BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

QUÁCH DUY

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID
GIỮ ỔN ĐNNH NHIỆT ĐỘ LỊ NHIỆT
CƠNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM 05 - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

QUÁCH DUY

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID
GIỮ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LỊ NHIỆT
CƠNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ
CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TIẾN SĨ VÕ CÔNG PHƯƠNG

TP. HCM 05 - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng luận văn “Thiết kế Bộ điều khiển Mờ - PID giữ ổn
định nhiệt độ lị cơng suất vừa và nhỏ” là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi,
dưới sự hướng dẫn của Thầy Tiến sĩ Võ Công Phương.
Các số liệu, kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn
trích dẫn và chưa được cơng bố trong các cơng trình nghiên cứu khác.

LỜI CẢM ƠN
Kính cảm ơn Trường Đại học Giao thơng vận tải thành phố Hồ Chí Minh,
cùng Q Thầy, Cơ đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất
cho tôi trong suốt quá trình học cao học.
Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy Tiến sĩ Võ Cơng
Phương, người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực
hiện nghiên cứu đề tài này.
Cảm ơn tất cả các bạn trong khóa học, những người cùng chung chí hướng
trong con đường tri thức để tất cả chúng ta có được kết quả ngày hơm nay.
Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời
gian thực hiện nghiên cứu này.
Xin trân trọng gửi lòng tri ân và cảm ơn q Thầy Cơ.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 6 năm 2017
Người thực hiện luận văn


Quách Duy


1

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... 4
TĨM TẮT .................................................................................................................. 6
Chương 1: TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT ............................. 7
1.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 7
1.1.1 Dẫn nhiệt ................................................................................................... 7
1.1.2 Trao đổi nhiệt ............................................................................................ 9
1.2 Các bài báo tham khảo .................................................................................... 11
1.3 Đặt vấn đề. .................................................................................................... 121
1.4 Mục tiêu - Công việc thực hiện. ................................................................... 122
1.4.1 Mục tiêu ................................................................................................. 122
1.4.2 Công việc thực hiện ............................................................................... 122
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LỊ NHIỆT............................. 13
2.1 Mơ hình lị nhiệt.............................................................................................. 13
2.1.1 Ngun lí làm việc của lị điện trở .......................................................... 13
2.1.2 Cấu tạo của lò nhiệt ................................................................................. 13
2.1.3 Các phương pháp xây dựng mơ hình tốn học ........................................ 15
2.2 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển................................................................... 17
2.2.1 Thuật toán PID. ....................................................................................... 17
2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID theo Ziegler - Nichols. ................................ 17
2.3 Lý thuyết Mờ .................................................................................................. 21
2.3.1 Giới thiệu ................................................................................................. 21
2.3.2 Tập hợp mờ ............................................................................................. 21



2

2.3.3 Các toán tử mờ ........................................................................................ 28
2.3.4 Bổ từ mờ (Fuzzy Hedge) ......................................................................... 29
2.3.5 Biến ngôn ngữ ......................................................................................... 31
2.3.6 Mệnh đề mờ ............................................................................................. 32
2.3.7 Xử lý mờ .................................................................................................. 33
2.3.8 Các luật hợp thành mờ............................................................................. 34
2.3.9 Giải mờ .................................................................................................... 36
2.3.10 Hệ mờ .................................................................................................... 38
2.3.11 Thiết kế Mờ - PID ................................................................................. 41
Chương 3: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỊ NHIỆT .................... 43
3.1 Phần mềm Matlab ........................................................................................... 43
3.2 Phần mềm mô phỏng (Simulink) .................................................................... 43
3.3 Mơ phỏng hệ thống điều khiển lị nhiệt .......................................................... 44
3.3.1 Đồ thị đặc tính lị nhiệt ............................................................................ 44
3.3.2 Hàm truyền lò nhiệt ................................................................................. 45
3.3.3 Tham số lò nhiệt (mô phỏng) .................................................................. 45
3.3.4 Mô phỏng Matlab .................................................................................... 45
3.3.5 Xây dựng các khối FUZZY LOGIC CONTROLLER ............................ 46
3.3.6 Xây dựng khối PID.................................................................................. 51
Chương 4: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÒ NHIỆT TRONG CƠNG NGHIỆP
VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH LỊ NHIỆT CƠ BẢN ............................................... 53
4.1 Nghiên cứu ứng dụng lò nhiệt trong công nghiệp .......................................... 53
4.1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 60
4.1.2 Thiết kế bộ quan sát nhiệt độ cho phôi tấm............................................. 60
4.1.3 Mô phỏng cho bộ quan sát nhiệt độ trong phôi ....................................... 60



3

4.2 Thi cơng mơ hình lị nhiệt cơ bản ................................................................... 60
4.2.1 Thiết kế mạch điều khiển ........................................................................ 60
4.2.2 Sơ đồ kết nối ............................................................................................ 65
4.2.3 Các công thức chuyển đổi giá trị số - Nhiệt độ ....................................... 66
4.2.4 Kết quả thực nghiệm ............................................................................... 67
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI..................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 69

