TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LỊ
NUNG CƠNG NGHIỆP SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID

Giảng viên hướng dẫn : Th.S Phan Văn Dư
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Đức Nguyên

MSSV

: 135D5202163011

Lớp

: 54K3 - KTĐK&TĐH

Nghệ An, 06-2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆNKỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LỊ
NUNG CƠNG NGHIỆP SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID

Giảng viên hướng dẫn : Th.S Phan Văn Dư
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Đức Nguyên

MSSV

: 135D5202163011

Lớp

: 54K3 - KTĐK&TĐH

Nghệ An, 06-2018


MỤC LỤC
MỤC LỤC…………………………………………………………………….……..2
DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................4
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................6
TÓM TẮT ĐỒ ÁN......................................................................................................7
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................8

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LỊ NUNG CƠNG NGHIỆP .............................9
1.1. Lị nung cơng nghiệp .......................................................................................9
1.1.1. Giới thiệu chung về lị nung cơng nghiệp .................................................9
1.1.2. Ưu điểm của lò nung .................................................................................9
1.1.3. Nhược điểm của lị nung .........................................................................10
1.2. Cấu tạo lị nung cơng nghiệp ........................................................................10
1.2.1. Vật nung, dây nung ................................................................................10
1.2.2. Vỏ lò nung ..............................................................................................11
1.2.3. Lớp lót ....................................................................................................12
1.3. Phân loại lị nung cơng nghiệp.......................................................................13
1.4. Ngun lý làm việc của lò nhiệt ....................................................................14
1.4.1. Nguyên lý làm việc .................................................................................14
1.4.2. Tổn thất nhiệt trong lò .............................................................................14
1.5. Các yêu cầu cơ bản về lò nhiệt ......................................................................15
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID CHO HỆ THỐNGĐIỀU
CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG .............................................................................16
2.1. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò nung ..............................................16
2.1.1. Điều chỉnh ON-OFF................................................................................16
2.1.2. Phương pháp dùng rơle kết hợp với Thysistor ........................................17
2.1.3. Phương pháp dùng hai Thysistor mắc song song ngược ........................17
2.1.4. Phương pháp dùng Triac .........................................................................18
2.1.5. Phương pháp dùng bộ điều chỉnh PID ....................................................18
2.2. Xác định hàm truyền của lò nhiệt .................................................................21
2.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh PID..........................................................................23
1


2.3.1. Thiết kế bộ PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất ................26
2.3.1.1. Bộ điều chỉnh P ............................................................................28
2.3.1.2. Bộ điều chỉnh PI ..........................................................................28

2.3.1.3. Bộ điều chỉnh PID........................................................................29
2.3.2. Thiết kế bộ PID theo công cụ hỗ trợ PID Turning .................................33
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ
LỊ NUNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID .....................................................36
3.1. Phân tích yêu cầu thiết kế ..............................................................................36
3.2. Thiết kế các khối chức năng ..........................................................................36
3.2.1. Khối điều khiển chính Arduino Uno .......................................................36
3.2.2. Khối cảm biến nhiệt độ LM35 ................................................................40
3.2.3. Khối điềunhiệt .........................................................................................41
3.2.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống..........................................................42
3.3. Thuật toán điều khiển ....................................................................................43
3.4. Xây dựng mơ hình .........................................................................................45
3.4.1. Phần cứng mơ hình..................................................................................45
3.4.2 Giao diện điều khiển ................................................................................47
3.5. Kết quả thử nghiệm........................................................................................47
KẾT LUẬN ..............................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................51
PHỤ LỤC .................................................................................................................52

2


DANH MỤC VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

P


Proportional

Khâu tỉ lệ

I

Integral

Khâu tích phân

D

Differential

Khâu vi phân

PID
PWM

Proportional Intergal

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

Derivative
Pulse Width Modulation

3

Độ rộng xung



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lị nhiệt ................................16
Hình 2.2. Đặc tính điều chỉnh của điều khiển ON – OFF .........................................16
Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh sử dụng bộ điều chỉnh PID ...............19
Hình 2.4. So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều chỉnh ..........................21
Hình 2.5. Đặc tính nhiệt độ của lị nhiệt ...................................................................22
Hình 2.6. Đáp ứng xung của hệ thống khi khơng có trễ ...........................................23
Hình 2.7. Đáp ứng xung của hệ thống khi có trễ  =10s ...........................................23
Hình 2.8. Xác định các thơng số cho phương pháp Zeigler-Nichols thứ nhất ..........26
Hình 2.9. Sơ đồ mơ phỏng dùng Simulink của hệ thống điều chỉnh……………....28
Hình 2.10. Khối PID .................................................................................................27
Hình 2.11. Khối Subsystem ......................................................................................27
Hình 2.12. Đáp ứng quá độ bộ điều chỉnh P ............................................................28
Hình 2.13. Đáp ứng quá độ bộ điều chỉnh PI ............................................................29
Hình 2.14. Đáp ứng quá độ bộ PID ...........................................................................30
Hình 2.15. Đáp ứng bộ PID đã hiệu chỉnh ................................................................31
Hình 2.16. Đáp ứng quá độ với cơng suất nhiễu bằng 0.0001 ..................................32
Hình 2.17. Đáp ứng q độ với cơng suất nhiễu bằng 0.001 ....................................32
Hình 2.18. Đáp ứng quá độ với công suất nhiễu bằng 0.005 ....................................33
Hình 2.19. Sơ đồ mơ phỏng của hệ thống điều chỉnh ...............................................34
Hình 2.20 Giao diện PID controller ..........................................................................34
Hình 2.21. Kết quả Turning tìm thơng số bộ PID .....................................................35
Hình 3.1. Board Arduino Uno ...................................................................................36
Hình 3.2. Sơ đồ chân của Atmega328 .......................................................................38
Hình 3.3. Cảm biến LM35 ........................................................................................40
Hình 3.4. Sơ đồ chân cảm biến LM35 ......................................................................40
Hình 3. 5. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển độ sáng bóng đèn………..…………43
Hình 3. 6. Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện điểm 0 của điện áp xoay chiều ............41

Hình 3. 7. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển quạt…………………………………44
Hình 3.8. Sơ đồ tổng quát của hệ thống ...................................................................43
Hình 3.9. Sơ đồ thuật tốn điều khiển ......................................................................44

4


Hình 3.10. Arduino Uno R3 ......................................................................................45
Hình 3.11. Mơ hình lị nhiệt ......................................................................................45
Hình 3.12 Giao diện điều khiển ................................................................................47
Hình 3.13. Kết nối Matlab với Arduino qua cổng COM ..........................................48
Hình 3.14. Kết quả thử nghiệm .................................................................................48
Hình 3.15. Hệ thống sau khi đi vào ổn định .............................................................49
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. So sánh các phương pháp điều chỉnh ......................................................20
Bảng 2.2. Cách xác định các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ
nhất ............................................................................................................................26
Bảng 2.3. Giá trị k p , ki , kd theo Zeigler-Nichols thứ nhất ........................................27
Bảng 3.1. Các thông số chi tiết của Arduino Uno.....................................................37

5


LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình học tập và rèn luyện tại Đại học Vinh được sự giúp đỡ của các
thầy cô giáo và đặc biệt là sự quan tâm chỉ bảo tận tình của các thầy cơ trong viện
Kỹ thuật và Cơng nghệ , em đã tích lũy cho bản thân rất nhiều kiến thức cơ bản cần
có của một kỹ sư tự động hóa ,các kỹ năng thực tế để có thể hồn thành tốt đồ án tốt
nghiệp của mình.
Em xin chân thành cảm ơn thầy, cơ giáo viện Kỹ thuật & Công nghệ trường

Đại học Vinh đã quan tâm hướng dẫn truyền đạt những kiến thức quý báu và kinh
nghiệm cho em trong suốt thời gian học ở trường nói chung và trong đồ án tốt
nghiệp nói riêng. Qua đây em xin chân thành cảm ơn Th.S Phan Văn Dư đã hướng
dẫn tận tình để giúp em hồn thành đồ án tốt nghiệp.
Do còn thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án này sẽ không thể tránh khỏi các
sai sót vì vậy rất mong các thầy cơ cũng như các bạn đóng góp ý kiến để đồ án của
em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

6


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển và giám sát nhiệt độ cho
lò nung cơng nghiệp có nhiều ứng dụng trong thực tế sản xuất và công nghiệp. Hệ
thống sử dụng bộ điều chỉnh PID đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định, mang
lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật.
ABSTRACT
This project presents the method of designing controller and temperature
monitoring for industrial furnaces that there are many applications in actual
manufacturing and industry. The system uses the regulator PID to make sure that
the system is stable operation, to bring economic and techniques effectively.

7


MỞ ĐẦU
Trong đời sống và sản xuất, yêu cầu về sử dụng năng lượng nhiệt là rất lớn.
Năng lượng nhiệt có thể dùng để đốt nóng làm chín thực phẩm, sấy hoa quả nông
sản, nung gốm sứ, nhiệt luyện kim loại… Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng

này một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết. Có nhiều cách để thu nhiệt năng
từ năng lượng điện. Tuy nhiên ở hầu hết các xí nghiệp của nước ta thì mơ hình lị
điện trở là phổ biến hơn cả vì một số ưu điểm như: Có kết cấu khá đơn giản, có dải
cơng suất rộng, dễ lắp đặt sửa chữa cũng như thay thế bảo hành các thiết bị.Việc
nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển cho lị nung, đáp ứng u cầu của các q
trình cơng nghệ trong công nghiệp thực sự là vấn đề bức thiết, thu hút sự quan tâm
của các chuyên gia trong lĩnh vực điều khiển. Trong thực tế hiện nay, để điều khiển
một lớp khá rộng các đối tượng công nghiệp người ta vẫn sử dụng các bộ điều khiển
truyền thống như PI, PID, ... và có thể nói rằng với nhiều ưu điểm nổi trội PID đã và
đang là nhân tố tích cực, chiếm một vị thế quan trọng trong các hệ thống điều khiển
thuần túy. Vì những lý do đó, em chọn thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều
chỉnh và giám sát nhiệt độ lị nung cơng nghiệp sử dụng bộ điều chỉnh PID”.
Nội dung của đồ án được trình bày trong 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về lị nung cơng nghiệp
Chương 2.Thiết kế bộ điều chỉnh PID cho hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò
nung
Chương 3. Thiết kế mơ hình hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lị nung sử dụng bộ
điều chỉnh PID.
Mặc dù có nhiều cố gắng tuy nhiên do thời gian có hạn và điều kiện thực
hiện cịn hạn chế khơng tránh khỏi những sai sót trong cách trình bày cũng như
phần thể hiện, rất mong thầy cơ và các bạn góp ý và bổ sung thêm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nghệ An, tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đức Nguyên

8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LỊ NUNG CƠNG NGHIỆP

1.1. Lị nung cơng nghiệp
1.1.1. Giới thiệu chung về lị nung cơng nghiệp
Lị nung cơng nghiệp là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng
dùng trong các q trình cơng nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật
liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau,...
Lò nung công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:
 Sản xuất thép chất lượng cao.
 Sản xuất các hợp kim phe-rơ.
 Nhiệt luyện và hố nhiệt luyện.
 Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi.
 Sản xuất đúc và kim loại bột.
Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:
 Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò nung được dùng để phủ, mạ vật
phẩm và chuẩn bị thực phẩm.
 Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ
tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v...
Lò nung khơng những có mặt trong các ngành cơng nghiệp mà ngày càng được
dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong
phú
1.1.2. Ưu điểm của lò nung
Lò nung sử dụng điện so với các lị sử dụng các nhiên liệu khác có những ưu
điểm sau:
 Có khả năng tạo được nhiệt độ cao.
 Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao.
 Đảm bảo nung đều và chính xác do nhiệt độ được điều khiển bằng điện.
 Đảm bảo độ kín cần thiết.
 Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa trong q trình chất dỡ ngun liệu
và vận chuyển vật phẩm.
 Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, vận hành thuận tiện, thiết bị gọn
nhẹ.

9


1.1.3. Nhược điểm của lò nung
Mặc dù lò nung sử dụng điện năng có nhiều ưu điểm so với các lị nung khác
nhưng cũng khơng thể tránh được một số nhược điểm sau:
 Tiêu thụ nhiều điện năng.
 Nếu lò có cơng suất lớn thì phải có tính tốn chọn các thiết bị bảo vệ, vận
hành dài hạn hợp lý.
Yêu cầu người vận hành phải có chun mơn
1.2. Cấu tạo lị nung cơng nghiệp
Thường thì cấu tạo gồm ba thành phần chính: vỏ lị, lớp lót và dây nung.
1.2.1. Vật nung, dây nung
Trong lị nung cơng nghiệp thành phần quan trọng nhất đó chính là điện trở,
đặc trưng cho thành phần điện trở này chính là dây nung (vật nung).
 Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp. Trường hợp này ít gặp vì
nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản như: tiết diện chữ nhật,
vng, trịn.
 Dây nung: Trường hợp này gọi là nung gián tiếp. 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 thì ta gặp nhiều trong thực tế. Và đề tài nhóm đang làm cũng
là loại lị điện trở này. Vì thế em sẽ làm rõ thêm vấn đề dây nung mà lò điện trở hay
sử dụng.
 Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung: dây nung là bộ phận phát nhiệt
của lò, làm việc trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao), do đó phải đảm bảo các
yêu cầu sau:
 Chịu nóng tốt, ít bị oxy 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 phải nhỏ.

 Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi.
 Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng.
 Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn.
Tùy thuộc vào vật liệu làm dây nung mà ta phân biệt dây nung thành hai loại:
10


 Dây nung kim loại
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lị điện trở cơng nghiệp, dây
nung kim loại thường được chế tạo bằng các hợp kim Crôm- Nhôm và Crôm- Niken
là các hợp kim có điện trở lớn. Cịn các kim loại ngun chất được dùng để chế tạo
dây nung rất hiếm vì các kim loại ngun chất thường có những tính chất khơng có
lợi cho việc chế tạo dây nung như:
 Điện trở suất nhỏ.
 Hệ số nhiệt điện trở lớn.
 Bị oxy hóa mạch trong mơi trường bình thường.
Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng.
 Dây nung phi kim: Dây nung phi kim loại được dùng phổ biến là SiC,
Grafit, Than.
1.2.2. Vỏ lò nung
Vỏ lò nung là một khung cứng vững chắc, chủ yếu là để chịu tải trong q
trình làm việc của lị. 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, vỏ lị cần phải hồn tồn kín, cịn đối với các
lị điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa
khơng khí lạnh vào lị, đặc biệt theo chiều cao lị.
Trong những trường hợp riêng, lị nung có thể làm vỏ lị khơng bọc kín. Khung vỏ
lị cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lị (vật nung) và các
cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
Vỏ lò chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung,...

Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp,...
Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một lượng
kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta
dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình.
Vỏ lị chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình
dáng thích hợp. Vỏ lị có thể được bọc kín, có thể khơng tuỳ theo u cầu kín của
lị. Phương pháp gia cơng vỏ lị loại này chủ yếu là hàn và tán.

11


1.2.3. Lớp lót
Lớp lót lị điện trở thường gồm hai phần: phần vật liệu chịu lửa và phần cách nhiệt.
 Phần vật liệu chịu lửa: có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình hoặc
gạch hình đặc biệt tuỳ 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 ở ngồi nhờ
các khn.
Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau:
 Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò.
 Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
 Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều
kiện làm việc.
 Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn.
 Có đủ độ bền hố học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lị và
ảnh hưởng của vật nung.
 Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với
lò làm việc theo chu kỳ.
 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 đến mức thấp nhất. Riêng đối

với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định cịn các phần khác
nói chung khơng u cầu.
u cầu cơ bản của phần cách nhiệt là:


Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu



Khả năng tích nhiệt cực tiểu



Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.

Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách
nhiệt.

12


1.3. Phân loại lị nung cơng nghiệp
Lị nung có nhiều kiểu khác nhau về hình dáng cũng như về chức năng có thể
phân loại như sau:
- Phân loại theo đặc điểm của ngun liệu và nguồn nhiệt :
 Lị có ngọn lửa : Sử dụng nhiên liệu đốt cháy.
 Lò điện công nghiệp : Loại này dùng năng lượng từ nguồn điện để làm
nóng, biến đổi điện năng thành nhiệt năng.
 Lò tự phát : Chủ yếu ở các lò nấu kim loại, sử dụng nhiệt từ chính nội lực
của vật liệu khơng sử dụng nguồn nhiệt bên ngồi.

- Phân loại theo chế độ phát nhiệt.
 Chế độ bức xạ.
 Chế độ đối lưu.
 Chế độ theo lớp.
- Phân loại theo cấu trúc lò.
 Lò nghiêng.
 Lò buồng.
 Lò nung cao tần liên tục
- Phân loại theo đặc điểm công nghệ.
 Lò nấu chảy : Trong các lò này vật liệu gia cơng được nấu chảy. Ví dụ như
lị nấu thủy tinh, lò nấu chảy men, lò nấu chảy kim loại
 Lò nung : Trong các lò này vật liệu được nung nóng nhưng khơng hóa
chảy. Ví dụ như lị nung thép để rèn, để cán
- Phân loại theo chức năng.
 Lò nung vạn năng chủ yếu dùng để phục vụ trong các phân xưởng rèn dập.
 Lò nung chuyên dùng chủ yếu nằm trong tự động và nằm trong thiết bị
như máy ép nhựa, máy sấy gai.
 Lò nấu thép chủ yếu dùng để nấu nhơm, đồng, gang.
 Lị điện trở chân không dùng để luyện kim, các chi tiết trong các lò điện
trở.

13


 Các loại thiết bị sấy rất thông dụng trong cơng nghiệp như chế biến gỗ
giấy, lưu hóa cao su, nung men, sành sứ.
1.4. Nguyên lý làm việc của lò nhiệt
1.4.1. Nguyên lý làm việc
Là dựa trên cơ sở khi có dịng điện đi qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở
đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Junlenxơ:

Q = I2.R.t
Trong đó:
- Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J)
- I: Cường độ dòng điện Ampe (A)
- R: Trở kháng ôm (Ω)
- t: Thời gian giây (s)
Như vậy R có thể đóng vai trị sau:
- Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp, ít gặp trong công nghiệp,
thường chỉ dùng khi mà vật nung công suất dạng đơn giản như thiết diện chữ nhật
hoặc tròn.
- Dây nung: Khi dây nung được đốt nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung
bằng bức xạ, đối lưu dẫn nhiệt hay phức tạp hơn gọi là nung gián tiếp. Trường hợp
này thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp cho nên nói tới lị nhiệt khơng thể
khơng đề cập tới vật liệu làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò.
1.4.2. Tổn thất nhiệt trong lò
Tổn hao nhiệt trong lò là do các nguyên nhân sau đây:
- Do trao đổi nhiệt đối lưu của khơng khí trong và ngồi lị khi lị khơng kín.
- Do trao đổi nhiệt bức xạ của vỏ lị đối với mơi trường xung quanh.
- Do tổn hao nhiệt khi mở cửa lò sấy, khi thay đổi vật nung trong lị.
Chính các sự tổn hao này làm cho nhiệt độ trong lị khơng được ổn định, việc
ổn định nhiệt độ lị về bản chất chính là điều chỉnh cơng suất cung cấp nhiệt cho lị.

14


1.5. Các yêu cầu cơ bản về lò nhiệt
- Hợp lý về mặt cơng nghệ: Cấu tạo của lị nhiệt khơng những phù hợp với
q trình cơng nghệ u cầu mà cịn phải tính đến khả năng sử dụng nóvới các quy
trình cơng nghệ khác nếu khơng làm tăng độ phức tạp trong thiết kế và giá cả không
quá cao hơn.

- Hiệu quả về kĩ thuật: là hiệu suất cực đại của kết cấu khi nó có các thơng số
khác xác định như kích thước, cơng suất, trọng lượng.
- Chắc chắn, tin cậy khi làm việc.
- Tiện lợi khi sử dụng.
- Rẻ và đơn giản khi chế tạo.
- Hình dáng nhỏ gọn, đẹp.

15


CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU
CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG
2.1. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò nung
2.1.1. Điều chỉnh ON-OFF
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh lò nhiệt điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp
ON-OFF được thể hiện qua hình dưới:

Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt
Nguyên lý làm việc:
Phương pháp điều khiển ON-OFF còn được gọi là phương pháp đóng ngắt hay dùng
khâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức
tối đa cho thiết bị tiêu thụ điện năng (lò nhiệt) nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt
độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch không tiếp tục cung cấp điện
năng cho lò nữa khi nhiệt độ đặt w(k) nhỏ hơn nhiệt độ đo y(k).
Đặc tính của phương pháp điều khiển ON-OFF cho bởi hình dưới:

Hình 2.2. Đặc tính điều chỉnh của điều khiển ON – OFF

16



Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên:
nguồn chỉ đóng khi sai số e(k)> ∆ và ngắt khi e(k)< - ∆. Như vậy, nhiệt độ đo y(k)
sẽ dao động quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của rơ le.
Khâu rơle có trễ cịn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử và như vậy ∆ là
giá trị thềm hay ngưỡng.
Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là:
 Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với
mọi tải.
 Tính tốn thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng.
 Điều khiển ON-OFF tốt nhất cho hệ thống điều khiển khi nhiệt độ tăng lên
chậm và sai phân G giữa cân bằng nhiệt khi ngõ ra là ON và khi ngõ ra OFF là nhỏ.
Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh
nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm
vùng trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất.
2.1.2. Phương pháp dùng rơle kết hợp với Thysistor
Khi sử dụng phương pháp này thì khả năng điều chỉnh với các phạm vi khác
nhau là tương đối tốt. Tuy nhiên phương pháp này không thực hiện được bởi vì khi
tiếp điểm của rơle đóng, ta ln có cả chu kỳ cung cấp cho tải nhưng khi mở nguồn
thì cung cấp phía Thysistor bị ngắt, do đó việc cung cấp cho lị chỉ hồn tồn do
Thysistor và như vậy cơng suất đưa vào cho lị sấy chỉ điều khiển được 1/2 chu kì.
2.1.3. Phương pháp dùng hai Thysistor mắc song song ngược
Khi có xung điều khiển thì hai Thysistor sẽ lần lượt mở cho dịng đi qua. Ta
có thể điều khiển cho Thysistor liên tục chuyển từ đóng sang mở tương ứng với
cơng suất của lị thay đổi từ min - max.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh trong phạm vi rộng, đáp ứng yêu cầu
điều khiển, độ chính xác điều khiển tương đối cao, độ nhạy và điều chỉnh tương đối
lớn, có khả năng điều chỉnh tương đối liên tục và đều đặn.
Phương pháp điều chỉnh dùng hai Thysistor có thể điều khiển theo biên độ
hoặc theo độ rộng xung.


17


2.1.4. Phương pháp dùng Triac
Triac có chức năng giống hai Thysistor mắc song song ngược chiều, vì vậy
để đơn giản mạch điều khiển cơng suất ta có thể dùng Triac thay cho hai Thysistor
mắc song song ngược.
Qua các phương pháp điều chỉnh lò nhiệt ta thấy phương pháp sử dụng Triac
là phù hợp nhất với đề tài đã giao vì Triac có những ưu điểm sau:
- Cơng suất khơng lớn, triac thừa đủ công suất để cung cấp.
- Mạch điều khiển Triac đơn giản hơn mạch hai Tiristor.
- Dù là công suất nhỏ, nhưng nếu điều khiển không đối xứng bằng một Điot,
một Tiristor cũng không nên do làm xấu đi chất lượng điện áp nguồn và cụ thể
trong trường hợp này không điều khiển được từ nhiệt độ môi trường.
- Các sơ đồ không dùng thiết bị bán dẫn khó đáp ứng cho việc ổn định nhiệt
độ, do việc tự động thay dổi điện áp và dòng điện tải khó khăn hơn.
2.1.5.Phương pháp dùng bộ điều chỉnh PID
Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển
nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng
trong bồn chứa,… Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả
năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số
bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp.
Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm
sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài
trường hợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực. Sự có mặt của khâu vi
phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ
đáp ứng nhanh hơn. Khâu tích phân tỉ lệ(PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẩn đến sai
lệch tĩnh triệt tiêu( hệ vô sai). Muốn tăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch
đại, song với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt

buộc. Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PI
và PD, có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự có mặt PID ở
vịng hồi tiếp có thể dẩn đến sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi
hàm Dirac (t). Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp
dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm.
18


Do sự thơng dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho
ra đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng.
Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm
số, giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn
trong xây dựng hàm truyền đối tượng. Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số
PID thương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols.

Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh sử dụng bộ điều chỉnh PID
Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:
G(s)  k p 



ki
1
 kd s  k p 1 
 TD s 
s
 TI s


(2.1)


Với các giá trị k p , ki , kd là các hệ số tỷ lệ, tích phân, vi phân.
Phương trình vi tích phân mơ tả sự tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu sai
lệch e(t) của bộ điều chỉnh PID là:
u (t )  k p .e(t )  K d .

Trong đó:

de(t )
 Ki.  e(t ).dt.
dt

(2.2)

e(t) là sai lệch trong hệ thống

Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị k p , ki , kd sao cho thoả mãn các yêu cầu về
chất lượng.Ta có bảng so sánh giữa các phương pháp điều chỉnh như sau:

19


Bảng 2.1. So sánh các phương pháp điều chỉnh
Các phương pháp

Ưu điểm

điều chỉnh
Điều chỉnh ON-OFF


- Điều khiển đơn giản

Khuyết điểm
- Xảy ra quá tải

- Thời gian yêu cầu dài
đến khi biến điều khiển
Điều chỉnh P

được thiết lập

- Quá tải

- Vọt lố xảy ra.

- Thời gian yêu cầu dài
hơn P cho đến khi biến
Điều chỉnh PI

- Loại bỏ sai xác lập

điều khiển được thiết
lập .
- Điều khiển này không
thể thực hiện một mình

Điều chỉnh PD

- Đáp ứng nhanh


- Sai số xác lập ln
khác 0.

Điều chỉnh PID

- Có thể điều khiển tốt

- Đặt thông số PID là

nhất

cần thiết

20


Hình 2.4. So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều chỉnh
Từ các phương pháp điều khiển lò nhiệt trên, em dùng phương pháp điều khiển PID
cho lị nhiệt vì nó có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ
vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp.
2.2. Xác định hàm truyền của lị nhiệt
Q trình truyền nhiệt cho hệ thống lị nhiệt được mơ tả bằng phương trình vi
phân đạo hàm riêng. Để điều khiển nhiệt độ lị nhiệt ta phải tuyến tính hóa phương
trình đạo hàm riêng và đưa phương trình động học của lị nhiệt về dưới dạng
phương trình vi phân thường. Mối quan hệ giữa cơng suất cung cấp cho lị w(t) và
nhiệt độ của lò θ(t) được biểu diễn như sau:

T

d (t )

  (t )  kw(t )
dt

(2.3)

Trong đó: T là hằng số thời gian; k là hệ số truyền. Từ đó hàm truyền của lị
nhiệt sẽ có dạng:

W( s) 

k
Ts  1

(2.4)

Với giả thiết w(t)=l(t), sự thay đổi  (t) trong lò theo thời gian hay còn gọi là
q trình q độ trong lị có dạng như đường cong I (Hình 2.5).
21


Hình 2.5. Đặc tính nhiệt độ của lị nhiệt
Từ các thơng số ban đầu của lị, gia thiết điện áp lớn nhất cấp cho lò 𝑈𝑚𝑎𝑥 =150V,
nhiệt độ lò tăng 1 độ thì điện áp vào cấp cho lị tăng lên 1V, nên hệ số khuếch đại
k=1. Qua loại lò và cơng suất lị giá trị hằng số thời gian T thu được = 95.
W(s)= U (s)max v

(2.5)

Từ giả thiết đề bài ra là cấp cho đầu vào 1 điện áp U (s)max =150V và hàm
quá độ của đối tượng ta có thể xác định gần đúng hàm truyền đạt của đối tượng có

dạng sau:
W(s) =

Y s
1
1
=> Y(s) = W(s).U(s) => Y ( S ) 
.150. .e s
95S  1
S
U s

(2.6)

Trong đó : k: Hệ số truyền của đối tượng.
𝜏: Thời gian trễ.
Do đó đối tượng gồm 2 khâu mắc nối tiếp nhau là khâu có trễ có hàm truyền
đạt là 𝑒 −𝜏𝑠 và khâu tĩnh có hàm truyền đạt W1(s) =
Khi khơng tính đến hàm trễ ta có đồ thị

22

k .150
150
=
TS  1 95S  1


Hình 2.6. Đáp ứng xung của hệ thống khi khơng có trễ
Khi tính đến hàm trễ ta có đồ thị đề bài :

150

100

50

0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500


Hình 2.7. Đáp ứng xung của hệ thống khi có trễ  =10s
Từ (1), (2), (3) => Hàm truyền đạt của lị điện trở có dạng :
W(s) =

1

.𝑒 −10𝑆

(2.7)

95.𝑆+1

2.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh PID
Cấu trúc của bộ điều chỉnh PID gồm có 3 phần là khâu khuếch đại (P), khâu
tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải lựa
23