Baì giảng chi tiết môn lý thuyết điều khiển tự động dùng cho nghành máy tàu biển chuong 7

Chương VII Bộ điều chỉnh tự động 7.1 Khái niệm Bộ điều chỉnh tự động thực nhiệm vụ xác định phần tử cho trước Trên sở tác động phần tử cho trước phần tử cảm ứng điều chỉnh tạo tác động điều chỉnh thông qua phần tử thực với cấu điều chỉnh tác động lên đối tượng điều chỉnh để giữ không đổi làm thay đổi thông số điều chỉnh theo ý muốn người Khi hệ thống tự động điều chỉnh làm việc phần tử cảm ứng liên tục đo độ lệch đại lượng điều chỉnh, tác động điều chỉnh cấu thực liên tục gián đoạn 7.2 Phân loại điều chỉnh tự động Trên thực tế điều chỉnh phân loại theo dấu hiệu sau: Theo tính chất đại lượng điều chỉnh phân loại thành: - Bộ điều chỉnh nhiệt độ - Bộ điều chỉnh áp suất - Bộ điều chỉnh vòng quay vv Theo liên kết với khuếch đại - Bộ điều chỉnh hoạt động trực tiếp (không sử dụng khuếch đại) - Bộ điều chỉnh hoạt động tián tiếp - có sử dụng khuếch đại làm tăng tín hiệu tác động điều chỉnh Theo tính chất tác động điều chỉnh lên cấu điều chỉnh - Bộ điều chỉnh hoạt động liên tục - Bộ điều chỉnh hoạt động gián đoạn Theo xung lượng mà điều chỉnh nhận - Bộ điều chỉnh xung - Bọ điều chỉnh hai xung - Bộ điều chỉnh nhiều xung Theo tính tuyến tính tín hiệu - Bộ điều chỉnh hoạt động mang tính tuyến tính - Bộ điều chỉnh hoạt động mang tính phí tuyến Theo quy luật điều chỉnh - Xác định phản ứng Bộ điều chỉnh (tín hiệu ra) tín hiệu vào thay đổi theo thời gian phân loại - Bộ điều chỉnh tỷ lệ (P) - Bộ điều chỉnh tích phân I - Bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân PI - Bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân - vi phân PID Theo số lượng chế độ điều chỉnh 138 - Bộ điều chỉnh chế độ - Bọ điều chỉnh hai chế độ - Bộ điều chỉnh nhiều chế độ 7.2.1 Bộ điều chỉnh liên tục Đây điều chỉnh mà tác động điều chỉnh tạo liên tục suốt trình làm việc Hay nói cách khác điều chỉnh loại tạo tín hiệu điều chỉnh độ lệch đại lượng điều chỉnh so với giá trị ban đầu Trên hình 7.1 biểu thị thay đổi độ lệch đại lượng điều chỉnh ∆y so với giá trị ban yo cho trước tác động điều chỉnh u Trên hình 7.2 cho thấy điều chỉnh hoạt động liên tục ứng dụng thực tế Bộ điều chỉnh có cấu tạo từ hai phần tử bản: phần tử cảm ứng khuếch đại Phần tử cảm ứng thuộc dạng học bao gồm văng, lò xo, khớp trượt Còn khuếch đại thủy lực bao gồm van trượt điều khiển động trợ động Nguyên lý hoạt động điều chỉnh thể sau: Khi vòng quay ω tăng lên, văng văng xa trục quay, khớp trượt dịch chuyển lên kéo theo van trượt (2) dịch chuyển lên Khi rãnh động trợ động (3) thông với đường dầu cấp có áp suất cao, rãnh thông với đường dầu thoát Như độngười trợ động chuyển dịch xuống khoảng ∆y giảm lượng nhiên liệu vào động 139 Hệ thống động - điều chỉnh trở trạng thái cân trường hợp van trượt đóng hoàn toàn cửa rãnh dầu đến động trợ động Nếu độ lệch ∆ω piston động trợ động chuyển động trình điều chỉnh xảy Ưu điểm điều chỉnh hoạt động liên tục là: Có khả điều chỉnh độ lệch tĩnh ∆y trở không, hay nói cách khác điều chỉnh thuộc loại vô sai (không có sai số) Tuy nhiên có nhược điểm trình khai thác, thời gian điều chỉnh kéo dài, thường có độ điều chỉnh lớn ảnh hưởng tính quán tính phần tử hệ thống tự động 7.2.2 Bộ điều chỉnh ngắt quãng Đó điều chỉnh tạo tác động điều chỉnh không liên tục tác động lên cấu điều chỉnh đối tượng vv Đặc điểm tác động không liên tục nhiều dạng khác nhau: tác động theo kiểu xung, tác động theo kiểu rơle Về cấu tạo điều chỉnh loại gặp hai dạng Loại thứ có phần tử cảm ứng đo độ lệch thông số điều chỉnh theo kiểu xung khoảng thời gian ∆t theo nhịp độ đặn τ Biên độ xung tỷ lệ với độ lệch thông số điều chỉnh thay đổi Trên sở tín hiệu ban đầu này, điều chỉnh sinh tác động điều chỉnh U mang tính chất gián đoạn tác động lên cấu điều chỉnh Loại thứ phần tử cảm ứng đo liên tục đại lượng điều chỉnh tạo tác động điều chỉnh làm chuyển dịch cấu điều chỉnh có thời gian gián đoạn Trên hình 7.3 biểu thị điều chỉnh