ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN

BÁO CÁO PROJECT BASED LEARNING 1
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
TRONG LỊ NHIỆT

ĐẶNG NGỌC KIÊN
NGUYỄN VĂN PHỤC
NGUYỄN QUANG REN
NGƠ QUANG TRUNG
ĐỒN VŨ PHÚ VINH

Giáo viên hướng dẫn: TS.TRẦN THỊ MINH DUNG
Danang, 31/03/2021

1


NỘI DUNG
DANH MỤC HÌNH ẢNH……………………………………………………………………….
LỜI NĨI ĐẦU……………………………………………………………………………………
GIỚI THIỆU……………………………………………………………………………….……….
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ……………………..……………….
1.1 Giới thiệu về lò nhiệt…………………………………………………………………...
1.2 Ưu điểm, nhược điểm…………………………………………………………………..
CHƯƠNG 2: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID………………………………………………………….…
2.1 Tổng quan…………………………………………………………………………….

2.2 Khâu tỉ lệ (P)…………………………………………………………………………..
2.3 Khâu tích phân (I)……………………………………………………………………..
2.4 Khâu vi phân (D)………………………………………………………………………
CHƯƠNG 3: CHI TIẾT LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI…………………………………………………..
3.1 Xây dự mơ hình lý thuyết………………………………………………………………
3.1.1 Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống……………………………………………….
3.1.2 Tính chọn các thành phần cơ bản của hệ thống………………………………….
3.2 Thiết kết mạch điện tử………………………………………………………..….
3.2.1 Sơ đồ khối mạch điện……..……………………………..…………………….
3.2.2 Phân tích các khối chức năng………………………………………………….
3.2.2.1 khối nguồn………………………………………………
3.2.2.2 khối điều khiển (PID)……………………………………………..
3.2.2.3 khối động lực……………………………………………………
3.2.2.4 khối cảm biến phản hồi…………………………………………………
3.2.2.5 Khối hiển thị và điều khiển……………………….
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MATLAB ……………………..……...................................................
4.1 Tải dữ liệu vào Matlab Worksp:
4.2 Đưa dữ liệu vào System Identìication
2


4.3 Kiểm tra mơ hình
4.4 Chọn hàm truyền hệ thống
CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH THỰ TẾ VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC...................…………………
5.1 Mơ hình thực tế……………………………………………………….
5.2 Kết quả đạt được………………………………………………………..
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN………………………………………
6.1 Kết luận………………………………………………………………..
6.2 Hướng phát triển………………………………………………….....
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..

LỜI KẾT…………………………………………………………………………….

3


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng qt………………………………………………………………….11
Hình 2.2 Sơ đồ PID……………………………………..………………………………………11
Hình 3.0 Sơ đồ khối hệ thống……………………………………………..……………………14
Hình 3.1. Đối tượng…………………………………………………………………………….15
Hình 3.2. Thiết bị chấp hành………………………………………………...………………….15
Hình 3.3. Cảm biến LM35…….…………………………...………………...………………….15
Hình 3.4 Đặc tính của LM35…………………………………………...………………………15
Hình 3.5. Sơ đồ PID……………………………………………………………………………..16
Hình 3.6. Sơ đồ bố trí……………………………………………………………………………16
Hình 3.7. Sơ đồ khối mạch điện…………………………………...…………………………….17
Hình 3.9. Biến áp hạ áp………………………………………………………………………….18
Hình 3.11. Sơ đồ mạch lọc……………………………….………………………………...……18
Hình 3.12a LM7812…………………………………………………………..…………………19
Hình 3.12b LM7912……………………………………………………...……………………...19
Hình 3.13. Sơ đồ chân…………………………………………………………………………...19
Hình 3.14. Sơ đồ mạch ổn áp……………………………………………………………...…….19
Hinh 3.15. Sơ đồ mạch ngun lý khối nguồn…………………………………………………..19
Hình 3.16. Mạch in………………………………………………………………………………20
Hình 3.17. Mạch mơ phỏng 3D………………………………………………………………….20
Hình 3.18. Mạch nguồn………………………………………………………………………….21
Hình 3.19. Sơ đồ tổng quát khối điều khiển………………………………………..……………21
Hình 3.20. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo………………………………………………………….21
Hình 3.21. Sơ đồ mạch tích phân đảo……………………………………………………………22
Hình 3.32. Sơ đồ mạch vi phân đảo……………………………………….……………………..22

