Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong sản xuất công nghiệp và đời sống, nhiệt năng là yếu tố thiết yếu phục vụ các quá trình sấy, nung, nấu chảy và nhiệt luyện vật liệu kim loại. Nguồn nhiệt năng chuyển hóa từ điện năng thông qua lò điện trở được ứng dụng phổ biến nhờ kết cấu đơn giản, dải công suất rộng (từ vài kW đến hàng trăm kW), thuận tiện cho lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng. Công nghệ nhiệt luyện (bao gồm các nguyên công ủ, thường hóa, tôi, ram và hóa nhiệt luyện) đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt ba thông số công nghệ cốt lõi: nhiệt độ nung nóng ($T_{0n}$), thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội ($V_{nguội}$). Sự biến đổi chính xác của các thông số này quyết định tổ chức tế vi (Austenit, Ferit, Peclit, Xementit), độ cứng, độ bền và tính chống mài mòn của chi tiết cơ khí.
Vấn đề kỹ thuật đặt ra là lò điện trở có quán tính nhiệt lớn, đáp ứng nhiệt độ diễn ra chậm, phân bố nhiệt trường trong buồng lò không đồng đều và cảm biến đo lường có độ trễ nhất định. Do đó, việc xây dựng một hệ thống điều khiển tự động có khả năng đo lường chính xác, nhận dạng đúng động học đối tượng và điều chỉnh công suất cung cấp cho lò là yêu cầu kỹ thuật mang tính thực tiễn cao.
Mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ lò điện trở ghép nối máy tính và khảo sát thực nghiệm quá trình nhiệt luyện. Đề tài thực hiện 6 nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:
- Xây dựng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở và khảo sát quá trình nhiệt luyện.
- Thiết kế phần cứng (mạch đo lường, mạch điều khiển công suất và card ghép nối máy tính).
- Xác định đặc tính động học của đối tượng thông qua nhận dạng thực nghiệm.
- Tổng hợp hệ thống điều khiển kinh điển (thiết kế các bộ điều khiển PID/PI).
- Khảo sát quá trình nhiệt luyện của vật.
- Xây dựng phần mềm và chương trình điều khiển, giám sát trên máy tính.
Đối tượng nghiên cứu là lò nhiệt điện trở sử dụng dây nung hợp kim Crom - Nhôm (kí hiệu XA), nhiệt độ làm việc dưới $1100^\circ\text{C}$, được điều khiển công suất qua hai van Thyristor mắc song song ngược chiều. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống phần cứng ghép nối qua bus ISA 8-bit trên máy tính IBM tương thích, dải nhiệt độ khảo sát từ nhiệt độ môi trường đến $1000^\circ\text{C}$, thực hiện tại Bộ môn Điều khiển Tự động, Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (năm 2006).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Về cơ sở lý thuyết công nghệ, nghiên cứu dựa trên lý thuyết nhiệt luyện kim loại và giản đồ pha Sắt - Cacbon ($\text{Fe-C}$). Quá trình nung nóng thép qua các điểm tới hạn chuyển biến Peclit thành Austenit (trên $700^\circ\text{C}$), giai đoạn giữ nhiệt giúp đồng đều hóa thành phần hóa học và kích thước hạt, giai đoạn làm nguội quyết định cơ tính sản phẩm. Về mặt truyền nhiệt, buồng lò biến đổi điện năng thành nhiệt năng theo hiệu ứng Joule, nhiệt lượng truyền tới vật thể qua bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt.
Về lý thuyết điều khiển tự động, đề tài áp dụng lý thuyết hệ thống tuyến tính liên tục, phương pháp nhận dạng hệ thống chủ động bằng tín hiệu kích thích bậc thang đơn vị $1(t)$, phương pháp xấp xỉ mô hình quán tính bậc nhất có trễ (First Order Plus Dead Time - FOPDT) và các tiêu chuẩn tối ưu hóa sai số chuẩn Euclid.
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán thiết kế kỹ thuật phần cứng, thực nghiệm thu thập số liệu và mô phỏng số:
- Phương pháp thiết kế phần cứng: Tính toán mạch khuếch đại thuật toán, thiết kế mạch cầu bù nhiệt độ đầu tự do cho cặp nhiệt điện, tính toán bộ tạo xung răng cưa đồng bộ điều khiển góc mở Thyristor và thiết kế mạch logic card ISA 8-bit.
- Phương pháp thực nghiệm và thu thập dữ liệu: Đặt điện áp kích thích $200\text{ V}$ vào lò điện trở, sử dụng phần mềm tự lập trình
Recognize để ghi nhận đáp ứng quá độ nhiệt độ $y(t)$ theo thời gian thực ($t = 0 \div 2000\text{ s}$).
- Phương pháp tối ưu hóa mô hình: Sử dụng công cụ tối ưu hóa hàm phi tuyến trên môi trường MATLAB để tìm nghiệm tối ưu cho đường cong thực nghiệm.
Nguồn dữ liệu của đề tài là số liệu đo đạc thực nghiệm trực tiếp từ mô hình lò nhiệt điện trở và cặp nhiệt điện Cromen - Alumen tại phòng thí nghiệm.
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Hệ thống điều khiển nhiệt độ lò điện trở ghép nối máy tính được thiết kế theo cấu trúc vòng kín gồm 4 khối chức năng chính:
[Cặp nhiệt điện X-A] -> [Mạch Bù & Khuếch đại] -> [Card ISA (ADC0809)] -> [Máy tính IBM]
|
[Lò nhiệt điện trở] <- [Hai Thyristor xung đối] <- [Mạch Tạo xung] <- [Card ISA (DAC0808)]
1. Khối đo lường và khuếch đại tín hiệu
Cảm biến sử dụng là cặp nhiệt điện Cromen - Alumen (X-A, type K), đường kính $3\text{ mm}$, sức điện động $0 \div 41{,}32\text{ mV}$ tương ứng dải nhiệt độ $0 \div 1000^\circ\text{C}$, độ nhạy trung bình $0{,}041\text{ V}/^\circ\text{C}$. Mạch đo gồm 3 tầng chức năng:
- Khối ổn dòng: Sử dụng IC khuếch đại thuật toán $\mu\text{A}741$ (OP1) giữ dòng ổn định $4\text{ mA}$ cấp cho cầu đo; điện trở manganin $R_{10} = 100,\Omega$, diode ổn áp Zener $D_z = 3\text{V}$, nguồn cung cấp $\pm 15\text{V}$.
- Khối cầu bù nhiệt độ đầu tự do: Do nhiệt độ đầu tự do $t_0 \neq 0^\circ\text{C}$, sức điện động đo được tuân theo biểu thức $E(t,0) = E(t, t_0) + E(t_0, 0)$. Mạch cầu sử dụng điện trở bù bằng đồng $R_8$ và điện trở manganin $R_7 = 4{,}7,\Omega$, $R_5 = R_6 = 4{,}8\text{k}\Omega$, biến trở tinh chỉnh $R_9 = 200,\Omega$ để tạo điện áp bù nối tiếp với cặp nhiệt điện.
- Khối khuếch đại đo lường: Sử dụng IC TL082 gồm 2 tầng khuếch đại nhằm chuyển đổi tín hiệu từ $0 \div 41{,}32\text{ mV}$ sang $0 \div 5\text{V}$ (hệ số khuếch đại tổng $K \approx 121$):
- Tầng OP2: Hệ số khuếch đại $K_2 = 22$ với $R_{11} = R_{13}$, $R_{12} = R_{14} = 220\text{k}\Omega$.
- Tầng OP3: Hệ số khuếch đại $K_3 = 5{,}5$ với $R_{15} = 10\text{k}\Omega$, $R_{17} = 49\text{k}\Omega$, chiết áp $R_{16} = 10\text{k}\Omega$, $R_{19} = 5\text{k}\Omega$, tụ lọc $C_3 = 470,\mu\text{F}-16\text{V}$, tích hợp mạch bù điện áp lệch không ($R_{18}, R_{19}, R_{20}, R_{21}$).
2. Khối điều khiển công suất
Sử dụng hai van Thyristor KY202H (do Liên Xô sản xuất: dòng cực đại $10\text{ A}$, điện áp điều khiển $10\text{V}$, dòng rò $30\text{ mA}$, thời gian mở $t_{on} = 15,\mu\text{s}$, thời gian khóa $t_{off} = 30,\mu\text{s}$) mắc song song ngược chiều (xung đối) trên nguồn xoay chiều $220\text{ V}$. Mạch phát xung điều khiển góc mở bao gồm:
- Mạch tạo xung răng cưa đồng bộ: Biến áp đồng pha $220\text{V}/6\text{V}$ kết hợp chỉnh lưu cầu tạo xung $100\text{ Hz}$, transistor $T_1$ (MП-41A hoặc A564), transistor ổn dòng $T_2$ (C828), tụ phóng nạp $C_1 = 0{,}22,\mu\text{F}$ và biến trở hiệu chỉnh độ dốc xung $R_2 = 7\text{k}\Omega$.
- Mạch so sánh: IC $\mu\text{A}741$ so sánh điện áp răng cưa với điện áp điều khiển $U_{dk}$ từ máy tính phát ra.
- Mạch vi phân và khuếch đại xung: Tụ vi phân $C_2$, diode $D_6$ trích xung dương đưa vào cực gốc transistor công suất $T_3$ (C2383/H10-npn), kích vào cuộn sơ cấp biến áp xung BX (tỉ số $200 : 200 : 200$ vòng) để cách ly quang/điện và kích mở đồng thời hai Thyristor.
3. Card ghép nối máy tính chuẩn ISA 8-bit
Card được cắm trên khe cắm mở rộng của máy tính IBM, sử dụng bus địa chỉ từ $0\text{x}300\text{h} \div 0\text{x}31\text{Fh}$:
- Giải mã địa chỉ: Vi mạch 74LS138 giải mã địa chỉ từ các đường địa chỉ $A_0 \div A_9$ kết hợp tín hiệu cho phép $AEN$, $IOW$, $IOR$.
- Đệm và chốt dữ liệu: Vi mạch đệm hai chiều 74LS245 (chân DIR điều khiển hướng truyền dữ liệu) và các vi mạch chốt 8-bit 74LS373 (thời gian trễ $19\text{ ns}$).
- Chuyển đổi D/A: Vi mạch DAC0808 (8-bit, mạng điện trở R-2R, thời gian biến đổi $150\text{ ns}$, công suất $33\text{ mW}$) nhận tín hiệu số từ cổng $0\text{x}30\text{Eh}/0\text{x}30\text{Fh}$ chuyển đổi thành điện áp tương tự $U_{dk}$.
- Chuyển đổi A/D: Vi mạch ADC0809 (8 kênh vào tương tự $IN_0 \div IN_7$, độ phân giải 8-bit, thời gian chuyển đổi $100,\mu\text{s}$, công suất tiêu thụ $15\text{ mW}$) kết nối qua cổng $0\text{x}30\text{Dh}$. Xung nhịp lấy mẫu $700\text{ kHz}$ được tạo riêng bởi IC 74HC14 ($R = 1\text{k}\Omega$, $C = 2\text{ nF}$).
| Tên khối phần cứng |
Vi mạch / Linh kiện chính |
Thông số kỹ thuật danh định |
Chức năng kỹ thuật |
| Đo lường & Ổn dòng |
$\mu\text{A}741$, Zener $3\text{V}$, Manganin $100,\Omega$ |
$I_{ra} = 4\text{ mA}$, nguồn $\pm 15\text{V}$ |
Ổn định dòng cấp cho cầu đo nhiệt độ |
| Cầu bù nhiệt đầu tự do |
Điện trở đồng $R_8$, Manganin $4{,}7,\Omega$ |
$R_5 = R_6 = 4{,}8\text{k}\Omega$, $R_9 = 200,\Omega$ |
Bù s.đ.đ do chênh lệch nhiệt độ môi trường |
| Khuếch đại đo lường |
TL082 (OP2, OP3) |
$K_2 = 22, K_3 = 5{,}5 \rightarrow K = 121$ |
Khuếch đại $0 \div 41{,}32\text{ mV}$ lên $0 \div 5\text{V}$ |
| Công suất Thyristor |
2 $\times$ KY202H (xung đối) |
$I_{max} = 10\text{A}, U_{dk} = 10\text{V}, t_{on} = 15,\mu\text{s}$ |
Điều chỉnh công suất cấp nguồn cho lò nung |
| Phát xung kích Thyristor |
A564, C828, C2383, BX ($1:1:1$) |
Biến áp $220\text{V}/6\text{V}$, xung $100\text{ Hz}$ |
Tạo xung đồng pha điều khiển góc mở van |
| Card giao tiếp máy tính |
74LS138, 74LS245, 74LS373 |
Bus ISA 8-bit, Ports $0\text{x}300\text{h} \div 0\text{x}31\text{Fh}$ |
Giải mã địa chỉ và đệm dữ liệu bus |
| Biến đổi ADC / DAC |
ADC0809, DAC0808, 74HC14 |
ADC $100,\mu\text{s}$, DAC $150\text{ ns}$, Clock $700\text{ kHz}$ |
Chuyển đổi tương tự - số và số - tương tự |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về đối tượng điều khiển
Chương này phân tích bản chất công nghệ của quá trình nhiệt luyện thép và đặc điểm truyền nhiệt của lò điện trở. Tác giả trình bày các chuyển biến pha trên giản đồ $\text{Fe-C}$ khi nung quá $700^\circ\text{C}$ (hình thành Austenit) và khi làm nguội chậm hoặc nhanh (tạo thành Ferit-Xementit thô hoặc mịn). Đồ án phân loại chi tiết các dạng lò điện trở (lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò muối) và phân tích các vật liệu làm dây đốt phổ biến: hợp kim Cr-Ni, Cr-Al (nhiệt độ $< 1100^\circ\text{C}$), hợp chất SiC ($1000 \div 1500^\circ\text{C}$), và đơn chất Mo, C-Graphit ($2000 \div 2800^\circ\text{C}$).
Về mặt điều khiển, chương so sánh bốn phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò:
- Dùng biến áp (điều chỉnh theo cấp, thiết bị cồng kềnh, thô sơ).
- Dùng rơle (đóng cắt gián đoạn, dao động lớn quanh điểm đặt, độ tin cậy cơ khí thấp).
- Dùng rơle kết hợp Thyristor (chỉ điều khiển được nửa chu kỳ do tiếp điểm diode bị ngắt).
- Dùng hai Thyristor mắc xung đối (cho phép điều khiển liên tục, trơn toàn dải từ $0 \div 100%$ công suất bằng phương pháp điều khiển góc mở hoặc điều độ rộng xung).
| Phương pháp điều chỉnh |
Khả năng điều chỉnh |
Độ chính xác & Độ nhạy |
Độ phức tạp mạch |
Đánh giá ứng dụng |
| Biến áp tự ngẫu |
Rời rạc theo cấp điện áp |
Thấp, quán tính lớn |
Đơn giản, cồng kềnh |
Ít dùng trong tự động hóa |
| Rơle cơ điện |
Đóng/ngắt ngưỡng (ON/OFF) |
Thấp, dao động liên tục |
Rất đơn giản |
Chỉ dùng cho hệ thống thô sơ |
| Rơle + Thyristor |
Không đối xứng (1/2 chu kỳ) |
Trung bình, méo sóng tải |
Trung bình |
Không khả thi trong thực tế |
| Hai Thyristor xung đối |
Liên tục $0 \div 100%$ công suất |
Cao, đáp ứng nhanh |
Trung bình |
Lựa chọn tối ưu cho hệ thống |
Chương 2: Thiết kế phần cứng
Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, lựa chọn thông số và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện phần cứng cho hệ thống. Nội dung bao gồm việc thiết kế mạch ổn dòng $4\text{ mA}$ dùng $\mu\text{A}741$, mạch cầu bù sai số nhiệt độ đầu tự do cho cặp nhiệt điện XA, và mạch khuếch đại tín hiệu điện áp đo 2 tầng dùng TL082 đạt hệ số khuếch đại chuẩn xác $K = 121$ ($0 \div 41{,}32\text{ mV} \rightarrow 0 \div 5\text{V}$).
Phần điều khiển công suất tính toán chi tiết mạch phát xung đồng bộ $100\text{ Hz}$ sử dụng transistor $T_1$ (A564) và $T_2$ (C828) để tạo xung răng cưa biên độ $10\text{V}$, mạch so sánh với điện áp điều khiển $U_{dk}$, mạch vi phân và khuếch đại xung kích transistor $T_3$ (C2383) qua biến áp xung BX điều khiển cặp Thyristor KY202H.
Phần giao tiếp máy tính thiết kế sơ đồ nguyên lý Card cắm khe ISA 8-bit trên máy tính IBM, thiết lập mạch giải mã địa chỉ I/O Port $0\text{x}300\text{h} \div 0\text{x}31\text{Fh}$ dùng 74LS138, bộ đệm dữ liệu 74LS245, các thanh ghi chốt dữ liệu 74LS373, bộ biến đổi DAC0808 (8-bit) và ADC0809 (8-bit, 8 kênh) tích hợp mạch tạo xung nhịp clock $700\text{ kHz}$ dùng 74HC14.
Chương 3: Nhận dạng đối tượng điều khiển
Chương 3 tập trung xây dựng mô hình toán học của lò điện trở từ dữ liệu thực nghiệm đáp ứng quá độ. Đồ án trình bày cơ sở lý thuyết xác định bậc của đa thức tử số $n_b$ và mẫu số $n_a$ từ dạng hình học của hàm quá độ $h(t)$. Kết quả cho thấy đường cong thực nghiệm xuất phát từ 0, có đạo hàm tại gốc khác không, không có dao động sóng và tiệm cận giá trị xác lập, do đó mô hình đối tượng được xác định thuộc lớp hàm quán tính bậc nhất có trễ (FOPDT):
$$G(s) = \frac{k}{Ts + 1} e^{-\tau s}$$
Dữ liệu thực nghiệm đáp ứng quá độ nhiệt độ khi cấp điện áp bậc thang $200\text{V}$ được ghi nhận bằng phần mềm Recognize qua 21 mốc thời gian:
| Thời gian $t$ (giây) |
Nhiệt độ $y(t)$ ($^\circ\text{C}$) |
Thời gian $t$ (giây) |
Nhiệt độ $y(t)$ ($^\circ\text{C}$) |
Thời gian $t$ (giây) |
Nhiệt độ $y(t)$ ($^\circ\text{C}$) |
| 0 |
0 |
700 |
460 |
1400 |
675 |
| 60 |
0 |
800 |
510 |
1500 |
685 |
| 100 |
50 |
900 |
545 |
1600 |
680 |
| 200 |
148 |
1000 |
570 |
1700 |
695 |
| 300 |
247 |
1100 |
605 |
1800 |
700 |
| 400 |
324 |
1200 |
625 |
1900 |
710 |
| 500 |
405 |
1300 |
660 |
2000 |
710 |
| 600 |
427 |
— |
— |
— |
— |
Từ đồ thị thực nghiệm, tác giả xác định thời gian trễ vận chuyển $\tau = 30\text{ s}$ và hằng số thời gian quán tính $T = 532\text{ s}$ (ứng với giá trị đạt $63{,}2%$ giá trị cực đại). Bằng thuật toán tối ưu hóa phi tuyến trên MATLAB, đường cong xấp xỉ đạt độ dư chuẩn sai số toàn phương Euclid cực nhỏ $\text{Resnorm} = 0{,}1210$, xác lập hàm truyền đạt chính thức của lò điện trở:
$$G(s) = \frac{3{,}23}{532s + 1} e^{-30s}$$
Hàm truyền đạt này được kiểm chứng bằng chuỗi lệnh MATLAB:
sys=tf(3.23,[532 1]);
set(sys,'IODelay',30);
step(sys);
Chương 4: Các phương pháp thiết kế bộ PID kinh điển
Chương 4 tổng hợp cơ sở lý thuyết thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng xấp xỉ bậc nhất có trễ. Các phương pháp kinh điển được hệ thống hóa gồm:
- Phương pháp thực nghiệm Chien-Hrones-Reswick (CHR) cho đáp ứng quá độ không độ quá điều chỉnh hoặc độ quá điều chỉnh $20%$.
- Phương pháp tổng Kuhn.
- Nguyên lý tối ưu độ lớn (Modulus Optimum) và tối ưu đối xứng (Symmetrical Optimum) cho các đối tượng tích phân - quán tính bậc cao.
- Phương pháp phân bổ nghiệm số (Pole Placement) và nâng cao chất lượng bằng bộ tiền xử lý.
- Phương pháp xấp xỉ rời rạc hóa các thành phần vi tích phân (khâu I, khâu D và luật PID) trên miền thời gian xấp xỉ liên tục để cài đặt thuật toán số.
Chương 5: Tổng hợp hệ thống
Chương 5 phân tích các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống điều khiển ở trạng thái xác lập (sai số xác lập $e_{xl}$) và trạng thái quá độ (thời gian quá độ $t_{qd}$, độ quá điều chỉnh $\sigma%$, tiêu chuẩn tích phân sai số). Trên cơ sở mô hình lò điện trở $G(s)$ đã nhận dạng ở Chương 3, tác giả tính toán tham số cho bộ điều khiển PI số, xây dựng cấu trúc thuật toán điều khiển PI thông số thay đổi nhằm thích nghi với đặc tính phi tuyến và quán tính nhiệt thay đổi của buồng lò trong các giai đoạn nhiệt luyện.
Chương 6: Giao diện điều khiển và giám sát hệ thống
Chương 6 giới thiệu tổng quan về bộ phần mềm điều khiển TCS và giao diện giám sát vận hành trên máy tính. Phần mềm đảm nhiệm chức năng xuất tín hiệu điều khiển góc mở Thyristor qua DAC, đọc dữ liệu nhiệt độ từ ADC, hiển thị đồ thị nhiệt độ theo thời gian thực và quản lý các tham số đặt của chu trình nhiệt luyện.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế và thực nghiệm với các kết quả cụ thể:
| Hạng mục kết quả |
Thông số / Dữ kiện định lượng đạt được trong đồ án |
| Mô hình hóa đối tượng |
Hàm truyền FOPDT: $G(s) = \frac{3{,}23}{532s + 1} e^{-30s}$ với độ dư sai số Euclid $\text{Resnorm} = 0{,}1210$ |
| Mạch đo lường & Bù nhiệt |
Cặp nhiệt XA ($0 \div 41{,}32\text{ mV}$), ổn dòng $4\text{ mA}$, khuếch đại $K = 121$ đưa tín hiệu về dải chuẩn $0 \div 5\text{V}$ |
| Khối điều khiển công suất |
2 Thyristor KY202H ($10\text{A}$), mạch phát xung răng cưa đồng bộ $100\text{ Hz}$, biến áp xung $200:200:200$ |
| Card ghép nối máy tính |
Bus ISA 8-bit, địa chỉ $0\text{x}300\text{h} \div 0\text{x}31\text{Fh}$, ADC0809 ($100,\mu\text{s}$, Clock $700\text{ kHz}$), DAC0808 ($150\text{ ns}$) |
| Thuật toán & Phần mềm |
Phần mềm nhận dạng Recognize, bộ điều khiển PI số thích nghi thông số thay đổi và phần mềm giám sát TCS |
Về mặt giải pháp kỹ thuật, tác giả đề xuất:
- Ứng dụng phương pháp điều khiển công suất bằng cặp Thyristor mắc xung đối thay thế hoàn toàn các phương pháp rơle hoặc biến áp truyền thống, giúp hệ thống điều chỉnh trơn và nâng cao tuổi thọ thiết bị.
- Tích hợp mạch cầu bù nhiệt độ đầu tự do $t_0$ bằng điện trở đồng quấn trực tiếp tại khối khuếch đại đo lường, loại bỏ triệt để sai số đo do biến động nhiệt độ môi trường công nghiệp.
- Xây dựng thuật toán PI số với thông số thay đổi theo từng dải nhiệt độ làm việc của lò nung.
Đóng góp chính của đồ án là thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung khép kín từ tầng phần cứng mạch tương tự/công suất, tầng card ghép nối trung gian bus ISA đến tầng thuật toán số và giao diện phần mềm trên máy tính, chứng minh tính khả thi qua dữ liệu thực nghiệm nhiệt luyện cụ thể.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Văn bản đồ án chỉ ra một số hạn chế gắn liền với phạm vi kỹ thuật:
- Chuẩn ghép nối card ISA 8-bit và kiến trúc bus máy tính thời điểm nghiên cứu (2006) có tốc độ và tính tương thích hạn chế trên các dòng máy tính công nghiệp hiện đại.
- Mô hình nhận dạng đối tượng $G(s)$ được xấp xỉ tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cố định ($200\text{ V}$), chưa bao quát toàn bộ tính chất phi tuyến mạnh khi lò hoạt động ở các dải nhiệt độ cực hạn ($> 1000^\circ\text{C}$).
- Quán tính nhiệt riêng của vỏ bọc cảm biến cặp nhiệt điện XA chưa được tách biệt hoàn toàn khỏi hằng số thời gian quán tính chung của lò nung.
Hướng nghiên cứu tiếp theo được mở rộng từ phạm vi đề tài gồm:
- Nâng cấp giao diện ghép nối phần cứng sang các chuẩn công nghiệp hiện đại (PCI, USB, RS485/Modbus hoặc vi điều khiển nhúng chuyên dụng).
- Áp dụng các cấu trúc điều khiển hiện đại (điều khiển mờ - Fuzzy Logic, điều khiển thích nghi hoặc PID mờ) để nâng cao chất lượng điều khiển cho đối tượng có tham số biến đổi theo thời gian.
- Tự động hóa hoàn toàn quy trình nhiệt luyện đa giai đoạn (nung - giữ nhiệt - làm nguội) theo các biểu đồ công nghệ nhiệt luyện kim loại phức tạp.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện, Điện tử Công nghiệp và Kỹ thuật Cơ khí luyện kim:
- Tham khảo thiết kế mạch đo lường và bù nhiệt: Sơ đồ nguyên lý và công thức tính toán mạch ổn dòng $4\text{ mA}$, mạch cầu bù đầu tự do và mạch khuếch đại vi sai đo lường cho can nhiệt Type K (Chương 2).
- Tham khảo thiết kế mạch công suất Thyristor: Sơ đồ mạch đồng pha $100\text{ Hz}$, mạch phát xung răng cưa và tầng kích biến áp xung cách ly điều khiển van bán dẫn công suất lớn (Chương 2).
- Tham khảo quy trình nhận dạng thực nghiệm FOPDT: Phương pháp lấy mẫu thực nghiệm, lập bảng dữ liệu quá độ và sử dụng các công cụ giải bài toán tối ưu trên MATLAB để tìm hàm truyền đối tượng có trễ (Chương 3).
Câu hỏi thường gặp
1. Cặp nhiệt điện sử dụng trong hệ thống là loại nào và có dải đo điện áp ra sao?
Hệ thống sử dụng cặp nhiệt điện Cromen - Alumen (kí hiệu X-A, Type K), đường kính $3\text{ mm}$, nhiệt độ làm việc dài hạn dưới $1000^\circ\text{C}$. Sức điện động ngõ ra tương ứng từ $0\text{ mV}$ đến $41{,}32\text{ mV}$, với độ nhạy trung bình đạt $0{,}041\text{ V}/^\circ\text{C}$.
2. Tại sao phải thiết kế khối cầu bù nhiệt độ đầu tự do cho cặp nhiệt điện?
Đặc tuyến chuẩn của cặp nhiệt điện được xác định ở điều kiện nhiệt độ đầu tự do $t_0 = 0^\circ\text{C}$. Trong thực tế công nghiệp, $t_0 > 0^\circ\text{C}$ khiến suất điện động đo được luôn nhỏ hơn giá trị chuẩn theo công thức $E(t, t_0) = E(t, 0) - E(t_0, 0)$. Mạch cầu bù sử dụng điện trở đồng $R_8$ và điện trở manganin $R_7 = 4{,}7,\Omega$ tự động tạo ra điện áp bù đúng bằng $E(t_0, 0)$ mắc nối tiếp với cặp nhiệt điện để khôi phục giá trị đo chính xác.
3. Mạch khuếch đại đo lường có hệ số khuếch đại bằng bao nhiêu và phân bổ như thế nào?
Mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại tổng $K \approx 121$ nhằm chuẩn hóa tín hiệu từ dải $0 \div 41{,}32\text{ mV}$ của can nhiệt lên $0 \div 5\text{V}$ cấp cho bộ ADC. Hệ số này được phân bổ qua hai tầng khuếch đại dùng IC TL082: tầng OP2 có hệ số khuếch đại $K_2 = 22$ và tầng OP3 có hệ số khuếch đại $K_3 = 5{,}5$ ($22 \times 5{,}5 = 121$).
4. Card ghép nối máy tính sử dụng các vi mạch chuyển đổi A/D và D/A nào?
Card giao tiếp chuẩn bus ISA 8-bit sử dụng vi mạch chuyển đổi tương tự - số ADC0809 (8 kênh vào, độ phân giải 8-bit, thời gian chuyển đổi $100,\mu\text{s}$, hoạt động với xung clock $700\text{ kHz}$ tạo từ IC 74HC14) kết nối tại cổng $0\text{x}30\text{Dh}$, và vi mạch chuyển đổi số - tương tự DAC0808 (8-bit, thời gian biến đổi $150\text{ ns}$) kết nối tại cổng $0\text{x}30\text{Eh}/0\text{x}30\text{Fh}$.
5. Kết quả nhận dạng mô hình động học của lò điện trở thu được hàm truyền đạt như thế nào?
Từ dữ liệu thực nghiệm đáp ứng quá độ khi cấp áp $200\text{V}$, đối tượng được nhận dạng theo mô hình quán tính bậc nhất có trễ với hệ số khuếch đại $k = 3{,}23$, hằng số thời gian quán tính $T = 532\text{ s}$ và thời gian trễ vận chuyển $\tau = 30\text{ s}$. Hàm truyền đạt nhận được là $G(s) = \frac{3{,}23}{532s + 1} e^{-30s}$, đạt độ dư sai số chuẩn Euclid tối ưu trên MATLAB là $\text{Resnorm} = 0{,}1210$.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò điện trở" của nhóm tác giả Đỗ Hồng Quang và Nguyễn Văn Phong (Đại học Bách khoa Hà Nội, 2006) đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động phục vụ công nghệ nhiệt luyện. Nghiên cứu giải quyết thành công các bài toán kỹ thuật từ đo lường chính xác bằng cặp nhiệt điện XA có bù nhiệt đầu tự do, điều khiển công suất trơn qua cặp Thyristor xung đối, ghép nối máy tính qua card ISA 8-bit đến nhận dạng thực nghiệm chính xác mô hình FOPDT của lò nung. Đây là công trình kỹ thuật có tính hệ thống cao, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật điện tử công suất và công nghệ luyện kim thực nghiệm.
