Đồ án môn Tự động hoá
Đồ án môn học
Tự Động hoá
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
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
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 1
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
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
Phần I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TĐHQTSX
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 2
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
* 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
TĐCN
TSCN
CQ§
TBC
-
CB§
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 3
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
CCC
CT§
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Hình 2 : Hệ thống tự động hoá quy trình công nghệ
TSCN : Thông số công nghệ.
CCCH : Cơ cấu chấp hành
ĐCTĐ : Điều chỉnh tự động
TTĐK : Thuật toán điều khiển
TĐCN : Tác động công nghệ.
CBĐ : Cảm biến đo.
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.
Phần 2:Xây Dựng Hệ Thống Điều Chỉnh Tự Động
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 4
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
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 điểm
Cấu trúc của đối tượng:
τ
.
O
1(t)
h1(t)
h(t)
W1(P)
e-τ o. P
Hàm truyền đạt của đối tượng:
W
d (P) =Kd. W1 (P).e-τ o.P
e−τ
0
τ
W1(p) sẽ trễ hơn Wd(p) một khoảng là
.Với
là trễ vận chuyển.
O
+ Trong đó: Kd là hệ số khuyếch đại.
H(∞)
Kd =
( đơn vị là thứ nguyên đơn vị tín hiệu ra/đơn vị tín hiệuvào).
+
A
τ
Từ
kẻ đường h1(t) vuông góc với trục thời gian.
O
H1(t)
Xác định hàm so chuẩn : σ (t) =
.
H(∞)
+ 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
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 5
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
1
σ
(t7)
Đồ thị đưa về dạng so chuẩn
Từ giá trị σ (t3 ) ta xác định được dạng của W1(p):
1
e−τ p
1
+ Nếu
σ (t3 ) > 0,31
thì W1(p) =
thì W1(p) =
thì W1(p) =
Tp +1
1
+ Nếu 0,19 < σ (t3 ) < 0,31
(T1 p +1)(T2 p +1)
1
1 p
e−τ
+ Nếu
σ (t3 ) < 0,19
(T1 p +1)(T2 p +1)
e−τ
p ,τ1 là trễ dung lượng.
1
Trong đó
1.Xác định dạng hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh:
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 6
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Qua đồ thị đưa về dạng so chẩn ta xác định được:
o Đối với trục h(t)Trên đồ thị ta thấy:
11.9cm ứng với 300C
H(∞) ứng với10 cm ứng với: 25.210C
H1(t3) ứng với 2,05cm.2,521=5.1680C
o Đối với trục thời gian t: trên đồ thị ta thấy:
13.6 ứng với 750s
t7 =2.8 cm ứng với 154.417s
⇒ t3 = 0.93 cm ứng với 51.47(s).
0,62.750
13.6
τ0 =0,62 cm ứng với:
=34.1911 s.
H1(t3) 5.168
⇒
σ (t3) =
=
=0.20499
H(∞) 25.21
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:
1
W1 (P)
=
(T1.P +1)(T2 .P +1)
2.Xác định các thông số của hàm truyền đạt:
Ta xác định điẻm uốn tu.
Hàm quá độ:
t
t
−
−
T1
T2
T
T2
1
h(t) = K.[1 -
e +
e ]
T1 −T2
T1 −T2
t
t
−
−
T1
T1 −T2
T2
T
T2
1
Hàm quá độ:
σ (t3) = 1 -
e +
e
T1 −T2
Lấy đạo hàm của σ (t) ta có:
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 7
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
t
t
−
−
1
T1
T2
σ ’(t) =
.(e +e
)
T −T2
1
Lấy đạo hàm bậc hai của ta thu được có :
1
1
⎛
−
−
⎞
⎟
1
1
1
T2
T1
⎜
σ ’’(t) =
e
−
e
⎜
⎟
⎠
T −T2 T2
T
1
1
⎝
Hình 1-2 Khâu quán tính bậc hai .
