CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN pot

Giả thiết hệ thống sử dụng bộ điều chỉnh 2 vị trí thì quá trình được diễn dải như sau: Hình 3-3 : Quy luật điều chỉnh hai vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi • e > 0 signe =

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Giới thiệu một số phương pháp thiết kế bộ điều khiển

Có rất nhiều cách thiết kế bộ điều chỉnh khác nhau Sau đây là một số cách thiết

kế điển hình

3.1.1 Hệ thống điều khiển vị trí:

3.1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí

Với quy luật này tín hiệu ra của máy điều chỉnh xác định ở một trong hai trạng thái là Umax và Umin Phương trình mô tả toán học được viết: u = B Sign(e)

Trong đó : B là tác động điều khiển ,Sign(e) là lấy mẫu của sai lệch

• Khi e > 0 Sign(e) = 1 , u = B = Umax

• Khi e < 0 Sign(e) = -1 , u = -B = Umin

Máy điều chỉnh 2 vị trí thực chất là một rơle 2 vị trí lý tưởng có tín hiệu vào là e, quá trình quá độ điều chỉnh hệ thống được thể hiện như sau:

Lúc bắt đầu điều chỉnh (0 ÷T1), y < x , e = x-y > 0 ta có tác động điều chỉnh u =

Umax

Khi t = T1 thì y ≥ x, e = x - y ≤ 0 tác động điều chỉnh u = Umin Nhưng do quán tính y tiếp tục tăng sau đó mới giảm cho tới thời điểm T2, e = 0 và tác động điều chỉnh u

thì y > x tác động điều chỉnh u = Umim quá trình cứ lặp đi lặp lại như vậy Do tác động

có 2 vị trí là Umin và Umax nên quá trình điều chỉnh mang tính tự dao động xung quanh giá trị chủ đạo x Chất lượng của quá trình điều chỉnh được đánh giá bằng hai tham số :

y

−

=σ

Hình 3-1 : Quy luật điều chỉnh 2 vị trí

3.1.1.2 Quy luật điều chỉnh 3 vị trí:

Quy luật điều chỉnh 3 vị trí có mức độ tác động khác nhau là Umax,Umin và Utb

Umax sẽ tác động khi sai lệch e lớn, nó nhằm mục đích nhanh chóng đưa hệ về trạng thái cân bằng Tác động của Utb và Umin quy định chất lượng của quá trình điều chỉnh ở trạng thái xác lập,

Phương trình như sau: U = B Sign(e)

Trong đó : B là tác động điều khiển, Sign(e) là lấy mẫu của sai lệch

• Khi e > a, y < x - a Sign(e) = 1 u = B = Umax

• Khi 0 ≤e≤a, 0 ≤ x- y ≤ a Sign(e) = 0 u = Utb

• Khi e < 0, y > x Sign(e) = -1 u = -B = Umin

Khi bắt đầu làm việc sai lệch tĩnh rất lớn lúc đó e>a, đối tượng sẽ được nhận tác động là Umax vì vậy hàm y tăng rất nhanh, tới thời điểm t1 , 0 < e < a đối tượng được điều chỉnh nhận được u = Utb, hệ thống chuyển trạng thái từ Utb sang Umin, từ thời điểm này trở đi quá trình điều khiển sẽ tạo ra một giá trị xác lập giống như điều chỉnh 2 vị trí

ymin

x

Umax

-Uminu

e

với mức tác động giữa Utb và Umin Ta xét tại mỗi thời điểm thực chất quy luật điều chỉnh 3 vị trí giống như 2 vị trí, nhưng có mức tác động Umax, Utb và Umin chất lượng điều chỉnh 3 vị trí tốt hơn 2 vị trí (thể hiện ở thời gian quá độ, biên độ dao động ở trạng thái xác lập).

Hình 3-2 : Quy luật điều chỉnh 3 vị trí

3.1.1.3 Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi :

Nếu chúng ta nối tiếp thiết bị điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi sẽ được một hệ thiết bị điều chỉnh vị trí với cơ cấu chấp hành không đổi Cơ cấu chấp hành thường là động cơ một chiều và thường được coi là một khâu tích phân có

du

c

1

=

Giả thiết hệ thống sử dụng bộ điều chỉnh 2 vị trí thì quá trình được diễn dải như sau:

Hình 3-3 : Quy luật điều chỉnh hai vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi

• e > 0 sign(e) = 1

c

T dt

−

= Nếu ta chọn được Tc thích hợp (phù hợp với quy luật điều chỉnh) chất lượng quá trình điều chỉnh sẽ tốt hơn so với điều chỉnh 2 vị trí, giá trị đầu ra sẽ được điều chỉnh phù hợp hơn, khi ở trạng thái cân bằng quá trình dao động sẽ nhỏ hơn

Nhìn chung quá trình điều chỉnh vị trí theo phương án trên đều xẩy ra tự dao động, như vậy cơ cấu chấp hành sẽ làm việc liên tục Để khắc phục nhược điểm này người ta

có thể sử dụng thiết bị điều chỉnh 3 vị trí có vùng không nhạy (vùng chết) và được mô

tu

Hình 3-4 : Quy luật điều chỉnh ba vị trí có vùng không nhạy

Rơle 3 vị trí tương ứng với 3 trạng thái của cơ cấu chấp hành, quay thuận, dừng và quay ngược

Nếu sai lệch lớn hơn a thì rơle tác động điều chỉnh quay thuận tăng tín hiệu vào của đối tượng điều khiển và y tăng lên cho tới khi sai lệch -a ≤ e ≤ a , máy điều chỉnh đưa

ra tín hiệu bằng 0 động cơ dừng làm việc, từ thời điểm t1 tác động điều chỉnh được giữa

cố định bằng u1 từ đó có thể xẩy ra hai trường hợp :

• Giá trị u1 đã đảm bảo cho y chỉ dao động trong khoảng từ x-a đến x+a thì lúc đó quá trình điều chỉnh được xem như kết thúc tại t1

• Giá trị lượng ra y vẫn lớn hơn giá trị x+a động cơ đảo lại chiều quay để thay đổi

u từ u1 đến u2 sao cho tín hiệu ra nằm trong khoảng từ x-a đến x+a như từ thời điểm t3 trên hình 3-4

3.1.2 Phương pháp đa thức đặc trưng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính

x+a x x-a

0

t

u

t

0

y

u1

u2

t1 t2 t3

Phương pháp hệ số suy giảm (Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được) dựa vào đa thức chuẩn bậc 2 được nghiên cứu đầy đủ để tổng quát cho bậc cao hơn.

ξ : hệ số suy giảm

ω0: tần số riêng

Khi hệ số suy giảm thay đổi, làm chất lượng của hệ thay đổi, khảo sát chất lượng của hệ khi ξ thay đổi bằng Simulink ta có kết luận: ξ càng nhỏ độ qúa điều chỉnh càng tăng lên

Ta có :

2 0

2 1

4

a a

a

= ξ

3.1.2.2 Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được cho hệ cao

Giả sử hàm truyền của hệ có dạng: ( )

0

1 1

0

a

s a s a

a s

2 2 1 2 0

2 1 2

0

1 1 0 1

1 1

2

1 1 1

0 0

2

2 1 1

3 1

2 2 2 2 0

2 1 1

;

;

n n

n n

n n

a a

a a

a

a a

an

a a

a a

a

a a

a a

a

a a

a a

ω

ω α

ω

ω α α ω

ω

ω ω

ω

α α

α

Cho một số đặc trưng ω0 và hệ số suy giảm α lấy cố định Vậy ta tính được các thông số khác như sau:

1 2

0 2

1 0 0

2 1 2 0

2 1 0

1 1 1

0

ωαω

αωω

ωω

a a a a a

a

a a

a

Thông thường ta chọn a0 = 1 và a1=1

3 0

3 3

2 0

1 2

1 0 0

0 1

ωα

ωω

a a

a a a

Vậy ta có: k(k ) k

k

k k

=

0 2 / 1

0

ω α

ω α ω

Chú ý: Khi cho cùng 1 số hệ số α cho các giá trị n khác thì chất lượng của hệ thống thay đổi, n càng lớn thì thời gian hàm quá độ lần đầu tiên đạt xác lập càng nhỏ

Hệ số α có tính chất của hệ số suy giảm, khi α càng bé hệ dao động càng mạnh,

α < 1,5 hệ trở lên mất ổn định, α nhỏ độ quá điều chỉnh σ% lớn

Lượng quá điều chỉnh quan hệ với α theo công thức kinh nghiệm

Thời gian quá độ đạt cực đại

0

1 0

3.1.2.3 Xét ảnh hưởng của tử số hàm truyền

Giả sử hàm truyền kín của hệ có dạng:

