Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt trên cơ sở vi điều khiển

Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong trường Đại học
Công nghiệp Hà Nội đã dạy dỗ và giúp đỡ chúng em đến ngày hôm nay, đặc
biệt là các thầy, các cô trong Khoa Điện trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.
Chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Vinh đã trực tiếp hướng
dẫn chúng em làm đồ án, Ths.Nguyễn Thu Hà, giáo viên chủ nhiệm lớp, đã giúp
đỡ và tư vấn đồ án cho chúng em.
Chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện đã tạo mọi điều kiện tốt
nhất cho chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình.
Dù chúng em đã có nhiều cố gắng, nhưng vẫn không thể tránh khỏi những
thiếu sót, xin được các thầy, các cô chỉ dẫn thêm để chúng em có thể hoàn thành
tốt đồ án này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện đồ án
Nguyễn Văn Thắng
Trần Văn Giang
Trần Tuấn Phong
Nguyễn Thái Hưng
Đồ án tốt nghiệp
LỜI GIỚI THIỆU
Hệ thống điều khiển nhiệt độ chiếm vị trí hết sức quan trọng trong công
nghiệp hóa chất, thực phẩm, sinh học, luyện kim, lọc dầu,xi măng…Ở đó đòi
hỏi phải đảm bảo nhiệt độ ở mức cần thiết theo yêu cầu công nghệ, trong đó ổn
định nhiệt độ của lò nhiệt là chiếm tỉ lệ khá cao.
Trong một số trường hợp thì tham số động học của lò thay đổi theo thời
gian đồi hỏi tham số của bộ điều khiển phải thay đổi hoặc phải bù trừ tham số
để phù hợp với sự thay đổi tham số của lò, nâng cao chất lượng hệ thống. Xuất
phát từ nhu cầu thực tiễn đó chúng em chọn đề tài: “Tổng hợp hệ thống điều

khiển nhiệt độ lò nhiệt trên cơ sở vi điều khiển ”.
Đề tài thực hiện gồm các phần sau:
-Tìm hiểu lò điện trở theo mô hình tự xây dựng
-Nhận dạng tham số động học của hệ thống ở điều kiện chuẩn.
-Tổng hợp cấu trúc và thuật toán điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở.
-Giới thiệu về các phần tử mạch và thiết kế mạch điều khiển cho lò.
Để thực hiện đề tài và hoàn thiện sản phẩm chúng em đã tìm tòi nghiên cứu, thí
nghiệm và chính điều này đã giúp chúng em hiểu sâu sắc hơn những kiến thức
mà chúng em được học và là điều kiện giúp chúng em vận dụng kiến thức đó
vào thực tế. Nó giúp chúng em hình thành được một hệ thống kiến thức, kinh
nghiệm và kĩ năng cấn thiết để có thể vận dụng lý thuyết vào thực hành một
cách thành thạo.
Trên đây là những vấn đề cơ bản về đề tài nghiên cứu của chúng em. Do
trình độ hiểu biết có hạn, thời gian thực hiện đề tài gấp rút, nên không thể tránh
khỏi những sai sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô để
chúng em có phương hướng nghiên cứu sâu hơn và hoàn thiện đề tài của mình
hơn.
Đồ án tốt nghiệp
Chương 1
LÒ ĐIỆN VÀ PHÂN LOẠI LÒ ĐIỆN
1.1 Lò nhiệt
1.1.1 Khái niệm
Lò nhiệt là thiết bị nhiệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao để thực hiện
quá trình công nghệ : nung nóng, nấu chảy, sấy…
Lượng nhiệt cấp cho lò là nhiệt năng toả ra khi đốt cháy nhiên liệu hoặc
biển đổi điện năng thành nhiệt năng. Cấu trúc hợp lý của lò ,chế độ nhiệt và
nhiệt độ phù hợp với yêu cầu công nghệ là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp và
quyết định tới :
-Chất lượng sản phẩm.
-Năng suất của lò và năng suất của các thiết bị liên quan tới lò.

-Giảm tỷ lệ phế phẩm, giảm chi phí vật liệu ,giảm suất tiêu hao nhiên liệu.
-Không làm ô nhiễm môi trường
1.1.2 Chế độ nhiệt của lò
a. Nhiệt độ lò
-Nhiệt độ lò là nhiệt độ đặc trưng mang tính quy ước.Nhiệt độ lò không phải
là nhiệt độ của nguồn nhiệt ( ngọn lửa, khói lò,hoặc dây đốt )
-Nhiệt độ lò là nhiệt độ trung bình trong không gian làm việc của lò, thưởng
thì nhỏ hơn nhiệt độ nguồn nhiệt
b. Chế độ nhiệt độ của lò
-Nhiệt độ lò có thể thay đổi theo không gian làm việc của lò, có thể thay đổi
theo thời gian.
-Sự thay đổi nhiệt độ lò theo thời gian được gọi là chế độ nhiệt của lò.
)f(t
LO
τ
=
(1-1)
Trong đó, f là hàm số ,
τ
là thời gian.
Đồ án tốt nghiệp
-Việc chọn lựa chế độ của lò thích hợp thường phải xuất phát từ đòi hỏi công
nghệ. Khi nhiệt độ của lò không thay đổi theo thời gian thì :

0
t
LO
=
∂
∂

τ
(1-2)
Ở chế độ này người ta gọi là chế độ ổn định nhiệt.
-Khi nhiệt độ của lò thay đổi theo thời gian, người ta gọi là chế độ nhiệt độ
không ổn định.Ở chế độ nhiệt độ không ổn định có

0
t
LO
≠
∂
∂
τ
(1-3)
c.Chế độ nhiệt của lò
-Lượng nhiệt cung cấp cho lò ở mỗi thời điểm được gọi là phụ tải nhiệt ở thời
điểm chế độ đó.Chế độ nhiệt của lò là sự thay đổi theo thời gian của phụ tải

)f(Q
τ
=
(1-4)
Trong đó, Q là phụ tải nhiệt,
τ
là thời gian, f là hàm số.
-Chế độ nhiệt không ổn định là chế độ nhiệt thay đổi theo thời gian
Chế độ nhiệt và chế độ nhiệt độ thường có quan hệ mật thiết với nhau, người ta
thường dựa vào yêu cầu công nghệ để lựa chọn chế độ nhiệt độ của lò. Sau khi
xác lập được chế độ nhiệt độ của lò, người ta tiến hành tính toán việc cấp nhiệt
cho lò để đảm bảo đúng chế độ nhiệt độ đã cho.

1.2 Lò điện

-Lò điện là thiết bị biển đổi điện năng thành nhiệt năng dùng trong công nghệ
nung nóng, nấu chảy, sấy…vật liệu.
-Lò điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.
1.2.1 Đặc điểm của lò điện
- Có khả năng tạo nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thể
tích nhỏ.
- Do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao nên lò có tốc độ nung nóng lớn,năng
suất cao.
- Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điểu chỉnh và khống chế chế độ nhiệt
và chế độ nhiệt độ của lò.
Đồ án tốt nghiệp
- Lò đảm bảo độ kín, có thể nung nóng trong chân không hoặc trong môi
trường có khí bảo vệ.
- Có khả năng tự động hoá cao, đảm bảo điều kiện vệ sinh
1.2.2 Một số loại lò điện
Các lò điện chủ yếu bao gồm một bình chứa đa phần là kín trong đó đạt
được một nhiệt độ tương đối cao. Được dùng cho nhiều hoạt động chẳng hạn
như làm nóng chảy, nung, ủ, tôi, luyện, tráng men, xử lý nhiệt các mối hàn. Tuỳ
theo trường hợp mà chúng được gọi là lò cất, lò chuông, lò chậu, lò luyện, lò
hầm Một số lò bao gồm các bộ phận cho phép, chẳng hạn lật nghiêng lò, hoặc
một phòng đặc biệt để xử lý các nguyên liệu trong áp lực khí quyển thấp. Theo
cách thức đun nóng được dùng, người ta phân biệt: Các lò điện công nghiệp
hoặc trong phòng thí nghiệm, kể cả các lò hoạt động do cảm ứng hoặc do hao
phí điện môi. Ta thường gặp một số loại lò điện sau đây:
a.Các lò điện trở (nung nóng gián tiếp) trong đó nhiệt thu từ dòng điện
chạy qua các điện trở nóng lên.
b.Các lò dùng cảm ứng ở tần số thấp
Trong đó vật liệu đem xử lý được đặt trong một trường điện từ tạo ra bởi

dòng điện tần số thấp của cuộn sơ cấp, tạo ra các dòng từ cảm, chúng đưa vật
liệu lên nhiệt độ cần thiết. Trong một số lò, vật liệu nung chảy đi qua từ nơi lò
chính sang ống ruột gà thẳng đứng, ở đó vật liệu cũng chịu tác động của
dòng cảm ứng nung nóng.
c.Các lò phản ứng ở tần số cao
Trong đó dòng điện của tần số cao của một mạch sơ cấp (thông thường
một tần số rađio) gây ra các dòng Fucô trong vật liệu muốn làm nóng chảy.
Khác với lò trước, lò kiểu này không có lõi từ tính.
d.Các lò nung nóng bằng hao hụt điện môi
Trong đó vật liệu đem xử lý, không phải là chất dẫn điện, được giữ giữa
hai miếng kim loại nối với một nguồn điện xoay chiều có tần số rất cao. Tổng
thể hoạt động theo một nguyên tắc tương tự như nguyên tắc của tụ điện, sức
nóng gây ra từ việc mất điện môi mà vật liệu xử lý là nồi hội tụ
e.Các lò đun nóng bằng điện trở
Trong đó dòng điện chạy qua chính vật liệu xử lý, sức nóng rút ra từ các
điện trở mà các vật liệu nói ở trên tạo ra khi điện đi qua. Lò này sử dụng trước
Đồ án tốt nghiệp
nhất cho các thanh kim loại hoặc các sản phẩm hạt, bao gồm thông thường các
thùng chậu đựng các chất phải xử lý.
f.Các lò tắm
Trong vật phải xử lý được ngâm trong một bồn tắm phù hợp (kim loại
nóng chảy, dầu nhờn, muối nóng chảy ) bồn tắm ở nhiệt độ đòi hỏi thông qua
các điện cực nhúng ngập.
g.Các lò hồ quang
Trong đó sức nóng phát sinh bởi một hồ quang điện giữa các điện cực
hoặc giữa một điện cực và vật liệu để nóng chảy. Các lò thuộc loại này được vận
dụng chính cho các lò sản xuất gang, thép đặc biệt, nhôm, các loại thép hợp kim,
các bua can xi, để rút muối từ sắt, để lấy azốt khí quyển Một số lò hồ quang
với nhiệt độ tương đối cao cũng được dùng cho việc sản xuất kẽm hoặc
phốt pho

h.Các lò luyện sử dụng tia hồng ngoại
Trong đó vật liệu xử lý được chiếu tia của một số đèn điện đặc biệt tức là
đèn hồng ngoại, hoặc từ miếng kim loại phát xạ bố trí khác nhau.Đôi khi người
ta dùng trong cùng một lò nhiều quy trình nung chảy bằng điện, chẳng hạn cảm
ứng ở tần số cao hoặc thấp cho kim loại, hoặc cho một số lò bánh bích quy, điển
hình là cảm ứng và các tia hồng ngoại.
hờ quá tình tạo nhiệt.
1.2.3 Lò điện trở
a.Khái niệm
Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây
đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt
năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường được dùng để nung,
nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu…
b.Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Khi dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R (vật rắn hoặc chất lỏng) nó
sẽ toả ra nhiệt lượng theo định luật Joule-Lence
tRIQ
2
=

(1-5)
Đồ án tốt nghiệp
Trong đó: R- điện trở nung, I- cường độ dòng điện, t- thời gian dòng chạy qua
c.Phân loại lò điện trở
Lò điện trở tác dụng trực tiếp: là lò điện trở mà vật nung được nung trực
tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm của loại này là tốc độ nung nhanh,
cấu trúc lò đơn giản.
Lò điện tác dụng gián tiếp: là lò điện trở mà nhiệt được toả ra ở dây điện
trở rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hay truyền
nhiệt.

1.3 Một số phương pháp điều khiển lò

1.3.1.Ba phương pháp khống chế chế độ nhiệt của lò
Từ biểu thức (1-5) ta thấy, muốn thay đổi lượng nhiệt Q ta có thể thay đổi
điện trở vậ dẫn (R), thay đổi dòng điện (I) chảy qua vật dẫn hoặc thay đổi thời
gian (t) cho dòng điện chảy qua vạ dẫn.
a.Thay đổi R
Nếu tăng hoặc giảm R thì Q thay đổi. Tuy nhiên, phương pháp này dẫn
đến tốn năng lượng do đốt điện trở phụ thêm nếu như muốn thay đổi Q.
b.Thay đổi I bằng cách thay đổi điện áp cung cấp
Phương pháp này thường dùng máy biến áp để hạ hoặc tăng áp. Tuy nhiên
việc điều khiển nhiệt đọ không trơn.
c.Thay đổi thời gian t ( thời gian dòng điện chạy qua )
Ngày nay với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, người ta đã chế tạo ra
những thiết bị bán dẫn công suất lớn như: Diode, Tiristor, Triac, Transitor…
chịu được dòng áp lớn.
Ba phương pháp trên thì phương pháp thay đổi thời gian t sử dụng công
nghệ bán dẫn thuận tiện nhất, có thể tự động hoá một cách dễ dàng.
1.3.2 Sử dụng Transistor khống chế thời gian dòng chạy qua
a. Kí hiệu
Thông thường trong mạch điều khiển sử dụng hai loại transistor pnp và
npn có kí hiệu như trên hình 1.1.a và 1.1.b.
b.Đặc tính Vôn-ampe của transitor loại npn được thể hiện trên hình 1.1.c.
Đồ án tốt nghiệp
c)
I
B5
I
B4
I

B3
I
B2
B1
I
BE
U
I
0
C
mA
CE
B
b)
a)
B
E C
Hình 1.1 Kí hiệu transitor pnp (a) và npn (b), đực tính Vôn-ampe của transitor
c. Sử dụng transistor khống chế thời gian dòng chảy qua.
b)
a)
L
I
t
T
X
TU
BE
t
t

U
U
B
EC
L
I
R
L
Hình 1.2 Khống chế dòng điện bắng transitor
Mạch có sơ đồ trên hình 1.2.a. Bằng cách thay đổi xung ở chân B cung
cấp cho Transistor, ta có thể thay đổi thời gian chạy qua. Để khống chế thời gian
tồn tại dòng điện sấy của lò, ta có thế thay đổi chu kỳ xung T, giữ nguyên Tx,
cũng có thể giữ nguyên chu kỳ xung thay đổi thời gian Tx (hình 1.2.b).
1.3.3 Sử dụng Tiristor khống chế thời gian dòng chạy qua lò
a.Kí hiệu Tiristor
Kí hiệu transistor như hình 1.4.
Đồ án tốt nghiệp
U
Z
d)
c)b)
I
2
1
4
3
K
G
A
U

