DA thiet ke bo dieu khien PID cho lo nhiet 5 1 2010

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Chữ kí của giáo viên hướng dẫn

1


Hưng Yên, ngày..... tháng..... năm 2009

2


NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Chữ kí của giáo viên phản biện

3


Hưng Yên, ngày..... tháng..... năm 2009

4


LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp giáo dục của nước ta hiện nay, mục tiêu là giáo dục và đào tạo ra
những con người có đủ đức đủ tài, có văn hóa, có kỹ năng kỹ xảo nghề nghiệp và có

thái độ ứng xử tốt, phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa - xây
dựng nước nhà. Để đạt được mục đích đó thì thế hệ trẻ, đặc biệt là sinh viên phải
luôn chủ động tìm hiểu nghiên cứu và ứng dụng những thành tựu khoa học mới, cùng
những nhu cầu, ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà.
Là những sinh viên năm cuối, được làm đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho chúng em
tìm hiểu thêm về kiến thức thực tế, củng cố những kiến thức đã học, nhóm chúng em
đã được nghiên cứu về đề tài: “ Nghiên cứu, khảo sát và so sánh các luật điều
khiển cho mô hình điều khiển nhiệt độ bằng Matlab và Simulink ”.
Đề tài của chúng em được chia ra thành 4 chương:

–

Chương 1: Giới thiệu chung về lò nhiệt.

–

Chương 2: Điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt bằng bộ điều khiển PID.

–

Chương 3: Điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt bằng luật điều khiển mờ.

–

Chương 4: Kết luận và kiến nghị.

Nhờ có sự hướng dẫn tận tình của cô giáo ThS. Nguyễn Thị Luyến, cùng các thầy
cô trong khoa đã tạo điều kiện giúp đỡ để chúng em hoàn thành đồ án này .Tuy
nhiên, do trình độ còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em
rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô và các bạn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

5


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................5
MỤC LỤC..................................................................................................................6
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT....................................15
1.1. Cấu tạo lò nhiệt. .............................................................................................15
1.1.1. Vỏ lò .........................................................................................................15
1.1.2. Lớp lót .....................................................................................................16
1.1.3. Dây nung..................................................................................................17
1.2. Nguyên lý làm việc của lò nhiệt.......................................................................18
1.2.1. Nguyên lý làm việc .................................................................................18
1.2.2. Tổn thất nhiệt trong lò...............................................................................19
1.3. Các đặc điểm của lò nhiệt................................................................................19
1.4. Các yêu cầu cơ bản về lò nhiệt........................................................................19
1.5. Các phương pháp điều chỉnh lò nhiệt...............................................................20
1.5.1. Phương pháp dùng máy biến áp .............................................................20
1.5.2. Phương pháp dùng rơle ............................................................................20
1.5.3. Phương pháp dùng rơle kết hợp với Thysistor
.............................................................................................................................20
1.5.4. Phương pháp dùng hai Thysistor mắc song song ngược...........................20
1.5.5. Phương pháp dùng triac............................................................................21
1.6. Nhận dạng đối tượng........................................................................................21
1.6.1. Phương pháp lý thuyết..............................................................................21
1.6.2. Phương pháp thực nghiệm chủ động.........................................................21
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG BỘ ĐIỀU
KHIỂN PID.............................................................................................................26

2.1. Luật điều khiển PID ........................................................................................26
2.2. Các phương pháp tổng hợp tham số của bộ PID.............................................29
6


2.2.1. Phương pháp Ziegler – Nichols.................................................................31
2.2.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất..........................................31
2.2.1.2. Phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai............................................33
2.2.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick..................................................34
2.2.3. Phương pháp tổng T của Kuhn..................................................................36
2.2.4. Phương pháp tối ưu độ lớn........................................................................38
2.2.5. Phương pháp tối ưu đối xứng....................................................................43
2.2.6. Phương pháp Halman:...............................................................................50
2.2.7. Phương pháp dự báo Smith:.....................................................................50
2.2.8. Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám......................................................51
2.3. Thiết kế bộ PID kinh điển điều khiển đối tượng lò nhiệt.................................53
2.3.1. Khảo sát đối tượng khi chưa có bộ điều khiển..........................................53
2.3.2. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất.....................................................54
2.3.3. Phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai....................................................55
2.3.4. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick..................................................57
2.3.5. Phương pháp tổng T của Kuhn..................................................................58
2.3.6. Phương pháp Halman................................................................................59
2.3.7. Phương pháp dự báo Smith.......................................................................60
.........................................................................................................................61
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG LUẬT ĐIỀU
KHIỂN MỜ..............................................................................................................66
A. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ............................................66
3.1. Mở đầu.............................................................................................................66
3.2. Khái niệm về tập mờ.......................................................................................67
3.2.1. Khái niệm cơ bản......................................................................................67

3.2.2. Định nghĩa tập mờ.....................................................................................67
7


............................................................................................................................67
3.2.3. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ.................................68
3.2.4. Biến ngôn ngữ...........................................................................................68
3.2.5. Các phép toán trên tập mờ.........................................................................70
3.3. Luật hợp thành.................................................................................................70
3.3.1. Mệnh đề hợp thành....................................................................................70
3.3.2 Luật hợp thành mờ....................................................................................71
3.3.3. Thuật toán thực hiện luật hợp thành cho hệ SISO.....................................73
3.3.4. Thuật toán thực hiện luật hợp thành cho hệ MISO...................................74
.............................................................................................................................74
3.3.5. Thuật toán xác định luật hợp thành kép max- Min, max- PROD..............75
3.3.6. Thuật toán xác định luật hợp thành sum - MIN và sum-PROD.
.............................................................................................................................76
3.4. Các phương pháp giải mờ (rõ hoá)..................................................................77
3.4.1. Phương pháp cực đại.................................................................................77
3.4.2. Phương pháp điểm trọng tâm

............................................................80

3.5. Các khâu điều khiển mờ...................................................................................81
3.6. Nguyên lý điều khiển và phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ................82
3.6.1. Nguyên lý và cấu trúc của một hệ thống điều khiển.................................82
3.6.2. Trình tự thiết kế bộ điều khiển mờ ...........................................................84
3.7. Phân loại các bộ điều khiển mờ.......................................................................84
B. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ CHO ĐỐI TƯỢNG LÒ NHIỆT
.....................................................................................................................85

3.8. Cơ sở lí thuyết..................................................................................................85
3.8.1. Sơ đồ điều khiển và mô hình toán học của bộ PID mờ.............................85
3.8.2. Luật chỉnh định PID

......................................................................86
8


3.9.2. Các biến ngôn ngữ.....................................................................................87
3.9.3. Luật hợp thành..........................................................................................88
Nhận xét: Khi có sự thay đổi đối tượng trong phạm vi nhỏ thì bộ điều
khiển PID mờ vẫn điều chỉnh hệ thống khá tốt. Đây chính là một ưu điểm
nổi bật của bộ điều khiển PID mờ so với bộ điều khiển PID kinh điển....110
C. THIẾT KẾ BỘ PI MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG .........................111
3.10. Thiết kế bộ điều khiển PI mờ.......................................................................111
3.10.1. Xác định thông số của bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu độ lớn111
3.10.2. Thiết kế bộ điều khiển PI mờ với Kr = const, thay đổi Ti....................111
3.10.3. Thiết kế bộ điều khiển PI mờ giữ nguyên Ti=const, thay đổi Kr .........122
D. ƯU ĐIỂM CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ.............................................132
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................143
4.1. Các kết quả đã thực hiện được trong đề tài....................................................143
4.2. Hướng phát triển của đề tài............................................................................143
4.3. Kiến nghị........................................................................................................144

9


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Mặt cắt ngang của lò nhiệt .............................................................15

Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................................18
của lò nhiệt ..............................................................................................................18
Hì nh 1.3. Đườ ng đặ c tí nh gầ n đú ng củ a đố i tượ ng ...................................22
Hình 1.4. Giao diện thu thập dữ liệu lò nhiệt ...............................................24
Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ..........................................................26
Hình 2.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển P ...............................................................27
Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển PD ...........................................................27
Hình 2.4 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI .............................................................28
Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ..........................................................28
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý điều khiển với bộ điều khiển PID ................29
Hình 2.7 Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID ....................................................31
Hình 2.8. Xác định tham số của bộ PID theo Ziegler – Nichols thứ nhất
....................................................................................................................................32
Hình 2.9. Xác định hằng số tới hạn .................................................................33
Hình 2.10. Đáp ứng quá độ của đối tượng .........34
Hình 2.11. Quan hệ giữa diện tích và tổng hằng số thời gian .................37
Hình 2.12. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín ............................................38
Hình 2.13. Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp tối ưu đối
xứng ...........................................................................................................................43
Hình 2.14.Giảm độ quá điều chỉnh bằng bộ tiền xử lý ...............................49
Hình 2.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID theo phương pháp dự
báo Smith .................................................................................................................51
Hình 2.16. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID theo phương pháp sai
lệch bám ...................................................................................................................51
Hình 2.17. Đáp ứng của đối tượng khi chưa có bộ điều khiển .................53
Hình 2.18. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID theo Ziegler-Nichols thứ
nhất ............................................................................................................................54
Hình 2.19. Đáp ứng của hệ thống khi tại giá trị Kth .................................55
Hình 2.20. Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển PID ..........................56
10

theo Ziegler – Nichols thứ hai ........................................................................56
Hình 2.21. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID theo Chien – Hrones –
Reswick ....................................................................................................................57
Hình 2.22. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID theo phương pháp tổng T
....................................................................................................................................58
Hình 2.23. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID theo Halman .....................59
Hình 2.24. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID theo dự báo Smith ..........60
Hình 2.25. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID theo Chien – Hrones –
Reswick ....................................................................................................................62
khi có nhiễu đầu tác động vào đầu vào ..........................................................62
Hình 2.26. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID theo Chien – Hrones –
Reswick ....................................................................................................................63
khi có nhiễu tác động vào đối tượng ..............................................................63
Nhận xét: Khi có nhiễu tác động vào đối tượng thì hệ thống dao động
mạnh xung quanh giá trị ổn định. Hay nói cách khác, bộ điều khiển
không còn điều khiển được hệ thống. ..............................................................63
Hình 2.27. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID theo Chien – Hrones –
Reswick ...................................................................................................................64
khi có nhiễu tác động vào bộ điều khiển ........................................................64
Hình 3.1. Miền xác định và miền tin cậy của một tập mờ .........................68
Hình 3.2. Ví dụ minh họa hàm thuộc ..............................................................69
Hình 3.3.Bộ điều khiển mờ với quy tắc Max-Min .......................................72
Hình 3.4. Giá trị rõ y’ không phụ thuộc vào đáp ứng vào .........................78
của luật điều khiển quyết định .........................................................................78
Hình 3.5. Giá trị rõ y’phụ thuộc vào đáp ứng vào ......................................79
của luật điều khiển quyết định ..........................................................................79
Hình 3.6. Giá trị rõ y’ phụ thuộc tuyến tính với đáp ứng vào ..................79
của luật điều khiển quyết định .........................................................................79

Hình 3.7. Giá trị rõ y’ là hoành độ của điểm trọng tâm ...........................80
Hình 3.8. Xác định giá trị rõ theo phương pháp điểm trọng tâm khi
miền giá trị của tập mờ không liên thông ......................................................81
Hình 3.9. Cấu trúc bên trong của bộ điều khiển mờ ...................................81
11


