chương 1 giới thiệu hệ thống điều khiển nhiệt độ

Chương I:
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ
I.Khái niệm về hệ thống điều khiển nhiệt độ:
Nhiệt độ là đại lượng vật lý hiện diện khắp mọi nơi và trong nhiều lónh
vực, đặc biệt là trong công nghiệp vì mỗi sản phẩm , thiết bò hay điều kiện làm
việc cần những nhiệt độ khác nhau .Muốn có được nhiệt độ phù hợp cần phải
có một hệ thống điều khiển.Tùy theo tính chất ,yêu cầu của quá trình mà nó đòi
hỏi các phương pháp điều khiển thích hợp
Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại :Hệ thống điều
khiển hồi tiếp (feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự
(sequence control system)
− Điều khiển hồi tiếp thường được xác đònh và giám sát kết quả điều khiển ,
so sánh nó với yêu cầu thực thi và tự động điều chỉnh đúng .
− Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều
khiển trước khi xác đònh tuần tự.


II. Các nguyên tắc điều khiển :
1.Nguyên tắc thông tin phản hồi:
Trong các quá trình điều khiển ,tồn tại hai dòng thông tin một từ cơ quan
chủ quản đến đối tượng và một từ đối tượng đi ngược về cơ quan điều khiển ,
được gọi là liên kết ngược hay hồi tiếp .
a) Quá trình điều khiển theo

n

nguyên tắc bù nhiễu:
Tác động vào đối tượng là
luật điều khiển u theo nguyên tác

Điều
khiển
u

bùnhiễu để đạt đầu ra c mong

c

Đối
tượng

muốn,nhưng không quan sát tín hiệu ra c .
Về nguyên tắc ,đối với hệ phức tạp thì điều khiển theo mạch hở không
n

cho kết quả tốt .

r

b) Điều khiển theo sai lệch:

-

e

u

Điều
khiển

Cơ quan điều khiển quan

Đối
tượng

c

sát c, so sánh với đònh chuẩn điều mong muốn r để chọn luật điều khiển u.
Nguyên tắc ở đây là điều chỉnh linh hoạt ,loại sai lệch ,thử nghiệm và
sửa.Đây là nguyên tắc cơ bản trong điều khiển.
c) Điều khiển phối hợp:
n

r

e

Điều
khiển

u

Đối
tượng

c


2.Nguyên tắc đa dang tương xứng:
Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của cơ quan điều

khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng .Tính đa dạng của cơ quan
điều khiển có thể dùng để chế ngự đối tượng thể hiện ở :khả năng thu thập
thông tin , lưu trữ ,phân tích xử lý ,chọn quyết đònh ,tổ chức thực hiện.
3.Nguyên tắc bổ sung ngoài:
Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác
động qua lại chặt chẽ với môi trường đó .Trong điều kiện thừa nhận nguyên tắc
bổ sung ngoài sau:thừa nhận có một đối tượng chưa biết (hộp đen)tác động vào
hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen.
4.Nguyên tắc dự trư:õ
Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng các bất trắc
có thể xảy ra và không được dùng toàn bộ lực lượng trong điều kiện bình
thường . Vốn dự trữ là không sử dụng ,nhưng cần để bảo đảm cho hệ thống vận
hành an toàn .


5.Nguyên tắc phân cấp:
Đối với một hệ thống phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ
sung cho trung tâm ,để khuếch đại khả năng điều khiển .Phải tránh khuynh
hướng hình thức và phân cấp quá đáng ,xử lý cho đúng nhiện vụ và quyền hạn
ở mỗi cấp
6.Nguyên tắc cân bằng nội:
Mỗi hệ thống cần được xây dựng với cơ chế cân bằng nội để có khả năng
tự giải quyết những biến động xảy ra.
III.Các loại điều khiển:
Sự phân loại điều khiển có tính chất quy ước
1.Điều khiển ổn đònh hóa:
Mục tiêu điều khiển là kết quả đầu ra bằng đầu vào chuẩn r(t) = const với
sai lệch cho phép exl (sai số ở chế độ xác lập)
e(t) = r(t) - c(t) ≤ exl
Đặc biệt khi đầu ra hệ thống cần giữ là hằng số ,ta có hệ thống điều chỉnh

hay hệ thống ổn đònh .
Ví dụ: hệ thống ổn đònh nhiệt độ ,điện áp ,áp suất ,nồng độ tốc độ…


