Xõy dựng hàm truyền cỏc đối tượng của hệ thống

3. Nội dung của luận văn

2.1.2.3. Xõy dựng hàm truyền cỏc đối tượng của hệ thống

a. Thiết bị đo

* Cấu trỳc cơ bản:

Hỡnh 2.4: Một số hỡnh ảnh thiết bị đo cụng nghiệp

Lưu lượng kế Thiết bị đo ỏp suất

Một thiết bị đo quỏ trỡnh cú nhiệm vụ thu nhận cỏc thụng tin đang diễn ra của đối tƣợng, xử lý và đƣa ra một tớn hiệu chuẩn. Cấu trỳc cơ bản của một thiết bị đo quỏ trỡnh đƣợc minh hoạ nhƣ trờn hỡnh 2.3.

Thành phần chớnh của một thiết bị đo là cảm biến. Một cảm biến cú chức năng chuyển đổi một đại lƣợng vật lý nhƣ: nhiệt độ, ỏp suất, mức, lƣu lƣợng, nồng độ... sang một tớn hiệu điện hoặc khớ nộn. Một cảm biến cú thể gồm một hay nhiều phần tử cảm biến, trong đú mỗi phần tử cảm biến lại là một bộ chuyển đổi một đại lƣợng này sang một đại lƣợng khỏc dễ xử lý hơn. Tớn hiệu ra từ cảm biến thƣờng rất nhỏ, khụng thể truyền xa đƣợc, chứa sai số do chịu ảnh hƣởng của nhiễu hoặc do độ nhạy của cảm biến thấp, phi tuyến với đại lƣợng đo. Vỡ thế sau phần tử cảm biến ngƣời ta cần cỏc khõu khuếch đại, chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bự sai lệch và tuyến tớnh hoỏ. Những việc đú đƣợc thực hiện trong một bộ chuyển đổi đo chuẩn. Bộ chuyển đo đổi chuẩn đúng vai trũ là một khõu điều hoà tớn hiệu, nhận tớn hiệu đầu vào từ một cảm biến và cho đầu ra là một tớn hiệu chuẩn để cú thể truyền xa và thớch hợp với đầu vào của bộ điều khiển. Trong thực tế nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn đƣợc tớch hợp luụn cả phần tử cảm biến, vỡ vậy khỏi niệm 'Trasmitter' cũng đƣợc dựng để chỉ cỏc thiết bị đo.

Chất lƣợng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo

tiết về khả năng đo chi tiết vận hành và tỏc động mụi trƣờng. Đặc tớnh tĩnh biểu diễn quan hệ giữa đại lƣợng đầu vào và giỏ trị tớn hiệu đầu ra của thiết bị đo ở trạng thỏi xỏc lập, đặc tớnh động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiờn đầu vào và tớn hiệu ra theo thời gian. Đặc tớnh tĩnh liờn quan tới độ chớnh xỏc khi giỏ trị của đại lƣợng đo khụng thay đổi hoặc thay đổi rất chậm. Ngƣợc lại, đặc tớnh động liờn quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lƣợng đo thay đổi nhanh.

* Đặc tớnh động

Khi giỏ trị đại lƣợng đo ớt thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tớn hiệu đo chỉ phụ thuộc vào giỏ trị đầu vào thỡ ta chỉ cần quan tõm tới đặc tớnh tĩnh của thiết bị đo. Tuy nhiờn giỏ trị đại lƣợng đo thay đổi nhanh thỡ tớn hiệu đầu ra sẽ khụng thể đỏp ứng ngay đƣợc với sự thay đổi đú. Quan hệ phụ thuộc giữa tớn hiệu đầu ra với đại lƣợng đo và biến thời gian đƣợc gọi là đặc tớnh động học của thiết bị đo. Đặc tớnh động học của hầu hết cỏc thiết bị đo cú thể đƣợc mụ tả bằng một phƣơng trỡnh vi phõn cấp một hoặc cấp hai. Coi đặc tớnh của thiết bị đo là tuyến tớnh, động học của thiết bị đo cú thể đƣợc biểu diễn với một khõu quỏn tớnh bậc nhất:

H ^H

y( s ) k

G ( s )

x( s ) 1 s

y( s ) k

G ( s )

x( s ) 2 s s

Núi chung, đặc tớnh động học của một thiết bị đo cú ảnh hƣởng ớt nhiều tới chất lƣợng điều khiển. Nếu hằng số thời gian trong hai mụ hỡnh trờn rất nhỏ so với hằng số thời gian của quỏ trỡnh cụng nghệ, hay núi cỏch khỏc là phộp đo cú động học nhanh hơn nhiều so với động học của quỏ trỡnh, ta cú thể bỏ qua quỏn tớnh của thiết bị đo và coi đặc tớnh của thiết bị đo nhƣ một khõu khuếch đại thuần tuý. Ngƣợc lại, nếu hằng số thời gian này khụng nhỏ hơn nhiều so với hằng số thời gian của quỏ trỡnh, ta cú hai phƣơng ỏn giải quyết:

+ Đƣa mụ hỡnh động học của thiết bị đo vào mụ hỡnh quỏ trỡnh

+ Vẫn chỉ sử dụng mụ hỡnh tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gõy ra là nhiễu đo.

* Hàm truyền đạt thiết bị đo mức nước lũ hơi

Bộ chuyển đổi H/I đƣợc chọn là bộ chuyển đổi EJA 210A của hóng YOKOGAWA cú dải đo 0 1000mm, tƣơng ứng cho tớn hiệu đầu ra dạng dũng liờn tục 4 20mA. Thiết bị này cú hàm truyền đạt là một khõu quỏn tớnh bậc nhất. ( ) 1 H K G s Ts ^(2.3) Trong đú:

K: hệ số khuếch đại của thiết bị đo, đƣợc xỏc định nhƣ sau: max max 20 4 0, 016 1000 I mA K H mm (2.4)

T: thời gian trễ của thiết bị đo, thƣờng lấy T = 0,005(s)

0, 016 ( ) 1 0.005 H G s s ^(2.5)

b. Thiết bị chấp hành , van on/off . * Cấu trỳc cơ bản - . :

. - . - . - : - Hỡnh 2.6: C Cổng lưu chất ra Lũ xo Chỉ thị hành trỡnh Chốt van Cửa vào khớ nộn Chõn van Màng chắn Cầu van Cổng lưu chất vào

- (I/P . - - . - , b . - . .

^{2.7: van điều khiển}

(fail-closed FC, hoặc air-to-open AO

(fail-open FO, hoặc air-to-close AC) sử dụng trong điều khiển quỏ trỡnh.

.

khiển tăng

* Hàm truyền đạt thiết bị chấp hành (van).

Nếu van đƣợc định cỡ tốt thỡ quan hệ giữa lƣu lƣợng ra và độ mở van cú thể đƣợc coi là tuyến tớnh, ớt ra cũng trong phạm vi quan tõm. Trong thực tế hàm truyền của van thƣờng đƣợc coi là khõu quỏn tớnh bậc nhất cú trễ, lấy gần đỳng thỡ xem là khõu quỏn tớnh bậc nhất:

( ) 1 V V v K G s T s ^(2.6) Trong đú:

KV = Kv.KT: hệ số khuyếch đại của van (2.7)

T_v: thời gian trễ của van, thƣờng lấy T_v = 30ms = 0,03s

Khi tớn hiệu vào thay đổi từ 0,2 1KG/cm2

thỡ độ mở của van thay đổi từ 0 80%, khi đú hệ số khuếch đại đƣợc xỏc định nhƣ sau:

2 %độ ở 80 100 1 0, 2 / v m K KG cm ^(2.8)

Ta cú khi độ mở của van thay đổi từ 5 80% thỡ lƣu lƣợng nƣớc qua van thay đổi từ 0 150 T/h. Từ đú hệ số truyền của sự liờn hệ giữa lƣu lƣợng nƣớc qua van và độ mở của van là:

150 / 2 80 5 %độ ở T T h K m ^(2.9)

Kết hợp cỏc hàm truyền ở trờn ta cú hàm truyền đạt với tớn hiệu vào là ỏp suất khớ nộn và tớn hiệu ra là lƣu lƣợng nƣớc cấp thụng qua cơ cấu van:

2 20 % / ( ) . 3 / % V 0 T h G s 1+ 0.0 s KG cm (2.10)