Hình 3.10. Mạch điều khiển với bộ điều khiển mờ . .82
Hình 3.11. Sơ đồ điều khiển của bộ PID mờ .................................................85
Hình 3.12. Luật chỉnh định PID ........................................................................86
Hình 3.13. Các biến ngôn ngữ vào /ra .............................................................88
Hình 3.14. Thiết lập dải ET cho chỉnh định Kp ...........................................89
Hình 3.15. Thiết lập dải DET cho chỉnh định Kp ........................................90
Hình 3.16. Thiết lập dải Kp ................................................................................90
Hình 3.17. Bốn chín luật hợp thành chỉnh định Kp ...................................93
Hình 3.18. Đường đặc tính đầu ra của bộ điều khiển PID mờ .................93
chỉnh định Kp .........................................................................................................93
Hình 3.19. Đường đặc tuyến ra của bộ điều khiển PID mờ ......................94
chỉnh định Kp ........................................................................................................94
Hình 3.20. Thiết lập dải ET cho chỉnh định KD ...........................................94
Hình 3.21. Thiết lập dải DET cho chỉnh định KD .......................................95
Hình 3.22. Thiết lập dải KD .............................................................................95
Hình 3.23. Bốn chín luật hợp thành cho chỉnh định KD ............................98
Hình 3.24. Đường đặc tuyến đầu ra của bộ điều khiển PID mờ ..............98
chỉnh định KD ........................................................................................................98
Hình 3.25. Đường đặc tính đầu ra của bộ điều khiển mờ PID ................99
chỉnh định KD ........................................................................................................99
Hình 3.26. Thiết lập dải ET cho chỉnh định KI ............................................99
Hình 3.27. Thiết lập dải DET cho chỉnh định KI .......................................100
Hình 3.28. Thiết lập dải KI ..............................................................................100

Hình 3.29. Bốn chín luật hợp thành cho chỉnh định KI ...........................103
Hình 3.30. Đặc tính ra của bộ điều khiển PID mờ ....................................103
chỉnh định KI .......................................................................................................103
Hình 3.31. Đặc tuyến ra của bộ điều khiển PID mờ ................................104
chỉnh định KI .......................................................................................................104
Hình 3.32. Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển PID mờ ...............105
Hình 3.33. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID mờ ......................................106
khi có nhiễu tác động vào bộ điều khiển ....................................................106
Hình 3.34. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID mờ ......................................107
12


khi có nhiễu tác động vào đối tượng ..........................................................107
Hình 3.35. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID Mờ .....................................108
khi có nhiễu tác động vào đầu vào ...............................................................108
Hình 3.36. Đáp ứng của hệ thống với bộ PID mờ ....................................110
khi không xác định chính xác đối tượng ......................................................110
Hình 3.37. Sơ đồ khối bộ điều khiển PI mờ chỉnh định Ti ....................111
Hình 3.38. Thiết lập dải ET cho bộ điều khiển PI mờ chỉnh định Ti ...112
Hình 3.39. Thiết lập dải DET cho bộ điều khiển PI mờ chỉnh định Ti 112
Hình 3.40. Thiết lập dải Ti cho bộ điều khiển PI mờ chỉnh định Ti ...113
Hình 3.41. Bốn chín luật hợp thành chỉnh định Ti ...................................116
Hình 3.42. Đường đặc tính đầu ra của bộ điều khiển PI mờ ..................116
chỉnh định Ti .......................................................................................................116
Hình 3.43. Đặc tuyến đầu ra của bộ điều khiển PI mờ ............................117
chỉnh định Ti ........................................................................................................117
Hình 3.44. Tín hiệu ra của hệ thống với bộ điều khiển ..........................118
PI mờ chỉnh định Ti .........................................................................................118
Hình 3.45. Đáp ứng của hệ thống với bộ PI mờ chỉnh định Ti ...........119
khi có nhiễu tác động vào bộ điều khiển ......................................................119

Hình 3.46. Đáp ứng của hệ thống với bộ PI mờ chỉnh định Ti .............120
khi có nhiễu tác động vào đối tượng .............................................................120
Hình3.47. Đáp ứng của hệ thống với bộ PI mờ chỉnh định Ti ..............121
khi có nhiễu tác động vào đầu vào ...............................................................121
Hình 3.48. Sơ đồ khối bộ mờ chỉnh định KR ............................................122
Hình 3.49. Thiết lập dải ET cho chỉnh định KR ........................................122
Hình 3.50. Thiết lập dải DET cho chỉnh định KR .....................................123
Hình 3.51. Thiết lập dải Kr cho bộ điều khiển PI mờ chỉnh định KR . 123
Hình 3.52. Bốn chín luật hợp thành của bộ điều khiển PI mờ chỉnh định
KR ............................................................................................................................126
Hình 3.53. Đường đặc tính đầu ra của bộ điều khiển PI mờ .................127
chỉnh định KR ......................................................................................................127
Hình 3.54. Đặc tuyến đầu ra của bộ điều khiển PI mờ ...........................127
chỉnh định KR .....................................................................................................127
13


