy ra được giá trị t7.

Chuyển đổi ngược hàm truyền đạt sang miền thời gian ta được hàm chuẩn

σ(t).

+ Xác định σ(t3)

Ta sẽ đi xác định t3 bằng các công thức sau đây:

t3 = t7/3 → h1(t3)

Suy ra σ(t3) = 3h(t )h( )∞

Sau đó ta so sánh giá trị σ(t3) với 0,31 và 0,195. Khi đó hàm truyền đạt

của đối tượng sẽ được chọn tuỳ thuộc vào kết quả so sánh của σ(t3) với 0,31 và

0,195.

- 62 -

- Bước 3: Xác định các thông số của hàm truyền đạt.

Để thuận tiện cho việc tính toán tiếp theo ta ghép toàn bộ mạch điều khiển

tần số vào với cơ cấu chấp hành là biến tần cùng động cơ để tạo thành đối tượng

điều chỉnh. Tín hiệu vào của mạch điều khiển biến tần là tần số của xung 0 – 5V,

tương ứng với tần số cấp cho động cơ 0 – 50Hz, và tốc độ hỗn hợp dòng khí sẽ là

0 – 1m/s.

+ Xác định hệ số khuyếch đại K, hằng số thời gian T và trễ dung lượng τ.

Tuỳ thuộc vào dạng của hàm truyền đạt tìm được ở phần trên mà việc xác

định các tham số của đối tượng cũng khác nhau. Sau đây ta nêu ra một vài

phương pháp thực hiện xác định các tham số của các đối tượng quen thuộc.

* Nếu đối tượng là khâu quán tính bậc nhất

- Kẻ đường tiếp tuyến với h(t) tại t = 0.

- Xác định giao điểm của tiếp tuyến với đường K = h(∞).

- Để thuận lợi cho việc kẻ tiếp tuyến được chính xác ta tìm điểm trên

đường quá độ có tung độ h(t) = 0,632K.

- Hoành độ giao điểm của điểm vừa xác định được chính là hằng số thời

gian T.

* Nếu đối tượng là bậc nhất có trễ

Cách xác định tương tự như trên chỉ khác tiếp tuyến được kẻ xuất phát tại

điểm có t = τ ( τ là thời gian trễ).

* Đối tượng thuộc khâu quán tính tích phân bậc nhất

- Kẻ đường tiệm cận htc(t) với h1(t) tại t = ∞.

- Xác định T là giao điểm của htc(t) với trục thời gian t.

- Xác định góc nghiêng α của htc(t) với trục hoành rồi tính K = tgα.

* Đối tượng là khâu quán tính bậc n

- Dựng đường tiệm cận htc(t) với h(t).

- Xác định góc nghiêng α của htc(t) và tính K = tgα.

- 63 -

- Xác định giao điểm của htc(t) với trục hoành và tính tcTT=n

Ngoài các đối tượng nêu trên, còn một số đối tượng nữa không nói đến và

các phương pháp nêu trên chỉ là hướng thực hiện cách xác định các tham số cho

đối tượng chứ chưa đưa ra cách tìm cụ thể.

- Bước 4: Khảo sát độ chính xác hàm truyền tìm được

Với hàm truyền tìm được ở trên bằng cách khảo sát bằng simulink với đầu

vào là hàm 1(t) và quan sát tín hiệu đầu ra ta nhận được đường cong lý thuyết.

So sánh giữa hai đường quá độ của hàm tìm thực nghiệm và theo lý thuyết

tìm được, sau đó tính sai số bình phương giữa hai đường h1(t) và hlt(t) theo công

thức: n 2

1lti=1[h (t)-h (t)]

σ = (n-1)

∑

Cách xác định sai số bình phương được thực hiện bằng việc tính tổng bình

phương hiệu các tung độ tại các điểm có tung độ khác nhau và chia trung bình,

sau đó lấy căn bậc hai ta sẽ được sai số cần tìm. Trong phần trên chỉ viết công

thức. Từ đó đánh giá được độ chính xác của hàm truyền tìm được thông qua giá

trị sai số.

4.2. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH

4.2.1. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển kinh điển

Sau khi đã xác định và xây dựng được mô hình toán học của đối tượng thì

việc tiếp theo tổng hợp hệ thống là tổng hợp bộ điều chỉnh.

Việc tổng hợp bộ điều chỉnh với mục đích can thiệp vào đối tượng nhằm

đạt được chất lượng mong muốn và đảm bảo quá trình công nghệ.

Trong phần này chúng tôi giới thiệu phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh

PID. Bộ điều chỉnh PID bao gồm ba thành phần: khuyếch đại tỷ lệ P, tích phân I

và vi phân D.

- 64 -

Phương trình thời gian mô tả bộ điều chỉnh PID:

u(t) = Kp[e(t) + i

1T∫e(t)dt + TD

de(t)dt

]

Với: Kp hệ số khuyếch đại tỉ lệ.

Ti hằng số thời gian tích phân.

TD hằng số thời gian vi phân.

e(t) tín hiệu vào bộ điều chỉnh.

u(t) tín hiệu ra bộ điều chỉnh.

Hình 4.4. Hệ thống điều khiển tự động

Bộ PID được sử dụng rất rộng rãi, là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển

khác. Lý do là tính đơn giản của nó kể cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc,

người sử dụng nó rất linh hoạt, ví dụ như dễ dàng tích hợp các luật điều khiển

như luật P, luật PI, luật PD. Hơn nữa bộ điều khiển PID luôn là phần tử không

thể thay thế trong các quá trình tự động điều khiển như tự động khống chế nhiệt

độ, mức, tốc độ vv. Ngay cả khi lý thuyết điều khiển tự động hiện đại ra đời, việc

ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển như bộ điều khiển mờ, bộ điều

khiển NƠRON, bộ điều khiển bền vững, bộ điều khiển thích nghi, thì việc kết

hợp giữa các phương pháp điều khiển hiện đại và bộ điều khiển PID kinh điển

vẫn đem lại những hiệu quả bất ngờ mà không bộ điều khiển nào có khả năng

đem lại.

Qui luật của bộ điều khiển PID kinh điển.

+ Luật P: Làm tăng tín hiệu điều khiển u(t), nhưng không khử được

sai lệch tĩnh của hệ.

- 65 -

+ Luật I: Luôn có xu thế làm cho sai lệch tĩnh e(t) = 0, nhưng lại

làm tăng quá trình quá độ của hệ.

+ Luật D: Dự đoán trước xu hướng thay đổi của hệ, phản ứng nhanh

nhậy với sự thay đổi đó, tức làm tăng khả năng tác động nhanh của hệ.

Như vậy ta thấy việc kết hợp hài hoà giữa 3 tham số Kp, Ti, TD sẽ cho ra

một bộ điều khiển mong muốn.

Hơn nữa việc xử lý tín hiệu trong vi điều khiển là số nên ta phải số hoá mô

hình bộ điều khiển PID.

Ở trong hệ gián đoạn, đầu vào e(t) được thay bằng dãy ek có chu kỳ trích

mẫu là TS, khi đó thuật toán PID số được xây dựng như sau:

Thành phần khuếch đại up(t) = Kpe(t) được thay bằng ukP= Kpek

Thành phần tích phân ui(t) = tp

0i

Ke(τ)dτ

T ∫ được xấp xỉ bằng:

uki =

kp Sii=1i

K Te

T ∑

Thành phần vi phân uD(t) = p Dde(t)K T

dt được thay bằng:

ukD = p D

k k-1S

K T(e -e )

T

Thay các công thức xấp xỉ trên vào:

uk = ukP + uk

i + ukD

ta thu được mô hình không liên tục của bộ PID số

kS D

pk k i k k-1i=1 Si

T Tu =K [e + e + (e -e )T T∑ ]

- 66 -

1. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID ở miền thời gian

Ở đây chỉ nêu ra phương pháp sẽ chọn để áp dụng vào đối tượng này và

một vài phương pháp hay sử dụng.

+ Phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất.

Phương pháp này áp dụng cho mô hình bậc nhất có trễ của đối tượng, đối

tượng phải ổn định, không có dao động và hàm quá độ phải có dạng hình chữ S.

Cụ thể đối tượng được mô tả bởi mô hình toán học dưới đây.

dt1

-τsK.eW1 T s

=+

Ziegler – Nichols đã xác định các tham số Kp, Ti, TD của bộ điều khiển

như sau.

* Nếu sử dụng bộ điều khiển khuếch đại Wdk = Kp thì chọn KP = 1TKτ

.

* Nếu sử dụng bộ điều khiển PI với p idk

i

K (1 Ts)W

Ts+

= thì chọn

1p

0,9TKKτ

= và i10τT

3= .

* Nếu sử dụng bộ PID với p Ddki

1W K (1 T s)Ts

= + + thì chọn 1p

0,5TKKτ

= ,

iT 2τ= , DτT2

= .

2. Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID ở miền tần số.

Nguyên tắc thiết kế ở miền tần số.

Một trong những yêu cầu đối với hệ thống kín hình trên mô tả bởi:

ok

o

W (s)W (s)1 W (s)

=+

Với Wo(s) = Wdk(s). Wdt(s)

- 67 -

Hình 4.5. Điều khiển với bộ điều khiển PID

Là hệ thống luôn đáp ứng y(t) giống như tín hiệu lệnh được đưa vào hệ

thống x(t) tại mọi điểm tần số hoặc ít ra thời gian quá độ để y(t) bám vào x(t)

càng ngắn càng tốt. Nói cách khác bộ điều khiển lý tưởng Wdk(s) cần phải mang

đến cho hệ thống khả năng Wk(jω)=1 ω∀ . Nhưng thực tế, vì nhiều lí do mà

yêu cầu Wdk(s) thoả mãn kW (s) khó đáp ứng. Nên bộ điều khiển Wdk(s) thoả

mãn Wk(jω)=1 trong dải tần số thấp có độ rộng càng lớn càng tốt.

Phương pháp tối ưu môdun.

Như việc phân tích phương pháp điều khiển ở miền tần số ta nhận thấy.

Đối với một hệ thống kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì môđun của đặc tính tần

số biên độ phải tiến đến không. Vì thế đối với dải tần số thấp hàm truyền phải

đạt được điều kiện Wk(jω)=1.

Hàm chuẩn tối ưu mô đun là hàm có dạng:

MC 2 2σ σ

1F (s)1 2τ s 2τ s

=+ +

Tiêu chuẩn tối ưu môđun hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng tần số

thấp và không bảo đảm trước được tính ổn định của hệ thống. Do đó sau khi ứng

dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun cần phải kiểm tra sự ổn định của hệ.

Đặc tính tần số và đặc tính quá độ của hàm chuẩn tối ưu môđun có dạng.

- 68 -

Hình 4.6. a) Đặc tính tần số; b) Đặc tính quá độ

* Trường hợp hệ hữu sai có hàm truyền.

1o

1 2

KS (s)(1 T s)(1 T s)

=+ +

trong đó T2 > T1

Để hệ có hàm truyền F(s) = FMC(s) thì ta phải có:

oMC

o

R(s).S (s) F (s)1 R(s).S (s)

=+

→ MC

o MC

F (s)R(s)

S (s) 1 F (s)⎡ ⎤⎣ ⎦=

−

→ o σ σ

1R(s)S (s)2τ s(1 τ s)

=+

- 69 -

Hình 4.7. Cấu trúc hệ thống

Nếu chọn bộ điều chỉnh PI o

1 TsR(s)KT s+= thì ta chỉ bù được hằng số thời

gian lớn 1+Ts = 1+T2s. Khi đó hàm truyền hở của hệ sẽ là:

1 1o o

o o1 2 1

K K1 Ts 1F (s) R(s).S (s) . .KT s (1 T s)(1 T s) KT s 1 T s+= = =

+ + +

Hàm truyền kín của hệ là:

1o 2oo 11 1

1 1

K 1F(s) KT TKTKT s(1 T s) K 1 s sK K

= =+ + + +

Để F(s) = FMC(s) thì ta phải có KTo = 2KT1 thay vào biểu thức trên ta sẽ có

2 21 1

1F(s)1 2T s 2T s

=+ +

.

Như vậy nếu hệ có cấu trúc như Hình 4.7 thì theo tiêu chuẩn tối ưu môđun

và nếu chọn bộ điều chỉnh có cấu trúc PI thì hàm truyền của nó sẽ có dạng

2

1 1

1 T sR(s)2K T s+

= và đặc tính quá độ của hệ sẽ có các thông số đặc trưng như Hình

4.8.

* Trường hợp hệ có hàm truyền

u0 'ii 1

KS (s)(1 T s)

=

=+∏

- 70 -

Hình 4.8. Đặc tính quá độ của hệ thống

Trong đó Ti’ là các hằng số thời gian nhỏ, bằng phương pháp thực hiện

tương tự như trên ta tìm được bộ điều chỉnh có cấu trúc tích phân như sau:

i

1R(s)2KTs

= với u '

i ii 1T T

== ∑

* Nếu hàm truyền của hệ có dạng

ou2 '

k ik 1

1S (s)

(1 T s). (1 T s)i 1=

=

+ +∏ ∏=

Tức là hàm truyền có dạng là tích của hai trường hợp trên cũng tương như

trên ta sẽ có bộ điều chỉnh PID. 2

kk 1

i

(1 T s) 1R(s) .K 2Ts

=+∏

=

* Nếu hàm truyền có dạng

o u 'ii 1

KS (s)s(1 Ts) (1 T s)

=

=+ +∏

thì có bộ điều chỉnh PD i

1 TsR(s)2KT+= .

* Nếu o u 'ii 1

KS (s)s (1 T s)=

=+∏

thì có bộ điều chỉnh tỷ lệ i

1R(s)2KT

= .

- 71 -

Như vậy tuỳ vào hàm truyền đạt của đối tượng So(s) mà bằng các bộ điều

chỉnh R(s) ta có được hệ có hàm truyền dạng tối ưu môđun. Trong các trường

hợp trên, giá trị hằng số thời gian Tσ là nhỏ, nên có thể coi kết quả có hàm truyền

dạng quán tính:

2 2σσ σ

1 1F (s)1 2T s1 2T s 2T s

= =++ +

Và quá trình quá độ ứng với hàm quán tính gần đúng này là đường nét đứt

trên Hình 4.8.

Phương pháp tối ưu đối xứng

Phương pháp này thường được áp dụng để tổng hợp các bộ điều chỉnh

trong mạch có yêu cầu vô sai cấp cao, nó cũng được áp dụng có hiệu quả để tổng

hợp các bộ điều chỉnh theo quan điểm nhiễu loạn.

Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng:

σDX 2 2 3 3

σ σ σ

1 4τ sF (s)1 4τ s 8τ s 8τ s

+=+ + +

Để nghiên cứu ý nghĩa của tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta xét hệ thống có

hàm truyền So(s) là dạng vô sai cấp một nhưng lại dùng bộ điều chỉnh kiểu PI:

o 1o o

o 1 i

K1 T sF (s) R(s).S (s) .KT s sT (1 Ts)+= =

+

Trong đó Ti là tổng các hằng số thời gian nhỏ.

Khai triển biểu thức trên ta có.

o12 3

o o o1 1 1 i

K (1 T s)F (s)1 K T s KT T s KT T Ts

+=

+ + +

- 72 -

Hình 4.9. Đặc tính quá độ của hàm tối ưu đối xứng

Áp dụng điều kiện của tiêu chuẩn tối ưu môđun ta tìm được các phương

trình hệ số của phương trình đặc tính như sau.

(K1To)2 – 2K1KToT1 = 0

(KToT1)2 – 2K1To2KT1Ts = 0

Giải hệ phương trình trên ta tìm được s1

1

2K TKT

= ; T1 = 4Ts.

Hàm truyền của hệ sẽ là:

s2 2 3 3

s s s

1 4TF(s)1 4T s 8T s 8T s

+=+ + +

Đây là hàm truyền dạng tối ưu đối xứng với τσ = Ts. Trong trường hợp

hàm truyền của đối tượng có chứa khâu quán tính thứ hai với hằng số thời gian

lớn T2.

1o

s1 2

KS (s)sT (1 T s)(1 T s)

=+ +

Áp dụng cách tìm bộ điều chỉnh R(s) với hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta tìm

được bộ điều chỉnh có dạng PID. Tương tự như vậy nếu đối tượng có dạng vô sai

cấp 2 thì dễ dàng tìm được bộ điều chỉnh là khâu tỷ lệ.

- 73 -

4.2.2. Thuật toán điều khiển tốc độ

Tốc độ gió được tạo ra nhờ các quạt thổi vào buồng trộn và buồng sấy.

Các quạt này đựợc cấp nguồn từ các bộ biến tần, để thay đổi được tốc độ động

cơ quạt ta đi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho nó. Mặt khác với giá trị tần số

đặt đầu vào bất kỳ trong khoảng từ 0 – 50 Hz , hệ thống biến tần sẽ đảm bảo

được tính ổn định ở giá trị đó. Vì thế trong đồ án này để điều khiển tốc độ gió

tức điều khiển tốc độ của động cơ, ta đi điều khiển giá trị tần số đặt vào biến tần.

Như vậy việc điều khiển tốc độ gió bây giờ trở thành việc điều khiển tần số đầu

ra của bộ điều chỉnh. Đây là giá trị đặt cho các bộ biến tần, giá trị này phụ thuộc

vào tín hiệu của cảm biến phản ánh giá trị vận tốc đầu ra của hệ thống.

4.2.3. Xác định tham số bộ điều chỉnh

Sau khi đã xác định được hàm truyền của đối tượng và bằng các phương

pháp tổng hợp bộ điều chỉnh ta đã xác định được bộ điều chỉnh cần thiết cho hệ

thống. Việc tiếp thao ta phải xác định các tham số bộ điều chỉnh sao cho phù hợp

với yêu cầu điều khiển.

Việc xác định các thông số của bộ điều chỉnh sẽ phụ thuộc vào đáp ứng

quá độ mà ta tìm được. Do điều kiện không làm thực nghiệm được để xác định

hàm truyền đối tượng. Nên việc xác định các thông số cho bộ điều chỉnh cũng

chỉ nêu được về mặt lý thuyết.

4.3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ GIÓ

Qua các bước trên ta đã tìm được mô hình toán học của đối tượng, cùng

với việc tìm được qui luật điều chỉnh. Đồng thời xác định được các tham số của

bộ điều chỉnh hợp lý theo lý thuyết. Chúng ta tiến hành thí nghiệm mô phỏng xác

định đặc tính của hệ thống xem ứng với các thông số của bộ điều chỉnh ta tổng

hợp được. Ở đây sẽ sử dụng phần mềm MATLAB 6.5 để mô phỏng. Bằng việc

xây dựng sơ đồ cấu trúc trên Simulink, chúng ta nhập các giá trị thông số điều

- 74 -

chỉnh với đầu vào là hàm bậc thang 1(t) ta sẽ thu được đặc tính quá độ điều

chỉnh.

4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4

Ở chương 4 ta đã tìm hiểu được một số phương pháp nhận dạng đối tượng

điều khiển. Áp dụng phương pháp nhận dạng thực nghiệm cho hệ thống thí

nghiệm quá trình sấy để xác định hàm truyền của nó. Từ đó nghiên cứu các

phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID.

Xong do điều kiện về trang thiết bị nên trong chương này chỉ nêu được

phương pháp giải quyết bài toán chứ chưa tìm được số liệu thực tế.

- 75 -

CHƯƠNG V

XÂY DỰNG THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

5.1. CẤU TRÚC SƠ ĐỒ MẠCH

Mục đích lắp mạch điều khiển để điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí

trong quá trình thí nghiệm.

Mạch bao gồm các khối sau:

- Khối xử lý trung tâm

- Khối giao tiếp bằng bàn phím

- Khối cảm biến tốc độ

- Khối hiển thị tốc độ

Hình 5.1. Sơ đồ khối tổng quát mạch điều khiển

5.1.1. Khối xử lý trung tâm.

Đây là khối quan trọng nhất trong bản mạch, nó có nhiệm vụ tính toán, xử

lý toàn bộ các hoạt động của mạch. Để nó có thể hoạt động theo ý muốn ta cần

nạp vào nó chương trình điều khiển. Ở đây ta sử dụng vi điều khiển AT89C51.

*Vi điều khiển AT89C51

AT89C51 là một vi điều khiển 8 bit được chế tạo theo công nghệ CMOS, có

chất lượng cao, công suất thấp với 4 KB Flash PEROM (Programmable and

Erasable Read Only Memory). Thiết bị này được chế tạo bằng cách sử dụng kỹ

- 76 -

thuật bộ nhớ không bốc hơi mật độ cao của Atmel và tương thích với chuẩn công

nghiệp MCS-51 về tập lệnh và các chân ra. AT89C51 là một vi điều khiển mạnh,

cung cấp một sự linh động cao và giải pháp về giá cả đối với nhiều ứng dụng vi

điều khiển.

*Các đặc trưng chủ yếu của AT89C51

- Tương thích hoàn toàn với họ MCS-51 của Intel.

- Bộ nhớ chương trình 4 KB thuộc loại Flash Memory.

- Độ bền: 1000 lần ghi/xoá.

- Tần số hoạt động: 0Hz đến 24MHz.

- 3 chế độ khoá bộ nhớ.

- 128 x 8 bit RAM nội.

- 32 đường I/O lập trình được (4 port).

- 2 Timer/Counter 16bit.

- 6 nguồn ngắt.

- Giao tiếp nối tiếp lập trình được.

- Chế độ hạ nguồn và chế độ nhàn rỗi tiêu tốn công suất thấp.

* Sơ đồ chân

Hình 5.2. Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51

- 77 -

* Sơ đồ khối

Hình 5.3. Sơ đồ khối vi điều khiển AT89C51

• Mô tả chức năng các chân:

Vcc: chân cung cấp điện áp nguồn 5V cho chip.

GND: chân nối đất.

Port 0: Từ chân 32 đến chân 39 (P0.0 đến P0.7). Port 0 có hai chức năng,

trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các

đường I/O, đối với các thiết kế lớn có bộ nhớ ngoài, Port 0 trở thành bus địa chỉ

và bus dữ liệu đa hợp.

Để có thể vừa làm đầu vào, vừa làm đầu ra thì mỗi chân phải được nối tới

một điện trở 10KΩ kéo lên bên ngoài. Sở dĩ như vậy là vì Port 0 có dạng cực

máng hở, đây là điểm khác biệt so với các Port 1, 2, 3.

