Đồ án tốt nghiệp ứng dụng fuzzy để điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt

1
MỤC LỤC

MỤC LỤC 1
DANH MỤC KÝ HIỆU 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH 3
DANH MỤC BẢNG 3
LỜI MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 5
1.1. Giới thiệu về lò nhiệt 5
1.1.1 Định nghĩa 5
1.1.2 Ưu nhược điểm 5
2.1.3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở 7
1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ 7
1.2.1 Giới thiệu chung 7
1.2.3 Các phương pháp đo nhiệt độ thông dụng 10
1.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 17
1.3.1 Điều khiển on-off 17
1.3.2 Điều khiển hiệu chỉnh P 19
1.3.3 Điều khiển hiệu chỉnh PD 21
1.3.4 Điều khiển hiệu chỉnh PID 22
1.3.5 Điều khiển sử dụng Fuzzy logic 23
1.4 Kết luận 25
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ 27
2.1 Quá trình phát triển của logic mờ 27
2.2 Cơ sở toán học 30
2.3 Các khái niệm 33
2.4 Tính toán mờ 43
2.4.1 Mờ hóa 43
2
2.4.2 Xử lý mờ 45

2.4.3 Giải mờ 49
2.5 Kết luận 52
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 53
3.1 Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nhiệt 53
3.2 Điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ PID 54
3.3 Điều khiển nhiệt độ sử dụng Fuzzy logic 59
3.4 Kết luận 70
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 72
4.1 Lựa chọn thiết bị 72
4.1.1 Vi điều khiển 72
4.1.2 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 76
4.1.3 Cổng giao tiếp RS232 79
4.2 Thiết kế mạch 80
4.3 Giao diện điều khiển 83
4.4 Phương pháp điều khiển và lập trình 83
4.4.1 Mờ hóa 84
4.4.2 Hợp thành 85
4.4.3 Giải mờ 87
4.5 Thiết kế cơ khí 87
4.6 Kết luận chung 89
4.6.1 Kết quả thực hiện 89
4.6.2 Những hạn chế 90
4.6.3 Hướng phát triển 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
PHỤ LỤC 92
3
DANH MỤC KÝ HIỆU
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG
4

LỜI MỞ ĐẦU
Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh
vực, trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Nhiệt độ trở thành mối quan
tâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy móc và hệ thống và điều khiển nhiệt độ
trở thành một trong những đối tượng của ngành Cơ điện tử. Trong nhiều lĩnh
vực của nền kinh tế, quốc phòng, công nghiệp vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là
một quá trình không thể thiếu được, đặc biệt trong công nghiệp. Đo nhiệt độ
trong công nghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ của sản xuất, việc đo và
kiểm soát nhiệt độ tốt quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong
các ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp
chế tạo động cơ đốt trong. Ngoài ra, trong bảo quản trang thiết bị, vũ khí, khí tài
trong quân đội tại các kho đạn dược, kho thuốc nổ, viện nghiên cứu vũ khí cũng
rất cần quan tâm đếm nhiệt độ, bảo đảm an toàn cho đơn vị, cung cấp trang bị vũ
khí tốt nhất, phục vụ nhiệm vụ sẵn sàng chiến đấu bảo vệ Tổ quốc.
Với những lý do trên, trên cơ sở những kiến thức lĩnh hội được trong suốt
5 năm học tập tại Học viện Kỹ thuật quân sự, tôi xin nhận đề tài “Ứng dụng
Fuzzy để điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt” với sự hướng dẫn của thầy Đại
úy, TS.Trịnh Xuân Long. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy đã tận tình chỉ bảo để
tôi có thể hoàn thành nội dung đồ án.
Trong khuôn khổ của một đồ án tốt nghiệp, tôi đã được thực hiện được
những nội dung sau:
- Tìm hiểu lò nhiệt, các phương pháp đo và điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt.
- Khảo sát lý thuyết điều khiển nhiệt độ và thuật toán logic mờ.
- Mô phỏng Matlab- Simulink thuật toán PID, Fuzzy logic.
- Lập giao diện giao tiếp máy tính sử dụng Visual Basic.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm lò nhiệt.
5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU
KHIỂN NHIỆT ĐỘ
Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt trong thực tế đang là vấn đề

rất được quan tâm để đạt được mục đích đáp ứng nhiệt độ yêu cầu nhanh nhất và
chính xác nhất, từ đó tăng năng suất, giảm chi phí thiết bị nung, hao tổn điện
năng, giảm giá thành sản phẩm. Trong chương này, sẽ tìm hiểu về lò nhiệt, các
phương pháp đo và điều khiển nhiệt độ.
1.1. Giới thiệu về lò nhiệt
1.1.1 Định nghĩa
Lò nhiệt là hệ thống biến đổi điện năng thành nhiệt năng sử dụng trong
các quá trình công nghệ khác nhau như nhiệt luyện kim loại hợp kim, nung nấu
các vật liệu…
Lò nhiệt được sử dụng trong lĩnh vực kĩ thuật:
+ Sản xuất thép chật lượng cao.
+ Sản xuất các hợp kim phe-rô.
+ Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện.
+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi.
+ Sản xuất đúc và kim loại bột.
Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ vật
phẩm và chuẩn bị thực phẩm.
+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm
thủy tinh, gốm, sứ, vật liệu chịu nhiệt…
Trong đời sống hằng ngày:
+ Lò nhiệt rất phổ biến, xuất hiện phong phú và đa dạng trong sinh hoạt
của con người: bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung
rắn, sấy điện…
1.1.2 Ưu nhược điểm
6
So với các lò sử dụng nhiên liệu thì lò nhiệt điện có các ưu điểm sau:
- Tạo được nhiệt độ cao.
- Bảo đảm tốc độ nung lớn và năng suất cao.
- Bảo đảm nung đều và chính xác do điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ.

- Kín.
- Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa quá trình chất dỡ nguyên liệu và
vận chuyển phẩm.
1.Lò điện trở nhiệt SX
2
-4-10 2. Lò nhiệt luyện N60 LE
3. Lò nướng sấy hãng Omega 4 .Lò nhiệt luyện N40 E
Hình 1.1 Một số lò nhiệt thông dụng trong đời sống
7
- Bảo đảm điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị
gọn nhẹ.
Tuy nhiên, cũng có nhược điểm:
- Năng lượng điện đắt.
- Vận hành hệ thống một cách đồng bộ, tuân thủ nghiêm các qui tắc an
toàn.
- Yêu cầu có trình độ khi sử dụng.
2.1.3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở có một dòng điện chạy qua dây dẫn
hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một nhiệt lượng theo định luật Jun- Lenxo:
2
. .Q I R T=

Q- Nhiệt lượng tính bằng Jun (J);
I- Dòng điện tính bằng Ampe (A);
R- Điện trở tính bằng Ohm (
Ω
);
T- Thời gian tính bằng giây (s).
Từ công thức trên ta thấy điện trở R đóng vai trò:
- Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp.

- Dây nung: Khi dây nung được nung nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung
bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián
tiếp.
Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung vật liệu có hình dạng
đơn giản như tiết diện hình vuông, tròn, chữ nhật.
Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong công nghiệp. Vì vậy khi nói đến lò
điện trở là không thể không đề cập đến vật liệu làm dây nung, bộ phận phát
nhiệt của lò.
1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ
1.2.1 Giới thiệu chung
Từ thời xưa, người ta đã biết đến tính chất của vật chất là có quan hệ mật
thiết với mức độ nóng lạnh của vật chất đó. Nóng hay lạnh là thể hiện mức độ
8
giữ nhiệt của vật. Mức độ nóng lạnh đó gọi là nhiệt độ. Khái niệm này dựa vào
quan niệm về hiện tượng truyền nhiệt và cân bằng nhiệt (các vật có nhiệt độ
như nhau thì không có hiện tượng truyền nhiệt cho nhau và lúc đó thì nó đã đạt
đến trạng thái cân bằng nhiệt).
Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là tham số vật lý biểu thị động
năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử tạo thành vật thể.
Khi hai vật tiếp xúc với nhau thì giữa chúng có hiện tượng trao đổi năng lượng
giữa các phân tử cho đến khi động năng của các phân tử trong hai vật bằng
nhau mới thôi. Đó chính là hiện tượng truyền nhiệt giữa hai vật có nhiệt độ
khác nhau, hiện tượng đó diễn ra cho tới khi xảy ra sự cân bằng nhiệt. Tham
số nhiệt độ thể hiện khả năng giữ nhiệt và có mối quan hệ với các tính chất khác
của vật.
Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các đầu đo hay còn gọi là các cảm
biến đo nhiệt độ. Các cảm biến làm nhiệm vụ chuyển đổi thông tin nhiệt độ của
đối tượng thành tín hiệu điện (dòng điện hoặc điện áp) thuận lợi cho việc xử lý.
Các cảm biến đo nhiệt độ có thể kể ra như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện, IC
cảm biến nhiệt độ, điốt và tranzitor… Tuỳ theo từng khoảng nhiệt độ cần đo có

thể dùng các phương pháp khác nhau. Thông thường nhiệt độ cần đo được chia
thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao.
Ở nhiệt độ trung bình và thấp thì phương pháp đo là phương pháp tiếp
xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo. Đối
với nhiệt độ cao thì đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài
môi trường đo. Căn cứ vào khoảng nhiệt độ cần đo và sai số của phép đo mà ta
quyết định lựa chọn cảm biến và phương pháp đo thích hợp.
Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và cặp nhiệt là từ 250°C-
2500°C, độ chính xác có thể đạt tới ± 1% đến 0,1%.
Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cảm biến tiếp
xúc P-N (nhiệt điện trở, diot và transitor, IC) là từ -200°C đến 200°C, sai số đến
± 1%.
9
Phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ quang phổ…Có khoảng đo từ
1000°C đến vài nghìn °C với sai số ± 1% đến 0,1%.
Trên thực tế có nhiều loại thang đo được sử dụng để đo nhiệt độ bao gồm:
thang đo Celeius (˚C), thang đo Kelvin (˚K), thang đo Fahrenheit (˚F), thang đo
Rankine (˚R). Công thức chuyển đổi giữa các thang đo:
T(˚C) = T(˚K) – 273,15
T(˚F) = T(˚R) – 459,67
T(˚C) = (T(˚F) – 32)* 5/9
T(˚F) = T(˚C) * 9/5 + 32
Bảng 1.1 Chuyển đổi các thang đo nhiệt độ
Kelvin(
0
K
) Celeius(
0
C
) Rankime(

0
R
) Fahrenteit(
0
F
)
0,00 -273,15 0,00 -459,67
273,15 0,00 491,67 32,00
273,16 0,01 491,69 32,02
1.2.2 Các thông số của cảm biến
Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ biến đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượng
vật lý khác như điện, áp suất, độ giãn nở dài, giãn nở khối, điện trở…Cảm biến
nhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống điều khiển nhiệt độ
nào. Mỗi cảm biến có các thông số quan trọng cần phải nắm vững.
a. Thông số cấu tạo: được quyết định bởi nhà sản xuất và phụ thuộc vào từng
loại cảm biến.
b. Thông số sử dụng: bao gồm các yếu tố
- Khoảng làm việc: là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng đo được khi
chưa bị bão hòa. Khoảng làm việc cao hay thấp là do tính chất cấu tạo và lý hóa
của từng loại cảm biến qui định.
- Độ nhạy được định nghĩa:
df
s
dx
=

df: Sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến;
10
dx: Sự thay đổi đại lượng vật lý.
- Ngưỡng độ nhạy: Mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được.

- Tính trễ: Còn gọi là quán tính của cảm biến. Tính trễ của cảm biến tạo ra sai số
của phép đo. Tốc độ thay đổi của đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ của cảm
biến. Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà quán tính của cảm biến quá lớn
thì không thể đo chính xác được. Mọi cảm biến điều có tính trễ do ảnh hưởng
của vỏ bảo vệ.
1.2.3 Các phương pháp đo nhiệt độ thông dụng
a. Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện

Hình 1.2 Cặp nhiệt thực tế
Cặp nhiệt điện là dụng cụ đo nhiệt độ thường được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp. Nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt điện chuyển đổi thành suất điện
động để đưa vào các vôn kế chỉ thị bằng kim, bằng vạch sáng hoặc các con số.
Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên các nguyên lý sau:
Hiệu ứng Thomson: qua một dây dẫn có dòng điện I và hiệu nhiệt trên
dây là
1
T
-
2
T
thì sẽ có một sự hấp thụ hay tỏa nhiệt.
Hiệu ứng Pentier: khi có dòng điện đi qua một mối nối của hai dây dẫn thì
tại vị trí mối nối sẽ có sựu hấp thụ hay tỏa nhiệt.
11
Hiệu ứng Seebeck: trong một dây dẫn bất kỳ, khi có sự chênh lệch nhiệt
độ tại một điểm thì ngay tại điểm đó sẽ suất hiện một suất điện động.
Định luật Macmut: trong một mạch điện kín của dây dẫn đồng nhất bất kỳ
sự phân bố nhiệt độ ra sao, suất điện động tổng cộng của mạch luôn bằng không.
Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất nhỏ cho phép việc đo nhiệt độ
với cấp chính xác cao, đáp ứng nhanh do điện dung nhỏ. Ngoài ra, nó còn có ưu

