Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ nơron cho lò điện trở sử dụng thuật toán lan truyền ngược cải tiến

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ PHÚ THI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
NƠRON CHO LÒ ĐIỆN TRỞ SỬ DỤNG THUẬT
TOÁN LAN TRUYỀN NGƯỢC CẢI TIẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ PHÚ THI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
NƠRON CHO LÒ ĐIỆN TRỞ SỬ DỤNG THUẬT
TOÁN LAN TRUYỀN NGƯỢC CẢI TIẾN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quốc Định

Đà Nẵng – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
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.
Đà Nẵng, ngày 18 tháng 6 năm 2017
Tác giả luận án

LÊ PHÚ THI


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠRON CHO LỊ ĐIỆN
TRỞ SỬ DỤNG THUẬT TỐN LAN TRUYỀN NGƯỢC CẢI TIẾN
Học viên: Lê Phú Thi. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.
Mã số: 60520216. Khóa:33. Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN.
Tóm tắt: Hiện nay việc sử dụng nhiều phương pháp điều khiển khác nhau trong điều
khiển tự động đang được quan tâm và nghiên cứu sử dụng để đạt được lợi ích tốt nhất.
Điểu khiển nhiệt độ lò điện trở thường khá phức tạp do đối tượng có tính trễ và phi
tuyến. Nếu có thể kết hợp tốt các phương pháp với nhau có thể mang đến một hiệu quả
cao trong điều khiển. Luận văn khái quát chung về lò điện trở và điều khiển nhiệt độ lị
điện trở thơng qua các bộ điều khiển PID, mờ và mờ nơron. Tác giả đã đưa ra kết quả
đạt được trong quá trình nghiên cứu và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
Từ khóa – Lị điện trở, mờ, mờ nơron, thuật toán lan truyền ngược.
STUDY AND DESIGN NEURAL-FUZZY CONTROL FOR TEMPERATURE
IN RESISTANCE FURNACE USING IMPROVED BACK PROPAGATION
ALGORITHM.
Abstract – Currently, the use of a variety of control methods in automatic control is

being considered and researched to achieve the best benefit. Temperature control of
the resistance furnace is usually quite complex due to its delays and nonlinearities. If it
is possible to combine many methods together it can bring a high efficiency in the
control. Essay gives general overview of resistance furnace and temperature control of
resistance furnace through PID, fuzzy and neuronal-fuzzy. The author has given the
results obtained in the process of researching and provided the research direction for
the next topic.
Key words – Resistance furnace, fuzzy, neural fuzzy, back propagation.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................1
4. Nội dung nghiên cứu...........................................................................................2
5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 2
7. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN ...................................................... 4
1.1. Giới thiệu chung về lò điện ...................................................................................... 4
1.1.1. Định nghĩa.....................................................................................................4
1.1.2. Đặc điểm của lò điện ....................................................................................4
1.2. Giới thiệu chung về lò điện trở ................................................................................. 5
1.2.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở ............................................................... 5
1.2.2. Phân loại lò điện trở ......................................................................................5
1.2.3 Vật liệu làm dây điện trở ...............................................................................6
1.2.4 Các loại lị điện trở thơng dụng .....................................................................6
1.3. Khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở ............................................................... 7

1.4. Các loại cảm biến nhiệt độ ....................................................................................... 8
1.5 Mạch điều áp xoay chiều ba pha: .............................................................................. 9
1.6. Thiết kế tính tốn tính chọn van bán dẫn. .............................................................. 11

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ NƠRON MỜ........................................ 14
2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 14
2.2. Tổng quan về điều khiển mờ .................................................................................. 14
2.2.1. Giới thiệu ....................................................................................................14
2.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ ...................................................................16
2.3. Tổng quan về mạng nơron ...................................................................................... 26
2.3.1. Giới thiệu ....................................................................................................26
2.3.2. Lịch sử phát triển của mạng nơron nhân tạo ...............................................26
2.3.3 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo .....................................................................27
2.3.4 Mơ hình nơron ............................................................................................. 29
2.3.5. Cấu trúc mạng ............................................................................................. 30
2.3.6. Huấn luyện mạng ........................................................................................33


2.4. Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ .............................................................. 34
2.4.1. Vài nét về lịch sử phát triển ........................................................................34
2.4.2. Logic mờ .....................................................................................................34
2.4.3. Mạng nơron .................................................................................................35
2.4.4. Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ ...................................................35
2.4.5. Cấu trúc chung của hệ nơron mờ ................................................................ 36
2.4.6. Giới thiệu ANFIS........................................................................................37
2.4.7. Cấu trúc bộ điều khiển theo ANFIS ........................................................... 37
2.4.8. Cơ chế huấn luyện của ANFIS ...................................................................40
2.4.9. Luật học lan truyền ngược BP (Back propagation). ...................................41

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ

VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................................................................. 42
3.1 Điều khiển nhiệt độ trong lò điện trở sử dụng bộ điều khiển PID. ......................... 42
3.1.1. Khái niệm về bộ điều khiển PID................................................................. 42
3.1.2. Điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng bộ điều khiển PID. ......................43
3.2. Điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng bộ điều khiển NN-PID ............................ 45
3.2.1. Bộ điều khiển NN-PID ...............................................................................46
3.2.2. Xây Dựng Bộ Nhận Dạng Đối Tượng Nơron-RBF (Radial Basic Function
Neural Network): ...........................................................................................................48
3.3. Điều khiển nhiệt độ trong lò điện trở sử dụng bộ điều khiển mờ........................... 50
3.4. Điều khiển nhiệt độ trong lò điện trở sử dụng thuật toán mờ - nơron. ................... 56
3.5. Tổng hợp đánh giá các bộ điều khiển ..................................................................... 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 61
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ANFIS

Adaptive neuro-fuzzy inference system.

BP
FIS

Back propagation.
Fuzzy inference system

MISO

MIMO
Mo

Multinput – Single output.
Multinput – Multoutput.
Molipden

NN-PID
RBFNN

Neural-Porportional integral derivative.
Radial Basic Function Neural Network

SISO
Ta
W

Single input – Single output.
Tantan
Wonfram


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

2.1

So sánh mạng nơron và logic mờ

35

3.1

Thông số đạt được của bộ điều khiển PID.

45

3.2

Thông số đạt được của bộ điều khiển NN-PID.

50

3.3

Bảng luật điều khiển.

51

3.4

Thông số đạt được của bộ điều khiển mờ.

55

3.5

3.6

Thông số đạt được của bộ điều khiển mờ nơron
dùng thuật toán lan truyền ngược
Tổng hợp các số liệu từ các bộ điều khiển.

58
60


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu hình

Tên hình

Trang

1.1

Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển
nhiệt độ

8

1.2

Sơ đồ 2 thysistor đấu song song ngược nhau.

9

1.3

Đồ thị của mạch điều áp xoay chiều.

10

1.4

Sơ đồ sáu thysistor đấu thành ba cặp song song
ngược.

11

1.5

Sơ đồ sáu thysistor đấu thành ba cặp song song
ngược.

11

2.1

Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ.

16

2.2

Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ

17

2.3

Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành Maxmin

19

2.4

Hàm liên thuộc vào- ra theo luật hợp thành maxpro

20

2.5

Hàm liên thuộc vào ra theo luật hợp thành summin

21

2.6

Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sumprod

22

2.7

Giải mờ bằng nguyên tắc trung bình

23

2.8

Giải mờ bằng nguyên tắc cận trái

24

2.9

Giải mờ bằng nguyên tắc cận phải

24

2.10

Giải mờ bằng phương pháp điều khiển trọng tâm

25

2.11

So sánh các phương pháp giải mờ.

26

2.12

Mơ hình 2 nơron sinh học

27

2.13

Mơ hình nơron đơn giản

29

2.14

Mạng nơron 3 lớp

29

Mơ hình nơron đơn giản

29

2.16

Nơron với R đầu vào

30

2.17

Ký hiệu nơron với R đầu vào

30

2.18

Cấu trúc mạng nơron 1 lớp

31

2.19

Ký hiệu mạng R đầu vào và S

31

2.15 a,b


Số hiệu hình

Tên hình

Trang

2.20

Ký hiệu một lớp mạng

32

2.21

Cấu trúc mạng nơron 3 lớp

32

2.22

Ký hiệu tắt của mạng nơron 3 lớp

32

2.23

Cấu trúc huấn luyện mạng

33

2.24

Kiến trúc kiểu mẫu của một hệ nơron mờ

36

2.25

Mơ hình hệ nơron mờ

36

2.26

Cấu trúc chung của hệ nơron mờ

36

2.27

Cấu trúc của bộ điều khiển theo ANFIS

38

2.28

Quan hệ vào/ra điển hình của nơron

38

3.1

Sơ đồ luật điều khiển PID

42

3.2

Sơ đồ nguyên lý điều khiển với bộ điều khiển PID

43

3.3

Mô phỏng bộ điều khiển PID cho lò điện trở

44

3.4

Khối điều khiển PID

44

3.5

Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID cho lò điện
trở

45

3.6

Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt

45

3.7

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID – một Nơron

46

3.8

Cấu trúc mạng Nơron-RBF

48

3.9

Mô phỏng trên matlab bộ điều khiển NN-PID

49

3.10

Kết quả mơ phỏng bộ điều khiển NN-PID cho lị
điện trở.

50

3.11

Điều khiển mờ cho lị điện trở.