( )

0

1 1

0

1 1

'

''

a s

a s a

a s

a s a s

n

n n

m m

m m

+++

+++

−

−

−

Khi m tăng thì σ% tăng và tσ giảm, để có chất lượng σ % cho trước người ta dùng

hệ số hiệu chỉnh như sau:

• Xét khi tử số hàm truyền có dạng bậc 1

( )

0

1 1

0 1

''

a s

a s a

a s a s

0 0

'

''

5,1'

45,1'

a

a

=

−+

=ω

αω

ωα

2 , 2

ω ω

0 1

2 2

'''

a s

a s a

a s a s a s

=

0 0

2 0

1 2

1

0 0

2 0

2 0 3

'

1 1 2 , 2

' '

' 4

, '

' '

5 , 1 '

6 , 1 5 , 1 '

ω ω

ξ ω

α ω

ω ξ α

σ

t

a a

a a

a

3.2 Sơ đồ khối hệ thống

Trên hình 3- 5 là sơ đồ khối tổng quát mạch điện điều khiển nhiệt độ lò nung, trên

sơ đồ có hai mạch vòng điều khiển

Mạch vòng thứ nhất là mạch vòng ổn định lưu lượng dầu FO, bao gồm khối so sánh tín hiệu đặt giá trị lưu lượng dầu và tín hiệu phản hồi Uy1k, máy điều chỉnh (MĐC), động cơ chấp hành (CH), van dầu (VAN), sensor đo lưu lượng (Sensor LL) và khối khuếch đại tín hiệu

Hình 3-5 Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lò

Mạch vòng thứ hai là mạch vòng điều chỉnh lưu lượng gió nóng tìm cực trị kiểu bước, bao gồm khối so sánh (SS), khối logic (LG), máy điều chỉnh (MĐC), động cơ

Hiển thị giá trị thực

LG

KĐ

Sensor LL MĐC

CH

KĐ

MĐC

GN

T FL

CH

VAN

Sensor nhiệt VSL

yk

U1

y1k Uy1k

Uyk+1

Uyk

Hiển thị giá trị đặt

Báo động

VAN

t0

LL (-)

SS

Sensor tốc độ (-)

chấp hành (CH), van gió (VAN), sensor đo nhiệt độ (Sensor nhiệt), sensor đo tốc độ (Sensor tốc độ) khối khuếch đại tín hiệu (KĐ), bộ phát lệnh (FL), bộ ghi nhớ (GN) và khâu trễ (T).

Ngoài hai mạch vòng chính còn bộ vi xử lý (VXL) để hiển thị giá trị nhiệt độ đặt, nhiệt độ đo, tín hiệu báo động khi nhiệt độ tăng quá hoặc thấp quá giá trị đặt,và điều chỉnh giá trị đặt lưu lượng khi thay đổi năng suất lò nung được coi như một khâu có đặc tính cực trị

3.3 Mạch vòng ổn định lưu luợng dầu

Sơ đồ khối của mạch vòng ổn định lưu lượng dầu như hình 3-6 Để đưa nhiệt độ lò đến nhiệt độ mong muốn cho từng vùng của lò, ta đặt giá trị lưu lượng dầu ổn định ở giá trị điện áp U1 (được nhập vào qua bàn phím), giá trị này so sánh với tín hiệu phản hồi Uy1k được lấy từ sensor đo lưu lượng dầu qua bộ khuếch đại đưa về, ta nhận được sai lệch ∆y1k

Nguyên lý làm việc của mạch được lý giải như sau:

Khi nhiệt độ do một nguyên nhân nào đó vượt hoặc giảm quá nhiệt độ đặt (có thể

do nhiễu phụ tải tăng hoặc giảm), bộ vi xử lý sẽ cho tín hiệu điều chỉnh giá trị đặt U1 để

ổn định nhiệt độ của lò, đồng thời phát tín hiệu báo động để cho người vận hành biết

Do thời gian không cho phép ta không đi sâu nghiên cứu mạch vòng và mạch điều chỉnh này, mà đi sâu nghiên cứu mạch vòng thứ 2, mạch vòng điếu chỉnh lưu lượng gió tìm cực trị kiểu bước.Khi lưu lượng dầu cố định mạch vòng thứ hai có nhiệm vụ tự động điều chỉnh lượng gió để nhiệt độ của lò đạt cực đại

3.4 Thiết kế bộ điều khiển lưu lượng khí theo phương pháp bước

3.4.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước

Với giả định là ở một nhiệt độ đặt nhất định (ứng với năng suất và yêu cầu nhiệt độ từng vùng của lò), mạch vòng ổn định lưu lượng dầu giữ lượng dầu phun vào lò ở một đại lượng cố định, nhiệm vụ của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước là tự động điều chỉnh lượng khí đưa vào để đốt với lượng dầu trên sao cho nhiệt độ của lò đạt cực đại Qua phân tích, nghiên cứu ta chọn sơ đồ khối bộ điều chỉnh kiểu bước điều chỉnh lưu lượng khí tự động tìm cực trị như hình 3-7

Hình 3-7 Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước

Đối tượng điều khiển, tọa độ x là đại lượng chuyển dịch tọa độ y là lượng điện áp đưa vào các bộ ghi nhớ (CH) là động cơ một chiều, (VAN) là van gió, (MĐC) máy điều chỉnh, (LG) khối logic, (SS) khối so sánh, (GN) khối ghi nhớ các giá trị nhiệt độ dưới dạng điện áp,(FL) khối phát lệnh, khối này làm nhiệm vụ phát lệnh cho khối GN,SS,LG,làm việc, khối FL thực hiện tuần tự thuật toán bốn bước sau :

VAN

Sensor nhiệt

về máy điều chỉnh để điều chỉnh tốc độ trong mỗi bước.

3.4.2 Nguyên tắc làm việc của sơ đồ

Nguyên tắc làm việc của sơ đồ được thực hiện theo 4 bước như sau:

• Bước 1: Bộ phát lệnh (FL) phát lệnh tới khối logic (LG) điều khiển động cơ chấp hành (CH) quay dịch mở van gió một bước +∆x , đồng thời phát lệnh cho

bộ ghi nhớ (GN), ghi nhớ giá trị nhiệt độ ban đầu dưới dạng điện áp Uyk

• Bước 2: Bộ phát lệnh tạo thời gian trễ để nhiệt độ của lò thay đổi

• Bước 3: Bộ phát lệnh phát lệnh cho bộ ghi nhớ, ghi nhớ giá trị Uyk+1.

• Bước 4: Bộ phát lệnh phát lệnh so sánh 2 giá trị trong các bộ nhớ

* Nếu : ∆yk = Uyk+1 - Uyk > c ( nhiệt độ lò đang tăng lên)

Trong đó c là một số dương cho trước là ngưỡng tác động của khối logic, bộ phát lệnh tiếp tục phát lệnh tới khối logic điều khiển động cơ chấp hành quay dịch mở van khí một bước ∆x nữa, và phát lệnh cho bộ ghi nhớ, ghi nhớ giá trị Uyk+1 Quá trình lặp lại theo chu kỳ như trên cho tới khi tìm được cực trị (đây là quá trình tìm cực trị )

* Nếu: ∆yk = Uyk+1 - Uyk < - c (nhiệt độ vượt qua giá trị cực đại)

Thì khối logic điều khiển động cơ quay ngược lại đóng bớt van gió một bước ∆x

và lúc này hệ đã tìm được cực trị và chuyển sang quá trình duy trì cực trị

* Nếu: - c < ∆yk = Uyk+1 -Uyk < c khối logic không tác động, động cơ không quay lưu lượng khí cấp vào mỏ đốt được giữ cố định và hệ làm việc ở vùng cực trị

Tuy nhiên giá trị nhiệt độ ở bước 1 và bước 3 vẫn được bộ ghi nhớ ghi lại để kiểm tra và duy trì điểm làm việc xung quanh điểm cực trị.

Như vậy nhờ thuật toán điều khiển kiểu bước như trên hệ đã thực hiện hai quá trình, quá trình thứ nhất là quá trình tìm cực trị và quá trình thứ hai là quá trình duy trì điểm làm việc tại cực trị, bằng việc tính chọn mức ngưỡng của phần tử logic hợp lý và trong khoảng sai số cho phép ta có vùng làm việc không nhạy mà ở đó, hệ làm việc trong vùng cực trị mà không bị dao động

Sensor tốc độ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ dưới dạng điện áp đưa về cùng với máy điều chỉnh để điều chỉnh tốc độ động cơ trong mỗi bước

3.4.3 Thiết lập sơ đồ nguyên lý

Để điều khiển van gió (yêu cầu công suất nhỏ), ta chọn động cơ 1chiều động cơ

có công suất 12.5w, điện áp 12v

b) Mạch khuếch đại công suất

Sau khi nghiên cứu ta chọn mạch khuếch công suất dùng vi mạch, BA 6209, vi mạch có 10 chân, công suất điều khiển lớn nhất 22w

- Chân số 5& 6 : Nhận tín hiệu điều khiển

- Chân số 7& 8 : Cấp nguồn cho mạch logic và khuếch đại (12v)

sSơ đồ vi mạch được mô tả như hình 3- 9

Trên sơ đồ mạch điện các bộ khuếch đại thuật toán dùng vi mạch LM324P, phần tử NAND dùng vi mạch 4011BP Để tạo mức ngưỡng cho mạch logic (c = 0.05v) ta cấp

Hình 3-9b

một điện áp dương vào đầu đảo của U5B và U6C qua cầu phân áp R4 và R3, để mức ngưỡng đạt 0.05v ta chọn R3 là biến trở loại 100KΩ, điện trở R4 là 470 Ω , điện trở R6

= R5 = 1MΩ

Bộ khuếch đại U8A là mạch khuếch đại đảo có hệ số khuếch đại bằng -1, đầu ra của

nó có điện áp bằng ± ∆yk, xung nhịp đưa đến 4011 ở nhịp thứ 4 của bộ phát lệnh, mạch logic làm việc như sau

Khi không có tín hiệu điều khiển ở cả hai đầu ra của 4011 đều ở mức cao, máy điều chỉnh không tác động, động cơ không quay Khi có tín hiệu điều khiển và có xung nhịp,

Nếu: ∆yk > c > 0 đầu ra của U5B ở mức cao đầu ra của 4011 số I ở mức thấp, đầu

ra U8A ở mức thấp, đầu ra U5B ở mức thấp, đầu ra 4011 số II ở mức cao, đầu ra có tín hiệu cho BA6209 điều khiển động cơ quay dịch thuận van một bước ∆x

U3A 4011BP_10V

U8A LM324P 3

2 11

4

1

U5B LM324P 3

2 11

4

1

U6C LM324P 3

2 11

VEE 2

10

Nếu: ∆yk < - c đầu ra U5B ở mức thấp đầu ra của 4011 số I ở mức cao Đầu ra U8A ở mức cao, đầu ra U6C ở mức cao, đầu ra 4011 số II ở mức thấp, đầu ra có tín hiệu cho BA6209 điều khiển động cơ quay dịch ngược van một bước ∆x (theo chiều đóng van gió )

Nếu: -c < ∆yk < c đầu ra U5B ở mức thấp, đầu ra 4011 số I ở mức cao, đầu ra của U6C luôn ở mức thấp nên đầu ra của 4011 số II ở mức cao vì vậy đầu ra không có tín hiệu điều khiển, động cơ không quay

Sau khi nghiên cứu, thiết kế mạch điện tạo mức ngưỡng đã thực hiện được yêu cầu điều khiển của bộ điều khiển Kết quả chạy thử mạch trên phần mềm multisim-8, hình 3-11 là kết quả tín hiệu ra khi không có tín hiệu điều khiển, hình 3-12 là kết quả tín hiệu ra khi tín hiệu điều khiển lớn hơn mức ngưỡng c, hình 3-13 là kết quả khi tín hiệu điều khiển nhỏ hơn mức ngưỡng -c và hình 3-14 là kết quả khi tín hiệu điều khiển mằm trong mức ngưỡng Đường 1 là tín hiệu ra của 4011 số I, đường 2- tín hiệu ra của 4011

số II, đường 3- xung nhịp, đường 4- tín hiệu điều khiển

4

Để xung đầu ra của mạch logic có đủ độ rộng và có thể điều chỉnh được ta thiết kế mạch dãn xung, hình 3-15 là sơ đồ mạch điện dãn xung Khi không có tín hiệu của xung điều khiển hoặc xung nhịp hoặc cả hai tín hiệu không có, đầu ra của 4011 ở mức

4

Hình 3 -14

Xung điều khiển

Xung nhịp