Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ổn định nhiệt độ nước

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................... 2
1.1. Nhiệm vụ .................................................................................................... 2
1.2 Đối tượng nghiên cứu................................................................................. 2
1.3 Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................... 2
1.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 2
1.5. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 3
1.6 Nội dung ...................................................................................................... 3
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................... 4
2.1. Khái niệm và phân loại các thiết bị điều khiển ổn định nhiệt độ .............. 4
2.1.1. Khái niệm ............................................................................................... 4
2.1.2. Phân loại ................................................................................................. 4
2.2. Các phương pháp ổn định nhiệt độ ............................................................ 7
2.2.1. Phương pháp đóng – ngắt (ON/OFF).................................................... 7
2.2.2 Điều khiển vòng kín ................................................................................. 8
2.2.3. Điều khiển PID ..................................................................................... 10
CHƢƠNG 3.CHẾ TẠO MÔ HÌNH ............................................................ 14
3.1. Mô hình hóa các hệ trong hệ thống .......................................................... 14
3.1.1.. Hệ lưu chất ........................................................................................... 14
3.1.2. Hệ điện .................................................................................................. 14
3.1.3 Hệ nhiệt .................................................................................................. 14
3.2. Khảo sát bình chứa ................................................................................... 15
3.2.1. Mô hình khảo sát ................................................................................... 15
3.2.2. Các bước tiến hành và kết quả đo ......................................................... 16
3.2.3. Xử lý kết quả ......................................................................................... 17


Từ các số liệu trên ta vẽ được đồ thị nhiệt độ thời gian của thiết bị như sau: 17

3.4. Tổng hợp mô phỏng ................................................................................. 18
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ......................... 21
4.1. Sơ đồ khối ................................................................................................ 21
4.2. Chế tạo phần điều khiển: .......................................................................... 21
4.2.1.Thiết bị gia nhiệt: ................................................................................... 21
4.2.2. Cảm biến nhiệt DS18B20 .................................................................... 22
4.2.3. Arduino uno R3 ..................................................................................... 24
4.2.4. LCD 1602 .............................................................................................. 32
.4.2.5 Relay Solid SSR-25DA Fotex.............................................................. 33
4.2.6 Khối nguồn ............................................................................................ 34
4.3. Sơ đồ kết nối ............................................................................................ 36
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 42


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Nhiệt độ khảo sát theo thời gian ..................................................... 16
Bảng 4.1. Một vài thông số của Ardunio uno R3 ........................................... 26
Bảng 4.2. Kết nối LCD với Árduion ............................................................... 33


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Bình thủy điện ................................................................................... 5
Hình 2.2. Bình nóng lạnh .................................................................................. 7
Hình 2.3. Chế độ điều khiển ON/OFF .............................................................. 8
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch ........................................ 9
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu .............................................. 9
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên tắc điều khiển hỗn hợp ............................................. 10
Hình 2.7. Ảnh hưởng của hệ số P vào hệ thống .............................................. 11
Hình 2.8. Ảnh hưởng của hệ số I vào hệ thống............................................... 12

Hình 2.9. Ảnh hưởng của hệ số D vào hệ thống ............................................. 13
Hình 3.1. Mô hình hệ thống bình nước ........................................................... 15
Hình 3.2. Đồ thị nhiệt độ thay đổi theo thời gian ........................................... 17
Hình 3.3. Hệ thống sau khi đã mô hình hóa .................................................... 18
Hình 3.4. Hộp thoại Function Block Parameters ............................................ 19
Hình 3.5. Hộp thoại PID Tuner ....................................................................... 19
Hình 3.6: Hệ thống khi chưa có PID ............................................................... 20
Hình 3.7. Hệ thống khi có PID........................................................................ 20
Hình 4.1. Các khối trong hệ thống ổn định nhiệt ............................................ 21
Hình 4.2. điện trở ra nhiệt nước ...................................................................... 22
Hình 4.3. Hình ảnh thực tế DS18B20 ............................................................. 23
Hình 4.4. Các chân chức năng của cảm biến DS18B20 ................................. 23
Hình 4.5. Phần cứng của Arduino uno R3 ...................................................... 28
Hình 4.6. Các chân của Arduino R3 ............................................................... 31
Hình 4.7. Hình ảnh thực tế LCD

