Nghiên cứu, khảo sát hệ thống điều khiển tầng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI









Hå THÞ THU MINH


NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT HỆ THỐNG
ðIỀU KHIỂN TẦNG


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


Chuyên ngành : ðiện khí hóa SX Nông nghiệp và Nông thôn
Mã số : 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: TS. NguyÔn v¨n hßa





HÀ NỘI - 2012

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

i

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công
trình khoa học nào trước ñó.
Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi
ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả




Hồ Thị Thu Minh

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

ii
LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp
Hà Nội. Tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật với ñề tài:
“Nghiên cứu, khảo sát hệ thống ñiều khiển tầng”.
Tôi xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Văn Hoà ñã tận tình hướng dẫn
và tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn ðiện kỹ thuật – Khoa cơ ñiện, Viện
sau ðại học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã ñọc và ñóng góp nhiều ý
kiến quý báu ñể luận văn của tôi ñược hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Ban giám hiệu và lãnh ñạo
Trường Cao ñẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vĩnh Phúc nơi tôi công tác ñã tạo mọi
ñiều kiện thuận lợi nhất ñể tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến bạn bè ñồng nghiệp và gia
ñình ñã ñộng viên khích lệ ñể hoàn thành luận văn này.

Vĩnh Phúc, ngày 08 tháng 04 năm 2012
Tác giả!




Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iii

MỤC LỤC

Lời cam ñoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các chữ viết tắt v
Danh mục bảng vi
Danh mục hình vii
LỜI NÓI ðẦU 1
A PHẦN MỞ ðẦU 2
B PHẦN NỘI DUNG 4
CHƯƠNG I. NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG
ðIỀU CHỈNH TRONG CÔNG NGHIỆP 4
1.1 HỆ THỐNG MỘT MẠCH VÒNG 4
1.2 HỆ THỐNG BÙ TÁC ðỘNG NHIỄU 5
1.2.1 Bù nhiễu phụ tải 6
1.2.2 Bù nhiễu ñặt trước 7
1.3 HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN TẦNG 8
1.4 HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN PHÂN LI 9
CHƯƠNG II. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ðIỀU CHỈNH MỘT MẠCH VÒNG 13
2.1 NGHIÊN CỨU VỀ ðỐI TƯỢNG ðIỀU KHIỂN VÀ THIẾT BỊ
ðIỀU KHIỂN 13
2.1.1 Các ñặc tính của ñối tượng ñiều khiển 13
2.1.2 Xác ñịnh mô tả ñộng học của ñối tượng 17
2.1.3 Thiết bị ñiều khiển 22
2.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ðỊNH THÔNG SỐ BỘ ðIỀU KHIỂN 34
2.2.1 Phương pháp Zigler – Nichols 35
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iv
2.2.2 Phương pháp tổng T của Kuhn
37
2.2.3 Phương pháp tối ưu ñộ lớn 39
2.2.4 Phương pháp Chien - Hrones - Reswick 41
2.2.5 Phương pháp xác ñịnh theo công thức kinh nghiệm 44
2.2.6 Phương pháp thực nghiệm xác ñịnh thông số của bộ ñiều khiển PI 46
2.3 KHẢO SÁT TỔNG HỢP HỆ THỐNG MỘT MẠCH VÒNG 48
2.3.1 Tổng hợp theo phương pháp Ziegler - Nichols 1 49
2.3.2 Tổng hợp theo phương pháp tổng T của Kuhn 50
2.3.3 Tổng hợp theo phương pháp Chien, Reswish và Hrones. 51
2.3.4 Theo phương pháp kinh nghiệm 54
2.3.5 Theo phương pháp thực nghiệm 55
CHƯƠNG III. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN TẦNG 58
3.1 TỔNG HỢP HỆ THỐNG HAI MẠCH VÒNG 58
3.1.1 Phương pháp 1 58
3.1.2 Phương pháp 2 69
3.2 TỔNG HỢP HỆ THỐNG BA MẠCH VÒNG 75
3.3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN NHIỆT ðỘ LÒ NHIÊN
LIỆU 78
3.3.1 Các ñặc trưng cơ bản của lò nhiên liệu 78
3.3.2 Xây dựng hệ thống ñiều khiển một mạch vòng 79
3.3.3 Xây dựng hệ thống ñiều khiển 2 mạch vòng 83
KẾT LUẬN 87
1 Các kết quả ñạt ñược trong luận văn 87
2 Hướng phát triển của ñề tài 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CCCH Cơ cấu chấp hành
CTðK Chủ thể ñiều khiển
CQðC Cơ quan ñiều chỉnh
ðTðC ðối tượng ñiều chỉnh
ðTðK ðối tượng ñiều khiển
FC Thiết bị ñiều khiển lưu lượng
FT Bộ chuyển ñổi ño lưu lượng
I Quy luật tích phân
MG Máy ghi
NL Nhiên liệu
PI Quy luật tỉ lệ tích phân
PID Quy luật tỉ lệ vi tích phân
TBðK Thiết bị ñiều khiển
TC Thiết bị ñiều chỉnh nhiệt ñộ
TT Chuyển ñổi ño nhiệt ñộ
ZC Thiết bị ñiều chỉnh vị trí ñộ mở van