điểm là tín hiệu tạo ra chính là sức điện động mà không cần tạo ra dòng điện
chạy qua cảm biến tránh được hiện tượng đốt nóng cảm biến. Cặp nhiệt được
cấu tạo bởi 2 dây kim loại khác nhau a và b thì tổng suất điện động xuất hiện
trong mạch này bằng suất điện động Thomson phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối
1, 2
T T
ở 2 đầu mối ghép của dây dẫn. Ngoài ra, trong mạch còn có suất điện động
Seebeck, điều này được giải thích là do sự tập trung khác nhau của điện tử ở hai
đầu mối ghép. Mặt khác do sự xuất hiện thế năng tiếp xúc tại khu vực mối ghép
bởi 2 đầu dây dẫn không đồng chất. Lý thuyết trên được thể hiện bằng công
thức:
1 2 2 1
( ) ( ) ( )
ab ab ab
E TT E T E T
= −

Trong đó:
+
1 2
( )
ab
E TT
: tổng suất điện động trong mạch kín hai đầu mối ghép có nhiệt
độ
1 2
,T T
;
+
2

( )
ab
E T
: suất điện động Thomson trong mạch tại mối ghép có nhiệt độ
2
T
;
+
1
( )
ab
E T
: suất điện động Thomson trong mạch tại mối ghép có nhiệt độ
1
T
.
Công thức trên là cơ sở để chế tạo cặp nhiệt. Nếu để chuẩn một đầu ra có nhiệt
độ
0
1
0T C=
thì suất điện động ở hai đầu cặp nhiệt tại mối ghép
2
T T=
là:
2 3
0
1 1
2 2
E AT BT CT= + +

Trong đó:
+ A,B,C là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo. Như vậy suất điện
12
động
0
E
là hàm phi tuyến với nhiệt độ. Nói cách khác độ nhạy của cặp nhiệt
thay đổi trong từng khoảng đo. Về mặt toán học, hàm
0
E
được xem là tuyến
tính với nhiệt độ khi
,B C A≤
.
Tóm lại, suất điện động được xem là tuyến tính trong khoảng làm việc
nào đó tùy theo cấu tạo của từng loại kim loại làm cặp nhiệt.
Thực tế, cặp nhiệt được chế tạo bằng 2 sợi kim loại khác nhau, có ít nhất 2 mối
nối, một đầu giữ ở nhiệt độ chuẩn, đầu còn lại tiếp xúc với đối tượng đo. Cặp
nhiệt có cực dương và cực âm, cực dương thường đánh dấu màu đỏ. Tùy theo
vật liệu chế tạo, cặp nhiệt được phân thành các loại sau:
E: Crôm/Hợp kim đồng-niken.
J: Sắt/Hợp kim đồng-niken.
T: Đồng/Hợp kim đồng-niken.
K: Crôm/Nhôm.
R: Hợp kim Paltin-Rodi(13%)/Platin.
S: Hợp kim Paltin-Rodi(10%)/Platin.
B: Hợp kim Paltin-Rodi(30%)/Hợp kim
Paltin-Rodi(6%).
Hình 1.3 Dải đo của các loại cặp nhiệt điện

* Ưu điểm
- Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất.
- Đơn giản.
- Rẻ tiền.
- Dải đo rộng, thay đổi lớn.
* Nhược điểm
- Phi tuyến.
- Điện áp cung cấp thấp.
13
- Cần có điện áp tham chiếu.
- Kém ổn định nhất.
- Kém nhạy nhất.
b. Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở
Nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong các
đường ống, các lò phản ứng hóa học, các lò hơi, không khí trong phòng, lồng ấp
ứng…Nhiệt điện trở thích hợp đo nhiệt độ trong khoảng
0
50 C−
đến
0
300 C
.
Nguyên lý làm việc dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ: R=f(t). Cuộn dây
điện trở thường nằm trong ống bảo vệ và tùy theo công dụng mà vỏ ngoài có thể
là kim loại, thủy tinh hoặc gốm.

Hình 1.4 Nhiệt điện trở thực tế
Đối với các loại vật liệu dẫn điện thì giá trị điện trở phụ thuộc nhiệt độ theo hàm
số sau:
0 0

* ( )
T
R R f T T= −

Trong đó:
+
T
R
: điện trở đo ở nhiệt độ
T
(
Ω
);
+
0
R
: điện trở đo ở nhiệt độ
0
T
(
Ω
);
+
0
( )f T T−
: hàm phụ thuộc đặc tính vật liệu.
0
( )f T T−
=1 khi
0

T T=
.
Đối với điện trở bằng kim loại:
2 3
0
(1 )
T
R R AT BT CT= + + +
Trong đó:
14
+ T nhiệt độ tính bằng
0
C
;
+ A,B,C là hằng số vật liệu của nhà sản xuất.
Đối với điện trở bằng oxit bán dẫn:
0
0
1 1
*exp
T
R R
T T
β
 
 
= −
 
 ÷
 

 
Trong đó:
+ T là nhiệt độ tuyệt đối tính bằng (K);
+
0
273,15*T K=
.
Đây là loại cảm biến nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, được chế tạo
bằng chất bán dẫn được gọi là thermistor. Đặc điểm của thermistor là điện trở
của nó biến đổi rất lớn theo nhiệt độ. Thành phần chính là oxit kim loại như
Mangan, Nikel, Sắt hoặc hỗn hợp tinh thể MnAl
2
O hay ZnTiO
4
. Nhiệt kế
thermistor được chế tạo bằng cách ép định hình rồi nung nóng đến 100
0
C trong
môi trường oxi hóa. Việc lựa chọn tỉ lệ hỗn hợp giữa các oxit hoặc hỗn hợp tinh
thể và môi trường nung đóng vai trò quan trọng quyết định chất lượng
thermistor.
Trong những năm gần đây, nhiệt kế thermistor được sử dụng rộng rãi do
có ưu điểm độ nhạy cao, đặc tính nhiệt ổn định, kích thước nhỏ gọn, dễ thay đổi
khi chế tạo. Chúng chia làm 2 loại:
Nhiệt điện trở có hệ số dương PT (Positive Thermistor): làm việc dựa trên
nguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng và được cấu tạo từ các hợp chất
như Ceramic, Sắt, Titan, Bari…Đặc tuyến làm việc như hình bên dưới, với vùng
A là vùng có hệ số nhiệt âm, B là vùng có hệ số nhiệt dương rất lớn, C là vùng
có hệ số nhiệt âm sâu, vùng này rất nguy hiểm và nhiệt điện trở dễ bị phá hủy.
Điểm M là điểm làm việc của nhiệt điện trở. Đáp ứng nhiệt độ tức thời khi

cường độ dòng tăng vọt. Hệ số nhiệt và điểm làm việc thay đổi theo thành phần
các hợp chất cấu tạo thermistor.
Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative Thermistor): làm việc dựa
trên nguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm, thường được cấu từ oxit kim
15
loại Mangan, Sắt, Nikel. Đặc tuyến làm việc thể hiện ở hình dưới, trị số điện trở
giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng biểu diễn bởi công thức:
*exp
B T
T
R A=
Trong đó:
+ A: Hệ số điện trở phụ thuộc vào điện trở suất của chất bán dẫn;
+ B: Hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu chất bán dẫn.
và loại thermistor. B trong dải 3000-5000: đo nhiệt độ thấp. B trong dải 6000-
13000: đo nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ giảm thì độ nhạy càng tăng đó cũng chính
là ưu điểm của loại nhiệt kế này.
Hình 1.5 Đặc tuyến nhiệt độ của thermistor loại PT
Hình 1.6 Đặc tuyến nhiệt độ của thermistor loại NT
* Ưu điểm
16
- Ổn định nhất.
- Chính xác nhất.
- Tuyến tính hơn thermocouple.
* Khuyết điểm
- Đắt tiền.
- Cần phải cung cấp nguồn dòng.
- Lượng thay đổi
R∆
nhỏ.

- Tự gia tăng nhiệt.
c. Đo nhiệt độ bằng IC
Kĩ thuật vi cơ điện tử cho phép chế tạo mạch kết nối gồm nhiều transitor
giống nhau được sử dụng làm cảm biến hoàn hảo. Các IC này đo nhiệt độ dựa
trên sự khác biệt của điện áp V
bc
dưới tác dụng nhiệt độ. Cảm biến loại này tạo
ra dòng điện hoặc điện áp tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối với độ tuyến tính cao. Ưu
điểm của nó là vận hành đơn giản, tuy nhiên pham vi hoạt động của nó chỉ giới
hạn trong khoảng
0 0
50 150C C− −
. Khi nhiệt độ thay đổi sẽ xảy ra hiện tượng ion
hóa các nguyên tử nút mạng và tạo ra các cặp hạt dẫn tự do: điện tích và lỗ
trống. Các electron bứt ra khỏi các kiên kết ghép đôi thành điện tích tự do di
chuyển qua các mạng cấu trúc tinh thể, làm tăng các lỗ trống theo qui luật hàm
mũ với nhiệt độ. Kết quả là khi phân cực thuận, dòng thuận của tiếp giáp P-N sẽ
tăng theo hàm mũ của nhiệt độ.
Các IC thường dùng:
DS18B20: Dải đo: - 25˚C ÷ 125˚C.
AD 590: Dải đo: - 55˚C ÷ 150˚C.
LX 5400: Dải đo: - 55˚C ÷ 150˚C.
LM 135: Dải đo: - 55˚C ÷ 200˚C.
LM 235: Dải đo: - 55˚C ÷ 140˚C.
LM 335: Dải đo: -10˚C ÷ 125˚C.
LM 134 - 3; LM 134 - 6 Dải đo: - 50˚C ÷ 125˚C.
LM 234 - 3; LM 234 - 6: Dải đo: - 25˚C ÷ 100˚C.
17
* Ưu điểm
- Tuyến tính nhất.

- Ngõ ra có giá trị cao nhất.
- Rẻ tiền.
- Dễ dàng sử dụng.
1. Cảm biến LM35 2. Cảm biến AD590
Hình 1.7 IC cảm biến nhiệt độ
* Khuyết điểm
- Nhiệt độ đo dưới
0
200 C
.
- Cần cung cấp nguồn cho cảm biến.
1.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ
1.3.1 Điều khiển on-off
Điều khiển on-off là lặp lại trạng thái on-off của hệ thống điều khiển theo
điểm đặt, ví dụ trong hình relay ngõ ra là on khi nhiệt độ trong lò nhiệt dưới
điểm đặt và off khi nhiệt độ đến điểm đặt. Nhiệt độ được đặt ở một giá trị nào đó
mà người vận hành mong muốn, cấp điện sợi nung khi giá trị nhiệt độ trong lò
nhiệt thấp hơn giá trị đặt và tắt nguồn cấp điện cho sợi nung được gọi là điều
khiển on-off còn được gọi là điều khiển 2 vị trí vì hai biến đặt cũng liên quan
đến điểm đặt.
18
Hình 1.8 Điều khiển on-off
Khi điểm đặt được điều khiển bằng hoạt động on-off, biến đặt thay đổi
tuần hoàn như hình dưới. Kết quả tốt nhất của hoạt động on-off đạt được nếu
biên độ biến thiên là nhỏ nhất.
Hình 1.9 Sự biến thiên của giá trị đặt.
Tùy thuộc và hệ thống và yêu cầu công nghệ mà ta sử dụng phương pháp
điều khiển này. Điều khiển on-off thích hợp nhất với hệ thống mà nhiệt độ tăng
lên chậm và sai phân G giữa cân bằng nhiệt khi ngõ ra là on và khi ngõ ra là off
nhỏ. Ví dụ như G nhỏ duy trì đáp ứng nhiệt nhanh và hunting được tắt bằng hình

thức on-off như hình dưới, nhiệt độ trên tới giá trị tới hạn thấp của ngõ ra đền
được điều khiển bằng hai sợi nung với tổng công suất là 600W, trong lân cận
điểm đặt, nhiệt độ điều khiển mỗi sợi nung là 300W.
19
Hình 1.10 Hệ thống thích hợp sử dụng điều khiển On-Off
Quá trình điều khiển on-off lò nhiệt diễn ra với giá trị sai số cho phép nhằm
ngăn ngừa nhiễu trong quá trình bật tắt lò nhiệt quá nhanh khi nhiệt độ lò gần
bằng nhiệt độ đặt. Dao động nhiệt được biểu diễn trong sơ đồ sau:
Hình 1.11 Dao động nhiệt độ xung quanh giá trị đặt
1.3.2 Điều khiển hiệu chỉnh P
Đây là bộ điều khiển tỉ lệ mà biến đặt (manipulate variable) tỉ lệ với độ
lệch(deviation) từ điểm đặt bên trong dãy tỉ lệ cho phạm vi nhiệt độ đặt. Khi
nhiệt độ hiện tại thấp hơn mức giới hạn thấp nhất của dãy tỉ lệ, biến đặt vào là
100%. Khi nhiệt độ bên trong dãy tỉ lệ, biến đặt giảm dần trong dãy tỉ lệ tới độ
lệch và giảm 50%. Khi nhiệt độ hiện tại bằng với điểm đặt và không có lệch, khi
20
đó P cho phép điều khiển nhiệt độ phẳng với hunting nhỏ hơn điều khiển ON-
OFF. Thiết bị ngõ ra dạng xung ở trạng thái ON-OFF có thể dùng làm thiết bị
ngõ ra của bộ điều khiển nhiệt độ. Ngõ ra này bao gồm: relay output, SSR output
và voltage output. Nếu như thiết bị này dùng để lặp trạng thái on-off trong dãy tỉ
lệ ở chu kỳ được xác định như hình dưới thì thời gian on ở ngõ ra tỉ lệ với độ
lệch. Tỷ số từ lúc on tới lúc off là 1:1 và biến là 50% khi chu kỳ relay ngõ ra từ
on tới off với nhiệt độ điều khiển bừng điểm đặt. Một chu ky từ on tới off của
thiết bị đầu ra được gọi là chu kỳ tỉ lệ (proportional period) và hoạt động điều
khiển theo chu kỳ tỉ lệ gọi là “hoạt động điều khiển chia tỷ lệ thời gian”.
Hình 1.12 Điều khiển hiệu chỉnh P
Khi P tăng, sự đáp ứng quá độ nhanh hơn nhưng ngược lại hệ thống có
nhiệt độ nằm dưới mức nhiệt độ điều khiển và không ổn định.
21
Hình 1.13 Đáp ứng của hệ thống

1.3.3 Điều khiển hiệu chỉnh PD
Vấn đề về tính ổn định và độ quá điều chỉnh trong điều khiển tỉ lệ với độ
khuếch đại lớn có thể được giảm đi khi thêm vào đó khâu vi phân cho tín hiệu
sai số.
0 0
W .( ) . ( )
S S
d
P T T D T T
dt
= − + −

Kỹ thuật này gọi là điều khiển PD. Khâu vi phân có thể hiệu chỉnh khả
năng đáp ứng sự thay đổi tại nhiệt độ đặt, đó là giảm độ vọt lố, đáp ứng đầu ra
bớt nhấp nhô hơn, được biểu diễn như hình dưới:
Hình 1.14 Đáp ứng hệ thống với hiệu chỉnh PD
Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện thu động, có thể
dùng khuếch đại thuật toán, điện trở và tụ điện. Nhược điểm của bộ PD này là
22
rất nhạy về nhiễu vì bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1
sẽ làm tăng sự ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu.
1.3.4 Điều khiển hiệu chỉnh PID
Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm giảm
sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm bậc thang sẽ gây ra vọt lố và trong
vài trường hợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực. sựu có mặt của
khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ
thống sẽ đáp ứng nhanh hơn. Khâu tích phân tỉ lệ (PI) có mặt trong hệ thống sẽ
dẫn đến sai lệch tĩnh bị triệt tiêu (hệ vô sai). Muốn tăng độ chính xác ta phải
tăng hệ số khuếch đại song với mọi hệ thực tế đều bị hạn chế và sự có mặt của
khâu PI là bắt buộc. Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu

điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt, khử chậm
pha. Sự có mặt PID ở vòng hồi tiếp có thể dẫn đến sự dao động trong hệ do đáp
ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm dirac δ(t). Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng
nhiều trong công nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm.
hàm truyền của bộ PID có dạng:
( ) .
Ki
Gc s Kp Kd s
s
= + +
Với các giá trị Kp, Kd, Ki là các hằng số thực.
Phương trình vi tích phân mô tả tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu e(t)
của bộ điều khiển PID là:
( )
( ) . ( ) . ( ).
de t
u t Kp e t Kd Ki e t dt
dt
= + +
∫

Với e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) - c(t). Với r(t) và c(t) lần lượt là tín
hiệu vào và đáp ứng ra hệ thống.
Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị Kp, Kd, Ki sao cho thỏa mãn các
yêu cầu về chất lượng. Ta hãy xem xét sự ảnh hưởng của từng khâu trong quá
trình điều khiển chất lượng hệ thống. Hiệu quả của phương pháp này là điều
23
khiển được năng lượng lò nhiệt cho đến khi sai số trung trình của giá trị nhiệt
độ là bằng 0.
Hình 1.15 Đáp ứng hệ thống với điều khiển PID