.......................................................... 32

Hình 4.8. Hình ảnh thực tế SSR-25DA Fotex................................................. 34
Hình 4.9. Hình ảnh thực tế nguồn adapter 9V - 2A ........................................ 34
Hình 4.10. Hình ảnh thực tế mạch hạ áp nguồn LM2596............................... 35
Hình 4.11. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển...................................................... 36


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển, nó tác động nhiều đến các lĩnh vực
của đời sống xã hội. Khoa học kỹ thuật đòi hỏi con người luôn luôn không
ngừng tìm tòi học tập để tiến bộ. Với sự nhảy vọt của khoa học, kỹ thuật điện điện tử là ngành mới phát triển chỉ trong một thời gian ngắn nó đã đạt được
những thành tựu to lớn ở hầu hết các lĩnh vực khác nhau trong đời sống xã hội.
Các thiết bị và công nghệ luôn được đổi mới tiên tiến hiện đại để góp phần

nâng cao chất lượng cũng như các máy móc, thiết bị hoạt động có hiệu quả,
an toàn ổn định. Các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi
trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội .
Ngày nay nhu cầu chuyên dụng hóa, tối ưu (thời gian, không gian, giá
thành) bảo mật, tính chủ động trong công việc… ngày càng đòi hỏi khắt khe,
việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo mạch điện điện tử để đáp
ứng những nhu cầu trên là hoàn toàn cấp thiết mang tính thực tế cao.
Kỹ thuật vi xử điều khiển hiện nay rất phát triển, nó được ứng dụng rất
nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp, tự động hóa, trong đời sống và còn
nhiều lĩnh vực khác nữa. So với kỹ thuật số thì kỹ thuật vi điều khiển nhỏ gọn
hơn rất nhiều do nó được tích hợp lại và có khả năng lập trình được để điều
khiển nên rất tiện dụng và cơ động. Với tính ưu việt của vi điều khiển thì
trong phạm vi đồ án nhỏ này, em đã sử dụng vi điều khiển để đo và khống chế
nhiệt độ, đồng thời cho hiển thị lên LCD.Xuất phát từ các nhu cầu trên em lựa
chọn đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ổn định nhiệt độ nƣớc”.
Đồ án tốt nghiệp được thực hiện bằng kiến thức đã học, một số sách tham
khảo, một số nguồn tài liệu khác và dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy
Phạm Khánh Tùng. Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn nên không
tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em rất mong được sự giúp đỡ và đóng góp
của thầy cô để em có thể hoàn thành đồ án của mình một cách tốt nhất.
Em xin chân thành cảm ơn


CHƢƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Nhiệm vụ
- Tìm hiểu về tính cấp thiết và khả năng áp dụng trông thực tế của bộ điều
khiển ổn định nhiệt độ
- Tìm hiểu về các phương pháp ổn định nhiệt độ
- Chế tạo mô hình
- Thiết kế , chế tạo bộ điều khiển ổn định nhiệt độ

1.2 Đối tƣợng nghiên cứu
- Thiết bị gia nhiệt: + Công suất của thiết bị gia nhiệt : 2000W
+ Nguồn 220V
+ Dung tích 5 lít
- Cảm biến nhiệt DS18B20
- Ardunino
- LCD 1602
- Relay Solid SSR- 40A Fotex
- Nguồn Adapter 9V – 2A
- Mạch hạ áp nguồn LM2596
1.3 Mục tiêu nghiên cứu
- Thiết kế được mô hình , mạch điều khiển ổn định nhiệt độ
- Lập trình , sử dụng phần mềm ardunion để điều khiển ổn định nhiệt độ
- Làm được sản phẩm thực tế
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng sơ đồ khối của hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ
, từ đó chế tạo mô hình của hệ thống và xây dựng hàm truyền của hệ thống .
Xây dựng mô phỏng của hệ thống trên matlab để tìm ra các thông số cho
mạch điều khiển.


