Đề tài Tự động điều chỉnh tốc độhỗn hợp dòng khí bằng bộ điều chỉnh đa vòng

- 1 - MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nước ta đã có những bước phát triển vượt bậc. Lượng sản phẩm sản xuất ra không những cung cấp đủ nguồn lương thực thực phẩm cho đất nước mà còn được xuất khẩu ra thị trường thế giới. Với những thành tựu to lớn đã đạt được của ngành nông nghiệp một lượng lớn các sản phẩm nông sản cho đất nước tiêu dùng cũng như xuất khẩu cần phải được bảo quản. Rất nhiều nơi ở trong nước cũng như thế giới nông sản sau khi thu hoạch không được bảo quản tốt đã ảnh hưởng rất nhiều đến phẩm chất, chất lượng. Do vậy mà giá thành bị giảm sút, vì thế công việc bảo quản nông sản sau thu hoạch là cần thiết và quan trọng, nó quyết định đến giá trị sản phẩm của nông sản. Phương pháp chủ yếu và hữu hiệu cho quá trình bảo quản là quá trình sấy. Vì tính chất đa dạng, phong phú và phức tạp của các loại hình nông sản mà đặc điểm của chúng rất khác nhau. Đặc biệt về kỹ thuật bảo quản cũng không giống nhau. Mặt khác sản phẩm nông nghiệp ở nước ta quanh năm bốn mùa đều có thu hoạch thời gian bảo quản khá dài lúc nào cũng có sản phẩm để bảo quản dự trữ. Cho nên vấn đề đặt ra là phải đảm bảo tốt chất lượng của nông sản mà chúng ta cần bảo quản. Đối với các loại nông sản dùng làm giống để tái sản xuất mở rộng, chúng ta phải giữ gìn tốt để tăng cường tỷ lệ nảy mầm, sức nảy mầm, để tăng số lượng cho vụ sau. Còn đối với những nông sản dùng làm nguyên liệu cho chế biến tiêu dùng xã hội chúng ta phải hạn chế mức thấp nhất sự giảm chất lượng của sản phẩm. Hơn nữa việc nâng cao chất lượng sản phẩm nông sản, chịu tác động rất lớn từ việc bảo quản. Từ những nhận định tổng quát về đặc điểm của nông sản như trên ta thấy. Như vậy ở mỗi loại nông sản khác nhau sẽ có một đặc tính sấy khác nhau. Trong quá trình sấy thì nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ hỗn hợp dòng khí là các thông số rất quan trọng nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của quá trính sấy. Nó tạo - 2 - ra môi trường tác động vào vật sấy làm cho sự biến đổi sinh, lý, hoá trong vật sấy theo một hàm nhất định nào đó, đảm bảo sau khi sấy sản phẩm phải đạt được yêu cầu đặt ra. Hơn thế nữa chất lượng sản phẩm quyết định bởi sự ổn định của môi trường sấy. Phương pháp ổn định các thông số trên thật sự có hiệu quả khi áp dụng các thành tựu của khoa học kĩ thuật. Ngày nay cùng với sự tiến bộ vượt bậc của ngành khoa học kỹ thuật đặc biệt sự phát triển về công nghệ thông tin, điện, điện tử, vi xử lí, tự động hoá, điều khiển tự động…đã góp phần lớn lao trong việc giải quyết các bài toán điều khiển tự động. Vì vậy điều khiển và ổn định các thông số của tác nhân sấy là hết sức quan trọng. Ở các hệ thống sấy công nghiệp hiện nay trong nước và ngoài nước, người ta chỉ chú trọng nhiều về việc điều khiển nhiệt độ hỗn hợp dòng khí chứ chưa quan tâm nhiều đến tốc độ của dòng khí chuyển động với vận tốc bao nhiêu trong quá trình sấy. Trước những thiếu xót và yêu cầu đặt ra cho ngành công nghệ sấy và được sự phân công của bộ môn và Thầy Nguyễn Văn Đường tôi tiến hành thực hiện nghiên cứu đề tài “ Tự động điều chỉnh tốc độ hỗn hợp dòng khí bằng bộ điều chỉnh đa vòng”. 2. Mục đích của đề tài Xây dựng hệ thống thí nghiệm quá trình sấy nông sản, từ đó nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ hỗn hợp dòng khí đến quá trình sấy. Tìm hiểu lý thuyết điều khiển tự động để giải quyết yêu cầu bài toàn đặt ra. Tổng hợp hệ thống điều khiển tìm ra tham số bộ điều chỉnh phù hợp. 3. Nội dung Tìm hiểu công nghệ sấy một số loại nông sản quen thuộc, xây dựng mô hình vật lý cho hệ thống thí nghiệm quá trình sấy nông sản và nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ hỗn hợp dòng khí. Sau đó tổng hợp hệ thống điều - 3 - khiển tốc độ, tính toán tham số bộ điều chỉnh và mô phỏng. Cuối cùng tính toán thiết kế mạch điều khiển và thí nghiệm chạy thử, lấy kết quả. 4. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết được các nội dung yêu cầu của bài toán trên ta cần thực hiện nghiên cứu theo hướng sau. Kế thừa các kết quả của thế hệ trước về lý thuyết và phương pháp thực hiện quá trình thí nghiệm sấy. Đồng thời bằng kiến thức về điều khiển tự động cũng như các kiến thức bổ trợ khác áp dụng vào để tính toán thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ. Tổng hợp hệ thống điều khiển và tìm ra tham số bộ điều khiển phù hợp với yêu cầu. Lựa chọn thiết bị điều khiển thích hợp để xây dựng mạch điều khiển. - 4 - CHƯƠNG I KỸ THUẬT SẤY VÀ LÀM KHÔ NÔNG SẢN 1.1. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH SẤY KHÔ NÔNG SẢN Hầu hết các sản phẩm nông nghiệp để bảo quản lâu dài cần phải thông qua quá trình phơi sấy, để làm khô tới thuỷ phần yêu cầu của bảo quản. Sấy là phương pháp tương đối có hiệu quả, tạo nên tiền đề để bảo quản tốt sản phẩm. Mặt khác có nhiều sản phẩm chỉ có thông qua khâu phơi, sấy mới đảm bảo phẩm chất tốt, nâng cao được giá trị thương phẩm như chè, cà phê, thuốc lá v.v… Để bảo quản hạt thì điều kiện thích hợp của độ ẩm là ở giới hạn từ 12 – 14%. Phần lớn hạt sau khi thu hoạch về có độ ẩm cao hơn, trong điều kiện những mùa mưa độ ẩm của khí quyển cao, nên sự thoát hơi nước tự nhiên của hạt chậm lại, cho nên có nhiều trường hợp hạt ngô, lúa v.v… nhập kho có độ ẩm lên tới 20- 30%. Với độ ẩm của hạt lớn hơn 14% thì hoạt động sống tăng, hô hấp mạnh, khối hạt bị nóng và ẩm thêm. Đó là những điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật và côn trùng. Để tránh những hiện tượng trên ta phải đảm bảo độ ẩm của hạt ở 14%. Do đó đối với một nước nông nghiệp nhiệt đới như nước ta khí hậu nóng ẩm mưa nhiều thì sấy là một việc làm rất quan trọng. Độ ẩm của nông sản hạt ảnh hưởng đến chất lượng chế biến, sản lượng của bột giảm, chi phí năng lượng tăng lên do bột dính vào máy chế biến và máy sẽ nhanh hỏng. Đồng thời sản phẩm chế biến từ hạt sẽ bảo quản khó và chỉ tiêu phẩm chất sẽ thấp. Sấy nông sản là một quá trình công nghệ phức tạp, nó có thể thực hiện trên những thiết bị sấy khác nhau. Ứng với mỗi loại nông sản khác nhau ta cần chọn chế độ sấy thích hợp nhằm đạt năng xuất cao, chất lượng sản phẩm tốt tiết kiệm năng lượng. Để tìm được các chế độ sấy thích hợp cho từng loại nông sản thì ta cần phải khảo sát các mẫu nông sản nhất định để tìm được đặc tính sấy tương - 5 - ứng. Muốn vậy ta phải có thiết bị để khảo nghiệm hay hệ thống thí nghiệm quá trình sấy. 1.1.1. Đặc trưng cơ bản của quá trình sấy a. Tác nhân sấy đối lưu Môi chất sấy đối lưu thường là không khí ẩm, hỗn hợp dòng khí của không khí sau khi qua buồng đốt cũng là hỗn hợp không khí ẩm. Lượng ẩm trong không khí không bão hoà ở trạng thái hơi quá nhiệt có thể coi như là khí. Theo định luật Danton, áp suất của hỗn hợp khí chiếm một thể tích nhất định (hỗn hợp hơi không khí) bằng tổng áp suất riêng phần của các cấu tử khí. P = Pkk + Ph (1.1) Ở đây : P Áp suất khí quyển của không khí ẩm N/m2. Pkk Áp suất riêng phần của không khí khô N/m2. Ph Áp suất riêng phần của hơi nước N/m2. Ngoài áp suất khí quyển và áp suất riêng phần của hơi nước, trạng thái không khí ẩm còn được đặc trưng bằng một loại thông số: độ ẩm, độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối, hàm lượng nhiệt, hàm lượng ẩm… b. Các thông số đặc trưng * Lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí ẩm gọi là độ ẩm tuyệt đối của không khí. * Tỷ số lượng hơi nước trong 1m3 không khí ẩm đối với hàm lượng cực đại của nó trong 1m3 ở nhiệt độ và áp suất đã cho gọi là độ ẩm tương đối φ. m n S S=ϕ (1.2) Sm là lượng hơi nước cực đại ( kg/m3). Khối lượng riêng của hơi nước tỉ lệ với áp suất riêng phần của nó trong hỗn hợp khí – không khí, bởi vậy có thể biểu thị độ ẩm tương đối bằng tỉ số áp suất riêng phần của hơi nước Ph và áp suất bão hoà Pbh. - 6 - h bh P P ϕ = (1.3) Nếu Ph = Pbh → φ = 1 Pbh phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng áp, suất bão hoà Pbh tăng, φ giảm và ngược lại khi nhiệt độ giảm → Pbh giảm, φ tăng. * Hàm lượng ẩm của không khí Là lượng nước có trong 1kg không khí khô. dx 1000 = (1.4) h h h bh P .P d 622. 622. P-P P- .P ϕ ϕ= = (1.5) * Nhiệt dung của không khí Nhiệt dung là lượng nhiệt cần thiết để làm nóng 1kg vật chất từ 0oC đến toC ở áp suất không đổi, còn gọi là nhiệt dung của vật đó. Nhiệt dung của không khí ẩm có thể coi như tổng số giữa hai đại lượng: nhiệt dung của không khí khô và nhiệt dung hơi nước. C = Ck + Cn (1.6) n dC = 1000 .Ch.nước (1.7) k dC = C + 1000 .Ch.nước (1.8) Trong đó: C là nhiệt dung của không khí ẩm. Ck là nhiệt dung riêng của không khí khô. Cn nhiệt dung riêng của hơi nước. Đơn vị của C là J/kg.oC. 1.1.2. Bản chất của quá trình sấy Sấy là một quá trình phức tạp, nó là sự kết hợp của hai quá trình truyền nhiệt và truyền chất. Hai quá trình này xảy ra trên bề mặt vật sấy, do sự liên kết với tác nhân sấy và trong lòng vật sấy. Đặc trưng cơ bản của quá trình sấy là sự - 7 - thay đổi độ ẩm trung bình và nhiệt độ trung bình của vật sấy theo thời gian. Những qui luật này của quá trình sấy cho phép tính toán lượng hơi nước bốc ra từ vật liệu sấy và lượng nhiệt tiêu thụ từ quá trình sấy. Độ đồng đều của quá trình sấy, được đánh giá thông qua sự thay đổi tốc độ chứa ẩm cục bộ u và nhiệt độ cục bộ t trong lòng vật sấy. Những sự thay đổi này, phụ thuộc vào mối tương quan của quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong lòng vật sấy, đồng thời phụ thuộc vào quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi về chất của bề mặt vật sấy với tác nhân sấy. Việc xác định trường chứa ẩm u(x,y,z,τ) và trường nhiệt độ t(x,y,z,τ) trong lòng vật sấy là hết sức phức tạp. Nó đòi hỏi phải giải hệ phương trình vi phân các quá trình truyền nhiệt, truyền chất với các điều kiện biên thích hợp, tương ứng với phương pháp và chế độ sấy. Đây là các hệ phương trình vi phân phi tuyến chỉ có thể giải được bằng phương pháp tuyến tính hoá gần đúng. Để mô tả quá trình trao đổi nhiệt và chất của vật ẩm với môi trường xung quanh cần phải nắm vững các qui luật cơ bản của quá trình sấy vật ẩm. Trước hết hãy phân tích quá trình sấy vật ẩm đơn giản nhất bằng không khí nóng với các thông số cố định (nhiệt độ không khí tk, độ ẩm tương đối φ và tốc độ của nó v). Vật thí nghiệm quá trình sấy ở đây là vật mỏng có bề mặt trao đổi lớn và hiệu độ chứa ẩm trong vật nhỏ. Đặc trưng cơ bản của quá trình sấy vật ẩm thể hiện rõ tính thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ cục bộ theo thời gian. Các qui luật này phải được khảo sát đồng thời trong các mối quan hệ với nhau. Nếu nhiệt độ và tốc độ không khí không lớn, độ ẩm của vật sấy cao thì quá trình xảy ra tương đối mềm và có thể chia thành ba giai đoạn được mô tả trong Hình 1.1. Giai đoạn một kể từ thời điểm bắt đầu quá trình sấy, vật sấy có nhiệt độ bề mặt và tâm bằng nhau và bằng t0 với độ ẩm φ0. Nhiệt độ của vật sấy tăng lên, trong đó nhiệt độ bề mặt tm tăng nhanh hơn nhiệt độ tâm ti chút ít. Giai đoạn một - 8 - kết thúc khi nhiệt độ của vật sấy đạt đến nhiệt độ của nhiệt kế ướt. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn làm nóng vật sấy, thời gian của giai đoạn này ngắn so với thời gian của toàn bộ quá trình sấy. Độ ẩm của vật sấy trong giai đoạn này xảy ra không đáng kể. Hình 1.1. Sự thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ vật trong quá trình sấy OA giai đoạn 1; AB giai đoạn 2; BC giai đoạn cuối Giai đoạn hai được gọi là giai đoạn tốc độ sấy không đổi, bắt đầu từ thời điểm nhiệt độ vật sấy đạt đến nhiệt độ của nhiệt kế ướt. Trong giai đoạn này nhiệt lượng chủ yếu cung cấp để bốc hơi ẩm, nhiệt độ của vật sấy không tăng. Ẩm trên bề mặt vật sấy bốc hơi vào không khí, trong lòng vật sấy tồn tại quá trình truyền ẩm từ trong lòng vật ẩm ra bề mặt của nó. Do nhiệt độ không khí nóng tc không đổi và nhiệt độ vật sấy không đổi, nghĩa là chênh lệch nhiệt độ của không khí nóng và vật sấy không đổi. Như vậy tốc độ bốc hơi ẩm từ bề mặt sấy vào môi trường sấy không đổi. Đồ thị độ chứa ẩm trong vật có độ dốc không đổi. Giai đoạn này là giai đoạn bốc ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt đến trị số độ ẩm cân bằng thì giai đoạn tốc độ sấy không đổi kết thúc và bắt đầu giai đoạn cuối cùng của quá trình sấy. Giai đoạn thứ ba của quá trình sấy bắt đầu từ thời điểm ẩm tự do đã bốc hơi hết và chuyển sang bốc hơi ẩm liên kết. Để tách ẩm liên kết ra khỏi vật sấy - 9 - đòi hỏi phải có năng lượng lớn hơn nên nhiệt độ của vật sấy tăng lên (nhiệt độ ẩm tăng lên), năng lượng liên kết truyền từ không khí nóng sang vật sấy giảm xuống nên tốc độ bốc hơi ẩm giảm xuống, vì vậy giai đoạn này gọi là giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Độ chứa ẩm của vật càng giảm, thì mối liên kết của ẩm với vật càng tăng, năng lượng để tách ẩm càng tăng, nhiệt độ của vật càng tăng, hiệu nhiệt độ giữa không khí nóng và vật giảm và tốc độ bốc hơi giảm. Khi độ ẩm của vật giảm đến độ ẩm cân bằng φc thì kết thúc quá trình trao đổi ẩm giữa vật sấy và không khí nóng, nhiệt độ của vật sấy bằng nhiệt độ của không khí nóng, quá trình truyền nhiệt cũng chấm dứt, kết thúc quá trình sấy. Trong quá trình tăng nhiệt độ, nhiệt độ của tâm vật sấy tăng chậm hơn nhiệt độ bề mặt, nhiệt được truyền từ bề mặt vào tâm vật. Giai đoạn cuối quá trình sấy kéo dài do tốc độ bốc hơi ẩm nhỏ. Trong thực tế quá trình sấy kết thúc ở độ ẩm của vật lớn hơn độ chứa ẩm cân bằng, phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ của không khí nóng. Thực tế giai đoạn một thường xảy ra rất nhanh so với giai đoạn thứ hai nên giai đoạn này thường được kết hợp lại và được gọi là giai đoạn tốc độ sấy không đổi. Quá trình sấy được phân ra thành hai giai đoạn: giai đoạn sấy với tốc độ không đổi(nhiệt độ vật sấy không đổi) và giai đoạn sấy với tốc độ sấy giảm dần(nhiệt độ vật sấy tăng dần). Để phân tích quá trình sấy chúng ta sử dụng phương trình cân bằng nhiệt cho từng giai đoạn. - Giai đoạn sấy tốc độ không đổi Dòng nhiệt truyền từ không khí nóng sang vật là dòng đối lưu được xác định bằng công thức. qdl = α.F(tc – tv) (1.9) Trong đó : α hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa không khí nóng và vật sấy (w/m2.oC). F diện tích tiếp xúc giữa vật sấy và không khí nóng (m2). - 10 - tc nhiệt độ không khí nóng (oC) tv nhiệt độ vật sấy (oC) Dòng nhiệt tiêu thụ cho quá trình sấy. qtt =(C1G1+CnGn) v dt dτ +[r+Cph(th-tv)] n dG dτ (1.10) Trong đó: C1,Cn nhiệt dung riêng của vật khô và nước (J/kg.oC) G1,Gn khối lượng của vật khô và nước (kg) vdt dτ tốc độ tăng nhiệt độ của vật (oC/s) r nhiệt hoá hơi của nước (J/kg) Cph nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi nước (J/kgoC) th nhiệt độ hơi nước thoát ra khỏi vật (oC) ndG dτ tốc độ bốc hơi ẩm (kg/s) Từ phương trình cân bằng nhiệt qtt = qdl. Xác định được tốc độ bốc hơi ẩm: v c v n n1 1n vph h dtαF(t t ) (C G C G )dG dτ dτ r C (t t ) − − += + − (1.11) Trong giai đoạn sấy nhiệt độ không đổi, nhiệt độ của vật bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt (tu) và hơi ẩm bốc ra là hơi bão hoà, như vậy tốc độ bốc hơi ẩm được xác định theo công thức. c vn αF(t t )dG dτ r −= (1.12) - Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần: Tốc độ sấy cũng được xác định theo công thức (1.4) bề mặt bốc hơi lùi dần vào trong lòng vật sấy, nhiệt độ vật sấy cao hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt. Tốc độ bốc hơi ẩm giảm, thời gian kéo dài. - 11 - 1.2. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH SẤY Để có thể điều khiển các thông số trên thì cần phải biết sự ảnh hưởng của các tham số đến quá trình sấy. *Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy đến quá trính sấy Hình 1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sấy Nhiệt độ của tác nhân sấy càng cao thì thời gian sấy càng ngắn và tốc độ sấy tăng. Nguyên nhân do sự chệnh lệch nhiệt độ giữa tác nhân sấy và nhiệt độ bề mặt vật sấy tăng, thúc đẩy quá trình truyền nhiệt và ẩm cả trong vật sấy và từ bề mặt sấy sang tác nhân sấy từ đồ thị ta thấy t3 > t2 > t1. * Ảnh hưởng của độ ẩm tác nhân sấy Hình 1.3. Ảnh hưởng độ ẩm đến quá trình sấy Độ ẩm của tác nhân sấy càng cao thì thời gian sấy càng tăng và ngược lại thật vậy từ đồ thị ta có φ1 > φ2> φ3. - 12 - * Ảnh hưởng tốc độ dòng khí Hình 1.4. Ảnh hưởng tốc độ đến quá trình sấy Tốc độ tác nhân sấy càng lớn, thì thời gian sấy càng giảm. Thật vậy khi tốc độ tăng thì sự thoát nước trên bề mặt vật sấy càng nhanh. Trên đồ thị tốc độ dòng khí v3 > v2 > v1. 1.3. CHẾ ĐỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP SẤY 1.3.1. Chế độ sấy Đối với mỗi loại nông sản khác nhau, có chế độ sấy khác nhau. Chế độ sấy phải đảm bảo sao cho sản phẩm khô đều, đồng thời giữ được giá trị thương phẩm. Muốn vậy khi sấy sản phẩm cần phải : chọn nhiệt độ không khí nóng thích hợp, chọn tốc độ hỗn hợp dòng khí và chọn thời gian sấy phù hợp với mỗi loại sản phẩm. a. Chế độ sấy của một số loại hạt Sấy hạt lúa mì: Phải đảm bảo số lượng và chất lượng gluten. Ở nhiệt độ sấy t > 50oC gluten bị biến dạng còn ở nhiệt độ t < 50oC không bị biến dạng. Cho nên khi sấy lúa mì không nên sấy ở nhiệt độ t ≥ 50oC. Sấy lúa nước: Theo tài liệu nghiên cứu của viện nghiên cứu hạt Liên Xô thường sấy ở nhiệt độ 50oC. Vì ở nhiệt độ này đường và chất béo không bị biến dạng và không nứt vỏ. Ở nước ta thường sấy ở nhiệt độ 35-40oC. - 13 - Sấy ngô: Ngô thu hoạch về thường có độ ẩm cao, xấp xỉ 35%. Ẩm tối đa để bảo quản lâu dài không vượt quá. Đối với ngô bắp là 20%, đối với ngô hạt nếu thời gian dài là 12-13% nếu thời gian vài tháng là 15%. Do đó nếu sấy ngô ở nhiệt độ cao hơn 50oC sẽ xảy ra hiện tượng lớp vỏ ngoài khô nhanh làm cản trở không cho nước ở trong thoát ra ngoài, cho nên lúc đầu mà sấy ở nhiệt độ quá cao thì không tốt. Người ta thường sử dụng các dàn phơi và kho có quạt gió để phơi khô bắp và dùng phương sấy bằng không khí nóng. Nhiệt độ sấy giới hạn không vượt quá với hạt ngô thay đổi tuỳ theo mục đích sử dụng của nó. Cụ thể ngô giống sấy ở nhiệt độ 45oC, ngô dùng để chế biến sấy ở nhiệt độ 80oC, ngô dùng làm thức ăn gia súc sấy ở nhiệt độ 100oC. Các loại hạt thuộc họ đậu: đậu đỗ có vỏ ngoài rất bền, nếu sấy ở nhiệt độ cao quá vỏ sẽ bị nhăn cứng lại làm cho nước trong hạt không thoát ra ngoài được và sẽ làm cho hạt tách làm đôi. Do vậy sấy đậu phải sấy qua nhiều đợt. Đợt đầu không quá 30oC (có thể phơi nắng) nếu nhiệt độ quá 30oC protein của hạt bị biến dạng, sau đó để nguội lúc này độ ẩm thoát ra ngoài. Sau đó ta sấy ở nhiệt độ ≤ 30oC, nước sẽ dễ bay hơi hơn. b. Chế độ sấy một số sản phẩm cây công nghiệp Sấy cà phê: cà phê ban đầu sấy ở nhiệt độ 75-80oC về sau có thể giảm xuống 45oC. Do điều kiện nhiệt độ hạ đột ngột, làm cho lớp vỏ lụa tách ra và như vậy tạo diều kiện cho việc sát khô được dễ dàng. Sấy thuốc lá gồm 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Lúc đầu nhiệt độ 32oC ẩm độ 85-96%. Khi ngọn lá bắt đầu vàng thì sấy từ 32oC lên 35oC. Khi 1/3 diện tích lá vàng thì tăng nhiệt độ lên 36- 40oC, ẩm độ 70-80%. Giai đoạn 2: Ở giai đoạn này lúc đầu giữ nhiệt độ ở 45-48oC mở cửa thoát ẩm, thông gió giữ độ ẩm không quá 70% sau đó tăng nhiệt độ lên 60-70oC và mở toàn bộ cửa thoát ẩm để hơi nước thoát ra nhanh chóng làm thuốc khô nhanh. - 14 - Giai đoạn 3: Giai đoạn này tăng dần nhiệt độ lên tới hơn 80oC, đóng dần cửa thoát ẩm, thông gió, xong cũng không nên tăng nhiệt độ quá cao. 1.3.2. Phương pháp thực hiện quá trình sấy Qua tìm hiểu chế độ sấy một số loại nông sản cho ta thấy, ở mỗi một loại nông sản khác nhau, cần có một chế độ sấy thích hợp. Xong trong thực tế không phải bao giờ mọi nông sản cũng được sấy ở các chế độ riêng của nó. Vì với cùng một điều kiện sấy như nhau ở nhiều loại nông sản, sản phẩm sau khi sấy vẫn đáp ứng được yêu cầu về chất lượng và phẩm chất đặt ra. Cho nên đến nay việc áp dụng thực hiện sấy nhiều loại nông sản ở cùng một chế độ vẫn còn nhiều. Nhưng nếu chỉ quan tâm đến phẩm chất và chất lượng sản phẩm sau khi sấy thì chưa đủ. Mà với một lượng sản phẩm sấy lớn trong thời gian dài và lâu thì một đòi hỏi đặt ra cho ngành công nghệ sấy là chi phí năng lượng thực hiện quá trình sấy. Thật vậy giả sử có hai loại nông sản nào đó nếu sấy ở cùng một chế độ đều cho ra sản phẩm đảm bảo phẩm chất, chất lượng yêu cầu. Như trình bày ở trên thì dù đảm bảo về chất lượng, nhưng trong hai loại nông sản đó chắc chắn có một loại sẽ sấy ở chế độ, mà ở đó có các thông số về nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ thấp hơn so với loại nông sản còn lại mà vẫn đảm bảo về yêu cầu chất lượng. Như vậy nếu như ta biết được nông sản nào sấy ở chế độ nào, thì ta sẽ giảm được đáng kể chi phí năng luợng để thực hiện quá trình sấy đó. Do đó để đảm bảo được phẩm chất, chất lượng và chi phí cho quá trình sấy thì việc xác định được đặc tính sấy của từng loại nông sản là hết sức quan trọng và cần thiết. Để từ đó ta xác định được một chế độ và phương pháp sấy phù hợp với yêu cầu. Ở hệ thống thí nghiệm này đển khảo nghiệm đặc tính sấy của một số loại nông sản chúng tôi thực hiện thí nghiệm bằng phương pháp sấy đối lưu. - 15 - 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG I Qua chương 1 đã nêu được một vài khái niệm cơ bản về quá trình sấy và làm khô nông sản. Đồng thời phân tích được ảnh hưởng của các tham số nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ hỗn hợp dòng khí đến quá trình sấy từ đó tìm đặc trưng và chế độ sấy của một số loại nông sản. Đưa ra được lý do và tầm quan trọng của việc xác định đặc tính sấy của từng loại nông sản nhằm xác định chế độ sấy phù hợp. - 16 - CHƯƠNG II HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH SẤY NÔNG SẢN 2.1. HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM SẤY NÔNG SẢN Để thực hiện quá trình điều khiển hệ thống, ta cần đi xây dựng mô hình toán học cho hệ thống. Muốn vậy cần phải xây dựng mô hình vật lý quá trình thí nghiệm sấy để khảo sát diễn biến của nó. Mô hình vật lý quá trình thí nghiệm sấy nông sản được mô tả trong Hình 2.1. Hình 2.1. Sơ đồ mô hình thí nghiệm quá trình sấy Ở mô hình đã xây dựng được này, để điều khiển toàn bộ quá trình thực hiện thí nghiệm, chúng tôi đã nghiên cứu và quan tâm đến 3 thông số cơ bản nhất của quá trình sấy và điều khiển nó đó là nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ hỗn hợp dòng khí. Vì đây là mô hình thí nghiệm quá trình sấy nên với thời gian có hạn nên Thầy trò chúng tôi chỉ tạo và ổn định được môi trường có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió hỗn hợp dòng khí ổn định như mong muốn. - 17 - Hoạt động của mô hình như sau: Dòng không khí lạnh với lưu lượng sẽ được thay đổi tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ sấy bằng cách điều khiển tốc độ quạt gió. Sau đó được thổi qua bộ phận tạo nhiệt nằm trong ống dẫn khí để làm nóng không khí. Đồng thời sau khi qua bộ phận đốt nóng nếu cần không khí sẽ được qua bộ phận tạo ẩm. Hỗn hợp không khí sau khi có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió gần như mong muốn sẽ được thổi vào buồng trộn. Ở đây hỗn hợp không khí sẽ được trộn đều nhờ sự chuyển động hỗn loạn của các phần tử khí trong không gian buồng trộn. Sau khi hỗn hợp dòng khí vào buồng trộn sẽ được chia làm hai hướng sấy khác nhau. Thứ nhất là sấy xuyên: Dòng khí thổi theo phương thẳng đứng xuyên qua sản phẩm sấy thông qua buồng sấy 2 nhờ quạt hút được gắn trong buồng. Thứ hai là sấy bề mặt: Dòng khí thổi theo phương nằm ngang qua sản phẩm sấy thông qua buồng sấy 3. Tất cả các tham số của quá trình sấy như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió của hỗn hợp dòng khí đều được đo bằng các cảm biến tương ứng S2, S1, So. 2.2. CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM SẤY 2.2.1. Cấu tạo, chức năng, yêu cầu kỹ thuật + Buồng trộn Kích thước 700x800x700 được ép xốp ở giữa để giữ nhiệt, bên ngoài là các mặt ghép bằng nhôm và khung sắt. Đây là nơi sẽ chứa hỗn hợp không khí sấy. + Ống dẫn tác nhân sấy Gồm ba ống tròn trong đó có một ống dẫn hỗn hợp khí vào buồng trộn, còn hai ống dùng để làm buồng sấy có cùng kích thước. Chiều dài ống l = 450mm, đường kính d = 180mm. Chúng có chức năng dẫn tác nhân sấy vào buồng trộn và đến đối tượng sấy. - 18 - + Quạt gió: Động cơ quạt được chọn là động cơ xoay chiều 1 pha bao gồm ba chiếc tương ứng với ba vị trí trên sơ đồ với các thông số như sau. Điện áp cung cấp Um = 220V, cosφ = 0,8. Tốc độ n = 2800 V/phút, Im = 0,22A. Công suất P = 38W. Ở đây công suất của quạt sẽ được điều khiển ổn định theo yêu cầu mong muốn. + Các cảm biến: So, S1, S2 lần lượt là các cảm biến đo tốc độ, độ ẩm, nhiệt độ của hỗn hợp dòng khí trong thí nghiệm quá trình sấy. Và các thông số này được điều khiển thông qua các bộ điều khiển như trên Hình 2.1. 2.2.2. Cảm biến nhiệt độ Để đo và điều khiển được nhiệt độ cần phải có thiết bị cảm biến để đo được nhiệt độ của quá trình. Có nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, phần trình bày sau đây sẽ chỉ đề cập tới cảm biến sử dụng trong đề tài này đó là cảm biến nhiệt độ dạng IC bán dẫn LM335. LM335 là cảm biến đo nhiệt độ được tích hợp từ các chất bán dẫn, có thể đo nhiệt độ rất chính xác và dễ dàng chuẩn hoá. LM335 có điện áp đánh thủng tỉ lệ trực tiếp với nhiệt độ tuyệt đối là 10mV/oK. Khi kiểm tra ở 25oC thì LM335 có sai số nhỏ hơn 1oC. Không giống như các cảm biến khác, LM335 có tín hiệu đầu ra tuyến tính. LM335 được ứng dụng trong phạm vi nhiệt độ từ -40oC ÷ 100oC. Trở kháng thấp và đầu ra tuyến tính làm cho việc ghép nối mạch ra và mạch điều khiển trở nên rất đơn giản. + Các đặc điểm của LM335 - Đo trực tiếp nhiệt độ Kelvin. - Dòng làm việc từ 400µA ÷ 5mA. - 19 - - Trở kháng động nhỏ hơn 1Ω. - Kiểm tra dễ dàng. - Phạm vi nhiệt độ đo rộng. - Rẻ tiền. Chuẩn hoá LM335 Hình 2.2. Sơ đồ chuẩn hoá LM335 LM335 có một phương pháp chuẩn hoá thiết bị dễ dàng cho độ chính xác cao. Nối nhánh hiệu chỉnh của LM335 với một biến trở 10KΩ (biến trở chỉnh tinh). Bởi vì đầu ra của LM335 tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối, bằng việc điều chỉnh biến trở, đầu ra cảm biến sẽ cho 0V tại 0oK. Sai số điện áp đầu ra chỉ là sai số độ dốc(do đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ). Vì vậy, chuẩn hoá độ dốc tại một nhiệt độ sẽ làm đúng tất cả các nhiệt độ khác. Điện áp đầu ra của cảm biến được tính theo công thức: VoutT = VoutT0. o T T (2.1) Trong đó: T là nhiệt độ chưa biết. To là nhiệt độ tham chiếu. VCC R2 2.2K R1 10K 1 3 2 D1 LM335 1 3 2 Output 10mV/oK - 20 - Cả hai đều tính bằng nhiệt độ Kelvin. Bằng cách chuẩn hoá đầu ra tại một nhiệt độ, sẽ làm đúng đầu ra cho tất cả các nhiệt độ khác. Thông thường đầu ra được lấy chuẩn là 10mV/oK. Ví dụ tại 25oC ta sẽ có đầu ra có điện áp là 2,98V. Tuy nhiên, LM335 cũng như bất kỳ loại cảm biến nào khác, sự tự làm nóng có thể làm giảm độ chính xác. Ngoài ra, LM335 là loại cảm biến không thấm nước. Vì vậy, ta có thể sử dụng nó trong việc thiết kế và chế tạo cảm biến độ ẩm ở trong đồ án này. 2.2.3. Cảm biến độ ẩm Cũng như nhiệt độ, để điều khiển được độ ẩm, chúng ta cũng phải có thiết bị cảm biến cho phép đo được độ ẩm hiện tại của quá trình. Trước khi tìm hiểu nguyên tắc và các phương pháp đo độ ẩm, chúng ta cần thông qua lại một vài khái niệm sau: - Nhiệt độ bão hoà: theo nhiệt động học thì nhiệt độ bão hoà là nhiệt độ sôi hoặc ngưng tụ của nước phụ thuộc vào áp suất. - Áp suất bão hoà: áp suất tương ứng với nhiệt độ bão hoà gọi là áp suất bão hoà. Như vậy áp suất càng lớn thì nhiệt độ bão hoà càng cao. - Độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm: độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là khối lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí ẩm. Ký hiệu độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là: φa (kg/m3). Với không khí ẩm bão hoà, khối lượng hơi nước chứa trong nó là cực đại. Vì vậy, độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm bão hoà là độ ẩm tuyệt đối cực đại. Ký hiệu là φmax hay φb. - Độ ẩm tương đối của không khí ẩm: độ ẩm tương đối của không khí ẩm là tỉ số giữa độ ẩm tuyệt đối φa và độ ẩm tuyệt đối cực đại φmax. - 21 - Ký hiệu độ ẩm tương đối là φ: a a max b ϕ ϕϕ ϕ ϕ= = (2.2) Độ ẩm tương đối là một thống số quan trọng của không khí ẩm. Với định nghĩa trên đây có thể thấy rằng, độ ẩm tương đối đặc trưng cho khả năng nhận thêm hơi nước hay nói cách khác là khả năng sấy của không khí ẩm. Độ ẩm tương đối càng bé thì khả năng sấy của không khí càng lớn. Cũng từ định nghĩa thì ta thấy, đối với không khí khô (φa = 0) nên nó có độ ẩm tương đối bằng 0. Ngược lại, không khí ẩm bão hoà (φa = φmax) sẽ có độ ẩm tương đối là 100%. Như vậy, độ ẩm tương đối của không khí ẩm biến đổi trong giới hạn 0% ≤ φ ≤ 100%. + Phương pháp đo độ ẩm. Như ta đã thấy thì ta có hai khái niệm về độ ẩm là độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối. Tuy nhiên, trong thực tế thì việc xác định độ ẩm tuyệt đối là rất khó khăn, ít nhất thì chúng ta phải có các dụng cụ đo có độ chính xác rất cao, kéo theo các dụng cụ này chế tạo rất khó và rất đắt tiền. Ngay cả khi chúng ta đã có độ ẩm tuyệt đối rồi thì việc chuyển đổi thành tín hiệu đồng nhất là điện áp hoặc dòng điện để đi điều khiển cũng là cả một vấn đề. Như vậy, theo phân tích ở trên, chúng ta chỉ còn cách là đi xác định độ ẩm tương đối. Nhưng theo định nghĩa về độ ẩm tương đối thì φ lại phụ thuộc vào độ ẩm tuyệt đối. Do vậy, để xác định được độ ẩm của không khí chúng ta phải xác định được độ ẩm tuyệt đối hay phải xác định được lượng hơi nước có trong không khí ẩm. Mặt khác, theo phân tích ở trên ta thấy hơi nước bão hoà phụ thuộc vào áp suất bão hoà. - 22 - a max ϕϕ ϕ= (2.3) Thật vậy, theo nhiệt động học của không khí ẩm ta có: pa.V = Ga.Ra.T (2.4) pa.V = p.Va (2.5) Trong đó: Ga là khối lượng hơi nước (kg). Va là phân thể tích hơi nước (m3). V là thể tích không khí khô (m3). Ra là hằng số khí của hơi nước. p là áp suất của không khí ẩm (bar). pa là phân áp suất hơi nước (bar). T là nhiệt độ của không khí ẩm (oK). Từ (2.4) và (2.5) ta có biểu thức Ga.Ra.T = p.Va (2.6) p = (Ga.Ra.T)/Va (2.7) Tại T = const thì Ra = const nên: pa = φa.Ra.T (2.8) pb = φb.Ra.T (2.9) Trong đó pa, pb tương ứng là phân áp suất của hơi nước và phân áp suất của hơi nước bão hoà ứng nhiệt độ T của không khí. => a a b b p p ϕϕ ϕ= = (2.10) Áp suất bão hoà ta có thể xác định được qua nhiệt độ. Do vậy, để đo được độ ẩm ta chỉ cần đo nhiệt độ. - 23 - Hiện nay có nhiều loại ẩm kế đo độ ẩm. Tuy các ẩm kế hoạt động theo nhiều nguyên lý khác nhau nhưng cùng một cơ sở nhiệt động là đều dựa trên hiệu số nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt. Ta xét quá trình bay hơi của nước vào không khí trong điều kiện đoạn nhiệt. Vì là đoạn nhiệt nên nhiệt lượng cần thiết để nước bay hơi lấy ngay từ không khí. Do đó, lớp không khí sát ngay bề mặt bay hơi mất đi một nhiệt lượng đúng bằng nhiệt lượng bay hơi của nước. Vì vậy, nhiệt độ của lớp không khí ngay sát bề mặt bốc hơi giảm đi một lượng nào đó so với nhiệt độ không khí xa bề mặt bay hơi. Nhiệt độ lớp không khí ngay sát bề mặt bay hơi gọi là nhiệt độ nhiệt kế ướt tư và nhiệt độ không khí ở xa bề mặt bay hơi gọi là nhiệt độ nhiệt kế khô tk. Như mọi người đều biết, để đo nhiệt độ của không khí người ta có thể dùng các nhiệt kế bình thường, chẳng hạn nhiệt kế thuỷ ngân hay nhiệt kế rượu. Để xác định nhiệt độ nhiệt kế ướt người ta cũng dùng những nhiệt kế bình thường nhưng đặc biệt bầu thuỷ ngân hoặc bầu rượu được bọc một lớp bông luôn luôn thấm nước nhờ mao dẫn từ một cốc nước. Nước trong lớp bông bao quanh bầu nhiệt kế nhận nhiệt của không khí và bay hơi. Vì không khí xung quanh bầu nhiệt kế mất nhiệt lượng để cho nước bay hơi nên nhiệt độ của lớp không khí này giảm xuống. Vì lý do nói trên nên nhiệt độ này gọi là nhiệt độ nhiệt kế ướt. Nhiệt độ của không khí xa bề mặt bay hơi cũng được đo bằng chính nhiệt kế đó nhưng không có bông thấm nước bao quanh bầu của nó nên gọi là nhiệt độ nhiệt kế khô. Rõ ràng, không khí càng khô hay độ ẩm tương đối φ của nó càng bé thì nước xung quanh bầu nhiệt kế sẽ bay hơi càng nhiều và lớp không khí sát đó càng mất nhiều nhiệt lượng và do đó nhiệt độ nhiệt kế ướt càng bé hay độ chênh lệch giữa nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt càng lớn. Dĩ nhiên, khi không khí khô tuyệt đối hay độ ẩm tương đối φ = 0 thì độ chênh lệch nhiệt độ này là cực đại. Ngược lại, khi không khí ẩm bão hoà hay độ ẩm tương đối của nó φ = 100% thì nước xung quanh bầu nhiệt kế không thể bay hơi và do đó nhiệt độ - 24 - nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt bằng nhau hay độ chênh lệch nhiệt độ của hai nhiệt kế này bằng không. Có thể thấy, nhiệt độ nhiệt kế ướt chỉ chính là nhiệt độ bão hoà tương ứng với phân áp suất bão hoà của hơi nước trong không khí ẩm. Như vậy, độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt đặc trưng cho khả năng nhận ẩm của không khí và do đó trong kỹ thuật sấy người ta gọi là thế sấy ε. Như vậy, thế sấy bằng: ε = tk - tư (2.11) + Tính toán phân áp suất bão hoà theo nhiệt độ Để xác định độ ẩm tương đối của không khí ẩm, trước hết chúng ta cần xác định phân áp suất bão hoà theo nhiệt độ. Theo công thức: a a b b p p ϕϕ ϕ= = (2.12) Như vậy, chúng ta cần phải biết phân áp suất hơi nước pa và áp suất bão hoà tương ứng với nhiệt độ t của không khí pb. Để xác định áp suất bão hoà của hơi nước nói chung và phân áp suất bão hoà của hơi nước trong không khí nói riêng khi biết nhiệt độ người ta thường dùng bảng thông số vật lý của nước và hơi nước bão hoà. Tuy nhiên, việc tính toán này không thật tiện lợi khi chúng ta xử lý các số liệu này trên máy tính bằng các ngôn ngữ lập trình. Hơn hết, nếu dùng độ ẩm đo được làm tín hiệu điều khiển trong các hệ thống điều khiển tự động đặc biệt là điều khiển số với việc xử lý tính toán số liệu bằng vi xử lý và đưa ra tín hiệu đi điều khiển thì việc giải tích hoá quan hệ pb = f(t) là hết sức cần thiết trong điều khiển số. Nhà bác học Phylôhenko đã đưa ra công thức thực nghiệm để tính phân áp suất bão hoà của hơi nước trong không khí ẩm khi biết nhiệt độ dưới dạng: - 25 - lg(pb) = 0,622 + 7,5. 238 t t+ (mmHg) (2.13) Độc lập với Phylôhenko, Antoine cũng giới thiệu công thức tính như sau: pb = exp(12,031− 4026,42235 t+ ) (bar) (2.14) Trong đó t là nhiệt độ đo được tính bằng oC Nếu sử dụng hai công thức này để tính áp suất bão hoà cho dải nhiệt độ từ -25oC đến 200oC và lấy giá trị áp suất bão hoà theo nhiệt độ cho trong bảng làm chuẩn người ta nhận thấy có sai số nhất định. Do đó, xử lý số liệu từ bảng chuẩn quan hệ pb = f(t) trên máy tính, người ta đã đưa ra hai công thức sau: Theo dạng Phylônhenko: pb = exp( 17.t 5,093 233,59 t −+ ) (bar) (2.15) Theo dạng Antoine: pb = exp( 4026,4212,000 235,500 t − + ) (bar) (2.16) Ở đây t là nhiệt độ đo được cũng tính bằng oC Hai công thức sau có sai số tương đối so với giá trị trong bảng chuẩn là bé và ổn định hơn các công thức của Antoine và Phylônhenko. + Tính độ ẩm tương đối của không khí theo phân áp suất bão hoà Sau khi xác định được áp suất bão hoà theo nhiệt độ ta dễ dàng xác định được độ ẩm tương đối của không khí ẩm. Phần trình bày sau đây sẽ cho chúng ta thấy cách xác định độ ẩm tương đối bằng các công thức giải tích toán học. - 26 - Giả sử q1 là nhiệt lượng mà không khí cung cấp cho bầu thuỷ ngân của nhiệt kế ướt và q2 là nhiệt lượng mà nước quanh bầu thuỷ ngân tiêu tốn để bay hơi. Ta thấy: q1 = q2 (2.17) Theo lý thuyết truyền nhiệt thì: q1 = α.(tk – tư) (2.18) q2 = qm.r (2.19) Trong đó: α là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên (W/m2.K). qm là cường độ bay hơi (kg/m2s). r là nhiệt ẩm hoá hơi. Cường độ bay hơi có thể tính gần đúng theo công thức Danton: qm = αm.(pm – pa). 760 p (2.20) Trong đó: αm là hệ số bay hơi (kg/m2.s.bar). pm là phân áp suất bão hoà ứng với nhiệt độ nhiệt kế ướt. pa là phân áp suất của hơi nước trong không khí ẩm. p là áp suất khí trời nơi ta xác định độ ẩm tương đối. Nếu áp suất khí trời p được bằng bar thì công thức trên được viết lại như sau: qm = αm.(pm - pa). 1,013 p (2.21) Thay các công thức (2.18), (2.19), (2.20) và (2.21) vào công thức (2.17) ta được: pm – pa = α αm.1,013.r .p.(tk – tư) = A.p.(tk - tư) (2.22) - 27 - Trong đó: A = α αm.1.013.r Hệ số A gọi là hệ số ẩm kế và phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt α và hệ số bay hơi αm. Các hệ số này lại phụ thuộc vào tốc độ chuyển động tự nhiên của không khí. Như vậy, có thể xem A = f(v). Thực nghiệm cho thấy khi tốc độ không khí v < 0,5 (m/s) thì A = 66.10-5 và khi v ≥ 0,5 (m/s) thì hệ số A xác định theo công thức: A = (65+ 6,75 v ).10-5 (2.23) Từ (2.21) ta thấy: pa = pm – A.p.(tk – tư) (2.24) Thay pa vào (2.12) ta có công thức xác định độ ẩm tương đối của không khí theo áp suất bão hoà pb và độ chênh nhiệt (tk – tư): φ = m b b P A.p P P − .(tk – tư) (2.25) Trong (2.25), pm và pb đều là áp suất bão hoà nhưng pm là áp suất bão hoà ứng với nhiệt độ nhiệt kế ướt tư còn pb là áp suất bão hoà ứng với nhiệt độ nhiệt kế khô tk. Như vậy, kết hợp (2.15) hay (2.16) và (2.25) chúng ta có thể hoàn toàn xác định được độ ẩm tương đối của không khí khi biết nhiệt độ nhiệt kế khô tk và nhiệt độ nhiệt kế ướt tư. Tuy nhiên, việc sử dụng các nhiệt kế dạng thuỷ ngân hay dạng nhiệt kế rượu thì không thể lấy tín hiệu đi điều khiển được. Vì vậy trong đồ án này, để đo nhiệt độ chúng tôi dùng các cảm biến đo nhiệt độ cho tín hiệu ra là điện áp hoặc dòng điện để dùng xử lý và tính toán độ ẩm tương đối của không khí. - 28 - 2.2.4. Cảm biến tốc độ Để điều khiển được tốc độ gió của hỗn hợp dòng khí ta cần phải biết được tốc độ thực tại của nó trong quá trình thực hiện thí nghiệm quá trình sấy. Mặt khác việc đo đạc vận tốc dòng khí là tương đối phức tạp. Vì vậy để đo và điều khiển được vận tốc hỗn hợp dòng khí trong đồ án này, chúng tôi sẽ đo và điều khiển thông qua tốc độ quay của động cơ. Như vậy bài toán đặt ra để đo và điều khiển tốc độ gió(vận tốc) trở thành việc đo và điều khiển tốc độ quay của động cơ. Việc đo tốc độ động cơ từ trước cho đến nay có rất nhiều các phương pháp khác nhau mỗi một phương pháp có các ưu và nhược điểm khác nhau sau đây ta sẽ giới thiệu hai phương pháp đo thường được dùng phổ biến. + Phương pháp đo dựa trên định luật Faraday de dt φ= − (2.26) Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dφ trong khoảng thời gian dt. Từ thông đi qua một mạch là một hàm số có dạng: 0(x) = (x).F(x)φ φ (2.27) Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí theo góc quay. Mọi sự thay đổi giữa nguồn từ thông (phần cảm) và mạch có từ thông đi qua (phần ứng) sẽ làm suất hiện trong mạch một suất điện động có biên độ tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng tín hiệu trong nó tín hiệu ra của cảm biến. 0 dF(x) dxe dx dt φ= − (2.28) Các loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý này gọi là tốc độ kế vòng loại điện từ. Đặc trưng là tốc độ kế dòng 1chiều(máy phát dòng một chiều), tốc độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ, và không đồng bộ). - 29 - * Tốc độ kế dòng một chiều. Các phần tử cấu tạo cơ bản của một tốc độ kế dòng một chiều được biểu diễn trên Hình 2.3. Hình 2.3. Tốc độ kế một chiều Stato là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu có hai cực nam và bắc nằm phía ngoài cùng. Roto gồm một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại và quay giữa các cực của stato. Mặt chu vi của roto có khắc các rãnh song song với trục và cách đều nhau, tổng các rãnh là một số chẵn (n = 2k). Trong mỗi rãnh có đặt một dây dẫn bằng đồng, gọi là dây chính. Chúng được nối với nhau từng đôi bằng các dây phụ ở hai đầu theo đường kính trục. Cực góp là một hình trụ đồng trục với roto nhưng có bán kính nhỏ hơn. Trên bề mặt cực góp có các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá được nối với một dây đồng chính của roto. Hai chổi quét được áp sát vào cực góp sao cho ở mọi thời điểm chúng luôn luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau. Hai chổi này được đặt dọc theo đường trung tính vuông góc với hướng trung bình của từ trường để nhận được suất điện động là lớn nhất Dưới đây sẽ tính suất điện động cho một dây dẫn chính, dây thứ j. Khi dây quay quanh trục trong từ trường, ở hai đầu dây xuất hiện một suất điện động ej: j j d e dt φ= − (2.29) - 30 - dΦj là từ thông mà dây cắt trong khoảng dt c cj j jNd =ds .dB =ds .Bφ uuruur (2.30) Trong đó dsc là tiết diện bị cắt trong khoảng thời gian dt, Bj là thành phần B ur vuông góc với dsc. Tiết diện bị cắt được tính bởi tích số: dsc = l.v.dt (2.31) với l là chiều dài dây dẫn và v là vận tốc dài của nó. v = ω.r (2.31) ω, r tương ứng là vận tốc góc và bán kính của roto. Cuối cùng biểu thức tính suất điện động của một dây dẫn là: ej = -ω.r.l.BjN (2.32) Với dây dẫn phía đối diện, theo nguyên lý đối xứng, suất điện động của nó sẽ là: ej’ = ω.r.l.BjN (2.33) Sau khi tính toán, biểu thức của suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên phải đường trung tính sẽ là: r o o= - ωE .n. N.n. 2π φ φ= − (2.34) Trong đó N là số vòng quay trong một dây, n là tổng số dây chính trên roto Φ0 là từ thông suất phát từ cực nam châm. Với nửa số dây bên trái: r o o ωE = .n. =N.n. 2π φ φ (2.35) Nguyên tắc cuộn dây là nối 2k dây với nhau thành hai cụm sao cho mỗi cụm có k dây mắc nối tiếp với nhau, còn hai cụm mắc ngược pha nhau, mỗi cụm cho một sức điện động E: o o ωE = .n. = N.n. 2π φ φ (2.36) Suất điện động này được đưa ra mạch ngoài bằng cách dùng hai chổi quét. Sức điện động này tỷ lệ với vân tốc góc ω. - 31 - * Tốc độ kế dòng xoay chiều + Máy phát đồng bộ Hình 2.4. Máy phát đồng bộ Cả hai loại máy phát đồng bộ và không đồng bộ đều có cấu tạo gần như nhau và chúng cũng làm việc dựa trên định luật Faraday. Chỉ khác dòng điện ra là dòng xoay chiều nên để xác định biên độ cần có thêm mạch chỉnh lưu và lọc tín hiệu. Do giới hạn của đề tài nên không nêu chi tiết về máy phát đồng bộ. + Phương pháp đo dựa vào tần số của vật cần đo tốc độ Việc đo tốc độ của động cơ có thể xác định bằng cách đo tần số. Để xác định được tần số của vật quay người ta có nhiều phương pháp đo khác nhau. Trong đó phổ biến là việc đo bằng cách xác định tần số xung điện. Tiêu biểu đặc trưng cho phương pháp này là các loại tốc độ kế xung. Trong tốc độ kế xung đo tốc độ quay, vật trung gian thường dùng là đĩa được chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu hiệu đặc trưng như lỗ, đường vát, răng, mặt phản xạ… Một cảm biến thích hợp đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần như vậy nó cấp một tín hiệu xung. Biểu thức của tấn số f của các tín hiệu xung này được viết dưới dạng: f = p.N (2.37) Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu trên đĩa và N là số vòng quay của đĩa trong một giây. - 32 - Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quan đến bản chất của vật quay, cấu tạo của vật quay và các dấu hiệu trên nó. Thật vậy đối với: - Cảm biến từ trở biến thiên sử dụng khi vật quay là sắt từ. - Cảm biến Hall hoặc cảm biến từ điện trở dùng trong trường hợp vật quay là một hay nhiều nam châm, hoặc vật quay tạo thành màn chắn từ một cách tuần hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến. - Cảm biến quang cùng một nguồn sáng được dùng khi trên vật trung gian quay có các lỗ, đường vát hoặc mặt phản xạ. * Cảm biến từ trở biến thiên. Trong cảm biến từ trở biến thiên, cuộn đo có lõi từ chịu tác động của từ trường của một nam châm vĩnh cửu. Cuộn này đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu từ sắt có khía răng hoặc bánh răng. Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động có tần số tỷ lệ với tốc độ quay Hình 2.5. Hình 2.5. Nguyên lý cấu tạo của cảm biến từ trở Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc vào hai yếu tố chủ yếu: - Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay, khoảng cách này chính là khe từ. Khoảng cách này càng lớn thì biên độ càng nhỏ và ngược lại. - 33 - - Tốc độ quay về nguyên tắc biên độ của suất điện động tỷ lệ thuận với tốc độ quay. Khi tốc độ quay lớn thì biên độ lớn và ngược lại. * Tốc độ kế quang. Tốc độ kế quang đơn giản nhất, gồm một nguồn sáng và một đầu thu quang. Vật quay phải có các vùng phản xạ được bố trí tuần hoàn trên một hình tròn được chiếu bằng tia sáng, hoặc là vật được gắn với một đĩa có phần trong suốt xen kẽ các phần chắn sáng đặt giữa nguồn sáng và đầu thu quang Hình 2.6. Đầu thu quang nhận được một thông lượng biến điệu và nó phát tín hiệu có tần số tỷ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ của tín hiệu này không phụ thuộc vào ω. Hình 2.6. Nguyên lý hoạt động của tốc độ kế quang Phạm vi tốc độ đo phụ thuộc vào hai yếu tố: - Số lượng lỗ trên đĩa quay. - Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử. Để đo tốc độ nhỏ cỡ 0,1vòng/phút, phải dùng đĩa có số lượng lỗ rất lớn cỡ từ 500÷1000. Trong trường hợp cần đo tốc độ lớn cỡ 5 610 10÷ vòng/phút thì phải sử dụng loại đĩa quay chỉ có một lỗ, khi đó chính tần số ngắt của mạch điện là đại lượng xác định tốc độ cực đại Vmax có thể đo được. Trong đề tài này việc chọn lựa cảm biến được dựa vào đặc điểm cấu tạo của quạt và tín hiệu cần lấy ra. Hơn thế nữa việc xử lí tín hiệu ra của cảm biến - 34 - được thực hiện bằng vi điều khiển. Vì vậy mà chúng tôi đã lựa chọn loại cảm biến để đo tốc độ là cảm biến quang, dựa trên nguyên lý thu, phát phản xạ bằng led hồng ngoại. + Cảm biến quang * Nguyên lý cấu tạo - Khối tạo nguồn cung cấp nguồn nuôi cho toàn mạch gồm có cầu chỉnh lưu D1 (2A) các tụ lọc và ICLM7805 để ổn nguồn 5V. - Ba cặp thu phát hồng ngoại tương ứng với ba vị trí các quạt bố trí trên hệ thống. Nhiệm vụ của của cặp thu phát này là cảm nhận được vị trí thay đổi của tấm phản xạ gián trên quạt. - Một ICLM324 là IC khuyếch đại thuật toán trong nó bao gồm 4 mạch so sánh Hình 2.5. Sử dụng để so sánh giữa tín hiệu đặt ở đầu vào không đảo và tín hiệu đo được từ cảm biến đặt vào đầu đảo. Hình 2.7. Cấu tạo ICLM324 - Một IC74HC04 là IC gồm 6 cổng NOT mục đích của việc đưa thêm cổng NOT vào để tăng tính ổn định đồng thời thuận lợi cho việc đưa tín hiệu vào vi xử lí. Ngoài ra còn sử dụng một số các linh kiện khác như các biến trở dùng để đặt các giá trị điện áp chuẩn. Các điện trở dùng để hạn chế dòng và các đèn led để báo hiệu có tín hiệu hay không. 4 1 3 2 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 GND +3 - + + + + - 35 - Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang + Nguyên lý hoạt động Để sử dụng đo được tốc độ quạt thì trên các quạt cần gián các tấm phản xạ. Do tốc độ của quạt là tương đối cao vì thế mà ta chỉ gián một tấm để tạo nên một vùng có tính phản xạ nhất định. Đặt các đầu thu phát cách các điểm gián tấm phản xạ đó khoảng 5mm và các cặp thu phát được đặt song song với nhau. Nguyên tắc thực hiện đo bằng việc so sánh hai điện áp ở hai đầu vào đảo (U-) và không đảo (U+) của mạch so sánh. Nếu U+ > U- thì đầu ra Ura sẽ có mức cao xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi. Ngược lại đầu ra sẽ có mức thấp. - 36 - Phần phát luôn luôn được cấp nguồn để phát ra tia hồng ngoại. Khi quạt quay sẽ kéo theo tấm phản xạ đó quay theo. Khi tấm phản xạ này quay đến đối diện phần phát thì tia hồng ngoại sẽ được phản xạ đến phần thu. Lúc này do tính chất cấu tạo của phần thu khi có ánh sáng hồng ngoại chiếu vào điện trở của nó giảm xuống rất nhanh và sự giảm này phụ thuộc vào cường độ phản xạ của phần phát. Khi đó điểm nối đầu đảo của mạch so sánh sẽ gần như được nối đất U- ≈ 0V. Điện áp này sẽ được so sánh với điện áp đặt vào đầu không đảo của mạch so sánh . Giá trị điện áp đầu vào không đảo của mạch so sánh sẽ được đặt và điều chỉnh bởi các biến trở ở đây đặt U+ ≈ 1,5V. Lúc này U+ > U- nên ở đầu ra so sánh sẽ có một điện áp Ura ≈ 5V. Ngược lại khi mà tấm phản xạ lệch khỏi vị trí đối diện với phần phát, lúc này phần phản xạ sẽ rất nhỏ do cấu tạo của nền gián tấm phản xạ cho nên giá trị điện trở của phần thu gần như bằng vô cùng. Vì vậy điện áp đặt vào đầu đảo của mạch so sánh sẽ xấp xỉ bằng điện áp đặt vào hai đầu điện trở 10kΩ và xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi của nó U- ≈ 5V. Lúc này thì U+ < U- nên ở đầu ra sẽ có mức thấp Ura ≈ 0V. Như vậy mỗi lần tấm phản xạ đi qua cặp thu phát thì ở đầu ra mạch so sánh sẽ cho ra một xung điện áp có biên độ xấp xỉ 5V và tần số phụ thuộc vào tần số quạt được tính theo công thức. f = p.N (2.30) Ở đây p = 1, N = 2800 vòng/phút → f = 46 xung/giây Vậy ứng với mỗi một xung là một vòng quay của động cơ. Nên việc đo tốc độ động cơ bây giờ trở thành việc đếm số xung phát ra từ bộ cảm biến theo quan hệ như công thức (2.30). Mặt khác số xung này sẽ được đếm bằng vi điều khiển mà hầu hết các vi điều khiển khi hoạt động đều tích cực ở mức thấp. Nên ở đầu ra của mạch so sánh đều được cho qua các cổng NOT, dưới đây là sơ đồ cổng. - 37 - Hình 2.9. Sơ đồ cổng IC74HC04 Ở đây ta cần sử dụng 3 cảm biến để đo tốc độ ở 3 vị trí khác nhau trên hệ thống. Với giới hạn đề tài này thì chỉ cần một cảm biến để đo tốc độ đầu ra cuối cùng của hệ thống để đưa trở về đầu vào. Xong tốc độ được điều khiển thông qua tốc độ động cơ. Hơn nữa động cơ được điều khiển bởi biến tần do vậy mà bộ biến tần cần biết được tốc độ hiện tại để mà điều khiển. Chính vì vậy mà bản thân hệ biến tần động cơ này cần có các cảm biến đo tốc độ. 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG II Với yêu cầu điều khiển cũng như mục đích của đề tài trong chương 2 ta đã xây dựng được mô hình vật lý cho hệ thống thí nghiệm quá trình sấy. Đồng thời tìm hiểu được các phương pháp đo nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ từ đó đã chế tạo thành công một số các phần tử cảm biến tương ứng dùng cho hệ thống. - 38 - CHƯƠNG III XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 3.1. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ DÒNG KHÍ Để điều khiển tốc độ gió của hỗn hợp dòng khí ta sẽ tiến hành điều khiển thông qua tốc độ của động cơ quạt. Tốc độ gió của hỗn hợp dòng khí sẽ tỉ lệ với tốc độ quay của động cơ. Như vậy bài toán của ta qui về tự động điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều một pha. Mục tiêu cơ bản của phương pháp tự động điều chỉnh tốc độ của động cơ nhằm đảm bảo ổn định tốc độ của hỗn hợp dòng khí trong thí nghiệm quá trình sấy. Với cách điều khiển này ta sẽ đảm bảo được yêu cầu của đại lượng điều chỉnh là tốc độ không phụ thuộc vào các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh. Động cơ chúng ta điều khiển ở đây là động cơ xoay chiều 1 pha ro to lồng sóc. Các động cơ này được cấp điện từ các bộ biến đổi chúng là các bộ nghịch lưu thyristor, các bộ biến tần thyristor, transitor, các bộ biến đổi xoay chiều thyristor, bộ băm xung điện áp transitor và thyristor. Ở trong đề tài này chúng tôi sử dụng chúng là các bộ biến tần transitor. + Chức năng của các bộ biến đổi này gồm hai chức năng * Thứ nhất biến đổi năng lượng điện từ từ dạng này sang dạng khác thích ứng với động cơ ta sử dụng là động cơ gì. * Thứ hai bộ biến đổi còn mang thông tin điều khiển để điều khiển các tham số đầu ra bộ biến đổi (như công suất, điện áp, dòng điện, tần số…). Tín hiệu điều khiển được lấy ra từ bộ điều chỉnh. Các bộ điều chỉnh nhận tín hiệu sai lệch về trạng thái làm việc của hệ thống thông qua so sánh giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đo lường các đại lượng ra của hệ thống. Tín hiệu sai lệch này qua bộ điều chỉnh sẽ được khuyếch đại và tạo ra hàm chức năng để điều khiển sao cho đảm bảo chất lượng động và tĩnh. Ở đây đại lượng ta cần điều chỉnh là tốc độ động cơ. Để đảm bảo chất lượng của việc điều khiển nhằm nâng cao tính ổn định - 39 - tốc độ hỗn hợp dòng khí, ta sẽ tiến hành sử dụng nhiều mạch vòng điều khiển. Cụ thể trong trường hợp này ta điều khiển hai mạch vòng tốc độ ở hai vị trí khác nhau khác nhau nhưng tại cùng một thời điểm. 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU Để điều chỉnh tốc độ của động cơ xoay chiều một pha người ta có nhiều phương pháp khác nhau như: + Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp. + Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở mạch roto. + Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp. + Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng… Ngoài các phương pháp trên còn có nhiều các phương pháp khác ở đây không đề cập đến. Mặt khác do giới hạn của đề tài nên chúng tôi chỉ nêu qua ra hai phương pháp tiêu biểu hiện nay thường được sử dụng. Đó là phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp và tần số nguồn cung cấp. 3.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn Để điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ ta cần phải điều khiển thiết bị biến đổi theo tín hiệu điều khiển đặt vào. Với tần số không đổi thì mô men của động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp đặt vào stator. Mth= Mt.U22 (3.1) Với : 2 2 th 2 2 n1 1 UM 2m (r r r )9,55 = + + (3.2) Trong đó: Mth là mô men tới hạn của động cơ ứng với điện áp điều chỉnh. U2 là điện áp ra của bộ biến đổi. Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ xoay chiều 1 pha thường có độ trượt tới hạn nhỏ nên phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách giảm điện áp - 40 - thường được thực hiện cùng với tăng điện trở phụ mạch roto để tăng độ trượt tới hạn, do đó tăng được giải điều chỉnh lớn hơn. Khi điện áp đặt vào động cơ giảm dẫn đến mô men tới hạn của các đặc tính cơ giảm, trong khi đó tốc độ không tải lí tưởng ωo giữ nguyên. Nên khi giảm tốc độ thì độ cứng đặc tính cơ giảm độ ổn định tốc độ động cơ kém đi. 3.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn Từ biểu thức : 160fn p = (3.3) Trong đó : f1 là tần số nguồn cung cấp. p là số đôi cực. n là tốc độ quay của động cơ (vòng/phút). Như vậy ta thấy khi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ, ta sẽ thay đổi được tốc độ của động cơ. Tần số càng cao tốc độ càng lớn và ngược lại. Nhưng bên cạnh đó khi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ thì sẽ kéo theo một số các thông số có liên quan đến tần số như cảm kháng, do đó dẫn đến dòng điện từ thông …của động cơ cũng thay đổi. Và sau đó là các đại lượng như độ trượt tới hạn, mô men tới hạn cũng thay đổi theo. Chính vì vậy điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ một pha bằng phương pháp thay đổi tần số thường kèm theo điều chỉnh điện áp, dòng điện hoặc từ thông của mạch stato. Khi giảm tần số đến xuống dưới định mức thì cảm kháng của động cơ cũng giảm và dẫn đến dòng điện động cơ tăng lên làm cho mô men tới hạn cũng tăng. Để tránh cho động cơ không bị quá dòng phải đồng thời tiến hành giảm điện áp sao cho u f = const. Vì vậy để phát huy tối đa mọi khả năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độ bằng bộ biến tần thì người ta phải điều chỉnh cả điện áp theo một hàm nào đó phù hợp với tải. Để thực hiện được việc này ta có thể điều khiển nhờ các mạch phản hồi điện áp ứng - 41 - với một tần số cho trước nào đó. Trong đề tài này chúng tôi điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số, và cơ cấu để thực hiện việc này là biến tần. 3.3. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BẰNG BIẾN TẦN 3.3.1. Cấu trúc biến tần bán dẫn Bộ biến tần (BBT) là thiết bị biến đổi năng lượng điện, từ tần số công nghiệp 50Hz sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều. Bộ biến tần được chia làm hai loại: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp(có khâu trung gian một chiều). Bộ biến tần trực tiếp thường được sử dụng ở hệ thống công suất cao. Trong hệ thống này công suất thuộc loại nhỏ vì vậy chúng tôi sử dụng bộ biến tần gián tiếp. + Bộ biến tần gián tiếp Sơ đồ khối của bộ biến tần gián tiếp được thể hiện Hình 3.1. Hình 3.1. Sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp Điện áp xoay chiều có tần số công nghiệp 50Hz được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu(CL) không điều khiển hoặc có điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu(NL) sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ. Bộ biến tần này sẽ đảm bảo được các yêu cầu sau: - Có khả năng điều chỉnh tần số theo tốc độ giá trị đặt mong muốn. - Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh mô men không đổi. - Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số. - 42 - + Phân loại biến tần gián tiếp. Biến tần gián tiếp được chia làm ba loại chính. * Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu dùng diode Hình 3.2a. Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng diode) có trị số không đổi được lọc nhờ tụ điện có trị số khá lớn. Điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung(PWM). Các mạch nghịch lưu bằng các transitor(BJT, MOSFEST, IGBT) được điều khiển theo nguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp cho động cơ có dạng gần sin nhất. * Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển Hình 3.2b. Hình 3.2. Sơ đồ các bộ biến tần gián tiếp a. Biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng PWM và bộ chỉnh lưu diode. b. Biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển. c. Biến tần nghịch lưu nguồn dòng với bộ chỉnh lưu điều khiển. Điện áp điều chỉnh nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển(thông thường bằng thyristo hoặc transitor). Bộ nghịch lưu có chức năng điều chỉnh tần số động cơ, dạng điện áp ra có dạng hình xung vuông. - 43 - * Bộ biến tần với nghịch lưu dòng điện và chỉnh lưu điều khiển dùng thyristor Hình 3.2c. Nguồn một chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng với bộ lọc là cuộn kháng đủ lớn. Trong đề tài này chúng tôi đã chọn giải pháp sử dụng biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng PWM và bộ chỉnh lưu diode. 3.3.2. Nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu Xét mạch nghịch lưu một pha có sơ đồ khối. Hình 3.3. Sơ đồ khối mạch nghịch lưu Mạch nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ mạch chỉnh lưu thành điện áp xoay chiều cần thiết để cung cấp cho động cơ về biên độ và tần số. Việc điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số sẽ được điều khiển thông qua thời gian đóng cắt các đèn bán dẫn. Ở mỗi nửa chu kỳ sẽ có hai đèn thông cung cấp nguồn cho tải là động cơ. Mọi sự thay đổi của tải sẽ được cảm biến tốc độ đo và đưa vào vi xử lí để xử lý tính toán, từ đó phát ra tín hiệu điều khiển thời gian đóng cắt các đèn bán dẫn cho phù hợp với yêu cầu. Để có thể ổn định được tốc độ của động cơ tức ổn định tốc độ hỗn hợp dòng khí, thì bản thân cơ cấu thừa hành là bộ biến tần này phải đảm bảo được mọi yêu cầu ổn định về tốc độ với mọi giá trị đặt đầu vào ứng với sự thay đổi của đầu ra. 3.4. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐA VÒNG Trong hệ thống tự động điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí người ta có thể thực hiện điều khiển theo ba cách sau. - 44 - - Điều khiển vòng hở. - Điều khiển vòng kín. - Điều khiển đa vòng. 3.4.1. Hệ thống điều khiển vòng hở Hệ thống hở bao gồm hai phần: Bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Hình 3.4. Hệ thống điều khiển vòng hở Tín hiệu vào hay vận tốc x(t) áp đặt vào bộ điều khiển, ngõ ra bộ điều khiển là tín hiệu điều khiển u(t) để điều khiển đối tượng điều khiển sao cho biến điều khiển là y(t) có giá trị như mong muốn. Trong trường hợp đơn giản, bộ điều khiển có thể là mạch khuyếch đại, khớp nối cơ khí, mạch lọc hay các phần tử khác tuỳ thuộc vào bản chất của hệ thống. Trong trường hợp phức tạp hơn, bộ điều khiển có thể là một máy tính số như bộ vi xử lí. Do tính đơn giản và kinh tế của hệ thống điều khiển vòng hở được ứng dụng nhiều trong điều kiện yêu cầu chất lượng không đòi hỏi cao. 3.4.2. Hệ thống điều khiển vòng kín Hình 3.5. Hệ thống điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển vòng hở hoạt động không chính xác và không linh hoạt do thiếu hồi tiếp từ ngõ ra về ngõ vào của hệ thống. Để duy trì sự điều khiển chính xác, tín hiệu ra y(t) phải được lấy về so sánh với tín hiệu vào x(t) và tín - 45 - hiệu điều khiển u(t) tỷ lệ với sai lệch vào e(t) và ra phải được tác động đến đối tượng để điều chỉnh sai lệch. Hệ thống với một hay nhiều đường hồi tiếp như vậy gọi là hệ thống điều khiển vòng kín. 3.4.3. Hệ thống điều khiển đa vòng Trên là hai phương pháp điều khiển hay được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tự động. Nhưng trong thực tế không chỉ có một vòng hồi tiếp đơn mà với những yêu cầu khắt khao về điều khiển để đạt được chất lượng theo mong muốn, người ta thường dùng nhiều vòng hồi tiếp từ ngõ ra trở về ngõ vào tạo ra hệ thống đa vòng. Điều khiển đa vòng là một phương pháp điều khiển mà sử dụng nhiều đơn vòng lồng với đơn vòng khác để điều khiển một biến đầu ra của hệ thống điều khiển. Do cấu trúc đa vòng mang lại được những yêu cầu thiết yếu về phần cứng lẫn phần mềm, nên được sử dụng để thành lập luật điều khiển cho những hệ có yêu cầu điều khiển cao. Trong điều khiển quá trình công nghiệp thì điều khiển đa vòng được ứng dụng rộng rãi. Trong bất kỳ một trường hợp nào để thiết kế hệ đa vòng, thì việc tìm hiểu sự tương tác hay mối quan hệ tác động qua lại giữa các vòng phải được xem xét kỹ lưỡng khi thực hiện điều khiển. Vì tính ổn định cũng như chất lượng yêu cầu điều khiển. Nếu trong quá trình làm việc mối quan hệ giữa hai vòng có thể bị cắt đứt thì biến điều khiển sẽ lập tức bị mất ổn định. Việc điều khiển đa vòng có thể thực hiện điều khiển bền vững theo chu trình kín. Đây là điều mong muốn của hệ điều khiển đa vòng. Với phương pháp điều chỉnh đa vòng sẽ làm cho trực tuyến và tinh chỉnh biến điều khiển một cách đáng kể. - 46 - Ở những thiết kế đơn vòng thì nhiều khi tổng hợp hệ thống điều khiển với yêu cầu điều khiển đặt ra trước có thể không thực hiện được. Trong hệ tự động điều chỉnh tốc độ gió cho hệ thống thí nghiệm quá trình sấy. Để thực hiện điều khiển chúng tôi sử dụng phương pháp điều chỉnh đa vòng. Mỗi một vòng trong hệ đa vòng sẽ tác dụng vào biến điều khiển 1 lần. Hình 3.6. Hệ thống điều khiển đa vòng Sơ đồ khối của hệ thống điều chỉnh đa vòng được sử dụng trong hệ thống thí nghiệm này có dạng như Hình 3.6. Từ sơ đồ khối trên ta thấy biến điều khiển y(t) phản ánh vận tốc ra của hệ thống được điều khiển thông qua hai vòng lồng nhau. Nguyên tắc thực hiện đa vòng của hệ thống như sau: Giả sử hệ thống đang làm việc ở trạng thái ổn định với tốc độ hay lưu lượng đặt mong muốn. Ngẫu nhiên có nhiễu tác động vào hệ thống làm cho trạng thái của hệ thống lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu, và như vậy biến đầu ra là vận tốc gió của hệ thống sẽ thay đổi có thể tăng hoặc giảm. Nếu tốc độ gió đầu ra giảm thì bắt buộc cần phải tăng tốc độ quạt ở buồng sấy sao cho tốc độ gió ra đạt yêu cầu mong muốn. Mặt khác khi tăng tốc quạt ở buồng sấy thì sẽ kéo theo ảnh hưởng đến tốc độ gió trong buồng trộn. Tốc độ gió trong buồng trộn chịu tác động của tốc độ quạt thổi từ buồng dẫn khí. Như vậy từ thực tế ta có thể thấy nếu như cần tăng tốc độ động cơ quạt ở buồng sấy thì cũng cần phải tăng tốc độ gió trong buồng trộn. Và ngược lại nếu như tốc độ gió đầu ra tăng thì tốc độ quạt ở hai vị trí nói trên cần phải giảm. Tức biến điều khiển là vận tốc dòng khí sẽ được điều khiển thông qua hai vòng đơn lồng nhau, và giá - 47 - trị vận tốc đầu ra sẽ được ổn định như mong muốn. Sở dĩ cần phải điều khiển cả quạt thổi vào buồng trộn là vì tốc độ gió ở đây khi được đưa đến vật sấy cần phải đảm bảo về chất lượng về nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ thổi qua vật sấy.Vì thế mà hai vòng đơn điều khiển này phải có mối quan hệ mật thiết, tác động qua lại bổ trợ lẫn nhau. 3.4.4. Phương pháp thực hiện điều khiển Tổng quát một hệ thống điều khiển tự động bao gồm ba thành phần cơ bản đó là đối tượng điều khiển, cảm biến hay thiết bị đo lường và bộ điều khiển dùng để hiệu chỉnh các hành vi của hệ Hình 3.5. Tín hiệu đầu ra bộ so sánh e(t) = x(t) - y(t) trong Hình 3.5 cũng chính là tín hiệu vào của bộ điều khiển. + Các nguyên tắc điều khiển • Nguyên tắc điều chỉnh * Nguyên tắc san bằng sai lệch Nguyên tắc điều chỉnh này thực hiện bằng cách san bằng sai lệch giữa giá trị thực(kết quả hay đáp ứng ra hệ thống) và giá trị chuẩn cho trước. Các thiết bị phục vụ cho mục đích này gọi là thiết bị điều chỉnh và bao giờ cũng phải dùng hồi tiếp để so sánh với tín hiệu chuẩn ở đầu vào của hệ thống. * Nguyên tắc bù trừ các nhiễu Sử dụng các thiết bị bù trừ nhiễu để giảm ảnh hưởng của nhiễu là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả mất ổn định cho hệ thống. Hệ thống điều khiển theo nguyên tắc bù trừ nhiễu là hệ thống điều khiển vòng hở có sai số xác lập không bằng zero. * Nguyên tắc triệt tiêu các nhiễu Đây là phương pháp điều chỉnh đơn giản nhất của nguyên tắc điều chỉnh, thường thực hiện bằng cách cách ly hệ thống với môi trường. Các thiết bị đảm nhiệm công việc này được áp dụng khá rộng rãi và được gọi dưới các tên khác - 48 - nhau như thiết bị đệm, thiết bị làm cô lập… Thực tế không phải lúc nào các thiết bị này cũng mang đến hiệu quả cho hệ thống. Trong trường hợp đó phải sử dụng hai nguyên tắc trên. y Nguyên tắc điều khiển * Nguyên tắc thông tin phản hồi Trong quá trình điều khiển tồn tại hai dòng thông tin một từ cơ quan chủ quản đến đối tượng và một từ đối tượng đị ngược về cơ quan điều khiển, được gọi là liên kết ngược hay hồi tiếp. - Quá trình điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu. Trên hình 3.7 tác động vào đối tượng là luật điều khiển u(t) theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt được đầu ra y(t) mong muốn, nhưng không quan sát tín hiệu ra y(t). Về nguyên tắc, đối với hệ phức tạp thì điều khiển theo mạch hở với nguyên tắc bù nhiễu không cho kết quả tốt. Hình 3.7. Điều khiển bù nhiễu vòng hở - Điều khiển theo sai lệch. Hình 3.8. Điều khiển vòng kín theo sai lệch - 49 - Cơ quan điều khiển quan sát y(t), so sánh với định chuẩn mong muốn x(t) để chọn luật điều khiển u(t). Nguyên tắc ở là đây điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm và sửa. Đây là một nguyên tắc cơ bản trong điều khiển. - Điều khiển phối hợp Là phương pháp điều khiển kết hợp của hai nguyên tắc trên sơ đồ trên Hình 3.9. Hình 3.9. Nguyên tắc điều khiển phối hợp * Nguyên tắc đa dạng tương xứng. Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của cơ quan điều khiển phải tương ứng với sự đa dạng của đối tượng điều khiển. Tính đa dạng của cơ quan điều khiển có thể dùng để chế ngự đối tượng thể hiện ở: khả năng thu thập thông tin, truyền tin, lưu trữ, phân tích xử lý, chọn quyết định, tổ chức thực hiện. * Nguyên tắc bổ sung ngoài Một hệ thống điều khiển luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đó. Trong điều kiện thừa nhận nguyên tắc bổ sung ngoài sau: thừa nhận có một đối tượng chưa biết(hộp đen) tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen. * Nguyên tắc dự trữ Vì nguyên tắc ba luôn coi thông tin chưa đầy đủ, vì thế mà để đề phòng các bất chắc có thể xảy ra cho hệ thống điều khiển ta không được dùng toàn bộ - 50 - lực lượng trong điều kiện bình thường mà phải có một lượng dự trữ nhất định. Vốn dự trữ này là không sử dụng, nhưng cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn. * Nguyên tắc phân cấp Đối với hệ thống phức tạp cần xây dựng lớp điều khiển bổ sung cho vị trí trung tâm, để khuyếch đại khả năng điều khiển. Phải tránh hai khuynh hướng hình thức và phân cấp quá đáng, xử lý cho đúng nhiệm vụ và quyền hạn ở mỗi cấp… * Nguyên tắc cân bằng nội Mỗi hệ thống cần được xây dựng với cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự giải quyết những biến động xảy ra. + Các loại điều khiển • Điều khiển ổn định hoá Mục tiêu điều khiển là kết quả đầu ra bằng đầu vào chuẩn x(t)= const với sai lệch cho phép exl (sai lệch ở chế độ xác lập) e(t) = x(t) - y(t) ≤ exl Đặc biệt khi đầu ra hệ thống cần giữ là hằng số, ta có hệ thống điều chỉnh hay hệ thống ổn định. y Điều khiển theo chương trình Nếu hàm x(t) là một hàm định trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị tín hiệu x(t) thì ta có hệ thống điều khiển theo chương trình. Ví dụ như điều khiển CNC, điều khiển tự động nhà máy xi măng hoàng thạch, hệ thống thu thập và truyền số liệu hệ thống điện, quản lý vật tư nhà máy… y Điều khiển theo dõi Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống x(t) là một hàm không biết trước theo thời gian, yêu cầu điều khiển đáp ứng ra y(t) luôn bám sát được x(t) ta có hệ - 51 - thống theo dõi. Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển vũ khí, hệ thống tàu lái, máy bay… y Điều khiển thích nghi Tín hiệu vào x(t) chỉnh định lại tham số điều khiển sao cho thích nghi với mọi biến động của môi trường ngoài. Trong phạm vi đề tài này với hệ thống thí nghiệm đã xây dựng được, cùng với yêu cầu đặt ra cho hệ thống điều chỉnh tốc độ gió. Thì để điều khiển và ổn định tốc độ hỗn hợp dòng khí chúng tôi áp dụng phương pháp điều chỉnh đa vòng nhằm đạt được yêu cầu mong muốn. Và đã sử dụng nguyên tắc điều khiển sai lệch và ổn định hoá. Đối tượng là hệ thống thí nghiệm quá trình sấy, trong đó biến điều khiển là tốc độ hỗn hợp dòng khí. Ta sẽ điều khiển biến này thông qua điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều một pha. Lúc này thông số cần điều khiển là tốc độ quay của động cơ. Do dòng khí khi được thổi từ ngoài qua hệ thống từ buồng trộn đến buồng sấy sẽ qua các thiết bị và không gian chứa hỗn hợp khí vì thế mà tốc độ hỗn hợp dòng khí sẽ thay đổi khi đến được đối tượng sấy. Vì thế các tín hiệu điều khiển sẽ được đưa đến đồng thời hai đầu vào là các giá trị đặt cho hai bộ biến tần ở hai vị trí khác nhau nhưng cùng một thời điểm. 3.5. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC Đối với hệ thống thí nghiệm quá trình sấy, thì việc điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí là đơn kênh tức chỉ có một biến đầu vào và một biến đầu ra. Hình 3.10. Sơ đồ khối vào ra của hệ thống Trong đó: Vv là vận tốc hỗn hợp dòng khí ở đầu vào. - 52 - Vr là vận tốc hỗn hợp dòng khí ở đầu ra. Để xác định được mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra chúng ta thực hiện bằng thực nghiệm. Tức đi tìm phương trình trạng thái hay hàm truyền của chúng đây là cơ sở cho việc xây dựng sơ đồ cấu trúc cho hệ thống. Từ sơ đồ cấu trúc chúng ta sẽ thấy được quá trình làm việc của hệ. Hình 3.11. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống Trên đây là sơ đồ cấu trúc cụ thể của hệ thống điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí trong quá trình thí nghiệm sấy. Trong đó R1, R2 là hai bộ điều khiển ở hai vòng khác nhau nhưng chúng có mối quan hệ tác động qua lại lẫn nhau. Nhờ sự kết hợp điều khiển hai vòng mà độ chính xác và ổn định trong quá trình làm việc của hệ thống được nâng cao. Chúng là các bộ PID số được xây dựng trên nền vi điều khiển 8051. R11, R22 là các bộ điều khiển chúng đóng vai trò là cơ cấu chấp hành trực tiếp tác động vào đối tượng (động cơ) đó là các bộ biến tần. W11, W22 là các hàm truyền của phần tử trong hệ thống chúng bao gồm toàn bộ ống dẫn hỗn hợp khí + động cơ quạt + cảm biến, và buồng sấy. Trên sơ đồ cấu trúc trên Vd là giá trị tốc độ đặt ban đầu mà người làm thí nghiệm đặt. Khi đó ở đầu ra của hệ thống ta sẽ có giá trị vận tốc mong muốn Vra. Vận tốc ra này sẽ được cảm biến đo và tạo tín hiệu phản hồi về đầu vào để so sánh với tín hiệu đặt. Nếu có sự sai lệch giữa hai giá trị này thì đầu ra của bộ điều khiển sẽ tạo ra một tín hiệu điều khiển. Đây chính là tín hiệu đặt vào các bộ biến tần để điều khiển động cơ sao cho giá trị vận tốc đầu ra luôn bám sát giá trị đặt đầu vào. Mặt khác trên sơ đồ cấu trúc ta thấy việc điều khiển thực hiện thông - 53 - qua hai vòng lồng nhau. Như vậy tín hiệu ra sau khối W11 sẽ chính là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển R2. Việc điều khiển đa vòng như vậy sẽ đem lại cho hệ thống tính ổn định và chính xác cao. Xong trên thực tế để xác định mô tả động học cho từng đối tượng riêng lẻ là rất khó thực hiện. Hơn thế nữa nếu xác định được thì khi tổng hợp hàm truyền của hệ thống sẽ có bậc rất cao. Điều này gây ảnh hưởng rất lớn cho việc khảo sát hệ thống, và có thể sẽ không tổng hợp được. Vì thế để tự động điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí trong thí nghiệm quá trình sấy của hệ thống. Ta sẽ đi khảo sát bằng thực nghiệm toàn bộ hệ thống để xác định hàm truyền của đối tượng. Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống như sau. Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc hệ Trong đó: R là bộ điều chỉnh. S là đối tượng điều khiển (hệ thống thí nghiệm quá trình sấy). Vd là giá trị đặt ban đầu. E là sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo. U là tín hiệu điều khiển. Vr là tín hiệu ra. Như vậy ta sẽ phải khảo sát bằng thực nghiệm để tìm ra hàm truyền của đối tượng. Việc này được thực hiện thông qua bước tiếp theo của nội dung đề tài là tổng hợp hệ thống điều khiển ở chương 4. - 54 - 3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Trong chương này đã giải quyết được một số nội dung tiếp theo của đề tài, đưa ra được một số các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha. Từ đó lựa chọn thiết bị để điều khiển chúng cho phù hợp là các bộ biến tần. Áp dụng các nguyên tắc điều chỉnh, điều khiển khiển cho hệ thống thí nghiệm. Đặc biệt đã lựa chọn phương pháp điều chỉnh đa vòng cho hệ điều khiển tốc độ gió, để xây dựng được sơ đồ cấu trúc cho hệ thống. - 55 - CHƯƠNG IV TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Để khảo sát thí nghiệm quá trình sấy ta phải điều chỉnh tốc độ hỗn hợp dòng khí. Vì vậy nhiệm vụ đầu tiên là phải tổng hợp hệ thống điều chỉnh tốc độ gió. Muốn làm được điều đó ta thực hiện theo các bước sau: Xác định đặc tính động học của đối tượng(nhận dạng), xác định các thông số của bộ điều chỉnh, và cuối cùng là khảo sát hệ thống. 4.1. NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Với một bài toán điều khiển cụ thể trước khi bước vào xây dựng thuật toán điều khiển cho đối tượng. Hay nói cách khác là tìm cách điều khiển nó thì bước đầu tiên là phải tìm hiểu xây dựng mô tả toán học cho đối tượng. Để thực hiện được mục đích này ta có các phương pháp nhận dạng đối tượng điều khiển. Đối tượng điều khiển ở đây có thể là một thiết bị cụ thể như động cơ, máy nén khí… hay cả một hệ thống phức tạp cần điều khiển. 4.1.1. Những vấn đề chung về nhận dạng hệ thống điều khiển Nhận dạng hệ thống là xây dựng mô hình toán học của hệ thống dựa trên các thực nghiệm đo được. Quá trình nhận dạng là quá trình hiệu chỉnh các tham số của mô hình sao cho tín hiệu ra của mô hình tiến trùng với tín hiệu đo của hệ thống. Để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống, người ta có hai phương pháp lý thuyết và thực nghiệm Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên các định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên ngoài của hệ thống. Các quan hệ này được mô tả theo định luật vật lý như định luật Newton, định luật cân bằng…dưới dạng những phương trình toán học. Phương pháp thực nghiệm được thực hiện trong trường hợp, mà ở đó sự hiểu biết về những qui luật giao tiếp bên trong hệ thống, cùng với mối quan hệ - 56 - giữa hệ thống với môi trường bên ngoài không đầy đủ để có thể xây dựng được một mô hình hoàn chỉnh. Nhưng ít nhất từ đó có thể cho biết các thông tin ban đầu về dạng mô hình để khoanh vùng. Hay tập hợp lớp các mô hình thích hợp cho hệ thống. Thì ta phải áp dụng phương pháp thực nghiệm để xây dựng mô hình cho hệ thống. Bằng cách tìm một mô hình thuộc lớp mô hình thích hợp đó trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào ra, sao cho sai lệch giữa nó với hệ thống so với mô hình khác là nhỏ nhất. Trong điều khiển nhận dạng là một khâu quan trọng nó quyết định đến chất lượng và hiệu quả của việc điều khiển sau này, nhằm xây dựng mô hình toán học cho đối tượng. Một số đối tượng quen thuộc như các loại động cơ, máy biến áp, máy phát điện, mạch khuyếch đại, mạch tích phân, vi phân…đã được nghiên cứu kỹ bằng phương pháp giải tích. Nên mô hình toán học của chúng dưới dạng hàm truyền thường có thể tra cứu được trong cẩm nang kỹ thuật. Trong thực tế có nhiều đối tượng có cấu tạo phức tạp và không có sẵn mô hình toán học cho trước vì vậy cần phải làm thực nghiệm để nhận dạng tham số mô hình. Có nhiều cách phân loại phương pháp nhận dạng: Nhận dạng từ mô hình không tham số như từ hàm quá độ h(t), nhận dạng tham số từ mô hình AR, MA, ARMA… Theo cách quan sát tín hiệu vào ra người ta phân ra phương pháp nhận dạng chủ động và bị động. Nếu đối tượng có thể tách rời khỏi hệ thống ta có thể tiến hành nhận dạng ngoại tuyến bằng phương pháp chủ động có nghĩa là chọn tín hiệu vào x(t) như tín hiệu nhảy cấp, ngẫu nhiên, lúc này chỉ cần đo tín hiệu ra y(t) mà thôi, như vậy bài toán nhận dạng sẽ đơn giản. Trong trường hợp đối tượng không thể tách rời khỏi hệ thống người ta phải đồng thời quan sát cả tín hiệu vào lẫn tín hiệu ra tức là phải tiến hành nhận dạng trực tuyến. Phương pháp nhận dạng loại này gọi là phương pháp nhận dạng bị động. Phương pháp nhận dạng trực tuyến đặc biệt quan trọng đối với hệ điều khiển thích nghi, trong đó - 57 - phải nhận dạng trực tuyến tham số của đối tượng để hiệu chỉnh lại tham số của bộ điều khiển. Trong điều khiển có hai phương pháp nhận dạng chính thường được dùng đó là nhận dạng không tham số và nhận dạng tham số. + Nhận dạng không tham số là phương pháp nhận dạng mà mô hình để nhận dạng là các đường cong quá độ hoặc các hàm mà véc tơ tham số không nhất thiết phải có kích thước hữu hạn. Nhận dạng không tham số thường dùng các phương pháp sau đây: - Phân tích hàm quá độ h(t), hàm này nhận được ở đầu ra của hệ thống khi đầu vào là hàm bậc thang đơn vị 1(t). - Phân tích tần số, đối với hệ thống tuyến tính ổn định khi tín hiệu vào là hàm sin thì tín hiệu ra cũng là hình sin. Bằng cách thay đổi biên độ và pha của tín hiệu vào ta thu được đáp ứng ra có tần số thay đổi. - Phân tích hàm tương quan, tín hiệu vào là nhiễu trắng, tín hiệu ra là hàm tương quan. - Phân tích phổ, với tín hiệu vào tuỳ ý người ta phân tích phổ của tín hiệu vào và tín hiệu ra. + Nhận dạng tham số là phương pháp nhận dạng chủ động. Người ta đưa vào hệ thống tín hiệu vào xác định u(t), sau đó đo tín hiệu ra y(t). Người ta mô tả hệ thống bằng một mô hình tham số và dùng phương pháp bình phương tối thiểu để hiệu chỉnh sao cho đánh giá của véc tơ tham số trùng với véc tơ tín hiệu ra của hệ thống. Ngày nay, nhận dạng tham số được ứng dụng rất rộng dãi nhất là trong điều khiển số. Nhận dạng tham số dùng để nhận dạng các hệ thống phức tạp, trong trường hợp này hệ thống được gọi là “Hộp đen”. Vì vậy phương pháp nhận dạng tham số còn có tên là nhận dạng hộp đen. Do trong đề tài này đối tượng của chúng tôi là cả hệ thống thí nghiệm quá trình sấy. Đây là một đối tượng tương đối phức tạp, mà ở đó sự hiểu biết giữa - 58 - các mối quan hệ vật lý bên trong và bên ngoài không rõ dàng. Nên để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống, chúng tôi sử dụng phương pháp nhận dạng bằng thực nghiệm. Vì thế, sau đây chúng tôi chỉ giới thiệu phương pháp xây dựng mô hình toán học cho hệ thống bằng phương pháp thực nghiệm. 4.1.2. Nhận dạng đối tượng bằng thực nghiệm + Phương pháp nhận dạng Đối tượng có hai loại cơ bản là đối tượng có tính tự cân bằng và đối tượng không tự cân bằng, nên sẽ có hai thuật toán để xác định hàm truyền. Do giới hạn của đề tài nên ở đây ta chỉ xét đối tượng có tính tự cân bằng và phương pháp xác định hàm truyền tương ứng. Tính tự cân bằng là khả năng của đối tượng sau khi có nhiễu tác động phá vỡ trạng thái cân bằng thì nó sẽ tự hiệu chỉnh để trở lại trạng thái cân bằng mà không có sự tác động từ bên ngoài, đối tượng tự cân bằng được gọi là đối tượng tĩnh. Đường quá độ của đối tượng tự cân bằng được biểu diễn ở Hình 4.1. Hình 4.1. Đường cong quá độ của đối tượng tự cân bằng Để xác định đặc tính động học của đối tượng điều khiển, trong trường hợp này, ta sử dụng phương pháp thực nghiệm chủ động bằng cách đặt ở đầu vào đối tượng một nhiễu bậc thang và ghi lại phản ứng của nó ở đầu ra. Dựa vào phản ứng này ta có thể xác định được hàm truyền của đối tượng. - 59 - Dạng tổng quát hàm truyền của đối tượng có tính tự cân bằng được mô tả như sau: o odt -τ sW = W (s).e Trong đó τo được gọi là thời gian trễ vận chuyển nó là khoảng thời gian kể từ thời điểm phát tín hiệu vào cho đến thời điểm tín hiệu ra bắt đầu thay đổi. Nhiệm vụ của ta ở đây là phải xác định hàm truyền Wo(s). Chuyển trục tung sang toạ độ t = τo ta sẽ nhận được đường quá độ h1(t) trong hệ toạ độ mới, h1(t) chính là đường quá độ của phần tử có hàm truyền đạt là Wo(s). Tổng quát hàm truyền đạt của đối tượng được xác định bởi: m m 1 o 1 m 1 o n n 1 o 1 n 1 b s b s ... b s 1W (s) a s a s ... a s 1 − −− − + + + += + + + + (n > m) Xong thông thường trong thực tế khâu tĩnh có đường quá độ như h1(t) có hàm truyền đạt lấy gần đúng ở một trong các dạng sau: + Khâu quán tính bậc nhất: dto K W (s) 1 Ts = + + Khâu quán tính bậc nhất có trễ: dto τsK .e W (s) 1 Ts − = + + Khâu quán tính bậc hai: dto 1 2 K W (s) (1 T s)(1 T s) = + + + Khâu quán tính bậc hai có trễ: dto 1 2 τsK .e W (s) (1 T s)(1 T s) − = + + Việc chọn hàm truyền đạt của đối tượng xác định theo các bước sau: - 60 - * Xây dựng hàm so chuẩn σ(t) từ đường quá độ h1(t). 1 1 h (t) σ(t) h ( ) = ∞ Với h1(∞) là trị số xác lập của h1(t). - Xác định t7 sao cho σ(t7) = 0,7 - Xác định t3 = t7/3 từ đó xác định σ(t3) + Nếu σ(t3) > 0,31 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc nhất có trễ. dt o τsK .e W (s) 1 Ts − = + + Nếu 0,195 ≤ σ(t3) ≤ 0,31 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc hai. dt o 1 2 K W (s) (1 T s)(1 T s) = + + + Nếu σ(t3) ≤ 0,195 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc hai có trễ. dt o 1 2 τsK .e W (s) (1 T s)(1 T s) − = + + Hệ số truyền của đối tượng được xác định theo công thức: dt h( )K A ∞= A – Biên độ của xung bậc thang Các giá trị thời gian τ, T, T1, T2 có các thuật toán xác định gần đúng dựa trên đường quá độ h1(t). Trong phần này sẽ không nêu ra tất cả các phương pháp đó mà chỉ trường hợp cụ thể của đối tượng điều khiển được nghiên cứu trong đề tài này là hệ thống thí nghiệm. Mặt khác do điều kiện phòng thí nghiệm thiếu thốn về trang thiết bị đo đạc tốc độ gió, nên để tiến hành làm thực nghiệm xác định hàm truyền là hết sức - 61 - khó. Vì vậy sau đây chúng tôi chỉ nêu ra được cơ sở lý thuyết của phương pháp sẽ thực hiện làm thực nghiệm. + Xác định mô tả động học - Bước 1: Xác định đường quá độ h(t) bằng thực nghiệm. Trước hết khởi động đồng thời các bộ phận trong hệ thống thí nghiệm sấy như bộ phận tạo nhiệt, tạo ẩm. Sau đó đặt một điện áp có tần số nhất định vào động cơ quạt là U = 220V, f = 50Hz, tương ứng với tốc độ đặt đầu vào là lớn nhất. Đồng thời cùng lúc đó khởi động máy ghi để ghi lại sự thay đổi của tốc độ hỗn hợp dòng khí sấy ở đầu ra hệ thống. Sử dụng tốc độ kế để đo vận tốc đầu ra. Ta sẽ dừng việc lấy kết quả khi nào hệ thống ở trạng thái ổn định. - Bước 2: Chọn dạng hàm truyền đạt Theo đồ thị xác định được giá trị thời gian trễ vận chuyển kéo dài là khoảng thời gian tính từ gốc toạ độ đền thời điểm bắt đầu có phản ứng đầu ra của hệ thống. Trừ thời gian vận chuyển phần còn lại của đường h(t) là h1(t). Từ đồ thị ta đi xác định các giá trị h1(∞)→ 0,7h1(∞) = h1(t7) biết được giá trị của h1(t7) từ đồ thị ta suy ra được giá trị t7. Chuyển đổi ngược hàm truyền đạt sang miền thời gian ta được hàm chuẩn σ(t). + Xác định σ(t3) Ta sẽ đi xác định t3 bằng các công thức sau đây: t3 = t7/3 → h1(t3) Suy ra σ(t3) = 3 h(t ) h( )∞ Sau đó ta so sánh giá trị σ(t3) với 0,31 và 0,195. Khi đó hàm truyền đạt của đối tượng sẽ được chọn tuỳ thuộc vào kết quả so sánh của σ(t3) với 0,31 và 0,195. - 62 - - Bước 3: Xác định các thông số của hàm truyền đạt. Để thuận tiện cho việc tính toán tiếp theo ta ghép toàn bộ mạch điều khiển tần số vào với cơ cấu chấp hành là biến tần cùng động cơ để tạo thành đối tượng điều chỉnh. Tín hiệu vào của mạch điều khiển biến tần là tần số của xung 0 – 5V, tương ứng với tần số cấp cho động cơ 0 – 50Hz, và tốc độ hỗn hợp dòng khí sẽ là 0 – 1m/s. + Xác định hệ số khuyếch đại K, hằng số thời gian T và trễ dung lượng τ. Tuỳ thuộc vào dạng của hàm truyền đạt tìm được ở phần trên mà việc xác định các tham số của đối tượng cũng khác nhau. Sau đây ta nêu ra một vài phương pháp thực hiện xác định các tham số của các đối tượng quen thuộc. * Nếu đối tượng là khâu quán tính bậc nhất - Kẻ đường tiếp tuyến với h(t) tại t = 0. - Xác định giao điểm của tiếp tuyến với đường K = h(∞). - Để thuận lợi cho việc kẻ tiếp tuyến được chính xác ta tìm điểm trên đường quá độ có tung độ h(t) = 0,632K. - Hoành độ giao điểm của điểm vừa xác định được chính là hằng số thời gian T. * Nếu đối tượng là bậc nhất có trễ Cách xác định tương tự như trên chỉ khác tiếp tuyến được kẻ xuất phát tại điểm có t = τ ( τ là thời gian trễ). * Đối tượng thuộc khâu quán tính tích phân bậc nhất - Kẻ đường tiệm cận htc(t) với h1(t) tại t = ∞. - Xác định T là giao điểm của htc(t) với trục thời gian t. - Xác định góc nghiêng α của htc(t) với trục hoành rồi tính K = tgα. * Đối tượng là khâu quán tính bậc n - Dựng đường tiệm cận htc(t) với h(t). - Xác định góc nghiêng α của htc(t) và tính K = tgα. - 63 - - Xác định giao điểm của htc(t) với trục hoành và tính tc TT= n Ngoài các đối tượng nêu trên, còn một số đối tượng nữa không nói đến và các phương pháp nêu trên chỉ là hướng thực hiện cách xác định các tham số cho đối tượng chứ chưa đưa ra cách tìm cụ thể. - Bước 4: Khảo sát độ chính xác hàm truyền tìm được Với hàm truyền tìm được ở trên bằng cách khảo sát bằng simulink với đầu vào là hàm 1(t) và quan sát tín hiệu đầu ra ta nhận được đường cong lý thuyết. So sánh giữa hai đường quá độ của hàm tìm thực nghiệm và theo lý thuyết tìm được, sau đó tính sai số bình phương giữa hai đường h1(t) và hlt(t) theo công thức: n 2 1lti=1 [h (t)-h (t)] σ = (n-1) ∑ Cách xác định sai số bình phương được thực hiện bằng việc tính tổng bình phương hiệu các tung độ tại các điểm có tung độ khác nhau và chia trung bình, sau đó lấy căn bậc hai ta sẽ được sai số cần tìm. Trong phần trên chỉ viết công thức. Từ đó đánh giá được độ chính xác của hàm truyền tìm được thông qua giá trị sai số. 4.2. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH 4.2.1. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển kinh điển Sau khi đã xác định và xây dựng được mô hình toán học của đối tượng thì việc tiếp theo tổng hợp hệ thống là tổng hợp bộ điều chỉnh. Việc tổng hợp bộ điều chỉnh với mục đích can thiệp vào đối tượng nhằm đạt được chất lượng mong muốn và đảm bảo quá trình công nghệ. Trong phần này chúng tôi giới thiệu phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh PID. Bộ điều chỉnh PID bao gồm ba thành phần: khuyếch đại tỷ lệ P, tích phân I và vi phân D. - 64 - Phương trình thời gian mô tả bộ điều chỉnh PID: u(t) = Kp[e(t) + i 1 T ∫e(t)dt + TD de(t) dt ] Với: Kp hệ số khuyếch đại tỉ lệ. Ti hằng số thời gian tích phân. TD hằng số thời gian vi phân. e(t) tín hiệu vào bộ điều chỉnh. u(t) tín hiệu ra bộ điều chỉnh. Hình 4.4. Hệ thống điều khiển tự động Bộ PID được sử dụng rất rộng rãi, là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển khác. Lý do là tính đơn giản của nó kể cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc, người sử dụng nó rất linh hoạt, ví dụ như dễ dàng tích hợp các luật điều khiển như luật P, luật PI, luật PD. Hơn nữa bộ điều khiển PID luôn là phần tử không thể thay thế trong các quá trình tự động điều khiển như tự động khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ vv. Ngay cả khi lý thuyết điều khiển tự động hiện đại ra đời, việc ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển như bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển NƠRON, bộ điều khiển bền vững, bộ điều khiển thích nghi, thì việc kết hợp giữa các phương pháp điều khiển hiện đại và bộ điều khiển PID kinh điển vẫn đem lại những hiệu quả bất ngờ mà không bộ điều khiển nào có khả năng đem lại. Qui luật của bộ điều khiển PID kinh điển. + Luật P: Làm tăng tín hiệu điều khiển u(t), nhưng không khử được sai lệch tĩnh của hệ. - 65 - + Luật I: Luôn có xu thế làm cho sai lệch tĩnh e(t) = 0, nhưng lại làm tăng quá trình quá độ của hệ. + Luật D: Dự đoán trước xu hướng thay đổi của hệ, phản ứng nhanh nhậy với sự thay đổi đó, tức làm tăng khả năng tác động nhanh của hệ. Như vậy ta thấy việc kết hợp hài hoà giữa 3 tham số Kp, Ti, TD sẽ cho ra một bộ điều khiển mong muốn. Hơn nữa việc xử lý tín hiệu trong vi điều khiển là số nên ta phải số hoá mô hình bộ điều khiển PID. Ở trong hệ gián đoạn, đầu vào e(t) được thay bằng dãy {ek} có chu kỳ trích mẫu là TS, khi đó thuật toán PID số được xây dựng như sau: Thành phần khuếch đại up(t) = Kpe(t) được thay bằng ukP= Kpek Thành phần tích phân ui(t) = tp 0i K e(τ)dτ T ∫ được xấp xỉ bằng: uki = kp S ii=1i K T e T ∑ Thành phần vi phân uD(t) = p D de(t)K T dt được thay bằng: ukD = p D k k-1 S K T (e -e ) T Thay các công thức xấp xỉ trên vào: uk = ukP + uki + ukD ta thu được mô hình không liên tục của bộ PID số kS D pk k i k k-1i=1 Si T Tu =K [e + e + (e -e ) T T∑ ] - 66 - 1. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID ở miền thời gian Ở đây chỉ nêu ra phương pháp sẽ chọn để áp dụng vào đối tượng này và một vài phương pháp hay sử dụng. + Phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất. Phương pháp này áp dụng cho mô hình bậc nhất có trễ của đối tượng, đối tượng phải ổn định, không có dao động và hàm quá độ phải có dạng hình chữ S. Cụ thể đối tượng được mô tả bởi mô hình toán học dưới đây. dt 1 -τsK.eW 1 T s = + Ziegler – Nichols đã xác định các tham số Kp, Ti, TD của bộ điều khiển như sau. * Nếu sử dụng bộ điều khiển khuếch đại Wdk = Kp thì chọn KP = 1 T Kτ . * Nếu sử dụng bộ điều khiển PI với p idk i K (1 Ts) W Ts += thì chọn 1 p 0,9TK Kτ = và i 10τT 3= . * Nếu sử dụng bộ PID với p Ddk i 1W K (1 T s) Ts = + + thì chọn 1p 0,5TK Kτ= , iT 2τ= , D τT 2= . 2. Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID ở miền tần số. Nguyên tắc thiết kế ở miền tần số. Một trong những yêu cầu đối với hệ thống kín hình trên mô tả bởi: o k o W (s)W (s) 1 W (s) = + Với Wo(s) = Wdk(s). Wdt(s) - 67 - Hình 4.5. Điều khiển với bộ điều khiển PID Là hệ thống luôn đáp ứng y(t) giống như tín hiệu lệnh được đưa vào hệ thống x(t) tại mọi điểm tần số hoặc ít ra thời gian quá độ để y(t) bám vào x(t) càng ngắn càng tốt. Nói cách khác bộ điều khiển lý tưởng Wdk(s) cần phải mang đến cho hệ thống khả năng │Wk(jω)│=1 ω∀ . Nhưng thực tế, vì nhiều lí do mà yêu cầu Wdk(s) thoả mãn kW (s) khó đáp ứng. Nên bộ điều khiển Wdk(s) thoả mãn │Wk(jω)│=1 trong dải tần số thấp có độ rộng càng lớn càng tốt. ● Phương pháp tối ưu môdun. Như việc phân tích phương pháp điều khiển ở miền tần số ta nhận thấy. Đối với một hệ thống kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì môđun của đặc tính tần số biên độ phải tiến đến không. Vì thế đối với dải tần số thấp hàm truyền phải đạt được điều kiện │Wk(jω)│=1. Hàm chuẩn tối ưu mô đun là hàm có dạng: MC 2 2 σ σ 1F (s) 1 2τ s 2τ s = + + Tiêu chuẩn tối ưu môđun hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng tần số thấp và không bảo đảm trước được tính ổn định của hệ thống. Do đó sau khi ứng dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun cần phải kiểm tra sự ổn định của hệ. Đặc tính tần số và đặc tính quá độ của hàm chuẩn tối ưu môđun có dạng. - 68 - Hình 4.6. a) Đặc tính tần số; b) Đặc tính quá độ * Trường hợp hệ hữu sai có hàm truyền. 1 o 1 2 KS (s) (1 T s)(1 T s) = + + trong đó T2 > T1 Để hệ có hàm truyền F(s) = FMC(s) thì ta phải có: o MC o R(s).S (s) F (s) 1 R(s).S (s) =+ → MC o MC F (s) R(s) S (s) 1 F (s)⎡ ⎤⎣ ⎦ = − → o σ σ 1R(s) S (s)2τ s(1 τ s) = + - 69 - Hình 4.7. Cấu trúc hệ thống Nếu chọn bộ điều chỉnh PI o 1 TsR(s) KT s += thì ta chỉ bù được hằng số thời gian lớn 1+Ts = 1+T2s. Khi đó hàm truyền hở của hệ sẽ là: 1 1 o o o o1 2 1 K K1 Ts 1F (s) R(s).S (s) . . KT s (1 T s)(1 T s) KT s 1 T s += = =+ + + Hàm truyền kín của hệ là: 1 o 2oo 11 1 1 1 K 1F(s) KT TKTKT s(1 T s) K 1 s sK K = =+ + + + Để F(s) = FMC(s) thì ta phải có KTo = 2KT1 thay vào biểu thức trên ta sẽ có 2 2 1 1 1F(s) 1 2T s 2T s = + + . Như vậy nếu hệ có cấu trúc như Hình 4.7 thì theo tiêu chuẩn tối ưu môđun và nếu chọn bộ điều chỉnh có cấu trúc PI thì hàm truyền của nó sẽ có dạng 2 1 1 1 T sR(s) 2K T s += và đặc tính quá độ của hệ sẽ có các thông số đặc trưng như Hình 4.8. * Trường hợp hệ có hàm truyền u0 ' ii 1 KS (s) (1 T s) = = +∏ - 70 - Hình 4.8. Đặc tính quá độ của hệ thống Trong đó Ti’ là các hằng số thời gian nhỏ, bằng phương pháp thực hiện tương tự như trên ta tìm được bộ điều chỉnh có cấu trúc tích phân như sau: i 1R(s) 2KTs = với u 'i ii 1T T== ∑ * Nếu hàm truyền của hệ có dạng o u2 ' k ik 1 1S (s) (1 T s). (1 T s) i 1= = + +∏ ∏= Tức là hàm truyền có dạng là tích của hai trường hợp trên cũng tương như trên ta sẽ có bộ điều chỉnh PID. 2 kk 1 i (1 T s) 1R(s) . K 2Ts = +∏= * Nếu hàm truyền có dạng o u ' ii 1 KS (s) s(1 Ts) (1 T s) = = + +∏ thì có bộ điều chỉnh PD i 1 TsR(s) 2KT += . * Nếu o u ' ii 1 KS (s) s (1 T s) = = +∏ thì có bộ điều chỉnh tỷ lệ i 1R(s) 2KT = . - 71 - Như vậy tuỳ vào hàm truyền đạt của đối tượng So(s) mà bằng các bộ điều chỉnh R(s) ta có được hệ có hàm truyền dạng tối ưu môđun. Trong các trường hợp trên, giá trị hằng số thời gian Tσ là nhỏ, nên có thể coi kết quả có hàm truyền dạng quán tính: 2 2 σσ σ 1 1F (s) 1 2T s1 2T s 2T s = = ++ + Và quá trình quá độ ứng với hàm quán tính gần đúng này là đường nét đứt trên Hình 4.8. ● Phương pháp tối ưu đối xứng Phương pháp này thường được áp dụng để tổng hợp các bộ điều chỉnh trong mạch có yêu cầu vô sai cấp cao, nó cũng được áp dụng có hiệu quả để tổng hợp các bộ điều chỉnh theo quan điểm nhiễu loạn. Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng: σ DX 2 2 3 3 σ σ σ 1 4τ sF (s) 1 4τ s 8τ s 8τ s += + + + Để nghiên cứu ý nghĩa của tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta xét hệ thống có hàm truyền So(s) là dạng vô sai cấp một nhưng lại dùng bộ điều chỉnh kiểu PI: o 1 o o o 1 i K1 T sF (s) R(s).S (s) . KT s sT (1 Ts) += = + Trong đó Ti là tổng các hằng số thời gian nhỏ. Khai triển biểu thức trên ta có. o1 2 3 o o o1 1 1 i K (1 T s)F (s) 1 K T s KT T s KT T Ts += + + + - 72 - Hình 4.9. Đặc tính quá độ của hàm tối ưu đối xứng Áp dụng điều kiện của tiêu chuẩn tối ưu môđun ta tìm được các phương trình hệ số của phương trình đặc tính như sau. (K1To)2 – 2K1KToT1 = 0 (KToT1)2 – 2K1To2KT1Ts = 0 Giải hệ phương trình trên ta tìm được s1 1 2K TK T = ; T1 = 4Ts. Hàm truyền của hệ sẽ là: s2 2 3 3 s s s 1 4TF(s) 1 4T s 8T s 8T s += + + + Đây là hàm truyền dạng tối ưu đối xứng với τσ = Ts. Trong trường hợp hàm truyền của đối tượng có chứa khâu quán tính thứ hai với hằng số thời gian lớn T2. 1o s1 2 KS (s) sT (1 T s)(1 T s) = + + Áp dụng cách tìm bộ điều chỉnh R(s) với hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta tìm được bộ điều chỉnh có dạng PID. Tương tự như vậy nếu đối tượng có dạng vô sai cấp 2 thì dễ dàng tìm được bộ điều chỉnh là khâu tỷ lệ. - 73 - 4.2.2. Thuật toán điều khiển tốc độ Tốc độ gió được tạo ra nhờ các quạt thổi vào buồng trộn và buồng sấy. Các quạt này đựợc cấp nguồn từ các bộ biến tần, để thay đổi được tốc độ động cơ quạt ta đi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho nó. Mặt khác với giá trị tần số đặt đầu vào bất kỳ trong khoảng từ 0 – 50 Hz , hệ thống biến tần sẽ đảm bảo được tính ổn định ở giá trị đó. Vì thế trong đồ án này để điều khiển tốc độ gió tức điều khiển tốc độ của động cơ, ta đi điều khiển giá trị tần số đặt vào biến tần. Như vậy việc điều khiển tốc độ gió bây giờ trở thành việc điều khiển tần số đầu ra của bộ điều chỉnh. Đây là giá trị đặt cho các bộ biến tần, giá trị này phụ thuộc vào tín hiệu của cảm biến phản ánh giá trị vận tốc đầu ra của hệ thống. 4.2.3. Xác định tham số bộ điều chỉnh Sau khi đã xác định được hàm truyền của đối tượng và bằng các phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh ta đã xác định được bộ điều chỉnh cần thiết cho hệ thống. Việc tiếp thao ta phải xác định các tham số bộ điều chỉnh sao cho phù hợp với yêu cầu điều khiển. Việc xác định các thông số của bộ điều chỉnh sẽ phụ thuộc vào đáp ứng quá độ mà ta tìm được. Do điều kiện không làm thực nghiệm được để xác định hàm truyền đối tượng. Nên việc xác định các thông số cho bộ điều chỉnh cũng chỉ nêu được về mặt lý thuyết. 4.3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ GIÓ Qua các bước trên ta đã tìm được mô hình toán học của đối tượng, cùng với việc tìm được qui luật điều chỉnh. Đồng thời xác định được các tham số của bộ điều chỉnh hợp lý theo lý thuyết. Chúng ta tiến hành thí nghiệm mô phỏng xác định đặc tính của hệ thống xem ứng với các thông số của bộ điều chỉnh ta tổng hợp được. Ở đây sẽ sử dụng phần mềm MATLAB 6.5 để mô phỏng. Bằng việc xây dựng sơ đồ cấu trúc trên Simulink, chúng ta nhập các giá trị thông số điều - 74 - chỉnh với đầu vào là hàm bậc thang 1(t) ta sẽ thu được đặc tính quá độ điều chỉnh. 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 Ở chương 4 ta đã tìm hiểu được một số phương pháp nhận dạng đối tượng điều khiển. Áp dụng phương pháp nhận dạng thực nghiệm cho hệ thống thí nghiệm quá trình sấy để xác định hàm truyền của nó. Từ đó nghiên cứu các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID. Xong do điều kiện về trang thiết bị nên trong chương này chỉ nêu được phương pháp giải quyết bài toán chứ chưa tìm được số liệu thực tế. - 75 - CHƯƠNG V XÂY DỰNG THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 5.1. CẤU TRÚC SƠ ĐỒ MẠCH Mục đích lắp mạch điều khiển để điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí trong quá trình thí nghiệm. Mạch bao gồm các khối sau: - Khối xử lý trung tâm - Khối giao tiếp bằng bàn phím - Khối cảm biến tốc độ - Khối hiển thị tốc độ Hình 5.1. Sơ đồ khối tổng quát mạch điều khiển 5.1.1. Khối xử lý trung tâm. Đây là khối quan trọng nhất trong bản mạch, nó có nhiệm vụ tính toán, xử lý toàn bộ các hoạt động của mạch. Để nó có thể hoạt động theo ý muốn ta cần nạp vào nó chương trình điều khiển. Ở đây ta sử dụng vi điều khiển AT89C51. *Vi điều khiển AT89C51 AT89C51 là một vi điều khiển 8 bit được chế tạo theo công nghệ CMOS, có chất lượng cao, công suất thấp với 4 KB Flash PEROM (Programmable and Erasable Read Only Memory). Thiết bị này được chế tạo bằng cách sử dụng kỹ - 76 - thuật bộ nhớ không bốc hơi mật độ cao của Atmel và tương thích với chuẩn công nghiệp MCS-51 về tập lệnh và các chân ra. AT89C51 là một vi điều khiển mạnh, cung cấp một sự linh động cao và giải pháp về giá cả đối với nhiều ứng dụng vi điều khiển. *Các đặc trưng chủ yếu của AT89C51 - Tương thích hoàn toàn với họ MCS-51 của Intel. - Bộ nhớ chương trình 4 KB thuộc loại Flash Memory. - Độ bền: 1000 lần ghi/xoá. - Tần số hoạt động: 0Hz đến 24MHz. - 3 chế độ khoá bộ nhớ. - 128 x 8 bit RAM nội. - 32 đường I/O lập trình được (4 port). - 2 Timer/Counter 16bit. - 6 nguồn ngắt. - Giao tiếp nối tiếp lập trình được. - Chế độ hạ nguồn và chế độ nhàn rỗi tiêu tốn công suất thấp. * Sơ đồ chân Hình 5.2. Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 - 77 - * Sơ đồ khối Hình 5.3. Sơ đồ khối vi điều khiển AT89C51 • Mô tả chức năng các chân: Vcc: chân cung cấp điện áp nguồn 5V cho chip. GND: chân nối đất. Port 0: Từ chân 32 đến chân 39 (P0.0 đến P0.7). Port 0 có hai chức năng, trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường I/O, đối với các thiết kế lớn có bộ nhớ ngoài, Port 0 trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp. Để có thể vừa làm đầu vào, vừa làm đầu ra thì mỗi chân phải được nối tới một điện trở 10KΩ kéo lên bên ngoài. Sở dĩ như vậy là vì Port 0 có dạng cực máng hở, đây là điểm khác biệt so với các Port 1, 2, 3. Port 1: Từ chân 1 đến chân 8 trên chip. Port 1 chỉ có c