Ch 02 dac tinh phan tu

Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.01 Chương 02 Đặc tính chung phần tử HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.02 Chương ĐẶC TÍNH CHUNG • Các hệ thống điều khiển thường bao gồm loại phần tử khác – kết hợp phần tử điện, lỏng, khí, nhiệt • Những loại phần tử mơ tả thơng qua đặc tính chung: trở kháng, dung lượng, qn tính thời gian trễ • Bốn đặc tính chung định nghĩa dựa thông số: + Thông số 1: Lượng vật chất, lượng, khoảng cách + Thông số 2: Lực tác động hay để làm thay đổi biến định lượng + Thông số 3: Thời gian HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Chương 2.03 ĐẶC TÍNH CHUNG • Trở kháng: ngăn cản chuyển động vật thể lượng Nó đo tổng cần thiết để tạo nên đơn vị dòng điện, dòng lưu chất, dòng nhiệt, vận tốc • Dung lượng: tổng lượng vật chất, lượng, hay khoảng cách cần thiết để tạo nên thay đổi đơn vị • Quán tính (độ tự cảm): ngăn cản thay đổi trạng thái chuyển động Nó đo tổng cần thiết để gia tăng đơn vị dòng điện, dòng lưu chất, dòng nhiệt, vận tốc đơn vị thời gian (giây) • Thời gian trễ: khoảng thời gian thời điểm xuất tín hiệu vào thời điểm xuất tín hiệu tương ứng fo(t) = fi(t - td) HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.04 Chương 2.1 PHẦN TỬ ĐIỆN Điện trở: tính chất vật liệu, ngăn cản chuyển động dịng điện Vật liệu dẫn điện tốt có giá trị điện trở thấp, cịn vật liệu cách điện có giá trị điện trở cao HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.05 Chương 2.1 PHẦN TỬ ĐIỆN Ví dụ: Một phần tử điện biết có đặc tính V-A tuyến tính Xác định điện trở phần tử điện áp sử dụng 24 V gây dòng 12 mA chạy qua phần tử Giải: Ví dụ: Bóng đèn phần tử điện có đặc tuyến V-A phi tuyến Xác định điện trở phần tử bóng làm việc điện V với thông tin đo sau: • 5.95 V gây dòng 0.500 A • 6.05 V gây dòng 0.504 A Giải: HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.06 Chương 2.1 PHẦN TỬ ĐIỆN Điện dung: lượng điện tích cần thiết để tạo nên thay đổi đơn vị điện áp Đơn vị điện dung farad (F) Lưu ý: HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.07 Chương 2.1 PHẦN TỬ ĐIỆN Ví dụ: Cho tín hiệu dịng điện có biên độ 0.1 mA chạy qua tụ điện khoảng thời gian 0.1 s, điện áp tụ tăng từ đến +25 V Hãy xác định giá trị điện dung tụ điện? Giải: HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.08 Chương 2.1 PHẦN TỬ ĐIỆN Điện cảm: lượng điện áp cần thiết để làm tăng đơn vị dòng điện giây Đơn vị điện cảm Henry (H) Lưu ý: HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.09 Chương 2.1 PHẦN TỬ ĐIỆN Thời gian trễ: khoảng thời gian cần thiết để truyền tín hiệu từ điểm nguồn đến điểm đích Đối với phần tử điện, tốc độ truyền lớn (từ 108 đến  108 m/s) so với phần tử khác hệ thống, ảnh hưởng thời gian trễ hệ thống điều khiển thường không xét đến HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.10 Chương 2.1 PHẦN TỬ ĐIỆN Ví dụ: (a) Xác định thời gian trễ cho đường truyền dài 600 m với vận tốc truyền 2.3  108 m/s (b) Phi thuyền không gian cách trái đất 2000 km truyền tín hiệu với vận tốc  108 m/s Xác định khoảng thời gian để tín hiệu truyền đến mặt đất Giải: (a) (b) HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Chương 2.26 2.3 PHẦN TỬ KHÍ Khối lượng khí: Ví dụ: Một nồi áp suất tích 0.75 (m3) Xác định dung lượng nồi chất khí dùng Nitơ nhiệt độ 20oC Giải: HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.27 Chương 2.4 PHẦN TỬ NHIỆT Nhiệt trở: đặc tính ngăn cản truyền nhiệt vật thể Nó đặc trưng chênh lệch nhiệt độ để tạo nên nhiệt lượng W (J/s) Thơng thường, dịng nhiệt xuất qua vách ngăn hai lưu chất (lỏng khí) có nhiệt độ khác Nhiệt xun qua vách từ lưu chất nóng đến lưu chất lạnh To Nhiệt trở đơn vị: Ti HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.28 Chương 2.4 PHẦN TỬ NHIỆT • Vách ngăn hai lớp chất lỏng (có nhiệt độ khác nhau) thường thành phần tổng hợp • Nếu hệ số dẫn nhiệt màng lưu chất h, nhiệt trở đơn vị màng là: • Nếu vật liệu cách nhiệt có bề dày x, độ dẫn nhiệt k, nhiệt trở đơn vị lớp cách nhiệt là: Nhiệt trở tổng tương đương: HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Chương 2.29 2.4 PHẦN TỬ NHIỆT Ví dụ: Một vách ngăn có lớp hình minh họa trên: lớp thép dày (cm) lớp vật liệu cách nhiệt dày (cm) Màng bên nguồn nước tĩnh (ở nhiệt độ 45oC) màng bên ngồi dịng khí (ở nhiệt độ 85oC) chuyển động với vận tốc (m/s) Nhiệt độ chệnh lệch Td nguồn nước bề mặt vách ước lượng 10oC Kích thước vách ngăn (m)  (m) Xác định nhiệt trở đơn vị, nhiệt trở tổng, nhiệt lượng truyền qua vách ngăn Cho biết độ dẫn nhiệt thép k1 = 45 W/m.K, với lớp cách nhiệt k2 = 0.036 W/m.K Giải: diện tích vách ngăn Hệ số dẫn nhiệt màng nước HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Hệ số dẫn nhiệt màng khí: Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.30 Chương HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong 2.4 PHẦN TỬ NHIỆT Nhiệt trở đơn vị Nhiệt trở tổng Nhiệt lượng truyền qua vách Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Chương 2.31 2.4 PHẦN TỬ NHIỆT lưu tự nhiên dịng khơng khí tĩnh Lớp cách nhiệt Lớp cách nhiệt Lớp cách nhiệt Lớp cách nhiệt • Đối Lớp cách nhiệt Hệ số dẫn nhiệt màng lưu chất điều kiện khác Lớp cách nhiệt • Đối lưu tự nhiên dịng nước tĩnh • Đối lưu tự nhiên dầu HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Chương 2.32 2.4 PHẦN TỬ NHIỆT • Đối lưu cưỡng dịng khơng khí ống thẳng trơn nhẵn va  4.6 (m/s) va va  4.6 (m/s) • Đối lưu cưỡng dịng nước rối ống thẳng vw HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.33 Chương 2.4 PHẦN TỬ NHIỆT Nhiệt dung: lượng nhiệt cần thiết để làm thay đổi đơn vị nhiệt độ Với m: khối lượng (kg) Sh: nhiệt dung riêng – nhiệt lượng cần thiết để nung nóng đơn vị khối lượng chất lên đơn vị nhiệt độ (J/kg.K) Ví dụ: Xác định nhiệt dung 8.31 m3 nước Đối với nước:  = 1000 (kg/m3) Sh = 4190 (J/kg.K) HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Chương 2.34 2.5 PHẦN TỬ CƠ Ma sát: đặc tính ngăn cản chuyển động hệ cơ, xác định lực cần thiết để tạo nên thay đổi đơn vị vận tốc - Xi lanh dầu ép cố định - Thanh piston nối với phận di động M - Dầu xi lanh chảy từ buồng đến buồng qua khe hở xi lanh piston - Lưu lượng dầu chảy qua khe hở tỷ lệ với vận tốc dịch chuyển khối M - Lực đẩy chất lỏng - hiệu áp (p2 – p1) tạo nên - ngược chiều với chiều chuyển động khối M tỷ lệ với tiết diên A piston HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Chương 2.35 2.5 PHẦN TỬ CƠ Trở kháng dòng chảy tầng – ma sát ướt Trở kháng ma sát ướt ma sát Coulomb - Miếng chặn tạo ma sát không đổi – độc lập với vận tốc khối M – gọi ma sát Coulomb Trở kháng dòng chảy rối HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Chương 2.36 2.5 PHẦN TỬ CƠ Ví dụ: Một thiết bị giảm chấn dùng máy đóng gói Dịng chảy giảm chấn chảy tầng Một lực 98 (N) thử nghiệm tạo nên chuyển động với vận tốc 24 (m/s) Xác định hệ số ma sát ướt Giải: HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.37 Chương 2.5 PHẦN TỬ CƠ Ví dụ: Một hệ gồm có khối lượng trượt mặt phẳng giảm chấn Đồ thị lực-vận tốc thể hình bên Xác định hệ số ma sát ướt, lực ma sát Coulomb, phương trình lực theo vận tốc HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Chương 2.38 2.5 PHẦN TỬ CƠ Cơ dung (thế năng): xác định lượng di động lò xo để tạo nên đơn vị lực Nghịch đảo dung gọi số lị xo (độ cứng), K Ví dụ: Một lò xo dùng để tạo nên hệ thống Một lực 100 (N) nén lò xo khoảng 30 (cm) Xác định dung số lò xo Giải: HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.39 Chương 2.5 PHẦN TỬ CƠ Quán tính: xác định lực cần thiết để tạo nên đơn vị gia tốc Nó định nghĩa định luật II Newton thành phần khối lượng mơ tả đặc tính hệ thống Ví dụ: Một xe A nặng 1500 (kg) Xác định lực trung bình cần thiết để gia tốc khối A từ (m/s) đến 27.5 (m/s) khoảng thời gian (s) Một xe B cần lực trung bình 8000 (N) để gia tốc từ (m/s) đến 27.5 (m/s) khoảng thời gian (s) Xác định khối lượng B Giải: ta có Xe A Xe B HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 2.40 Chương 2.5 PHẦN TỬ CƠ Thời gian trễ: thời gian cần thiết để di chuyển khối vật liệu từ nơi đến nơi khác HCM City Univ of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong