Thiết kế và chế tạo mô hình điềukhiển nhiệt độ lò nhiệt dùng thuật toán điều khiển mờ lập trình bằng vi điềukhiển

Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp hiện nay, việc đo và khống chế
nhiệt độ là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng. Vì nếu nắm bắt được tình
trạng làm việc của các hệ thống, dây chuyền sản xuất sẽ giúp ta tránh được những hư
hỏng và sự cố có thể xảy ra. Nhưng làm sao để kịp khắc phục lỗi của hệ thống nếu
thông tin đưa về chưa đầy đủ? Điều khiển mờ ra đời để giảm thiểu và khắc phục
những lỗi đó.
Ngay từ khi mới ra đời vào những năm đầu của thập kỷ 90, chuyên ngành điều
khiển mờ đã được phát triển rất mạnh mẽ và đem lại nhiều thành tựu trong lĩnh vực
điều khiển. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển
kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của
đối tượng một cách chính xác, điều khiển mờ có thể xử lý những thông tin “không
chính xác” hay không đầy đủ là đã đưa ra những quyết định chính xác.
Bên cạnh đó sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số các hệ thống
điều khiển dần dần tự động hoá. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, vi mạch số
được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với
tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự
động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước.
Để đáp ứng được yêu cầu điều khiển và khống chế nhiệt độ tự động có nhiều
phương pháp để thực hiện, tuy nhiên nhóm nhận thấy phương pháp kết hợp điều
khiển mờ và vi điều khiển là phương pháp mới, khả năng ổn định nhiệt độ tốt. Vì vậy
được sự đồng ý của Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Hưng
Yên, nhóm chúng em tiến hành thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình điều
khiển nhiệt độ lò nhiệt dùng thuật toán điều khiển mờ lập trình bằng vi điều
khiển”

GVHD: Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành

Lớp: ĐK8LC1
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
*Đề tài nghiên cứu gồm những phần chính sau:
CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT
CHƯƠNG II:TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ
CHƯƠNG III:TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F4431
CHƯƠNG IV:THIẾT KẾ HỆ THỐNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ ỨNG
DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ
CHƯƠNG V:THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Nhờ có sự hướng dẫn tận tình của cô giáo Ths Nguyễn Phương Thảo cùng các
thầy cô trong khoa đã tạo điều kiện giúp đỡ để nhóm em hoàn thành được đề tài này.
Tuy nhiên, do trình độ còn hạn chế, chưa có kinh nghiệm nên không tránh khỏi
những thiếu sót, rất mong sự chỉ bảo của thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em
được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1


GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
2
2
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2



GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
3

3
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp






















NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
4
4
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC
Contents
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
5
5
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Mặt cắt ngang của lò nhiệt…………………………………………………11
Hình 2: Mô hình thực nghiệm của lò……………………………………………….18
Hình 3: Đường đặc tính gần đúng của đối tượng………….………………… 18
Hình 4: Miền xác định và miền tin cậy của một tập mờ….………………………22
Hình 5: Ví dụ minh hoạ hàm thuộc………………………….…………………… 23
Hình 6: Bộ điều khiển mờ với quy tắc MAX-MIN………… …………………… 26
Hình 7: Giá trị rõ y’ không phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều khiển
quyết
định…………………………………………………………………………… 30
Hình 8: Giá trị rõ y’ phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều khiển quyết
định…………………………………………………………………………………… 3
1
Hình 9: Giá trị rõ y’ phụ thuộc tuyến tính vào độ thoả mãn… …………………
31
Hình 10: Giá trị rõ y’ là hoành độ của điểm trọng tâm……… …………………32
Hình 11: Xác định giá trị rõ y’ theo phương pháp điểm trọng tâm khi miền giá
trị của tập mờ không liên thông…… ……………………………………………….33
Hình 12: Cấu trúc bên trong bộ điều khiển mờ…….…………………………… . 33

Hình 13: Mạch điều khiển với bộ điều khiển mờ………….…….…………………
34
Hình 14: Vi điều khiển PIC 18F4431…………………
………………………… 38
Hình 15: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 18F4431………………… ….…………. 39
Hình 16: Bộ nhớ chương trình PIC 18F4431………………………………………
40
Hình 17: Bộ nhớ dữ liệu PIC 18F4431… …………………………………………41
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
6
6
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
Hình 18: Sơ đồ khối của Timer0………… …………………………………………
45
Hình 19: Sơ đồ khối của Timer1………… …………………………………………
46
Hình 20: Sơ đồ khối của Timer2………… …………………………………………
47
Hình 21: Sơ đồ khối của Timer5………… …………………………………………
48
Hình 22: Sơ đồ khối ADC………………….…………………………………………50
Hình 23: Sơ đồ khối Capture/Compare/PWM……………… ……………………51
Hình 24: RC oscillator…………………….………………………………………….53
Hình 25: Sơ đồ logic của tất cả các ngắt trong vi điều khiển PIC 18F4431…55
Hình 26: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ…….………………………….58
Hình 27: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển nhiệt độ……………………………… 59

Hình 28: Mô tả các giá trị ngôn ngữ của DT bằng các tập mờ….…………… 61
Hình 29: Mô tả các giá trị ngôn ngữ của dμ bằng các tập mờ…….……………62
Hình 30: Sơ đồ khối hệ thống điện - điện tử………………………….……………72
Hình 31: Sơ đồ mạch khối nguồn…………………………………….…………… 73
Hình 32: Cảm biến nhiệt LM35D…………………………………….…………… 74
Hình 33: Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ LM35…………………….…………… 75
Hình 34: Sơ đồ khối bộ biến đổi ADC trong PIC……………… ………………76
Hình 35: Sơ đồ kết nối linh kiện trong khối xử lý trung tâm…………………….78
Hình 36: Cấu tạo và sơ đồ chân của MOC 3021……………… ………………80
Hình 37: Cấu tạo và ký hiệu của Triac…………………………….……………….81
Hình 38: Mạch điều khiển công suất lò nhiệt dùng rơle bán dẫn… ………… 82
Hình 39: Xung điều khiển PWM……………………………………….……………83
Hình 40: Sơ đồ và thông số của Triac BTA26600B……………….…………… 85
Hình 41: Sơ đồ mạch khối nguồn…………………………………….…………… 86
Hình 42: Sơ đồ mạch khối điều khiển……………………………….………………87
Hình 43:Board mạch khối nguồn và khối điều khiển …………….………………88
Hình 44 . Hình ảnh của sản phẩm thực tế……………………… ……………… 91
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
7
7
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT
1.1. Cấu tạo lò nhiệt
Thông thường lò nhiệt cấu tạo bởi ba phần chính là: vỏ lò, lớp lót, dây nung

Hình 1: Mặt cắt ngang của lò nhiệt

1: Lớp lót 2: Vật nung 3: Dây nung 4: Vỏ lò
1.1.1. Vỏ lò.
Vỏ lò là một khung cứng, vững, chủ yếu để chịu trọng tải trong quá trình làm
việc của lò. Mặt khác, cũng là để giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo sự kín đáo hoàn toàn
hay tương đối của lò sấy.
Đối với các lò nung nóng với khí bảo vệ, sự cần thiết của lò là phải hoàn toàn
kín. Đối với lò bình thường, sự kín của lò là để giảm tổn thất và tránh được sự lùa của
không khí vào lò.
Khung vò lò thường cứng, chắc, đủ để chịu được trọng tải của lớp lót, tải lò và
các chi tiết cơ khí gắn trên vỏ lò.
Vỏ lò sấy có hai dạng cơ bản: dạng chữ nhật và dạng hình tròn.
Vỏ lò chữ nhật thường dùng trong các buồng lò băng tải, lò liên tục, lò đáy
bước và lò đáy rung….
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
8
8
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
Vỏ lò tròn được dùng trong các lò giếng và lò chụp…. Vỏ lò tròn chịu được
tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò hình chữ nhật cùng một lượng thép làm vỏ lò. Khi
làm vỏ lò trong người ta thường chọn độ dầy tương ứng của tấm thép so với đường
kính vỏ lò như sau:
Đường kính Độ dầy tấm thép
1000 – 2000 mm 3 – 6 mm
2500 – 4000 mm 8 – 12 mm
4500 – 6500 mm 14 – 20 mm
Khi cần độ cứng vững chắc cho vỏ lò, người ta thường dùng vòng đệm tăng

cường. Với vỏ lò chữ nhật thì vòng đệm là chữ U hay chữ L, còn vòng đệm trong thì
dùng đai.
Phương pháp gia công vỏ lò thường là hàn hay tán đinh…
1.1.2. Lớp lót.
Lớp lót các lò sấy thường gồm 2 phần: Phần vật liệu chịu lửa và phần cách
nhiệt.
Phần vật liệu chịu lửa có thể xây dựng trên gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch
đặc biệt, tuỳ theo hình dạng và kích thước đã cho của buồng lò, cũng có khi người ta
dầm bằng các loại chịu lửa gọi là khối dầm. Khối dầm có thể tiến hành ngay trong lò
hay ngoài nhờ các khuôn. Phần vật liệu chịu lửa phải đạt các yêu cầu sau:
- Chịu được nhiệt độ cực đại của lò nhiệt.
- Có độ bền nhiệt độ cực đại của lò nhiệt.
- Có độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong các điều
kiện làm việc đặc biệt.
- Đảm bảo khả năng gắn dây cung bền và chắc chắn.
- Có đủ độ bền hoá học, khi làm việc chịu nhiệt được tác dụng của khí quyển
và vật nung.
- Đảm bảo khả năng tổn thất nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng trong
lò làm việc có chu kỳ.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
9
9
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và vật liệu chịu lửa. Nhiệm vụ chủ yếu
của phần này là giảm tổn thất nhiệt. Riêng phần cách nhiệt ở đây còn yêu cầu độ bền
cơ học nhất định. Các yêu cầu cơ bản đối với phần cách nhiệt là:

- Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu.
- Khả năng tích cực tiểu.
- Ổn định về tính vật lí trong điều kiện làm việc xác định.
- Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch chịu lửa hay điền đầy bằng xi, bông,
bột amiang
1.1.3. Dây nung
Theo đặc tính của lò sấy mà chia thành 2 loại dây nung là kim loại và phi kim
loại. Dây nung có thể có hình tròn và hình băng.
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc ở điều kiện khắc nghiệt, đời
hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chịu được nhiệt độ cao (ít bị oxi hoá ở điều kiện nhiệt độ cao).
- Sức bền cơ học cao (không bị biến dạng ở nhiệt độ cao).
- Điện trở suất lớn.
- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ để khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của dây vẫn ổn
định.
- Các tính chất dẫn điện phải ổn định hay ít thay đổi.
- Các kích thước phải ít thay đổi khi sử dụng.
- Dễ gia công, dễ hàn, ép khuôn.
- Dây nung kim loại là hợp kim Crôm - nhôm - Niken. Thường chế tạo loại
tròn hoặc loại băng.
- Dây nung phi kim loại: phổ biến là cacbon-silic (SiC) hay disilic-molipden
(MoSi
2
), graphit và than
- Dây nung có thể bố trí trên nóc và dưới đáy lò sấy, trên thực tế có thể nhiều
cách bố trí dây nung khác nhau, tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật của từng loại lò sấy.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
10

10
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
1.2. Nguyên lý làm việc của lò nhiệt.
1.2.1. Nguyên lý làm việc.
Là dựa trển cơ sở khi có dòng điện đi qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ
toả ra một lượng nhiệt theo định luật Junlenxơ:
Q = I
2
.R.t
Trong đó:
- Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J)
- I: Cường độ dòng điện Ampe (A)
- R: Điện trở ôm (Ω)
- t: Thời gian giây (s)
Như vậy R có thể đóng vai trò sau:
- Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp, ít gặp trong công nghiệp,
thường chỉ dùng khi mà vật nung công suất dạng đơn giản như thiết diện chữ nhật
hoặc tròn.
- Dây nung: Khi dây nung được đốt nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung
bằng bức xạ, đối lưu dẫn nhiệt hay phức tạp hơn gọi là nung gián tiếp. Trường hợp
này thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp cho nên nói tới lò nhiệt không thể
không đề cập tới vật liệu làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò.
1.2.2. Tổn thất nhiệt trong lò.
Tổn hao nhiệt trong lò là do các nguyên nhân sau đây:
- Do trao đổi nhiệt đối lưu của không khí trong và ngoài lò khi lò không kín.
- Do trao đổi nhiệt bức xạ của vỏ lò đối với môi trường xung quanh.
- Do tổn hao nhiệt khi mở cửa lò sấy, khi thay đổi vật nung trong lò.
Chính các sự tổn hao này làm cho nhiệt độ trong lò không được ổn định, việc

ổn định nhiệt độ lò về bản chất chính là điều chỉnh công suất cung cấp nhiệt cho lò.
Lò sấy của đồ án này hoạt động ở nhiệt độ 30
0
C – 100
0
C tức là ở nhiệt độ trung bình,
do đó trao đổi nhiệt trong lò chủ yếu là trao đổi nhiệt đối lưu.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
11
11
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
1.3. Các đặc điểm của lò nhiệt.
- Tạo được nhiệt độ cao.
- Đảm bảo tốc độ nung lớn.
- Nhiệt độ ổn định, dễ điều chỉnh tóc độ và nhiệt độ.
- Kết cấu kín.
- Có khả năng cơ khí hoá, tự động hoá cao.
- Vệ sinh, gọn nhẹ.
- Thích hợp khi sử dụng trong nhiều yêu cầu khác nhau.
1.4. Các yêu cầu cơ bản về lò nhiệt.
- Hợp lý về mặt công nghệ: Cấu tạo của lò nhiệt không những phù hợp với quá
trình công nghệ yêu cầu mà còn phải tính đến khả năng sử dụng nóv ới các quy trình
công nghệ khác nếu không làm tăng độ phức tạp trong thiết kế và giá cả không quá
cao hơn.
- Hiệu quả về kĩ thuật: là hiệu suất cực đại của kết cấu khi nó có các thông số
khác xác định như kích thước, công suất, trọng lượng.