Port 1: Từ chân 1 đến chân 8 trên chip. Port 1 chỉ có chức năng xuất nhập

nên nó được dùng để giao tiếp với thiết bị ngoại vi.

- 78 -

Port 2: Từ chân 21 đến chân 28. Port 2 cũng có hai công dụng, hoặc làm

nhiệm vụ xuất nhập hoặc làm nhiệm vụ là byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16bit

cho các thiết kế có bộ nhớ ngoài.

Port 3: Từ chân 10 đến chân 17, Port 3 ngoài chức năng xuất nhập nó còn có

nhiều chức năng riêng. Mỗi chân có chức năng riêng liên quan đến các đặc trưng

cụ thể của vi điều khiển.

Bảng 5.1. Chức năng của các chân của Port 3

Bit Tên Địa chỉ bit Chức năng

P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của Port nối tiếp

P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của Port nối tiếp

P3.2 INT0 B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0

P3.3 INT1 B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1

P3.4 T0 B4H Ngõ vào của bộ định thời/đếm 0

P3.5 T1 B5H Ngõ vào của bộ định thời/đếm 1

P3.6 WR B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 RD B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (Program Store Enable).

PSEN là tín hiệu xuất trên chân 29. Đây là tín hiệu điều khiển cho phép ta

truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài. Chân này thường nối với chân cho phép

xuất OE (Output Enable) của EPROM hoặc ROM để cho phép đọc các byte lệnh.

PSEN ở mức logic 0 trong thời gian tìm – nạp lệnh. Ngược lại, khi thực thi

một chương trình chứa ở ROM nội thì nó được duy trì ở mức logic 1.

ALE (Address Latch Enable) - chân cho phép chốt địa chỉ:

AT89C51 sử dụng chân 30, chân xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE để

giải đa hợp bus dữ liệu và bus địa chỉ. Khi Port 0 được sử dụng làm bus địa

chỉ/bus dữ liệu đa hợp, chân ALE xuất tín hiệu để chốt địa chỉ (byte thấp của địa

chỉ 16bit) vào một thanh ghi ngoài trong suốt 1/2 đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau khi

- 79 -

điều này đã được thực hiện, các chân của Port 0 sẽ xuất/nhập dữ liệu hợp lệ trong

suốt 1/2 thứ hai của chu kỳ bộ nhớ.

Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động bên trong chip vi

điều khiển và có thể được dùng làm xung Clock cho phần còn lại của hệ thống.

EA (External Access) – chân truy xuất bộ nhớ ngoài:

Ngõ vào này (chân 31 của AT89C51) có thể được nối tới 5V (lôgic 1) hoặc

với GND (logic 0). Nếu chân này nối lên 5V thì AT89C51 thực thi chương trình

trong ROM nội. Nếu chân này nối tới GND (và chân PSEN cũng ở logic 0),

chương trình cần thực thi chương trình chứa ở bộ nhớ ngoài.

Chân RST(RESET): Ngõ vào RST (chân 9) là ngõ vào xoá chính của

AT89C51 để thiết lập lại trạng thái ban đầu cho hệ thống hay gọi tắt là reset hệ

thống. Khi ngõ vào này được treo lên mức logic 1 tối thiểu 2 chu kỳ máy, các

thanh ghi bên trong của chip được nạp lại các giá trị thích hợp cho việc khởi

động lại hệ thống.

Hoạt động RESET được thể hiện bởi hai sơ đồ mạch sau:

Ở cả hai mạch này, khi ta cấp nguồn cho chip thì nó sẽ tự động được Reset.

Lý do là lúc này tụ C1 và C2 được coi là ngắn mạch nên tại chân 9 của

AT89C51 sẽ có điện áp mức cao (logic 1) trong khoảng thời gian vừa đủ để

AT89C51 RESET mạch nội bộ, nghĩa là nó khởi tạo giá trị ban đầu cho các

+5V

RST

R1100

R2 10K

C1

10uReset

Manual reset

+5V

RST

R3

10K

C2

10u

Power-on reset

- 80 -

thanh ghi đặc biệt SFR và đặt bộ đếm chương trình PC (Program Counter) trỏ

đến địa chỉ 00h của bộ nhớ chương trình. Do tụ C1 được nạp với hằng số thời

gian t = C1.R2 nên điện áp trên chân RST của AT89C51 giảm dần đến giá trị

nhỏ hơn 0,5V thì quá trình RESET kết thúc.

Các chân XTAL1 và XTAL2: Vi điều khiển AT89C51 có một bộ dao động

trên chip nhưng vẫn cần một bộ đồng hồ bên ngoài để kích hoạt. Bộ dao động

thạch anh bên ngoài thường được nối tới các chân vào XTAL1 (chân 19) và

XTAL2 (chân 18). Sơ đồ nối dao động ngoài như sau:

Ở đây ta cần hai tụ 33p và một bộ dao động thạch anh (thường dùng bộ dao

động có tần số 11,0592MHz).

* Tổ chức bộ nhớ.

AT89C51 có không gian bộ nhớ riêng cho chương trình và dữ liệu. Cả hai bộ

nhớ chương trình và dữ liệu đều đặt bên trong chip, tuy nhiên ta có thể mở rộng

bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu bằng cách sử dụng các chip nhớ bên

ngoài với dung lượng tối đa là 64K cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu.

+ Bộ nhớ chương trình ROM

Có không gian cực đại là 64KB được đánh địa chỉ từ 0000h ÷ FFFFh. Trong

đó có 4KB là bộ nhớ nội trú nằm trong chíp được đánh địa chỉ từ 0000h ÷

0FFFh, còn 60KB mở rộng được đặt địa chỉ từ 1000h ÷ FFFFh. Tuỳ thuộc vào

dung lượng chương trình mà bộ nhớ được thêm vào theo kích thước phù hợp.

XTAL2

XTAL1

CRYSTAL

C3

33p

C4

33p

- 81 -

Trong quá trình điều khiển việc lựa chọn bộ nhớ ROM nằm trong hay bên

ngoài hoặc sử dụng cả hai, được thực hiện bằng cách nối đến chân EA. Ở vi điều

khiển 8051 thì chân EA được nối tới dương nguồn Vcc.

Trình tự thực hiện chương trình trong ROM.

Sau khi nạp chương trình vào ROM thông qua bộ đốt ROM hay cổng COM,

Chương trình sẽ có địa chỉ bắt đầu từ 0000h. Để xác định vị trí lệnh thực hiện bộ

vi điều khiển sử dụng thanh ghi chương trình(bộ đếm chương trình PC), thanh

ghi này có độ dài 16 bit. Khi 8051 được bật nguồn, bộ đếm chương trình PC có

nội dung 0000h. Lúc này chương trình sẽ nạp lệnh trong ROM có địa chỉ 0000h.

Sau đó bộ đếm chương trình tăng lên trỏ đến lệnh tiếp theo được thiết lập trong

ROM.

+ Bộ nhớ dữ liệu RAM

Trong vi điều khiển 8051 bộ nhớ dữ liệu RAM có kích thước 128 byte được

định địa chỉ từ 00h ÷ 7Fh, nhưng ở một số như 8052 thì có 256 byte RAM.

128 byte RAM trong 8051 được chia thành từng nhóm như sau:

Hình 5.4. Tổ chức RAM của 8051

- 82 -

- Từ ngăn nhớ 00h đến 1Fh, tổng cộng 32 byte, được dành làm các băng

thanh ghi và ngăn xếp.

- Từ ngăn nhớ 20h đến 2Fh, tổng cộng có 16 byte, được làm bộ nhớ đọc/ghi

định địa chỉ được theo bit.