Hình 3.33. Sơ đồ mạch cộng đảo………………………………………………………………...23
Hình 3.34. Sơ đồ mạch vi sai…………………………………………………………………….23
4


Hình 3.35. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển và mơ phỏng Proteus……………………………..24
Hình 3.36. Sơ đồ tổng qt khối động lực……………………………………………………….24
Hình 3.37. Sơ đồ mạch đảo tính hiệu……………………………………………………...……..25
Hình 3.38. Sơ đồ mạch phát hiện điểm khơng…………………………………………...………25
Hình 3.39. Đồ thị thời gian của mạch phát hiện điểm khơng……………………………………26
Hình 3.40. Sơ đồ mạch tạo xung răng cưa……………………………………………………….26
Hình 3.41. Đồ thì thời gian mạch tạo xung răng cưa…………………………………………….26
Hình 3.42. Sơ đồ mạch so sánh…………………………………………………………………..27
Hình 3.43. Đồ thị thời gian mạch so sánh………………………………………………………..27
Hình 3.44. Sơ đồ mạch kích góc pha dùng Triac………………………………………………...28
Hình 3.45. Đồ thị thời gian mạch kích góc pha………………………………………………….28
Hình 3.46. Đồ thị thời gian khối động lực……………………….………………………………29
Hình 3.47. Sơ đồ tổng quát khối cảm biến phản hồi……………………………………………..29
Hình 3.48. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại…………………………………………………...29
Hình 3.49. Vơn kế điện tử…………………………………………………………………….….30
Hình 3.50. Biến trở………………………………………………………………………………30
Hình 3.51. Mạch in………………………………………………………………………………31
Hình 3.52. Mạch mơ phỏng 3D………………………………………………………………….31
Hình 3.53. Tồn mạch ……………………………………………..….…………………………32
Hình 4.1. Nhập dữ liệu vào Matlab………………………………………………………………33
Hình 4.2. Bảng Import data……………………………………………………………...……….34
Hình 4.3. Bảng System Identification……………………………………………………………34
Hình 4.4. Bảng Frequency Function……………………………………………………………..35
Hình 4.5. Bảng Transient Response ………………………………………………………...…...36
Hình 4.6. Bảng Model Output……………………………………………………………………36

Hình 4.7. bảng Data/model infor………………………………………………………………...37
Hình 5.1. Mơ hình thực tế………………………………………………………………………..38
Hình 5.2 Mơ hình thực tế………………………………………………………………………...38
5


LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và con người ngày càng đòi hỏi trình độ
tự động hóa phải càng phát triển để đáp ứng nhu cầu của mình. Tự động hóa ngày càng phát triển
rộng rải trong mọi lĩnh vực kinh tế, đời sống xã hội, là ngành mũi nhọn trong công nghiệp. Trình
độ tự động hóa của một quốc gia đánh giá cả một nền kinh tế của quốc gia đó. Chính vè lẽ đó mà
việc phát triển tự động hóa là một việc hết sức cần thiết. Việc tạo ra các sản phẩm tự động hóa
khơng những trong cơng nghiệp mà ngay cả trong đời sống con người ngày càng được phổ biến.
Hầu như trong mọi lĩnh vực đều thấy sự cần thiết của tự động hóa.
Trong thực tế cơng nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trị rất
quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các q trình cơng nghệ khác nhau như nung
nấu vật liệu: nấu gang thép, khn đúc...Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp
lý và hiệu quả là rất cần thiết. Lò nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp vì đáp ứng được
nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. Ở lò nhiệt, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và
khống chế được nhiệt độ của lò, ở đề tài này chúng em chọn sử dụng phương pháp PID làm bộ
điều khiển.
Chúng em chọn làm đề tài “Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt” trên cơ sở những
lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học Điều khiển tuyến tính, kèm theo đó là kiến thức của
các môn học cơ sở ngành và các môn học có liên quan như Mạch số, Mạch điện tử, … Vì lý do
lượng kiến thức cịn hạn hẹp và đây là lần đầu tiên được tự làm nghiên cứu đề tài nên trong q
trình làm chúng em cịn gặp nhiều khó khăn, khúc mắc chưa rõ và chưa giải quyết được.
Trong thời gian thực hiện đề tài, nhóm em đã nhận được sự giúp đỡ của các Thầy Cô trong
ban dạy bộ môn PBL1, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình từ Cơ Trần Thị Minh Dung, Thầy Nguyễn
Khánh Quang và Cơ Trương Thị Bích Thanh để nhóm em có thể hồn thành đề tài này. Chúng em
xin chân thành cảm ơn!

