BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
*********
ĐỒ ÁN
VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ
ĐỀ TÀI :Điều khiển nhiệt độ lò Oven
Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Văn Vinh
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Mạnh
Mã sinh viên : 0541240041
Lớp : TĐH1 – K5
1
Mở đầu
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai
trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công
nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc Vì vậy việc sử
dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết. Lò điện
trở được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực
tiễn đặt ra. Ở lò điện trở, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và
khống chế được nhiệt độ của lò. Với đề tài “ Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ
bằng phương pháp thay đổi thời gian đốt cho lò nhiệt điện” trên cơ sở những lý
thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lý thuyết điều khiển, kèm theo đó là
kiến thức của các môn học cơ sở ngành và các môn học có liên quan như Đo lường
cảm biến, VMTT – VMS … Đề tài được chia làm 3 chương như sau:

. * Chương I: Tìm hiểu chung về mạch KĐTT, mạch PID, phương pháp thay
đổi công suất sấy bằng cách thay đổi thời gian cấp điện.
* Chương II: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò điện với bộ điều
khiển PID.
* Chương III: Xây dưng chương trình mô phỏng.
2

I
R
O
+) Điện áp vào : U
I
(V) +) Tín hiệu ra : U
O
(V).
+) Dòng điện vào: i
I
(A) +) Dòng điện ra: I
O
(A)
+) Điện trở vào : R
I
() +) Điện trở ra : R
O
(Ω)

Ngoài ra còn có thể có cả nguồn tín hiệu vào của mạch khuếch đại U
S
và điện trở nguồn tín
hiệu R
S
(Ω).
3) Một số quan hệ giữa các đại lượng:
a) Quan hệ giữa dòng điện - điện áp lối vào:
U
I
= U

O
R
L
c) Hệ số khuếch đại áp : K
U
=
d) Hệ số khuếch đại dòng : K
I
=
e) Hệ số khuếch đại đêxiben: K
U
= 20lgK
U
(dB).
II/ Khái quát về mạch PID:
Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: Tỉ lệ (P), Vi phân (D), Tích phân (I).
Mỗi thành phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống. Cụ thể:
4
1. Thành phần Tỉ lệ (P):
* Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t).
Phương trình sai phân mô tả động học:
u(t) = Km.e(t)
trong đó: u(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển.
e(t): tín hiệu vào.
Km : hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển.
+ Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:
W(p) = U(p)/E(p) = Km
+ Hàm truyền đạt trong miền tần số:
W(jω) = Km
+ Hàm quá độ là hàm mô tả tác động tín hiệu vào 1(t):

* Tín hiệu ra của bộ điều khiển tỉ lệ với vi phân tín hiệu sai lệch e(t)
Phương trình vi phân mô tả động học:
trong đó: e(t) : tín hiệu vào của bộ điều khiển
U(t): tín hiệu điều khiển
Td : hằng số thời gian vi phân
+ Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:
+ Sai lệch của hệ thống:
Sai lệch của hệ thống được tính:
Theo hình trên, ta có:
E(p) = X(p) – Y(p) = X(p) – Td.p.Wdt(p).E(p)
7
+ Ưu điểm: Luật điều khiển vi phân có đặc tính tác động nhanh, đây là một đặc tính
mà trong điều khiển tự động thường rất mong muốn.
+ Nhược điểm: Khi trong hệ thống dùng bộ điều khiển có luật vi phân thì hệ thống dễ
bị tác động bởi nhiễu cao tần, đây là loại nhiễu thường tồn tại trong công nghiệp.
4. Các Phương pháp xác định tham số Km, Ti, Td cho hệ thống điều
khiển sử dụng thuật toán PID
Cấu trúc:
Hàm truyền đạt:
Mô hình:
+ Km: thay đổi trực tiếp giá trị tín hiệu ra => thay đổi sai lệch tĩnh, đáp ứng nhanh,
bị ảnh hưởng bởi nhiễu ở mọi tần số.
+ Ti: sai lệch tĩnh bằng 0 khi hệ được kích thích bằng tín hiệu hằng, giảm độ quá
điều chỉnh.
+ Td: phản ứng nhanh với sự thay đổi của e(t), tăng độ quá điều chỉnh, nhạy cảm
với nhiễu tần số cao.
* Công thức Zigler-Nichols 2:
- thay PID bằng 1 khâu khuyếch đại Kth
- kích thích hệ bằng 1(t)
8

CHƯƠNG II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ CHO LÒ ĐIỆN VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN
PID
I/ Giới thiệu chung về lò điện:
a) Nguyên lý làm việc của lò điện trở
* Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn
hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:
10
Q=I2RT
Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J)
I: Dòng điện tính bằng Ampe (A)
R: Điện trở tính bằng Ôm (Ω)
T: Thời gian tính bằng giây (s)
Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:
- Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp
- Dây nung: Khi dây nung được nung nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng
bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián tiếp.
+) Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn
giản (tiết diện chữ nhật, vuông và tròn)
+) Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên nói
đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ phận phát
nhiệt của lò.
b) Cấu tạo của lò điện trở
Lò điện trở thông thường gồm 3 phần chính là vỏ lò, lớp lót và dây nung.
• Vỏ lò
+) Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình
làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự
kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò.
+) Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín; còn
đối với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và

trở suất lớn. Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung rất
hiếm. Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng. Dây nung
phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than.
c) Mô tả toán học của lò ( hàm truyền của lò)
12
Đối tượng là khâu quán tính bậc cao được xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất có trễ.
Sử dụng PID: Kp = 1.2T/L Ti = 2L Td = τ/L
II/ Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng PID\
13
Yêu cầu thiết kế: với yêu cầu của đề tài là “Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt
độ dùng PID” thì các mạch phần cứng cần thiết kế bao gồm:
• Thiết kế mạch đo nhiệt độ với dải đo 0 – 2000C.
• Thiết kế mạch điều khiển PID.
• Thiết kế mạch khuyếch đại công suất cho đối tượng nhiệt độ đơn giản.
Trong khuôn khổ của môn học, chúng em sẽ không đi sâu vào việc thiết kế
mạch đo nhiệt độ và mạch khuyếch đại công suất cho đối tượng nhiệt độ mà chỉ đề
cập đến vấn đề thiết kế mạch điều khiển PID.

Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển:
 Từ sơ đồ tổng quan ta thấy: Khối trung tâm của hệ thống là CPU, nó điều phối
toàn bộ chức năng của hệ thống. Giá trị nhiệt độ được đo bằng SENSOR, sau đó
được chuẩn hóa và khuyếch đại qua một mạch khuyếch đại đo lường. Giá trị chuẩn
hóa này được đưa tới ADC để chuyển thành các giá trị số trước khi đưa vào CPU.
CPU lấy các thông tin từ ADC cùng với các giá trị đặt trước (SP) được nhập từ bàn
phím KEY để tính toán theo một thuật toán được cài đặt sẵn bởi phần mềm. Kết
quả của quá trình tính toán được lấy để cho qua bộ DAC biến đổi thành tín hiệu
tương tự đưa ra van chấp hành đến đối tượng nhiệt độ cần điều khiển. Giá trị nhiệt
14
độ của đối tượng điều khiển tỉ lệ với năng lượng cấp vào từ van chấp hành. Giá trị
năng lượng cấp cho đối tượng được điều khiển bởi xung clock nối ghép trung gian

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
17
18