- Từ ngăn nhớ 30h đến 7Fh, tổng cộng 80 byte được dùng để lưu thông tin

khi đọc và khi ghi.

* Các thanh ghi chức năng đặc biệt

Là các thanh ghi đảm nhận các chức năng khác nhau trong bộ vi điều khiển,

chúng nằm bên trong vi xử lí chiếm vùng không gian nhớ là 128byte có địa chỉ

từ 80h ÷ FFh.

+ Thanh ghi tích luỹ(thanh ghi chứa ACC)

Trong lập trình nó được viết tắt là thanh ghi A, đây là thanh ghi quan trọng

nhất trong bộ vi điều khiển dùng để lưu trữ các toán hạng thực hiện các phép

toán, đồng thời nó còn lưu trữ kết quả phép toán. Thanh ghi này có địa chỉ 0E0h

và có kích thước 8bit.

+ Thanh ghi B

Thường được sử dụng khi thực hiện các phép toán nhân, chia. Đối với các

lệnh khác có thể xem thanh ghi B là thanh ghi tạm thời có địa chỉ 0F0h.

+ Thanh ghi con trỏ ngăn xếp SP

Khi bắt đầu thực hiện lệnh con trỏ SP trỏ đến đỉnh Stack, giá trị của nó sẽ

thay đổi tự động khi thực hiện các lệnh PUSH và POP. Khác với bộ vi xử lí đa

năng, ở bộ vi điều khiển khi ta thực hiện lệnh PUSH dữ liệu vào ngăn xếp thì giá

trị của con trỏ ngăn xếp tăng lên và ngược lại khi ta thực hiện lệnh POP giá trị

của con trỏ ngăn xếp sẽ giảm đi.

Ngăn xếp có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào trong RAM, nhưng thông thường sau

khi ta khởi động lại hệ thống, con trỏ ngăn xếp sẽ mặc định trỏ đến địa chỉ khởi

- 83 -

đầu 07h, ngăn xếp bắt đầu từ địa chỉ 08h. Còn nếu trong quá trình lập trình ta

muốn thay đổi vị trí của Stack ta phải gán giá trị địa chỉ mới vào thanh ghi SP.

+ Thanh ghi DPTR

Là thanh ghi 16bit gồm hai thanh ghi có độ dài 8bit hợp thành đó là thanh

ghi byte cao DPH và thanh ghi byte thấp DPL. Con trỏ dữ liệu có thể sử dụng

như một thanh ghi 16bit hoặc hai thanh ghi 8bit độc lập:

- DPH có địa chỉ 82h

- DPL có địa chỉ 83h

+ Từ trạng thái chương trình(thanh ghi cờ PSW)

Là thanh ghi 8bit có địa chỉ 0D0h mỗi bit đảm nhiệm một chức năng cụ thể.

Chức năng các bit thể hiện

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tên CY AC F0 RS1 RS0 OV - P

- Cờ nhớ CY: cờ này sẽ được thiết lập khi có nhớ từ bit D7 và là kết quả

của lệnh cộng hoặc trừ 8bit. Có thể thiết lập trực tiếp cờ CY lên 1 hoặc xoá về 0

bằng lệnh “SETB” và “CLR”.

- Cờ nhớ phụ AC: cờ này báo có nhớ từ bit D3 sang D4 ở phép cộng ADD

hoặc trừ SUB.

- Cờ bậc P: cờ bậc(cờ chẵn lẻ) phản ánh số bit 1 trong thanh ghi A là chẵn

hay lẻ. Nếu thanh ghi A chứa một số chẵn các bit 1 thì P=0 còn chứa một số lẻ

bit 1 thì P=1.

- Cờ tràn OV: cờ được thiết lập mỗi khi kết quả của phép tính số có dấu

quá lớn làm cho bit cao bị tràn vào bit dấu.

- Cờ không F0: cờ này có thể cho người sử dụng tự định nghĩa một trạng

thái nào đó trong lập trình điều khiển.

- RS1, RS2 là các cờ chỉ ra địa chỉ băng thanh ghi ta sử dụng. Trong bộ

nhớ dữ liệu của vi điều khiển 8051 có một vùng nhớ gọi là vùng nhớ băng thanh

- 84 -

ghi. Có 4 băng thanh ghi được đánh số từ 0→ 3 trong mỗi băng thanh ghi lại có

8 thanh ghi đều được gọi tên từ R0→ R7. Trong lập trình có thể sử dụng tên

R0→R7 để truy cập đến vùng nhớ đó.

+ Các thanh ghi Port: Các Port xuất nhập của 89C51 bao gồm Port 0 tại địa

chỉ 80H, Port 1, 2, 3 tương ứng tại các địa chỉ là 90H, A0H và B0H. Các Port 0,

2, 3 không được dùng để xuất nhập nếu ta sử dụng bộ nhớ ngoài hoặc có một số

đặc tính đặc biệt của 89C51 được sử dụng. Tất cả các Port đều định địa chỉ từng

bit nhằm cung cấp các khả năng giao tiếp mạnh.

+ Các thanh ghi định thời: AT89C51 có hai bộ đếm/định thời (timer/counter)

16bit để định các khoảng thời gian hoặc để đếm các sự kiện.

Bảng 5.2. Các thanh ghi chức năng đặc biệt của bộ định thời

SFR của bộ định

thời Mục đích Địa chỉ

Định địa chỉ

bit

TCON Điều khiển 88H Có

TMOD Chọn chế độ 89H Không

TL0 Byte thấp của bộ định thời 0 8AH Không

TL1 Byte thấp của bộ định thời 1 8BH Không

TH0 Byte cao của bộ định thời 0 8CH Không

TH1 Byte cao của bộ định thời 1 8DH Không

Thanh ghi chế độ định thời TMOD (Timer Mode register): nằm tại địa chỉ

89H. TMOD chứa hai nhóm 4bit dùng để thiết lập chế độ hoạt động cho bộ định

thời 0 và bộ định thời 1. TMOD không được định địa chỉ từng bit. TMOD được

nạp một lần bởi phần mềm ở thời điểm bắt đầu của một chương trình để khởi

động chế độ hoạt động của bộ định thời.

- 85 -

Bảng 5.3. Chức năng của các bit trong thanh ghi TMOD

Bit Tên Timer Mô tả

7 GATE 1 Bit điều khiển cổng. Khi được set lên 1, bộ định thời

chỉ hoạt động trong khi INT1 ở mức cao

6 C/T 1

Bit chọn chức năng đếm hoặc định thời:

1 = đếm sự kiện.

0 = định thời trong một khoảng thời gian.