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
𝑄̇ ℎ𝑜ặ𝑐 (Φ𝑡ℎ ): dòng nhiệt

α hoặc h: hệ số truyền nhiệt
Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J)
I: Dịng điện tính bằng Ampe (A)
R: Điện trở tính bằng Ơm (Ω)
T: Thời gian tính bằng giây (s)
q: Các từ chỉ tần suất như thường, luôn luôn
h: Các Hedge như rất, hơi đã khảo sát trong phần trước
fs: Tập mờ trung tâm


4

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Dẫn nhiệt xảy ra trên vật liệu khi có chênh lệch nhiệt độ ............................7
Hình 1.2 Dẫn nhiệt trên tinh thể do lan truyền............................................................8
Hình 1.3 Dẫn nhiệt.......................................................................................................9

Hình 1.4 Đối lưu........................................................................................................10
Hình 1.5 Bức xạ nhiệt ...............................................................................................10
Hình 2.1 Mơ hình lị nhiệt .........................................................................................13
Hình 2.2 Đặc tính chính xác Hình 2.3 Đặc tính gần đúng ......................................16
Hình 2.4 Thuật tốn PID ...........................................................................................17
Hình 2.5 Phương pháp tính tích phân .......................................................................19
Hình 2.6 Đường cong qua các phần tử của tập hợp. .................................................22
Hình 2.7 Độ cao tập mờ A, B....................................................................................22
Hình 2.8 Tập mờ B được đưa về dạng chính tắc ......................................................23
Hình 2.9 Miền làm việc của tập mờ ..........................................................................23
Hình 2.10 Biến NHIỆT ĐỘ gồm các tập mờ LẠNH, MÁT, ẤM, NĨNG...............24
Hình 2.11 Dạng tuyến tính ........................................................................................24
Hình 2.12 Đường cong dạng S ..................................................................................25
Hình 2.13 Đường cong hình chng .........................................................................25
Hình 2.14 Dạng hình thang .......................................................................................26
Hình 2.15 Dạng hình tam giác ..................................................................................26
Hình 2.16 Dạng hình thang .......................................................................................27
Hình 2.17 Xấp xỉ một vùng mờ ................................................................................29
Hình 2.18 Giới hạn một vùng mờ .............................................................................30
Hình 2.19 Hedge rất cao............................................................................................30
Hình 2.20 Hedge hơi cao...........................................................................................30
Hình 2.21 Hedge chắc chắn cao ................................................................................31
Hình 2.22 Hedge nhìn chung ....................................................................................31
Hình 2.23 Tập mờ LẠNH, MÁT, ẤM, NĨNG ........................................................32
Hình 2.24 Phương pháp tương quan tối thiểu ...........................................................33
Hình 2.25 Phương pháp tương quan tích ..................................................................34
Hình 2.26 Miền mờ khi dùng phương pháp tương quan tối thiểu ............................35
Hình 2.27 Hợp 2 miền mờ này theo tốn tử OR .......................................................35
Hình 2.28 Luật hợp SUM-MIN ................................................................................36
Hình 2.29 Phương pháp điểm trọng tâm ...................................................................36

Hình 2.30 Phương pháp cực đại ................................................................................37
Hình 2.31 Tập mờ LẠNH, MÁT, ẤM, NĨNG ........................................................37
Hình 2.32 Sơ đồ khối hệ mờ cơ bản..........................................................................38
Hình 2.33 Hệ mờ cơ bản ...........................................................................................39
Hình 2.34 Độ chồng lấp ............................................................................................39
Hình 2.35 Tổng hợp hệ mờ tỉ lệ ................................................................................40
Hình 2.36 Thuật tốn Mờ - PID ................................................................................41
Hình 2.37 Sai số (ET)................................................................................................41


5

Hình 2.38 Đạo hàm sai số (DET ) .............................................................................41
Hình 3.1 Biểu tượng Matlab .....................................................................................43
Hình 3.2 Sơ đồ khối trong Matlab ............................................................................44
Hình 3.3 Đặc tính lị nhiệt .........................................................................................44
Hình 3.4 Mơ hình mơ phỏng lị nhiệt trong Matlab Simulink ..................................45
Hình 3.5 Tín hiệu nhiệt độ - điện áp .........................................................................45
Hình 3.6 Mơ hình matlab (thuật tốn Fuzzy Logic - PID)........................................46
Hình 3.7 Khối FUZZY Kp-Ki-Kd ............................................................................46
Hình 3.8 Luật chỉnh định Kp.....................................................................................46
Hình 3.9 Luật chỉnh định Ki .....................................................................................47
Hình 3.10 Luật chỉnh định Kd...................................................................................47
Hình 3.11 Sai số (ET)................................................................................................47
Hình 3.12 Đạo hàm sai số (DET ) .............................................................................47
Hình 3.13 Surface Kp ................................................................................................48
Hình 3.14 Surface Ki.................................................................................................49
Hình 3.15 Surface Kd ................................................................................................50
Hình 3.16 Khối PID ..................................................................................................51
Hình 3.17 Đáp ứng nhiệt độ T-ref = 300C ...............................................................51

