Tài liệu này do tiến sĩ Bùi Hồng Dương dịch từ tài liệu nước ngoài, nói về các loại cảm biến, cách thức hoạt động cũng như ứng dụng của nó trong các hoạt động công nghiệp, cơ khí, tàu biển.Có các từ tiếng anh chuyên ngành về cảm biến điều khiển rất giúp ích cho người học.
BHD Cơ sở Điều khiển tự động Cảm biến (Dùng cho học viên kỹ sư ngành Máy tàu biển) Bùi Hồng Dương 6/9/2012 Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Mục lục Các khái niệm điều khiển tự động 1.1 Giới thiệu chung _ 1.1.1 1.1.2 1.2 Ưu điểm tự động điều khiển Nhược điểm tự động hoá Các khái niệm điều khiển tự động _ 10 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 1.2.9 1.2.10 1.2.11 1.2.12 1.2.13 1.2.14 1.2.15 1.2.16 1.2.17 1.2.18 1.2.19 1.2.20 1.2.21 1.2.22 1.2.23 1.2.24 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 Tín hiệu _ 10 Thông tin (information) _ 10 Truyền tin, giao tiếp (Communication) _ 10 Điều khiển (Control) _ 10 Điều khiển mạch hở, điều khiển tay (Open loop control, Manual control, Feedforward control) 11 Điều khiển mạch kín (Close loop control, Feedback control) _ 12 Đối tượng điều khiển *(Controlled) Process, Plant, Object+ 13 Biến điều khiển y(t) (Controlled Variable) _ 14 Bộ điều khiển (Controller) _ 15 Phần tử đo, cảm biến (Measuring element, Sensor) 15 Điểm cho trước (Set point) *r+ 15 Phần tử cho trước (Bộ tạo tín hiệu cho trước) _ 15 Độ lệch (Error, Deviation) *e(t)+ 15 Phần tử so sánh, cộng tín hiệu (Comparison element, Summing point) 16 Bộ chế biến tín hiệu (Processing Unit, Computer v.v.) _ 16 Tín hiệu tác động u(t) (Actuating signal) 16 Biến tác động u*(t) (Manipulated variable) _ 16 Bộ thực (Actuator) _ 16 Cơ cấu điều chỉnh (Adjusting mechanism, Adjusting Element) 17 Phần tử thực cuối (Final control elements) _ 17 Nhiễu loạn (Disturbances) _ 17 Tải hệ thống (Load) _ 17 Phân biệt biến số thông số (Variable vs Parameter) _ 17 Sơ đồ khối tổng quát hệ điều khiển theo độ lệch (feedback control) _ 18 Các nguyên lý điều khiển 19 Nguyên lý điều khiển theo độ lệch (Feedback control) 19 Nguyên lý điều khiển tiếp tới (Bù trừ nhiễu - Feedforward control) 20 Nguyên lý điều khiển nhiều xung (Multi-element control) _ 22 1.4 Phân loại điều khiển 24 1.5 Sơ đồ khối 25 1.5.1 1.5.2 Sơ đồ khối _ 25 Các điểm đặc biệt sơ đồ khối _ 26 1.6 Các yêu cầu hệ thống điều khiển 27 1.7 Tóm tắt _ 28 1.8 Câu hỏi ôn tập _ 28 1.9 Ví dụ tập 29 1.9.1 1.9.2 1.9.3 Khảo sát lập sơ đồ khối thể chức hệ thống Hình 1-2 29 Khảo sát hệ thống điều khiển nhiệt độ khơng khí phòng học, Hình 1-5 _ 30 Bài tập 31 Trang - - Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Biến đổi Laplace – Hàm truyền – Sơ đồ khối – Mơ hình tốn 32 2.1 Phép biến đổi Laplace _ 32 2.1.1 Phép biến đổi Laplace 32 2.1.2 Một số hàm ảnh Laplace chúng _ 33 2.1.2.1 Hàm số mũ (exponential function) _ 33 2.1.2.2 Hàm bước (step function) 34 2.1.2.3 Hàm dốc (Ramp Function) _ 34 2.1.2.4 Hàm Sin (Sinunoidal Function) 35 2.1.2.5 Hàm trễ (Translated Function) 35 2.1.2.6 Hàm xung lược (Pulse Function) _ 36 2.1.2.7 Hàm xung (Impulse Function) _ 36 2.1.3 Các định lý _ 37 2.1.3.1 Định lý đạo hàm thực (Real-Differentiation Theorem) _ 37 2.1.3.2 Định lý tích phân thực (Real-Integration Theorem) 38 2.1.3.3 Định lí giá trị cuối (Final-Value Theorem) 38 2.1.4 Các tính chất phép biến đổi Laplace thuận (Bảng 2-1) _ 39 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 Hàm truyền _ 40 Khái niệm hàm truyền 40 Biểu thức tổng quát hàm truyền 40 Nhận xét hàm truyền 41 Xây dựng biến đổi sơ đồ khối _ 41 2.3.1 Hàm truyền hai khâu mắc nối tiếp _ 41 2.3.2 Hàm truyền hai khâu mắc song song _ 42 2.3.3 Sơ đồ khối mạch kín 42 2.3.4 Hàm truyền mạch kín để hở hàm truyền mạch cấp tới _ 43 2.3.5 Hàm truyền mạch kín (Closed-loop transfer function) 43 2.3.6 Hàm truyền mạch kín có nhiễu _ 44 2.3.7 Thủ tục vẽ sơ đồ khối _ 45 2.3.8 Rút gọn sơ đồ khối _ 46 2.3.8.1 Các quy tắc để rút gọn sơ đồ khối _ 46 2.3.8.2 Nhận xét hàm truyền rút gọn _ 50 2.4 2.4.1 2.4.2 2.5 Thiết lập mơ hình tốn cho hệ thống động lực học _ 50 Các khái niệm 50 Tuyến tính hóa mơ hình tốn học phi tuyến _ 52 Khảo sát mơ hình tốn hệ động lực học 54 2.5.1 Hệ động lực học bậc _ 54 2.5.1.1 Ví dụ - Mơ hình tốn hệ bậc - Cơ hệ chuyển động thẳng _ 56 2.5.1.2 Ví dụ - Mơ hình tốn hệ bậc - Trục động quay tròn _ 58 2.5.2 Khâu đạo hàm thực 59 2.5.3 Hệ động lực học bậc hai 60 2.6 Tóm tắt _ 67 2.7 Câu hỏi ôn tập _ 68 2.8 Ví dụ tập 68 2.8.1 Ví dụ - Hình 1-5 , hệ thống điều khiển đóng-ngắt nhiệt độ phòng học 68 2.8.1.1 Dữ liệu ban đầu 68 2.8.1.2 Khảo sát hệ thống 70 2.8.1.3 Xây dựng mơ hình tốn hệ điều khiển nhiệt độ khơng khí phòng học _ 70 2.8.1.3.1 Xây dựng sơ đồ khối nhóm khâu cảm biến nhiệt độ thực có khơng khí phòng (T) 70 2.8.1.3.2 Xây dựng sơ đồ khối nhóm khâu tạo giá trị cho trước (Tr) 71 2.8.1.3.3 Xây dựng sơ đồ khối xác định độ lệch e*(t), e(t) 72 Trang - - Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương 2.8.1.3.4 2.8.1.3.5 2.8.1.3.6 2.8.1.3.7 2.8.1.3.8 2.8.1.3.9 2.8.1.3.10 2.8.1.3.11 2.8.2 Bài tập Xác định tác động điều khiển u*(t), u(t) 73 Mơ hình tốn phòng học điều khiển nhiệt độ khơng khí phòng 74 Nhiệt độ khơng khí phòng, T (C) _ 76 Cơ sở liệu để xây dựng mơ hình tốn phòng học có máy lạnh 77 Nhiễu loạn - Dòng nhiệt (nóng) cấp vào phòng từ bên ngồi từ người học 77 Tác động điều khiển u(t) - Dòng nhiệt lạnh cấp vào phòng, _ 79 Mô hình Simulink hệ thống điều khiển ON-OFF nhiệt độ phòng học _ 80 Đáp ứng nhiệt độ khơng khí phòng học T(C) _ 81 83 Các hoạt động điều khiển điều khiển _ 87 3.1 Giới thiệu chung 87 3.2 Các hoạt động điều khiển 87 3.2.1 Khái niệm hoạt động điều khiển (Control Action) 87 3.2.2 Hoạt động điều khiển hai vị trí (Đóng – Ngắt, ON-OFF, Two-position control) 88 3.2.3 Hoạt động điều khiển tỷ lệ (Proportional Control Action) 89 3.2.4 Hoạt động điều khiển tích phân (Integral Control Action – I) _ 91 3.2.5 Hoạt động điều khiển đạo hàm (Derivative Control Action - D) _ 93 3.2.6 Hoạt động điều khiển tỷ lệ + tích phân (Proportional Plus Integral Control Action – PI) 96 3.2.7 Hoạt động điều khiển tỷ lệ cộng đạo hàm, PD _ 98 3.2.8 Hoạt động điều khiển tỷ lệ + tích phân + đạo hàm (Proportional plus integral plus derivative control action), PID _ 100 3.3 Sơ lược hiệu việc chỉnh định tác động điều khiển thành phần điều khiển PID _ 102 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.4 Bộ điều khiển PID P (Ki=Kd=0) với Kp khác 103 Bộ điều khiển PID với Kp=const, Kd=0 Ki=var 105 Bộ điều khiển PID với Kp=const, Ki=const Kd=var _ 106 Gợi ý thiết kế hiệu chỉnh điều khiển PID _ 108 Nhận xét bổ sung: Đáp ứng hệ gồm điều khiển tỷ lệ với Kp H khác _ 109 Các điều khiển khí nén _ 112 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8 3.4.9 3.4.10 3.4.11 3.4.12 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 Sức cản dung kháng hệ gió nén có áp _ 112 Các bình gió nén _ 118 Cơ cấu ống phun - chắn khí nén _ 118 Hộp xếp 120 Bộ điều khiển gió nén tỷ lệ _ 121 Bộ khuếch đại gió nén _ 122 Bộ điều khiển gió nén tỷ lệ, kiểu cân lực-khoảng cách, có van khuếch đại cấp hai _ 123 Các van hoạt động gió nén _ 124 Nguyên lí tạo hoạt động điều khiển tích phân đạo hàm thêm vào hoạt động tỷ lệ _ 125 Bộ điều khiển gió nén tỷ lệ cộng đạo hàm (PD) _ 127 Bộ điều khiển gió nén tỷ lệ cộng tích phân (P+I) 129 Thiết lập điều khiển gió nén tỷ lệ cộng tích phân cộng đạo hàm PID 131 Các điều khiển thủy lực 132 Bộ điều khiển thủy lực tích phân 132 Bộ điều khiển tỷ lệ thủy lực _ 134 Cơ cấu giảm chấn thủy lực – Khâu đạo hàm thực _ 136 Thiết lập điều khiển tỷ lệ cộng tích phân thủy lực 138 Thiết lập điều khiển thuỷ lực tỷ lệ + đạo hàm 139 3.6 Tóm tắt 141 3.7 Câu hỏi ôn tập 141 3.8 Ví dụ tập _ 143 3.8.1 Ví dụ - Lập mơ hình tốn động diesel đối tượng điều khiển vòng quay trục _ 143 Trang - - Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương 3.8.1.1 Đối tượng điều khiển mẫu – Động diesel lai máy phát điện _ 143 3.8.1.2 Mơ hình đối tượng khâu tích phân 144 3.8.1.3 Mơ hình đối tượng khâu bậc 146 3.8.2 Xác định gần moment quán tính hệ động lực qua thực nghiệm 147 3.8.3 Ví dụ - Lập mơ hình tốn hệ điều khiển tỷ lệ tốc độ quay trục động diesel _ 148 3.8.3.1 Phân tích hoạt động lập mơ hình tốn cho khối _ 149 3.8.3.1.1 Đối tượng điều khiển, biến điều khiển _ 150 3.8.3.1.2 Cảm biến 150 3.8.3.1.3 Điểm so sánh 151 3.8.3.1.4 Tạo giá trị cho trước _ 151 3.8.3.1.5 Độ lệch, tác động điều khiển, khối gia cơng tín hiệu điều khiển, hoạt động điều khiển 153 3.8.3.1.6 Lai cho trục động quay đến nr, xác định 154 3.8.3.1.7 Trước lúc khởi động động 154 3.8.3.1.8 Khởi động động cho chạy không tải 155 3.8.3.1.9 Đóng tải định mức cho động 155 3.8.3.2 Lập mơ hình SIMULINK cho hệ điều khiển vòng quay diesel _ 156 3.8.3.2.1 Mơ hình đối tượng khâu tích phân _ 157 3.8.3.2.2 Mơ hình đối tượng khâu bậc 157 3.8.3.2.3 Quan hệ 157 3.8.3.2.4 Mơ hình SIMULINK hệ điều khiển vòng quay diesel 157 3.8.3.2.5 Xác định giá trị cuối n0f, nf, lượng sai tĩnh dn, giá trị nr để có nf theo yêu cầu 160 3.8.4 Bài tập có lời giải _ 161 3.8.5 Bài tập _ 162 Xử lý tín hiệu tương tự _ 165 4.1 Khái niệm chung _ 165 4.2 Các nguyên lý chế biến tín hiệu tương tự _ 165 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.3 Thay đổi cường độ tín hiệu _ 165 Tuyến tính hố _ 166 Chuyển đổi dạng tín hiệu 166 Lọc phối hợp trở kháng _ 166 Khái niệm nạp tải _ 166 Các mạch thụ động 168 4.3.1 Mạch phân áp (Divider Circuits) _ 168 4.3.2 Cầu Wheatstone (Wheatstone Bridge) 170 4.3.2.1 Cầu Wheatstone dòng chiều (DC) _ 170 4.3.2.2 Cầu Wheatstone dùng dòng xoay chiều (AC) 172 4.4 Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier- Op Amp) _ 174 4.4.1 Tính chất khuếch đại thuật toán _ 174 4.4.2 Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng _ 174 4.4.2.1 Bộ khuếch đại đảo lý tưởng dùng khuếch đại thuật toán _ 175 4.4.2.2 Hai quy tắc phân tích mạch khuếch đại thuật toán _ 176 4.4.3 Một số ứng dụng khuếch đại thuật toán _ 176 4.4.3.1 Bộ khuếch đại lặp điện áp _ 176 4.4.3.2 Bộ khuếch đại thuật tốn đảo cộng tín hiệu (the Op Amp summing amplifier) 177 4.4.3.3 Bộ khuếch đại thuật tốn khơng đảo 178 4.4.3.4 Bộ khuếch đại thuật toán (tỷ lệ) độ lệch _ 179 4.4.3.5 Bộ khuếch đại thuật tốn tích phân (I) _ 180 4.4.3.6 Bộ khuếch đại thuật tốn tỷ lệ cộng tích phân (PI) _ 180 4.4.3.7 Tổng hợp số ứng dụng khuếch đại thuật toán _ 181 4.5 Tóm tắt 182 4.6 Câu hỏi ôn tập 183 Trang - - Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương 4.7 Bài tập _ 183 Cảm biến nhiệt độ _ 185 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 Các nhiệt kế khí _ 187 Nhiệt kế chất lỏng ống thuỷ tinh (Liquid in glass thermometer) _ 187 Các nhiệt kế dạng hộp kim loại hàn kín (filled-system thermometer) _ 187 Nhiệt kế lưỡng kim (bi-metallic thermometer) _ 188 Nhiệt kế điện _ 190 5.2.1 Nhiệt kế điện trở kim loại (Resistance-Temperature Detectors – RTD) 190 5.2.2 Trở nhiệt kế bán dẫn - Thermistors 192 5.2.3 Cặp nhiệt trở (Thermocouples - TCs) _ 195 5.2.3.1 Hiệu ứng nhiệt điện 195 5.2.3.2 Cấu tạo tính chất cặp nhiệt điện _ 197 5.3 Tóm tắt 200 5.4 Câu hỏi ôn tập 201 5.5 Bài tập _ 201 Các cảm biến khí 202 6.1 Cảm biến áp suất 202 6.1.1 Khái niệm chung _ 202 6.1.2 Đo áp suất dư (pabs>pa) 203 6.1.3 Đo áp suất chân không (Pabs