CNG TDH 1.Hóy nờu đại lợng đặc trng cđa hƯ thèng ®iỊu chỉnh điều khiĨn tù ®éng Đại lợng điều chỉnh (tín hiệu ra) Controlled output c(t) : Là đại lợng đặc trng cho trạng thái đối tợng điều khiển xác định hoạt ®éng cđa toµn bé hƯ thèng ®iỊu khiĨn vµ ®iỊu chỉnh tự động ã Tác động chủ đạo (tín hiệu vào) Reference input r(t) : Là đại lợng đặc trng cho quy luật biến đổi theo yêu cầu đại lợng điều chỉnh ã Tác động nhiễu n(t) : Là loại nguyên nhân tác động ảnh hởng tới đại lợng điều chỉnh theo chiều hớng lợi (làm cho đại lợng điều chỉnh sai lệch so với trị số yêu cầu) (Tác động nhiễu xuất bên ngoàI bên hệ thống điều khiển tự động) ã Tác động điều khiển u(t) : Là biến số (hoặc tham số) đợc lựa chọn nh phơng tiện khống chế giá trị yêu cầu đại lợng điều chỉnh đại lợng điều chỉnh bị sai lệch so với trị số yêu cầu dới tác động nhiễu Tác động phản hồi (tín hiệu hồi tiếp) cht(t) : Là tác động tín hiệu trở lại đầu vào nhằm phản ánh sai lệch giá trị đo đợc đại lợng điều chỉnh giá trị mong muốn theo yêu cầu (Thông thờng hệ thống điều khiển tự động sử dụng phản hồi âm, tín hiệu hồi tiếp ngợc dấu với tín hiệu vào Hệ thống có phản hồi âm có tính ổn định cao) ã Lợng sai số (độ sai lệch) đại lợng điều chỉnh : Là hiệu giá trị thực đo đợc giá trị cho trớc (trị số yêu cầu) đại lợng điều chỉnh Hiệu ngợc lại gọi sai số hệ thống (error) : e(t) = r(t) – cht(t) 2.Trình bày vai trũ v c im ca phần tử hệ thống ĐKTĐ 3.Các trạng thái hệ thống iu chnh v điều khiển tự động Trạng thái xác lập Trạng thái làm việc hệ thống mà sau kết thúc ảnh hởng tác động kích thích, đại lợng điều chỉnh trở trị số ban đầu không đổi ( Các đại lợng hệ thống đạt giá trị ổn định) ( Khi tín hiệu vào không đổi, trạng thái xác lập hệ thống tơng ứng trạng thái tĩnh) ã Trạng thái độ Quá trình chuyển tiếp từ trạng thái xác lập sang trạng thái xác lập khác ( Lý thuyết điều khiển tự động chủ yếu mô tả, phõn tích trạng thái độ hệ thống) 4.Vai trò lý thuyết điều khiển tự động toán ã Đợc ứng dụng để giải vấn đề đáp ứng hệ thống không thoả mÃn yêu cầu đặt ã Làm tăng độ xác điều khiển điều chỉnh tự động ã Làm tăng suất lao động ã Làm tăng hiệu kinh tế ã Phõn tớch h thng: Đối với hệ thống điều khiển tự động với cấu trúc thơng số biết, tốn đặt xác định đáp ứng hệ thống đánh giá chất lượng hệ Trong toán phân tích, sau nghiên cứu trạng thái làm việc hệ thống theo tham số cho trước, cần xác định thông số phần tử để đảm bảo hệ thống làm việc ổn định, tiếp tính tốn, lựa chọn thơng số để đảm bảo số chất lượng • Thiết kế hệ thống: Với toán thiết kế hệ thống, biết cấu trúc thông số đối tượng điều khiển, yêu cầu đặt thiết kế điều khiển để cho có hệ thống thỏa mãn yêu cầu chất lượng Nội dung toán thiết kế thường chọn phương án cấu hình, phương án sơ đồ kết cấu, tính tốn lựa chọn tham số hiệu chỉnh theo yêu cầu độ nhạy, độ điều chỉnh xác,… • Nhận dạng hệ thống: Trường hợp chưa biết cấu trúc thơng số hệ thống, cần thực tốn nhận dạng hệ thống, có nghĩa xác định cấu trúc thông số hệ thống theo thông tin liệu ban đầu có Môn học Lý thuyết ĐKTĐ giải toán phân tích vaứ thieỏt keỏ heọ thoỏng 5.Các nguyên tắc điều chnh t ng (bự nhiu, gim thiu sai lch, tng hp) - nội dung ý nghĩa ã Phơng pháp hình thức để thiết bị điều khiển tạo tín hiệu điều khiển gọi nguyên tắc điều khiển ã Trong lĩnh vực điều khiển tự động, có nguyên tắc điều khiển bản: Nguyên tắc thông tin phản hồi Nguyên tắc đa dạng tơng xứng Nguyên tắc bổ sung Nguyên tắc dự trữ Nguyên tắc phân cấp Nguyên tắc cân nội Nguyên tắc thông tin ph¶n håi Muốn hệ thống điều khiển có chất lượng cao bắt buộc phải có phản hồi thông tin, tức lµ phải có đo lường tín hiệu từ đối tượng Có sơ đồ điều khiển dựa ngun tắc phản hồi thơng tin: - Điều khiển bù nhiễu - Điều khiển giảm thiểu sai lệch - Điều khiển phối hợp Ngun tắc đa dạng tương xứng • Muốn trình điều khiển có chất lượng đa dạng điều khiển phải tương xứng với đa dạng đối tượng ®iỊu khiĨn • Tính đa dạng điều khiển thể khả thu thập thông tin, lưu trữ thông tin, truyền tin, phân tích xử lý, chọn định, • Ý nghóa: Cần thiết kế điều khiển phù hợp với đối tượng Ngun tắc bổ sung ngồi Một hệ thống tồn hoạt động môi trường cụ thể có tác động qua lại chặt chẽ víi môi trường Nguyên tắc bổ sung thừa nhậân có đối tượng chưa biết (hộp đen) tác động vào hệ thống ta phải điều khiển hệ thống lẫn hộp đen - Ý nghóa: Khi thiết kế hệ thống tự động, muốn hệ thống có chất lượng ®iỊu chØnh cao boỷ qua nhieóu, đặc biệt nhiễu trình Ngun tắc dự trữ Vì nguyên tắc 1.2.3 coi thoõng tin chửa ủay ủuỷ phaỷi ủe phoứng caực baỏt traộc xaỷy vaứ phát sinh lợi ý muốn, có nghĩa khoõng ủửụùc duứng toaứn boọ thông tin, giải pháp, liƯu điều kiện bình thường Vốn dự trữ không sử dụng, cần cã thiÕt kÕ ®iỊu khiĨn để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn Ngun tắc phân cấp Một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm Cấu trúc phân cấp thường sử dụng cấu trúc hình Đa số hệ thống điều khiển dây chuyền sản xt chia làm cấp: - Cấp thực thi: điều khiển thiết bị, đọc tín hiệu từ cảm biến - Cấp phối hợp - Cấp tổ chức quản lý Sơ đồ điều khiển theo phơng pháp bù nhiễu ã Nguyên lý : Đo xác định nhiễu, dựa theo kết đo đợc, thực tác động điều khiển, tác động lên đối tợng điều khiển nhằm bù lại ảnh hởng tác động nhiễu để trì đại lợng điều chỉnh theo quy luật yêu cầu ã Các phần tử sử dụng sơ đồ: - Cảm biến (phần tử nhạy cảm PN) - Cơ cấu thừa hành (CT) - Phần tử trung gian (PT) n1 n2 … nn r(t) PN PT ct u(t) cq đtđk c(t) Bộ điều khiển ã Đặc điểm - u iểm: Sơ đồ phản ứng nhanh, cấu trúc đơn giản - Nhợc điểm: + Tính bất biến theo quy luật điều chỉnh đại lợng điều chỉnh (tín hiệu ra) đợc đảm bảo mối tơng quan với nhiễu mà phần tử nhạy cảm đo đợc (ví dơ chØ ®èi víi nhiƠu n1) + TÝnh bÊt biÕn theo quy luật điều chỉnh đại lợng điều chỉnh (tín hiệu ra) đợc đảm bảo mối tơng quan tuyệt đối tham số điều khiển đối tợng điều khiển so với tính toán + Giá trị thực đại lợng điều chỉnh c(t) đo khống chế