1.5. Phạm vi nghiên cứu
- Tìm hiểu về phương pháp điều khiển PID, phương pháp xây dựng hàm
truyền của đối tượng , đồ thị khảo sát của đối tượng.
- Phạm vi đề tài là những vấn đề về thiết kế ,chế tạo bộ điều khiển ổn định
độ nước.
- Ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn nhằm củng cố kiến thức
và nâng cao trình độ
- Có thể tùy chỉnh các mức nhiệt độ khác nhau trong khoảng 25 – 700C.
1.6 Nội dung

Chương 1: Đặt vấn đề
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Chế tạo mô hình
Chương 4: Thiết kế , chế tạo bộ điều khiển ổn định nhiệt độ
Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khái niệm và phân loại các thiết bị điều khiển ổn định nhiệt độ
2.1.1. Khái niệm
- Điều khiển: Là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển
một quá trình này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chương trình
cho trước.
- Điều khiển học : Là một bộ môn khoa học nghiên cứu nguyên tắc xây
dựng các hệ điều khiển .
- Điều khiển tự động : Là quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh được thực
hiện mà không có sự tham gia của con người .
- Hệ thống điều khiển : Là tập hợp tất cả các thiết bị mà nhờ đó quá trình
điều khiển được thực hiện .
- Hệ thống điều khiển tự động : Là tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật , đảm
bảo điều khiển hoặc điều chỉnh tự động một quá trình nào đó
Điều khiển nhiệt độ chỉ là một lĩnh vực nhỏ trong điều khiển tự động , và
cũng có nhiều công trình hiệu quả cao như các lò nung trong công nhiệp , lò
nướng dân dụng ,… đòi hỏi phải điều khiển sao cho nhiệt độ bằng hoặc xấp xỉ
nhiệt độ dặt để đáp ứng các điều kiện mà nhu cầu sản xuất đặt ra . Đề tài “ ổn
định nhiệt độ ” nhằm mục đích tìm hiểu và đưa ra giải pháp mà có thể dễ dàng
ứng dụng được với giá thành rẻ, dễ thi công, và hiệu quả.
2.1.2. Phân loại
Thời kì công nghiệp hóa hiện đại hóa đời ngày càng phát triển, nhu cầu về
các bộ điều khiển ổn định nhiệt độ trong công nghiệp và dân sự ngày càng cao

. Bên cạnh những giải pháp truyền thống như đốt than, củi hay gas, điện thì
trang bị một máy ra nhiệt chất lỏng tiện lợi ngày càng nhiều trong việc và
cuộc sống. Tuy nhiên, chi phí cho mỗi lần sử dụng, khá tốn thời gian cũng
như chi phí về điện và cũng không thể biết chính xác được nhiệt độc cần sử


dụng là bao nhiêu, vì vậy các thiết bị ổn định được nhiệt độ chất lỏng ngày
càng phát triển và sử dụng rộng rãi.
Trên thị trường ngày nay có rất nhiều các thiết bị ổn định nhiệt độ nước
như bình thủy điện hay bình nóng lạnh…
- Bình thủy điện:
Bình thủy điện là loại bình đun bằng điện có tác dụng giữ ấm như một
chiếc phích nước truyền thống. Bình phù hợp với cá nhân, gia đình có nhu cầu
dùng nước nóng nhiều lần trong ngày cho các việc như pha trà, cafê, nấu sữa
cho bé, nấu mì… Chỉ cần cho nước vào một lần, sau khoảng 20-30 phút, bạn
sẽ có nước sôi dùng cho cả ngày dài mà không cần phải nấu lại.

Hình 2.1. Bình thủy điện
Loại: Bình thuỷ, phích điện
- Dung tích (lít): 2.2
- Công suất nấu nước sôi: 700W
- Tính năng: Tự ngắt khi nước sôi, Đèn báo
- Điều chỉnh nhiệt độ, Hiển thị mức nước, Chống rò điện


Ƣu điểm:
+ Nấu nước và đồng thời giữ nóng suốt trong thời gian dài.
+ Nhiều mức nhiệt giữ nóng tự động.
+ Có khóa an toàn.
+ Nhiều cách rót nước.