- Chắc chắn, tin cậy khi làm việc.
- Tiện lợi khi sử dụng.
- Rẻ và đơn giản khi chế tạo.
- Hình dáng nhỏ gọn, đẹp.
1.5. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt.
1.5.1. Phương pháp dùng máy biến áp.
Đây là phương pháp điều chỉnh điện áp theo cấp, nó đòi hỏi biến áp phải có
công suất lớn. Phương pháp dùng máy biến áp để thay đổi mức điện áp cung cấp cho
lò. Đây là phương pháp thô sơ, ít dùng trong hệ thống điều khiển tự động.
1.5.2. Phương pháp dùng rơle.
Phương pháp này có đặc điểm là khống chế mức nhiệt độ, mức điện áp khác
nhau. Nhưng do rơle chỉ có tác dụng điều khiển ở một số thời điểm nhất định nên
điều chỉnh mang tính chất không liên tục. Mặt khác, quá trình điều khiển luôn bị dao
động, phụ thuộc vào các thời điểm đặt khác nhau, vì thế độ chính xác điều chỉnh
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
12
12
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
không cao, rơle phải đóng ngắt nhiều lần nên độ tin cậy kém. Tuy nhiên phương pháp
này có ưu điểm: đơn giản, dễ nói, phù hợp với yêu cầu công nghệ, đòi hỏi độ chính
xác cao.
1.5.3. Phương pháp dùng rơle kết hợp với Thysistor.
Khi sử dụng phương pháp này thì khả năng điều chỉnh với các phạm vi khác
nhau là tương đối tốt. Tuy nhiên phương pháp này không thực hiện được bởi vì khi
tiếp điểm của rơle đóng, ta luôn có cả chu kỳ cung cấp cho tải nhưng khi mở nguồn
thì cung cấp phía Thysistor bị ngắt, do đó việc cung cấp cho lò chỉ hoàn toàn do

Thysistor và như vậy công suất đưa vào cho lò sấy chỉ điều khiển được 1/2 chu kì.
1.5.4. Phương pháp dùng hai Thysistor mắc song song ngược.
Khi có xung điều khiển thì hay Thysistor sẽ lần lượt mở cho dòng đi qua. Ta
có thể điều khiển cho Thysistor liên tục chuyển từ đóng sang mở tương ứng với công
suất của lò thay đổi từ Min-Max.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh trong phạm vi rộng, đáp ứng yêu cầu
điều khiển, độ chính xác điều khiển tương đối cao, độ nhạy và điều chỉnh tương đối
lớn, có khả năng điều chỉnh tương đối liên tục và đều đặn.
Phương pháp điều chỉnh dùng hai Thysistor có thể điều khiển theo biên độ
hoặc theo độ rộng xung.
1.5.5. Phương pháp dùng Triac.
Triac có chức năng giống hay Thysistor mắc song song ngược chiều, vì vậy để
đơn giản mạch điều khiển công suất ta có thể dung Triac thay cho hai Thysistor mắc
song song ngược.
Qua các phương pháp điều chỉnh lò nhiệt ta thấy phương pháp sử dụng Triac
là phù hợp nhất với đề tài đã giao vì Triac có những ưu điểm sau:
- Công suất không lớn, triac thừa đủ công suất để cung cấp.
- Mạch điều khiển Triac đơn giản hơn mạch hai Tiristor.
- Dù là công suất nhỏ, nhưng nếu điều khiển không đối xứng bằng một Điot,
một Tiristor cũng không nên do làm xấu đi chất lượng điện áp nguồn và cụ thể trong
trường hợp này không điều khiển được từ nhiệt độ môi trường.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
13
13

LÒ NHIỆT
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử

Đồ án tốt nghiệp
- Các sơ đồ không dùng thiết bị bán dẫn khó đáp ứng cho việc ổn định nhiệt
độ, do việc tự động thay dổi điện áp và dòng điện tải khó khăn hơn.
1.6. Nhận dạng đối tượng.
Ta có thông số cho trước của lò nhiệt:
- Công suất lò nung:P=500W
- Dải nhiệt độ :30°C-100°C
- Thể tích lò :V=30x30x60 (cm²)
1.6.1. Phương pháp lý thuyết.
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
đối tượng, các quy luật này được miêu tả theo quy luật lý – hjoá, quy luật cân bằng….
dưới dạng những phương trình toán học.
Trong thực tế, người thiết kế thường nhận dạng đối tượng bằng phương pháp
thực nghiệm. Đối với lò sấy thì có thể dùng hai phương pháp để nhận dạng đối tượng
này là phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Nhưng khi sử dụng
phương pháp lý thuyết để xác định hàm truyền của đối tượng thì gặp rất nhiều khó
khăn trong việc tổng hợp các khâu động học và hàm truyền của đối tượng thường
không chính xác do hệ thống thường gồm rất nhiều khâu. Vì vậy ta sử dụng phương
pháp thực nghiệm sẽ khắc phục được nhiều khó khăn này.
1.6.2. Phương pháp thực nghiệm chủ động.
Công suất điện áp 100% Nhiệt độ lò
U(t) C(t)
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
14
14
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử

Đồ án tốt nghiệp
Hình 2: Mô hình thực nghiệm của lò
Lò sấy khi có tín hiệu điện áp vào là U, thì sẽ có tín hiệu ra là nhiệt độ. Khi ta
đặt giá trị điện áp vào là 100% công suất của lò thì tại thời điểm đó thì nhiệt độ của lò
chưa thay đổi ngay, nó phải mất một khoảng thời gian nhất định để biến đổi năng
lượng nhiệt thành năng lượng điện và truyền, thời gian này được gọi là thời gian trễ
và thời gian này tạo nên khâu trễ của lò.
Nhiệt độ trong lò sẽ tăng dần cho đến khi tỉ lệ với điện áp đặc vào thì lúc này
sẽ kết thúc quá trình quá độ. Trong quá trình xác lập thì lượng nhiệt ra là nhiệt độ,
luôn tỉ lệ với điện áp đặt vào.

Hình 3: Đường đặc tính gần đúng của đối tượng
Tín hiệu vào u(t) = 1(t) là hàm bậc thang đơn vị là theo biến đổi Laplace thì:

Tín hiệu ra của quá trình được mô tả bằng phương trình:
y
(t)
= f(t - τ) : trong đó τ là thời gian trễ.
Chuyển sang phương trình dạng toán tử Laplace:
Y
(s)
= e
-τ.s
.F
(s)
Trong đó f(t) = k là hàm quá độ của nhiệt độ, được xác định dựa vào đặc tính
gần đúng của đối tượng. Từ đó có ảnh Laplace.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1

15
15
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
F = - =
Vậy tín hiệu ra: Y = e .
Theo định nghĩa ta có hàm truyền đạt của đối tượng:
G = = = e .
Vậy đối tượng là khâu quán tính bậc nhất có trễ.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
16
16
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG II:TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ
2.1. Mở đầu.
Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển khoa học kĩ thuật
hiện đại, đến nay điều khiển mờ đã là một phương pháp điều khiển nổi bật bởi tính
linh hoạt và đã thu được những kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý
thuyết mờ, logic mờ và suy luận mờ. Những ý tưởng cơ bản trong hệ điều khiển logic
mờ là tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển,
quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic mờ được thiết lập thông
qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ (như luật if-then) trên các biến ngôn ngữ.
Luật điều khiển if-then là cấu truúcdạng điều kiện nếu - thì, trong đó có một số từ đặc
trưng bởi các hàm liên tục. Các luật mờ và các thiết bị suy luận mờ là những công cụ
gắn với việc sử dụng kinh nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế bộ điều khiển.

So với các giải pháp kĩ thuật từ trước đến nay được áp dụng để tổng hợp các
hệ điều khiển, phương pháp tổng hợp bộ điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu
điểm rõ rệt sau:
- Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình
đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống.
- Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn các bộ điều khiển khác và dễ dàng thay đổi.
- Đối với các bài toán thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng bộ điều
khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và giá thành sản phẩm.
- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững
hơn, khả năng chống nhiễu cao hơn.
2.2. Bộ điều khiển mờ.
2.2.1. Khái niệm cơ bản.
Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” thì ta hãy thực hiện phép so sánh sau:
Trong toán học phổ thông ta đã học về tập hợp, ví dụ như tập số thực R, tập
số nguyên tố P = {2, 3. 5…}. Những tập hợp như vậy được gọi là tập kinh điển hay
tập rõ, tính “RÕ” ở đây được hiểu là với một tập xác định S chứa n phần tử thì ứng
với 1 phần tử ta xác định được một giá trị y = S(x).
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
17
17
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
Giờ ta xét phát biểu thông thường về tốc độ một chiếc xe môtô: chậm, trung
bình, nhanh, rất nhanh. Phát biểu “CHẬM” ở đây không được chỉ rõ là bao nhiêu
km/h, như vật từ “CHẬM” có miền giá trị là một khoảng nào đó, ví dụ 5km/h -
20km/h chẳng hạn. Tập L = {chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh} như vậy được
gọi là một tập hợp các biến ngôn ngữ. Với mỗi thành phần ngôn ngữ x của phát biểu

trên nếu nó nhận được một khả năng.
2.2.2. Định nghĩa tập mờ.
Tập mờ F xác định trên tập kinh điển X là một tập mà mỗi phần tử của nó là
một cặp các giá trị (x,
µ
(x)) trong đó x ∈ X và µ là ánh xạ:

µ
: X → (2.1)
Ánh xạ
µ
được gọi là hàm thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ F. Tập kinh
điển X được gọi là nền của tập mờ F.
Sử dụng các hàm phụ thuộc để tính độ phụ thuộc của một phần tử x nào đó có
hai cách:
- Tính trực tiếp (nếu
µ
(x) cho trước dạng công thức tường minh).
- Tra bảng (nếu
µ
(x) cho dưới dạng bảng).
2.2.3. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ.
* Độ cao của một tập mờ F (định nghĩa trên cơ sở X) là giá trị:
h = sup
µ
(x) x ∈ X (2.2)
Một tập mờ có ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 được gọi là tập mờ
chính tắc.
* Miền xác định của tập mờ F (được định nghĩa trên miền X), được ký hiệu
bởi S là tập con của M thoả mãn:

S = supp
µ
(x) = {x ∈ X|
µ
(x) > 0} (2.3)
* Miền tin cậy của tập mờ F (đưwcj định nghĩa trên nền X), được ký hiệu bởi
T, là tập con của M thoả mãn:
T = {x ∈ X|
µ
(x) = 1} (2.4)
Hình 4 là một ví dụ về miền xác định và miền tin cậy của tập mờ.

GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
18
18
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
µ (x)
o Miền tin cậy x

Miền xác định
Hình 4: Miền xác định và miền tin cậy của một tập mờ.
2.2.4. Biến ngôn ngữ.
Biến ngôn ngữ là phần tử chủ đạo trong các hệ thống dùng logic mờ. Ở đây
các thành phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cần được kết hợp lại với nhau.
Để minh hoạ về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ sau: Xét tốc độ của
một chiếc xe môtô ta có thể phát biểu xe đang chạy:

- Rất chậm (VR).
- Chậm (S)
- Trung bình (M)
- Nhanh (F)
- Rất nhanh (VF).
Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ. Gọi x là giá trị của
biến tốc độ, ví dụ: x = 10km/h, x = 60km/h… Hàm thuộc tương ứng của các biến
ngôn ngữ trên được kí hiệu là:
{µ(x), µ(x), µ(x), µ(x), µ(x)}
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
19
19
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
Hình 5: Ví dụ minh họa hàm thuộc
Như vậy biến tốc độ có hai miền giá trị:
- Miền giá trị ngôn ngữ:
N = {rất chậm, chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh}
- Miền các giá trị vật lý:
N = {x ∈ B /x ≥ 0}
Biến tốc độ được xác định trên miền ngôn ngữ N được gọi là biến ngôn ngữ.
Với mỗi x
∈
B ta có hàm thuộc:
x → µ(x) = {µ(x), µ(x), µ(x), µ(x), µ(x)}
Ví dụ hàm thuộc tại giá trị rõ x = 65km/h là:
µ (65) = {0;0;0.75;0.25;0}

2.2.5. Các phép toán trên tập mờ
Cho A, B là hai tập hợp mờ trên không gian nền X có các hàm thuộc tương
ứng là µ, µ khi đó:
* Phép hợp hai tập mờ: A ∪ B
- Theo luật Max:
µ
A
∪∩
B
(x) = Max{µ(x), µ(x)}
- Theo luật Sum:
µ
A
∪
B
(x) = Min{1, µ(x) + µ(x)}
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
20
20
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
- Tổng trực tiếp:
µ
A
∪
B
(x) = µ(x) + µ(x) - µ(x).µ(x)