5 M1 1 Bit chọn chế độ thứ nhất

4 M0 1 Bit chọn chế độ thứ hai

3 GATE 0 Bit điều khiển cổng cho bộ định thời 0

2 C/T 0 Bit chọn chức năng đếm hoặc định thời

cho bộ định thời 0

1 M1 0 Bit chọn chế độ thứ nhất

0 M0 0 Bit chọn chế độ thứ hai

Thanh ghi điều khiển định thời TCON (Timer Control register): chứa các

bit điều khiển và trạng thái của bộ định thời 0 và 1 được thể hiện như sau:

- 86 -

Bảng 5.4. Chức năng các bit trong thanh ghi TCON

Bit Ký

hiệu

Địa chỉ

bit Mô tả

TCON.7 TF1 8FH

Cờ tràn của bộ định thời 1. Cờ này được set bởi

phần cứng khi có tràn, được xoá bởi phần mềm

hoặc bởi phần cứng khi bộ vi xử lý trỏ đến

trình phục vụ ngắt

TCON.6 TR1 8EH

Bit điều khiển của bộ định thời 1. Bit này được

set hoặc được xoá bởi phần mềm để điều khiển

bộ định thời hoạt động hay ngưng hoạt động

TCON.5 TF0 8DH Cờ tràn của bộ định thời 0

TCON.4 TR0 8CH Bit điều khiển hoạt động của bộ định thời 0

TCON.3 IE1 8BH

Cờ ngắt bên ngoài 1 (kích khởi cạnh). Cờ này

được set bởi phần cứng khi có cạnh âm (xuống)

xuất hiện trên chân INT1, được xoá bởi phần

mềm, hoặc phần cứng khi CPU trỏ đến trình

phục vụ ngắt

TCON.2 IT1 8AH

Cờ ngắt bên ngoài 1(kích khởi cạnh hoặc mức)

Cờ này được set hoặc xoá bởi phần mềm khi

xảy ra cạnh âm (xuống) hoặc mức thấp tại chân

ngắt ngoài

TCON.1 IE0 89H Cờ ngắt bên ngoài 0(kích khởi cạnh).

TCON.0 IT0 88H Cờ ngắt bên ngoài 0 (kích khởi cạnh hoặc mức)

+ Các thanh ghi của Port nối tiếp: Bên trong AT89C51 có một Port nối tiếp

để truyền thông với các thiết bị nối tiếp như các thiết bị đầu cuối hoặc modem,

hoặc để giao tiếp với các IC khác có mạch giao tiếp nối tiếp. Một thanh ghi được

gọi là bộ đệm dữ liệu nối tiếp SBUF (Serial Data Buffer) ở địa chỉ 99H lưu trữ

- 87 -

dữ liệu truyền đi và nhận dữ liệu về. Việc ghi lên bộ đệm SBUF sẽ nạp dữ liệu

để truyền và việc đọc SBUF sẽ lấy dữ liệu đã nhận được.

Các chế độ hoạt động khác nhau của Port nối tiếp được lập trình thông qua

thanh ghi điều khiển Port nối tiếp SCON (Serial Port Control register) ở địa chỉ

98H, thanh ghi này được định địa chỉ từng bit và được tóm tắt như sau:

Bảng 5.5. Chức năng các bit trong thanh ghi SCON

Bit Ký

hiệu

Địa

chỉ Mô tả

SCON.7 SM0 9FH Bit 0 chọn chế độ của Port nối tiếp

SCON.6 SM1 9EH Bit 1 chọn chế độ của Port nối tiếp

SCON.5 SM2 9DH Bit 2 chọn chế độ của Port nối tiếp

Bit này cho phép truyền thông đa xử lý ở các chế

độ 2 và 3; bit RI sẽ không được tích cực nếu bit thứ

9 nhận được là 0

SCON.4 REN 9CH Cho phép thu. Bit này phải được set để nhận được

ký tự

SCON.3 TB8 9BH Bit phát 8. Bit thứ 9 được phát ở các chế độ 2 và 3;

được set và xoá bởi phần mềm

SCON.2 RB8 9AH Bit thứ 8. Bit thứ 9 nhận được

SCON.1 TI 99H Cờ ngắt phát. Cờ này được set ngay khi kết thúc

việc phát một ký tự; được xoá bởi phần mềm

SCON.0 RI 98H Cờ ngắt thu. Cờ này được set ngay khi kết thúc việc

thu một ký tự; được xoá bởi phần mềm

+ Các thanh ghi ngắt: Ngắt là sự xảy ra của một điều kiện – một sự kiện -

làm cho chương trình hiện hành bị tạm ngưng trong khi điều kiện được phục vụ

bởi một chương trình khác. Các ngắt đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế

- 88 -

và thực hiện các ứng dụng của bộ vi điều khiển. AT89C51 có một cấu trúc ngắt

với 2 mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt. Các ngắt bị vô hiệu hoá sau khi reset

hệ thống và sau đó được cho phép bằng cách ghi vào thanh ghi cho phép ngắt IE

(Interrupt Enable register) ở địa chỉ A8H. Mỗi bit của thanh ghi này cho phép

hoặc không cho phép từng nguyên nhân ngắt riêng rẽ, ngoài ra nó còn có một bit

toàn cục cho phép hoặc không cho phép tất cả các ngắt. Chi tiết thanh ghi này

được mô tả như sau:

Bảng 5.6. Chức năng các bit trong thanh ghi IE

Bit Ký hiệu Địa chỉ bit Mô tả (0: không cho phép; 1: cho phép)

IE.7 EA AFH Cho phép/ không cho phép toàn cục.

IE.6 - AEH Không sử dụng.

IE.5 ET2 ADH Cho phép ngắt do bộ định thời 2

IE.4 ES ACH Cho phép ngắt do Port nối tiếp.

IE.3 ET1 ABH Cho phép ngắt do bộ định thời 1

IE.2 EX1 AAH Cho phép ngắt từ bên ngoài (ngắt ngoài 1).

IE.1 ET0 A9H Cho phép ngắt do bộ định thời 0

IE.0 EX0 A8H Cho phép ngắt từ bên ngoài (ngắt ngoài 0).

Mỗi một nguyên nhân ngắt được lập trình riêng rẽ để có một trong hai mức

ưu tiên thông qua thanh ghi chức năng đặc biệt được định địa chỉ bit, thanh ghi

ưu tiên ngắt IP (Interrupt Priority). Thanh ghi này có địa chỉ là B8H. Thanh ghi

này có đặc điểm như sau:

- 89 -

Bảng 5.7. Chức năng các bit trong thanh ghi IP

Bit Ký hiệu Địa chỉ bit Mô tả (1: mức cao; 0: mức thấp)

IP.7 - - Không sử dụng.

IP.6 - - Không sử dụng.

IP.5 PT2 BDH Ưu tiên cho ngắt cho bộ định thời 2.

IP.4 PS BCH Ưu tiên cho ngắt do Port nối tiếp.

IP.3 PT1 BBH Ưu tiên cho ngắt do bộ định thời 1.

IP.2 PX1 BAH Ưu tiên cho ngắt do bên ngoài (ngắt ngoài 1).

IP.1 PT0 B9H Ưu tiên cho ngắt do bộ định thời 0.

IP.0 PX0 B8H Ưu tiên ngắt do bên ngoài (ngắt ngoài 0).

Khi hệ thống được thiết lập lại trạng thái ban đầu, thanh ghi IP sẽ mặc định

tất cả các ngắt ở mức ưu tiên thấp.

+ Thanh ghi điều khiển nguồn: Thanh ghi điều khiển nguồn PCON (Power

Control register) có địa chỉ là 87H chứa các bit điều khiển được cho trong bảng

sau:

- 90 -

Bảng 5.8. Chức năng các bit trong thanh ghi PCON

Bit Ký

hiệu Mô tả

7 SMO

D

Bit tăng gấp đôi tốc độ baud, bit này khi set làm cho tốc độ

baud tăng 2 lần ở các chế độ 1, 2 và 3 của Port nối tiếp.

6 - Không định nghĩa.

5 - Không định nghĩa.

4 - Không định nghĩa.

3 GF1 Bit cờ đa mục đích.

2 GF0 Bit cờ đa mục đích.

1 PD Nguồn giảm; thiết lập để tích cực chế độ nguồn giảm, chỉ ra

khỏi chế độ bằng reset.

0 IDL Chế độ nghỉ; thiết lập để tích cực chế độ nghỉ, chỉ ra khỏi chế

độ bằng một ngắt hoặc reset hệ thống.

PCON không được định địa chỉ bit.

