Nội dung học phần đi sâu vào các chủ điểm: làm chủ các thông sô điều khiển cụ thể trong thiết bị điểu khiển nối mạng trong các quá trình công nghệ; các thành phần cơ điện tử của hệ thống
Trang 1DÙNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẨT
Trang 2TS PH AN CHÍ CHÍNH
HẸ THONG ĐIỂU KHIỂN QUÁ TRÌNH
(Dùng cho các trường đại học kỹ thuật)
(Ệế\
NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
Trang 3MỞ ĐÀU
(Thay cho lời nói đầu và bài mở đầu)
Cuốn “Hệ thông điều khiển quá trình'" này chủ yêu sử dụng cho
giảng dạy học phần về kết nối và vận hành hệ thống điều khiến tự động các quá trình thường gặp ở các dây chuyền công nghệ hiện dại Nội dung học phần đi sâu vào các chủ điểm: làm chủ các thông sô điều khiển cụ thể trong thiết bị điểu khiển nối mạng trong các quá trình công nghệ; các thành phần cơ điện tử của hệ thống điều khiển công nghiệp; vận hành và bảo trì hệ thống điều khiển quá trình bằng mô hình mô phỏng hoàn toàn giống như hệ thống công nghiệp bằng chính bộ điều khiển số dùng trong còng nghiệp.
Nghiên cứu về điều khiển tự động các quá trình thường gặp trong công nghiệp, bao gồm:
- Điều khiển mức chất lỏng;
- Điều khiển lưu lượng dòng chảy lỏng;
- Điều khiển nhiệt độ của quá trình;
- Điều khiển áp suất của quá trình.
Đối tượng điều khiển ở đây là các quá trình trong các dây chuyền công nghệ có liên quan đến dòng chảy của chất lỏng: các quá trình sản xuất các sản phẩm ngành hoá, hoá dầu; các dạng chế biến thực phẩm, đồ uống và
nhiều loại hàng tiêu dùng Đây là học phần ứng dụng “lỷ thuyết điều khiển
tự đ ộ n g ” vào đối tượng điều khiển là các quá trình.
Tài liệu này cũng có ích cho người làm công tác kỹ thuật trong các dây truyền công nghệ có điều khiển tự động các quá trình Tự động điều khiển đang là xu thế tất yếu cho các dây truyền công nghệ cho nên các kiến
Trang 4thức liên quan và cập nhật cũng là một đòi hỏi đổi với cán bộ kỹ thuật và/hoặc tổ chức sản xuất trong dây truyền công nghệ hiện đại.
Học phần đi sâu vào việc làm chủ các phương pháp điều khiển cụ thê trong các thiết bị điều khiển được nối mạng và kiểm soát trung tâm băng máy tính với các kiểu giao diện thân thiện với người sử dụng trong các quá trình công nghệ hiện đại Học lý thuyết gắn liền với thực nghiệm, vận hành
và bảo trì các thành phần cơ điện tử trên thiết bị mô phỏng các quá trình thực như trong các dây truyền công nghệ của công nghiệp Trên thế giới, có nhiêu hãng có sản phẩm truyền thống về tự động hóa có các thiết bị thực nghiệm
hệ thống điều khiển quá trình dành cho đào tạo và nghiên cứu Thiết bị được
sừ dụng nhiều và khá điển hình ở Việt Nam hiện nay là của hai hãng Festo
và Siemens (CHLB Đức); ngoài ra cũng có sản phẩm của các hãng khác là Edibon (Tây Ban Nha), Lap Vol (Mỹ).
Phần cơ sở lý thuyết chỉ cô đọng với mục đích ứng dụng cho thực nghiệm và trực tiếp phục vụ cho các các quá trình cụ thể đề cập trong thiêt bị
thực nghiệm Những khái niệm chung về “lý thuyết điều khiển tự đ ộ n g ”
được sử dụng ngay vào các dạng điều khiển và các ví dụ về các thiết bị điêu khiển để minh hoạ Tuy vậy vì môn học gồm các kiến thức giao của nhiêu chuyên ngành đặc trưng cho ngành cơ điện tử đang phát triển nên mức độ trừu tượng khá đậm nét.
