Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát lò điện trở trên cơ sở hệ mờ và PLC S7 300

ISSN: 1859-2171 TNU Journal of Science and Technology 195(02): 47 - 53 
 Email: jst@tnu.edu.vn 47 
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ ĐIỆN TRỞ 
TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ VÀ PLC S7 300 
Nguyễn Thanh Tùng, Hoàng Văn Thực*, Đào Thị Phượng, Phạm Xuân Kiên 
Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - ĐH Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
Trong nhiều lĩnh vực kinh tế, vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một quá trình không thể thiếu 
được, nhất là trong công nghiệp. Việc đo nhiệt độ trong công nghiệp luôn gắn liền với quy trình 
công nghệ sản xuất và nó quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm. Tùy theo tính chất, 
yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điều khiển thích hợp. 
Bài báo nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò điện trở trên cơ sở hệ mờ ứng dụng 
kỹ thuật mới được phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực 
điều khiển, đó là điều khiển mờ. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều 
khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối 
tượng một cách chính xác. Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ 
và bộ điều khiển rõ (kinh điển), người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển 
truyền thống và điều khiển mờ với nhau tạo ra bộ điều khiển mờ lai. 
Từ khóa: Bộ điều khiển mờ lai,PID, Lò điện trở, Điều khiển lò điện trở trên hệ mờ, Bộ điều khiển 
kinh điển, Hệ thống điều khiển hồi tiếp, điều khiển tuần tự 
Ngày nhận bài: 02/01/2019; Ngày hoàn thiện: 12/01/2019; Ngày duyệt đăng: 28/02/2019 
DESIGN TESTING MEASUREMENT SYSTEMS AND SURVEILLANCE TESTS 
WITH TUBERCULOSIS SURGICAL INFLAMMATION 
Tung Nguyen Thanh, Thuc Hoang Van
*
, Phuong Thi Dao, Kien Xuan Pham 
University of Information And Communication Technology - TNU 
ABSTRACT 
In many areas of economics, temperature measurement and control is an indispensable process, 
especially in industry. Industrial temperature measurement is always associated with the 
production technology process and it determines a lot about the quality of the product. Depending 
on the nature and requirements of the process, it requires appropriate control methods. 
The article researches and designs the control system to monitor the resistance furnace on the basis 
of fuzzy application of new techniques developed very strongly and has brought many unexpected 
achievements in the field of control, which is what blur control. The basic advantage of fuzzy 
control over classic control methods is that it is possible to synthesize the controller without 
knowing the characteristics of the object correctly. In fact, to bring into full play the advantages of 
each fuzzy controller and the clear controller (canonical), it is often used to combine the two types 
of traditional controllers and fuzzy controls together to create fuzzy hybrid controller. 
Key words: Fuzzy hybrid controller, PID, Resistors, Control fuzzy resistor on the fuzzy system, 
Classic controller, Feedback control system, Sequential control 
Received: 02/01/2019; Revised: 12/01/2019; Approved: 28/02/2019 
* Corresponding author: Tel: 0356 216077; Email: hvthuc@ictu.edu.vn
Nguyễn Thanh Tùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 47 - 53 
 Email: jst@tnu.edu.vn 48 
GIỚI THIỆU 
Bài báo sẽ giới thiệu về bộ điều khiển đối 
tượng nhiệt trên cơ sở hệ mờ và PCL S7 300. 
Để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều 
khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển, thường 
dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển 
truyền thống và điều khiển mờ với nhau, do vậy 
ta có các hệ điều khiển mờ lai. [1] 
Bộ điều khiển mà trong quá trình làm việc có 
khả năng tự chỉnh định thông số của nó cho 
phù hợp với sự thay đổi của đối tượng được 
gọi là bộ điều khiển thích nghi. Phần lớn các 
hệ thống điều khiển mờ lai là hệ thích nghi, 
nhưng không phải mọi hệ lai là hệ thích nghi. 
Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ trong đối 
tượng nhiệt so với các phương pháp điều 
khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ 
điều khiển mà không cần biết trước đặc tính 
của đối tượng một cách chính xác. Trong thực 
tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ 
điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ (kinh 
điển), người ta thường dùng các hệ kết hợp 
giữa hai loại bộ điều khiển truyền thống và 
điều khiển mờ với nhau tạo ra bộ điều khiển 
mờ lai. 
CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU 
KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG NHIỆT [2] 
Bộ điều khiển PID 
Trong các hệ thống điều khiến tùy theo yêu 
cầu chất lượng của hệ và tính phức tạp khi thiết 
kế các thành phần mà người thiết kế có thể sử 
dụng khâu điều khiển P, PI hay PID. Trong các 
sự kết hợp đó thì khâu điều khiển PID là hoàn 
hảo nhất cho các hệ thống điều khiển. 
Cấu trúc hệ thống điều khiển: 
Bộ điều khiển PID có tín hiều điều khiển liên 
tục trên miền thời gian như sau: 
 ))(
1)(
)(.()( dtte
Tdt
tde
TteKtu
I
DP
(1.1)
Hàm truyền trên miền Laplace: 
p D
( ) 1
( ) (1 ) K K .s
( )
I
PID P D
I
KU s
G s K T s
E s T s s
(1.2) 
Kết quả nhận dạng hệ thống ta có hàm truyền lò 
điện trở 2,5 KVA 
454,54( )
1500 1
sG s e
s (1.3)
 T = 1500; L = 45 ; K = 4,54 (1.4) 
Trong đó: 
 K: Hệ số khuếch đại của đối tượng lò nhiệt. 
 L: Hằng số thời gian trễ (thời gian không 
nhạy của lò nhiệt). 
 T: Hằng số thời gian quán tính nhiệt của lò. 
Phương pháp Ziegler Nichols.[1] 
Bảng thiết kế theo Ziegler Nichols 2 
Bộ điều khiển PID cho lò điện trở: 
1
( ) (1 . )
.
P D
I
R s K T s
T s
 = Kp + 
IK
s
 + KD.s (1.5) 
1500
1,2 1,2. 8,81057
. 4,54.45
P
T
K
K L
 (1.6)
0,5.L 0,5.45 22,5DT (1.7) 
T = 2. 2.45 90I L (1.8) 
Hệ số tương ứng với hệ số khuếch đại tỷ lệ: 
KI = 
P
I
K
T
8,81057
0,09789
90 (1.9)
Nguyễn Thanh Tùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 47 - 53 
 Email: jst@tnu.edu.vn 49 
Hình 1. Sơ đồ simulink hệ thống khi sử dụng thuật 
toán PID của Ziegler-Nichols 1 
Hình 2. Đáp ứng của hệ thống khi sử dụng thuật 
toán PID của Ziegler-Nichols 1 
Nhận xét với nhiệt độ đặt 500oC: 
+ Thời gian quá độ khoảng 550s. 
+ Độ quá điều chỉnh rất lớn, khoảng 105,83%. 
+ Sai lệch tĩnh khoảng 0,15%. 
Phương pháp Halman.[2] 
Với đối tượng điều khiển là khâu quán tính 
bậc nhất có trễ có dạng: 
.
( )
1 .
LsK e
G S
T s
 (1.10)
Thì theo Halman ta sử dụng bộ điều khiển PI có 
các thông số được tính như sau: 
2.
;
3. .
P I
T
K T T
K L
(1.11)
Áp dụng với đối tượng lò điện trở 2,5 KVA 
có hàm truyền: 
454,54( )
1500 1
sG s e
s
(1.12)
Ta có bộ điều khiển PI cho đối tượng có hàm truyền: 
 R(s) = 
1
(1 )
.
P
I
K
T s
 = Kp + 
IK
s (1.13)
2. 2.1500
4,89476
3. . 3.4,54.45
P
T
K
K L
(1.14)
IT T = 150 
4.54
0,00303
1500
p
I
I
K
K
T
(1.15)
Hình 3. Sơ đồ simulink hệ thống khi sử dụng thuật 
toán PI của Halman 
Hình 4. Đáp ứng của hệ thống khi sử dụng thuật 
toán PI của Halman 
Nhận xét với nhiệt độ đặt 500oC: 
+ Thời gian quá độ khoảng 400s. 
+ Độ quá điều chỉnh lớn, khoảng 16,67%. 
 + Sai lệch tĩnh khoảng 0,08%. 
HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI [2] 
Nhiệm vụ điều khiển được giải quyết bằng bộ 
điều khiển kinh điển(ví dụ bộ điều khiển PID 
kinh điển) và các thông số của bộ điều khiển 
không được chỉnh định thích nghi. Hệ mờ 
được sử dụng để điều chế tín hiệu chủ đạo 
cho phù hợp với hệ thống điều khiển. Bộ 
điều khiển này là cơ sở cho việc tổng hợp hệ 
thích nghi. 
Nguyễn Thanh Tùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 47 - 53 
 Email: jst@tnu.edu.vn 50 
Hình 5. Hệ mờ lai không thích nghi có bộ điều 
khiển kinh điển 
Khác với phương pháp dùng công tắc chọn bộ 
điều khiển phù hợp trong hệ lai, các thông số 
của bộ điều khiển thích nghi được hiệu chỉnh 
trơn. Một bộ điều khiển PID với đầu vào e(t), 
đầu ra u(t) có mô hình toán học như sau: 
 ))(
1)(
)(.()( dtte
Tdt
tde
TteKtu
I
DP
p D
( ) 1
( ) (1 ) K K .s
( )
I
PID P D
I
KU s
G s K T s
E s T s s
(1.16)
Các tham số KP, TI, TD hoặc KP, KI, KD của 
bộ điều khiển PID được chỉnh định trên cơ sở 
phân tích tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của 
hệ hệ thống, chính xác hơn là sai lệch e(t) và 
đạo hàm e’(t) của sai lệch. Có nhiều phương 
pháp chỉnh định tham số cho bộ điều khiển 
PID như chỉnh định qua phiếm hàm mục tiêu, 
chỉnh định trực tiếp, phương án đơn giản 
nhưng dễ áp dụng hơn cả là phương pháp 
chỉnh định mờ của Zhao, Tomizuka và Isaka. 
Với giả thiết các tham số KP, KD bị chặn, tức là 
KP [KPmin , KPmax] và KD [KDmin , KDmax]. 
Zhao, Tomizuka và Isaka đã chuẩn hóa các 
tham số đó để có 0 kP , kD 1 như sau: 
min min
max min max min
,P P D DP D
P P D D
K K K K
k k
K K K K
(1.17)
Hình 6. Luật chỉnh định các tham số bộ điều 
khiển PID 
SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 
VÀ GIÁM SÁT LÒ ĐIỆN TRỞ TRÊN CỞ 
SỞ HỆ MỜ VÀ PLC S7 300. [5] 
Hệ thống sử dụng PC điều khiển và giám sát là 
thiết bị Card CP5611 là card PCI cho PU/PC, 
được sử dụng để ghép nối PLC và PC qua MPI 
(Multipoint Interface) với Tốc độ truyền thông: 
từ 9.6kb/s đến 12Mb/s.Giao diện ghép nối: khe 
PCI, cổng ra COM 9 chân.Xử lý : 32bit. Tiêu 
thụ điện năng: 0.5A, 2W. 
Hình 7. Sơ đồ khối hệ thống 
Hệ thống sử dụngcặp nhiệt điện WRN130 
(Thermocouple loại K). Có nhiệm vụ đo nhiệt 
độ của lò và chuyển thành tín hiệu điện áp 
mV để đưa vào cổng tương tự của PLC. 
Bộ điều khiển PLC.[4] 
PLC nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, 
chương trình điều khiển so sánh nhiệt độ hiện 
tại với giá trị đặt và đưa ra quyết định điều 
khiển (xem phần giải thuật điều khiển của 
PLC) tín hiệu điền khiển Rơle SSR. Tín hiệu ra 
từ cổng DI/DO của PLC tới AC SSR để điều 
khiển đóng mở rơle tạo ra điện áp cấp cho lò. 
Điện áp cấp cho lò được điều khiển theo độ 
rộng xung với nguyên lý mô tả bên dưới: 
T
t
UU lo 
(1.18)
loU : Điện áp cấp cho lò điện trở. 
Nguyễn Thanh Tùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 47 - 53 
 Email: jst@tnu.edu.vn 51 
 t: Độ rộng xung. 
 T: Chu kỳ của xung. 
 U: Điện áp nguồn cung cấp. 
Các module của PLC-S7300: 
Mô hình lò điện trở với Điện áp cung cấp cực 
đại 220V. Công suất cực đại 2,5 KW. Nhiệt 
độ cực đại 1000oC. Kích cỡ buồng đốt 
200x120x80mm. 
So sánh các bộ điều khiển cho lò điện trở 
Hình 8. Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi sử 
dụng Bộ điều khiển PID, Bộ điều khiển mờ lai 
không thích nghi và Bộ điều khiển chỉnh định mờ 
tham số PID 
Hình 9. Đáp ứng của hệ thống khi sử dụng Bộ 
điều khiển PID, Bộ điều khiển mờ lai không thích 
nghi và Bộ điều khiển chỉnh định mờ tham số PID 
Nhận xét: Từ đáp ứng của hệ thống với 3 bộ 
điều khiển, ta thấy rằng hệ có Bộ điều khiển 
mờ lai không thích nghi (PID FUZZY) tốt 
hơn bộ điều khiển PID (PID CONTROL) và 
hệ được thiết kế với phương pháp chỉnh định 
mờ các tham số PID (PID TUNNING) cho 
chất lượng tối ưu. 
Hình 10. Mô hình thực hành Lò điện trở 2,5KVA 
Lập trình PLC thực hiện điều khiển và thu 
thập xử lý dữ liệu trong bài toán thiết kế hệ 
thống điều khiển lò điện trở 2,5KW. 
Yêu cầu cụ thể : 
- Giám sát nhiệt độ của lò điện trở, đảm bảo 
lò điện trở hoạt động trong khoảng nhiệt cho 
phép 0
o
C 1000
o
C. 
- Nhiệt độ lò bám theo tín hiệu đặt SP. 
- Xử lý thông số từ thiết bị đo nhiệt độ trên 
màn hình giám sát. 
- Nhận biết các chế độ hoạt động của hệ thống. 
- Nhận biết người vận hành nhấn nút 
Start/Stop. 
- Nhận biết người vận hành nhấn nút 
Auto/Manual. 
- Nhận biết người vận hành nhấn nút Print. 
Khi nạp chương trình từ PC xuống PLC, 
chuyển PLC sang chế độ RUN. Nếu để ở chế 
độ Auto, nhiệt độ đặt (SP) được đặt thông qua 
màn hình WinCC. Nếu ở chế độ Manual SP 
thiết lập bằng tay qua núm vặn, đưa tới 
PIW274. 
Có lệnh chạy Start =1 thì chường trình điều 
khiển mới bắt đầu hoạt động, còn không thì 
nó ở trạng thái chờ. 
Nguyễn Thanh Tùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 47 - 53 
 Email: jst@tnu.edu.vn 52 
Hệ bình thường, đọc nhiệt độ lò, giá trị này có 
kiểu định dạng Integer, đã được đổi thang và 
hiển thị giá trị thực của lò. 
Hình 11. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển 
Bộ điều khiển PID: nhập giá trị Kp, Ti, Td 
qua màn hình WinCC, sử dụng khối FB41, 
FB43 tạo xung điều khiển cho lò. 
Bộ điều khiển thực hiện xử lý mờ tham số 
PID thực hiện bởi module mờ FB30 được tích 
hợp trong PLC, trong lần đọc đầu tiên của 
PLC, nó sẽ lấy tham số mặc định được người 
lập trình đưa vào. 
Tiến hành hiệu chỉnh tham số PID thông qua 
module FB41, kết quả đưa trực tiếp vào 
module điều rộng xung FB43. 
Xuất lệnh điều khiển lò tới cổng ra số, tùy 
thuộc vào giá trị ngõ ra của bộ điều rộng xung 
mà trạng thái của lò được đóng hay mở. 
Kết thúc một vòng điều khiển 
Hình 11. Giao diện chính điều khiển và giám sát 
lò điên tử 2,5KVA trên PCL 
Hình 12. Giao diện bộ điều khiển PID 
Hình 13. Giao diện bộ điều khiển PID FUZZY 
Bài báo đã đề cập cụ thể cho đối tượng lò 
điện trở 2,5 KVA với bộ điều khiển chỉnh 
định mờ tham số PID, còn bộ điều khiển PID 
FUZZY được thiết kế tương tự với các đầu 
vào, ra và các luật điều khiển. 
MODULE FUZZY CONTROL++ CHO LÒ 
ĐIỆN TRỞ 
Phần mềm Fuzzy Control++ với các bước 
khai báo và cấu hình bộ điều khiển mờ bằng 
phần mềm này cho Simatic S7-300. Cho phép 
ta thiết lập cụ thể cho đối tượng lò điện trở 
2,5 KVA với bộ điều khiển chỉnh định mờ 
tham số PID, còn bộ điều khiển PID FUZZY 
được thiết kế tương tự với các đầu vào, ra và 
luật điều khiển. [5] 
Khởi động chương trình và tạo ra 1 Project 
với các thông số: đầu vào ở đây là 2 gồm có: 
Et và DEt, số đầu ra là 3 gồm có Kp, Ki và 
Nguyễn Thanh Tùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 47 - 53 
 Email: jst@tnu.edu.vn 53 
Kd. Mục Target Systrem chọn S7-4K dùng 
cho hệ Simatic S7-300 và xác nhận. 
Hình 14. Khai báo đầu vào và đầu ra 
Hình 15. Các đầu vào, ra và luật hợp thành If ... then 
Hình 16. Khai báo cho đầu ra Kp 
Hình 17. Luật điều khiển Kp trong không gian 3D 
Trên đây trình bày quá trình thiết lập một dự 
án khi sử dụng phần mềm Step 7 V5.5 để lập 
trình điều khiển đối tượng, xây dựng giao 
diện giám sát và thu thập dữ liệu trên phần 
mềm WinCC V7.0 và cách cấu hình bộ điều 
khiển mờ bằng phần mềm Fuzzy Controll 
V5++ cho Simatic S7-300. 
KẾT LUẬN 
Bài báo nghiên cứu thiết kế về hệ thống điều 
khiển và giám sát lò điện trở trên cơ sở hệ mờ 
và PLC S7 300, những kỹ thuật chế tạo tiên 
tiến đã được áp dụng giải quyết được nhiều 
hạn chế của các phương pháp giám sát lò điện 
trở hiện nay, mở ra nhiều ứng dụng mới trong 
các ngành công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ 
và gần nhất với chúng ta là trong đời sống 
sinh hoạt hàng ngày. 
Hệ thống được thiết kế Độ ổn định cao, độ 
chính xác tin cậy so với phương pháp giám 
sát và điều khiển lò điện trở bằng các phương 
pháp truyền thống, giao diện trực quan, và có 
thể dễ dàng mở rộng tùy biến các ứng dụng 
khác dễ dàng hơn. Kết quả thực nghiệm và 
khảo sát trên nhiều đối tượng tương đối phù 
hợp với kết quả mô phỏng. Các sai số xảy ra 
có thể từ nhiều nguyên nhân khác nhau. 
Bài báo có thể được mở rộng bởi lý thuyết 
điều khiển mờ còn rất mới mẻ với chúng ta, 
việc đi sâu nghiên cứu lý thuyết điều khiển 
mờ là mục tiêu của những người làm điều 
khiển tự động hiện đại. Nghiên cứu áp dụng 
vi xử lý để thiết kế bộ điều khiển, PID, mờ 
thích nghi cũng là một hướng mới nhằm hạ 
chi phí. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), 
Lý thuyết điều khiển mờ, Nxb KH&KT. 
2. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2008), 
Nhận dạng hệ thống điều khiển, Nxb KH&KT. 
3. Yu-Hao Lee, Vincent Shieh Chih-Lung Lin 
and Yung-Jong Shiah, (2010), “virtual control 
control element” Second International Conference 
on Vision and Signal Processing, National Cheng 
Kung University - National Kaohsiung Normal 
University 
4. Nguyễn Doãn Phước (2004), Lý thuyết điều 
khiển tuyến tính, Nxb KH&KT. 
5. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Vân 
Hà (2007), Tự động hóa với Simatic S7 - 300, Nxb 
KH&KT.
  Email: jst@tnu.edu.vn 54