ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
ĐỒ ÁN
VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ
Đề tài: Thiết kế mạch điều khiển nhệt độ bằng phương
pháp thay đổi thời gian đốt cho lò điện.
Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Văn Vinh.
Lớp : Tự động hóa 1_k6.
Sinh viên thực hiện :
Mục lục
1
ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
Lời nói đầu
Khoa học công nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanh và xa đi theo đó là
những thành tựu ứng dụng trong mọi lĩnh vực dời sống, công nghiệp. Kĩ thuật
điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều phát
triển có ý nghĩa. Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con người dưòng như hình
dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là
lượng chất xám cao hơn. Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công
nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng kha rộng rãi, một giả pháp đa năng
chocác ứng dụng cả Analog cũng như Digital. Thống kê cho thấy có tới hơn
90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế là PID. Rõ ràng nếu có thiết kế và
chọn lựa các thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt được các chỉ
tiêu chất lượng mong muốn là khả thi Bộ điều khiển PID cũng giúp người sử
dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ lệ(P), tích
phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các đối
tượng điều khiển. Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển

ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
Phần thuyết minh:
Yêu cầu về bố cục nội dung:
Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch KĐTT, mạch PID, phương
pháp thay đổi công suất sấy bằng cách thay đổi thời gian cấp
điện.
Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò điện với
bộ điều khiển PID.
Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng.
Yêu cầu về thời gian :
Ngày giao đề : 10/11/2013
Ngày hoàn thành : 15/12/2013
Thời gian bảo vệ dự kiến : 20/12/2013
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
4
ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
Giáo viên hướng dẫn
CHƯƠNG I: MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN, MẠCH
PID, PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI CÔNG SUẤT SẤY BẰNG
CÁCH THAY ĐỔI THỜI GIAN CẤP ĐIỆN
I. Mạch khuếch đại thuật toán

S+
: Nguồn cung cấp điện dương
 V
S−
: Nguồn cung cấp điện âm
Các chân cấp nguồn (V
S+
and V
S−
) có thể được ký hiệu bằng nhiều cách khác
nhau. Cho dù vậy, chúng luôn có chức năng như cũ. Thông thường những chân
này thường được vẽ dồn về góc trái của sơ đồ cùng với hệ thống cấp nguồn cho
bản vẽ được rõ ràng. Một số sơ đồ người ta có thể giản lược lại, và không vẽ
phần cấp nguồn này. Vị trí của đầu vào đảo và đầu vào không đảo có thể hoán
chuyển cho nhau khi cần thiết. Nhưng chân cấp nguồn thường không được đảo
ngược lại.
2. Nguyên lý hoạt động
Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại gồm có đầu vào đảo và đầu vào không
đảo, và mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế
giữa hai đầu vào này. Điện áp này gọi là điện áp vi sai đầu vào. Trong hầu hết
các trường hợp, điện áp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán sẽ được điều
khiển bằng cách trích một tỷ lệ nào đó của điện áp ra để đưa ngược về đầu vào
đảo. Tác động này được gọi là hồi tiếp âm. Nếu tỷ lệ này bằng 0, nghĩa là không
có hồi tiếp âm, mạch khuếch đại được gọi là hoạt động ở vòng hở. Và điện áp ra
sẽ bằng với điện áp vi sai đầu vào nhân với độ lớn tổng của mạch khuếch đại,
theo công thức sau:
V
ra
=(V
+

 Điện áp bù bằng không
 Tốc độ thay đổi điện áp vô cùng lớn
 Tổng trở đầu ra bằng không và
 Tạp nhiễu (độ ồn) bằng không
7
ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
Như thế, đầu vào của mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng khi tính toán
trong vòng hồi tiếp có thể mô phỏng bằng một khâu nullator, ngõ ra với một
thông norator và kết hợp cả 2 (một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng hoàn
chỉnh) bằng một khâu nullor.
Mạch khuếch đại thuật toán thực sự chỉ gần đạt được các ý tưởng trên: bên
cạnh các giá trị giới hạn về tốc độ thay đổi, băng thông, điện áp bù và những
thứ tương tự như thế, các thông số của mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ bị
thay đổi theo thời gian và có thể bị thay đổi theo nhiệt độ, tình trạng của các
đầu vào Các mạch tích hợp hiện đại sử dụng transistor hiệu ứng trường (FET)
hoặc transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện Oxit kim loại MOSFEST sẽ
có các đặc tính gần với mạch lý tưởng hơn các mạch sử dụng transistor lưỡng
cực khi các tín hiệu lớn phải xử lý trong điều kiện nhiệt độ phòng qua một băng
thông giới hạn. Đặc biệt, tổng trở vào cao hơn rất nhiều, tuy nhiên các mạch
dùng transistor lưỡng cực thường tốt hơn về mặt trôi điện áp bù, và độ ồn.
Khi những giới hạn của một mạch khuếch đại thuật toán thực sự được tạm
thời bỏ qua, nó có thể được xem như một chiếcHỘP ĐEN có độ lợi. Chức năng
của mạch và các thông số có thể xác định bằng mạch hồi tiếp, và thường là hồi
tiếp âm.
4. Ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán
a. Ứng dụng mạch tuyến tính
 Mạch khuếch đại vi sai
 Mạch khuếch đại đảo
 Mạch khuếch đại không đảo

số PID sử dụng trong tính toán phải đặt điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-
trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc
thù của hệ thống.
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó
đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ , tích phân và đạo
hàm, viết tắt là P, I, và D.
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của
ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV). Ta có:
MV(t) = P
out
+ I
out
+D
out
Trong đó: P
out
, I
out
, D
out
là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển
PID, được xác định như dưới đây.
10
ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
 Khâu tỉ lệ
Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị K
p
(K
i

ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ
điều khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh
được xác định bởi độ lợi tích phân, .
Thừa số tích phân được cho bởi:
trong đó
: thừa số tích phân của đầu ra
: độ lợi tích phân, 1 thông số điều
chỉnh
: sai số
: thời gian hoặc thời gian tức thời
(hiện tại)
: một biến tích phân trung gian
Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá
trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ
điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá
khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và
tạo ra một độ lệch với các hướng khác).
 Khâu vi phân
Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị K
d
(K
p
and K
i
không đổi).
Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ
dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân
tốc độ này với độ lợi tỉ lệ . Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi

˗ I
-
˗ I
C
=0
˗ (˗ C. ) = 0
U
r
= -
RC
1
∫
dtU1
• Như vậy, tín hiệu ra chính là tích phân của tín hiệu vào có đảo đầu
c. Mạch vi phân
• Xét tại nút A, ta có:
I
C
˗ I
˗
˗ I
ht
= 0
14
ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
C.
dt
dU1
-

Thay đổi dòng điện cấp có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của lò điện vì lò hoạt
động với các dòng điện khác với dòng điện định mức.Chúng ta đề cập đến
phương pháp thay đổi thời gian cấp điện.
2. Phương pháp thay đổi công suất bằng cách thay đổi thời gian cấp điện
Phương pháp điều khiển thời gian cấp điện còn gọi là điều khiển On-OFF
hay phương pháp đóng ngắt dùng khâu relay có trễ.Khi lò hoạt động ở công suất
P
t
tương ứng với nhiệt độ t của lò. Cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung
cấp năng lượng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn
hơn nhiệt độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng
lượng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ đo.
15
ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
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 rơ le có trễ còn 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 toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng.
• 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.
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ VỚI
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Ta được thời gian cấp nguồn cho lò nhiệt là một xung vuông có độ rộng là
T1 và T2.Vậy muốn cho lò hoạt động ở công suất bất kì ta chỉ cần điều chỉnh độ
rộng của xung này.
Ví dụ muốn lò hoạt động ở công suất 50% ta điều chỉnh xung vào lò có
T1=T2 như hình vẽ sau:
ON
OFF
T1 T2
Lò nhiệt
17
ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
Phương pháp thay đổi công suất lò điện bằng cách thay đổi thời gian cấp
điện chính là tạo ra một xung vuông để điều khiển thời gian cấp điện.
Điều khiển được độ rộng của xung vuông qua đó thay đổi thời gian cấp
nguồn cho lò nhiệt.
II. Nguyên tắc tạo ra xung răng cưa.
Nguyên tắc tạo ra một xung vuông là dùng xung một chiều qua bộ so sánh
với xung răng cưa. Chỉ cần điều khiển được xung biên độ của xung một chiều là
ta có thể thay đổi được độ rộng của xung vuông.

Mạch so sánh dùng 741:
Mạch có 2 cửa vào, cửa vào cho điện áp
Tham chiếu Vref, cửa vào cho điện áp
18
ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
Đầu vào Vin cho tín hiệu ra Vout chỉ có 2 giá trị High (mức cao) và Low (mức
thấp).
High

di
Cấu trúc tham số của bộ điều chỉnh được xác định như sau :
19
ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
Cấutrúc Hàmtruyền k
p
T
v
T
n
T
i
PI K
p
(sT
n
+1)/sT
i
0,5k
d
T
∑
/2 T
∑
/2
PID K
p
(sT
n

i
= T
∑
/2=67/2=33.5
- Nếu ta chọn bộ điều khiển có cấu trúc PID, thì tham số của nó được xác định
Như sau :
k
p
= 0,5k
d
=0.5*10=5
T
n
= T
∑
/3=67/3=22.3
T
i
=T
∑
/3=67/3=22.3
T
v
=T
∑
/3=67/3=22.3A
Hàm truyền của của lò :
( )
1+
=

= 9 ( 1+1/120S+30S)
Cho rằng hệ thống không ổn định và có thông số Kr, Ki, Kd thay đổi trong
bảng
K
∆
K’
Kr=9 4
K’r=9±4
Ki=0.075 0.03
K’i=0.075±0.0
3
Kd=270 30
K’d=270±30
CHƯƠNG III : XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG
I. Mạch PI
21
ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI
MẠCH SỐ
Linh kiện sử dụng :
 Tụ
 Trở
 LM 741
a. Giới thiệu về LM 741
Vi mạch khuyếch đại thuật toán 741 có hai đầu vào “INVERTING ( – )“
:Đảo,“NON-INVERTING (+)”: Thuận và đầu ra ở chân 6.
[Only registered and activated users can see links]
[Only registered and activated users can see links]
• Khuyếch đại với 741
A. Khuyếch đại đảo: Chân 2 nối với tín hiệu vào và tín hiệu ra đảo
B. Khuyếch đại không đảo: Chân 3 nối với tín hiệu vào và tín hiệu ra không

thấy công dụng của các chân theo tên như sau:
Thứ tự các chân của IC 555
 Chân 1 (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng.
 Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức nguồn nuôi.
25