Hình 3.18 Đáp ứng nhiệt độ T-ref = 1000C .............................................................52
Hình 3.19 Đáp ứng nhiệt độ T-ref = 1350C .............................................................52
Hình 4.1 Mơ hình phơi tấm .......................................................................................60
Hình 4.2 Mơ hình phơi 2 lớp .....................................................................................60
Hình 4.3 Mơ hình phơi 𝐵 lớp ....................................................................................60
Hình 4.4 Kết quả mơ phỏng nhiệt độ trong phơi 1 lớp .............................................60
Hình 4.5 Kết quả mơ phỏng nhiệt độ trong phơi 2 lớp .............................................60
Hình 4.6 Kết quả mơ phỏng nhiệt độ trong phơi 3 lớp .............................................60
Hình 4.7 Lị nhiệt 1000W..........................................................................................60
Hình 4.8 Sơ đồ khối mạch điều khiển .......................................................................60
Hình 4.9 Mạch nguồn 5Vdc ......................................................................................61
Hình 4.10 Sơ đồ mạch nguồn 5V ..............................................................................61
Hình 4.11 Mạch giao tiếp dùng SSR (Solid State Relay) .........................................62
Hình 4.12 Đặc tuyến SSR .........................................................................................62
Hình 4.13 Sơ đồ ngun lí SSR ................................................................................62
Hình 4.14 Cảm biến nhiệt độ NTC10K ....................................................................63
Hình 4.15 Phần mềm tính giá trị R1 cho mạch NTC10K .........................................63
Hình 4.16a Board Arduino Mega2560 ......................................................................65
Hình 4.16b Sơ đồ chân board Arduino Mega2560 ...................................................66
Hình 4.17 Mơ hình Matlab Simulink – Lị nhiệt.......................................................67
Hình 4.18 Đáp ứng nhiệt độ từ cảm biến nhiệt NTC10K .........................................67


6

TĨM TẮT
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 quá trình cơng
nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc... cho đến những
thiết bị gia dụng phục vụ cho chúng ta hàng ngày. 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 cơng 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.
Luận văn: “Thiết kế Bộ điều khiển Mờ - PID giữ ổn định nhiệt độ lị nhiệt
cơng suất vừa và nhỏ” nghiên cứu này được thực hiện mô phỏng trong môi trường
MATLAB / Simulink và kết quả cho thấy rằng thuật toán điều khiển nhiệt độ ổn
định.
Mơ hình lị nhiệt được thi cơng phải có tính an tồn, thẩm mỹ, hoạt động ổn
định. Một board mạch vi điều khiển (Arduino mega 2560) nhận tín hiệu từ cảm biến
nhiệt NTC và thực hiện điều khiển dòng điện qua thanh điện trở thạch anh bằng
cách thay đổi tín hiệu PWM gửi cho SSR (Solid State Relay). Q trình điều khiển
và giám sát các thơng số được thực hiện trực tiếp trên Matlab Simulink.


7

Chương 1: TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
1.1 Giới thiệu
1.1.1 Dẫn nhiệt
Trong nhiệt học, dẫn nhiệt (hay tán xạ nhiệt, khuếch tán nhiệt) là việc truyền năng
lượng nhiệt giữa các phân tử lân cận trong một chất, do một chênh lệch nhiệt độ. Nó
ln ln diễn ra từ vùng nhiệt độ cao hơn tới vùng nhiệt độ thấp hơn, theo định luật
hai của nhiệt động học và giúp cân bằng lại sự khác biệt nhiệt độ. Theo định luật bảo
tồn năng lượng, nếu nhiệt năng khơng bị chuyển thành dạng khác, thì trong suốt
quá trình này, nhiệt năng sẽ không bị mất đi.
Đại lượng đo lường sự dẫn nhiệt trong một vật chất nhất định nào đó là độ dẫn
nhiệt. Khác với đối lưu, trong dẫn nhiệt, sự trao đổi nhiệt năng không kèm theo bất
kỳ sự chuyển động với số lượng lớn các phân tử vật chất.
Dẫn nhiệt diễn ra trong tất cả các dạng của vật chất, tức chất rắn, chất lỏng, khí và

plasma. Trong các chất rắn, đó là do sự kết hợp của dao động của các phân tử trong
cấu trúc tinh thể và vận chuyển năng lượng của điện tử tự do. Trong các chất khí và
chất lỏng, dẫn nhiệt là do sự va chạm và khuếch tán của các phân tử trong chuyển
động ngẫu nhiên của chúng.
Ngoài dẫn nhiệt và đối lưu, nhiệt năng cũng có thể được trao đổi bởi bức xạ, và
thường là nhiều hơn một trong những quá trình này xảy ra trong một tình huống trao
đổi nhiệt nhất định.

