Bài 4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
4.2.1. Hàm truyền lị điện và mơ hình của Ziegler-Nichols:
Lị nhiệt cĩ đầu vào là điện áp (hay cơng suất) cung cấp cho dây điện trở và ngõ ra là nhiệt độ bên trong lị. Để lập hàm truyền lị nhiệt ta phải khảo sát phƣơng trình vi phân mơ tả các quan hệ nhiệt độ và năng lƣợng. Đây là một bài tốn phức tạp nếu muốn mơ tả chính xác hàm truyền phi tuyến của hệ thống.
Một cách gần đúng, ta cĩ thể xem mơi trƣờng nung là đồng chất, đẳng nhiệt. Từ phƣơng trình cân bằng năng lƣợng : điện năng cung cấp sẽ đƣợc dùng để bù vào năng lƣợng nhiệt truyền ra bên ngồi và tích nhiệt vào mơi trƣờng nung, ta tính đƣợc hàm truyền lị là bậc nhất, cĩ dạng nhƣ sau: P 1 Ts K θ Trong đĩ :
P: cơng suất cung cấp.
θ: là độ tăng nhiệt nhiệt độ ngõ ra so với nhiệt độ mơi trƣờng. K: là hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ vào ra ở chế độ xác lập. T: là thời hằng, thể hiện quán tính nhiệt hệ thống.
Mơ hình hàm truyền này cho thấy quá trình quá độ với đầu vào hàm nấc cĩ dạng hàm mũ. Thực tế cho thấy mơ hình trên chỉ là gần đúng, hệ thống cĩ bậc cao hơn nhƣng quá trình quá độ đầu vào hàm nấc vẫn là khơng vọt lố, cĩ dạng nhƣ hình sau khi cho nhiệt độ đầu bằng 0.
1 ngõ ra xác lập 0,75 tiếp tuyến 0,5
Bài 4: Hệ thống điều khiển nhiệt độ
bao gồm một khâu quán tính hệ số khuếch đại K và thời hằng T, và khâu trễ thời gian L, các thơng số này cĩ th lấy đƣợc khi kẻ tiếp tuyến ở điểm uốn cho đồ thị quá độ hàm nấc nhƣ hình vẽ bên. Hệ số khuếch đại K đƣợc tính nhƣ sau :
congsuat lap Nhietdoxac K %
Khi nhiệt độ ban đầu khác khơng, K đƣợc tính từ độ tăng nhiệt độ ngõ ra so với mơi trƣờng . Để áp dụng cho hệ tuyến tính, ta lấy khai triển Taylor của e-LS, hàm truyền trở nên :
) 1 )( 1 ( ) ( Ls Ts K s H
Tĩm lại, Ziegler-Nichols xấp xỉ hàm truyền lị với hệ bậc nhất cĩ trễ hay hệ tuyến tính bậc hai, và cho phép tìm hàm truyền bằng thực nghiệm khi vẽ quá trình quá độ hệ thống với ngõ vào là hàm nấc.
4.2.2.Nguyên lý điều khiển ON-OFF (dùng khâu rơle cĩ trễ) :
Hình 4.2
Phƣơng pháp điều khiển ON-OFF cịn đƣợc gọi là phƣơng pháp đĩng ngắt hay dùng khâu rơle cĩ trễ : cơ cấu chấp hành sẽ đĩng nguồn để cung cấp cho năng lƣợng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu nhiệt độ đặt θđặt lớn hơn nhiệt độ lị θphản hồi, ngƣợc lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng lƣợng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ thực của lị.
Một vùng trễ đƣợc đƣa vào để hạn chế tần số đĩng ngắt nhƣ sơ đồ khối trên : nguồn chỉ đƣợc đĩng khi sai lệch nhiệt độ e lớn hơn một lƣợng ∆ và ngắt khi e bé hơn ∆. Nhƣ vậy, nhiệt độ phản hồi θphản hồi sẽ dao động quanh giá trị đặt θđặt và 2∆ cịn đƣợc gọi là vùng trễ
của rơle.
Khâu rơle cĩ trễ cịn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử, và nhƣ vậy ∆ là giá trị thềm hay ngƣỡng.
Điều khiển ON-OFF cĩ ƣu điểm là :
-Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luơn hoạt động đƣợc với mọi tải. -Tính tốn thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng.
Nhƣng cĩ khuyết điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này cĩ thể đƣợc hạn chế khi giảm vùng trễ bằng cách dùng phần tử đĩng ngắt điện tử ở mạch cơng suất.
Việc điều khiển nhiệt độ với chất lƣợng cao cĩ thể thực hiện bằng sơ đồ điều khiển tuyến tính với hàm truyền hiệu chỉnh thích hợp.