Lời nói đầu
Thế kỷ 21 mở ra một thời đại mới, thời đại khoa học công nghệ đòi hỏi con
người luôn luôn không ngừng tìm tòi học tập để tiến bộ. Thiết bị và công nghệ luôn
được đổi mới tiên tiến hiện đại để góp phần nâng cao chất lượng cũng như các máy
móc, thiết bị hoạt động có hiệu quả, an toàn ổn định. Ngày nay các bộ vi điều khiển
đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội,
đặc biệt là trong kỹ thuật tự động hóa và điều khiển từ xa.
Trong hoạt động sản xuất nông nghiệp hiện nay, việc tự động khâu sản xuất
là rất quan trọng. Nhiều năm trở lại đây, có rất nhiều ứng dụng của vi điều khiển
vào hoạt động chăn nuôi, …Một trong những yếu tố của ngành nông nghiệp là chăn
nuôi gia cầm với một khâu quan trọng là ổn định trong khâu sản xuất con giống, mà
cự thể là việc ấp nở con giống từ trúng gia cầm. Từ thực tế thấy được tầm quan trọng
của việc ấp nở con giống từ trứng gia cầm và đặc biệt là việc ổn định nhiệt độ lò ấp
trứng. Vì thế chúng em lựa chọn đề tài thiết kế lò ấp trứng tự động.
Với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn, cùng với sự nỗ lực của bản
thân, đến nay đề tài nghiên cứu khoa học của chúng em đã hoàn thành. Trong quá
trình làm bài do kinh nghiệm còn hạn chế, các tài liệu tham khảo có hạn nên chúng
em không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em mong được sự chỉ bảo, góp ý của
các thầy cô để bài làm của chúng em hoàn thiện hơn.
Chúng em cin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Quách Đức Cường đã tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo, và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp chúng em hoàn thành đề tài
nghiên cứu khoa học này với kết quả tốt nhất.
Em xin chân thành cảm ơn!

Nội dung đề tài được chia làm 3 phần:
Phần 1. Tổng quan về lò ấp trứng gia cầm
Phần 2: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò ấp bằng bộ điều khiển PID
Phần 3: Bộ điều khiển mờ


Phần 1. Tổng quan về lò ấp trứng gia cầm

1. Giới thiệu chung về đề tài.
Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nước ta có nhiều thành tựu vượt
bậc, không chỉ đủ cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho đất nước mà còn xuất
khẩu ra thị trường thế giới. Với thành tựu to lớn đó, chúng ta phải kể đến ngành
chăn nuôi gia cầm đã góp phần quan trọng cho nền kinh tế quốc dân. Sự phát triển
của ngành chăn nuôi nói chung và ngành chăn nuôi gia cầm nói riêng đã đem lại lợi
ích kinh tế cho các hộ nông dân, từng bước xoá đói giảm nghèo và ngày càng có
nhiều hộ gia đình làm giàu trên mảnh đất của mình nhờ vào kinh tế trang trại. Ngày
nay, nền kinh tế trang trại được phát triển rộng rãi trên cả nước với quy mô vừa và
lớn do đó vấn đề con giống là hết sức bức xúc. Ấp trứng nhân tạo bằng máy ấp công
nghiệp là phương pháp tối ưu để sản xuất con giống trong thời gian ngắn, tỷ lệ ấp
nở cao, đặc biệt có thể ấp được một số lượng trứng lớn, và chất lượng con giống
được nâng cao. Chính vì vậy việc để đáp ứng được nhu cầu thiết thực trên nhóm
chúng em đã nghiên cứu và chế tạo ra lò ấp trứng bằng bộ điều khiển PID.

1.1. Các vấn đề đặt ra.
a. Đặt vấn đề
Như chúng ta đã biết điều khiển tự động đã trở thành nhu cầu không thể thiếu
trong cuộc sống hiện đại. Một trong yếu tố được điều khiển tự động nhiều là nhiệt
độ. Để làm được điều đó chúng ta cần phải sử dụng các thiết bị đo và điều khiển tự
động ví dụ như cảm biến, rơle, ADC…Một trong những ứng dụng quan trọng và
phổ biến nhất của điều khiển tự động nhiệt độ là ứng dụng để điều khiển nhiệt độ
trong lò ấp trứng công nghiệp. Với ưu điểm của lò ấp trứng công nghiệp là tỉ lệ ấp
thành công lớn, cho hiệu quả kinh tế cao. Vì vậy hệ thống lò ấp trứng công nghiệp
ứng dụng rộng rãi trong phát triển kinh tế địa phương.
b. Giải quyết vấn đề
Để giải quyết vấn đề trên ta sử dụng phương pháp hiện đại dùng cảm biến và vi
xử lý:



-

Dùng dây maiso hoặc bóng đèn cung cấp nhiệt. Điều khiển và ổn định nhiệt
độ bằng vi xử lý.

-

Nguyên lý làm việc: sử dụng cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ lò ấp rồi chuyển
tín hiệu cho khối điểu khiển thông qua rơle để điều khiển hệ thống nhiệt của
lò ấp trứng và sử dụng cảm biến độ ẩm đo độ ẩm lò ấp để khối điều khiển
điều chỉnh tốc độ quay của cánh quạt. Và cần phải có thiết bị tự động chuyển
nguồn để đề phòng trường hợp xảy ra sự cố cắt điện thì hệ thống lò ấp vẫn
được cấp điện đảm bảo hoạt đông bình thường.

+ Ưu điểm: đo và điều khiển nhiệt độ chính xác, tỷ lệ nở cao, đem lại hiệu quả kinh
tế, phù hợp với sản suất số lượng lớn và các lò ấp công nghiệp chủ yếu thường sử
dụng phương pháp này.
+ Nhược điểm: cần phải có kiến thức sâu rộng điện tử, cảm biến, vi xử lý, lập trình.

1.2 Lịch sử phát triển lò ấp trứng
Trong các sách gia cầm ngày nay, chúng ta vẫn nghe nói rằng phương pháp
ấp trứng nhân tạo cổ xưa nhất được phát minh ở Ai Cập. Diodorus Siculus (sử gia
Hy Lạp) viết về điều này trong thời của mình – từ năm 80 đến 20 trước công nguyên.
Những tác giả cổ hơn, chẳng hạn như Aristotle và Pliny, viết rằng người Ai Cập từ
lâu đã sử dụng một loại “lò” đặc biệt để ấp trứng gia cầm, nhưng không ai biết rõ
quy trình này. Điều duy nhất mà mọi người biết là phân lạc đà được sử dụng để cung
cấp nhiệt cần thiết cho việc ấp.


Hình I.1. Lò ấp trứng cổ đại


Vào thời đó, nhiều nhà phát minh cố gắng chế tạo máy ấp trứng dựa trên
phương pháp của người Ai Cập. Nỗ lực đầu tiên được thực hiện bởi Jean Baptiste
Della Porta vào năm 1588 ở Ý. Ông bị buộc phải ngưng công việc bởi Tòa án Dị
giáo Tây Ban Nha. Ở Mỹ, Lyman Byce, một thanh niên 26 tuổi người Canada, người
đến Petaluma để chữa bệnh, đã phát minh ra lò ấp điều khiển nhiệt độ vào năm 1879
cùng với Isaac Dias, một nha sĩ địa phương. Cha của Byce nuôi gà và dùng phân gia
súc để sưởi ấm chuồng. Với hình ảnh đó trong đầu, anh phát minh ra cách ấp nhân
tạo trứng gà. Lò ấp này là một đột phá trong ngành công nghiệp gia cầm Mỹ, nhanh
chóng đánh dấu Petaluma trên bản đồ như là “Rổ trứng của thế giới”.
Và với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp hiện nay lò ấp trứng đã được
cải tiến nhân rộng về hiệu quả và năng suất cao khác xa vưới lò ấy trứng của nhà
phát minh ra nó và đây là kết quả đã được kết tụ của nhiều năm qua.


Hình I.2. Lò ấp trứng hiện đại
2. Tổng quan về lò ấp trứng.

2.1. Tổng quan
Dựa trên các yếu tố của việc ấp trứng tự nhiên do gia cầm thực hiện, máy ấp
trứng đưa ra các giải pháp kỹ thuật tương tự. Với các ưu thế hơn hẳn về sản lượng
ấp cho một mẻ trứng. Trong đề tài này, nhóm thực hiện xin giới thiệu về cấu trúc
tổng quát của máy ấp trứng được nhóm tổng kết sau quá trình tham quan thực tế và
tham khảo tài liệu.
Các loại trứng gia cầm khác nhau có các yêu cầu khác nhau về nhiệt độ, độ
ẩm và thời gian ấp nở. Về cơ bản, máy ấp trứng tự động gồm bốn khâu: nhiệt độ,
đảo trứng, độ ẩm và thông gió, các thông số kỹ thuật đều được điều chỉnh bằng


mạch bán dẫn và vi điện tử. Để có giống khỏe mạnh, tỷ lệ nở cao, máy phải giải

quyết được triệt đẻ bốn khâu trên.
Khâu nhiệt độ đóng vai trò quan trọng nhất, quả trứng ấp không đủ nhiệt thì
phôi sẽ không phát triển. Đề giữ nhiệt, các vỏ máy được thiết kế dày và có chức
năng cách ly tốt, góp phần lưu nhiệt khi mất điện. Trong máy có các hệ thống dây
điện trở, có chức năng sinh nhiệt, mỗi dây có công suất tùy thuộc vào thể tích vủa
lồng ấp. Để đóng, ngắt mạch điện và dây điện trở sinh nhiệt, có thể sử dụng relay
điện từ không tiếp điểm, dung triac công suất lớn, bộ đóng ngắt hoạt đọng với độ
tin cậy cao.
Khâu đảo trứng là khâu thứ hai trong quá trình ấp. Thông thường trứng được
đảo vài giờ một lần, một lần kéo dài khoảng 10 phút. Việc đảo trứng thực hiện chậm
vì tránh hiện tượng va đập làm hư trứng. Dàn đảo sẽ dảo với một góc không quá
60O hoặc thấp hơn tùy vào thiết kế của giá để trứng.
Một quả trứng bình thường chứa 6,5% đến 6,6% lượng nước. Trong qua trình
tiếp nhiệt độ để phát triển thành con giống, lượng nước sẽ bị bay hơi dần. Máy ấp
trứng phải có hệ thống cung cấp độ ẩm tự động và điều chỉnh được tùy ý. Thông
thường máy ấp có giàn phun nước tự động để giữ cho độ ẩm không thay đổi tùy
thuốc vào từng giai đoạn của trứng.
Thông gió là phần không thể thiếu trong quá trình ấp. Các quạt thông gió
phải gắn với cửa chớp mở tự động mỗi khi quạt hoạt động. Việc gắn với cửa chớp
là để đảm bảo việc cách ly với môi trường bên ngoài, đảm bảo việc giữ nhiệt. Việc
thông gió có thể kết hợp với việc giảm nhiệt cho máy ấp.


2.2. Cấu tạo
a. Thùng máy và giàn khay trứng:
- Thùng máy thường có dạng hình hộp bằng gỗ và có thể bọc tôn, nhôm ngoài
mặt đáy để tăng cứng vững, có cửa lớn phía trước để đưa trứng vào ra, có cửa kính
để quan sát trong máy, nhiệt kế, ẩm kế; có cửa sổ phía sau để mở và chăm sóc máy
bên trong. Ngoài ra còn có cửa thoát gió, thoát khí thải trong máy.
- Giàn là một bộ khung, thường bằng kim loại, để đặt các khay trứng, có thể xoay

nghiêng bên phải, bên trái để đảo trứng. Giàn thường có 2 kiểu: giàn trống và giàn
tầng.
- Khay xếp trứng ấp (khay ấp) thường hình chữ nhật, bằng gỗ, kim loại hoặc
nhựa có những thanh ngăn giữ trứng. Khe giữa các thanh có thể thay đổi rộng hẹp
để phù hợp kích thước to nhỏ của các loại trứng.
- Khay xếp trứng nở (khay nở) cũng hình chữ nhật, có đáy bằng lưới thép (lỗ
vuông hoặc tròn). Khi tới ngày nở trứng được chuyền từ các khay ấp sang khay nở
để việc nở của trứng được dễ ràng. Khi đảo trứng, các khay ấp sẽ nghiêng cùng với
khung giàn một góc 45O - 47O so với mặt ngang, lần lượt theo 2 phía đối xứng.
b. Bộ tạo nhiệt và bộ điều nhiệt
Bộ tạo nhiệt làm việc theo các nguyên lý sau:
- Bằng nước nóng: nước đun ngoài đổ vào bình tạo nhiệt đặt trong máy, phía
trên.
- Nước nóng đun bằng đèn dầu: nước nóng lưu thông theo ống dẫn trong máy
bằng cách đối lưu để cấp nhiệt cho trứng.
- Bằng điện: dùng các dây điện trở đốt nóng, khi có dòng điện qua sẽ toả nhiệt
cho máy. Bộ điều nhiệt thường gồm một bộ cảm biến nhiệt đặt trong máy, tác động
vào bộ đóng ngắt mạch điện cung cấp cho dây điện trở tạo nhiệt. Ở máy ấp trứng
bằng nước nóng và đun đèn dầu thường dùng bộ cảm biến nhiệt kiểu bầu ête để tác
động vào bộ phận đóng mở ống khói nóng của đèn dầu đun nước, nhờ đó mà tự
động điều nhiệt được.


c. Bộ tạo ẩm
Làm việc theo nguyên lý sau:
- Dẫn nước hay đổ nước vào máng tạo ẩm đặt trong máy để nước bốc hơi tạo
ẩm. Cách này thủ công, đơn giản, không đảm bảo tốt yêu cầu độ ẩm ổn định, khó
điều ẩm tốt được.
- Vung nước qua cánh quạt trong máy, nước từ bình chứa đặt cao hay từ mạng
ống cung cấp chung của trại, qua van nước, ống dẫn vào bầu, để rồi theo ống dẫn

hàn dọc các cánh quạt gió mà vung ra xung quanh, xuyên qua các lỗ nhỏ của vành
lưới thép bao xung quanh, sẽ tạo thành lớp sương mù gây ẩm trong máy.
d. Bộ thông gió và bộ điều gió
- Bộ thông gió ở các máy ấp trứng đều là quạt hướng trục, lắp ở giữa thành sau
bên trong máy. Cửa hút gió được bố trí gần trục quạt có nắp điều gió, điều chỉnh độ
mở bằng tay. Cửa thoát gió thường bố trí trên nóc máy hay ở thành trước máy, có
nắp điều gió, đóng mở bằng tay.
e. Bộ đảo trứng
Bao gồm có các nguyên lý làm việc sau:
- Động cơ điện quay: dùng cho mọi kiểu giàn trứng, thường gồm động cơ điện,
bộ giảm tốc, bộ truyền động và cụm tiếp điểm cuối.
- Dây kéo: dùng ở một số máy ấp trứng cỡ nhỏ, trong đó khay trứng có các đũa
tròn xoay được, quấn một dây chung sao cho khi đảo, ta kéo một đầu dây thì các
đũa xoay đủ để khay trứng xoay theo một góc nào đó.
- Tay quay: dùng ở máy ấp trứng có giàn trống, dùng tay quay trống nghiêng
một góc 45O - 47O (so với mặt nằm ngang) lần lượt cả hai phía theo từng thời gian
quy định.
f. Bộ điều khiển và báo hiệu
Thường bao gồm: những bộ khởi động từ, những cụm tiếp điểm tổng, những rơle
điện từ, cầu chì, nút bấm, cụm đầu nối điện, chuông đèn báo hiệu.


g. Bộ phận phụ trợ
Máy ấp trứng còn có những bộ phận phụ trợ như: giàn chuyển trứng, bộ bánh xe
chuyển giàn trứng, bàn chuyển trứng, thang, dụng cụ soi trứng.

3. Phân loại lò ấp trứng.
3.1. Lò ấp trứng thủ công
Thực chất là việc sắp các kệ trứng xen kẽ giữa các bóng đèn, trong một không
gian rộng. Phương pháp ấp trứng gia cầm mà việc điều chỉnh chế độ nhiệt độ, độ

ẩm qua các giai đoạn ấp hoàn toàn nhờ vào kinh nghiệm, cảm giác của người chủ
ấp thì gọi là ấp trứng thủ công.

Hình I.3. Lò ấp trứng thủ công


a. Ưu điểm của phương pháp ấp trứng thủ công
Lò ấp trứng được làm bằng “bồ” đan bằng tre nứa, thóc lép hoặc trấu, chăn,
màn (ủ trứng) … là những thứ rẻ tiền sẵn có ở bất cứ vùng nào.
Nhà xưởng để lắp đặt lò đơn giản, có thể sử dụng nhà bếp, nhà ở, nhà kho …
Quy mô trứng ấp từ ít đến nhiều, không bị phụ thuộc vào quy mô máy, rất
thuận thiện vì vậy trứng luôn được cho vào ấp, không cần bảo quản dài ngày.
Có thể sử dụng được bất cứ loại lao động nào trong gia đình hoặc thôn xóm
để tham gia vận hành lò ấp. Nhất thiết phải có người chịu trách nhiệm kỹ thuật ấp:
ông chủ lò ấp hoặc một chuyên gia về ấp thủ công …

b. Nhược điểm của phương pháp ấp trứng thủ công
- Hoàn toàn không có khả năng tự động.
- Khả năng trứng nỏ phụ thuộc vào kinh nghiệm người làm việc, do vậy hiệu
quả kinh tế không cao.
- Sử dụng nhiều nhân công khi ấp trứng.

c. Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc hoàn toàn thủ công và hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm:
dung đèn thắp sang để cung cấp nhiệt độ cho lò ấp, đảo trứng 5 – 7 lần trên 1 ngày
trong 10 ngày đầu và 3 – 4 lần trong các ngày còn lại, tiến hành phun nước cho lò
cứ cách vài ngày phun một lần (độ ẩm khoảng 80%). Tất cả các quá trình trên hoàn
toàn không tự động.
Giá thành rẻ do các nguyên vật liệu làm lò hoàn toàn dễ kiếm tại các địa
phương.



3.2. Lò ấp trứng bán thủ công.
Biên độ nhiệt: trong khoảng tăng 0,1O C – giảm 0,1O C. Nhiệt độ được điều
khiển tự động, ổn định bằng vi xử lý, tạo độ ẩm tự động, đảo trứng tự động. Có thể
ấp theo chế độ đa kỳ (mỗi tuần vào trứng một lần) hoặc đơn kỳ (vào trứng một lần).

Hình I.4. Lò ấp trứng bán thủ công
a. Ưu điểm.
- Hệ thống nhỏ gọn dễ lắp đặt.
- Giá thành rẻ, dễ chế tạo.
- Làm việc liên tục nhiều ngày.
- Làm việc được ở điện áp 220V.
- Công suất tiêu thụ thấp, giảm được một lượng lớn nhân công.
- Có khả năng tự động hóa 1 phần, người sử dụng có thể cài các chế độ tự
động theo một số phần mềm định sẵn.


b. Nhược điểm.
- Không có khả năng báo lỗi và hoạt động khi mất điện.
- Hoạt động trong một quy mô nhỏ khoảng 1000 trứng.
- Cần giám sát khi hệ thống hoạt động.
3.3. Lò ấp trứng công nghiệp
Đây là một hệ thống hoàn toàn tự động. Tất cả các thông số được nhập vào
một lần và sẽ được sử lý trong suốt quá trình làm việc.

Hình I.5. Lò ấp trứng công nghiệp


a. Ưu điểm

- Hệ thống hoàn toàn tự động.
- Hoạt động lên tục.
- Có thông báo khi có sự cố.
- Khả năng tự xử lý sự cố.
- Khả năng chống bị phá hoại cao.
- Hệ thống bền, tái sử dụng cao.
- Sử dụng điện áp 220V hoặc 380V.

b. Nhược điểm
- Hệ thống khá đắt.
- Sử dụng ở quy mô sản xuất lớn.

c. Nguyên lý làm việc.
Bằng việc sử dụng vi xử lý kết hợp các linh kiện điện tử cũng như lập trình
từ phái người thiết kế, khối xử lý trung tâm sẽ nhận các thông số đầu vào từ cảm
biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm trong máy và các chế độ, thông số từ phía giao diện
người dùng, từ đó cho ra các tín hiệu hợp lý đưa tới các khối hệ thống riêng biệt để
các hệ thống thực hiện chức năng, nhiệm vụ của mình. Nguyên lý hoạt động chung
của các máy ấp trứng công nghiệp được mô tả như sơ đồ khối bên dưới.


Hình I.6. Sơ đồ nguyên lý hệ thống


3.4. Giới thiệu một số máy ấp trứng trên thị trường hiện nay
a. Máy ấp trứng GC – 1000

Hình I.7. Máy ấp trứng GC – 1000

Tự động hoàn toàn 100%, công suất tối đa 1000 trứng, đảo trứng tự động

(chế độ hẹn giờ), phun ẩm và nhiệt độ tùy chỉnh tự động khi qua con số quy định.
-

Điện áp: 220VAC
Công suất tiêu thụ: 10 kw / 1 kỳ ấp.
Phun ẩm: tùy chỉnh, tự động đóng ngắt khi quá % quy định.
Hệ thống cung cấp nhiệt: bóng đèn halozen chuyên dùng cho ấp trứng.
Đảo trứng: tự động chọn hẹn giờ từ 30 phút – 120 giờ.
Nhiệt độ được điều khiển tự động, ổn định bằng vi xử lý.


-

Tạo độ ẩm tự động.
Đảo trứng tự động (có thể tùy chọn thời gian đảo từ 1 giờ - 120 giờ).

-

Có thể ấp theo chế độ đa kỳ (mỗi tuần vào trứng một lần).

b. Máy ấp trứng MT50G

Hình I.8. Máy ấp trứng MT50G
-

Máy ấp 50 trứng tự động hoàn toàn (điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, đảo trứng
tự động).
Sử dụng đơn giản, tiện lợi.
Tỷ lệ nở cao, đạt trên 85%.
Siêu tiết kiệm điện.

Điện áp sử dụng 220V/50Hz.
Khả năng chống xét cao.
Mạch điện tử chống ẩm tuyệt đối.
Khối lượng: 14Kg
Số lượng trứng: 50 trứng gà ta, 60 trứng chim trĩ, 80 trứng cút …


Phần 2. Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò ấp bằng điều khiển PID
1. Tổng quan về bộ điều khiển PID
Một hệ thống điều khiển PID nói chung đều có mô hình tổng quan dưới dạng:

Quá trình điều khiển theo mô hình trên là một quá 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), Vi phân (D), Tích phân (I).
Mỗi thành phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống. Cụ
thể:
1.1. Thành phần tỉ lệ (P):
Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tín hiệu sai lẹch e(t)
Phương trình sai phân mô tả động học:
( )=
Trong đó:

. ( )

u(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển
e(t): tín hiệu vào
Km: hệ số khuếch 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(jw) = Km
+ Hàm quá độ là hàm mô tả tác động tín hiệu vào l(t):
h(t) =

. ( )

+ Hàm quá độ xung:
( )

( )=

=

. ( )

( ( ) là xung Dirac)
+ Biểu diễn đồ thị đặc tính:
W(jw) = A(w).

( )

Trong đó:
A(w) = √
( )=


+

=
=0

Đồ thị đặc tính:

Hình II.1


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 II.2
Sai lệch hệ thống được tính:
= lim ( )
→

Theo hình I.2, ta có:
.

E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) –
↔

( )=

.


( )

( ).E(p)

( )

Từ các phân tích trên ta thấy thành phần tỷ lệ (P) có tác dụng làm giảm sai lệch tĩnh,
thời gian tác động nhanh.

1.2 Thành phần tích phân (I):
Tín hiệu điều khiển u(t) 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:
( )

( )=

( )

=

.

+ Hàm truyền đạt trong miền tần số:
(

)=

.

=

.

=

.

Trong đó:
A(w) =

.


( )=

;

+ Hàm quá độ:
( )=

( )

=

+ Đồ thị đặc tính:

Hình II.3


Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy luật điều khiển tích phân tác động kém với
các tín hiệu có tần số cao.
Trong tất cả các giải tần số, tín hiệu ra phản ứng chậm pha so với tín hiệu
vào một góc 90O, điều này có nghĩa là luật tích phân tác động chậm, do vậy hệ thống
dễ bị dao động, phụ thuộc vào hằng số thời gian tích phân Ti.
+ Sai lệch của hệ thống:

Hình II.4

Sai lệch của hệ thống được tính:
= lim ( )
→


Từ hình I.4, ta có
( )= ( )
↔

( )=
.

( )= ( )

.

.

.

( ). ( )

( )
( )

+ 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.


1.3 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:
( )=

( )

=

( )

.

+ Hàm truyền đạt trong miền tần số:
(

.

)=

.

=


.

Trong đó:
( )=

A(w) = Td.w ;
+ Hàm quá độ:
( )=

( )

=

( )

+ hàm quá độ xung:
( )=

+ Đồ thị đặc tính:

( )

=

. ( )


Hình II.5

Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy luật điều khiển vi phân tác động mạnh với các

tín hiệu có tần số cao.
Trong tất cả các giải tần số, tín hiệu ra phản ứng sớm pha so với tín hiệu vào
một góc 90O, điều này có nghĩa luật điều khiển vi phân tác động nhanh. Do vậy hệ
thống sẽ bị tác động bởi nhiễu cao tần, làm việc kém ổn định trong môi trường có
nhiễu tác động.
+ Sai lệch của hệ thống:

Hình II.6


Sai lệch của hệ thống được tính:
= lim ( )
→

Theo hình I.6, ta có:
E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) –

↔

( )=

( )

. .

. .

( ).E(p)

( )


+ 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
dẽ bị tác động bởi nhiễu cao tần, đây là loại nhiễu thường tồn tại trong công nghiệp.

1.4 Các bộ điều khiển tích hợp
Trong các hệ thống điều khiển thường sử dụng kết hợp 3 thành phần trên tùy
theo yêu cầu chất lượng của hệ thống và tính phức tạp khi thiết kế các thành phần
mà người thiết kế có thể sử dụng khâu điều khiển P, PI hay PID. Trong các sự kết
hợp đó thì khâu điều khiển PID là hoàn hảo nhất cho các hệ thống điều khiển.
Phương trình vi phân mô tả quan hệ tín hiệu vào ra của bộ điều khiển PID:

( )=

( )=

. ( )+

.

( )+

1

( )

+

( )


+

( )

( )


Trong đó:
e(t): tín hiệu vào của bộ điều khiển
U(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển
=
=

: hệ số khuếch đại
/

: hằng số thời gian vi phân

= hằng số thời gian tích phân

+ Sơ đồ cấu trúc:

Hình II.7

+ Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

( )=

( )

=
( )

1+

1
+
.

.