Hình 3.55. Tín hiệu ra của hệ thống với bộ điều khiển PI mờ .............128
chỉnh định KR .....................................................................................................128
Hình 3.56. Tín hiệu ra của hệ thống với bộ điều khiển PI mờ ...........129
chỉnh định KR khi có nhiễu tác động vào bộ điều khiển .......................129
Hình 3.57. Tín hiệu ra của hệ thống với bộ điều khiển PI mờ .............130
chỉnh định KR khi có nhiễu tác động vào đầu vào ...................................130
Hình 3.58. Tín hiệu ra của hệ thống với bộ điều khiển PI mờ chỉnh
định KR khi có nhiễu tác động vào đối tượng ............................................131

14


CHƯƠNG 1. 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 1.1. Mặt

cắt ngang

của lò nhiệt
1: Lớp lót.
2: Vật nung
thuộc cấu tạo lò ).

(không

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 hoàn toàn hay
tương đối của lò sấy.
+ Đối với các lò nung làm việc với khí bảo vệ, sự cần thiết của vỏ lò là phải hoàn
toàn kín. Đối với lò bình thường, sự kín của vỏ lò là để giảm tổn thất nhiệt và tránh
được sự lùa của không khí vào lò.
+ Khung vỏ 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...
+ 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

tròn người ta thường chọn độ dầy tương ứng của tấm thép so với đường kính vỏ lò
như sau:
15


Đường kính

Độ dày tấm thép

1000-2000mm

3-6mm

2500-4000mm

8-12mm

4500-6500mm

14-20mm

+ Khi cần độ 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 tròn 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 hai 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 đủ lớn khi làm việc.

-

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 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 kì.

• 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 đáy 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 nhiệt cực tiểu.
16


− Ổn định về tính chất vật lí trong điều kiện làm việc xác định.
− Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch chịu lửa hay điền đầy bằng xỉ, bông, bột
amiang ....
1.1.3. Dây nung
Theo đặc tính của lò sấy mà chia thành hai 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, đòi 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 phải 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 hay Crôm - Niken. Thường chế tạo
loại tròn hoặc loại băng.
- Dây nung phi kim loại: Phổ biến là cácbon – silic (SiC) hay disilic-molipden
(MoSi2), graphit và than …
- Dây nung có thể bố trí trên nóc và dưới đáy lò sấy, trên thực tế có thể có nhiều
cách bố trí dây nung khác nhau, tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật của từng loại lò sấy.

17


1.2. Nguyên lý làm việc của lò nhiệt
1.2.1. Nguyên lý làm việc
Là dựa trên 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=I2.R.t

Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động
của lò nhiệt
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 các 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.

18

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 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 0 - 1000C tức là ở nhiệt độ trung bình, do đó
trao đổi nhiệt trong lò chủ yếu là trao đổi nhiệt đối lưu.
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 tốc 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 lí 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 nó với 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.

19


1.5. Các phương pháp điều chỉnh 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
không cao, rơle phải đóng ngắt nhiều lần nên độ tin cậy kém. Tuy nhiên phương pháp
này có ưu điểm: Đơn giản, dễ nối, phù hợp với yêu cầu công nghệ, đòi hỏi độ chính
xác không 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 kỳ.
1.5.4. Phương pháp dùng hai Thysistor mắc song song ngược
Khi có xung điều khiển thì hai 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 giá trị Min - Max.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh trong pham 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.

20


1.5.5. Phương pháp dùng triac
Triac có chức năng giống hai Thysistor mắc song song ngược chiều, vì vậy để đơn
giản mạch điều khiển công suất ta có thể dùng Triac thay cho hai Thysistor mắc song
song ngược.
Qua các phương pháp điều khiển lò nhiệt ta thấy phương pháp sử dụng Triac là
phù hợp nhất với đề tài đã được giao vì Triac có thể điều khiển liên tục, mạch điều
khiển đơn giản hơn.
1.6. Nhận dạng đối tượng
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 – hóa, 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 thực nghiệm và phương pháp lý thuyết. 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 những khó khăn này.
1.6.2. Phương pháp thực nghiệm chủ động
Mô hình thực nghiệm của lò sấy.

U(t)

Công suất điện áp
100%

Lò
Nhiệt

Nhiệt độ lò

C(t)

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
21


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

ω

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 đặt vào thì lúc này

sẽ kết thúc quá trình quá độ. Trong quá trình xác lập thì lượng ra là nhiệt độ, luôn tỉ lệ
với điện áp đặt vào.

Hình 1.3. Đường đặc tính gần đúng của đối tượng
* Tín hiệu vào u(t) = 1(t) là hàm bậc thang đơn vị và theo biến đổi Laplace thì

U (S ) =

1
s

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 phương trình sang dạng toán tử Laplace:

Y( s ) = e −τ .s .F( s )

22


Trong trong đó

f (t ) = k (1 − e

−

t
T

) là hàm quá độ của nhiệt độ, được xác

định dựa vào đặc tính gần đúng của đổi tượng. Từ đó có ảnh Laplace.
F( S ) =

* Vậy tín hiệu ra:

k
−
s

Y( s ) = e −τ .s .

k
s+

1
T

=

k
s (1 + Ts )

k
s(1 + T .s )

Theo định nghĩa ta có hàm truyền đạt của đối tương:

G( s ) =

Y( s )
U (s)

e −τ .s .
=

k
k
s.(1 + T .s)
= e −τ .s .
1
1 + T .s
s

Vậy đối tượng là khâu quán tính bậc nhất có trễ.
* Cách xác định tham số cho mô hình
Trong đồ án này chúng em lấy đối tượng là mô hình lò nhiệt mà nhóm hai bạn
Nguyễn Thị Hồng và Trịnh Đình Huy (lớp ĐK3K) đã làm trong đồ án tốt nghiệp
vào tháng 8 năm 2009.
Sau đây chúng em xin trình bày lại cách xác định tham số cho mô hình mà hai
bạn đã làm sử dụng phần mềm LabVIEW.
Ta có τ - là thời gian trễ của đối tượng.
Dựa trên (hình 1.3) ta có cách xác định tham số mô hình gần đúng như sau:
1. Kẻ đường tiệm cận với y (t ) tại t → ∞ để có y( ∞ ), sau đó suy ra k =

y (∞ )

.
u0

2. Xác định điểm có tung độ bằng (0,632* y( ∞ )) của y (t ) .
3. Hoành độ của điểm vừa xác định đó chính là tham số T cần tìm.
Bằng phần mềm LabVIEW giao tiếp với máy tính qua card PCI 1710, ta có giao
diện thu thập dữ liệu nhiệt độ từ lò như sau:

23


Hình 1.4. Giao diện thu thập dữ liệu lò nhiệt
Ta có sơ đồ khối thu thập dữ liệu từ lò nhiệt như sau:

Hình 1.5. Sơ đồ khối thu thập dữ liệu lò nhiệt
Từ đặc tính quá độ của đối tượng thu được ở trên, ta thấy đây là khâu quán
tính bậc nhất có trễ. Từ đây ta đi xác định hàm truyền với mô hình có dạng:
G (s) =

K
e −τ .S
1 + T .s

24


Để xác định được hàm truyền của đối tượng khi biết đường đặc tính trên ta sử
dụng phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất:

Ta có τ là khoảng thời gian đầu ra mà h(t) chưa có phản ứng ngay với kích

thích 1(t) tại đầu vào và có giá trị là τ = 50(s).
K là giá trị giới hạn K = y (∞) = 90 – 34 = 56.
T là khoảng thời gian cần thiết sau τ để tiếp tuyến của h(t) tại điểm τ = 50(s)
đạt được giá trị K. Khi đó T = 410 (s).
Vậy đối tượng lò nhiệt có hàm truyền là:
G( s) =

56
e −50 S
1 + 410 .S

25