đợc, tín hiệu điều khiển hoàn toàn không phụ thuộc vào tín hiệu ra, hệ thống làm việc theo chu trình hở ã ng dụng : Sơ đồ đợc sử dụng hệ thống tÝn hiƯu, hƯ thèng kiĨm tra tù ®éng, hƯ thèng kho¸ trun Ngun tắc cân nội Mỗi hệ thống cần xây dựng chế cân nội để có khả tự giải biến động xảy 6.Nguyờn tc iu chnh theo phơng pháp bù nhiễu - cấu hình, nguyên lý v đặc điểm 7.Nguyờn tc iu chnh theo phơng pháp giảm thiểu sai lệch - cấu hình, nguyên lý đặc điểm S điều khiển theo phương pháp giảm thiểu sai lệch 8.Nguyên tc iu chnh hỗn hợp - cấu hình, nguyên lý đặc điểm Sơ đồ điều khiển hn hp ã Mục đích: Tạo khả khắc phục nhợc điểm phơng pháp trờn xét riêng ã Nguyên lý : Bằng cách hay cách khác, xác định lợng sai lch hệ thống, theo giá trị dấu nó, thiết lập tác động điều khiển, tác động lên đối tợng điều khiển, đa lợng sai lch tới không ã Các phần tử sử dụng sơ đồ: - Phần tử phát tín hiệu (PP): tạo r(t) đặc trng cho quy luật theo yêu cầu đại lợng điều chỉnh - Phần tử nhạy cảm PN: đo giá trị thực đại lợng điều chỉnh c(t) - Phần tử so sánh (SS): thiết bị tính toán đơn giản xác định tín hiệu sai lệch e(t) n1 PP r(t) ss e(t) PT u(t) ct n2 nn cq đtđk c(t) ã Nguyên lý : - Hệ thống hở đảm bảo tính bất biến đại lợng điều chỉnh theo nhiễu có tác ®éng m¹nh nhÊt (vÝ dơ n1(t)) - HƯ thèng kÝn nhằm loại trừ tất nhiễu lại - Phần tử trung gian (PT) chi tiết thừa hành (CT) đợc sử dụng chung cho hai hệ thống ã Đặc điểm : Sơ đồ điều khiển hỗn hợp dạng hoàn hảo đợc sử dụng rộng rÃi trờng hợp cần nâng cao độ điều chỉnh xác chất lợng điều chØnh n1 n2 nn cht(t) CT PNn PN ct PN Bộ điều khiển PP ã Đặc điểm - u iểm: + Có khả điều chỉnh với tác động nhiễu (ảnh hởng tất nhiễu đợc xác định liên tục qua sai lch e(t) = r(t) – cht(t); hƯ thèng tù ghi nh©n tè xt hiƯn sai lch tiếp nhận phơng tiện để điều hoà sai lch) + Không đòi hỏi điều kiện ngặt nghèo tính ổn định thiết bị điều khiển đối tợng điều khiển - Nhợc điểm: + Bản thân nguyên lý có mâu thuẫn: bắt bc ph¶i cho phÐp sai sè xt hiƯn (u(t) chØ xuÊt hiÖn sai lệch e(t) ≠ 0), mơc ®Ých ĐKTĐ e(t) = r(t) – cht(t) = suốt trình hnh + Việc tính toán hệ thống kín phức tạp nhiỊu so víi hƯ thèng hë • Ứng dơng : - Sử dụng rộng rÃi hầu hết lĩnh vùc ĐK ĐCTĐ - Ứng dơng c¸c thiÕt bị đo, thiết bị máy tính, máy khuyếch đại, đặc biệt đợc nghiên cứu ứng dụng thÓ sèng + r(t) e(t) + - + u(t) cq ®t®k c(t) cht(t) PN Bé ®iỊu khiĨn Khi quy lt biến đổi r(t) hàm phức tạp, thờng sử dụng hệ thống có sơ đồ điều khiển tng hợp chu trình hở hoạt động theo tín hiệu vào r(t), với mục đích làm cho đại lợng điều chØnh c(t) b¸m theo quy luËt r(t) mét c¸ch chÝnh xác hơn, tác động nhiễu khác chu trình kín điều hoà n1 n2 nn PNr CTr CT r(t) + e(t) - + + PT u(t) ct cq ®t®k c(t) cht(t) PN Bé ®iỊu khiĨn 9.Hãy nêu phơng pháp phân loại hệ thống điều khiển tự ®éng 10.Trình bày nội dung mơn điều khiển tự động môn học liên quan Theo mô tả toán học hệ thống ã Heọ thoỏng §KT§ tuyến tính • Hệ thống phi tuyến • Hệ thoỏng lieõn tuùc ã Heọ thoỏng rụứi raùc (gián đoạn) • Hệ thống bất biến theo thời gian • Hệ thống biến đổi theo thời gian Theo số ngõ vào ngõ • Hệ thống ngõ vào – ngõ (hệ SISO) (Single Input – Single Output) • Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ (heä MIMO) (Multi Input – Multi Output) Néi dung: • Nội dung môn học lý thuyết điều khiển tự động chủ yếu đề cập đến phương pháp kinh điển phân tích, thiết kế hệ thống tuyến tính, bất biến, ngõ vào, ngõ • Kiến thức có từ môn học giúp kỹ sư phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển cấp thực thi (cấp điều khiển thiết bị heọ thoỏng ủieu khieồn phaõn caỏp) Các môn häc liªn quan: Để thiết kế hệ thống điều khiển cấp thực thi thực tế, kiến thức lý thuyết điều khiển tự động người thiết kế cần nắm vững kiến thức liên quan: - Kỹ thuật điện - Cơ sở lý thuyết m¹ch - Đo lường công nghiệp - Kü tht điện tửỷ, điện tử công nghiệp, điện tử công suất - Kỹ thuật số, vi xử lý - Đo lường điều khiển dùng máy tính,… ◙ Phânloại hệ thống ĐKTĐ tuyến tính liêntục HƯ thèng tun tÝnh liªn tơc HƯ thống điều khiển thích nghi Hệ thống điều khiển thông th−êng 11.Phương trình vi phân biểu diễn trạng thái động học phần tử hệ thống điều chỉnh tự động ? Ý nghĩa phương pháp xác định Quan hệ tín hiệu vào tín hiệu hệ thống tuyến tính bất biến liên tục mơ tả phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng: n HƯ thèng ®iỊu khiĨn tèi −u HƯ thèng cã th bÞ tù chØnh ®Þnh HƯ thèng ®iỊu khiĨn Cùc trÞ HƯ thèng Theo dõi Hệ thống kín Hệ thống Tự động ổn định Hệ thống ĐK theo chơng trình Hệ thống Hỗn hợp HƯ thèng hë HƯ thèng Bï nhiƠu n-1 m m-1 d c(t) d c(t) dc(t) d r(t) d r(t) dr(t) a0 —— + a1 —— +…+ an-1 —— + anc(t) = b0 —— + b1 —— +…+bm-1 —— +bmr(t) n n-1 m m-1 dt dt dt dt dt dt Trong ®ã : n: bËc cđa hƯ thèng HƯ thèng hỵp thøc nÕu n ≥ m a , b : th«ng số hệ thống c(t) : tín hiệu (đại lợng điều chỉnh) r(t) : tín hiệu vào gây nên phản ứng phần tử hệ thống +Cỏc bc lập phương trình vi phân - Ph©n chia hƯ thèng thành khâu tác động có hớng nhằm đơn giản hoá việc mô t toán học - Xác định phơng trỡnh vi phân biểu diễn mối quan hệ tín hiệu vào khâu (chủ yếu dựa theo quy luật vật lý) - Loại trừ tham số trung gian, lập phơng trình vi phân biểu diễn mối quan hệ tín hiệu vào cđa toµn hƯ thèng 12 Các đặc tính thời gian hệ thống điều chỉnh tự động – nội dung, đặc điểm ý nghĩa Để đánh giá chất lượng điều khiển điều chỉnh tự động, người ta dựa theo phản ứng hệ số tác động điển hình có dạng : f n=0 f(t) = f0.1(t) f (t ) = n t n 1(t ) ; n! f (t ) = fn n t δ ( t ) ; n! n=0 f(t) = f0.δ(t) Hàm truyền hệ thống điều khiển tự động thiết bị tỉ số phép biến đổi tốn tử Laplace tín hiệu phép biến đổi toán tử Laplace tín hiệu vào điều kiện đầu Chú ý: Mặc dù hàm truyền định nghĩa tỉ số biến đổi Laplace tín hiệu biến đổi Laplace tín hiệu vào hàm truyền khơng phụ thuộc vào tín hiệu tín hiệu vào mà phụ thuộc vào cấu trúc thông số hệ thống Do dùng hàm truyền để mơ tả hệ thống Cách tìm hàm truyền • Bước 1: Thành lập phương trình vi phân mơ tả quan hệ vào – phần tử hệ thống cách: - Áp dụng định luật Kirchoff, quan hệ dòng - áp điện trở, tụ điện, cuộn cảm,… phần tử điện - Áp dụng định luật Newton, quan hệ lực ma sát vận tốc, quan hệ lực biến dạng lò xo,… phần tử khí - Áp dụng định luật truyền nhiệt, định luật bảo toàn lượng,… phần tử nhiệt • Bước 2: Biến đổi Laplace hai vế phương trình vi phân vừa thành lập bước 1, ta hàm truyền cần tìm Chú ý: mạch điện tìm hàm truyền theo phương pháp tổng trở phức Trong sử dụng hai tác ng in hỡnh: - Tác động nhảy đơn vị (Hàm nấc đơn vị - step) f(t) 1(t) t < t ≥ 1(t) = h(t) t Hỡnh 2.4a - Tác động xung đơn vị (hàm đenta đơn vị hàm dirac) t = f(t) δ(t) = 1(t) w(t) t ≠ +∞ -ε +ε ∫ δ (t) dt =1 −∞ t 13.Hàm truyền phần tử hệ thống điều chỉnh tự động gì? Ý nghĩa phương pháp xác định Hàm truyền hệ thống: C(s) b0 s m + b1s m−1 + + bm −1 s + bm G(s) = R(s) = (m ≤ n ) a s n + a1 s n−1 + + a n−1 s + an Hình 2.4b Khi đầu vào nấc đơn vị (hàm step) 1(t) đáp ứng hệ thống gọi hàm độ h(t) (H.2.5a) Khi đầu vào hàm dirac δ(t) đáp ứng hệ thống gọi hàm xung độ (hàm trọng số) ký hiệu w(t) (H.2.5b) h(t) w(t) ∆cmax K K/T ∆cmax t t Tqđ Hình 2.5a Tqđ Hình 2.5b 14 Đại số sơ đồ khối – nội dung, chất ý nghĩa Đại số sơ đồ khối Đại số sơ đồ khối thuật toán dùng để xác định hàm truyền hệ thống điều khiển tự động phức tạp biết hàm truyền phần tử cấu thành hệ thống Sơ đồ khối, cịn gọi cấu hình sơ đồ kết cấu, hình vẽ mơ tả chức phần tử tác động qua lại chúng hệ thống Sơ đồ khối không biểu diễn tính chất động học sơ đồ nguyên lý lược đồ chức Sơ đồ khối bao gồm thành phần là: Khối chức , thường gọi khâu động học, tín hiệu tín hiệu vào nhân với hàm truyền Bộ tổng, nhiều trường hợp đóng vai trị phần tử so sánh, tín hiệu tổng đại số tín hiệu vào Điểm rẽ nhánh vị trí tín hiệu phân nhánh tới phần tử khác hệ thống Tất tín hiệu điểm rẽ nhánh Ví dụ: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động tốc độ động DC có dạng hình vẽ 2.14 Bộ tổng (Phần tử so s¸nh) Khâu chức (Khâu động học) Điểm phân nhánh (Nút) 15.Đáp ứng biên độ đáp ứng pha gì? Ý nghĩa cách xác định Đáp ứng biên độ đáp ứng pha hàm truyền hệ thống: C (s) b0 s m + b1 s m −1 + + bm −1 s + bm (m ≤ n ) G(s) = R(s) = a s n + a1s n−1 + + an−1s + an Thay s = jω, ta đặc tính tần số hệ thống: b0 ( jω ) m + b1 ( jω ) m−1 + + bm−1 ( jω ) + bm G(s) = G (jω) = a0 ( jω ) n + a1 ( jω ) n−1 + + a n−1 ( jω ) + a n Phân tích cách tổng quát, G(jω) hàm phức nên biểu diễn dạng đại số dạng cực (dạng số mũ): G (jω) = P(ω) + jQ(ω) = M(ω) e jϕ (ω ) Trong đó: M (ω ) = G ( jω ) = P (ω ) + Q (ω ) M(ω) = │G (jω)│= P (ω ) + Q (ω ) Q (ω ) Q (ω ) ϕ (ω ) = ∠G ( jω ) = tg = arg tg P (ω ) P (ω ) Q(ω) Q(ω ) = argtg φ(ω) = G (jω) = tg-1 P(ω) P (ω ) gọi đáp ứng biên độ −1 gọi đáp ứng pha Ý nghĩa vật lý: - Đáp ứng biên độ cho biết tỉ lệ biên độ (hệ số khuếch đại, hệ số tỉ lệ) tín hiệu tín hiệu vào theo tần số - Đáp ứng pha cho biết góc lệch pha tín hiệu tín hiệu vào theo tần số 16.Yêu cầu, đặc điểm cấu tạo thiết bị đo -Yêu câu:Thiết bị đo có nhiệm vụ cung cấp thông tin diễn biến trình kỹ thuật cho đầu tín hiệu chuẩn -Đặc điểm cấu tạo: Thiết bị đo Đại lượng đo Cảm biến Bộ chuyển đổi đo chuẩn Tín hiệu đo Chỉ báo +Cảm biến :có chức chuyển đổi đại lượng vật lý (tốc độ, nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng…sang tín hiệu, thong thường điện khí nén Tín hiệu từ cảm biến thường nhỏ, không truyền xa, chứa sai số ảnh hưởng nhiễu độ nhạy cảm biến, phi tuyến với đại lượng đo Vì vậy, sau phần tử nhạy cảm sau cảm biến cần khâu khuếch đại, chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch tuyến tính hóa +Bộ chuyển đổi đo chuẩn: đóng vai trị khâu điều hịa tín hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến đầu tín hiệu chuẩn truyền xa thích hợp với đầu vào điều khiển -Các đặc tính thiết bị đo + Đặc tính tĩnh: biểu diễn quan hệ đại lượng đầu vào giá trị tín hiệu đầu thiết bị đo trạng thái xác lập +Đặc tính vận hành: bao gồm chi tiết khả đo (phạm vi đo dải đo), chi tiết vận hành (độ phân giải, độ tin cậy) tác động môi trường điều kiện làm việc, giới hạn làm việc thiết bị, tượng trôi điểm không nhiệt, lệch độ nhạy nhiệt… +Sai số: đặc tính quan trọng chuyển đổi đo Yêu cầu sai số phải thỏa mãn yêu cầu, giảm sai số nhỏ tốt +Độ nhạy: tiêu chuẩn quan trọng có tác dụng định cấu trúc mạch đo để đảm bảo cho phép đo đo biến động nhỏ đại lượng đo +Độ tuyến tính đường đặc tính: yêu cầu đường đặc tính quan hệ đại lương đo tín hiệu tuyến tính tốt +Đặc tính động: biểu diễn mối quan hệ giữ biến thiên đầu vào tín hiệu theo thời gian, cho biết khả phản ứng thiết bị đo đại lượng đo thay đổi nhanh (đáp ứng độ, đáp ứng tín hiệu dốc, đáp ứng tần số,…) +Ảnh hưởng cảm biến lên đại lượng đo: đưa cảm biến thiết bị đo vào hệ thống cần đo để xác định đại lượng đo cảm biến dụng cụ đo có ảnh hưởng định đến hệ thống đo có ảnh hưởng đến đại lượng đo, đầu cảm biến thiết bị đo bị ảnh hưởng 17.Các ý lựa chọn sử dụng thiết bị đo Các ý lựa chọn thiết bị đo Trong q trình tính tốn, lựa chọn thiết bị đo cần tính đến loạt điều kiện yếu tố liên quan tới đặc tính đo lường trạng thái sau : - Sai số cho phép xác định cấp xác cảm biến - Độ quán tính đặc trưng số thời gian cảm biến - Giới hạn đo đảm bảo độ xác theo yêu cầu - Ảnh hưởng tham số vật lý cần đo tác động môi trường tới chế độ làm việc thường cảm biến (nhiệt độ, áp suất, mật độ, độ ẩm,…) - Những tác động phá hủy môi trường đo môi trường xung quanh lên cảm biến xuất phản ứng hóa học tính chất mài mòn thiết bị - Đối với điều kiện lắp đặt, phải tính đến giá trị giới hạn độ rung, trường điện từ, loại tia phóng xạ,… - Khả sử dụng cảm biến trước yêu cầu an tồn phịng chống cháy nổ - Giá trị giới hạn cho phép đại lượng đo tham số môi trường khác thiết bị đo Việc lựa chọn cảm biến thiết bị đo cần tiến hành theo hai giai đoạn : - Lựa chọn chủng loại cảm biến Ví dụ, để đo nhiệt độ : nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, nhiệt kế áp lực, nhiệt kế điện tiếp xúc,… - Chọn kiểu mẫu, kích thước lắp đặt 19 Van điều khiển (chức năng, đặc điểm cấu tạo cách phân loại) -van điều khiển (control valve): cho phép điều chỉnh lưu lượng lưu chất qua đường ống dẫn tỷ lệ với tín hiệu điều khiển -Cấu trúc chung van điều khiển bao gồm than van ghép nối với cấu chấp hành với phụ kiện liên quan Thân van phụ kiện gắn với đường ống Độ mở van xác định theo hình dạng vị trí chốt van -phân loại: +Dựa theo thiết kế kiểu chuyển động chốt van, phân loại van sau: • Van cầu (globe valve): Chốt trượt có đầu hình cầu hình nón, chuyển động lên xuống • Van nút (plug valve): Chốt xoay hình trụ (có đục lỗ theo chiều ngang) có phần hình trụ • Van bi (ball valve): Chốt xoay hình cầu (có đục lỗ theo chiều ngang) có phần hình cầu • Van bướm (butterfly valve): Chốt xoay hình đĩa +Theo chế truyền động, ta phân loại van sau: • Van khí nén: truyền động khí nén màng chắn-lòxo piston Thành phần chịu lực màng đàn hồi Khi có chênh lệch áp suất, màng bị uốn cong tác động làm quay van nhờ hệ thống khớp nối ● Van điện: - Cơ cấu chấp hành sử dụng động servo động bước điều khiển trực tiếp từ tín hiệu đầu điều khiển - Sử dụng ứng dụng công suất nhỏ địi hỏi độ xác cao ● Van thủy lực: - Cơ cấu chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng chắn piston Bơm dầu điều khiển trực tiếp từ tín hiệu đầu điều khiển 18 Cấu trúc tính chất thiết bị chấp hành -Cấu trúc Thiết bị chấp hành có chức can thiệp tới biến điều khiển theo tín hiệu đầu điều khiển +Thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển gọi phần tử điều khiển (control element), ví dụ van tỷ lệ, van on/off, cơng tắc hành trình, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải + Phần tử điều khiển truyền lượng , truyền động từ cấu chấp hành (actuator), ví dụ động cơ, cuộn hút, cấu khí nén thủy lực Thiết bị chấp hành Tín hiệu điều khiển Cơ cấu Chấp hành Phần tử Điều khiển Biến điều khiển -Các tính chất thiết bị chấp hành +Thiết bị chấp hành kiểu khí nén (hệ truyền động khí nén) Hệ truyền động khí nén sử dụng nguồn khơng khí nén từ hệ thống máy nén khí Hệ bao gồm loại động khí nén (xilanh dẫn động, mơtơ…) kết nối với cấu chấp hành hệ thống nguồn cấp đường ống khí nén (ống áp lực ống mềm), thiết bị phân phối, thiết bị điều chỉnh liên động (các khớp li hợp) Trên hình 7.21 hình ảnh số cấu chấp hành dùng khí nén Tính ưu việt thiết bị chấp hành dùng khí nén khơng bị thiêu hụt nhiên liệu (khơng khí), độ an tồn cháy nổ cao, lượng kim loại thấp (không cần hệ thống đường ống hồi), trang bị tập trung khí nén, có khả phịng ngừa tải hư hỏng thiết bị dẫn động nhờ tính đàn hồi khơng khí nén Những hạn chế loại hiệu suất thấp (không 30%), tổn hao áp lực đường ống, chịu ảnh hưởng nhiệt độ bên ngồi, qn tính tăng theo chiều dài đường ống, khơng đảm bảo tính êm đường truyền, bán kính tác dụng bị hạn chế (thông thường không 100-150m), việc lắp đặt thiết bị bít kín đường ống phức tạp +Thiết bị chấp hành kiểu thủy lực (hệ truyền động thủy lực) Thiết bị chấp hành loại sử dụng nguồn nhiên liệu chất lỏng có áp lực bao gồm phần tử có chức giống thiết bị khí nén Tính ưu việt cấu thủy lực : có khả sử dụng với áp suất cao (hàng trăm atmôtpher) và, vậy, truyền động lực có trị số lớn kích thước thiết bị nhỏ, tạo chuyển động êm cho cấu, có khả tạo quy luật chuyển động cho cấu với điều chỉnh êm, phẳng, không nhảy cấp phạm vi rộng, có độ dừng xác cao Những hạn chế : bán kính tác dụng nhỏ (khơng q 60m), lượng kim loại lớn (trong hệ thống cần có tuyến đường ống hồi), yêu cầu cao mối hàn bít kín, qn tính lớn, có ảnh hưởng nhiệt độ độ nhớt chất lỏng (dầu), tổn hao lượng ma sát chất lỏng thành bên đường ống, hiệu suất thấp tải nhỏ +Động thừa hành (động trợ động) Thiết bị chấp hành (còn gọi cấu thừa hành) loại sử dụng lượng từ nguồn điện trung tâm Ưu thiết bị chấp hành dạng thiết bị điện khơng giới hạn bán kính tác dụng, hiệu suất cao, động đơn giản lắp đặt kết nối thiết bị, có khả sử dụng vận hành điều kiện nhiệt độ môi trường Hạn chế : Yêu cầu phòng chống cháy nổ, cần đến thiết bị đặc biệt 20 Thiết bị kiểm tra điều chỉnh tự động (ý nghĩa, đặc điểm yêu cầu chung) yếu tố cần kiểm tra điều chỉnh ● Trạng thái máy móc thiết bị cấu hoạt động (đóng cắt động dẫn động trạng thái van, cánh van, then cửa … ● Các trình vận chuyển (trạng thái xe dỡ liệu, guồng tải băng đai máy đánh đống, máy gạt, máy cạp… ● Chế độ nhiệt (nhiệt độ chất tải nhiệt; nhiệt độ nguyên vật liệu bán thành phẩm; nhiệt độ nước; nhiệt độ thành phẩm) ● Quá trình định lượng - trạng thái máy định lượng: chất liệu; dỡ liệu ● Quá trình khuấy trộn – trạng thái máy trộn: chất liệu, quay, dỡ liệu ● Các tham số nguyên vật liệu thành phẩm sai lệch giá trị cho phép: độ ẩm, độ mịn, độ cứng ● Áp suất khơng khí nén độ lỗng khí q trình hút Thiết bị kiểm tra điều chỉnh tự động trình nhiệt Giải pháp thiết bị ● Tín hiệu từ cảm biến phản ứng với nhiệt độ chất tải nhiệt nung nhiệt độ chất làm khơ sấy ● Chương trình cho trước thay đổi nhiệt độ theo thời gian (điều chỉnh theo chương trình) ● Tín hiệu từ cảm biến phản ứng với trạng thái thực tế tham số vật liệu nung sấy Ưu điểm hai phương pháp đầu tính đơn giản, tin cậy lợi với đa dạng trang thiết bị sử dụng cho mục đích này, song có nhược điểm số trường hợp khơng thể nhận thông tin tham số vật liệu sấy (nhiệt độ, độ ẩm, độ bền vững), kiểm tra theo dây chuyền Phương pháp thứ ba khắc phục được, song sử dụng thiếu trang thiết bị sản xuất hàng loạt để kiểm tra trạng thái tham số nguyên vật liệu trình nung sấy Thiết bị kiểm tra điều chỉnh tự động độ lèn chặt độ bền vững ● Thiết bị đo độ bền vững cấu kiện bê tông Đo tốc độ truyền xung siêu âm qua bê tơng, đánh giá số tính bền vững bê tông - Sử dụng ứng dụng công suất lớn ● Van điện từ: - Cơ cấu chấp hành cuộn hút kết hợp lò xo, lực nén yếu, độ xác - phù hợp với yêu cầu đơn giản Phương pháp xung siêu âm - Máy phát xung Đầu dò (chứa tinh thể muối Seignet (kali natri tactrat KNaC4H4O6.4H2O) biến xung điện thành xung siêu âm - Bê tông cần đo độ bền vững - Thiết bị thu tín hiệu (biến đổi tín hiệu âm ngược lại thành tín hiệu điện) - Bộ khuếch đại - Ống điện tử (thể hình ảnh tín hiệu thu được) Phương pháp thí nghiệm va đập - Máy phát xung đếm (7) Mạch khởi động Thiết bị nhớ Cơ cấu ghi 10 Bộ khuếch đại 11 Thiết bị thu âm 12 Thiết bị thu âm 13 ● số lượng xung phụ thuộc vào tốc độ truyền âm Hạn chế thiết bị sử dụng phương pháp phạm vi ứng dụng hẹp ● áp dụng cơng trình lớn với cấu trúc đồ sộ Nguyên lý: cân phần động ống dẫn bùn 1.