Đồ án tốt nghiệp
LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong trường Đại học
Công nghiệp Hà Nội đã dạy dỗ và giúp đỡ chúng em đến ngày hôm nay, đặc
biệt là các thầy, các cô trong Khoa Điện trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.
Chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Vinh đã trực tiếp hướng
dẫn chúng em làm đồ án, Ths.Nguyễn Thu Hà, giáo viên chủ nhiệm lớp, đã giúp
đỡ và tư vấn đồ án cho chúng em.
Chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện đã tạo mọi điều kiện tốt
nhất cho chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình.
Dù chúng em đã có nhiều cố gắng, nhưng vẫn không thể tránh khỏi những
thiếu sót, xin được các thầy, các cô chỉ dẫn thêm để chúng em có thể hoàn thành
tốt đồ án này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện đồ án

1
Đồ án tốt nghiệp
LỜI GIỚI THIỆU
Hệ thống điều khiển nhiệt độ chiếm vị trí hết sức quan trọng trong công
nghiệp hóa chất, thực phẩm, sinh học, luyện kim, lọc dầu,xi măng…Ở đó đòi
hỏi phải đảm bảo nhiệt độ ở mức cần thiết theo yêu cầu công nghệ, trong đó ổn
định nhiệt độ của lò nhiệt là chiếm tỉ lệ khá cao.
Trong một số trường hợp thì tham số động học của lò thay đổi theo thời
gian đồi hỏi tham số của bộ điều khiển phải thay đổi hoặc phải bù trừ tham số
để phù hợp với sự thay đổi tham số của lò, nâng cao chất lượng hệ thống. Xuất
phát từ nhu cầu thực tiễn đó chúng em chọn đề tài: “Tổng hợp hệ thống điều
khiển nhiệt độ cho lò điện trở”.
Đề tài thực hiện gồm các phần sau:
-Tìm hiểu lò điện trở theo mô hình tự xây dựng
-Nhận dạng tham số động học của hệ thống ở điều kiện chuẩn.

a. Nhiệt độ lò
-Nhiệt độ lò là nhiệt độ đặc trưng mang tính quy ước.Nhiệt độ lò không phải
là nhiệt độ của nguồn nhiệt ( ngọn lửa, khói lò,hoặc dây đốt )
-Nhiệt độ lò là nhiệt độ trung bình trong không gian làm việc của lò, thưởng
thì nhỏ hơn nhiệt độ nguồn nhiệt
b. Chế độ nhiệt độ của lò
-Nhiệt độ lò có thể thay đổi theo không gian làm việc của lò, có thể thay đổi
theo thời gian.
-Sự thay đổi nhiệt độ lò theo thời gian được gọi là chế độ nhiệt của lò.
)f(t
LO
τ
=
(1-1)
Trong đó, f là hàm số ,
τ
là thời gian.
-Việc chọn lựa chế độ của lò thích hợp thường phải xuất phát từ đòi hỏi công
nghệ. Khi nhiệt độ của lò không thay đổi theo thời gian thì :
3
Đồ án tốt nghiệp

0
t
LO
=
∂
∂
τ
(1-2)

nung nóng, nấu chảy, sấy…vật liệu.
-Lò điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.
1.2.1 Đặc điểm của lò điện
- Có khả năng tạo nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thể
tích nhỏ.
- Do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao nên lò có tốc độ nung nóng lớn,năng
suất cao.
- Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điểu chỉnh và khống chế chế độ nhiệt
và chế độ nhiệt độ của lò.
4
Đồ án tốt nghiệp
- Lò đảm bảo độ kín, có thể nung nóng trong chân không hoặc trong môi
trường có khí bảo vệ.
- Có khả năng tự động hoá cao, đảm bảo điều kiện vệ sinh
1.2.2 Một số loại lò điện
Các lò điện chủ yếu bao gồm một bình chứa đa phần là kín trong đó đạt
được một nhiệt độ tương đối cao. Được dùng cho nhiều hoạt động chẳng hạn
như làm nóng chảy, nung, ủ, tôi, luyện, tráng men, xử lý nhiệt các mối hàn. Tuỳ
theo trường hợp mà chúng được gọi là lò cất, lò chuông, lò chậu, lò luyện, lò
hầm Một số lò bao gồm các bộ phận cho phép, chẳng hạn lật nghiêng lò, hoặc
một phòng đặc biệt để xử lý các nguyên liệu trong áp lực khí quyển thấp. Theo
cách thức đun nóng được dùng, người ta phân biệt: Các lò điện công nghiệp
hoặc trong phòng thí nghiệm, kể cả các lò hoạt động do cảm ứng hoặc do hao
phí điện môi. Ta thường gặp một số loại lò điện sau đây:
a.Các lò điện trở (nung nóng gián tiếp) trong đó nhiệt thu từ dòng điện
chạy qua các điện trở nóng lên.
b.Các lò dùng cảm ứng ở tần số thấp
Trong đó vật liệu đem xử lý được đặt trong một trường điện từ tạo ra bởi
dòng điện tần số thấp của cuộn sơ cấp, tạo ra các dòng từ cảm, chúng đưa vật
liệu lên nhiệt độ cần thiết. Trong một số lò, vật liệu nung chảy đi qua từ nơi lò

Trong đó vật liệu xử lý được chiếu tia của một số đèn điện đặc biệt tức là
đèn hồng ngoại, hoặc từ miếng kim loại phát xạ bố trí khác nhau.Đôi khi người
ta dùng trong cùng một lò nhiều quy trình nung chảy bằng điện, chẳng hạn cảm
ứng ở tần số cao hoặc thấp cho kim loại, hoặc cho một số lò bánh bích quy, điển
hình là cảm ứng và các tia hồng ngoại.
hờ quá tình tạo nhiệt.
1.2.3 Lò điện trở
a.Khái niệm
Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây
đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt
6
Đồ án tốt nghiệp
năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường được dùng để nung,
nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu…
b.Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Khi dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R (vật rắn hoặc chất lỏng) nó
sẽ toả ra nhiệt lượng theo định luật Joule-Lence
tRIQ
2
=

(1-5)
Trong đó: R- điện trở nung, I- cường độ dòng điện, t- thời gian dòng chạy qua
c.Phân loại lò điện trở
Lò điện trở tác dụng trực tiếp: là lò điện trở mà vật nung được nung trực
tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm của loại này là tốc độ nung nhanh,
cấu trúc lò đơn giản.
Lò điện tác dụng gián tiếp: là lò điện trở mà nhiệt được toả ra ở dây điện
trở rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hay truyền
nhiệt.

















 
Hình 1.1 Kí hiệu transitor pnp (a) và npn (b), đực tính Vôn-ampe của
transitor c. Sử dụng transistor khống chế thời gian dòng chảy qua.
























Hình 1.3 Cấu trúc (a), mạch tương đương (b), kí hiệu (c) và đặc tính Volt-
Awmpe của Tiristor
b.Đặc tính Vôn-Ampe của tiristor
Đoạn 1: Ứng với trạng thái khoá của Tiristor chỉ có dòng rò chạy qua khi
điện áp chuyển trạng thái quá trình tăng nhanh chóng của dòng điện Tiristor
chuyển sang trạng thái mở. Đoạn 2: Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J
2
,
trong giai đoạn này, mỗi một lượng tăng nhỏ dòng điện ứng với lượng giảm lớn
điện áp đặt trên Tiristor. Đoạn 3: Ứng với trạng thái mở của Tiristor. Khi này, cả
3 mặt ghép trở thành dẫn điện. Đoạn 4: Ứng với trạng thái Tiristor bị đặt dưới
trạng thái điện áp ngược. Nếu tăng U đến quá
Z
U
mặt ghép bị chọc thủng,
Tiristor bị phá huỷ.
c.Sơ đồ khống chế dòng chạy qua lò.
Không sử dụng cầu chỉnh lưu




















Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí (a) đồ thị thời gian mạch khống chế dòng điện chạy
qua lò có sử dụng cầu chỉnh lưu với Thiristor
Để điều khiển thời gian tồn tại dòng
L
I
ta điều khiển thời gian tồn tại của
G
U
. Giản đồ xung áp của mạch thể hienj trên hình 1.5.b.
1.3.4 Sử Dụng Triac khống chế thời gian dòng chạy qua
a.Kí hiệu của Triac như trên hình 1.6.a.

Triac là phần tử bán dẫn gồm 5 lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như
trên hình 1.6.b. Khi có dòng cực G thuạn Triac dẫn điện theo cả 2 chiều giữa các
cực A1 và A2,do đó có thể dẫn dòng theo cả 2 chiều giữa A1 và A2. Triac có thể
coi như hai Thiristor đấu song song ngược.


















Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lí (a) đồ thị thời gian mạch khống chế dòng điện chạy
qua lò có sử dụng Triac
c. Đặc tính dòng- áp thể hiện tren hình 1.6.c.
d. Sơ đồ khống chế thời gian dòng điện chạy qua
Bằng cách thay đổi góc mở, ta có thể thay đổi thời gian dòng chạy qua.
1.3.5 Giới thiệu lò điện trở có mạch vòng điều khiển nhiệt độ
a. Sơ đồ khối
11




 >


:




?8
Hình 1.9 Sơ đồnguyên lí mạch cung cấp năng lượng cho lò điện (a) và cảm biến
nhiệt độ LM35 (b)
c.Cơ cấu đo
Với yêu càu độ chính xác không cao, tại lò điện thực nghiệm sử dụng cảm
biến nhiệt độ loại bán dẫn LM35 (xem hình 1.9.b). Điện áp đầu ra (
O
U
) của nó
tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ tại nơi cần đo the thang độ Celsius. Họ này cho r
điện áp 10mV ứng với thay đổi nhiệt độ là
C1
0
. Đầu ra LM35 được đưa trực
tiếp đến cửa vào bộ chuyển đổi ADC 0808.
d. Đối tượng điều khiển
Mô hình lò điện được thiết kế bằng hộp nhựa chịu nhiệt 2 lớp. Giữa 2 lớp
nhựa tấm có lớp bảo để giữ nhiệt (hình 1.10)
12

cơ bản. Phương pháp thứ nhất là đánh giá đồ thị đáp ứng đầu ra của đối tượng
sử dụng các thủ tục đồ họa đơn giản để xây dựng mô hình. Phương pháp thứ hai,
tổng quát hơn, sử dụng các nguyên lý thống kê để sử dụng các tham số của mô
hình. Mỗi phương pháp sẽ được minh họa qua một số ví dụ. Cuối cùng một số
các phương pháp khác cũng đựoc điểm qua để người đọc có thể lựa chọn con
14
Đồ án tốt nghiệp
đường phù hợp cho mình khi có nhu cầu xây dựng mô hình toán học của đối
tượng điều khiển.
2.1.1 Thủ tục xây dựng mô hình thực nghiệm
Quá trình xây dựng mô hình thực nghiệm có thể được tổng hợp bằng sau
bước như trên hình 2.1.
%,-*@6A
AB
A6C0,DEF
G6H
I#J*
C6K6/A6L
M,EN#A60,A
2A60,A6EN
A#O6)*4HC6K6
,G6P66Q06,-RS,#N,TU0
L@G6+.66Q06,-
Hình 2.1 Các bước tiến hành định dạng đối tượng
Thủ tục này đảm bảo các số liệu đúng sẽ được tạo ra nếu các thí nghiệm
xây dựng và thực hiện cẩn thận. Từ lưu đồ trên hình 2.1 dễ thấy thử tục đòi hỏi
phải có một lượng thông tin nào đó có sẵn có về đối tượng để lập kế hoạch thí
nghiệm và về bản chất, thường là một quá trình lặp như các đường nét đứt thể
hiện. Khi hoàn chỉnh, kết thúc thử tục người nghiên cứu có thể có mô hình phù
hợp hoặc ít nhất cũng biết mô hình cần thiết chưa nhận dạng được, cần phải tiến

(chẳng hạn hàm truyền bậc một hay bậc hai) chỉ trên cơ sở các số liệu. Nói
chung người thiết kế phải giả thiết về sự cho trước của cấu trúc mô hình và sau
đó đánh giá kiểm tra giả thiết đó. Cấu trúc ban đầu được chọn trên cơ sở các
thông tin nghiên cứu trước như phân tích bản chất vật lý của đối tượng hoặc số
liệu mẫu về đối tượng đã được thu thập trước đó . Giả thiết này đánh giá tưng
bước chuẩn đoán về sau trong thu tục này.
d.Đánh giá tham số
16
Đồ án tốt nghiệp
Đến đây thì cấu trúc mô hình đã được xác định và các số liệu đã được thu
thập xong.
Trong chương này đưa ra hai phương pháp đánh giá các giá trị tham số
của mô hình sao cho mô hình thể hiện sự phù hợp với các số liệu thực nghiệm
phương pháp thứ nhất sử dụng kỹ thuật đồ thị, còn phương pháp thứ hai sử dụng
nguyên lý thống kê. Cả hai phương pháp đều cho phép đánh giá các tham số của
mô hình hàm truyền chẳng hạn như hệ khuếch đại (tỷ lệ), hằng số thời gian và
thời gian trễ trong mô hình và lập kế hoạch thực nghiệm.
e.Đánh giá sai số mô hình
Trước khi đưa mô hình vào sử dụng trong điều khiển cần phải có mộ số
đánh giá cần thiết. Bước dự đoán đánh giá này xác định mức độ phừ hợp của
mô hình với các số liệu đã sử dụng trong đánh giá các tham số. Nói chung có hai
cách đánh giá sai số:
(1): So sánh số liệu sinh ra từ mô hình với các số liệu đo được
(2): So sánh với các giả thiết được sử dụng trong phương pháp đánh giá
tham số đã chọn.
f.Xác định mô hình
Công việc kiểm tra mô hình cuối cùng là thẩm tra xác nhận nó thông qua
việc so sánh với các số liệu phụ chưa được sử dụng trong đánh giá tham số. Mặc
dù trước nay không phải bao giờ cũng nhất thiết phải có những nếp tiến hành
kiểm tra mô hình với các số liệu thu nhập được trong các lần thí nghiệm khác

+Bước 3: Đo và thu thập các giá trị tín hiệu vào u(t) và đáp ứng đầu ra
y(t) cho đến khi đối tượng lại đạt tới trangh thái xác lập mới.
+Bước 4: Tiến hành với các tính toán với các đồ thị nhận được. trước khi
đi vào xem xét cụ thể các tính toán ta phân tích mối quan hệ giữa đặc điểm của
đồ thị đáp ứng quá độ h(t) (khi tín hiệu vào là ham bặc thang đơn vị 1(t)) với các
tham số trong truyền đạt đối tượng.
2.2 Định dạng đối tượng lò nhiệt bằng phương pháp thực nghiệm
Với các đối tượng dạng tích lũy năng lượng, bằng phương pháp thông qua
thực nghiệm, ta xây dựng đường cong quá độ của đối tượng điều chỉnh.
18
Đồ án tốt nghiệp
Khi thực hiện, tạm chia đối tượng điều chỉnh làm 3 nhóm. Đó là, đối tượng
điều chỉnh bậc 1, đối tượng điều chỉnh từ bậc 2 và có bậc cao hơn. Ta lần lượt
xét với từng trường hợp.
2.2.1 Đối tượng điều chỉnh bậc 1
Bằng thực nghiệm ta có thể xây dựng được đặc tính quá độ của đối tượng
như ở hình 2.2.a. Từ đặc tính quá độ xác định được hệ số K:
Δα
Δy
K =
.
Kẻ đường tiếp tuyến với đường cong tại gốc tọa độ. Ta sẽ xác định được
T. Từ đồ thi ta xác đinh được hàm truyền của đối tượng điều chỉnh sẽ là:

1Tp
K
(p)W
0
+
=

5
*
Hình 2.2 Đặc tính quá độ của đối tượng điều chỉnh bậc 1 (a) và bậc cao hơn
(b)
19
Đồ án tốt nghiệp
Bảng 3.1 Bậc của đối tượng điều chỉnh và giá trị
u
τ
Bậc của đối tượng
n
u
τ
Y
i
Ghi chú
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,000
0,104
0,218
0,319

++
=
(2-2)
Trong đó,
Δα
Δy
K
=
. Các hằng số thời gian xác định như sau:
Lấy giá trị y
1
=0,72y(∞), ta có giá trị tương ứng t
1
. Như trên hình 2.2.a

,

5
5

51


5
 ,
5


,


+ T
2
). Từ đồ thị xác định được y
2
.
Theo bảng 2.2, ta tìm
2
τ
theo
2
y
. Và sau đó ta có được:
2
1
2
τ
T
T
=
(2-4)
Từ các quân hệ (2-3) và (2-4) ta tính được
1
T
và
2
T
cho hàm truyền của đối
tượng điều chỉnh ở biểu thức (2-2).
Bảng 2.2 Bảng quan hệ giữa y
2

0,1539
0,1838
0,2196
0,2639
0,3126
0,4031
0,5376
1,0000
b.Nếu giá trị
218,0
≥
u
τ
, thì bậc của đối tượng điều chỉnh có thể là 3, 4 và
cao hơn. Có 2 trường hợp:
b.1.Nếu
u
τ
có giá trị điều chỉnh đúng bằng một giá trị nào đố ở bảng 2.2.
Ta xác định bậc n của đối tượng điều chỉnh và giá trị
i
y
theo hàm tương ứng.
Biểu thức tổng quát của đối tượng điều chỉnh được mô tả dưới dạng:
21
Đồ án tốt nghiệp n
1)(Tp

trên đồ thì là
1
u
τ
trong bảng có
giá trị
u
τ

gần nhất thấp hơn là
2
u
τ
. Dựng đồ thị như trên hình 2.2.b.
Dựng đường song song cách trục thời gian khoảng
2
u
τ
. Đường này cắt tiếp
tuyến tại A và dịch trục y về phía phải qua A. Gọi là trục y’. Khoảng cách 2 trục
y và y’ là thời gian trễ, kí hiệu là
d
T
. Với trục y’ ta sẽ xác định hàm truyền đạt
theo các trường hợp như đã nêu ở mục 1 và b.1.
Khi đó hàm truyền của đối tượng điều chỉnh sẽ có dạng:
p
d
T
e

u
τ
≥0,218.
Trong đó K và
1
T
,
2
T
, T và n xác định như các trường hợp trên.
Trong thực nghiệm, ta thường phải thực hiện một số lần nhất định nào đó
để đạt được kết quả gần với kết quả tính toán theo lý thuyết, vì khi tính toán theo
các bước nêu trên có lúc ta phải chọn theo giá trị tương ứng gần hơn. Phương
22
Đồ án tốt nghiệp
pháp này thuận tiện cho việc xác định hàm truyền đạt của các buồng sấy, lò
nung…
Trên cơ sở lý thuyết trên chúng em đã tiến hành khảo sát mô hình trên thực
nghiệm để tìm ra hàm truyền cho hệ trên qua các bước:
+ Bước 1: Tiến hành đo nhiệt độ trong lò tại mỗi khoảng thời gian nhất
định (thời gian lấy mấu là 1 phút)
+ Bước 2:Vẽ đồ thị khảo sát của hệ
+ Bước 3: Xác định cácnk tham số của hệ
+ Bước 4: Khảo sát hệ trên Matlap & Simulik
+ Bước 5: Rút ra kết luận so sánh
a)Bước 1: Tiến hành đo nhiệt độ trong lò tại mỗi khoảng thời gian nhất định
(thời gian lấy mấu là 1 phút)
Bảng thống kê khảo sát nhiệt độ của hệ tại từng thời điểm khác nhau
STT Thời gian(phút) Nhiệt độ(
0

==>==τ
Như vậy đối tượng nghiên cứu trên là hàm bậc 2
=> hàm truyền có dạng:
)1pT)(1pT(
K
)p(W
21
0
++
=
+) Xác định hàm truyền của đối tượng:
Ta có :
t
1
= 648(s) => dựa vào đồ thị khảo sát ta có y
1
= 20,16 + 33,5 = 53,66
T
1
+ T
2
=
)s(76,515
2564,1
648
2564,1
t
1
==
Lại có:

T
2
2
1
=τ=
(2
 Hàm truyền có dạng:
)1pT)(1pT(
K
)p(W
21
0
++
=
=
)1p49)(1p467(
28
++
d) Khảo sát hệ trên phần mềm Matlap & Simulink
Sơ đồ cấu trúc:
25

Trích đoạn Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ Thiết kế mạch nguồn

---