Đề tài Điều khiển học

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN I_1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN: Trong mọi hoạt động của con người ở bất cứ lĩnh vực nào, bất cứ vị trí nào đều liên quan đến hai từ điều khiển. Trong khoa học tồn tại một ngành khoa 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 lí tín hiệu và điều khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học công nghệ, môi trường thiên nhiên v.v.. Điều khiển học kĩ thuật là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lí tín hiệu và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kĩ thuật. Cơ sở lí thuyết của điều khiển học kĩ thuật là lí thuyết điều khiển tự động. Cơ sở lí thuyết điều khiển tự động là phần lí thuyết cơ bản của lí thuyết điều khiển tự động. Khái niệm điều khiển được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó. Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con 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 tập hợp tất cả các tác động nhằm giữ cho một tham số nào đó của quá trình ổn định hay thay đổi theo một qui luật nàp đó. Tham số này gọi là tham số cần điều chỉnh. Cơ sở lí thuyết điều khiển tự động chỉ nghiên cứu các quá trình trong hệ thống điều chỉnh tự động. Một hệ thống điều chỉnh tự động bao gồm hai thành phần cơ bản là đối tượng điều chỉnh(ĐTĐC) và thiết bị điều chỉnh(TBĐC). ĐTĐC kà thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh và nhiệm vụ cơ bản của đìều chỉnh là phải tác động lên đầu vào của ĐTĐC sao cho đại lượng cần 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 đôí tượng. Giá trị này được gọi là tác động điều chỉnh. Đại lượng cần điều chỉnh còn gọi là đại lượng ra của hệ thống điều chỉnh tự động. Những tác động từ bên ngoài lên hệ thống được gọi là tác động nhiễu. Phương pháp để TBĐC tạo ra tín hiệu điều chỉnh gọi là phương thức điều chỉnh (điều khiển). Có ba phương thức điều chỉnh là : phương thức điều chỉnh theo chương trình, phương thức bù nhiễu và phương thức điều chỉnh theo sai lệch. Trong phương thức điều chỉnh theo chương trình, tín hiệu điều chỉnh được phát ra do một chương trình định sẵn trong TBĐC. Với phương thức bù nhiễu, tín hiệu điều chỉnh được hình thành khi xuất hiện nhiễu loạn tác động lên hệ thống. Tín hiệu điều chỉnh phát ra nhằm bù lại sự tác động của nhiễu loạn để giữ cho giá trị của đại lượng cần điều chỉnh không đổi. Vì vậy hệ thống 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 mong muốn và giá trị đo được của đại lượng cần điều chỉnh. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tự động tác động theo phương thức sai lệch được mô tả trên hình 1 - 1 : Z TBCĐ TBSS KCN CCCH TBCN TBĐ Hình 1 -1 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tự động Trong đó : TBCĐ- Thiết bị đặt giá trị chủ đạo x, là gía trị mong muốn của đại lượng cần điều chỉnh. TBSS- Thiết bị so sánh giá trị chủ đạo x và giá trị đo được y của đại lượng cần điều chỉnh để xác định giá trị sai lệch e = x- y. Giá trị x còn được gọi là giá trị nhiễu đặt trước. KCN- Khối chức năng nhằm tạo ra tín hiệu điều chỉnh U theo giá trị sai lệch 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. Hệ thống điều chỉnh tự động có thể mô tả bằng hai thành phần chính là ĐTĐC và TBĐC. Khi khảo sát hệ thống chung ta chỉ khảo sát cho một nhiễu cụ thể còn các nhiễu khác tính bằng không. Hình 1- 2 mô tả hệ thống điều chỉnh tự động những tác động cho những tác động nhiễu khác nhau. Hình 1- 2a mô tả hệ thống điều chỉnh chịu tác động của nhiễu đặt trước x còn hình 1- 2b mô tả nhiễu phụ tải z. x TBĐC ĐTĐC y a ĐTĐC TBĐC Hình 1- 2 : Mô tả hệ thống điều chỉnh tự động với tác động nhiễu khác nhau a - Nhiễu mặt trước ; b – Nhiễu phụ tải Hệ thống điều chỉnh tự động luôn luôn tồn tại ở một trong hai trạng thái : 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 đạt được giá trị không đôỉ. Trạng thái quá độ là trạng thái kể từ thời điểm có tác động nhiễu cho đến khi hệ thống đạt được trạng thái xác lập mới. Lí thuyết điều khiển tự động tập trung cơ 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 tín hiệu 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 , còn hệ thống được gọi là hệ thống có sai lệch dư. Nếu =0 thì hệ thống được gọi là hệ thống không có sai lệch dư. I- 2. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG: Có rất nhiều cách phân loại hệ thống điều chỉnh tự động. Mục đích của phần này không phải đi sâu các cách phân loại hệ thống điều chỉnh tự động mà chỉ đi sâu một cách phân loại nhằm giúp bạn đọc thấy được vị trí giới hạn phần lý thuyết mà mình nghiên cứu. Với mục đích đó hệ thống đièu chỉnh tự động được phân làm hai loại chính phụ thuộc vào tính chất của các phần tử thuộc 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 phương pháp khác nhau. Ở đây ta nghiên cứu các loại hệ thống ĐKTĐ điển hình và hiện có sau đây: Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính. Hệ thống phi tuyến tính. Hệ thống liên tục: Các tín hiệu tác động trong hệ thốnglà các hàm liên tục theo thời gian. Hệ thống rời rạc hay hệ thống xung – số(Hệ thống gián đoạn): Trong đó chỉ cần có một tín hiệu là hàm rời rạc theo thời gian. Hệ thống tiền định: Là hệ thống trong đó tất cả các tín hiệu truyền đạt là các hàm theo thời gian đã được xác định( không có tín hiệu ngẫu nhiên). Hệ thống ngẫu nhiên: Là hệ thống trong đó chỉ cần có một tín hiệu là một hàm ngẫu nhiên. Hệ thống tối ưu: Là một hệ thống điều khiển phức tạp, trong đó thiết bị điều khiển có chức năng tổng hợp được một tín hiệu điều khiển u(t) tác động nhằm chuyển trạng thái ĐKTĐ từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối với khoảng thời gian ngắn nhất. Hệ thống thích nghi( hay còn gọi là hệ thống tự điều chỉnh): Là hệ thống có khả năng thích ứng một cách tự động những biến đổi của điều kiện môi trường và đặc tính của đối tượng điều khiển bằng cách thay đổi tham số và cấu trúc sơ đồ cuae thiết bị điều khiển. Nếu tất cả các phần tử của hệ thống đều là tuyến tính thì hệ thống được gọi là hệ phi tuyến tính. Đặc trưng cơ bản nhất của các phần tử tuyến tính là chịu tác động của nguyên lý xếp chồng. Nghĩa là khi có một tổ hợp tión hiệu tác động ở đâud vào của phần tử thì tín hiệu sẽ ra bằng tổ hợp tương ứng của các tín hiệu ra thành phần.Hệ thống phi tuyến tính khồn chịu tác động của nguyên lý này. 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 đi trong hệ thống liên tục ở tất cả các mắt xích thì hệ thống được gọi là hệ thống tuyến tính liên tục. Nếu tại một mắt xích nào đó thông tin bị gián đoạn thì hệ thống được gọi là hệ thống tuyến tính gián đoạn. Hình 1 – 3 chỉ ra sự phân loại của hệ thống điều chỉnhtự động tuyến tính liên tục (HTTTLT): HTTTLT HTTT HTTN HTH HTK HCT HTC HTƯ HBN HCTr HOD HTD HTHH Hình 1-3: Sơ đồ phân loại hệ thống điều chỉnh tự động tuyến tính liên tục Dựa vào lượng thông tin thu thập được ban đầu về ĐTDC và tính chất của nó mà phải xây dựng được hệ thống TBĐC thích hợp bảo đảm được chất lượng của điều chỉnh. Từ đấy HTTTLT được phân thành hai loại là hệ thống điều chỉnh thông thường HTTT và hệ thống điều chỉnh tự thích nghi HTTN. HTTT được xây dựng cho những đối tượng mà các thông tin ban đầu về chúng phải đầy đủ. Trong hệ thống này cấu trúc và tham số của TBĐC là không đổi đối với ĐTĐC cụ thể. Đối với những ĐTĐC mà các thông tin ban đầu không đầy đủ hay quá trình công nghệ có yêu cầu đặc biệt thì HTTT khồn đáp ứng được. Vì vậy phải xây dựng HTTN. Đối với HTTN ngoài cấu trúc thông thường ra trong TBĐC còn có một số thiết bị đặc biệt khác thực hiện chức 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 hở HTH và hệ thống điều chỉnh kín HTK. Đối với hệ thống điều chỉnh hở tín hiệu của đại lượng cần điều chỉnh không được sử dụng trong quá trình tạo ra tác động điều khiển . 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 điều chỉnh theo chương trình HCTr. Sơ đồ cấu trúc của HTH được mô tả trên hình 1- 4. Trong đó TBĐ là thiết bị đo nhiễu : Z TBĐ TBĐC U ĐTĐC Y TBĐC U ĐTĐC Y a) b) a - Hệ thống bù nhiễu ; b - Hệ thống điều chỉnh theo chương trình HTK tác động theo phương thức điều khiển theo sai lệch. Tín hiệu đo được của đại lượng cần điều chỉnh được đua phản hồi trở lại đầu vào của hệ thống và được sử dụng trong quá trình tạo ra tác động điều khiển U. Sơ đồ cấu 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 chỉnh ổn định ở giá trị này. Còn trong HCTr giá trị x thay đổi theo một chương trình định sắn. TBĐC phải bảo đảm cho đại lượng cần điều chỉnh bám theo đường chương trình với một độ chính xác cần thiết. Đối với HTD giá trị x không biết trước. Nó được xác định thông qua một hệ thống thiết bị đo một đại lượng đích nào đó mà TBĐC phải tác động để cho đại lượng cần điều chỉnh luôn luôn theo sát đại lượng này. Sơ đồ cấu trúc HTĐ được mô tả trên hình 1- 5 ĐẠI LƯỢNG ĐÍCH TBĐ x e TBĐC U ĐTĐC Y Hình 1- 5 : Sơ đồ 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 cấu trúc của HTHH được mô tả trên hình 1- 6. Thiết bị bù TBB ở đay đóng vai trò kết hợp với TBĐC để tạo ra tín hiệu sao cho giá trị y không đổi khi có sự tác động của nhiễu x. z TBB x _ y _ TBĐC ĐTĐC Hình 1- 6: Hệ thống điều chỉnh hỗn hợp HTTN được chia thành ba loại chính là hệ thống điều chỉnh cực ttrị HCT, hệ thống điều chỉnh với thiết bị tự chỉnh định HTC và hệ thống điều khiển tối ưu HTƯ. Khi đại lượng cần điều chỉnh có cựu trị và chúng ta mong muốn nó luôn luôn tồn tại ở điểm cực ttrị này thì phải sử dụng HTC. Sơ đồ cấu trúc của nó được mô tả trên hình 1- 7. Thiết bị tìm cực trị TBTCT thực hiện chức năng tìm giá trị cực trị yc và y cũng đạt cực trị thì e = 0 và hệ thống đạt trạng thái xác lập. Như vậy đại lượng cần điều chỉnh luôn luôn được giữ ở giá trị cực trị. Sai số của điều chỉnh ở đây phụ thuộc vào độ chính xác của giá trị cực trị tìm được và độ chính xác của hệ thống điều chỉnh . TBTCT Yc e TBĐC U ĐTĐC Y _ Hình 1 -7: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh cực trị Trong 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 này được mô tả trên hình 1- 8. Thiết bị tự chỉnh TBTC thực hiện chức năng xác định cấu trúc thích hợp của TBĐC hoặc xác định thông số tối ưu của nó và thực hiện sự thay đổi cấu trúc hoặc thông số của TBĐC cho thích hợp với kết quả mà nó đã xác định. TBTC x e U y TBĐC ĐTĐC _ Hình 1- 8: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh với thiết bị tự chỉnh định Lí thuyết HTC là một bước phát triển lớn của lí thuyết điều khiển tự động. Tuy nhiên nó chỉ giải quyết được vấn đề xác định cấu trúc hoặc tham số tối ưu của TBĐC cho thời điểm cụ thể của hệ thống điều chỉnh tự động mà không giải quyết vấn đề tối ưu cho toàn bộ hệ thống nói chung theo một chỉ tiêu tối ưu cụ thể như về tiêu hao năng lượng hoặc rút ngắn thời gian v.v.. .Bài toán này được giải quyết bằng hệ thống điều chỉnh tối ưu HTƯ. Lí thuyết HTƯ được thực thi trong thực tế nhờ sự phát triển mạnh của kĩ thuật tính toán. HTƯ là sự kết hợp của thiết bị tính toán và điều khiển TBTTĐK với ĐTĐC thông qua các bộ chuyển đổi tương tự số TT- S, số tương tự S- TT và các CCCH. Sơ đồ khối của nó được mô tả trên hình 1- 9 CHỈ TIÊU TỐI ƯU VÀ THUẬT TOÁN TBTTĐK S - TT CCCH ĐTĐC ĐIỀU KHIỂN 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 giới thiệu cụ thể trong phần II. CHƯƠNG II: CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN II_ 1. THIẾT BỊ ĐIỀU 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 bộ điều khiển tỷ lệ có quan hệ tỷ lệ. Đặc tính tĩnh của bộ điều khiển là tuyến tính: u(t)= Kp. e(t). Khi có tín hiệu sai lệch e(t) bộ điều khiển có nhiệm vụ khuyếch đại lên Kp lần nhằm đảm bảo tín hiệu ra của bộ điều khiển tạo khả năng bù trừ sai 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 lớn mới duy trì được sự ổn địng của hệ thống kín. Ngược lại, khi sai lệch e(t) nhỏ, đại lượng đầu ra tiến gần đến giá trị xác lập thì sự tác động của bộ điều khiển đối tượng sẽ nhỏ bớt đi để nhằm duy trì tính ổn định. fn(t) x(t) e(t) BỘ ĐIỀU u(t) ĐỐI y(t) KHIỂN P TƯỢNG - Z(t) Gr(s) = Kp G0(s) 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 độ xác lập. Nếu trong cấu trúc của hàm truền hệ hở của hệ thống không chứa khâu tích phân thì sai số xác lập sẽ lạm hằng số : St = lim e(t) = Trong đó : K : Hệ số khuyếch đại của hàm truyền hệ hở. X0 : 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 à 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 à 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 điều kiện để đạt được chất lượng tốt trong chế độ quá độ, bởi vì khi tăng Kp đến một giá trị lớn nào đó thì hệ thống bắt đầu dao động và có thể làm cho hệ thống mất ổn định trước khi đạt được hệ số khuyếch đại mong muốn. Như vậy khi hệ thống làm việc với bộ điều khiển có cấu trúc tỷ lệ thì hệ thống luôn tòn tại sai số ở chế độ xác lập. Đây là nhược điểm chính của bộ điều 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 Kp trong giới hạn nào đó hệ thống vẫn khồn ổn định, sai lệch tĩnh có xu hướng giảm. Khi tăng Kp đến 1 giá trị nào đó (Kp. K0 Kgh ) thì đáp ứng của hệ thống bắt đầu dao động và hệ thống mất ổn định. II _ 2. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ – TÍCH PHÂN : II _ 2 - 1. Bộ điều khiển tích phân : Khi đáp ứng quá đọ của một hệ điều khiển tự động có phản hồi thoả mãn nghĩa là các khía cạnh của quá trình quá độ của hệ thống kín thoả mãn các chỉ tiêu chất lượng động, nhưng sai số tĩnh quá lớn thì có thể giảm sai số bằng cách cho hệ số khuyếch đại của hệ hở tăng cao ở tần số thấp. Tuy nhiên dạng bù này cần phải ít làm thay đổi đáp ứng mạch hở ở vùng lân cận tần số vượt của hệ số khuyếch đại nghĩa là không được thay đổi tần số cắt 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 phương trình : U(t) = hoặc U(s) = Trong đó : T1 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 chừng nào sai số điều khiển còn tồn tại. Khi tín hiệu tác động tích luỹ đủ, sai số sẽ giảm tới 0. Đặc tính hàm quá độ được giới thiệu trên hình(2- 2b). fn(t) x(t) e(t) BỘ ĐIỀU u(t) ĐỐI y(t) KHIỂN I TƯỢNG Gr(s) =Kp G0(s) z(t) ĐO LƯỜNG Hình (2 -2a): Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển tích phân e(t) a (t) e(t) 0 t Ti Hình (2 -2b): Đặc tính quá độ. Trước hết ta xét ý nghĩa vật lý của việc đưa tích phân vào quy luật điều chỉnh. Trên hình(2-3) giới thiệu đường cong biến thiên của tín hiệu sai số e(t) và tích phân của sai số điều khiển. e(t) e(t) = cónt t 0 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 đổi như 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 tích phân (I) trước rồi lấy tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển để tác động vào khâu chấp 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 phân u(t) = sẽ tăng cho đến khi bằng giá trị tương đương ứng với lúc tốc độ biến thiên của lượng được điều chỉnh y(t) đạt được tốc độ biến thiên của tác động chủ đạo x(t), lúc đod sai số sẽ bằng không. Trong thực tế người ta có thể làm cho sai số bằng không nếu ta đưa vào bộ điều khiển một thành phần hoạt động tích phân lý tưởng. Thêm khâu tích phân đã làm tăng bậc vô sai tĩnh của hệ thống lên một đơn vị. Từ hình (2- 4) ta thấy trong chế đọ quá độ đường cong tích phân chậm sau so với sự biến thiên của tín hiệu sai số dẫn đến việc giảm chất lượng của đặc tính quá độ. L() 201gKi = 1 0 - 1 Ti 1g = 1 1g 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 = Ki tỷ số bằng 1 (là đơn vị) và tại tần số = 0 tác động tích phân tạo ra một hệ số khuyếch đại rất lớn. Dù hệ số khuyếch đại không tăng ở tần số cao nhưng nó vấn có ảnh hưởng tại các tần số cao. Do đó mặc dù điều khiển tích phân đơn độc trừ khử được sai lệch tĩnh nhưng ngược lại 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 vì những 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 chỉ dùng thành phần tích pơhân sẽ kéo dài thời gian điều khiển và hệ thống rất dễ mất ổn định. Xuất phát từ quan điểm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu loạn, tăng hệ số khuyếch đại của hệ thống ở vùng tần số thấp nhằm giảm bớt sai số ở chế độ xác lập mà không làm thay đổi đáng kể đặc tính ở miền tần số cao, các bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân đã được sử dụng rất phổ biến và mang lạihiệu quả kinh tế cao. Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân chính là tổ hợp điều khiển tích phân và tỷ lệ. fn(t) x(t) + e(t) BỘ ĐIỀU u(t) ĐỐI y(t) _ KHIỂN PI TƯỢNG Gr(s) =Kp G0(s) z(t) ĐO LƯỜNG Hình (2 -5) :Sơ đồ của hệ thống với bộ điều khiển PI e(t) u(t) u(t) 2Kp Hình (2 - 6) : Đặc tính quá độ Hàm tuyến tính của bộ điều khiển PI có dạng : Gr(s) = = Kp. = Kp+ U(s) = Kp. E(s) + Ki (3) Trong tthực tế sử dụng bộ điều khiển PI thì việc chọn thông số điều chỉnh Kp, Ti để phù hợp với đối tượng nhằm đạt được các chỉ tiêu chất lượng của quá 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 ra phù 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 số tĩnh 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 hệ thống kín sẽ mất ổn định. Khi ta đặt một giá trị Kp tối ưu thì chất lượng đáp ứng của hệ thống lúc này chỉ phụ thuộc và thời gian tích phân. Khi thời gian tích phân Ti lớn có nghĩa là tín hiệu U(t) có giá trị rất nhỏ. Sự ảnh hưởng của thành phần tích phân đến đáp ứng quá độ rất ít nên lúc này bộ điều khiển PI họat 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 dao động nhưng sai số xác lập bằng không. Khi ta giảm nhỏ giá trị Ti đến một giá trị nào đó thì quá trình quá độ không còn đơn điệu nữa mà nó trở thành một quá 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 trình quá 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 cải thiện đáp ứng ổn định của một hệ điều khiển như thế nào. Khi ta muốn cải thiện tính năng quá độ có thể dùng bộ điều khiển tỷ lệ- vi phân (PD). Điều khiển vi phân có ích vì nó đáp ứng được với tốc độ thay đổi của sai số e(t), nó có thể tạo ra một sự sửa chữa đáng kể trước khi biên độ của sai lệch điều khiển e(t) trở nên lớn. Ta hãy xét ý nghĩa vật lý của việc đưa đạo hàm vào quy luật điều khiển : e(t) 0 t1 t2 t de(t) 0 t1 t2 t 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 là de(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 hệ thống chỉ phản ứng đối với tín hiệu sai lệch thì do dao động cư có độ nhạy cảm nhất định vad do sự chậm trễ của tín hiệu khi nó đi qua các phần tử quán tính hệ thống không tức thời tạo ra sai lệch mà phải mất một khoảng thời gian nào 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 sẽ bắt đầu tạo ra sai số sớm hơn và nhanh hơn. Bởi vi khi tín hiệu sai lệch còn nhỏ (ở thời điểm xuất hiện tín hiệu sai lệch) thì đạo hàm của nó có một giá trị nhất định : Hình(2- 7). Ngoài ra nếu hệ thống chỉ phản ứng với tín hiệu sai lệch e(t) thì mô men quay của động cỏ sẽ giống nhau tại thời điểm t1 khi tín hiệu sai lệch tăng và tại thời điểm t2 khi tín hiệu sai lệch giảm. Lúc này ming muốn rằng : tại thời điểm t1 động cơ sẽ sinh ra một lực quay lớn hơn để chống lại một cách có hiệu quả hơn sự tăng không mong muốn của sai số, còn tại thời điểm t2 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 mà vượt qua trạng thái cân bằng. Cũng bằng cách đưa đạo hàm vào quy luật điều chỉnh người ta có thể làm cho mô men quay của động cơ biến đổi như thế. Trong trường hợp này khi t = t1 mô men quay của động cơ tăng vì tín hiệu e(t) và .de(t)/dt ngược dấu, còn khi t = t2 thì nó sẽ giảm, có khi đổi cả chiều vì tác động e(t) và .de(t)/dt ngược dấu nhau. Kết quả là do sự biến đổi mô men quay của động cơ nên giá trị cực đại của sai số sẽ thấp xuống, độ quá trình quá độ điều chỉnh giảm đi hoặc có khi còn bị loại trừ nữa và quá trình quá độ của hệ thống sẽ suy 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 phân có thể xem là một dự phòng vì nó có hiệu quả gây tác động điều khiển ngay tức khắc. u(t) 0 t de(t) 0 t Hình (2- 8) : Minh hoạ luật điều khiển tỷ lệ - vi phân. Tác động vi phân có ích trong các hệ thống kiểm tra khi có tín hiệu vào đột biến hoặc thay đổi phụ tải. Vì tín hiệu vi phân thay đổi đối kháng trong đầu vào ra, nó làm ổn định một hệ kín ; hệ này có thể cản trở khuynh hướng dao động. Một điều quan trọng cần chú ý là bộ điều khiển vi phân (D) không thể dùng đơn độc được vì nó không đáp ứng được sai số ở chế độ xác lập. Nó cần được sử dụng với tổ hợp các dạng điều khiển tỷ lệ hoặc tỷ lệ – tích phân. Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PD có dạng : Gr(s) = = Kp.(1 + Td.s) = Kp + Kp.Td.s = Kp + Kd.s fn(t) x(t) + e(t) BỘ ĐIỀU u(t) ĐỐI y(t) _ KHIỂN PI TƯỢNG Gr(s) =Kn(1+Td.s) G0(s) z(t) ĐO LƯỜNG Hình (2- 9a) e(t) u(t) K u(t) l e(t) 0 t Hình (2-9b) L() 201gKp 0 1/Td 1/Td Hình (2- 9c) Hệ thống với bộ điều khiển PD. Đáp ứng quá độ của bộ điều khiển PD. Đặc tính tần số biên logarit và pha lôgarit của bộ điều khiển PD. Qua đặc tính 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 trong miền cao tần nhập vào tín hiệu hữu ích đi qua thành phần vi phân nói trên thì thiết 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 tần số cao thì độ khuyếch đại tiến tới nên hàm này không thể thực hiện được trong thực tế. Hơn nữa tác động vi phân khuyếch đại tiếng ồn là những cái thường thấy ở tín hiệu sai số. Do đó trong thực tế người ta thường dùng một hàm vi phân thực mà hàm số truyền của bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân thực có dạng : Gr(s) = Kp. L() 201gKp(1+1/Td) 201gKp 0 1/T+Td 1/T 0 Hình (2- 10)Đặc tính tần số biên và pha Logarit của bộ điều khiển PD thực Từ đặc tính tần số biên và pha được giưới thiệu trên hình (2- 10) ta thấy rằng bộ điều khiển tỷ lệ- vi phân thực có góc pha sớm suốt một khoảng các tần số nên bộ điều khiển này gọi là loại bù sớm. Ngoài cấu trúc bộ điều khiển PD tương tự ta còn có cấu trúc của bộ điều khiển PD số. Đối với bộ điều khiển PD số lý tưởng có phương trình sai phân được trình bày dưới dạng : U = Trong đó T là chu kỳ lấy mẫu. II_3. BỘ ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ - TÍCH PHÂN - VI PHÂN (PID): Mặc dù điều khiển tỷ lệ- tích phân- vi phân hoặc tỷ lệ- vi phân đã đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu chất lượng trong nhiều trường hợp, nhưng cũng còn những nhược điểm mà chúng ta đã phân tích ở trên. Để thoả mãn yêu cầu chất lượng điều khiển trong thực tế nguời ta sử dụng tổ hợp điều khiển tỷ lệ- tích phân- vi phân. Các bộ điều khiển có cấu trúc trên gọi là bộ điều khiển tỷ lệ- tích phân- vi phân gọi tắt là PID. Bộ điều khiển PID được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động vì nó có hàm trễ lớn; đồng thời nó mang tất cả những ưu điểm của các bộ điều khiển P, PI, PD. Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID có dạng: Gr(s) = = Kp . = Kp + + Kd.s (6) 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 điều khiển tích phân là loại trừ (khử) sự truyền tín hiệu tăng theo tỷ lệ, đặc biệt sự truyền 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 động lặp lại. Tốc độ mà tác dộng đó “ lặp lại” nhân đôi hoặc lặp lại tác động tỷ lệ một lần nữa được xác định bằng tốc độ lặp lại T1. fn(t) x(t) e(t) BỘ ĐIỀU u(t) ĐỐI y(t) KHIỂN TƯỢNG z(t) G0(s) ĐO LƯỜNG Hình (2- 11a) h(t) u(t) Kp e(t) l 0 t Ti Hình (2- 11b) sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PID. Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID. 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 giảm khuynh hướngdao động. Vì tác động vi phân đáp ứng với tốc độ thay đổi của đầu ra nên gọi là tác động tốc độ. Khoảng thời gian Td gọi là tốc độ suất hoặc còn gọi là thời gian sớm lên được tính bằng phút. Còn hệ số khuyếch đại Kinh doanh là khoảng thời gian Td mà trong đó tác động vi phân làm cho tác động hình thành bởi điều khiển tỷ lệ sớm hơn. Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID được giưới thiệu trên hình(2- 11b). 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: Gr(s) = Kp . (1 + Td.s) (7) Đồng thời người ta sử dụng rộng rãi các bộ điều khiển PID thực mà hàm truyền của nó có dạng: Gr(s) = Kp (8) Trong trường hợp đặc tính tần số PID là đặc tính tiệm cận thì hàm truyền của bộ điều khiển có dạng: Gr(s) = Kp (9) Tương tự bộ điều khiển PID ssó có hàm truyền gián đoạn: Gr(z) = Kp (10) Và phương trình sai phân có dạng: u(t.T) = Kp  (11) Ngoài ra để chống nhiễu tốt người ta còn dung bộ điều khiển PID có bộ lọc mà hàm truyền của nó có dạng: Gr(s) = Kp (12) Gr(s) = (13) Trong đó N là giá trị cho trước (500 - 1000). CHƯƠNG III: CÁC BÀI THÍ NGHIỆM III_1. CÁC BÀI THÍ NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC VÀ LƯU LƯỢNG: III_1_1. Sơ đồ cấu trúc của bài thí nghiệm điều khiển mức và lưu lượng: Sơ đồ: BỘ ĐIỀU Output Servo Đối tượng Mức hoặc KHIỂN 4- 20 mA Van lưu lượng COMMAN DER 300 Input Bộ hiển thị Bộ DDM chuyển Cảm 4- 20 mA 38- 490 đổi biến RS – 232 PLT 38- 421 FLT 38 -401 PC Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của bài thí nghiệm điều khiển mức và lưu lượng Thuyết minh sơ đồ: Để điều khiển mức (hoặc lưu lượng) người ta điều khiển thông qua mộ ServoVan theo một chu trình như sau: Tại bộ điều khiển Commander 300 ta có thể dặt một lượng đặt theo yêu cầu (mức hoặc lưu lương)lượng đặt này được so sánh tín hiệuphản hồi dòng điện, 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 bộ chuyển đổi FLT 38- 401(hoặc PLT 38- 421) và được đưa đến bộ hiển thị ĐM 38- 490 đầu ra của bộ hiển thị được đưa tới đầu vào của bô điều khiển. Bộ điều khiển cho tín hiệu ra chính là sai lệch giưũa lượng đặt và phản hồi để điều khiển ServoVan. Tuỳ thuộc vào tín hiệu điều khiển mà ServoVan có thể đónh hoặc mở. Thực chất ở đây chính là điều khiển tốc độ động cơ của ServoVan. III_ 1_2. 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 mức nước trong bể bằng cách đóng hoặc cắt bơm một cách tự động. Phần điều khiển ON/ OFF của PI bao gồm một bộ so sánh và một trigơ smit với độ trễ điều 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 trong hai trạng thái phụ thuộc vào độ lệch giẵa tín hiệu đo được và tín hiệu ngưỡng, để điều khiển nguồn cấp cho bơm bằng cách tạo ra một tín hiệu lôgic tới đầu vào D. Nguồn dùng sẽ tạo ra tín hiệu ngưỡng cho thiết bị điều khiển ON/ OFF và nối tới đầu vào B phía trước PI. Tín hiệu này tạo ra mức nước mong muốn trong bể. Bơm sẽ bật khi mức nước trong bể nhỏ hơn mức dặt và ngược lại, nhưng phải sau một khoảng ttrễ đã đặt. b. Cách làm- sơ đồ ghép nối thiết bị: Ghép nối các thiết bị như ở trong sơ đồ sau(hình 3- 2): 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). Đặt nguồn dòng ở vị trí 50%, và đặt độ trễ điều khiển ở vị trí Max. Bật bộ ghép nối(PI) khi quá trình quá độ trình đã ổn định, thay đổi mức trễ theo từng bước và quan sát sự hoạt động của hệ thống. Đặt mức trễ tại mức 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 led A1 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 độ trễ ở vị trí Max, khi mức nước ở bể trên đạt tới 50 nm thì sau 5 giây bơm mới cắt. Bài này không có kết quả ở dưới dạng đồ thị. III_1_2_2. Điều khiển điện tử theo kiểu on/ off a . Lý thuyết: Điều khiển cắt bơm để điều khiển mức nước trong bể là một biện pháp không tốt lắm vì bơm sẽ phải đóng cắt liên tục trong một khoảng thời gian ngắn và điều này không có lợi cho bơm. Biện pháp rố hơn là dùng đóng cắt van điện từ được thiết kế đóng cắt lặp đi lặp lại theo ý muốn. Van SV1 sẽ thay thế bơm, nó mở khi mức nước trong bể dưới mức đặt và đóng trong trường hợp ngược lại. Còn có một các khác để điều khiển mức nước trong bể đó là dùng van tháo SV2, van này mở khi mức nước trong bể lớn hơn mức đặt và ngược lại. Để làm điều này thì tín hiệu ngưỡng sẽ đưa vào đầu A(đầu vào không đảo của bộ so sánh) và tín hiệu đo được đưa vào đầu B. Để điều khiển van điện tử này thì tín hiệu ra của Trigơ smit sẽ đưa vào đầu E để đóng cắt công tắc 24vdc cấp nguồn cho SV2. b . Cách làm_ Sơ đồ ghép nối thiết bị : Ghép nối các thiết bị như ở trong sơ đồ sau(hình 3. 3): Tất cả các thiết bị phải được hiệu chỉnh trước khi tíên hành thí nghiệm. Mở van tay MV2 100%, mở 50% van MV3, khi tiến hành thí nghiệm sinh viên cần phải điều chỉnh chính xác vị trí của MV3 để nhận được đáp 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 đến khi quá trình ổn định, và xác định được vị trí thích hợp của MV3. Thay đổi độ trễ theo từng bước và quan sát đáp ứng của hệ thống. Đặt độ trễ ở Min, bây giờ thay đổi nguồn dòng theo từng bước và quan sát đáp ứng của hệ thống. c . Kết quả bài thí nghiệm: Đặt vị trí của núm điều chỉnh nguồn dòng ở vị trí giữa(tương ứng với lựng 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 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 on/ off khi sử dụng bộ điều khiển 38- 300: a . Lí thuyết: Trong phần này 38- 300 sẽ đóng cắt thiết bị On hoặc Off để điều khiển mức nước. Trong phần trước sự kết hợp của bộ so sánh và Trigơ smit trong bộ ghép nối (PI) đã tạo nên luật điều khiển. Phần này 38- 300 nhận tín hiệu vào là giá trị thực từ FTL và sử dụng đầu ra là các Rơle để điều khiển các thiết bị xử lý. Các chuông cho phép xác định mức ngắt của biến xử lý sao cho tác động xảy ra ở một mức độ nhất định và các chuông này điều chỉnh dùng để kích hoạt các Rơle. Van SV2 để tháo nước từ bể trên và 38- 300 sẽ cung cấp tín hiệu vào cho nó. <ột chuông sẽ được cài dặt mà giá trị ngắt của nó là mức nước mong muốn, giá trị ngắt này sẽ điều khiển Rơle để tạo ra tín hiệu lôgic đóng mở một đường dây SV. Mức ngắt và giá trị trễ của chuông có thể được thay đổi trên thanh điều khiển màn hình, điều này làm cho ứng dụng này của 38- 300 giống với bộ ghép nối (PI), nhưng một điều khác biệt mà bộ ghét nối (PI) không có là 38- 300 có thể báo lỗi bằng chuông: chuông này sẽ tạo nên một mức ngắt ứng với thời điểm nước sắp tràn và khi nước tăng đến mức này thì chuông sẽ cho tín hiệu để đóng bơm lại. 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 lượng chảy vào bể là 2 lít/phút. Khi việc đóng cắt bắt đầu, mở van tay MV3 vì vậy mức nước trong bể sẽ tăng khi van SV2 đóng và sẽ giảm khi vanSV2 mở, xác định lại sự hoạt động của hệ thống so với phần thí nghiệm trước. Bây giờ hãy thay đổi mức ngắt của chuông báo động và giá trị trễ của chuông báo động để điều khiển mức bể theo mong muốn và quan sát ảnh hưởng của nó đến đáp ứng của quá trình. 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: Ở 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 bể 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 hạn trên. Bài này không có kết quả ở dưới dạng đồ thị. III_1_2_4. Điều khiển mức theo luật tỷ lệ (P): 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 đó so sánh mức này với mức đặt để biến đổi vị trí của Servo Van sao cho mức đạt tới điểm đặt. Cảm biến mức phao tạo ra dòng điện tỷ lệ với mức nước trong bể trên được đưa tới 38- 300 làm tín hiệu vào. 38- 300 áp dụng luật P để điều chỉnh vị tríc Servo Van bằng tín hiệu dòng 4- 20 mA. Tín hiệu điều khiển van Servo tỷ lệ trực tiếp với độ lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực. Van SV2 đảm bảo cho mức nước chảy ra là khồn đổi, điều này cho phép so sánh các kết quả nhận được từ các bài thực hành khác nhau. 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 thí nghiệm 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. Không bật bơm, và đợi cho Servo van ổn định. Bây giờ mới bật bơm và chuyển 38- 300 sang chế độ tự động(bằng cách ấn phím Auto/ Manual). Quan sát các hoạt động của 38- 300 mà nó đã được áp dụng luật tỷ lệ. Có thể thay đổi điểm đặt trên thanh điều khiển ở trên màn hình.  c. Kết quả bài thí nghiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt: SP = 5. Dải tỷ lệ : PB = 10. III_1_2_5. Điều 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. - Chỉ có một phần của dải điểm đặt được hiển thị trên đồ thị(0- 50%) mà đầy đủ là (0- 100%) sao cho dải phần vàng này quan sát được, điều này không có nghĩa là điểm đặt bị hạn chế, nếu như hiển thị toàn dải điểm đặt thì không đánh giá được mức sai lệch(đây là điểm khác biệt quan trọng giữa luật điều khiển P và PI). - Có thể thay đổi điểm đặt, dải tỷ lệ PB; Ti trên thanh điều khiển màn hình, tuy nhiên hệ thống điều khiển mức tác động chậm nên nếu biến đổi các tham số thì phải chờ một thời gian khá dài hệ mới ổn định.  b. Cách làm – Sơ đồ ghép nối thiết bị: Mở 100% van MV2, đóng MV3 và bật bơm. Máy tính sẽ tự động đặt điều kiện đầu cho 38 – 300. Chuyển 38- 300 sang chế độ tự động. Bài thí nghiệm này sẽ hoạt độngvới luật điều khiển tỉ lệ giống như ở trong bài trước. Bằng cách thay đổi giá trị đặt và dải tỉ lệ tương ứng với các thanh điều khiển, làm quen với luật điều khiển tỉ lệ, chỉ rõ sai lệch giữa giá trị đặt vad giá trị đo được, điều này làm cho sinh viên nhớ lại nhược điểm quan trọng của luật điều khiển tỉ lệ. Đặt giá trị tại 25% và tăng PB cho đến khi sai lệch đạt ổn định. Chỉnh hằng số tích phân bằng cách: Đầu tiên đặt hằng số tích phân Ti = 100 (s) sau đó giảm dần và quan sát sai lệch.  c. Kết quả bài thí nghiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 25 Dải tỉ lệ : PB = 10 Hằng số thời gian tích phân : Ti = 10 III_1_2_6. Điều khiển 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 một nguyên nhân nào đó của thiết bị sẽ dẫn đến tràn bể. Bằng cách áp dụng một luật điều khiển mà tạo ra tín hiệu điều khiển lớn sẽ làm cho thời gian để hệ thống quay về trạng thái ban đầu giảm đi, luật này tạo ra một quá trình quá độ trình bù sai số để ngăn sai số tiếp tục sinh ra. Không chỉ có quá trình quá độ trình bù này mà hệ thống cần phải có thành phần, khi giá trị đo của hệ thống gần với điểm đặt của nó, tốc độ thay đổi sai số sẽ giảm bởi vì thành phần tỷ lệ giảm. Sự giảm tốc độ thay đổi sai số này làm cho thành phần đạo hàm âm và dẫn đến giảm tín hiệu điều khiển với mục đích hạn chế quá trình quá độ trình điều chỉnh. b. Cách làm – Sơ đồ ghép nối thiết bị: 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 (Ti) 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 đặt đo gần tới giá trị đặt. Ta cũng có thể thay đổi sai số nhanh bằng các cách đã đạt được nêu ở bài thí nghiệm trước. Thay đổi tất cả các tham số trên màn hình và quan sát hệ thống. Chú ý tới độ quá trình quá độ trình điều chỉnh và dao động cá thể xảy ra. c. Kết quả bài thí nghiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 25 Dải tỉ lệ : PB = 10 Hằng số thời gian tích phân : Ti = 10 Hằng số thời gian vi phân : Td = 30 III_1_2_7. Điều khiển lưu lượng theo luật tỷ lệ(P): 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 lưu lượng 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 tỷ lệ với lưu lượng nước, dãy xung này được PFT chuyển thành tín hiệu 4- 20 mA dùng làm tín hiệu đo được từ hệ thống để đưa vào đầu vào của 38- 300. 38- 300 áp dụng luật điều khiển tỷ lệ P để điều chỉnh vị trí của Servo van bằng tín hiệu 4- 20 m A, tín hiệu điều khiển van Servo tỷ lệ trực tiếp với độ lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực. Có thể thay đổi điẻm đặt của 38- 300 bằng thanh điều khiển trên màn hình và quan sát đáp ứng của quá trình 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 nghiệm này.Máy tính sẽ tự động đặt điều kiện đầu cho 38- 300. - Mở 50% van MV3, mở 100% van MV2, chờ cho Servo van ổn định rồi mới bật bơm, chuyển 38- 300 sang chế độ tự động. Quan sát đáp ứng của bộ điều khiển khi áp dụng luật điều khiển tỉ lệ và điều chỉnh giá trị đặt trên màn hình. Quan sát các tham số sau khi quá trình hoạt động: dòng điện trên DDM, tín hiệu ra của 38- 300 trên màn hình, tín hiệu ra của 38-300, giá trị đặt của 38- 300, hai đồ thị đáp ứng. c. Kết quả bài thí nghiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 15 Dải tỉ lệ : PB = 40 III_1_2_8. Điều khiển lưu lượngtheo luật tỉ lệ- tích phân (PI) Lý thuyết: Bài này sẽ tiến hành điều khiển lưu lượng theo luật PI, sẽ không dễ tránh được dao động bởi vì đặc tính động của lưu lượng nhanh hơn so với mức. Biểu thức của luật điều khiển PI: Uc = Up + Ur = K[e + (1/Tr) K sẽ điều khiển độ lớn của luật, nếu K lớn thì luật điều khiển sẽ lớn và dẫn tới dao động nếu sai số và sai lệch thay đổi liên tục. - Khi điều khiển lưu lượng thì độ lệch của nó thay đổi nhanh và luôn luôn biến đổi, vì vậy PB phải lớn(hệ số khuyếch đại nhỏ) để tránh dao động xảy ra. Trong các hệ thống thực tế có những hệ số cần phải xét đến như nhiễu, mặt khác không có bộ chuyển đổi nào là hoàn hảo do đó nhiễu do bộ chuyển đổi gây ra sẽ qua bộ điều khiển. Nếu xét đến nhiễu và bộ điều khiển có hệ số khuyếch đại lớn thì dễ xảy ra dao động. - Trong bài này có thể quan sát mức tín hiệu nhiễu trên đồ thị, để tính toán nó thì PB phải lớn hơn hẳn để tín hiệu nhiễu từ bộ chuyển đổi được loại bỏ hoàn toàn. - Thay đổi hằng số thời gian tích phân (Ti) trên màn hình để giảm sai lệch hiện tại, tốc độ giảm phụ thuộc Ti, nếu Ti quá nhỏ thì thành phần tích phân quá lớn và dẫn tới dao động. Mục đích của bài là nâng cao thêm hiểu biết của bạn về đáp ứng tích phân bằng cách thay đổi tất cả các tham số thích hợp và quan sát kết quả. b. Cách làm- Sơ đồ ghép nối thiết bị: - Ghép nối các thiết bị như ở trong sơ đồ hình 3.8 sau: Mở 100% van MV2, mở 50% van MV3, bật bơm. Máy tính sẽ tự động đặt điều khiển đầu cho 38- 300. Và chuyển 38- 300 sang chế độ tự động. Như đã được trình bày trong phần lý thuyết, lúc đầu hệ thống làm việc theo luật tỉ lệ với giá trị PB là 200. Thành phần tích phân được đưa vào bằng cách dùng chuột kích vào nút ở trên màn hình. Khi không có thành phần tích phân sai lệch giữa giá trị đo và giá trị đặt là 15- 25%. Lúc đầu cho Ti = 50 (s ), sau đó thay đổi Tr và quan sát hệ thống. Với giá trị TR từ 50- 60% (s) đáp ứng của quá trình chậm, vì vậy phải chờ một thời gian mới nhận thấy rõ. Khi giảm Ti đáp ứng của quá trình trở lên rõ ràng hơn, thậm chí sẽ dẫn tới dao động. Vì trong bài thí nghiệm này biến xử lý là lưu lượng, còn mức không có liên quan nên vị trí chính xác của MV3 không quan trọng. Nói như vậy không có nghĩa là mức được loại bỏ hoàn toàn vì đây là tham số cần quan tam để tránh giới hạn trên và giới hạn dưới. Nếu hai trường hợp này xảy ra ta mới phải điều chỉnh vị trí của van MV3. c. Kết quả bài thí nghiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 15 Dải tỉ lệ : PB = 200 Hằng số thời gian tích phân : Ti = 3 III_1_2_9. Điều khiển lưu lượng theo luật tỉ lệ- tích phân- đạo hàm(PID): a. Lý thuyết: - Bài giới thiệu luật điều khiển PID dùng trong điều khiển lưu lượng và các vấn đề liên quan đến luật với mục đích chỉ ra cách lựa chọn luật điều khiển theo các tình huống cụ thể. - Như đã biết đặc tính động của lưu lượng và mức rất khác nhau vì vậy mà không thể áp dụng cùng một luật điều khiển mà không thay đổi các tham số của nó. Một sự thay đổi nhỏ của tín hiệu điều khiển sẽ biến đổi vị trí của Servo van và điều này ảnh hưởng đáng kể đến lưu lượng, hay thiết bị xử lý có hệ số khuyếch đại khá lớn, đầu vào thay đổi ít sẽ tạo ra thay đổi lớn ở đầu ra. - Nếu độ lệch giữa biến thực và điểm đặt thay đổi nhanh sẽ làm cho thành phần đạo hàm đóng góp lớn trong luật điều khiển, điều này làm cho hệ thống dễ mất ổn định do đó phải thận trọng khi lựa chọn các tham số. Biểu thức sau diễn tả luật điều khiển PID: Uc = Up + Ur = K[e + (1/Tr)+ Td(de/dt)] Khi hệ số khuyếch đại nhỏ thì tín hiệu điều khiển sẽ nhỏ và điều này cho phép thành phần đạo hàm được đóng góp lớn hơn trong luật trước khi xảy ra dao động. Thay đổi Td và Ti trên màn hình, Td từ 0- 5s, không cần lớn hơn 5s vì sẽ dẫn tới mất ổn định, thay đổi PB bằng bàn phím của 38- 300.  b. Cách làm- Sơ đồ ghép nối thiết bị: - Ghép nối các thiết bị giống như ở trong sơ đồ hình 3. 9 Mở 100% van MV2, 50% van MV3. Máy tình sẽ tự động đặt điều kiện đầu cho 38- 300. chờ cho servo van ổn định, bật bơm và chuyển 38- 300 sáng chế độ tự động. Bài thí nghiệm này bắt đầu hoạt động với luật điều khiển PI, đặt giá trị tối ưu cho các tham số P, I, D. Thành phần vi phân được đưa vào khi kích chuột vào một nút trên màn hình, khi đó ta có thể thay đổi được thời gian vi phân. Khi có thành phần vi phân tham gia phản ứng của hệ thống sẽ xảy ra nhanh khi có sai số, và xảy ra hãm khi đáp ứng gần giá trị đặt. Khi sinh viên đã biết sự hoạt động của hệ thống, hãy làm thí nghiệm với toàn dải của Td và quan sát đáp ứng của hệ thống khi thay đổi giá trị đặt. Kết quả bài thí nghiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 15 Dứa tỷ lệ : PB = 154 Hằng số thời gian tích phân : Ti = 3 Hằng số thời gian tích phân : Td = 5 III_1_2_10. Điều chỉnh Zeigler- Nichols: a. Lý thuyết: - Phương pháp này được áp dụng rộng rãi để điều chỉnh bộ dkg trong công nghiệp, nó rất tin cậy. áp dụng kiểu điều chỉnh này cho 38- 300 để xác định các tham số mà tỷ lệ suy giảm của nó là 1/h. Phương pháp này sử dụng kết quả từ việc thử nghiệm điều khiển theo vòng kín để tính toán các tham số. - Khi thiết bị dao động đã rõ, không tăng, không giảm thì ghi lại giá trị PB và khỏang thời gian dao động của thiết bị. Giá trị PB này gọi là PB cuối cung Pbu và khoảng thời gian cuối cùng Tu. Từ hai giá trị này sẽ tính được tất cả các tham số cho quá trình điều chỉnh controllor theo bảng sau: Luật điều khiển PB Tr Td P 2Pbu - - PI 2,2Pbu Tu/1, 2 - PID 1,7Pbu Tu/2 Tu/8 b.Cách làm- Sơ đồ ghép nối thiết bị: - Ghép nối thiết bị như ở trong sơ đồ hình 3. 10. c. Phương pháp làm như sau: - Ở chế độ làm việc bằng tay, đưa ra các thiết bị về chế độ làm việc bình thường(mục đích của việc đặt bộ điều khiển ở trong chế độ điều khiển bằng tay là để đặt mức nước của bể ở mức 30%). - Bộ điều khiển đã được thiết lập điều kiện đầu theo luật điều khiển tỉ lệ với dải tỉ lệ là 60. - Đưa bộ điều khiển sang chế độ tự động và thay đổi dải tỉ lệ 5- 10%. - Quan sát đáp ứng, đưa bộ dkjh về chế độ điều khiển bằng tay và là lại bước 1 - Giảm giá trị dải tỉ lệ và làm lại bước 3, 4, 5. - Khi sự dao động của thiết bị đã rõ rệt(dao động điều hoà) ghi lại giá trị của dải tỉ lệ (Pbu) và khoảng thời gian dao động(Tu). Kết quả bài thí nghiệm: Hình trg 47. Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 30 Dải tỉ lệ : PBu = 2 Hằng số thời gian tích phân : t = 7. III_2. CÁC BÀI THÍ NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ: III_2_1. Cấu trúc điều khiển của bài thí nghiệm điều khiển nhiệt độ: Sơ đồ : BỘ ĐIỀU Output Servo Đối tượng Nhiệt độ KHIỂN 4- 20 mA Van COMMAN DER 300 Input Bộ hiển thị Bộ DDM chuyển Cảm 4- 20 mA 38- 490 đổi biến RS – 232 TTT 38 - 441 PC Hình 3. 10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của bài thí nghiệm điều khiển nhiệt độ. Thuyết minh sơ đồ : Để điều khiển được nhiệt độ tại một điểm nào đó người ta điều khiển lưu lượng của dòng nước bằng cách điều khiển tốc độ của động cơ Servo Van. Tại máy tính hoặc bộ điều khiển ta có thể thay đổi được lượng đặt hoặc các tham số của luật điều khiển. Trong sơ đồ trên có sử dụng mạch phản hồi dòng điện, nhiệt độ được lấy thồn qua cảm bíên nhiệt độ(NTC), sau đó được đưa qua bộ chuyển đổi (TTT 38- 441). Để chuyển đổi thành tín hiệu dòng điện 40- 20 mA. Tín hiệu này được đưa qua bộ hiển thị ĐM- 490, rồi được đưa tới đầu vào của bộ điều khiển Commander 300. Tại đây tín hiệu này được so sánh với lượng đặt để đưa ra tín hiệu điều khiển Servo Van. Tuỳ thuộc vào tín hiệu mà Servo Van có thể đóng hoặc mở. III_2_2. Nội dung các bài thí nghiệm: III_2_2_1. Điều khiển on/ off tự động: a. Lý thuyết - Mục đích của bài thí nghiệm này là điều khiển tự động nhiệt độ của chất lỏng tại đầu ra của bộ làm mát bằng cách đống cắt bộ gia nhiệt của dòng chảy một. Ở phần trước ta đã biết cách điều khiển On/ Off bộ gia nhiệt bằng tay để giảm nhiệt độ dòng chảy thứ nhất. Trong bài này giới thiệu một phương pháp điều khiển phức tạp hơn và cũng hiển thị ra độ chậm trễ liên quan đến hệ thống nhiệt. - Loại điều khiển này dùng một bộ so sánh và trigơ smith bênt rong phần điều khiển của của PI. Bộ gia nhiệt sẽ bật khi nhiệt độ nhỏ hơn điểm đặt và ngược lại. Mặt khác phần điều khiển của bộ ghép nối (PI) còn có độ trễ điều khiển và các tín hiệu vào lôgic của các công tắc nguồn, công tắc này được nối tới bộ gia nhiệt. - Bộ so sánh nhận hai tín hiệu điện áp là giá trị đặt và nhiệt độ thực đo về, đầu ra của nó được đưa tới Trigơ smith và tương ứng sẽ có hai trạng thái ứng với việc đóng cắt bộ gia nhiệt. - Nối ghép các servo van như bài điều khiển nhiệt độ theo vòng kín, trên TPR nối ghép như sơ đồ hình 3.12 có thể thay đổi mức trễ để xem nó có ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống điều khiển On/ Off. b. Cách làm: - Ghép nối các thiết bị như ở trong sơ đồ hình 3. 12. - Mở 100% van tay của TPR, đạt công tắc nguồn 24Vdc ở vị trí logic, bật bộ ghép nối (PI) của TPR. - Đặt nguồn dòng ở vị trí giữa và độ trễ ở vị trí Min. - Bật bơm và quạt làm mát, đặt TTT ở vị trí để hiển thị T5. - Bật bộ ghép nối (PI) và bật bơm của BPR, đặt lưu lượng là 2 lít/ phút, mở 50% van MV3. - Khi hệ thống đã ổn định hãy tăng độ trễ và chọn giá trị đạt mới. Chú ý: Có thể chọn giá trị đặt là 100% có nghĩa là 1000C. Rõ ràng các thiết bị không thể duy trì ở nhiệt độ này do vậy cần phải cân nhắc khi chọn giá trị mới. III_2_2_2. Điều khiển nhiệt độ theo luật điều khiển tỉ lệ(P): a. Lý thuyết: - Trong điều khiển On/Off chỉ cần có một sai lệch nhỏ so với điểm đặt cũng làm cho thiết bị điều chỉnh tác động như khi có sai lệch lớn. Tuy nhiên điều này thuận lợi để sắp xếp vị trí của phần tử điều chỉnh sao cho nó liên quan trực tiếp với sai lệch. Đây là cách điều khiển tỉ lệ. - Trong điều khiển tỷ lệ để đạt được giá trị mong muốn thì vị trí của thiết bị điều chỉnh thường nằm ở trung tâm dải tỷ lệ. Ví dụ van sẽ mở 50% khi nhiệt độ được duy trì ở trạng thái làm việc bình thường của tải. Dải tỷ lệ là một dải các giá trị của quá trình điều khiển mà các thiết bị điều chỉnh sẽ làm việc trong phạm vi dải đó. Dải tỷ lệ mà quáhẹp thì thường được hướng về quá trình điều khiển ON/Off, bởi vì một thay đổi nhỏ trong quá trình sẽ dẫn đến thay đổi lớn tín hiệu ra điều khiển . Ngược lại dải tỷ lệ quá lớn thì sẽ dẫn đến quá trình điều khiển chậm và luôn tồn tại sai lệch. - Trong bài thực hành này bộ điều khiển áp dụng luật tỷ lệ cho Servo Van của TPR với biến xử lý là nhiệt độ tại T5. Servo Van sẽ điều chỉnh lưu lượng dòng chảy một với mục đích đạt được nhiệt độ tại T5 theo mong muốn. Có thể thay đổi dải tỷ lệ và quan sát kết quả trên hệ thống và đồ thị. - Cấp nguồn cho BPR và nối các van Servo như bài điều khiển nhiệt độ theo vòng kín, trên TPR nối ghép như sơ đồ hình 3. 12.  b. Các làm- sơ đồ ghép nối thiết bị: - Ghép nối thiết bị như ở trong sơ đồ hình 3. 13. - Bật bộ ghép nối (PI) và chờ khoảng 10 phút để cho nước nóng lên. - Khi nước đã đủ thời gian để nóng lên, bật bơm của TPR và bật quạt làm mát. - Đặt TTT ở vị trí hiển thị T5, mở 100% van tay của TPR, máy tình sẽ tự động đặt điều kiện đầu cho 38- 300, bật bộ ghép nối (PI) của TPR, bật bơm và chờ cho Servo van ổn định. Sử dụng MV2 để đặt lưu lượng là 1lít/ phút, bây giờ hãy chuyển 38- 300 sang chế độ tự động. - Như đã được giải thích, giá trị đặt được hạn chế từ 0 đến 50% và vậy đò thị được vẽ trên phạm vi rộng do vậy ta có thể quan sát được toàn dải. Điều này cho phép bạn có thể khảo sát được đáp ứng của hệ thống một cách đầy đủ. - Thay đổi dải tỉ lệ và quan sát ảnh hưởng của nó đến sự hoạt động của hệ thống. c. Kết quả bài thí nghiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 40 Dải tỉ lệ : PB = 5 Nhiệt độ môi trường : tmt = 360C. III_2_2_3. Điều khiển nhiệt độ theo luật điều khiển tỉ lệ- tích phân (PI): a. Lý thuyết: - Thành phần tích phân làm cho tốc độ tác động của phần tủ điều chỉnh tỷ lệ với sai lệch. Vì thế khi có thêm thành phần tích phân vào vị trí của phần tử điều chỉnh sẽ tỉ lệ với biên độ và khoảng thời gian xuất hiện sai lệch. Cứ khi có sai lệch thì van Servo sẽ tiếp tục đóng hoặc mở theo một tốc độ tỷ lệ với sai lệch cho đến khi đạt được giá trị đặt. - Mặc dù sai lệch được hạn chế but6 luật điều khiển PI vẫn có nhược điểm sau: + Thời gian để qui trình lớn hơn so với luật. + Đối với sai lệch âm thành phần tích phân sẽ đưa topàn bộ dải tỉ lệ về phái giá trị mong muốn cho đến khi quá trình dkih đạt tới giá trị đó. - Bìa này bộ điều khiển áp dụng luật điều khiển PI để điều khiển Servo van trên TPR với biến xử nlý là T5. Mục đích là để điều chỉnh dòng chảy 1 sao cho đạt được nhiệt độ tại T5 như mong muốn. - Có thể thay đổi giá trị của PI, sau đó quan sát kết quả trên hệ thống và đồ thị đáp ứng. Cấp nguồn cho BPR và nối Servo van như bài điều khiển nhiệt độ theo vòng kín, trên TPR nối ghép như sơ đồ hình 3. 22. b. Cách làm: - Ghép nối các thiết bị như ở trong hình 3. 14 - Bật bộ ghép nối (PI)của TPR và chờ khoảng 10 phút để cho nước nóng lên. - Khi nước đã đủ thời gian để nóng lên, bật bơm của TPR và bật quạt làm mát. - Đặt công tấưc của TTT ở vị trí hiển thị T5, mở 100% van tay của TPR. - Máy tính sẽ tự động đặt điều kiện đầu cho 38- 300, bật bộ ghép nối (PI) của BPR, bật bơm và chờ cho Servo van ổn định, dùng MV2 để đặt lưu lượng là 1lít/ phút, chuyển 38- 300 sang chế độ tự động. - Lúc đầu bài thí nghiệm hoạt độn với luật điều khiển tỉ lệ do vậy ta có thể thay đổi dải tỷ lệ và làm quen với hệ số khuyếch đại để tìm ra giá trị của nó mà tại đó hệ thống ổn định với một sai số nào đó. - Bây giời hãy đưa thành phần tích phân vào, lúc đầu thời gian tích phân được đặt là 50(s), sau đó giảm dần thời gian tích phân và quan sát ảnh hưởng của nó đến sai lệch của hệ thống. Thay đổi tất cả các tham số và quan sát đáp ứng của hệ thống. Chú ý: Mặc dù thành phần tích phân trên thanh điều khiển kà 0 nhưng đây không phải là giá trị của bộ điều khiển. Hoạt động tích phân giảm khi thời gian tích phân tăng và hoạt động tích phân đóng khi Ti = 7201. c. Kết quả bài thí nghiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 40 Dải tỉ lệ : PB = 7.5 Hằng số thời gian tích phân : Ti = 10 Nhiệt độ môi trường : tmt = 340C III_2_2_4. Điều khiển nhiệt độ theo luật điều khiển tỉ lệ- tích phân- đạo hàm(PID): Lý thuyết: - Đối với các quá trình có vận tốc dài lớn và quá trình truyền chậm trễ, ở nơi tải thay đổi bất ngờ hoặc duy trì thì muốn điều khiển quá trình đạt kết quả tốt phải dùng bộ điều khiển áp dụng luật PID. - Thành phần đạo hàm của luật cho phép phát hiện sai số khi chúng thay đổi nhanh và tạo thêm tín hiệu để tính toán nó, điều này rất quan trọng đối với một số tình huống. Ví dụ khi nhiệt độ trung tâm của lò phản ứng hạt nhân tăng ồ ạt do có lỗi nào đó trng thiết bị, điều này có thể làm chảy lỏng các thiết bị. Bằng cách tạo ra một tín hiệu điều khiển lớn thì quá trình sẽ trở lại trạng thái ban đầu với một thời gian ngắn hơn. Nó tạo ra một quá trình bù lớn đối với những sai số thay đổi nhanh để ngăn chặn sai số tiếp tục thay đổi. - Thành phần đạo hàm năng cho hệ thống không bị lỗi bằng cách tạo ra một tín hiệu điều khiển lớn và làm chậm quá trình tiếp cận điểm đặt với mục đích tránh quá điều chỉnh. Tuy nhiên đối với các quá trình mà biến xử lý thay đổi chậm ví dụ như thiết bị xử lý nhiệt việc thêm thành phần đạo hàm vào không thể hiện được tác dụng của nó nhiều. - Bài thực hành này dùng luật PID để điều khiển nhiệt độ của dòng chảy thứ nhất, có thể thay đổi các tham số của luật và quan sát kết quả, rút ra kết luận về ảnh hưởng của thành phần đạo hàm. - Cấp nguồn cho BPR và ghép nối Servo van như bài điều khiển nhiệt theo vóng kín, trên TPR nối ghép như sơ đồ hình 3.  b. Cách làm: - Ghép nối các thiết bị như ở trong sơ đồ hình 3. 15. - Bật bộ ghép nối (PI)của TPR và chờ khoảng 10 phút để cho nước nóng lên, mở 100% van tay của TPR. - Khi nước đã đủ thời gian để nóng lên, bật bơm của TPR và bật quạt làm mát, đặt TTT để hiênt hị nhiệt độ cệntT, mở 50% van tay của TPR. - Máy tính sẽ tự động đặt điều khiển đầu cho 38- 300, bật bộ ghép nối (PI) của BPR, bật bơm, mở 100% van MV2 và chở cho Servo van ổn định, chuyển 38- 300 sang chế độ tự động. - Bài thí nghiệm này được bắt đầu bầng luật điều khiển PI, các tham số được lấy như ở bài thí nghiệm trước. Thành phần tích phân được đưa vào nhờ một công tắc ở trên màn hình do vậy có thể so sánh được giữa hai luật điều khiển PI và PID. Thành phần đạo hàm sẽ cải thiện đáp ứng của hệ thống khi có sai số thay đổi nhanh và hãm khi đáp ứng đạt tới điểm đặt. Lúc đầu ta cho thành phần đạo hàm ở giá trị Max sau đó giảm dần đến khi hệ thống đạt ổn định thì dừng lại. c. Kết quả bài thí nghiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 40 Dải tỉ lệ :PB = 7 Nhiệt độ môi trường :tmt = 360C Hằng số thời gian tích phân : Ti= 10 Hằng số thời gian tích phân : Td= 30 III_2_2_5. Điều khiển tỉ lệ theo luật tỉ lệ- tích phân(PI): a. Lý thuyết: - Bơm của BPR là loại bơm được bảo vệ khỏi sự đốt cháy và đặt chìm trong nước ở đáy của bể dươid. Nhiệm vụ của nó là đưa nước từ bể dưới kên bể trên. Một động cơ một chiều để đóng cắt bơm và PI sẽ cấp nguồn cho nó, thồn số của bơm là 12V, 4V. Loại bơm này là bơm li tâm chứ không phải là bơm pit tông và bơm quay. Bơm li tâm được dùng trong trường hợp chất lỏng chảy nhanh và áp suất thấp, muốn cắt dòng chảy của bơm thì chỉ cần đóng van MV2. Đặc điểm của loại bơm này là: khồn có khoá không khí, rô to được đặt trong nước nên tránh bị phá hỏng bởi nhiệt độ cao. - Trong bài này bạn sẽ cho bơm hoạt động để tính toán lưu lượng (l/ phút) chảy qua đường ống. Lưu lưưọgn tối đa mà bơm có thể cung cấp là 300 l/ giờ, tuy nhiên thực tế lưu lượng nhỏ hơn bởi vì kích thước đường ống nhỏ, do sự cản trở của bề mặt bên trong đường ống vad do áp suất của nước ở bể trên. Chỉnh nguồn dòng tới 20 mA để mở hết cỡ van Servo. b. Cách làm: - Ghép nối các thiết bị như ở trong sơ đồ hình 3. 16a và 3. 16b. - Mở 100% van tay của TPR và BPR, bật bộ ghép nối (PI) của TPR và BPR để cấp nguồn cho bộ gia nhiệt, chờ khoảng 10 phút đế cho nước nóng lên. - Máy tính sẽ tự động đặt dk cho cả hai bộ điều khiển, tuy nhiên tín hiệu truyền lại được đặt ở trong bộ điều khiển thứ nhất theo chỉ dẫn sau: Trên bộ điều khiển chọn RETRAN OUTPUT vad đặt các tham số như sau: TYPE- PU, RET- HI: 20.0, RET- LO: 4.0. - Bật bơm của BPR và đặt bộ điều khiển của BPR ở chế độ tự động. - Bật bơm của TPR và đặt bộ điều khiển của TPR ở chế độ tự động. - Quan sát hai đại lượng đo được: + Biến đo 1 là lưu lượng của dòng chảy thứ 2 + Biến đo 2 là lưu lượng của dòng chảy thứ 1 - Khi hệ thống đã ổn định tại giá trị đặt, gây nhiễu loạn cho dòng chảy thứ hai bằng cách đóng tạm thời MV2, điều gì sẽ xảy ra ? Tại sao ? - Trong bài thí nghiệm này không cần thiết bật bộ gia nhiệt như trong quá trình điều khiển lưu lượng theo luật tỉ lệ. Tuy nhiên mục đích của điều khiển quá trình là để giữ cho lưu lượng là hằng số giữa hai dòng chảy thông qua bộ trao đổi nhiệt, vì vậy giữ được sự truyền mhiệt là hằng số nên lưu lượng được duy trì. Đặt bộ chuyển đổi TTT 38- 441 ở vị trí hiển thị T2 và làm lại bài thí nghiệm. c. Kết quả bài thí nghiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 25 Dải tỉ lệ :PB = 175 Hằng số thời gian tích phân : Ti= 5 III_2_2_6. Điều khiển nhiệt độ và lưu lượng theo mạch vòng kép: a. Lý thuyết: - Trong một số trường hợp nếu chỉ dùng một bộ điều khiển(điều khiển theo vòng đơn) thì sẽ không thể điều khiển tự động được. Vì thế việc dùng hai bộ điều khiển (điều khiển vòng kép) là điều cần phải làm như điều khiển cùng lúc cả hai dòng chảy 1 và 2. - Bìa thực hành này dựa trên nền tảng của quá trình điều khiển nhiệt độ và lưu lượng, tham số cần điều khiển là lưu lượng và nhiệt độ của dòng chảy thứ hai. - Điều khiển lưu lượng của dòng chảy thứ hai(BPR) thì giống như bài thực hành trước, trong đó lưu lượng đặt và thời gian rích phân có thể thay đổi trên màn hình. Dải tỉ lệ ban đầu đặt 120 và cũng có thể thay đổi trên màn hình. - Nhiệt độ cần điều khiển ở T5 được điều khiển bởi dòng chảy mang nhiệt thứ nhất, mỗi quá trình điều khiển có một bộ điều khiển riêng(lưu lượng và nhiệt độ ) do đó sẽ tồn tại hai mạch vòng riêng. Dòng chảy một do bộ điều khiển thứ hai điều khiển và sử dụng thanh điều khiển trên màn hình để thay đổi PB, Tr, Td. - Cấp nguồn cho BPR và ghép nối các Servo van giống như bài điều khiển nhiệt theo vòng kín. b. Cách làm- sơ đồ ghép nối thiết bị: - Ghép nối các thiết bị như ở trong sơ đồ hình 3. 17a và 3. 17b. - Bật bộ ghép nối (PI) của TPR và BPR để cung cấp nguòn cho bộ gia nhiệt, chờ khoảng 10 phút để cho nước nóng lên. - Máy tính sẽ tự độnh đặt điều kiện đầu cho 38- 300. - Mở 100% van MV2, bật bơm của BPR vad đặt bộ điều khiển của BPR ở chế độ tự động. - Mở hoàn toàn van tay của TPR, bật bơm và quạt làm mát của TPR, đạt bộ điều khiển của TPR ở chế độ tự động. - Giá trị đo thứ nhất la lưu lượng của mạch vòng thứ hai, giá trị đo thứ hai là nhiệt độ tại T5. - Thay đổi một số giá trị đặt và quan sát hai giá trị đo khi quá trình đang tiến hành. c. Kết quả bài thí nhgiệm: Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 20 Dải tỉ lệ :PB = 70 Hằng số thời gian tích phân : Ti= 10 Các thông số của bài thí nghiệm: Lượng đặt : SP = 40 Dải tỉ lệ :PB = 10 Hằng số thời gian tích phân : Ti= 8 III_2_2_7. Điều khiển nhiệt độ và mức theo mạch vòng kép: a. Lý thuyết: Trong một số quá trình việc thực hiện điều khiển tự động với mạch vòng đơn trở nên khó khăn. Do vậy, người ta phải sử dụng đến hai mạch vòng hoặc mạch vòng kép. Sau đây ta trình bày về mạch vòng kép sử dụng hai bộ điều khiển để điều khiển lưu lượng của dòng chảy thứ nhất và dòng chảy thứ hai. Bài thí nghiệm này dựa trên sự dự đoán về quá trình điều khiển nhiệt độ và lưu lượng. Các tham số điều khiển ở đây là lưu lượng và nhiệt độ của dòng chảy thứ hai. Diều khiển lưu lượng của mạch vòng thứ nhất cũng giống như trong bài thí nghiệm trước, trên màn hình ta có thể thay đổi được giá trị đặt lưu lượng và thời gian tích phân, dỉa tỉ lệ đầu tiên đặt là 120 nhưng ta cũng có thể thay đổi được ở trên màn hình. Nhiệt độ của dòng chảy thứ hai là nhiệt độ được hiển thị tại T5 và được điều khiển bởi chất lỏng nóng của dòng chảy thứ nhất. Nhiệt độ và lưu lượng được điều khiển bằng bộ điều khiển riêng, vì vậy tồn tạihai mạch vòng riêng rẽ. Lưu lượng của dòng chảy thứ nhất được điều khiển bằng bộ điều khiển thứ hai, ta có thể thay đổi được các tham số sau: giá trị đặt, dải tỉ lệ, thời gian tích phân. Thiết bị trên BPR được lắp đặt như sau: - Nối đầu ra của nguồn 240 V ở phía sau của bộ ghép nối (PI) với BPR. Nối Servo van trên BPR với đầu vào dạng dòng điện của servo van với đầu ra của nguồn dòng, xoay núm điều chỉnh của nguồn dòng theo chiều kim đồng hồ để mở servo van, ta cũng làm tương tự với servo van của TPR. Cách làm- Sơ đồ ghép nối thiết bị: Ghép nối các thiết bị như ở trong hình 3. 18a, 3. 18b. Mở van tay của TPR, đặt TTT ở vị trí B, mở 100% van MV2 của BPR và biến đo hai là nhiệt độ tại T5. Bởt cả hai bộ ghép nối (PI), khi đó bộ gia nhiệt được cấp nguồn, chờ khoảng 10 phút để cho nước nóng lên. Máy tính sẽ tự động đặt điều kiện đầu cho 38- 300. Bởt bơm của BPR và chuyển 38- 300 của TPR sang chế độ tự động. Tham số điều khiển là nhiệt độ và mức trong mạch vòng thứ hai, khi điều khiển nhiệt độ sử dụng luật điều khiển PID là thích hợp. Trên BPR cả bơm và SV2 được đóng cắt bằng công tắc trên bộ ghép nối(PI), điêù này cũng được làm tương tự đối với bơm và quạt của TPR.  c. Kết quả bài thí nghiệm : Các thông số của bài thí nghiệm của BPR: Lượng đặt : SP = 20 Dải tỉ lệ :PB = 10 Hằng số thời gian tích phân : Ti= 10 Các thông số của bài thí nghiệm của TPR: Lượng đặt : SP = 40 Dải tỉ lệ :PB = 20 Hằng số thời gian tích phân : Ti= 10 MỤC LỤC