Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU.................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. ii
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ .......................................................2
1.1.

Tổng quan về lò điện trở................................................................................2

1.1.1.

Cấu tạo của lò điện trở ............................................................................3

1.1.2.

Nguyên lý làm việc của lò điện trở .........................................................4

1.2.

Bài toán điều khiển lò điện trở ......................................................................4

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ ...........5
2.1.

Sơ đồ hệ thống điều khiển lò .........................................................................5

2.1.1.

Cảm biến đo nhiệt độ ..............................................................................5

2.1.2.

Các thiết bị kết nối ..................................................................................6

2.1.3.

Máy tính ..................................................................................................6

2.1.4.

Mạch điều khiển công suất......................................................................6

2.2.

Xử lý tín hiệu đo ............................................................................................6

2.3.

Thiết kế mạch điều khiển công suất lò ..........................................................9

CHƯƠNG III: NHẬN DẠNG MÔ HÌNH LÒ VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .15
3.1.

Nhận dạng mô hình nhiệt độ không gian lò ................................................15

3.2.

Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng nhiệt độ không gian lò .....................17

3.2.1.

Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng nhiệt độ không gian lò .......17

3.2.2.

Thiết kế bộ điều khiển MPC cho đối tượng nhiệt độ không gian lò .....20

3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển mạng nơ ron thích nghi theo mô hình mẫu cho
đối tượng nhiệt độ không gian lò .......................................................................24
3.3. Kết quả mô phỏng và chạy thực nghiệm các bộ điều khiển cho đối tượng
nhiệt độ không gian lò ...........................................................................................27
3.4.

Ứng dụng mạng nơ ron nhận dạng nhiệt độ các lớp vật nung.....................35

3.3.1.

Nhận dạng nhiệt độ mặt trên vật nung ..................................................35

3.3.2.

Nhận dạng nhiệt độ lớp tâm vật nung ...................................................37

3.3.3.

Nhận dạng nhiệt độ mặt dưới vật nung .................................................39

3.5. Ứng dụng mạng nơ ron thiết kế quỹ đạo nhiệt độ lò để giải bài toán nung
đồng đều nhiệt độ vật nung ....................................................................................41

i
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..........................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................48
PHỤ LỤC ..................................................................................................................49
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
TL: nhiệt độ không gian lò.
TMT: nhiệt độ mặt trên vật nung.
TT: nhiệt độ tâm vật nung.
TMD: nhiệt độ mặ dưới vật nung.
TMTN: nhiệt độ mặt trên vật nung từ mạng nơ ron.
TTN: nhiệt độ tâm vật nung từ mạng nơ ron.
TMDN: nhiệt độ mặt dưới vật nung từ mạng nơ ron.
TLdk: quỹ đạo nhiệt độ lò tính được từ mạng nơ ron.
udk: tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển nhiệt độ không gian lò.
G  s  : hàm truyền đối tượng. Gr  s  : hàm truyền mô hình mẫu.
R  s  : hàm truyền bộ điều khiển PID.

IWi j : ma trận trọng số đầu vào thứ i của lớp nơ ron thứ j.
LWi j : ma trận trọng số phản hồi từ lớp nơ ron thứ i về lớp nơ ron thứ j.
a i : đầu ra của lớp nơ ron thứ i.
b i : ma trận bias của lớp nơ ron thứ i.

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Cấu tạo của lò điện trở ................................................................................3

Hình 2. 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển lò.......................................................................5

ii
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
Hình 2. 2 Đường đặc tính nhiệt độ điện áp của cặp nhiệt điện ...................................7
Hình 2. 3 Tín hiệu đo có lẫn nhiễu ..............................................................................7
Hình 2. 4 Tín hiệu đo đã lọc nhiễu ..............................................................................8
Hình 2. 5 Sơ đồ khối xử lý tín hiệu đo trong Simulink ...............................................9
Hình 2. 6 Nguyên lý điều khiển Triac và giản đồ điện áp dòng điện trong một chu kỳ
lưới điện ....................................................................................................................10
Hình 2. 7 Mạng nơ ron xấp xỉ hàm chuyển đổi công suất góc mở ...........................11
Hình 2. 8 Bộ mẫu dùng để huấn luyện mạng nơ ron xấp xỉ hàm ngược tính góc mở
...................................................................................................................................12
Hình 2. 9 Kết quả huấn luyện mạng nơ ron xấp xỉ hàm chuyển đổi công suất góc mở
...................................................................................................................................12
Hình 2. 10 Kết quả kiểm tra mạng nơ ron xấp xỉ hàm chuyển đổi công suất góc mở
...................................................................................................................................13
Hình 2. 11 Sơ đố nguyên lý mạch phát hiện điểm 0 điện áp lưới .............................13
Hình 2. 12 Nguyên lý hoạt động của mạch phát hiện điểm 0 điện áp lưới ...............14
Hình 2. 13 Mạch nguyên lý điều khiển Triac ...........................................................14
Hình 2. 14 Sơ đồ kết nối với Arduino .......................................................................15

Hình 3. 1 Đồ thị nhiệt độ không gian lò với P  const  0.5* Pmax .............................16
Hình 3. 2 Mô hình hàm truyền so với đối tượng thực...............................................17
Hình 3. 3 Điều khiển với bộ điều khiển PID.............................................................18
Hình 3. 4 Đáp ứng hệ kín khi tín hiệu điều khiển đạt giới hạn trên ..........................19
Hình 3. 5 Quan hệ vào ra của khâu tiền xử lý sai lệch điều khiển ............................19

Hình 3. 6 Cấu trúc hệ điều khiển dự báo [5] .............................................................21
Hình 3. 7 Cấu trúc hệ điều khiển thích nghi mô hình mẫu mạng nơ ron ..................24
Hình 3. 8 Mạng nơ ron mô tả đối tượng nhiệt độ không gian lò ..............................25
Hình 3. 9 Cấu trúc mạng nơ ron của bộ điều khiển và đối tượng .............................25
Hình 3. 10 Bộ mẫu để huấn luyện bộ điều khiển nơ ron ..........................................26
Hình 3. 11 Kết quả huấn luyện mạng nơ ron bộ điều khiển .....................................27
Hình 3. 12 Kết quả mô phỏng các bộ điều khiển với giá trị đặt 400°C ....................28

iii
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
Hình 3. 13 udk mô phỏng các bộ điều khiển với giá trị đặt 400°C...........................28
Hình 3. 14 Kết quả chạy thực nghiệm các bộ điều khiển với giá trị đặt 400°C .......29
Hình 3. 15 udk chạy thực nghiệm các bộ điều khiển với giá trị đặt 400°C ..............29
Hình 3. 16 Kết quả mô phỏng các bộ điều khiển với giá trị đặt thay đổi .................30
Hình 3. 17 Kết quả chạy thực nghiệm các bộ điều khiển với giá trị đặt thay đổi .....31
Hình 3. 18 Kết quả chạy thực nghiệm các bộ điều khiển với giá trị đặt thay đổi .....31
Hình 3. 19 Nhiệt độ vật nung với bộ điều khiển PI ..................................................32
Hình 3. 20 Nhiệt độ vật nung với bộ điều khiển MPC .............................................32
Hình 3. 21 Nhiệt độ vật nung với bộ điều khiển nơ ron ...........................................33
Hình 3. 22 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PI với khâu tiền xử lý ........................33
Hình 3. 23 udk mô phỏng bộ điều khiển PI với khâu tiền xử lý ...............................34
Hình 3. 24 Kết quả chạy thực nghiệm bộ điều khiển PI với khâu tiền xử lý ............34
Hình 3. 25 Bộ số liệu mẫu dùng để huấn luyện các mạng nơ ron ............................35
Hình 3. 26 Cấu trúc mạng nơ ron để mô tả nhiêt độ mặt trên vật nung ....................36
Hình 3. 27 Kết quả huấn luyện mạng nơ ron mặt trên vật nung ...............................36
Hình 3. 28 Kết quả kiểm tra mạng nơ ron với bộ số liệu khác .................................37
Hình 3. 29 Cấu trúc mạng nơ ron mô tả nhiệt độ lớp tâm vật nung .........................37

Hình 3. 30 Kết quả huấn luyện mạng nơ ron lớp tâm vật nung ................................38
Hình 3. 31 Kết quả kiểm tra mạng nơ ron với bộ số liệu khác .................................39
Hình 3. 32 Cấu trúc mạng nơ ron để mô tả nhiêt độ mặt dưới vật nung ..................39
Hình 3. 33 Kết quả huấn luyện mạng nơ ron mặt dưới vật nung ..............................40
Hình 3. 34 Kết quả kiểm tra mạng nơ ron với bộ số liệu khác .................................40
Hình 3. 35 Đồ thị giảm nhiệt độ của các lớp vật nung..............................................42
Hình 3. 36 Cấu trúc mạng nơ ron tính quỹ đạo nhiệt độ lò.......................................43
Hình 3. 37 Bộ mẫu huấn luyện mạng nơ ron tính quỹ đạo nhiệt độ lò .....................43
Hình 3. 38 Kết quả huấn luyện mạng nơ ron tính quỹ đạo nhiệt độ lò .....................44
Hình 3. 39 Sơ đồ mô phỏng các mạng nơ ron...........................................................44
Hình 3. 40 Đầu ra từ các mạng nơ ron và từ mô hình hàm truyền ...........................45
Hình 3. 41 Kết quả chạy thực nghiệm với quỹ đạo nhiệt độ lò tính trước từ mạng nơ
ron..............................................................................................................................46

iv
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
LỜI MỞ ĐẦU
Trong 5 năm học tập tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nhà trường và thầy
cô không chỉ truyền đạt cho em những kiến thức chuyên môn về nghành mà còn giáo
dục cho em về lý tưởng đạo đức trong cuộc sống. Đây là những hành trang không thể
thiếu cho cuộc sống và sự nghiệp của em. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý
thầy cô trong Khoa Điện đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Điều khiển tự động đã
tận tình chỉ bảo, dẫn dắt em đến ngày hôm nay.
Riêng đối với đồ án này, em xin bày tỏ lòng biến ơn sâu sắc đến Thầy TS. Nguyễn
Hoài Nam là giáo viên hướng dẫn em đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn cho em cũng
như tạo mọi điều kiện giúp em trong quá trình thực hiện. Do thời gian làm đồ án hạn
chế nên không tránh khỏi những thiếu sót kính mong quý thầy cô tận tình chỉ dẫn

thêm.
Em xin chân thành cảm ơn!
TP.Hà Nội, Ngày 23, tháng 5, năm 2017
Sinh viên thực hiện
Trần Tiến Đạt

1
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ
1.1.

Tổng quan về lò điện trở
Lò điện là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, được dùng trong các quá

trình công nghệ khác nhau như nung nóng, nấu chảy vật liệu. Lò điện được sử dụng
rất phổ biến trong nhiều nghành công nghiệp khác nhau như: sản xuất thép chất lượng
cao, nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện, sản suất gốm sứ, sản xuất thủy tinh… Trong công
nghiệp nhẹ dược sử dụng để sấy, mạ sản phẩm. Trong đời sống sinh hoạt cũng có
nhiều ứng dụng như bình đun nước, nung rắn, sấy nhiệt… [7], [11].
Lò điện trở là lò điện sử dụng phương pháp điện trở để biến đổi điện năng thành
nhiệt năng. Lò điện trở nói riêng cũng như lò điện nói chung có những đặc điểm và
ưu điểm so với các lò nhiên liệu như sau:
-

Có khả năng tạo được 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 lớn và năng suất
cao.

-

Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điều chỉnh và khống chế nhiệt độ.

-

Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc trong môi
trường có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy hao kim loại nhỏ.

-

Có khả năng cơ khí hóa, tự động hóa.

-

Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không có bụi, không có khói, ít tiếng ồn.
Theo phương pháp tỏa nhiệt thì lò điện trở được chi thành hai nhóm là lò điện

trở tác dụng trực tiếp và lò điện trở tác dụng gián tiếp. Lò điện trở tác dụng trực tiếp
là lò điện trở mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Lò
điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt được tỏa ra ở dây điện trở, rồi dây
điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn nhiệt.
Các lò điện trở thường có nhiệt độ đạt tới 1200 OC (khi dây điện trở bằng kim
loại) 1350 OC (khi dùng thanh nung cacborun).
Lò điện trở mà em sử dụng ở đây trong suốt quá trình làm đồ án của mình là loại

lò điện trở tác dụng gián tiếp nguồn lấy từ lưới điện dân dụng : 220V  50Hz có công

2
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
suất trung bình cỡ 5kW, sử dụng dây nung phi kim là cacborun (SiC), nhiệt độ trong
lò có thể lên tới 1200 OC. Dưới đây là cấu tạo của lò:
1.1.1. Cấu tạo của lò điện trở

Hình 1. 1 Cấu tạo của lò điện trở
1

Vỏ lò

4

Dây nung

2

Lớp cách nhiệt

5

Buồng lò

3

Lớp chịu lửa

6

Vậ nung

Vỏ lò là một khung kim loại cứng, vững, có sơn cách điện.Vỏ lò có tác dụng
chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò đồng thời giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo
lò kín để giảm tổn hao nhiệt và tránh không khí bên ngoài lùa vào.
Lớp cách nhiệt nằm giữa vỏ lò và lớp chịu lửa. Mục đích chủ yếu là để giảm tổn
thất nhiệt.
Lớp chịu lửa được xây bằng gạch tiêu chuẩn làm lên thành của buồng lò.
Dây nung có dạng ống thẳng được đặt song song nhau trong buồng lò và gần
thành phía trên của buồng lò. Làm bằng vật liệu phi kim cacborun (SiC). Chịu được
nhiệt độ lên đến 1350  1450 OC, có điện trở suất lớn 800 1900 .mm2 / m , có hệ số nhiệt
điện trở rất nhỏ. Ở đây có tất cả 6 thanh nung cacborun, cứ 3 thanh một được nối nối
tiếp và sau đó được đấu song song với nhau vào nguồn điện.
Buồng lò là không gian làm việc của lò, là nơi diễn ra các quá trình trao đổi nhiệt
của vật nung. Ở đây buồng lò có kích thước 20x30x15cm.
Vật nung là gạch Điatomit. Gạch Điatomit là một loại gạch chịu nhiệt có cấu
trúc và các thông số về nhiệt ít thay đổi qua các lần nung.

3
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
1.1.2. Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Khi dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R, thì nó sẽ tỏa ra nhiệt lượng theo
định luật Joule – Lenz. Năng lượng nhiệt này sẽ đốt nóng bản thân vật dẫn và gián

tiếp đốt nóng các vật nung xếp gần đó.
Công thức tính nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn theo định luật Loule – Lenz:
Q  I 2 .R.

J 

1.1

Trong đó:
Q: là nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn (J).
I: là giá trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua dây dẫn (A).
R: là điện trở của dây dẫn (Ω).

 : là khoảng thời gian dòng điện chạy qua (s).
1.2.

