Điều khiển nhiệt độ

Trong mọi hoạt động của con người ở bất cứ lĩnh vực nào, bất cứ vị trí nào đều liên quan đến hai từ điều khiển.

Sinh viªn thùc tËp NguyÔn Ngäc TuÊn CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN I_1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN: Trong mọi hoạt động của con người ở bất cứ lĩnh vực nào, bất cứ vị trí nào đều liên quan đến hai từ điều khiển. Trong khoa học tồn tại một ngành khoa học đã và đang phát triển mạnh mẽ gọi là điều khiển học. Điều khiển học là khoa học nghiên cứu về các quá trình thu thập, xử lí tín hiệu và điều khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học công nghệ, môi trường thiên nhiên v.v Điều khiển học kĩ thuật là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lí tín hiệu và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kĩ thuật. Cơ sở lí thuyết của điều khiển học kĩ thuật là lí thuyết điều khiển tự động. Cơ sở lí thuyết điều khiển tự động là phần lí thuyết cơ bản của lí thuyết điều khiển tự động. Khái niệm điều khiển được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó. Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động. Điều chỉnh là một khái niệm hẹp hơn của điều khiển. Điều chỉnh là tập hợp tất cả các tác động nhằm giữ cho một tham số nào đó của quá trình ổn định hay thay đổi theo một qui luật nàp đó. Tham số này gọi là tham số cần điều chỉnh. Cơ sở lí thuyết điều khiển tự động chỉ nghiên cứu các quá trình trong hệ thống điều chỉnh tự động. Líp K10C – T§H 1 Sinh viên thực tập Nguyễn Ngọc Tuấn Mt h thng iu chnh t ng bao gm hai thnh phn c bn l i tng iu chnh(TC) v thit b iu chnh(TBC). TC k thnh phn tn ti khỏch quan cú tớn hiu ra l i lng cn iu chnh v nhim v c bn ca ỡu chnh l phi tỏc ng lờn u vo ca TC sao cho i lng cn iu chnh t c giỏ tr mong mun. TBC l tp hp tt c cỏc phn t ca h thng nhm mc ớch to ra giỏ tr iu chnh tỏc ng lờn ụớ tng. Giỏ tr ny c gi l tỏc ng iu chnh. i lng cn iu chnh cũn gi l i lng ra ca h thng iu chnh t ng. Nhng tỏc ng t bờn ngoi lờn h thng c gi l tỏc ng nhiu. Phng phỏp TBC to ra tớn hiu iu chnh gi l phng thc iu chnh (iu khin). Cú ba phng thc iu chnh l : phng thc iu chnh theo chng trỡnh, phng thc bự nhiu v phng thc iu chnh theo sai lch. Trong phng thc iu chnh theo chng trỡnh, tớn hiu iu chnh c phỏt ra do mt chng trỡnh nh sn trong TBC. Vi phng thc bự nhiu, tớn hiu iu chnh c hỡnh thnh khi xut hin nhiu lon tỏc ng lờn h thng. Tớn hiu iu chnh phỏt ra nhm bự li s tỏc ng ca nhiu lon gi cho giỏ tr ca i lng cn iu chnh khụng i. Vỡ vy h thng bự nhiu cũn c gi l h thng iu khin bt bin. Trong k thut thng s dng phng thc iu khin theo sai lch. Tớn hiu iu khin õy c hỡnh thnh do cú s sai lch gia giỏ tr mong mun v giỏ tr o c ca i lng cn iu chnh. S cu trỳc h thng iu chnh t ng tỏc ng theo phng thc sai lch c mụ t trờn hỡnh 1 - 1 : Lớp K10C TĐH 2 Sinh viên thực tập Nguyễn Ngọc Tuấn Z TBC TBSS KCN CCCH TBCN TB Hỡnh 1 -1 : S cu trỳc h thng iu chnh t ng Trong ú : TBC- Thit b t giỏ tr ch o x, l gớa tr mong mun ca i lng cn iu chnh. TBSS- Thit b so sỏnh giỏ tr ch o x v giỏ tr o c y ca i lng cn iu chnh xỏc nh giỏ tr sai lch e = x- y. Giỏ tr x cũn c gi l giỏ tr nhiu t trc. KCN- Khi chc nng nhm to ra tớn hiu iu chnh U theo giỏ tr sai lch e : U = f(e). CCCH- C cu chp hnh thc hin tỏc ng iu chnh U lờn TC. TBCN- Thit b cụng ngh cú tớn hiu ra l i lng cn iu chnh. TB- Thit b o xỏc nh giỏ tr y ca i lng cn iu chnh. z- Tỏc ng nhiu ph ti l nhng tỏc ng t bờn ngoi lờn h thng m chỳng ta khụng mong mun. H thng iu chnh t ng cú th mụ t bng hai thnh phn chớnh l TC v TBC. Khi kho sỏt h thng chung ta ch kho sỏt cho mt nhiu c th cũn cỏc nhiu khỏc tớnh bng khụng. Hỡnh 1- 2 mụ t h thng iu Lớp K10C TĐH 3 Sinh viªn thùc tËp NguyÔn Ngäc TuÊn chỉnh tự động những tác động cho những tác động nhiễu khác nhau. Hình 1- 2a mô tả hệ thống điều chỉnh chịu tác động của nhiễu đặt trước x còn hình 1- 2b mô tả nhiễu phụ tải z. Hình 1- 2 : Mô tả hệ thống điều chỉnh tự động với tác động nhiễu khác nhau a - Nhiễu mặt trước ; b – Nhiễu phụ tải Hệ thống điều chỉnh tự động luôn luôn tồn tại ở một trong hai trạng thái : trạng thái xác lập(trạng thái tĩnh) và trạng thái quá độ(trạng thái động). Trạng thái xác lập là trạng thái mà tất cả các đại lượng của hệ thống đèu đạt được giá trị không đôỉ. Trạng thái quá độ là trạng thái kể từ thời điểm có tác động nhiễu cho đến khi hệ thống đạt được trạng thái xác lập mới. Lí thuyết điều khiển tự động tập trung cơ bản mô tả và phân tích trạng thái quá độ của hệ thống. Trạng thái xác lập đánh giá độ chính xác của quá trình điều chỉnh. Nừu ở trạng thái xác lập vẫn còn tồn tại sai lệch giưã tín hiệu chủ đạo và tín hiệu đo được thì giá trị sai lệch này được gọi là sai lệch dư( hay còn gọi là sai lệnh tĩnh) và được ký hiệu là ∂ , còn hệ thống được gọi là hệ thống có sai lệch dư. Nếu ∂ =0 thì hệ thống được gọi là hệ thống không có sai lệch dư. I- 2. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG: Có rất nhiều cách phân loại hệ thống điều chỉnh tự động. Mục đích của phần này không phải đi sâu các cách phân loại hệ thống điều chỉnh tự động mà chỉ đi sâu một cách phân loại nhằm giúp bạn đọc thấy được vị trí giới hạn Líp K10C – T§H x TBĐC ĐTĐC y a ĐTĐC TBĐC 4 Sinh viªn thùc tËp NguyÔn Ngäc TuÊn phần lý thuyết mà mình nghiên cứu. Với mục đích đó hệ thống đièu chỉnh tự động được phân làm hai loại chính phụ thuộc vào tính chất của các phần tử thuộc hệ thống là: hệ thống tuyến tính và hệ thống phi tuyến tính. Việc phân loại hệ thống ĐKTĐ có thể thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau. Ở đây ta nghiên cứu các loại hệ thống ĐKTĐ điển hình và hiện có sau đây: 1- Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính. 2- Hệ thống phi tuyến tính. 3- Hệ thống liên tục: Các tín hiệu tác động trong hệ thốnglà các hàm liên tục theo thời gian. 4- Hệ thống rời rạc hay hệ thống xung – số(Hệ thống gián đoạn): Trong đó chỉ cần có một tín hiệu là hàm rời rạc theo thời gian. 5- Hệ thống tiền định: Là hệ thống trong đó tất cả các tín hiệu truyền đạt là các hàm theo thời gian đã được xác định( không có tín hiệu ngẫu nhiên). 6- Hệ thống ngẫu nhiên: Là hệ thống trong đó chỉ cần có một tín hiệu là một hàm ngẫu nhiên. 7- Hệ thống tối ưu: Là một hệ thống điều khiển phức tạp, trong đó thiết bị điều khiển có chức năng tổng hợp được một tín hiệu điều khiển u(t) tác động nhằm chuyển trạng thái ĐKTĐ từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối với khoảng thời gian ngắn nhất. 8- Hệ thống thích nghi( hay còn gọi là hệ thống tự điều chỉnh): Là hệ thống có khả năng thích ứng một cách tự động những biến đổi của điều kiện môi trường và đặc tính của đối tượng điều khiển bằng cách thay đổi tham số và cấu trúc sơ đồ cuae thiết bị điều khiển. Nếu tất cả các phần tử của hệ thống đều là tuyến tính thì hệ thống được gọi là hệ phi tuyến tính. Đặc trưng cơ bản nhất của các phần tử tuyến tính là chịu tác động của nguyên lý xếp chồng. Nghĩa là khi có một tổ hợp tión hiệu tác động ở đâud vào của phần tử thì tín hiệu sẽ ra bằng tổ hợp tương ứng của Líp K10C – T§H 5 Sinh viªn thùc tËp NguyÔn Ngäc TuÊn các tín hiệu ra thành phần.Hệ thống phi tuyến tính khồn chịu tác động của nguyên lý này. Theo tính chất truyền tìn hiệu hệ thống tuyến tính lại được phân làm hai loại: Hệ thống liên tục và hệ thống gián đoạn. Nếu thông tin được truyền đi trong hệ thống liên tục ở tất cả các mắt xích thì hệ thống được gọi là hệ thống tuyến tính liên tục. Nếu tại một mắt xích nào đó thông tin bị gián đoạn thì hệ thống được gọi là hệ thống tuyến tính gián đoạn. Hình 1 – 3 chỉ ra sự phân loại của hệ thống điều chỉnhtự động tuyến tính liên tục (HTTTLT): HTTTLT HTTT HTTN HTH HTK HCT HTC HTƯ HBN HCTr HOD HTD HTHH Hình 1-3: Sơ đồ phân loại hệ thống điều chỉnh tự động tuyến tính liên tục Dựa vào lượng thông tin thu thập được ban đầu về ĐTDC và tính chất của nó mà phải xây dựng được hệ thống TBĐC thích hợp bảo đảm được chất lượng của điều chỉnh. Từ đấy HTTTLT được phân thành hai loại là hệ thống điều chỉnh thông thường HTTT và hệ thống điều chỉnh tự thích nghi HTTN. Líp K10C – T§H 6 Sinh viên thực tập Nguyễn Ngọc Tuấn HTTT c xõy dng cho nhng i tng m cỏc thụng tin ban u v chỳng phi y . Trong h thng ny cu trỳc v tham s ca TBC l khụng i i vi TC c th. i vi nhng TC m cỏc thụng tin ban u khụng y hay quỏ trỡnh cụng ngh cú yờu cu c bit thỡ HTTT khn ỏp ng c. Vỡ vy phi xõy dng HTTN. i vi HTTN ngoi cu trỳc thụng thng ra trong TBC cũn cú mt s thit b c bit khỏc thc hin chc nng riờng ca nú nhm bo m cht lng cu quỏ trỡnh iu chnh. HTTT c phõn ra lm hai loi l h thng iu chnh h HTH v h thng iu chnh kớn HTK. i vi h thng iu chnh h tớn hiu ca i lng cn iu chnh khụng c s dng trong quỏ trỡnh to ra tỏc ng iu khin . Phng thc iu khin õy l phng thc bự nhiu trong h thng bự nhiu HBN hoc phng thc iu khin theo chng trỡnh trong h thng iu chnh theo chng trỡnh HCTr. S cu trỳc ca HTH c mụ t trờn hỡnh 1- 4. Trong ú TB l thit b o nhiu : Z TB TBC U TC Y TBC U TC Y a) b) a - H thng bự nhiu ; b - H thng iu chnh theo chng trỡnh HTK tỏc ng theo phng thc iu khin theo sai lch. Tớn hiu o c ca i lng cn iu chnh c ua phn hi tr li u vo ca h thng v c s dng trong quỏ trỡnh to ra tỏc ng iu khin U. S cu trỳc chue o X m HTK c phõn ra thnh h thng t ng n nh HO. h thng iu chnh theo chng trỡnh HCTr v h thng theo dừi HTD. Lớp K10C TĐH 7 Sinh viªn thùc tËp NguyÔn Ngäc TuÊn Trong HOD x = const, TBĐC luôn luôn giữ cho đại lượng cần điều chỉnh ổn định ở giá trị này. Còn trong HCTr giá trị x thay đổi theo một chương trình định sắn. TBĐC phải bảo đảm cho đại lượng cần điều chỉnh bám theo đường chương trình với một độ chính xác cần thiết. Đối với HTD giá trị x không biết trước. Nó được xác định thông qua một hệ thống thiết bị đo một đại lượng đích nào đó mà TBĐC phải tác động để cho đại lượng cần điều chỉnh luôn luôn theo sát đại lượng này. Sơ đồ cấu trúc HTĐ được mô tả trên hình 1- 5 ĐẠI LƯỢNG ĐÍCH TBĐ x e TBĐC U ĐTĐC Y Hình 1- 5 : Sơ đồ hệ thống theo dõi TBĐ - thiết bị đo Hệ thống điều chỉnh hỗn hợp HTHH là sự kết hợp của HOD với HBN để nhằm mục đích nâng cao chất lượng của quá triònh điều chỉnh. Sơ đồ cấu trúc của HTHH được mô tả trên hình 1- 6. Thiết bị bù TBB ở đay đóng vai trò kết hợp với TBĐC để tạo ra tín hiệu sao cho giá trị y không đổi khi có sự tác động của nhiễu x. z TBB x _ y _ TBĐC ĐTĐC Hình 1- 6: Hệ thống điều chỉnh hỗn hợp HTTN được chia thành ba loại chính là hệ thống điều chỉnh cực ttrị HCT, hệ thống điều chỉnh với thiết bị tự chỉnh định HTC và hệ thống điều Líp K10C – T§H 8 Sinh viên thực tập Nguyễn Ngọc Tuấn khin ti u HT. Khi i lng cn iu chnh cú cu tr v chỳng ta mong mun nú luụn luụn tn ti im cc ttr ny thỡ phi s dng HTC. S cu trỳc ca nú c mụ t trờn hỡnh 1- 7. Thit b tỡm cc tr TBTCT thc hin chc nng tỡm giỏ tr cc tr y c v y cng t cc tr thỡ e = 0 v h thng t trng thỏi xỏc lp. Nh vy i lng cn iu chnh luụn luụn c gi giỏ tr cc tr. Sai s ca iu chnh õy ph thuc vo chớnh xỏc ca giỏ tr cc tr tỡm c v chớnh xỏc ca h thng iu chnh . TBTCT Y c e TBC U TC Y _ Hỡnh 1 -7: S cu trỳc ca h thng iu chnh cc tr Trong HTC ngoi cỏc cu trỳc thụng thng ca TBC cũn cú thit b t chnh nh cu trỳc hoc thụng s ca TBC. S ca h thng ny c mụ t trờn hỡnh 1- 8. Thit b t chnh TBTC thc hin chc nng xỏc nh cu trỳc thớch hp ca TBC hoc xỏc nh thụng s ti u ca nú v thc hin s thay i cu trỳc hoc thụng s ca TBC cho thớch hp vi kt qu m nú ó xỏc nh. TBTC x e U y TBC TC _ Hỡnh 1- 8: S cu trỳc ca h thng iu chnh vi thit b t chnh nh Lớp K10C TĐH 9 Sinh viªn thùc tËp Ngun Ngäc Tn Lí thuyết HTC là một bước phát triển lớn của lí thuyết điều khiển tự động. Tuy nhiên nó chỉ giải quyết được vấn đề xác định cấu trúc hoặc tham số tối ưu của TBĐC cho thời điểm cụ thể của hệ thống điều chỉnh tự động mà khơng giải quyết vấn đề tối ưu cho tồn bộ hệ thống nói chung theo một chỉ tiêu tối ưu cụ thể như về tiêu hao năng lượng hoặc rút ngắn thời gian v.v .Bài tốn này được giải quyết bằng hệ thống điều chỉnh tối ưu HTƯ. Lí thuyết HTƯ được thực thi trong thực tế nhờ sự phát triển mạnh của kĩ thuật tính tốn. HTƯ là sự kết hợp của thiết bị tính tốn và điều khiển TBTTĐK với ĐTĐC thơng qua các bộ chuyển đổi tương tự số TT- S, số tương tự S- TT và các CCCH. Sơ đồ khối của nó được mơ tả trên hình 1- 9 CHỈ TIÊU TỐI ƯU VÀ THUẬT TỐN TBTTĐK S - TT CCCH ĐTĐC ĐIỀU KHIỂN TT - S Hình 1- 9: Sơ đồ hệ thơng điều khiển tối ưu Hệ thống điều chỉnh tự động tuyến tính gián đoạn được phân ra thành ba loại là: điều chỉnh vị trí, hệ thống điều khiển xung và hệ thống điều khiển số phụ thuộc vào phương pháp lượng tử hố. Việc phân loại này được giới thiệu cụ thể trong phần II. Líp K10C – T§H 10 [...]... vào của bô điều khiển Bộ điều khiển cho tín hiệu ra chính là sai lệch giưũa lượng đặt và phản hồi để điều khiển ServoVan Tuỳ thuộc vào tín hiệu điều khiển mà ServoVan có thể đónh hoặc mở Thực chất ở đây chính là điều khiển tốc độ động cơ của ServoVan III_ 1_2 Nội dung các bài thí nghiệm: III_1_2_1 Điều khiển bơm theo kiểu on/ off : a Lý thuyết: - Luật điều khiển ON/ OFF được dùng để điều khiển mức nước... NguyÔn Ngäc TuÊn CHƯƠNG II: CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN II_ 1 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ P: Hoạt động tỷ lệ có nhiệm vụ làm giảm biên độ sai lệch điều khiển e(t) Từ hình 2- 1 ta thấy giữa tín hiệu đầu ra u(t) và tín hiệu đầu vào e(t) của bộ điều khiển tỷ lệ có quan hệ tỷ lệ Đặc tính tĩnh của bộ điều khiển là tuyến tính: u(t)= Kp e(t) Khi có tín hiệu sai lệch e(t) bộ điều khiển có nhiệm vụ khuyếch đại lên Kp... ứng ổn định của một hệ điều khiển như thế nào Khi ta muốn cải thiện tính năng quá độ có thể dùng bộ điều khiển tỷ lệ- vi phân (PD) Điều khiển vi phân có ích vì nó đáp ứng được với tốc độ thay đổi của sai số e(t), nó có thể tạo ra một sự sửa chữa đáng kể trước khi biên độ của sai lệch điều khiển e(t) trở nên lớn Ta hãy xét ý nghĩa vật lý của việc đưa đạo hàm vào quy luật điều khiển : e(t) 0 t1 t2 t... làm giảm khuynh hướngdao động Vì tác động vi phân đáp ứng với tốc độ thay đổi của đầu ra nên gọi là tác động tốc độ Khoảng thời gian T d gọi là tốc độ suất hoặc còn gọi là thời gian sớm lên được tính bằng phút Còn hệ số khuyếch đại Kinh doanh là khoảng thời gian T d mà trong đó tác động vi phân làm cho tác động hình thành bởi điều khiển tỷ lệ sớm hơn Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID được giưới thiệu... bộ điều khiển có cấu trúc tích phân thì tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển u(t) tỷ lệ với tích phân thời gian của sai lệch điều khiển e(t) theo phương trình : U(t) = 1 T1 ∫e(t ) dt hoặc U(s) = E (s) T 1.s Trong đó : T1 là thời gian tích phân Hệ thống với bộ điều khiển tích phân được giới thiệu trên hình (2- 2a).Phương trình trên chỉ rõ tác động điều khiển u(t) tiếp tụctăng mãi chừng nào sai số điều khiển. .. đôi hoặc lặp lại tác động tỷ lệ một lần nữa được xác định bằng tốc độ lặp lại T1 fn(t) x(t) e(t) BỘ ĐIỀU u(t) KHIỂN ĐỐI y(t) TƯỢNG z(t) G0(s) ĐO LƯỜNG Hình (2- 11a) h(t) u(t) Kp e(t) l 0 t Ti Hình (2- 11b) Líp K10C – T§H 24 Sinh viªn thùc tËp NguyÔn Ngäc TuÊn a) sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PID b) Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID Như đã trình bày ở mục II, tác động điều khiển vi phân có khuynh... 10)Đặc tính tần số biên và pha Logarit của bộ điều khiển PD thực Từ đặc tính tần số biên và pha được giưới thiệu trên hình (2- 10) ta thấy rằng bộ điều khiển tỷ lệ- vi phân thực có góc pha sớm suốt một khoảng các tần số nên bộ điều khiển này gọi là loại bù sớm Ngoài cấu trúc bộ điều khiển PD tương tự ta còn có cấu trúc của bộ điều khiển PD số Đối với bộ điều khiển PD số lý tưởng có phương trình sai phân... đồ khối của bộ điều khiển PID đcgiới thiệu trren hình (2- 11) Trong hoạt động của bộ điều khiển PID, hiệu quả của tác động điều khiển tích phân là loại trừ (khử) sự truyền tín hiệu tăng theo tỷ lệ, đặc biệt sự truyền tăng theo tỷ lệ của nhiễu lớn bằng cách hiệu chỉnh liên tục hoặc “lặp lại ”(đặt trở lại) đầu ra bị điều khiển, vì lý do đó đôi khi người ta gọi nó là tác động lặp lại Tốc độ mà tác dộng... quá độ rất ít nên lúc này bộ điều khiển PI họat động như bộ điều khiển tỷ lệ Nghĩa là đáp ứng đầu ra ổn định nhưng sai số vẫn còn lớn so với yêu cầu điều khiển Khi thời gian Ti giảm nhỏ (Ti ≤ 1) thì thành phần tích phân có tác động tích cực, đáp ứng quá độ vẫn chưa có dao động nhưng sai số xác lập bằng không Khi ta giảm nhỏ giá trị Ti đến một giá trị nào đó thì quá trình quá độ không còn đơn điệu nữa... khiển tỷ lệ- tích phân- vi phân Các bộ điều khiển có cấu trúc trên gọi là bộ điều khiển tỷ lệ- tích phân- vi phân gọi tắt là PID Bộ điều khiển PID được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động vì nó có hàm trễ lớn; đồng thời nó mang tất cả những ưu điểm của các bộ điều khiển P, PI, PD Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID có dạng: Líp K10C – T§H 23 Sinh viªn thùc tËp NguyÔn Ngäc TuÊn Gr(s) . Sinh vi n thực t p Nguy n Ngọc Tu n khin ti u HT. Khi i lng cn iu chnh cú cu tr v chỳng ta mong mun n lu n lu n tn ti im cc ttr ny thỡ phi s dng HTC.. iu chnh h t n hiu ca i lng cn iu chnh khụng c s dng trong quỏ trỡnh to ra t c ng iu khin . Phng thc iu khin õy l phng thc bự nhiu trong h thng bự nhiu