Độ lệch phần ống dẫn bùn động tỉ lệ với nồng độ hạt rắn bùn 1- ống dẫn bùn động 2- ống mềm 3- phần ống cố định 4- cảm biến điện cảm (kiểu piston) 5- khuếch đại (thiết bị thứ cấp) 6- điều chỉnh 7- thước cong Độ lệch phần ống dẫn bùn động tỉ lệ với nồng độ hạt rắn bùn Bộ điều chỉnh để thay đổi nồng độ bùn trường hợp phần động ống dẫn bùn có vị trí sai lệch so với u cầu 21 Yêu cầu đặc tính chung thiết bị đo đếm tự động -Đặc tính chung thiết bị đo đếm tự động Phương pháp cộng hưởng 14 - Bộ chuyển đổi 15 - Máy phát dao độngâm 16 - Đinh vấu cố định với cuộn dâycủa thiết bị chuyển đổi có mũi tiếp xúc với bề mặt mẫu bê tông 14 - Bộ chuyển đổi 17 - Bộ khuếch đại 18 - Dao động ký Xác định tần số cộng hưởng, tính mơđuyn động tính đàn hồi, qua đánh giá độ bền vững bê tông Thiết bị đo độ đặc (mật độ) vữa bùn ● Giải pháp thiết bị - Thiết bị dựa phép đo đại lượng học – thủy lực : cân khối lượng lưu chất, xác định nhúng chìm phần phao, xác định hao hụt trọng lượng phao chìm hồn tồn lưu chất - Thiết bị dựa phép đo đại lượng đặc trưng cho trình truyền lượng môi trường công nghệ : truyền lượng điện, lượng nhiệt, truyền dao động âm (siêu âm), truyền dao động điện từ (phổ thấy được, tia rơnghen X, tia gamma γ) - Sử dụng mật độ kế xạ có khả đo mật độ (độ đặc) không cần tiếp xúc trực tiếp với môi trường đối tượng đo (có ý nghĩa quan trọng trường hợp bùn có tính dính bám phần tử cảm biến – yếu tố thường trực xí nghiệp cơng trường xây dựng ● Thiết bị đo mật độ tự động (mật độ kế) 22 Nhu cầu, đặc điểm giải pháp tự động hóa q trình cơng nghệ Điều khiển q trình điều chỉnh can thiệp cách có hiệu đại lượng tác động tới diễn biến trình nhằm đạt sản phẩm với chất lượng số lượng mong muốn Điều khiển QTCN gắn với q trình kỹ thuật, q trìn cơng nghệ trình sản xuất Điều khiển QTCN phương pháp điều khiển,mà phạm trù toán điều chỉnh (tự động , bán tự động tay) can thiệp (trực tiếp gián tiếp, liên tục phần) tới biến đặc trưng trình kỹ thuật Điều khiển QTCN bao gồm nhiều biện pháp tổng hợp để đạt tiêu mong muốn số lượng chất lượng thành phẩm với chi phí thấp Q trình cơng nghệ thực chất trình liên quan tới biến đổi, vận chuyển lưu trữ vật chất lượng, nằm dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất Biến vào Biến điều khiển Vật chất Năng lượng Thông tin Nhiễu Vật chất Năng lượng Thông tin Q TRÌNH CƠNG NGỆ Biến trạng thái Biến Biến không cần Biến cần Biến không cần Điều khiển điều khiển điều khiển Trạng thái hoạt động diễn biến q trình cơng nghệ thể qua biến trình phân loại biến trình - Biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động từ bên ngồi vào q trình.(lưu lượng dòng liệu, nhiệt độ nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở rơle sợi đốt, …) - Biến đại lượng điều kiện thể tác động củaquá trình lên trình khác tác động bên (lưu lượng độ mịn sản phẩm nghiền, nồng độ khí thải, số chất lượng cấu kiện bê tông,…) - Biến trạng thái biến mang thông tin trạng thái bên trình (nhiệt độ phân đoạn lò nung, áp suất hơi, mức chất liệu, tốc đọ biến thiên thông số này,…) Trong nhiều trường hợp, biến trạng thái coi biến - Biến cần điều khiển: biến biến trạng thái trình điều chỉnh cho gần với giá trị đặt mong muốn biến thiên theo quy luật yêu cầu - Biến điều khiển: biến vào q trình can thiệp trực tiếp từ bên ngồi, qua tác động tới biến theo ý muốn Đo đếm tự động thực trình liên tục theo chu trình Đo đếm thực theo khoảng thời gian xác định (phút, giờ, ca làm việc…) ● Đo đếm lượng chất lỏng vật liệu rời thực theo thể tích khối lượng, theo suất liên tục ● Đo đếm lượng khí gaz thực theo thể tích ● Đo đếm sản phẩm đơn chiếc: theo số lượng sản phẩm, theo số lượng phận tháo dỡ phân loại theo kích thước, theo số chất lượng sản phẩm ● Đo đếm lượng (điện, nhiệt, cơ): theo chu kỳ thời gian (giờ, phút, ca làm việc) tổng số tăng dần tọa độ thời gianbất kỳ Thiết bị đo đếm khối lượng chất liệu rời Cân tự động tác động liên tục ЛТМ Thiết bị đo đếm sản phẩm đơn chiếc, sản phẩm gia công, suất ● Máy đếm sản phẩm kiểu quang điện ● Cân cần trục ● Thiết bị ghi tự động công tác cần trục ● Thiết bị đếm tự động thời gian vận hành thời gian ngừng - Nhiễu: tất biến vào cịn lại khơng can thiệp cách trực tiếp hay gián tiếp phân biệt hai loại nhiễu: Nhiễu trình: biến vào tác động lên q trình cách cố hữu khơng can thiệp Nhiễu tạp (nhiễu đo): nhiễu tác động lên phép đo gây sai số đo Lưu ý : Trong q trình cơng nghệ, khơng phải biến vào can thiệp khơng phải biến cần phải điều khiển Các biến q trình đo khơng đo Trong đa số trường hợp, biến cần điều khiển đại lượng đo 23 Tự động hóa q trình đóng kho vận chuyển ngun liệu (đặc điểm cơng nghệ, mục đích u cầu hệ thống điều chỉnh điều khiển tự động) Cơ sở tự động hóa q trình đóng kho vận chuyển nguyên liệu Nét đặc trưng q trình cơng nghệ: - Khối lượng ngun liệu gia công lớn - Các luồng đường dây vận chuyển khổng lồ - Tính cơng nghệ loại vật liệu gia công lại phức tạp - Sự đông kết loại vật liệu rời trình bảo quản kho thao tác kho dự trữ - Sự tạo vòm gây ảnh hưởng tới tính lưu thơng liên tục dịng liệu Mục đích: - Điều phối cách hợp lý nguồn trữ lượng - Điều hòa hoạt động thành phần toàn dây chuyền sản xuất Quy mô hệ thống vận chuyển theo dây chuyền (VDC): - Quá trình cân toa xe chứa nguyên liệu đưa tới; - Xếp đặt nguyên liệu bán thành phẩm thành đống kho trung gian; - Chất