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vi
DANH MỤC BẢNG
STT Tên bảng Trang

1-1 Lựa chọn tham số bộ ñiều khiển PID theo Ziegler - Nichols 36
1-2 Thông số bộ ñiều khiển PID theo phương pháp tổng T của Kuhn 39
1-3 Lựa chọn tham số PID theo Chien – Hrones - Reswick 1 42
1-4 Lựa chọn tham số PID theo Chien-Hrones-Reswick 2 43
1-5 Lựa chọn tham số PID theo Chien-Hrones-Reswick 3 43
1-6 Lựa chọn tham số PID theo Chien-Hrones-Reswick 4 43
1-7 Lựa chọn tham số PID theo công thức kinh nghiệm 46


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vii

DANH MỤC HÌNH

STT Tên hình Trang

1-1 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển 4
1-2 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển tự ñộng 4
1-3 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển tự ñộng công nghiệp 5
1- 4 Xây dựng hệ thống bất biến với nhiễu phụ tải 6
1-5 Sơ ñồ hệ thống ñiều chỉnh bù nhiễu ñặt trước 7
1-6 Hệ thống ñiều chỉnh tầng 9
1-7 Hệ thống ñiều chỉnh hai vào hai ra 10
1-8 Sơ ñồ cấu trúc hệ thống phân li 11
2-1 Sơ ñồ cấu trúc vào ra của ñối tượng ñiều chỉnh 14
2-2 Hàm quá ñộ của ñối tượng tự cân bằng 15
2-3 Hàm quá ñộ của ñối tượng không tự cân bằng 16
2- 4 Sơ ñồ khối phương pháp thực nghiệm 17
2-5 Hàm ∆(t) 18

2-6 Xây dựng H(t) từ K(t) 19
2-7 Kết quả thực nghiệm cho tác ñộng dao ñộng ñiều hoà 19
2-8 Hàm quá ñộ của ñối tượng tự cân bằng 20
2-9 Sơ ñồ khối cấu trúc ñối tượng 20
2-10 Hàm quá ñộ của ñối tượng không tự cân bằng 21
2-11 Quá trình quá ñộ ñiều khiển hai vị trí 23
2-12 Quá trình quá ñộ ñiều khiển ba vị trí 23
2-13 ðặc tính quá ñộ của quy luật tỉ lệ 24
2-14 ðặc tính quá ñộ của bộ ñiều khiển I 25
2-15 ðặc tính quá ñộ của bộ ñiều khiển PI 27
2-16 ðặc tính quá ñộ của bộ ñiều khiển PID 29
2-17 ðặc tính biên ñộ tần số của bộ ñiều khiển PID 30
2-18 Sơ ñồ khối cấu trúc PID 31
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

viii
2-19 ðặc tính rơle thực 31
2-20 Xác ñịnh thông số cho mô hình xấp xỉ của ñối tượng 35
2-21 Xác ñịnh hằng số tới hạn 37
2-22 ðặc tính quá ñộ của ñối tượng 38
2-23 Hàm quá ñộ ñối tượng thích hợp theo phương pháp Chien-Hrones-
Reswick 42
2-24 Các quá trình quá ñộ chuẩn 44
2-25 ðối tượng có tính tự cân bằng 45
2-26 Sơ ñồ hệ thống ñiều chỉnh sử dụng quy luật tỉ lệ P 47
2-27 Sơ ñồ hệ thống ñiều chỉnh sử dụng quy luật PI 47
2-28 ðường quá ñộ ñiều khiển khi sử dụng quy luật P 48
2-29 ðặc tính quá ñộ của ñối tượng 49
2-30 ðặc tính của hệ thống theo phương pháp Ziegler - Nichols 1 50
2-31 ðặc tính của ñối tượng khi có nhiễu phụ tải 51

2-32 Cách xác ñịnh thông số a, b theo phương pháp C-R-H 51
2-33 ðặc tính của hệ thống theo phương pháp C-R-H 1 52
2-34 ðặc tính của hệ thống theo phương pháp C-R-H 2 53
2-35 ðặc tính của hệ thống theo phương pháp C-R-H 3 53
2-36 ðặc tính của hệ thống theo phương pháp C-R-H 4 54
2-37 ðặc tính quá ñộ ñiều khiển khi sử dụng phương pháp kinh nghiệm 54
2-38 ðường quá ñộ ñiều khiển khi sử dụng quy luật P 55
2-39 ðường quá ñộ ñiều khiển khi sử dụng quy luật PI 56
3-1 Sơ ñồ khối hệ thống 2 mạch vòng 58
3-2 Sơ ñồ cấu trúc mạch vòng trong và mạch vòng ngoài 59
3-3 Sơ ñồ khối mạch vòng trong 59
3-4 ðặc tính mạch vòng trong sử dụng PI với K
p
= 3; T
i
= 5,5s 60
3-5 ðặc tính mạch vòng trong sử dụng PI với Kp= 2.2; Ti= 5s 60
3-6 Sơ ñồ khối mạch vòng ngoài 61
3-7 ðặc tính mạch vòng ngoài sử dụng PI với K
p
= 3.6; T
i
= 495s 61
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

ix

3-8 Sơ ñồ khối 2 mạch vòng trên matlab 62
3-9 ðặc tính của hệ thống khi sử dụng PI với K
p1

= 3.6, T
i1
= 495s, K
p2
= 3,
T
i2
= 5.5s. 62
3-10 ðặc tính của hệ thống sử dụng PI với K
p1
= 3.6, T
i1
= 495s, K
p2
=2.2,
T
i2
= 5s. 63
3-11 ðặc tính của hệ thống với T
2
= 15s, T
i2
= 16.5s, K
p2
= 9 64
3-12 ðặc tính của hệ thống với T
2
= 50s, T
i 2
= 55s, K

p2
= 30 65
3-13 ðặc tính của hệ thống với T
2
= 100s, T
i2
= 110s, K
p2
= 60 65
3-14 ðặc tính của hệ thống với T
2
= 100s, T
i2
= 110s, K
p2
=6, τ
ττ
τ
2
=10 66
3-15 ðặc tính của hệ thống với T
2
= 150s, τ
ττ
τ
2
=10, T
i2
= 165s, K
p2

=9 66
3-16 ðặc tính của hệ thống với T
2
= 100s, T
i2
= 110s, K
p2
= 3, τ
ττ
τ
2
=20 67
3-17 ðặc tính của hệ thống với T
2
= 150s, τ
ττ
τ
2
=20, T
i2
= 165s, K
p2
= 4.5, 67
3-18 ðặc tính của hệ thống với T
2
= 100s, τ
ττ
τ
2
=25, T

i2
= 110s, K
p2
= 2.4 68
3-19 Sơ ñồ khối mô phỏng trên matlab 69
3-20 ðặc tính của ñối tượng tương ñương khi mạch vòng trong dùng PI với
20% dao ñộng 70
3-21 ðặc tính của hệ thống tổng hợp tương ñương 71
3-22 ðặc tính của ñối tượng tương ñương khi mạch vòng trong dùng P với
20% dao ñộng 72
3-23 ðặc tính của hệ thống tổng hợp tương ñương 73
3-24 ðặc tính của ñối tượng tương ñương khi mạch vòng trong dùng P với
45% dao ñộng 73
3-25 ðặc tính của hệ thống tổng hợp tương ñương 74
3-26 ðặc tính của hệ thống 3 mạch vòng tổng hợp theo phương pháp 1 75
3-27 Sơ ñồ khối hệ thống 3 mạch vòng 76
3-28 Sơ ñồ khối mô phỏng xác ñịnh ñối tượng tương ñương 77
3-29 ðặc tính của ñối tượng tương ñương 77
3-30 ðặc tính của hệ thống 3 mạch vòng tổng hợp theo phương pháp 2 78
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

x

3- 31 Sơ ñồ cấu trúc thiết bị hệ thống ñiều chỉnh một mạch vòng nhiệt ñộ lò
nhiên liệu 80
3-32 Sơ ñồ khối cấu trúc của hệ thống một mạch vòng 80
3-33 Sơ ñồ khối mô phỏng hệ thống trên matlab 81
3-34 ðặc tính mô phỏng của hệ thống một mạch vòng 81
3-35 ðặc tính của hệ thống một mạch vòng tổng hợp theo phương pháp 2 82
3-36 ðặc tính của hệ thống khi có nhiễu phụ tải tác ñộng 83

3-37 Sơ ñồ cấu trúc thiết bị hệ thống ñiều khiển tầng 83
3-38 Sơ ñồ khối cấu trúc của hệ thống ñiều khiển tầng 84
3-39 Sơ ñồ khối mô phỏng hệ thống trên matlab 85
3-40 ðặc tính của hệ thống ñiều khiển tầng 86






Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

1

LỜI NÓI ðẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và ñiều
khiển tự ñộng nói riêng ñã ñạt ñược những thành tựu rực rỡ, làm thay ñổi bộ
mặt của thế giới. Tự ñộng ñiều khiển là một lĩnh vực khoa học ngày càng
ñóng vai trò quan trọng trong ñời sống và công nghiệp. Ngày nay ngành tự
ñộng hoá phát triển tới trình ñộ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết ñiều
khiển tự ñộng và những ngành khác như ñiện tử, tin học, nhằm nâng cao năng
suất lao ñộng, giảm chi phí sản xuất
Một hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng có thể ñưa vào sử dụng ñạt hiệu quả
tối ưu nhất khi chất lượng của quá trình quá ñộ ñiều chỉnh ñạt chất lượng cần
thiết. Như vậy trước hết phải xác ñịnh ñược thông số tối ưu của bộ ñiều chỉnh.
Tuy nhiên trong thực tế nhiều trường hợp chất lượng của hệ thống không bảo
ñảm ngay cả khi thông số của bộ ñiều chỉnh ñó ñạt tối ưu. Trong các trường
hợp này cần phải nghiên cứu các phương pháp nâng cao chất lượng của hệ
thống. Trong luận văn này tác giả nghiên cứu một trong những phương pháp

ñó là hệ thống ñiều chỉnh tầng.
Nội dung luận văn bao gồm 3 chương với nội dung:
Chương 1. Nghiên cứu tổng quát chung về hệ thống ñiều chỉnh trong công
nghiệp
Chương 2. Tổng hợp hệ thống một mạch vòng
Chương 3. Tổng hợp hệ thống ñiều khiển tầng
Với thời gian và trình ñộ có hạn, ñiều khiển là một lĩnh vực rất sâu rộng
do ñó nội dung của bản luận văn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, nhược
ñiểm. Kính mong ñược sự góp ý, sửa ñổi, bổ sung của các thầy cô và ñồng
nghiệp ñể luận văn ñược hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả!
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

2

A. PHẦN MỞ ðẦU

1. Lí do chọn ñề tài
Tự ñộng ñiều khiển là một lĩnh vực khoa học ngày càng ñóng vai trò
quan trọng trong ñời sống và công nghiệp. Ngày nay ngành tự ñộng hoá phát
triển tới trình ñộ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết ñiều khiển tự ñộng và
những ngành khác như ñiện tử, tin học nhằm nâng cao năng suất lao ñộng,
giảm chi phí sản xuất
Một hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng có thể ñưa vào sử dụng ñạt hiệu quả tối
ưu khi chất lượng của quá trình quá ñộ ñiều chỉnh ñạt chất lượng cần thiết.
Như vậy trước hết phải xác ñịnh ñược thông số tối ưu của bộ ñiều chỉnh. Tuy
nhiên trong thực tế nhiều trường hợp chất lượng của hệ thống không bảo ñảm
ngay cả khi thông số của bộ ñiều chỉnh ñã ñạt tối ưu. Trong các trường hợp

này cần phải nghiên cứu các phương pháp nâng cao chất lượng của hệ thống.
Một trong những phương pháp ñó là hệ thống ñiều chỉnh tầng. Vì những lí do
ñó, em chọn ñề tài luận văn là:
“Nghiên cứu, khảo sát hệ thống ñiều khiển tầng”
2. Mục ñích của ñề tài (các kết quả cần ñạt ñược)
- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về các hệ thống ñiều chỉnh trong công
nghiệp: Các phương pháp ñiều chỉnh; nghiên cứu về ñối tượng ñiều chỉnh,
thiết bị ñiều chỉnh và các phương pháp xác ñịnh thông số bộ ñiều khiển.
- Tổng hợp hệ thống ñiều khiển tầng gồm nhiều mạch vòng.
- Ứng dụng tổng hợp, khảo sát bằng mô phỏng hệ thống ñiều khiển tầng
nâng cao chất lượng ñiều chỉnh cho ñối tượng công nghiệp.
3. Nội dung của ñề tài, các vấn ñề cần giải quyết
3.1. Tổng quan tài liệu
Chương 1. Nghiên cứu tổng quát chung về hệ thống ñiều chỉnh trong
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

3

công nghiệp
Chương 2. Tổng hợp hệ thống một mạch vòng
Chương 3. Tổng hợp hệ thống ñiều khiển tầng
3.2. ðối tượng, ñịa ñiểm, phương pháp nghiên cứu
3.2.1. ðối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết ñiều khiển tự ñộng
- Các phương pháp nâng cao chất lượng ñiều khiển
- Khảo sát chất lượng ñiều khiển cho lò nhiên liệu.
3.2.2. ðịa ñiểm nghiên cứu
- Phòng thí nghiệm - Bộ môn ðiều khiển tự ñộng - Khoa ðiện - Trường
ðại học Bách Khoa Hà Nội.
3.2.3. Phương pháp nghiên cứu

- Về lý thuyết:
+ Phương pháp nghiên cứu tài liệu
+ Phương pháp phân tích, tổng hợp hệ thống.
+ Phương pháp khái quát.
- Về thực nghiệm:
+ Phương pháp quan sát
+ Phương pháp so sánh ñối chiếu.









Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

4

B. PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG I. NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG
ðIỀU CHỈNH TRONG CÔNG NGHIỆP
1.1. HỆ THỐNG MỘT MẠCH VÒNG
Hệ thống ñiều khiển nói chung bao gồm hai thành phần cơ bản là: ðối
tượng ñiều khiển (ðTðK) và chủ thể ñiều khiển (CTðK) có sơ ñồ khối như sau:

Hình 1-1. Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển

ðTðK là thiết bị công nghệ hoặc quy trình công nghệ bắt buộc phải hoạt
ñộng theo mục ñích nhất ñịnh của hoạt ñộng công nghệ dưới sự tác ñộng của
tác nhân ñiều khiển u ñược phát ra từ chủ thể ñiều khiển. ðại lượng y biểu thị
kết quả hoạt ñộng của ðTðK dưới sự tác ñộng của u gọi là ñại lượng cần ñiều
khiển. ðại lượng z từ bên ngoài tác ñộng lên ðTðK làm cho sự hoạt ñộng của
nó khác với mục ñích mong muốn ñược gọi là nhiễu.
Do nhu cầu về chất lượng của hệ thống ñiều khiển và sự phát triển của
khoa học - kỹ thuật con người ñã chế tạo ra thiết bị thay thế chức năng của
CTðK gọi là thiết bị ñiều khiển (TBðK). Hệ thống ñiều khiển không có sự
tham gia trực tiếp của con người gọi là hệ thống ñiều khiển tự ñộng (ðKTð).
Sơ ñồ khối ñược mô tả như sau:






Hình 1-2. Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển tự ñộng


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

5

Trong hệ thống ñiều khiển tự ñộng con người tạo tín hiệu chủ ñạo x tác
ñộng lên TBðK. Như vậy hệ thống ðKTð bao gồm hai thành phần cơ bản là
ðTðK và TBðK. Các tác ñộng từ bên ngoài lên hệ thống ñều bắt hệ thống

phải hoạt ñộng gọi chung là nhiễu. Tuy nhiên cần phân loại nhiễu: Nhiễu có
mục ñích và nhiễu không có mục ñích.
x là nhiễu có mục ñích và hệ thống ðKTð phải thực hiện ñược mục ñích
này, nó ñược gọi là nhiễu ñặt trước.
z là nhiễu không có mục ñích, tác ñộng của nhiễu z làm cho hoạt ñộng
cuả hệ thống lệch khỏi mục ñích mong muốn, vì vậy TBðK phải loại bỏ ñược
ảnh hưởng của nhiễu z lên hệ thống, z còn gọi là nhiễu phụ tải.
y là tín hiệu ra của hệ thống.
Trong công nghiệp hệ thống ðKTð có sơ ñồ khối cấu trúc như sau:






Hình 1-3. Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển tự ñộng công nghiệp
TBðK tạo ra tác ñộng ñiều khiển u = f(e) bảo ñảm sao cho y luôn luôn bám
x không phụ thuộc vào ñặc ñiểm hệ thống chịu tác ñộng của x hoặc z. Trong
thực tế, hệ thống luôn luôn chịu tác ñộng của nhiễu vì vậy nó luôn luôn vận
ñộng. ðể nghiên cứu hệ thống như vậy bằng lý thuyết là một bài toán hết sức
phức tạp. Do ñó khi nghiên cứu, khảo sát hệ thống bằng lý thuyết chỉ nghiên cứu
cho từng tác ñộng riêng biệt và xem các tác ñộng khác không tồn tại.
1.2. HỆ THỐNG BÙ TÁC ðỘNG NHIỄU
Trong hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng có những nhiễu tác ñộng thường
xuyên làm ảnh hưởng lên chất lượng của quá trình ñiều chỉnh. Nếu các nhiễu
loạn này ño ñược thì có thể sử dụng nguyên lý bất biến bù tác ñộng nhiễu ñể

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

6

nâng cao chất lượng ñiều chỉnh của hệ thống. Nếu có một nhiễu nào ñó tác
ñộng lên hệ thống nhưng tín hiệu ñại lượng cần ñiều chỉnh và cả sai lệch ñều
không thay ñổi thì ta nói hệ thống bất biến với tác ñộng nhiễu ñó. Như vậy
nếu chúng ta xây dựng ñược hệ thống bất biến với tác ñộng nhiễu thường
xuyên thì chất lượng của quá trình ñiều chỉnh ñược nâng cao rất nhiều. Như
chúng ta ñã biết nhiễu loạn tác ñộng lên hệ thống ñược chia thành hai loại:
Nhiễu phụ tải và nhiễu ñặt trước. Chúng ta sẽ xét hệ thống bù cho các nhiễu
loạn này.
1.2.1. Bù nhiễu phụ tải
Hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng chịu tác ñộng của nhiễu phụ tải z(t). Yêu
cầu phải xây dựng lại hệ thống sao cho nó bất biến với tác ñộng ñó. Muốn vậy
trong hệ thống phải ghép thêm phần tử bù với hàm truyền ñạt W
b
(s).






Hình 1- 4. Xây dựng hệ thống bất biến với nhiễu phụ tải
ðể cho y(t) bất biến với tác ñộng z(t) nghĩa là khi có z(t) tác ñộng thì y(t)
vẫn cố ñịnh, cấu trúc của hệ thống phải thoả mãn ñiều kiện:
W
b
(s).W
1
(s).W
2

(s) + W
3
(s) = 0
Như vậy hàm truyền ñạt của phần tử bù phải ñược xây dựng theo công
thức:
)(W).(W
)(W
)(W
21
3
b
ss
s
s
−
=
(1-1)
Khi khối bù có hàm truyền ñạt như công thức (1-1) thì y(t) sẽ hoàn toàn

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

7

cố ñịnh khi có tác ñộng nhiễu z(t). Ta nói y(t) bất biến tuyệt ñối so với tác ñộng
z(t). Tuy nhiên trong thực tế ñiều này rất khó thực hiện. Vì vậy thường chỉ tồn
tại hệ thống bất biến tương ñối. Lúc ñó phải chọn cấu trúc của khối bù sao cho
vừa mang tính thực thi vừa có hàm truyền ñạt gần với công thức (1-1) nhất.
1.2.2. Bù nhiễu ñặt trước
Trong hệ thống ñiều khiển chương trình tín hiệu chủ ñạo thường thay ñổi
liên tục. Việc xây dựng hệ thống ñiều chỉnh chương trình có ñộ chính xác cao

là rất cần thiết. Nếu chỉ sử dụng các hệ thống ñiều chỉnh thông thường thì
luôn luôn tồn tại sai lệch dư. Có thể xây dựng hệ thống ñiều chỉnh có ñộ chính
xác cao bằng cách sử dụng nguyên lý bất biến theo tác ñộng của tín hiệu ñặt
trước. Sơ ñồ hệ thống này ñược mô tả như sau:






Hình 1-5. Sơ ñồ hệ thống ñiều chỉnh bù nhiễu ñặt trước
ðiều kiện bất biến ở ñây là giá trị ra y(t) của hệ thống phải luôn luôn
bằng giá trị ñặt nhiệm vụ x(t) và giá trị sai lệch e(t) = 0 khi x(t) thay ñổi. ðể
bảo ñảm ñược ñiều kiện này cấu trúc của hệ thống phải ñáp ứng ñược ñẳng
thức:
W
b
(s). W
2
(s) = 1 (1-2)
Như vậy hàm truyền ñạt của khối bù phải ñược xây dựng theo công thức:
)(W
1
)(W
2
b
s
s =
(1-3)
Khi cấu trúc của khối bù ñược xây dựng hoàn toàn chính xác theo công

thức (1-3) thì sẽ luôn luôn bảo ñảm y(t) = x(t) và ta có thể nói hệ thống bất

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

8

biến với tác ñộng nhiễu ñặt trước.
Trong thực tế W
2
(s) là hàm truyền ñạt của ñối tượng ñiều chỉnh có cấu
trúc phức tạp, vì vậy việc xây dựng khối bù theo công thức (1-3) là hoàn toàn
không thể thực hiện ñược. Có nghĩa là không thể tạo ñược bất biến tuyệt ñối
mà chỉ có thể xây dựng hệ thống bất biến tương ñối. Cấu trúc của khối bù
phải chọn khả thi và hàm truyền ñạt của nó gần công thức (1-3) nhất. Có thể
sử dụng pháp bù tĩnh là phép bù ñơn giản nhất. Trong phép bù tĩnh hàm
truyền ñạt của khối bù chỉ là khâu khuếch ñại có hệ số khuếch ñại bằng giá trị
nghịch ñảo hệ số truyền của ñối tượng.
1.3. HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN TẦNG
Những nguyên nhân cơ bản làm cản trở tốc ñộ tác ñộng của máy ñiều
chỉnh vì vậy làm giảm ñộ chính xác của ñiều chỉnh là sự chậm trễ và quán
tính trong việc truyền tín hiệu theo kênh ñiều chỉnh của ñối tượng. Trong
trường hợp này nhiều hệ thống ñiều chỉnh có cấu trúc một mạch vòng không
ñáp ứng ñược yêu cầu về chất lượng của quá trình ñiều chỉnh ngay cả khi sử
dụng các quy luật ñiều chỉnh phức tạp với tham số tối ưu của nó. ðể nâng cao
chất lượng của các hệ thống ñiều chỉnh ñó tốt nhất là sử dụng hệ thống ñiều
chỉnh tầng có sơ ñồ cấu trúc ñược mô tả trong hình (1-6).
Trong cấu trúc của hệ thống không phải chỉ có một máy ñiều chỉnh như
hệ thống thông thường mà có hai máy ñiều chỉnh. ðại lượng cần ñiều chỉnh ở
ñây là y(t). Tín hiệu vào là x(t), hệ thống ñiều chỉnh chính ở ñây là máy ñiều
chỉnh với hàm truyền ñạt W

m1
(s) và ñối tượng có hàm truyến ñạt W
1
(s). Do
tính chất trễ và quán tính trong sự truyền tín hiệu ñiều chỉnh theo kênh W
1
(s)
nên chất lượng của ñiều chỉnh không ñáp ứng ñược yêu cầu. Chất lượng của
hệ thống ñiều chỉnh sẽ ñược nâng cao nếu chúng ta xây dựng thêm một mạch
ñiều chỉnh phụ tự ổn ñịnh một tham số trung gian của ñối tượng ñiều chỉnh là
có hàm truyền ñạt là W
2
(s). ðể ổn ñịnh ñại lượng trung gian này máy ñiều
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

9

chỉnh W
m2
(s) ñược sử dụng. ðiều cơ bản ở ñây là tín hiệu ñiều khiển truyền
qua ñối tượng theo kênh W
2
(s) phải nhanh hơn kênh W
1
(s). Máy ñiều chỉnh
W
m1
(s) không tác ñộng trực tiếp lên ñối tượng ñiều chỉnh mà tín hiệu ra của
nó là tín hiệu chủ ñạo cho máy ñiều chỉnh W
m2

(s).
Trong khi tổng hợp hệ thống phải bảo ñảm quá trình quá ñộ của mạch
vòng trong (W
m2
(s) - W
2
(s)) phải xảy ra nhanh hơn rất nhiều so với mạch
vòng ngoài (mạch vòng chính với máy ñiều chỉnh W
m1
(s)). Như vậy khi có
nhiễu z(t) tác ñộng thì máy ñiều chỉnh W
m2
(s) sẽ nhanh chóng tác ñộng theo
tín hiệu trung gian y
1
(t) ñể khử ảnh hưởng của nhiễu này lên mạch vòng
chính. Rõ ràng chất lượng của quá trình ñiều chỉnh ñược nâng cao rất nhiều.
ðối tượng ñiều chỉnh của máy ñiều chỉnh W
m2
(s) là W
2
(s). Còn ñối
tượng ñiều chỉnh của máy ñiều chỉnh W
m1
(s) phải xác ñịnh theo công thức:
)(W).(W1
)(W).(W
)(W
2
2

m
1m2
ss
ss
s
dl
+
=
(1-4)







Hình 1-6. Hệ thống ñiều chỉnh tầng
1.4. HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN PHÂN LI

Trong công nghiệp chúng ta thường gặp nhiều ñối tượng không chỉ có
một tín hiệu vào và một tín hiệu ra mà có thể có nhiều tín hiệu vào và nhiều
tín hiệu ra. Mỗi tín hiệu ra ñược kết hợp với một máy ñiều chỉnh ñể hình
thành những hệ thống ñiều chỉnh riêng biệt. Nếu khi một máy ñiều chỉnh làm

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

10
việc mà không gây ảnh hưởng lên các tín hiệu ra của các kênh khác thì hệ
thống ñược khảo sát riêng biệt từng kênh một như ñã làm trên ñây. Tuy nhiên
có những ñối tượng khi một máy ñiều chỉnh làm việc sẽ gây ra sự thay ñổi tín

hiệu ra của các kênh khác bắt buộc các máy ñiều chỉnh khác phải làm việc.
Mặt khác khi các máy ñiều chỉnh khác làm việc sẽ gây ảnh hưởng ngược lại.
Như vậy quá trính cứ thế tác ñộng qua lại làm cho chất lượng ñiều chỉnh của
các hệ thống kém ñi. Hình (1-7) mô tả một hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng gồm
hai tín hiệu vào và hai tín hiệu ra có ảnh hưởng qua lại.
Nếu vì một lí do nào ñó bắt buộc M
1
làm việc thì qua hàm truyền W
21
(s)
tín hiệu ra y
2
(t) sẽ thay ñổi bắt buộc M
2
phải làm việc theo ñể triệt tiêu sự thay
ñổi của y
2
(t) ñồng thời qua kênh W
12
(s) nó tác ñộng ngược lại bắt buộc M
1

phải làm việc hơn nữa. Quá trình cứ thế tác ñộng qua lại làm cho chất lượng
ñiều chỉnh của toàn bộ hệ thống kém ñi.

Hình 1-7. Hệ thống ñiều chỉnh hai vào hai ra

ðể nâng cao chất lượng ñiều chỉnh của hệ thống này chúng ta có thể sử
dụng hệ thống ñiều chỉnh phân li các kênh dựa trên nguyên lí bất biến sử dụng
thiết bị bù ñể khử tác ñộng qua lại giữa các kênh. Hình (1-8) mô tả cấu trúc


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

11
của một trong các hệ thống như vậy ñược xây dựng trên cơ sở hệ thống hai
kênh ñã mô tả trên ñây.

Hình 1-8. Sơ ñồ cấu trúc hệ thống phân li
Trong cấu trúc của hệ thống ngoài các thiết bị ñiều chỉnh hai kênh còn
có hai thiết bị bù ñể tạo sự phân li giữa hai kênh. Khối bù W
b1
(s) dùng ñể tách
kênh 1 ra khỏi ảnh hưởng của tác ñộng U
2
, còn khối bù W
b2
(s) ñể tách kênh 2
ra khỏi ảnh hưởng của tác ñộng U
1
. ðể bảo ñảm sự phân li hoàn toàn, nghĩa là
khi máy ñiều chỉnh M
1
làm việc thì y
2
(t) vẫn không thay ñổi còn khi M
2
làm
việc thì y
1
(t) vẫn cố ñịnh, cấu trúc của các khối bù phải thoả mãn ñiều kiện:
W
b1
(s). W
11
(s) + W
12

(s) = 0
W
b2
(s). W
22
(s) + W
21
(s) = 0
Từ ñây chúng ta có hàm truyền ñạt của các khối bù như sau:
)(W
)(W-
)(W
11
12
b1
s
s
s =
và
)(W
)(W-
)(W
22
21
b2
s
s
s =

Khi sử dụng nguyên lí phân ly thì tính chất của ñối tượng các kênh sẽ

thay ñổi. ðể cho máy ñiều chỉnh M
1
ñối tượng có hàm truyền ñạt dạng:
W
ñ1
(s) = W
11
(s) + W
b2
(s). W
12
(s)
Còn ñể cho máy ñiều chỉnh M
2
ñối tượng có hàm truyền ñạt:
W
ñ2
(s) = W
22
(s) + W
b1
(s). W
21
(s)
ðiều này phải hết sức chú ý khi xác ñịnh tham số của các máy ñiều chỉnh.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

12

KẾT LUẬN

Trong chương này ñã nghiên cứu ñược sơ ñồ khối của một hệ thống
ñiều khiển tự ñộng 1 mạch vòng cơ bản và cách xây dựng cấu trúc, hàm
truyền ñạt của các hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng trong công nghiệp. Trình bày
ñược cấu trúc của các phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống ñiều chỉnh
tự ñộng như hệ bù các tác ñộng của nhiễu, hệ ñiều khiển tầng, hệ ñiều khiển
phân ly.













Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

13
CHƯƠNG II. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ðIỀU CHỈNH MỘT
MẠCH VÒNG
2.1. NGHIÊN CỨU VỀ ðỐI TƯỢNG ðIỀU KHIỂN VÀ THIẾT BỊ
ðIỀU KHIỂN
2.1.1. Các ñặc tính của ñối tượng ñiều khiển
ðối tượng ñiều khiển là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là

ñại lượng cần ñược ñiều khiển.
Các thông tin về ñối tượng ñiều chỉnh thu thập càng ñầy ñủ thì việc tổng
hợp hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng càng ñơn giản và quá trình ñiều chỉnh càng
ñạt ñộ chính xác cao. Việc nghiên cứu ñối tượng ñiều chỉnh phải xuất phát từ
việc nghiên cứu các hiện tượng hoá lý xảy ra trong thiết bị công nghệ.
Các hiện tượng này luôn liên quan ñến dòng vật chất hay dòng năng
lượng chảy vào Q
v
và chảy ra Q
R
từ ñối tượng, tạo nên môi trường hoạt ñộng
của quy trình công nghệ. Khi Q
v
= Q
R
các quá trình trong ñối tượng tồn tại ở
trạng thái dừng, ñối tượng ở trạng thái cân bằng. Khi Q
v
khác Q
R
sẽ tồn tại sự
vận ñộng trong môi trường hoạt ñộng của ñối tượng. Nó là ñại lượng ñặc
trưng cho tác ñộng vào của ñối tượng. Năng lượng hoặc vật chất sẽ ñược tích
luỹ hay chuyển hoá trong lòng ñối tượng. Các quá trình này ñược phản ánh
thông qua một số thông số kỹ thuật của ñối tượng và ñược gọi là tín hiệu ra
của ñối tượng.
Thông số kỹ thuật ñặc trưng nhất cho các quá trình xảy ra trong ñối
tượng ñược gọi là thông số công nghệ và nó là ñại lượng cần ñiều chỉnh y.
Tác ñộng ảnh hưởng trực tiếp lên thông số công nghệ ñược gọi là tác ñộng
công nghệ. Tác ñộng công nghệ thường ñược sử dụng là dòng vào của ñối

tượng. Tác ñộng ñiều chỉnh u từ thiết bị ñiều chỉnh thường ảnh hưởng trực
tiếp lên dòng vào của ñối tượng thông qua thiết bị ñược gọi là cơ cấu chấp
hành (CCCH) và cơ quan ñiều chỉnh (CQðC).
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

14





Hình 2-1. Sơ ñồ cấu trúc vào ra của ñối tượng ñiều chỉnh
Hai tính chất cơ bản của ñối tượng ñiều chỉnh là khả năng tích luỹ năng
lượng hay vật chất trong lòng nó, còn gọi là tính dung lượng và tính tự cân
bằng. Nghiên cứu bản chất vật lý của ñối tượng chính là nghiên cứu các tính
chất này của nó.
a. Tính dung lượng
Các ñối tượng ñiều chỉnh luôn luôn có khả năng tích luỹ môi trường
hoạt ñộng và dự trữ trong bản thân mình. Khả năng ñó ñược gọi là khả năng
tích luỹ của ñối tượng hay còn gọi là tính dung lượng của ñối tượng. Sự tích
luỹ của ñối tượng ñược phản ánh ra bên ngoài thông qua giá trị ñại lượng cần
ñiều khiển y. Khi Q
v
= Q
R
ñối

tượng ở trạng thái cân bằng, sự tích luỹ trong
lòng ñối tượng không thay ñổi, ñại lượng cần ñiều chỉnh không thay ñổi. Khi
có sự mất cân bằng vào ra Q

v
≠ Q
R
, tích luỹ trong lòng ñối tượng thay ñổi làm
thay ñổi ñại lượng cần ñiều khiển.
ðối tượng có dung lượng càng nhỏ thì tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần
ñiều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân bằng giữa dòng ra và dòng vào dẫn
ñến quá trình ñiều chỉnh càng phức tạp. Ngược lại dung lượng của ñối tượng
càng lớn thì tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần ñiều chỉnh càng nhỏ, quá trình
ñiều chỉnh càng ñơn giản.
b. Tính tự cân bằng
Là khả năng của ñối tượng sau khi có nhiễu tác ñộng phá vỡ trạng thái
cân bằng của ñối tượng thì nó sẽ tự hiệu chỉnh ñể trở lại trạng thái cân bằng