Bài toán điều khiển lò điện trở
Nhiệt độ lò là nhiệt độ trung bình trong không gian làm việc của lò, thường thì

nhỏ hơn nhiệt độ của nguồn nhiệt và lớn hơn nhiệt độ của tường lò, nóc lò. Trong báo
cáo này em gọi là nhiệt độ không gian lò.
Nhiệt độ không gian lò là thông số quan trọng về mặt trao đổi nhiệt và ảnh hưởng
quyết định tới công nghệ gia công vật liệu. Do đó bài toán điều khiển lò điện trở của
em trong đồ án này là trước tiên điều khiển nhiệt độ không gian lò. Với suy nghĩ là
nếu điều khiển được nhiệt độ không gian lò thì qua đó gián tiếp điều khiển được nhiệt
độ vật nung theo như yêu cầu nung cho trước sau đó em sử dụng mạng nơ ron nhân
tạo để nhận dạng nhiệt độ các lớp vật nung để giải bài toán điều khiển đồng đều nhiệt
độ vật nung.
Nhiệt độ không gian lò phụ thuộc vào nhiệt lượng tỏa ra trên dây nung, phụ thuộc
vào phụ tải nhiệt, phụ thuộc vào cấu trúc và sự cách nhiệt của lò. Ở đây chỉ có một

tham số có thể thay đổi chủ động được đó là nhiệt lượng tỏa ra trên dây nung hay
công suất đưa vào lò. Do đó để điều khiển được nhiệt độ không gian lò em điều chỉnh
công suất đưa vào lò. Dưới đây là hệ thống điều khiển cho lò điện trở.

4
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ
2.1.

Sơ đồ hệ thống điều khiển lò

Hình 2. 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển lò
Tín hiệu đo được từ các cảm biến đo nhiệt độ là tín hiệu tương tự có dải từ
0  41mmV được đưa về thiết bị chuyển đổi PCLD8710 và PCI1716L để thành tín

hiệu số dạng 16bit để từ đó đưa vào Matlab để xử lý phục vụ mục đích điều khiển,
giám sát và thu thập số liệu. Bộ điều khiển được thiết kế trên Matlab sẽ gửi tín hiệu
điều khiển qua PCI 1716L và PCLD8710 đến khối mạch điều khiển công suất để có
được công suất đưa vào lò như mong muốn để từ đó điều khiển được nhiệt độ không
gian lò.
2.1.1. Cảm biến đo nhiệt độ
Để đo được nhiệt độ không gian lò cũng như là nhiệt độ các lớp của vật nung có
dải từ 0 1200C em sử dụng cặp nhiệt điện Crômen – Alumen loại K. CrômenAlumen là loại cặp nhiệt điện sử dụng phổ biến trong công nghiệp. Dây dương là
Crômen, dây âm là Alumen. Giới hạn đo nhiệt độ của cặp nhiệt điện này ở chế độ dài
hạn là 1100°C và ở chế độ ngắn hạn là 1300°C. Đặc tính đầu ra của cặp nhiệt điện có
thể coi là tuyến tính, độ nhạy trung bình có thể lấy bằng = 0.041 mV/°C, khi nhiệt độ
ở đầu đo của cặp nhiệt điện là 100°C thì điện áp đo được giữa hai đầu là E (100) =

5
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
4.0962 mV; E (500) = 20.6443 mV; E (1000) = 41.2756 mV. Độ chính xác của cặp
nhiệt điện là 2.2°C. Thông tin thêm có ở phụ lục [1].
Ở đây do không gian buồng lò nhỏ nên coi như nhiệt độ không gian lò là đồng
đều và do đó một cảm biến đo nhiệt độ được đặt tại trung tâm buồng lò sẽ thể hiện
cho nhiệt độ của toàn không gian lò phía trên vật nung.
2.1.2. Các thiết bị kết nối
Ở đây sử dụng card PCI 1716L và thiết bị đầu – cuối PCLD 8710 của hãng
Advantech. Hai thiết bị này kết hợp với nhau để làm nhiệm vụ kết nối máy tính với
các phần khác của hệ thống tức là nó có chức năng chuyển đổi tín hiệu đo từ cảm biến
có dạng tương tự thành tín hiệu số để đưa vào máy tính xử lý, cũng như là đưa tín
hiệu có dạng số và tương tự ra từ máy tính đến mạch điều khiển công suất.
PCI 1716L là một card có độ phân giải cao trong dòng PCI. Được thiết kế cho
các tính năng đặc biệt, hoàn chỉnh cho việc thu thập và kiểm soát dữ liệu. Chức năng
250KS/s, chuyển đổi A/D 16 bit. PCI 1716L cung cấp 8 kênh vào A/D khác nhau, 2
kênh đầu ra D/A 16 bit, 16 kênh vào-ra số và một kênh counter 16 bit 10MHz.
2.1.3. Máy tính
Máy tính hay phần mềm Matlab trên máy tính ở đây là nơi thiết kế các khối xử
lý tín hiệu đo chuyển từ PCI 1716L đến và các bộ điều khiển cũng như là thu thập số
liệu. Ở đây em sử dụng phần mềm Matlab 2015a.
2.1.4. Mạch điều khiển công suất
Mạch điều khiển công suất là cơ cấu chấp hành của bộ điều khiển, làm nhiệm vụ
nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính gửi đến qua các thiết bị kết nối để từ đó điều
chỉnh công suất cấp cho lò.
2.2.

Xử lý tín hiệu đo
Như đã giới thiệu ở trên các cảm biến đo nhiệt độ là cặp nhiệt điện Crômen –

Alumen loại K. Từ bảng số liệu nhiệt độ - điện áp của cặp nhiệt điện có ở phụ lục [1]
em xây dựng được đường đặc tính nhiệt độ điện áp như sau:

6
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

Hình 2. 2 Đường đặc tính nhiệt độ điện áp của cặp nhiệt điện
Từ đồ thị thấy được là trong khoảng 0 1000 C thì quan hệ nhiệt độ điện áp là
o

một hàm tuyến tính như sau: nhiệt độ (°C) =K*điện áp (V) trong đó K=25000.
Khi đo và truyền tín hiệu đo thì tín hiệu bị nhiễu nhiều. Nhiễu ở đây chủ yếu là
ồn trắng với biên độ khá là lớn tùy theo giá trị của tín hiệu đo mà biên độ nhiễu có độ
lớn khác nhau. Dưới đây là dữ liệu đo trực tiếp từ cảm biến về chưa qua xử lý:

Hình 2. 3 Tín hiệu đo có lẫn nhiễu

7
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
Để giảm bớt đi thành phần nhiễu trong tín hiệu đo yêu cầu đặt ra là phải thiết kế

một khâu lọc nhiễu. Khâu lọc nhiễu ở đây em thiết kế là khâu lọc thông thấp, với yêu
cầu về chất lượng là giảm đi càng nhiều càng tốt ảnh hưởng của nhiễu cũng như là
phải đảm bảo được tính trung thực của tín hiệu đo trong các quá trình tăng lên giảm
đi cũng như là ở giá trị không đổi. Có nhiều cách thiết kế bộ lọc thông thấp, có thể ở
dạng một bộ lọc số, có thể ở dạng hàm truyền liên tục. Vì thiết kế trên Matlab nên em
quyết định để dưới dạng hàm truyền liên tục. Bộ lọc em thiết kế dưới dạng hàm truyền
như sau: G  s   1 . Kiểm tra thấy bộ lọc đã đạt được yêu cầu đặt ra:
1 s

Hình 2. 4 Tín hiệu đo đã lọc nhiễu
Từ mối quan hệ giữa điện áp trả về so với nhiệt độ của đầu đo từ cặp nhiệt điện
và bộ lọc nhiễu em thiết kế khối xử lý tín hiệu đo trên Matlab và xử dụng khối này
trong suốt quá trình đo nhận dạng cũng như là điều khiển. Sơ đồ khối xử lý tín hiệu
đo trong Simulink như sau:

8
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

Hình 2. 5 Sơ đồ khối xử lý tín hiệu đo trong Simulink
Các đầu vào 1, 2, 3, 4 lần lượt là tín hiệu đo được từ cảm biến đo nhiệt độ của
không gian lò, mặt trên vật nung, tâm vật nung và mặt dưới vật nung. Các đầu ra 1,
2, 3, 4 lần lượt là nhiệt độ tương ứng.
2.3.

Thiết kế mạch điều khiển công suất lò
Như em đã đề cập đến ở trên, mạch điều khiển công suất sẽ phải thực hiện được

yêu cầu là nhận tín hiệu điều khiển từ Matlab chuyển đến thông qua các thiết bị kết
nối để điều chỉnh công suất đưa vào lò như mong muốn. Do nguồn điện cấp cho lò là
dòng điện xoay chiều một pha 220VAC-50Hz nên em lựa chọn van công suất là Triac.
Nguyên lý chung để điều khiển Triac với tải thuần trở được diễn tả như hình dưới:
Trong đó T1 , T2 , G lần lượt là các chân của Triac, G là chân điều khiển. udk là
tín hiệu điều khiển Triac, có dạng xung. U là điện áp lưới 220VAC  50Hz . U R , I R
lần lượt là điện áp trên hai đầu điện trở và dòng điện chạy qua nó. T là chu kỳ điện
áp lưới. 1 ,  2 là các góc mở Triac (được tính từ khi điện áp lưới bằng 0 tới khi phát
xung điều khiển).
9
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

Hình 2. 6 Nguyên lý điều khiển Triac và giản đồ điện áp dòng điện trong một chu kỳ
lưới điện
Vì dây nung là tải thuần trở nên điện áp trên hai đầu dây nung và dòng điện đi
qua dây nung có dạng giống hệt nhau (không lệch pha). Xung điều khiển được phát
ra trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp lưới. Với góc mở 0     bất kỳ trong nửa chu
kỳ điện áp lưới Tk thì điện áp trên hai đầu dây nung và dòng điện đi qua nó được
tính như sau: với U là điện áp hiệu dụng của lưới điện.
T

0 khi Tk  t  Tk 

2

uR  t   
V 

U 2 sin  2 gt  khi Tk   T  t  Tk  T

T
2
2



 2.1

T

0 khi Tk  t  Tk 

2

iR  t   
U 2 sin  2 g t  khi Tk   T  t  Tk  T

T
2
2

R

 2.2 

 A

Từ đó tính được công suất trung bình trong nửa chu kỳ điện áp lưới đó là:

10
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
2
Pk 
T


Tk 



Tk

T
2

2
p  t  dt 
T

Tk 



T
2

Tk

2
u  t  i  t  dt 
T

Tk 

T
2



Tk 

T
2

2U 2
t

sin 2  2 g
R
T



 dt


U 2   sin  2  
1  
 W
R  
2 

Khi   0 ta có Pk  Pmax

 2.3

U2

suy ra ta có được mối quan hệ giữa công suất trung
R

bình trong một nửa chu kỳ điện áp so với công suất cực đại theo góc mở
Pk
 sin  2 
 1 
pmax

2



là:

 2.4  Đây là phương trình phi tuyến nên rất khó để tìm

được hàm ngược do đó em thiết kế một mạng nơ ron để xấp xỉ hàm ngược của nó để
từ công suất mong muốn đưa vào lò em tính ra được góc mở alpha cho triac. Cấu trúc
mạng nơ ron gồm có hai lớp, lớp đầu tiên có 10 nơ ron hàm truyền là tansig lớp thứ
hai là lớp đầu ra có 1 nơ ron hàm truyền là purelin như được diễn tả ở hình dưới: tài
liệu tham khảo [2] chương 23. Đầu vào mạng là

P
  0;1 đầu ra là    0;1
Pmax


Hình 2. 7 Mạng nơ ron xấp xỉ hàm chuyển đổi công suất góc mở




Biểu thức toán học mô tả mạng nơ ron:   f  P   LW12 tansig  IW11 P  b1   b2

Pmax
 Pmax 



Bộ mẫu dùng để huấn luyện mạng có được bởi lấy 1000 điểm chia đều khoảng

0;1 của


sau đó tính hàm  2.4  có được


P / Pmax . Đồ thì diễn tả đầu vào và đầu ra

mong muốn của mạng nơ ron:

11
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

Hình 2. 8 Bộ mẫu dùng để huấn luyện mạng nơ ron xấp xỉ hàm ngược tính góc mở
Em sử dụng luật học trainlm [2]. Kết quả huấn luyện mạng cho thấy mạng nơ
ron đã xấp xỉ tốt hàm ngược của hàm  2.4  . Dưới đây là đồ thị so sánh đầu ra mạng
nơ ron so với đầu ra mong muốn:

Hình 2. 9 Kết quả huấn luyện mạng nơ ron xấp xỉ hàm chuyển đổi công suất góc mở
Tham số của mạng nơ ron:
IW11   -23189.79 862.95 85.32 -12.54
b1   23195.44 -868.46

-1.26 -1.26 12.54 -85.32 862.95 -23189.82 

-90.69 17.73 5.81 -4.55

T

5.20 -5.37 5.52 -5.64

T

LW12   639.38 -901.21 -1124.36 1355.36 1555.51 1557.70 -1355.83 1124.05 -900.58 637.30 
b 2  0.14

12
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
Kết quả kiểm tra mạng với bộ số liệu là 10000 điểm chia đều khoảng  0;1 của
P
cho thấy mạng nơ ron đã mô tả tốt hàm chuyển đổi công suất góc mở. Em
P max

kiểm tra bằng cách cho đầu vào của mạng nơ ron là
nơ ron  em đưa vào  2.4  để tính


P
sau tính ra được từ mạng
P max

P
sau đó đem so sánh với đầu vào của mạng
P max

nơ ron. Từ đó em xây dựng nên một khối trong Matlab để thực hiện hàm này.

Hình 2. 10 Kết quả kiểm tra mạng nơ ron xấp xỉ hàm chuyển đổi công suất góc mở
Từ nguyên lý chung điều khiển Triac có thể thấy rằng để điều khiển được chính

xác công suất đưa vào lò thì phải biết được chính xác thời điểm điện áp lưới đi qua
điểm 0. Dưới đây là mạch nguyên lý:

Hình 2. 11 Sơ đố nguyên lý mạch phát hiện điểm 0 điện áp lưới
13
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

Hình 2. 12 Nguyên lý hoạt động của mạch phát hiện điểm 0 điện áp lưới
Diot cầu KBL410 có chức năng là chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp
một chiều làm đầu vào cho IC 4N27.
IC 4N27 có chức năng phát hiện điểm 0 của điện áp đầu vào theo nguyên lý khi
điện áp đầu vào đi qua ngưỡng 1.3V thì điot phát quang chuyển trạng thái (từ đóng
sang cắt khi điện áp vào giảm, và từ cắt sang đóng khi điện áp vào tăng) dẫn đến
phototransistor chuyển trạng thái từ đó dẫn đến hình thành một xung ở đầu ra khi điện
áp đầu vào bằng 0. Xung này được đưa vào chân tạo ngắt của vi điều khiển. Ngoài ra
4N27 còn có chức năng cách ly vi điều khiển với lại điện áp lưới.
Các điện trở R1 , R2 đều có chức năng hạn dòng, trong đó R1 là điện trở công suất.
Nguyên lý hoạt động của khối phát hiện điểm 0 của điện áp lưới được diễn tả ở hình
2.12.

Hình 2. 13 Mạch nguyên lý điều khiển Triac

14
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

Vì dòng điện hiệu dụng cực đại ứng với công suất cực đại của lò vào khoảng
25A nên theo tài liệu [10] em chọn Triac BTA100-1200 có dòng điện định mức là
100A điện áp làm việc cực đại là 1200V.
MOC3020 là IC chuyên dụng dùng để điều khiển Triac cách ly vi điều khiển với
phần lực có điện áp và dòng điện lớn.
Điện trở R1 , R2 đề có chức năng hạn dòng. R3 , C1 dùng để bảo vệ quá điện áp
cho MOC3020. R4 , C2 dùng để bảo vệ quá điện áp cho Triac.

Hình 2. 14 Sơ đồ kết nối với Arduino
Ở đây chu kỳ điều khiển Triac gấp đôi chu kỳ lưới điện. Arduino có chức năng
đọc tín hiệu điều khiển từ Matlab đưa ra và khi nhận được tín hiệu từ mạch phát hiện
điểm 0 gửi đến sẽ tính toán ra góc mở alpha và phát xung điều khiển Triac.
CHƯƠNG III: NHẬN DẠNG MÔ HÌNH LÒ VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
3.1.

Nhận dạng mô hình nhiệt độ không gian lò
Từ cấu tạo của lò và quá trình truyền nhiệt trong lò có thể thấy được là nhiệt độ

không gian lò phụ thuộc vào nhiều tham số như là: công suất đưa vào lò, thể tích
không gian lò, cấu trúc vật nung, hệ số bức xạ nhiệt của lớp cách lửa, hệ số dẫn nhiệt
của lớp cách lửa, hệ số truyền nhiệt đối lưu, hệ số bức xạ nhiệt của bề mặt vật nung,
hệ số dẫn nhiệt của vật nung… [7]. Trong đó có nhiều tham số không biết chính xác
như là hệ số bức xạ nhiệt của lớp cách lửa, hệ số dẫn nhiệt của lớp cách lửa, hệ số
bức xạ nhiệt của bề mặt vật nung nên việc xây dựng mô hình bằng phương pháp lý
thuyết cho đối tượng là rất khó khăn và không khả thi. Do đó ở đây em lựa chọn

15
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57

Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
phương pháp thực nghiệm để xây dựng mô hình cho đối tượng. Cụ thể là thông qua
đo các tín hiệu vào ra của hệ thống rồi từ đó sử dụng những công cụ đã có để xây
dựng mô hình cho đối tượng. Mô hình nhận dạng được là mô hình có cấu trúc đơn
giản và sai lệch giữa mô hình và hệ thống thực là nhỏ nhất. [1].
Ở đây em chọn biến điều khiển là tỉ lệ công suất đưa vào lò chia cho công suất
cực đại có thể đưa vào lò u 

P
, 0  u  1 , biến cần điều khiển là nhiệt độ không
Pmax

gian lò. Để xây dựng được mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra em cho tín hiệu vào
dạng bước nhảy có các biên độ khác nhau sau đó đo tín hiệu ra. Sau nhiều lần đo em
thấy được quan hệ đầu vào và đầu ra gần như thỏa mãn nguyên lý xếp chồng. Do đó
có thể kết luận được giữa nhiệt độ không gian lò và công suất đưa vào lò có mối quan
hệ tuyến tính. Dưới đây là đồ thị nhiệt độ không gian lò khi em cho tín hiệu vào dạng
bước nhảy có biên độ 0.5 (tương ứng với việc đưa vào lò công suất bằng một nửa
công suất cực đại). Chu kỳ trích mẫu là 0.1s. Sơ đồ Simulink có ở phụ lục [10].

Hình 3. 1 Đồ thị nhiệt độ không gian lò với P  const  0.5* Pmax
Từ các số liệu vào ra sử dụng công cụ nhận dạng hệ thống System Identification
của Matlab sau khi thử các mô hình khác nhau thì mô hình cho kết quả tốt và có cấu
trúc đơn giản nhất có dạng hàm truyền như sau với giả thiết là trong quá trình nhận

16
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

dạng cũng như là điều khiển nhiệt độ ban đầu bằng nhiệt độ môi trường và bằng hằng
số.
G s 

6.73(s  0.00062)
ge10 s
 s  0.0065 s  0.00034 

 3.1

Dưới đây là đồ thị để so sánh giữa mô hình hàm truyền và đối tượng thực:

Hình 3. 2 Mô hình hàm truyền so với đối tượng thực
Có thể nhận thấy là mô hình hàm truyền trên đã mô tả tốt được đối tượng cần
điều khiển. Từ mô hình hàm truyền đã xây dựng được em đi thiết kế các bộ điều khiển
cho đối tượng là nhiệt độ không gian lò.
3.2.

Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng nhiệt độ không gian lò

3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng nhiệt độ không gian lò
3.2.1.1.

Thiết kế bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo
nguyên lý phản hồi. Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về
0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng. Cơ sở lý thuyết
của bộ điều khiển và các phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển PID có
trong [1] trang 170-191.

17
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

Hình 3. 3 Điều khiển với bộ điều khiển PID
Cấu trúc bộ điều khiển PID gồm có ba thành phần cơ bản là khâu khuếch đại
(P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D).
t

de  t  
1
u  t   k P e  t   e   d  TD

TI 0
dt 


 3.2 

Từ mô hình vào ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:


1
R  s   k P 1 
 TD s 
 TI s


 3.3

Ở đây đối tượng của em có hàm truyền vừa có điểm cực vừa có điểm không lên
em lựa chọn bộ điều khiển PI và sử dụng toolbox PID Tuner của Matlab để thiết kế
các tham số cho bộ điều khiển. Và được kết quả như sau:
R s  K p 

KI
; K p  0.0023, K I  1.36e-05
s

 3.4 

Kết quả mô phỏng và chạy thực nghiệm có ở mục 3.3.
3.2.1.2.

