Luận văn Điều khiển máy trộn nhựa Composite (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển máy trộn nhựa Composite (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ HÙNG DANH ĐIỀU KHIỂN MÁY TRỘN NHỰA COMPOSITE NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-60520203 S K C0 0 4 7 5 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ HÙNG DANH ĐIỀU KHIỂN MÁY TRỘN NHỰA COMPOSITE NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
3. BỘ GIÁ O DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ HÙNG DANH ĐIỀU KHIỂN MÁY TRỘN NHỰA COMPOSITE NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN CHÍ NGÔN Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 2
4. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng 10 năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Lê Hùng Danh Điều khiển máy trộn nhựa Composite i
5. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn LỜI CẢM TẠ Đề tài “Điều khiển máy trộn nhựa Composite” đã hoàn thành với sự hướng dẫn trực tiếp của thầy PGS TS Nguyễn Chí Ngôn (Trưởng Khoa Công Nghệ, Trường Đại Học Cần Thơ). Trước sự tận tình đó em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Nguyễn Chí Ngôn, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Em xin gửi lòng tri ân quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức, phương pháp nghiên cứu và các kinh nghiệm trong thời gian khoá học (2014-2016). Những kiến thức và kinh nghiệm đó là nền tảng giúp em thực hiện hoàn thành tốt luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám đốc Sở Thông tin và Truyền thông thành phố Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi cho em tham gia và hoàn thành khóa học. T.p.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 Học viên thực hiện Nguyễn Lê Hùng Danh Điều khiển máy trộn nhựa Composite ii
6. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn TÓM TẮT Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn vật liệu ban đầu. Ngày nay, vật liệu Composite được ứng dụng hầu hết ở các ngành, lĩnh vực của đời sống xã hội như y tế, giáo dục, giao thông, thể thao, điện tử viễn thông Cơ tính vật liệu của các sản phẩm Composite phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có quá trình trộn nhựa Composite nóng chảy với các vật liệu gia cường khác. Vì vậy, đã có nhiều máy trộn được chế tạo để phục vụ cho nhu cầu trộn Composite trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, các máy trộn hiện nay được chế tạo với quy mô công nghiệp có dung tích trộn lớn và giá thành cao, chưa phù hợp với quy mô ứng dụng nhỏ. Trong khi đó, ở Đồng bằng sông Cửu Long hiện nay, một lượng lớn tàu, thuyền Composite đã và đang được người dân sử dụng để vận chuyển hàng hóa, nông sản. Quá trình vận chuyển, các tàu thuyền này dễ dàng bị va chạm với nhiều chướng ngại vật gây rạn nứt, vỡ ở mức độ nhỏ. Do vậy, nhu cầu sử dụng máy trộn vật liệu Composite quy mô nhỏ, để nông dân có thể tự sửa chữa các phương tiện giao thông đường thủy và các vật liệu Composite khác đang được người dân đặt ra. Từ nhu cầu thực tiễn về máy trộn Composite quy mô nhỏ, giá thành rẻ, phục vụ các phòng thí nghiệm hoặc hộ gia đình, nghiên cứu này hướng đến việc thiết kế và chế tạo máy trộn tự động sử dụng động cơ điện DC, có khả năng truyền thông với máy tính và tính được thời gian, tốc độ quay tùy thuộc vào tỷ lệ nhựa pha trộn giúp cho việc thu thập dữ liệu và tìm kiếm quy trình trộn nhựa Composite tối ưu được thực hiện dễ dàng hơn. Điều khiển máy trộn nhựa Composite iii
7. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn ABTRACT A Composite material is made by combining two or more different materials to create a new one which is betterthan these old materials. Nowadays, the Composite materials are utilized in various fields of science and human social life such as education, healthcare, transportation, sport, electronics & telecommunication, etc. The physical properties of plastic Composite products depend on manydifferent factors, including mixing molten Composite plastic and different reinforced materials together. Up to now, there have had many types of Composite mixers which are created to satisfy the demand for mixing Composite materials in manufacturing. However, most of mixers which are used popularly in the market are industrial mixers. They have large mixing capacities and high prices, so they aren’t suitable for micro-scale applications. Meanwhile, in the Mekong Delta, a large number of ships or boats which are made of Composite materials have been used to transport goods and agricultural products. Whenoperating, these easily collide with obstacles or other ships. The collisions can lead to small cracks. To repair broken Composite products by themselves, local people need to have micro-scale Composite mixers. Therefore, the demand for micro-scale Composite mixers is high and necessary. To satisfy practical need of using micro-scale Composite mixers at low prices, the research aims to design and create automatic Composite mixers. They are made by using DC electric motors. Specially, they are able to interact withcomputers, calculate time and calculaterotational velocity.The calculating results depend on the proportion of Composite plastics which are used. The research results can helpcollecting data and searching the optimal process for mixing Composite plastics to become easy. Điều khiển máy trộn nhựa Composite iv
8. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM TẠ ii TÓM TẮT iii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH SÁCH BẢNG ix DANH SÁCH HÌNH x Chương 1 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. 1 1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. 3 1.3 Mục đích của đề tài. 4 1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài 5 1.5 Phương pháp nghiên cứu 5 Chương 2 6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển 6 2.2 Các nguyên tắc điều khiển 7 2.2.1 Nguyên tắc 1: 7 2.2.3 Nguyên tắc 2 8 2.2.4 Nguyên tắc 3 8 2.2.5 Nguyên tắc 4 9 Điều khiển máy trộn nhựa Composite v
9. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn 2.2.6 Nguyên tắc 5 9 2.2.7 Nguyên tắc 6 9 2.3 Luật điều khiển PID 9 2.4 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng PID 10 Chương 3 20 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 20 3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển sử dụng MCU-MSP430. 20 3.2 Nguyên lý hoạt động 20 3.3 Sơ đồ chi tiết các khối điều khiển PID số sử dụng MCU-MSP430. 21 3.3.1. Khối Nguồn 21 3.3.2 Khối vi xử lý 21 3.3.3 Khối hiển thị LCD 22 3.3.4 Khối dữ liệu vào và LED hiển thị 22 3.3.5 Khối công suất 23 3.3.6 Khối Encoder 24 3.3.7 Khối giao tiếp máy tính 25 3.3.8 Đối tượng điều khiển 26 3.3.9 Phần mềm điều khiển 26 CHƯƠNG 4 30 KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN QUAY TRỘN 30 4.1 Đáp ứng hệ thống 30 4.2 Khảo sát thực tế 31 4.2.1 Điều khiển động cơ quay với số vòng 70 vòng/phút 31 Điều khiển máy trộn nhựa Composite vi
10. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn 4.2.2 Điều khiển động cơ quay với số vòng 80 vòng/phút 31 4.2.3 Điều khiển động cơ quay với số vòng 90 vòng/phút 30 4.3 Kết quả kiểm tra chất lượng sản phẩm Composite khảo sát thực tế 33 4.3.1 Tỷ lệ hỗn hợp là 50% bột đá - 50% Composite 34 4.3.2 Tỷ lệ hỗn hợp là 60% bột đá - 40% Composite 35 4.3.3 Tỷ lệ hỗn hợp là 70% bột đá - 30% Composite 36 4.3.4 Tỷ lệ hỗn hợp là 75% bột đá - 25% Composite 37 4.4 Ghi nhận và đề xuất 38 4.5 Áp dụng các phương pháp để tìm thời gian, vận tốc quay trộn với bất kỳ tỷ lệ nhựa Composite đưa vào hỗn hợp. 39 4.5.1 Ứng dụng cách tính bình phương tối thiểu để tìm công thức cho vận tốc quay, thời gian quay cho bất kỳ tỷ lệ nhựa Composite đưa vào hỗn hợp. 41 4.5.2 Kết quả thu được 43 Chương 5 45 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 45 5.1 Kết luận 45 5.1.1 Ưu điểm 45 5.1.2 Hạn chế 45 5.2 Khuyến nghị 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 Điều khiển máy trộn nhựa Composite vii
11. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT MCU (Microcontroller unit). PID (proportional-integral-derivative controller). DC (Direct Current). Điều khiển máy trộn nhựa Composite viii
12. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn DANH SÁCH BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển KP, KI và KD 8 Bảng 2.2: Thông số bộ điều khiển P, PI và PID của hệ hở. 18 Bảng 2.3: Thông số bộ điều khiển P, PI và PID của hệ kín 19 Bảng 4.1: Tổng hợp kết quả khảo sát thực tế: 32 Bảng 4.2: Dữ liệu đo kiểm sản phẩm 50% bột đá - 50% Composite 34 Bảng 4.3: Dữ liệu đo kiểm sản phẩm 60% bột đá - 40% Composite 35 Bảng 4.4: Dữ liệu đo kiểm sản phẩm 70% bột đá - 30% Composite 36 Bảng 4.5: Dữ liệu đo kiểm sản phẩm 75% bột đá - 25% Composite 37 Bảng 4.6: Dữ liệu tốc độ quay tối ưu cho 04 tỷ lệ nhựa khảo sát. 41 Bảng 4.7: Dữ liệu thời gian quay tối ưu cho 04 tỷ lệ nhựa khảo sát. 43 Điều khiển máy trộn nhựa Composite ix
13. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn DANH SÁCH HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển . 6 Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bù nhiễu. 7 Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển san bằng sai lệch. 8 Hình 2.4: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phối hợp 8 Hình 2.5: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển PID 15 Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ thống có đáp ứng hình chữ S. 17 Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát của bộ điều khiển PID số. 20 Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế khối nguồn. 21 Hình 3.3: Sơ đồ thiết kế của vi xử lý MCU - MSP430. 21 Hình 3.4: Sơ đồ thiết kế mạch hiển thị LCD 16x2 22 Hình 3.5: Khối LED hiển thị và công tắc. 22 Hình 3.6: Khối công suất điều khiển động cơ. 23 Hình 3.7: Chip L298D 23 Hình 3.8 : Mô hình của encoder tương đối. 24 Hình 3.9 : Module FT232 25 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý Module FT232 25 Hình 3.11: Động cơ DC 24V của phòng thí nghiệm 26 Hình 3.12: Giao diện phần mềm điều khiển trên máy tính 27 Hình 3.13: Bộ điều khiển kết nối với máy tính và động cơ DC (máy trộn Composite tại phòng thí nghiệm). 28 Điều khiển máy trộn nhựa Composite x
14. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn Hình 3.14: Bộ điều khiển kết nối với máy tính, điều khiển động cơ DC thực hiện quay trộn hỗn hợp bột đá – Composite tại Phòng thí nghiệm - ĐHCT 29 Hình 4.1: Đáp ứng của hệ thống 30 Hình 4.2: Hỗn hợp 01 kg Composite – bột đá sau khi được trộn đều 30 Hình 4.3: Sản phẩm chuẩn bị được đem đo cơ tính. 33 Hình 4.4: Máy đo là zwick/roell HT50P 33 Hình 4.5: Kết quả đo cơ tính sản phẩm được hiển thi qua màn hình. 34 Hình 4.6: Biểu đồ biểu diễn cơ tính sản phẩm đo với tỷ lệ hỗn hợp là 50% bột đá - 50% Composite. 35 Hình 4.7: Biểu đồ biểu diễn cơ tính sản phẩm đo với tỷ lệ hỗn hợp là 60% bột đá - 40% Composite. 36 Hình 4.8: Biểu đồ biểu diễn cơ tính sản phẩm đo với tỷ lệ hỗn hợp là 70% bột đá - 30% Composite. 37 Hình 4.9: Biểu đồ biểu diễn cơ tính sản phẩm đo với tỷ lệ hỗn hợp là 75% bột đá - 25% Composite. 38 Hình 4.10. Đồ thị của hàm số f1,2(x) 39 Điều khiển máy trộn nhựa Composite xi
15. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu [1]. Vật liệu Composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Composite liên kết hài hoà với nhau [2]. Những vật liệu Composite đơn giản đã có từ rất xa xưa, khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng. Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng và tại Việt Nam ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông (nguồn Internet). Mặc dù Composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu Composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu Composite đã phát triển trên toàn thế giới và còn có tên gọi khác là "vật liệu mới" [2]. Ngày nay, vật liệu Composite được ứng dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân, như trong giáo dục là làm bàn ghế, tủ, đồ dùng dạy học; trong giao thông là làm các giải phân cách đường, chế tạo vỏ xe, vỏ tàu, xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng, ghế ngồi; trong thể thao như chế tạo mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động, các trung tâm văn hoá; trong lĩnh vực điện dân dụng là hộp công tơ điện, sào cách điện, sứ cách điện [1;2;3] Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn [1], các thành phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn Điều khiển máy trộn nhựa Composite 1
16. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là Composite polyme [3], đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, rễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Trong chế tạo sản phẩm từ vật liệu Composite tùy theo nhu cầu và mục đích chế tạo sản phẩm mà người ta tạo ra các loại chất liệu Composite có cơ tính khác nhau [2;3]. Cơ tính thành phẩm của Composite phụ thuộc rất nhiều vào tỉ lệ pha với các vật liệu gia cường, chất xúc tác và kỹ thuật trộn Composite trong quá trình sản xuất. Trong quá trình sản xuất nếu hỗn hợp Composite không được trộn đều dẫn đến hỗn hợp có xuất hiện bọt khí và bị đóng cục dẫn đến quá trình đóng rắn nhựa tạo ra sản phẩm sẽ bị ứng xuất cục bộ, cơ tính không đồng đều tạo khó khăn trong quá trình gia công và sản phẩm sản xuất ra không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Do đó, để đảm bảo sản phẩm Composite sản xuất ra đúng chất lượng, tính chất và đặt tính như mong muốn thì ngoài tỉ lệ pha phù hợp cần phải đảm bảo trong quá trình sản xuất các hỗn hợp Composite phải được trộn thật đều và đúng quy trình kỹ thuật. Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu sản xuất sản phẩm Composite đạt chất lượng, các máy trộn Composite được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo. Với việc vật liệu Composite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, vì vậy hiện nay có rất nhiều loại máy trộn được các nhà sản xuất thiết kế, chế tạo để nhằm để phục vụ cho việc sản xuất các sản phẩm được làm từ vật liệu Composite, nhưng đa phần các loại máy trên được thế kế, chế tạo với quy mô lớn, thường dùng trong ngành công nghiệp, phù hợp với các nhà máy chế tạo Composite với công suất lớn, máy trộn có giá thành cao, diện tích lắp đặt máy lớn, nhân sự vận hành phải đáp ứng yêu cầu về chuyên môn kỹ thuật Trong khi đó, ở Đồng bằng sông Cửu Long hiện nay, một lượng lớn tàu, thuyền Composite đã và đang được người dân sử dụng để vận chuyển hàng hóa, Điều khiển máy trộn nhựa Composite 2
17. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn nông sản. Quá trình vận chuyển, các tàu thuyền này dễ dàng bị va chạm với nhiều chướng ngại vật gây rạn nứt, vỡ ở mức độ nhỏ. Do vậy, nhu cầu sử dụng máy trộn vật liệu Composite quy mô nhỏ, để nông dân có thể tự sửa chữa các phương tiện giao thông đường thủy và các vật liệu Composite khác đang được người dân đặt ra. Trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng của Analog cũng như Digital [4;17]. Trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế trong điều khiển khống chế nhiệt độ, tốc độ quay của động cơ, thống kê cho thấy có đến 90% các bộ điều khiến sử dụng trong thực tế là PID. Ngày nay, các bộ điều khiển PID được sử dụng nhiều và phổ biến vì cho chất lượng điều khiển có độ chính xác cao, đáp ứng nhanh, đảm bảo sự ổn định của hệ thống