Việc xỏc định hệ số khuếch đại K_{V và hằng số thời gian v của van cú}

thể tiến hành từ thực nghiệm. Hằng số thời gian v của van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp hành. Thụng thƣờng, _v cú giỏ trị khoảng một vài giõy, đối với van cỡ lớn cú thể tới 3 ữ 15 giõy. Hệ số khuếch đại K_{V cũng cú thể đƣợc}

tớnh toỏn nhƣ sau:

V

dF dF dp K

du dp du ^(2.11)

Cơ cấu chấp hành cú thể coi là tuyến tớnh trong toàn bộ dải làm việc, nờn đạo hàm dp/du bằng “1” cho van FC và bằng “-1” cho van FO. Vỡ thế với việc chọn van FC ta cú:

V

dF K

dp ^(2.12)

Nếu van đƣợc định cỡ tốt thỡ ta cú thể coi K_V là hằng số trong toàn dải làm việc.

Hỡnh 2.8: Bao hơi nhà mỏy nhiệt điện

c. Bỡnh bao hơi

Hơi nƣớc chớnh là đối tƣợng mang nhiệt năng, hơi đƣợc dẫn đến tuabin để sinh cụng (nhờ sự chuyển húa năng lƣợng từ nhiệt năng thành cơ năng). Nƣớc từ bao hơi đƣợc đƣa xuống quanh lũ bởi cỏc ống dẫn (bao hơi đặt phớa trờn lũ, ở vị trớ cao nhất hỡnh 2.8). Buồng đốt đƣợc cấu tạo từ cỏc dàn ống sinh hơi, cỏc

ống sinh hơi đƣợc hàn với nhau bằng cỏc thanh thộp dẹt dọc theo hai bờn vỏch ống tạo thành cỏc dàn ống kớn. Cỏc dàn ống sinh hơi tƣờng trƣớc và tƣờng sau ở giữa tạo thành vai lũ, phớa dƣới tạo thành cỏc phễu tro lạnh. Phớa trờn buồng đốt, cỏc dàn ống sinh hơi tƣờng sau tạo thành phần lồi khớ động. Trờn bề mặt ống sinh hơi vựng rộng của buồng đốt từ dƣới vai lũ tới trờn phễu lạnh đƣợc gắn gạch chịu nhiệt tạo thành vựng đai đốt bảo vệ bề mặt ống. Để ổn định tuần hoàn, cỏc dàn ống sinh hơi đƣợc chia thành cỏc vũng tuần hoàn nhỏ. Nƣớc từ bao hơi theo đƣờng ống nƣớc xuống, phõn chia đi vào cỏc ống gúp dƣới trƣớc khi vào cỏc dàn ống sinh hơi. Cỏc dàn ống sinh hơi đƣợc đốt núng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lũ, nƣớc trong cỏc dàn ống sẽ sụi và sinh hơi. Hỗn hợp hơi nƣớc bốc lờn từ cỏc dàn ống sinh hơi hai bờn tƣờng lũ tập trung vào cỏc ống gúp trờn hai bờn sƣờn trần lũ, từ cỏc dàn ống sinh hơi tƣờng trƣớc tập trung vào cỏc ống gúp trờn tƣờng trƣớc và từ cỏc dàn ống sinh hơi tƣờng sau tập trung vào cỏc ống gúp trờn tƣờng tƣờng sau của lũ. Từ cỏc ống gúp này hỗn hợp hơi nƣớc đi vào bao hơi bằng cỏc đƣờng ống lờn.

Hệ thống cấp nƣớc cú 3 phần chớnh: hệ thống bơm nƣớc; hệ thống van, ống dẫn, vũi phun và hệ thống hõm nƣớc. Hệ thống thực hiện nhiệm vụ cung cấp nƣớc vào bao hơi đảm bảo quỏ trỡnh tạo lƣợng hơi nƣớc theo yờu cầu. Hơi nƣớc sau khi phun vào tuabin đƣợc ngƣng tụ thành nƣớc tại bỡnh ngƣng và đƣợc đƣa trở lại hệ thống cấp nƣớc cho bao hơi. Nƣớc cấp cho bao hơi đó đƣợc xử lý hoỏ học để đảm bảo chất lƣợng nƣớc cấp, sau đú nƣớc đƣợc hõm núng tới gần nhiệt độ sụi rồi bơm vào bao hơi. Hệ thống cỏc ống dẫn, vũi phun nối liền cỏc hệ thống cấp nƣớc, hệ thống hõm nƣớc, van và bơm với bao hơi.

* Cấu trỳc cơ bản

Trờn Hỡnh 2.9 biểu diễn sơ đồ những thành phần cơ bản của hệ thống cấp nƣớc. Nƣớc từ bộ ngƣng hơi đƣợc đƣa vào bộ phận lọc khớ của bộ hõm nƣớc,

đú đƣợc chứa trong bỡnh chứa của bộ hõm nƣớc. Bỡnh chứa này nối với đầu vào của bơm nƣớc cấp, đầu ra của bơm nƣớc cấp nối với hệ vũi phun nƣớc cấp. Tại đầu ra của bơm nƣớc cấp cú đƣờng nƣớc hồi tiếp đƣợc đƣa về bỡnh chứa, trờn đƣờng nƣớc này cú đặt van điều khiển hay van đúng cắt (gọi là van

hồi tiếp). Giữa bơm và hệ vũi phun nƣớc vào lũ hơi cú van điều chỉnh và van kiểm tra. Van kiểm tra sẽ đảm bảo ỏp lực nƣớc để dũng nƣớc khụng thể quay ngƣợc lại từ hệ vũi phun về bơm cấp. Với hệ thống cú nhiều bơm cấp, van kiểm tra cú thể bị khoỏ ở những bơm ngừng hoạt động.

Mức nƣớc trong bỡnh bao hơi đƣợc đo dựng mỏy ống kớnh ngắm đƣợc nối với bỡnh bao hơi biểu diễn trờn Hỡnh 2.10. Do ngƣời vận hành khụng thể xỏc định mức nƣớc bao hơi bằng cỏch đọc trực tiếp ở khoảng cỏch gần, hỡnh ảnh của kớnh mỏy đo sẽ đƣợc phản chiếu thụng qua hệ thống kớnh tiềm vọng để ngƣời vận hành cú thể dễ dàng nhỡn thấy. Trong một số hệ thống , việc sử dụng gƣơng để phản chiếu hỡnh ảnh mức nƣớc cú thể núi là khỏ phức tạp về mặt cơ khớ và khú thực hiện, ngƣời ta thƣờng sử dụng bộ hiển thị mức từ xa dựng sợi quang học, hoặc hiển thị trờn màn hỡnh.

* Lập phương trỡnh quỏ trỡnh quỏ độ mức nước trong bao hơi:

Để tớnh hàm truyền đạt của đối tƣợng mức nƣớc khi cú sự thay đổi lƣu lƣợng nƣớc cấp ta cần thành lập sự liờn hệ giữa mức nƣớc H và lƣu lƣợng nƣớc cấp D_c, sự liờn hệ đú đƣợc thể hiện qua phƣơng trỡnh quỏ độ mức nƣớc.

' ( '') c r D D dH d F ^(2.13)

Hỡnh 2.10: Cơ cấu đo và hiển thị mức nƣớc dựng ống kớnh ngắm

Trong đú:

’: khối lƣợng riờng của nƣớc cấp, kg/m3

’’: khối lƣợng riờng của nƣớc ở chế độ sụi, kg/m3

F: diện tớch của bỡnh bao hơi, m2

Dc: lƣu lƣợng nƣớc cấp, kg/s

Dr: lƣu lƣợng của hơi nƣớc ra khỏi bao hơi, kg/s

Để tớnh toỏn dễ dàng và tổng quỏt húa cho nhiều trƣờng hợp, ngƣời ta thƣờng dựng cỏc trị số tƣơng đối thay cho đại lƣợng ra hoặc vào. Nhƣ vậy khi khảo sỏt ngƣời ta thƣờng dựng trị số tƣơng đối là tỷ số giữa đại lƣợng vào, ra với lƣợng vào hoặc ra cực đại cú thể.

.max .max 0 ; ; c H v r bs H D D H D D H ^(2.14)

Khi cú chấn động, giỏ trị D = Dbs –Dr viết dƣới dạng tƣơng đối nhƣ sau:

.max .max

c r

c c

D D D

D D ^(2.15)

Từ đú phƣơng trỡnh quỏ trỡnh quỏ độ cú thể viết lại với trị số tƣơng đối nhƣ sau: 0 . t d d d d ^(2.16) Trong đú: .max ' " 0 ( ) c D

F H là trị số khụng đổi đối với đối tƣợng khảo sỏt cú đơn vị sec^-1 và đƣợc gọi là tốc độ quỏ độ.

tốc độ thay đổi mức nƣớc khi cú giao động đơn vị ( = 1). Dạng chấn động nhƣ thế thƣờng cú khi phụ tải từ trị số cực đại giảm tới khụng, nghĩa là giảm 100%. Tang gúc giữa đặc tớnh thời gian và trục hoành khi cú chấn động đơn vị chớnh bằng tốc độ quỏ độ.

Trong trƣờng hợp tổng quỏt: tg = .

Tốc độ quỏ độ đặc trƣng cho dung tớch của đối tƣợng điều chỉnh. Trong những điều kiện giống nhau, tốc độ càng nhỏ nếu dung tớch của đối tƣợng càng lớn. Trị số nghịch đảo của tốc độ :

T

¹

gọi là thời gian cố định của đối tƣợng. Đấy chớnh là thời gian cần thiết để đại lƣợng điều chỉnh thay đổi 100% khi cú chấn động đơn vị.

Đối với cỏc đối tƣợng phức tạp, đặc tớnh động học của đối tƣợng thƣờng đƣợc xỏc định bằng phƣơng phỏp thực nghiệm và đƣợc biểu diễn dƣới dạng đặc tớnh thời gian. Việc xỏc định cỏc đặc tớnh này đƣợc thực hiện bằng cỏch tỏc động lờn đầu vào của đối tƣợng tớn

hiệu bậc thang và ghi lại phản ứng của đầu ra của đối tƣợng sẽ nhận đƣợc đặc tớnh thời gian của đối tƣợng.

Bao hơi xột theo quan điểm điều chỉnh mức nƣớc là đối tƣợng khụng cú tớnh tự cõn bằng. Điều đú đƣợc thể hiện ở đặc tớnh động của mức nƣớc bao hơi khi thay đổi lƣu lƣợng nƣớc bổ sung. Đặc tớnh đú cú dạng nhƣ sau:

Trờn cơ sở hàm quỏ độ của đối tƣợng,

cú thể xỏc định gần đỳng hàm truyền đạt của nú. Trong thực tế hàm truyền đạt của đối tƣợng khụng cú tớnh tự cõn bằng đƣợc mụ tả gần đỳng nhƣ sau:

.

( )

K e

G s

s

Cỏc thụng số của đối tƣợng hoàn toàn cú thể xỏc định đƣợc từ hàm quỏ độ bằng phƣơng phỏp thuần tỳy đồ thị hoặc giải tớch.

Hỡnh 2.11: Đặc tớnh động của mức nƣớc bao hơi khi thay đổi lƣu lƣợng nƣớc cấp

Hỡnh 2.12: Đặc tớnh động của mức nƣớc bao hơi theo lƣu lƣợng nƣớc cấp

* Tớnh hàm truyền đạt của mức nước bao hơi

Đối tƣợng điều chỉnh của hệ thống là mức nƣớc bao hơi, thụng qua việc tiến hành thớ nghiệm lấy đƣờng đặc tớnh động của mức nƣớc với tỏc động điều chỉnh là lƣu lƣợng nƣớc bổ sung ngƣời ta đó thu đƣợc đặc tớnh quỏ độ của đối tƣợng nhƣ sau:

Theo trờn đó trỡnh bày, hàm truyền đạt của cỏc đối tƣợng khụng cú tớnh tự cõn bằng đƣợc mụ tả dƣới dạng gần đỳng là một khõu tớch phõn cú trễ sau:

. ( ) s dt K e G s s Trong đú:

K: hệ số khuếch đại hay hệ số truyền

0, 08 / mm K t h _(2.18) : hằng số thời gian trễ, = 20 (s)

Hỡnh 2.13: Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao hơi một tớn hiệu 20 0, 08. ( ) s dt e G s s ^(2.19)

Khõu trễ e^-20s cú thể biến đổi gần đỳng nhƣ sau: