điều khiển nhiệt độ theo đồ án tốt nghiệp điện tử

BỘ ĐIỀU ut ĐỐI y Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn ìĩịtc Cjuấn thông qua các bộ chuyển đổi tương tự số TT- s, số tương tự S- TT và các CHỈ TIÊU TỐI uu VÀ TBTTĐK TT-S Hình 1-9: Sơ đồ hệ thông đ

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

CHƯƠNG I:

KHẢI QUÁT CHUNG VỀ ĐIÊU KHIÊN

I I CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN:

Trong mọi hoạt động của con người ở bất cứ lĩnh vực nào, bất cứ vị trínào đều liên quan đến hai từ điều khiển Trong khoa học tồn tại một ngànhkhoa học đã và đang phát triển mạnh mẽ gọi là điều khiển học

Điều khiển học là khoa học nghiên cứu về các quá trình thu thập, xử lítín hiệu và điều khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học côngnghệ, môi trường thiên nhiên V.V

Điều khiển học kĩ thuật là khoa học nghiên cứu về quá trình thuthập, xử lí tín hiệu và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kĩthuật Cơ sở lí thuyết của điều khiển học kĩ thuật là lí thuyết điều khiển tựđộng Cơ sở lí thuyết điều khiển tự động là phần lí thuyết cơ bản của líthuyết điều khiển tự động

Khái niệm điều khiển được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mangtính tổ chức của một quá trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốncủa quá trình đó Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp củacon người trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động

Điều chỉnh là một khái niệm hẹp hơn của điều khiển Điều chỉnh là tậphợp tất cả các tác động nhằm giữ cho một tham số nào đó của quá trình ổnđịnh hay thay đổi theo một qui luật nàp đó Tham số này gọi là tham số cần

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Một hệ thống điều chỉnh tự động bao gồm hai thành phần cơ bản là đốitượng điều chỉnh(ĐTĐC) và thiết bị điều chỉnh(TBĐC) ĐTĐC kà thành phầntồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh và nhiệm vụ cơbản của điều chỉnh là phải tác động lên đầu vào của ĐTĐC sao cho đại lượngcần điều chỉnh đạt được giá trị mong muốn TBĐC là tập hợp tất cả các phần

tử của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều chỉnh tác động lên đôítượng Giá trị này được gọi là tác động điều chỉnh

Đại lượng cần điều chỉnh còn gọi là đại lượng ra của hệ thống điềuchỉnh tự động Những tác động từ bên ngoài lên hệ thống được gọi là tácđộng nhiễu

Phương pháp để TBĐC tạo ra tín hiệu điều chỉnh gọi là phương thứcđiều chỉnh (điều khiển) Có ba phương thức điều chỉnh là : phương thức điềuchỉnh theo chương trình, phương thức bù nhiễu và phương thức điều chỉnhtheo sai lệch

Trong phương thức điều chỉnh theo chương trình, tín hiệu điều chỉnhđược phát ra do một chương trình định sẵn trong TBĐC Với phương thức bùnhiễu, tín hiệu điều chỉnh được hình thành khi xuất hiện nhiễu loạn tác độnglên hệ thống Tín hiệu điều chỉnh phát ra nhằm bù lại sự tác động của nhiễuloạn để giữ cho giá trị của đại lượng cần điều chỉnh không đổi Vì vậy hệthống bù nhiễu còn được gọi là hệ thống điều khiển bất biến

Trong kĩ thuật thường sử dụng phương thức điều khiển theo sai lệch.Tín hiệu điều khiển ở đây được hình thành do có sự sai lệch giữa giá trị

KCN- Khối chức năng nhằm tạo ra tín hiệu điều chính Ư theo giá trị sailệch e : u = f(e)

CCCH- Cơ cấu chấp hành thực hiện tác động điều chỉnh u lên ĐTĐC.TBCN- Thiết bị công nghệ có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh.TBĐ- Thiết bị đo để xác định giá trị y của đại lượng cần điều chỉnh

z- Tác động nhiễu phụ tải là những tác động từ bên ngoài lên hệ thống

mà chúng ta không mong muốn

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

chỉnh tự động những tác động cho những tác động nhiễu khác nhau Hình

1-còn hình 1 - 2b mô tả nhiễu phụ tải z

ĐTĐCa

_ TBĐC

a - Nhiễu mặt trước ; b - Nhiễu phụ tải

Hệ thống điều chỉnh tự động luôn luôn tồn tại ở một trong hai trạngthái : trạng thái xác lập(trạng thái tĩnh) và trạng thái quá độ(trạng thái động).Trạng thái xác lập là trạng thái mà tất cả các đại lượng của hệ thống đèu đạtđược giá trị không đôí Trạng thái quá độ là trạng thái kể từ thời điểm có tácđộng nhiễu cho đến khi hệ thống đạt được trạng thái xác lập mới Lí thuyếtđiều khiển tự động tập trung CO’ bản mô tả và phân tích trạng thái quá độ của

hệ thống Trạng thái xác lập đánh giá độ chính xác của quá trình điều chỉnh.Nừu ở trạng thái xác lập vẫn còn tồn tại sai lệch giưã tín hiệu chủ đạo và tínhiệu đo được thì giá trị sai lệch này được gọi là sai lệch dư( hay còn gọi là sai

lệnh tĩnh) và được ký hiệu là ổ , còn hệ thống được gọi là hệ thống có sailệch dư Nếu ổ =0 thì hệ thống được gọi là hệ thống không có sai lệch dư