và tiết kiệm năng lượng tối đa so với các bộ điều khiển khác Ngay cả những lý thuyết điều khiển hiển đại cũng không cho ta hiệu quả cao như bộ điều khiển PID mang lại. Bên cạnh đó bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán quen thuộc trong ngành điều khiển tự động. Người ta có thể thiết kế điều khiển cho các đối tượng động cơ điện một chiều theo phương pháp như dùng PLC & biến tần, điện tử công suất, vi điều khiển Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm khác nhau nhưng điều có một chung mục đích là ổn định và điều khiển động cơ. Ngày nay, vi điều khiển đã phát triển sâu rộng và ngày càng được ứng dụng nhiều trong cài đặt, thiết kế bộ điều khiển cho các đối tượng trong ngành công nghiệp và dân dụng. Trên cơ sở muốn kiểm soát tốc độ quay của máy trộn nhựa Composite sử dụng động cơ điện DC, nghiên cứu này đã sử dụng vi điều khiển MCU MSP430 của hãng Texas Instruments [8;10] 1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. Trong chế tạo vật liệu Compostie thì khâu quay trộn hỗn hợp có vai trò rất qua trọng đối với chất lượng sản phẩm nên có rất nhiều nghiên cứu đối với máy trộn, nhằm chế tạo ra máy trộn đạt tiêu chuẩn. Điều khiển máy trộn nhựa Composite 3
18. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn Nghiên cứu ngoài nước: Tại các quốc gia như Mỹ, Pháp các máy trộn dạng xoắn được sử dụng phổ biến, máy cho chất lượng trộn tốt, có thể trộn nhiều loại hỗn hợp nhựa Composite. Tuy nhiên các máy trộn dạng này thường có cấu tạo phức tạp và tiêu thụ điện năng cao. Hãng Forberg có trụ sở tại Na Uy đã nghiên cứu chế tạo ra loại nhiều máy trộn nhựa Composite như máy trộn dạng ngang, dạng cánh khấy, dạng tấm xẻng để đảm bảo trộn đều các hỗn hợp Composite. Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy máy trộn dạng cánh gạt cho kết quả trộn tốt hơn các máy trộn có bộ phận khuấy đai xoán. Nghiên cứu trong nước: Tại Việt Nam các doanh nghiệp sản xuất các sản phẩm từ nhựa Composite hiện đang sử dụng nhiều là loại máy trộn dạng ngang, dạng cánh gạt hoặc dãi xoắn trục đứng. Các máy trộn này đa số được nhập khẩu từ Trung quốc, Đài Loan hoặc được thiết kế chế tạo trong nước theo mẫu có sẳn. Hiện nay, các mẫu máy trộn nhựa đã được các công ty như Tân Thiên Phú, Công ty TNHH An Nam nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công. Tuy nhiên các máy được thiết kế và chế tạo với quy mô lớn, chưa phù hợp hộ gia đình và phòng thí nghiệm. Từ nhu cầu thực tiễn về máy trộn Composite quy mô nhỏ, giá thành rẻ, phục vụ trong các phòng thí nghiệm hoặc hộ gia đình, nghiên cứu này hướng đến việc thiết kế và chế tạo bộ điều khiển máy trộn nhựa Composite tự động, sử dụng động cơ điện DC, có khả năng tự tính được thời gian, tốc độ quay phù hợp để trộn đều hỗn hợp tùy thuộc vào tỷ lệ nhựa Composite đưa vào giúp cho sảm phẩm đạt chất lượng tốt nhất. 1.3 Mục đích của đề tài. Mục đích của nghiên cứu này là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển PID số điều khiển máy trộn vật liệu nhựa Composite sử dụng động cơ điện một chiều (DC) dựa trên vi điều khiển MSP430 của hãng Texas Instruments. Bộ điều khiển có công suất nhỏ và chi phí thiết kế và chế tạo thấp, phù hợp với quy mô ứng dụng nhỏ mà Đồng bằng sông Cửu Long đang đặt ra. Ngoài ra, thiết bị này có khả năng truyền thông với máy tính và tự tính toán được vận tốc và thời gian trộn phù hợp với tỷ lệ nhựa Điều khiển máy trộn nhựa Composite 4
19. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn Composite được sử dụng giúp cho việc khảo sát và tìm kiếm quy trình trộn vật liệu nhựa Composite tối ưu được thực hiện dễ dàng hơn. 1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài Nhiệm vụ của nghiên cứu này là chế tạo bộ điều khiển máy trộn nhựa Composite, các nội dung cần thực hiện gồm có: Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển PID số sử dụng vi xử lý MCU-MSP430 điều khiển tốc độ quay của động cơ điện DC, ứng dụng vào điều khiển tốc độ quay của máy trộn nhựa Composite trong phòng thí nghiệm. Bộ điều khiển có khả năng tiếp nhận điều khiển trực tiếp bằng thủ công hoặc kết nối điều khiển từ máy tính thông qua phần mềm và hiển thị các thông số điều khiển đạt được trên LED LCD. Bộ điều khiển có khả năng tính toán để tìm ra vận tốc quay, thời gian quay trộn phù hợp cho từng loại hỗn hợp nhựa Composite, đáp ứng được nhu cầu cần trộn nhiều tỷ lệ hỗn hợp nhựa Composite của người sử dụng. Đưa bộ điều khiển vào khảo sát thực tế, điều khiển động cơ điện DC trộn nhựa Composite tại phòng thí nghiệm, thu thập một số kết quả đạt được thông qua việc khảo sát quay trộn hỗn hợp Composite tại phòng thí nghiệm. 1.5 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu về động cơ điện một chiều (DC), các đặt tính và các phương pháp điều khiển động cơ DC. Hoàn chỉnh thiết kế, gia công mạch phần cứng, xây dựng và ứng dụng các thuật toán điều khiển lên vi điều khiển MCU - MSP430. Khảo sát thực tế, thực hiện kết nối và điều khiển trực tiếp động cơ DC thực hiện quay trộn hỗn hợp nhựa Composite tại phòng thí nghiệm. Xây dựng phần mềm điều khiển thu thập dữ liệu quay trộn hỗn hợp nhựa Composite qua máy tính, bước đầu thu thập một số kết quả đạt được, đề xuất bộ dữ liệu điều khiển quay trộn hỗn hợp nhựa Composite. Điều khiển máy trộn nhựa Composite 5
20. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển như Hình.2.1: Vref e(t) u(t) V(t) +_ Bộ điểu khiển Đối tượng điều khiển Vht(t) Cảm biến Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển [5]. - Vref: Tín hiệu đặt. - V(t): Tín hiệu đáp ứng vòng kín. - Vht(t): Tín hiệu hồi tiếp. - e(t) (error): Sai số. - u(t): Tín hiệu điều khiển. Như vậy, một hệ thống điều khiển gồm ba thành phần cơ bản sau: Thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin. Các thiết bị đo có thể là: Biến trở tuyến tính, biến trở góc quay, cảm biến tốc độ, cảm biến nhiệt độ Đối tượng điều khiển chịu tác động của tín hiệu điều khiển. Đối tượng điều khiển có thể là: Thiết bị kỹ thuật, dây chuyền sản xuất, quy trình công nghệ Điều khiển máy trộn nhựa Composite 6
21. HVTH: Nguyễn Lê Hùng Danh GVHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn Bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển. Tùy theo phương pháp phân tích và thiết kế, loại tín hiệu, mục tiêu điều khiển mà ta có các loại điều khiển khác nhau. 2.2 Các nguyên tắc điều khiển Các nguyên tắc điều khiển có thể xem là kim chỉ nam để thiết kế hệ thống điều khiển đạt chất lượng cao và có hiệu quả kinh tế nhất [5]. 2.2.1 Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi. Muốn quá trình điều khiển đạt chất lượng cao, trong hệ thống phải tồn tại hai dòng thông tin: Một từ bộ điều khiển đến đối tượng và một từ đối tượng ngược về bộ điều khiển (dòng thông tin ngược gọi là hồi tiếp). Điều khiển không hồi tiếp (điều khiển vòng hở) không thể đạt chất lượng cao, nhất là khi có nhiễu. Các sơ đồ điều khiển dựa trên nguyên tắc thông tin phản hồi là: 2.2.1.1 Điều khiển bù nhiễu: Điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt đầu vào Vref mong muốn mà không cần quan sát tín hiệu ra V(t). Về nguyên tắc, đối với hệ phức tạp thì điều khiển bù nhiễu không thể cho chất lượng tốt. (Hình.2.2): n(t) Vref Bộ điều khiển u(t) Đối tượng V(t) Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bù nhiễu. 2.2.1.2. Điều khiển san bằng sai lệch: Bộ điều khiển quan sát tín hiệu ra V(t), so sánh với tín hiệu vào mong muốn Vref để tính toán tính hiệu điều khiển u(t). Nguyên tắc này điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm và sửa sai. Đây là nguyên tắc cơ bản trong điều khiển, hình 2.3 Điều khiển máy trộn nhựa Composite 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4