Hình 1.1 Dẫn nhiệt xảy ra trên vật liệu khi có chênh lệch nhiệt độ


8

Trên một quy mô nhỏ, dẫn nhiệt xảy ra khi các phân tử, nguyên tử hay các hạt nhỏ
hơn (như electron) ở vùng nóng (dao động nhanh) tương tác với các hạt lân cận (ở vùng
lạnh hơn, dao đông chậm hơn), chuyển giao một số động năng của dao động nhiệt từ hạt
dao động nhanh sang những hạt dao động chậm. Nói cách khác, sức nóng được trao đổi
giữa các nguyên tử hay phân tử lân cận khi chúng dao động và va chạm với nhau (trong
hầu hết vật chất, trao đổi này còn được coi như sự dịch chuyển của dòng proton), hoặc là
bởi electron dao động nhanh di chuyển từ một nguyên tử khác (trong kim loại).
Dẫn nhiệt đóng góp lớn vào truyền nhiệt trong một chất rắn hoặc giữa các vật thể
rắn khi chúng tiếp xúc nhau. Trong chất rắn, sự dẫn nhiệt xảy ra mạnh vì mạng lưới
các nguyên tử nằm ở vị trí tương đối cố định và gần nhau, giúp việc trao đổi năng
lượng giữa chúng thông qua dao động được dễ dàng. Khi mật độ các hạt giảm, tức là
khoảng cách giữa các hạt trở nên xa hơn, dẫn nhiệt giảm theo. Điều này là do khoảng
cách lớn giữa các nguyên tử gây ra việc có ít va chạm giữa các ngun tử có nghĩa là
chúng ít trao đổi nhiệt hơn. Do đó, chất lỏng và đặc biệt là các loại khí ít dẫn nhiệt.
Với các chất khí, khi nhiệt độ hay áp suất tăng, các nguyên tử có xác suất va chạm
nhau nhiều hơn, và do đó độ dẫn nhiệt cũng tăng theo.
Kim loại (ví dụ như đồng, platinum, vàng,...) thường là các vật liệu dẫn nhiệt tốt.

Điều này là do các điện tử tự do có thể chuyển nhiệt năng nhanh chóng trong lịng
kim loại. Các “chất lỏng điện tử” của một vật kim loại rắn tiến hành gần như tất cả
các dịng nhiệt qua vật rắn này. Proton mang ít hơn 1% năng lượng nhiệt. Điện tử
cũng chuyên chở dòng điện chạy qua các chất rắn dẫn điện, dẫn đến độ dẫn nhiệt và
độ dẫn điện của hầu hết các kim loại có cùng một tỷ lệ. Một dây dẫn điện tốt, chẳng
hạn như đồng, thông thường cũng dẫn nhiệt tốt. Các hiệu ứng Peltier-Seebeck (hiệu
ứng nhiệt điện) có nguồn gốc từ sự dẫn nhiệt của điện tử trong các chất dẫn điện.

Hình 1.2 Dẫn nhiệt trên tinh thể do lan truyền


9

1.1.2 Trao đổi nhiệt
Trao đổi nhiệt là sự truyền dẫn nhiệt năng khi có sự chênh lệch nhiệt độ.
Lượng nhiệt năng trong quá trình trao đổi được gọi là “nhiệt lượng” và là một quá
trình biến thiên. Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi
có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp.
Cần phân biệt trao đổi nhiệt với cân bằng nhiệt, là quá trình trao đổi nhiệt giữa hai
hoặc nhiều vật chất tới khi đạt được một nhiệt độ chung.
Đại lượng vật lý mơ tả sự trao đổi nhiệt là dịng nhiệt 𝑄̇ hoặc (Φ𝑡ℎ ).Sự trao đổi

nhiệt tại một bề mặt (Ví dụ: ranh giới rắn/lỏng, rắn/khí) được biểu diễn thơng qua hệ
số truyền nhiệt (α hoặc h).

1.1.3 Các hình thức trao đổi nhiệt
Trao đổi nhiệt được tồn tại dưới ba hình thức: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ nhiệt.
- Dẫn nhiệt (hay tán xạ nhiệt) là sự truyền động năng giữa các nguyên tử hay
phân tử lân cận mà không kèm theo sự trao đổi phần tử vật chất. Hình thức trao đổi
nhiệt ln diễn ra từ vùng có mức năng lượng cao hơn (với nhiệt độ cao hơn) đến

vùng có mức năng lượng thấp hơn (với nhiệt độ thấp hơn). Sự truyền nhiệt trong kim
loại thông qua sự chuyển động của các electron cũng là sự dẫn nhiệt.

Hình 1.3 Dẫn nhiệt
- Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của
chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ
một hệ rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại. Người ta phân biệt giữa đối lưu
tự nhiên (dòng vật chất chuyển động nhờ nội năng trong chất lỏng, khí) và đối lưu
cưỡng bức (dịng chuyển động do ngoại lực tác dụng, ví dụ như quạt, bơm v.v...).


10

Hình 1.4 Đối lưu
- Bức xạ nhiệt là sự trao đổi nhiệt thơng qua sóng điện từ. Bức xạ nhiệt có thể
truyền qua mọi loại vật chất cũng như qua chân khơng. Tất cả các vật thể có nhiệt độ
lớn hơn độ không tuyệt đối (0 Kelvin) đều bức xạ nhiệt. Trong bức xạ nhiệt, dịng
nhiệt khơng chỉ truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh mà cịn theo chiều ngược lại. Tuy
nhiên, vì dịng nhiệt từ nóng sang lạnh ln ln lớn hơn dịng từ lạnh sang nóng nên
dịng nhiệt tổng hợp ln theo chiều từ nóng sang lạnh. Hiểu theo một cách khác, sự
chênh lệch nhiệt độ luôn nhỏ đi. Trong bức xạ nhiệt, dịng nhiệt được tính thơng qua
định luật Stefan-Boltzmann.

