Ứng dụng pid mờ điều khiển nhiệt độ cho lò nướng bánh chocovina

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ TẤN DUY

ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LÕ
NƢỚNG BÁNH CHOCOVINA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ TẤN DUY

ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LÕ
NƢỚNG BÁNH CHOCOVINA

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Mã số: 85.20.216

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HỒNG MAI

Đà Nẵng - Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của TS Nguyễn Hoàng Mai.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Võ Tấn Duy


ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
CHO LÕ NƢỚNG BÁNH CHOCOVINA
Học viên: Võ Tấn Duy

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

Mã số: 8520216

Khóa: K34-TĐH-QNg, Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt:
Nhiệt độ của lị nƣớng bánh Chocovina tại Nhà máy Bánh kẹo Biscafun dao động so với
điểm cài đặt từ -0.5 đến +1.40C (theo Bảng 1) chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu công nghệ sản xuất
dịng sản phẩm này theo cơng nghệ chuẩn của Hàn Quốc chuyển giao: dao động nhiệt độ so
với điểm cài đặt là 0.50C; Điều khiển nhiệt độ là thông dụng đối với thiết bị cơng nghiệp

nhƣng để điều khiển chính xác những đối tƣợng có qn tính lớn là một mục tiêu khó khăn
trong điều khiển hiện nay. Đối tƣợng điều khiển mà đề tài muốn nghiên cứu là điều khiển
nhiệt độ để nƣớng bánh trong bốn vùng của lò. Đ y là q tr nh đối lƣu dịng khơng khí thơng
qua bộ gia nhiệt điện trở đến nhiệt độ cài đặt theo yêu cầu của công nghệ sản xuất.
Từ những vấn đề trên, tác giả đề xuất “Ứng dụng PID mờ điều khiển nhiệt độ cho lò nƣớng
bánh Chocovina” nhằm khắc phục việc dao động nhiệt độ ngoài phạm vi cho phép nhƣ hiện
nay.Từ các kết quả chạy mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PID-Mờ hoạt động có chất lƣợng
điều khiển tốt hơn, ổn định hơn bộ điều khiển PID về các tiêu chí độ quá điều chỉnh, sai số
xác lập, thời gian xác lập, thích nghi với quá tr nh thay đổi thông số của hệ thống.
Dựa vào kết quả điều khiển nhiệt độ lò nƣớng theo các H nh 4.6a, 4.6b, 4.6c, 4.6d, 4.6e và
4.7a, 4.7b, 4.7c, 4.7d, 4.7e. Tác giả tổng kết kết quả điều khiển nhiệt độ lò nƣớng theo bảng
4.2, nhiệt độ khi sử dụng bộ điều khiển PID-Mờ có dao động ≤0.50C và đƣa ra các hƣớng
phát triển của đề tài.
Từ khóa: Lò nƣớng Chocovina; PID; Mờ; PID-Mờ; nhiệt độ.

APPLICATION PID-FUZZY TO TEMPERATURE
CONTROL FOR CHOCOVINA OVEN
Abstract:
The operating temperature of the Chocovina oven at the Biscafun Confectionery Factory
fluctuates from -0.5 to + 1.40C (Table 1), which does not meet the technology required of
Korean quality standard for this type of product: temperature fluctuation compared to the
setting point is 0.50C; Temperature control is common to industrial equipment, but precise
control of objects with large inertia is a difficult target in today's control. The control subjects
of this thesis is to study temperature control of baking in oven with four regions of
temperature. This is the process of converting the air flow through the resistor to control the
temperature to the setting temperature required by the manufacturing technology.
From the above issues, the author proposes "Application of PID-fuzzy to temperature
control for Chocovina oven" to overcome the existing temperature fluctuation beyond the
allowable range. From the simulation results, it is observed that PID-Fuzzy controller
operates with better quality control and more stable than the PID controller for criterion:

overshoot, setting error, setting time, adaptation to process parameters of the system.
Based on the oven temperature control results in Figures 4.6a, 4.6b, 4.6c, 4.6d, 4.6e and
4.7a, 4.7b, 4.7c, 4.7d, 4.7e. The author summarizes the results of the oven temperature control
in Table 4.2, the temperature when using the PID-Fuzzy controller fluctuates ≤0.50C, and
gives the development direction of the subject.
Keywords: Chocovina oven; PID; Fuzzy; PID-fuzzy; temperature.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. .................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài......................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................3
3. Đối tƣợng nghiên cứu. .............................................................................................3
4. Phạm vi nghiên cứu. ................................................................................................3
5. Phƣơng pháp nghiên cứu. .......................................................................................4
6. Nội dung đề tài. ........................................................................................................4
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VÀ MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG LÕ NƢỚNG. .........5
1.1. Giới thiệu lò nƣớng. ..............................................................................................5
1.1.1. Tổng quan về lò nƣớng. ................................................................................ 5
1.1.2. Cụm điện trở gia nhiệt. ................................................................................. 6
1.1.3. Cần điều chỉnh góc mở van cấp khơng khí đối lƣu. ..................................... 6
1.1.4. Cụm quạt đối lƣu gia nhiệt. .......................................................................... 7
1.1.5. Mạch động lực và điều khiển Thyristor. ..................................................... 10
1.1.6. Thiết bị đo nhiệt độ dòng khí đối lƣu ........................................................... 8
1.1.7. Bộ điều khiển Thyristor. ............................................................................... 9
1.2. Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống lò nƣớng........................................10

1.2.1. Vấn đề điều khiển đặt ra cho đề tài. ............................................................ 11
1.2.2. Phƣơng tr nh tốn học mơ tả đối tƣợng lò nƣớng. ...................................... 11
1.2.3. Các nghiên cứu trong nƣớc. ........................................................................ 12
1.2.4. Các nghiên cứu nƣớc ngoài. ....................................................................... 14
1.3. Kết luận chƣơng 1...............................................................................................15
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ. ............................17
2.1. Lý thuyết điều khiển PID. ..................................................................................17
2.1.1. Bộ điều khiển PID: ..................................................................................... 17
2.1.2. Mô tả hiệu chỉnh PID .................................................................................. 18
2.1.3 . Một số phƣơng pháp hiệu chỉnh trên thực tế. ............................................ 20
2.1.4. Chọn thông số PID bằng phƣơng pháp Ziegler– Nichols. .......................... 21


2.2. Lý thuyết điều khiển mờ ....................................................................................22
2.2.1. Giới thiệu về điều khiển mờ........................................................................ 22
2.2.2. Cơ sở toán học của Logic mờ. .................................................................... 23
2.2.2.1. Định nghĩa tập hợp mờ. .......................................................................23
2.2.2.2. Các tính chất và đặc điểm cơ bản của tập mờ. ....................................23
2.2.2.3. Giao hai tập mờ. ...................................................................................26
2.2.3. Logic mờ. .................................................................................................... 27
2.2.3.1. Biến ngôn ngữ. .......................................................................................27
2.2.3.2. Luật mờ. .................................................................................................27
2.2.3.3. Suy luận mờ. ..........................................................................................27
2.2.3.4. Giải mờ. .................................................................................................28
2.2.4. Bộ điều khiển mờ. ...................................................................................... 29
2.2.4.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản. ......................................................................29
2.2.4.2. Các bƣớc x y dựng bộ điều khiển mờ. ..................................................30
2.3. Kết luận chƣơng 2...............................................................................................31
Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID-MỜ CHO HỆ THỐNG LÕ
NƢỚNG. .....................................................................................................................32

3.1. Giới thiệu lại mơ hình tốn học của lò nƣớng. .................................................32
3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID cho lò nƣớng. ........................................................34
3.3. Thiết kế bộ điều khiển PID-Mờ cho lò nƣớng. ................................................35
3.3.1. Bộ điều khiển PID-Mờ................................................................................ 35
3.3.1.1. Xác định khoảng [Kpmin Kpmax]. .............................................................35
3.3.1.2. Xác định khoảng [Kimin Kimax]. ..............................................................39
3.3.1.3. Xác định khoảng [Kdmin Kdmax]. .............................................................41
3.3.2. Cơ sở lý thuyết chỉnh định PID-Mờ. .......................................................... 47
3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển PID-Mờ . ................................................................ 47
3.3.3.1. Định nghĩa các biến ngôn ngữ. ..............................................................47
3.3.3.2. Thiết kế hệ luật mờ. ...............................................................................50
3.3.3.3. Chọn luật hợp thành và phƣơng pháp giải mờ. ......................................52
3.4. Kết luận chƣơng 3...............................................................................................57
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HỆ THỐNG LÕ NƢỚNG
BẰNG MATLAB SIMULINK. ................................................................................58
4.1. Xây dựng mơ hình hệ thống lò trong matlab simulink. ..................................58


4.1.1. Mơ h nh lị nƣớng ....................................................................................... 58
4.1.2. Mơ h nh Thyristor. ...................................................................................... 59
4.1.3. Mơ phỏng simulink hệ thống lị nƣớng....................................................... 60
4.2. Kết quả mô phỏng bằng matlab simulink ........................................................60
4.2.1. Kiểm nghiệm mơ h nh lị nƣớng lần 1. ....................................................... 60
4.2.2. Kiểm nghiệm mơ h nh lị nƣớng lần 2. ....................................................... 61
4.2.3. Kiểm nghiệm mơ h nh lị nƣớng lần 3. ....................................................... 66
4.2.4. Kiểm nghiệm mơ h nh lị nƣớng lần 4. ....................................................... 69
4.2.5. Kiểm nghiệm mơ h nh lị nƣớng lần 5. ....................................................... 71
4.3. Nhận xét chung ...................................................................................................74
4.3.1. Bộ điều khiển PID....................................................................................... 74
4.3.2. Bộ điều khiển PID-Mờ. ................................................................................ 74

4.4. Kết luận. ..............................................................................................................74
4.5. Hƣớng phát triển của đề tài ...............................................................................76
4.5.1. Các điểm hạn chế trong đề tài. .................................................................... 76
4.5.2. Hƣớng phát triển của đề tài. ........................................................................ 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................77
PHỤ LỤC …………………………………………………………………………...76
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)………….…………………………....77


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.
Hlò

Chiều cao lò nƣớng (m).

Rlò

Chiều rộng lò nƣớng (m).

Llò

Chiều dài 1 lò nƣớng (m).

V

Thể tích của lị nƣớng (l).

Q

Nhiệt lƣợng cung cấp (KJ/h).

Q1, 2, 3, 4

Nhiệt lƣợng yêu cầu lò 1, 2, 3, 4 (KJ/h).

Q
ʋ

Đại lƣợng nhiễu.
Khoảng mở van cấp khí tuần hồn (%).



Khối lƣợng riêng khơng khí (g/l).

Cp

Nhiệt dung riêng (KJ/g 0C).

q

Lƣu lƣợng khơng khí (m3).

k

hệ số quạt.

