Tài liệu Đồ án môn học :Tự Động hoá ppt

LỜI MỞ ĐẦU Như ta đã biết ngày nay,các nhà máy và xí nghiệp đều được trang bị các hệ thống điều khiển tự động ở mức độ cao các thiết bị tiên tiến.. Hệ thống điều khiển tự động đảm bảo ch

LỜI MỞ ĐẦU

Như ta đã biết ngày nay,các nhà máy và xí nghiệp đều được trang bị các hệ thống điều khiển tự động ở mức độ cao các thiết bị tiên tiến Hệ thống điều khiển tự động đảm bảo cho sự hoạt động của quy trình công nghệ đạt được kết quả mong muốn Cấu trúc các hệ thống điều chỉnh tự động các quá trình công nghệ rất đa dạng Nó có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng họat động của quy trình công

nghệ.Chính vì vậy mà em nhận ra rằng qua lần làm đồ án này em đã được nhận thấy thực tế về các hệ thống điều chỉnh trong công nghiệp.Và em biết cách thiết kế cấu trúc hệ thống ,sơ đồ khối cấu trúc

Để hoàn thành đồ án môn học này ngoài sự cồ gắng lỗ lực của bản thân em

còn nhận được sự giúp đỡ chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn.Đặc biệt em

xin chân thành cảm ơn thây Nguyễn Văn Hoà,thầy đã tân tình hướng dẫn em

trong suốt thời gian làm đồ án

Hà nội,ngày 26-2-2008

Sinh viên:

Lê Thị Huệ

MỤC LỤC

Phần I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TĐHQTSX 3

Phần II:XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG I.Xây dựng hàm truyền đạt từ hàm quá độ cho trước : 5

1.Xác định dạng hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh: 7

2.Xác định các thông số của hàm truyền đạt: ,,,,.7

II.Xây dựng sơ đồ khối cấu trúc: 12

2.1.Thiết bị đo: 12

2.1.1 Cảm biến đo: 13

2.1.2.Chuyển đổi đo :

2.2.Máy điều chỉnh: 17

2.3.Phần tử chấp hành: 20

III Xây dựng vùng ổn định của hệ thống : 20

IV Xác định thông số tối ưu của máy điều chỉnh ( σ% = 15%): 23

V Xâydựng sơ đồ nguyên lý cấu tạo của hệ thống điều chỉnh: 31

Sinh viên:Lê Thị Huệ - Lớp:ĐKTĐK7-CA 3

* Khái Niệm Tự Động Hóa :

Tự động hóa là quá trình sử dụng thiết bị để thay thế chức năng đo lường kiểm tra và điều khiển của con người trong hoạt động sản xuất

Mối quan hệ giữa : đo lường kiểm tra, điều khiển và chức năng công nghệ rất mật thiết với nhau, chúng tạo thành một mạch vòng khép kín

Chức năng công nghệ

Chức năng điều khiển Chức năng

đo lường kiểm tra

* Mục đích của Tự Động Hóa :

- Nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản

xuất.Mục đích cuối cùng là nâng cao hiệu quả kinh tế

- Giải phóng con người khỏi những điều kiện làm việc độc hại

* Các bước phát triển của TĐH

- Tự động hóa xuất hiện trên thế giới từ những năm 50 – 60 của thế kỷ XX

- Tự động hóa Việt Nam có năm 80 tại một số nhà máy xi măng

- Hiện nay TĐH có mặt ở rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống nhất là trong các nhà máy công nghiệp Các nhà máy và xí nghiệp này đều được trang bị hệ thống tự động hóa ở mức cao

Hệ Thống Tự Động Hoá QTCN

Hình 2 : Hệ thống tự động hoá quy trình công nghệ TSCN : Thông số công nghệ CCCH : Cơ cấu chấp hành TĐCN : Tác động công nghệ ĐCTĐ : Điều chỉnh tự động

CBĐ : Cảm biến đo TTĐK : Thuật toán điều khiển

CQĐK : Cơ quan điều khiển

- Tự động hoá chia ra làm 3 loại:

+ Hệ thống hở (OFF - LINE): là trung tâm tính toán điều khiển làm chức năng cố vấn cho người vận hành

+ Hệ thống kín (ON - LINE): điều khiển phân tán

+ Hệ IN - LINE: điều khiển tập trung

I.Xây dựng hàm truyền đạt từ hàm quá độ cho trước :