+ Dung tích lớn.
Nhƣợc điểm:
+ Tiêu tốn điện năng.
+ Thời gian nấu không nhanh bằng bình đun siêu tốc
- Bình nóng lạnh:
Bình nóng lạnh từ lâu đã trở thành thiết bị quen thuộc trong mỗi hộ gia
đình đáp ứng nhu cầu nước nóng cho người sử dụng vào sinh hoạt. Với các
tính năng như hiệu quả,dễ dàng lắp đặt,chi phí không cao…,bình nóng lạnh
thực sự đã trở nên phổ biến ở Việt Nam cũng như trên toàn thế giới.
Chức năng điều khiển nhiệt độ: Khi nhiệt độ trong bình đạt nhiệt độ yêu
cầu theo cài đặt thì rơle nhiệt tự động ngắt nguồn điện cấp điện cho thanh gia
nhiệt, còn khi nào nhiệt độ giảm xuống thì rơle nhiệt lại tự động cấp điện trở
lại cho thanh gia nhiệt.
Chức năng bảo vệ: Trong trường hợp rơ le bị hư chế độ điều khiển nhiệt độ
thì nó sẽ cắt điện toàn bộ hệ thống, giúp đảm bảo an toàn cho thiết bị và người
sử dụng.


Hình 2.2. Bình nóng lạnh
Công suất : 2500W
Dung tích :15l
KẾT LUẬN: Các thiết bị ổn định nhiệt độ nước ngày nay được sử dụng
khá phổ biến, tuy nhiên các thiết bị chỉ được cài ngưỡng nhiệt độ nhất định
2.2. Các phƣơng pháp ổn định nhiệt độ
2.2.1. Phương pháp đóng – ngắt (ON/OFF)
- Là phương pháp điều khiển đơn giản dễ thiết kế, dễ sử dụng, giá thành rẻ
nhưng điều khiển sẽ bị dao động quanh nhiệt độ đặt chứ không ổn định . =>
phương pháp này thường dùng trong những đối tượng cho phép khoảng nhiệt
độ rộng.Đầu ra của bộ điều khiển chỉ có hai vị trí phụ thuộc vào dấu của sai
lệch . Nếu hai vị trí này là đóng hoàn toàn và mở hoàn toàn thì người ta gọi đó

là điều khiển đóng- ngắt (ON/ OFF ).
Hầu hết các bộ điều khiển hai vị trí đều có thêm vùng trung hòa để ngăn
ngừa sự dao động của đầu ra ( là dao động của hai vị trí đầu ra khi sai lệch
quanh bên điểm đặt ) . Vùng trung hòa là vùng quanh bên điểm đặt mà tại đó


không diễn ra một hành động điều khiển nào cả. Độ sai lệch phải vượt qua
vung này mới xảy ra hành động điều khiển.
- Về nguyên lí hoạt động của chế độ ON/OFF :
Bộ điều khiển cung cấp năng lượng đến quá trình điều khiển tạo ra một
chu kỳ điều khiển biên độ phụ thuộc vào ba yếu tố :
+ Độ quán tính
+ Thời gian trễ
+ Mức độ thay đổi của tải
Độ dao động sẽ giảm khi xảy ra một hay nhiều thay đổi :
+ Tăng độ quán tính
+ Giảm thời gian trễ
+ Giảm độ thay đổi tải
Điều khiển hai vị trí chỉ phù hợp cho quá trình có độ quán tính lớn , thời
gian trễ và độ thay đổi trên tải nhỏ ( ví dụ như điều khiển nhiệt độ lò nung).