Chế độ nguồn giảm: Lệnh thiết lập bit PD bằng 1 sẽ là lệnh sau cùng được

thực thi trước khi đi vào chế độ nguồn giảm. Ở chế độ nguồn giảm:

- Mạch dao động trên chip ngừng hoạt động.

- Mọi chức năng ngừng hoạt động.

- Nội dung của RAM trên chip được duy trì.

- Các chân Port duy trì mức logic của chúng.

- ALE và PSEN được duy trì ở mức thấp.

Trong suốt thời gian chế độ nguồn giảm, Vcc có điện áp 2V. Cần phải giữ

cho Vcc không thấp hơn sau khi đạt được chế độ nguồn giảm và cần phục hồi

- 91 -

Vcc = 5V tối thiểu 10 chu kỳ dao động trước khi chân RST đạt mức thấp lần

nữa.

Chế độ nghỉ: Lệnh thiết lập bit IDL bằng 1 là lệnh sau cùng được thực thi

trước khi đi vào chế độ nghỉ. Ở chế độ nghỉ, tín hiệu Clock nội được khoá không

cho đến CPU nhưng không khoá đối với chức năng ngắt, định thời và Port nối

tiếp. Trạng thái của CPU được duy trì và nội dung của tất cả các thanh ghi cũng

không đổi. Các chân Port cũng được duy trì các mức logic của chúng. ALE và

PSEN được giữ ở mức cao.

5.1.2. Khối giao tiếp bằng bàn phím

Sử dụng bốn phím trong đó 1 phím dùng để Reset còn 3 phím sử dụng cho

việc đặt giá trị tốc độ ban đầu.

Nút ấn SW1 dùng để Reset lại mạch.

Nút ấn SW2, SW3 và SW4 dùng để đặt tốc độ hỗn hợp dòng khí theo ý

muốn, chúng được nối đến các chân P2.5, P2.6. P2.7 của vi xử lí, tốc độ có thể

tăng hoặc giảm tuỳ theo ý muốn của người làm thí nghiệm.

Các tụ từ C1 đến C4 có tác dụng chống nhiễu. 5V

SW11 2

SW2

1 2

SW31 2

SW41 2

R1 8.2K R28.2K

R38.2K

R48.2K

C1

104

C2

104

C3

104

C4

104

RESET

P2.7

P2.5

P2.6

Hình 5.5. Sơ đồ nối ghép bàn phím

- 92 -

5.1.3. Khối cảm biến

* Sơ đồ khối

Hình 5.6. Sơ đồ khối cảm biến

Khối cảm biến có nhiệm vụ đưa tín hiệu phản ánh giá trị vận tốc dòng khí

ở đầu ra hệ thống, để đưa vào vi xử lí để so sánh với tín hiệu đặt. Lúc này vi xử lí

có nhiệm vụ xử lí tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp đáp ứng được

yêu cầu mong muốn.

5.1.4. Khối hiển thị

Khối hiện thị có tác dụng hiển thị giá trị tốc độ hỗn hợp dòng khí đặt và

giá trị đo được thực tế từ hệ thống. Giúp người khi làm thí nghiệm quan sát cùng

một lúc hai giá trị vận tốc từ đó đánh giá được sự làm việc của hệ thống.

- 93 -

Ở đây ta sử dụng LED 7 đoạn để hiển thị, ta dùng hai cặp LED một cặp

dùng hiển thị giá trị đặt, cặp còn lại dùng hiển thị giá trị đo. Mỗi giá trị đo chỉ

hiển thị tối đa hai số và ngầm hiểu đơn vị là (cm/s).

Để hiển thị bằng đèn led, người thường dùng ba phương pháp là: phương

pháp quét, phương pháp chốt và kết hợp cả hai phương pháp này. Trong thiết kế

này chúng tôi sử dụng phương pháp quét. Để hiển thị chữ số hoặc ký tự nào ta

cung cấp tín hiệu đến các chân của đầu nối. Các led trong thiết kế này được chọn

loại chung Anode. Muốn cho led nào sáng ta đưa chân tương ứng với nó tại cổng

J2 lên cao đồng thời đưa chân tương ứng với nó tại cổng J1 xuống thấp. Muốn

hiển thị đúng chữ số hoặc ký tự ta phải giải mã led.

Hình 5.7. Sơ đồ mạch hiển thị tốc độ

Thật vậy giả sử ta cần hiển thị số 0 thì byte tín hiệu chuyển đến cổng J1 sẽ

là: 11000000 (C0h) nếu cần hiển thị số 1 thì byte tín hiệu cần chuyển đến cổng

J1 sẽ là 11111001 (F9h)… Tương ứng với các số tiếp theo ta xác định byte tín

hiệu tương tự cụ thể số 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 sẽ là: 10100100 (A4h); 10110000

(B0h); 10011001 (99h); 10010010 (92h); 10000010 (82h); 11111000 (F8h);

10000000 (80h); 10010000 (90h).

- 94 -

5.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Sơ đồ khối của mạch

Hình 5.8. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp điện áp nuôi cho toàn mạch.

Ba phím ấn sử dụng để đặt giá trị tốc độ cần làm thí nghiệm, trong đó có 1

phím tăng, 1 phím giảm và một phím OK.

Tuỳ theo mục đích sử dụng của người làm thí nghiệm mà có thể đặt bất kì

một giá trị tốc độ nào nằm trong khoảng 0 ÷ 1m/s.

Để thực hiện được điều này người làm thí nghiệm sử dụng hai phím tăng

giảm để đặt giá trị. Giá trị đặt được thông qua chương trình viết bên trong vi xử

lí sẽ hiển thị trên LED, khi nào giá trị đặt đúng với yêu cầu ta chọn phím OK.

- 95 -

Sau khi ấn phím OK chương trình trong vi xử lý sẽ tự động tính toán và

phát ra một tần số xung tác động đến đầu vào là tín hiệu đặt cho bộ biến tần điều

khiển động cơ quạt hoạt động. Cùng lúc này tín hiệu ra của cảm biến tốc độ đặt ở

đầu ra của hệ thống sẽ được phản hồi trở về đầu vào của vi xử lí. Tín hiệu này

được vi xử lí tính toán và hiển thị trên LED đây là giá trị tốc độ thực tế đo được.

Đồng thời tín hiệu này được so sánh với tín hiệu đặt ban đầu. Sau thời gian quá

độ thì giá trị vận tốc đo được có giá trị bằng với giá trị đặt ban đầu. Và trạng thái

làm việc này của hệ thống sẽ được giữ ổn định trong quá trình làm thí nghiệm.

Nếu như có nhiễu tác động vào hệ thống làm cho vị trí trạng thái ổn định của hệ

mất đi có thể tăng hoặc giảm. Dẫn đến giá trị sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị đo

được khác không. Sai số này được qua bộ điều chỉnh PID số viết trên vi điều

khiển 8051 với các thông số tìm được ở chương 4. Lúc này nhờ luật điều khiển

đó mà vi điều khiển sẽ xử lí, tính toán và phát tín hiệu điều khiển tác động vào

hệ biến tần sao cho triệt tiêu được sai lệch giữa giá trị đặt và đo. Và hệ thống sẽ

được giữ ổn định và trở lại trang thái ban đầu.

5.3. THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

* Lưu đồ thuật toán

Chương trình chính

Khởi tạo các giá trị. Bộ định thời 0 được dùng để đo tần số xung vào. Bộ định thời 1 dùng để tính thời gian trích mẫu. Bộ định thời 2 dùng để tính tần số xung ra. Ngắt ngoài 0 dùng để

phục vụ khi có phím ấn. Ngắt ngoài 1 dùng để xác định sườn xuống của xung vào.

