MỤC LỤC
Nhiệm vụ đồ án .......................................................................................................................... i
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ............................................................................................ii
Nhận xét của giáo viên phản biện .............................................................................................iii
Lời mở đầu ............................................................................................................................... iv
Lời cảm ơn ................................................................................................................................. v
Tóm tắt đề tài ............................................................................................................................ vi
Danh mục hình .............................................................................................................................
Danh mục bảng .............................................................................................................................
CHƢƠNG I DẪN NHẬP ...........................................................................................................
1.1

Đặt vấn đề ................................................................................................................................1

1.2

Lý do chọn đề tài .....................................................................................................................1

1.3

Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................................................1

1.4

Giới hạn đề tài ..........................................................................................................................1

1.5

Tình hình nghiên cứu trong thực tiễn.......................................................................................2
1.5.1

Trong nước: ....................................................................................................................2

1.5.2

Ngồi nước: ....................................................................................................................2

1.6

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................................2

1.7

Nội dung đề tàì .........................................................................................................................3

CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................................
2.1

Giới thiệu chung về tập mờ ......................................................................................................4
2.1.1

Khái niệm cơ bản về mờ ................................................................................................4

2.1.2

Định nghĩa tập mờ ..........................................................................................................4

2.1.3

Các thuật ngữ trong logic mờ .........................................................................................4


2.1.4 Luật hợp thành ...................................................................................................................7


2.1.5
2.2

Giải mờ...........................................................................................................................8

Bộ điều khiển mờ .....................................................................................................................9
2.2.1

Cấu trúc một bộ điều khiển mờ ......................................................................................9

2.2.2

Nguyên lý điều khiển mờ ...............................................................................................9

2.2.3

Thiết kế bộ điều khiển mờ............................................................................................10

CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ NHIỆT .............................
3.1

Cấu trúc tổng quát ..................................................................................................................11
3.1.1

Khối xử lý trung tâm ....................................................................................................13

3.1.2


Khối hiển thị.................................................................................................................13

3.1.3

Khối cảm biến .............................................................................................................14

3.1.4

Khối công suất .............................................................................................................14

3.1.5

Khối nguồn ...................................................................................................................17

3.1.6

Máy tính .......................................................................................................................17

3.2

Sơ đồ kết nối ..........................................................................................................................18

3.3

Bộ điều khiển mờ ..................................................................................................................21

CHƢƠNG IV CÁC THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG ................................................
4.1


Thiết bị điều khiển PLC Compactlogix L32E .......................................................................24

4.2 Thiết bị hiển thị bộ điều khiển TZN4S ......................................................................................26
4.2.1 Tổng quan ..............................................................................................................................26

4.3

4.2.2

Thông số của bộ điều khiển TZN4S ............................................................................27

4.2.3

Chế độ ON/OFF ...........................................................................................................28

4.2.4

Kết nối của bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S ..................................................................29

Thiết bị chấp hành..................................................................................................................30
4.3.1

Cảm biến PT100...........................................................................................................30

4.3.2

Lò nhiệt – Lò điện trở ..................................................................................................31

CHƢƠNG V KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƢƠNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.............
5.1


Kết quả nghiên cứu ................................................................................................................37
5.1.1

Kết quả dùng bộ điều khiển TNZ4S ............................................................................37


5.1.2

Kết quả dùng bộ điều khiển mờ ...................................................................................38

5.2

Kết luận ..................................................................................................................................42

5.3

Hướng phát triển đề tài ..........................................................................................................42

TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 43

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Miền giá trị ................................................................................................................. 4


Hình 2.2: Các dạng hàm thuộc ................................................................................................... 5
Hình 2.3: Hàm thuộc biến nhiệt sai ............................................................................................ 6
Hình 2.4: Giải mờ bằng phương pháp cực đại ........................................................................... 8
Hình 2.5: Bộ điều khiển mờ MISO ............................................................................................ 9
Hình 2.6: Nguyên lý điều khiển mờ ........................................................................................... 9

Hình 3.1: Sơ đồ khối mơ tả mạch ............................................................................................ 11
Hình 3.2: Mơ hình lị nhiệt ...................................................................................................... 12
Hình 3.3: Sơ đồ mơ tả hệ thống ................................................................................................ 13
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý 1 kênh điều khiển. ....................................................................... 15
Hình 3.6: Điện áp đồng pha sau biến áp xung .......................................................................... 15
Hình 3.7: Điện áp tại Tp32 so với điện áp nguồn ..................................................................... 16
Hình 3.8: Điện áp tại Tp33 ....................................................................................................... 16
Hình 3.9: Điện áp tại Tp34 ....................................................................................................... 16
Hình 3.10: Hoạt động SCR ....................................................................................................... 17
Hình 3.11: Sơ đồ kết nối dây trên domino............................................................................... 18
Hình 3.12: Sơ đồ kết nối mạch đều khiển ................................................................................ 18
Hình 3.13: Sơ đồ kết nối RN .................................................................................................... 18
Hình 3.14: Sơ đồ kết nối mạch đều khiển với nguồn ............................................................... 19
Hình 3.15: Sơ đồ kết nối khi điểu khiển lò nhiệt ở chế độ AUTO ........................................... 20
Hình 3.16: Sơ đồ kết nối khi điểu khiển lò nhiệt ở chế độ MAN ............................................. 21
Hình 3.17: Hình ảnh các tập mờ đầu vào phân bố trên miền xác định. .................................... 21
Hình 3.18: Hình ảnh các tập mờ đầu ra phân bố trên miền xác định. ...................................... 22
Hình 3.19: Mối quan hệ vào ra của hệ thống............................................................................ 22
Hình 3.20: Mặt điều khiển ........................................................................................................ 23
Hình 3.21: Quan hệ biến ngôn ngữ vào và ra ........................................................................... 23
Bảng 4.1 Đặc tính kỹ thuật của các module dùng trong mơ hình............................................ 24
Hình 4.1: Bộ điều khiển TZN-4S ............................................................................................. 26


Hình 4.2: Mặt trước bộ điều khiển TZN4S .............................................................................. 27
Hình 4.3: Ngõ ra chính ............................................................................................................ 29
Hình 4.4: Kết nối TZN4S ........................................................................................................ 29
Hình 4.5:. Đặc tính điều khiển ON OFF .................................................................................. 30
Hình 4.6: Khâu đồng pha dùng tụ và diode .............................................................................. 35
Hình 4.7: Khâu so sánh dùng một cổng đảo ............................................................................ 35

Hình 4.8: Khâu khếch đại bằng transistor cơng suất ................................................................ 36
Hình 5.1: Kết quả dùng bộ điều khiển TNZ4S ......................................................................... 37
Hình 5.2: Kết quả điều khiển với nhiệt độ đặt là 50oC ............................................................. 38
Hình 5.3: Kết quả điều khiển với nhiệt độ đặt là 70oC ............................................................ 39
Hình 5.4: Kết quả điều khiển với nhiệt độ đặt là 100oC .......................................................... 40
Hình 5.5: Kết quả điều khiển với nhiệt độ đặt là 110oC .......................................................... 41
Hình 5.6: Kết quả điều khiển với nhiệt độ đặt là 125oC .......................................................... 41

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Giải thích các kí hiệu từ hình 3.12 .......................................................................... 19
Bảng 4.1 Đặc tính kỹ thuật của các module dùng trong mơ hình........................................... 24
Bảng 4.2: Giải thích kí hiệu của bộ điều khiển TZN4S .......................................................... 27
Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển TZN4S ......................................................... 28
Bảng 4.4: Một vài ưu và khuyết điểm của cảm biến PT100 ................................................... 31



CHƢƠNG I
DẪN NHẬP


Chương 1. Dẫn Nhập

1.1

Đặt vấn đề
Ngày nay, sự đi lên của xã hội phải kể đến sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công

nghệ, cùng với với sự ra đời của các phần mềm ứng dụng đã tạo ra thành quả lớn với độ an
tồn và chính xác ngày càng cao. Những thành quả đó làm cho chất lượng cuộc sống của con

người được nâng lên, giúp thỏa mãn những nhu cầu, đòi hỏi ngày càng cao của con người
trong thời kì hiện đại. Với tình hình hiện nay, sinh hoạt của con người thường gắn liền với
những thiết bị, máy móc và vấn đề đặt ra là chúng ta sẽ tạo ra thiết bị đó như thế nào và điều
khiển chúng ra sao để đạt được hiệu quả tốt nhất, mà giá thành là thấp nhất.

1.2

Lý do chọn đề tài
Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt hằng ngày,

chúng ta luôn luôn cần xác định và điều khiển nhiệt độ của mơi trường hay của vật nào đó.
Ngày nay, chúng ta có nhiều phương pháp điều khiển và ổn định nhiệt độ cho một hệ thống
đạt được yêu cầu mà con người mong muốn. Đã có nhiều đề tài làm về điều khiển lò nhiệt sử
dụng các phương pháp điều khiển khác nhau như điều khiển On/Off, dùng bộ điều khiển
PID…., tuy các phương pháp điều đem lại một hiệu quả nhất định nào đó nhưng trong những
u cầu địi hỏi độ chính xác cao về độ vọt lố, thời gian quá độ, sai số xác lập, tính bền vững
của hệ thống… thì các phương pháp đó chưa đảm bảo được. Chính vì lý do nên chúng em
chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LÒ NHIỆT DÙNG FUZZY LOGIC” với mong muốn
nghiên cứu, tìm hiểu, thiết kế một bộ điều khiển có thể khắc phục được những nhược điểm
trên và có thể so sánh các phương pháp điều khiển khác nhau để đưa ra cái nhìn tổng quan về
các phương pháp để có thể đưa ra những lựa chọn phù hợp trong thực tế.

1.3

Đối tƣợng nghiên cứu
Trong giới hạn của đề tài, người thực hiện đề tài chỉ tập trung nghiên cứu về phương

pháp điều khiển và ổn định lò nhiệt dùng Fuzzy logic. Thiết kế mơ hình lị nhiệt thực tế và
xây dựng bộ điều khiển cho mơ hình đó.


1.4

Giới hạn đề tài
Với thời gian và kiến thức có hạn nên đề tài tập trung vào những vấn đề sau:
 Nghiên cứu về phương pháp điều khiển nhiệt độ lò dùng Fuzzy Logic.
 Tìm hiểu về phần mềm Fuzzy Designer.
Trang 1


Chương 1. Dẫn Nhập
 Thi cơng mơ hình thực điều khiển lò nhiệt và thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng
Fuzzy Logic.

Tình hình nghiên cứu trong thực tiễn

1.5

1.5.1 Trong nƣớc:
Hiện nay đã có nhiều các trung tâm, các cơng ty hoạt động trong lĩnh vực liên quan đến
nhiệt như: sản xuất gốm sứ cách điện chịu nhiệt, vật liệu chịu lửa và lắp đặt bộ thiết bị cung
cấp nhiệt cho Dây chuyền nhiệt luyện liên tục, sản xuất các loại Lị như: Lị trung tần, Lị cao
tần, Lị tơi,…, song kết quả đạt được vẫn chưa là thuộc sở hữu trí tuệ của Việt Nam, hầu hết
các sản phẩm được gia cơng theo nhu cầu của nước ngồi. Những năm gần đây, việc thiết kế
và điều khiển ổn định nhiệt độ được quan tâm rất nhiều, nhất là việc ứng dụng dùng: PID,
FUZZY LOGIC, mạng NeuroFuzzy được ra đời đã tạo thành công lớn cho lĩnh vực thiết kế
của đất nước, đã chứng tỏ được khả năng tri thức và khả năng làm chủ công nghệ, mở ra một
bước ngoặt lớn cho ngành tự động của nước nhà.

1.5.2 Ngoài nƣớc:
Các sản phẩm về nhiệt của nước ngoài hiện được sử dụng khá rộng rãi với nhiều tính

năng hỗ trợ về phần mềm và phần cứng, rất đa dạng và nhiều tính năng, có nhiều sự hỗ trợ
trực tuyến qua mạng như tài liệu hỗ trợ và phần mềm.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.6

Mỗi đề tài nghiên cứu khoa học phải đảm bảo được tính mới mẻ và tính kế thừa. Một giải
pháp mới được đưa ra dựa trên những giải pháp có sẵn và phải có sự phát triển so với các giải
pháp đó.
Về thực tiễn, sau khi nghiên cứu thành công đề tài, sinh viên là người trực tiếp thụ hưởng
được nhiều thành quả nhất. Quá trình thực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tế vơ cùng
bổ ích.
Các hệ thống điều khiển tự động không chỉ được sử dụng trong công nghiệp mà ngày
càng đi sâu vào đời sống xã hội của con người, từ những ứng dụng lớn trong những nhà máy
sản xuất cho tới những thiết bị gia dụng sử dụng hằng ngày. Gần như mọi xử lý, mọi yêu cầu
đặt ra cho hệ thống đều dẫn đến một vấn đề là điều khiển cho hệ thống sản xuất hoạt động tự
động hóa, ổn định, chính xác và an toàn. Các phương pháp điều khiển khác nhau đã được đưa
ra theo các yêu cầu trên. Chúng được áp dụng vào việc điều khiển với mục đích: đảm bảo cho
Trang 2


Chương 1. Dẫn Nhập
hệ thống hoạt động tốt nhất với chi phí thấp. Việc tìm hiểu, thiết kế các bộ điều khiển và so
sánh các phương pháp điều khiển này giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan hơn về các phương
pháp điều khiển. Từ đó, nó sẽ giúp chúng ta sẽ có những lựa chọn phù hợp khi đi vào u cầu
thực tế.

1.7


Nội dung đề tàì
Phần cịn lại của đề tài đươc chia làm các phần như sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Ờ chương này giới thiệu về lý thuyết cơ sở của bộ điều khiển (Fuzzy logic), các thành
phần của một bộ điều khiển mờ, và cách thiết lập một bộ điều khiển mờ.

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mờ cho lò nhiệt
Đây là chương trọng tâm của đồ án, chương này giới thiệu chi tiết về hệ thống điều
khiển lò nhiệt. Phần cứng của hệ thống điều khiển, các chức năng điều khiển của hệ thống và
từ đối tượng điều khiển – lị nhiệt có được bộ điều khiển dùng Fuzzy logic cụ thể cho đối
tượng đó.

Chương 4: Các thiết bị và phần mềm
Chương này sẽ giới thiệu tồng quát về các thiết bị phần cứng sử dụng trong hệ thống
bao gồm PLC, Bộ điều khiển nhiệt độ, lò nhiệt, cảm biến PT100. Các phần mềm đã sừ dụng
trong chương trình RSlogix 5000, Fuzzy designer.

Chương 5: Kết quả, kết luận và hướng phát triển đề tài
Chương này trình bày chi tiết các kết quả thu được khi hệ thống hoạt động, qua đó
đánh giá khả năng điều khiển của bộ điều khiển. Nêu kết luận chung về ưu điểm và hạn chế
của đề tài, khẳng định những kết quả đóng góp đạt được, đề xuất ý kiến để cải thiện khuyết
điểm và định hướng phát triển đề tài.

Trang 3


CHƢƠNG II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT



Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết

2.1

Giới thiệu chung về tập mờ

2.1.1 Khái niệm cơ bản về mờ
Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” là gì ta hãy thực hiện phép so sánh sau :
Ta xét phát biểu thông thường về nhiệt độ một lị nhiệt : thấp, trung bình, hơi cao, rất
cao. Phát biểu “thấp” ở đây không được chỉ rõ là bao nhiêu độ, như vậy từ “thấp” có
miền giá trị là một khoảng nào đó, ví dụ -10 oC đến 20 oC chẳng hạn. Tập hợp L={ thấp,
trung bình, hơi cao, rất cao} như vậy được gọi là một tập các biến ngôn ngữ. Với mỗi thành
phần ngôn ngữ xk của phát biểu trên nếu nó nhận được một khả năng (xk) thì tập hợp F
gồm các cặp (x, (xk)) được gọi là tập mờ.

2.1.2 Định nghĩa tập mờ
Tập mờ F xác định trên tập kinh điển B là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp giá
trị (x, F(x)), với x X và F(x) là một ánh xạ :
F(x: B
Trong đó:

[0, 1])

F gọi là hàm thuộc, B gọi là tập nền

2.1.3 Các thuật ngữ trong logic mờ

Hình 2.1: Miền giá trị
Độ cao tập mờ F là giá trị h = Sup F(x), trong đó sup F(x) chỉ giá trị nhỏ nhất trong tất

cả các chặn trên của hàm F(x).
 Miền xác định của tập mờ F, ký hiệu là S là tập con thoả mãn :
S = Supp F(x) = {x B | F(x) > 0}
 Miền tin cậy của tập mờ F, ký hiệu là T là tập con thoả mãn :
Trang 4


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết
T = {x B | F(x) = 1}
 Các dạng hàm thuộc (membership function) trong logic mờ
Có rất nhiều dạng hàm thuộc như: Gaussian, PI-shape, S-shape, Sigmoidal,
Z-shape …

Hình 2.2: Các dạng hàm thuộc
2.3.1.1

Biến ngơn ngữ

Biến ngôn ngữ là phần tử chủ đạo trong các hệ thống dùng logic mờ. Ở đây các thành
phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau.
Để minh hoạ về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ về nhiệt độ của một lị nhiệt, ta
có thể phát biểu về nhiệt sai:
 Very low

(VL)

 Low

(L)


 Medium

(M)

 High

(H)

 Very high

(VH)
Trang 5


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết
Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ. Gọi x là giá trị của biến nhiệt
sai. Ví dụ x =-10 oC, x = 20 oC … Hàm thuộc tương ứng của các biến ngôn ngữ trên được ký
hiệu là:
VS(x), S(x), M(x), F(x), VF(x)

Hình 2.3: Hàm thuộc biến nhiệt sai
Như vậy biến nhiệt sai có hai miền giá trị:
 Miền các giá trị ngôn ngữ : N = {VL, L, M, H, VH}
 Miền các giá trị vật lý : V = { x B | x

0}

Biến tốc độ được xác định trên miền ngôn ngữ N được gọi là biến ngơn ngữ.
Với mỗi x B ta có hàm thuộc:
x

2.1.3.2

X = { VS(x), S(x), M(x), F(x), VF(x) }

Các phép toán trên tập mờ

Cho X, Y là hai tập mờ trên không gian nền B, có các hàm thuộc tương ứng là X, Y
thì:
- Phép hợp hai tập mờ : X Y
+ Theo luật Max

X Y(b)

= Max{

+ Theo luật Sum

X Y(b)

= Min{ 1,

X(b)

+

+ Tổng trực tiếp

X Y(b)

=


Y(b)

-

X(b)

X(b)

+

,

Y(b)

}

Y(b)

}

X(b). Y(b)

Trang 6


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết

- Phép giao hai tập mờ: X Y
+ Theo luật Min


X Y(b)

= Min{

+ Theo luật Lukasiewicz

X Y(b)

= Max{0,

+ Theo luật Prod

X Y(b)

=

- Phép bù tập mờ:

xc (b) = 1-

X(b)

,

Y(b)

}

X(b)+ Y(b)-1}


X(b). Y(b)
X (b)

2.1.4 Luật hợp thành
2.1.4.1

Mệnh đề hợp thành

Ví dụ điều khiển nhiệt độ trong lị nhiệt, ta quan tâm đến 2 yếu tố:
+ Nhiệt sai:
ET = {very low, low, medium low, medium, medium high, high, very high}
+ Cơng suất điều khiển lị:
DKL = {very low, low, medium low, medium, medium high, high,very high}
Ta có thể suy diễn cách thức điều khiển như thế này:
Nếu ET = very low

thì

DKL = very low

Nếu ET = low

thì

DKL = low

Nếu ET = medium low

thì


DKL = medium low

Nếu ET = medium

thì

DKL = medium

Nếu ET = medium high

thì

DKL = medium high

Nếu ET = high

thì

DKL = high

Nếu ET = very high

thì

DKL = very high

Trong ví dụ trên ta thấy có cấu trúc chung là “Nếu A thì B”. Cấu trúc này gọi là mệnh
đề hợp thành, A là mệnh đề điều kiện, C = A=>B là mệnh đề kết luận.
2.1.4.2


Luật hợp thành mờ

Luật hợp thành là tên gọi chung của mơ hình biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc cho
một hay nhiều mệnh đề hợp thành.
Trang 7


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết
Các luật hợp thành cơ bản:
 Luật Max – Min
 Luật Max – Prod
 Luật Sum – Min
 Luật Sum– Prod

2.1.5 Giải mờ
Giải mờ là quá trình xác định giá trị rõ ở đầu ra từ hàm thuộc B’(y) của tập mờ B’.
Có 2 phương pháp giải mờ:
2.1.5.1

Phƣơng pháp cực đại

Các bước thực hiện:
 Xác định miền chứa giá trị y’, y’ là giá trị mà tại đó B’(y) đạt Max
G = { y Y | B’(y) = H }
 Xác định y’ theo một trong 3 cách sau :
 Nguyên lý trung bình:
 Nguyên lý cận trái:

chọn y’ = y1


 Nguyên lý cận phải:

chọn y’ = y2

Hình 2.4: Giải mờ bằng phương pháp cực đại
2.1.5.2

Phƣơng pháp trọng tâm

Điểm y’ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi trục hồnh và
đường B’(y)
Cơng thức xác định:
Trong đó:

S là miền xác định của tập mờ B’
Trang 8


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết
2.1.5.3

Phƣơng pháp độ cao

Nếu các hàm thuộc có dạng Singleton thì ta được:

Với Hk = B’k (yk)

2.2


Bộ điều khiển mờ

2.2.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ
Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:
 Khâu mờ hoá
 Thực hiện luật hợp thành
 Khâu giải mờ
Xét bộ điều khiển mờ MISO sau, với véctơ đầu vào X= [u1 u2 … un]T

Hình 2.5: Bộ điều khiển mờ MISO

2.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 2.6: Nguyên lý điều khiển mờ

Trang 9


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết
Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ:
 Giao diện đầu vào gồm các khâu: mờ hóa và các khâu hiệu chỉnh như tỷ lệ, tích
phân, vi phân…
 Thiết bị hợp thành: sự triển khai luật hợp thành R.
 Giao diện đầu ra gồm: khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng

2.2.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ
Các bước thiết kế:
B1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra.
B2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hóa).
 Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ.

 Số lượng tập mờ.
 Xác định hàm thuộc.
 Rời rạc hóa tập mờ.
B3: Xây dựng luật hợp thành.
B4: Chọn thiết bị hợp thành.
B5: Giải mờ và tối ưu hóa.
Phân loại bộ điều khiển mờ: điều khiển Mandani, điều khiển mờ trượt, điều khiển tra
bảng, điều khiển Tagako/Sugeno.

Trang 10


CHƢƠNG III
THIẾT KẾ
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHO LÒ NHIỆT


Chương 3. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Cho Lò Nhiệt

3.1

Cấu trúc tổng quát
Hệ thống điều khiển được thiết kế nhằm mục đích điều khiển một lị nướng dân dụng có

cơng suất dưới 3000W, có thể chia ra làm các khối như sau:
 Khối xử lý trung tâm: dùng PLC.
 Khối hiển thị: Bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S.
 Khối cảm biến: dùng cảm biến nhiệt độ là PT100.
 Khối điều khiển: có khả năng điều khiển đối tượng dùng điện áp 220V.

 Khối cơng suất: Mạch kích SCR
 Khối nguồn: Nguồn chính cung cấp nguồn 12VAC cho tồn mạch.
 Máy tính: Nhập giá trị đặt- giá trị cần điều khiển cho lị.
Sơ đồ khối mơ tả hệ thống:

Hình 3.1: Sơ đồ khối mô tả mạch

Trang 11


Chương 3. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Cho Lò Nhiệt

Khối
nguồn

K1

R2

RN

Mach điều
khiển

Mạch kích
SCR

Hình 3.2: Mơ hình lị nhiệt

Trang 12



Chương 3. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Cho Lò Nhiệt
3.1.1 Khối xử lý trung tâm
Khối này đóng vai trị điều khiển trung tâm, chịu trách nhiệm về các hoạt động trạng thái
của mạch cơng suất, lị nhiệt khi cho lị hoạt động ở chế độ Auto. PLC nhận tín hiệu từ PT100
(điện áp) sau đó chuyển đổi, so sánh với nhiệt độ đặt và đưa ra tín hiệu điều khiển tương ứng
(điện áp) cho mạch công suất để điều khiển hoạt động của lò.

3.1.2 Khối hiển thị
Khối hiển thị dùng bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S_14C, để hiện thị giá trị nhiệt độ hiện
tại và giá trị nhiệt độ đặt của lò:
 Sử dụng nguồn cung cấp: + Nguồn AC từ 100 - 240VAC, 50-60Hz, 5A.
+ Nguồn DC từ 24 – 48 VDC
 Nguồn được cấp vào chân 4, 5 của bộ điều khiển.

Hình 3.3: Sơ đồ mơ tả hệ thống

Trang 13


Chương 3. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Cho Lò Nhiệt
 Có thể đo được các loại cảm biến nhiệt độ:

RTD (Resistance Temperature Detector): DIN Pt100Ω (loại 3 dây), JIS
Pt100Ω (loại 3 dây).


T.C (Thermocouple): Cặp nhiệt K, J, R, E, T, S, W, N




Ngõ vào Analog (LM35,LM335)

Hình 3.4: Mạch kết nối giữa bộ điều khiển TZN4S - 14C với cảm biến PT100

3.1.3 Khối cảm biến
Cảm biến được sử dụng là nhiệt điện trở kim loại Pt100. Sự thay đổi về nhiệt sẽ chuyển
đổi thành sự thay đổi về áp đưa tới PLC để điều khiển.
Phương trình mơ tả mối quan hệ giữa ngõ ra của cảm biến và nhiệt độ tác động vào cảm
biến:
V = I * R0 (1+α T)
Trong đó:

I:

Dịng điện cấp cho Pt100.

R0:

Điện trở của PT100 ở 0o C với R0 = 100Ω.

T:

Nhiệt độ cần đo.

Tầm đo thường dùng của cảm biến là: 0 -> 400 0C.

3.1.4 Khối công suất
 Mạch công suất dùng để điều khiển nguồn xoay chiều cấp cho lị nhiệt.

 Có nhiều phương pháp điều khiển cơng suất nhưng nhóm sinh viên thực hiện đề tài
dùng phương pháp dùng 2 SCR mắc đối xứng, phương pháp này được sử dụng nhiều.
Khi cấp xung kích điều khiển thì 2 SCR sẽ lần lượt mở cho dịng đi qua.Ta có thể điều
khiển góc mở của SCR đảm bảo cho cơng suất của lị khơng thay đổi.

Trang 14


Chương 3. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Cho Lò Nhiệt
 Phương pháp này cho phép điều chỉnh trong phạm vi rộng, đáp ứng yêu cầu điều khiển,
độ chính xác tương đối cao, độ nhạy điều chỉnh tương đối lớn có khả năng điều chỉnh
liên tục và đều đặn.

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý 1 kênh điều khiển.
Điện áp cấp cho tải (Rc) và điện áp cấp cho biến áp lấy mẫu phải sử dụng chung nguồn
cung cấp để tạo ra tính đồng pha tức là tạo ra điện áp răng cưa tuyến tính trùng pha với điện
áp Anode của SCR. Sử dụng nguồn khác là khơng được.

Hình 3.6: Điện áp đồng pha sau biến áp xung

Trang 15


Chương 3. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Cho Lò Nhiệt

Hình 3.7: Điện áp tại Tp32 so với điện áp nguồn
Utp33

Hình 3.8: Điện áp tại Tp33


Utp3
4

Hình 3.9: Điện áp tại Tp34
Ở đây sử dụng Trasistor công suất: dùng để khuếch đại công suất.
Biến áp tạo xung dùng để tạo xung dạng kim hoặc xung hình chữ nhật gởi tới kích dẫn
SCR (để mở SCR). Biến áp xung là một loại biến áp- dùng để chuyển đổi năng lượng có hiệu
suất cao. Biến áp xung được sử dụng với mục đích để đảm bảo 2 yêu cầu: cách ly về điện và
đáng tin cậy trong đóng ngắt. Nghĩa là cách ly mạch SCR và mạch điều khiển nhằm bảo vệ
cho mạch điều khiển khi phía mạch SCR hay bên cao áp có sự cố. Khi cần điều khiển SCR thì
ta chú ý tần số điều khiển lớn nên đây là một ưu điểm của biến áp xung vì nó có kích thước
nhỏ gọn tần số càng cao thì kích thước càng nhỏ.Ta không thể dùng biến áp thường thay thế
cho biến áp xung được vì lõi biến áp bằng tơn silic không đáp ứng được điều kiện làm việc ở
tần số cao.
Khi thay đổi giá trị Vref thì cơng suất ngõ ra của mạch thay đổi. Khi giá trị Vref giảm thì
cơng suất giảm vì Vref là điện áp tham chiếu (dùng để so sánh với giá trị điện áp tại VTP32)
Trang 16