1.3.5 Điều khiển sử dụng Fuzzy logic
Những thành phần cơ bản của một bộ điều khiển mờ bao gồm khâu Fuzzy
hóa, thiết bị thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ. Một bộ điều khiển mờ chỉ
gồm ba thành phần như vậy có tên gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản.
Hình 1.16 Mô hình điều khiển mờ cơ bản
Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện
thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển tĩnh. Tuy vậy, để mở rộng miền ứng
dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết
sẽ được nối thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản. Các khâu động đó chỉ có nhiệm
vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các giá trị đạo hàm hay tích
phân của tín hiệu. Với những khâu động bổ sung này, bộ điều khiển cơ bản sẽ
x
1
x
q

µ

R
1
: NẾU
THÌ
R
q
: NẾU
THÌ

H
1
H

q
B’ y’
24
được gọi là bộ điều khiển mờ động.
Hình 1.17 Bộ điều khiển logic mờ động
Trong những năm gần đây các hệ mờ đã có những bước tiến nhanh chóng
áp dụng vào nhiều hệ thống khác nhau: điều khiển, xử lý tín hiệu truyền thông,
chế tạo vi mạch, các hệ chuyên gia…Trong điều khiển nhiệt độ lò nhiệt quá
trình điều khiển mờ theo trình tự như sau:
Hình 1.18 Sơ đồ khối luật mờ
Từ sơ đồ khối trên, ta rút ra 5 bước cơ bản để tổng hợp bộ điều khiển mờ
như sau:
- Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ đầu vào/ra.
- Định nghĩa tập mờ cho các biến vào/ra.
- Xây dựng các luật điều khiển.
- Chọn thiết bị hợp thành.
- Giải mờ.
Trong đó, bước 1 và 2 làm công việc mờ hóa, bước 3 thiết lập suy diễn
mờ dựa trên luật hợp thành mờ, bước 4 và 5 làm công việc giải mờ để nhận giá
trị ngõ ra.
Bài toán điều khiển lò nhiệt là bài toán điều khiển khá phức tạp do đối
Bộ điều
khiển mờ cơ
bản

dt
d
∫
dt
x(t) y’(t

)
25
tượng nhiệt độ có tính trễ và phi tuyến. Ngày nay với sự ra đời của nhiều
phương pháp điều khiển khác nhau, mỗi phương pháp có nhiều điểm mạnh yếu
khác nhau. Nếu kết hợp tốt các phương pháp sẽ cho kết quả tốt hơn. Tất cả đều
hướng đến mục tiêu là độ chính xác, tốc độ cao cũng như khả năng đáp ứng tốt
của thiết bị điều khiển. Phương pháp cổ điển chỉ áp dụng với các đối tượng điều
khiển có mô hình toán học nhưng trong thực tế các hệ thống điều khiển điều có
tính phi tuyến, độ phức tạp cao.
Bảng 1.2 So sánh các phương pháp điều khiển nhiệt độ
Các phương pháp
điều khiển
Ưu điểm Khuyết điểm
Điều khiển on-off - Điều khiển đơn giản - Xảy ra quá tải mạch
lực độ vọt lố lớn
Điều khiển tỉ lệ P - Quá tải và độ vọt lố
nhỏ
- Thời gian đáp ứng lâu
đến khi biến điều khiển
được thiết lập
Điều khiển vi phân tỉ
lệ PD
- Đáp ứng nhanh - Rất nhạy với nhiễu
Điều khiển PID - Có thể điều khiển tốt - Cần thực nghiệm xác
định các thông số PID
Điều khiển mờ - Thiết lập đơn giản
- Gần với suy luận con
người
- Khó tối ưu nếu chỉ sử
dụng riêng lẻ bộ điều

khiển mờ
Từ đó, bộ điều khiển mờ ra đời đáp ứng yêu cầu của thực tiễn, dựa trên
những thông tin không rõ ràng, tùy thuộc vào kinh nghiệm của người điều khiển.
Và logic mờ đã được áp dụng thành công trên các thiết bị như máy ghi hình, lò
vi sóng, máy giặt, điều hòa…và cũng trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, mô hình
còn hạn chế, đơn giản nên logic mờ là phương pháp điều khiển thích hợp. Với
những lý do trên tôi chọn phương pháp logic mờ cho hệ thống của mình.
1.4 Kết luận