Hiển thị vận tốc hiện tại trong buồng sấy

- 96 -

timer1. Chương trình này thực hiện khi đã đến thời

gian trích mẫu

Lưu vận tốc hiện tại đo được Tính sai số

Thực hiện bộ điều khiển PID,đầu ra lưu vào biến output. Rồi nạp cho

thanh ghi TH2

Kết thúc

ext0. Hàm này thực hiện khi có phím ấn

Lưu phím ấn vào biến key. Nếu là phím tăng thì tăng biến dữ liệu lên 1

Nếu là phím giảm thì giảm biến dữ liệu xuống 1 Nếu là phím OK thì thoát khỏi vòng lặp

Kết thúc

timer2. Hàm này được dùng để kích xung ra

Tăng biến đếm lên, nếu biến đếm = output thì lấy đảo trên chân P3.0 đồng thời gán biến đếm bằng 0

Kết thúc

- 97 -

* Chương trình điều khiển

#include <reg52.h> unsigned int time=1; unsigned int input=0; unsigned int count,dem,u2,u1,y,y1,output,saiso,input_1,cout; char dulieu=5,key; char temp; unsigned int trich_mau; void timer0(void) interrupt 1// cu sau 100us lai thuc hien ham nay, no chi viec tang thoi gian len mot gia tri. time++; char quet(void)//Ham nay se cho phim duoc an, va tra ve gia tri phim duoc an

ext1. Ngắt ngoài 1 ngắt này được dùng để phát hiện sườn

xuống ở đầu vào

Lưu giá trị thời gian(biến timer) và tính để chuyển từ f sang v. Sau đó cho biến

timer = 0 để cho chu kỳ tiếp theo

Kết thúc

timer0. Hàm này thực hiện để tính thời gian cho xung vào

Cứ sau 100us thì tăng biến time lên 1 giá trị

Kết thúc

- 98 -

while(P2&0x0E==0x0E); return P2&0x0E; void timer1(void) interrupt 3//Cu sau 100us lai thuc hien ham nay. if(trich_mau++ >=5000)//tang bien trich mau len, neu no bang 5000 co nghia la 0.5s //thi thuc hien doan chuong trinh sau. input_1=input;//luu gia tri van toc hien tai lai saiso=dulieu-input_1;//Tinh sai so. output=75*u2-10*u1-5*saiso+y;//tinh bo dieu khien PID voi cac thong so: K=40. Ki=30, Kd=10 u1=u2;//Sau khi da roi rac hoa, voi thoi gian trich mau la 0.5s. u2=saiso; y=y1; y1=output; output=output/0.005; void timer2(void) interrupt 5//Ham nay duoc thuc hien khi da den thoi diem kich xung dau ra. if(dem++>=output) P3_0=~P3_0; dem=0; void ext0(void) interrupt 0//Ham nay duoc thuc hien khi co bat ky phim nao duoc an. key=quet();//Luu gia tri phim duoc an. while(key!=0x80)//Kiem tra xem co phai phim OK hay khong? //Neu khong thi kiem tra if(key==0x40)//Neu la phim tang thi dulieu++;//Tang if (key==0x20)//Neu la phim giam thi giam dulieu--; for(cout=1;cout<=100;cout++)//Tre 100us de cho phim an tiep theo. wait(); key=quet();//Cho phim an tiep theo.

- 99 -

void ext1(void) interrupt 2//Khi co suon xuong cua xung vao no se thuc hien input=10000/(50*time);//chuyen tu tan so sang van toc theo ham v=0.02*f, vi bien time la chu ky, don vi la 100us cho nen cong thuc phai duoc tinh nhu tren. time=0;//gan bien time =0 void wait(void) ; void main(void) char shift; unsigned int temp1; TH0=-92; TL0=-92; TH2=-92; TMOD=0x22; TCON|=0x04; TR1=1; TR2=1; IE=0xAF; while (1) temp1=input_1; //Hien thi gia tri dau vao. for(shift=1;shift<=8;shift<<=1) temp=temp1%10; temp1=temp1/10; switch(temp) case 0: P1=0x40; break; case 1: P1=0x79; break; case 2: P1=0x24; break; case 3: P1=0x30;

- 100 -

break; case 4: P1=0x19; break; case 5: P1=0x12; break; case 6: P1=0x02; break; case 7: P1=0x78; break; case 8: P1=0x00; break; case 9: P1=0x10; break; P2=shift; for(count=1;count<100;count++) wait(); 5.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG V

Bằng cơ sở lý thuyết cũng như yêu cầu điều khiển của bài toán trong

chương 5 này ta đã xây dựng được mạch điều khiển tốc độ gió. Tìm hiểu cấu tạo

và nguyên lý hoạt động của thiết bị điều khiển sử dụng là vi điều khiển

AT89C51. Xây dựng thuật toán và lập trình điều khiển từ đó khảo sát hoạt động

của mạch. Xong do kỹ năng lập trình cũng như điều kiện ban đầu không tìm

được tham số của bộ điều chỉnh. Vì vậy với chương trình điều khiển trên chỉ đáp

ứng được một phần nhất định nào đó của yêu cầu bài toán.

- 101 -

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Sau một thời gian nghiên cứu bằng cố gắng và nỗ lực của bản thân, cùng

với sự giúp đỡ tận tình chỉ bảo của thầy Nguyễn Văn Đường và các thầy cô trong

bộ môn Điện kỹ thuật, đến nay đề tài tốt nghiệp của tôi đã hoàn thành. Trong quá

trình làm và nghiên cứu chúng tôi đưa ra một số kết luận và đề nghị như sau:

1. KẾT LUẬN

- Về nhận thức bản thân sinh viên sau khi làm đồ án tốt nghiệp đã biết

được phương pháp để thực hiện một báo cáo khoa học hoàn chỉnh.

- Từ đó chúng tôi đã hoàn thành được các nội dung trong đồ án của mình.

- Đã bắt tay vào làm thực tế chế tạo thành công mô hình vật lý của hệ

thống thí nghiệm quá trình sấy.

- Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại là điều khiển đa vòng cho hệ

tự động điều chỉnh tốc độ gió.

- Tính toán và thiết kế được cơ cấu chấp hành là biến tần và mạch điều

khiển. Sử dụng khối điều khiển trung tâm là vi xử lí.

- Áp dụng và học hỏi được nhiều kiến thức về điều khiển tự động trong

quá trình làm đồ án.

- Mạch sau khi lắp giáp đã chạy được.

2. ĐỀ NGHỊ

Do thời gian có hạn nên trong quá trình xây dựng cả phần cứng lẫn phần

mềm cho hệ thống thí nghiệm quá trình sấy vẫn chưa được hoàn chỉnh. Vì vậy

để cho hệ thống được hoàn thiện hơn chúng tôi có một vài đề nghị sau:

- Tiếp tục cho khoá sau nghiên cứu nhằm tạo được hệ thống hoàn chỉnh

hơn.

- Nếu có thể thì phát triển để áp dụng vào vào thực tiễn.

- Sử dụng các vi điều khiển có tính năng cao hơn trong áp dụng thực tế để

đạt được sự ổn định cao.

- 102 -

- Điều khiển được nhiều được các tham số đầu vào theo mong muốn.

- Có giao tiếp với máy tính để tự động điều chỉnh tốc độ hỗn hợp dòng

khí.

- Tính được lượng ẩm bốc ra từ nông sản sấy bằng cách cân đo.

Trên là những vấn đề mà hiện nay nhóm chúng tôi chưa thực hiện được

nên rất mong những đề nghị trên được các thầy cô tham khảo và cho ý kiến.