G
K
A
G
K
A
a)
n
p
n
p
Hình 1.3 Cấu trúc (a), mạch tương đương (b), kí hiệu (c) và đặc tính Volt-Ămpe của Tiristor
b.Đặc tính Vôn-Ampe của tiristor
Đoạn 1: Ứng với trạng thái khoá của Tiristor chỉ có dòng rò chạy qua khi
điện áp chuyển trạng thái quá trình tăng nhanh chóng của dòng điện Tiristor
chuyển sang trạng thái mở. Đoạn 2: Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J
2
,
trong giai đoạn này, mỗi một lượng tăng nhỏ dòng điện ứng với lượng giảm lớn
điện áp đặt trên Tiristor. Đoạn 3: Ứng với trạng thái mở của Tiristor. Khi này, cả
3 mặt ghép trở thành dẫn điện. Đoạn 4: Ứng với trạng thái Tiristor bị đặt dưới
trạng thái điện áp ngược. Nếu tăng U đến quá
Z
U
mặt ghép bị chọc thủng,
Tiristor bị phá huỷ.
c.Sơ đồ khống chế dòng chạy qua lò.
Không sử dụng cầu chỉnh lưu
Bằng cách khống chế xung ở chân G của Tiristor ta có thể khống chế thời gian
tồn tại dòng điện qua

L
R
.
U
L
t
G
A
K
L
R
I
L
U
U
t
t
G
U
a)
b)
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lí (a) đồ thị thời gian mạch khống chế dòng điện chạy qua lò không
sử dụng cầu chỉnh lưu
Đồ án tốt nghiệp

Có sử dụng chỉnh lưu cầu có sơ đồ nguyên lí trên hình 1.5.a.
b)
a)
t
A

U
t
U
G
t
t
U
L
U
U
L
I
R
L
K
A
G
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí (a) đồ thị thời gian mạch khống chế dòng điện chạy qua lò có sử
dụng cầu chỉnh lưu với Thiristor

Để điều khiển thời gian tồn tại dòng
L
I
ta điều khiển thời gian tồn tại của
G
U
. Giản đồ xung áp của mạch thể hienj trên hình 1.5.b.
1.3.4 Sử Dụng Triac khống chế thời gian dòng chạy qua
a.Kí hiệu của Triac như trên hình 1.6.a.
c)

b)
a)
n
A2
U
O
I
AMIN
A
A1 G
G
p
n
n
n
p
-U +U
3
1
2
I
O
U
A1
A2

Hình 1.6 Kí hiệu (a), cấu tạo (b) và đặc tính Volt-Awmpe của Triac
b. Cầu tạo
Đồ án tốt nghiệp
Triac là phần tử bán dẫn gồm 5 lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như

trên hình 1.6.b. Khi có dòng cực G thuạn Triac dẫn điện theo cả 2 chiều giữa các
cực A1 và A2,do đó có thể dẫn dòng theo cả 2 chiều giữa A1 và A2. Triac có thể
coi như hai Thiristor đấu song song ngược.
t
U
L
U
t
t
G
U
A1
A2
G
b)
a)
U
L
I
R
L
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lí (a) đồ thị thời gian mạch khống chế dòng điện chạy qua lò có sử
dụng Triac
c. Đặc tính dòng- áp thể hiện trên hình 1.6.c.
d. Sơ đồ khống chế thời gian dòng điện chạy qua
Bằng cách thay đổi góc mở, ta có thể thay đổi thời gian dòng chạy qua.
1.3.5 Giới thiệu lò điện trở có mạch vòng điều khiển nhiệt độ
a.Sơ đồ khối
®é lß
®Æt

C¬ cÊu ®o
Lß ®iÖnT¹o xung
(-)
Bé §K
u(t)
e(t) r(t)
y(t)
NhiÖtNhiÖt ®é
Hình 1.8 Sơ đồ khối mạch điều khiển nhiệt độ lò nhiệt
b. Hệ thống cung cấp năng lượng cho lò
Đồ án tốt nghiệp
Sơ đồ mạch điện như trên hình 1.9.a. Mạch tạo xung được cách li với
mạch động lực nhở bộ quang điện MOC3021. Triac loại TBA10 cho phép dòng
điện phụ tải đến 10A từ nguồn điện áp lưới AC220V/50Hz.
b)
GND
0
10mV/1 C
U
O
+5VDC
LM35
a)
0.2u
NL
AC220V/50Hz
4
6
2
1

TBA10
MOC3021 180R
A2
A1
1.2K
L
R
I
L
U= 3V
Hình 1.9 Sơ đồnguyên lí mạch cung cấp năng lượng cho lò điện (a) và cảm biến nhiệt độ
LM35 (b)
c.Cơ cấu đo
Với yêu càu độ chính xác không cao, tại lò điện thực nghiệm sử dụng cảm
biến nhiệt độ loại bán dẫn LM35 (xem hình 1.9.b). Điện áp đầu ra (
O
U
) của nó
tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ tại nơi cần đo the thang độ Celsius. Họ này cho r
điện áp 10mV ứng với thay đổi nhiệt độ là
C1
0
. Đầu ra LM35 được đưa trực
tiếp đến cửa vào bộ chuyển đổi ADC 0808.
d. Đối tượng điều khiển
Mô hình lò điện được thiết kế bằng hộp nhựa chịu nhiệt 2 lớp. Giữa 2 lớp
nhựa tấm có lớp bảo để giữ nhiệt (hình 1.10)
Đồ án tốt nghiệp

Hình1.10 Mô hình thiêt kế lò nhiệt điện trở

Đồ án tốt nghiệp
Chương 2
NHẬN DẠNG HỆ THỐNG LÒ ĐIỆN
2.1 Cơ sở lý thuyết nhận dạng
Xây dụng mô hình toán học của đối tượng điều khiể là nhiệm vụ đầu tiên
của người thiết kế hệ thống khi đứng trước bài toán thiết kế hệ thống điều khiển
tự động cho một đối tượng nào đó. Như đã biết có hai con đường để giải quyết
nhiệm vụ này. Thực chất đó là phương pháp giải tích hay nói cách khác là phân
tích lý thuyết dựa trên việc phân tích tìm ra các qui luật vật lý phản ánh động học
đối tượng để thiết lạp các phương trình vi phân mô tả đối tượng. từ các phương
trình vi phân này có thể rút ra các phương trình dạng hàm truyền hoặc diễn tả
trạng tương ứng, tuy nhiên các công cụ phân tích hệ thống điều khiển được sử
dụng về sau. Phương pháp này có ưu điểm là cho phép người thiết kế bản chất
bên trọng của đối tượng và có được quan hệ toán học tường minh chính xác.
Mặt khác, nhược điểm cơ bản của phương pháp này là đòi hởi cách phân tích
hết sức tỉ mỉ, sâu sắc và toàn diện, nhiều khi dẫn đến các phương trình vi phân
bậc cao, phi tuyến hoặc có số lượng lớn không thuận tiện cho việc thiết kế tiếp
theo. Khi có thể chọn phương pháp thiết kế thứ hai, đó là nhận dạng mô hình
thực nghiệm. Theo phương pháp này, mô hình toán học phản ánh mối quan hệ
động học giữa tín hiệu ra và vào chọn trước được thiết lập từ các thí nghiệm tiến
hành trên đối tượng. Cụ thể ta sẽ làm thay đổi đại lượng vào một lượng nhỏ
xung quanh điểm làm việc của đối tượng và đo đạc các giá trị ra tương ứng. Các
số liệu vào, ra thu được cho phép xây dựng được các mô hình toán học đối
tượng với độ chính xác nhất định. Các mô hình này thường là tuyến tính, đơn
giản, thuận tiện cho các công việc thiết kế tiếp theo.
Trong khuôn khổ chương này, ta sẽ xem xét hai phương pháp nhận dạng
cơ bản. Phương pháp thứ nhất là đánh giá đồ thị đáp ứng đầu ra của đối tượng
sử dụng các thủ tục đồ họa đơn giản để xây dựng mô hình. Phương pháp thứ hai,
tổng quát hơn, sử dụng các nguyên lý thống kê để sử dụng các tham số của mô
hình. Mỗi phương pháp sẽ được minh họa qua một số ví dụ. Cuối cùng một số

các phương pháp khác cũng đựoc điểm qua để người đọc có thể lựa chọn con
ỏn tt nghip
ng phự hp cho mỡnh khi cú nhu cu xõy dng mụ hỡnh toỏn hc ca i
tng iu khin.
2.1.1 Th tc xõy dng mụ hỡnh thc nghim
Quỏ trỡnh xõy dng mụ hỡnh thc nghim cú th c tng hp bng sau
bc nh trờn hỡnh 2.1.
liệu khác
Các dữ
Các thông tin có sẵn
Kết thúc
Bắt đầu
Mô hình xác nhận
Sai số đánh giá
Đánh giá tham số
Xác định cấu trúc mô hình
Tiến hành thí nghiệm với đối t ợng
Lập kế hoạch thí nghiệm

Hỡnh 2.1 Cỏc bc tin hnh nh dng i tng
Th tc ny m bo cỏc s liu ỳng s c to ra nu cỏc thớ nghim
xõy dng v thc hin cn thn. T lu trờn hỡnh 2.1 d thy th tc ũi hi
phi cú mt lng thụng tin no ú cú sn cú v i tng lp k hoch thớ
nghim v v bn cht, thng l mt quỏ trỡnh lp nh cỏc ng nột t th
hin. Khi hon chnh, kt thỳc th tc ngi nghiờn cu cú th cú mụ hỡnh phự
hp hoc ớt nht cng bit mụ hỡnh cn thit cha nhn dng c, cn phi tin
hnh trờn cỏc thi nghim khỏc.
a.Lp k hoch thớ nghim
õy l mt bc quan trng ca quỏ trỡnh xõy dng mụ hỡnh thc nghim
tt c cỏc phng trỡnh nhn dng u ũi hi mt kớch thớch no ú vi tớn hiu

vo, vỡ vy k hoch thc nghim phi nờu ra c dng ln v thi gian cn
thit ca tớn hiu kớch thớch. ln tớn hiu phi nh m bo cho phộp
Đồ án tốt nghiệp
về an toàn sản xuất và chất lượng sản phẩm. Rõ ràng, việc lập kế hoạc này đòi
hỏi phải có một lượng thông tin ban đầu nhất định về đối tượng
Kết quả của bước lập kế hoạch thí nghiệm bao gồm:
• Mô tả các điều kiện tiến hành thí nghiệm.
• Xác định tín hiệu kích thích.
• Xác định các giá trị cần đo đạc cũng như tần số các phép đo.
• Xác định thời gian thí nghiệm.
Dĩ nhiên kế hoạch này cũng cần được thông báo tới các nhân viên
khác của nơi thí nghiệm để họ không có những can thiệp khác để không ảnh
hưởng đến quá trình thí nghiệm.
b.Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm cần được tiến hành trên càng sát đối tượng càng tốt. Quá trình
hoạt động của đối tượng cần được giám sát chặt chẽ khi tiến hành thí nghiệm.
Nhất là trong điều kiện đối tượng đang hoạt động sản xuất bình thường. khi đó
sự thay đổi kích thích lớn có thể gây ảnh hưởng xấu đến sản phẩm. Thông
thường thí nghiệm mà các giá trị đầu vào thay đổi khác có thể số liệu không cần
thiết cho mục đích nhận dạng mô hình mô hình đối tượng. Quá trình giám sát thí
nghiệm này phải được giữ vững trong suốt quá trình trên cơ sở sử dụng các thiết
bị đo săn có và các nguồn thông tin khác.
c.Xác định cấu trúc mô hình
Hiện nay có nhiều phương pháp tính toán tham số cho mô hình có cấu
trúc định trước nhưng lại có it phương pháp xác định cấu trúc của mô hình
(chẳng hạn hàm truyền bậc một hay bậc hai) chỉ trên cơ sở các số liệu. Nói
chung người thiết kế phải giả thiết về sự cho trước của cấu trúc mô hình và sau
đó đánh giá kiểm tra giả thiết đó. Cấu trúc ban đầu được chọn trên cơ sở các
thông tin nghiên cứu trước như phân tích bản chất vật lý của đối tượng hoặc số
liệu mẫu về đối tượng đã được thu thập trước đó . Giả thiết này đánh giá tưng

bước chuẩn đoán về sau trong thu tục này.
d.Đánh giá tham số
Đến đây thì cấu trúc mô hình đã được xác định và các số liệu đã được thu
thập xong.
Trong chương này đưa ra hai phương pháp đánh giá các giá trị tham số
của mô hình sao cho mô hình thể hiện sự phù hợp với các số liệu thực nghiệm
Đồ án tốt nghiệp
phương pháp thứ nhất sử dụng kỹ thuật đồ thị, còn phương pháp thứ hai sử dụng
nguyên lý thống kê. Cả hai phương pháp đều cho phép đánh giá các tham số của
mô hình hàm truyền chẳng hạn như hệ khuếch đại (tỷ lệ), hằng số thời gian và
thời gian trễ trong mô hình và lập kế hoạch thực nghiệm.
e.Đánh giá sai số mô hình
Trước khi đưa mô hình vào sử dụng trong điều khiển cần phải có mộ số
đánh giá cần thiết. Bước dự đoán đánh giá này xác định mức độ phừ hợp của
mô hình với các số liệu đã sử dụng trong đánh giá các tham số. Nói chung có hai
cách đánh giá sai số:
(1): So sánh số liệu sinh ra từ mô hình với các số liệu đo được
(2): So sánh với các giả thiết được sử dụng trong phương pháp đánh giá
tham số đã chọn.
f.Xác định mô hình
Công việc kiểm tra mô hình cuối cùng là thẩm tra xác nhận nó thông qua
việc so sánh với các số liệu phụ chưa được sử dụng trong đánh giá tham số. Mặc
dù trước nay không phải bao giờ cũng nhất thiết phải có những nếp tiến hành
kiểm tra mô hình với các số liệu thu nhập được trong các lần thí nghiệm khác
nhau khẳng định rằng các thay đổi thông thường trong hoạt động đối tượng
không làm ảnh hưởng nhiều độ chính xác của đối tượng.
Cần lưu ý một lần nữa rằng mô hình nhận dạng được thông qua trên đây
phản ánh mối liên quan động học từ kích thích đầu vào cho đến đáp ứng đầu ra.
Mô hình nhận dạng này chứa đựng tất cả các thiết bị giữ đầu vào và đầu ra,
chẳng hạn ngoài bản thân đối tượng nó phàn ánh cả động học của các van và

cảm biến. Đây không phải là hạn chế của mô hình, mà ngược lại mô hình thực
nghiệm thể hiện lượng thông tin phù hợp cho điều khiển mà nó chứa đựng tất cả
các thành phần của vòng điều khiển.
Cuối cùng cần phải cân đối giữa hai mục tiêu đối nghịch nhau trong tiến
hành thí nghiệm. Một mặt cần phải đảm bảo vận hành là việc của đối tượng một
cách an toàn hơn, đúng đắn và như vậy thì không được làm tín hiệu vào có sai
lệch đáng kể. Nhưng mặt khác để xây dựng được mô hình chính xác phục vụ
điều khiển thì tín hiệu vào phải được kích thích đủ lớn. Một thủ tục thí nghiêm
hợp lý sẽ phải cần đử hai mục tiêu bằng cách đưa ra nhiều tác động nhanh sao
cho hoạt động của đối tượng trong tương lai sẽ tốt hơn do điều khiển tốt.
Đồ án tốt nghiệp
2.1.2 Đồ thị đáp ứng đầu ra đối tượng
Có thể nói đánh giá đồ thị đáp ứng đầu ra đôi tượng là phương pháp thông
dụng nhất trong nhận dạng mô hình động học đối tượng. Nó dễ dàng thực hiện
và mặc dù là phương pháp ít tổng quát nhất, lại đem lại các mô hình phù hợp
trong nhiều trường hợp
Tín hiệu u(t) và y(t) là các tín hiệu vào ra của đối tượng.
Phương pháp đánh giá đồ thị đáp ứng đầu ra của đối tượng trong thực tế gồm
các bước sau:
+Bước 1: Để cho đối tượng đạt tới trạng thai xác lập
+Bước 2: Biến đầu vào u(t)= u
0
1(t) thay đổi bặc thang
+Bước 3: Đo và thu thập các giá trị tín hiệu vào u(t) và đáp ứng đầu ra
y(t) cho đến khi đối tượng lại đạt tới trangh thái xác lập mới.
+Bước 4: Tiến hành với các tính toán với các đồ thị nhận được. trước khi
đi vào xem xét cụ thể các tính toán ta phân tích mối quan hệ giữa đặc điểm của
đồ thị đáp ứng quá độ h(t) (khi tín hiệu vào là ham bặc thang đơn vị 1(t)) với các
tham số trong truyền đạt đối tượng.
2.2 Định dạng đối tượng lò nhiệt bằng phương pháp thực

nghiệm
Với các đối tượng dạng tích lũy năng lượng, bằng phương pháp thông qua
thực nghiệm, ta xây dựng đường cong quá độ của đối tượng điều chỉnh.
Khi thực hiện, tạm chia đối tượng điều chỉnh làm 3 nhóm. Đó là, đối tượng
điều chỉnh bậc 1, đối tượng điều chỉnh từ bậc 2 và có bậc cao hơn. Ta lần lượt
xét với từng trường hợp.
2.2.1 Đối tượng điều chỉnh bậc 1
Bằng thực nghiệm ta có thể xây dựng được đặc tính quá độ của đối tượng
như ở hình 2.2.a. Từ đặc tính quá độ xác định được hệ số K:
Δα
Δy
K =
.
Kẻ đường tiếp tuyến với đường cong tại gốc tọa độ. Ta sẽ xác định được
T. Từ đồ thi ta xác đinh được hàm truyền của đối tượng điều chỉnh sẽ là:
Đồ án tốt nghiệp

1Tp
K
(p)W
0
+
=
(3-1)
Trong đó: p toán tử Laplace.
2.2.2 Đối tượng điều chỉnh từ bậc 2 và có bậc cao hơn
Sau khi dựng được đặc tuyến quá trình quá độ của đại lượng dược điều
chỉnh như mô tả ở hình 2.2.b. Hãy coi giá trị thông số điều chỉnh khi kết thúc
quá trình quá độ y(∞)=1. Dựng tiếp tuyến tại điểm uốn ta đo được giá trị của
u

τ
để xác định được bậc của đối tượng điều chỉnh theo bảng 2.1.
b)a)
t
y
y
T
0
0
t
y ( )
y ( )
0
y
y
t
t
0
§iÓm uèn
t
i
i
y
u
Hình 2.2 Đặc tính quá độ của đối tượng điều chỉnh bậc 1 (a) và bậc cao hơn (b)
Bảng 3.1 Bậc của đối tượng điều chỉnh và giá trị
u
τ
Bậc của đối tượng
n

u
τ
Y
i
Ghi chú
1
2
3
4
5
6
7
0,000
0,104
0,218
0,319
0,410
0,493
0,570
0,000
0,264
0,323
0,353
0,371
0,384
0,394
Đồ án tốt nghiệp
8
9
10

0,642
0,709
0,773
0,401
0,407
0,413
Phụ thuộc vào giá trị
u
τ
ta có các trường hợp sau:
a.Nếu
u
τ
<0.218, bậc của đối tượng điều chỉnh là 2 và hàm truyền của đối
tượng điều chỉnh có dạng tổng quát:
1)p1)(Tp(T
K
(p)W
21
0
++
=
(2-2)
Trong đó,
Δα
Δy
K
=
. Các hằng số thời gian xác định như sau:
Lấy giá trị y

1
=0,72y(∞), ta có giá trị tương ứng t
1
. Như trên hình 2.2.a
b)a)
i
t
y
y
0
y ( )
2
t
y
2 i
y
d
T
i
2
1
t
i
y ( )
0
y
y
t
i
t

1
1
y
y
,
Hình 2.2 Cách tính các hằng số thời gian cho đối tượng bậc 2
Với quan hệ:
1,2564
t
TT
1
21
=+
(2-3)
Ta tìm theo biểu thức: t
2
= 0,3574(T
1
+ T
2
). Từ đồ thị xác định được y
2
.
Theo bảng 2.2, ta tìm
2
τ
theo
2
y
. Và sau đó ta có được:

2
1
2
τ
T
T
=
(2-4)
Từ các quân hệ (2-3) và (2-4) ta tính được
1
T
và
2
T
cho hàm truyền của đối
tượng điều chỉnh ở biểu thức (2-2).
Bảng 2.2 Bảng quan hệ giữa y
2
và
2
τ
Đồ án tốt nghiệp
y
2
2
τ
Ghi chú
0,3005
0,29
0,28

0,27
0,26
0,25
0,24
0,23
0,22
0,21
0,20
0,19
0,18
0,17
0,1611
0,0000
0,0228
0,0435
0,0635
0,0837
0,1049
0,1280
0,1539
0,1838
0,2196
0,2639
0,3126
0,4031
0,5376
1,0000
b.Nếu giá trị
218,0
≥

u
τ
, thì bậc của đối tượng điều chỉnh có thể là 3, 4 và
cao hơn. Có 2 trường hợp:
b.1.Nếu
u
τ
có giá trị điều chỉnh đúng bằng một giá trị nào đố ở bảng 2.2.
Ta xác định bậc n của đối tượng điều chỉnh và giá trị
i
y
theo hàm tương ứng.
Biểu thức tổng quát của đối tượng điều chỉnh được mô tả dưới dạng:


n
1)(Tp
K
(p)W
0
+
=
(2-5)
Theo
i
y
và đồ thị ta tìm được
i
t
. Sau đó tìm T theo biểu thức:

1n
t
T
i
−
=
Hệ số K được xác định như ở trên mục 1.
Đồ án tốt nghiệp
b.2. Khi
u
τ
có giá trị nằm giữa giá trị ở bảng 2. Ta làm tròn giá trị
u
τ
, lấy
giá trị gần thấp hơn. Ví dụ, giá trị đo được của
u
τ
trên đồ thì là
1
u
τ
trong bảng có
giá trị
u
τ

gần nhất thấp hơn là
2
u

τ
. Dựng đồ thị như trên hình 2.2.b.
Dựng đường song song cách trục thời gian khoảng
2
u
τ
. Đường này cắt tiếp
tuyến tại A và dịch trục y về phía phải qua A. Gọi là trục y’. Khoảng cách 2 trục
y và y’ là thời gian trễ, kí hiệu là
d
T
. Với trục y’ ta sẽ xác định hàm truyền đạt
theo các trường hợp như đã nêu ở mục 1 và b.1.
Khi đó hàm truyền của đối tượng điều chỉnh sẽ có dạng:
p
d
T
e
1)p1)(Tp(T
K
(p)W
21
0
−
++
=
Nếu
2
u
τ

.<0,218
Hoặc dạng:

p
d
T
n
e
1)(Tp
K
(p)W
0
−
+
=

Nếu
2
u
τ
≥0,218.
Trong đó K và
1
T
,
2
T
, T và n xác định như các trường hợp trên.
Trong thực nghiệm, ta thường phải thực hiện một số lần nhất định nào đó
để đạt được kết quả gần với kết quả tính toán theo lý thuyết, vì khi tính toán theo

các bước nêu trên có lúc ta phải chọn theo giá trị tương ứng gần hơn. Phương
pháp này thuận tiện cho việc xác định hàm truyền đạt của các buồng sấy, lò
nung…
Trên cơ sở lý thuyết trên chúng em đã tiến hành khảo sát mô hình trên thực
nghiệm để tìm ra hàm truyền cho hệ trên qua các bước:
+ Bước 1: Tiến hành đo nhiệt độ trong lò tại mỗi khoảng thời gian nhất
định (thời gian lấy mấu là 1 phút)
+ Bước 2:Vẽ đồ thị khảo sát của hệ
+ Bước 3: Xác định cácnk tham số của hệ
+ Bước 4: Khảo sát hệ trên Matlap & Simulik
+ Bước 5: Rút ra kết luận so sánh
Đồ án tốt nghiệp
Tiến hành đo nhiệt độ trong lò tại mỗi khoảng thời gian nhất định (thời gian lấy
mấu là 1 phút)
Bảng 2.3 Bảng thống kê khảo sát nhiệt độ của hệ tại từng thời điểm khác nhau
ST
T
Thời gian(phút) Nhiệt độ(
o
C) Thời gian(phút) Nhiệt độ(
0
C)
1 0 33.5 11 54.8
2 1 33.7 12 56.2
3 2 34.6 13 57.4
4 3 36 14 58.6
5 4 38 15 59.4
6 5 40.1 16 60
7 6 42.6 17 60.4
8 7 45.2 18 60.8

9 8 47.5 19 61.1
10 9 50 20 61.2
11 10 52.5

Vẽ đồ thị khảo sát của hệ như trên hình 2.3.
Đồ án tốt nghiệp

Hình 2.3 Đặc tính quá độ mô hình lò nhiệt
Xác định các tham số của đối tượng
Dựa vào biểu đồ thực nghiệm trên chúng em đã xác định được các tham số sau:
-Thời gian trễ của đầu ra h(t): L = 2,25.60 = 135 (s)
-Hằng số thời gian của đối tượng :T = 13,65.60 – 2,25.60 = 684(s)
-Giá trị giới hạn K: 61,2-33,2 = 28
0
C
Ta có τ = 33,5 – 28 = 5,5

2n1964,0%100.
28
5.5
==>==τ
Như vậy đối tượng nghiên cứu trên là hàm bậc 2
=> hàm truyền có dạng:
)1pT)(1pT(
K
)p(W
21
0
++
=

Xác định hàm truyền của đối tượng:
Ta có : t
1
= 648(s) => dựa vào đồ thị khảo sát ta có y
1
= 20,16 + 33,5 = 53,66
Đồ án tốt nghiệp
T
1
+ T
2
=
)(76,515
2564,1
648
2564,1
1
s
t
==
Lại có: t
2
= 0,3574.(T
1
+ T
2
) = 184,33(s)
y
2
= 2,5 => tra bảng 2.2 ta tìm được τ

2
= 0,1049
Có : T
1
+ T
2
=
)s(76,515
2564,1
648
2564,1
t
1
==
(1)
1049,0
T
T
2
2
1
==
τ
(2)
Vậy hàm truyền có dạng:
)1pT)(1pT(
K
)p(W
21
0

++
=
=
)1p49)(1p467(
28
++