* Phép giao hai tập mờ:
- Theo luật Min:
µ
A
∩
B
(x) = Min{µ(x), µ(x)}
- Theo luật Lukasiewicz:
µ
A
∩
B
(x) = Max{0,µ(x) + µ(x) - 1}
- Theo luật Prod:
µ
A
∩
B
(x) = µ(x).µ(x)
* Phép bù tập mờ: µ c(x) = 1 - µ(x)
2.3. Luật hợp thành.
2.3.1. Mệnh đề hợp thành.
Cho hai biến ngôn ngữ
γ
và χ nhận giá trị (mờ) A có hàm liên thuộc µ (x) và
γ
nhận giá trị (mờ) B có hàm liên thuộc µ (y) thì hai biểu thức:
χ = A, (ký hiệu là p) được gọi là mệnh đề điều kiện.
Và
γ

= B (ký hiệu là q) được gọi là mệnh đề kết luận.
Mệnh đề hợp thành: p ⇒ q (từ p duy ra q).
Hoàn toàn tương đương với luật điều khiển (mệnh đề hợp thành 1 điều kiện)
Nếu γ = A thì χ = B (2.5)
A ⇒ B (từ A suy ra B)
Là một giá trị mờ biểu diễn giá trị mờ đó là một tập C thì mệnh đề hợp thành
mờ (2.5) chính là ánh xạ
µ
(x) →
µ
(y).
Định lý Mamdani: “Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ
thuộc của điều kiện”.
Từ nguyên tắc Mamdani ta thiết lập được các công thức (còn gọi là các quy
tắc) xác định hàm liên thuộc cho mệnh đề hợp thành A⇒B là:
1.
µ
(x,y) = Min {
µ
(x),
µ
(y)} công thức MAX - MIN (2.6)
2.
µ
(x,y) = {
µ
(x).
µ
(y)} công thức MAX - PROD (2.6)
Hai công thức naà cho mệnh đề hợp thành A ⇒ B gọi là 2 quy tắc hợp thành

theo Mamdani.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
21
21
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
2.3.2. Luật hợp thành mờ.
Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiều hàm
thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành.
Xét một ví dụ về luật hợp thành R biểu diễn mô hình lái ôtô gồm 3 mệnh đề
hợp thành R, R, R cho biến tốc độ χ và biến tốc độ γ như sau:
R: Nếu χ = chậm thì γ = tăng hoặc
R: Nếu χ = trung bình thì γ = giữ nguyên hoặc
R: Nếu χ = nhanh thì γ = giảm
Với mối giá trị vật lý x của biến tốc độ vào thì thông qua phép suy, ta có ba
tập mờ B
’
, B
’
, B
’
từ ba mệnh đề hợp thành R, R, R của luật hợp thành R. Lần lượt ta
gọi các hàm thuộc của 3 tập mờ kết quả đó là:
µ
(y),
µ
(y) và

µ
(y).
Giá trị của luật mờ hợp thành R ứng với x được hiểu là tập R’ thu được qua
phép hợp 3 tập mờ B
’
, B
’
, B
’
: R’ = B
’

∪
B
’

∪
B
’

Các luật hợp thành cơ bản:
- Luật Max-Min
- Luật Max-prod
- Luật Sum-Min
- Luật Sum-prod
Các bước xác định hàm thuộc µ(y) của giá trị đầu ra R’ của một luật hợp
thành có n mệnh đề R, R, R,…, R như sau:
- Xác định độ thoả mãn của mệnh đề điều kiện: H, H, …, H.
- Tính các hàm thuộc của tập mờ kết quả
µ

(y),
µ
(y) và
µ
(y).
- Xác định hàm thuộc của giá trị đầu ra.
- Nếu xem luật hợp thành R chỉ có một mệnh đề hợp thành R.
R: Nếu µ(x) χ = A thì
γ
= B như là luật điều khiển của bộ điều khiển mờ
một vào một ra (SISO) thì đầu ra sẽ là một giá trị mờ có hàm thuộc µ(y).
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
22
22
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
Hình 6: Bộ điều khiển mờ với quy tắc Max Min
Trong trường hợp tín hiệu đầu vào là A’ là một giá trị mờ với hàm liên thuộc
µ(x) đầu ra B’ cũng là một giá trị mờ có hàm liên thuộc µ(y) là phần dưới của
hàm µ(y) bị chặn trên bởi độ thoả mãn: H = Max Min {
µ
(x),
µ
(x)}.
2.3.3. Thuật toán thực hiện luật hợp thành cho hệ SISO.
Luật mờ cho hệ SISO có dạng “If A then A”
Chia hàm thuộc

µ
(x) thành n điểm x i = 1, 2, 3,…, n
Chia hàm thuộc
µ
(x) thành n điểm y y = 1, 2, 3, …, n
Xây dựng ma trận quan hệ mờ R:
1 1 1 11 1
2 2 2 21 2
1
( , ) ( , )
( , ) ( , )

( , ) ( , )
R R m m
R R m m
R n n R n m n nm
x y x y r r
x y x y r r
R
x y x y r r
µ µ
µ µ
µ µ
   
   
   
= =
   
   
   

Hàm thuộc µ (y) đầu ra tương ứng với giá trị rõ đầu vào x có giá trị:
µ = a .R (2.8)
Với a = {0, 0, 0,……, 0, 1, 0,……, 0, 0}. Số 1 ứng với giá trị thứ k.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
23
23
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
Trong trường hợp đầu vào là giá trị mờ A’ thì µ (y) là:
µ(y) = {l, l, …, l} với l = max min {a, a}
2.3.4. Thuật toán thực hiện luật hợp thành cho hệ MISO.
Luật mờ cho hệ MISO có dạng:
“If cd = A and cd = A and … then rs = B”
Các bước xây dựng luật hợp thành R:
+ Rời rạc hoá các hàm thuộc µ (x), µ (x) …., µ (x), µ (y)
+ Xác định độ thoả mãn H cho từng vectơ giá trị rõ đầu vào x = {c, c, …, c},
trong đó:
c là một trong các điểm mẫu của µ (x). Từ đó suy ra:
H = min{µ (c), µ (c), …., µ (c)} (2.9)
+ Luật ma trận R gồm các hàm thuộc giá trị mờ đầu ra cho từng vectơ giá trị
đầu vào:
µ = min{H, µ (y)} hoặc µ (y), µ (y) (2.10)
2.3.5. Thuật toán xác định luật hợp thành kém max-Min, max-PROD.
Tổng quát hoá phương pháp mô hình hoá trên cho p mệnh đề hợp thành gồm:
R: Nếu χ = A thì γ = B hoặc (2.11a)
R: Nếu χ = A thì γ = B hoặc (2.11b)
……

…….
R: Nếu χ = A thì γ = B hoặc (2.11c)
Trong đó các giá trị mờ A, A, …, A có cùng cơ sở X
và B, B, …, B có cùng tập nền Y
Gọi là hoàm thuộc của A và B là µ (x) và µ (y) với k = 1, 2, …., p.
Thuật toán triển khai R = R ∪ R ∪ … R sẽ như sau:
1- Rời rạc hoá X tại n điểm x, x, …, x và Y tại mệnh đề điểm y, y, …, y .
2- Xác định các vectơ và K= 1, 2,….p theo
= (
µ
(x),
µ
(x), …,
µ
(x))
= (
µ
(y),
µ
(y), …,
µ
(y))
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
24
24
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp

Tức là Fuzzy hoá các điểm rời rạc của X và Y.
3- Xác định mô hình cho luật điều khiển.
a) R = . = (r),
Với i = 1, 2, …, n.
J = 1, 2, …, n.
b) Trong đó phép nhân được thay bằng phép tính lấy cực tiểu khi sử dụng
phương pháp MAX-MIN.
4- Xác định luật hợp thành R:
R = (max {r | k = 1, 2, ….p})
2.3.6. Thuật toán xác định luật hợp thành sum-MIN và sum-PROD.
Nếu như thuật toán xác đinh luật hợp thành kép max-Min, max-PROD luật
hợp thành R được xây dựng bằng toán từ “hoặc” thì trong thuật toán xác định luật
hợp thành sum-Min và sum-PROD, luật hợp thành R được xây dựng theo liên kết
tổng (SUM).
Thuật toán xác định luật hợp thành max-Min và max-PROD có ưu điểm hơn
so với thuật toán xác định luật hợp thành max-Min và max-PROD ở chỗ là nó có
tính thống kê hơn. Chẳng hạn như khi đa số các mệnh đề hợp thành R (k = 1, 2, , p)
có cùng một giá trị đầu ra nhưng vì không phải là giá trị lớn nhất nên “theo thuật toán
xác định luật hợp thành sum-Min và sum-PROD” chúng ta sẽ được để ý đến và bị
mất trong kết quả chung. Thuật toán xác định luật hợp thành sum-Min và sum-PROD
sẽ khắc phục được nhược điểm này.
Tổng quát hoá phương pháp mô hình hoá trên cho p mệnh đề hợp thành gồm:
R: Nếu χ = A thì γ = B hoặc (2.13a)
R: Nếu χ = A thì γ = B hoặc (2.13b)


R: Nếu χ = A thì γ = B hoặc (2.13c)
Trong đó các giá trị mờ A, A, , A có cùng cơ sở X
và B, B, , B có cùng cơ sở Y
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo

GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
25
25