Phần thực nghiệm đề cập ở đây phần cơ bản và từng bước hướng dân triển khai trên thiết bị mô phỏng các quá trình thực của hãng Festo (hình 0.1) gọi tắt là mô hình HTĐKQT Nó được kết cẩu thành các trạm, bao gồm:
- Trạm điều khiển mức chất lỏng;
- Trạm điều khiển lưu lượng dòng chất lỏng;
- Trạm điều khiển áp suất;
- Trạm điều khiển nhiệt độ;
- Trạm Bypass.
Đặc biệt trạm Bypass là phần kết nối dùng để liên kết dòng chảy của các trạm thành mạng và điều khiển trung tâm bằng hệ thống van điều khiển
Trang 5điện từ và các van tuyến tính bố trí trong các ổng dẫn liên thông các trạm riêng lẻ vào hệ thống Các bài thực nghiệm được thực hiện từ các phần kết nối cơ khí (gồm cả việc xây dựng các sơ đồ liên kết của từng trạm và hệ thống) đến đặt thông số cẩu hình cho từng trạm và cho hệ thống Việc thực nghiệm vận hành được thực hiện từng bước từ điều khiển bằng tay các trạm đơn lẻ đến vận hành cả hệ thống trên máy tính trung tâm bàng phần mềm điều khiển.
Các phần mở rộng đề cập đến ứng dụng cho các thiết bị công nghệ thực Phần nội dung liên quan tự động điều khiển thiết bị chưng cất được chủ nhiệm đề tài - Tiển sĩ Lê Phan Hoàng Chiêu đồng ý cho sử dụng kết quả nghiên cứu Chủng tôi xin chân thành cám ơn TS.Lê Phan Hoàng Chiêu - Phó Giám đốc Trung Tâm Neptech Sở Khoa học Công nghệ TP Hồ Chí Minh và tập thể nhóm triển khai đề tài trường ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã cung cấp và cho sử dụng các kết quả nghiên círu triển khai để kịp thời cập nhật cho ấn phẩm này.
Chúng tôi chân thành cám ơn PGS.TS Vũ Quý Đạc (Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên); Thạc sĩ Trần Trọng Toàn (ĐH công nghiệp TP.HỒ Chi Minh) đã có những đóng góp quý báu, những ý kiến xác đáng cho nội dung cuốn sách; xin cám ơn các anh chị Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật đã hết sức giúp đỡ, cho thẩm định và phản biện nội dung để cuốn sách sớm được xuất bản.
Chúng tôi cũng xin độc giả lượng thứ cho các thiếu sót có thể gặp phải
và xin được quý vị góp ý để ấn phẩm có điều kiện hoàn thiện hơn sau này.
Trang 6Hình 0.1 Thiết bị mô phỏng HTĐKQT của FESTO (CHLB Đức)
Trang 7Thông số điều khiển
Cơ cấu đo lường Điều khiên tự động Thiết bị điều khiển
Bộ điều khiển số công nghiệp
Cơ cấu điều khiển hay gọi là bộ điều chỉnh (controller)
Bộ điều chỉnh
Hệ thống điều khiển
Cơ cấu chấp hành Set point- giá trị đặt ban đầu đưa vào hệ điều khiển Process Control System- Hệ thống điều khiển quá trình Phần tử so sánh
Điều khiển tỷ lệ (P) - tích phân (I) - đạo hàm (D) Direct Digital Control- điều khiển bằng tín hiệu số (trực tiếp)
Process Value - giá trị của đại lượng được điều khiển (giá trị thực đo được)
Programmable Logical Controller - Bộ điều khiển (logic) khả lập trình
Trang 8Chương 1
KHÁI NIỆM VÀ C ơ SỞ LÝ THUYẾT
Lị» CÁC KHÁI NIỆM C ơ BẢN TRONG ĐIỀU KHIỂN T ự ĐỘNG 1.1.1 Các khái niệm chung
khiển (ĐTĐK), (các chữ viết tắt xin xem phần “Các thuật ngữ viết tắt” tiếp ngay phần “Mở đầu”).
