Điều khiển quá trình là một lĩnh vực quan trọng của kĩ thuật điều khiển
trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất( gọi chung là công nghiệp
chế biến, process industry).Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối
chặt chẽ nền tảng của lý thuyết diều khiển tự động với các bài toán của quá trình
công nghệ. Phạm vi đề cập cụ thể ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích,
thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng là quá trình công nghệ.
Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới nhưng luôn chiế m vị
trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp.Khác với những nghàng
công nghiệp chế tạo, ngày nay bất cứ một nhà máy xi măng, một nhà máy điện
hay một nhà máy lọc dầu nào cũng không thể vận hành được nếu thiếu hệ thống
điều khiển tự động. Quá trình toàn cầu hóa gần đây tạo ra nhiều thị trường tiêu
dùng mới, đồng thời gia tăng sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa nhiều tập đoàn sản
xuất. Các doanh nghiệp buộc phải nâng cao mức độ tự động hóa dây chuyền sản
xuất để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản xuất. Sức ép
giảm sử dụng nguyên liệu thô (yêu cầu tái chế), giảm tiêu thụ nhiên liệu và khả
năng thích ứng nhanh với yêu cầu thị trường buộc các kĩ sư phải đưa ra những
thiết kế quá trình công nghệ mới thích hợp hơn, nhưng đồng thời cũng đặ t ra
những yêu cầu cao hơn cho hệ thống điều khiển tự động và cho những người kĩ
sư thiết kế điều khiển. nhìn từ một góc độ khác, những tiến bộ về công nghệ thiết
bị điều khiển( DCS, PLC/HMI, IPC, bus trường,…) ngày càng tạo điều kiện
thuận lợi hơn cho việc cài đặt các sách lược và thuật toán điều khiển tiên
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 http://www.lrc-tnu.edu.vn
tiến.một điều đáng nói là trong khi công nghệ sản xuất hoặc công nghệ thiết bị
điều khiển có thể lạc hậu chỉ sau 10-15năm, cơ sở phương pháp luận cho thiết kế
hệ thống điều khiển quá trình vẫn giữ nguyê n giá trị sau hàng nửa thế kỉ-tất
nhiên được bổ sung và phát triển trên một tầm cao mới.. Vì vậy việc nghiên cứu
ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển quá trình gia nhiệt là
một vấn đề hết sức quan trọng và cấp thiết.
Do vậy, tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển
hiện đaị để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt " với mục đích
nghiên cứu như sau:
1. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại điều khiển
quá trình gia nhiệt
2. Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ điều khiển nhiệt độ và lưu
tốc bồn nước
Từ đó, đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề chính, được chia thành 3
chương như sau:
Chương 1. Mở đầu
Chương này nghiên cứu các kiến thức chung về điều khiển quá trình, cấu
trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình, các thiết bị trong hệ thống điều
khiển quá trình
Chương 2:Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển
quá trình
Chương này nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại,
phân tích thế mạnh của nó từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển cho quá trình
gia nhiệt
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chương 3 Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình
gia nhiệt
Chương này nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển mờ cho đối tượng cụ thể là
nhiệt độ và lưu tốc bồn nước.
