Báo cáo Đề tài Thiết kế bộ điều khiển PID cho lò nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ỞCƠ S TỰ ĐỘNG
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 
CHO LÒ NHIỆT
Nhóm: 8
Võ Ngọc Hiệu-41101189
Lâm Thăng Long-41101896
ếĐặng Th Dũng-41100615
Lê Trần Long-41101899
Các phần chính
• Tổng quan về bộ điều khiển PID
• Lò nhiệt – lò nhiệt điện trở
à ề lò hiệ• H m truy n n t
• Xác định hàm truyền lò nhiệt, mô phỏng
• Ứng dụng, hướng phát triển
• Kết luận
TỔNG QUAN BỘ ĐIỀU KHIỂN 
PID
TỔNG QUAN VỀ PID 
• *Mô hình tổng quan của bộ điều khiển PID:
TỔNG QUAN VỀ PID 
TỔNG QUAN VỀ PID 
Hàm quá độ:
• hàm trọng lượng hàm quá độ
TỔNG QUAN VỀ PID 
• Biểu đồ Bode:
TỔNG QUAN VỀ PID 
TỔNG QUAN VỀ PID 
• 2 Thành phần tích phân I (Integral). 
u(p) = 1/Tp
( ) ỉ lệ ới í h hâ ( )• u t t v t c p n e t
TỔNG QUAN VỀ PID 
• Hàm trọng lượng Hàm quá độ
TỔNG QUAN VỀ PID 
• Biểu đồ Bode:
• Khâu I làm giam ess ,tăng POT , làm chậm đáp
ứng quá độ
TỔNG QUAN VỀ PID 
TỔNG QUAN VỀ PID 
TỔNG QUAN VỀ PID 
TỔNG QUAN VỀ PID 
TỔNG QUAN VỀ PID 
LÍ THUYẾT LÒ NHIỆT 
ỞĐIỆN TR
LÍ THUYẾT LÒ NHIỆT 
Ệ ỞĐI N TR
• Tổng quan lò điện:
• là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng
dùng trong các quá trình công nghiệp khác nhau :
gốm sứ l ện kim loại hợp kim, uy , 
• 1,Ưu điểm :
• Tạo nhiệt độ cao do nhiệt năng tập trung trong thể 
tích nhỏ.
• Tốc độ nung lớn.
• Đảm bảo nung đều chính xác , dễ điêu khiển.
• Khả năng cơ khí , tự động hóa cao.
LÍ THUYẾT LÒ NHIỆT 
Ệ ỞĐI N TR
• 2 Nhược điểm :, 
• Năng lượng điện nên chi phi năng lượng cao.
òi hỏi ời â hà h hải ó h ê ô• Đ ngư v n n p c c uy n m n
tốt.
• 3,Các lĩnh vưc sử dụng lò điện:
• Dùng trong luyện kim: sx thép, nhiệt luyện , 
hóa luyện 
LÍ THUYẾT LÒ NHIỆT 
Ệ ỞĐI N TR
LÍ THUYẾT LÒ NHIỆT 
Ệ ỞĐI N TR
• Ứng dụng trong mốt số lĩnh vực khác: công 
nghiêp nhẹ , chế biến thực phẩm , công nghệ
gốm sứ thủy tinh, .
• Các loại lò điện:
Lò điệ ở• n tr
• Lò cảm ứng
• Lò hồ quang điện
• Lò Plasma
LÍ THUYẾT LÒ NHIỆT 
Ệ ỞĐI N TR
LÍ THUYẾT LÒ NHIỆT 
Ệ ỞĐI N TR
• Nguyên lí lò nhiệt điện trở: có 2 pp 
LÍ THUYẾT LÒ NHIỆT 
Ệ ỞĐI N TR
LÍ THUYẾT LÒ NHIỆT 
Ệ ỞĐI N TR
• Đốt nóng trực tiếp : cho dòng điện chay qua 
vật cần đốt nóng: lò sứ , lò thủy tinh
• Đốt nóng gián tiếp: cho điện chay qua dây đốt 
,nung nóng vật cần nung: 
dây đốt trong lò
gián tiếp.
Xác định hàm truyền lò nhiệt
Để thành lập hàm truyền ta phải khảo sát phương trình vi
phân mô tả quan hệ nhiệt độ- năng lượng. Đây là bài toán
hứ t ột á h ầ đú t ó thể ôi t ờp c ạp, m c c g n ng, a c xem m rư ng nung
là đồng chất, đẳng nhiệt. Hàm truyền lò nhiệt có dạng bậc
nhất như sau:
K( )
1
U P
Ts
 
Trong đó: +U(P): điện áp(công suất) cung cấp
+ : Độ tăng nhiệt độ lò ngõ ra so với nhiệt độ môi trường
+K: hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ vào ra ở chế độ xác lập
+T là thời hằng, thể hiện quán tính nhiệt của hệ thống

Đặc tính quá độ của lò nhiệt
Theo Ziegler-Nichols thì một hệ thống như trên có thể biểu
diễn dưới dạng hàm truyền sau: 
1T sKe 
2
( )
1
H s
T s
 
Để áp dụng cho hệ tuyến tính, ta lấy khai triển Talor của
e-T1s, ta được hàm truyền tuyến tính như sau:
( )
( s 1)( 1)
KH s
T T s
  1 2
HÀM TRUYỀN LÒ NHIỆT 
• Đặc trưng của lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt.
Từ khi bắt đầu cung cấp năng lượng đầu vào
cho lò nhiệt, nhiệt độ của lò bắt đầu tăng lên
từ từ, để nhiệt độ lò đạt tới giá trị nhiệt độ
cần nung thì thường phải mất một khoảng
hời i khá dài Đâ hí h là đặ í h át g an . y c n c t n qu n
tính của lò nhiệt. Khi tuyến tính hóa mô hình
lò nhiệt ta xem hàm truyền của lò nhiệt như,
là một khâu quán tính bậc 2 hoặc như là một
khâu quán tính bậc nhất nối tiếp với khâu trễ.
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 
Ò ỆCHO L NHI T
Phương pháp Tuning manual  .
Các phương pháp Chien‐Hrones‐Reswich.
M đí h khả á đặ í h á độ à h áục c :  o s t c t n qu v c ọn c c
khâu phù hợp
Xét 1 bài toán cụ thể 
• Một lò nhiệt thực tế:
Sử dụng phương pháp Zeigler – Nichols ta được thông số của bộ điều khiển PID:
2
1
1001.2 1.2 0.06
100.20P
TK
KT
  
1
1
2. 2.20 40
0.5 0.5.20 10
I
D
T T
T T
  
  
   
Suy ra bộ điều khiển PID: 
  1 11 0.06 1 10
40P DI
G s K T s s
T s s
          
Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ
ủ h há l h lc a p ương p p Zeig er‐Nic o s
Các phương pháp điều khiển nhiệt độ của
phương pháp Zeigler‐Nichols từ đó so sánh chất
lượng của bộ điều khiển PID:
Đường đặc tính
Hàm truyền vòng hở:
Zeigler‐Nichols
  1 11 0 06 1 10G s K T s s         . 40P DIT s s    
Khâu bậc 2
Manual tuning 
• Cho Ki và Kd bằng 0, tăng Kp ta được ngõ ra
0 08Kp=Kcr= . 5 
• Chọn Kp=Kcr/2=0.085/2=0.0425
• Tăng Ki, ta chọn Ki=0.0035, khi đó ta thấy hệ
tiến về giá trị đặt (tức sai số xác lập bằng 0).
Matlab
So sánh các phương pháp 
• Zeigler‐Nichols: thực tế cứng  ,  .
• Manual tuning: mất thời gian.
ài ũ ó hể dù hế độ “• Ngo ra ta c ng c t ng c Auto 
Tune” của Matlab.
• Ta có thể kết hợp nhiều phương pháp để cho
ra kết quả cuối cùng đúng mong muốn.
ỨNG DỤNG CỦAPID TRONG 
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
Ò Ớ ÁL NHIỆT & HƯ NG PH T 
TRIỂN
ỨNG DỤNG CỦALÒ NHIỆT PID 
1 Ấm điện thông minh:, 
ỨNG DỤNG CỦALÒ NHIỆT PID 
• iKettle là chiếc ấm đun nước thông minh có 
thể kết nối với mạng WiFi và cho phép điều
khiể t h ù hiề tí h ăn qua smar p one c ng n u n n ng
độc đáo.
ỨNG DỤNG CỦALÒ NHIỆT PID 
• Sơ đồ khối ấm điện thông minh:
ỨNG DỤNG CỦALÒ NHIỆT PID 
• 2 Nồi cơm điện thông minh Panasonic kết, 
nối Wifi : nguyên lí tương tự ấm điện
ỨNG DỤNG CỦALÒ NHIỆT PID 
• Sơ đồ khối:
ỨNG DỤNG CỦALÒ NHIỆT PID 
• Sử dụng sóng wifi từ điện thoại gửi về bộ nhận
tai nồi, xử lí cho qua bộ điều khiển pid điều
khiển nhiệt độ của nồi để diều chỉnh chế độ
nấu , sau đó phát wifi báo lai nhiệt độ nồi cho
điện thoại.
ỨNG DỤNG CỦALÒ NHIỆT PID 
• 3 Hệ thống lò luyện thép ES-TMC:, 
• ES-TMC là giải pháp hệ thống điều khiển lò
luyện thép bằng khí ga ứng dụng công nghệ tự
động hóa kết hợp với phần mềm điều khiển
trên máy tính PC mang lại hiệu quả tối ưu cho 
khách hàng về chất lượng điều khiển thông
minh tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí giá, 
thành sản xuất.
ỨNG DỤNG CỦALÒ NHIỆT PID 
ỨNG DỤNG CỦALÒ NHIỆT PID 
• Sơ đồ khối hệ thống :
ỨNG DỤNG CỦALÒ NHIỆT PID 
• Máy tính PC đóng vài trò trung tâm.
• Phần mềm điều khiển ES-TMC.
• Đọc giá trị nhiệt độ T1, T2 từ 02 điểm đo trong lò
luyện thép.
• Tính toán giá trị nhiệt độ trung bình của lò luyện
thép Ttb = (T1+T2)/2 và nạp Ttb vào bộ điều 
khiển pid Controller.
• Điều khiển các rơ le OUTPUTcủa bộ điều khiển
ề ể ểtrung tâm Controller theo luật đi u khi n PID đ
đóng/mở các valve mở khí ga cấp nhiệt cho
buồng luyện thép.
PID
• Trong thực tế nhiều giải pháp tổng hợp, thiết kế bộ
ể ắđiều khi n PID thường bị bế t c khi gặp những bài toán
có độ phức tạp cao, phi tuyến lớn, thường xuyên thay
đổi trạng thái và cấu trúc của đối tượng với những
khó khăn đó sẽ không còn là vấn đề nan giải khi được
thay thế bằng bộ điều khiển mờ để khắc phục các hạn
chế đó. Với đối tượng là lò nhiệt, ta cũng có thể sử
dụng bộ điều khiển logic mờ, kết hợp với các bộ điều
khiển khác: PI, bộ điều khiên thích nghi (adaptive), hệ
nơ ron (neural) để thay đổi tham số điều khiển một
cách linh hoạt và mềm dẻo thì sẽ có kết quả tốt hơn,
chất lượng tối ưu hơn.
KẾT LUẬN 
• Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tương đối đơn giản về
ế ễ ắ ầmặt lí thuy t, d thực hiện cho người mới b t đ u nhưng có
tầm quan trọng trong các ứng dụng điều khiển tự động
ngày nay. Việc tìm hiểu và thiết kế bộ điều khiển PID cho đối
tượ lò hiệt ẽ iú í h ất hiề t á t ì h tì hiểng n s g p c r n u rong qu r n m u
các vấn đề về điều khiển tự động sau này.
• Mặc dù lò nhiệt và thuật toán PID khá là quen thuộc, tuy
hiê d thời i ấ út ũ h d l kiế thứn n, o g an g p r , c ng n ư ung ượng n c
hạn hẹp nên cũng không thể tránh khỏi sai sót, mong thầy
cô và bạn đọc góp ý để nhóm ngày càng hoàn thiện hơn
cũng như góp phần cải tiến thiết bị lò nhiệt phổ biến hơn và
ứng dụng rộng rãi hơn trong đời sống và sản xuất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
• Nguồn tham khảo chính: 
• Slide bài giảng CSTD – PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng
• Lý Thuyết Điều Khiển tự động – NXB ĐH QG 
ễ ( ủ )TP.HCM‐ Nguy n Thị Phương Hà ch biên , 
Huỳnh Thái Hoàng.
• www dientuvietnam com vn. . .
• Các showroom, topic về lò nhiệt, thuật toán PID, 
simulink&matlab.
• www.mathwork.com
• Dieukhien.net
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO LÒ 
ỆNHI T
BÀI THUYẾT TRÌNH KẾT THÚC!       
CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐàCHÚ Ý LẮNG 
NGHE!