1
MỤC LỤC

MỤC LỤC 1
DANH MỤC KÝ HIỆU 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH 3
DANH MỤC BẢNG 3
LỜI MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 5
1.1. Giới thiệu về lò nhiệt 5
1.1.1 Định nghĩa 5
1.1.2 Ưu nhược điểm 5
2.1.3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở 7
1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ 7
1.2.1 Giới thiệu chung 7
1.2.3 Các phương pháp đo nhiệt độ thông dụng 10
1.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 17
1.3.1 Điều khiển on-off 17
1.3.2 Điều khiển hiệu chỉnh P 19
1.3.3 Điều khiển hiệu chỉnh PD 21
1.3.4 Điều khiển hiệu chỉnh PID 22
1.3.5 Điều khiển sử dụng Fuzzy logic 23
1.4 Kết luận 25
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ 27
2.1 Quá trình phát triển của logic mờ 27
2.2 Cơ sở toán học 30
2.3 Các khái niệm 33
2.4 Tính toán mờ 43
2.4.1 Mờ hóa 43
2
2.4.2 Xử lý mờ 45

LỜI MỞ ĐẦU
Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh
vực, trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Nhiệt độ trở thành mối quan
tâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy móc và hệ thống và điều khiển nhiệt độ
trở thành một trong những đối tượng của ngành Cơ điện tử. Trong nhiều lĩnh
vực của nền kinh tế, quốc phòng, công nghiệp vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là
một quá trình không thể thiếu được, đặc biệt trong công nghiệp. Đo nhiệt độ
trong công nghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ của sản xuất, việc đo và
kiểm soát nhiệt độ tốt quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong
các ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp
chế tạo động cơ đốt trong. Ngoài ra, trong bảo quản trang thiết bị, vũ khí, khí tài
trong quân đội tại các kho đạn dược, kho thuốc nổ, viện nghiên cứu vũ khí cũng
rất cần quan tâm đếm nhiệt độ, bảo đảm an toàn cho đơn vị, cung cấp trang bị vũ
khí tốt nhất, phục vụ nhiệm vụ sẵn sàng chiến đấu bảo vệ Tổ quốc.
Với những lý do trên, trên cơ sở những kiến thức lĩnh hội được trong suốt
5 năm học tập tại Học viện Kỹ thuật quân sự, tôi xin nhận đề tài “Ứng dụng
Fuzzy để điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt” với sự hướng dẫn của thầy Đại
úy, TS.Trịnh Xuân Long. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy đã tận tình chỉ bảo để
tôi có thể hoàn thành nội dung đồ án.
Trong khuôn khổ của một đồ án tốt nghiệp, tôi đã được thực hiện được
những nội dung sau:
- Tìm hiểu lò nhiệt, các phương pháp đo và điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt.
- Khảo sát lý thuyết điều khiển nhiệt độ và thuật toán logic mờ.
- Mô phỏng Matlab- Simulink thuật toán PID, Fuzzy logic.
- Lập giao diện giao tiếp máy tính sử dụng Visual Basic.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm lò nhiệt.
5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU
KHIỂN NHIỆT ĐỘ
Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt trong thực tế đang là vấn đề

- Kín.
- Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa quá trình chất dỡ nguyên liệu và
vận chuyển phẩm.
1.Lò điện trở nhiệt SX
2
-4-10 2. Lò nhiệt luyện N60 LE
3. Lò nướng sấy hãng Omega 4 .Lò nhiệt luyện N40 E
Hình 1.1 Một số lò nhiệt thông dụng trong đời sống
7
- Bảo đảm điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị
gọn nhẹ.
Tuy nhiên, cũng có nhược điểm:
- Năng lượng điện đắt.
- Vận hành hệ thống một cách đồng bộ, tuân thủ nghiêm các qui tắc an
toàn.
- Yêu cầu có trình độ khi sử dụng.
2.1.3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở có một dòng điện chạy qua dây dẫn
hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một nhiệt lượng theo định luật Jun- Lenxo:
2
. .Q I R T=

Q- Nhiệt lượng tính bằng Jun (J);
I- Dòng điện tính bằng Ampe (A);
R- Điện trở tính bằng Ohm (
Ω
);
T- Thời gian tính bằng giây (s).
Từ công thức trên ta thấy điện trở R đóng vai trò:
- Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp.

thể dùng các phương pháp khác nhau. Thông thường nhiệt độ cần đo được chia
thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao.
Ở nhiệt độ trung bình và thấp thì phương pháp đo là phương pháp tiếp
xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo. Đối
với nhiệt độ cao thì đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài
môi trường đo. Căn cứ vào khoảng nhiệt độ cần đo và sai số của phép đo mà ta
quyết định lựa chọn cảm biến và phương pháp đo thích hợp.
Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và cặp nhiệt là từ 250°C-
2500°C, độ chính xác có thể đạt tới ± 1% đến 0,1%.
Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cảm biến tiếp
xúc P-N (nhiệt điện trở, diot và transitor, IC) là từ -200°C đến 200°C, sai số đến
± 1%.
9
Phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ quang phổ…Có khoảng đo từ
1000°C đến vài nghìn °C với sai số ± 1% đến 0,1%.
Trên thực tế có nhiều loại thang đo được sử dụng để đo nhiệt độ bao gồm:
thang đo Celeius (˚C), thang đo Kelvin (˚K), thang đo Fahrenheit (˚F), thang đo
Rankine (˚R). Công thức chuyển đổi giữa các thang đo:
T(˚C) = T(˚K) – 273,15
T(˚F) = T(˚R) – 459,67
T(˚C) = (T(˚F) – 32)* 5/9
T(˚F) = T(˚C) * 9/5 + 32
Bảng 1.1 Chuyển đổi các thang đo nhiệt độ
Kelvin(
0
K
) Celeius(
0
C
) Rankime(

- Tính trễ: Còn gọi là quán tính của cảm biến. Tính trễ của cảm biến tạo ra sai số
của phép đo. Tốc độ thay đổi của đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ của cảm
biến. Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà quán tính của cảm biến quá lớn
thì không thể đo chính xác được. Mọi cảm biến điều có tính trễ do ảnh hưởng
của vỏ bảo vệ.
1.2.3 Các phương pháp đo nhiệt độ thông dụng
a. Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện

Hình 1.2 Cặp nhiệt thực tế
Cặp nhiệt điện là dụng cụ đo nhiệt độ thường được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp. Nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt điện chuyển đổi thành suất điện
động để đưa vào các vôn kế chỉ thị bằng kim, bằng vạch sáng hoặc các con số.
Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên các nguyên lý sau:
Hiệu ứng Thomson: qua một dây dẫn có dòng điện I và hiệu nhiệt trên
dây là
1
T
-
2
T
thì sẽ có một sự hấp thụ hay tỏa nhiệt.
Hiệu ứng Pentier: khi có dòng điện đi qua một mối nối của hai dây dẫn thì
tại vị trí mối nối sẽ có sựu hấp thụ hay tỏa nhiệt.
11
Hiệu ứng Seebeck: trong một dây dẫn bất kỳ, khi có sự chênh lệch nhiệt
độ tại một điểm thì ngay tại điểm đó sẽ suất hiện một suất điện động.
Định luật Macmut: trong một mạch điện kín của dây dẫn đồng nhất bất kỳ
sự phân bố nhiệt độ ra sao, suất điện động tổng cộng của mạch luôn bằng không.
Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất nhỏ cho phép việc đo nhiệt độ
với cấp chính xác cao, đáp ứng nhanh do điện dung nhỏ. Ngoài ra, nó còn có ưu

( )
ab
E T
: suất điện động Thomson trong mạch tại mối ghép có nhiệt độ
2
T
;
+
1
( )
ab
E T
: suất điện động Thomson trong mạch tại mối ghép có nhiệt độ
1
T
.
Công thức trên là cơ sở để chế tạo cặp nhiệt. Nếu để chuẩn một đầu ra có nhiệt
độ
0
1
0T C=
thì suất điện động ở hai đầu cặp nhiệt tại mối ghép
2
T T=
là:
2 3
0
1 1
2 2
E AT BT CT= + +

* Ưu điểm
- Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất.
- Đơn giản.
- Rẻ tiền.
- Dải đo rộng, thay đổi lớn.
* Nhược điểm
- Phi tuyến.
- Điện áp cung cấp thấp.
13
- Cần có điện áp tham chiếu.
- Kém ổn định nhất.
- Kém nhạy nhất.
b. Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở
Nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong các
đường ống, các lò phản ứng hóa học, các lò hơi, không khí trong phòng, lồng ấp
ứng…Nhiệt điện trở thích hợp đo nhiệt độ trong khoảng
0
50 C−
đến
0
300 C
.
Nguyên lý làm việc dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ: R=f(t). Cuộn dây
điện trở thường nằm trong ống bảo vệ và tùy theo công dụng mà vỏ ngoài có thể
là kim loại, thủy tinh hoặc gốm.

Hình 1.4 Nhiệt điện trở thực tế
Đối với các loại vật liệu dẫn điện thì giá trị điện trở phụ thuộc nhiệt độ theo hàm
số sau:
0 0

T T=
.
Đối với điện trở bằng kim loại:
2 3
0
(1 )
T
R R AT BT CT= + + +
Trong đó:
14
+ T nhiệt độ tính bằng
0
C
;
+ A,B,C là hằng số vật liệu của nhà sản xuất.
Đối với điện trở bằng oxit bán dẫn:
0
0
1 1
*exp
T
R R
T T
β
 
 
= −
 
 ÷
 

cường độ dòng tăng vọt. Hệ số nhiệt và điểm làm việc thay đổi theo thành phần
các hợp chất cấu tạo thermistor.
Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative Thermistor): làm việc dựa
trên nguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm, thường được cấu từ oxit kim
15
loại Mangan, Sắt, Nikel. Đặc tuyến làm việc thể hiện ở hình dưới, trị số điện trở
giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng biểu diễn bởi công thức:
*exp
B T
T
R A=
Trong đó:
+ A: Hệ số điện trở phụ thuộc vào điện trở suất của chất bán dẫn;
+ B: Hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu chất bán dẫn.
và loại thermistor. B trong dải 3000-5000: đo nhiệt độ thấp. B trong dải 6000-
13000: đo nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ giảm thì độ nhạy càng tăng đó cũng chính
là ưu điểm của loại nhiệt kế này.
Hình 1.5 Đặc tuyến nhiệt độ của thermistor loại PT
Hình 1.6 Đặc tuyến nhiệt độ của thermistor loại NT
* Ưu điểm
16
- Ổn định nhất.
- Chính xác nhất.
- Tuyến tính hơn thermocouple.
* Khuyết điểm
- Đắt tiền.
- Cần phải cung cấp nguồn dòng.
- Lượng thay đổi
R∆
nhỏ.

- Ngõ ra có giá trị cao nhất.
- Rẻ tiền.
- Dễ dàng sử dụng.
1. Cảm biến LM35 2. Cảm biến AD590
Hình 1.7 IC cảm biến nhiệt độ
* Khuyết điểm
- Nhiệt độ đo dưới
0
200 C
.
- Cần cung cấp nguồn cho cảm biến.
1.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ
1.3.1 Điều khiển on-off
Điều khiển on-off là lặp lại trạng thái on-off của hệ thống điều khiển theo
điểm đặt, ví dụ trong hình relay ngõ ra là on khi nhiệt độ trong lò nhiệt dưới
điểm đặt và off khi nhiệt độ đến điểm đặt. Nhiệt độ được đặt ở một giá trị nào đó
mà người vận hành mong muốn, cấp điện sợi nung khi giá trị nhiệt độ trong lò
nhiệt thấp hơn giá trị đặt và tắt nguồn cấp điện cho sợi nung được gọi là điều
khiển on-off còn được gọi là điều khiển 2 vị trí vì hai biến đặt cũng liên quan
đến điểm đặt.
18
Hình 1.8 Điều khiển on-off
Khi điểm đặt được điều khiển bằng hoạt động on-off, biến đặt thay đổi
tuần hoàn như hình dưới. Kết quả tốt nhất của hoạt động on-off đạt được nếu
biên độ biến thiên là nhỏ nhất.
Hình 1.9 Sự biến thiên của giá trị đặt.
Tùy thuộc và hệ thống và yêu cầu công nghệ mà ta sử dụng phương pháp
điều khiển này. Điều khiển on-off thích hợp nhất với hệ thống mà nhiệt độ tăng
lên chậm và sai phân G giữa cân bằng nhiệt khi ngõ ra là on và khi ngõ ra là off
nhỏ. Ví dụ như G nhỏ duy trì đáp ứng nhiệt nhanh và hunting được tắt bằng hình

1.3.3 Điều khiển hiệu chỉnh PD
Vấn đề về tính ổn định và độ quá điều chỉnh trong điều khiển tỉ lệ với độ
khuếch đại lớn có thể được giảm đi khi thêm vào đó khâu vi phân cho tín hiệu
sai số.
0 0
W .( ) . ( )
S S
d
P T T D T T
dt
= − + −

Kỹ thuật này gọi là điều khiển PD. Khâu vi phân có thể hiệu chỉnh khả
năng đáp ứng sự thay đổi tại nhiệt độ đặt, đó là giảm độ vọt lố, đáp ứng đầu ra
bớt nhấp nhô hơn, được biểu diễn như hình dưới:
Hình 1.14 Đáp ứng hệ thống với hiệu chỉnh PD
Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện thu động, có thể
dùng khuếch đại thuật toán, điện trở và tụ điện. Nhược điểm của bộ PD này là
22
rất nhạy về nhiễu vì bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1
sẽ làm tăng sự ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu.
1.3.4 Điều khiển hiệu chỉnh PID
Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm giảm
sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm bậc thang sẽ gây ra vọt lố và trong
vài trường hợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực. sựu 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
dẫn đến sai lệch tĩnh bị triệt tiêu (hệ vô sai). Muốn tăng độ chính xác ta phải
tăng hệ số khuếch đại song với mọi hệ thực tế 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

1.3.5 Điều khiển sử dụng Fuzzy logic
Những thành phần cơ bản của một bộ điều khiển mờ bao gồm khâu Fuzzy
hóa, thiết bị thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ. Một bộ điều khiển mờ chỉ
gồm ba thành phần như vậy có tên gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản.
Hình 1.16 Mô hình điều khiển mờ cơ bản
Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện
thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển tĩnh. Tuy vậy, để mở rộng miền ứng
dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết
sẽ được nối thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản. Các khâu động đó chỉ có nhiệm
vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các giá trị đạo hàm hay tích
phân của tín hiệu. Với những khâu động bổ sung này, bộ điều khiển cơ bản sẽ
x
1
x
q

µ

R
1
: NẾU
THÌ
R
q
: NẾU
THÌ

H
1
H

)
25
tượng nhiệt độ có tính trễ và phi tuyến. Ngày nay với sự ra đời của nhiều
phương pháp điều khiển khác nhau, mỗi phương pháp có nhiều điểm mạnh yếu
khác nhau. Nếu kết hợp tốt các phương pháp sẽ cho kết quả tốt hơn. Tất cả đều
hướng đến mục tiêu là độ chính xác, tốc độ cao cũng như khả năng đáp ứng tốt
của thiết bị điều khiển. Phương pháp cổ điển chỉ áp dụng với các đối tượng điều
khiển có mô hình toán học nhưng trong thực tế các hệ thống điều khiển điều có
tính phi tuyến, độ phức tạp cao.
Bảng 1.2 So sánh các phương pháp điều khiển nhiệt độ
Các phương pháp
điều khiển
Ưu điểm Khuyết điểm
Điều khiển on-off - Điều khiển đơn giản - Xảy ra quá tải mạch
lực độ vọt lố lớn
Điều khiển tỉ lệ P - Quá tải và độ vọt lố
nhỏ
- Thời gian đáp ứng lâu
đến khi biến điều khiển
được thiết lập
Điều khiển vi phân tỉ
lệ PD
- Đáp ứng nhanh - Rất nhạy với nhiễu
Điều khiển PID - Có thể điều khiển tốt - Cần thực nghiệm xác
định các thông số PID
Điều khiển mờ - Thiết lập đơn giản
- Gần với suy luận con
người
- Khó tối ưu nếu chỉ sử
dụng riêng lẻ bộ điều