Tải bản đầy đủ

Điều khiển máy trộn nhựa composite

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


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


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
Hướng dẫn khoa học:
PGS TS NGUYỄN CHÍ NGÔN

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
2


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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)

Bộ điểu khiển

u(t)

Đối tượng điều
khiển

V(t)

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


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

Đối tượng

u(t)

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


S

K

L

0

0

2

1

5

4



x

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×