- ĐTĐK là đối tượng được tác động có mục đích, ở đây là các quá trình đã được giới thiệu.
- Điều khiển tự động (ĐKTĐ) là quá trình điều khiển được thực hiện không cần sự tác động trực tiếp của con người lên ĐTĐK Sự tác động lên ĐTĐK trong ĐKTĐ được thực hiện nhờ thiết bị điều khiển (TBĐK).
- Thiểt bị điều khiển (TBĐK) là một phần của hệ thống điều khiển, trong
đó tín hiệu vào là tín hiệu chủ đạo (tín hiệu của giá trị yêu cầu), còn có thể thêm các đại lượng được điều khiển từ đối tượng điều khiển phản hồi; tín hiệu ra ỉà đại lượng tác động, tác động lên ĐTĐK (ở đây là quá trình).
- Hệ thống điều khiển (HTĐK) là hệ thống thực hiện quá trình tác động của
Hình 1.1 Hệ thống điều khiển
Trang 9ĐKTĐ được hình thành dần dần và đến ngày nay có nhiều dạng ĐKTĐ mà thông thường nhất có thể phân thành hai loại:
ĐKTĐ theo mạch hở (feedforward control - sơ đồ hình 1.2)
nguyên tắc điều khiển theo độ lệch).
1.1.2 ĐKTĐ theo mạch hở và ĐKTĐ theo vòng lặp kín
ĐKTĐ theo mạch hở, biểu diễn bằng sơ đồ sau:
z
Hĩnh 1.2 ĐKTĐ theo mạch hở
Trong sơ đồ hình 1.2 cần giải thích thêm :
CCĐK: Cơ cấu điều khiển hay gọi là bộ điều chỉnh (controller);
Trang 10Điều khiến theo vòng lặp kín, có sơ đồ như sau:
Hĩnh 1.3 Sơ đồ điều khiển theo vòng lặp kín
Trong sơ đồ hình 1.3 có thêm các ký hiệu cần được giải thích:
BĐC: bộ điều chỉnh;
ra tín hiệu vào cơ cấu chấp hành ( CCCH ) rồi từ đó tạo ra tác động Y vào ĐTĐK;
Trang 11- Xd: giá trị hiệu của w và X (độ lệch) là tín hiệu ra từ phần tử so sánh (PTSS) đồng thời cũng là tín hiệu vào bộ điều chỉnh.
Các loại BĐC gồm các kiểu điều khiển P, I, D, PI, PD, PID
+ PD: Điều khiển “tỷ lệ - đạo hàm”
+ PID: Điều khiển “tỷ lệ - tích phân - đạo hàm”
ĐTĐK ở đây là các quá trình
Y còn được gọi là thông số điều khiển (TSĐK) ký hiệu là c o , TSĐK
do TBĐK tạo ra để tác động vào ĐTĐK
X là thông số thực của ĐTĐK, có thể đưa phản hồi ngay vào PTSS ở đầu vào, nhưng thông thường khi qua cơ cấu đo lường (CCĐL) được khuếch đại (tín hiệu sau đó được ký hiệu là X ’) rồi mới vào phần tử so sánh.
Thiết bị điều khiển (TBĐK) là một phần của hệ thống điều khiển, trong đó tín hiệu vào là đại lượng được điều khiển X từ đổi tượng điều khiển
chủ đạo ; tín hiệu ra là đại lượng tác động Y, tác động lên ĐTĐK (quá trình điều khiển ).
Trang 12Có nhiều cách phân loại BĐC (còn gọi là cơ cấu điều chỉnh), bao gồm: phân loại theo dạng tín hiệu điều khiển, phân loại theo theo năng lượng sử dụng, phân loại theo đặc tính quá độ.
1.1.3 Phân loại bộ điều chỉnh
a Theo tín hiệu :
-Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu liên tục (tương tự)
-Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu gián đoạn, điển hình là cơ cấu điều chỉnh hai điểm và cơ cấu điều chỉnh 3 điểm
-Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu rời rạc (tín hiệu số, DDC-Direct Digital Control)
b Theo năng lượng sử dụng:
-Cơ cấu điều chỉnh bằng khí nén (đại lượng ra tiêu chuẩn áp suất p từ
0 1 bar)
-Cơ cấu điều chỉnh bằng thuỷ lực
-Cơ cấu điều chỉnh bằng điện, điện tử (đại lượng điện ra tiêu chuẩn dòng điện I từ 0 2 0 mA và điện áp u từ 0 10 V)
c Theo đặc tính quá độ:
-Cơ cấu điều chỉnh tỷ lệ (nguyên hàm), được gọi là cơ cấu p
-Cơ cấu điều chỉnh tích phân (cơ cấu I)
-Tương tự có các loại cơ cấu đạo hàm (D), cơ cấu tỷ lệ-tích phân (PI), cơ cấu tỷ lệ- đạo hàm (PD), cơ cấu PID.
Trang 131.2 MINH HOẠ, GIẢI THÍCH CÁC ĐẠI LƯ Ợ NG c ơ BẢN VÀ CÁC VÍ DỤ ĐKTĐ
1.2.1 Đại lượng được điều khiển X (PV)
Giá trị thực của đại lượng được điều khiển (còn gọi là đại lượng ra) Trong hệ thống điều khiển quá trình, giá trị này được kí hiệu là PV (Process Value) Trong minh họa hình 1.4 là mức chất lỏng trong bể chứa (bể cao là
bể được điều khiển mức) tại mỗi thời điểm.
Giá trị này được cơ cấu đo ghi lại (qua cảm biến mức) đưa về bộ điều khiển số công nghiệp (trong mô hình ví dụ ) cùng với giá trị yêu cầu ban đầu, cùng qua bộ so sánh vào bộ phận xử lý của bộ điều chỉnh.
Trang 14Là đại lượng do cơ cấu điều khiển tạo ra để tác động vào đối tượng điều khiển làm cho thay đổi đại lượng được điều khiển X (sao cho X dần dần xấp xỉ với giá trị yêu cầu W).
1.2.2 Đại lượng tác động Y
Hình 1.5 Đại lượng tác động Y trong điều khiển mức
Trong hệ thống điều khiển quá trình còn kí hiệu đại lượng tác đỴìg là
CO Ở hình 1.5, đại lượng tác động Y trong ví dụ trạm điều khiển mức là độ
mở của van điều khiển, nếu mức đo được (giá trị PV) lớn hơn giá trị yêu cầu thì độ mở của van giảm (thu nhỏ dòng cung cấp), ngược lại thì độ mở của van tăng.
1.2.3 Giá trị yêu cầu hay mục tiêu điều khiển w
Giá trị đưa vào ban đầu ( Set Point - SP ), đó chính là mục tiêu điều
X (PV).
Trang 15Hĩnh ỉ 6 Giá trị yêu cầu SP ở trạm điểu khiển mức
tử so sánh để vào bộ phận xử lý tiếp trong TBĐK.
Ở ví dụ hình 1.6 giá trị yêu cầu SP ở trạm điều khiển mức là mức chât lỏng cần ổn định ở bể chửa (bể cao) được biểu diễn trên hình là vạch đậm ký hiệu SP.
1.2.4 Đại lượng nhiễu (z)
Đại lượng nhiễu trong quá trình điều khiển và điều chỉnh là các đại lượng tác động vào quá trình làm thay đổi hành vi của tác động (nhiễu ở cơ cẩu chấp hành) hoặc đại lượng ra (nhiễu ở ĐTĐK) của hệ mà HTĐK không làm thay đổi chúng.
Ở ví dụ hình 1.7 van xả từ đáy của bể cao (bể được điều khiển mức) thay đổi lượng chất lỏng xả về bể nguồn (bể thấp) để mô phỏng nhiễu ở trạm
Trang 16điều khiển mức Trong dây chuyền công nghệ đó vừa là lượng chất lỏng tiêu thụ thay đổi trong dây truyền công nghệ, vừa bao gồm cả những thất thoát do bay hơi, rò rỉ Ở ví dụ trên mô hình thiết bị, thay đổi độ mở của van bằng tay để mô phỏng quá trình nhiễu.
'X*.
Hình 1.7 Van mô phỏng nhiễu ở trạm điều khiển mức
1.2.5 Độ chênh lệch (e) giữa giá trị yêu cầu và giá trị đo hồi tiếp
Trong hình 1.8 đối tượng điều khiển là nước của bể chứa ( bể cao )
thời điểm đo (mức nước đo được) được ký hiệu là e:
Trang 17Hình 1.8 Đ ộ chênh lệch e
Trong mô hình HTĐKQT của FESTO, đại lượng này kí hiệu là Xdỉ
Đó chính là dữ liệu từ đầu ra của phần tử so sánh đi vào bộ phận xử lý tiêp của TBĐK.
1.2.6 Các ví dụ ĐKTĐ theo mạch hở và ĐK TĐ theo vòng lặp kín
Đe minh hoạ và so sánh hai dạng điều khiển theo mạch hở và kín ta khảo sát vỉ dụ hai trường hợp điều khiển thiết bị sưởi sử dụng nước nóng đế điều khiển nhiệt độ trong phòng theo yêu cầu.
+ Trường họp 1, điều khiển theo mạch hở (hình 1.9)
Trong hình 1.9 A:
3 Nam châm điện;
Trang 18Lưu đồ khối hình 1.9 phần B:
TI biểu diễn bằng 2 mũi tên chỉ 2 yếu tố đầu vào của cảm biến nhiệt độ
A, đó là nhiệt độ bên ngoài và nhiệt độ yêu cầu (nhiệt độ mong muốn đạt được ở trong phòng)
Hình 1.9 ĐKTĐ đóng cắt thiết bị sưởi sử dụng hơi nước nóng
Trang 19T2 là tín hiệu ra từ A tức là dòng điện tác dụng vào rơle B
T3 là lực hút do rơle tạo ra để đóng tiếp điểm thường mở công tắc điện làm
cung cấp cho thiết bị sưởi D.
T5 là nhiệt tác dụng toả ra cung cấp cho phòng E
T6 là nhiệt độ trong phòng.
Đầu tiên điều chỉnh công tắc nhiệt kế theo nhiệt độ yêu cầu, Khi nhiệt độ bên ngoài giảm xuống, rơle nhận tín hiệu từ công tắc nhiệt kế, tác động vào van đóng nam châm điện để van mở hơi nước nóng vào thiết bị sưởi, nhiệt
độ trong phòng tăng lên, dự liệu bù đắp được nhiệt lượng mất mát do thoát nhiệt ra môi trường bên ngoài Khi nhiệt độ bên ngoài tăng lớn hơn nhiệt độ yêu cầu, rơle mất tín hiệu, van hơi nước nóng đỏng lại Như vậy nhiệt độ trong phòng không được đo lại để phản hồi về cơ cẩu đóng mở van hơi nước nóng; mà nhiệt độ trong, phòng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng như độ mở của cửa sổ, các yếu tố truyền nhiệt ra ngoài như truyền nhiệt qua tường, gió v v Đặc điểm quan trọng trong dạng điều khiển này là đại lượng được điều khiển ( nhiệt độ trong phòng ) không được kiểm soát.
+ Trường hựp thứ 2, ĐKTĐ theo vòng lặp kín ( hình 1.10)
Quá trình thực hiện theo nguyên tắc phản hồi, tức là đại lượng được điều khiển (nhiệt độ trong phòng) được đo lường liên tục và dẫn trở lại so sánh với giá trị yêu cầu (mục tiêu điều khiển hay giá trị đặt) Kết quả so sánh này được đưa vào bộ điều chỉnh, từ đó TBĐK tạo ra tác động lên ĐTĐK để đảm bảo cho đại lượng được điều khiển có giá trị mong muốn (xấp xỉ gần nhất với giá trị đặt).
Khi nhiệt độ bên ngoài giảm xuống, lượng nhiệt thoát ra ngoài khe cửa sổ, truyền nhiệt qua tường, m ái nhiệt độ trong phòng giảm xuống Các yếu tố ảnh hưởng khác như số người trong phòng thay đổi, số lần mở cửa ra v à o cũng ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong phòng Tất cả các yếu tố ảnh hưởng gây nên sự chênh lệch nhiệt độ trong phòng so với nhiệt độ yêu cầu gọi là những đại lượng nhiễu Các đại lượng nhiễu này cũng không phải là
Trang 20hằng số mà thay đổi Ớ đây việc điều chỉnh là nhiệt độ trong phòng được kiểm soát liên tục để tác động loại trừ các ảnh hưởng của các nhiễu.
Trong hình 1.10:
A Cảm biến nhiệt độ (1)
B Van điện (2)
(dùng van điều khiển lưu lượng)
T l Nhiệt độ yêu cầu
Trang 21Hĩnh 1.10 Điều khiển nhiệt độ phòng bằng Đ KTĐ theo vòng kín
1.3 C ơ SỞ XÂY DựNG HÀM TRUYỀN BẰNG THựC NGHIỆM HTĐK VÒNG KÍN
1.3.1 Điều kiện và nền tảng kiến thức
Học phần này có điều kiện tiên quyết là người học đã được học môn
lý thuyết điều khiển tự động Trên nền tảng kế thừa các kiến thức, phục vụ cho thực nghiệm, ở đây đề cập cơ sở lý thuyết xây dựng hàm truyền của hệ thống điều khiển vòng kín.
Khảo sát một hệ ĐKTĐ sẽ thuận tiện hơn rất nhiều nếu không dùng đặc tính biên độ - pha với trục tần số thông thường, mà được chia theo thang logarithm.
Đặc tính biên độ-pha với trục tần số chia theo thang logarithm được xác định bằng biểu thức sau:
Trang 22W{j ( 0) = H{ca)emũ,)
H{(X>) - đặc tính biên tần
6 (0 ) - đặc tính pha tần
Lay logarithm cơ số 10 (lg) của đẳng thức và ký hiệu:
Lm(íy) = 201g|lL(íy)| = L\W{jco)\.
Đặc tính biên tần logarithm LMD (Log magnitude diagram) là đường
cong Lm(ry) với trục tần số co được chia theo thang logarithm cơ số 10, thứ
nguyên là decibel (dB)
Đặc tính pha tần logarithm LPD (Log phase diagram) là đường cong
là độ.
Khảo sát LMD và LPD của một vài phần tử cơ bản.
1.3.2 Phần tử khuếch đại
Phần tử khuếch đại có hàm truyền dạng: W(s) = k , tức là LMD và
LPD không phụ thuộc vào tần số và được xác định theo công thức
Lm(<y) = 201gft = const và 6(co) = 0 trên toàn vùng tân sô.
Trang 23Từ các biểu thức trên cho thấy rằng LMD của phần tử có thể biểu diễn gần
đúng bằng hai đoạn thẳng có tần sổ liên kết là colK - MT
Trang 241.3.4 Phán tu* dao dong
W (s) = —— —
-T2s2+2¿;Ts + \k,T,¿; - he so khuéch dai, thdi gian có dinh va he só dao dong cua he,
Khi k = 1 LMD va LPD dutrc xác dinh bdi biéu thúc:
6{co) = - a r c tg — —, ,
i - r V
khi T = cora/ diroc ve ó hinh duói.
Bode Diagram
Hinh 1.12 LMD va LPD cúa phán tú vúi nhüng giá tri khác nhau cua ¿¡
Trang 261.3.6 Phương pháp gần đúng tính và dựng đặc tính biên-pha tần logarithm của hệ 1 vòng kín
Biểu thức tổng quát hàm truyền của hệ 1 vòng kín được biểu diễn như sau:
Trang 27Sau dó dung LMD á vüng tan so tháp, vúng náy ducmg LMD
nghiéng -20dB/dec, doan tháng di den diém tan so co = 1 có tung do
Chú y : LMD có do nghiéng khi tan so tién tói vó cúng la: -20(n-m) = -20
(5-2) = -60(dB/dec), a dáy m - bác máu so cüa hám truyén, con n - bac tír so.
LPD khi tan só tién den vó cúng la:
- j ( n - m ) = - j ( 5 - 2 ) =
150 Bode Diagram
-20dB/dec
Hinh 1,14 B ác tính LMD va LPD cúa hé
Trang 281.3.7 Bài toán ngược để xác định hàm truyền của một hệ
ĐKTĐ 1 vòng kín
Giả sử chúng có một hệ thống điều khiển tự động, nhưng không biết hàm truyền của hệ, chúng ta chỉ có thể đo được tín hiệu vào và tín hiệu ra, vậy băng những dữ liệu đo được, băng cách nào đê tìm được hàm truyền của hệ?
Để giải quyết vấn đề trên thì trước tiên phải tìm được đặc tính biên- pha tần gần đúng của hệ Cách làm như sau, ở đầu vào của hệ, cho tín hiệu
có dạng sin(íy/) và đo tín hiệu ở đầu ra, tính độ khuếch đại biên độ và độ lệch pha của hệ tại tần số trên Quá trình lặp lại với những giá trị khác nhau
truyền gần đúng của hệ.
Trên thực tế để đo được tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ ĐKTĐ thì cần những dụng cụ đo khá phức tạp Có thể minh họa cho phương pháp được nêu trên cách tìm hàm truyền của một hệ ĐKTĐ bằng mô phỏng trên Simulink (một phần của Matlab)
Cho hàm truyền của hệ ĐKTĐ có dạng:
Trang 29Để xác định hàm truyền của hệ, ở đầu vào ta cho tín hiệu cỏ dạng hàm
sin với biên độ cố định và tần số thay đổi u = sin(iyf), co e [0.001;2000], đo
biên độ và độ lệch pha giữa tín hiệu ra so với tín hiệu vào.
Hình 1.16 Tin hiệu vào và ra cùa hệ khỉ tần sổ co = 0,02 ra d / s
Trang 30Hình 1.17 Tin hiệu vào và ra của hệ khi tần số (ờ = 0,2 r a d / s
Kết quả thu được với những giá trị của tần số co được liệt kê trong bảng sau
Trang 32Theo kết quả thu được có thể vẽ gần đúng đặc tính biên tần logarithm
và đặc tính pha tần logarithm của hệ như sau:
Trang 34Từ kết quả thu được, hàm truyền của hệ có dạng:
2,3(0,0025 + 1)
~~ (33,33^ + 1)(0,012252 + 2 • 0,012 -^5 +1)
dựng LMD của hệ với những giá trị khác nhau của ậ và so sánh với kết quả
thu được từ thực nghiệm.
Hình 1.20 LMD tại tần sổ cộng hưởng với những giá trị khác nhau của Ç
Từ hình vẽ ta chọn ệ = 0,016.