2.Điều khiển theo chương trình:
Nếu r(t) là một hàm đònh trước theo thời gian ,yêu cầu đáp ứng ra của hệ
thống sao chép lại các giá trò của tín hiệu vào r(t) thì ta có hệ thống điều khiển
theo chương trình .
Ví dụ: hệ thống điều khiển máy công cụ CNC ,điều khiển tự động nhà
máy xi măng Hoàng Thạch ,hệ thống thu thập và truyền số liệu hệ thống điện,
quản lý vật tư ở nhà máy …
3.Điều khiển theo dõi:
Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) là một hàm không bết trước theo
thời gian ,yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t) luôn bám sát được r(t) ,ta có hệ
thống theo dõi.Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống
điều khiển vũ khí ,hệ thống lái tàu ,máy bay…
4.Điều

khiển

thích nghi:
Tín hiệu

TC

v(t) chỉnh đònh

n (t)

v (t)

r (t)

ĐK

ĐT
u (t)

c (t)


lại tham số điều khiển sao cho hệ thích nghi với mọi biến động của môi trường
ngoài.

5.Điều khiển tối ưu hàm mục tiêu đạt cực trò:
Ví dụ các bài toán qui hoạch ,vận trù trong kinh tế ,kỹ thuật đều là các
phương pháp điều khiển tối ưu.
IV.Mô hình tổng quát và các phương pháp đo nhiệt độ:
1.Mô hình hệ thống điều khiển:
Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ là một đạng của hệ thống thu thập dữ
liệu .Nhìn chung một hệ thống thu thập dữ liệu đầy đủ có những thành phần
sau:
• Phần thu thập dữ liệu từ đối tượng bên ngoài vào hệ thống vi xử lý-máy tính.
Phần này gồm các cảm biến ,mạch gia công tín hiệu ,bộ chuyển đổi tín hiệu
tương đồng sang tín hiệu số (ADC) và các thiết bò ngoại vi khác như nguồn,
đường dây truyền dữ liệu …
• Phần điều khiển : bao gồm hệ vi xử lý , máy tính và hệ thống tác động vào
đối tượng .
• Phần mềm: là chương trình cho kít xử lý tại chổ và chương trình cho máy tính
nhằm thu nhận dữ liệu và điều khiển nhiệt độ cũng như giao tiếp với người
sử dụng .Các thành phần trên liên quan chặt chẽ với nhau ,tạo thành một hệ

thống hợp nhất .Từ phân tích trên một hệ thống thu thập dữ liệu (ADS)sẽ có
những thành phần cấu trúc sau:


Kênh 1

Kênh n

Mạch
Gia công
1
Mạch
Gia
công n
Mạch đối tượng 1

DỒN
KÊNH

ADC

TƯƠN

LƯU
TRỮ

Máy
tính
chủ

VÀ

G

ĐIỀU

BỘ

KHIỂ

TỰ
PHÂN

Mạch đối tượng n

KÍT

DAC

N

KÊNH

2.Chức năng các khối trong hệ thống điều khiển:
2.1.Kít chủ vi xử lý:
Kit sử dụng một chip vi xử lý ,là đơn vò master nhận yêu cầu từ người sử
dụng và truyền dữ liệu cho các slave khác ,ở đây sử dụng kỹ thuật truyền thông
đa xử lý để giao tiếp kit chủ và các kit xử lý slave,giữa kit chủ và máy tính, chỉ
có thể giao tiếp khi tác động phím từ kit .
Kit chủ có thiết kế phần cứng như các kit slave, duy chỉ có thêm về phần

cứng mạng truyền và phần chương trình quản lý các thông số của các đơn vò
slave.
2.2.Các kit xử lý tạm thời (slave):


