Tổng quát một hệ thống điều khiển tự động bao gồm ba thành phần cơ bản đó là đối tượng điều khiển, cảm biến hay thiết bị đo lường và bộ điều khiển dùng để hiệu chỉnh các hành vi của hệ Hình 3.5.
Tín hiệu đầu ra bộ so sánh e(t) = x(t) - y(t) trong Hình 3.5 cũng chính là tín hiệu vào của bộ điều khiển.
+ Các nguyên tắc điều khiển
• Nguyên tắc điều chỉnh
* Nguyên tắc san bằng sai lệch
Nguyên tắc điều chỉnh này thực hiện bằng cách san bằng sai lệch giữa giá trị thực(kết quả hay đáp ứng ra hệ thống) và giá trị chuẩn cho trước. Các thiết bị phục vụ cho mục đích này gọi là thiết bị điều chỉnh và bao giờ cũng phải dùng hồi tiếp để so sánh với tín hiệu chuẩn ở đầu vào của hệ thống.
* Nguyên tắc bù trừ các nhiễu
Sử dụng các thiết bị bù trừ nhiễu để giảm ảnh hưởng của nhiễu là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả mất ổn định cho hệ thống. Hệ thống điều khiển theo nguyên tắc bù trừ nhiễu là hệ thống điều khiển vòng hở có sai số xác lập không bằng zero.
* Nguyên tắc triệt tiêu các nhiễu
Đây là phương pháp điều chỉnh đơn giản nhất của nguyên tắc điều chỉnh, thường thực hiện bằng cách cách ly hệ thống với môi trường. Các thiết bị đảm nhiệm công việc này được áp dụng khá rộng rãi và được gọi dưới các tên khác
nhau như thiết bị đệm, thiết bị làm cô lập… Thực tế không phải lúc nào các thiết bị này cũng mang đến hiệu quả cho hệ thống. Trong trường hợp đó phải sử dụng hai nguyên tắc trên.
yNguyên tắc điều khiển
* Nguyên tắc thông tin phản hồi
Trong quá trình điều khiển tồn tại hai dòng thông tin một từ cơ quan chủ quản đến đối tượng và một từ đối tượng đị ngược về cơ quan điều khiển, được gọi là liên kết ngược hay hồi tiếp.
- Quá trình điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu.
Trên hình 3.7 tác động vào đối tượng là luật điều khiển u(t) theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt được đầu ra y(t) mong muốn, nhưng không quan sát tín hiệu ra y(t). Về nguyên tắc, đối với hệ phức tạp thì điều khiển theo mạch hở với nguyên tắc bù nhiễu không cho kết quả tốt.
Hình 3.7. Điều khiển bù nhiễu vòng hở - Điều khiển theo sai lệch.
Hình 3.8. Điều khiển vòng kín theo sai lệch
Cơ quan điều khiển quan sát y(t), so sánh với định chuẩn mong muốn x(t) để chọn luật điều khiển u(t). Nguyên tắc ở là đây điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm và sửa. Đây là một nguyên tắc cơ bản trong điều khiển.
- Điều khiển phối hợp
Là phương pháp điều khiển kết hợp của hai nguyên tắc trên sơ đồ trên Hình 3.9.
Hình 3.9. Nguyên tắc điều khiển phối hợp
* Nguyên tắc đa dạng tương xứng.
Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của cơ quan điều khiển phải tương ứng với sự đa dạng của đối tượng điều khiển.
Tính đa dạng của cơ quan điều khiển có thể dùng để chế ngự đối tượng thể hiện ở: khả năng thu thập thông tin, truyền tin, lưu trữ, phân tích xử lý, chọn quyết định, tổ chức thực hiện.
* Nguyên tắc bổ sung ngoài
Một hệ thống điều khiển luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đó. Trong điều kiện thừa nhận nguyên tắc bổ sung ngoài sau: thừa nhận có một đối tượng chưa biết(hộp đen) tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen.
* Nguyên tắc dự trữ
Vì nguyên tắc ba luôn coi thông tin chưa đầy đủ, vì thế mà để đề phòng các bất chắc có thể xảy ra cho hệ thống điều khiển ta không được dùng toàn bộ
lực lượng trong điều kiện bình thường mà phải có một lượng dự trữ nhất định.
Vốn dự trữ này là không sử dụng, nhưng cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn.
* Nguyên tắc phân cấp
Đối với hệ thống phức tạp cần xây dựng lớp điều khiển bổ sung cho vị trí trung tâm, để khuyếch đại khả năng điều khiển. Phải tránh hai khuynh hướng hình thức và phân cấp quá đáng, xử lý cho đúng nhiệm vụ và quyền hạn ở mỗi cấp…
* Nguyên tắc cân bằng nội
Mỗi hệ thống cần được xây dựng với cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự giải quyết những biến động xảy ra.
+ Các loại điều khiển
• Điều khiển ổn định hoá
Mục tiêu điều khiển là kết quả đầu ra bằng đầu vào chuẩn x(t)= const với sai lệch cho phép exl (sai lệch ở chế độ xác lập)
e(t) = x(t) - y(t) ≤ exl
Đặc biệt khi đầu ra hệ thống cần giữ là hằng số, ta có hệ thống điều chỉnh hay hệ thống ổn định.
yĐiều khiển theo chương trình
Nếu hàm x(t) là một hàm định trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị tín hiệu x(t) thì ta có hệ thống điều khiển theo chương trình. Ví dụ như điều khiển CNC, điều khiển tự động nhà máy xi măng hoàng thạch, hệ thống thu thập và truyền số liệu hệ thống điện, quản lý vật tư nhà máy…
yĐiều khiển theo dừi
Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống x(t) là một hàm không biết trước theo thời gian, yêu cầu điều khiển đáp ứng ra y(t) luôn bám sát được x(t) ta có hệ
thống theo dừi. Điều khiển theo dừi được sử dụng rộng rói trong cỏc hệ thống điều khiển vũ khí, hệ thống tàu lái, máy bay…
yĐiều khiển thích nghi
Tín hiệu vào x(t) chỉnh định lại tham số điều khiển sao cho thích nghi với mọi biến động của môi trường ngoài.
Trong phạm vi đề tài này với hệ thống thí nghiệm đã xây dựng được, cùng với yêu cầu đặt ra cho hệ thống điều chỉnh tốc độ gió. Thì để điều khiển và ổn định tốc độ hỗn hợp dòng khí chúng tôi áp dụng phương pháp điều chỉnh đa vòng nhằm đạt được yêu cầu mong muốn. Và đã sử dụng nguyên tắc điều khiển sai lệch và ổn định hoá.
Đối tượng là hệ thống thí nghiệm quá trình sấy, trong đó biến điều khiển là tốc độ hỗn hợp dòng khí. Ta sẽ điều khiển biến này thông qua điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều một pha. Lúc này thông số cần điều khiển là tốc độ quay của động cơ. Do dòng khí khi được thổi từ ngoài qua hệ thống từ buồng trộn đến buồng sấy sẽ qua các thiết bị và không gian chứa hỗn hợp khí vì thế mà tốc độ hỗn hợp dòng khí sẽ thay đổi khi đến được đối tượng sấy. Vì thế các tín hiệu điều khiển sẽ được đưa đến đồng thời hai đầu vào là các giá trị đặt cho hai bộ biến tần ở hai vị trí khác nhau nhưng cùng một thời điểm.
3.5. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC
Đối với hệ thống thí nghiệm quá trình sấy, thì việc điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí là đơn kênh tức chỉ có một biến đầu vào và một biến đầu ra.
Hình 3.10. Sơ đồ khối vào ra của hệ thống Trong đó: Vv là vận tốc hỗn hợp dòng khí ở đầu vào.
Vr là vận tốc hỗn hợp dòng khí ở đầu ra.
Để xác định được mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra chúng ta thực hiện bằng thực nghiệm. Tức đi tìm phương trình trạng thái hay hàm truyền của chúng đây là cơ sở cho việc xây dựng sơ đồ cấu trúc cho hệ thống. Từ sơ đồ cấu trúc chúng ta sẽ thấy được quá trình làm việc của hệ.
Hình 3.11. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống
Trên đây là sơ đồ cấu trúc cụ thể của hệ thống điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí trong quá trình thí nghiệm sấy.
Trong đó R1, R2 là hai bộ điều khiển ở hai vòng khác nhau nhưng chúng có mối quan hệ tác động qua lại lẫn nhau. Nhờ sự kết hợp điều khiển hai vòng mà độ chính xác và ổn định trong quá trình làm việc của hệ thống được nâng cao.
Chúng là các bộ PID số được xây dựng trên nền vi điều khiển 8051.
R11, R22 là các bộ điều khiển chúng đóng vai trò là cơ cấu chấp hành trực tiếp tác động vào đối tượng (động cơ) đó là các bộ biến tần.
W11, W22 là các hàm truyền của phần tử trong hệ thống chúng bao gồm toàn bộ ống dẫn hỗn hợp khí + động cơ quạt + cảm biến, và buồng sấy.
Trên sơ đồ cấu trúc trên Vd là giá trị tốc độ đặt ban đầu mà người làm thí nghiệm đặt. Khi đó ở đầu ra của hệ thống ta sẽ có giá trị vận tốc mong muốn Vra. Vận tốc ra này sẽ được cảm biến đo và tạo tín hiệu phản hồi về đầu vào để so sánh với tín hiệu đặt. Nếu có sự sai lệch giữa hai giá trị này thì đầu ra của bộ điều khiển sẽ tạo ra một tín hiệu điều khiển. Đây chính là tín hiệu đặt vào các bộ biến tần để điều khiển động cơ sao cho giá trị vận tốc đầu ra luôn bám sát giá trị đặt đầu vào. Mặt khác trên sơ đồ cấu trúc ta thấy việc điều khiển thực hiện thông
qua hai vòng lồng nhau. Như vậy tín hiệu ra sau khối W11 sẽ chính là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển R2.
Việc điều khiển đa vòng như vậy sẽ đem lại cho hệ thống tính ổn định và chính xác cao.
Xong trên thực tế để xác định mô tả động học cho từng đối tượng riêng lẻ là rất khó thực hiện. Hơn thế nữa nếu xác định được thì khi tổng hợp hàm truyền của hệ thống sẽ có bậc rất cao. Điều này gây ảnh hưởng rất lớn cho việc khảo sát hệ thống, và có thể sẽ không tổng hợp được. Vì thế để tự động điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí trong thí nghiệm quá trình sấy của hệ thống. Ta sẽ đi khảo sát bằng thực nghiệm toàn bộ hệ thống để xác định hàm truyền của đối tượng.
Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống như sau.
Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc hệ Trong đó: R là bộ điều chỉnh.
S là đối tượng điều khiển (hệ thống thí nghiệm quá trình sấy).
Vd là giá trị đặt ban đầu.
E là sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo.
U là tín hiệu điều khiển.
Vr là tín hiệu ra.
Như vậy ta sẽ phải khảo sát bằng thực nghiệm để tìm ra hàm truyền của đối tượng. Việc này được thực hiện thông qua bước tiếp theo của nội dung đề tài là tổng hợp hệ thống điều khiển ở chương 4.
3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Trong chương này đã giải quyết được một số nội dung tiếp theo của đề tài, đưa ra được một số các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha. Từ đó lựa chọn thiết bị để điều khiển chúng cho phù hợp là các bộ biến tần.
Áp dụng các nguyên tắc điều chỉnh, điều khiển khiển cho hệ thống thí nghiệm. Đặc biệt đã lựa chọn phương pháp điều chỉnh đa vòng cho hệ điều khiển tốc độ gió, để xây dựng được sơ đồ cấu trúc cho hệ thống.
CHƯƠNG IV
TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Để khảo sát thí nghiệm quá trình sấy ta phải điều chỉnh tốc độ hỗn hợp dòng khí. Vì vậy nhiệm vụ đầu tiên là phải tổng hợp hệ thống điều chỉnh tốc độ gió. Muốn làm được điều đó ta thực hiện theo các bước sau: Xác định đặc tính động học của đối tượng(nhận dạng), xác định các thông số của bộ điều chỉnh, và cuối cùng là khảo sát hệ thống.
4.1. NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
Với một bài toán điều khiển cụ thể trước khi bước vào xây dựng thuật toán điều khiển cho đối tượng. Hay nói cách khác là tìm cách điều khiển nó thì bước đầu tiên là phải tìm hiểu xây dựng mô tả toán học cho đối tượng. Để thực hiện được mục đích này ta có các phương pháp nhận dạng đối tượng điều khiển. Đối tượng điều khiển ở đây có thể là một thiết bị cụ thể như động cơ, máy nén khí…
hay cả một hệ thống phức tạp cần điều khiển.