phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống tự động trên tàu thuỷ

1


LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật điều khiển tự động đã làm nên sự kỳ diệu trong mọi lĩnh vực của
đời sống hiện đại. Là nghành khoa học đóng vai trò quan trọng trong chiến lược
công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, tạo khả năng phát triển kinh tế với tốc độ
cao và bền vững. Do vậy đối với ngành tàu thuỷ việc tìm hiểu, nghiên cứu các thiết
bị, hệ thống tự động sử dụng trên tàu thuyền là việc làm cần thiết.
Nhà trường cần có những phương pháp thích hợp để giúp sinh viên nắm
được kiến thức một chách nhanh nhất trong thời gian có thể. Việc làm sinh động, cụ
thể hoá bài giảng là phương pháp cần thiết và hợp lý để giúp sinh viên tiếp thu kiến
thức một cách có hiệu quả nhất.
Nhận thấy đựơc ý nghĩa thực tiễn của nó. Tôi chọn đề tài: “Phân tích cơ sở
lý thuyết và mô phỏng đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống tự
động trên tàu thuỷ”. Nội dung của đề tài bao gồm:
- Cơ sở lý thuyết tự động.
- Đặc điểm và nguyên lý làm việc của hệ thống tự động phục vụ thiết bị năng
lượng và hệ thống tàu.
- Mô phỏng đặc điểm cấu tạo và và nguyên lý làm việc của một số hệ thống
phục vụ thiết bị năng lượng và hệ thống tàu.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, tuy nhiên tự động là một lĩnh vực rộng lớn, do
đó phạm vi nghiên cứu chỉ dừng lại ở những phần cơ bản. Hơn nữa thời gian thực
hiện đề tài là có hạn và kiến bản thân còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi
những thiếu sót nhất định. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy, cô và các
bạn đọc.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: Ths Nguyễn Đình Long đã
tận tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này.

Nha trang, tháng 11/2006
Sinh viên thực hiện
Đinh Xuân Toán





2


Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. Khái quát chung
Trong quá trình công nghiệp hóa đất nước, để tăng năng suất lao động, giảm
lượng nhân công chúng ta đã sử dụng ngày càng nhiều các trang thiết bị hiện đại để
điều chỉnh tự động các quá trình sản xuất, chế biến gia công và các quá trình làm
việc của các thiết bị phục vụ cho cuộc sống con người. Và khi áp dụng các biện
pháp tự động lên con tàu đã mang lại cho nó một diện mạo mới. Nhờ vào việc đơn
giản hóa các thao tác điều khiển, tăng tính cơ động, giảm lượng nhân công trên tàu,
đảm bảo tàu hoạt động ở chế độ có lợi nhất đã nâng cao khả năng khai thác của tàu,
hành trình chuyến biển dài hơn. Vì vậy đã nâng cao đáng kể tính kinh tế của một
chuyến biển. Trong các hệ thống động lực tàu thủy vấn đề điều chỉnh tự động và
điều khiển tự động ngày càng có ý nghĩa rất lớn.
1.2. Phạm vi và ý nghĩa đề tài.
Tự động hóa đã trở thành nhân tố gắn liền với sự phát triển của nền kinh tế,
gắn liền với tiến bộ không những cho hiện tại mà còn là xu hướng cho tương lai.
Ngành vận tải đường thủy Việt Nam ngày càng được trang bị hiện đại với các hệ
thống động lực được tự động hóa cao. Việc nắm vững nguyên lý cơ bản, hiểu rõ bản

chất của quá trình làm việc và đặc điểm của các cơ cấu tự động, trên cơ sở đó sử
dụng có hiệu quả các thiết bị tự động hiện có và tiến tới việc sửa chữa, chế tạo
những trang thiết bị mới là một hướng phát triển tất yếu.
Trong nhà trường, việc đào tạo nhân lực phục vụ cho hoạt động của tàu
thuyền phải đáp ứng đựơc yêu cầu thực tế đề ra. Với khối lượng kiến thức ngày
càng nhiều, đòi hỏi sinh viên phải nắm được trong một thời gian ngắn là rất khó.
Sinh viên sẽ khó có thể tiếp thu và tư duy vấn đề một cách sâu sắc nếu không có
phương pháp và cách thức giảng dạy hợp lý nhất. Giảng dạy phải đảm bảo phát huy
tính tích cực, tự giác, chủ động tư duy sáng tạo của người học, vun đắp lòng say mê
tìm hiểu, ý chí vươn lên.



3


Ngày nay với sự phát triển của công nghệ thông tin, máy tính đã trở thành
công cụ giảng dạy không thể thiếu trong nhà trường. Ứng dụng tính năng của máy
tính, ta có thể cụ thể hoá các kiến thức, tạo các mô hình động thông qua phương
pháp mô phỏng. Nhờ đó giúp cho sinh viên trong thờigian ngắn có thể tiếp thu được
lượng kiến thức lớn, có khả năng hiểu sâu và bản chất của vấn đề. Giúp cho đối
tượng tiếp nhận có cái nhìn trực quan hơn, bước gần hơn đến thực tế.
Sinh viên cần biết tư duy, nhưng nhờ có điều kiện tiếp cân bài giảng thông
qua trực quan sẽ tiếp thu nhanh hơn, cũng cố sự tự tin khi tư duy được nghiệm đúng
qua trực quan. Đồng thời với sự sinh động của bài giảng sẽ tạo cho sinh viên có
hứng thú học tập, tìm hiểu bài học sâu hơn.
Để phục vụ cho việc giảng dạy môn học trang bị động lực trong nhà trường,
tôi đã tìm hiểu về các hệ thống tự động trên tàu thuỷ. Tuy nhiên tự động hoá là một
quá trình phát triển không ngừng và ngày càng đa dạng. Ở đây tôi chỉ đề cập đến
những cơ sở ban đầu, những hệ thống đơn giản, cơ bản phục vụ cho thiết bị năng

lượng và hệ thống tàu.













4


Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỰ ĐỘNG

2.1. Khái quát chung về điều khiển
2.1.1. Khái niệm về điều khiển và điều chỉnh
Điều khiển là một tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá
trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó. Hệ thống điều
khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển
được gọi là điều khiển tự động. Điều chỉnh là một khái niệm hẹp hơn của điều
khiển.
Điều chỉnh là tập hợp tất cả các tác động nhằm giữ cho một tham số cần điều
chỉnh của quá trình ổn định hay thay đổi theo một quy luật nào đó.
2.1.2. Hệ thống tự động điều chỉnh

2.1.2.1. Khái niệm
Một hệ thống tự động điều chỉnh gồm hai thành phần cơ bản là đối tượng
điều chỉnh và thiết bị điều chỉnh, đối tượng điều chỉnh là thành phần tồn tại khách
quan có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh và nhiệm vụ cơ bản của điều chỉnh là
phải tác động lên đầu vào của đối tượng điều chỉnh sao cho đại lượng cần điều
chỉnh đạt được giá trị mong muốn. Thiết bị điều chỉnh là tập hợp tất cả các phần tử
của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều chỉnh tác động lên đối tượng. Giá trị
này được gọi là tác động điều chỉnh. Những tác động từ bên ngoài lên hệ thống
được gọi là tác động nhiễu.
Phương pháp để thiết bị điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh được gọi là
phương thức điều chỉnh. Có ba phương thức điều chỉnh là: Phương thức điều chỉnh
theo chương trình, phương thức bù nhiễu, điều chỉnh liên hợp và phương thức điều
chỉnh theo sai lệch. Trong kỹ thuật người ta thường sử dụng phương thức điều chỉnh
theo sai lệch.
Điều chỉnh tự động có thể điều hành dưới hai dạng cơ bản sau:
- Hệ thống điều chỉnh hở.



5






Hình H. 2-1. Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh hở.
- Hệ thống điều chỉnh kín.

Hình H. 2-2. Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh tự động kín.
Trong đó:
ĐT - Đối tượng điều chỉnh (điều khiển).
BĐC - Bộ điều chỉnh.
y - Thông số được điều chỉnh.
X
o
- Giá trị cho trước của đại lượng được điều chỉnh.
e - Độ lệch điều chỉnh (điều khiển).
u - Tín hiệu điều chỉnh.
f - Tác động nhiễu loạn.
2.1.2.2. Sơ đồ tổng quát
Một hệ thống dù phức tạp đến đâu cũng bao gồm hai khối cơ bản là đối
tượng điều chỉnh và bộ điều khiển.
y

Đ

T

TB

Đ

C

u

x

y

f

y

X

O

e

B

Đ








6

Hình H. 2-3. Sơ đồ tổng quát của hệ thống tự động điều chỉnh.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ như sau: Cảm biến sẽ cảm nhận giá trị của
đại lượng được điều chỉnh và đưa tín hiệu này đến phần tử so sánh. Phần tử so sánh
sẽ so sánh tín hiệu đó với tín hiệu cho trước từ bộ tạo tín hiệu cơ sở và tạo ra một
hiệu độ lệch, qua khối chức năng sẽ tạo ra tín hiệu điều chỉnh theo giá trị sai lệch
đó, tín hiệu điều chỉnh này được khuếch đại lên khi qua bộ khuếch đại và tác động
lên phần tử thực hiện. Phần tử thực hiện sẽ tạo ra tác động điều chỉnh, tác động lên
cơ cấu điều chỉnh để làm thay đổi đại lượng điều chỉnh theo ý muốn của con người
thông qua tín hiệu chỉ huy.
Đối tượng điều chỉnh
Phần tử
thực hiện

Phần tử
cảm ứng
Bộ
khuếch đại
Phần tử
so sánh
Bộ tạo tín
hiệu cơ sở

Khối
chức năng
Tín hiệu chỉ huy
Bộ điều chỉnh
Tác động nhiễu loạn

7


2.1.2.3. Phân loại hệ thống điều chỉnh tự động
Có rất nhiều cách phân loại hệ thống điều chỉnh tự động. Với giới hạn của
phần lý thuyết nghiên cứu, ta chia hệ thống điều chỉnh tự động thành hai loại chính
phụ thuộc vào tính chất của các phần tử của hệ thống là: Hệ thống tuyến tính và hệ
thống phi tuyến tính.
Nếu tất cả các phần tử của hệ thống đều là tuyến tính thì hệ thống được gọi là
hệ tuyến tính. Chỉ cần một phần tử trong hệ thống mang tính phi tuyến thì hệ thống
được gọi là hệ phi tuyến tính. Phần cơ bản nhất của lý thuyết điều khiển tự động là
đi sâu nghiên cứu hệ tuyến tính. Đặc trưng cơ bản nhất của các phần tử tuyến tính là
chịu tác động của nguyên lý xếp chồng. Nghĩa là khi có một tổ hợp tín hiệu tác
động ở đầu vào của phần tử thì tín hiệu ra sẽ bằng tổ hợp tương ứng của các tín hiệu
ra thành phần. Hệ thống phi tuyến tính không chịu tác động của nguyên lý này.
2.2. Đặc tính tĩnh học và động học của hệ thống tự động điều chỉnh
2.2.1. Khái niệm về khâu (phần tử) và đặc tính tĩnh học và động học của khâu
2.2.1.1. Khâu (phần tử) cơ bản
Khâu cơ bản là khâu có tác động định hướng. Mỗi khâu được đặc trưng bởi
hai đại lượng là đại lượng vào (tín hiệu vào) và đại lượng ra (tín hiệu ra). Tín hiệu
được truyền từ đầu vào đến đầu ra theo một hướng nhất định, các hiện tượng được
nghiên cứu có thể khác nhau về mặt cấu trúc, tính chất vật lý, ứng dụng, số lượng
các phần tử thế nhưng chúng đều được tạo nên bởi sự kết hợp với nhau của các
phần tử cơ bản.
2.2.1.2. Đặc tính tĩnh học và động học của khâu
Việc nghiên cứu các khâu cũng như hệ thống tự động điều chỉnh được tiến
hành ở hai trạng thái, trạng thái tĩnh và trạng thái động.

Nghiên cứu tĩnh học hệ thống tự động điều chỉnh là nghiên cứu các điều kiện
bảo đảm các trạng thái cân bằng. Khi đối tượng đã xác định, việc tính toán tĩnh học
nhằm xác định thông số kết cấu của các bộ phận và bộ phận tự động điều chỉnh để
đảm bảo các giá trị cho trước của thông số điều chỉnh với một sai số nhất định.



8


Việc nghiên cứu động học hệ thống tự động điều chỉnh là nghiên cứu diễn
biến của hệ thống khi chế độ cân bằng bị phá huỷ. Đối tượng được nghiên cứu trong
trường hợp này là quá trình thay đổi thông số điều chỉnh theo thời gian.
Vì hệ thống tự động điều chỉnh hoạt động ở chế độ chuyển tiếp, cho nên việc
nghiên cứu tính chất động học của khâu và hệ thống tự động điều chỉnh là nhiệm vụ
chủ yếu của lý thuyết tự động điều chỉnh.
Tính chất của khâu được biểu thị bằng sự phụ thuộc toán học giữa đại lượng
vào và đại lượng ra của nó.
- Sự phụ thuộc giữa đại lượng ra y và đại lượng vào x của nó ở các chế độ cân
bằng gọi là đặc tính tĩnh học của khâu. Quá trình đặc tính tĩnh học của khâu có dạng:
y = k.x
Trong đó: k - Hệ số truyền tĩnh học.
Đặc tính động của phần tử mô tả sự thay đổi tín hiệu ra của nó theo thời gian khi
có tác động ở đầu vào. Thường được biểu diễn bằng phương trình có dạng tổng quát:
0
1
1
10




nn
nn
apapapa


Trong đó
mn
bbaa , ,,, ,
00
là những hệ số
2.2.2. Các khâu cơ bản
Mặc dù các bộ phận tự động khác xa nhau về cấu tạo, công suất, dạng năng
lượng v.v chúng ta vẫn có thể phân chúng thành những khâu điển hình.
Khâu điển hình trong hệ thống tự động điều chỉnh là khâu có quá trình
chuyển tiếp được biểu diễn bằng phương trình vi phân không quá bậc hai. Trong hệ
thống tự động điều chỉnh của hệ động lực tàu thủy thường gặp các khâu điển hình
là: Khâu tỉ lệ, khâu quán tính, khâu dao động, khâu tích phân và khâu vi phân.
2.2.3. Các dạng liên kết các khâu và hệ số truyền của hệ thống hở
Trong hệ thống tự động điều chỉnh các khâu có thể liên kết với nhau bằng
nhiều cách. Tuy vậy bất kỳ một hệ thống phức tạp nào cũng có thể xem như tổng
hợp của ba dạng liên kết cơ bản sau: Nối tiếp, song song và hồi tiếp.




9


2.2.3.1. Liên kết nối tiếp

Các phần tử được gọi là mắc nối tiếp nếu tín hiệu ra của phần tử trước là tín
hiệu vào của phần tử sau. Tín hiệu vào của hệ thống là tín hiệu vào của phần tử đầu
tiên. Tín hiệu ra của phần tử cuối cùng là tín hiệu ra của hệ thống. Sơ đồ các phần tử
mắc nối tiếp được mô tả trên hình H.2- 4.

Hình H. 2-4. Sơ đồ hệ thống gồm các phần tử mắc nối tiếp
Từ sơ đồ ta có:










n
i
n
nnnnn
XYY
XXYXY
1
i
22-nn11-nn1nn
.W
W.W.W.W.W.W

Như vậy hàm truyền đạt của hệ thống gồm các phần tử mắc nối tiếp bằng

tích số hàm truyền đạt của các phần tử thành phần.
2.2.3.2. Hệ thống các phương trình mắc song song
Hệ thống được xem là gồm các phần tử mắc song song nếu tín hiệu vào của
hệ thống là tín hiệu vào của các phần tử thành phần. Còn tín hiệu ra của hệ thống
bằng tổng đại số tín hiệu ra của các phần tử thành phần. Sơ đồ hệ thống gồm các
phần tử mắc song song được mô tả trên hình H. 2-5.
Ta có:

XXY
XXY
XXY
nn
.W. W

.W. W
.W. W
nn
2222
1111




Như vậy:



n
1i
i

1
.W XYY
n
i
i
Hình H. 2-5. Sơ đồ hệ thống các phần tử mắc song song.
x = x
1
W
1

W
2

y
1
= y
2
y
2
= y
3
. . .

y
n
= y

. . . . . . . . . . . .
x

W
2

W
n

∑

x
1
= x
x
2
= x


x
n
= x


y
1

y
2

y
n

y

W
1



10


Suy ra:



n
i
p
1
i
)(W
X(p)
Y(p)
W(p)
Hàm truyền đạt của hệ thống gồm các phần tử mắc song song bằng tổng đại
số hàm truyền của các phần tử thành phần.
2.2.3.3. Hệ thống có mạch mắc phản hồi
Hệ thống có mạch mắc phản hồi gồm hai mạch: Mạch thuận và mạch phản
hồi. Tín hiệu ra của mạch thuận là tín hiệu ra của hệ thống và là tín hiệu vào của
mạch phản hồi. Sơ đồ hệ thống có mạch mắc phản hồi được mô tả trên hình.

Hình H. 2-6. Sơ đồ hệ thống có mạch mắc phản hồi
YXY .W.W.W
ntt

2.3. Tính ổn định của hệ thống tự động điều chỉnh và chất lượng quá trình
điều chỉnh
2.3.1. Tính ổn định
Tính ổn định của hệ thống tự động điều chỉnh là khả năng của hệ thống giữ
chế độ công tác đã cho với độ chính xác nhất định và phục hồi nó khi bị phá vỡ. Hệ
thống tự động điều chỉnh gọi là ổn định khi thông số cần điều chỉnh so với vị trí cân
bằng do kết quả tác động tức thời sau một thời gian sẽ tiến tới giá trị nhỏ hơn một
giá trị cho trước.
Hệ thống tự động điều chỉnh trước hết phải là hệ thống ổn định. Vì vậy đánh
giá tính ổn định của hệ thống tự động điều chỉnh là một trong những nhiệm vụ quan
trọng hàng đầu.

X
X
t

Y
t
= Y
X

n
= Y
t
Y
n

W
t

W
t




11


Việc đánh giá tính ổn định của bất kỳ một hệ thống nào đó là một vấn đề hết
sức khó khăn do tính phức tạp về cấu trúc hệ thống và các tác động nhiễu. Vì vậy
mà phải dùng toán học để đánh giá tính ổn định của một chuyển động.
- Nếu phương trình của hệ thống tuyến tính hóa có tất cả nghiệm với phần
thực âm, thì hệ thống thực cũng như hệ thống tuyến tính hóa sẽ ổn định.
- Nếu phương trình đặc tính của hệ thống tuyến tính hóa có ít nhất một
nghiệm với phần thực dương, thì hệ thống thực cũng như hệ thống tuyến tính hóa sẽ
không ổn định.
- Nếu phương trình đặc tính của hệ thống tuyến tính hóa có ít nhất một
nghiệm với phần thực bằng không hoặc các nghiệm ảo hoàn toàn, thì không thể
phán đoán về tính ổn định của hệ thống thực theo phương trình tuyến tính hóa.
2.3.2. Chất lượng quá trình điều chỉnh

Ổn định chỉ mới là chỉ tiêu để nói rằng hệ thống có làm việc được hay không
còn chất lượng quá trình quá độ mới nói tới việc hệ thống điều chỉnh tự động có sử
dụng được hay không. Chất lượng của quá trình điều chỉnh được đánh giá theo chất
lượng quá trình chuyển tiếp và sai số tĩnh học.
Người ta có thể đánh giá chất lượng của quá trình điều chỉnh theo các
phương pháp khác nhau như theo phân bố nghiệm phương trình đặc tính, theo
phương pháp tích phân, theo phương pháp tần số.
2.4. Đối tượng điều chỉnh
2.4.1 . Khái niệm về đối tượng điều chỉnh
Đối tượng điều chỉnh được hiểu với hai ý nghĩa khác nhau. Trong trường
hợp khi nói về tính chất tĩnh và động của đối tượng thì có thể hiểu đối tượng là
một trong các phần tử của hệ thống tự động, chúng có đại lượng vào và đại lượng
ra được biểu thị bằng phương trình vi phân, bằng hàm truyền hoặc bằng vectơ
trạng thái. Khi đó đối tượng là một quá trình mà sự thay đổi của quá trình này
được điều khiển hoặc điều chỉnh. Ví dụ: Quá trình thay đổi mực nước trong nồi
hơi, quá trình thay đổi tốc độ quay của động cơ diezel Trường hợp thứ hai khái
niệm về đối tượng có ý nghĩa là thiết bị khi đó nó biểu thị thiết bị công nghệ mà



12


trong đó xảy ra quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh. Ví dụ: nồi hơi, động cơ
diezel Đối tượng điều chỉnh là khâu cơ bản trong hệ thống tự động, toàn bộ sự
hoạt động của các phần tử nhằm mục đích phục vụ cho đối tượng. Hiểu rõ cấu tạo
cơ bản của đối tượng và vấn đề quyết định sự thành bại đối với người khai thác
các hệ thống tự động.
2.4.2. Các tính chất đặc trưng của đối tượng điều chỉnh
Đối tượng điều chỉnh được đặc trưng bởi những tính chất cơ bản sau:

- Tính dung tích của đối tượng: Là khả năng tích trữ năng lượng hoặc vật chất.
- Tính quán tính của đối tượng: Là sự đặc trưng về khả năng tổng hợp của
đối tượng để chống lại những thay đổi. Tính quán tính là một trong những đại lượng
quan trọng bởi vì các quá trình thay đổi của thông số ra trong trạng thái chuyển tiếp
phụ thuộc một cách chặt chẽ vào nó.
- Tính cản trở của đối tượng: Là khả năng gây cản trở sự lưu thông của dòng
năng lượng hoặc dòng vật chất. Nếu sức cản càng lớn khi thông số khác không thay
đổi, thì thông số ra của đối tượng biến đổi càng chậm đều xuất hiện tác động nhiễu.
- Tính tự chỉnh của đối tượng: Rất nhiều đối tượng có khả năng trở về trạng
thái cân bằng sau khi xuất hiện nhiễu loạn, mà không cần có sự tham gia của bất cứ
tác động điều chỉnh nào. Tính chất trở về trạng thái cân bằng sau khi có tác động
nhiễu loạn được gọi là tính tự chỉnh của đối tượng. các đối tượng không có khả
năng này được gọi là các đối tượng không có khả năng tự chỉnh.
- Tính trung tính của đối tượng: Đối tượng có tính trung tính luôn thiết lập
được trạng thái cân bằng với mọi giá trị điều chỉnh của thông số y.
2.4.3. Xác định đặc tính của đối tượng điều chỉnh
Việc xác định đặc tính của đối tượng điều chỉnh có nhiều phương pháp. Một
trong những phương pháp hay ứng dụng là thông qua thực nghiệm để tìm mối quan
hệ giữa các thông số đặc trưng của đối tượng trong các trạng thái động và tĩnh. Xác
định một cách chính xác các đặc tính này là điều kiện cần thiết để chọn bộ điều
chỉnh cho đối tượng và hiệu chỉnh sự phối hợp công tác giữa đối tượng và bộ điều
chỉnh một cách chính xác.



13


Đường đặc tính của đối tượng chính là các đường đặc tính tĩnh và động của
đối tượng điều chỉnh. Người sử dụng cần nắm rõ đường đặc tính của đối tượng để

lựa chọn các thông số hiệu chỉnh cho từng thiết bị được chính xác.
2.5. Cảm biến
2.5.1. Khái niệm
Cảm biến là những phần tử mà chức năng của nó là nhận thông tin và xử lý
thông tin tạo ra những tín hiệu đưa đến các thiết bị có chức năng điều khiển.
Tập hợp các cảm biến được nối một đầu với đối tượng, còn đầu kia nối với
thiết bị điều khiển.












Hình H. 2-7. Vị trí của cảm biến trong hệ thống tự động điều chỉnh.
Để có thể tạo ra được những tín hiệu tin cậy cho hệ thống, cảm biến phải
đảm bảo những yêu cầu sau:
- Giá trị tín hiệu ra y chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào x (phải có tính chọn lọc,
không chịu tác động của nhiễu, chính xác).
- Hàm truyền phải đồng nhất trong vùng giá trị rộng và không phụ thuộc vào
thời gian (vùng ổn định rộng).
- Độ nhạy phải cao và không phụ thuộc vào tín hiệu vào.

Thi
ết bị thực hiện

Thiết bị
công nghệ
Bộ điều
chỉnh
Phần tử
so sách
Cảm
biến
Đại lượng được điều chỉnh



14


Z

B

B

A

3

1

2

2

2

F
F

2

G

G

2

k

G

ω


X
Z


Z1

- Dạng năng lượng tín hiệu ra phải phù hợp.
- Tác động ngược lên tín hiệu vào x phải nhỏ, độ trễ khi đo nhỏ
2.5.2. Phân loại cảm biến
Thông thường người ta phân loại cảm biến theo các thông số đo, vì vậy trong
các thiết bị tự động hệ động lực tàu thủy cảm biến được phân chia như sau:
- Cảm biến tốc độ quay.
- Cảm biến áp suất.
- Cảm biến lưu lượng.
- Cảm biến nhiệt độ.
2.5.2.1. Cảm biến tốc độ quay.
Trên thực tế có thể gặp cảm biến tốc độ quay có dạng cơ học, thủy lực, khí
nén và điện. Nhưng hai loại cảm biến tốc độ quay kiểu khí nén và điện ít được ứng
dụng trong hệ thống tự động điều chỉnh các thông số tốc độ quay. Ở đây chỉ xét một
loại cảm biến tốc độ quay điển hình đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống
điều chỉnh tự động tốc độ quay của động cơ diezel, tuabin hơi và khí.











Hình H. 2-8. Sơ đồ cảm biến tốc độ
Trục chính của cảm biến tốc độ quay nhận truyền động từ trục của máy.

Cùng quay với trục có hai quả văng 3 treo trên thanh truyền 2 và khớp nối 1 chuyển



15


động dọc theo trục. Dưới tác dụng của lực ly tâm, hai quả văng chuyển động ra xa
trục quay. Trong khi đó trọng lực của quả văng G
2
, trọng lượng của khớp nối G
k
và
lực kéo của lò xo F tác động ngược chiều với lực ly tâm kéo quả văng gần lại với
trục quay. Khi tốc độ quay có giá trị nhất định, sẽ thiết lập trạng thái cân bằng về
lực và khớp nối 1 được giữ ở một vị trí nhất định nào đó. Trục Z và X có hướng
dương tương ứng với hướng chuyển dịch của khớp trượt về phía tăng vận tốc góc.
2.5.2.2. Cảm biến áp suất
Trên thực tế có thể gặp cảm biến áp suất khác nhau về cấu tạo. Trong các bộ
điều chỉnh thường sử dụng cảm biến áp suất kiểu màng, hộp xếp, kiểu piston xilanh,
kiểu dạng ống cong đàn hồi,

Hình H. 2-9. Một số loại cảm biến áp suất khác nhau.
b)

a)

p

Z
Z

p

d)

c)

p

Z

Z

p

n

2R

t

2R




16


a) Cảm biến áp suất kiểu màng.
b) Cảm biến áp suất kiểu piston-xilanh.
c), d) Cảm biến áp suất kiểu hộp xếp đàn hồi.
- Cảm biến áp suất kiểu piston- xilanh được áp dụng rộng rãi với những hệ
thống mà trong đó công chất truyền động có tính bôi trơn tốt. Loại cảm biến này có
lực chuyển dịch lớn, do vậy sau cảm biến chỉ cần sử dụng bộ khuếch đại loại nhỏ,
thậm chí không cần dùng bộ khuếch đại.
- Đối với chất khí và các loại khác người ta thường dùng cảm biến áp suất
kiểu màng hoặc xiphông.
- Bộ cảm ứng áp suất kiểu màng ứng dụng khi áp suất trong hệ thống nhỏ.
Màng có nhược điểm đáng kể là đặc tính tĩnh học [sự phụ thuộc giữa hành trình và
áp suất Z = Z(p)] chỉ tuyến tính trong giới hạn biến dạng không lớn. Để tăng độ
tuyến tính, người ta dùng màng mềm bằng cách tạo các nếp nhăn hình dạng khác
nhau. Nếp nhăn càng cao độ tuyến tính càng lớn.

- Cảm biến áp suất kiểu xiphông cho phép thu được hành trình và lực tương
đối lớn. Áp suất công chất có thể tác dụng lên phía trong hoặc phía ngoài xi-fông. Ở
trường hợp sau, xiphông hoạt động tốt hơn vì xiphông chịu nén tốt hơn kéo. Tuy
vậy trong thực tế thường cho áp suất công chất tác dụng lên phía trong xiphông, vì
cấu tạo của cảm biến trong trường hợp này đơn giản hơn.



17


2.5.2.3. Cảm biến mực nước







a) b)







c)

Hình H. 2-10. Một số loại cảm biến mực nước

a) Cảm biến mức đo kiểu phao.
b) Cảm biến mức đo kiểu màng.
c) Cảm biến mức đo kiểu bình thông nhau bằng ống mềm.
- Cảm biến mức đo kiểu phao gồm phao nổi 1 được nối với cần truyền tín
hiệu 3 và lò xo tạo lực phục hồi. Trong một số trường hợp mức chất lỏng không
dao động nhiều không cần dùng lò xo 2. Khi mực chất lỏng thay đổi tạo áp lực đẩy
khác nhau lên phao và do vậy phao dịch chuyển, thông qua cần 3 bộ điều chỉnh có
thể nhận được tín hiệu.
- Cảm biến mức đo kiểu màng: Khi mức chất lỏng thay đổi, cột áp tĩnh sẽ tác
động với các giá trị khác nhau lên màng và tín hiệu được truyền ra ngoài theo thanh dẫn.
H

o

o

o

h

Z

H

1
2
3


Z

H
Z


Z




18


- Cảm biến mức đo kiểu bình thông nhau bằng ống mềm: Khi mức chất lỏng
thay đổi sẽ làm thay đổi lượng chứa chất lỏng trong bình cảm ứng, dưới tác dụng
của lò xo làm cho vị trí của bình thay đổi, qua đó có thể nhận được tín hiệu ra.
2.5.2.4. Cảm biến nhiệt độ
Trong thực tế thường gặp các cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên các
nguyên lý sau: Dựa vào tính chất giản nở về nhiệt độ của các chất khí, lỏng, chất
rắn; Dựa vào mối quan hệ giữa nhiệt độ của chất khí và áp suất hơi bão hòa của nó
chứa trong hệ thống kín; Dựa trên nguyên lý nhiệt điện trở
Một số dạng kết cấu của cảm biến nhiệt độ dựa trên các nguyên tắc trên.

Hình H. 2-11. Cảm biến nhiệt độ
a) Cảm biến nhiệt độ kiểu màng đàn hồi.
b) Cảm biến nhiệt độ kiểu hộp xếp.
c) Thanh lưỡng kim (bi-mê-tan).
d) Cảm biến nhiệt độ dựa theo nguyên lý nhiệt độ – áp suất hơi bão hòa.
Trong các hệ thống tự động hệ động lực tàu thủy hay gặp hơn là loại cảm
biến nhiệt độ kiểu a, b, c.
Z

Z




19


2.5.2.5.Cảm biến lưu lượng
- Ta có thể đo lưu lượng bằng cách đo độ chênh áp trước và sau thiết bị có
ống hẹp như hình a và b. Cảm biến lưu lượng xây dựng theo nguyên lý này gọi là
cảm biến lưu lượng kiểu độ chênh áp thay đổi.
- Khi cho độ chênh áp không thay đổi (p
1
– p
2
= const) đo diện tích tiết diện
của ống dẫn xác định được lưu lượng của dòng chảy như trên hình d cảm biến loại

này gọi là cảm biến lưu lượng với độ chênh áp không đổi.














Hình H. 2-12. Cảm biến lưu lượng
2.6. Phần tử khuếch đại và phần tử ổn định
2.6.1. Phần tử khuếch đại
Trong hệ thống tự động làm việc gián tiếp, thường gặp phần tử có nhiệm vụ
làm tăng năng lượng ra cho các tín hiệu khỏi cảm biến. Đó chính là bộ khuếch đại.
Phần tử điều khiển làm tăng công suất của cảm biến bằng nguồn năng lượng bên
ngoài. Nguồn năng lượng bên ngoài thường được sử dụng là năng lượng của công
Q

Q
Q


Z
Q

4

1

2

3




20


chất trong hệ thống tự động, cụ thể là công chất của đối tượng hoặc năng lượng của
công chất do đối tượng tạo nên.
2.6.1.1. Bộ khuếch đại kiểu ngăn kéo công chất tác động hai phía











Hình H. 2-13. Khuếch đại ngăn kéo công chất tác động 2 phía

Nguyên lý hoạt động như sau: Công chất (dầu, không khí nén) có áp suất p
1

được cấp vào phía trên hoặc phía dưới piston của servomotor bằng các rãnh 2 phụ
thuộc vào vị trí của ngăn kéo. Khi công chất có áp suất p
1
cấp vào phía trên piston
thì không gian phía dưới piston được thông với tuyến tháo có áp suất p
2
nhỏ hơn p
1

còn khi công chất có áp suất p
1
cấp vào phía dưới piston thì không gian khía trên
piston được thông với tuyến tháo. Piston của servomotor được dịch chuyển dưới tác
động của độ chênh áp suất p = p
1
– p
2
.
Bộ khuếch đại chỉ có thể nằm ở trạng thái cân bằng khi ngăn kéo đóng kín
các cửa dẩn dầu vào servomotor. Khi bộ khuếch đại ở trạng thái cân bằng đại lượng
ra của nó có thể đạt bất kỳ giá trị nào trong từ 0 đến y
max
. Như vậy bộ khuếch đại
này là loại không tĩnh học.
2.6.1.2. Bộ khuếch đại kiểu ngăn kéo công chất tác động một phía
Nguyên lý của bộ khuếch đại này như sau: Việc dịch chuyển servomotor về
phía này hoặc phía khác là do không gian dưới piston được thông với tuyến cấp

2
2

1

1

S

S

X

P
P
Y

N




21



công chất có áp suất p
1
hoặc tuyến tháo có áp suất p
2

.








Hình H. 2-14. Khuyếch đại kiểu ngăn kéo công chất tác động một phía
2.6.1.3. Bộ khuếch đại kiểu piston vi phân điều khiển bằng ngăn kéo








Hình H. 2-15. Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại vi phân điều khiển bằng ngăn
kéo
Bộ khuếch đại với servomotor piston vi phân được ứng dụng rộng rãi trong
thực tế. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại này như sau:
Không gian phía trên piston servomotor thường xuyên thông với tuyến cấp
có áp suất p
1
. Khi ngăn kéo dịch chuyển xuống, piston servomotor chuyển động lên
dưới tác động của lực do chênh lệch diện tích hai mặt piston, còn khi ngăn kéo dịch
chuyển lên, piston servomotor chuyển động xuống dưới tác dụng của lực do chênh
lệch áp suất p

1
và p
2
.
X

P

1
2

P

Y

N

2

1
X

P

P

Y

N

22


Trạng thái cân bằng của piston servomotor được thiết lập bởi vị trí ngăn kéo
đóng cửa sổ rãnh thông với phía dưới piston servomotor. Bộ khuếch đại này cũng
thuộc loại không tĩnh học.
2.6.1.4. Bộ khuếch đại kiểu ngăn kéo tiết lưu
Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại này như sau:











Hình H. 2-16. Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại kiểu ngăn kéo tiết lưu
Không gian dưới piston servomotor thường xuyên thông với ngăn kéo, áp
suất P của nó phụ thuộc vào vị trí ngăn kéo. Khi ngăn kéo chuyển động xuống tiết
diện rỗng của cửa sổ dẫn công chất vào ngăn kéo giảm, còn tiết diện rỗng của cửa
sổ dẫn công chất ra tăng làm áp suất p giảm và piston servomotor chuyển động
xuống cho đến khi trạng thái cân bằng được thiết lập. Khi ngăn kéo chuyển động
lên, piston servomotor chuyển động lên.
Áp suất trung gian p của công chất tác dụng lên mặt dưới của piston phụ

thuộc vào vị trí ngăn kéo. Do đó đại lượng vào (vị trí ngăn kéo) và đại lượng ra (vị
trí piston servomotor) liên hệ chặt chẽ với nhau. Bộ khuếch đại này là loại tĩnh học.
2.6.2. Phần tử ổn định
Chức năng của nó là cùng với phần tử đo làm cho bộ phận điều chỉnh hoạt
động hoàn thiện và chính xác hơn.
X
2

h

h

X
1

2
1

X

P

P

Y




23

Hình H. 2-17. Bộ điều chỉnh tốc độ không có phần tử ổn định
Như hình vẽ trên cho ta thấy bộ điều chỉnh tốc độ quay hoạt động gián tiếp
không có phần tử ổn định. Khi tốc quay của động cơ thay đổi do ảnh hưởng của phụ
tải, quả văng 1 sẽ cảm ứng và làm dịch chuyển khớp trượt 3. Van trượt 4 cũng dịch
chuyển theo và điều khiển động cơ trợ động 5 hoạt động làm thay đổi thanh răng
nhiên liệu 6. Nhưng ở đây cho thấy dù một chỉ thay đổi rất nhỏ của cảm biến cũng
làm cho động cơ trợ động 5 dịch chuyển rất mạnh với hành trình rất lớn. Do vậy
bao giờ cũng xảy ra hiện tượng “quá điều chỉnh”. Chính vì thế nếu sử dụng bộ điều
chỉnh loại này sẽ làm tốc độ quay động cơ dao động và mất ổn định.
Để khắc phục hiện tượng này người ta sử dụng phần tử ổn định chính là liên
hệ ngược phụ như hình.
6

5

4

3

1

2

ω

x

n
P
P



24

Hình H. 2-18. Bộ điều chỉnh tốc độ có phần tử ổn định
Đóng vai trò ổn định ở đây là thanh truyền 4. Hoạt động của bộ điều chỉnh có
phần tử ổn định như sau: Khi tốc độ quay thay đổi khớp trượt 3 dịch chuyển làm
quay thanh truyền 4 lấy điểm C làm điểm tựa. Van trượt 5 dịch chuyển mở cho dầu
có áp suất P vào trong khoang trên hoặc khoang dưới của piston 6 tùy thuộc vào tốc
độ quay tăng hoặc giảm. Piston 6 dịch chuyển bao giờ cũng có chiều ngược lại với
van trượt 5. Do vậy nhờ thanh truyền 4 khi thanh răng 7 đã thay đổi một lượng
nhiên liệu vào động cơ thích hợp sẽ làm cho van trượt 5 trở về vị trí cân bằng. Có
nghĩa là đóng cửa dầu không cho dầu đi vào động cơ trợ động nữa. Rõ ràng ta thấy
nếu có phần tử ổn định thì bộ điều chỉnh hoạt động không xảy ra hiện tượng “quá
điều chỉnh”.





ω

6

4

5

C

7

A

B

3

2

1




25


Chương 3
ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG

3.1. Tự động hóa tàu thủy
3.1.1. Khối lượng công việc của tự động hóa
Trên những tàu hiện đại các quá trình điều khiển, điều chỉnh và kiểm tra sự
làm việc của thiết bị năng lượng phải được áp dụng tự động hóa và liên lạc từ xa
nhằm để giảm bớt mức độ phức tạp của công việc và cải thiện điều kiện làm việc,
nâng cao năng suất lao động của đội máy.
Khối lượng công việc tự động hóa toàn bộ gồm có:

- Điều khiển từ xa và tự động hóa thiết bị năng lượng chính.
- Điều khiển từ xa máy móc phụ chủ yếu.
- Điều chỉnh tự động các quá trình làm việc trong những hệ thống phục vụ
các động cơ chính và phụ.
- Điều chỉnh tự động các quá trình làm việc trong những hệ thống chung
toàn tàu chủ yếu.
- Phát triển của phương tiện và công nghệ phòng chữa cháy.
- Kiểm tra tự động và tập trung hoạt động của thiết bị năng lượng .
3.1.2. Hiệu ứng của tự động hoá tàu thuỷ
- Sử dụng máy tính thay con người sẽ giải phóng được con người bớt căng
thẳng.
- Giải phóng con người khỏi lao động trí óc trong quá trình khai thác sẽ giúp
nâng cao đời sống của tổ máy.
- Giúp con người tránh được lao động trong khoang máy là một vấn đề lớn
tăng thuận lợi cho quá trình lao động của tổ máy.
- Từ những yếu tố trên khả năng lao động cơ học, trí tuệ của con người
không được sử dụng hết dễ nẩy sinh trạng thái tâm lý và sức ỳ.