Các hệ thống điều khiển thường bao gồm các loại phần tử khác nhau – sự kết hợp giữa những phần tử điện, lỏng, khí, nhiệt và cơ. • Những loại phần tử này đều có thể được mô tả thông qua 4 đặc tính chung: trở kháng, dung lượng, quán tính và thời gian trễ
C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-1 Ch 2: Đặc tính chung của các phần tử • Các hệ thống điều khiển thường bao gồm các loại phần tử khác nhau – sự kết hợp giữa những phần tử điện, lỏng, khí, nhiệt và cơ. • Những loại phần tử này đều có thể được mô tả thông qua 4 đặc tính chung: trở kháng, dung lượng, quán tính và thời gian trễ. • Bốn đặc tính chung này được định nghĩa dựa trên 3 thông số: • Thông số 1: lượng vật chất, năng lượng, hoặc khoảng cách • Thông số 2: lực tác động hay thế năng để làm thay đổi những biến định lượng. • Thông số 3: thời gian C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-2 Ch 2: Đặc tính chung của các phần tử • Trở kháng: là sự ngăn cản chuyển động của vật thể hoặc năng lượng. Nó được đo bằng tổng các thế năng cần thiết để tạo nên một đơn vị dòng điện, dòng lưu chất, dòng nhiệt, hoặc vận tốc. • Dung lượng: là tổng lượng vật chất, năng lượng, hay khoảng cách cần thiết để tạo nên sự thay đổi một đơn vị thế năng. • Quán tính (độ tự cảm): là sự ngăn cản thay đổi trạng thái của chuyển động. Nó được đo bằng tổng các thế năng cần thiết để gia tăng một đơn vị dòng điện, dòng lưu chất, dòng nhiệt, hoặc vận tốc trong một đơn vị thời gian (giây). • Thời gian trễ: là khoảng thời gian giữa thời điểm xuất hiện tín hiệu vào và thời điểm xuất hiện tín hiệu ra tương ứng. f o (t) = f i (t - t d ) C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-3 2.1. Phần tử điện • Điện trở: là tính chất của vật liệu, nó ngăn cản chuyển động của dòng điện. Vật liệu dẫn điện tốt có giá trị điện trở thấp, còn vật liệu cách điện có giá trị điện trở rất cao. C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-4 2.1. Phần tử điện Thí dụ: Một phần tử điện được biết là có đặc tính V-A tuyến tính. Xác định điện trở của phần tử khi điện áp sử dụng là 24 V sẽ gây ra một dòng 12 mA chạy qua phần tử. Giải: Thí dụ: Bóng đèn là một phần tử điện có đặc tuyến V-A phi tuyến. Xác định điện trở của phần tử khi bóng làm việc ở điện thế 6 V với những thông tin đo được như sau: • 5.95 V gây ra dòng 0.500 A • 6.05 V gây ra dòng 0.504 A Giải: C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-5 2.1. Phần tử điện • Điện dung: là lượng điện tích cần thiết để tạo nên sự thay đổi một đơn vị điện áp. Đơn vị của điện dung là farad (F). Lưu ý: nếu thì và Thí dụ: Cho một tín hiệu dòng điện có biên độ 0.1 mA chạy qua một tụ điện trong khoảng thời gian 0.1 s, điện áp của tụ tăng từ 0 đến +25 V. Hãy xác định giá trị điện dung của tụ điện. C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-6 2.1. Phần tử điện • Điện cảm: là lượng điện áp cần thiết để làm tăng một đơn vị dòng điện trong một giây. Đơn vị của điện cảm là Henry (H). Lưu ý: nếu thì và Giải: C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-7 2.1. Phần tử điện • Thời gian trễ: là khoảng thời gian cần thiết để truyền một tín hiệu từ điểm nguồn đến điểm đích. Đối với phần tử điện, tốc độ truyền rất lớn (từ 2 10 8 đến 3 10 8 m/s) so với những phần tử khác trong hệ thống, vì thế sự ảnh hưởng của thời gian trễ này đối với hệ thống điều khiển thường không xét đến. C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-8 2.1. Phần tử điện Thí dụ: (a) xác định thời gian trễ cho một đường truyền dài 600 m với vận tốc truyền là 2.3 10 8 m/s. (b) Phi thuyền trong không gian cách trái đất 2000 km truyền đi một tín hiệu với vận tốc 3 10 8 m/s. Xác định khoảng thời gian để tín hiệu truyền đến mặt đất. Giải: (a) (b) C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-9 2.1. Phần tử điện Ví dụ: Một phần tử điện có đặc tuyến V-A phi tuyến. Xác định giá trị điện trở (động) của phần tử ở điểm làm việc có điện thế 4.06 (V) với những thông tin đo được như sau: * U 1 = 3.862 (V) I 1 = 0.0586 (A) * U 2 = 4.257 (V) I 2 = 0.0646 (A) •R = 65.904 () •R = 65.833 () •R = 65.898 () •R = 65.901 () •Đáp số? C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-10 2.2. Phần tử lỏng • Trở kháng: trở kháng của chất lỏng là đặc điểm của ống, van, tiết diện … mà làm cản trở chuyển động của dòng chảy. Nó được đo bằng sự thay đổi áp suất cần thiết để làm tăng một đơn vị lưu lượng. Mối quan hệ này được thể hiện qua phương trình dòng chảy. Có hai loại dòng chảy: chảy tầng và chảy rối - tùy thuộc vào trị số Reynolds. Với : khối lượng riêng của lưu chất (kg/m 3 ) v: vận tốc trung bình của dòng chảy (m/s) d: đường kính trong của ống dẫn (m) : hệ số nhớt tuyệt đối của lưu chất (kg/m.s) Dòng chảy tầng Re 2000 Dòng chảy rối Re 4000 [...]... thuật điều khiển tự động 2-28 2.4 Phần tử nhiệt Nhiệt trở đơn vị Nhiệt trở tổng Nhiệt lượng truyền qua vách C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-29 2.4 Phần tử nhiệt Lớp cách nhiệt 2 Lớp cách nhiệt 1 Lớp cách nhiệt 1 • Đối lưu tự nhiên đối với dòng không khí tĩnh Lớp cách nhiệt 2 Hệ số dẫn nhiệt của màng lưu chất trong những điều kiện khác nhau Lớp cách nhiệt 1 Lớp cách nhiệt 2 • Đối lưu tự nhiên... Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-26 2.4 Phần tử nhiệt Vách ngăn hai lớp chất lỏng (có nhiệt độ khác nhau) thường là một thành phần tổng hợp Nếu hệ số dẫn nhiệt của màng lưu chất là h, thì nhiệt trở đơn vị của màng là: Nếu vật liệu cách nhiệt có bề dày là x, và độ dẫn nhiệt là k, thì nhiệt trở đơn vị của lớp cách nhiệt là: C.B Pham Nhiệt trở tổng tương đương: Kỹ thuật điều khiển tự động 2-27 2.4... nhiệt 2 • Đối lưu tự nhiên đối với dòng nước tĩnh • Đối lưu tự nhiên đối với dầu C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-30 2.4 Phần tử nhiệt • Đối lưu cưỡng bức đối với dòng không khí trong ống thẳng trơn nhẵn nếu va 4.6 (m/s) va nếu va 4.6 (m/s) • Đối lưu cưỡng bức đối với dòng nước rối trong ống thẳng vw C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-31 2.4 Phần tử nhiệt • Nhiệt dung: là lượng nhiệt... chiều với chiều chuyển động của khối M và tỷ lệ với tiết diên A của piston C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-33 2.5 Phần tử cơ Trở kháng do dòng chảy tầng – ma sát ướt Trở kháng do ma sát ướt và ma sát Coulomb - Miếng chặn tạo ra một ma sát không đổi – độc lập với vận tốc của khối M – được gọi là ma sát Coulomb Trở kháng do dòng chảy rối C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-34 2.5 Phần tử... kính 2.1 (cm) và dài 65 (m) Giải: C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-19 2.2 Phần tử lỏng • Thời gian trễ: luôn xảy ra khi dòng lưu chất di chuyển từ điểm này đến điểm kia Thí dụ: Dòng lưu chất chảy trong một ống dài 200 m với đường kính 6 cm Lưu lượng dòng chảy là 0.0113 m3/s Hãy xác định thời gian trễ Giải: C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-20 2.3 Phần tử khí • Trở kháng: trở kháng của... xác về tốc độ dòng chảy khí C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-21 2.3 Phần tử khí Thí dụ: Đồ thị quan hệ giữa lưu lượng khí (W) với độ sụt áp (p) được cho ở hình bên dưới Xác định trở kháng của phần tử khí này khi lưu lượng dòng khí là 0.6 (kg/s) Trở kháng cần tìm là độ dốc của đường tiếp tuyến tại điểm làm việc C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-22 2.3 Phần tử khí Thí dụ: Một dòng không... lượng phân tử R: hằng số khí = 8.314 (J/K.mol) T: nhiệt độ tuyệt đối (K) C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-24 2.3 Phần tử khí Khối lượng khí: Thí dụ: Một nồi áp suất có thể tích là 0.75 (m3) Xác định dung lượng của nồi nếu chất khí được dùng là Nitơ ở nhiệt độ 20oC Giải: C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-25 2.4 Phần tử nhiệt • Nhiệt trở: là đặc tính ngăn cản sự truyền nhiệt của vật thể Nó... lượng dòng chảy tăng, giá trị trở kháng tăng theo C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-11 2.2 Phần tử lỏng Đối với dòng chảy tầng trong ống tròn: Công thức Hagen-Poiseuille: (Pa.s/m3) Đối với dòng chảy rối trong ống tròn: Công thức Fanning: Với Kt là hệ số chảy rối, C.B Pham , phụ thuộc thêm bởi hệ số ma sát f Kỹ thuật điều khiển tự động 2-12 2.2 Phần tử lỏng Thí dụ: Một nguồn dầu 15oC chảy dọc một... kháng và khoảng sụt áp trong ống Cho biết nguồn dầu có khối lượng riêng: = 880 (kg/m3), và hệ số nhớt: = 0.160 (Pa.s) C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-13 2.2 Phần tử lỏng Giải: • Chuyển đổi đơn vị: • Vận tốc trung bình: C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-14 2.2 Phần tử lỏng Thí dụ: Một nguồn nước 15oC chảy trong một ống thép có đường kính 0.4 (in) với lưu lượng dòng chảy là 6.0 (gal/min)... lượng riêng: = 1000 (kg/m3), và hệ số nhớt: = 0 001 (Pa.s) Giải: • Chuyển đổi đơn vị: • Vận tốc trung bình: C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-15 2.2 Phần tử lỏng Đây là dòng chảy rối, cần phải tính hệ số ma sát Hệ số chảy rối: C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 2-16 2.2 Phần tử lỏng • Dung lượng: dung lượng của phần tử lỏng được xác định bằng sự thay đổi thể tích cần thiết trong thùng