Ta đổi trục tọa độ cũ sang trục tọa độ mới có tâm là điểmτO

Cấu trúc của đối tượng:

Hàm truyền đạt của đối tượng:

Wd (P) =Kd W1 (P).e-τ o.P

W1(p) sẽ trễ hơn Wd(p) một khoảng là e− τ 0 Với τO là trễ vận chuyển

+ Trong đó: Kd là hệ số khuyếch đại + Kd

A

H(∞ )

= ( đơn vị là thứ nguyên đơn vị tín hiệu ra/đơn vị tín hiệuvào)

Từ τO kẻ đường h1(t) vuông góc với trục thời gian

Xác định hàm so chuẩn :

) (

) ( )

+ Từ σ(t)=0,7 song song với trục t cắt đường đặc tính tại điểm A

+Từ điểm A kẻ song song với trục σ (t) cắt trục t tại điểm t 7

+ Chia t 7 ra làm 3 phần bằng nhau rồi lấy điểm t 3

+Từ điểm t 3 kẻ song song với trục σ (t) cắt đường đặc tính tại điểm B

+Từ B kẻ song song với trục t cắt trục σ (t) tại σ (t3)

σ (t3

W1(P) e-τ o P

1

σ(t7)

Đồ thị đưa về dạng so chuẩn

Từ giá trị σ(t3) ta xác định được dạng của W1(p):

+ Nếu σ(t3) > 0,31 thì W1(p)

1

1 +

=

Tp

p

e− τ 1

+ Nếu 0,19 < σ(t3) < 0,31 thì W1(p)

) 1 )(

1 (

1

2

=

p T p T

+ Nếu σ(t3) < 0,19 thì W1(p)

) 1 )(

1 (

1

2

=

p T p T

p

e− τ 1

Trong đó e− τ 1p,τ1là trễ dung lượng

Qua đồ thị đưa về dạng so chẩn ta xác định được:

o Đối với trục h(t)Trên đồ thị ta thấy:

750 62 ,

0 =34.1911 s

⇒ σ (t3) =

) (

) (3

168

5 =0.20499

Ta nhận thấy σ (t3) nằm trong khoảng 0,19≤σ (t3) ≤0,31

Hàm truyền đạt W1 (P) là khâu quán tính bậc hai:

W1 (P) =

) 1 )(

1 (

1 T

t

e T T

T −

2 1

2 T

t

e T T

T −

Hàm quá độ: σ (t3) = 1 - 1

2 1

1 T

t

e T T

T −

2 1

2 T

t

e T T

T −

−

Lấy đạo hàm của σ ( )t ta có:

σ’(t) = 1 .( 1

2 1

T

t

e T T

−

t

e− ) Lấy đạo hàm bậc hai của ta thu được có :

1

1

1

2 2 1

1 1

e T

e T T T

Hình 1-2 Khâu quán tính bậc hai

Theo tính chất của đạo hàm bậc hai tại điểm uốn ta có :

1

1

1

2 2 1

1 1

e T

e T T

− = 1

1

t

e T

−

Vậy giá trị b sẽ là : b = 1- σ (tu) = 1

2

1

2 1

t u

e T

T T T

2 1

2 T

t u

e T T

2 1

t T

e e T

σ

b = T1 + T2 Xét tại điểm t=2tu :

c = 1- σ (2tu) = 1

2

2 1

t u

e T T

T −

2

2 1

t u

e T T

2

1 T

t u

e T

1

T T

T

2 2

2

1 T

t u

e T

2 T

t u

e T T

2 2 2 1

2

t u

e T

T T T

2 2 2 1

2 1

T T

T T T T

+

+ +

2

b

c - 0,75 =

( )2 2 1

2 2 2 1

2 1

T T

T T T T

2 2 1

) (

) (

25 , 0

T T

T T

+

−

) (

5 , 0

2 1

2 1

T T

T T

) (

5 , 0

2 1

2 1

T T

T T

+

−

+ 0,5 =

2 1

1

T T

c

=> T2= a – T1 .Từ đồ thị ta xác định được: a = 143.3822

45 0

755

1 1657 100 (

25 = 2,1008 (oC / %)

Hàm truyền đạt đối tượng có dạng sau:

W1 (P) = .

) 1 2614 43 )(

1 1657 100 (

1008 2

II.Xây dựng sơ đồ khối cấu trúc:

Thiết bị điều khển là thiết bị khí nén Yêu cầu của đối tượng điều khiển tín hiệu vào

ra của đối tượng điều khiển phải cùng thứ nguyên với thiết bị điều khiển

Đối tượng công nghệ:tác động công nghệ là dòng nguyên liệu.Muốn chuyển đối tượng công nghệ sang đối tượng điều khiển ta phải chọn thiết bị đo

2.1.Thiết bị đo:

2.1.1 Cảm biến đo:

Để theo dõi giám sát và điều khiển các quá trình trước hết cần phải biết được

các đại lượng đặc trưng cho quá trình đó.Phần tử thực hiện chức năng chuyển giá trị

đại lượng cần đo sang tín hiệu khác đưộc gọi là cảm biến đo.Nó là phần tử đầu tiên

quan trọng nhất trong hệ thống đo lường thu thập tín hiệu để điều khiển dựa trên

những hiện tượng xảy ra trong lòng nó

Đặc điểm cơ bản của cảm biến đo là mối liên hệ giữa tín hiệu ra Y của nó với

giá trị đại lượng cần đo Q Một đặc điểm của cảm biến đo mà ta quan tâm là độ nhạy

của cảm biến đo Độ nhạy của cảm biến đo là sự thay đổi giá trị tín hiệu của cảm biến

đo khi đại lượng cần đo thay đổi 1 đơn vị Độ nhạy của cảm biến đo thường được kí

hiệulà ε.Trong thực tế,cảm biến đo có độ nhạy lớn hơn sẽ ưu việt hơn cảm biến đo có

độ nhạy nhỏ hơn Độ nhạy của cảm biến đo càng lớn thì việc gia công số liệu tiếp

theo càng đơn giản

* Cảm biến đo:

Vì nhiệt độ cực đại của nguyên liệu là 200oC nên ta chọn cảm biến đo là nhiệt kế

điện trở Pt 100

Nhiệt kế điện trở là cảm biến dùng để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ của môi

trường đo sang tín hiệu điện trở của nhiệt kế điện trở, nhiệt kế điện trở có thể đo nhiệt

độ trong khoảng – 260oC÷750oC Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế điện trở dựa trên

sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn vào nhiệt độ của nó theo công thức:Rt = f(Ro , t)

Trong đó : Ro - là điện trở của nhiệt kế ở 0oC

Q

Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu chế tạo nhiệt kế điện trở là phải có hệ số nhiệt điện trở lớn , ổn định và phải có điện trở suất lớn Trong công nghiệp thường sử dụng hai loại nhiệt kế điện trở dây dẫn bằng đồng hoặc bạch kim.Ta sử dụng nhiệt kế điện trở bạch kim

Nhiệt kế điện trở bạch kim được chế tạo làm rất nhiều loại bằng nhiều phương pháp khác nhau Phụ thuộc vào phương pháp chế tạo mà giới hạn đo sẽ khác nhau Với loại có đường kính dây từ 0,05 ÷0,1 mm thì giới hạn đo cực đại có thể lên đến

750oC , nếu dùng dây có đường kính 0,5 mm thì có thể đo nhiệt độ tới 1100oC Nếu nhiệt độ thay đổi trong khoảng từ 0 ÷660oC thì mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của nhiệt kế điện trở bạch kim là một hàm bậc hai được mô tả theo biểu thức :

Rt = Ro.(1+3.94.10 – 3 .t – 5,8.10 – 7 .t2)

Ta sử dụng can nhiệt kế điện trở bạch kim có ký hiệu PT-100 có R0=100Ω

Theo bài ở 2000C, ta có:

Rt = 100.(1+3.94.10 – 3 .200 – 5,8.10 – 7 .2002) =176.48Ω

Độ chính xác của nhiệt kế điện trở phụ thuộc vào hai yếu tố: độ chính xác của

hệ số nhịêt điện trở và độ chính xác khi chế tạo.Trong thực tế ta có thể bỏ qua sai số

do hệ số nhiệt điện trở mà chỉ quan tâm đến sai số do chế tạo Khi chế tạo phân ra hai loại cấp chính xác: loại 1 có cấp chính xác 0.05 và loại 2 có cấp chính xác 0.1

2.1.2.Chuyển đổi đo : Chuyển đổi đo là thiết bị chuyển tín hiệu từ dạng này sang

dạng khác thuận tiện cho việc truyền tín hiệu hoặc xử lý tín hiệu Đặc tuyến của chuyển đổi đo là mối liên hệ giữa tín hiệu ra y của chuyển đổi đo và tín hiệu vào x của nó Đặc tuyến này luôn tuyến tính.Hệ thống chuyển đổi đo phải bảo đảm sao cho tín hiệu ra của chuyển đổi đo cuối cùng phải thích hợp với loại tín hiệu được sử dụng trong thiết bị điều khiển

Một thiết bị hoàn chỉnh bao gồm: một cảm biến đo CBĐ và một hoặc nhiều chuyển đổi đoCĐĐ được gọi là chuyển đổi đo lường sơ cấp Khi sử dụng một chuyển đổi đo

sơ cấp cũng cần phải biết được giới hạn tín hiệu đo ở đầu vào và giới hạn tín hiệu đầu

ra Đặc tuyến của chuyển đổi đo sơ cấp cũng mang tính tuyến tính như chuyển đổi đo

*Vì cảm biến đo là nhiệt kế điện trở nên ta sử dụng bộ chuyển đổi điện trở sang

điện áp Cấu tạo đơn giản nhất của bộ chuyển đổi này là sử dụng mạch cầu ba dây dẫn có sơ đồ nguyên lí sau :

Trong đó:Rt: nhiệt kế điện trở được nối với cầu bằng 3 dây dẫn để giảm ảnh hưởng của điện trở dây.Các điện trở R1, R2, R3:băng dây manganin Rd: điện trở dây dẫn

Ta chọn R3=R0(điện trở của nhịêt kế điện trở ở 00C và khi chế tạobảo đảm điều kiện: R1= R2 >> R3 = Ro )

Khi nhịêt độ môi trường đo bằng 00C thì cầu cân bằng Uab=0.Nhiệt độ môi

trường đo tăng lên Rt và bằng:

∆R= Rt - Ro =176.48-100=76.48Ω

Khi điện trở của Rtthay đổi thì dòng điện qua nó sẽ không thay đổi

Như vậy điện áp của chuyển đổi sẽ được tính theo công thức:

Uab=I.(R0+Rd+ ΔR)- I.(R3+Rd)

Uab=I.∆R=2*76.48*10^-3=0.15296 V.(chọn I=2 ÷3mA)

Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán KT được chọn sao cho đảmbảo giá trị điện áp ra cần thiết.Cụ thể điện áp chuẩn là 0 ÷10V ta có:

Kkđ = 65 376

15296 0

Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi như sau:Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây bị nam châm hút xuống,vòi phun 4 bị nắp đậy 3 đây lại do áp suất trong buồng A tăng lên làm van cầu 5 và áp suất trong buồng B cũng tăng lên.Áp suất ra của van xiphông 6 liên hệ nghịch tác động trở lại cánh tay đòn làm van mở ra sao cho mômen lực đẩy phản hồi của xiphông cân bằng với lực hút của nam châm Kết quả là

áp suất Pra tỉ lệ với dòng điện vào:

áp suất ra Pr =1at

Cấu trúc hệ thống đo:

0.2÷1at 0÷0.152mV

Ta có hệ số chuyển đổi đo lường sẽ là: 0 004

200

2 0

1− = (atm/0C)

2.2.Máy điều chỉnh:

Máy điều chỉnh là thiết bị được chế tạo để tạo ra các tác động điều chỉnh theo các

quy luật mong muốn Nhưng do được chế tạo thành thiết bị cụ thể và do yêu cầu của thực tế nên cấu trúc của máy điều chỉnh thực khác với quy luậ điều chỉnh mà nó thực hiện Máy điều chỉnh trong công nghiệp hiện nay có hai loại là máy điều chỉnh điện có năng lượng sử dụng là nguồn điện dân dụng và loại thứ hai là máy điều chỉnh khí nén với nguồn năng lượng là không khí khô và sạch được nén ở áp suất cao

Ta dùng máy điều chỉnh khí nén tác động theo quy luật PI có sơ đồ:

Trong đó:I:khối so sánh đầu vào

II:khâu quán tính bậc nhất Rt-V

Pn

VIII

Pv

III:khối lặp

IV:bộ cộng van mạch thuận

V:bộ cộng van mạch hồi tiếp

VI: khối so sánh đầu ra

VII:mạch ổn dòng q=const

VIII:khuyếch đại công suất

P0: tín hiệu chủ đạo, Pt:tín hiệu đại lượng cần điều chỉnh ,Pr:tín hiệu ra,Pi:tín hiệu tích phân

Mạch khuếch đại công súât :có V là van cầu ,1 và 2 là 2 mỏ phun

Khi PV > Pr thì mỏ phun 2 mở Pr tăng ,còn khi PV < Pr thì mỏ phun 2 mở Pr giảm

T = t

e P P dt

dP

T i = 1− i = với e

T dt

R K

+

R R

R K

+

=

2

R K

+

=

0

0 1

' và

N

N

R R

R K

P

K'1 R = ( 1 − 2' ) i + 1 K'1P R =K1'P i +K1 suy ra 0

1

1 1

K P e K

e K

K P P

+ Khi K ≤ 1: RT mở hoàn toàn(RN = 0)suy ra K1' = 1K =K1

T e K U edt K e K U

= +

∫ +

là hằng số thời gian tích phân

Hàm truyền đạt của quy luật PI: ( ) ⎟⎟

=

p T K

p W

i m

Ưu điểm của quy luật tỷ lệ tích phân (PI) là tác động nhanh do có thành phần tỷ

lệ và có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh do có thành phần tích phân Nếu ta chọn được tham số Km và Ti thích hợp thì quy luật điều chỉnh PI có thể được áp dụng cho phần lớn các đối tượng trong công nghiệp

Nhược điểm của quy luật PI là tốc độ tác động nhỏ hơn quy luật tỷ lệ (P) vì vậy

nếu đối tượng yêu cầu tốc độ tác động nhanh do nhiễu thay đổi liên tục thì quy luật PI

không đáp ứng được yêu cầu

2.3.Phần tử chấp hành:

Khối chấp hành là phần tử cuối cùng trong thiết bị điều chỉnh Chức năng của nó

là vận chuyển tín hiệu điều khiển thành tác động công nghệ để tác động trực tiếp lên

đối tượng điều chỉnh

Cơ cấu chấp hành có tác dụng chuyển đổi tín hiệu từ bộ điều chỉnh PI(0.2÷1atm)

thành độ mở van (0÷100%).Ta sử dụng van màng, ta tính được hệ số khuyếch đại Kc

của cơ cấu chấp hành:

Kc=

2 0 1

100

− =125 (%/atm) ⇒Hệ số khuếch đại là : k= kc.kdl.kd = 125.0,004.2.1008 = 1.0504 lần

Sơ đồ khối cấu trúc của đối tượng điều khiển được mô tả như sau:

Từ sơ đồ khối cấu trúc ta nhận được hàm truyền đạt của đối tượng điều khiển là: ( ) e p

p p

2 dk

1 42 143 308 4333

0504 1

+

=

Thiết bị điều khiển sử dụng quy luật tỷ lệ tích phân Như vậy ta xây dựng được

sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở được mô trên hình

sau:

1 42 143 308

4333

1008 2 2

19 34

+ +

−

p p

0.004

125

0.2÷1at 0÷2000C

0÷100%

0.2÷1at

Y

X

_

Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống điều chỉnh nhiệt độ

III Xây dựng vùng ổn định của hệ thống :

* Phương trình đặc tính của hệ thống kín:hệ thống kín ở biên giới ổn định thì phương trình đặc tính có nghiệm p=j.ω.Ta thay p vào trong phương trình đặc tính thì

ta tìm được điều kiện để hệ thống ở biên giới ổn định

1 (

.

2 1

0 + +

−

p T p T

1 (

) (

2 1

1 0

+ +

p T p T p

e K C p

W

e k C p C p p T p T

e K C p

−

−

+ +

+ +

+

).

( ).

1 )(

1 (

) (

1 0 2

1

1 0

τ

Phương trình đặc tính của hệ thống kín:

p.(T1p+1).(T2p+1) + (C0p+C1)k.e-τop = 0

T1T2p3 + (T1+T2)p2 + p + (Cop+C1)ke-τ op = 0 (* * )Đặt: ao = T1T2

a1 = T1 + T2

Thay: p = jω ; e-jωτ o = cosωτo - j.sinωτo

Ta được: (**) => -jaoω3 – a1ω2 + jω + (Cojω + C1)k(cosωτo - j.sinωτo)