G

Điện dẫn (1).

U

Độ truyền nhiệt của bộ gia nhiệt (KJ/0C s).

T

Nhiệt độ khơng khí trong lò (0C).

T0

Nhiệt độ đầu (0C).

T1

Nhiệt độ cuối (0C).

τʋ

Thời gian trễ đóng mở van (s).

τu

Thời gian trễ điện áp điều khiển (s).

Lò nƣớng

Lò nƣớng bánh Chocovina.


Số hiệu

Bảng 1
Bảng 1.1
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 2.3
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 4.1
Bảng 4.2

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng
Sai lệch nhiệt độ thực tế các lị nƣớng
Thơng số điện trở của cảm biến nhiệt pt100.
Ảnh hƣởng của các thông số độ lợi của bộ điều khiển PID khi
tăng thông số độc lập.
Các biện pháp hiệu chỉnh PID thực tế.
Chọn thông số PID bằng phƣơng pháp Ziegler– Nichols.
Kết quả đo tràn nhiệt và thất thốt nhiệt của hệ thống lị nƣớng.
Bảng hệ luật cho Kp nhiệt độ.
Bảng hệ luật cho Ki nhiệt độ.
Bảng hệ luật cho Kd nhiệt độ.
Bảng so sánh các thông số điều khiển Kp, Ki, Kd
Bảng so sánh kết quả mơ phỏng nhiệt độ lị nƣớng giữa bộ điều
khiển PID và PID-Mờ.

Trang
2

9
18
19
19
31
48
48
49
72
72


Số hiệu
H nh 1a
H nh 1b
H nh 1c
H nh 1d
H nh 1.1a
H nh 1.1b
H nh 1.2
H nh 1.3
H nh 1.4
H nh 1.5
H nh 1.6a
H nh 1.6b
H nh 1.7
H nh 1.8
Hinh 1.9
H nh 1.10
H nh 1.11

Hinh 1.12
Hinh 1.13
Hinh 1.14
Hinh 1.15
H nh 1.16
H nh 2.1
H nh 2.2
H nh 2.3
H nh 2.4
H nh 2.5
H nh 2.6
H nh 2.7
H nh 2.8
H nh 2.9

DANH MỤC CÁC HÌNH
Tên hình
Nhiệt độ dao động thực tế của lị nƣớng 1.
Nhiệt độ dao động thực tế của lò nƣớng 2.
Nhiệt độ dao động thực tế của lò nƣớng 3.
Nhiệt độ dao động thực tế của lò nƣớng 4.
Đối tƣợng lị nƣớng.
Kích thƣớc lị nƣớng.
Ngun lý đối lƣu khơng khí trong lò.
Cấu tạo bên trong lò nƣớng.
Cụm điện trở gia nhiệt cho lị nƣớng.
Cần điều chỉnh góc mở van cấp khí đối lƣu tuần hồn.
Biểu đồ lƣu lƣợng khơng khí của quạt đối lƣu.
Quạt đối lƣu khơng khí trong lị
Mạch điện động lực và điều khiển Thyristor.

Đầu dò nhiệt độ PT100.
Bộ điều khiển nhiệt độ lị nƣớng.
Bộ điều khiển Thysistor.
Mơ h nh hóa tín hiệu điều khiển đối tƣợng hệ thống lị nƣớng.
Mơ tả sơ đồ khối đối tƣợng lị nƣớng.
Kết quả điều khiển PID và PID-Mờ điều khiển nhiệt độ cho bộ
gia nhiệt máy tạo hạt nhựa, 2016, Nguyễn Hữu Phong.
Kết quả ứng dụng logic mờ điều khiển quá tr nh nhiệt lị sấy,
2012, Hồ Hồng Ch u.
Kết quả ứng dụng logic mờ điều khiển quá tr nh nhiệt, 2011, Na
Katte, Konduru, Bhaskar Pobbathi, and Parvathi Sidaraddi.
Kết quả ứng dụng PID Mờ điều khiển nhiệt độ, 2017, Sneha S
Patole, Shailendra K Mittal.
Sơ đồ tốn học điều khiển PID.
Mơ tả hiệu chỉnh Kp
Mô tả hiệu chỉnh Ki
Mô tả hiệu chỉnh Kd
Mô phỏng t m thông số PID bằng phƣơng pháp Ziegler–Nichols.
Ngõ ra vòng điều khiển, Tth là chu kỳ của đồ thị ngõ ra.
Đồ thị của tập hợp mờ.
Độ cao và dạng chính tắc của tập mờ.
Miền xác định của tập mờ.

Trang
1
2
2
2
5
5

5
6
6
7
7
7
8
8
9
9
10
10
12
12
13
14
16
17
18
18
20
20
21
22
22


H nh 2.10
H nh 2.11
H nh 2.12

H nh 2.13
H nh 2.14
H nh 2.15
H nh 2.16
H nh 2.17
H nh 2.18
H nh 2.19
H nh 2.20
H nh 2.21
H nh 3.1
H nh 3.2
H nh 3.3
H nh 3.4
H nh 3.5
H nh 3.6a
H nh 3.6b
H nh 3.7a
H nh 3.7b
H nh 3.8a
H nh 3.8b
H nh 3.9a
H nh 3.9b
H nh 3.10a
H nh 3.10b
H nh 3.11a
H nh 3.11b
H nh 3.12a
H nh 3.12b
H nh 3.13a
H nh 3.13b

H nh 3.14a
H nh 3.14b
H nh 3.15
H nh 3.16a

Miền giá trị của biến.
Tập mờ dạng tuyến tính.
Tập mờ dạng tam giác.
Tập mờ dạng h nh thang.
Giao hai tập mờ.
Hợp hai tập mờ.
Bù hai tập mờ.
Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trung b nh.
Giải mờ theo phƣơng pháp điểm cận trái.
Giải mờ theo phƣơng pháp điểm cận trái.
Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng t m.
Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ.
Mô tả sơ đồ khối đối tƣợng lò nƣớng.
Diễn giải đại lƣợng nhiễu nhiệt của hệ thống lị nƣớng.
Mơ h nh điều khiển lị nƣớng bằng PID.
Thông số bộ điều khiển PID.
Sơ đồ điều khiển PID-Mờ.
Nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kp = 160.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kp = 160.
Nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kp = 65.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kp = 65.
Nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kp = 6.5.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kp = 6.5.
Nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số ki = 0.009.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số ki = 0.009.

Nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số ki = 0.005.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số ki = 0.005.
Nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số ki = 0.001.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số ki = 0.001.
Nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kd = 112.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kd =112.
Nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kd = 60.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kd =60.
Nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kd = 32.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng khi điều chỉnh hệ số kd =32.
Mô h nh điều khiển PID-Mờ của lị nƣớng.
Mơ h nh bộ điều khiển PID-Mờ.

23
23
23
24
24
24
25
26
27
27
27
28
30
31
32
33
33

34
34
35
35
36
36
37
37
38
38
39
39
40
40
41
41
42
42
43
43


H nh 3.16b
H nh 3.16c
H nh 3.16d
H nh 3.17
H nh 3.18
H nh 3.19
H nh 3.19a
H nh 3.19b

H nh 3.19c
H nh 3.19d
H nh 3.20
H nh 3.21
H nh 3.22
H nh 3.23
H nh 3.24
H nh 3.25a
H nh 3.25b
H nh 3.25c
H nh 3.25d
H nh 3.25e
H nh 3.26a
H nh 3.26b
H nh 3.26c
H nh 3.26d
H nh 4.1a
H nh 4.1b
H nh 4.1c
H nh 4.1d
H nh 4.2a
H nh 4.2b
H nh 4.3
H nh 4.4
H nh 4.5
H nh 4.6a
H nh 4.6b
H nh 4.6c
H nh 4.6d

Giới hạn thông số Kp của bộ điều khiển PID-Mờ.
Giới hạn thông số Ki của bộ điều khiển PID-Mờ.
Giới hạn thông số Kd của bộ điều khiển PID-Mờ.
Các đại lƣợng vào/ra của bộ chỉnh định PID-Mờ.
Đáp ứng chuẩn tắc một quá tr nh theo thời gian.
Đồ thị xác định các tập mờ ET.
Tập mờ của biến ET lò nƣớng 1.
Tập mờ của biến ET lò nƣớng 2.
Tập mờ của biến ET lò nƣớng 3.
Tập mờ của biến ET lò nƣớng 4.
Tập mờ của biến DET hệ thống lò nƣớng.
Tập mờ của biến Kp.
Tập mờ của biến Ki.
Tập mờ của biến Kd.
Bộ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ lò nƣớng.
Xác định tập mờ biến ET bộ điều khiển mờ lò 1.
Xác định tập mờ biến ET bộ điều khiển mờ lò 2.
Xác định tập mờ biến ET bộ điều khiển mờ lò 3.
Xác định tập mờ biến ET bộ điều khiển mờ lò 4.
Xác định tập mờ biến DET bộ điều khiển mờ.
Kết quả luật giải mờ bộ điều khiển mờ lò nƣớng 1.
Kết quả luật giải mờ bộ điều khiển mờ lò nƣớng 2.
Kết quả luật giải mờ bộ điều khiển mờ lò nƣớng 3.
Kết quả luật giải mờ bộ điều khiển mờ lò nƣớng 4.
Mơ h nh simulink đối tƣợng lị nƣớng 1.
Mơ h nh simulink đối tƣợng lị nƣớng 2.
Mơ h nh simulink đối tƣợng lị nƣớng 3.
Mơ h nh simulink đối tƣợng lị nƣớng 4.
Cấu h nh bộ Thyristor trên simulink.
Mơ h nh Thyristor.

Mơ h nh simulink điều khiển PID mờ lị nƣớng.
Mơ h nh simulink điều khiển PID-Mờ hệ thống lị nƣớng.
Kết quả hiện tƣợng tràn nhiệt, thất thốt nhiệt lị nƣớng.
Kết quả điều khiển nhiệt độ lò nƣớng bằng PID.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng 1 khi điều khiển bằng PID.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng 2 khi điều khiển bằng PID.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng 3 khi điều khiển bằng PID.

43
43
44
44
44
45
45
46
46
46
47
47
47
48
49
50
50
51
51
52
52
53

53
54
55
55
56
56
56
57
57
57
58
59
59
60
60


H nh 4.6e
H nh 4.7a
H nh 4.7b
H nh 4.7c
H nh 4.7d
H nh 4.7e
H nh 4.8a
H nh 4.8b
H nh 4.8c
H nh 4.8d
H nh 4.9a
H nh 4.9b
H nh 4.9c

H nh 4.9d
H nh 4.10a
H nh 4.10b
H nh 4.10c
H nh 4.10d

Dao động nhiệt độ lò nƣớng 4 khi điều khiển bằng PID.
Kết quả điều khiển nhiệt độ lò nƣớng bằng PID-Mờ.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng 1 khi điều khiển bằng PID-Mờ.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng 2 khi điều khiển bằng PID-Mờ.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng 3 khi điều khiển bằng PID-Mờ.
Dao động nhiệt độ lò nƣớng 4 khi điều khiển bằng PID-Mờ.
Kết quả điều khiển PID khi thay đổi điểm cài đặt với hệ số mở
van khí tuần hồn 50%.
Sai số xác lập điều khiển PID với hệ số mở van khí tuần hồn
50%.
Kết quả điều khiển PID-Mờ khi thay đổi điểm cài đặt với hệ số
mở van khí tuần hồn 50%.
Sai số xác lập điều khiển PID-Mờ khi van khí tuần hoàn mở 50%.
Kết quả điều khiển PID khi thay đổi điểm cài đặt với hệ số mở
van khí tuần hoàn 70%.
Sai số xác lập điều khiển PID với hệ số mở van khí tuần hồn
70%.
Kết quả điều khiển PID-Mờ khi thay đổi điểm cài đặt với hệ số
mở van khí tuần hồn 70%.
Sai số xác lập điều khiển PID-Mờ với hệ số mở van khí tuần hồn
70%.
Kết quả điều khiển PID khi thay đổi điểm cài đặt với hệ số mở
van khí tuần hồn 100%.
Sai số xác lập điều khiển PID với hệ số mở van khí tuần hồn

100%.
Kết quả điều khiển PID-Mờ khi thay đổi điểm cài đặt với hệ số
mở van khí tuần hồn 100%.
Sai số xác lập điều khiển PID-Mờ với hệ số mở van khí tuần hoàn
100%.

61
61
62
62
63
63
64
64
65
65
66
67
67
68
69
69
70
70


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.

Hiện nay tại nhà máy Bánh Kẹo Biscafun có 02 d y chuyền sản xuất bánh
Chocovina. Công suất mỗi d y chuyền là 650Kg/giờ. Để cấu thành một chiếc bánh
gồm 3 phần : bánh nền, kem mashmallow và lớp phủ chocolate lên bánh.
Trong công nghệ sản xuất bánh Chocovina, lò nƣớng là một trong những kh u
cực kỳ quang trọng v ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng bánh nền và bánh thành
phẩm, do vậy việc điều khiển nhiệt độ trong mỗi vùng của lị nƣớng ln u cầu phải
chính xác, sai lệch so với điểm cài đặt phải đáp ứng yêu cầu công nghệ để tạo ra cấu
trúc bánh nền ổn định, mềm xốp, màu sắc và đƣờng kính bánh đồng đều,….
Hiện nay hầu hết các hệ thống điều khiển đang đƣợc áp dụng trong ngành công
nghiệp chủ yếu sử dụng bộ điều khiển PID Proportional Integral Derivative) với
những hạn chế là bộ điều khiển khơng đáp ứng đƣợc khi có sự thay đổi thông số hệ
thống, dẫn đến việc điều khiển trở nên khơng chính xác theo thời gian hoặc có sự tác
động bởi yếu tố ngoại cảnh làm thay đổi thông số hệ thống.
Những nghiên cứu đã có cho thấy, điều khiển phi tuyến cho các đối tƣợng thực
thƣờng có độ chính xác cao hơn so với điều khiển tuyến tính. Các bộ điều khiển phi
tuyến nhƣ mờ, trƣợt, PID phi tuyến đã đƣợc ứng dụng nhiều nơi và phát huy hiệu quả
rất tốt.
Điều khiển nhiệt độ là thông dụng đối với thiết bị cơng nghiệp nhƣng để điều
khiển chính xác những đối tƣợng có qn tính lớn là một mục tiêu khó khăn trong điều
khiển hiện nay. Đối tƣợng điều khiển mà đề tài muốn nghiên cứu là điều khiển nhiệt
độ để nƣớng bánh trong bốn vùng của lò. Đ y là q tr nh đối lƣu dịng khơng khí
thơng qua bộ gia nhiệt điện trở đến nhiệt độ cài đặt theo yêu cầu của công nghệ sản
xuất. Hiện tại nhiệt độ của lò nƣớng Chocovina tại Nhà máy Bánh kẹo Biscafun dao
động so với điểm cài đặt từ -0.5 đến +1.40C (theo Bảng 1) chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu
cơng nghệ sản xuất dịng sản phẩm này theo cơng nghệ chuẩn của Hàn Quốc chuyển
giao với dao động nhiệt độ so với điểm cài đặt là ≤ 0.50C ±0.250C).
Tác giả đã thu thập dữ liệu nhiệt độ tại lò nƣớng bánh Chocovina, nhà máy Bánh
kẹo Biscafun. Kết quả cho thấy nhiệt độ dao động nhƣ H nh 1a, 1b, 1c, 1d.

Hình 1a: Nhiệt độ dao động thực tế của lò nướng 1.

2

Hình 1b: Nhiệt độ dao động thực tế của lị nướng 2.

Hình 1c: Nhiệt độ dao động thực tế của lị nướng 3.

TT
1
2
3
4

Hình 1d: Nhiệt độ dao động thực tế của lò nướng 4.
Kết quả dao động nhiệt độ lò nƣớng đƣợc cấp nhật theo Bảng 1.
Bảng 1: Dao động nhiệt độ thực tế các lò nướng so với điểm cài đặt.
Lị nƣớng
Nhiệt độ dao động (0C)
Dao động trung bình
0
Lị nƣớng 1
-0.5 –1.4 (1.9 C)
±0.95
0
Lò nƣớng 2
-0.6 – 1.1 (1.7 C)
±0.85
0
Lò nƣớng 3

-0.7 – 0.9 (1.6 C)
±0.8
0
Lò nƣớng 4
-0.8 – 1 (1.8 C)
±0.6

Từ những vấn đề trên, tác giả đề xuất “Ứng dụng PID mờ điều khiển nhiệt độ
cho lò nướng bánh Chocovina” nhằm khắc phục việc dao động nhiệt độ ngoài phạm
vi cho phép nhƣ hiện nay.


3
2. Mục tiêu nghiên cứu.
Quá tr nh điều khiển nhiệt độ lò nƣớng là quá tr nh MIMO bao gồm hai ngõ vào
là nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp bởi bộ gia nhiệt điện trở và góc mở van lƣu lƣợng khí
tuần hồn trong mỗi vùng. Ngõ ra là nhiệt độ trong mỗi vùng của lò nƣớng.
Đ y là hệ thống có qn tính lớn, mơ h nh tốn phức tạp và có sự tƣơng tác chéo
giữa các ngõ vào và ra, v thế việc áp dụng các phƣơng pháp điều khiển kinh điển nhƣ
PID để điều khiển đối tƣợng trở nên khơng chính xác.
Trong khn khổ đề tài này tác giả đề xuất sử dụng bộ điều khiển PID-Mờ mà ở
đó các thơng số Kp, Ki, Kd có thể tự chỉnh định theo từng giai đoạn và có khả năng
đáp ứng tốt khi có sự thay đổi của điểm làm việc, tính phi tuyến của hệ thống, c ng
nhƣ sự thay đổi ở ngõ ra nhằm mục tiêu đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định đồng
thời dao động nhiệt độ trong lò nằm trong phạm vi cho phép là ≤ 0.50C (±0.250C, so
với điểm cài đặt) theo yêu cầu công nghệ chuẩn Hàn Quốc khuyến cáo.
3. Đối tƣợng nghiên cứu.
Đối tƣợng nghiên cứu là điều khiển nhiệt độ lò nƣớng bánh Chocovina thuộc
Nhà máy Bánh kẹo BiscaFun – Cơng ty Cổ phần Đƣờng Quảng Ngãi. Lị có nhiệm vụ
gia nhiệt làm nóng khơng khí đối lƣu trong mỗi vùng lò đến nhiệt độ cài đặt khoảng

1200C (lò 1), 1850C (lò 2) và 1700C (lò 3) và 1650C (lò 4).
4. Phạm vi nghiên cứu.
- Thiết kế bộ điều khiển hai ngõ vào là nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp bởi bộ gia
nhiệt điện trở và góc mở van điều khiển lƣu lƣợng khí tuần hồn trong mỗi vùng lị.
Ngõ ra là nhiệt độ trong mỗi vùng của lò nƣớng sử dụng các thiết bị công nghiệp nhƣ
cảm biến nhiệt độ Pt100, van gạt và thiết bị thyristor điều khiển điện trở gia nhiệt.
- Khảo sát sự dao động của nhiệt độ thực tế so với nhiệt độ cài đặt trong mỗi
vùng của lò nƣớng.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Dựa vào lý thuyết và thực tế, thiết lập mơ h nh tốn học cho đối tƣợng, nghiên
cứu lý thuyết điều khiển PID, lý thuyết điều khiển mờ, lập tr nh mô phỏng bằng
Matlab/ Simulink để khẳng định kết quả nghiên cứu. Sau đó nếu có điều kiện thời gian
và Nhà máy cho phép sẽ thực hiện kiểm chứng trên mô h nh thực nghiệm.
6. Nội dung đề tài.
Đề tài đƣợc tr nh bày trong 4 chƣơng với các nội dung cơ bản gồm:
MỞ ĐẦU
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VÀ MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG LÕ NƢỚNG.
Sẽ đƣợc tr nh bày về các nội dung bao gồm: Đặt vấn đề, giới thiệu về đối tƣợng
lị nƣớng bánh Chocovina, mơ h nh hóa đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu và mục tiêu
nghiên cứu của đề tài.
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ.


4
T m hiểu về lý thuyết điều khiển PID và lý thuyết điều khiển Mờ để làm cơ sở
thiết kế cho chƣơng sau.
Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID-MỜ CHO HỆ THỐNG LÕ
NƢỚNG.
Tr nh bày về cách x y dựng, thiết kế các bộ điều khiển đối tƣợng bằng lý thuyết
điều khiển PID, lý thuyết điều khiển mờ.

Chƣơng 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HỆ THỐNG LÕ NƢỚNG
BẰNG MATLAB SIMULINK.
Mô phỏng mô h nh điều khiển bằng Matlab Simulink.
Kiểm tra kết quả mô phỏng và so sánh kết quả giữa các phƣơng pháp điều khiển
bằng PID và điều khiển mờ PID.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.


5

Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VÀ MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG LÕ NƢỚNG.
1.1. Giới thiệu lò nƣớng.
1.1.1. Tổng quan về lò nướng.
Công suất 650 Kg/h, đƣợc thiết kế với dạng trao đổi nhiệt gián tiếp, nhiệt lƣợng
đƣợc cung cấp thông qua quạt đối lƣu dịng khơng khí qua bộ điện trở gia nhiệt. Dịng
khơng khí đối lƣu đƣợc chia thành 2 phần dùng để nƣớng mặt trên và dƣới của bánh.
Tỉ lệ ph n chia tùy thuộc vào công nghệ, Với dòng bánh Chocovina, tỉ lệ 6/4 tƣơng
ứng với mặt trên và mặt dƣới.

Hình 1.1a: Đối tượng lị nướng bánh Chocovina.

Hình 1.1b: Kích thước chiều dài lị nướng bánh Chocovina.

Hình 1.2: Ngun lý đối lưu khơng khí trong lị nướng Chocovina.


6

Hình 1.3: Cấu tạo bên trong lị nướng bánh Chocovina.
Chiều dài lò nƣớng là 36 mét chia thành 4 vùng lị. Trong đó, mơ tả các bộ phận

chính nhƣ H nh 1.1a, 1.1b, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6a, 1.6b, 1.7, 1.8, 1.9, 1.10, 1.11.
Lị nƣớng có nhiệm vụ gia nhiệt dịng khơng khí đối lƣu tuần hồn trong lị đƣợc
diễn tả theo h nh 1.2 thông qua bộ gia nhiệt điện trở đến nhiệt độ theo yêu cầu công
nghệ khoảng : 1200C lò 1), 1850C lò 2) và 1700C lò 3) và 1650C lò 4) cung cấp
nhiệt lƣợng để nƣớng bánh.
1.1.2. Cụm điện trở gia nhiệt.
Đƣợc cung cấp bởi nguồn điện 3 pha 380VAC, công suất 103.5 KW (69 x 1.5
KW) đấu nối tam giác, sử dụng mạch tích hợp động lực và điều khiển thysistor nhƣ
h nh 1.10. Nhiệm vụ của bộ điện trở là cung cấp nhiệt lƣợng cho việc nƣớng bánh, nhƣ
là cơ cấu chấp hành chính của hệ thống lị nƣớng.

Hình 1.4: Cụm điện trở gia nhiệt cho mỗi vùng lị nướng.
1.1.3. Cần điều chỉnh góc mở van cấp khơng khí đối lưu.
Dùng để điều chỉnh góc mở van cấp khí đối lƣu tuần hồn trong lị. Để đảm bảo
an tồn khi vận hành, cơ cấu cơ khí sẽ giới hạn việc đóng van ở giới hạn dƣới là 50%,
giới hạn trên là 100% nhằm loại bỏ khả năng đóng van hồn tồn g y nóng cục bộ dẫn


7
đến hỏng điện trở gia nhiệt. Trong mỗi vùng của lò nƣớng, nhiệt lƣợng cung cấp tập
trung cao nhất ở giữa mỗi vùng theo nguyên tắc đầu mỗi vùng cần nhiệt lƣợng thấp,
giữa vùng cao và cuối vùng thấp. Tùy theo công nghệ mỗi dạng bánh, nhiệt lƣợng giữa
vùng nhiều hay ít sẽ đƣợc điều chỉnh bằng van cấp khí đối lƣu.

Hình 1.5: Cần điều chỉnh góc mở van cấp khí đối lưu tuần hồn.
1.1.4. Cụm quạt đối lưu khơng khí gia nhiệt.
Lị nƣớng sử dụng quạt ly t m để đối lƣu dịng khơng khí gia nhiệt trong lị nhƣ
h nh 1.6b. Công suất động cơ 3 pha, 380VAC, 3.7kw, lƣu lƣợng 6800 m3/h tại điểm áp
suất 400 Pa [9].

Hình 1.6a: Biểu đồ lưu lượng khơng khí của quạt đối lưu.


8

Hình 1.6b: Quạt đối lưu khơng khí trong lị.
1.1.5. Thiết bị đo nhiệt độ dịng khí đối lưu.
- Cảm biến nhiệt độ Pt100 hay còn gọi là nhiệt điện trở ( Resistance
Thermometer ) có giá trị 100 ohm tại 00C . Giá trị điện trở sẽ thay đổi tỉ lệ thuận với
nhiệt độ đo đƣợc và thành phần chính của đầu dò cảm biến là platinum ký hiệu là Pt )
.
- Thiết bị cảm biến đo nhiệt độ lò nƣớng sử dụng là loại nhiệt điện trở Pt100 loại
3 d y, dãi đo từ -200 đến 8500C có nhiệm vụ chuyển đổi nhiệt độ dịng khí đối lƣu
trong lị thành tín hiệu điện trở theo Cơng thức (1.1a, 1.1b), kết quả tại Bảng 1.1.
Trong khoảng đo -2000C đến 00C: Rt = Ro[1+At+Bt2+C(t-100)t3]
(1.1a)
0
0
2
Trong khoảng đo 0 C đến 850 C: Rt = Ro[1+At+Bt ]
(1.1b)
3
-7
-12
Trong đó A = 3.9083x10- , B = -5.775x10 , C = -4.183x10 .

Hình 1.7: Đầu dị nhiệt độ Pt100.
- Bộ điều khiển nhiệt độ có nhiệm vụ đọc tín hiệu từ đầu dị nhiệt độ Pt100,
chuyển đổi thành tín hiệu điều khiển đầu ra 4-20mA cung cấp cho bộ thyristor
điều khiển gia nhiệt cụm điện trở, cung cấp nhiệt lƣợng cho dịng khơng khí đối

lƣu trong lị nƣớng.


9

Hình 1.8: Bộ điều khiển nhiệt độ lị nướng.
Bảng 1.1: Thông số điện trở của cảm biến nhiệt Pt100.

1.1.6. Bộ điều khiển Thyristor.
Sử dụng bộ 3AX400-280H, 3 pha 400VAC, 280A, hãng sản xuất AEG để điều
khiển cụm điện trở gia nhiệt, cung cấp nhiệt năng cho hệ thống lò nƣớng [23].

Hình 1.9a: Bộ điều khiển Thyristor.
Trong đó sơ đồ cấu trúc điều khiển của bộ thyristor đƣợc diễn giải theo h nh 1.9b.


10

Hình 1.9b: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của bộ thyristor.
1.1.7. Mạch động lực và điều khiển Thyristor.
Nguồn cấp mạch động lực 3 pha 400VAC đƣợc đấu nối vào U1, U2, U3. Và
đầu ra đấu nối cho bộ điện trở từ W1, W2, W3 từ bộ thyristor.
Mạch điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển 4..20mA từ bộ điều
khiển nhiệt độ từ đầu nối x2.3 và x2.4 chuyển đổi thành cơng suất nhiệt 0..100%, [23].

Hình 1.10: Mạch điện động lực và điều khiển Thyristor.
1.2. Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống lị nƣớng.
Trong q tr nh t m hiểu thực tế tại hệ thống lò nƣớng, Tác giả nhận thấy có
nhiều vịng điều khiển và sự ảnh hƣởng chéo của các thông số. Trong khuôn khổ nội
dung luận văn này, tác giả đề xuất mô h nh rút gọn với 2 thông số đầu vào là điện áp

điều khiển, lƣu lƣợng khơng khí đối lƣu tuần hồn trong lị và đầu ra là nhiệt độ trong
mỗi vùng lị nƣớng. Khi đã điều khiển tốt đƣợc mơ h nh 2 thơng số này, sau đó có thể
kế thừa và phát triển tiếp theo cho mô h nh đầy đủ của lò nƣớng.


11

Hình 1.11 : Mơ hình hóa tín hiệu điều khiển đối tượng hệ thống lò nướng.
1.2.1. Vấn đề điều khiển đặt ra cho đề tài.
Vấn đề điều khiển đặt ra cho đề tài là sử dụng bộ điều khiển PID-Mờ điều khiển
ngõ vào là nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp bởi bộ gia nhiệt điện trở và lƣu lƣợng khí tuần
hồn trong mỗi vùng. Ngõ ra là nhiệt độ trong mỗi vùng của lò nƣớng nhằm mục tiêu
giảm dao động nhiệt độ từ ±10C xuống ≤ 0.50C đáp ứng yêu cầu công nghệ chuẩn bánh
Chocovina mà nhà chuyển giao công nghệ Hàn Quốc khuyến cáo.
1.2.2. Phương trình tốn học mơ tả đối tượng lò nướng.
Dựa vào tài liệu [6], [7], [8] và mô h nh thực tế đối tƣợng. Tác giả có sơ đồ khối
diễn giải hoạt động trao đổi nhiệt của đối tƣợng lị nƣớng nhƣ H nh 1.12.

Hình 1.12: Mơ tả sơ đồ khối đối tượng lị nướng.
Và mơ h nh toán học là phƣơng tr nh sai ph n liên tục nhƣ phƣơng tr nh 1.2).
ρ Vcp

d
T(t) = ρcpq(ʋ (t- τʋ ))(T0-T(t))+U(T1-T(t))+Gu2(t- τu) - Q
dt

(1.2)

Với
Q = Qt+ Q

Trong đó:
-

Q: Nhiệt lƣợng cần cung cấp (KJ/h).

-

Q1, 2, 3, 4: Nhiệt lƣợng yêu cầu của tải trong mỗi vùng lò nƣớng.

-

Q: đại lƣợng nhiễu bao gồm: thất thoát nhiệt ra môi trƣờng, tràn nhiệt giữa
các vùng; là hàm không mô tả đƣợc nên sẽ biểu diễn dƣới dạng ngẫu nhiên


12

-

có hạn chế.
ʋ : khoảng mở van.

-

 : Khối lƣợng riêng khơng khí (g/l).

-

V: Thể tích của lị nƣớng (l).

-

Cp : Nhiệt dung riêng (J/g C).

-

q: Lƣu lƣợng khơng khí l/s).

-

k : hệ số quạt (l/s).

-

G: Điện dẫn (1).

-

U: Độ truyền nhiệt của bộ gia nhiệt (J/0C s).

-

Q: Nhiệt lƣợng ( J).

-

T: Nhiệt độ khơng khí trong lị 0C.

-

T0: Nhiệt độ đầu trƣớc khi gia nhiệt) 0C.

-

T1: Nhiệt độ cuối (sau khi gia nhiệt) 0C.

-

τʋ : Thời gian trễ đóng mở van (s).

-

τu: Thời gian trễ điện áp điều khiển (s).
Trong đó:

= ρ.V.cp
= ρ.cp.q.v
A=
B=

C=

Suy ra ta có mơ h nh tốn học của 1 vùng lị nƣớng nhƣ phƣơng tr nh (1.3).
+C
– BQ)).dt
(1.3)
∫ u
1.2.3. Các nghiên cứu trong nước.
1.2.3.1. Theo [18] Ứng dụng PID-Mờ điều khiển nhiệt độ cho bộ gia nhiệt máy
tạo hạt nhựa, 2016, Ths Nguyễn Hữu Phong.

Tác giả luận văn này đã đƣa ra luật điều khiển PID-Mờ và có kết quả nhƣ H nh
1.13.