Đại học công nghiệp Hà Nội
Khoađiện
∞ ∞
BÀI TẬP LỚN
VI MẠCH TƯƠNG TỰ & VI MẠCH SỐ
ĐỀ TÀI :THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY
ĐỔI T
HỜI GIAN ĐỐT CHO LÒ ĐIỆN
Giáoviên :TS . NguyễnVănVinh
Sinh viên thực hiện :
Lớp : Tự động hóa 3- khóa 6
Nhóm : 8
MỤC LỤC
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
PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…? Ngay cả
những lý thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như
bộ điều khiển PID mang lại.Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều

1. Địnhnghĩa
Mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier), thường được gọi tắt
là op-amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm cả
tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường
có đầu ra đơn. Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển
bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu
vào và tổng trở đầu ra.
Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các
thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa
học. Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ. Các
thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế
cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm
hư hỏng
Ký hiệu một mạch khuếch đại thuật toán như sau:
Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán trên sơ đồ điện
Trong đó:
 V
+
: Đầu vào không đảo
 V
−
: Đầu vào đảo
 V
out
: Đầu ra
 V
S+
: Nguồn cung cấp điện dương
 V
S−

tình trạng không có hồi tiếp âm. Ngoại trừ trường hợp điện áp vi sai đầu vào vô
cùng bé, độ lợi vòng hở quá lớn sẽ làm cho mạch khuếch đại làm việc ở trạng
thái bão hòa trong các trường hợp khác . Một thí dụ cách tính toán điện áp ra khi
có hồi tiếp âm sẽ được thể hiện trong phần mạch khuếch đại cơ bản
Một cấu hình khác của mạch khuếch đại thuật toán là sử dụng hồi tiếp dương ,
mạch này trích một phần điện áp ra đưa ngược trở về đầu vào không đảo. Ứng
dụng quan trọng của nó dùng để so sánh, với đặc tính trễ hysteresis
3. Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng
Với mọi giá trị điện áp ở đầu vào, một mạch khuếch đại thuật toán "lý tưởng"
có:
 Độ lớn vòng hở vô cùng lớn
 Băng thông vô cùng lớn
 Tổng trở đầu vào vô cùng lớn (để cho dòng điện đầu vào bằng không)
 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
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 khâunullator , 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

giá trị bộ điều khiểnvà giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện
giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.
Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID
là bộ điều khiển tốt nhất.Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông
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:
trong đó
, , và là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID,
được xác định như dưới đây.
 Khâu tỉ lệ
Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị K
p
(K
i
và K
d
là hằng số)Khâu tỉ lệ (đôi khi
còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại.
Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số
K
p
, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Khâu tỉ lệ được cho bởi:
trong đó

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 được gọi là
tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, .
Thừa số vi phân được cho bởi:
trong đó
: thừa số vi phân của đầu ra
: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh
: Sai số
: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này
là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Tuy nhiên, phép vi
phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối
với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu
nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn.
Một số ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo
hệ thống.Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I
nếu vắng mặt các tác động bị khuyết.

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.
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
I. Lý thuyết điều khiển
Mô hình lò nhiệt

r(t) c(t)
Công suất nhiệt Nhiệt độ của lò
Lò nhiệt


T1 T2
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.
hình Hình
Mạch so sánh dùng 741:
Mạch có 2 cửa vào, cửa vào cho điện áp
tham chiếu Vref, cửa vào cho điện áp
đầu vào Vin cho tín hiệu ra Vout chỉ có 2 giá trị High (mức cao) và Low (mức
thấp).
High
Low
Mạch PID có thể điều chỉnh được biên độ của xung một chiều, qua đó thay đổi
độ rộng của xung vuông.
Sơ đồ nguyên lí điều khiển lò nhiệt dùng PID:
U
dc
Nguồn DC
Xung vuông
Bộ điều khiển
Xung tam giác
PID
Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển nhiệt độ.
II.Phương pháp thời gian tổng Kuln để xác định tham số bộ PID

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
+1)(sT
v
+1)/sT
i
0,5k
d
T

- Nếu ta chọn bộ điều khiển có cấu trúc PID, thì tham số của nó được xác định
nhưsau :
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=22.3
Hàm truyền của lò :
( )
1+
=
−
Ts
Ke
sH

Kd=270 30 K’d=270±30
Chương III : Xây dựng chương trình mơ phỏng
I. Mạch PI
+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]
1. 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
đảo
[Only registered and activated users can see links]
Để 741 hoạt động được, cần phải lắp thêm 2 điện trở R1, R2 vào mạch như sơ
đồ ở hình dưới
Tính hệ số khuyếch đại của mạch dùng vi mạch 741
Khuyếch đại đảo
Hệ số khuyếch đại (AV) = -R2 / R1
Ví dụ: Nếu R2 = 100 Kohm, R1 = 10 kohm, hệ số khuyếch đại của mạch:
-100 / 10 = -10 (AV)
Nếu điện áp đầu vào là 0.5v thì điện áp đầu ra
0.5v X -10 = -5v
Khuyếch đại không đảo
Hệ số khuyếch đại(AV) = 1+(R2 / R1)
Ví dụ: Nếu R2 = 1000 kohm, R1 = 100 kilo-ohm, hệ số khuyếch đại của mạch:
1+ (1000/100) = 1 + 10

Subcircuit rồi cất vào thư viện đặt tên là 555 và sau này Bạn
dùng nó để chạy mô phỏng các dạng mạch điện với IC 555).
Trong IC với chân 1 nối masse và chân 8 nối vào đường
nguồn Vcc, là một cầu chia áp với 3 điện trở bằng nhau (đều
là 5K). Cầu chia áp này tạo ra 2 mức áp ngưỡng, một là 1/3
mức áp nguồn dùng làm mức áp ngưỡng cho tầng so áp, tín
hiệu vào trên chân số 2, và một khác là 2/3 mức áp nguồn
dùng làm mức áp ngưỡng cho tầng so áp khác, tín hiệu vào
trên chân số 6. Chân số 5 có thể chịu tác động ngoài để làm
thay đổi mức áp ngưỡng. Chân số 7 là một khóa điện đóng/mở
(transistor bão hòa/ngưng dẫn) theo mức áp trên chân số 3.
Chân số 3 là ngả ra và là ngả ra một tầng Flip Flop, nên tín
hiệu trên chân 3 có dạng xung (mức áp chỉ xác lập ở trạng thái
cao hay thấp). Chân 4 là chân Reset, khi chân 4 ở mức áp thấp
nó ghim chân 3 luôn ở mức áp thấp, chỉ khi chân 4 ở mức áp