Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp thay đổi thời gian đốt cho lò nhiệt điện”

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
*********
ĐỒ ÁN
VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ
ĐỀ TÀI :Điều khiển nhiệt độ lò Oven
Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Văn Vinh
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Mạnh
Mã sinh viên : 0541240041
Lớp : TĐH1 – K5
1
Mở đầu
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai
trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công
nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc Vì vậy việc sử
dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết. Lò điện
trở được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực
tiễn đặt ra. Ở lò điện trở, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và
khống chế được nhiệt độ của lò. Với đề tài “ Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ
bằng phương pháp thay đổi thời gian đốt cho lò nhiệt điện” trên cơ sở những lý
thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lý thuyết điều khiển, kèm theo đó là
kiến thức của các môn học cơ sở ngành và các môn học có liên quan như Đo lường
cảm biến, VMTT – VMS … Đề tài được chia làm 3 chương như sau:

. * Chương I: Tìm hiểu chung về mạch KĐTT, mạch PID, phương pháp thay
đổi công suất sấy bằng cách thay đổi thời gian cấp điện.
* Chương II: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò điện với bộ điều
khiển PID.
* Chương III: Xây dưng chương trình mô phỏng.
2

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH KĐTT,
MẠCH PID, PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI CÔNG SUẤT
SẤY BẰNG CÁCH THAY ĐỔI THỜI GIAN CẤP ĐIỆN
I/ Khái quát về mạch KĐTT:
1) Khái niệm chung:
- Khuếch đại có nghĩa là dung năng lượng nhỏ làm thay đổi (điều khiển) một
năng lượng lớn khác. Năng lượng nhỏ được gọi là năng lượng điều khiển. Năng
lượng lớn gọi là năng lượng bị điều khiển.
- Trong mạch điện tử mạch khuếch đại được xây dựng từ các phần tử tích cực và
các phần tử thụ động. Các phần tử tích cực là tranzito, mạch khuếch đại thuật
toán…. Các phần tử thụ động là điện trở, tụ điện, điện cảm.
- Mạch khuếch đại dùng để khuếch đại dòng điện, khuếch đại điện áp và khuếch
đại công suất. Quá trình điều khiển dòng điện, điện áp trong mạch khuếch đại diễn
ra nhờ các phần tử tích cực.
2) Mô hình:
i
I
i
O
U
S
U
I
U
O
R
L
R
S
R

I
R
O
+) Điện áp vào : U
I
(V) +) Tín hiệu ra : U
O
(V).
+) Dòng điện vào: i
I
(A) +) Dòng điện ra: I
O
(A)
+) Điện trở vào : R
I
() +) Điện trở ra : R
O
(Ω)

Ngoài ra còn có thể có cả nguồn tín hiệu vào của mạch khuếch đại U
S
và điện trở nguồn tín
hiệu R
S
(Ω).
3) Một số quan hệ giữa các đại lượng:
a) Quan hệ giữa dòng điện - điện áp lối vào:
U
I
= U

S
Trong khi đó, dòng điện cửa vào: i
I
= U
S
3
Mạch
khuếch đại
Vậy ta có: U
I
= i
I
R
I

b) Quan hệ giữa dòng điện - điện áp ra:
Ta phân biệt hai trường hợp trong quan hệ giữa dòng điện - điện áp cửa ra, đó là:
.) Khi chưa có tải: U
O
= U
OH
( trong đó U
OH
là điện áp cửa ra khi hở mạch
.) Khi có tải với điện trở của phụ tải là R
L
, thì điện áp cửa ra là:
U
O
= i

O
R
L
c) Hệ số khuếch đại áp : K
U
=
d) Hệ số khuếch đại dòng : K
I
=
e) Hệ số khuếch đại đêxiben: K
U
= 20lgK
U
(dB).
II/ Khái quát về mạch PID:
Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: Tỉ lệ (P), Vi phân (D), Tích phân (I).
Mỗi thành phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống. Cụ thể:
4
1. Thành phần Tỉ lệ (P):
* Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t).
Phương trình sai phân mô tả động học:
u(t) = Km.e(t)
trong đó: u(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển.
e(t): tín hiệu vào.
Km : hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển.
+ Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:
W(p) = U(p)/E(p) = Km
+ Hàm truyền đạt trong miền tần số:
W(jω) = Km
+ Hàm quá độ là hàm mô tả tác động tín hiệu vào 1(t):

h(t) = Km.1(t)
+ Hàm quá độ xung:
(δ(t) là xung Dirac)
* Từ các đặc tính trên ta thấy quy luật tỉ lệ phản ứng như nhau đối với tín hiệu
ở mọi dải tần số, góc lệch pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra bằng 0, tín hiệu ra sẽ
tác động ngay khi có tín hiệu vào.
+ Sai lệch hệ thống:
Hình I.1.2
Sai lệch của hệ thống được tính:
5
Theo hình I.1.2, ta có:
E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) – Km .Wdt(p).E(p)
Từ các phân tích trên ta thấy thành phần tỉ lệ (P) có tác dụng làm giảm sai lệch
tĩnh, thời gian tác động nhanh.
2. Thành phần tích phân (I):
* Tín hiệu điều khiển ut) tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch e(t)
Phương trình vi phân mô tả động học:
trong đó: U(t): tín hiệu điều khiển
e(t) : tín hiệu vào của bộ điều khiển
Ti : hằng số thời gian tích phân
+ Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:
+ Sai lệch của hệ thống:
Hình I.2.2
Sai lệch của hệ thống được tính:
Từ hình I.2.2, ta có:
6
+ Ưu điểm: Bộ tích phân loại bỏ được sai lệch dư của hệ thống, ít chịu ảnh hưởng tác
động của nhiễu cao tần.
+ Nhược điểm: Bộ điều khiển tác động chậm nên tính ổn định của hệ thống kém.
3. Thành phần vi phân (D):

* Tín hiệu ra của bộ điều khiển tỉ lệ với vi phân tín hiệu sai lệch e(t)
Phương trình vi phân mô tả động học:
trong đó: e(t) : tín hiệu vào của bộ điều khiển
U(t): tín hiệu điều khiển
Td : hằng số thời gian vi phân
+ Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:
+ Sai lệch của hệ thống:
Sai lệch của hệ thống được tính:
Theo hình trên, ta có:
E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) – Td.p.Wdt(p).E(p)
7
+ Ưu điểm: Luật điều khiển vi phân có đặc tính tác động nhanh, đây là một đặc tính
mà trong điều khiển tự động thường rất mong muốn.
+ Nhược điểm: Khi trong hệ thống dùng bộ điều khiển có luật vi phân thì hệ thống dễ
bị tác động bởi nhiễu cao tần, đây là loại nhiễu thường tồn tại trong công nghiệp.
4. Các Phương pháp xác định tham số Km, Ti, Td cho hệ thống điều
khiển sử dụng thuật toán PID
Cấu trúc:
Hàm truyền đạt:
Mô hình:
+ Km: thay đổi trực tiếp giá trị tín hiệu ra => thay đổi sai lệch tĩnh, đáp ứng nhanh,
bị ảnh hưởng bởi nhiễu ở mọi tần số.
+ Ti: sai lệch tĩnh bằng 0 khi hệ được kích thích bằng tín hiệu hằng, giảm độ quá
điều chỉnh.
+ Td: phản ứng nhanh với sự thay đổi của e(t), tăng độ quá điều chỉnh, nhạy cảm
với nhiễu tần số cao.
* Công thức Zigler-Nichols 2:
- thay PID bằng 1 khâu khuyếch đại Kth
- kích thích hệ bằng 1(t)
8

thay đổi Kth cho tới khi h(t) có dạng điều hòa (như hình vẽ):
- lấy 2 thông số Kth, Tth( chu kỳ của h(t) )
- chọn tham số PID từ Kth, Tth:
+ sử dụng P: Km = Kth/2
+ sử dụng PI: Km = 0.45Kth Ti = 0.85Tth
+ sử dụng PID: Km = 0.6Kth Ti = 0.5Tth Td = 0.12Tth
III/ Phương pháp thay đổi công suất bằng cách thay đổi thời
gian cấp điện
Phương pháp điều khiển thời gian cấp điện còn gọi là điều khiển On-
OFF hay phương pháp đóng ngắt dùng khâu relay có trễ.Khi lò hoạt động ở
công suất P
t
tương ứng với nhiệt độ t của lò. Cơ cấu chấp hành sẽ đóng
nguồn để cung cấp năng lượng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu
9
nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ
ngắt mạch cung cấp năng lượng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ đo.
Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở
trên: nguồn chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < - ∆. Như vậy,
nhiệt độ đo y(k) sẽ dao động quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là
vùng trễ của rơ le.
Khâu rơ le có trễ còn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch
điện tử và như vậy ∆ là giá trị thềm hay ngưỡng.
Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là:
• Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi
tải.
• Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng.
• Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động
quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi
giảm vùng trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất.

CHƯƠNG II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ CHO LÒ ĐIỆN VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN
PID
I/ Giới thiệu chung về lò điện:
a) Nguyên lý làm việc của lò điện trở
* Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn
hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:
10
Q=I2RT
Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J)
I: Dòng điện tính bằng Ampe (A)
R: Điện trở tính bằng Ôm (Ω)
T: Thời gian tính bằng giây (s)
Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:
- Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp
- Dây nung: Khi dây nung được nung nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng
bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián tiếp.
+) Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn
giản (tiết diện chữ nhật, vuông và tròn)
+) Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên nói
đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ phận phát
nhiệt của lò.
b) Cấu tạo của lò điện trở
Lò điện trở thông thường gồm 3 phần chính là vỏ lò, lớp lót và dây nung.
• Vỏ lò
+) Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình
làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự
kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò.
+) Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín; còn
đối với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và

tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
+) Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín.
Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung)
và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
• Lớp lót
+) Lớp lót lò điện trở thường gồm 2 phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt.
+) Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình
đặc biệt tùy theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi người
ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm. Khối
đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ngoài nhờ các khuôn.
+) Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ
yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi
hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu.
11
+) Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách
nhiệt.
• Dây nung
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt,
do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chịu nóng tốt, ít bị oxi hóa ở nhiệt độ cao.
- Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao.
- Điện trở suất phải lớn.
- Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ.
- Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi.
- Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng.
- Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép uốn.
!!!!!!Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây
nung làm 2 loại: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại. Để đảm bảo yêu cầu
của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều
được chế tao bằng hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken là các hợp kim có điện

trở suất lớn. Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung rất
hiếm. Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng. Dây nung
phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than.
c) Mô tả toán học của lò ( hàm truyền của lò)
12
Đối tượng là khâu quán tính bậc cao được xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất có trễ.
Sử dụng PID: Kp = 1.2T/L Ti = 2L Td = τ/L
II/ Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng PID\
13
Yêu cầu thiết kế: với yêu cầu của đề tài là “Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt
độ dùng PID” thì các mạch phần cứng cần thiết kế bao gồm:
• Thiết kế mạch đo nhiệt độ với dải đo 0 – 2000C.
• Thiết kế mạch điều khiển PID.
• Thiết kế mạch khuyếch đại công suất cho đối tượng nhiệt độ đơn giản.
Trong khuôn khổ của môn học, chúng em sẽ không đi sâu vào việc thiết kế
mạch đo nhiệt độ và mạch khuyếch đại công suất cho đối tượng nhiệt độ mà chỉ đề
cập đến vấn đề thiết kế mạch điều khiển PID.

Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển:
 Từ sơ đồ tổng quan ta thấy: Khối trung tâm của hệ thống là CPU, nó điều phối
toàn bộ chức năng của hệ thống. Giá trị nhiệt độ được đo bằng SENSOR, sau đó
được chuẩn hóa và khuyếch đại qua một mạch khuyếch đại đo lường. Giá trị chuẩn
hóa này được đưa tới ADC để chuyển thành các giá trị số trước khi đưa vào CPU.
CPU lấy các thông tin từ ADC cùng với các giá trị đặt trước (SP) được nhập từ bàn
phím KEY để tính toán theo một thuật toán được cài đặt sẵn bởi phần mềm. Kết
quả của quá trình tính toán được lấy để cho qua bộ DAC biến đổi thành tín hiệu
tương tự đưa ra van chấp hành đến đối tượng nhiệt độ cần điều khiển. Giá trị nhiệt
14
độ của đối tượng điều khiển tỉ lệ với năng lượng cấp vào từ van chấp hành. Giá trị
năng lượng cấp cho đối tượng được điều khiển bởi xung clock nối ghép trung gian

giữa CPU, ADC và DAC.
* Ta có bộ điều khiển PID có hàm truyền:
* Đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc 1 có trễ có hàm truyền:
* Hệ thống có sơ đồ như hình vẽ:
Giả sử cho L/T=0.9, T=95 => L=85.5 thì có các tham số
Kp = 1.333 Ti = 171 Td = 42.75
CHƯƠNG III. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG
15
(chương trình mô phỏng đi cùng tệp đính kèm)
Lời cảm ơn
16
Đầu tiên , em xin gửi lời cảm ơn tới nhà trường , khoa điện, bộ môn đã tạo điều
kiện thuận lợi nhất cho em học tập cũng như nghiên cứu .
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Văn Vinh - người đã hết sức tận
tình chỉ bảo , định hướng , góp ý, định hướng ý tưởng thực hiện cũng như chỉ dẫn
tài liệu để thực hiện đề tài này.
Với một sinh viên năm thứ 3 , khi mà lý thuyết cũng như kiến thức thực tế còn
chưa có nhiều thì đề tài này thực sự khó nhưng khá bổ ích với chúng em . Tuy
nhiên trong quá trình thực hiện , với kiến thức còn ít ỏi của mình thì em khó có thể
tránh khỏi những sai sót cũng như nhầm lẫn , nên em mong quý thầy cô góp ý để
em có thể hiểu rõ hơn vấn đề .
Em xin chân thành cảm ơn!
Nhận xét của giáo viên :
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
17
18