này: 140 So với điều chỉnh hoạt động liên tục phần điểm khác thiết bị tạo xung (6) khuếch đại Thiết bị cấu tạo từ xilanh, có piston quay có lỗ thoát dọc theo đường kính Khi lỗ thoát piston trung với lỗ thoát xilanh dầu vào thiết bị điều khiển sau đến động trợ động Nói chung nguyên lý hoạt động giống với điều chỉnh hoạt động liên tục khác chỗ piston động trợ động (4) chuyển dịch theo tín hiệu xung, tần số xung phụ thuộc vào tạo xung (6) 7.2.3 Bộ điều chỉnh tỷ lệ P Bộ điều chỉnh tỷ lệ thường ký hiệu P điều chỉnh thực quan hệ tỷ lệ tín hiệu tín hiệu vào Phương trình động điều chỉnh tự động có dạng: Y(t) = K(p) X(t) Ta xét vài trường hợp điều chỉnh tỷ lệ ứng dụng thực tế Trên hình 7.6 điều chỉnh tỷ lệ xung hoạt động liên tục, tác động trực tiếp điều chỉnh áp suất Bộ điều chỉnh có cấu tạo bao gồm phần tử cảm ứng - màng đàn hồi 1, phần tử cho trước lò xo 6, phần tử so sánh - truyền (2) 141 Trạng thái cân điều chỉnh xác lập có cân lực tạo áp suất lên mang đàn hồi (1) lực lò xo (6) Po.F = C(Z + mop) (1) Trong đó: Po: áp suất không khí trạng thái tĩnh F: diện tích có ích màng C Z độ cứng sức căng ban đầu lò xo mop: độ dịch chuyển truyền (2) Từ phương trình (1) viết: m op = − Z + F p o C (2) Mối quan hệ đặc tính tĩnh điều chỉnh m op = f(Po) Độ nghiêng đặc tính tĩnh phụ thuộc vào độ cứng lò xo Trên hình 7.6b cho thấy đường đặc tính tĩnh điều chỉnh có độ cứng C lớn đường Qua cho thấy giảm giá trị hệ số hạng thứ hai biểu thức làm cho độ không đồng điều chỉnh tăng lên (δa' > δa) Còn giảm sức căng ban đầu lò xo (Z1 < Z2) đặc tính tĩnh chuyển dịch song song đường vi thay đổi số hạng tự Z hệ số không đồng không thay đổi δa = δa'' điều chỉnh khả trì áp suất không thay đổi phụ tải thay đổi Bởi tăng phụ tải cách mở to van (5) điều chỉnh tăng độ mở cấu Trạng thái cân xác lập giá trị áp suất không khí nhỏ sức căng ban đầu lò xo nhỏ trước Khi phụ tải giảm trình hoạt động ngược lại áp suất không khí tăng lên so với áp suất ban đầu Bộ điều chỉnh loại thuộc loại điều chỉnh tĩnh có ∆y ≠ Nếu không tính đến lực quán tính chi tiết động lực ma sát biểu thức (2) viết dạng giá trị tuyệt đối sau: m p = −Z + F P C (3) P mp đại lượng áp suất điều chỉnh vị trí truyền chế độ động Hoặc viết dạng số gia giá trị cách lấy phương trình (3) trừ phương trình 142 ∆m p = F F (p − p o ) = ∆p C C (4) Có thể đưa phương trình động điều chỉnh dạng giá trị tuyệt đối dạng giá trị tương đối (không đơn vị) cách chia hai vế phương trình (4) cho (m pn) (vị trí cấu điều chỉnh chế độ định mức) nhân chia vế phải phương trình cho Pn (áp suất chế độ định mức) ta có: µp = Kp.ϕ (5) µp = -Kp.ϕ µp = ∆m p m pn ;ϕ = ∆p pn giá trị tương đối vị trí cấu điều chỉnh áp suất điều chỉnh Kp = F.p n hệ số khuếch đại điều chỉnh C.m pn Phương trình (5) biểu thị mối quan hệ tỷ lệ thông số điều chỉnh µp độ lệch thông số điều chỉnh ϕ Có nghĩa điều chỉnh hoạt động theo định luật tỷ lệ Một ví dụ khác độ điều chỉnh hoạt động theo định luật điều chỉnh tỷlệ thể h7.7 Nguyên lý hoạt động biểu sau: Giả định điều chỉnh trạng thái cân tĩnh, số vòng quay động n = const ứng với chế độ phụ tải Pe1 vị trí bơm cao áp với lượng cấp nhiên liệu cho chu trình h1 Lúc lực căng lò xo cân với lực ly tâm văng, van trượt vị trí đóng kín đầu có áp suất cao vào piston trợ động Nếu phụ tải động giảm, tốc độ quay động tăng lên, lực ly tâm thắng lực căng lò xo đẩy điểm A lên Thanh ABC quay quanh điểm C điểm B dịch lên làm cho van trượt mở thông đường dầu có áp suất cao P n vào khoang bên piston trợ động khoang bên thông với đường xả P x Piston trợ động dịch xuống dưới, đẩy phía giảm nhiên liệu, nhằm giảm tốc độ động Khi piston trợ động chuyển dịch xuống kéo theo điểm C dịch xuống lúc ABC quay quanh điểm A', điểm B' 143 dịch B, van trượt đóng kín cửa dầu piston trợ động dừng lại trình điều chỉnh lặp lặp lại điều chỉnh xác lập trạng thái cân Số vòng quay động trì ổn định ứng với chế độ phụ tải Trường hợp phụ tải động tăng lên trình điều chỉnh diễn ngược lại với trường hợp phụ tải động giảm Đai ốc cho phép hiệu chỉnh lực căng ban đầu lò xo, từ hiệu chỉnh tốc độ quay động mà điều chỉnh trì theo ý muốn người Khi tăng lực căng lò xo ban đầu số vòng quay n tăng lên ngược lại, giảm lực căng lò xo n giảm Bộ điều chỉnh hoạt động theo nguyên tắc độ lệch Sơ đồ chức hệ thống điều chỉnh biểu thị sau: Tác động nhiễu loạn T/h cho trước Phần tử cảm ứng Bộ khuếch đại Đối tượng điều chỉnh Phản hồi phụ ABC Hình 7.8 Bộ điều chỉnh tỷ lệ thuộc loại điều chỉnh hữu sai (có sai số) tức chế độ khai thác khác tác động nhiễu không giống đại lượng điều chỉnh (ω, n) trì giá trị lớn lò xo bị nén nhiều hơn, dẫn đến lực căng lò xo tăng lên cân với lực ly tâm Fĩ =Fit Fo + b∆Z = m R ω2 đây: Fo: lực căng ban đầu lò xo b: độ cứng lò xo ∆Z: độ biến dạng lò xo m: khối lượng văng R: bán kính quay văng ω: tốc độ góc Nếu F1x giá trị lớn đưa đến F 1t tăng thực tế m R gần không đổi ω phải tăng lên Mức độ sai phụ thuộc vào tỷ số truyền liên hệ ngược ABC Khi AB giảm (B dịch phía A) sai số giảm BC 144 Khi AB tăng (B dịch chuyển phía C) sai số tăng BC Tóm lại điều chỉnh tỷ lệ có đặc điểm sau: - Bộ điều chỉnh tỷ lệ thuộc loại điều chỉnh hữu sai (có số sai) - Bộ điều chỉnh tỷ lệ có tính ổn định tương đối tốt Nhờ có ưu điểm đó, điều chỉnh tỷ lệ dùng trang bị cho đối tượng ổn định, thông số điều chỉnh thay đổi lớn 7.2.4 Bộ điều chỉnh tích phân Bộ điều chỉnh hoạt động theo định luật điều chỉnh tích phân gọi điều chỉnh tích phân ký hiệu I Sơ đồ cấu trúc thể hình 7.9 Phương trình động điều chỉnh thể t u (t ) = ∫ e(t ).dt Ti (1) Trong đó: U: thông số điều chỉnh e: thông số vào Ti: thời gian tích phân hay gọi thời gian quân điều chỉnh Hàm truyền điều chỉnh G( P ) = U ( P) E( P ) = Ti p Nếu đầu vào điều chỉnh đặt tín hiệu đột biến đơn vị e(t) = 1(t) phương trình (1) sau lấy tích phân nhận được: u (t ) = t Ti Đây phương trình đường thẳng qua gốc toạ độ đặc tính động điều chỉnh Góc nghiêng đường đặc tính tín hiệu vào không đổi phụ thuộc vào thời gian tích phân Ti Khi thay đổi thời gian thông qua phận đặc biệt nhận họ đường thẳng thể hình 7.10 145 Trên hình 7.11 cho thấy ví dụ điều chỉnh tích phân Bộ điều chỉnh thuộc dạng điều chỉnh xung, hoạt động gián tiếp, điều chỉnh áp suất nước cấp vào nồi Đối tượng điều chỉnh bơm nước cấp, phụ tải xác định lưu lượng cột áp van 1, đường ống (2) Bộ điều chỉnh có cấu tạo gồm: phần tử cảm ứng áp suất - hộp xếp 14, phần tử cho trước - lò xo 11, thiết bị hiệu chỉnh tín hiệu cho trước c o êcu 10 Phần tử so sánh - truyền 13, thiết bị điều khiển ống phun Cơ cấu điều chỉnh Tấm chắn đặt trục 12 Khi làm việc, ống phun xảy biến đổi nước từ 8at thành động tạo cho nước chảy thành dòng Hai ống phun nhận dòng nước từ hai ống phun đưa vào động trợ động Trạng thái cân hệ thống xác lập chi 13 trở lại vị trí cân hay nói cách khác thông số điều chỉnh đạt giá trị ban đầu cho trước Trong trường hợp tổng mômen lực tạo áp suất nước màng hộp xếp sức căng lò xo 11 cân (bằng 0) Tấm chắn nằm vị trí trung gian, piston trợ động ngừng hoạt động Khi có tác động nhiễu lên đối tượng ví dụ tăng phụ tải Tức tăng độ mở van 1, áp lực nước trước van giảm xuống, 13 quay ngược chiều kim đồng hồ kéo theo chắn áp lực nước ống bên trái tăng bên phải giảm dẫn đến có chênh áp khoang piston trợ động làm cho piston động trợ động chuyển dịch lên tăng độ áp van tua bin lai bơm làm tăng vòng quay làm tăng áp suất bơm áp suất ban đầu Để thành lập phương trình động điều chỉnh, việc tổng hợp phương trình động phần tử cấu tạo nên hệ thống tìm biến thiên thông số điều chỉnh theo thời gian thông số vào thay đổi Độ lệch đại lượng vào điều chỉnh tính dương (+) 146 chúng tương ứng với độ lệch dương đại lượng điều chỉnh ngược lại Đối với cấu điều chỉnh độ lệch (+) ứng với vị trí mở van âm ứng với vị trí đóng ∆mp = i∆mc (1) ∆m = -∆mp (2) Trong đó: ∆mp, ∆mc, ∆m đại lượng độ lệch vị trí điểm truyền nối với piston động trợ động vị trí van i= bc tỷ số cánh tay đòn ac Mối quan hệ giá trị tuyệt đối lớn độ lệch điểm truyền van viết: mpmax = imcmax (3) mmax = -mpmax (4) Chia phương trình (1) (2) cho (3) (4) ta có: µp = µc (5) µ = -µp (6) Trong đó: µ = ∆m p ∆m c ∆ ;µc = ;µp = m max m c max m p max Đây giá trị tương đối độ mở van, đại lượng động trợ động, truyền Phương trình phần tử cấu tạo nên điều chỉnh sau: Phương trình phần tử cảm ứng η = Ku.ϕ Phương trình thiết bị điều khiển σ = η  dµ c  = σ Phương trình động trợ động  Ti dt   Phương trình cấu điều chỉnh µp = µc Từ phương trình tổng hợp lại ta nhận phương trình động điều chỉnh Tap dµ p dt =ϕ Trong đó: Tap Tc = δ u Tc thời gian tăng tốc điều chỉnh Ku µp: giá trị tương đối thông số điều chỉnh ϕ: giá trị tương đối thông số vào điều chỉnh Sau đặt (6) vào (7) nhận được: Tap dµ = −ϕ dt (8) Dấu phương trình (8) tương ứng với tác động điều chỉnh lên cấu điều chỉnh theo chiều đóng độ lệch đại lượng điều chỉnh dương (theo chiều mở) độ lệch đại lượg 147 điều chỉnh âm Có nghĩa dấu độ lệch đại lượng điều chỉnh vị trí cấu điều chỉnh không trùng Khi giải phương trình (8) điều kiện ban đầu (có giá trị không) thay đổi tuỳ ý độ lệch đại lượng điều chỉnh xác định độ lệch cấu điều chỉnh theo thời gian µ=− Tap t ∫ ϕ.dt (9) Qua cho thấy độ lệch cấu điều chỉnh tỷ lệ với tích phân theo thời gian độ lệch đại lượng điều chỉnh Nếu đại lượng vào không thay đổi ϕ = ϕo = const viết phương trình (9) dạng: µ=− ϕo t Tap cho thấy µ thay đổi liên tục theo quy luật đường thẳng t = T ap ta có µ = -ϕo có nghĩa thời gian tăng tốc điều chỉnh tích phân thời gian mà độ lệch tương đối đại lượng đật đến giá trị độ lệch đột biến đơn vị đại lượng vào Từ biểu thức (8) ta thấy có thông số điều chỉnh thay đổi khai thác làm thay đổi tính chất động học điều chỉnh số thời gian động trợ động Để điều chỉnh thông số phù hợp với điều kiện khai thác tác động van (6) hình 7.11 Khi đóng van làm tăng số thời gian mở làm giảm thời gian xuống van (7) sử dụng trường hợp cố (Để điều chỉnh tay mở hoàn toàn van 7) Khi nghiên cứu điều chỉnh tích phân cho thấy tín hiệu điều chỉnh (tác động điều chỉnh) phụ thuộc vào: - Giá trị độ lệch thông số điều chỉnh - Thời gian kéo dài độ lệch - Hằng số thời gian tích phân Nếu độ lệch (e) lớn số thời gian tích phân nhỏ tín hiệu điều chỉnh mạnh Nếu trình điều chỉnh xuất chí độ lệch điều chỉnh nhỏ, điều chỉnh tích phân loại trừ độ lệch theo biểu thức (10) có giá trị µ (tác động điều chỉnh) đạt giá trị không độ lệch ϕ có giá trị không Qua rút kết luận đặc tính hoạt động điều chỉnh tích phân không tức có khả trì thông số điều chỉnh sai số tĩnh Chính người ta gọi điều chỉnh loại thuộc dạng điều chỉnh tĩnh Khi nghiên cứu điều chỉnh tích phân rút số kết luận sau: - Bộ điều chỉnh tích phân thuộc dạng phi tĩnh, có khả trì thông số điều chỉnh với độ sai số tĩnh không - Thời gian điều chỉnh thường kéo dài - Độ lệch cực đại lớn - Khả làm việc điều chỉnh phụ thuộc vào số thời gian tích phân Trong khai thác thay đổi thông số thông qua việc thay đổi số thời gian động trợ động Nếu dung tích 148 đối tượng lớn chỉnh điều chỉnh nên để làm việc chậm, có nghĩa tăng số thời gian Thực tế người ta sử dụng điều chỉnh tích phân đối tượng điều chỉnh có thời gian T o nằm khoảng từ: 2S < To < 40S Và tỷ lệ To < 0,1 T T: số thời gian đối tượng số thời gian tích phân Ti = 5S ÷ 60 phút - Bộ điều chỉnh thường ứng dụng để điều chỉnh đối tượng tĩnh có thay đổi phụ tải chậm Bộ điều chỉnh loại tuyệt đối không sử dụng điều chỉnh đối tượng mang tính phi tuyến - đối tượng khả tự chỉnh 7.2.5 Bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân PI Bộ điều chỉnh hoạt động theo quy luật tỷ lệ - tích phân gọi điều chỉnh tỉ lệ - tích phân ký hiệu PI Trên thực tế điều chỉnh gọi tên khác nhau: Bộ điều chỉnh có liên hệ ngược mềm hay gọi điều chỉnh quân y u + + - e Kp Xo + CT G(p) = (1+ ) Tc.p Tc p a/ u Ti = K0.Tc y + Kp + K0 = K p - e Xo + CT Tc p b/ y u + + ΔKo e + - + Xo K +P Tp +1 c/ CT G ( p) = K p (1 + Kp = ) Ti p ; Ti = Tc K Hình 7.12 Bộ điều chỉnh PI xây dựng theo hai dạng sau: - Phần tử tạo tín hiệu điều chỉnh xây dựng cách đấu song song nối tiếp phần tử thành phần: tỷ lệ tích phân thể hình 7.12a, b 149 - Phần tử tạo tín hiệu xây dựng từ khuếch đại có thiết bị ổn định (liên hệ ngược) phần tử vi phân hình 7.12c Như nêu điều chỉnh hoạt động theo quy luật điều chỉnh P hợc I khả đảm bảo tốt kết hoạt động điều chỉnh trình phức tạp Cụ thể điều chỉnh tỷ lệ luôn làm việc có sai số điều chỉnh tĩnh, bọ điều chỉnh tích phân có thời gian điều chỉnh kéo dài có xu làm việc không ổn định trình điều chỉnh Còn điều chỉnh PI, kết hợp ưu điểm loại điều chỉnh nêu: làm việc ổn định, thời gian điều chỉnh ngắn có khả điều chỉnh với sai số tĩnh không Phương trình động điều chỉnh PI có dạng: t U ( t ) = K P e ( t ) + K ∫ e ( t ) dt (1)  U ( t ) = K p e ( t ) + Ti  t ∫e (t)  dt   (2) Trênhình 7.13 biểu thị đặc tính động điều chỉnh PI cho tín hiệu vào hàm đột biến đơn vị e = 1(t) Sau lấy tích phân ta có: U(t) = Kp.e + Kot (3) Qua đặc tính cho thấy tổng hợp thành phần P I thay đổi thông qua đại lượng Kp (vùng tỷ lệ) thời gian tích phânT i Trong điều chỉnh PI số tích phân đồng thời gọi thời gian tăng đôi u e u p e t Ti hình 7.13 Có thể hiểu thời gian mà sau tín hiệu phần tích phân tín hiệu phần tử tỷ lệ đầu vào điều chỉnh cho tín hiệu đột biến đơn vị thời gian ký hiệu Ti: Một ví dụ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân sử dụng thực tế điều chỉnh vòng quay quân (có liên hệ ngược mềm) 150 A B C 11 10 Hình 7.14 Đặc điểm cấu tạo điều chỉnh có giảm chấn 10 Trong xi lanh giảm chấn có chứa chất lỏng (thường dầu nhờn) Khoang bên bên xilanh giảm chấn nối thông với qua van tiết lưu 11 Tốc độ dịch chuyển tương đối xilanh giảm chất với piston hiệu chỉnh thông qua việc điều chỉnh độ mở van tiết lưu 11 Khi chế độ cân tĩnh, lò xo (ở điểm C) trạng thái tự Thanh ABC, lò xo giảm chấn tạo thành mối liên hệ ngược mềm Nguyên lý hoạt động điều chỉnh sau: Giả định điều chỉnh chế độ cân tĩnh, tốc độ vòng quay động trì ổn định giá trị no, ứng với phụ tải Pe, mức cấp nhiên liệu chu trình h1 trạng thái van trượt điều khiển vị trí đóng kín cửa dầu có áp suất cao P h vào piston trợ động Lò xo quân trạng thái tự Nếu phụ tải động giảm tốc độ quay động tăng, lực ly tâm văng thắng lực căng lò xo đẩy điểm A lên Thanh ABC tức thời quay quanh điểm C Điểm B dịch chuyển lên, kéo theo van trượt điều khiển dịch lên mở thông đường dầu có áp suất cao vào khoang piston trợ động Đồng thời lúc giảm chấn bị kéo xuống ABC quay quanh điểm A' nên điểm B’ lại dịch chuyển B, đóng kín cửa đầu vào động trợ động Đó giai đoạn trình điều chỉnh Giai đoạn lò xo co lại, piston xilanh giảm chấn có chuyển động tương nhau, đầu khoảng bên piston giảm chấn bị dồn xuống khoang dưới, qua van tiết lưu 11 Tốc độ dịch chuyển piston xi lanh giảm chấn phụ thuộc vào độ mở van Điểm C dịch chuyển lên, kéo theo điểm B dịch chuyển lên (thanh ABC quay quanh điểm A'') làm cho van trượt điều khiển lại lên piston trợ động đẩy nhiên liệu phía giảm nhiên liệu Quá trình điều chỉnh lại diễn ban đầu, với tốc độ điều chỉnh giảm dần điều chỉnh xác lập trạng thái cân ứng với phụ tải P c2 với lượng cấp nhiên liệu cho chu trình h tốc độ quay động trì ổn định giá trị ban đầu Lúc piston trợ động vị trí mới, vị trí tương đối piston xilanh giảm chấn khác trước Lò xo quân trạng thái tự do, 151 ABC vị trí ban đầu Chính mà điều chỉnh tích phân, điều chỉnh tỷ lệ tích phân giống điều chỉnh tích phân, thuộc loại điều chỉnh vô sai hay gọi điều chỉnh phi tĩnh, tức đại lượng điều chỉnh (n) trì ổn định giá trị định mà không phụ thuộc vào tác động nhiễu loạn (phụ tải động cơ) Ưu điểm điều chỉnh tỷ lệ tích phân tính ổn định tương đối tốt, tính ổn định cao tính ổn định điều chỉnh tích phân không tính ổn định điều chỉnh tỷ lệ Tính chất động điều chỉnh hiệu chỉnh được, thông qua việc điều chỉnh độ mở van tiết lưu 11 (qua hiệu chỉnh thời gian quân bằng), mở hoàn toàn van 11 coi lực giảm chấn không điều chỉnh tỷ lệ - tích phân trở thành điều chỉnh tích phân Ngược lại, đóng kín hoàn toàn van 11, điều chỉnh tỷ lệ tích phân trở thành điều chỉnh tỷ lệ Do tính chất đặc điểm điều chỉnh tỷ lệ - tích phân, trang bị động diesel lai máy phát điện hoạt động độc lập Phương trình động điều chỉnh thành lập sở tông hợp phương trình động phần tử cấu tạo nên điều chỉnh - Phương trình phần tử cảm ứng η = Ku.ϕ (1) - Phương trình động trợ động Tc = dµ c =σ dt (2) - Phương trình liên hệ ngược mềm Ti = dµ dµ i = µ i = β.Ti c dt dt (3) - Phưong trình thiết bị điều khiển σ = η - Ko µ i (4) Trong đó: η, ϕ, µc, µi: tín hiệu vào phần tử Tc: số thời gian động trợ động Ti: số thời gian giảm chấn β: hệ số lưu thông đầu quan van tiết lưu K Ko: hệ số tỷ lệ truyền phụ thuộc vào vị trí điểm B Thay (4) (1) vào (2) ta có: Tc dµ c = K u ϕ − K o µ i dt (5) Từ rút ra: µi = K i ϕ − Tc dµ c dt (6) Ko Vi phân (6) ta có: 152 dµ i = dt Ki d 2µ c dϕ − Tc dt dt Ko (7) Thay (6) (7) vào (3) ta có phương trình điều hcỉnh có liên hệ ngược mềm d 2µ p δ i Tc Ti dt   dµ p β dϕ +  δ i Tc + Ti  = Ti +ϕ   dt K dt p   Trong đó: K p = (8) Ki hệ số khuếch đại điều chỉnh Ko µp = µc thay vị trí tương đối piston trợ động thành vị trí điều chỉnh Trên thực tế δi, Tc có giá trị nhỏ nên ta viết: β.Ti dµ p dϕ = Ti +ϕ K p dt dt (9) Từ rút ra: dµ p = Kp β dϕ + Kp ν.Tc ϕ.dt (10) Sau lấy tích phân vế: µp = Kp β ϕ + Kp β.Tc t ∫ ϕdt + C (11) Phương trình (11) phương trình động điều chỉnh tỷ lệ tích phân 7.2.6 Bộ điều chỉnh tỷ lệ - vi phân Bộ điều chỉnh hoạt động theo thuật toán tỷ lệ - vi phân gọi điều chỉnh tỷ lệ - vi phân Trên thực tế người ta gọi điều chỉnh có liên hệ ngược khâu quán tính Cấu trúc điều chỉnh PD theo dạng sau: - Phần tử tạo tín hiệu xây dựng mắc nối tiếp song song phần tử tỷ lệ vi phân hình 7-15a, b - Phần tử tạo tín hiệu cấu tạo từ khuếch đại có phần tử hiệu chỉnh mang tính quán tính hình 7-15c Bộ điều chỉnh PD kết hợp tính chất phần tử P D Hoạt động vi phân làm tăng khả dự đoán điều chỉnh trường hợp đột ngột xuất tác động nhiễu Hoạt động có hiệu đầu vào điều chỉnh xuất độ lệch lớn Thành phần D làm cho điều chỉnh có tính chất tác động trước (tác động dự báo) nên điều chỉnh cho tín hiệu tác động điều chỉnh (U) lớn chút so với tác động cần thiết để điều chỉnh độ lệch thông số điều chỉnh 153 y u + + - e K1 + CT Xo G ( p ) = K p (1 + Td p ) Td.p a/ u Td = y + Kp + - e + CT Xo G ( p) = K p (1 + Td p) Td.p b/ u + c/ Td = Tr y + e ΔKo - Tr Kp + Xo CT G ( p) = K p (1 + T p) K Td = T K Tp +1 Kp = Hình 7.15 Cấu trúc điều chỉnh PD Phần tử D thường gọi phần tử hoạt động vượt trước Tín hiệu khỏi phần tử D phụ thuộc vào số vi phân gọi thời gian vượt Nếu cho tín hiệu vào điều chỉnh tín hiệu đột biến đơn vị tín hiệu điều chỉnh có dạng: U ( t ) = K p e ( t ) + K d de ( t ) (1) dt de ( t )   U ( t ) = K p e ( t ) + Td  dt   (2) Đặc tính động BĐC PD xây dựng sở phương trình (1) thể h7.16 u D e PD e(t) P t Hình 7.16 Đặc tính làm việc điều chỉnh 154 Đặc tính xây dựng sở thành phần Thành phần điều chỉnh P thành phần điều chỉnh D Qua phân tích nghiên cứu rút số kết luận điều chỉnh tỷ lệ - vi phân: - Bộ điều chỉnh PD có khả điều chỉnh với độ lệch cực đại (∆ymax) nhỏ so với loại điều chỉnh khác, nhờ có thành phần vi phân nên thời điểm ban đầu tạo hệ số khuếch đại lớn, có khả điều chỉnh nhanh, làm giảm đáng kể độ lệch cực đại - Bộ điều chỉnh có khả điều chỉnh với thời gian ngắn - Bộ điều chỉnh làm việc có sai số tĩnh Nhưng sai số 1/2 sai số điều chỉnh P - Bộ điều chỉnh hoạt động có hiệu đạt thời gian vượt vào khoảng từ 5s ÷ 30 phút - Do điều chỉnh chi làm việc có hiệu với đối tượng có dung tích trung bình, có độ trễ lớn có tác động nhiễu nhanh nhô nên thực tế kỹ thuật hàng hải sử dụng 7.2.7 Bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân - vi phân PID Bộ điều chỉnh xây dựng theo luật toán tỷ lệ - tích phân - vi phân gọi điều chỉnh PID gọi điều chỉnh có liên hệ ngược tổng hợp Trên thực tế điều chỉnh PID xây dựng theo nguyên lý sau: - Phần tử tạo tín hiệu điều chỉnh khuếch đại có liên hệ ngược mang tính chất mềm, có quán tính - Phần tử tạo tín hiệu điều chỉnh cấu trúc hệ thống mắc nối tiếp - song song ba phần tử tỷ lệ tích phân - vi phân - Phần tử tạo tín hiệu điều chỉnh xây dựng cách mắc nối tiếp song song nhóm phần tử PD PI Nếu cho tín hiệu vào điều chỉnh hàm đột biến đơn vị e = 1(t) tín hiệu U(t) có dạng: t de ( t ) dt U ( t ) = K p e ( t ) + K i ∫ e ( t ) dt + K d (1) Đặc tính động điều chỉnh xây dựng sở phương trình (1) thể h7.17 e u e(t)=1(t) P t B ĐC PID u t 155 u u I D u t t PID t Hình 7.17 Đặc tính động điều chỉnh Qua đặc tính cho thấy đặc tính điều chỉnh có cấu trúc ba thành phần P, I, D kết hợp với làm việc điều chỉnh hoạt động mang theo ưu điểm loại điều chỉnh Việc hiệu chỉnh điều chỉnh PID thực qua: - Vùng tỷ lệ Kp (khuếch đại) - Thời gian tăng đôi Ti - Thời gian vượt Td Còn thông số cụ thể điều chỉnh thông qua hiệu chỉnh đại lượng sau: - Để hiệu chỉnh độ ổn định làm việc, tác động đến vùng tỷ lệ K p (khuếch đại) thời gian vượt Td - Để hiệu chỉnh thời gian hiệu chỉnh, tác động đến Td 156 - Để hiệu chỉnh độ sai số tĩnh, tác động đến Td - Để hiệu chỉnh độ lệch cực đại - tác động đến Td - Để hiệu chỉnh điều chỉnh - tác động đến Td Kp Một số loại điều chỉnh có khả hiệu chỉnh thông số cách độc lập không phụ thuộc vào gọi điều chỉnh không đồng ảnh hưởng Còn điều chỉnh khác hiệu chỉnh thông số chúng có ảnh hưởng qua lại lẫn điều chỉnh loại điều chỉnh có đồng ảnh hưởng Trên thực tế hiệu chỉnh điều chỉnh có đồng ảnh hưởng thường gặp nhiều khó khăn có khả thực cách chọn tối ưu thông số điều chỉnh thông qua thực nghiệm nhiều lần Để hiểu rõ điều chỉnh PID hình 7-17 thể ví dụ điều chỉnh có mối quan hệ ngược tổng hợp: Về nguyên lý hoạt động tự nghiên cứu Mức độ sai số điều chỉnh đánh giá qua hệ số không đồng δ phụ thuộc tỷ số truyền liên hệ ngược cứng EDF tức tỷ số Nếu ED EF ED giảm, D dịch phía E δ giảm sai số tĩnh nhỏ EF Nếu D, E điều chỉnh trở thành điều chỉnh quân δ = sai số tĩnh Nếu ED tăng, E dịch pha F δ tăng sai số tĩnh lớn EF 157 Nếu D, E điều chỉnh trở thành điều chỉnh tỷ lệ Khi hiệu chỉnh tỷ lệ truyền liên hệ ngược cứng âm ED ta thay đổi độ dốc đặc tính điều chỉnh có nghĩa hiệu chỉnh EF hệ số không đồng δ = đến δmax Trên thực tế sử dụng khai thác điều chỉnh PID cần phải ý: a Khi tăng hiệu chỉnh vùng tỷ lệ Kp làm giảm hoạt động phần tử tỷ lệ, giảm hiệu chỉnh vùng tỷ lệ làm tăng hoạt động phần tử tỷ lệ Điều thấy qua mối liên hệ U ( t ) = K p e ( t ) = 100 e( t) yp b Khi hiệu chỉnh tăng thời gian tăng đôi Ti làm giảm tác động tích phân phần tử tích phân, hiệu chỉnh làm giảm thời gian T i làm tăng tác động tích phân phần tử tích phân Điều làm sáng tỏ qua phương trình phần tử tích phân U( t) = Ti t ∫ e ( ) dt t Bời thời gian Ti lớn hệ số đứng trước tích phân nhỏ tác động lúc nhỏ ngược lại Vì thực tế để làm giảm bớt loại bỏ hoàn toàn tác động tích phân điều chỉnh người ta việc tăng thời gian tăng đôi c Trường hợp tăng thời gian vượt trước làm khuếch đại tác động vi phân phần tả vi phân ngược lại Điều thể hiện: U ( t ) = Td de ( t ) dt Nếu Td lớn tác động vi phân lớn ngược lại Câu hỏi ôn tập: Nêu khái niệm phân loại điều chỉnh tự động Trình bày điều chỉnh liên tục ngắt quãng Trình bày điều chỉnh tỷ lệ (P) Trình bày điều chỉnh vòng quay hoạt động theo định luật tỷ lệ Trình bày điều chỉnh tích phân (I) Trình bày điều chỉnh tỷ lệ - tích phân (PI) Trình bày điều chỉnh vòng quay hoạt động theo định luật tỷ lệ - tích phân Trình bày điều chỉnh tỷ lệ - vi phân (PD) Trình bày điều chỉnh tỷ lệ - tích phân – vi phân (PID) 10 Trình bày điều chỉnh vòng quay hoạt động theo định luật tỷ lệ - tích phân – vi phân 158 [...]... trên hình 7- 15c Bộ điều chỉnh PD kết hợp được tính chất của 2 phần tử P và D Hoạt động vi phân làm tăng khả năng dự đoán của bộ điều chỉnh trong trường hợp đột ngột xuất hiện tác động nhiễu Hoạt động này càng có hiệu quả khi ở đầu vào của bộ điều chỉnh xuất hiện độ lệch càng lớn Thành phần D làm cho bộ điều chỉnh có tính chất tác động trước (tác động dự báo) vì vậy nên bộ điều chỉnh bao giờ cũng cho tín... và phân loại bộ điều chỉnh tự động 2 Trình bày về bộ điều chỉnh liên tục và ngắt quãng 3 Trình bày về bộ điều chỉnh tỷ lệ (P) 4 Trình bày bộ điều chỉnh vòng quay hoạt động theo định luật tỷ lệ 5 Trình bày về bộ điều chỉnh tích phân (I) 6 Trình bày về bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân (PI) 7 Trình bày bộ điều chỉnh vòng quay hoạt động theo định luật tỷ lệ - tích phân 8 Trình bày về bộ điều chỉnh tỷ lệ... sở phương trình (1) thể hiện trên h7. 17 e u e(t)=1(t) P t B ĐC PID u t 155 u u I D u t t PID t Hình 7. 17 Đặc tính động của bộ điều chỉnh Qua đặc tính này cho thấy đặc tính của bộ điều chỉnh có cấu trúc ba thành phần P, I, D kết hợp với nhau vì vậy trong khi làm việc bộ điều chỉnh này hoạt động mang theo ưu điểm của 3 loại bộ điều chỉnh trên Việc hiệu chỉnh các bộ điều chỉnh PID có thể thực hiện qua:... một thông số của bộ điều chỉnh thay đổi trong khi khai thác sẽ làm thay đổi tính chất động học của bộ điều chỉnh đó là hằng số thời gian của động cơ trợ động Để điều chỉnh thông số này phù hợp với điều kiện khai thác thì tác động của van (6) trên hình 7. 11 Khi đóng van sẽ làm tăng hằng số thời gian còn khi mở sẽ làm giảm thời gian này xuống van (7) sử dụng trong trường hợp sự cố (Để điều chỉnh bằng tay... cơ diesel lai máy phát điện hoạt động độc lập Phương trình động của bộ điều chỉnh được thành lập trên cơ sở tông hợp các phương trình động của các phần tử cấu tạo nên bộ điều chỉnh - Phương trình phần tử cảm ứng η = Ku.ϕ (1) - Phương trình của động cơ trợ động Tc = dµ c =σ dt (2) - Phương trình của liên hệ ngược mềm Ti = dµ dµ i = µ i = β.Ti c dt dt (3) - Phưong trình của thiết bị điều khiển σ = η -... toàn van 7) Khi nghiên cứu bộ điều chỉnh tích phân cho thấy tín hiệu ra của bộ điều chỉnh (tác động điều chỉnh) phụ thuộc vào: - Giá trị độ lệch của thông số điều chỉnh - Thời gian kéo dài độ lệch - Hằng số thời gian tích phân Nếu độ lệch (e) càng lớn và hằng số thời gian tích phân càng nhỏ thì tín hiệu ra của bộ điều chỉnh càng mạnh Nếu trong quá trình điều chỉnh chỉ xuất hiện thậm chí độ lệch điều chỉnh... thường được ứng dụng để điều chỉnh đối tượng tĩnh có sự thay đổi phụ tải chậm Bộ điều chỉnh loại này tuyệt đối không được sử dụng điều chỉnh các đối tượng mang tính phi tuyến - đối tượng không có khả năng tự chỉnh 7. 2.5 Bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân PI Bộ điều chỉnh hoạt động theo quy luật tỷ lệ - tích phân được gọi là bộ điều chỉnh tỉ lệ - tích phân và ký hiệu là PI Trên thực tế bộ điều chỉnh này còn... hơn về bộ điều chỉnh PID trên hình 7- 17 thể hiện ví dụ về bộ điều chỉnh có mối quan hệ ngược tổng hợp: Về nguyên lý hoạt động tự nghiên cứu Mức độ sai số của bộ điều chỉnh được đánh giá qua hệ số không đồng đều δ và phụ thuộc và tỷ số truyền của liên hệ ngược cứng EDF tức là tỷ số Nếu ED EF ED giảm, D dịch về phía E thì δ giảm sai số tĩnh sẽ nhỏ EF Nếu D, E thì bộ điều chỉnh trở thành bộ điều chỉnh... trên hình 7. 12a, b 149 - Phần tử tạo tín hiệu được xây dựng từ bộ khuếch đại có thiết bị ổn định (liên hệ ngược) là phần tử vi phân như trên hình 7. 12c Như ở trên đã nêu về bộ điều chỉnh hoạt động theo quy luật điều chỉnh P hợc I không có khả năng đảm bảo tốt kết quả hoạt động điều chỉnh các quá trình phức tạp Cụ thể bộ điều chỉnh tỷ lệ luôn luôn làm việc có sai số điều chỉnh tĩnh, còn bọ điều chỉnh... nên trong thực tế kỹ thuật hàng hải ít được sử dụng 7. 2 .7 Bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân - vi phân PID Bộ điều chỉnh được xây dựng theo luật toán tỷ lệ - tích phân - vi phân được gọi là bộ điều chỉnh PID hoặc còn gọi là bộ điều chỉnh có liên hệ ngược tổng hợp Trên thực tế bộ điều chỉnh PID được xây dựng theo các nguyên lý sau: - Phần tử tạo tín hiệu điều chỉnh là bộ khuếch đại có liên hệ ngược mang