Theo tính chất của đạo hàm bậc hai tại điểm uốn ta có :
1
1
⎛
−
−
⎞
⎟
1
1
1
T2
T1
⎜
σ ’’(tu) = 0
e
−
e
=0
⇒
⎜
⎟
⎠
T −T2 T2
T
1
1
⎝
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 8
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
t
t
−
−
1
1
T2
T
1
Suy ra :
e
=
e
T2
T1
tu
tu
−
−
T2
T
T1
T1
T2
1
Vậy giá trị b sẽ là : b = 1- σ (tu) =
.
e
-
e
T −T2 T2
T1 −T2
1
tu
−
1
T2
=(T1+T2)
e
T2
:Giá trị của đạo hàm tại điểm uốn :
tu
T
tu
tu
⎛
⎜
−
−
⎞
−
T2
1
σ ’(tu) =
T1 −T2
T2
1
1
⎟
e
− e
=
.e
⎜
⎝
⎟
⎠
T2
b
Như vậy sẽ xác định đuựơc a : a =
Xét tại điểm t=2tu :
= T1 + T2
σ '(tu)
2tu
2tu
−
−
T1
T2
T
T
1
1
c
= 1- σ (2tu) =
e
-
e
T1 −T2
T1 −T2
2tu
2
2tu
−
Mà :
e
=
e−
(*)
⎛
⎞
T
T1
1
T 2
⎜
⎜
⎟
⎟
T2
⎝
⎠
2
tu
−
2tu
T 2
⎛
⎞
T2
T
T
T2
1
1
⎜
⎟
⎟
Như vậy :
c
=
.
e−
-
e
⎜
T −T2 T2
T1 −T2
1
⎝
⎠
2tu
T 2
T 2 + TT2 + T22
.e−
1
1
T22
= > c
=
T12 + T1T2 + T22
c
b2
Tính được :
=
2
(
T1 + T2
)
T12 + T1T2 + T22
c
- 0,75
- 0,75
=
- 0,75
b2
2
(
T1 + T2
)
0,25(T1 −T2 )2
(T1 + T2 )2
c
b2
=
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 9
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
0,5(T1 −T2 )
(T1 + T2 )
c
b2
- 0,75 =
0,5(T1 −T2 )
(T1 + T2 )
T1
c
b2
- 0,75 + 0,5 =
+ 0,5 =
T1 + T2
T1
c
b2
- 0,75 + 0,5 =
a
⎛
⎞
c
b2
⎜
⎜
⎝
⎟
=> T1
=
− 0,75 + 0,5 .a
⎟
⎠
=> T2= a – T1
.Từ đồ thị ta xác định được: a = 143.3822
b = 0.755
c = 0.45
⎡
⎢
⎢
⎣
⎤
⎛
⎞
0.45
⎜
⎟
⎥
Thay vào ta có:
T1=143.3822.
− 0.75 + 0.5 =100.1657
⎜⎝ 0.755 2 ⎟
⎥
⎦
⎠
.
T2
= 143.3822-100.1657=43,2614
Hàm truyền đạt W1 (P) là :
1
W1 (P)
KDT
=
=
.
(100.1657P +1)(43.2614P +1)
h
(∞) − h
25.21
12
(0)
Hệ số khuyếch đại:
=
= 2,1008 (oC / %)
A
Hàm truyền đạt đối tượng có dạng sau:
2.1008
(100.1657P + 1)(43.2614P + 1)
e −34 .19 p
W1 (P)
=
.
Mô phỏng trên sơ đồ simulink ta có đường đặc tính sau :
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 10
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
II.Xây dựng sơ đồ khối cấu trúc:
u
y
x
e
ĐTĐK
TBĐK
-
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.
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 11
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
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.
Q
Y
CBĐ
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.
Rt - là điện trở của nhiệt kế ở toC.
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 12
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
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.
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 13
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
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:
Rt=Ro +Δ R
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 14
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
∆R= Rt - Ro =176.48-100=76.48Ω
Khi điện trở của Rt thay 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:
10
Kkđ =
= 65.376 lần
0.15296
*Tiếp theo ta dùng bộ chuyển đổi U/I:
α
R
Ta có R.I=α.U = > I= .U=k.U
*Từ bộ khuếch đại U/ I trên ta được tín hiệu ra là dòng điện. Để tín hiệu ra là áp
suất ta dùng bộ chuyển đổi I/P.Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi được mô tả như
sau: Trong đó: 2: là nam châm vĩnh cửu ; 3: là nắp đậy , 4: là vòi phun ; 5:là van
cầu : 6:là van xiphông .
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 15
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
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:
K
K1.PR= K2.I =>PR= 2 .I =K.I
K1
Áp suất khí nén ra được thay đổi trong khoảng 0.241Kg/cm2 tại thời điểm ban
đầu điều chỉnh vít 5 sao cho áp suất ra Pr =0.2 với dòng điện tương ứng là 4mA đây là
giới hạn dưới .Giới hạn trên được điều chỉnh bởi R sao cho dòng điện bằng 20mA thì
áp suất ra Pr =1at.
Cấu trúc hệ thống đo:
0÷2000C
0÷0.152mV
R/U
4÷20mA
0÷10V
-
0.2÷1at
I/P
K
CBĐ
U/I
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 16
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
1− 0.2
200
Ta có hệ số chuyển đổi đo lường sẽ là:
2.2.Máy điều chỉnh:
= 0.004 (atm/0C).
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:
VIII
Pv
Pn
Trong đó:I:khối so sánh đầu vào.
II:khâu quán tính bậc nhất Rt-V.
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 17
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
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
,
*) Trạng thái cân bằng: P0 = Pt
Phương trình cân bằng khối I:
Pi – Pt + P0 – P1 = 0.
P1 = Pi
PI = Pi
Phương trình cân bằng khối VI:
0
PII = PI = Pi
PR = Pi = PR
0
e = P0 – Pt = 0 và PR = PR = const.
*) Trạng thái quá độ: P0 # Pt
Phương trình cân bằng khối I: P − P + P − P = 0
i
t
0
1
Suy ra: P − P = P − P = e
1
i
0
1
dP
RtV
i
Phương trình vi phân của mạch Rt – V:T
+ P = P với T =
i
1
dt
Rθ
dP
dP
1
1
P = ∫edt + P0
i
i
T
= P − P = e với
=
e
1
i
i
i
dt
dt
T
T
Phương trình cân bằng khối IV: PI = PII
R0
RT
R0 + RT
P = K1P + K2P
với K1 =
và K2 =
I
1
i
R0 + RT
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 18
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
P − P + P = P + e = P
i
t
0
i
1
Suy ra: P = K1P + K1e + K2P = P
K1 + K2 + K1e
)
I
i
i
i
R0
R0 + RN
RN
K2 '=
P = P + K1e và P = K1'P + K'2 P với K'1 =
và
I
i1
II
R
i
R0 + RN
Do đó: P + K1e = K'1 P + K2P
i
R
i
K1
K1
1
K'1 P = (1− K2 ')P + K1e
K'1 P = K1'P + K1 suy ra P =
e + P =
e + ∫edt + P0
R
i
R
i
R
i
i
K1'
K'1
T
P0 = P 0
i
R
K1
1
1
K1
Vậy ta có: U = P − P 0 =
e + ∫edt = Ke + ∫edt với K =
R
R
K'1
T
T
K1'
Hiệu chỉnh K:
1
+ Khi K ≥1: RT mở hoàn toàn(RT = 0)suy ra KT =1 KT =
+ Khi K ≤1: RT mở hoàn toàn(RN = 0)suy ra K1'=1 K = K1
K1'
⎛
⎞
1
⎜
⎟
Tín hiệu điều khiển: U = K1e + K2 ∫edt +U0 = Km e + ∫edt +U0
⎜
⎝
⎟
⎠
Ti
Trong đó: Km = K1 là hệ số khuyếch đại của PI.
K1
Ti =
là hằng số thời gian tích phân.
K2
C1
P
⎛
⎞
1
⎜
⎟
⎟
Hàm truyền đạt của quy luật PI:
W
(
p
)
= Km 1+
=C0+
⎜
⎝
Ti p
⎠
km
=k
=
Trong đó:C0
;C1
m
Ti
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.
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 19
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
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:
100
Kc=
=125 (%/atm)
1− 0.2
⇒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:
0÷100%
0÷2000C
0.004
0.2÷1at
0.2÷1at
2.1008.e−34.19. p
125
4333.308p 2 +143.42p +1
Từ sơ đồ khối cấu trúc ta nhận được hàm truyền đạt của đối tượng điều khiển là:
1.0504
4333.308.p2143.42.p +1
Wdk
(
p
)
=
e−34.19. p
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:
Y
X
1.0504.e−34.19. p
4333.308p 2 +143.42p +1
⎛
⎞
1
e
⎜
⎟
⎟
Km 1+
⎜
⎝
Ti .p
⎠
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 20
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
_
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
Cop + C1
=k
m.
.(1+ Tip ) =
p
Wm(p)
km
=k
=
Trong đó:C0
;C1
m
Ti
Đối tượng có hàm truyền đạt dạng:
0 p
K .e−τ
WDk(p)
=
(T p +1)(T2 p +1)
1
Hàm truyền đạt của hệ thống hở:
h (p) = Wm (p). WDK (p)
o p
(C0 p + C1)K.e−τ
W
=
p(T p +1)(T2 p +1)
1
Hàm truyền đạt của hệ thống kín:
o p
(C0 p + C1)K.e−τ
Wh (P)
WK (P)
=
=
1+ Wh (P)
(T p +1)(T2 p +1).p + (C0 p + C1).k.e− p
1
Phương trình đặc tính của hệ thống kín:
p.(T1p+1).(T2p+1) + (C0p+C1)k.e-τ op = 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(cosωτ - j.sinωτ )
o
o
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 21
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Ta có:
=> -a1ω2 + kCoωsinωτ + kC1cosωτ
=0=R(ω)
o
o
ω – aoω3 + kCoωcosωτ - kC1sinωτ = 0=I(ω)
o
o
=> kCoωsinωτ + kC1cosωτ = a1ω2
o
o
kCoω.cosωτ - kC1sinωτ = aoω3 -ω
o
o
Giải hệ phương trình với nghiệm Co , C1:
- k2ωsin2ωτo - k2ωcos2ωτo = - k2ω
Δ =
Δ Co = - a1ω2ksinωτ - (aoω3-ω)kcosωτ
o
o
Δ C1 =
(aoω4 – ω2)ksinωτ - a1ω3kcosωτ
o
o
a1ω sinτoω − (1− aoω2 ) cosτoω
ΔCo
Δ
Co =
=
=
k
(ω − aoω3)sinωτo − a1ω2 cosωτo
ΔC1
Δ
C1 =
k
Thay các giá trị của: ao , a1 , τo , k vào Co , C1
Viết chương trình chạy trên Matlab :
Mô phỏng trên Matlap để phân vùng ổn định:
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 22
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
C1
Vùng ổn định
C0
Nhận xét: Qua đồ thi (C0 ,C1) ta thấy vùng gạch sọc chính là vùng có khả năng ổn
định nhất của hệ thống .
IV. Xác định thông số tối ưu của máy điều chỉnh ( σ% = 15%):
Khảo sát chất lượng của quá trình điều chỉnh bằng mô phỏng với 5 điểm lân cận tối
ưu.
Để xác định các thông số của bộ điều khiển ta sử dụng phương pháp phân miền
nghiệm số của phương trình đặc tính với tiêu chuẩn chất lượng là mức độ dao động m
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 23
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
của hệ thống. Mối liên hệ giữa mức độ dao động m và độ quá điều khiển σ% theo
công thức: σ% =100.emπ
Ta biết được độ quá điều khiển σ% thì dễ dàng xác định được mức độ dao động của
hệ thống theo công thức:
1
100
1
= ln
π
100
15ο
m = ln
= 0.604
π
σ ο
ο
ο
Nhiệm vụ ở đây là xác định thông số của bộ điều khiển sao cho tất cả các nghiệm của
phương trình đặc tính phân bố trong góc ± ϕ với giá trị m = cotgϕ :Ta có: m = 0.604
⇒ cotgϕ = 0.604
⇔ ϕ = 58.520
⇒ Các nghiệm số của phương trình đặc tính đều được phân bố trong góc ± 58.520.
Như vậy cần xác định được đường đẳng trị m trong hệ toạ độ các thông số của bộ
điều khiển. Tất cả các nghiệm nằm trên đường thẳng m đều được mô tả bằng một
công thức chung là p = ω(−m + j) . Nghĩa là để xác định đường đẳng trị m chỉ cần thay
p = ω(−m + j) vào trong phương trình đặc tính và cho ω chạy từ 0 đến ∞.
Đối tượng điều khiển ta xét do không cần tác động nhanh, nên ta chọn bộ điềukhiển
là bộ tỉ lệ tích phân(PI).
Sơ đồ hệ thống được mô tả như hình vẽ sau:
Phương trình đặc tính : (ở câu 3 (* *))
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 24
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
T1T2p3 + (T1+T2)p2 + p + (Cop+C1)ke-τ op = 0
Để xác định các thông số của bộ điều khiển ta thay : p =ω (-m + j)và
e-τ ω(- m+j) = eτ mω(cosωτo - j.sinωτo )
o
o
vào phương trình đặc tính trên :
⇒aoω3(-m+j)3+a1ω2(-m +j)2 +ω (-m +j)+[Coω (-m + j)+C1].k.e-ω (-m + j ).τ = 0
o
⇒-aoω3m3 + 3aoω3m2j + 3aoω3m – aoω3j + a1ω2m2 – 2a1ω2mj – a1ω2 – ωm + jω +
-ω (-m + j ).τo
Coω(-m + j).k.e-ω (-m + j ).τ . + C1 k e
. = 0
o
⇒-aoω3m3 + 3aoω3m2j + 3aoω3m - aoω3j + a1ω2m2- 2a1ω2mj - a1ω2 -ωm + jω-m.
Coω.k.eτ mω(cosωτ - j.sinωτ )+j.Coω.k.eτ mω(cosωτo - j.sinωτo )+
o
o
o
o
C1 k. eτ mω(cosωτo - j.sinωτo )=0
o
Điều kiện để một số phức bằng 0 là cả phần thực và phần ảo cùng đồng thời bằng 0.
Do đó ta nhận được hệ phương trình:
Phần thực:
− a0ω 3 m 3 + 3a0ω 3 m + a1ω 2 m 2 − a1ω 2 − ωm + C0ω.k.eτ 0 mω (sin τ 0ω − m.cos τ 0ω)
0 mω
+ C1keτ
cos τ 0ω = 0
Phần ảo:
3a0ω3m2 − a0ω3 − 2a1ω2 m + ω + C0 kω.eτ mω (cosτ0ω + msinτ 0ω) −
0
C1keτ mω sinτ0ω = 0
0
C0ωkeτ mω (sin τ 0ω − m cosτ 0ω) + C1keτ mω cosτ 0ω = a0ω 3m3 − 3a0ω 3m − a1ω 2 m2 + a1ω 2 + ωm
0
0
C0 kω.eτ mω (cosτ0ω + msinτ0ω) − C1keτ mω sinτ0ω = a0ω3 − 3a0 ω3m2 + 2a1ω2 .m −ω
0
0
A = a0ω 3 m3 − 3a0ω 3 m − a1ω 2 m 2 + a1ω 2 + ωm
Đặt:
B = a0ω3 − 3a0 ω3m2 + 2a1ω2 .m − ω
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 25
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
C0ω.k.eτ mω (sin τ 0ω − m.cosτ 0ω) + C1keτ mω cosτ 0ω = A
0
0
C0 kω.eτ mω (cosτ0ω + msinτ0ω) − C1keτ mω sinτ0ω = B
0
0
Giải hệ phương trình trên với nghiệm C0 và C1 ta có:
2
Δ= −ω
(
k.emωτ
)
ΔC0=
− k.emωτ
Asinωτ + Bcosωτ
]
ΔC1=k.emωτ ω.
[
(
sinτ0ω − m.cosτ0ω
)
.B −
cosτ 0ω + m.sinτ 0ω
)
A
]
Từ đó, ta nhận được:
ΔC0 [A.sin ωτ0 + B cosτ0ω]
Δ
C0=
C1=
=
k.ω.emωτ
[
(
cosτ0ω + m.sinτ0ω
)
A −
sinτ0ω − m.cosτ0ω
)
.B]
Δ
Δ
C1
=
k.emωτ
Thay giá trị k , m , ao , a1 , τo ,A,B vào Co , C1.
Mô phỏng trên Matlap ta được:
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 26
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Vùng ổn định
Nhận xét: Qua đồ thi (C0 ,C1) ta thấy vùng gạch sọc chính là vùng có khả năng ổn
định nhất của hệ thống .
Ta khảo sát chất lượng mô phỏng với 5 điểm:A,B,C,D,E.
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 27
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Từ sơ đồ cấu trúc của cả hệ thống ta xây dựng được mô hình Simulink:
*Xét tại điểm A có ( C0 =0.6745 ; C1= 0.0125):
Kết quả mô phỏng:
Ymax
Y∞
tqđ
T ừ đ ồ th ị ta x ác đ ịnh đ ư ợc: e2dt → min= 133.5
∫
Ym· −Yül
1.472 −1
Độ quá điều chỉnh : σ % =
Thời gian quá độ
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
*100 =
*100 = 47.24% .
Yül
1
tqd =947.45 (sec).
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 28
Đồ án môn học :Tự Động hoá.
-
GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
*Xét tại điểm B có ( C0 =0.80032 ; C1= 0.0137):
Kết quả mô phỏng:
Ymax
Y∞
tqđ
Từ đồ thị ta xác định được: e2dt → min= 130
∫
Ym· −Yül
1.5209 −1
Độ quá điều chỉnh : σ % =
Thời gian quá độ
*100 =
*100 = 52.09%
Yül
1
tqd =895.12 (sec).
*Xét tại điểm C có ( C0 =0.9842 ; C1= 0.0138):
Kết quả mô phỏng:
Sinh viên:Lê Thị Huệ.
-
Lớp:ĐKTĐK7-CA. 29
Tải về để xem bản đầy đủ
34 trang
10/08/2024
510
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Đồ án môn Tự động hoá", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- do_an_mon_tu_dong_hoa.pdf