TBĐ z

yĐTĐC

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

động được phân làm hai loại chính phụ thuộc vào tính chất của các phần tửthuộc hệ thống là: hệ thống tuyến tính và hệ thống phi tuyến tính

Việc phân loại hệ thống ĐKTĐ có thể thực hiện theo nhiều phươngpháp khác nhau Ớ đây ta nghiên cứu các loại hệ thống ĐKTĐ điển hình vàhiện có sau đây:

1- Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính

2- Hệ thốne phi tuyến tính

3- Hệ thốne liên tục: Các tín hiệu tác động trong hệ thốnglà cáchàm liên tục theo thời gian

4- Hệ thống rời rạc hay hệ thống xung - số(Hệ thống giánđoạn): Trong đó chỉ cần có một tín hiệu là hàm rời rạc theo thời gian

5- Hệ thống tiền định: Là hệ thống trong đó tất cả các tín hiệutruyền đạt là các hàm theo thời gian đã được xác định( không có tín hiệungẫu nhiên)

6- Hệ thống ngẫu nhiên: Là hệ thống trong đó chỉ cần có mộttín hiệu là một hàm ngẫu nhiên

7- Hệ thống tối ưu: Là một hệ thống điều khiển phức tạp, trong

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Theo tính chất truyền tìn hiệu hệ thống tuyến tính lại được phân làm hai

loại: Hệ thống liên tục và hệ thống gián đoạn Nếu thông tin được truyền đitrong hệ thống liên tục ở tất cả các mắt xích thì hệ thống được gọi là hệ thốngtuyến tính liên tục Nếu tại một mắt xích nào đó thông tin bị gián đoạn thì hệthống được gọi là hệ thống tuyến tính gián đoạn

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

đáp ứng được Vì vậy phải xây dựng HTTN Đối với HTTN ngoài cấu trúcthông thường ra trong TBĐC còn có một số thiết bị đặc biệt khác thực hiệnchức năng riêng của nó nhằm bảo đảm chất lượng cuả quá trình điều chỉnh

HTTT được phân ra làm hai loại là hệ thống điều chỉnh ho HTH và hệthống điều chỉnh kín HTK Đối với hệ thống điều chỉnh hở tín hiệu của đạilượng cần điều chỉnh không được sử dụng trong quá trình tạo ra tác động điềukhiển Phương thức điều khiển ở đây là phương thức bù nhiễu trong hệ thống

bù nhiễu HBN hoặc phương thức điều khiển theo chương trình trong hệ thống

trúc chue đạo X mà HTK được phân ra thành hệ thống tự động ổn định HOĐ

hệ thống điều chỉnh theo chương trình HCTr và hệ thống theo dõi HTD

Trong HOD X = const, TBĐC luôn luôn giữ cho đại lượng cần điều

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

chỉnh luôn luôn theo sát đại lượng này Sơ đồ cấu trúc HTĐ được mô tả trên

ĐẠI LƯỢNG ĐÍCH

Hình 1 - 5 : Sơ đổ hệ thống theo dõi TBĐ - thiết bị đo

Hệ thống điều chỉnh hỗn hợp HTHH là sự kết hợp của HOD với HBN

để nhằm mục đích nâng cao chất lượng của quá triònh điều chỉnh Sơ đồ cấutrúc của HTHH được mô tả trên hình 1- 6 Thiết bị bù TBB ở đay đóng vai tròkết hợp với TBĐC để tạo ra tín hiệu sao cho giá trị y không đổi khi có sự tácđộng của nhiễu X

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Hình 1 -7: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh cực trịTrong HTC ngoài các cấu trúc thông thường của TBĐC còn có thiết

bị tự chỉnh định cấu trúc hoặc thông số của TBĐC Sơ đồ của hệ thống nàyđược mô tả trên hình 1- 8 Thiết bị tự chỉnh TBTC thực hiện chức năng xácđịnh cấu trúc thích hợp của TBĐC hoặc xác định thông số tối ưu của nó vàthực hiện sự thay đổi cấu trúc hoặc thông số của TBĐC cho thích hợp với kết

BỘ ĐIỀU u(t) ĐỐI y

(

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

thông qua các bộ chuyển đổi tương tự số TT- s, số tương tự S- TT và các

CHỈ TIÊU TỐI uu

VÀ

TBTTĐK

TT-S

Hình 1-9: Sơ đồ hệ thông điều khiển tối ưu

Hệ thống điều chỉnh tự động tuyến tính gián đoạn được phân ra thành

ba loại là: điều chỉnh vị trí, hệ thống điều khiển xung và hệ thống điều khiển

số phụ thuộc vào phương pháp lượng tử hoá Việc phân loại này được siới

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

CHƯƠNG II:

CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIÊN

II 1 THIẾT BỊ ĐIỂU KHIỂN TỶ

LỆ P:

Hoạt động tỷ lệ có nhiệm vụ làm giảm biên độ sai lệch điều khiển e(t)

Từ hình 2- 1 ta thấy giữa tín hiệu đầu ra u(t) và tín hiệu đầu vào e(t) của bộđiều khiển tỷ lệ có quan hệ tỷ lệ Đặc tính tĩnh của bộ điều khiển là tuyến tính:

đại lên Kp lần nhằm đảm bảo tín hiệu ra của bộ điều khiển tạo khả năng bù trừsai lệch Khi tín hiệu sai lệch lớn nghĩa là đáp ứng đầu ra y(t) rất nhỏ so với tín

hiệu đặt x(t), muốn bù trừ sai lệch thì tín hiệu điều khiển phải có giá trị lớnmới duy trì được sự ổn địng của hệ thống kín Ngược lại, khi sai lệch e(t) nhỏ,

(t

u(t)

ĐO LƯỜNG

Hình 2- 1 : Hệ thống điều khiển tự độngvới bộ điều khiển tỷ lệ

Đây là bộ điều khiển ó cấu trúc đơn giản nhưng luôn tồn tại sai số ở chế

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

St = lim e(t) =f

K

Trong đó :

K : Hệ số khuyếch đại của hàm truyền hệ hở

XQ : Biên độ của tín hiệu đầu vào

Từ công thức trên ta thấy khi bộ điều khiển có hệ số khuyếch đại Kp

nhỏ thì K nhỏ s sai số xác lập lớn nhưng hệ ổn định Điều này thể hiện sự

điều khiển không đáp ứng được, không bù được sai số Khi tăng hệ số Kp thì

K tăng -> sai số sẽ giảm đi, đáp ứng của hệ thống vẫn không dao động, nhưng

để đảm bảo sai số nhỏ thì Kp phải có giá trị lớn Điều này mâu thuẫn với điềukiện để đạt được chất lượng tốt trong chế độ quá độ, bởi vì khi tăng Kp đếnmột giá trị lớn nào đó thì hệ thống bắt đầu dao động và có thể làm cho hệthống mất ổn định trước khi đạt được hệ số khuy ếch đại mong muốn

Như vậy khi hệ thống làm việc với bộ điều khiển có cấu trúc tỷ lệ thì hệthống luôn tòn tại sai số ở chế độ xác lập Đây là nhược điểm chính của bộđiều khiển tỷ lệ khi điều khiển các đối tượng không có cấu trúc tích phân

Khi hệ số khuyếch đại Kp có giá trị nhỏ, tín hiệu u(t) đầu ra của bộ điều

khiển nhỏ nên đáp ứng quá độ có sai số lớn Khi tăng hệ số khuyếch đại Kptrong giới hạn nào đó hệ thống vẫn khồn ổn định, sai lệch tĩnh có xu hướnggiảm Khi tăng Kp đến 1 giá trị nào đó (Kp K0 > Kgh ) thì đáp ứng của hệ

Sinh íùân thưa tập Cịìlạuụễn (ìĩ(ịt)c CJuâh

tần số vượt của hệ số khuyếch đại nghĩa là không được thay đổi tần số cắt

Cú c của hệ hở Nếu bộ điều khiển có cấu trúc tích phân thì tín hiệu đầu ra

của

bộ điều khiển u(t) tỷ lệ với tích phân thời gian của sai lệch điều khiển e(t) theo

Trong đó : T, là thời gian tích phân

Hệ thống với bộ điều khiển tích phân được giới thiệu trên hình(2- 2a).Phương trình trên chỉ rõ tác động điều khiển u(t) tiếp tụctăng mãi

_ ĐO LƯỜNGHình (2 -2a): Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển tích phân

e(t)

a(t)

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Trước hết ta xét ý nghĩa vật lý của việc đưa tích phân vào quy luật điềuchỉnh Trên hình(2-3) giới thiệu đường cong biến thiên của tín hiệu sai số e(t)

Hình 2 -3:Sai số điều khiển và tích phân của sai số

Nếu tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển u(t) tỷ lệ với tín hiệu sai số e(t)hình (2- 4) thì khi tác động chủ đạo x(t) biến thiên với một tốc độ không đổinhư ta đã biết, sẽ sinh ra một sai số tốc độ không đổi

( st = hằng số) Nếu ta đưa sai số e(t) vào một bộ điều khiển có cấu trúc tíchphân (I) trước rồi lấy tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển để tác động vào khâuchấp hành của đối tượng thì sai số sẽ giảm nhỏ

Điều đó được giải thích như sau : Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tích

/ 2

phân u(t) = f e (t) dt sẽ tăng cho đến khi bằng giá trị tương đương ứng với

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn C)((joc Cjuấn

độ đường cong tích phân chậm sau so với sự biến thiên của tín hiệu sai số dẫn

(p{co)

Hình (2- 4) : Đặc tính tần số biên pha lôgarit của bộ điều khiển tích phân I

Từ đặc tính trên hình (2- 4) ta trhấy bộ điều khiển có biên độ giảm

20dB/dec Tại tần số Cở = K; tỷ số bằng 1 (là đơn vị) và tại tần số Cở - 0 tác

động tích phân tạo ra một hệ số khuyếch đại rất lớn Dù hệ số khuyếch đạikhông tăng ở tần số cao nhưng nó vấn có ảnh hưởng tại các tần số cao Do đómặc dù điều khiển tích phân đơn độc trừ khử được sai lệch tĩnh nhưng ngượclại nó cũng làm ảnh hưởng tới quá trình quá độ và dễ gây nên mất ổn định cho

hệ thống Trong thực tế bộ điều khiển tích phân hầu như không sử dụng vìnhững nhược điểm nêu ttrên

II_ 2 2 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI) :

Trong thực tế không bao giờ dùng luật điều khiển tích phân độc lập vì

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

kinh tế cao Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân chính là tổ hợp điều khiển tích

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Trong tthực tế sử dụng bộ điều khiển PI thì việc chọn thông số điều chỉnh

Kp, Ti để phù họp với đối tượng nhằm đạt được các chỉ tiêu chất lượng củaquá trình quá độ là một vấn đề vô cùng quan trọng Rờt nhiều các tiêu chuản

để tính chọn các thông số của bộ điều khiển để có được một đáp ứng đầu raphù hợp với yêu cầu của công nghệ, về tình chất của luật điều khiển tỷ lệ thì

có đáp ứng tốt xong sai số tĩnh lớn Khi tăng hệ số Kp cao thì đạt được sai sốtĩnh nhỏ xong quá trình quá độ lại dao động chất lượng của quá trình quá độ

sẽ xấu đi Và khi hệ số Kp quá trình quá độ lớn thì đáp ứng đầu ra của hệthống kín sẽ mất ổn định Khi ta đặt một giá trị Kp tối ưu thì chất lượng đápứng của hệ thống lúc này chỉ phụ thuộc và thời gian tích phân Khi thời giantích phân Ti lớn có nghĩa là tín hiệu U(t) có giá trị rất nhỏ Sự ảnh hưởng củathành phần tích phân đến đáp ứng quá độ rất ít nên lúc này bộ điều khiển PIhọat động như bộ điều khiển tỷ lệ Nghĩa là đáp ứng đầu ra ổn định nhưng sai

số vẫn còn lớn so với yêu cầu điều khiển Khi thời gian Ti giảm nhỏ (Ti ^ 1)thì thành phần tích phân có tác động tích cực, đáp ứng quá độ vẫn chưa có daođộng nhưng sai số xác lập bằng không Khi ta giảm nhỏ giá trị Ti đến một giátrị nào đó thì quá trình quá độ không còn đơn điệu nữa mà nó trở thành mộtquá trình dao động Như vậy thông số Ti ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của

quá trình quá độ Việc chọn đặt giá trị Ti không phù hợp sẽ làm cho quá trìnhquá độ xấu đi và đôi khi hệ thống sẽ trở nên mất ổn định

II _2_3 Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân(PD) :

Như đã trình bày ở trên bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân có thể dùng để cảithiện đáp ứng ổn định của một hệ điều khiển như thế nào Khi ta muốn cảithiện tính năng quá độ có thể dùng bộ điều khiển tỷ lệ- vi phân (PD) Điều

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Ta hãy xét ý nghĩa vật lý của việc đưa đạo hàm vào quy luật

Hình (2- 7): Sai lệch điều khiển e(t) và đạo hàm của sai lệch e(t)

Giả sử rằng tín hiệu sai lệch của hệ thống là e(t) và đaọ hàm của nó làde(t)/đối tượng biến thiên theo các đường cong được trình bày trên hình (2-7)

Để dễ hiểu ta hãy xét một hệ thống điều khiển động cơ điện Nếu hệthống chí phản ứng đối với tín hiệu sai lệch thì do dao động cư có độ nhạycảm nhất định vad do sự chậm trễ của tín hiệu khi nó đi qua các phần tử quántính hệ thống không tức thời tạo ra sai lệch mà phải mất một khoảng thời giannào đó sau khi tín hiệu e(t) xuất hiện, tức là khi nó đã tăng đến một giá trị nào

đó rồi Nếu ta đặt vào động cơ chấp hành của hệ thống một điện áp không chỉ

tỷ lệ với tín hiệu sai lệch e(t) mà tỷ lệ cả với đạo hàm của nó thì động cơ sẽbắt đầu tạo ra sai số sớm hơn và nhanh hơn Bởi vi khi tín hiệu sai lệch cònnhỏ (ở thời điểm xuất hiện tín hiệu sai lệch) thì đạo hàm của nó có một giá trịnhất định : Hình(2- 7) Ngoài ra nếu hệ thống chỉ phản ứng với tín hiệu sailệch e(t) thì mô men quay của động cỏ sẽ giống nhau tại thời điểm tị khi tín

x(t) -b<~x e(t) BỘ ĐIỀU u(t

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

thời điểm u thì động cơ sinh ra một lực quay nhỏ hơn dể kịp thời phòng ngừa

độ quá trình quá độ điều chỉnh tức là phong ngừa hệ thống do quán tính màvượt qua trạng thái cân bằng

Cũng bằng cách đưa đạo hàm vào quy luật điều chỉnh người ta có thểlàm cho mô men quay của động cơ biến đổi như thế Trong trường hợp nàykhi t = tj mô men quay của động cơ tăng vì tín hiệu e(t) và de(t$dt ngượcdấu, còn khi t = t2 thì nó sẽ giảm, có khi đổi cả chiều vì tác động e(t) và.de(t)/dt ngược dãồ^nhau Kết quả là do sự biến đổi mô men quay của động cơnên giá trị cực đại của sai số sẽ thấp xuống, độ quá trình quá độ điều chínhgiảm đi hoặc có khi còn bị loại trừ nữa và quá trình quá độ của hệ thống sẽsuy giảm nhanh hơn Ưu điểm chính hình

(2- 8) của việc đưa đạo hàm sai lệch vào quy luật điều khiển là không đem lại

sự chậm trễ về pha mà là sự vượt trước về pha(sớm pha) Vì vậy hoạt động vi

Hình (2- 8): Minh hoạ luật điều khiển tỷ lệ - vi phân

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Tác động vi phân có ích trong các hệ thống kiểm tra khi có tín hiệu vàođột biến hoặc thay đổi phụ tải Vì tín hiệu vi phân thay đổi đối kháng trongđầu vào ra, nó làm ổn định một hệ kín ; hệ này có thế cản trở khuynh hướngdao động

Một điều quan trọng cần chú ý là bộ điều khiển vi phân (D) không thểdùng đơn độc được vì nó không đáp ứng được sai số ở chế độ xác lập Nó cầnGr(s) = ỵ f ị = M1 + T,s) = Kp+ Kp.Td.s = Kp + Kd.s

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

a) Hệ thống với bộ điều khiển PD

b) Đáp ứng quá độ của bộ điều khiển PD

c) Đặc tính tần số biên logarit và pha lôgarit của bộ điều khiển PD

Qua đặc tĩnh biên- pha lôgarit hình(2- 9c) ta thấy rằng ở miền tần

số cao biên độ không suy giảm Như vậy nhược điểm cơ bản của thành phần

vi phân là cho những tín hiệu cao tần đi qua mà khồn hề suy giảm Vì vậy nếu

có nhiễu loạn biến thiên với tốc độ nhanh mà phổ của chúng phân bố trongmiền cao tần nhập vào tín hiệu hữu ích đi qua thành phần vi phân nói trên thìthiết bị sẽ cho nhiễu loạn qua mà không bị suy giảm, do vậy sẽ làm tăng sai số

do nhiễu loạn tác động vào hệ thống Mổt khác ta thấy hàm tỷ lệ - vi phân ở

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

PD tương tự ta còn có cấu trúc của bộ điều khiển PD số

Trong đó T là chu kỳ lấy mẫu

II 3 BỘ ĐIỂU KHIỂN TỶ LỆ - TÍCH PHÂN - VI PHÂN (PID):

Mặc dù điều khiển tỷ lệ- tích phân- vi phân hoặc tỷ lệ- vi phân đãđáp ứng được đầy đủ các yêu cầu chất lượng trong nhiều trường hợp, nhưngcũng còn những nhược điểm mà chúng ta đã phân tích ở trên Đé thoả mãnyêu cầu chất lượng điều khiển trong thực tế nguời ta sử dụng tổ hợp điề ukhiển tỷ lệ- tích phân- vi phân Các bộ điều khiển có cấu trúc trên gọi là bộđiều khiển tỷ lệ- tích phân- vi phân gọi tắt là PID Bộ điều khiển PID được áp

u [k.T ] =

\ĩịAe{ịk-\)jụe{k.T]Ỷị

1 +Tls

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID đcgiới thiệu trren hình (2- 11)

Trong hoạt động của bộ điều khiển PID, hiệu quả của tác động điềukhiển tích phân là loại trò (khử) sự truyền tín hiệu tăng theo tỷ lệ, đặc biệt sựtruyền tăng theo tỷ lệ của nhiễu lớn bằng cách hiệu chỉnh liên tục hoặc “lặp lại

”(đặt trở lại) đầu ra bị điều khiển, vì lý do đó đôi khi người ta gọi nó là tác

rw V { Tìs Td.s +1J w

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Như đã trình bày ở mục II, tác động điều khiển vi phân có khuynh

hướng dự phòng trước các thay đổi trong tín hiệu sai số va do đó làm giảmkhuynh hướngdao động Vì tác động vi phân đáp ứng với tốc độ thay đổi củađầu ra nên gọi là tác động tốc độ Khoảng thời gian Td gọi là tốc độ suất hoặccòn gọi là thời gian sớm lên được tính bằng phút Còn hệ số khuyếch đại Kinhdoanh là khoảng thời gian Td mà trong đó tác động vi phân làm cho tác độnghình thành bởi điều khiển tỷ lệ sớm hơn Đặc tính quá độ của bộ điều khiểnPID được giưới thiệu trên hình(2- 1 lb)

Trong thực tế bộ điều khiển PID có thể tạo ra bằng cách măc nối tiếp 2

bộ điều khiển PI và PD Lúc này bộ điều khiển có cấu trúc:

Đồng thời người ta sử dụng rộng rãi các bộ điều khiển PID thực mà hàm

Trong trường hợp đặc tính tần số PID là đặc tính tiệm cận thì hàm

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

(

G,.(s) - Kp

1777.5

RS - 232

PLT38- 421FLT 38 -401

Mức hoặclưu lượng

Hình 3.1: Sư đồ cấu trúc điều khiển của bài thí nghiệm điều khiển mức và lưu lượng

b. Thuyết minh sơ đồ:

Để điều khiển mức (hoặc lưu lượng) người ta điều khiển thông

qua

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn QLạẾM Cjuấn

Tại bộ điều khiển Commander 300 ta có thể dặt một lượng đặt theo yêucầu (mức hoặc lưu lương)lượng đặt này được so sánh tín hiệuphản hồi dòngđiện, tín hiệu này được lấy thông qua cảm biến là một chiết áp(đối với mức,còn đối với lưu lượng là một cảm biến kiểu Rôto) sau đó được đưa qua bộchuyển đổi FLT 38- 401(hoặc PLT 38- 421) và được đưa đến bộ hiển thị ĐM38- 490 đầu ra của bộ hiển thị được đưa tới đầu vào của bô điều khiển Bộđiều khiển cho tín hiệu ra chính là sai lệch giưũa lượng đặt và phản hồi đểđiều khiển ServoVan Tuỳ thuộc vào tín hiệu điều khiển mà ServoVan có thểđónh hoặc mở Thực chất ở đây chính là điều khiển tốc độ động co’ củaServoVan

III_ 12 Nội dung các bài thí nghiệm:

III_1_2_1 Điều khiển bơm theo kiểu on/ off:

a. Lý thuyết:

Luật điều khiển ON/ OFF được dùng để điều khiển mứcnước trone bể bằng cách đóng hoặc cắt bơm một cách tự động Phần điềukhiển ON/ OFF của PI bao gồm một bộ so sánh và một trigơ smit với độ trễđiều khiển và các đầu vào lôgic để điều khiển công tắc cấp nguồn cho bơm(một nguồn xoay chiều và một nguồn một chiều)

- Tín hiệu ra của Trigơ Smith sẽ ở một trone hai trạng thái phụthuộc vào độ lệch giẵa tín hiệu đo được và tín hiệu ngưỡng, để điều khiểnnguồn cấp cho bơm bằng cách tạo ra một tín hiệu lôgic tới đầu vào D

Nguồn dùng sẽ tạo ra tín hiệu ngưỡns cho thiết bị điều khiển

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn b)((joc Cĩuâh

b. Cách làm- sơ đồ ghép nối thiết bị:

Hình 3.2 Sơ đồ ghép nôi các thiết bị điều khiển bơm theo kiểu on/off

Mở servo van 100%(bằng cách nối đầu ra nguồn dòng tới đầu

vào của servo van sau đó vặn núm điều chỉnh tới vị trí 20 mA) Sau đó nối lại

sơ đồ như cũ

- Mở 50% van tay MV3, và mở 100% van tay MV2

- Đặt công tăvs AC supply output ở vị trí logic in put

- Đặt công tắc AC ở chế độ hiển thị dòng điện(mA)

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

mức trễ theo từng bước và quan sát sự hoạt động của hệ thống Đặt mức trễ tạimức Min và thay đổi nguồn dòng theo từng bước sau đó quan sát sự hoạt động

của hệ thống Trên bộ điều khiển 38- 300 chú ý tới sự loé sáng của các đèn ledA1 và A2 vì các đèn này báo hiệu chế độ kích hoạt của các rơle

c. Kết quả bài thí nghiệm:

Đặt vị trí của núm điều chỉnh nguồn dòng ở vị trí giữa(tương ứng

với lượng đặt là 50 nm) và độ trễ đặt ở vị trí Min, do đó khi hệ thống làm việc

ta quan sát thấy khi mức nước ở bể trên đạt tới 50 nm thì bơm cắt Khi đặt độtrễ ở vị trí Max, khi mức nước ở bể trên đạt tới 50 nm thì sau 5 giây bơm mớicắt Bài này không có kết quả ở dưới dạng đồ thị

III_1_2_2 Điều khiển điện tử theo kiểu onl off

a Lý thuyết:

- Điều khiển cắt bơm để điều khiển mức nước trong bế là

một biện pháp không tốt lắm vì bơm sẽ phải đóng cắt liên tục trong mộtkhoảng thời gian ngắn và điều này không có lợi cho bơm Biện pháp rố hơn làdùne đóng cắt van điện từ được thiết kế đóng cắt lặp đi lặp lại theo ý muốn

- Van sv 1 sẽ thay thế bơm, nó mở khi mức nước trong bể

dưới mức đặt và đóng trong trường hợp ngược lại

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn b)((joc Cĩuâh

b Cách làm_ Sơ đồ ghép nối thiết bị:

- Ghép nối các thiết bị như ở trong sơ đồ sau(hình 3 3):

Hình 3.3 Sơ đồ ghép nối các thiết bị điều khiến van điện từ theo kiểu onỉoff

- Tất cả các thiết bị phải được hiệu chỉnh trước khi tiên hànhthí nghiệm

- Mở van tay MV2 100%, mở 50% van MV3, khi tiến hành thínghiệm sinh viên cần phải điều chỉnh chính xác vị trí của MV3 để nhận đượcđáp ứng đúng, có nghĩa mức nước trong bình tăng khi van điện từ SV2 đóng

và sẽ giảm khi van SV2 mở

- Đặt công tắc 24 Vdc output tới đầu vào logic E, và công tắc

Ac supply output ở vị trí On Đặt nguồn dòng ở vị trí 50% và đặt độ trễ ở Min

- Bật bộ ghép nối(PI), ban đầu ban SV2 được đóng lại cho

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

c Kết quả bài thí nghiệm:

Đặt vị trí của núm điều chỉnh nguồn dòng ở vị trí giữa(tươngứng với lựng đặt là 50 nm) và độ trễ đặt ở vị trí Min, do đó khi hệ thống làmviệc ta quan sát thấy khi mức nước ở bế trên đạt tới 50 nm thì van SV2 mở.Khi đặt độ trễ ở vị trí Max, khi mức nước ở bể trên đạt tới 50 nm thì sau 5 giây

van SV2 mở Bài này không có kết quả dưới dạng đồ thị

III_1_2_3 Điều khiển onl offkhi sử dụng bộ điều khiển 38- 300:

a Lí thuyết:

Trong phần này 38- 300 sẽ đóng cắt thiết bị On hoặc Off để điềukhiển mức nước Trong phần trước sự kết hợp của bộ so sánh và Trigơ smittrong bộ ghép nối (PI) đã tạo nên luật điều khiển Phần này 38- 300 nhận tínhiệu vào là giá trị thực từ FTL và sử dụng đầu ra là các Rơle để điều khiển cácthiết bị xử lý

Các chuông cho phép xác định mức ngắt của biến xử lý sao cho tácđộng xảy ra ở một mức độ nhất định và các chuông này điều chính dùng đểkích hoạt các Rơle

Van SV2 để tháo nước từ bể trên và 38- 300 sẽ cung cấp tín hiệu vàocho nó cột chuông sẽ được cài dặt mà giá trị ngắt của nó là mức nước mongmuốn, giá trị ngắt này sẽ điều khiển Rơle để tạo ra tín hiệu lôgic đóng mở mộtđường dây sv

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn b)((joc Cĩuâh

b Cách làm- Sơ đồ ghép nối thiết bị:

- Ghép nối các thiết bị như oqr trong sơ đồ hình 3

- Tất cả các thiết bị phải được hiệu chỉnh trước khi làm

thí

nghiệm này

- Hoàn thành việc kết nối bộ điều khiển 38- 300 với máy tính, sau

đó 38- 300 sẽ tự động được máy tính đặt điều kiện ban đầu

- Đặt tất cả các công tấưc ở vị trí đầu vào lôgic

- Sử dụng van tay MV2 và lựu lượng kế để khống chế lưu

povver 4-20mA connectionsX X X X X

X X X X Xlog

icX

X

SevoVai XXCurrenl

Hình 3.3 sơ đồ ghép nôi các thiết bị điêu khiển on/off dùng commander 300

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

- Đặt mức ngắt xấp xỉ 50% và giá trị trễ nhỏ (5 đến 10%) Đóng

van tay MV3 để bể bị tràn điều gì sẽ xảy ra ? Tại sao ?

c. Kết quả bài thí nghiệm:

ơ bài thí nghiệm này chất lượng đặt và độ trễ được đặt ở trên thanh

điều khiển của màn hình, ở đây lượng đặt được đặt là 50 mm, khi mức nước ở

bê trên đạt tới 50 mm thì van SV2 mở còn khi chưa đạt tới thì van SV2 đóng.Bơm chỉ cắt trong trường hợp mức ở bể trên vượt quá trình quá độ giới hạntrên Bài này không có kết quả ở dưới dạng đồ thị

IH_1_2_4 Điều khiển mức theo luật tỷ lệ (P):

a. Lý thuyết:

Bài thực hành này giới thiệu về luật điều khiển tỷ lệ để điều khiển

mức nước ở bể trên Sử dụng cảm biến để phát hiện mức nước ở bể trên sau

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cĩuâh

b. Cách làm - Sơ đồ ghép nối thiết bị:

- Ghép nối các thiết bị như ở trong sơ đồ hình 3.4:

- Tất cả các thiết bị được hiệu chỉnh trước khi tiến hành bài thínghiệm này

- Máy tính sẽ tự động đặt điều kiện đầu cho 38- 300

- Đóng van tay MV3, mở 100% MV2 và mở SV2 bằng cách

sử dụng nguồn 24Vdc

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Các thông số của bài thí nghiệm:

Lượng đặt: SP = 5

Dải tỷ lệ : PB = 10

III_1_2_5 Điêu khiển mức theo luật tỷ lệ - tích phân(PI):

a. Lý thuyết:

- Khi tiến hành bài thí nghiệm này sinh viên làm quên với luật tỷ

lệ trước khi đưa thêm thành tích phân

- Chí có một phần của dải điểm đặt được hiển thị trên đồ

thị(0-Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn b)((joc Cĩuâh

b. Cách làm - Sơ đồ ghép nối thiết bị:

power 4-20mA connectionsX X XXX

X X X X Xlogic p s

giống như ở trong bài trước

- Bằng cách thay đổi giá trị đặt và dải tí lệ tương ứng với các

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cjuấn

Các thông số của bài thí nghiệm:

Hằng số thời gian tích phân : Tị =10

III_1_2_6 Điều khiến mức theo luật tỷ lệ- tích phân- đạo hàm(PID):

a Lý thuyết:

Thành phần vi phân cho phép phát hiện nhanh sự thay đổi sai số

và tính sai số đó Bằng cách áp dụng luật điều khiển mà khồn chỉ đơn giảnlà

tỷ lệ trực tiếp với sai số thì đáp ứng của thiết bị đã được cải thiện

Thành phần này rất quan trọng, ví dụ khi nước chảy vào bể tăng nhanh do mộtnguyên nhân nào đó của thiết bị sẽ dẫn đến tràn bể Bằng cách áp dụng một

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn (ìĩ(ịt)c Cĩuâh

b Cách làm - Sơ đồ ghép nối thiết bị:

power 4-20mA connectionsX X X X X

X X X X Xlog

icX

oXXCurrent

Hình 3.6 sơ dô ghép nối các thiết bị diều khiển mức theo luật tỷ ỉệ - tích phản - dạo hàm

- Ghép nối các thiết bị giống như ở trong sơ đồ hình 3 4

- Mở 100% van MV2, đóng MV3 và bật bơm Máy tính sẽ tự

động đặt điều kiện đầu cho 38- 300 Và chuyển 38- 300 sang chế độ tự động

- Bài thí nghiệm này lúc đầu được thực hiện theo luật điều

khiển PI, hằng số thời gian được chỉnh trên thanh điều khiển của màn hình

- Thời gian vi phân (Tj) được đưa vào nhờ một nút ở trên màn

hình, do vậy ta có thể so sánh đáp ứng của hệ thống giữa hai luật điều khiển

PI và PID

- Khi có thành phần tích phân đáp ứng của hệ thống được cải

thiện khi có thay đổi sai số nhanh, quá trình quá độ trình được hãm khi giá trị

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn b)ị(joc Tĩiiâh

c Kết quả bài thí nghiêm:

Các thông số của bài thí nghiệm:

III_1_2_7 Điều khiển lưu lượng theo luật tỷ lệ(P):

a. Lý thuyết:

- Bài thực hành này miêu tả một hệ thống điều khiển tỷ lệ

hoàn chỉnh, kiểm tra lưu lượng chảy qua đường ống và so sánh nó với lưulượng đặt để biến đổi vị trí của Servovan nhằm mục đích đạt được điểm đặt

- Cảm biến lưu lượng dạng xung tạo ra một dãy xung có tần số

Sinh íùân thưa tập ^ìlạuụễn b)((joc Cĩuâh

của 38- 300 bằng thanh điều khiển trên màn hình và quan sát đáp ứng của quátrình trên đồ thị

b. Cách làm- Sơ đồ ghép nối thiết bị:

- Ghép nối các thiết bị như ở trong sơ đồ hình 3.7

- Tất cả các thiết bị phải được hiệu chỉnh trước khi tiến hành bài thí

- Quan sát đáp ứng của bộ điều khiển khi áp dụng luật điềukhiển tỉ lệ và điều chỉnh giá trị đặt trên màn hình

- Quan sát các tham số sau khi quá trình hoạt động: dòng điện