Các kit xử lý tạm thời có nhiệm vụ thu nhận các giá trò từ ADC và có khả
năng điều khiển nhiệt độ theo các phương pháp khác nhau.Chức năng của các
thông số từ cổng nối tiếp .
2.3. Mạng truyền:
Dùng để giao tiếp giữa các kit ,giữa các kit với máy tính .Mạng truyền sử
dụng ở đây là theo khuyến cáo của nhà sản xuất chip giao tiếp mã 485.Chuẩn
truyền 485 được sử dụng rộng rãi trong các thiết bò điều khiển vi tính đơn giản
trong kết nối phần cứng cũng như giao thức truyền đây là mạng Half Duplex .
Trong một thời gian sử dụng nhất đònh chỉ có thể nhiều nhất hai đối tượng liên
lạc với nhau.Các cách thức giao tiếp là một vi xử lý chủ và các vi xử lý tớ ,các
vi xử lý tớ không thể liên lạc với nhau mà chỉ có thể liên lạc thông qua vi xử lý
chủ.
2.4. Chương trình điều khiển:
Thực hiện việc giao tiếp giữa các vi xử lý và kit chủ ,giữa kit chủ và máy
tính ,đặt trò.
3.Các phần tử trong thiết bò đo và phương pháp đo nhiệt độ:
3.1.Các phần tử trong thiết bò đo:
• CẢM BIẾN
Phần tử biến đổi các đại lượng không điện sang đại lượng điện,bộ phận
này thường dùng thermocouple.
• BỘ CHẾ BIẾN TÍN HIỆU
Biến đổi tín hiệu điện thu được từ thermocouple cho phù hợp với mức vào
mạch biến đổi tín hiệu A/D.

• BỘ HIỂN THỊ KẾT QUẢ
Hiển thò kết quả thu được dưới dạng hiển thò số.
• BỘ ĐIỀU KHIỂN
Thực hiện điều khiểntheo phương pháp PID hay ON/OFF.
• MẠCH KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
Khuếch đại tín hiệu điều khiển để điều chỉnh nhiệt độ.
3.2.Các phương pháp đo:
Hiện nay có rất nhiều phương pháp đo khác nhau :từ đơn giản đến phức
tạp, từ loại có độ chính xác vừa đến loại chính xác cao.
• Đo nhiệt độ bằng cột thủy ngân.
• Đo nhiệt độ bằng điện trở.
• Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện.
• Đo nhiệt độ bằng diode và transistor .
• Dụng cụ đo nhiệt theo nhiệt nóng chảy của các chất.
• Dụng cụ đo nhiệt độ theo dòng điện bức xạ.
• Đo nhiệt độ bằng IC cảm biếm nhiệt.
• Đo nhiệt độ bằng cảm biến thạch anh.
Đo nhiệt độ dùng cảm biến thạch anh có ưu điểm hơn so với các phương
pháp khác ,vì nó có độ chính xác cao ,việc chuyển đổi dạng số rất dễ dàng đối
với thông tin liên quan đến tần số.
Ví dụ: đặc tính đo lường của tinh thể thạch anh do hãng Heulett Packard chế tạo
có:
+

Khoảng đo -80oC ÷ 250oC.


+

Khoảng tuyến tính ± 0.05% khoảng đo.

+

Độ nhạy 1000HZ oC .

+

Khả năng đo 0.0001oC.
Tuy nhiên có hạn chế là khó chế tạo ,các mạch dao động thạch anh khó

tinh chỉnh.
a) Cách lắp đặt bộ cảm ứng nhiệt:
Vò trí của cảm ứng nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến việc đo đạc và điều khiển
nhiệt độ của vật thể .Cảm ứng nhiệt càng xa nguồn nhiệt thì càng vọt lố cao do
đó tùy theo yêu cầu cụ thể mà ta lắp đặt vò trí thích hợp
b) Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ:
ToC =T(oK)-273.15
ToC ={T(oF)-32}×5/9