Hình 1.5 Bức xạ nhiệt


11

1.2 Các bài báo tham khảo
1. PGS. TS Nguyễn Hữu Công (2015), “Nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong

phôi tấm bằng mơ hình hàm truyền”, Kỷ yếu hội thảo khoa học công nghệ, Đại học
Thái Nguyên, tr. 258-264.
2. TS Nguyễn Công Vịnh (2008), “Ứng dụng bộ điều khiển Logic Mờ (Fuzzy
Logic Controller) trong máy lái tự động tàu biển”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ
hàng hải, Đại học Hàng hải, tr. 48-52.
3. Lê Tiến Lộc, Lâm Thanh Hiển, “Nghiên cứu 3 chế độ điều khiển ON/OFF,
PID, FUZZY và ứng dụng trong điều khiển mơ hình lị nhiệt”, Đại học Lạc Hồng.
4. Nguyễn Chí Ngơn (2011), “Bộ điều khiển PI Mờ : Từ thiết kế đến ứng dụng”,
Tạp chí Khoa học, Đại học Cần Thơ, tr. 82-92.
5. KS. Lê Hồng Nguyên, ThS. Đặng Thị Tuyết Mai, TS. Lê Mai Phương, KS. Lê
Thanh Phương (2016), “Đánh giá thực trạng và đề xuất các giải pháp tối ưu Năng
lượng cho lò đốt H-1202 trong phân xưởng xử lý Naphtha bằng Hydro (NHT) của nhà
máy lọc dầu dung quất”, Hoá - Chế biến Dầu khí, Viện Dầu khí Việt Nam, tr. 53-62.
6. Kim Đình Thái, Bùi Tuấn Anh (2014), “Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt
độ lò nung cho nhà máy cán thép thái nguyên trên nền Simatic S7-300 và phần mềm
Wincc”, Tạp chí Khoa học công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội, tr. 109-112.
7. Nguyễn Thị Thanh Quỳnh, Phạm Văn Thiêm, “Thiết kế bộ điều khiển PID và
bộ điều khiển FLC (Fuzzy Logic Controller) cho hệ thống gia nhiệt”, Tạp chí Khoa
học công nghệ, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, tr. 39-44.
1.3 Đặt vấn đề
Nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý rất quan trọng. Việc thay đổi nhiệt
độ của một vật chất ảnh hưởng rất nhiều đến cấu tạo, tính chất và các đại lượng vật
lý khác của vật chất. Ví dụ: sự thay đổi nhiệt độ của một chất khí sẽ làm thay đổi
thể tích, áp suất của chất khí trong bình.
Vì vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt, thu
thập các thông số và điều khiển nhiệt độ là điều rất cần thiết. Trong các lị nhiệt, máy
điều hồ, máy lạnh hay cả trong lò viba, điều khiển nhiệt độ là tính chất quyết định cho


12


sản phẩm ấy. Trong ngành luyện kim, cần phải đạt đến một nhiệt độ nào đó để kim loại
nóng chảy và cũng cần đạt một nhiệt độ nào đó để ủ kim loại nhằm đạt được tốt các đặc
tính cơ học như độ bền, độ dẻo, độ chống gỉ sét,... Trong ngành thực phẩm, cần duy trì
một nhiệt độ nào đó để nướng bánh, để nấu, để bảo quản,... Việc thay đổi thất thường
nhiệt độ, không chỉ gây hư hại đến chính thiết bị đang hoạt động, cịn ảnh hưởng đến q
trình sản xuất, ngay cả trên chính sản phẩm ấy. Có nhiều phương pháp để điều khiển đều
mang đến một kết quả khác nhau thông qua những phương pháp điều khiển khác nhau.
Qua thực tiễn cho thấy rằng để có thể thiết kế và chế tạo thành cơng một sản
phẩm cơng nghệ thì địi hỏi người thực hiện phải nắm được lý thuyết vững chắc kết
hợp với kinh nghiệm thực tế. Thực tế cũng chứng minh rằng mơ hình Lò Nhiệt
được nghiên cứu và chế tạo ở Việt Nam hiện nay vẫn cũng chỉ là các đề tài nghiên
cứu và chưa áp ứng dụng rộng rãi trong thực tế cuộc sống.
Từ những vấn đề cấp thiết nêu trên, người thực hiện đề tài này muốn đi sâu vào
nghiên cứu mơ hình Lị Nhiệt để từ đó khi tiến hành thiết kế và thi cơng mơ hình thực tế.
1.4 Mục tiêu - Công việc thực hiện
1.4.1 Mục tiêu:
- Mô tả được mơ hình tốn học của lị nhiệt và đánh giá ảnh hưởng của các tham
số tải (khối lượng vật sấy).
- Thiết kế bộ điều khiển PID theo Ziegler - Nichols ổn định nhiệt độ lò.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định hệ số bộ điều khiển PID ổn định nhiệt độ
lị nhiệt.
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm kiểm định chất lượng hệ thống.
1.4.2 Công việc cần thực hiện
- Mơ tả tốn học lị nhiệt.
- Đánh giá ảnh hưởng các yếu tố tải trong lò nhiệt.
- Thiết kế bộ điều khiển PID cho lị nhiệt và mơ phỏng.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định hệ số bộ điều khiển PID ổn định nhiệt độ
lò nhiệt.
- Thực hiện mơ hình thực nghiệm.



