Do vậy ñể ñáp ứng ñược yêu cầu của thực tiễn sản suất cũng như trong lĩnh vực ñào tạo nghề về các ứng dụng ñiều khiển ổn ñịnh nhiệt ñộ, người thực hiện ñã lựa chọn ñề tài thiết kế mô hìn
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
ðỖ ðÌNH NA
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
MÔ HÌNH ðIỀU KHIỂN NHIỆT ðỘ ỨNG DỤNG VI ðIỀU KHIỂN AVR
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
ðỖ ðÌNH NA
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
MÔ HÌNH ðIỀU KHIỂN NHIỆT ðỘ ỨNG DỤNG VI ðIỀU KHIỂN AVR
Chuyên ngành: Kỹ Thuật ðiện Tử
Trang 3Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tới quý thầy cơ của trường ðại Học Giao Thơng Vận Tải Hà Nội, Khoa ðiện – ðiện Tử và đặc biệt quý thầy cơ trong Bộ Mơn ðiện Tử - Viễn Thơng đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt khố học
Cuối cùng, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, các bạn lớp Kỹ thuật ðiện tử K14 và những anh chị khố trước, bạn bè đồng nghiệp đã quan tâm, động viên và cung cấp tài liệu trong suốt quá trình học cũng như trong quá trình làm luận văn
TP.HCM, Tháng 11/2009 Học viên
Đỗ Đình Na
Trang 4TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC
Cơ quan công tác : Trường Cao đẳng Nghề KTCN TP.HCM
Khóa : 14 (2006 Ờ 2009)
Cán bộ hướng dẫn : PGS.TS.Lê Hùng Lân Bộ môn : Kỹ Thuật Viễn thông
1 Tên ựề tài :
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH đIỀU KHIỂN NHIỆT đỘ ỨNG DỤNG VI đIỀU KHIỂN AVR
2 Mục ựắch nghiên cứu của ựề tài :
Thiết kế mô hình ựiều khiển nhiệt ựộ gồm các chế ựộ ựiều khiển ON_OFF, PID, Fuzzy Có khả năng ựiều khiển tuần tự, giao tiếp ựiều khiển từ máy tắnh, hiển thị kết quả cả trên máy tắnh và màn hình LCD Có thể ứng dụng trong công tác nghiên cứu giảng dạy ở các trường dạy nghề, cao ựẳng, ựại học cũng như hoạt ựộng triển khai ứng dụng hệ thống ựiều khiển nhiệt ựộ trong các yêu cầu thực tiễnẦ
3 Phương pháp nghiên cứu và kết quả ựạt ựược :
Nghiên cứu lựa chọn các giải pháp thiết kế Nghiên cứu các thiết bị, linh kiện
sử dụng ựể thiết kế mô hình, xây dựng thuật toán ựiều khiển, mô phỏng kiểm chứng thuật toán ựiều khiển ON/OFF, PID, FUZZY sử dụng phương pháp thực nghiệm, phân tắch và so sánh các kết quả ựạt ựược đánh giá toàn bộ bản luận văn, ựề nghị hướng phát triển ựề tài
đã thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình ựiều khiển nhiệt ựộ với ba chế ựộ ựiều khiển là ON/OFF, PID, Fuzzy, có khả năng ựiều khiển giám sát bằng máy tắnh
Bộ ựiều khiển hoạt ựộng tốt và ựáp ứng ựược mục tiêu ựề ra
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Ngày tháng năm 2009
Học viên
đỖ đÌNH NA Xác nhận của bộ môn
Trang 5- i -
MỤC LỤC
Trang
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC BẢNG viii
DANH MỤC HÌNH VẼ ix
Chương 1 MỞ ðẦU 1.1 ðặt vấn ñề 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1
1.3 Giá trị thực tiễn và khả năng triển khai ứng dụng của ñề tài 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu 2
1.5 Giới hạn của ñề tài 3
1.6 ðiểm mới của ñề tài 3
1.7 Các giải pháp áp dụng thiết kế mô hình ñiều khiển nhiệt ñộ 3
1.8 Kết luận 4
Chương 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2.1 Hệ thống ño và ñiều khiển nhiệt ñộ 5
2.1.1 Khái niệm về hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ 5
2.1.2 Khái niệm về nhiệt ñộ và thang ño nhiệt ñộ 6
2.1.3 Sơ ñồ tổng quát của hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ 7
2.1.4 Hệ thống ño lường cơ bản 7
2.1.5 Hệ thống ño lường số 8
2.1.6 Mô hình ñiều khiển giữ ổn ñịnh nhiệt ñộ bằng máy tính 9
2.1.7 Nguyên tắc ñiều khiển giữ ổn ñịnh 9
2.2 Các phươg pháp ño nhiệt ñộ 10
Trang 6- ii -
2.3 Các loại cảm biến dùng trong ño lường nhiệt ñộ 10
2.3.1 ðịnh nghĩa và ñặc trưng tổng quát của các loại cảm biến 10
2.3.2 Các thông số về cảm biến nhiệt ñộ 10
2.3.3 Các loại cảm biến 11
2.3.4 Bù nhiệt của môi trường 13
2.3.5 Các mạch khuếch ñại ño lường 13
2.4.Cơ sở lý thuyết về vi ñiều khiển AVR ATMEGA32 14
2.4.1 ðặc ñiểm chung của vi ñiều khiển ATMEGA32 14
2.4.2 Sơ ñồ chân 15
2.4.2.1.AVR ATmega32 dạng PDIP và dạng TQFP/MLF 16
2.4.2.2 Chức năng các chân của vi ñiều khiển AVR ATMEGA32 16
2.4.3 Sơ ñồ khối của vi ñiều khiển AVR ATMEGA32 18
2.5.Cơ sở lý thuyết giao tiếp máy tính 19
2.5.1 Chuẩn RS-232C 20
2.5.2 ðầu nối RS-232 trên máy tính 20
2.5.3 Khuôn mẫu dữ liệu truyền 22
2.5.4 Tốc ñộ truyền dữ liệu 23
2.5.5 Mức ñiện áp truyền 23
2.6 Kết luận 23
Chương 3 LÝ THUYẾT LOGIC MỜ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU KHIỂN NHIỆT ðỘ 3.1 Logic mờ ( Fuzzy logic) 24
3.1.1 Gới thiệu chung 24
3.1.2 Khái niệm về logic mờ 25
3.1.3 Tập mờ 25
3.1.4 Các phép toán trên tập mờ 26
3.1.5 Biến ngôn ngữ và giá trị biến ngôn ngữ 29
3.1.6 Luật hợp thành mờ 30
3.1.6.1 Mệnh ñề hợp thành 30
3.1.6.2 Mô tả mệnh ñề hợp thành 30
3.1.6.3 Luật hợp thành mờ 31
Trang 7- iii -
3.1.6.4.Thuật toán xây dựng luật hợp thành có nhiều mệnh ñề hợp thành 32
3.1.6.5 Luật hợp thành ñơn một ñiều kiện 33
3.1.6.6 Luật hợp thành có hai mệnh ñề hợp thành 34
3.1.7 Giải mờ 35
3.17.1 Phương pháp cực ñại 36
3.17.2 Phương pháp trọng tâm 37
3.17.3 Phương pháp ñộ cao 38
3.1.8 Phương pháp suy luận mờ Mamdani 39
3.2 Các phương pháp ñiều khiển nhiệt ñộ 39
3.2.1 ðiều khiển ON_OFF 39
3.2.2 ðiều khiển PID vòng kín 40
3.2.2.1 Khâu hiệu chỉnh khuếch ñại tỉ lệ(P) 41
3.2.2.2 Khâu ñiều khiển tích phân I 42
3.2.2.3 Khâu ñiều khiển vi phân (khâu D) 43
3.2.2.4 ðiều khiển Tích Phân - Tỉ Lệ (PI) 44
3.2.2.5 ðiều khiển Vi Phân – Tỉ Lệ (PD) 44
3.2.2.6 ðiều khiển Vi Phân – Tích Phân – Tỉ Lệ (PID) 45
3.2.3 ðiều khiển mờ 47
3.2.3.1 Bộ ñiều khiển mờ căn bản 48
3.2.3.2 Nguyên lý ñiều khiển mờ 49
3.3 Kết luận 49
3.3.1 Bảng so sánh giữa các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển 50
3.3.2 Ưu ñiểm cơ bản của ñiều khiển mờ so với các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển (truyền thống) 50
Chương 4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ðIỀU KHIỂN NHIỆT ðỘ 4.1 Lựa chọn phương pháp ñiều khiển 51
4.2 ðối tượng lò nhiệt 51
4.3.Xây dựng thuật toán ñiều khiển 53
4.3.1 ðiều khiển ON-OFF 53
4.3.1.1 Sơ ñồ ñiều khiển 53
4.3.1.2 Thuật toán ñiều khiển 53
Trang 8- iv -
4.3.1.3 Kết quả mô phỏng ñiều khiển ON_OFF bằng MATLAB 53
4.3.2 Thuật toán ñiều khiển PID 54
4.3.2.1 Phương pháp PID ZIEGLER NICHOLS 54
4.3.2.2 Kết quả mô phỏng ñiều khiển PID bằng MATLAB 58
4.4 Thiết kế bộ ñiều khiển mờ 61
4.4.1 Sơ ñồ ñiều khiển sử dụng PID mờ 61
4.4.2 Chỉnh ñịnh PID 62
4.4.3 Chỉnh ñịnh mờ tham số bộ ñiều khiển PID 62
4.4.4 ðiều khiển nhiệt ñộ lò nhiệt bằng phương pháp Fuzzy_PID 63
4.4.4.1 Xác ñịnh biến ngôn ngữ 63
4.4.4.2 Mô tả biến ngôn ngữ 63
4.4.4.3 Tập mờ 64
4.4.4.4 Xây dựng cơ sở luật hợp thành 64
4.4.4.5 Mờ hóa, hợp thành và giải mờ 66
4.4.4.6 Hiệu chỉnh bộ ñiều khiển mờ 67
4.4.4.7 Kết quả mô phỏng bằng MATLAB 67
4.5 Thiết kế phần cứng mô hình ñiều khiển nhiệt ñộ 70
4.5.1 Sơ ñồ khối của mạch ñiều khiển nhiệt ñộ 70
4.5.2 Thiết kế chi tiết 72
4.5.2.1 Mạch nguồn 72
4.5.2.2 Mạch cảm biến và khuếch ñại tín hiệu 73
4.5.2.3 Mạch giao tiếp máy tính 75
4.5.2.4 Mạch công suất 76
4.5.2.5 Mạch hiển thị 77
4.5.2.5 Mạch thời gian thực Realtime DS1307 78
4.5.2.5 Mạch xử lý trung tâm ñiều khiển và hệ thống phím nhấn 79
4.5.2.5 Mạch cảnh báo quá nhiệt 80
4.5.3 Sơ ñồ chi tiết toàn bộ mạch ñiều khiển 80
4.5 Kết luận 82
Chương 5 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 5.1 Phần mềm hệ thống 83
Trang 9- v -
5.2 Phần mềm giao tiếp ñiều khiển từ máy tính 91
5.2.1 Giới thiệu 91
5.2.2 Chương trình ñiều khiển nhiệt ñộ trực tiếp trên bộ ñiều khiển 93
5.2.3 Chương trình ñiều khiển nhiệt ñộ từ máy tính 94
5.2.3.1 Chương trình ñiều khiển ON_OFF PC 95
5.2.3.2 Chương trình ñiều khiển PID PC 96
5.2.3.3 Chương trình ñiều khiển FUZZY PC 97
5.3 Kết luận 97
Chương 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 6.1 Thiết kế và thi công board mạch 99
6.2 Kết quả thực nghiệm 100
6.2.1 Kết quả ñiều khiển ON/OFF 100
6.2.2 Kết quả ñiều khiển PID 101
6.2.3 Kết quả ñiều khiển FUZZY 102
6.3 Kết luận 103
Chương 7 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 7.1 Kết quả ñạt ñược 104
7.1.1 Ý nghĩa khoa học 104
7.1.2 Kết quả 104
7.1 Kiến nghị 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO 107
PHỤ LỤC 109
Trang 10- vi -
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AC Altenating Current
A/D Analog/Digital
ADC Analog To Digital Converter
ALE Address Latch Enable
ALU Arithmatic Logic Unit
AVR (Automatic Volume Recognition) - The Name AVR Is Not Acronyn
And Does Not Stand For Anything In Particular AVG Average
CPU Central Processing Unit
CISC Complex Instruction Set Computer
DAC Digital To Analog Converter
DCE Data Communications Equipment
DC Direct Current
DTE Data Terminal Equipment
EEPROM Electrically Erasable Programmable ROM
MIPS Million Instructions Per Second
MLS Micro Lead Second Frame
MISO Multi Input Single Output
MIMO Multi Input – Multi Output
MSB Most Significan Bit
PID Proportional Integrative Derivative
PI Proportional Integrative
PD Proportional Derivative
PB Proportional Band
PWM Pulse Width Modulation
GND Ground – Mass
LCD Lequit Crystal Display
LSB Least Significan Bit
OP-AMP Operation Amplifier
IC Intergrated Circuit
Trang 11- vii -
RTD Resistance Temperature Detectors
RTC Real Time Clock
RAM Random Acess Memory
ROM Read Only Memory
RISC Reduced Instruction Set Computer
RS-232 Recommended Standard - 232
RS-485 Recommended Standard - 485
RS-422 Recommended Standard - 422
Vcc Power Supply Pin
TTL Transistor Transistor Logic
TQFP Thin Quad Flat Package
TIA/EIA The telecommunication Industry Association/Electronic Industries
Alliance USB Universal Serial Bus
USART UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) Communicate
Asynchronously SISO Single Input – Single Output
SSR Solid State Relay
SRAM Static Random Acess Memory
SPI Serial Peripheral Interface
TTL Transistor Transistor logic
Trang 12- viii -
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Một số loại cặp nhiệt thông dụng 12
Bảng 2.2 Chức năng các chân trên ñầu nối DB9 và DB25 21
Bảng 3.1 Giá trị luật hợp thành MAX - MIN 34
Bảng 3.2 Thông số của Kp, Ki, Kd 47
Bảng 3.3 Bảng so sánh giữa các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển 50
Bảng 4.1 Ảnh hưởng của các thông số Kp, Ki, Kd 60
Bảng 4.2 Luật chỉnh ñịnh KP 65
Bảng 4.3 Luật chỉnh ñịnh KI 65
Bảng 4.4 Luật chỉnh ñịnh anpha 65
Trang 13- ix -
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Sơ ñồ ñiều khiển vòng hở 5
Hình 2.2 Sơ ñồ ñiều khiển vòng kín 6
Hình 2.3 Sơ ñồ tổng quát hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ 7
Hình 2.4 Sơ ñồ khối của một hệ thống ño lường tổng quát 7
Hình 2.5 Sơ ñồ hệ thống ño lường số 8
Hình 2.6 Sơ ñồ ñiều khiển giữ ổn ñịnh nhiệt bằng máy tính 9
Hình 2.7 Sơ ñồ nguyên lý thermocouple 12
Hình 2.8 Sơ ñồ kết nối thermocouple 13
Hình 2.9 Phân bố chân vào ra dạng PDIP và dạngTQFP/MLF 16
Hình 2.10 Sơ ñồ khối vi ñiều khiển AVR ATMEGA32 18
Hình 2.11 ðầu nối RS-232 trên máy tính 21
Hình 2.12 Kết nối giữa hai DTE với nhau 22
Hình 2.13 Kết nối máy tính với thiết bị 22
Hình 2.14 Khung của một ký tự ñể truyền không ñồng bộ 23
Hình 3.1 Hàm liên thuộcµF(x ) có mức chuyển ñổi tuyến tính 25
Hình 3.2 Miền xác ñịnh và miền tin cậy của một tập mờ 26
Hình 3.3 Hợp hai tập hợp kinh ñiển và hợp hai tập mờ 26
Hình 3.4 Phép hợp hai tập mờ không cùng tập nền 27
Hình 3.5 Giao hai tập mờ cùng tập nền 27
Hình 3.6 Phép giao của 2 tập mờ không cùng tập nền 28
Hình 3.7 Hàm liên thuộc và tập bù C A của tập mờ A 28
Hình 3.8 Mô tả các giá trị biến ngôn ngữ bằng tập mờ 29
Hình 3.9 Kết quả hợp thành sử dụng quy tắc MIN và PROD 31
Hình 3.10 Rời rạc hóa hàm liên thuộc (nóng(x)), (thấp(y)) 33
Hình 3.11 Mô hình hóa với qui tắc SUM-MIN 35
Hình 3.12 Miền giá trị của tập mờ B’ 36
Hình 3.13 Giải mờ rõ y’ theo nguyên lý trung bình 36
Hình 3.14 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 37
Hình 3.15 Giải mờ theo nguyên lý cận phải 37
Hình 3.16 Gải mờ bằng phương pháp trọng tâm 37
Hình 3.17 ðặc tính của ñiều khiển ON_OFF 39
Trang 14- x -
Hình 3.18 điều khiển ON Ờ OFF có tắn hiệu cảnh báo 40
Hình 3.19 Mô hình hệ thống ựiều khiển PID 40
Hình 3.20 Sơ ựồ hệ thống ựiều khiển tỷ lệ P và hiệu chỉnh khâu P 41
Hình 3.21 đồ thị mô tả ựáp ứng của bộ ựiều khiển tỉ Lệ 41
Hình 3.22 Hoạt ựộng của khâu I 43
Hình 3.23 Hoạt ựộng của khâu D 43
Hình 3.24 đáp ứng của ựiều khiển PD 45
Hình 3.25 Sơ ựồ khối bộ ựiều khiển PID 45
Hình 3.26 Ngõ ra của ựiều khiển tỷ lệ 46
Hình 3.27 Bộ ựiều khiển mờ MISO 48
Hình 3.28 Bộ ựiều khiển mờ ựộng cơ bản 48
Hình 3.29 Nguyên lý của bộ ựiều khiển mờ 49
Hình 4.1 Lò nhiệt và ựặc tắnh 52
Hình 4.2 Sơ ựồ ựiều khiển lò nhiệt 53
Hình 4.3 Sơ ựồ mô phỏng ựiều khiển ON_OFF 54
Hình 4.4 đáp ứng lò của ở chế ựộ ON/OFF 54
Hình 4.5 Biểu diễn f(t) 56
Hình 4.6 Sơ ựồ ựiều khiển PID 57
Hình 4.7 Sơ ựồ mô phỏng ựiều khiển PID 58
Hình 4.8 đáp ứng lò ở T ựặt = 2000C 59
Hình 4.9 đáp ứng lò ở Tựặt = 1000C 59
Hình 4.10 đáp ứng lò ở Tựặt = 2000C khi thay ựổi kp hoặc kd 60
Hình 4.11 Bộ ựiều khiển PID mờ 61
Hình 4.12 Chỉnh ựịnh PID 62
Hình 4.13 Hàm liên thuộc 64
Hình 4.14 Biểu diễn luật chỉnh ựịnh Kr trong không gian 66
Hình 4.15 Biểu diễn luật chỉnh ựịnh anpha trong không gian 66
Hình 4.16 Biểu diễn luật chỉnh ựịnh Kd trong không gian 66
Hình 4.17 Sơ ựồ mô phỏng ựiều khiển FUZZY 67
Hình 4.18 đáp ứng lò ở Tựặt = 2000C với thay ựổi kp 68
Hình 4.19 đáp ứng lò ở Tựặt = 1000C với thay ựổi kd 68
Hình 4.20 đáp ứng ở Tựặt = 2000C với thay ựổi kp và Kd 69
Hình 4.21 Sơ ựồ khối của mạch ựiều khiển nhiệt ựộ 71
Trang 15- xi -
Hình 4.22 Sơ ựồ mạch nguồn 73
Hình 4.23 Sơ ựồ cấu tạo Thermocouple 73
Hình 4.24 Sơ ựồ mạch khuếch ựại tắn hiệu 74
Hình 4.25 Sơ ựồ mạch giao tiếp máy tắnh 75
Hình 4.26 Sơ ựồ mạch công suất 76
Hình 4.27 điều chế ựộ rông xung (PWM) 76
Hình 4.28 điện áp trung bình (AVG VOLTS) trong phương pháp PWM 77
Hình 4.29 Sơ ựồ mạch hiển thị LCD 78
Hình 4.30 Sơ ựồ mạch thời gian thực 78
Hình 4.31 Sơ ựồ mạch ựiều khiển dùng vi ựiều khiển ATMEGA32 79
Hình 4.32 Mạch phát tắn hiệu cảnh báo 80
Hình 4.33 Sơ ựồ toàn mạch ựiều khiển 81
Hình 5.1 Lưu ựồ chắnh của chương trình hệ thống 84
Hình 5.2 Giải thuật ựiều khiển ON-OFF 85
Hình 5.3 Giải thuật ựiều khiển PID 86
Hình 5.4 Giải thuật ựiều khiển Fuzzy 87
Hình 5.5 Khung của một ký tự ựể truyền không ựồng bộ 88
Hình 5.6 Các trạng thái ON Ờ OFF của tắn hiệu 88
Hình 5.7 Giao diện chắnh của chương trình ựiều khiển 91
Hình 5.8 Giải thuật ựiều khiển từ máy tắnh 92
Hình 5.9 Giao diện ựiều khiển MANUAL ON_OFF 94
Hình 5.10 Giao diện ựiều khiển MANUAL PID và FUZZY 94
Hình 5.11 Giao diện ựiều khiển ON_OFF PC 95
Hình 5.12 Giao diện ựiều khiển PID PC 96
Hình 5.13 Giao Giao diện ựiều khiển FUZZY PC 97
Hình 6.1 Board mạch ựiều khiển 99
Hình 6.2 Vị trắ ựiện trở gia nhiệt và cảm biến nhiệt ựộ trong lò 100
Hình 6.3 Mô hình ựiều khiển nhiệt ựộ 100
Hình 6.4 đáp ứng của lò ở chế ựộ ON/OFF 101
Hình 6.5 đáp ứng của lò ở chế ựộ PID 101
Hình 6.6 đáp ứng của lò ở chế ựộ FUZZY 102
Trang 16- 1 -
CHƯƠNG 1
MỞ ðẦU
1.1 ðặt vấn ñề
Ngày nay, ñiều khiển tự ñộng ñã trở thành một nhu cầu rất cần thiết trong ñời
sống sinh hoạt cũng như trong sản xuất Với sự xuất hiện của các học thuyết, các
ứng dụng cụ thể trong ñời sống hàng ngày của nhân loại, có thể nói ñiều khiển tự
ñộng ñang chi phối dần cuộc sống, mang lại sự tiện nghi và thoải mái cho chúng ta
ðồng thời với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, thì kỹ thuật số ñã
ñem lại cho con người những thành tựu to lớn, giúp con người dễ dàng ñạt ñược
mục tiêu của mình trong mọi thiết kế ứng dụng ñặc biệt là từ khi các bộ vi xử lý, vi
ñiều khiển ra ñời cùng sự kết hợp với máy tính, các hệ thống ñiều khiển trở nên linh
hoạt và tối ưu hơn ðiển hình lĩnh vực ñiều khiển ổn ñịnh nhiệt ñộ trong các ngành
sản suất và bảo quản, nâng cao chất lượng hàng hóa luôn là yếu tố hàng ñầu, ñòi hỏi
hệ thống ñiều khiển ñáp ứng nhu cầu của thực tiễn càng cao càng ñảm bảo chất
lượng sản phẩm Thực tế cũng ñã có nhiều công trình có hiệu quả cao như các lò
nung trong công nghiệp, các lò nướng dân dụng,… ñòi hỏi phải ñiều khiển sao cho
nhiệt ñộ bằng hoặc xấp xỉ nhiệt ñộ ñặt ñể ñáp ứng các ñiều kiện mà nhu cầu sản
xuất ñặt ra Mặc dù ñiều khiển nhiệt ñộ ñược ứng dụng rộng rãi, nhưng chủ yếu là
nhập từ nước ngoài nên việc tiếp cận ñược thực tế công nghệ là rất khó khăn
Do vậy ñể ñáp ứng ñược yêu cầu của thực tiễn sản suất cũng như trong lĩnh
vực ñào tạo nghề về các ứng dụng ñiều khiển ổn ñịnh nhiệt ñộ, người thực hiện ñã
lựa chọn ñề tài thiết kế mô hình ñiều khiển nhiệt ñộ, mô hình có thể giúp sinh viên
các trường nghề, cao ñẳng, ñại học tiếp cận kỹ thuật ñiều khiển nhiệt ñộ một cách
dễ dàng hơn, ñáp ứng ñược nhu cầu của nhà tuyển dụng cũng như nâng cao tay
nghề, kiến thức sau khi ra trường, mặt khác nó cũng có thể ứng dụng vào sản xuất
thực tiễn với khả năng kết nối máy tính, mô hình này sử dụng vi ñiều khiển AVR
làm bộ ñiều khiển trung tâm với khả năng giao tiếp ñiều khiển, hiển thị kết quả trên
máy tính
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
ðề tài này người thực hiện sẽ nghiên cứu tổng quát về lý thuyết ñiều khiển tự
ñộng, lý thuyết ñiều khiển hiện ñại, các phương pháp ñiều khiển nhiệt ñộ, ñặc biệt
phương pháp ñiều khiển mờ Fuzzy và vi ñiều khiển AVR, từ ñó lựa chọn phương
pháp ñiều khiển ñể thiết kế thi công mô hình ñiều khiển nhiệt ñộ có thể ứng dụng
Trang 17- 2 -
trong công tác nghiên cứu giảng dạy ở các trường dạy nghề, cao ñẳng, ñại học cũng
như hoạt ñộng triển khai ứng dụng hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ trong các yêu cầu
thực tiễn…
Thiết kế mô hình gồm các chế ñộ ñiều khiển ON_OFF, PID, Fuzzy Có khả
năng giao tiếp ñiều khiển từ máy tính, hiển thị kết quả cả trên máy tính và màn hình
LCD Mục ñích ñể người ñiều khiển giám sát kiểm tra hoạt ñộng của thiết bị thông
qua màn hình LCD hoặc trong trường hợp ở xa bộ ñiều khiển, người kiểm tra có thể
theo dõi trên màn hình máy tính mà không cần ñến mô hình ñiều khiển
1.3 Giá trị thực tiễn và khả năng triển khai ứng dụng của ñề tài
- Nghiên cứu và áp dụng ñược các giải pháp, công nghệ ñiều khiển mờ, vi
ñiều khiển AVR và giao tiếp máy tính áp dụng trong việc tự ñộng hóa ñiều khiển
nhiệt ñộ, tăng ñộ tin cậy, ñơn giản ñược thiết kế phần cứng, mang lại các lợi ích cho
khách hàng và thuận lợi trong việc áp dụng mô hình trong dạy học thực nghiệm các
phương pháp ñiều khiển ñiều khiển nhiệt ñộ
- Có thể ứng dụng vào ñiều khiển nhiệt ñộ trong thực tế như : ñiều khiển ổn
ñịnh nhiệt trong sấy nông sản chè, cà phê, tiêu, các kho bảo quản lương thực thực
thực phẩm, các lò ấp trứng công nghiệp, các lò nướng bánh trong các công ty sản
xuất bánh kẹo hoặc ổn ñịnh nhiệt ñộ trong các lồng ấm trong bệnh viện, ổn ñịnh
nhiệt ñộ lò sấy trong các nhà máy sản xuất linh kiện ñiện tử, vì khi linh kiện ñược
sản xuất ra ñược nhúng qua một lớp hóa chất nên cũng cần ñược sấy khô…
- Ứng dụng trong giảng dạy thực nghiệm trong các chuyên nghành ñiện tử tự
ñộng các quá trình ñiều khiển nhiệt ñộ, ñánh giá hiệu quả các phương pháp ñiều
khiển này
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập, tham khảo tài liệu liên quan ñến ñề tài nghiên cứu như tài liệu về
cơ sở ñiều khiển tự ñộng, lý thuyết ñiều khiển hiện ñại, ñiều khiển mờ, vi ñiều khiển
AVR, các phương pháp ño lường nhiệt ñộ, cảm biến nhiệt ñộ Nguồn tài liệu thu
thập từ cán bộ hướng dẫn, thư viện, Internet, tài liệu của nhà sản xuất thiết bị và
chọn lọc các tài liệu tham khảo
- Nghiên cứu các giải pháp tự ñộng hóa, các phương pháp ứng dụng trong
ñiều khiển nhiệt ñộ, lựa chọn các giải pháp thiết kế
- Nghiên cứu các thiết bị, linh kiện ñiện tử sử dụng ñể thiết kế mô hình ñiều
khiển nhiệt ñộ
Trang 18- 3 -
- Tìm hiểu sự áp dụng tự ựộng hóa trong ựiều khiển nhiệt ựộ ở một số mô
hình, thiết bị ựiều khiển nhiệt ựộ ựang ựược áp dụng trong thực tiễn ở trong và
ngoài nước
- Sử dụng phần mềm MATLAB mô phỏng kiểm chứng thuật toán ựiều khiển
của các phương pháp ựiều khiển
- Sử dụng phương pháp thực nghiệm, phân tắch và so sánh các kết quả ựạt
ựược
- đánh giá toàn bộ bản luận văn, ựề nghị hướng phát triển ựề tài
1.5 Giới hạn của ựề tài
- Nghiên cứu lý thuyết tự ựộng, ựiều khiển mờ và các phương pháp ựiều
khiển ứng dụng trong ựiều khiển nhiệt ựộ
- Xây dựng thuật thoán ựiều khiển ON/OFF, PID Và FUZZY
- Tìm hiểu về vi ựiều khiển AVR, các chuẩn giao tiếp máy tắnh, phương pháp
lập trình giao tiếp máy tắnh bằng phần mềm visual basic
- Mô phỏng ựánh giá các phương pháp ứng dụng ựiều khiển nhiệt ựộ trong
mô hình bằng phần mềm MATLAB
- Thiết kế phần cứng, phần mềm ựiều khiển Thi công, thực nghiệm, cân
chỉnh các thông số ựiều khiển mô hình ựiều khiển nhiệt ựộ với ba chế ựộ ựiều khiển
là ON/OFF, PID và FUZZY, khả năng ựiều khiển ổn ựịnh nhiệt ựộ tối ựa 250OC, có
chức năng ựiều khiển tuần tự và giao tiếp ựiều khiển từ máy tắnh, ựánh giá kết quả
1.6 điểm mới của ựề tài
- Nghiên cứu ựược ý nghĩa và giá trị của việc áp dụng tự ựộng hóa trong hệ
thống ựiều khiển nhiệt ựộ ứng dụng cho các yêu cầu thực tiễn và trong thực nghiệm
giảng dạy
- Tìm hiểu ựược các công nghệ, thiết bị và vi ựiều khiển mới, các giải pháp
mới như ựiều khiển mờ Fuzzy trong việc ứng dụng tự ựộng ựiều khiển nhiệt ựộ
- Thiết kế ựược mô hình ựiều khiển nhiệt ựộ sử dụng vi ựiều khiển AVR, ứng
dụng thuật toán ựiều khiển mờ Có thể ựiều khiển trực tiếp trên mô hình hoặc ựiều
khiển từ máy tắnh và ựiều khiển nhiệt ựộ một cách tuần tự, kết quả có thể áp dụng
ựược cho các ứng dụng trong thực tế ựiều khiển nhiệt ựộ và áp dụng trong thực
nghiệm dạy học trong nghành ựiện tử, tự ựộng
1.7 Các giải pháp áp dụng thiết kế mô hình ựiều khiển nhiệt ựộ
Trang 19- 4 -
- Thiết kế mô hình ñiều khiển nhiệt ñộ sử dụng vi ñiều khiển AVR kết hợp
phần mềm lập trình giao tiếp máy tính Visual basic, lý thuyết ñiều khiển mờ
- Sử dụng Thermocouple loại K có tầm ño: từ -2700C ñến 13720C, sự thay
ñổi ñiện áp ứng với nhiệt ñộ gần như là tuyến tính IC AD595 khuếch ñại tín hiệu từ
cảm biến ñưa về
- Ứng dụng lý thuyết ñiều khiển mờ FUZZY, ON/OFF và PID Zeigler
Nichols ñể giải quyết yêu cầu ñặt ra khi thiết kế mô hình
- Nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật lập trình giao tiếp máy tính sử dụng phần
mềm lập trình VB, ngôn ngữ C ñể lập trình ñiều khiển
- Thiết lập giải thuật chương trình ñiều khiển và hiển thị ñược cả trên LCD
và trên màn hình máy tính
- Xây dựng giải thuật ñiều khiển ON/OFF, PID và FUZZY PID
- Tìm hiểu phần phần mềm MATLAB ñể thực hiện mô phỏng kiểm chứng
thuật toán ñiều khiển
- Thiết kế, thi công, thực nghiệm ñiều chỉnh các thông số ñể hoàn thiện mô
hình
1.8 Kết luận
Chương 1 nêu ra các vấn ñề thực tế trong lĩnh vực ñiều khiển nhiệt ñộ, nhu
cầu của lĩnh vực này từ ñó ñặt vấn ñề lựa chọn ñề tài, xác ñịnh ñược mục tiêu
nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, các giải pháp áp dụng ñể thực hiện ñề tài,
giới hạn thực hiện cũng như giá trị thực tiễn và khả năng triển khai ứng dụng của ñề
tài trong thực tế
Mục tiêu ứng dụng phần mềm giao tiếp máy tính, vi ñiều khiển AVR, ñiều
khiển mờ Fuzzy kết hợp phương pháp ñiều khiển thông thường ON/OFF và PID
Zeigler Nichols khi thiết kế mô hình ñể tạo ra bộ ñiều khiển tối ưu hơn các bộ ñiều
khiển trước ñây chỉ sử dụng phương pháp ñiều khiển thông thường và các vi ñiều
khiển cũ như 8031, 8051, 8951…
Tuy nhiên do thời gian hạn chế nên chương 1 chỉ nêu ñược một số nội dung
vắn tắt, chưa thống kê ñược các số liệu ñược cụ thể về lĩnh vực mà ñề tài nghiên
cứu ở trong nước cũng như ở nước ngoài
Trang 20- 5 -
CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
2.1 Hệ thống ño và ñiều khiển nhiệt ñộ
2.1.1 Khái niệm về hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ
Nhiệt ñộ là một ñại lượng vật lý hiện diện khắp nơi trong nhiều lĩnh vực ñời
sống hàng ngày như sản suất nông nghiệp, chế biến bảo quản, trong công
nghiệp…và nhiệt ñộ là một ñối tượng quan trọng hàng ñầu cần kiểm soát
Trong nhiều lĩnh vực kinh tế, vấn ñề ño và kiểm soát nhiệt ñộ là một quá
trình không thể thiếu ñược ñặc biệt trong công nghiệp ðo và kiểm soát nhiệt ñộ
luôn gắn liền với quá trình sản xuất, việc ño và kiểm soát nhiệt ñộ tốt sẽ quyết ñịnh
rất nhiều ñến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệp như công
nghiệp thực phẩm, chế biến nông sản, lúa gạo, gốm sứ, luyện kim, xi măng, công
nghiệp chế tạo ñộng cơ ñốt trong…
Tùy theo tính chất, yêu cầu của quá trình mà nó ñòi hỏi sử dụng phương
pháp thích hợp Tính ổn ñịnh và chính xác của nhiệt ñộ cũng là vấn ñề ñặt ra cần
phải giải quyết
Hệ thống ñiều khiển thông thường có hai dạng là hệ thống ñiều khiển vòng
kín và hệ thống ñiều khiển vòng hở
Hệ thống ñiều khiển vòng hở hay còn gọi là hệ thống bán tự ñộng, nó thực
hiện nguyên tắc khống chế cứng Tức là tín hiệu ra không cần ño lường ñể hồi tiếp
chuyển trở về ñầu vào Phương pháp này ít ñược sử dụng
Hệ thống ñiều khiển vòng kín hay còn gọi là hệ thống tự ñộng (Hệ thống
ñiều khiển có hồi tiếp), nó thực hiện nhờ nguyên tắc ñiều khiển có phản hồi, tức là
tín hiệu ra ñược ño lường rồi phản hồi về ñầu vào bộ ñiều khiển, thông qua bộ ñiều
khiển tạo tín hiệu ñiều khiển mới cho bộ tạo nhiệt Hệ thống sẽ xác ñịnh sai khác
(sai số) giữa trạng thái mong muốn và trạng thái thực rồi tạo ra lệnh ñiều khiển ñể
loại bỏ sai số, tự ñộng ñiều chỉnh sao cho ñúng với yêu cầu
Khối ñiều khiển Khối biến ñổi
ðối tượng ñiều khiển (nhiệt ñộ) Hình 2.1 Sơ ñồ ñiều khiển vòng hở
ðiểm ñặt
Trang 21- 6 -
Khối ñiều khiển
Khối biến ñổi
ðối tượng ñiều khiển (nhiệt ñộ)
+
-
Khối phản hồi ðiểm ñặt
Tuy nhiên thường các hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ sử dụng ñiều khiển vòng
kín ñể kiểm soát và ổn ñịnh nhiệt ñộ ðể ñiều khiển hệ thống vòng kín người ta
dùng rất nhiều phương pháp : ñiều khiển PID, ñiều khiển mờ, mờ thích nghi, mờ
lai.v.v
Sự cần thiết ở ñây là phải khảo sát kỹ ñối tượng mà ta cần ñiều khiển ñể thiết
lập ñược mô hình toán học cụ thể Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ thực tế có thể phân
làm hai loại: Hệ thống ñiều khiển có hồi tiếp (feedback control system ) và hệ thống
ñiều khiển tuần tự (sequence control system )
ðiều khiển tuần tự là hệ thống thực hiện ñiều khiển theo từng bước tùy theo
kết quả ñiều khiển của từng bước Như vậy hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ là một hệ
thống ñiều khiển hồi tiếp
2.1.2 Khái niệm về nhiệt ñộ và thang ño nhiệt ñộ
Sự cảm nhận của con người về sự nóng lạnh bị hạn chế bởi cảm giác ñau
ñớn Do ñó, sự nhận ñịnh về nhiệt ñộ cũng tương ñối kém
Cho nên, cần phải có một thang ño nhiệt ñộ chính xác ñể nhận biết ñược sự
nóng hay lạnh Trong khi ñó, việc ñưa ra một thang ño nhiệt ñộ là một vấn ñề khó
Có thể lấy một chiều dài và phân chia ra thành những phần bằng nhau theo một
thang ño tuyến tính ñã biết Tuy nhiên, ñối với nhiệt ñộ thì chúng ta không thể lấy
hai nhiệt ñộ và chia khoảng giữa chúng một cách tuyến tính với một thang ño gỉa
ñịnh trước là tuyến tính Ví dụ : Hai mức thủy ngân trong trong ống thủy tinh ñã
ñược ñịnh cỡ ở nhiệt ñộ sôi và ñông ñặc, có thể không cho giá trị ñọc bằng ở những
nơi khác nhau, nếu như ống thủy tinh chứa thủy ngân có cấu tạo và ñường kính
khác nhau
Ở thế kỷ 19, người ta ñã tìm ra sự biến ñổi của thang ño nhiệt ñộ tại những
ñiểm cố ñịnh và ñưa ra phương pháp xác ñịnh các giá trị ñó (mãi ñến năm 1948,
tổng hội nghị về ño lường và trọng lượng ñã ñưa ra một thang ño Celsius ñược xem
như một tên gọi quốc tế cho thang ño nhiệt ñộ) Sau ñó, khái niệm về một khí lý
tưởng ñược Regnault ñưa ra theo công thức sau :
Trang 22- 7 -
Trong ñó : P là áp suất, V là thể tích, t là nhiệt ñộ, R và c là những hằng số
Dựa vào ñó, ông ñã chế tạo ra dụng cụ ño khí Vì thế, một loạt các nhiệt ñộ chuẩn
ñược xác ñịnh theo tiêu chuẩn thực nghiệm
Tiếp ñến, Kevin cũng ñưa ra một thang ño cơ nhiệt dựa trên công thức:
P.V = R.T với T là nhiệt ñộ Kevin và T = t + 273,15 (2.2)
2.1.3 Sơ ñồ tổng quát của hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ như sau
Một hệ thống ñiều khiển tự ñộng gồm có ba thành phần cơ bản, ñó là: ñối
tượng ñiều khiển, cảm biến hay thiết bị ño lường và bộ ñiều khiển ñể hiệu chỉnh
hành vi của hệ thống
Hình 2.3 là một hệ thống ñiều khiển có hồi tiếp qua bộ cảm biến và chuyển
ñổi, tín hiệu nhiệt ñộ ñược ño lường rồi hồi tiếp về ñể so sánh với gía trị ñặt, sai
lệch giữa tín hiệu ñặt và tín hiệu ño ñược trong thực tế sẽ ñược ñưa tới bộ ñiều
khiển xử lý, tạo ra tín hiệu ñiều khiển công suất cấp cho ñối tượng ñiều khiển Như
vậy, các phương pháp ñiều khiển khác nhau về bản chất là do các bộ ñiều khiển
khác nhau tạo nên và ñể ñảm bảo ñộ chính xác cao cũng như ñáp ứng ñược từng yêu
cầu cụ thể thì phải lựa chọn phương pháp ñiều khiển thích hợp cho từng trường hợp
cụ thể
Trên hình 2.3 :c(t) là tín hiệu cần ñiều khiển ñược gọi là tín hiệu ra (output),
u(t) là tín hiệu ñiều khiển, r(t) là tín hiệu chuẩn (tham chiếu), tín hiệu vào (input -
tín hiệu ñặt), f(t) tín hiệu hồi tiếp (feed back), e(t) tín hiệu sai số
2.1.4 Hệ thống ño lường cơ bản
Bộ ñiều khiển ðối tượng, quá trình ñiều khiển
c(t)
Cảm biến nhiệt ñộ
Nhiệt ñộ thực tế
Trang 23- 8 -
ðể thực hiện phép ño của một ñại lượng nào ñó thì tuỳ thuộc vào ñặc tính
của ñại lượng cần ño, ñiều kiện ño, cũng như ñộ chính xác theo yêu cầu của một
phép ño mà ta có thể thực hiện ño bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của các hệ
thống ño lường khác nhau
Khối chuyển ñổi: Làm nhiệm vụ nhận trực tiếp các ñại lượng vật lý ñặc trưng
cho ñối tượng cần ño, biến ñổi các ñại lượng thành các ñại lượng vật lý thống nhất
(dòng ñiện hay ñiện áp) ñể thuận lợi cho việc tính toán
Mạch ño: Có nhiệm vụ tính toán biến ñổi tín hiệu nhận ñược từ bộ chuyển
ñổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả ño của bộ chỉ thị
Khối chỉ thị: Làm nhiệm vụ biến ñổi tín hiệu ñiện nhận ñược từ mạch ño ñể
thể hiện kết quả ño
2.1.5 Hệ thống ño lường số
Hệ thống ño lường số có các ưu ñiểm: Các tín hiệu tương tự ñược biến ñổi
thành các tín hiệu số có các xung rõ ràng ở trạng thái 0,1 sẽ giới hạn ñược nhiều
mức tín hiệu gây sai số Mặt khác, hệ thống này tương thích với dữ liệu của máy
tính, qua giao tiếp với máy tính sẽ ñáp ứng việc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật ñiều
khiển
ðối tượng cần ño là ñại lượng vật lý, dựa vào các ñặc tính của ñối tượng cần
ño mà ta chọn một loại cảm biến phù hợp ñể biến ñổi thông số ñại lượng vật lý cần
ño thành ñại lượng ñiện, ñưa vào mạch chế biến tín hiệu (gồm:bộ cảm biến, hệ
thống khuếch ñại, xử lý tín hiệu)
Bộ chuyển ñổi tín hiệu sang số ADC(Analog Digital Converter) làm nhiệm
vụ chuyển ñổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với vi xử lý
Bộ vi xử lý có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh
trên cơ sở trình tự những lệnh chấp hành ñã thực hiện trước ñó
Cảm biến
Chế biến tín hiệu
ño
Dồn kênh tương
tự
ADC Chế
biến tín hiệu
ño
Cảm biến
Vi
xử lý
Chương trình ñiều khiển Hình 2.5 Sơ ñồ hệ thống ño lường số
Trang 24- 9 -
Máy vi tính
Bộ giao tiếp gia nhiệt Thiết bị
Cảm biến nhiệt
Nhiệt ñộ
mong
muốn
Nhiệt ñộ thực tế Nhiễu
ADC
DAC
Bộ dồn kênh tương tự (multiplexers) và bộ chuyển ADC ñược dùng chung
tất cả các kênh Dữ liệu nhập vào vi xử lý sẽ có tín hiệu chọn ñúng kênh cần xử lý
ñể ñưa vào bộ chuyển ñổi ADC và ñọc ñúng giá trị ñặc trưng của nó qua tính toán
ñể có kết quả của ñại lượng cần ño
2.1.6 Mô hình ñiều khiển giữ ổn ñịnh nhiệt ñộ bằng máy tính
Hoạt ñộng ñiều khiển và giữ ổn ñịnh nhiệt bằng máy tính như hình 2.6 Ta
giả sử ổn ñịnh nhiệt ñộ của một lò nướng Lò nướng này ñược gia nhiệt bởi một
thiết bị gia nhiệt Máy tính ñiều khiển rơle ñóng/ ngắt ñể giữ nhiệt ñộ ổn ñịnh theo
các phương pháp ñiều khiển nhiệt ñộ ñược lựa chọn
Nguyên tắt hoạt ñộng như sau: Nhiệt ñộ mong muốn ñược ñặt lớn hơn nhiệt
ñộ môi trường Nhiệt ñộ thực tế của lò ñược cảm biến, chuyển ñổi thành tín hiệu số
và truyền về máy tính thông qua bộ giao tiếp Chương trình trên máy tính so sánh
nhiệt ñộ của lò ño ñược với nhiệt ñộ mong muốn ñể tạo ra tín hiệu sai lệch Tín hiệu
sai lệch dưới dạng số ñược chuyển thành dạng tương tự ñể ñiều khiển thiết bị gia
nhiệt Nếu nhiệt ñộ thực tế ño ñược nhỏ hơn nhiệt ñộ mong muốn thì máy tính sẽ
xuất tín hiệu ñể ñóng rơle làm cho thiết bị gia nhiệt tăng nhiệt ñộ ðến khi nhiệt ñộ
của lò lớn hơn nhiệt ñộ mong muốn thì máy tính sẽ xuất tín hiệu ñể ngắt rơle làm
cho thiết bị gia nhiệt ngưng tăng nhiệt ñộ lò Do sự trao ñổi nhiệt với môi trường
xung quanh nên nhiệt ñộ của lò giảm xuống Khi nhiệt ñộ lò giảm xuống thấp hơn
nhiệt ñộ mong muốn thì máy tính sẽ ñiều khiển làm cho thiết bị gia nhiệt tăng nhiệt
ñộ và cứ thế tiếp tục một chu kỳ mới Kết quả là nhiệt ñộ của lò ñược giữ ổn ñịnh
trong một khoảng nhiệt ñộ xung quanh giá trị nhiệt ñộ mong muốn
2.1.7 Nguyên tắc ñiều khiển giữ ổn ñịnh
Mục tiêu ñiều khiển là kết quả ñầu ra bằng ñầu vào chuẩn r(t) bằng hằng số
với một sai số là e và e(t) = r(t) – c(t) < e
Theo hình 2.3 ñể giữ ổn ñịnh ngõ ra, bộ ñiều khiển sẽ kiểm soát ngõ ra c so
sánh với ñịnh chuẩn mong muốn r ñể chọn ra qui luật ñiều khiển u thích hợp và
Trang 25- 10 -
trong hệ thống ñiều khiển ổn ñịnh nhiệt ñộ thì c(t) là nhiệt ñộ thực tế, r(t) là nhiệt
ñộ mong muốn và e(t) là sai số nhiệt ñộ
2.2 Các phươg pháp ño nhiệt ñộ
ðo nhiệt ñộ là một phương thức ño lường không ñiện, ño nhiệt ñộ ñược chia
thành nhiều dải : ðo nhiệt ñộ thấp, ño nhiệt ñộ trung bình, ño nhiệt ñộ cao
Việc ño nhiệt ñộ ñược tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên dụng như:
Cặp nhiệt ñiện, nhiệt kế ñiện kế kim loại, nhiệt ñiện trở kim loại, nhiệt ñiện trở bán
dẫn, cảm biến thạch anh, IC cảm biến nhiệt
Việc sử dụng các Thermocouple loại K (Cặp nhiệt ñiện) ñể ño nhiệt ñộ là
một phương pháp thông dụng ñược người thiết kế sử dụng trong tập luận văn nầy
2.3 Các loại cảm biến dùng trong ño lường nhiệt ñộ
2.3.1 ðịnh nghĩa và ñặc trưng tổng quát của các loại cảm biến
Cảm biến là dụng cụ biến ñổi các ñại lượng vật lý thành tín hiệu ñiện Sự
chuyển ñổi dựa trên các ñịnh luật của các ñại lượng vật lý và ñể một cảm biến có
thể ñược chấp nhận thì phải thỏa các ñiều kiện sau :
- Tính trung thực (tuyến tính)
- ðộ nhạy (biên ñộ)
- Có kích thước thích hợp, bền và chịu ñược ảnh hưởng của môi trường
quanh
2.3.2 Các thông số về cảm biến nhiệt ñộ
Cảm biến nhiệt ñộ là cảm biến có khả năng nhận biết ñược tín hiệu nhiệt ñộ
một cách chính xác, trung thực và chuyển ñổi thành tín hiệu ñiện áp, dòng ñiện,
ñiện trở
Thông số cấu tạo : Phụ thuộc vào từng loại cảm biến, cũng như cách chế tạo
và phương thức chuyển ñổi của từng loại cảm biến ñó
Thông số sử dụng bao gồm các yếu tố sau :
- Khoảng làm việc : Là khoảng nhiệt ñộ mà cảm biến có khả năng hoạt ñộng
khi chưa vượt qua gới hạn bão hòa Khoảng làm việc cao hay thấp tùy theo tính
chất, cấu tạo và tính chất lý hóa của từng loại cảm biến quy ñịnh
- ðộ nhạy ñược ñịnh nghĩa :
dx
dF
Trong ñó : dF sự thay ñổi ñại lượng ño của cảm biến
dx sự thay ñổi ñại lượng vật lý