Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp hiện nay, việc đo và khống chế
nhiệt độ là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng. Vì nếu nắm bắt được tình
trạng làm việc của các hệ thống, dây chuyền sản xuất sẽ giúp ta tránh được những hư
hỏng và sự cố có thể xảy ra. Nhưng làm sao để kịp khắc phục lỗi của hệ thống nếu
thông tin đưa về chưa đầy đủ? Điều khiển mờ ra đời để giảm thiểu và khắc phục
những lỗi đó.
Ngay từ khi mới ra đời vào những năm đầu của thập kỷ 90, chuyên ngành điều
khiển mờ đã được phát triển rất mạnh mẽ và đem lại nhiều thành tựu trong lĩnh vực
điều khiển. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển
kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của
đối tượng một cách chính xác, điều khiển mờ có thể xử lý những thông tin “không
chính xác” hay không đầy đủ là đã đưa ra những quyết định chính xác.
Bên cạnh đó sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số các hệ thống
điều khiển dần dần tự động hoá. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, vi mạch số
được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với
tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự
động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước.
Để đáp ứng được yêu cầu điều khiển và khống chế nhiệt độ tự động có nhiều
phương pháp để thực hiện, tuy nhiên nhóm nhận thấy phương pháp kết hợp điều
khiển mờ và vi điều khiển là phương pháp mới, khả năng ổn định nhiệt độ tốt. Vì vậy
được sự đồng ý của Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Hưng
Yên, nhóm chúng em tiến hành thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình điều
khiển nhiệt độ lò nhiệt dùng thuật toán điều khiển mờ lập trình bằng vi điều
khiển”

GVHD: Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
3

GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
4
4
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp


Hình 13: Mạch điều khiển với bộ điều khiển mờ………….…….…………………
34
Hình 14: Vi điều khiển PIC 18F4431…………………
………………………… 38
Hình 15: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 18F4431………………… ….…………. 39
Hình 16: Bộ nhớ chương trình PIC 18F4431………………………………………
40
Hình 17: Bộ nhớ dữ liệu PIC 18F4431… …………………………………………41
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
6
6
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
Hình 18: Sơ đồ khối của Timer0………… …………………………………………
45
Hình 19: Sơ đồ khối của Timer1………… …………………………………………
46
Hình 20: Sơ đồ khối của Timer2………… …………………………………………
47
Hình 21: Sơ đồ khối của Timer5………… …………………………………………
48
Hình 22: Sơ đồ khối ADC………………….…………………………………………50
Hình 23: Sơ đồ khối Capture/Compare/PWM……………… ……………………51
Hình 24: RC oscillator…………………….………………………………………….53
Hình 25: Sơ đồ logic của tất cả các ngắt trong vi điều khiển PIC 18F4431…55
Hình 26: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ…….………………………….58
Hình 27: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển nhiệt độ……………………………… 59

1: Lớp lót 2: Vật nung 3: Dây nung 4: Vỏ lò
1.1.1. Vỏ lò.
Vỏ lò là một khung cứng, vững, chủ yếu để chịu trọng tải trong quá trình làm
việc của lò. Mặt khác, cũng là để giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo sự kín đáo hoàn toàn
hay tương đối của lò sấy.
Đối với các lò nung nóng với khí bảo vệ, sự cần thiết của lò là phải hoàn toàn
kín. Đối với lò bình thường, sự kín của lò là để giảm tổn thất và tránh được sự lùa của
không khí vào lò.
Khung vò lò thường cứng, chắc, đủ để chịu được trọng tải của lớp lót, tải lò và
các chi tiết cơ khí gắn trên vỏ lò.
Vỏ lò sấy có hai dạng cơ bản: dạng chữ nhật và dạng hình tròn.
Vỏ lò chữ nhật thường dùng trong các buồng lò băng tải, lò liên tục, lò đáy
bước và lò đáy rung….
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
8
8
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
Vỏ lò tròn được dùng trong các lò giếng và lò chụp…. Vỏ lò tròn chịu được
tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò hình chữ nhật cùng một lượng thép làm vỏ lò. Khi
làm vỏ lò trong người ta thường chọn độ dầy tương ứng của tấm thép so với đường
kính vỏ lò như sau:
Đường kính Độ dầy tấm thép
1000 – 2000 mm 3 – 6 mm
2500 – 4000 mm 8 – 12 mm
4500 – 6500 mm 14 – 20 mm
Khi cần độ cứng vững chắc cho vỏ lò, người ta thường dùng vòng đệm tăng

- Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu.
- Khả năng tích cực tiểu.
- Ổn định về tính vật lí trong điều kiện làm việc xác định.
- Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch chịu lửa hay điền đầy bằng xi, bông,
bột amiang
1.1.3. Dây nung
Theo đặc tính của lò sấy mà chia thành 2 loại dây nung là kim loại và phi kim
loại. Dây nung có thể có hình tròn và hình băng.
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc ở điều kiện khắc nghiệt, đời
hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chịu được nhiệt độ cao (ít bị oxi hoá ở điều kiện nhiệt độ cao).
- Sức bền cơ học cao (không bị biến dạng ở nhiệt độ cao).
- Điện trở suất lớn.
- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ để khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của dây vẫn ổn
định.
- Các tính chất dẫn điện phải ổn định hay ít thay đổi.
- Các kích thước phải ít thay đổi khi sử dụng.
- Dễ gia công, dễ hàn, ép khuôn.
- Dây nung kim loại là hợp kim Crôm - nhôm - Niken. Thường chế tạo loại
tròn hoặc loại băng.
- Dây nung phi kim loại: phổ biến là cacbon-silic (SiC) hay disilic-molipden
(MoSi
2
), graphit và than
- Dây nung có thể bố trí trên nóc và dưới đáy lò sấy, trên thực tế có thể nhiều
cách bố trí dây nung khác nhau, tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật của từng loại lò sấy.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
10

ổn định nhiệt độ lò về bản chất chính là điều chỉnh công suất cung cấp nhiệt cho lò.
Lò sấy của đồ án này hoạt động ở nhiệt độ 30
0
C – 100
0
C tức là ở nhiệt độ trung bình,
do đó trao đổi nhiệt trong lò chủ yếu là trao đổi nhiệt đối lưu.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
11
11
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
1.3. Các đặc điểm của lò nhiệt.
- Tạo được nhiệt độ cao.
- Đảm bảo tốc độ nung lớn.
- Nhiệt độ ổn định, dễ điều chỉnh tóc độ và nhiệt độ.
- Kết cấu kín.
- Có khả năng cơ khí hoá, tự động hoá cao.
- Vệ sinh, gọn nhẹ.
- Thích hợp khi sử dụng trong nhiều yêu cầu khác nhau.
1.4. Các yêu cầu cơ bản về lò nhiệt.
- Hợp lý về mặt công nghệ: Cấu tạo của lò nhiệt không những phù hợp với quá
trình công nghệ yêu cầu mà còn phải tính đến khả năng sử dụng nóv ới các quy trình
công nghệ khác nếu không 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 thông số
khác xác định như kích thước, công suất, trọng lượng.

Thysistor và như vậy công suất đưa vào cho lò sấy chỉ điều khiển được 1/2 chu kì.
1.5.4. Phương pháp dùng hai Thysistor mắc song song ngược.
Khi có xung điều khiển thì hay Thysistor sẽ lần lượt mở cho dòng đi qua. Ta
có thể điều khiển cho Thysistor liên tục chuyển từ đóng sang mở tương ứng với công
suất của lò 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.
1.5.5. Phương pháp dùng Triac.
Triac có chức năng giống hay Thysistor mắc song song ngược chiều, vì vậy để
đơn giản mạch điều khiển công suất ta có thể dung 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:
- Công suất không 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.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
13
13

LÒ NHIỆT
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử

Đồ án tốt nghiệp
Hình 2: Mô hình thực nghiệm của lò
Lò sấy khi có tín hiệu điện áp vào là U, thì sẽ có tín hiệu ra là nhiệt độ. Khi ta
đặt giá trị điện áp vào là 100% công suất của lò thì tại thời điểm đó thì nhiệt độ của lò
chưa thay đổi ngay, nó phải mất một khoảng thời gian nhất định để biến đổi năng
lượng nhiệt thành năng lượng điện và truyền, thời gian này được gọi là thời gian trễ
và thời gian này tạo nên khâu trễ của lò.
Nhiệt độ trong lò sẽ tăng dần cho đến khi tỉ lệ với điện áp đặc vào thì lúc này
sẽ kết thúc quá trình quá độ. Trong quá trình xác lập thì lượng nhiệt ra là nhiệt độ,
luôn tỉ lệ với điện áp đặt vào.

Hình 3: Đường đặc tính gần đúng của đối tượng
Tín hiệu vào u(t) = 1(t) là hàm bậc thang đơn vị là theo biến đổi Laplace thì:

Tín hiệu ra của quá trình được mô tả bằng phương trình:
y
(t)
= f(t - τ) : trong đó τ là thời gian trễ.
Chuyển sang phương trình dạng toán tử Laplace:
Y
(s)
= e
-τ.s
.F
(s)
Trong đó f(t) = k là hàm quá độ của nhiệt độ, được xác định dựa vào đặc tính
gần đúng của đối tượng. Từ đó có ảnh Laplace.
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1

So với các giải pháp kĩ thuật từ trước đến nay được áp dụng để tổng hợp các
hệ điều khiển, phương pháp tổng hợp bộ điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu
điểm rõ rệt sau:
- Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình
đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống.
- Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn các bộ điều khiển khác và dễ dàng thay đổi.
- Đối với các bài toán thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng bộ điều
khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và giá thành sản phẩm.
- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững
hơn, khả năng chống nhiễu cao hơn.
2.2. Bộ điều khiển mờ.
2.2.1. Khái niệm cơ bản.
Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” thì ta hãy thực hiện phép so sánh sau:
Trong toán học phổ thông ta đã học về tập hợp, ví dụ như tập số thực R, tập
số nguyên tố P = {2, 3. 5…}. Những tập hợp như vậy được gọi là tập kinh điển hay
tập rõ, tính “RÕ” ở đây được hiểu là với một tập xác định S chứa n phần tử thì ứng
với 1 phần tử ta xác định được một giá trị y = S(x).
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
17
17
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
Giờ ta xét phát biểu thông thường về tốc độ một chiếc xe môtô: chậm, trung
bình, nhanh, rất nhanh. Phát biểu “CHẬM” ở đây không được chỉ rõ là bao nhiêu
km/h, như vật từ “CHẬM” có miền giá trị là một khoảng nào đó, ví dụ 5km/h -
20km/h chẳng hạn. Tập L = {chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh} như vậy được
gọi là một tập hợp các biến ngôn ngữ. Với mỗi thành phần ngôn ngữ x của phát biểu

S = supp
µ
(x) = {x ∈ X|
µ
(x) > 0} (2.3)
* Miền tin cậy của tập mờ F (đưwcj định nghĩa trên nền X), được ký hiệu bởi
T, là tập con của M thoả mãn:
T = {x ∈ X|
µ
(x) = 1} (2.4)
Hình 4 là một ví dụ về miền xác định và miền tin cậy của tập mờ.

GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
18
18
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
µ (x)
o Miền tin cậy x

Miền xác định
Hình 4: Miền xác định và miền tin cậy của một tập mờ.
2.2.4. Biến ngôn 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 cần được kết hợp lại với nhau.
Để minh hoạ về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ sau: Xét tốc độ của
một chiếc xe môtô ta có thể phát biểu xe đang chạy:

2.2.5. Các phép toán trên tập mờ
Cho A, B là hai tập hợp mờ trên không gian nền X có các hàm thuộc tương
ứng là µ, µ khi đó:
* Phép hợp hai tập mờ: A ∪ B
- Theo luật Max:
µ
A
∪∩
B
(x) = Max{µ(x), µ(x)}
- Theo luật Sum:
µ
A
∪
B
(x) = Min{1, µ(x) + µ(x)}
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
20
20
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp
- Tổng trực tiếp:
µ
A
∪
B
(x) = µ(x) + µ(x) - µ(x).µ(x)

= B (ký hiệu là q) được gọi là mệnh đề kết luận.
Mệnh đề hợp thành: p ⇒ q (từ p duy ra q).
Hoàn toàn tương đương với luật điều khiển (mệnh đề hợp thành 1 điều kiện)
Nếu γ = A thì χ = B (2.5)
A ⇒ B (từ A suy ra B)
Là một giá trị mờ biểu diễn giá trị mờ đó là một tập C thì mệnh đề hợp thành
mờ (2.5) chính là ánh xạ
µ
(x) →
µ
(y).
Định lý Mamdani: “Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ
thuộc của điều kiện”.
Từ nguyên tắc Mamdani ta thiết lập được các công thức (còn gọi là các quy
tắc) xác định hàm liên thuộc cho mệnh đề hợp thành A⇒B là:
1.
µ
(x,y) = Min {
µ
(x),
µ
(y)} công thức MAX - MIN (2.6)
2.
µ
(x,y) = {
µ
(x).
µ
(y)} công thức MAX - PROD (2.6)
Hai công thức naà cho mệnh đề hợp thành A ⇒ B gọi là 2 quy tắc hợp thành

µ
(y).
Giá trị của luật mờ hợp thành R ứng với x được hiểu là tập R’ thu được qua
phép hợp 3 tập mờ B
’
, B
’
, B
’
: R’ = B
’

∪
B
’

∪
B
’

Các luật hợp thành cơ bản:
- Luật Max-Min
- Luật Max-prod
- Luật Sum-Min
- Luật Sum-prod
Các bước xác định hàm thuộc µ(y) của giá trị đầu ra R’ của một luật hợp
thành có n mệnh đề R, R, R,…, R như sau:
- Xác định độ thoả mãn của mệnh đề điều kiện: H, H, …, H.
- Tính các hàm thuộc của tập mờ kết quả
µ

µ
(x) thành n điểm x i = 1, 2, 3,…, n
Chia hàm thuộc
µ
(x) thành n điểm y y = 1, 2, 3, …, n
Xây dựng ma trận quan hệ mờ R:
1 1 1 11 1
2 2 2 21 2
1
( , ) ( , )
( , ) ( , )

( , ) ( , )
R R m m
R R m m
R n n R n m n nm
x y x y r r
x y x y r r
R
x y x y r r
µ µ
µ µ
µ µ
   
   
   
= =
   
   
   

…….
R: Nếu χ = A thì γ = B hoặc (2.11c)
Trong đó các giá trị mờ A, A, …, A có cùng cơ sở X
và B, B, …, B có cùng tập nền Y
Gọi là hoàm thuộc của A và B là µ (x) và µ (y) với k = 1, 2, …., p.
Thuật toán triển khai R = R ∪ R ∪ … R sẽ như sau:
1- Rời rạc hoá X tại n điểm x, x, …, x và Y tại mệnh đề điểm y, y, …, y .
2- Xác định các vectơ và K= 1, 2,….p theo
= (
µ
(x),
µ
(x), …,
µ
(x))
= (
µ
(y),
µ
(y), …,
µ
(y))
GVHD1 :Nguyễn Phương Thảo
GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
24
24
Trường Đại học SPKT Hưng Yên
Khoa: Điện – Điện tử
Đồ án tốt nghiệp

GVHD2 :Nguyễn Trung Thành
SVTH: ĐK8LC.1
25
25