tải cho bunke cấp liệu giá để vật liệu 24 Tự động hóa hệ thống vận chuyển theo dây chuyền có trang bị guồng tải băng đai – đặc điểm công nghệ yêu cầu thiết bị tự động Tự động hóa hệ thống vận chuyển theo dây chuyền có trang bị guồng tải băng đai Đặc điểm: Là tổ hợp trang thiết bị phương tiện dùng để xử lý vận chuyển nguyên vật liệu theo dây chuyền công nghệ độc lập Có hai dạng: - Hệ thống vận chuyển đơn giản có sơ đồ cơng nghệ thẳng,khơng phân nhánh phức tạp (tuyến tập kết cốt liệu nhà máy bê tông loại nhỏ, trạm trộn bê tông tự động công trường, ) - Hệ thống vận chuyển phức tạp có sơ đồ cơng nghệ phân nhánh phức tạp (kho chứa công suất lớn, nhà máy nghiền với tổ hợp phân phối liệu, ) Băng chuyền tải có thiết bị cấp liệu dỡ liệu sơ đồ công nghệ - băng chuyền tải, - bunke tiếp liệu - bunke chất liệu - ĐB: động truyền động cho băng tải - MD, MT:cảm biến mức TR: máy tiếp liệu rung - CT: cảm biến tốc độ Trình tự đóng mạch cấu ngược với chiều dịng ngun vật liệu ĐB1 đóng vai trị cấu trung gian 25 Thiết bị định lượng tự động – yêu cầu, đặc điểm cách phân loại Đặc tính chung thiết bị định lượng Yêu cầu: đảm bảo định lượng xác độ tin cậy cao Phân loại: theo nguyên lý làm việc: cân định lượng tác động liên tục không liên tục ; theo dạng thiết bị đo cấu định lượng : kiểu tay địn, kiểu góc phần tư, kiểu lò xo, kiểu đo ứng biến dùng điện(tenxơmet), kiểu dị hướng từ tính, kiểu thủy lực ; theo chủng loại cấu tiếp liệu : loại nạp liệu không cưỡng (dùng trọng lực, dùng phễu có cửa điều chỉnh, dùng ống có van ), loại nạp liệu cưỡng (băng chuyền,đĩa xoay, guồng xoắn, cấu rung ) 26 Máy định lượng tự động tác động không liên tục (theo suất định lượng) - Nguyên lý chung, đặc điểm cấu tạo nguyên tắc vận hành Máy định lượng tự động tác động không liên tục (theo suất định lượng) Máy định lượng tự động tác động không liên tục (theo suất định lượng) Nguyên lý chung: khối lượng vật liệu sau lần cân không đổi Đặc điểm cấu tạo: gồm cấu nạp liệu, cấu cân thiết bị điều khiển van cửa cân Quá trình vận hành: vật liệu cần định lượng đưa vào bunke (thùng cân) Sau cân, vật liệu tháo theo phía đáy thùng, đáy mở khí theo thao tác người vận hành theo tín hiệu hệ thống điều khiển tự động tùy theo chủng loại máy định lượng sơ đồ hệ thống điều khiển Có thể vận hành theo một, hai, ba bốn phân đoạn : tùy theo số ngăn loại vật liệu cần định lượng Hệ thống vận chuyển theo dây chuyền với hai băng tải thiết bị cấp dỡ liệu 27 Máy định lượng tự động tác động liên tục – yêu cầu chung, đặc điểm phân loại Máy định lượng tự động tác động liên tục Yêu cầu chung Dùng để định lượng tự động khối lượng vật liệu đơn vị thời gian, đảm bảo suất yêu cầu yêu cầu bản: đảm bảo định lượng xác theo yêu cầu Máy định lượng tác động liên tục theo thể tích đảm bảo trì thể tích vật liệu cần định lượng theo yêu cầu cho trước Kiểu cấp: trì lượng vật liệu cần định lượng theo chương trình cho trước (như loại cân định lượng) Giải pháp: - điều chỉnh lượng vật liệu cách thay đổi vận tốc băng tải lượng - thay đổi tải trọng băng tải lượng vận tốc khơng đổi Kiểu hai cấp: thực theo hai giai đoạn (hoặc nhiều hơn) - định lượng thơ theo thể tích - định lượng đồng loạt cuối Giải pháp: - tốc độ vận chuyển vật liệu định lượng băng tải không thay đổi - Liều lượng điều chỉnh cách thay đổi dòng liệu đưa tới băng tải lượng Đặc điểm cấu tạo Phần tử chính: - Bộ phận tiếp liệu; - Thiết bị thu liệu; - Cảm biến với phần tử nhạy cảm: chuyển đổi suất (trọng lượng) thành tín hiệu điện; - Phần đo lường (thiết bị ghi báo); - Bộ phận điều chỉnh (máy điều chỉnh): gia cơng tín hiệu để truyền tới cấu thừa hành làm thay đổi trạng thái tiếp liệu (dịch chuyển cửa ra, thay đổi tốc độ máy tiếp liệu ) Phân loại Các máy định lượng kiểu băng tải Theo cách tác động điều chỉnh làm thay đổi dòng liệu đưa vào, phân thành hai nhóm chính: Máy định lượng tác động trực tiếp với mối liên hệ khí trực tiếp quan điểu chỉnh làm thay đổi trình tiếp liệu tới băng tải máy ; máy định lượng tác động gián tiếp với nguồn lượng bên ngồi điện, khí nén, thủy lực để thay đổi tự động trình tiếp liệu thiết bị tiếp liệu tương ứng với suất theo yêu cầu Theo dạng cấu đo trọng lượng: - Sử dụng băng tải lượng với lắc song song - Sử dụng băng tải lượng với treo kiểu côngxon Theo cách kết hợp cấu đo trọng lượng chuyển đổi: - Loại có cần gạt - Loại khơng có cần gạt 29 Tự động hóa trạm trộn – u cầu cơng nghệ, đặc điểm thiết bị cách phân loại trạm trộn Tự động hóa trạm trộn Đặc điểm thiết bị trộn Chức trạm trộn: Gia chế hỗn hợp, với số chất lượng theo yêu cầu (từ cốt liệu, nước, chất dính kết chất phụ gia định lượng theo công thức pha chế xác định) Giải pháp trộn: - Sơ đồ tuần hồn (theo chu trình), trang bị tương ứng máy định lượng máy trộn loại hoạt động theo chu kỳ - Sơ đồ liên tục, trang bị tương ứng máy định lượng máy trộn loại hoạt động liên tục Trong máy trộn loại hoạt động liên tục trình chất liệu, khuấy trộn dỡ liệu xảy đồng thời liên tục Yêu cầu hệ thống ĐCTĐ tự động hóa trạm trộn Tự động hóa trạm trộn dựa sở: - Tự động học điện - khí nén, - Thiết bị rơle tiếp điểm Hai yếu tố kết hợp để điều khiển tự động phân đoạn độc lập theo chương trình cho trước Trong điều khiển trạm trộn, hệ thống ĐK phải đảm bảo: - Tính bao hàm trình liên quan với (vận chuyển nguyên vật liệu đồ chứa trung gian bunke trạm trộn , định lượng, khuấy trộn dỡ tải) - Đảm bảo số trình gia chế hỗn hợp (năng suất trạm trộn chất lượng hỗn hợp)với chi phí sản xuất thấp Cách phân loại trạm trộn Theo tổ hợp, trạm trộn phân thành: - loại sơ đồ ngang - sơ đồ đứng Trong trạm trộn loại sơ đồ ngang có thêm thao tác phụ thiết bị (thường xe thùng kíp) để chất liệu thành phần định lượng vào máy trộn Tính ứng dụng trạm loại thường bị hạn chế trường hợp sản xuất nhỏ Máy trộn loại khơng tích trữ: - hoạt động theo chu kỳ - loại hoạt động cưỡng Chu trình T bao gồm thời gian chất liệu t1, thời gian khuấy trộn t2 thời gian tháo liệu t3 Trong máy trộn nghiêng, chu trình T gồm chu kỳ chất liệu t1, thời gian khuấy trộn t2, thời gian làm nghiêng tang trộn dỡ liệu t3 thời gian làm trở lại vị trí (trạng thái) ban đầu để chất liệu t4 Trong máy trộn loại hoạt động liên tục, trình chất liệu, khuấy trộn dỡ liệu xảy đồng thời liên tục 30.Tính ổn định hệ thống điều khiển tự động - khái niệm định nghĩa Khái niệm định nghĩa * Tính ổn định : Tính lập lại trạng thái xác lập ban đầu gần với hệ thống điều khiển tự động sau bị sai lệch tác động nhiễu * Ổn định BIBO : Hệ thống gọi ổn định BIBO (Bounded Input Bounded Output) đáp ứng hệ bị chặn tín hiệu vào bị chặn 31 Trình bày điều kiện ổn định hệ thống điều khiển tự động Điều kiện ổn định hệ thống điều khiển tự động Trên sở phương trình vi phân biểu diễn trạng thái động học hệ thống điều khiển tự động dạng tổng quát: a0 d n c(t ) d n−1c(t ) d m r (t ) d m−1r (t ) dc ( t ) a c(t) dr (t ) + a1 +…+ a n −1 + n = b0 + b1 +…+ b m −1 + dt dt dt n dt n−1 dt m dt m−1 bm r(t ) Trong : n : bậc hệ thống, hệ thống hợp thức n ≥ m a, b : thông số hệ thống c(t) : tín hiệu hệ thống r(t) : tín hiệu vào gây nên phản ứng phần tử hệ thống Hình 3.3a Cấu hình tổng quát hệ thống iu khin t ng Nghiệm phơng trình có d¹ng : Hình 3.3b Đáp ứng hệ thống điều khiển tự động Trên hình 3.3a cấu hình tổng quát hệ thống điều khiển tự động với tín hiệu vào khơng đổi r(t) = α0 Hình 3.3b minh họa biến thiên tín hiệu c(t) theo tính ổn định hệ thống 28 Yêu cầu hệ thống điều chỉnh tự động trình gia cơng nhiệt cơng nghệ xây dựng Đảm bảo cường độ gia công cực đại.(tăng công suất cách giảm thời gian gia công) - Biện pháp kinh tế hữu hiệu nhất.(làm tăng hệ số sử dụng lượng hữu ích, (được hiểu làm giảm suất tiêu hao nhiệt đơn vị lượng ẩm tách - Đảm bảo số tối ưu theo lượng nhiệt tiêu hao cáctham số khác Trong cơng nghiệp xây dựng, coi q trình nhiệt : - trình sấy - trình chưng hấp nung thành phẩm bê tông cốt thép - q trình nung nóng sơ cốt liệu - trình nung thiêu kết keramzit sản phẩm đồ gốm - trình hệ thống nồi lị luyện, - q trình làm nguội cốt liệu hỗn hợp bê tông, v v Giải pháp điều khiển tự động: - điều chỉnh tự động tham số chất tải nhiệt chất sấy khô - điều chỉnh tự động tham số vật liệu sấy nung - Nếu dù nghiệm đôi nghiệm phức liên hợp phân bố bên phải trục ảo mặt phẳng phức (phần thực dương), hệ thống không ổn định αk > ; Re(sk) > ; k = 1, 2, …, n Im s1 s2 s3 Hệ ổn định Im Re s1 s2 Re s1 s3 Re 0 s3 s2 Hệ không ổn định Hệ ranh giới ổn định Hình 3.9 Phân bố nghiệm phương trình đặc tính Với phát biểu điều kiện ổn định vậy, ta hiểu điều kiện ổn định hệ thống điều khiển tự động phương trình đặc tính có nghiệm phân bố bên trái trục ảo, ta gọi đơn giản nghiệm trái Trục ảo (Im) ranh giới nghiệm trái nghiệm phải nên gọi ranh giới ổn định mặt phẳng nghiệm (hình 3.9) 32 Trình bày nội dung cỏc Tiêu chuẩn ổn định đại số Tiờu chun n định đại số Điều kiện cần để hệ thống điều khiển tự động tuyến tính làm việc ổn định tất hệ số phương trình đặc tính phải khác dấu Ví dụ: Hệ thống có phương trình đặc tính: s3 + 3s2 - 2s + = - Không ổn định s4 +2s2 + 5s +3 = - Không ổn định s + 4s + 5s + 2s + = - Chưa kết luận Tiêu chuẩn ổn định Routh Phát biểu tiêu chuẩn: Điều kiện cần đủ để hệ thống ổn định tất phần tử nằm cột bảng Routh dương Số lần đổi dấu phần tử cột bảng Routh số nghiệm phương trình đặc tính nằm bên phải mặt phẳng phức Tiêu chuẩn ổn định Hurwitz ã Phỏt biu tiờu chun: Điều kiện cần đủ để hệ thống điều khiển tự động ổn định a0 >0 tất định thức chứa đường chéo ma trận Hurwitz dương Các hệ tiêu chuẩn Hurwitz Khi áp dụng tiêu chuẩn Hurwitz để khảo sát tính ổn định hệ thống điều khiển tự động, ta rút số hệ sử dụng cho số bậc phương trình đặc tính sau: - Hệ bậc : hệ thống ổn định phương trình đặc tính thỏa mãn điều kiện: > ; i = ÷ - Hệ bậc : hệ thống ổn định phương trình đặc tính thỏa mãn điều kiện: > ; i = ÷ (điều kiện cần) a1a2 - a0a3 > (điều kiện đủ) - Hệ bậc : hệ thống ổn định phương trình đặc tính thỏa mãn điều kiện: > ; i = ÷ (điều kiện cần) a1a2 - a0a3 > a1a2a3 – a02a3 – a12a4 > (điều kiện đủ) c(t) = cct(t) + cxl(t) Trong ú : cct(t) - nghiệm tổng quát phơng trình vi phân đồng a(s)c(t) = (vế trái) xác định từ điều kiện không ban đầu tính chất hệ thống Thnh phn nghim cct(t) xác định trình chuyển tiếp (quá trình độ) hệ thống (thành phần chuyển động tự do) cxl(t) - nghiệm riêng phơng trình vi phân không đồng (cả hai vế), đặc trng cho trình xác lập (chuyển động cìng bøc theo tÝn hiƯu vµo r(t) vµ tÝnh chÊt hệ thống) Khi khảo sát tính ổn định, cần xét trình chuyển tiếp (chuyển động tự do) hệ thống Theo điều kiện toán học : lim c ct (t ) = Hệ thống ổn định lim cct (t ) = ∞ Hệ thống không ổn định t →∞ t →∞ lim c ct (t ) ≠ t →∞ lim c ct (t ) ≠ Hệ thống nằm ranh giới ổn định (không tắt dần khơng phân kỳ) t →∞ • Điều kiện ổn định: Trên sở phân tích theo trường hợp nghiệm phương trình đặc tính, ta rút điều kiện ổn định hệ thống điều khiển tự động tuyến tính sau: - Để hệ thống điều khiển tự động ổn định, phần thực tất nghiệm phương trình đặc tính phải âm, nghĩa tất nghiệm phải phân bố bên trái trục ảo mặt phẳng phức Αk < ; Re(sk) < ; k = 1, 2, …, n - Nếu dù nghiệm đôi nghiệm phức liên hợp nằm trục ảo (phần thực 0), hệ thống nằm ranh giới ổn định αk = ; Re(sk) = ; k = 1, 2, …, n 33 Trình bày ni dung cỏc Tiêu chuẩn ổn định tn số Tiờu chuẩn ổn định tần số Tiêu chuẩn ổn định Mikhailov Đa thức đặc tính hệ thống : a0 > D(s) = aosn +a1sn-1 +….+ an-1s + an , Thay s = jω : D(jω ) = ao (jω) n +a1 (jω)n-1 +…+ an-1 (jω) + an D(jω ) = P(ω) + jQ(ω) = D(jω ).e jϕ(ω) Trong : P(ω) = an - an-2ω2 + an-4ω4 - + (gồm số hạng có j mũ chẵn) Q(ω) = an-1ω - an-3ω + an-5ω - (gồm số hạng có j mũ lẻ) D(jω) = P (ω ) + Q (ω ) P(ω ) ϕ(ω) = arctg Q(ω ) Mỗi giá trị ω xác định cặp giá trị P(ω) Q(ω), cặp giá trị P(ω) Q(ω) lại xác định điểm M mặt phẳng hệ tọa độ Nói cách khác, giá trị ω xác định véc tơ D( jω) (hay véc tơ OM) mặt phẳng phức có độ dài D(jω) tạo với trục thực góc ϕ(ω) Cho ω biến thiên từ đến +∞ tập hợp tất đầu mút véc tơ D( jω) , ta đường cong đặc tính hệ thống điều khiển (đường cong Mikhailov) Phát biểu Tiêu chuẩn : Điều kiện cần đủ để hệ thống điều khiển tự động tuyến tính ổn định véc tơ D(jω ) phải quay góc ϕ(ω) = n(π/2) ngược chiều kim đồng hồ ω biến thiên từ đến +∞ Trong n bậc phương trình đặc tính biểu diễn tính chất động học hệ thống Trên hình 3.14a đường cong Mikhailov hệ thống điều khiển tự động làm việc ổn định n = 1, n = 2, n = 3, n = n = trường hợp hệ khơng ổn định (hình 3.14b) lm Im n=5 n=2 n=1 n=5 an 0 an Re Re n=4 n=3 n=3 n=4 a) Hệ thống ổn định b) Hệ thống khơng ổn định Hình 3.14 Các dạng đường cong Mikhailov Tiêu chuẩn ổn định Nyquist Trên hình 3.19 hệ thống điều khiển tự động có hồi tiếp âm đơn vị, biết đặc tính tần số hệ hởû G(s), toán đặt xét tính ổn định hệ thống kín GK(s) - Ví dụ 5: Cho hệ thống hở khơng ổn định có đặc tính tần số hình vẽ 3.25 Hãy xác định trường hợp hệ kín tương ứng ổn định Hình 3.19 Naiquyst đưa tiêu chuẩn xét tính ổn định hệ thống kín dựa vào tính chất ổn định đặc tính tần số pha biên (biểu đồ Nyquist) hệ thống hở tương ứng • Trường hợp hệ thống hở ổn định Tiêu chuẩn phát biểu : Điều kiện cần đủ hệ thống kín ổn định hệ hở ổn định đường cong Nyquist hệ hở không bao điểm (-1, j0) quy tắc bàn tay trái sau : Nếu hệ hở ổn định, hệ kín ổn định điểm (-1, j0) ln nằm phía bên trái đường đặc tính tần số pha biên G(jω) hệ hở dọc G(jω ) theo chiều tăng củaω Ngoài ra, để nhận biết, dùng quy tắc: Trong khoảng (-∞, -1) khơng có giao điểm đường cong Nyquist với trục thực số giao điểm lên xuống Khơng ổn định ổn định Khơng ổn định Hình 3.25a ví dụ Trên hình vẽ ta thấy: - Trường hợp : G(jω) không bao điểm (-1, j0) - Trường hợp : G(jω) qua điểm (-1, j0) giới - Trường hợp : G(jω) bao điểm (-1, j0) hệ kín ổn định hệ kín nằm ranh ổn định hệ kín khơng ổn định Hình 3.25b ví dụ • Trường hợp hệ thống hở khơng ổn định Tiêu chuẩn Nyquist phát biểu : Nếu hệ thống hở không ổn định (ℓ ≠ 0), để hệ thống kín ổn định, đường cong Nyquist G(jω) hệ hở phải bao ℓ/2 lần điểm (-1, j0) theo chiều dương (ngược chiều kim đồng hồ) ω thay đổi từ đến ∞, ℓ số nghiệm phải phương trình đặc tính D(s) hệ hở 35 Trình bày phương pháp xác định vùng ổn định không gian thông số hiệu chỉnh Xác định vùng ổn định không gian thông số hiệu chỉnh Giả thiết hệ thống có thơng số hiệu chỉnh µ, λ, τ Ta phải xác định vùng ổn định khơng gian ba chiều µ, λ, τ (hình 3.30) Muốn vậy, ta dựa vào điều kiện ổn định tiêu chuẩn ổn định Theo điều kiện ổn định, phương trình đặc tính hệ thống có dạng: D(s) = aosn +a1sn-1 +…+ an-1s + an = Hệ thống làm việc ổn định nghiệm sk sk,k+1 nằm bên trái trục ảo mặt phẳng phức Các hệ số a0, a1, , an phụ thuộc vào thơng số hiệu chỉnh µ, λ, τ , viết lại phương trình đặc tính : D(s, µ, λ, τ) = τ τ2 M2 Vùng ổn định τ1 M1 µ1 34 Khái nim v thụng s hiu chnh v vùng ổn định hệ thống điều khiển tự động Thông số không hiệu chỉnh : thông số không thay đổi Ví dụ : thơng số đối tượng điều khiển Thông số hiệu chỉnh : thông số thay đổi q trình thiết kế vận hành hệ thống Ví dụ : thông số điều khiển Vùng ổn định – tập hợp tất giá trị thông số hệ thống hệ thống làm việc ổn định Vùng khơng ổn định – tồn khơng gian ngồi vùng ổn định, điểm tương ứng với giá trị thơng số hệ thống làm việc khơng ổn định • Một đường mặt chứa điểm M tương ứng với tập hợp nghiệm sk sk,k+1 có chứa nghiệm đôi nghiệm phức nằm trục ảo (sk = sk,k+1 = ±jω ) gọi ranh giới ổn định Như vậy, điểm M ranh giới ổn định phải thỏa mãn phương trình : D(s, µ, λ, τ) = D(jω , µ, λ, τ) = Tọa độ điểm M ranh giới ổn định : τ = τ(ω ; µ = µ(ω) ; λ = λ(ω) Phương trình ranh giới ổn định : D(jω, µ, λ, τ) = ω = ÷+∞ 3.3.3 Xác định vùng ổn định mặt phẳng hai thông số hiệu chỉnh Trong thực tế, thường gặp hệ thống có hai thơng số hiệu chỉnh, ví dụ µ τ Các hệ số phương trình đặc tính hàm số µ τ độc lập với µ τ Từ viết phương trình đặc tính dạng : ao(µ, τ) sn +a1(µ, τ) sn-1 +…+ an-1(µ, τ) s + an(µ, τ) = Như vậy, mặt phẳng hai thơng số µ τ, điểm M nằm ranh giới ổn định phải thỏa mãn phương trình : Từ dạng này, dễ dàng thay nghiệm sk sk,k+1 ∈ µ, λ, τ Khơng ổn định ổn định µ2 µ λ1 λ2 λ Hình 30 Vùng ổn định khơng gian thơng số hiệu chỉnh Theo đó, điểm M không gian thông số xác định tập hợp λ, τ , tập hợp xác định tập hợp nghiệm sk hoc sk,k+1 no ú à, ã Nu hp nghiệm sk sk,k+1 phân bố bên trái trục ảo điểm M điểm ổn định (điểm M1 hình vẽ) Vùng chứa tất điểm M có tính chất tương tự gọi vùng ổn định • Ngược lại, Nếu tập hợp nghiệm sk sk,k+1 có chứa nghiệm phải (phân bố bên phải trục ảo) điểm M điểm khơng ổn định (điểm M2 hình vẽ) Vùng chứa tất điểm M có tính chất tương tự gọi vùng khơng ổn định ao(µ,τ) (jω) n +a1(µ,τ)(jω)n-1 +…+ an-1(µ,τ)(jω) + an(µ,τ) = với ω = - ∞ ÷+∞ Phương trình đưa dạng : µ.P(jω) + τ.Q(jω) + R(jω) = Trong : P(jω) - đa thức jω có liên quan tới µ ; Q(jω) - đa thức jω có liên quan tới τ ; R(jω) - đa thức jω độc lập với µ τ Phân tích dạng phức : P(jω) = P1(ω) + j P2(ω) Q(jω) = Q1(ω) + j Q2(ω) R(jω) = R1(ω) + j R2(ω) Và thay vào phương trình, ta : [µ.P1(ω) + τ.Q1(ω) + R1(ω)] +j[µ.P2(ω) + τ.Q2(ω) + R2(ω)] = Phương trình thỏa mãn với điều kiện : µ.P1(ω) + τ.Q1(ω) + R1(ω) = µ.P2(ω) + τ.Q2(ω) + R2(ω) = Nghiệm hệ hai phương trình : ∆ (ω) ∆1 (ω ) µ = ∆(ω ) ; τ = ∆(ω ) Trong : ∆(ω) = P1(ω) Q1(ω) P2(ω) Q2(ω) ; ∆1(ω) = -R1(ω) Q1(ω) -R2(ω) Q2(ω) ; ∆2(ω) = P1(ω) -R1(ω) P2(ω) -R2(ω) Mỗi giá trị ω xác định cặp giá trị µ, τ Mỗi cặp giá trị µ, τ xác định điểm M ranh giới ổn định Cho ω biến thiên từ - ∞ đến +∞, điểm M tạo thành đường , đường ranh giới ổn định mặt phẳng hai thơng số µ τ τ τ1 τ M1(µ 1,τ1) M(µ,τ) µ µ1 µ Hình 3.31 Vùng ổn định mặt phẳng hai thông số hiệu chỉnh Đường ranh giới ổn định phân biệt vùng khác Để xác định vùng ổn định, chọn điểm thích hợp M1(µ 1,τ1) vùng Xét theo tiêu chuẩn ổn định, với cặp giá trị (µ 1,τ1) hệ thống ổn định vùng chứa điểm M1 vùng ổn định