Việc hồn thành đề tài này khơng tránh được những sai lầm thiếu sót. Em rất mong được
nhận sự phê bình đánh giá của các Thầy Cơ để chúng em có thể rút ra được kinh nghiệm và cũng
nhằm bổ sung kiến thức cho mình.

Đà nẵng, ngày 14 tháng 8 năm 2021
Nhóm thực hiện
WinTeam

6


GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài:
Đây là một đề tài không đơn giản đối với chúng em, tuy nhiên chúng em vẫn chọn đề tài này
như một thử thách đầu tiên để tiếp cận sâu hơn vào lĩnh vực Điều khiển và Tự động hóa. Lựa chọn
này cũng mang lại cho chúng em nhiều thứ như, cơ hội làm việc cùng nhau, có mục đích để tự tìm
tịi, nghiên cứu và tự tay làm ra một sản phẩm hoàn chỉnh, rèn luyện khả năng sắp xếp thời gian,
công việc hợp lý… Đó cũng chính là lý do mà nhóm em đã chọn đề tài Điều khiển nhiệt độ trong
lò nhiệt.

a) Đóng góp của đề tài:
- Đối với sinh viên: Đề tài là cơ hội nhưng cũng là thử thách mà sinh viên phải vượt qua. Trong
khi thực hiện đề tài thì sinh viên có thể học được nhiều thứ cả về kiến thức lẫn kỹ năng mềm.
- Đối với khoa học và đời sống: Đề tài hướng sinh viên chú trọng hơn trong việc áp dụng
khoa học kỹ thuật vào trong sinh hoạt và sản xuất, đồng thời sẽ giúp phát hiện những ý tưởng mới
có ích cho đời sống. Do tính ưu việt của điều khiển thích nghi mà hiện nay các bộ điều khiển đang
bắt đầu được ứng dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp, các hệ phi tuyến trong thực tế .

b) Mục tiêu của đề tài:
- Thiết kế hệ thống tuyến tính, cụ thể là hệ thống điều khiển nhiệt độ trong lò nhiêt (máy ấp

trứng).
- Đánh giá tính ổn định của hệ thống.
- Xác định mơ hình hóa.
- Thiết kế mạch điều khiển.
- Đánh giá và nhận xét.

7


c) Tiến trình thực hiện đề tài:

BẢNG CƠNG VIỆC
Thành viên
Thời gian

Tháng
1

Tháng 2

Tháng 3

Nguyễn Quang Ren

Đồn Vũ Phú Vinh

Nguyễn Văn Phục

Ngơ Quang Trung


Đặng Ngọc Kiên

Bảng 1.0. Bảngcơng việc
BẢN CHÚ THÍCH
Tìm hiểu lý thuyết
Tìm hiểu linh kiện
Thiết kế mạch, mơ phỏng mạch
Mua ngun liệu
lắp ráp và thí nghiệm mạch
Tìm hiểu mơ phỏng matlab
Viết báo cáo
ghi chép và tổng hợp tiến độ công việc
Bảng 1.1. Bảng chú thích
8


d) Đóng góp của các thành viên nhóm thực hiện đề tài:

TT

Họ và tên

Nhiệm vụ

Đóng góp (%)

1

Đặng Ngọc Kiên


Tìm hiểu về lý thuyết, các linh
kiện yêu cầu và cần thiết cho
đề tài.

20%

Nguyễn Văn Phục

Tìm hiểu về lý thuyết,
nguyên lý mạch, tìm hiểu và
mơ phỏng mathlab

20%

Nguyễn Quang Ren

Tìm hiểu về lý thuyết,
nguyên lý và cấu tạo mạch.
Lắp ráp và thử nghiệm mạch.

20%

Ngơ Quang Trung

Tìm hiểu về lý thuyết, các linh
kiện u cầu và cần thiết cho
đề tài.

