Tài liệu Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ nơron cho lò điện trở sử dụng thuật toán lan truyền ngược cải tiến

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ PHÚ THI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠRON CHO LÒ ĐIỆN TRỞ SỬ DỤNG THUẬT TOÁN LAN TRUYỀN NGƯỢC CẢI TIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ PHÚ THI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠRON CHO LÒ ĐIỆN TRỞ SỬ DỤNG THUẬT TOÁN LAN TRUYỀN NGƯỢC CẢI TIẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quốc Định Đà Nẵng – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Đà Nẵng, ngày 18 tháng 6 năm 2017 Tác giả luận án LÊ PHÚ THI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠRON CHO LÒ ĐIỆN TRỞ SỬ DỤNG THUẬT TOÁN LAN TRUYỀN NGƯỢC CẢI TIẾN Học viên: Lê Phú Thi. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa. Mã số: 60520216. Khóa:33. Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN. Tóm tắt: Hiện nay việc sử dụng nhiều phương pháp điều khiển khác nhau trong điều khiển tự động đang được quan tâm và nghiên cứu sử dụng để đạt được lợi ích tốt nhất. Điểu khiển nhiệt độ lò điện trở thường khá phức tạp do đối tượng có tính trễ và phi tuyến. Nếu có thể kết hợp tốt các phương pháp với nhau có thể mang đến một hiệu quả cao trong điều khiển. Luận văn khái quát chung về lò điện trở và điều khiển nhiệt độ lò điện trở thông qua các bộ điều khiển PID, mờ và mờ nơron. Tác giả đã đưa ra kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. Từ khóa – Lò điện trở, mờ, mờ nơron, thuật toán lan truyền ngược. STUDY AND DESIGN NEURAL-FUZZY CONTROL FOR TEMPERATURE IN RESISTANCE FURNACE USING IMPROVED BACK PROPAGATION ALGORITHM. Abstract – Currently, the use of a variety of control methods in automatic control is being considered and researched to achieve the best benefit. Temperature control of the resistance furnace is usually quite complex due to its delays and nonlinearities. If it is possible to combine many methods together it can bring a high efficiency in the control. Essay gives general overview of resistance furnace and temperature control of resistance furnace through PID, fuzzy and neuronal-fuzzy. The author has given the results obtained in the process of researching and provided the research direction for the next topic. Key words – Resistance furnace, fuzzy, neural fuzzy, back propagation. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................1 4. Nội dung nghiên cứu...........................................................................................2 5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 2 7. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN ...................................................... 4 1.1. Giới thiệu chung về lò điện ...................................................................................... 4 1.1.1. Định nghĩa.....................................................................................................4 1.1.2. Đặc điểm của lò điện ....................................................................................4 1.2. Giới thiệu chung về lò điện trở ................................................................................. 5 1.2.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở ............................................................... 5 1.2.2. Phân loại lò điện trở ......................................................................................5 1.2.3 Vật liệu làm dây điện trở ...............................................................................6 1.2.4 Các loại lò điện trở thông dụng .....................................................................6 1.3. Khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở ............................................................... 7 1.4. Các loại cảm biến nhiệt độ ....................................................................................... 8 1.5 Mạch điều áp xoay chiều ba pha: .............................................................................. 9 1.6. Thiết kế tính toán tính chọn van bán dẫn. .............................................................. 11 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ NƠRON MỜ........................................ 14 2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 14 2.2. Tổng quan về điều khiển mờ .................................................................................. 14 2.2.1. Giới thiệu ....................................................................................................14 2.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ ...................................................................16 2.3. Tổng quan về mạng nơron ...................................................................................... 26 2.3.1. Giới thiệu ....................................................................................................26 2.3.2. Lịch sử phát triển của mạng nơron nhân tạo ...............................................26 2.3.3 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo .....................................................................27 2.3.4 Mô hình nơron ............................................................................................. 29 2.3.5. Cấu trúc mạng ............................................................................................. 30 2.3.6. Huấn luyện mạng ........................................................................................33 2.4. Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ .............................................................. 34 2.4.1. Vài nét về lịch sử phát triển ........................................................................34 2.4.2. Logic mờ .....................................................................................................34 2.4.3. Mạng nơron .................................................................................................35 2.4.4. Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ ...................................................35 2.4.5. Cấu trúc chung của hệ nơron mờ ................................................................ 36 2.4.6. Giới thiệu ANFIS........................................................................................37 2.4.7. Cấu trúc bộ điều khiển theo ANFIS ........................................................... 37 2.4.8. Cơ chế huấn luyện của ANFIS ...................................................................40 2.4.9. Luật học lan truyền ngược BP (Back propagation). ...................................41 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................................................................. 42 3.1 Điều khiển nhiệt độ trong lò điện trở sử dụng bộ điều khiển PID. ......................... 42 3.1.1. Khái niệm về bộ điều khiển PID................................................................. 42 3.1.2. Điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng bộ điều khiển PID. ......................43 3.2. Điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng bộ điều khiển NN-PID ............................ 45 3.2.1. Bộ điều khiển NN-PID ...............................................................................46 3.2.2. Xây Dựng Bộ Nhận Dạng Đối Tượng Nơron-RBF (Radial Basic Function Neural Network): ...........................................................................................................48 3.3. Điều khiển nhiệt độ trong lò điện trở sử dụng bộ điều khiển mờ........................... 50 3.4. Điều khiển nhiệt độ trong lò điện trở sử dụng thuật toán mờ - nơron. ................... 56 3.5. Tổng hợp đánh giá các bộ điều khiển ..................................................................... 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 61 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANFIS Adaptive neuro-fuzzy inference system. BP FIS Back propagation. Fuzzy inference system MISO MIMO Mo Multinput – Single output. Multinput – Multoutput. Molipden NN-PID RBFNN Neural-Porportional integral derivative. Radial Basic Function Neural Network SISO Ta W Single input – Single output. Tantan Wonfram DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 So sánh mạng nơron và logic mờ 35 3.1 Thông số đạt được của bộ điều khiển PID. 45 3.2 Thông số đạt được của bộ điều khiển NN-PID. 50 3.3 Bảng luật điều khiển. 51 3.4 Thông số đạt được của bộ điều khiển mờ. 55 3.5 3.6 Thông số đạt được của bộ điều khiển mờ nơron dùng thuật toán lan truyền ngược Tổng hợp các số liệu từ các bộ điều khiển. 58 60 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển nhiệt độ 8 1.2 Sơ đồ 2 thysistor đấu song song ngược nhau. 9 1.3 Đồ thị của mạch điều áp xoay chiều. 10 1.4 Sơ đồ sáu thysistor đấu thành ba cặp song song ngược. 11 1.5 Sơ đồ sáu thysistor đấu thành ba cặp song song ngược. 11 2.1 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ. 16 2.2 Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ 17 2.3 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành Maxmin 19 2.4 Hàm liên thuộc vào- ra theo luật hợp thành maxpro 20 2.5 Hàm liên thuộc vào ra theo luật hợp thành summin 21 2.6 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sumprod 22 2.7 Giải mờ bằng nguyên tắc trung bình 23 2.8 Giải mờ bằng nguyên tắc cận trái 24 2.9 Giải mờ bằng nguyên tắc cận phải 24 2.10 Giải mờ bằng phương pháp điều khiển trọng tâm 25 2.11 So sánh các phương pháp giải mờ. 26 2.12 Mô hình 2 nơron sinh học 27 2.13 Mô hình nơron đơn giản 29 2.14 Mạng nơron 3 lớp 29 Mô hình nơron đơn giản 29 2.16 Nơron với R đầu vào 30 2.17 Ký hiệu nơron với R đầu vào 30 2.18 Cấu trúc mạng nơron 1 lớp 31 2.19 Ký hiệu mạng R đầu vào và S 31 2.15 a,b Số hiệu hình Tên hình Trang 2.20 Ký hiệu một lớp mạng 32 2.21 Cấu trúc mạng nơron 3 lớp 32 2.22 Ký hiệu tắt của mạng nơron 3 lớp 32 2.23 Cấu trúc huấn luyện mạng 33 2.24 Kiến trúc kiểu mẫu của một hệ nơron mờ 36 2.25 Mô hình hệ nơron mờ 36 2.26 Cấu trúc chung của hệ nơron mờ 36 2.27 Cấu trúc của bộ điều khiển theo ANFIS 38 2.28 Quan hệ vào/ra điển hình của nơron 38 3.1 Sơ đồ luật điều khiển PID 42 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển với bộ điều khiển PID 43 3.3 Mô phỏng bộ điều khiển PID cho lò điện trở 44 3.4 Khối điều khiển PID 44 3.5 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID cho lò điện trở 45 3.6 Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt 45 3.7 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID – một Nơron 46 3.8 Cấu trúc mạng Nơron-RBF 48 3.9 Mô phỏng trên matlab bộ điều khiển NN-PID 49 3.10 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển NN-PID cho lò điện trở. 50 3.11 Điều khiển mờ cho lò điện trở. 50 3.12 Giao diện FIS 52 3.13 Mờ hóa sai lệch. 53 3.14 Mờ hóa tích phân sai lệch. 53 3.15 Mờ hóa điện áp điều khiển 54 3.16 Quan hệ vào ra của bộ điều khiển 54 3.17 Quan sát hoạt động của các luật 54 3.18 Mô phỏng bộ điều khiển mờ cho lò điện trở. 55 3.19 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ cho lò điện trở. 55 3.20 Tải dữ liệu huấn luyện lên ANFIS 56 3.21 Huấn luyện mạng 57 Số hiệu hình Tên hình Trang 3.22 Cấu trúc điều khiển mờ - nơron 57 3.23 Mô phỏng bộ điều khiển mờ - nơron cho lò điện trở. 58 3.24 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ - nơron cho lò điện trở. 58 3.25 3.26 Tổng hợp mô phỏng 4 bộ điều khiển PID,NN-PID, mờ, mờ nơron. Kết quả mô phỏng các bộ điều khiển PID, NNPID, mờ, mờ nơron. 59 59 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngững phát triển, đặc biệt đối với nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa – hiện đại hóa, cũng chính vì mục tiêu đó mà việc ứng dụng các phương pháp điều khiển mới linh hoạt hơn vào điều khiển tự động là rất cần thiết. Những phương pháp điều khiển cổ điển hầu như dựa trên nền toán học chính xác. Tuy nhiên kỹ thuật điều khiển mờ bắt nguồn từ những sách lượt và kinh nghiệm của chuyên gia đã có thể thoát được những ràng buộc từ những phương pháp toán học chính xác. Cũng chính vì vậy mà điều khiển mờ được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển quá công nghiệp. Bên cạnh điều khiển mờ ta còn có phương pháp điều khiển sử dụng mạng nơron tái tạo lại chức năng giống con người đã mở ra một hướng mới trong việc giải quyết các bài toán kỹ thuật và kinh tế. Điều khiển nhiệt độ lò điện trở thường khá phực tạp do đối tượng có tính trễ và phi tuyến. Ngày nay với sự ra đời của nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, mỗi phương pháp chắc chắn sẽ có những điểm mạnh riêng. Nếu có thể kết hợp tốt các phương pháp với nhau có thể mang đến một hiệu quả cao trong điều khiển. Cũng chính vì những yếu tố trên mà việc kết hợp hệ mờ và nơron được nghiên cứu là mục đích của đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ nơ ron cho lò điện trở sử dụng thuật toán lan truyền ngược cải tiến”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu các đặc trưng của mạng nơ ron nhân tạo, khả năng và các nguyên tắc để ứng dụng thành công mạng nơ ron nhân tạo trong thực tế. Xây dựng lý thuyết sử dụng phương pháp mờ - nơ ron thuật toán lan truyền ngược điều khiển nhiệt độ lò điện trở. Làm cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về lò điện trở và nền tảng để chế tạo mô hình điều khiển nhiệt độ lò điện trở. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu - Quá trình thay đội nhiệt độ lò điện trở - Lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơron - Thuật toán lan truyền ngược cải tiến. - Phần mềm Matlab & Simulink mô phỏng quá trình điều khiển nhiệt độ lò điện trở. 2 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng phương pháp điều khiển PID, điều khiển mờ và mờ nơ ron thuật toán lan truyền ngược và lan truyền ngược cải tiến. - Mô phỏng quá trình điều khiển nhiệt độ lò điện trở. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu mô hình lò điện trở. - Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơron, và kết hợp mạng nơron với hệ mờ. - Nghiên cứu xây dựng mô phỏng quá trình điều khiển nhiệt độ lò điện trở bằng phần mềm Matlab & Simulink. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với việc làm mô phỏng thực nghiệm: - Phương pháp nghiên cứu tài liệu: nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng điều khiển mờ, mạng nơ ron nhân tạo và thuật toán lan truyền ngược cải tiến. - Nghiên cứu bộ điều khiển PID, điều khiển mờ và điều khiển mờ nơ ron để điều khiển nhiệt độ lò điện trở. - Đề tài thực hiện trong phạm vi mô phỏng mô hình trên công cụ Matlab – Simulink sẽ là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu trong thực tế. - Trên cơ sở các kết quả mô phỏng rút ra kết luận. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài Nghiên cứu này cũng như các nghiên cứu khác có cùng mục tiêu nâng cao độ chính xác sẽ cung cấp thêm cho những nhà nghiên cứu, đề tài sẽ mang lại một hướng mới trong việc thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ trong lò điện trở, ngoài việc dùng bộ điều khiển PID hoặc bộ điều khiển mờ. Bộ điều khiển mờ nơ ron có thể cho khả năng điều khiển tốt hơn đối với đối tượng điều khiển là nhiệt độ. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Đề tài thực hiện làm cơ sở để thực hiện các bộ điều khiển sử dụng thuật toán mờ nơ ron với chất lượng đạt yêu cầu. 7. Cấu trúc luận văn MỞ ĐẦU Luận văn gồm có 3 chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN Giới thiệu về lò điện trở, mô hình, nguyên lý hoạt động. Lựa chọn tính toán thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha. 3 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ NƠRON MỜ. Chương này tổng hợp trình bày lý thuyết điều khiển mờ, mạng neuron và kết hợp mạng nơron với hệ mờ. Thuật toán lan truyền ngược. Chương 3: MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ ĐÁNH GIÁ. Điều khiển bằng các phương pháp PID, NN-PID, mờ, mờ nơron sử dụng thuật toán lan truyền ngược. Tổng hợp và đánh giá các bộ điều khiển. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN 1.1. Giới thiệu chung về lò điện 1.1.1. Định nghĩa Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường được dùng để nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu… - Lò điện trở được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:  Sản xuất thép chất lượng cao.  Sản xuất các hợp kim phe-rô.  Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện.  Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi.  Sản xuất đúc và kim loại bột - Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:  Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm.  Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thủy tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v… Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và đa dạng: Bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v… 1.1.2. Đặc điểm của lò điện Có khả năng tạo được nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thể tích nhỏ. Do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao nên lò có tốc độ nung lớn và năng suất cao. Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điều chỉnh và khống chế chế độ nhiệt và chế độ nhiệt độ. Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy hao kim loại nhỏ. Có khả năng cơ khí hóa tự động hóa. 5 Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không bụi, không khói, ít tiếng ồn. Tuy lò điện có nhiều ưu điểm so với các lò nhiên liệu, nhưng cần lưu ý rằng: điện năng là dạng năng lượng quý, đắt. 1.2. Giới thiệu chung về lò điện trở 1.2.1. 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 có điện trở là R (vật rắn hoặc chất lỏng), nó sẽ tỏa ra nhiệt lượng trong vật thể theo định luật Joule-Lence. Năng lượng nhiệt này sẽ đốt nóng bản thân vật dẫn hoặc gián tiếp đốt nóng các vật nung xếp gần đó. Những thiết bị nung làm việc theo nguyên tắc này được gọi là lò điện trở. Dây dẫn hoặc vật nung có dòng điện chạy qua được gọi là dây điện trở hoặc dây nung. Q  I 2 RT Q – Lượng điện tính bằng Jun (J) I – Dòng điện tính bằng Ampe (A) R – Điện trở tính bằng Ôm (  ) T – Thời gian tính bằng giây (s) 1.2.2. Phân loại lò điện trở a. Phân loại theo phương pháp tỏa nhiệt. - Lò điện trở tác dụng trực tiếp: lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm của lò này là tốc độ nung nhanh, cấu trúc đơn giản. Để đảm bảo nung đều thì vật nung có tiết diện như nhau theo suốt chiều dài của vật. - Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt năng tỏa ra ở dây điện trở (dây đốt), rồi dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn nhiệt. b. Phân loại theo nhiệt độ làm việc. - Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lò dưới 6500C. - Lò nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc của lò từ 6500C đến 12000C. - Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò trên 12000C. c. Phân loại theo nơi dùng. - Lò dùng trong công nghiệp. - Lò dùng trong phòng thí nghiệm. - Lò dùng trong gia đình. d. Phân loại theo đặc tính làm việc - Lò làm việc liên tục. - Lò làm việc gián đoạn. 6 e. Phân loại theo kết cấu lò: Lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể… f. Phân loại theo mục đích sử dụng: có lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung… 1.2.3 Vật liệu làm dây điện trở a. Dây điện trở bằng hợp kim: +Hợp kim Crôm – Niken (Nicrôm). Hợp kim này có độ bền cơ học cao vì có lớp màng Oxit Crôm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở bé, sử dụng với lò có nhiệt độ làm việc dưới 12000C. + Hợp kim Crôm - Nhôm (Fexran), có các đặc điểm như hợp kim Nicrôm nhưng có nhược điểm là giòn, khó gia công, độ bền cơ học kém trong môi trường nhiệt độ cao. b. Dây điện trở bằng kim loại: Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden (Mo), Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ. c. Điện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại + Vật liệu Cacbuarun (SiC) chụi được nhiệt độ cao tới 14500C, thường dùng cho lò điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tôi dụng cụ cắt gọt. + Cripton là hỗn hợp của graphic, cacbuarun và đất sét, chúng được chế tạo dưới dạng hạt có đường kính 2-3mm, thường dùng cho lò điện trở trong phòng thí nghiệm yêu cầu nhiệt độ lên đến 18000C. 1.2.4 Các loại lò điện trở thông dụng Theo chế độ nung, lò điện trở phân thành hai nhóm chính: a. Lò nung nóng theo chu kỳ Bao gồm: + Lò buồng thường dùng để nhiệt luyện kim loại (thường hoá, ủ, thấm than v.v…). Lò buồng được chế tạo với cấp công suất từ 25kW đến 75kW. Lò buồng dùng để tôi dụng cụ có nhiệt độ làm việc tới 13500C, dùng dây điện trở bằng các thanh nung cacbuarun. + Lò giếng thường dùng để tôi kim loại và nhiệt luyện kim loại. Buồng lò có dạng hình trụ tròn được chôn sâu trong lòng đất có nắp đậy. Lò giếng được chế tạo với cấp công suất từ 30 ÷ 75kW. + Lò đẩy có buồng kích thước chữ nhật dài. Các chi tiết cần nung được đặt lên giá và tôi theo từng mẻ. Giá đỡ chi tiết được đưa vào buồng lò theo đường ray bằng một bộ đẩy dùng kích thuỷ lực hoặc kích khí nén. 7 b. Lò nung nóng liên tục Bao gồm: + Lò băng: buồng lò có tiết diện chữ nhật dài, có băng tải chuyển động liên tục trong buồng lò. Chi tiết cần gia nhiệt được sắp xếp trên băng tải. Lò buồng thường dùng để sấy chai, lọ trong công nghiệp chế biến thực phẩm. + Lò quay thường dùng để nhiệt luyện các chi tiết có kích thước nhỏ (bi, con lăn, vòng bi), các chi tiết cần gia nhiệt được bỏ trong thùng, trong quá trình nung nóng, thùng quay liên tục nhờ một hệ thống truyền động điện. 1.3. Khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở Đặt vấn đề + Theo đinhl luật Joule – Lence Q  0.238.I 2 .R.t [Cal] (1. 1) Trong đó: Q - nhiệt lượng toả ra của dây điện trở, cal; I - dòng điện đi qua dây điện trở, A; R - điện trở của dây điện trở, Ω; t - thời gian dòng điện chạy qua dây điện trở, s; + Thời gian nung chi tiết đến nhiệt độ yêu cầu: t G.C (t1  t2 ) [s] a (1.2) Trong đó: G- khối lượng của chi tiết có độ dài 100mm, kg; t1- nhiệt độ yêu cầu, 0C; t2- nhiệt độ môi trường, 0C; C- nhiệt dung trung bình của chi tiết cần nung; a- tốc độ toả nhiệt của chi tiết có độ dài 100mm, kcal/s. + Công suất điện cần cung cấp cho chi tiết có độ dài là 1mm: P2  4.18.l.a [kW] 100 (1. 3) + Công suất tiêu thụ của lò điện trở: P1  P2 [kW]  .cos  (1. 4) Trong đó: η - hiệu suất của lò (η = 0,7 ÷ 0,75); φ - hệ số công suất của lò (cosφ = 0,8 ÷ 0,85). Từ biểu thức trên ta rút ra rằng: để điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở. Điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở có thể thực hiện bằng các phương 8 pháp sau: - Hạn chế công suất cấp cho dây điện trở bằng cách đấu thêm điện trở phụ (cuộn kháng bão hoà, điện trở). - Dùng biến áp tự ngẫu, hoặc biến áp có nhiều đầu dây sơ cấp để cấp cho lò điện trở. - Thay đổi sơ đồ đấu dây của dây điện trở (từ tam giác sang sao, hoặc từ nối tiếp sang song song). - Đóng cắt nguồn cấp cho dây điện trở theo chu kỳ. - Dùng bộ điều áp xoay chiều để thay đổi trị số điện áp cấp cho dây điện trở. 1.4. Các loại cảm biến nhiệt độ Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ được trình bày trên hình Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển nhiệt độ Trong sơ đồ khối chức năng gồm có các khâu chính sau: - Lò điện trở 3 là đối tượng điều chỉnh với tham số điều khiển là nhiệt độ của lò (t0). - Bộ điều chỉnh và ổn định n. Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều nhiệt độ 2 (thay đổi các chỉnh và ổn định nhiệt độ lò điện trở thông số nguồn cấp cấp cho lò điện trở) - Bộ tổng hợp tín hiệu điều khiển 1 (ε = t0 đặt – t0ph). - Cảm biến nhiệt độ 4, có chức năng gia công ra một tín hiệu điện tỷ lệ với nhiệt độ của lò. Để nâng cao độ chính xác khi khống chế và ổn đinh nhiệt độ của lò điện trở, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở là hệ thống kín (có mạch vòng phản hồi). Việc điều chỉnh và ổn đinh nhiệt độ của lò được thực hiện thông qua việc thay đổi các thông số nguồn cấp cho lò. Như vậy tín hiệu phản hồi tỷ lệ với nhiệt độ của lò trong hệ thống khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở. 9 Hiện nay thường dùng các loại cảm biến nhiệt độ sau: + Nhiệt kế thủy ngân: Chiều cao của cột nước thủy ngân tỷ lệ thuận với nhiệt độ của lò. Cấu tạo của nó gồm có: 1- điện cực tĩnh (có thể dịch chuyển được nhờ nam châm vĩnh cửu); 2- Nước thủy ngân đóng vai trò như một cực động; 3- Vỏ thủy tinh. Như vậy, điện cực 1 và 2 tạo thành một cặp tiếp điểm. Khi nhiệt độ trong lò nhỏ hơn trị số nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1-2 còn hở, còn khi nhiệt độ của lò bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1-2 kín. Việc thay đổi trị số nhiệt độ đặt thực hiện bằng cách dịch chuyển điện cực tĩnh 1 bằng nam châm vĩnh cửu. - Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, cùng một lúc thực hiện ba chức năng: cảm biến, khâu chấp hành và chỉ thị nhiệt độ. - Nhược điểm: Chỉ dùng được đối với lò điện nhiệt độ thấp (t 0  6500 C ) , độ nhạy không cao do quán tính nhiệt của nước thủy ngân lớn. 1.5 Mạch điều áp xoay chiều ba pha: Như đã nói ở trên, công suất ra tải của lò được tính theo công thức: P U 2f Rt (1. 5) Như vậy, để thay đổi công suất đưa ra tải, ta có thể thay đổi Rt hoặc U f . Tuy nhiên trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi U f để có thể thay đổi công suất ra tải. Khi có sẵn một nguồn điện xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải ta có thể dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều (ĐAXC) dùng van bán dẫn. Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua không của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là phương pháp điều khiển pha (thay đổi góc mở van). Do diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra tải là xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều người ta không dùng diot mà dùng triac vì đây là loại van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nó. Tuy nhiên, do triac không thông dụng bằng thysistor nên thực tế người ta thường dùng sơ đồ 2 thysistor đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới: Hình 1.2: Sơ đồ 2 thysistor đấu song song ngược nhau.