Xử lý vấn đề khi đầu ra bộ điều khiển PI vượt quá giới hạn đáp

ứng của cơ cấu chấp hành
Với giá trị đặt lớn thì với bộ điều khiển PI đã đặt giới hạn đầu ra thì đáp ứng của
hệ kín vẫn “xấu” và có thể nói là không đạt được yêu cầu đặt ra về độ quá điều chỉnh
và thời gian xác lập. Dưới đây là một trường hợp mô phỏng với giá trị đặt 800°C với
bộ điều khiển PI có tham số như ở trên:

18
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

Hình 3. 4 Đáp ứng hệ kín khi tín hiệu điều khiển đạt giới hạn trên
Có thể thấy là với giá trị đặt càng cao mà vẫn sử dụng bộ điều khiển có tham số
cho đáp ứng tốt với giá trị đặt nhỏ thì sẽ dẫn đến hiện tượng đáp ứng của hệ kín có
độ quá điều chỉnh lớn hơn mong muốn do tín hiệu điều khiển đạt giá trị giới hạn trong
một khoảng thời gian dài. Để giải quyết vấn đề này có các cách như là thiết kế lại
tham số cho bộ điều khiển PI, thiết kế một khâu tiền xử lý sai lệch điều khiển.
Ở đây em thiết kế khâu tiền xử lý sai lệch điều khiển bằng một khâu mờ tuyến
tính từng đoạn. Chi tiết phương pháp thiết kế có trong [9] trang 118-120. Quan hệ
giữa đầu vào và đầu ra của khâu tiền xử lý được diễn tả như sau:

Hình 3. 5 Quan hệ vào ra của khâu tiền xử lý sai lệch điều khiển
19
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi
Em thiết kế trên Matlab như sau. Chọn mô hình mờ Sugeno. Mỗi hàm liên thuộc
đầu vào có dạng hình tam giác. Những hàm đầu ra ra là những hàm Kronecker. Sử
dụng nguyên tắc độ cao để giải mờ. Phép suy luận là Min, phép hoặc là Max.
Ở đây em có 6 luật hợp thành:

R1 : Nếu   A1 Thì   B1 Hoặc

R2 : Nếu   A2 Thì   B2 Hoặc
R3 : Nếu   A3 Thì   B3 Hoặc

R4 : Nếu   A4 Thì   B4 Hoặc
R5 : Nếu   A5 Thì   B5 Hoặc

R6 : Nếu   A6 Thì   B6
Trong đó

A1  trimf  1200, 1000, 40  ; A2  trimf  1000, 40, 30 
A3  trimf  40, 30,30 

; A4  trimf  30,30, 40 

A5  trimf  30, 40,1000 

; A6  trimf  40,1000,1200 

B1  400; B2  50; B3  30; B4  30; B5  50;B6  400
Với giá trị đặt 800oC bộ điều khiển PI có tham số đã thiết kế lại:
R s  K p 

KI
; K p  0.0012, K I  8.34e-06
s

 3.5 

Kết quả mô phỏng và chạy thực nghiệm có ở mục 3.3.
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển MPC cho đối tượng nhiệt độ không gian lò
Theo [5] điều khiển dự báo – MPC (Model Predictive Control) là phương pháp
điều khiển được áp dụng chủ yếu cho các quá trình không liên tục và có động học
chậm. Chất lượng hệ thống điều khiển dự báo được xác định hoàn toàn trên cơ sở bài
toán tối ưu hóa và thuật toán tìm nghiệm tối ưu cho bài toán đó.

20

Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57


Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt và phôi

Hình 3. 6 Cấu trúc hệ điều khiển dự báo [5]
Mô tả cấu trúc hệ điều khiển dự báo đều đã có ở [5]. Ở đây đối tượng cần điều
khiển của em là nhiệt độ không gian lò là đối tượng tuyến tính một vào một ra. Theo
như mô hình đã nhận dạng được ở trên nó có quán tính lớn và động học chậm do đó
điều khiển dự báo là phương pháp phù hợp để áp dụng. Ở đồ án này mục đích của em
là áp dụng phương pháp cũng như là sử dụng công cụ có sẵn của Matlab để thiết kế
bộ điều khiển theo phương pháp dự báo để chạy thực nghiệm và so sánh kết quả với
những bộ điều khiển khác như là PID và mạng nơ ron nhân tạo.
Mô hình dự báo là hàm truyền đã nhận dạng được ở trên:
G s 

6.73(s 0.00062)
ge10 s
 s  0.0065 s  0.00034 

Vì đối tượng là tuyến tính một vào một ra nên mô hình hàm truyền cũng tương
đương với các mô hình khác như mô hình trong không gian trạng thái, hàm truyền
không liên tục. Với công cụ mpctool của Matlab sau khi đưa mô hình dự báo vào để
thiết kế bộ điều khiển thì nó được chuyển thành mô hình trong không gian trạng thái
không liên tục.
Hàm mục tiêu [6]:
J  zk   J y  zk   J u  zk   J  k  zk 
J y  zk  đại diện cho tính bám giá trị đặt của đầu ra đối tượng điều khiển mà bộ

điều khiển cần đáp ứng được.

21
Trần Tiến Đạt – KSTN-ĐKTĐ-K57