Chương 4 Mô phỏng hệ thống
Mô phỏng bằng Matlap . Phân tích các kết quả đạt được, đưa ra các kết luận
Trong quá trình làm luận văn, tôi đã được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của
thầy giáo, TS. Võ Quang Vinh , giảng viên khoa Điện, Trường đạ i học KTCN
Thái Nguyên. Xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Tôi cũng
nhận được sự hỗ trợ rất nhiều từ các thầy cô giáo trong Khoa Điện, trường đại
học KTCN Thái Nguyên cũng như từ gia đình, bạn bè. Xin trân trọng cảm ơn
95 trang |
Chia sẻ: ttlbattu | Lượt xem: 1939 | Lượt tải: 5
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lƣợng điều khiển quá trình gia nhiệt, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******************&&&******************
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học viên: Dƣơng Mạnh Hòa
Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Võ Quang Vinh
Thái nguyên năm 2009
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1
MỤC LỤC
Mục lục ………………………………………………………………….......1
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ……………………………....…………….3
Mở đầu ………………………………………………………….....……….5
Chương1: Mở đầu…………………………………………………..……10
1.1 Giới thiệu chung ……………………………………………………………10
1.1.1. Điều khiển quá trình.............................................................10
1.1.2 Các tính chất của hệ điều khiển quá trình …………………..11
1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình………………………..15
1.2.1. Cơ cấu chấp hành……………….…….…………….....…....15
1.2.2. Các cảm biến:……………………..….………………....…..18
1.2.3. Các cảm biến áp lực:….……………….. ……...........22
1.3.Đặc điểm Điều khiển quá trình gia nhiệt……………………………22
1.4.Kết luận...............................................................................................23
Chương 2 : Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển quá
trình.........................................................................................................................................24
2.1 .Đặt vấn đề ………………………......................................................24
2.2. Các phương pháp điều khiển cơ bản ................................................24
2.2.1 Phương pháp điều khiển truyền thẳng………………………..24
2.2.2 Phương pháp điều khiển phản hồi……………………………31
2.2.3. Phương pháp điều khiển tỉ lệ ……………………………….41
1.2.4 Phương pháp điều khiển tầng ……………………………….47
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2
2.2.5 Phương pháp điều khiển suy diÔn………….. ........................50
2.2.6 Phương pháp điều khiển lựa chọn…………………….............51
2.2.7 Phương pháp điều khiển . . . . .…….………………..............52
2.3 Các phương pháp điều khiển hiện đại.........................................................53
2.3.1 Phương pháp điều khiển thích nghi.........................................53
2.3.1.1Khái niệm chung của hệ thống điều khiển thích nghi..... . ...53
2.3.1.2 điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp................. . .....55
2.3.1.3 Hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh....................... . ....59
2.3.2 Phương pháp điều khiển mờ....................................................61
2.3.2.1Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ.....................................62
2.3.2.2. Bộ điều khiển mờ tĩnh.....................................................64
2.3.2.3. Bộ điều khiển mờ động.....................................................64
2.3.2.4. Hệ điều khiển mờ lai F-PID..............................................67
2.4. kết luận.....................................................................................................69
Chương 3 : Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình gia
nhiệt................................................................................................................71
Đặt vấn đề...........................................................................................71
3.1Đối tượng..............................................................................71
3.2 Thiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống.......................................72
Chương 4. Mô phỏng hệ thống..............................................................86
Kết luận..................................................................................................89
Tài liệu tham khảo .................................................................................90
DANH MỤC HÌNH VẼ
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3
Chương1: Mở đầu
Hình 1.1: Sơ đồ kinh điển của cấu trúc điều khiển quá trình
Hình 1.2: Hàm truyền của quá trình có tính tự cân bằng
Hình 1.3: Hàm truyền của quá trình không có tính tự cân bằng
Hình 1.4 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình
Hình 1.5: Van tiết lưu
Hình 1.6: Van tiết lưu cân bằng áp
hình 1.7 van servo con trượt
Hình1.8: Van servo tấm chắn
Hình 1.9: Can nhiệt điện
Hình1.10: Cấu trúc hệ thống đo áp suất tự động
Chương 2 : Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại
điều khiển quá trình
Hình2.1.Cấu trúc tổng quat của hệ điều khiển truyền thẳng
Hình2.2 Cấu hình nối tiếp và cấu hình song song
Hình 2.3Đặc tính điều khiển cho ví dụ2.1
Hình 2.4 Đièu khiển mức sách lược truyền thẳng
Hình 2.5 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước
Hình 2.6. Cấu trúc tổng quat của hệ điều khiển phản hồi
Hình 2.7 Hai cấu hình điều khiển phản hồi
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4
Hình 2.8.Đièu khiển mức sách lược phản hồi
Hình 2.9. Mô phỏng điều khiển mức với hệ số kc khác nhau
Hình 2.10 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ
Hình2.11 Hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu
Hình 2.12 hai cấu trúc của điều khiển tầng
Hình 2.13 sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi.
Hình 2.14 sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp.
Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp .
Hình 2.16 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn
Hình 2.17 Hệ thông điều khiển thích nghi tự chỉnh.
Hình 2.18 sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ.
Hình 2.19 Hệ điều khiển mờ theo luật PI
Hình 2.20 Hệ điều khiển mờ theo luật PD
Hình 2.21 Hệ điều khiển mờ PID
Hình 2.22 Các vùng tác động của FLC và PID.
Hình 2.23 vùng tác động của các bộ điều chỉnh PID
Chương 3 : Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình
gia nhiệt
Hình 3.1 Mụ hỡnh hệ thống
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hình 3.3 Cấu trúc van nước lạnh
Hình 3.4 Cấu trúc van nước nóng
Hình 3.5 Khâu lưu tốc đặt trước
Hình 3.6 Khâu nhệt độ đặt trước
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5
Hình 4.1 Lưu tốc dòng nước
Hình 4.2 Nhiệt độ bồn nước
Hình 4.3 Van nước lạnh
Hình 4.4 Van nước nóng
Chương 4 Mô phỏng hệ thống
Hình 4.1Tạo lập cỏc hàm liờn thuộc cho biến vào
Hình 4.2 Tạo lập các hàm liên thuộc cho biến ra
Hình 4.3luật điều khiển trong không gian
Hình 4.4 Sơ đồ SimulinK
Hình 4.5 Đáp ứng nhiệt độ
Hình 4.6 Đáp ứng lưu tốc
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6
Lời nói đầu
Điều khiển quá trình là một lĩnh vực quan trọng của kĩ thuật điều khiển
trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất( gọi chung là công nghiệp
chế biến, process industry).Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối
chặt chẽ nền tảng của lý thuyết diều khiển tự động với các bài toán của quá trình
công nghệ. Phạm vi đề cập cụ thể ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích,
thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng là quá trình công nghệ.
Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới nhưng luôn chiếm vị
trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp.Khác với những nghàng
công nghiệp chế tạo, ngày nay bất cứ một nhà máy xi măng, một nhà máy điện
hay một nhà máy lọc dầu nào cũng không thể vận hành được nếu thiếu hệ thống
điều khiển tự động. Quá trình toàn cầu hóa gần đây tạo ra nhiều thị trường tiêu
dùng mới, đồng thời gia tăng sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa nhiều tập đoàn sản
xuất. Các doanh nghiệp buộc phải nâng cao mức độ tự động hóa dây chuyền sản
xuất để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản xuất. Sức ép
giảm sử dụng nguyên liệu thô (yêu cầu tái chế), giảm tiêu thụ nhiên liệu và khả
năng thích ứng nhanh với yêu cầu thị trường buộc các kĩ sư phải đưa ra những
thiết kế quá trình công nghệ mới thích hợp hơn, nhưng đồng thời cũng đặt ra
những yêu cầu cao hơn cho hệ thống điều khiển tự động và cho những người kĩ
sư thiết kế điều khiển. nhìn từ một góc độ khác, những tiến bộ về công nghệ thiết
bị điều khiển( DCS, PLC/HMI, IPC, bus trường,…) ngày càng tạo điều kiện
thuận lợi hơn cho việc cài đặt các sách lược và thuật toán điều khiển tiên
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7
tiến.một điều đáng nói là trong khi công nghệ sản xuất hoặc công nghệ thiết bị
điều khiển có thể lạc hậu chỉ sau 10-15năm, cơ sở phương pháp luận cho thiết kế
hệ thống điều khiển quá trình vẫn giữ nguyên giá trị sau hàng nửa thế kỉ-tất
nhiên được bổ sung và phát triển trên một tầm cao mới.. Vì vậy việc nghiên cứu
ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển quá trình gia nhiệt là
một vấn đề hết sức quan trọng và cấp thiết.
Do vậy, tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển
hiện đaị để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt " với mục đích
nghiên cứu như sau:
1. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại điều khiển
quá trình gia nhiệt
2. Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ điều khiển nhiệt độ và lưu
tốc bồn nước
Từ đó, đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề chính, được chia thành 3
chương như sau:
Chương 1. Mở đầu
Chương này nghiên cứu các kiến thức chung về điều khiển quá trình, cấu
trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình, các thiết bị trong hệ thống điều
khiển quá trình
Chương 2:Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển
quá trình
Chương này nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại,
phân tích thế mạnh của nó từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển cho quá trình
gia nhiệt
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8
Chương 3 Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình
gia nhiệt
Chương này nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển mờ cho đối tượng cụ thể là
nhiệt độ và lưu tốc bồn nước.
Chương 4 Mô phỏng hệ thống
Mô phỏng bằng Matlap . Phân tích các kết quả đạt được, đưa ra các kết luận
Trong quá trình làm luận văn, tôi đã được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của
thầy giáo, TS. Võ Quang Vinh , giảng viên khoa Điện, Trường đại học KTCN
Thái Nguyên. Xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Tôi cũng
nhận được sự hỗ trợ rất nhiều từ các thầy cô giáo trong Khoa Điện, trường đại
học KTCN Thái Nguyên cũng như từ gia đình, bạn bè. Xin trân trọng cảm ơn
Thái Nguyên, ngày.....tháng.....năm 2009
Dương Mạnh Hoà
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn được xây dựng
hoàn toàn là do bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn
của thầy giáo và tham khảo các tài liệu đã được trích dẫn.
Học viên
Dương Mạnh Hoà
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
10 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Chương1: mở đầu
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Khái niệm và đặc tính chung của Điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là sự thao tác những điều kiện của quá trình để làm
xảy ra những thay đổi mong muốn trong những đặc tính đầu ra của quá trình.
Trong thực tế thì điều khiển quá trình thường được xem như điều khiển các
thông số như: nhiệt độ (t0), áp suất (P), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ (pH),
định lượng và thậm chí cả điều khiển phản ứng v.v. Việc điều khiển các đại
lượng này thường gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có những đặc tính:
Những đặc điểm của quá trình:
Thường được thể hiện dưới 4 đặc tính sau:
- Thời gian chết quá trình (Process Dead time)
- Trễ quá trình (Process Lag)
- Hệ số khuyếch đại của quá trình (Process gain)
- Nhiễu quá trình (Process disturbances)
- Thời gian chết quá trình: Đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi trong tín
hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển quá trình và đáp ứng của tín hiệu. Hiện
tượng này luôn luôn không phân biệt dạng của tín hiệu được dùng. Ngoài ra nó
còn được biết đến như: trễ thuần tuý, trễ vận tải, hoặc trễ khoảng cách - vận tốc.
- Trễ quá trình: Vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng
lượng một cách liên tục. Qua đó ta có trễ bậc một hoặc trễ bậc cao.
- Hệ số khuyếch đại quá trình: Hệ số khuyếch đại của quá trình được xác
định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi đầu vào.
- Nhiễu quá trình: Là những sự thay đổi mong muốn xảy ra trong quá trình,
nó có xu hướng ảnh hưởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển.
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
11 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Khi nghiên cứu điều khiển quá trình thì việc tổng hợp mạch vòng điều
khiển thường gặp khó khăn vì:
- Hệ thống có thông số rải.
- Trong quá trình hoạt động, không những cấu trúc của hệ thay đổi (dẫn
đến hàm truyền của hệ thay đổi) mà còn cả thông số của hệ cũng thay đổi.
- Tính phi tuyến cũng như tính tương tác rất lớn.
1.1.2 Các tính chất cơ bản của điều khiển quá trình
Khi xây dựng hệ thống điều khiển, nhiệm vụ cơ bản được đặt ra là phải
nghiên cứu được tính chất của quá trình (đối tượng điều khiển). Các thông tin về
quá trình thu thập được càng đầy đủ thì việc tổng hợp hệ thống điều khiển tự
động càng đơn giản và quá trình điều chỉnh càng dễ đạt độ chính xác cao. Việc
nghiên cứu quá trình phải xuất phát từ việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy
ra trong quá trình. Các hiện tượng này luôn liên quan đến dòng vật chất hay năng
lượng chảy vào E1 và chảy ra E0 từ quá trình tạo nên môi trường hoạt động của
quá trình. Khi E1 = E0 các hiện tượng trong quá trình tồn tại ở trạng thái dừng,
quá trình ở trạng thái cân bằng. Khi E1 E0 sẽ tồn tại sự vận động trong môi
trường hoạt động của quá trình. Giá trị E = E1 - E0 được gọi là tác động nhiễu
lên quá trình. Nó là đại lượng đặc trưng cho tác động vào của quá trình. Năng
lượng hoặc vật chất sẽ được tích luỹ hay chuyển hoá trong lòng quá trình. Các
hiện tượng này được phản ánh thông qua một số thông số kỹ thuật của quá trình
và được gọi là tín hiệu ra của quá trình. Thông số kỹ thuật đặc trưng nhất cho
các hiện tượng xảy ra trong quá trình được chọn làm đại lượng cần điều chỉnh y.
Tác động ảnh hưởng lớn nhất lên đại lượng cần điều chỉnh được sử dụng làm tác
động điều chỉnh u.
GC(s) GP(s)
y(s) u(s) e(s) ysp(s)
Controller Process
Hỡnh 1.1: Sơ đồ kinh điển của cấu trúc điều khiển quá trình
-
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
12 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Hai tính chất cơ bản của quá trình là khả năng tích luỹ hay còn gọi là tính
dung lượng và tính tự cân bằng. Nghiên cứu bản chất vật lý của quá trình chính
là nghiên cứu các tính chất của nó.
a. Tính dung lượng
Các quá trình điều khiển luôn luôn là khả năng tích luỹ môi trường hoạt
động, dự trữ nó trong lòng. Khả năng đó được gọi là khả năng tích luỹ của quá
trình hay còn gọi là dung lượng của quá trình. Quá trình có dung lượng càng nhỏ
thì tốc độ thay đổi của đại lượng cần điều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân
bằng giữa dòng ra và dòng vào dẫn đến quá trình điều chỉnh càng phức tạp.
Ngược lại dung lượng của quá trình càng lớn thì tốc độ thay đổi của đại lượng
cần điều chỉnh càng nhỏ, quá trình điều chỉnh càng đơn giản.
b. Tính tự cân bằng
Tính tự cân bằng là khả năng của quá trình sau khi có nhiễu tác động phá
vỡ trạng thái cân bằng của nó thì nó sẽ tự hiệu chỉnh trở lại trạng thái cân bằng
mà không tĩnh. Quá trình không có tính tự cân bằng được gọi là quá trình phi
tĩnh.
c. Mô tả đặc tính động học của quá trình
Là một phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động, đặc tính
động học của quá trình (đối tượng điều khiển) cần được xác định tường minh
dưới dạng mô tả toán học (ngoại trừ trường hợp điều khiển mờ thì đối tượng
không nhất thiết phải được mô tả tường minh dưới dạng toán học).
Đối với các quá trình phức tạp, đây là đặc trưng của các quá trình trong
công nghiệp, việc xác định mô tả toán học của nó không thể tiến hành theo
phương pháp giải tích bình thường mà phải tiến hành bằng phương pháp thực
nghiệm. Đặc tính động học của quá trình này được biểu diễn dưới dạng các đặc
tính thời gian.
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
13 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trên cơ sở hàm quá độ của quá trình có thể xác định gần đúng hàm truyền
đạt của nó. Do quá trình có hai loại cơ bản là quá trình có tính tự cân bằng và
quá trình không có tính tự cân bằng nên thường việc xác định hàm truyền đạt
cho hai loại này cũng khác nhau.
* Quá trình có tính tự cân bằng
Dạng tổng quát của hàm truyền đạt của quá trình có tính tự cân bằng được
mô tả như sau:
Ps
P P 0
G (s) K .G (s).e
Trong đó:
KP - hệ số truyền của quá trình
P - thời gian trễ, còn gọi là trễ vận chuyển.
m m 1
0 1 m 1
0 n n 1
0 1 n 1
b s b s ... b s 1
G (s) víi m n
a s a s ... b s 1
Quá trình gồm hai khâu mắc nối tiếp nhau là: Khâu trễ có hàm truyền đạt
Pse
và khâu tĩnh có hàm truyền đạt K.G0(s).
Trong thực tế khâu tĩnh có thể được lấy gần đúng một trong 4 dạng sau:
khâu quán tính bậc nhất, khâu quán tính bậc nhất có trễ, khâu bậc hai và bậc hai
có trễ.
- Khi khâu tĩnh là khâu quán tính bậc nhất thì quá trình có hàm truyền đạt
dạng:
G0(s).KP pse
GP(s)
Process
Hình 1.3: Hàm truyền của quá trình có tính tự cân
bằng
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
14 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
PsP
P
P
K
G (s) e
1 s
- Khi khâu tĩnh là khâu quán tính bậc nhất có trễ thì quá trình được mô tả
bằng hàm truyền đạt dạng:
P( )sP
P
P
K
G (s) e
1 s
Trong đó: được gọi là trễ dung lượng.
- Khâu tĩnh có hàm bậc hai và bậc hai có trễ thường ít gặp hơn trong các
bài toán điều khiển.
* Quá trình không có tính tự cân bằng
Quá trình mà trong cấu trúc của nó có thành phần tích phân thì sẽ không
có tính tự cân bằng. Hàm quá độ của nó tiến xa vô cùng. Hàm truyền đạt của các
quá trình không có tính tự cân bằng được mô tả dưới dạng tổng quát như sau:
Ps
P P 0
1
G (s) K .G (s).e
s
Trong đó: KP - hệ số truyền của quá trình
P - thời gian trễ
G0(s) - hàm truyền đạt của thành phần tĩnh có dạng tổng quát:
m m 1
0 1 m 1
0 n n 1
0 1 n 1
b s b s ... b s 1
G (s) víi m n
a s a s ... b s 1
G0(s).KP pse
GP(s)
Process
Hình 1.4: Hà m truyền của quá trình không có tính tự
cân bằng
1
s
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
15 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trong thực tế hàm truyền đạt của quá trình không có tính tự cân bằng
được mô tả gần đúng bằng một trong 4 dạng sau:
- Khâu tích phân đơn thuần:
P
P
1
G (s)
s
- Khâu quán tính tích phân:
P
P
P
K
G (s)
(1 s)s
- Khâu tích phân có trễ:
Ps
P
P
1
G (s) e
s
- Khâu quán tính tích phân có trễ:
PsP
P
P
K
G (s) e
(1 s)s
1.2. cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình
Hình 1.5 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình
1.2.1. Cơ cấu chấp hành
1.2.1.1. Van
*Van tiết lưu:
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
16 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Là van điều khiển lưu lượng được minh hoạ trên hình 1.4. Đây là một
dạng van kim với đầu côn để có thể điều chỉnh được lưu lượng đi đến xi lanh
hay động cơ thuỷ lực. Chính vì vậy có thể điều khiển được tốc độ của xilanh
thuỷ lực. Nhược điểm của van này là khi tải tăng, tốc độ của pittông trong xilanh
giảm làm cho áp tăng. Chênh lệch áp từ bơm và đầu ra của van kim giảm dẫn
đến lưu lượng giảm. Để giữ cho tốc độ pittông không đổi phải tăng áp của bơm.
Để khắc phục nhược điểm này người ta thiết kế ra loại van tiết lưu cân bằng áp
hình 1.6
Khi có tải lớn áp trên đầu của van t