13

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT
2.1 Mơ hình lị nhiệt

Hình 2.1 Mơ hình lị nhiệt
2.1.1 Ngun 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 thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:
Trong đó:

𝑄 = 𝐼 2 𝑅𝑇

(2.1)

Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J)
I: Dịng điện tính bằng Ampe (A)
R: Điện trở tính bằng Ơm (Ω)
T: Thời gian tính bằng giây (s)
Từ cơng 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.
2.1.2 Cấu tạo của lò nhiệt
Lò điện trở thơng thường gồm 3 phần chính là vỏ lị, lớp lót và dây nung.



14

2.1.2.1 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 hồn tồn hoặc tương đối của lị.
Đối với các lị làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lị phải hồn tồn kín, đối với
các lị điện trở bình thường sự kín của vỏ lị chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự
lùa của khơng khí lạnh vào lị, đặc biệt theo chiều cao lò.
Trong những trường hợp riêng, lị điện trở có thể làm vỏ lị khơng bọc kín.
Khung vỏ lị cần cứng vững đủ để chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lị (vật nung) và
các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lị.
2.1.2.2 Lớp lót
Lớp lót lị 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 lị. 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 lị và cũng có thể tiến hành ngồi nhờ các
khn.
- Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lị 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
địi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định cịn các phần khác nói chung khơng u
cầu. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách
nhiệt.
2.1.2.3 Dây nung
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc
nghiệt, do đó địi 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, khơng bị biến dạng ở nhiệt độ cao.
- Điện trở suất phải lớn.

- Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ.


15

- Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi.
- Các kích thước phải khơng 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. Cịn các
kim loại ngun 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.
2.1.3 Các phương pháp xây dựng mô hình tốn học
Ổn định các tham số của đối tượng điều khiển như nhiệt độ, tốc độ… là mối quan
tâm hàng đầu khi thiết kế hệ thống điều khiển, Để thực hiện việc này thì cơng việc
đầu tiên là xác định mơ hình tốn học của đối tượng điều khiển.
Trong lý thuyết điều khiển tự động thì việc xác định mơ hình của đối tượng điều
khiển là một bước rất quan trọng trước khi xác định thuật toán và các tham số điều
khiển. Để xác định mơ hình tốn học của đối tượng điều khiển đến nay có 2 phương
pháp:
- Dựa trên các phương trình tốn học mơ tả mối quan hệ giữa các đại lượng
vật lý của đối tượng và các tham số của đối tượng.
- Dựa trên đường cong thực nghiệm của đối tượng.
Lị nhiệt có đầu vào là điện áp cung cấp cho dây đốt (hay công suất cung cấp) và
ngõ ra là nhiệt độ của sản phẩm cần nung hay nhiệt độ vùng sử dụng. Để thành lập
hàm truyền lò nhiệt ta phải khảo sát phương trình vi phân mơ tả các quan hệ nhiệt
độ - năng lượng ở các bộ phận, đây là bài toán phức tạp nếu muốn chính xác.

Một cách gần đúng, có thể xem môi trường nung là đồng chất, đẳng nhiệt. Như
vậy phương trình cân bằng năng lượng cho ta: điện năng cung cấp sẽ được dùng để
bù vào năng lượng nhiệt truyền ra bên ngồi và nâng nhiệt độ mơi trường nung.


16

2.1.3.1 Đồ thị đặc tính của lị nhiệt

Hình 2.2 Đặc tính chính xác

Hình 2.3 Đặc tính gần đúng

2.1.3.2 Hàm truyền của lị nhiệt
- Đặc tính gần đúng
𝑮(𝒔) =

𝑲. 𝒆−𝑻𝟏𝒔
𝑻𝟐 𝒔 + 𝟏

(2.2)

- Đặc tính chính xác
𝑮(𝒔) =

𝑲
𝟏
+
𝑻𝟏 𝒔 + 𝟏 𝑻𝟐 𝒔 + 𝟏


Trong đó:
- K: Hệ số khuếch đại của đối tượng lò nhiệt.
- 𝑻𝟏 : Hằng số thời gian khơng nhạy của lị nhiệt.
- 𝑻𝟐 : Hằng số thời gian qn tính nhệt của lị.

- K, 𝑻𝟏 , 𝑻𝟐 được xác định bằng phương pháp thực nghiệm.

(2.3)


17

2.2 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển
2.2.1 Thuật toán PID:

Hình 2.4 Thuật tốn PID
Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một bộ hiệu chỉnh có
phản hồi nhằm làm giá trị sai lệch của một tín hiệu đang được điều khiển bằng 0.
Bộ PID có 3 thành phần:
- Proportional: tỷ lệ
- Integral: tích phân
- Derivative: đạo hàm
Ba thành phần này đều có vai trị đưa sai lệch về 0, nhưng mỗi thành phần đều có
tính chất riêng. Tín hiệu phản hồi (feedback signal) thường là tín hiệu đo bằng cảm
biến. Giá trị sai lệch là tín hiệu của tín hiệu đặt (setpoint) trừ cho tín hiệu phản hồi.
2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID theo Ziegler - Nichols
Phương pháp này thường áp dụng cho đối tượng có qn tính lớn như lị nhiệt
được mơ tả bằng hàm truyền đạt:
𝑲. 𝒆−𝑻𝟏𝒔
𝑮(𝒔) =

𝑻𝟐 𝒔 + 𝟏

PID của Ziegler - Nichols có dạng:

𝑫(𝒔) = 𝑪(𝟏 +
Với: 𝑪 =

𝟏,𝟐𝑻𝟐
𝑲𝑻𝟏

𝟏
+ 𝑻𝒅 𝒔)
𝑻𝒊 𝒔

; 𝑻𝒊 = 𝟐𝑻𝟏 ; 𝑻𝒅 = 𝟎, 𝟓𝑻𝟏

(2.4)


18

Hệ số tương ứng với hệ số khuếch đại tỷ lệ:
𝑲𝒑 = 𝑪 ; 𝑲𝒊 =

𝑪
; 𝑲𝒅 = 𝑪𝑻𝒅
𝑻𝟏

Hiệu chỉnh PI của Ziegler - Nichols là:
𝑫(𝒔) = 𝑪(𝟏 +

Hiệu chỉnh khuếch đại tỷ lệ P:

𝟏
)
𝑻𝒊 𝒔

Với: 𝑪 =

𝑫(𝒔) = 𝑪

Với: 𝑪 =

(2.5)

𝟎,𝟗𝑻𝟐
𝑲𝑻𝟏

(2.6)
𝑻𝟏

𝑲𝑻𝟐

Đối với hệ liên tục hiệu chỉnh PID có dạng tổng quát là :
𝑮(𝒔) = 𝑲𝒑 +

𝑲𝒊
+ 𝑲𝒅 𝒔
𝒔

(2.7)


Chuyển sang hệ rời rạc sử dụng hệ biến đổi Z đối với khâu vi phân:
𝑑𝑓(𝐷)
1
1 𝑧−1
𝑍�
� = (1 − 𝑍 −1 )𝐹 (𝑧) = ×
𝑑𝐷
𝑇
𝑇
𝑧

(2.8)

Hàm truyền khâu vi phân :
𝐺𝐷 (𝑧) = 𝐾𝑑

𝑧−1
𝑇𝑧

(2.9)

Trong phương trình vi phân chuyển sang sai phân dạng :
𝑑𝑓(𝐷)
1
�
= {𝑓(𝑘𝑇 − 𝑓 [(𝑘 − 1)𝑇])}
𝑑𝐷 𝑡=𝑘𝑇 𝑇

(2.10)



19

Có 3 phương pháp tính tích phân:

Hình 2.5 Phương pháp tính tích phân
Cách 1: Tích phân theo hình thang ABCD
𝑢(𝑘𝑇) = 𝑢(𝑘 − 1)𝑇 +
𝐺𝐼 (𝑧) = 𝐾𝑖

𝑇
2{𝑓 (𝑘𝑇) + 𝑓[(𝑘 − 1)𝑇]}

𝑈(𝑧) 𝐾𝑖 𝑇 𝑧 + 1
=
+
𝐹(𝑧)
2
𝑧−1

(2.11)
(2.12)

Cách 2: Tích phân theo hình chữ nhật lùi về phía sau ABFD
𝑢(𝑘𝑇) = 𝑢(𝑘 − 1)𝑇 + 𝑇𝑓[(𝑘 − 1)𝑇]
𝐺𝐼 (𝑧) = 𝐾𝑖

𝑈(𝑧)
𝐾𝑖 𝑇𝑧

=
𝐹(𝑧) 𝑧 − 1

(2.13)
(2.14)

Cách 3:Tích phân theo hình chữ nhật tiến về phía trước AECD
𝑢(𝑘𝑇) = 𝑢[(𝑘 − 1)𝑇] + 𝑇𝑓(𝑘𝑇)

(2.15)

Tổng quát theo cách 1 hàm truyền bộ lọc PID theo z là:
𝐺𝐶 (𝑧) = 𝐾𝑝 + 𝐾𝑑

𝑧 − 1 𝐾𝑖 𝑇 𝑧 + 1
+
×
𝑧
2
𝑧−1

(2.16)


20

Dạng tổng quát ký hiệu tín hiệu vào bộ điều khiển là f(t), tín hiệu ra là u(t).
Trường hợp bộ điều khiển PID được mắc ở kênh sai số thì tín hiệu vào bộ điều
khiển là:
𝑢(𝑘𝑇) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑘𝑇) + 𝐾𝑑

(𝑘−1)𝑇

+ 𝐾𝑖 �
0

𝑒(𝑘𝑇) − 𝑒[(𝑘 − 1)𝑇]
𝑇

𝑒(𝑘𝑇) + 𝑒[(𝑘 − 1)𝑇
𝑒𝑑𝐷 + 𝐾𝑖 𝑇
2

(2.17)

Sai lệch e(t) sinh ra trong hệ thống hồi tiếp. Đối với trường hợp này tín hiệu điều
khiển có dạng:
𝑢[(𝑘 − 1)𝑇] = 𝐾𝑝 𝑒[(𝑘 − 1)𝑇] + 𝐾𝑑
(𝑘−1)𝑇

+ 𝐾𝑖 �
0

𝑒𝑑𝐷

𝑒[(𝑘 − 1)𝑇] − 𝑒[(𝑘 − 2)𝑇]
𝑇

(2.18)

Từ hai biểu thức trên ta có:

𝑢(𝑘𝑇) − 𝑢[(𝑘 − 1)𝑇] =

(2.19)

𝑒(𝑘𝑇) + 𝑒(𝑘 − 2) − 2𝑒[(𝑘 − 1)𝑇]
𝑇
𝑒(𝑘𝑇) + 𝑒[(𝑘 − 1)𝑇]
+ 𝐾𝑖 𝑇
+ 𝑢[(𝑘 − 1)𝑇]
2
𝐾𝑑 𝐾𝑖 𝑇
2𝐾𝑑 𝐾𝑖 𝑇
𝐾𝑑
= 𝑒(𝑘𝑇) �𝐾𝑝 +
+
� − 𝑒[(𝑘 − 1)𝑇] �𝐾𝑝 +
−
�+
𝑒[(𝑘 − 2)𝑇]
𝑇
2
𝑇
2
𝑇
= 𝐾𝑝 {𝑒(𝑘𝑇) − 𝑒[(𝑘 − 1)𝑇]} + 𝐾𝑑

+ 𝑢[(𝑘 − 1)𝑇]

Từ cơng thức trên ta thấy: tín hiệu điều khiển u có thể tính được tại mọi thời


điểm nếu ta biết được giá trị các thông số của bộ điều chỉnh: Kp, Ki, Kd xác định
được, mà điều này có thể giải quyết được từ thực nghiệm và qua các cơng thức của
Ziegler - Nichols đã trình bày.


21

2.3 Lý thuyết Mờ
2.3.1 Giới thiệu
Các công cụ cổ điển mà ta dùng để xây dựng các phép ánh xạ giữa thế giới thực
và các mơ hình đều đặt trên cơ sở logic hai giá trị Boolean. Cách xây dựng như vậy
thể hiện một sự thiếu chặt chẽ: một đối tượng chỉ có thể có hai khả năng hoặc là
phần tử của tập hợp đang xét hoặc không, mà không dự trù cho trường hợp của các
đối tượng có một phần tính chất của tập hợp đang xét.
Ví dụ: Khi quy định trong thành phố xe gắn máy có tốc độ nhanh gây nguy
hiểm là xe có tốc độ v thuộc tập hợp 𝐴: {𝑣 ≥ 50𝑘𝑚/ℎ}, ta không thể cho rằng một

xe chạy ở tốc độ 49,9𝑘𝑚/ℎ là hoàn tồn khơng nguy hiểm theo như lý thuyết tập

hợp cổ điển.

Hầu hết các hiện tượng mà ta bắt gặp hàng ngày đều khơng hồn tồn rõ ràng, có

nghĩa là chúng ln có một mức độ mơ hồ nào đó trong việc diễn tả tính chất của
chúng.
Kiểu logic hai giá trị rất hiệu quả và thành công trong việc giải quyết các bài toán
được định nghĩa rõ ràng. Tuy nhiên, thực tế tồn tại một lớp các khái niệm khơng
thích hợp với cách tiếp cận như vậy.
Muốn sử dụng các khái niệm này một cách hiệu quả hơn trong mơ hình ta cần
tìm hiểu một cơng cụ, đó là logic mờ và đặt cơ sở trên nó là giải thuật điều khiển

mờ.
2.3.2 Tập hợp mờ
2.3.2.1 Định nghĩa
Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó là một
cặp các giá trị (𝑥, 𝑚𝐹 (𝑥)) trong đó 𝑥 ∈ 𝑀 và 𝑚𝐹 là ánh xạ:
𝑚𝐹 ∶ 𝑀 → [0,1]

Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ F.

Ánh xạ 𝑚𝐹 được gọi là hàm phụ thuộc của tập mờ F.


22

2.3.2.2 Ý nghĩa
Tập mờ F là hàm ánh xạ mỗi giá trị 𝑥 có thể là phần tử của một tập kinh điển M

sang một số nằm giữa 0 và 1 để chỉ ra mức độ phụ thuộc thật sự của nó vào tập M.
Độ phụ thuộc bằng 0 có nghĩa là 𝑥 không thuộc tập M, độ phụ thuộc bằng 1 có

nghĩa là 𝑥 hồn tồn là đại diện cho tập hợp M. Khi 𝑚𝐹 (𝑥) tăng dần thì độ phụ
thuộc của 𝑥 tăng dần. Điều này tạo ra một đường cong qua các phần tử của tập hợp.

Hình 2.6 Đường cong qua các phần tử của tập hợp.
Một tập mờ bao gồm 3 thành phần:
- Miền làm việc [𝑥1 , 𝑥2 ] gồm các số thực tăng dần nằm trên trục hoành.
- Đoạn [0,1] trên trục tung thể hiện độ phụ thuộc của tập mờ.

- Đường cong hàm số 𝑚𝐹 (𝑥) xác định độ phụ thuộc tương ứng của các phần


tử của tập mờ.

2.3.2.3 Các tính chất và đặc điểm cơ bản của tập mờ

Độ cao của một tập mờ là giá trị cực đại độ phụ thuộc của các phần tử tập mờ.

Hình 2.7 Độ cao tập mờ A, B