50

3.12

Giao diện FIS

52

3.13

Mờ hóa sai lệch.

53

3.14

Mờ hóa tích phân sai lệch.

53

3.15

Mờ hóa điện áp điều khiển

54

3.16

Quan hệ vào ra của bộ điều khiển

54

3.17

Quan sát hoạt động của các luật

54

3.18

Mô phỏng bộ điều khiển mờ cho lị điện trở.

55

3.19

Kết quả mơ phỏng bộ điều khiển mờ cho lò điện
trở.

55

3.20

Tải dữ liệu huấn luyện lên ANFIS

56

3.21

Huấn luyện mạng

57


Số hiệu hình

Tên hình

Trang

3.22

Cấu trúc điều khiển mờ - nơron

57

3.23

Mơ phỏng bộ điều khiển mờ - nơron cho lò điện
trở.

58

3.24

Kết quả mơ phỏng bộ điều khiển mờ - nơron cho
lị điện trở.

58

3.25
3.26

Tổng hợp mô phỏng 4 bộ điều khiển PID,NN-PID,
mờ, mờ nơron.
Kết quả mô phỏng các bộ điều khiển PID, NNPID, mờ, mờ nơron.

59
59

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngững phát triển, đặc biệt đối với nước ta
đang trong thời kỳ cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa, cũng chính vì mục tiêu đó mà việc
ứng dụng các phương pháp điều khiển mới linh hoạt hơn vào điều khiển tự động là rất
cần thiết.
Những phương pháp điều khiển cổ điển hầu như dựa trên nền toán học chính xác.
Tuy nhiên kỹ thuật điều khiển mờ bắt nguồn từ những sách lượt và kinh nghiệm của
chuyên gia đã có thể thốt được những ràng buộc từ những phương pháp tốn học
chính xác. Cũng chính vì vậy mà điều khiển mờ được ứng dụng rộng rãi trong điều
khiển q cơng nghiệp. Bên cạnh điều khiển mờ ta cịn có phương pháp điều khiển sử
dụng mạng nơron tái tạo lại chức năng giống con người đã mở ra một hướng mới trong
việc giải quyết các bài toán kỹ thuật và kinh tế.
Điều khiển nhiệt độ lò điện trở thường khá phực tạp do đối tượng có tính trễ và
phi tuyến. Ngày nay với sự ra đời của nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, mỗi
phương pháp chắc chắn sẽ có những điểm mạnh riêng. Nếu có thể kết hợp tốt các
phương pháp với nhau có thể mang đến một hiệu quả cao trong điều khiển.
Cũng chính vì những yếu tố trên mà việc kết hợp hệ mờ và nơron được nghiên
cứu là mục đích của đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ nơ ron cho lò điện
trở sử dụng thuật toán lan truyền ngược cải tiến”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu các đặc trưng của mạng nơ ron nhân tạo, khả năng và các nguyên tắc để
ứng dụng thành công mạng nơ ron nhân tạo trong thực tế. Xây dựng lý thuyết sử dụng
phương pháp mờ - nơ ron thuật toán lan truyền ngược điều khiển nhiệt độ lò điện trở.
Làm cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về lò điện trở và nền tảng để chế tạo mơ hình
điều khiển nhiệt độ lị điện trở.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu

- Q trình thay đội nhiệt độ lị điện trở
- Lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơron
- Thuật toán lan truyền ngược cải tiến.
- Phần mềm Matlab & Simulink mơ phỏng q trình điều khiển nhiệt độ lị điện
trở.


2
3.2. Phạm vi nghiên cứu

- Điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng phương pháp điều khiển PID, điều
khiển mờ và mờ nơ ron thuật toán lan truyền ngược và lan truyền ngược cải tiến.

- Mơ phỏng q trình điều khiển nhiệt độ lò điện trở.
4. Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu mơ hình lị điện trở.
- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơron, và kết hợp mạng nơron
với hệ mờ.

- Nghiên cứu xây dựng mô phỏng q trình điều khiển nhiệt độ lị điện trở bằng
phần mềm Matlab & Simulink.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với việc làm mô phỏng thực nghiệm:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng điều khiển
mờ, mạng nơ ron nhân tạo và thuật toán lan truyền ngược cải tiến.

- Nghiên cứu bộ điều khiển PID, điều khiển mờ và điều khiển mờ nơ ron để điều
khiển nhiệt độ lò điện trở.

- Đề tài thực hiện trong phạm vi mô phỏng mơ hình trên cơng cụ Matlab –
Simulink sẽ là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu trong thực tế.

- Trên cơ sở các kết quả mô phỏng rút ra kết luận.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
6.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Nghiên cứu này cũng như các nghiên cứu khác có cùng mục tiêu nâng cao độ
chính xác sẽ cung cấp thêm cho những nhà nghiên cứu, đề tài sẽ mang lại một hướng
mới trong việc thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ trong lị điện trở, ngồi việc dùng bộ
điều khiển PID hoặc bộ điều khiển mờ. Bộ điều khiển mờ nơ ron có thể cho khả năng
điều khiển tốt hơn đối với đối tượng điều khiển là nhiệt độ.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Đề tài thực hiện làm cơ sở để thực hiện các bộ điều khiển sử dụng thuật toán mờ
nơ ron với chất lượng đạt yêu cầu.
7. Cấu trúc luận văn
MỞ ĐẦU
Luận văn gồm có 3 chương:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LỊ ĐIỆN
Giới thiệu về lị điện trở, mơ hình, ngun lý hoạt động.
Lựa chọn tính tốn thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha.


3
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ NƠRON MỜ.
Chương này tổng hợp trình bày lý thuyết điều khiển mờ, mạng neuron và kết hợp
mạng nơron với hệ mờ. Thuật toán lan truyền ngược.

Chương 3: MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ
ĐÁNH GIÁ.
Điều khiển bằng các phương pháp PID, NN-PID, mờ, mờ nơron sử dụng thuật
toán lan truyền ngược. Tổng hợp và đánh giá các bộ điều khiển.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN
1.1. Giới thiệu chung về lò điện
1.1.1. Định nghĩa
Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây
đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt
năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường được dùng để
nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu…
- Lò điện trở được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:
 Sản xuất thép chất lượng cao.
 Sản xuất các hợp kim phe-rơ.
 Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện.
 Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi.
 Sản xuất đúc và kim loại bột
- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:
 Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ vật phẩm
và chuẩn bị thực phẩm.
 Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thủy
tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v…
Lị điện khơng những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được
dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú
và đa dạng: Bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện

v.v…
1.1.2. Đặc điểm của lị điện
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 chế độ nhiệt và
chế độ nhiệt độ.
Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân khơng hoặc trong mơi
trường có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy hao kim loại nhỏ.
Có khả năng cơ khí hóa tự động hóa.


5
Đảm bảo điều kiện vệ sinh: khơng bụi, khơng khói, ít tiếng ồn.
Tuy lị điện có nhiều ưu điểm so với các lò nhiên liệu, nhưng cần lưu ý rằng:
điện năng là dạng năng lượng quý, đắt.
1.2. Giới thiệu chung về lò điện trở
1.2.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dịng điện chạy qua một dây dẫn
hoặc vật dẫn có điện trở là R (vật rắn hoặc chất lỏng), nó sẽ tỏa ra nhiệt lượng trong
vật thể theo định luật Joule-Lence. Năng lượng nhiệt này sẽ đốt nóng bản thân vật dẫn
hoặc gián tiếp đốt nóng các vật nung xếp gần đó. Những thiết bị nung làm việc theo
nguyên tắc này được gọi là lò điện trở. Dây dẫn hoặc vật nung có dịng điện chạy qua
được gọi là dây điện trở hoặc dây nung.
Q  I 2 RT

Q – Lượng điện tính bằng Jun (J)
I – Dịng điện tính bằng Ampe (A)
R – Điện trở tính bằng Ơm (  )

T – Thời gian tính bằng giây (s)
1.2.2. Phân loại lò điện trở
a. Phân loại theo phương pháp tỏa nhiệt.
- Lò điện trở tác dụng trực tiếp: lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở mà vật
nung được nung nóng trực tiếp bằng dịng điện chạy qua nó. Đặc điểm của lị này là
tốc độ nung nhanh, cấu trúc đơn giản. Để đảm bảo nung đều thì vật nung có tiết diện
như nhau theo suốt chiều dài của vật.
- Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt năng tỏa ra ở dây điện trở
(dây đốt), rồi dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn nhiệt.
b. Phân loại theo nhiệt độ làm việc.
- Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lị dưới 6500C.
- Lị nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc của lò từ 6500C đến 12000C.
- Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò trên 12000C.
c. Phân loại theo nơi dùng.
- Lị dùng trong cơng nghiệp.
- Lị dùng trong phịng thí nghiệm.
- Lị dùng trong gia đình.
d. Phân loại theo đặc tính làm việc
- Lị làm việc liên tục.
- Lò làm việc gián đoạn.


6
e. Phân loại theo kết cấu lò: Lò buồng, lò giếng, lị chụp, lị bể…
f. Phân loại theo mục đích sử dụng: có lị tơi, lị ram, lị ủ, lị nung…
1.2.3 Vật liệu làm dây điện trở
a. Dây điện trở bằng hợp kim:
+Hợp kim Crôm – Niken (Nicrôm). Hợp kim này có độ bền cơ học cao vì
có lớp màng Oxit Crôm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở suất lớn,
hệ số nhiệt điện trở bé, sử dụng với lị có nhiệt độ làm việc dưới 12000C.

+ Hợp kim Crơm - Nhơm (Fexran), có các đặc điểm như hợp kim Nicrơm
nhưng có nhược điểm là giịn, khó gia công, độ bền cơ học kém trong môi
trường nhiệt độ cao.
b. Dây điện trở bằng kim loại:
Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden (Mo),
Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lò điện trở chân khơng hoặc lị
điện trở có khí bảo vệ.
c. Điện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại
+ Vật liệu Cacbuarun (SiC) chụi được nhiệt độ cao tới 14500C, thường
dùng cho lị điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tơi dụng cụ cắt gọt.
+ Cripton là hỗn hợp của graphic, cacbuarun và đất sét, chúng được chế tạo
dưới dạng hạt có đường kính 2-3mm, thường dùng cho lị điện trở trong
phịng thí nghiệm u cầu nhiệt độ lên đến 18000C.
1.2.4 Các loại lị điện trở thơng dụng
Theo chế độ nung, lị điện trở phân thành hai nhóm chính:
a. Lị nung nóng theo chu kỳ
Bao gồm:
+ Lị buồng thường dùng để nhiệt luyện kim loại (thường hố,
ủ, thấm than v.v…). Lị buồng được chế tạo với cấp công suất từ 25kW đến
75kW. Lị buồng dùng để tơi dụng cụ có nhiệt độ làm việc tới 13500C, dùng
dây điện trở bằng các thanh nung cacbuarun.
+ Lị giếng thường dùng để tơi kim loại và nhiệt luyện kim loại.
Buồng lị có dạng hình trụ trịn được chơn sâu trong lịng đất có nắp đậy. Lị
giếng được chế tạo với cấp cơng suất từ 30 ÷ 75kW.
+ Lị đẩy có buồng kích thước chữ nhật dài. Các chi tiết cần
nung được đặt lên giá và tôi theo từng mẻ. Giá đỡ chi tiết được đưa vào
buồng lò theo đường ray bằng một bộ đẩy dùng kích thuỷ lực hoặc kích khí
nén.

7
b. Lị nung nóng liên tục
Bao gồm:
+ Lị băng: buồng lị có tiết diện chữ nhật dài, có băng tải chuyển động liên
tục trong buồng lò. Chi tiết cần gia nhiệt được sắp xếp trên băng tải. Lò
buồng thường dùng để sấy chai, lọ trong công nghiệp chế biến thực phẩm.
+ Lò quay thường dùng để nhiệt luyện các chi tiết có kích thước nhỏ (bi,
con lăn, vịng bi), các chi tiết cần gia nhiệt được bỏ trong thùng, trong q
trình nung nóng, thùng quay liên tục nhờ một hệ thống truyền động điện.
1.3. Khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở
Đặt vấn đề
+ Theo đinhl luật Joule – Lence
Q  0.238.I 2 .R.t [Cal]

(1. 1)

Trong đó: Q - nhiệt lượng toả ra của dây điện trở, cal;
I - dòng điện đi qua dây điện trở, A;
R - điện trở của dây điện trở, Ω;
t - thời gian dòng điện chạy qua dây điện trở, s;
+ Thời gian nung chi tiết đến nhiệt độ yêu cầu:
t

G.C (t1  t2 )
[s]
a

(1.2)

Trong đó: G- khối lượng của chi tiết có độ dài 100mm, kg;

t1- nhiệt độ yêu cầu, 0C;
t2- nhiệt độ mơi trường, 0C;
C- nhiệt dung trung bình của chi tiết cần nung;
a- tốc độ toả nhiệt của chi tiết có độ dài 100mm, kcal/s.
+ Cơng suất điện cần cung cấp cho chi tiết có độ dài là 1mm:
P2 

4.18.l.a
[kW]
100

(1. 3)

+ Cơng suất tiêu thụ của lị điện trở:
P1 

P2
[kW]
 .cos 

(1. 4)

Trong đó: η - hiệu suất của lị (η = 0,7 ÷ 0,75);
φ - hệ số cơng suất của lị (cosφ = 0,8 ÷ 0,85).
Từ biểu thức trên ta rút ra rằng: để điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở có thể
thực hiện bằng cách điều chỉnh cơng suất cấp cho lị điện trở.
Điều chỉnh cơng suất cấp cho lị điện trở có thể thực hiện bằng các phương


8

pháp sau:
- Hạn chế công suất cấp cho dây điện trở bằng cách đấu thêm điện trở phụ
(cuộn kháng bão hoà, điện trở).
- Dùng biến áp tự ngẫu, hoặc biến áp có nhiều đầu dây sơ cấp để cấp cho lò
điện trở.
- Thay đổi sơ đồ đấu dây của dây điện trở (từ tam giác sang sao, hoặc từ
nối tiếp sang song song).
- Đóng cắt nguồn cấp cho dây điện trở theo chu kỳ.
- Dùng bộ điều áp xoay chiều để thay đổi trị số điện áp cấp cho dây điện
trở.
1.4. Các loại cảm biến nhiệt độ
Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ được trình bày
trên hình

Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển nhiệt độ
Trong sơ đồ khối chức năng gồm có các khâu chính sau:
- Lị điện trở 3 là đối tượng điều chỉnh với tham số điều khiển là nhiệt độ của lò (t0).
- Bộ điều chỉnh và ổn định n.
Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều nhiệt độ 2 (thay đổi các chỉnh
và ổn định nhiệt độ lò điện trở thơng số nguồn cấp cấp cho lị điện trở)
- Bộ tổng hợp tín hiệu điều khiển 1 (ε = t0 đặt – t0ph).
- Cảm biến nhiệt độ 4, có chức năng gia cơng ra một tín hiệu điện tỷ lệ với
nhiệt độ của lị.
Để nâng cao độ chính xác khi khống chế và ổn đinh nhiệt độ của lò điện
trở, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở là hệ thống kín (có mạch vịng
phản hồi).
Việc điều chỉnh và ổn đinh nhiệt độ của lị được thực hiện thơng qua việc
thay đổi các thơng số nguồn cấp cho lị. Như vậy tín hiệu phản hồi tỷ lệ với
nhiệt độ của lò trong hệ thống khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở.

9
Hiện nay thường dùng các loại cảm biến nhiệt độ sau:
+ Nhiệt kế thủy ngân: Chiều cao của cột nước thủy ngân tỷ lệ thuận với nhiệt độ
của lò. Cấu tạo của nó gồm có: 1- điện cực tĩnh (có thể dịch chuyển được nhờ nam
châm vĩnh cửu); 2- Nước thủy ngân đóng vai trị như một cực động; 3- Vỏ thủy tinh.
Như vậy, điện cực 1 và 2 tạo thành một cặp tiếp điểm. Khi nhiệt độ trong lò nhỏ
hơn trị số nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1-2 còn hở, còn khi nhiệt độ của lò bằng hoặc lớn hơn
nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1-2 kín. Việc thay đổi trị số nhiệt độ đặt thực hiện bằng cách
dịch chuyển điện cực tĩnh 1 bằng nam châm vĩnh cửu.
- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, cùng một lúc thực hiện ba chức năng: cảm biến,
khâu chấp hành và chỉ thị nhiệt độ.
- Nhược điểm: Chỉ dùng được đối với lò điện nhiệt độ thấp (t 0  6500 C ) , độ nhạy
khơng cao do qn tính nhiệt của nước thủy ngân lớn.
1.5 Mạch điều áp xoay chiều ba pha:
Như đã nói ở trên, cơng suất ra tải của lị được tính theo cơng thức:
P

U 2f
Rt

(1. 5)

Như vậy, để thay đổi cơng suất đưa ra tải, ta có thể thay đổi Rt hoặc U f . Tuy
nhiên trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi U f để có thể thay đổi cơng
suất ra tải.
Khi có sẵn một nguồn điện xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải ta có thể
dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều (ĐAXC) dùng van bán dẫn. Việc điều chỉnh
điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm
mở của van so với điểm qua không của điện áp nguồn, vì vậy cịn gọi là phương pháp

điều khiển pha (thay đổi góc mở van).
Do diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra tải là
xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều người ta không dùng diot mà dùng triac
vì đây là loại van bán dẫn duy nhất cho phép dịng điện xoay chiều đi qua nó. Tuy
nhiên, do triac không thông dụng bằng thysistor nên thực tế người ta thường dùng sơ
đồ 2 thysistor đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới:

Hình 1.2: Sơ đồ 2 thysistor đấu song song ngược nhau.


10
Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp
thyristor đấu song song ngược này là dòng xoay chiều. Các van Thyristor được phát
xung điều khiển lệch nhau góc 1800 điện để đảm bảo dịng qua cặp van là hồn tồn
đối xứng.
Một ưu điểm của việc sử dụng hai thyristor đấu song song ngược nhau thay thế
cho triac trong mạch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở và khóa
thyristor dễ dàng hơn nhiều so với triac.
Ta có đồ thị dạng điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều:

Hình 1.3: Đồ thị của mạch điều áp xoay chiều.
Các mạch điều áp xoay chiều có nhược điểm cơ bản là trong q trình điểu
chỉnh, mạch ln làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, cả dạng dòng điện và điện áp
ra tải đều không sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở như lò điện trở, bóng đèn
loại sợi đốt vv… Dịng điện sẽ liên tục và đồng thời trở thành hình sin hồn chỉnh chỉ
khi điện áp ra tải lấy bằng điện áp nguồn. Như vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận được
một dải n sóng hài hình sin. Mặc dù vậy, với tải là điện trở thuần của lị điện trở thì
việc dạng điện áp ra tải không sin cũng không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của lò.
Các mạch điều áp xoay chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng như biến áp hoặc
động cơ điện,… nên chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn.

Trong thực tế công nghiệp, các mạch điều áp xoay chiều thường sử dụng là các
mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hình sao (Y) hoặc tải hình tam giác (  ). Quá
trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp hơn nhiều so với mạch
một pha vì ở đây các pha ảnh hưởng mạnh sang nhau và nó cịn tùy thuộc vào nhiều
yếu tố như sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải…
Hình dưới là sơ đồ thường dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu thyristor đấu thành ba
cặp song song ngược.


11

Hình 1.4: Sơ đồ sáu thysistor đấu thành ba cặp song song ngược.
1.6. Thiết kế tính tốn tính chọn van bán dẫn.
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện trở dưới đây ta sử dụng
mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu
sao.
Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa cơng suất ra tải P và góc điều khiển  :
Với   0  600
P

2
3U dm
  sin 2
[  
]
R 6 4
8

(1. 6)

Với   600  900
2
3U dm
 3
3
P
(  sin 2 
cos 2 )
 R 12 16
16

(1. 7)

Với   900 1500
P

2
3U dm
5 
3
1
(  
cos 2  sin 2 )
 R 24 4 16
16

Hình 1.5: Sơ đồ sáu thysistor đấu thành ba cặp song song ngược.

(1. 8)

12
Cơng suất định mức của lị điện là Pdm  90 (kW)
Tổn hao của lò điện P  3 (kW)
Trong thực tế, lị điện có thể coi là hộ tiêu dùng điện loại một, nghĩa là nguồn
cung cấp cho lò điện là ổn định. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả cũng như sự an tồn
trong hoạt động của lị điện, ta sẽ chọn một lượng công suất dự trữ cho lị điện đề
phịng trường hợp điện áp nguồn vì một lý do nào đó bị sụt áp. Ngồi ra, trong q
trình hoạt động của mình, lị điện cũng chịu thêm một số tổn thất khác như tổn thất
trên các van bán dẫn, tổn thất trên đường dây … nhưng do khơng đáng kể so với tổng
tổn thất vì nhiệt của lị nên ta có thể bỏ qua.
Khi  = 0 thì điện áp ra tải là hình sin hồn tồn và đồng thời cơng suất ra tải
cũng đạt cơng suất lớn nhất P  Pmax vì vậy để đảm bảo đủ bù các tổn hao đã nói ở trên
ta chọn cơng suất lớn nhất của lị ứng với khi góc điều khiển  = 0 là:
P  Pmax  50

(kW)
Dựa vào cơng thức (1) ta tính được cơng suất ra tải khi  = 0
Pmax 

2
U dm
U2
3802
 1, 444 (  )
 Rt  dm 
2 Rt
2 Pmax 2.50.103

(1.9)

(1.10)

Ta xác định được dây điện trở của lị có giá trị là 1,444  . Từ đây, dựa vào
công nghệ chế tạo ta có thể tiến hành thiết kế chi tiết cho dây điện trở để có thể đảm
bảo được các yêu cầu kinh tế kỹ thuật của lò điện.
Tiếp theo, ta tiến hành chọn van thông qua các thông số kỹ thuật của van là điện
áp ngược lớn nhất, dịng trung bình qua van…
Như đã nói ở trên hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor
đấu song song ngược có nguyên lý hoạt động trong một chu kỳ cũng giống như
nguyên lý của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia. Vì vậy, ta có thể hồn tồn áp dụng các
thơng số chọn van của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia cho mạch điều áp xoay chiều ba
pha sáu thyristor đấu song song ngược. Cụ thể:
Điện áp ngược lớn nhất trên van:
U ng max  6U f  2U dm



(1.11)

U ng max  2.380  537

(V)
(1.12)
Nhận xét: khi góc điều khiển  = 0 điện áp ra tải là hình sin và như vậy dịng
trung bình qua van lúc này là lớn nhất. Từ đây ta có thể xác định được giá trị dịng
điện trung bình qua van.


13



Itb max 

1
I max sin 
2 0

(1.13)

(do tải thuần trở nên i trùng pha với u)

 I tb max 

U f max

 I tb max 

220. 2
 68.6 (A)
 .1, 444

2 R

[  cos s( )  ( cos 0)]

(1.14)

Khi chọn van ta phải chú ý đến điều kiện làm mát cho van vì khi hoạt động, van
tỏa nhiệt rất lớn nên điều kiện làm mát cho van sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả cũng như

tuổi thọ của van. Nếu van hoạt động trong điều kiện được làm mát bằng khơng khí nhờ
cánh tản nhiệt thì van có thể làm việc tốt với 25% dòng định mức. Nếu van làm việc
trong điều kiện làm mát bằng quạt gió cưỡng bức thì van có thể chịu được đến 30 
60% dịng định mức. Nếu làm mát bằng nước thì van có thể chịu được đến 80% dịng
định mức.
Thơng thường trong cơng nghiệp thì van phải được làm mát tồi nhất là bằng
khơng khí có quạt gió cưỡng bức. Trong nhiệm vụ thiết kế lị điện này thì dịng qua
van khơng q lớn nên ta có thể chọn chế độ làm mát cho van bằng khơng khí có quạt
gió cưỡng bức. Ta chọn các điều kiện thích hợp để van có thể chịu dịng tới 40% dịng
định mức của van.
Khi đó
I tb 

I tb max 68.6

 172 (A)
40% 40%

Để chọn giá trị của điện áp ngược lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ số dự trữ điện
áp ku  1.6  2
ta chọn : ku  1.6
U ng  ku .U ng max  1.6  537  860 (V)

Từ các giá trị của I tb và U ng , tra trong sổ tay ta chọn được van C358 do hãng G.E của
Mỹ chế tạo với các thông số sau:
U ng  500  1200 (V)

I tb  225 (A)
di
 200

dtmax

Kết luận, trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện trở này ta cần
dùng sáu van thyristor C358 do hãng G.E chế tạo.


14

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ NƠRON MỜ
2.1. Đặt vấn đề
Từ những năm 20, lý thuyết tập mờ và mạng noron nhân tạo đã phát triển rất
nhanh và được quan tâm. Với logic mờ, trí tuệ nhân tạo phát triển mạnh mẽ tạo cơ sở
xây dựng các hệ chuyên gia, những hệ có khả năng cung cấp kinh nghiệm điều khiển
hệ thống. Trí tuệ nhân tạo được xây dựng dựa trên mạng noron nhân tạo. Sự kết hợp
giữa logic mờ và mạng noron trong thiết kế hệ thống điều khiển tự động là một
khuynh hướng hoàn toàn mới, phương hướng thiết kế hệ điều khiển thông minh, một
hệ thống mà bộ điều khiển có khả năng tư duy như bộ não con người, tức là nó có khả
năng tự học, tự chỉnh định lại cho phù hợp với sự thay đổi không lường được trước
của đối tượng.
Nhờ đã biết hệ mờ và mạng nơron đều có khả năng làm việc trong những hệ
thống khơng ổn định, khơng chính xác và điều kiện môi trường khắc nghiệt. Hệ thống
mờ và mạng nơron đó có nhiều ví dụ thực hiện đánh giá và so sánh chúng.
Ngày nay các nhà thiết kế đó áp dụng một cách rộng rãi và có hệ thống logic mờ
và mạng nơron trong lĩnh vực điều khiển học. Ý tưởng là triệt tiêu các nhược điểm và
đạt được các ưu điểm của cả hai cơng nghệ, điều này có nghĩa là hai cơng nghệ kết
hợp để tối đa hóa điểm mạnh của từng công nghệ và bổ sung những nhược điểm để
hợp thành một hệ thống mới tối ưu hơn.
Hệ thống hợp nhất này sẽ có ưu điểm của cả hai: Mạng nơron (khả năng học,
khả năng tối ưu hoá, sự kết nối về cấu trúc) và hệ mờ (sự thông minh của con người

qua luật mờ if - then, sự thuận lợi của việc am hiểu kiến thức chuyên môn một cách
chặt chẽ của các chuyên gia).
2.2. Tổng quan về điều khiển mờ
2.2.1. Giới thiệu
Trong lịch phát triển của cơng nghệ hiện đại, sự đóng góp của điều khiển lơgic
là cực kỳ to lớn. Nó đó đóng vai trị rất quan trọng khơng chỉ trong các ngành khoa
học tự nhiên mà cịn là một mơn khoa học khơng thể thiếu được đối với khoa học xã
hội ngay cả trong suy luận đời thường. Ngày nay, lơgic tốn học kinh điển đó tỏ ra
cịn nhiều hạn chế trong những bài tốn nảy sinh từ cơng việc nghiên cứu và thiết kế
những hệ thống phức tạp. Đặc biệt là những lĩnh vực cần sử dụng trí tuệ nhân tạo hay
trong công việc điều khiển và vận hành các hệ thống lớn có độ phức tạp cao cần sự
giúp đỡ của hệ các chuyên gia.