Bài Thí nghiệm cơ sở tự động - Bài thí nghiệm 5: Hệ thống điều khiển nhiệt độ

ể được biểu 
diễn dưới dạng hàm truyền sau : 
H s
Ke
Ts
Ls
( )  

1
bao gồm một khâu quán tính 
hệ số khuếch đại K và thời hằng T, và 
khâu trễ thời gian L, các thông số này 
có thể lấy được khi kẻ tiếp tuyến ở 
điểm uốn cho đồ thị quá độ hàm nấc 
như hình bên. Hệ số khuếch đại K 
được tính như sau: 
Khi nhiệt độ ban đầu khác không, K được tính từ độ tăng nhiệt độ ngỏ ra so với môi 
trường. Để áp dụng cho hệ tuyến tính, ta lấy khai triển Taylor của e Ls , hàm truyền trở nên: 
Tóm lại, Ziegler-Nichols xấp xỉ hàm truyền lò với hệ bậc nhất có trễ hay hệ tuyến 
tính bậc hai, và cho phép tìm hàm truyền bằng thực nghiệm khi vẽ quá trình quá độ hệ thống 
với ngõ vào là hàm nấc. 
( )
( 1)( 1)
KH s
Ts Ls
  
Page 3 of 9 
II.2. Nguyên lý điều khiển ON -OFF (dùng khâu rơ le có trễ): 
Phương pháp điều khiển ON-OFF còn được gọi là phương pháp đóng ngắt hay dùng 
khâu rơ le có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp cho năng lượng ở mức tối đa 
cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu nhiệt độ đặt đặt lớn hơn nhiệt độ lò phản hồi , ngược lại mạch 
điều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng lượng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ thực của lò. 
Một vùng trể được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối trên: nguồn 
chỉ được đóng khi sai lệch nhiệt độ e lớn hơn một lượng  và ngắt khi e bé hơn . Như 
vậy, nhiệt độ phản hồi phản hồi sẽ dao động quanh giá trị đặt đặt và 2 còn được gọi là 
vùng trễ của rơ le. 
Khâu rơ le có trễ còn gọi là mạch so sánh Smit trong mạch điện tử, và như vậy  là 
giá trị thềm hay ngưỡng. 
Điều khiển ON - OFF có ưu điểm là : 
- Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải. 
- Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng. 
Nhưng có khuyết điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh nhiệt 
độ đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùng trễ bằng 
cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất. 
Việc điều khiển nhiệt độ với chất lượng cao có thể thực hiện bằng sơ đồ điều khiển tuyến 
tính với hàm truyền hiệu chỉnh thích hợp . 
II.3. Nguyên lý điều khiển tuyến tính : 
Khác với nguyên lý ON- OFF chỉ có hai giá trị công suất ở ngỏ ra, sơ đồ điều khiển 
tuyến tính cung cấp công suất cho tải thay đổi một cách liên tục theo sai lệch giữa nhiệt độ 
đặt và nhiệt độ thực. Bộ hiệu chỉnh xử lý tín hiệu sai lệch đặt – phản hồi ,cho ra tín hiệu 
điều khiển làm sai lệch tiến về zero với đặc tính quá độ mong muốn. Như vậy ở chế độ xác 
lập, nhiệt độ lò và công suất cung cấp cho lò sẽ có một giá trị xác lập, phụ thuộc vào đặc 
tính hệ thống. 
Chất lượng hệ thống như vậy sẽ phụ thuộc vào thông số của sơ đồ hiệu chỉnh. Một 
trong những nguyên lý hiệu chỉnh thường dùng là PID ( vi tích phân tỉ lệ ), và trong bài thí 
nghiệm ta dùng P (điều khiển tỉ lệ) vì không thể thực hiện các thời hằng của mạch vi tích 
phân (ở đây có trị số khá lớn) bằng mạch analog. 
Như vậy, khâu hiệu chỉnh chỉ là mạch khuếch đại có hệ số thích hợp , dung hòa giữa 
độ chính xác và chất lượng quá độ vì nếu tăng hệ số khuếch đại, sai số sẽ giảm nhưng sẽ 
xuất hiện dao động và vọt lố ở ngỏ ra. 
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tuyến tính như sau : 
Page 4 of 9 
HC : hàm truyền bộ hiệu chỉnh , trong thí nghiệm này chỉ là bộ khuếch đại. 
Phương pháp điều khiển công suất được dùng là điều rộng xung. Tải sẽ nhận công 
suất trong khoảng Ton của chu kỳ T không đổi . Công suất trên tải có thể điều khiển được 
bằng cách thay đổi độ rộng xung tương đối a : 
 a = ton / T 
và công suất cung cấp cho tải: 
 P = a * Pmax 
Pmax : công suất cực đại ứng với trường hợp a = 1,khi phần tử điều khiển công suất là 
TRIAC đóng mạch liên tục . 
Vì TRIAC chỉ ngắt mạch khi dòng qua nó về zero , chu kỳ T phải đủ lớn để cho 
TRIAC có thể dẫn điện trong 
nhiều chu kỳ điện áp lưới ( 
tần số lưói diện là 50 Hz ) . 
Trong bài thí nghiệm, 
T khoảng 3 giây, bộ thí 
nghiệm có chỉ thị hệ số a theo 
đơn vị % gọi là % công 
suất . 
III. THÍ NGHIỆM : 
III.1. Đo quá trình quá độ hệ 
hở , đầu vào hàm nấc: 
 Mục đích : 
Vẽ đặc tính quá độ hệ hở, suy ra hàm truyền lò điện theo mô hình Ziegler - Nichol. 
 Thí nghiệm: 
Đặt chế độ vòng hở (công tắc chọn chế độ HỞ – KÍN bật qua HỞ), dùng biến trở đặt 
chỉnh công suất ra bằng 30%, ghi nhiệt độ lò từng 1 phút trong khoảng 30 phút vào Bảng 1: 
t(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
TOC 
t(min) 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
TOC 
t(min) 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 
TOC 
Vẽ đặc tính quá độ nhiệt độ ngõ ra theo hình vẽ bên dưới. Sau đó kẻ tiếp tuyến tại 
điểm uốn để tính L, T và hệ số khuếch đại K. Nhận xét dạng đường cong nhận được so với 
lý thuyết. 
 ton : thời gian TRIAC đóng 
 T : chu kỳ điều khiển 
Page 5 of 9 
III.2. Điều khiển ON -OFF : 
 Mục đích : 
Khảo sát hệ thống điều khiển nhiệt độ theo nguyên tắc điều khiển ON - OFF. 
 Thí nghiệm : 
Mở cửa lò, dùng quạt để hạ nhiệt độ trong lò xuống dưới 50 oC, đặt chế độ vòng KÍN 
( công tắc chọn chế độ ), chuyển công tắc phương pháp điều khiển sang ON-OFF, bật công 
tắc ĐO - ĐẶT sang ĐẶT, chỉnh biến trở đặt để có nhiệt độ đặt là T (C) = 100oC. Bật công 
tắc ĐO - ĐẶT sang ĐO để thí nghiệm. Đóng điện lò, ghi quá trình tăng nhiệt trong 30 phút. 
 Kết quả ghi theo bảng 2 và vẽ QTQĐ nhiệt độ lò , % công suất cung cấp trên cùng 
đồø thị. Sai số nhiệt độ của hệ thống được điều khiển ON - OFF tính bằng sai lệch dương +e1 
và âm  e2 (viết ở dạng +e1/-e2 ) của biên độ đường cong dao động nhiệt độ ngỏ ra so với 
giá trị đặt khi nhiệt độ ngỏ ra có dao động ổn định, còn gọi là chế độ tựa xác lập. Vùng trễ 
của bộ điều khiển sẽ tính bằng chênh lệch nhiệt độ giữa hai lần đóng ngắt liên tiếp. 
20
40
60
80
100
120
140
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Nhiệt độ đo ( o C
)
Page 6 of 9 
t(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 
TOC 
%CS 
t(min) 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
TOC 
%CS 
t(min) 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 
TOC 
%CS 
 Bảng 2 : Điều khiển ON-OFF 
 Từ hình vẽ QTQĐ, xác định vùng trễ của khâu rơle và sai số thực tế. Giải thích lý do 
tại sao sai số điều khiển lại khá lớn so với vùng trễ. 
III.3. Điều khiển tuyến tính: 
 Mục đích: 
Khảo sát hệ thống điều khiển tuyến tính nhiệt độ với hiệu chỉnh P (bộ hiệu chỉnh là 
bộ khuếch đại tín hiệu sai số nhiệt độ). 
 Thí nghiệm: 
20
40
60
80
100
120
140
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Nhiệt độ đo ( o C
)
Page 7 of 9 
Mở cửa lò để hạ nhiệt độ xuống dưới 50oC, vẫn giữ nhiệt độ đặt là 100oC, chuyển 
công tắc phương pháp điều khiển sang tuyến tính ( PI ). Đo như phần III.2 trong 30 phút. Báo 
cáo kết quả ghi theo Bảng 3 và vẽ QTQĐ nhiệt độ lò , % công suất cung cấp trên cùng đồø 
thị. 
T(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
TOC 
%CS 
T(min) 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 
TOC 
%CS 
t(min) 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 
TOC 
%CS 
 Bảng 3 : Điều khiển tuyến tính (P) 
20
40
60
80
100
120
140
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Nhiệt độ đo ( o C
)
Đánh giá thời gian quá độ, độ vọt lố và sai số xác lập . Nhận xét và so sánh về chất 
lượng điều khiển ( sai số xác lập và đặc tính quá độ ) của bộ điều khiển tuyến tính so với bộ 
điều khiển ON-OFF. 
Page 8 of 9 
III.4. Điều khiển PID : 
 Mục đích: 
Khảo sát điều khiển nhiệt độ với phương pháp hiệu chỉnh PID để so sánh thời gian quá độ, 
sai số nhiệt độ với 2 phương pháp ON-OFF và P ở trên, đồng thời giúp SV làm quen các chức 
năng cài đặt, sử dụng thiết bị điều khiển nhiệt độ tích hợp phổ biến theo tiêu chuẩn chung trên thị 
trường hiện nay. 
 Thí nghiệm : 
Từ thí nghiệm vịng hở của lị 1 ta cĩ các thơng số L, T, từ đĩ ta tính được : 
ܭ݌ ൌ 1,2 ்௅.௄ ;  ܭ݅ ൌ
௄௣
ଶ௅ ; ܭ݀ ൌ
௄௣.௅
ଶ . 
Ta sử dụng lị số 2 với bộ điều khiển nhiệt độ OMRON E5AJ cĩ 2 màn LED hiển thị PV 
(Present Value) để chỉ nhiệt độ đo và SV (Setting Value) để chỉ nhiệt độ đặt. 
Nhấn giữ phím chìm trong 2 giây màn LED PV sẽ hiển thị các chức năng để cài đặt tương ứng, 
ta nhấn phím đến chức năng Hb (Hysteresis) và cài đặt giá trị 0.0 vì bộ điều khiển nhiệt độ 
đang hoạt động ở chế độ PID nên vùng trễ Hysteresis sẽ phải là 0. 
Tiếp tục nhấn phím đến chữ p là chức năng cài đặt giá trị Kp, và tiếp tục nhấn đến chữ i là 
chức năng cài đặt giá trị Ki, chữ d là chức năng cài đặt giá trị Kd theo các thơng số tương ứng đã 
tính được ở trên. Sau khi đã cài đặt các giá trị Kp, Ki, Kd và Hb=0 ta lại nhấn giữ trong 2 giây 
phím khĩa chìm để trở về màn LED hiển thị giá trị đặt và đo nhiệt độ. 
Vì phương pháp điều khiển PID thời gian quá độ rất chậm do đĩ ta chỉ nên đặt nhiệt độ tối đa để 
khào sát là 40oC. 
Khảo sát và vẽ đồ thị lị số 2 như khâu tuyến tính ở lị số 1. 
T(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
ToC 
ON 
T(min) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 
ToC 
ON 
T(min) 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 
ToC 
ON 
Page 9 of 9 
Vẽ hình, khảo sát các giá trị thời gian quá độ, độ vọt lố, sai số xác lập và cho nhận xét, 
so sánh hai kết quả điều khiển PID và điều khiển ON-OFF và tuyến tính P ở lị số 1.