20%


Đồn Vũ Phú Vinh

Tìm hiểu về lý thuyết, ngun
lý mạch, tìm hiểu và mơ
phỏng mathlab. Đồng thời
giám sát và quản lý tiến độ dự
án

20%

2

3

4

5

Tổng

100%

Bảng 1.2 Bảng đóng góp của thành viên

9


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ


1.1 Giới thiệu về lò nhiệt:
Là hệ thống biến đổi điện năng thành nhiệt năng, sử dụng trong các q trình cơng nghệ
khác nhau như nhiệt luyện kim hợp kim, nung nóng các vật liệu... Được cấu tạo gồm ba thành
phần chính: vỏ lị, lớp lót, dây nung.
- Được ứng dụng trong các lĩnh vực kĩ thuật :
+ Sản xuất thép, hợp kim
+ Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện...
- Được ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp:
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò nhiệt được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị
thực phẩm.
+ Sản xuất gốm, sứ, thủy tinh, vật liệu chịu nhiệt...
- Ngoài ra, được sử dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt hằng ngày như: làm nồi cơm điện, bếp
điện, lị vi sóng,...

1.2 Ưu điểm, nhược điểm:
- Ưu điểm:

+ vận hành an toàn
+ Năng lượng được tính tốn sao cho tiết kiệm, hiệu quả nhất
+ Hoạt động ổn định trong thời gian dài
+ Dễ dàng kiểm soát
+ Lắp ráp, vận chuyển dễ dàng
+ Hoạt động tốt ở mọi môi trường
- Nhược điểm:

+ Hệ thống phức tạp khó sửa chữa bảo trì
+ u cầu có trình độ khi sử dụng
+ Vận hành hệ thống có đồng bộ nê cần tuân thủ đầy đủ các qui tắc nhằm đảm bảo an toàn.


10


CHƯƠNG 2

BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

2.1 Tổng quan:
Một hệ thống điều khiển PID nói chung đều có mơ hình tổng quan dưới dạng:

Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát
Quá trình điều khiển theo mơ hình trên là một q trình khép kín. Giá trị setpoint - SP là
giá trị đặt trước mà hệ thống phải làm việc xung quanh giá trị đó tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng
của hệ thống. Việc đảm bảo tính ổn định cũng như chất lượng của hệ thống thực chất là đưa hệ
thống luôn bám sát SP với độ sai lệch nhỏ nhất và thời gian quá độ nhanh nhất.
Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: Tỉ lệ (P), Tích phân (I), Vi phân (D), Mỗi thành phần
có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống. Cụ thể:

Hình 2.2 Sơ đồ PID

11


2.2 Khâu tỉ lệ (P) :
Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số
hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được
gọi là hệ số tỉ lệ.
Khâu tỉ lệ được cho bởi:

Pout = Kp.e(t)

trong đó:

Pp : Thừa số tỉ lệ đầu ra
Kp : Hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh
e : sai số = SP – PV
t
: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)
Hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu hệ số của
khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng). Ngược lại, hệ số nhỏ
là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc
đáp ứng chậm. Nếu Hệ số của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp
ứng với các nhiễu của hệ thống.

2.3 Khâu tích phân (I) :
Phân phối của khâu tích phân (đơi khi cịn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn
quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy
bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với
tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều
chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân, Ki.
Thừa số tích phân được cho bởi:

Trong đó:

Iout : Thừa số tích phân của đầu ra
KI : Độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh
e : Sai số = SP – PV
12


t


: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)
: một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt
và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích
phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong q khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị
đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác.

2.4 Khâu vi phân (D) :
Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính tốn bằng cách xác định độ dốc của sai số
theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Kd .Biên
độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được
giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd.
Thừa số vi phân được cho bởi:

Dout= Kd.[d.e(t)] / dt
Trong đó :

Dout : Thừa số vi phân của đầu ra
Kd

: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

e

: Sai số = SP – PV

t


: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang
chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm
giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều
khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này
sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến q trình trở nên khơng ổn định nếu nhiễu
và độ lợi vi phân đủ lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử
dụng hơn.

13


CHƯƠNG 3

CHI TIẾT LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI

3.1 Xây dự mô hình lý thuyết:
3.1.1 Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống:
Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống, sơ đồ khối gồm các phần chính là bộ điều
khiển, thiết bị chấp hành, đối tượng tác động và cảm biến phản hồi tín hiệu.

Hình 3.0 Sơ đồ khối hệ thống.

Các khái niệm:
+ Bộ điều khiển: Là một bộ giám sát và tác động vào các điều kiện làm việc của một hệ động học
cho trước. Các điều kiện làm việc đặc trưng cho các biến đầu ra của hệ thống mà có thể được tác
động bởi việc điều chỉnh các biến đầu vào đã biết.
+ Thiết bị chấp hành: Là những thiết bị chịu tác động và được điều khiển bởi bộ điều khiển. Là
những thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống tự động hoá và sản xuất công nghiệp

+ Đối tượng: là vât hoặc không gian được dùng để khảo sát hay thi nghiệm một vấn đề gì đó, là
thứ cố định khơng thay đổi trong q trình khảo sát
+ Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo sự biến đổi về nhiệt độ của các đại
lượng cần đo, trong sơ đồ này ta dùng cảm biến nhiệt độ để giám sát đầu ra và phản hồi về bộ
điều khiển.

14


3.1.2 Tính chọn các thành phần cơ bản của hệ thống:
- Đối tượng: Hộp khối chữ nhật

Hình 3.1. Đối tượng
+ Hộp hình chữ nhật kích thước dài, rộng, cao lần lượt là 35,30,32(cm)
+ Vật liệu: Aluminium (bền, khả năng giữ nhiệt cao, dễ thi cơng)
- Thiết bị chấp hành: Bóng đèn gia nhiệt

+ Bóng đèn sợi tóc
+ Điện áp định mức: 220 VAC
Hình 3.2. Thiết bị chấp hành
+ Cơng suất định mức: 60W
+ Lưu ý: Khơng nên sử dụng bóng đèn tiết kiệm điện, vì khả năng gia nhiệt thấp
- Tín hiện phản hồi: Cảm biến LM35
Cảm biến nhiệt độ LM35 là một loại cảm biến tương tự rất hay được ứng dụng trong các ứng
dụng đo nhiệt độ thời gian thực. Vì nó hoạt động khá chính xác với sai số nhỏ, đồng thời với
kích thước nhỏ và giá thành rẻ là một trong những ưu điểm của nó.

Hình 3.3. Cảm biến LM35

Hình 3.4 Đặc tính của LM35


15


- Bộ điều khiển: Mạch PID điện tử
+ Linh kiện: Opamp LM358 và LM741, điện trở, tụ điện
+ Các khâu cơ bản: Khâu P, Khâu I, Khâu D
+ Bộ tổng. bộ hồi tiếp âm

Hình 3.5. Sơ đồ PID

- Sơ đồ bố trí :

Hình 3.6. Sơ đồ bố trí
+ Vị trí bóng đèn: cân chỉnh sao cho bóng đèn nằm ở trung tâm của hộp
+ Vị trí cảm biển: Cách bóng đèn 5cm
+ Hai bên hơng của hộp phải có lỗ thơng gió để hạ nhiệt độ khi q tải
+ Thiết kế cửa mở để tiện lắp đặt và theo dõi
+ Dây điện đi vào góc để đảm bảo an tồn điện và tính thẩm mĩ

16


3.2 Thiết kết mạch điện tử:
3.2.1 Sơ đồ khối mạch điện:
Dưới đầy là sơ đồ khối thể hiện các khối chức năng của mạch điện.

Hình 3.7. Sơ đồ khối mạch điện

3.2.2 Phân tích các khối chức năng:

3.2.2.1 khối nguồn:
- Yêu cầu:
+ Điện áp vào: 220 VAC
+ Điện áp ra: 1 nguồn +/- 12VDC để cấp cho khối điều khiển và 1 nguồn đơn 12VDC để
cấp cho những khối còn lại.
+ Cơng suất tải: 10W
- Sơ đồ tổng qt:

Hình 3.8. Sơ đồ tổng quát khối nguồn
- Thành phần:
+ Biến áp: loại hạ áp
* Điện áp làm việc input: 220VAC( Dây màu đỏ).
* Điện áp output: 12V-0-12VAC( Dây màu đen).
* Dòng điện output: 1A
17


Hình 3.9. Biến áp hạ áp
+ Mạch chỉnh lưu:
Sử dụng một mạch chỉnh lưu tồn sóng để chuyển đổi dịng điện xoay chiều (AC) sang dòng
một chiều (DC) để giúp điều chỉnh đầu vào AC thành đầu ra DC.

Hình 3.10. Sơ đồ mạch chỉnh lưu
+ Mạch lọc dùng tụ điện:
Nếu như đã xử lý qua mạch chỉnh lưu thì ta sẽ thu được điện áp một chiều biến đổi. Nếu
không lọc thì điện áp nhấp nhơ này khơng thể dùng được vào cho cách mạch điện tử. Ở trong các
mạch nguồn cần phải lắp thêm các tụ lọc có trị số từ vài trăm µF đến vài ngàn µF vào sau của cầu
Diode chỉnh lưu. Khi thực hiện công tắc K mở, dịng mạch chỉnh lưu khơng có tụ lọc tham gia.

Hình 3.11. Sơ đồ mạch lọc

+ Mạch ổn áp:
Mạch ổn áp là mạch có chức năng tạo ra hay duy trì một điện áp ổn định dù cho đầu vào
thay đổi ở một khoảng dài rộng nào đó. Ta có thể hiểu đơn giản mạch ổn áp ln ln có điện áp
đầu ra ổn định dù cho điện áp đầu vào có thay đổi như thế nào.
18


IC ổn áp là một linh kiện điện tử khi mắc vào trong mạch điện có tác dụng ổn định điện áp,
tức là dù cho đầu vào có thay đổi điện áp nhưng đầu ra vẫn giữ được mức điện áp ổn định cung
cấp cho tải. Thông thường IC ổn áp sẽ có 3 chân. Một số IC ổn áp cịn có những ưu điểm vượt trội
như tản nhiệt, chống sét, bảo vệ ngắn mạch,..Dưới đây là hình ảnh một số IC ổn áp thông dụng
như 7805, 7912, ASM1117, LM317
Sử dụng họ IC 78XX để ổn định điện áp dương và họ IC 79XX để ổn định điện áp âm. Cụ
thể trong đề tài này ta đùng cặp IC ổn áp LA7812 và LA7912 để cho ra nguồn đối xứng ổn định.

Hình 3.12a LM7812

Hình 3.12b LM7912

Hình 3.13. Sơ đồ chân

Hình 3.14. Sơ đồ mạch ổn áp
- Sơ đồ mạch nguyên lý:

Hinh 3.15. Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn
19


Trong đó:
Điện áp ở 1: +12VDC – Cấp nguồn cho các khối hiển thị, khối động lực, khối cảm biến

Điện áp ở 2: +12VDC – Cấp nguồn cho khối điều khiển (PID)
Điện áp ở 3: -12VDC – Cấp nguồn cho khối điều khiển (PID)
Điện áp ở 4: GND
- Bảng linh kiện:
Bảng
STT
Tên linh kiện
1
Biến áp đối xứng 220/12-0-12
2
Diode
3
IC LM7812
4
IC LM7912
5
Tụ hóa 200 uF
6
Tụ gốm 103
7
Điện trở 330 ohm
8
Led xanh
- Vẽ và mơ phỏng 3D trên Proteus:

Số lượng
1
4
2
1

5
3
1
1

Chú thích

Hình 3.16. Mạch in

Hình 3.17. Mạch mô phỏng 3D
- Mạch gia công thực tế:
Dưới đây là mạch gia công thự tế, để ra được sản phẩm như vậy, phải trải qua nhiều công
đoạn làm thủ cơng cần tính tỉ mỉ, từ in mạch, ủi mạch lên phíp đồng, cho đến đục lỗ hàng linh
kiện,…
20


Hình 3.18. Mạch nguồn

3.2.2.2 khối điều khiển (PID):
Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: Tỉ lệ (P), Tích phân (I), Vi phân (D), Mỗi thành
phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống.
- Sơ đồ tổng quát:

Hình 3.19. Sơ đồ tổng quát khối điều khiển
- Phân tích từng khâu:
+ Khâu P: Là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch
đầu vào theo thời gian lấy mẫu. Chúng ta có thể sử dụng một op-amp đảo ngược, như trong Hình

Hình 3.20. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo

Trong mạch op-amp này, độ lợi được thiết lập bởi các giá trị của điện trở. Chúng ta có mối quan
hệ toán học sau:

Rf
vo = −
v
R1 in
21


+ Khâu I: Là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân là phương
pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0. Từ đó cho ta biết
tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ. Khi thời gian càng nhỏ thể
hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ. Sơ đồ mạch tích
phân đảo được thể hiện trong Hình …

Hình 3.21. Sơ đồ mạch tích phân đảo
Điện áp đầu ra được mơ tả tốn học bằng phương trình sau:

Vout = -

1
Rin

𝑡

𝑡

dt


∫ v 𝑑𝑡 = − ∫0 vin R
𝐶 0 in

in 𝐶

+ Khâu D: Là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ
với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng
mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh. Sơ đồ mạch vi
phân đảo được thể hiện trong Hình …

Hình 3.32. Sơ đồ mạch vi phân đảo
Điện áp đầu ra được mơ tả tốn học bằng phương trình sau:

Vout = - Rf 𝐶

dVin
dt

+ Các phép toán:

* Bộ Tổng (Mạch cộng): Mach được sử dụng để làm phép cộng một số tín hiệu điện áp,
sơ đồ mạch cộng đảo (Ngõ ra sẽ đổi dấu) được thể hiện như trong hình…

22


Hình 3.33. Sơ đồ mạch cộng đảo
Điện áp đầu ra được mơ tả tốn học bằng phương trình sau:

vout = −


Rf
( v1 + v2 + ⋯ + vn )
R1

* Bộ trừ ( Mạch vi sai): Mạch điện này dùng để tìm ra hiệu số, hoặc sai số giữa 2 điện áp
mà mỗi điện áp có thể được nhân với một vài hằng số nào đó. Các hằng số này xác định nhờ các
điện trở. Sơ đồ mạch vi sai được thể hiện như trong hình…

Hình 3.34. Sơ đồ mạch vi sai
Điện áp đầu ra được mơ tả tốn học bằng phương trình sau:

vout =

R2
R1

( v2 - v1 )

- Sơ đồ mạch nguyên lý:
Sơ đồ mạch nguyên lý của khối điều khiển PID gồm:
+ Một mạch vi sai để tính sai số giữ Setpoint và tín hiêu phản hồi từ cảm biến nhiệt độ.
+ Các khâu P, I, D có thiết kế biến trở chỉnh các thông số Kp, Ki, Kd.
+ một mạch cộng.
Sơ đồ mạch nguyên lý của khối điều khiển PID được thể hiện như trong hình…

23


Hình 3.35. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển và mơ phỏng Proteus

Trong đó:
Điện áp INPUT ở 1: Setpoint
Điện áp INPUT ở 2: Phản hồi từ cảm biến nhiệt độ

3.2.2.3 khối động lực:
Vì bóng đèn có điện áp hoạt động ở 220VAC nên để có thể chấp hành theo tín hiệu
OUTPUT của khối điều khiển PID cần phải qua khối động lực để xử lý tín hiệu và đưa ra
phương pháp để điều khiển bóng đèn ở mức điện áp 220VAC. Ở đây ta chọn phương pháp điều
chỉnh góc pha.
- u cầu:
+ Điều chỉnh độ sáng bóng đèn tuyến tính theo tín hiệu OUTPUT của khối điều khiển
(PID)
+ Đủ cơng suất tải bóng đèn 220AC
+ Thiết kế an tồn với điện áp 220AC
- Sơ đồ tổng quát:

Hình 3.36. Sơ đồ tổng quát khối động lực
24


- Thành phần:
+ Mạch đảo tín hiệu:
Tín hiệu OUTPUT của khối điều khiển (PID) là một dải điện áp tuyến tính từ -12VDC đến
+12VDC, khi sai số giữa setpoint và cảm biến phản hồi lớn hơn 0 thì OUTPUT của khối điều
khiển sẽ là một dải điện áp tăng dần và ngược lại, để bóng đèn có thể chấp hành theo tín hiệu này
( khi Output signal PID tăng đần thì đèn sáng dần và ngược lại) ta cần đảo ngược tín hiệu này
( đảo tăng thành giảm và ngược lại). Ta dùng một mạch vi sai với điện áp trừ chính là tín hiệu
OUTPUT của PID và điện áp bị trừ là 12VDC. Sơ đồ mạch được thể hiện như trong hình…

Hình 3.37. Sơ đồ mạch đảo tính hiệu

+ Mạch tạo xung kích Triac:
* Khâu đồng bộ: Để điều khiển bóng đèn 220VAC bằng phương phảp chỉnh góc pha, đâu tiên ta
cần đồng bộ pha bằng một mạch phát hiện điểm 0. Sơ đồ mạch phát hiện điểm 0 được thể hiện
như trong hình…

Hình 3.38. Sơ đồ mạch phát hiện điểm không
25