Hình 2.3. Chế độ điều khiển ON/OFF
Với những đặc điểm như trên thì chế độ điều khiển ON/OFF thường được
ứng dụng trong những hệ thống điều khiển nhiệt quy mô lớn, cho phép độ quá
nhiệt cao và ít có sự thay đổi nhiệt độ; ví dụ như: hệ điều khiển lò nhiệt, tủ
lạnh, quạt…
2.2.2 Điều khiển vòng kín


- Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống sẽ xác định sai khác giữa trạng

thái mong muốn và trạng thái thực tạo ra điều khiển để loại bỏ sai số.
Muốn hệ thống điều khiển có chất lượng cao thì bắt buộc phải có phải hồi
thông tin, tức phải có đo lường các tín hiệu từ đối tượng điều khiển.
- Điều khiển san bằng sai lệch

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch
Tín hiệu ra y(t) được đưa vào so sánh với tín hiệu vào u(t) nhằm tạo nên tín
hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển C nhằm tạo tín hiệu điều khiển đối
tượng O.
- Điều khiển theo bù nhiễu

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu
Nguyên tắc bù nhiễu là sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng của nhiễu
là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống.
- Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp (theo sai lệch và bù nhiễu)


Hình 2.6. Sơ đồ nguyên tắc điều khiển hỗn hợp
Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả hai nguyên tắc trên, vừa có
hồi tiếp theo sai lệch vừa dùng các thiết bị để bù nhiễu.
2.2.3. Điều khiển PID
- Là phương pháp hiệu chỉnh sai số, bao gồm ba bộ điều khiển: vi phân ,
tích phân , tỷ lệ.
PID - Proportional Integral Derivative : là 1 thuật ngữ để chỉ cơ chế điều
khiển vòng phản hồi.
- Ưu điểm: Điều khiển với độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng tối đa, đảm
bảo sự ổn định của hệ thống.
- Nhược điểm: Thuật toán điều khiển phức tạp, đòi hỏi người sử dụng có trình
độ và kinh nghiệm.
Khi sử dụng chế độ điều khiển PID thì loại đầu ra điều khiển tối ưu là Role

bán dẫn SSR. Không nên sử dụng role thường vì nó dễ xảy ra các sự cố ngoài
ý muốn như: đánh tia lửa điện, kẹt tiếp điểm, tuổi thọ các thiết bị giảm…
Phạm vi ứng dụng: có thể nói ngày nay PID đã xâm nhập vào hầu hết các
ứng dụng điều khiển (ko chỉ nhiệt độ mà còn nhiều lĩnh vực khác). Tuy nhiên
nó vẫn được ưu tiên hơn cả khi hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, khoảng
thay đổi nhiệt cho phép nhỏ.
Thông thường khi sử dụng bộ điều khiển nhiệt có chế độ điều khiển PID
thì luôn có kèm theo chức năng Tự động điều chỉnh (Auto Tuning). Chức
năng này sẽ tự động điều chỉnh các tham số P, I và D sao cho hệ thống đạt


hiệu năng cao nhất. Tuy nhiên, trong 1 số trường hợp thì người sử dụng vẫn
phải điều khiển bằng tay (Manual) các tham số này.
+ Tham số P (hệ số tỉ lệ): nếu đặt giá trị này càng cao thì tốc độ đáp ứng (đạt
tới giá trị nhiệt mong muốn) càng nhanh. Tuy nhiên nó cũng làm cho độ quá
nhiệt nhiều hơn (đồng nghĩa với việc độ chính xác giảm đi và tổn hao năng
lượng tăng lên). Nếu giá trị này quá lớn thì hệ quả là hệ thống sẽ mất ổn định.

Khi tăng hệ số P

Khi giảm hệ số P

Hình 2.7. Ảnh hƣởng của hệ số P vào hệ thống
+ Tham số I (Tích phân): Nếu đặt giá trị này càng cao thì quá trình loại trừ
sai số do tham số P gây ra (tức là đưa về giá trị nhiệt yêu cầu) càng nhanh.
Tuy vậy nó cũng gây ra hiện tượng quá độ càng lớn. Ví dụ:
- Nhiệt độ đặt là 100oC. Nhiệt độ bắt đầu tăng từ nhiệt độ phòng 28oC
- Sai số do tham số P gây ra trong chu kì đầu tiên là 10oC. Tức là nhiệt độ
đỉnh đạt 110oC.

Nếu đặt giá trị tích phân là I1 thì sau thời gian t1 ta sẽ có nhiệt độ là 100.
Tuy nhiên sau đó nhiệt tiếp tục giảm xuống nhiệt độ T1 (giả sử chỉ còn 94oC).
Nếu đặt giá trị tích phân là I2<I1 thì sau thời gian t2>t1 nhiệt độ mới đạt đến
1000C Sau đó nó giảm đến nhiệt độ T2 (khi đó 100>T2>T1, giả sử là 970C)

Khi tăng hệ số I

Khi giảm hệ số I

Hình 2.8. Ảnh hƣởng của hệ số I vào hệ thống
+ Tham số D (Vi phân): giá trị này càng cao thì càng làm giảm sự quá độ
do tham số I gây ra. Đồng thời nó cũng làm cho quá trình đáp ứng bị chậm đi.
Nếu quá lớn sẽ gây ra sự mất ổn định hệ thống.


Khi tăng hệ số D

Khi giảm hệ số D

Hình 2.9. Ảnh hƣởng của hệ số D vào hệ thống
KẾT LUẬN: Các phương pháp ổn định nhiệt độ đều có những ưu nhược
điểm riêng. Tuy nhiên trong đồ án này em sử dụng phương pháp điều khiển
PID để ổn định nhiệt độ nước.


CHƢƠNG 3.CHẾ TẠO MÔ HÌNH
3.1. Mô hình hóa các hệ trong hệ thống
Khái niệm: Mô hình hóa là phương pháp xây dựng mô hình toán của hệ
thống bằng cách dựa vào các qui luật vật lý chi phối hoạt động của hệ thống

Các bước mô hình hóa:
- Phân tích chức năng: phân tích hệ thống thành các khối chức năng, trong
đó mô hình toán của các khối chức năng đã biết hoặc có thể rút ra được dựa
vào các qui luật vật lý.
- Phân tích vật lý: rút ra mô hình toán của các khối chức năng dựa vào các
qui luật vật lý.
- Phân tích toán học: các khối chức năng được kết nối toán học để được
mô hình của hệ thống.
Hệ thống “ Ổn định nhiệt độ nƣớc nóng” được phân chia thành các hệ sau:
3.1.1.. Hệ lưu chất
Gọi h là chiều cao của mực nước chứa trong bình
S là diện tích bình chứa
Thể tích nước chứa trong bình là:
V = h.S
3.1.2. Hệ điện
Nhiệt lượng điện trở cung cấp cho bình chứa là:

3.1.3 Hệ nhiệt
Nhiệt lượng chất lỏng vào bình là:

Nhiệt lượng chất lỏng ra khỏi bình là:


Trong đó:
////

Phương trình cân bằng nhiệt của hệ thống:

3.2. Khảo sát bình chứa
3.2.1. Mô hình khảo sát

Hình 3.1. Mô hình hệ thống bình nƣớc
Yêu cầu đối với bình nước:
-

Đảm bảo an toàn điện

-

Có van nước vào, nước ra

-

Có phao cơ khống chế mực nước mình mong muốn


Với yêu cầu như trên, ta lựu chọn vật liệu làm bình là ống nước Tiền
Phong có thông số như sau:
-

Đường kính ống: 160mm ( phi 160)

-

Chất liệu ống: PVC chống nhiệt

-

Đường kính van xả :21 mm (phi 21)

3.2.2. Các bước tiến hành và kết quả đo
Nhằm mục đích có thể điều khiển đượ ở độ tới hạn nên khi khảo sát thực
nghiệm điện áp được chọn cho bình là 140V = 60% công suất của đối tượng.
Các bước tiến hành khảo sát :
- Cấp nước cho bình nước thể : tích 5l nước
- Đặt cảm biến đo nhiệt độ có hiển thị hoặc nhiệt kế để đo
- Đặt đồng hồ bấm giờ bên cạnh hiển thị của cảm biến
- Cấp nguồn cho tải ra nhiệt của bình nước
- Quan sát ghi số liệu nhiệt độ theo thời gian
-Nêu khảo sát nhiều lần để có kết quả chính xác
Sau khi khảo sát bình nước có thể tích 5l nước, công suất 2000W ta có
bảng quan hệ giưa nhiệt độ và thời gian như sau:
Bảng 3.1. Nhiệt độ khảo sát theo thời gian
Thời gian

Nhiệt độ (℃)

Thời gian (s)

Nhiệt độ (℃)

0

24

330

52.3

10

24.12

360

56.4

20

24.12

390

60.1

30

24.19

420

64.9

60

24.44

450

67.5

90

24.7

480

68.7

120

25.2

510

69.11

150

26.56

540

69.3

(s)


180

31.12

570

69.5

210

35.1

600

69.56

240

39.2

630

69.66

270

43.6

660

69.7

300

47.9

690

69.88

3.2.3. Xử lý kết quả
Từ các số liệu trên ta vẽ được đồ thị nhiệt độ thời gian của thiết bị như sau:

NHIỆT ĐỘ (°C)
80
70
60
NHIỆT ĐỘ (°C)

50
40
30
20
10
0
0

200

400

600

800

Hình 3.2. Đồ thị nhiệt độ thay đổi theo thời gian
Sử dụng phương pháp Ziegler – Nichols ta đưa mô hình hàm truyền của
đối tượng có dạng như sau:

Dựa vào đồ thị trên ta có:
h = 69 là nhiệt độ bão hòa của bình nước
L = 150s là thời gian trễ của đối tượng


T= 450 – 150 = 300 s là hằng số thời gian
là độ lợi tĩnh
Vậy ta có mô hình hóa của đối tượng được thể hiện qua hàm truyền là:

3.4. Tổng hợp mô phỏng
Mô phỏng đối tượng trên Simulink:

Hình 3.3. Hệ thống sau khi đã mô hình hóa
Chỉnh định thông số bộ điều khiển nhờ sử dụng công cụ PID Tuner trong
Simulink.
Đây là một công cụ khá hữu ích trong việc chỉnh định thông số
bộ điều khiển PID một cách tự động.
Đầu tiên mở hộp thoại Funcion Block Parameter bằng cách kích đúp vào
khối PID controller.


Hình 3.4. Hộp thoại Function Block Parameters

Hình 3.5. Hộp thoại PID Tuner
Sơ đồ so sánh sự ổn định nhiệt độ trước và sau khi có PID:
Khi chưa có PID:


Hình 3.6: Hệ thống khi chƣa có PID
Khi có PID:

Hình 3.7. Hệ thống khi có PID


CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
4.1. Sơ đồ khối

Hình 4.1. Các khối trong hệ thống ổn định nhiệt
Để thay đổi điện áp xoay chiều cấp cho điện trở, ta dùng SSR ( Solid State
Relay) để cung cấp điện áp. Bản chất của SSR gồm 1 coupling và một hoặc
nhiều MOSFET. Coupling có vai trò cách ly dòng điện điều khiển nhỏ với
dòng điện tải lớn. Lý tưởng nhất là sử dụng coupling quang (optic). Khi có
dòng điện nhỏ, một đèn LED sẽ phát quang, và đối diện nó là một diode thu
quang. Diode nhận ánh sáng và kích hoạt dòng qua các MOSFET giáp lưng
với nó, cho phép dòng tải chạy qua mạch.
-

SSR nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển và đóng ngắt theo

chương trình đã lập trình trước: Vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến
nhiệt. Nếu nhiệt độ nước chưa đạt đến nhiệt độ đặt, vi điều khiển sẽ phát tín
hiệu để điều chỉnh đóng ngắt SSR, thay đổi điện áp cấp cho tải để làm tăng
nhiệt độ nước. Khi nhiệt độ gần đạt đến giá trị đặt, vi điều khiển sẽ phát tín

hiệu, giảm điện áp. SSR ngắt khi nhiệt đạt đến giá trị đặt.
4.2. Chế tạo phần điều khiển:
4.2.1.Thiết bị gia nhiệt: