Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 6 potx

Chương 6
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
6.1. Mở đầu
Thiết kế hệ thống điều khiển bao gồm các bước như bài toán tổng hợp hệ thống
điều khiển, và tuân theo một số nguyên tắc thiết kế sau:
Nguyên tắc điều khiển tự động:
Các hệ thống điều khiển thường tuân theo 3 nguyên tắc điều khiển chủ yếu sau:
1) Nguyên tắc giữ ổn định

Tức là duy trì đầu ra cố định, theo nguyên tắc này nếu các tác động bên ngoài có
thể đo được, còn đặc tính đối tượng được xác định trước thì sử dụng phương pháp
bù tác
động bên ngoài, như hình vẽ



ở nguyên tắc này cần đo nhiễu và tính được
trị số của nó tác động vào thiết bị điều
chỉnh. Trong thiết bị điều chỉnh ngoài phần
tử chuyển đổi và cơ
cấu chấp hành còn có các thiết bị đo G
4
để tác động tới phần tử
chuyển đổi G
1
, tạo ra “lệnh” cho cơ cấu chấp hành G
2
.
Phương pháp thứ 2 của nguyên tắc này là điều khiển theo sai lệch (nguyên tắc phản
hồi) được sử dụng khi tác động bên ngoài không đo được và đặc tính đối tượng

cũng không xác định được. Đó là hệ thống phản hồi mà tín hiệu ra C được đưa về so
với tín hiệu vào chuẩn R để tạo
nên sai lệch E tác động đối với
phần tử điều khiển.




Phương pháp thứ 3 để giữ ổn
định đầu ra là hỗn hợp
hai phương pháp trên.




G1 G 2 G 3
G 4
U
R
H×nh
6
-
1
H×nh
6
-
2
R
G
1

G
2
H
U
G
3
B
C
+
-
-
+
R

B
G
1
H
ình
6
-3
H
U
G
2
G
3
C
G
4

E

V
R
TB§Kc §T§K
TB§K
1
TB§K
2) Nguyên tắc điều khiển chương trình
Tức là nguyên tắc điều khiển để tín hiệu ra thay đổi theo một chương trình mong
muốn nào đó theo thời gian: C = C(t)
Tín hiệu điều khiển phụ thuộc quy luật thay đổi theo thời gian của đầu ra, ta có thể
xác lập được quan hệ đó. Rất nhiều hệ điều khiển theo nguyên tắc này, ví dụ thay
đổi nhiệt độ trong một lò nung, thay đổi cường
độ ánh sáng trong phòng tuỳ theo
giờ giấc trong ngày, thay đổi tốc độ, bước tiến dao của một máy tiện khi chuyển từ
chế độ gia công thô sang gia công tinh
3) Nguyên tắc thích nghi






Hình 6-4
- Khi cần điều khiển những đối tượng phức tạp hoặc nhiều đối tượng đồng
thời, mà phải đảm bảo cho một tín hiệu có giá trị cực trị, hoặc một chỉ tiêu
tối
ưu nào đó
- Hệ thống tự thích nghi bao gồm hai phần chủ yếu:

Đối tượng điều khiển
Thiết bị điều khiển
Hệ thống này là hệ thống nhiều vòng: mạch vòng cơ bản có đối tượng điều
khiển và thiết bị điều khiển cơ bản.
Mạch vòng: Hệ thống điều khiển thông thường.
Là nguyên tắ
c điều khiển để tạo ra tín hiệu ra (đại lượng ra) theo sự biến đổi của tín
hiệu vào (đại lượng vào).

6.2. Các khâu động học của hệ thống điều khiển
Phạm vi của môn học đề cập đến các khâu động học cơ bản thường sử dụng trong
ngành cơ khí.
a. Khâu khuếch đại (P)




Hình 6 -1

Cơ cấu đòn bẩy ở hình 6-1 hoạt động như bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại K
p
.
Hoặc lực quán tính và gia tốc quan hệ là F = m.a; điện áp và dòng điện quan hệ là
U = R.I đều là các khâu khuếch đại, có thể gọi là các phần tử P.
b. Khâu quán tính (P- T
1
)
Mô hình tính toán của khâu quán tính (P- T
1
) có dạng:

T.
dt
dX
a
+ X
a
= K.X
e
(6.1)
Ví dụ xylanh thủy lực có pittong mang khối lượng m chuyển động với vận tốc v thì
phương trình cân bằng lực là:
m.
dt
dv
= F - f.v , với f là hệ số ma sát nhớt (6.2)











Hình 6-2
a)Sơ đồ ví dụ b) Đặc tính c) Ký hiệu
c. Khâu tích phân (I)
Mô hình toán của khâu tích phân thể hiện là đầu ra bằng tích phân của đầu vào:

X
a
= K
I
.
∫
dttx
e
)(
(6-3)
K
I
là hệ số khuếch đại của khâu tích phân.
Ví dụ 1: Hành trình của pittong - xy lanh tính theo lưu lượng vào là
S =
A
1
.
∫
dtQ. = K
I
.
∫
dtQ. (6-4)
Với A là diện tích của pittong và K
I
là hệ số khuếch đại của khâu tích phân.
Ví dụ 2: Bộ truyền vít me đai ốc bi có quan hệ như sau
S = t
x

.
∫
dtn. (6-5)
Nếu số vòng quay n không đổi thì S = t
x
.n.t












Hình 6-3
d. Khâu vi phân (D)
Mô hình toán của khâu vi phân thể hiện đầu ra tỷ lệ với vi phân đầu vào:
x
a
= K
D
.
dt
dX
e
(6-6)

Ví dụ: quan hệ giữa dòng điện và điện áp qua tụ điện C thể hiện theo công thức là
I
c
= C.
dt
du
c
= K
D
.
dt
du
c
(6-7)
K
D
= C là hệ số khuếch đại của khâu D
I
c
: là tín hiệu ra
U
c
: là tín hiệu vào

Hình 6-4

e. Khâu điều chỉnh PI

S
K
K
sX
sX
I
p
e
a
+=
)(
)(
(6-8)


Hình 6-5
f. Khâu điều chỉnh PD

SKK
sX
sX
Dp
e
a
.
)(

)(
+=
(6-9)






Hình 6-6
g. Khâu điều chỉnh PID

SK
S
K
K
sX
sX
D
I
p
e
a
.
)(
)(
++= (6-10)

Hình 6-7







Chương 7
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THỦY LỰC
7.1. Các phần tử thủy lực cơ bản
7.1.1. Van điều khiển
a. Van trượt có mép điều khiển dương, trung gian và âm

Hình 7-1. Sơ đồ các loại mép điều khiển của van
a- Van có mép điều khiển dương (+x
0
)
b- Van có mép điều khiển trung gian (x
0
= 0)
c- Van có mép điều khiển âm (- x
0
)
d- Đặc tính lý thuyết Q - x(Q-I)
Khi x
0
> 0 gọi là van trượt có mép điều khiển dương, con trượt di chuyển trong
vùng x
0
lưu lượng vẫn bằng 0 và vùng này có thể gọi là vùng “chết”.
Khi x
0
= 0 gọi là van trượt có mép điều khiển trung gian.
Khi x
0
< 0 gọi là van trượt có mép điều khiển âm, tại vị trí trung gian ( con trượt
chưa di chuyển) đã hình thành tiết diện chảy và lưu lượng dầu đã qua van.
b. Van solenoid
Cấu tạo của van solenoid gồm các bộ phận chính (hình 7-2).
Con trượt của van sẽ hoạt động ở hai hoặc ba vị trí tùy theo tác động của nam
châm. Có thể gọi van solenoid là loại van điều khiển có cấp.

Hình 7-2: Cấu tạo và ký hiệu của van solenoid
a- Cấu tạo và ký hiệu của van solenoid điều khiển trực tiếp (1,5 - vít hiệu chỉnh vị
trí của lõi sắt từ; 2,4 - lò xo; 3,6 - cuộn dây của nam châm điện)
b- Cấu tạo và ký hiệu của van solenoid điều khiển gián tiếp ( 1- van sơ cấp; 2- van
thứ cấp).
c. Van tỷ lệ
Cấu tạo của van tỷ lệ
như hình 7-3 gồm: Thân van, con trượt, nam châm điện.
Để thay đổi tiết diện chảy của van, tức là thay đổi hành trình của con trượt bằng
cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm. Có thể điều khiển con trượt ở vị trí
bất kỳ trong phạm vi điều chỉnh nên van tỷ lệ có thể gọi là loại van điều khiển vô
cấp.

Hình 7-3
d. Van servo

* Nguyên lý làm việc:









Hình 7-4: Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo
Bộ phận điều khiển con trượt của van servo thể hiện trên hình 7-4. Hai nam châm
vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng trên đó có hai cuộn
daayvaf cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên một kết cấu vững. Định vị
phần
ứng và cánh chặn dầu là một ống đàn hồi, ống này có tác dụng phục hồi cụm phần
ứng và cánh chặn về vị trí trung gian khi dòng điện vào hai cuộn dây cân bằng. Nối
với cánh chặn dầu là càng đàn hồi, càng này nối trực tiếp với con trượt. Khi dòng
điện vào hai cuộn dây lệch nhau thì phần ứng bị hút lệch, do sự đối xứng của các
cực nam châm mà phần ứng sẽ quay. Khi ph

ần ứng quay, ống đàn hồi sẽ biến dạng
đàn hồi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu cũng sẽ thay đổi ( phía này hở ra
và phía kia hẹp lại). Điều đó dẫn đến áp suất ở hai phía con trượt lệch nhau và con
trượt được dịch chuyển. Như vậy:
- Khi dòng điện điều khiển ở hai cuộn dây bằng nhau hoặc bằng 0 thì phần ứng,
cánh, càng và con trượt ở vị trí trung gian.
- Khi dòng i
1

≠
i
2
thì phần ứng sẽ quay theo một chiều nào đó tùy thuộc vào dòng
điện của cuộn dây nào lớn hơn. Giả sử phần ứng quay ngược chiều kim đồng hồ,
cánh chặn dầu cũng quay theo làm tiết diện chảy của miệng phun dầu thay đổi, khe
hở miệng phun phía trái rộng ra và khe hở ở miệng phun phía phải hẹp lại. Áp suất
dầu vào hai buồng con trượt không cân bằng, tạo lực dọc trụ
c, đẩy con trượt di
chuyển về bên trái hình thành tiết diện chảy qua van( tạo đường dẫn dầu qua van)
(hình 7-5a).
Đồng thời khi con trượt sang trái thì càng sẽ cong theo chiều di chuyển của con
trượt làm cho cánh chặn dầu cũng di chuyển theo. Lúc này khe hở ở miệng phun trái
hẹp lại và khe hở ở miệng phun phải rộng lên, cho đến khi khe hở của hai miệng
phun bằng nhau và áp suất hai phía bằng nhau thì con trượt ở vị trí cân bằng (hình
7-5b).

Tương tự như trên nếu phần ứng quay theo chiều ngược lại thì con trượt sẽ di
chuyển theo chiều ngược lại.

Hình 7-5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo
* Ký hiệu của van servo:





Hình 7-6
7.2. Tính toán, thiết kế các mạch điều khiển thủy lực
Ví dụ: Hệ thủy lực thực hiện chuyển động t
ịnh tiến
Áp suất và lưu lượng dầu cung cấp cho xylanh thủy lực là hai đại lượng quan trọng
đảm bảo cho hệ truyền được tải trọng, vận tốc hoặc vị trí cần thiết.
Phân tích sơ đồ hệ thống ở hình 7-7.

Hình 7- 7: Sơ đồ của hệ thủy lực chuyển động tịnh tiến
Lực quán tính: Fa = m.a (7.1)
Fa =
g
W
L
.a ( Theo hệ Anh)
Lực ma sát: Fc = m.g.f (7.2)
Fc = W
L
.f ( Theo hệ Anh)
Lực ma sát trong xylanh thường bằng 10% lực tổng cộng, nghĩa là: F
s
= 0,10. F
Lực do tải trọng ngoài F
E

Lực tổng cộng tác dụng lên pittong là: F =
1000
.
am
+ Fc + Fs + F
E
(daN) (7.3)
Theo hệ Anh F =
12.2,32
.
aW
L
+ Fc + Fs + F
E
(lbf)
Trong đó: m là khối lượng chuyển động, kg
W
L
: Trọng lực (lbf)
a: gia tốc chuyển động, cm/s
2
(in/s
2
)
Fc: Lực ma sát của bộ phận chuyển động, daN (lbf)
F
E
: ngoại lực, daN (lbf)
Fs : Lực ma sát trong pittong- xylanh, daN (lbf)
Phương trình cân bằng pittong:

P
1
.A
1
= P
2
.A
2
+ F (7.4)
Đối với xy lanh không đối xứng thì lưu lượng ra và vào không bằng nhau:
Q
1
= Q
2
.R với R =
2
1
A
A
(7.5)
Độ sụt áp qua van:
P
s
- P
1
= ( P
2
-P
T
). R

2
(7.6)
Trong đó: P
1
và P
2
áp suất ở 2 buồng của xy lanh

P
s
là áp suất cung cấp cho van
P
T
áp suất dầu ra khỏi van
A
1
, A
2
diện tích hai phía của pittong.
Từ công thức (7.5) và (7.6) ta tìm được P
1
, P
2
như sau:
P
1
=
)1.(
) (.
3

2
2
2
2
RA
APFRAP
Ts
+
++
(7.7)
P
2
= P
T
+
2
1
R
PP
s
−
(7.8)
Lưu lượng dầu vào xy lanh để pittong chuyển động với vân tốc cực đại là:
Q
L
= v
max
.A
1
(cm

3
/s) (7.9)
Hoặc Q
L
=
7,16
max
v
.A
1
(l/p)
Nếu tính theo hệ Anh: Q
L
= v
max
.A
1
(in
3
/s) (7.10)
Q
L
=
85,3
max
v
.A
1
(usgpm)
Lưu lượng dầu qua van ứng với độ sụt áp 35 bar ( 500PSI) là:

Q
R
= Q
L
.
1
35
PP
s
−
(l/b) (7.11)
Theo hệ Anh: Q
R
= Q
L
.
1
500
PP
s
−
(usgpm)
Với cách phân tích như trên khi pittong làm việc theo chiều ngược lại:
P
1
= P
T
+ (P
s
- P

2
). R
2
(7.12)
P
2
=
)1.(

3
2
2
3
2
RA
RAPFRAP
Ts
+
++
(7.13)
và Q
R
cũng xác định tương tự như công thức (7.11). Lưu lượng lớn nhất của một
trong hai trường hợp trên sẽ được dùng để chọn van.
Bài toán trên cũng ứng dụng cho xy lanh có kết cấu đối xứng (A
1
= A
2
) và tải trọng
âm.

II. Phần 2: Phần thảo luận, bài tập

II1. Yêu cầu đối với sinh viên
- Mục tiêu: Giúp sinh viên nắm rõ lý thuyết và biết xây dựng mô hình toán của hệ
thống điều khiển trong ngành cơ khí và từ đó thiết kế một hệ thống điều khiển tự
động có ứng dụng trong thực tế.
- Nhiệm vụ của sinh viên: Đọc kỹ lý thuyết ở nhà
Tìm hiểu nh
ững kiến thức xung quanh kiến thức đã học
Tham gia thảo luận đầy đủ
- Hình thức thảo luận : Các sinh viên được chia làm các nhóm thảo luận
Trình bày ý kiến theo từng nhóm
Thảo luận trên lớp có trợ giúp của giảng viên.
- Đánh giá : Chấm điểm cho từng sinh viên theo thang điểm 4.
II.2. Các nội dung cụ thể

Chương 1: Các vấn đề cơ bản của hệ thống điều khiển tự động
Mục tiêu: Nắm rõ lý thuyết, xây dựng được mô hình toán của các hệ thống điều
khiển tự động.
Bài tập:
Xây dựng mô hình toán của các hệ thống.

Chương 2: Hàm truyền đạt
Mục tiêu: Biết cách xây dựng hàm truyền đạt của một hệ thống
Các nội dung của bài toán phân tích hệ thống khi biết hàm truyền đạt của
hệ thống.
Bài tập:
- Cho hệ thống được mô tả bởi phương trình vi phân, sơ đồ khối, sơ đồ graph tín
hiệu Hãy xác định hàm truyền đạt của hệ thống đó.

Chương 3: Phương trình trạng thái
Mục tiêu: Biết cách xây dựng phương trình trạng thái của một hệ thống bất kỳ.
Phân tích hệ thống khi biết phương trình trạng thái.
Bài tập: Biết hệ thống được mô tả bởi phương trình vi phân, hàm truyền đạt, sơ đồ
khối Hãy xác định phương trình trạng thái của hệ thống đó và phân tích hệ thống.

Chương 4 : Ổn định của hệ thống điều khiển
Mục tiêu: Phân tích được hệ thống điều khiển về tính chất ổn định của hệ thống đó
bằng các tiêu chuẩn kiểm tra ổn định.
Bài tập: Biết các mô hình toán của hệ thống điều khiển
Áp dụng các tiêu chuẩn kiểm tra ổn định

Chương 5: Tính điều khiển được và tính quan sát được của hệ thống
điều khiển
Mục tiêu: Phân tích được hệ thống điều khiển về tính chất quan sát được và điều
khiển được của hệ thống đó bằng các tiêu chuẩn.
Bài tập: Biết các mô hình toán của hệ thống điều khiển
Áp dụng các tiêu chuẩn để kiểm tra.

Chương 6: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động thủy lực
Mục tiêu: Thiết kế hệ thống điều khiển thủy lực có ứng dụng trong ngành cơ khí

Bài tập: Sinh viên thiết kế một hệ thống điều khiển tự động.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Modern control systems Engineering, Z.Gajic and M.Lelic, Prentice Hall, Engle
wood Cliffs, NewJersey, 1996.
[2]. Digital control systems, Kuo.B, Sounder college Pulishing, Newyork, 1992.
[3]. Modern control engineering, Katsuhiko Ogata, International edition.
[4]. Cơ sở điều khiển hệ thống tự động, tập I,II,III, Đặng Vũ Giao, NXB ĐH &
THCN, Hà Nội, 1978
[5]. Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nguyễn Doãn Phước, NXB Khoa học và kỹ
thuật, 2007.
[6]. Hệ thống điều khiển tự động thủy lực, Trần Xuân Tùy, NXB Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội, 2002.