Kết quả thu được cho phép tìm ra hàm truyền gần đúng của hệ:
Trang 35Hình 1.21 Đường định tuyến của hệ gần đúng và hệ đúng
Trang 36Kết quả thu được từ hình vẽ, thấy rằng giữa hai hệ có sai số, nhưng sai số nằm trong khả năng cho phép Vì vậy đối với hệ không quá phức tạp,
ta có thể dùng phưcmg pháp thực nghiệm như trên để tìm hàm truyền gần đúng của hệ điều khiển Khi đó dựa trên hàm truyền gần đúng có thể phân tích, khảo sát hoạt động và tổng hợp các mô hình ổn định của hệ bằng những phưcmg pháp khác nhau, hoặc có thể điều khiển trực tiếp bằng phưcmg pháp
“mô hình điều khiển dự đoán” (Model Predictive Control - MPC) dựa trên hàm truyền gần đúng đã thu được.
Trang 37Chương 2
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
CỦA HTĐKQT
H T Đ K Q T tro n g c ô n g n ghiệp ở nhiều dâ y chuyển cô n g n g h ệ đều cỏ th ể q u i
về n g u yên lý cấu tạ o và h o ạ t đ ộ n g tư ơ n g tự n h ư ở m ô hình th iế t bị
H T Đ K Q T củ a h ã n g F E ST O , n h ư ở g iả o trình n ày trìn h bà y nguyên m ẫu.
2.1 TRẠM ĐIỀU KHIỂN MỨC s ử DỤNG BỘ ĐKSCN (F illin g level control using industrial controller)
Mô hình thiết bị (hình 2.1) được xây dựng bao gồm các phần tử và
bộ phận sau:
- 1 bom;
-1 bộ điều khiển motor;
-1 cảm biến siêu âm (có thể dùng cảm biến điện dung);
- 1 bộ điều chỉnh sổ công nghiệp;
Trong lưu đồ trạm điều khiển mức, 2 van điều khiển bằng tay.
- Van trên đường ống từ bom đẩy lên bể cao là van điều chỉnh lưu lượng cung cấp bằng tay.
Trang 38- Van xả trên đường ống phía đáy của bể cao nối với phía trên của bê thấp.
- Bể cao là bể chứa được điều khiển mức, bể thấp là bể nguồn.
- Các đường ống dẫn nước ở mô hình thiết bị bao gồm các đoạn ổng nhựa và cút chuyển để dễ tháo lắp Trong thực tế sản xuất là các đường ống dẫn chất lỏng trong dây chuyền công nghệ.
Hình 2 ỉ Trạm điều khiến mức
Trang 39- Cảm biến mức LI/30 là cảm biến siêu âm.
- LIC/30 là bộ điều chỉnh, ở đây dùng bộ điều khiển số công nghiệp.
- M là động cơ của bơm.
- Vab là van để xả thay nước khi đã bị ô nhiễm.
Quá trình điều khiển mức được tiến hành như sau:
Sau khi cài đặt các thông số cấu hình, đó là khai báo các giá trị giới
Quá trình điều khiển sẵn sàng để thực hiện.
Trang 40Đưa vào giá trị yêu cầu (SP-Setpoint;W) tiếp đến cho bom hoạt động Mức nước trên bể cao được cảm biến LI/30 đo lường liên tục và đưa tín hiệu
đo (coi như giá trị thực X của đại lượng điều khiển) về bộ điều chỉnh LIC/30, giá trị đo (X) được so sánh với giá trị đặt (SP-W), độ chênh lệch Xd được bộ điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều khiển motor, để bơm thay đổi (tăng hoặc giảm) tốc độ bom sao cho dẫn tới sự ổn định của nứơc (gần với giá trị đặt nhất).
2.2.TRẠM ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG (sử dụng BĐCSCN) (F low control u sing industrial controller)
Hình 2.3 Trạm điều khiển lưu lượng
Mô hình thiết bị trạm điều khiển luư lượng bao gồm các phần tử và
bộ phận sau: