Hệ thống điều khiển quá trình dùng cho các trường đại học kỹ thuật phan chí chính pdf

M

TS PHAN CHÍ CHÍNH

29.892

>

1 1 0 5 Ch

HỆ THỐ NG

ĐIỀU KHIÊN
QUÁ TRÌNH
DÙNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẨT

V Ỵ ỉ

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT


TS PHAN CHÍ CHÍNH

HẸ THONG
ĐIỂU KHIỂN QUÁ TRÌNH
(Dùng cho các trường đại học kỹ thuật)

(Ệế\
NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2010

MỞ ĐÀU
(Thay cho lời nói đầu và bài mở đầu)

Cuốn “Hệ thông điều khiển quá trình'" này chủ yêu sử dụng cho
giảng dạy học phần về kết nối và vận hành hệ thống điều khiến tự động
các quá trình thường gặp ở các dây chuyền công nghệ hiện dại. Nội dung
học phần đi sâu vào các chủ điểm: làm chủ các thông sô điều khiển cụ
thể trong thiết bị điểu khiển nối mạng trong các quá trình công nghệ; các
thành phần cơ điện tử của hệ thống điều khiển công nghiệp; vận hành và
bảo trì hệ thống điều khiển quá trình bằng mô hình mô phỏng hoàn toàn
giống như hệ thống công nghiệp bằng chính bộ điều khiển số dùng trong
còng nghiệp.
Nghiên cứu về điều khiển tự động các quá trình thường gặp trong công
nghiệp, bao gồm:
- Điều khiển mức chất lỏng;
- Điều khiển lưu lượng dòng chảy lỏng;
- Điều khiển nhiệt độ của quá trình;
- Điều khiển áp suất của quá trình.
Đối tượng điều khiển ở đây là các quá trình trong các dây chuyền công
nghệ có liên quan đến dòng chảy của chất lỏng: các quá trình sản xuất các
sản phẩm ngành hoá, hoá dầu; các dạng chế biến thực phẩm, đồ uống và
nhiều loại hàng tiêu dùng. Đây là học phần ứng dụng “lỷ thuyết điều khiển
tự độn g” vào đối tượng điều khiển là các quá trình.
Tài liệu này cũng có ích cho người làm công tác kỹ thuật trong các
dây truyền công nghệ có điều khiển tự động các quá trình. Tự động điều
khiển đang là xu thế tất yếu cho các dây truyền công nghệ cho nên các kiến

3

thức liên quan và cập nhật cũng là một đòi hỏi đổi với cán bộ kỹ thuật
và/hoặc tổ chức sản xuất trong dây truyền công nghệ hiện đại.
Học phần đi sâu vào việc làm chủ các phương pháp điều khiển cụ thê
trong các thiết bị điều khiển được nối mạng và kiểm soát trung tâm băng
máy tính với các kiểu giao diện thân thiện với người sử dụng trong các quá
trình công nghệ hiện đại. Học lý thuyết gắn liền với thực nghiệm, vận hành
và bảo trì các thành phần cơ điện tử trên thiết bị mô phỏng các quá trình thực
như trong các dây truyền công nghệ của công nghiệp. Trên thế giới, có nhiêu
hãng có sản phẩm truyền thống về tự động hóa có các thiết bị thực nghiệm
hệ thống điều khiển quá trình dành cho đào tạo và nghiên cứu. Thiết bị được
sừ dụng nhiều và khá điển hình ở Việt Nam hiện nay là của hai hãng Festo
và Siemens (CHLB Đức); ngoài ra cũng có sản phẩm của các hãng khác là
Edibon (Tây Ban Nha), Lap Vol (Mỹ).
Phần cơ sở lý thuyết chỉ cô đọng với mục đích ứng dụng cho thực
nghiệm và trực tiếp phục vụ cho các các quá trình cụ thể đề cập trong thiêt bị
thực nghiệm. Những khái niệm chung về “lý thuyết điều khiển tự độn g”
được sử dụng ngay vào các dạng điều khiển và các ví dụ về các thiết bị điêu
khiển để minh hoạ. Tuy vậy vì môn học gồm các kiến thức giao của nhiêu
chuyên ngành đặc trưng cho ngành cơ điện tử đang phát triển nên mức độ
trừu tượng khá đậm nét.
Phần thực nghiệm đề cập ở đây phần cơ bản và từng bước hướng dân
triển khai trên thiết bị mô phỏng các quá trình thực của hãng Festo (hình 0.1)
gọi tắt là mô hình HTĐKQT. Nó được kết cẩu thành các trạm, bao gồm:
- Trạm điều khiển mức chất lỏng;
- Trạm điều khiển lưu lượng dòng chất lỏng;
- Trạm điều khiển áp suất;
- Trạm điều khiển nhiệt độ;
- Trạm Bypass.
Đặc biệt trạm Bypass là phần kết nối dùng để liên kết dòng chảy của

các trạm thành mạng và điều khiển trung tâm bằng hệ thống van điều khiển
4


điện từ và các van tuyến tính bố trí trong các ổng dẫn liên thông các trạm
riêng lẻ vào hệ thống. Các bài thực nghiệm được thực hiện từ các phần kết
nối cơ khí (gồm cả việc xây dựng các sơ đồ liên kết của từng trạm và hệ
thống) đến đặt thông số cẩu hình cho từng trạm và cho hệ thống. Việc thực
nghiệm vận hành được thực hiện từng bước từ điều khiển bằng tay các trạm
đơn lẻ đến vận hành cả hệ thống trên máy tính trung tâm bàng phần mềm
điều khiển.
Các phần mở rộng đề cập đến ứng dụng cho các thiết bị công nghệ
thực. Phần nội dung liên quan tự động điều khiển thiết bị chưng cất được chủ
nhiệm đề tài - Tiển sĩ Lê Phan Hoàng Chiêu đồng ý cho sử dụng kết quả
nghiên cứu. Chủng tôi xin chân thành cám ơn TS.Lê Phan Hoàng Chiêu Phó Giám đốc Trung Tâm Neptech Sở Khoa học Công nghệ TP. Hồ Chí
Minh và tập thể nhóm triển khai đề tài trường ĐH Bách Khoa TP. Hồ Chí
Minh đã cung cấp và cho sử dụng các kết quả nghiên círu triển khai để kịp
thời cập nhật cho ấn phẩm này.
Chúng tôi chân thành cám ơn PGS.TS Vũ Quý Đạc (Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên); Thạc sĩ Trần Trọng Toàn (ĐH công nghiệp
TP.HỒ Chi Minh) đã có những đóng góp quý báu, những ý kiến xác đáng
cho nội dung cuốn sách; xin cám ơn các anh chị Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật đã hết sức giúp đỡ, cho thẩm định và phản biện nội dung để cuốn
sách sớm được xuất bản.
Chúng tôi cũng xin độc giả lượng thứ cho các thiếu sót có thể gặp phải
và xin được quý vị góp ý để ấn phẩm có điều kiện hoàn thiện hơn sau này.

5

Hình 0.1. Thiết bị mô phỏng HTĐKQT của FESTO (CHLB Đức)

6


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
1. 'HTĐKQT:
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.

Hệ thống điều khiển quá trình (PCS: Process Control
System)
QTĐK:
Quá trình điều khiển

ĐTĐK:
Đối tượng điều khiển, trong HTĐKQT đó chính là các
quá trình
TSĐK:
Thông số điều khiển
CCĐL:
Cơ cấu đo lường
ĐKTĐ:
Điều khiên tự động
TBĐK:
Thiết bị điều khiển
BĐKSCN: Bộ điều khiển số công nghiệp
CCĐK:
Cơ cấu điều khiển hay gọi là bộ điều chỉnh (controller)
Bộ điều chỉnh
BĐC:
Hệ thống điều khiển
HTĐK:
Cơ cấu chấp hành
CCCH:
Set point- giá trị đặt ban đầu đưa vào hệ điều khiển
SP:
Process Control System- Hệ thống điều khiển quá trình
PCS:
Phần
tử so sánh
PTSS:
Điều khiển tỷ lệ (P) - tích phân (I) - đạo hàm (D)
PID:
Direct Digital Control- điều khiển bằng tín hiệu số

DDC:
(trực tiếp)
Process Value - giá trị của đại lượng được điều khiển
PV:
(giá trị thực đo được)
Programmable Logical Controller - Bộ điều khiển
PLC:
(logic) khả lập trình

7


Chương 1
KHÁI NIỆM VÀ C ơ SỞ LÝ THUYẾT
Lị» CÁC KHÁI NIỆM C ơ BẢN TRONG ĐIỀU KHIỂN T ự ĐỘNG
1.1.1. Các khái niệm chung
- Quả trình điều khiển là quá trình tác động có mục đích lên đối tượng điều
khiển (ĐTĐK), (các chữ viết tắt xin xem phần “Các thuật ngữ viết tắt” tiếp
ngay phần “Mở đầu”).

- ĐTĐK là đối tượng được tác động có mục đích, ở đây là các quá trình đã
được giới thiệu.

- Điều khiển tự động (ĐKTĐ) là quá trình điều khiển được thực hiện không
cần sự tác động trực tiếp của con người lên ĐTĐK. Sự tác động lên ĐTĐK
trong ĐKTĐ được thực hiện nhờ thiết bị điều khiển (TBĐK).

- Thiểt bị điều khiển (TBĐK) là một phần của hệ thống điều khiển, trong
đó tín hiệu vào là tín hiệu chủ đạo (tín hiệu của giá trị yêu cầu), còn có thể
thêm các đại lượng được điều khiển từ đối tượng điều khiển phản hồi; tín

hiệu ra ỉà đại lượng tác động, tác động lên ĐTĐK (ở đây là quá trình).

- Hệ thống điều khiển (HTĐK) là hệ thống thực hiện quá trình tác động của
TBDK lên l) 1ĐK (hình 1.1). __

’

~

'

'

*

' ~....

Hình 1.1. Hệ thống điều khiển
9


ĐKTĐ được hình thành dần dần và đến ngày nay có nhiều dạng
ĐKTĐ mà thông thường nhất có thể phân thành hai loại:
ĐKTĐ theo mạch hở (feedforward control - sơ đồ hình 1.2)
- ĐKTĐ theo vòng lặp kín (feedback control - hìnhl.3, ở đây đề cập đến
nguyên tắc điều khiển theo độ lệch).

1.1.2. ĐKTĐ theo mạch hở và ĐKTĐ theo vòng lặp kín
ĐKTĐ theo mạch hở, biểu diễn bằng sơ đồ sau:

z

Hĩnh 1.2. ĐKTĐ theo mạch hở
Trong sơ đồ hình 1.2 cần giải thích thêm :
CCĐK: Cơ cấu điều khiển hay gọi là bộ điều chỉnh (controller);
CCCH: Cơ cấu chấp hành;
w : Giá trị yêu cầu, chính là mục tiêu điều khiển và là tín hiệu chủ đạo
(cũng là giá trị đặt- SP: set point);
X: Đại lượng được điều khiển, chính là giá trị thực của đại lượng ra từ
ĐTĐK;
-

Z: Đại lượng nhiễu;
Y : Đại lượng tác động.

10


Điều khiến theo vòng lặp kín, có sơ đồ như sau:

Hĩnh 1.3. Sơ đồ điều khiển theo vòng lặp kín
Trong sơ đồ hình 1.3 có thêm các ký hiệu cần được giải thích:
BĐC: bộ điều chỉnh;
-

CCĐL : cơ cấu đo lường;

-

X ’ : giá trị chuyển đổi tín hiệu của đại lượng ra qua cơ cấu đo lường;

-

Y r, Y h : giá trị của các đại lượng điều chỉnh (tự động hay bằng tay) tạo
ra tín hiệu vào cơ cấu chấp hành ( CCCH ) rồi từ đó tạo ra tác động Y
vào ĐTĐK;

-

Z] : nhiễu tác dụng vào CCCH;

-

Zj : nhiễu tác dụng vào ĐTĐK;

11


-

Xd: giá trị hiệu của w và X (độ lệch) là tín hiệu ra từ phần tử so sánh
(PTSS) đồng thời cũng là tín hiệu vào bộ điều chỉnh.
Các loại BĐC gồm các kiểu điều khiển P, I, D, PI, PD, PID

trong đó:
+ p : Điều khiển tỷ lệ (điều khiển nguyên hàm)
+ I : Điều khiển tích phân
+ D : Điều khiên đạo hàm
+ PI : Điều khiển “tỷ lệ - tích phân”
+ PD: Điều khiển “tỷ lệ - đạo hàm”

+ PID: Điều khiển “tỷ lệ - tích phân - đạo hàm”
ĐTĐK ở đây là các quá trình

w còn gọi là thông số đặt ban đầu, ký hiệu là SP (set point).
Y còn được gọi là thông số điều khiển (TSĐK) ký hiệu là c o , TSĐK
do TBĐK tạo ra để tác động vào ĐTĐK
X là thông số thực của ĐTĐK, có thể đưa phản hồi ngay vào PTSS ở
đầu vào, nhưng thông thường khi qua cơ cấu đo lường (CCĐL) được khuếch
đại (tín hiệu sau đó được ký hiệu là X ’) rồi mới vào phần tử so sánh.
Giá trị kết quả qua cơ cấu so sánh Xd còn có thể ký hiệu là e, độ lệch
Xd= w - X ’

(1.1)

Thiết bị điều khiển (TBĐK) là một phần của hệ thống điều khiển,
trong đó tín hiệu vào là đại lượng được điều khiển X từ đổi tượng điều khiển
(quá trình) và tín hiệu chủ đạo w (tín hiệu của giá trị yêu cầu) từ thiết bị
chủ đạo ; tín hiệu ra là đại lượng tác động Y, tác động lên ĐTĐK (quá trình
điều khiển ).

12


1.1.3. Phân loại bộ điều chỉnh
Có nhiều cách phân loại BĐC (còn gọi là cơ cấu điều chỉnh), bao gồm:
phân loại theo dạng tín hiệu điều khiển, phân loại theo theo năng lượng sử
dụng, phân loại theo đặc tính quá độ.

a. Theo tín hiệu :
-Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu liên tục (tương tự)

-Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu gián đoạn, điển hình là cơ cấu điều chỉnh hai
điểm và cơ cấu điều chỉnh 3 điểm
-Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu rời rạc (tín hiệu số, DDC-Direct Digital
Control)

b. Theo năng lượng sử dụng:
-Cơ cấu điều chỉnh bằng khí nén (đại lượng ra tiêu chuẩn áp suất p từ
0...1 bar)
-Cơ cấu điều chỉnh bằng thuỷ lực
-Cơ cấu điều chỉnh bằng điện, điện tử (đại lượng điện ra tiêu chuẩn dòng
điện I từ 0 ...2 0 mA và điện áp u từ 0...10 V)

c. Theo đặc tính quá độ:
-Cơ cấu điều chỉnh tỷ lệ (nguyên hàm), được gọi là cơ cấu p
-Cơ cấu điều chỉnh tích phân (cơ cấu I)
-Tương tự có các loại cơ cấu đạo hàm (D), cơ cấu tỷ lệ-tích phân (PI), cơ
cấu tỷ lệ- đạo hàm (PD), cơ cấu PID.

13


1.2. MINH HOẠ, GIẢI THÍCH CÁC ĐẠI LƯỢNG c ơ BẢN VÀ
CÁC VÍ DỤ ĐKTĐ

1.2.1. Đại lượng được điều khiển X (PV)
Giá trị thực của đại lượng được điều khiển (còn gọi là đại lượng ra).
Trong hệ thống điều khiển quá trình, giá trị này được kí hiệu là PV (Process
Value). Trong minh họa hình 1.4 là mức chất lỏng trong bể chứa (bể cao là
bể được điều khiển mức) tại mỗi thời điểm.

Giá trị này được cơ cấu đo ghi lại (qua cảm biến mức) đưa về bộ điều
khiển số công nghiệp (trong mô hình ví dụ ) cùng với giá trị yêu cầu ban
đầu, cùng qua bộ so sánh vào bộ phận xử lý của bộ điều chỉnh.

14


1.2.2. Đại lượng tác động Y
Là đại lượng do cơ cấu điều khiển tạo ra để tác động vào đối tượng
điều khiển làm cho thay đổi đại lượng được điều khiển X (sao cho X dần dần
xấp xỉ với giá trị yêu cầu W).

Hình 1.5. Đại lượng tác động Y trong điều khiển mức
Trong hệ thống điều khiển quá trình còn kí hiệu đại lượng tác đỴìg là
CO. Ở hình 1.5, đại lượng tác động Y trong ví dụ trạm điều khiển mức là độ
mở của van điều khiển, nếu mức đo được (giá trị PV) lớn hơn giá trị yêu cầu
thì độ mở của van giảm (thu nhỏ dòng cung cấp), ngược lại thì độ mở của
van tăng.

1.2.3. Giá trị yêu cầu hay mục tiêu điều khiển

w

Giá trị đưa vào ban đầu ( Set Point - SP ), đó chính là mục tiêu điều
khiển
chuyển tín hiệu chủ đạo vào TBĐK, trong điều khiển theo vòng lặp
kín , cùng với tín hiệu chủ đạo
(SP) đầu vào còn có các tín hiệu hồi tiếp

w

w

ở

X (PV).

15


Hĩnh ỉ. 6. Giá trị yêu cầu SP ở trạm điểu khiển mức
Tín hiệu hồi tiếp (X ) được so sánh với tín hiệu chủ đạo (
tử so sánh để vào bộ phận xử lý tiếp trong TBĐK.

w ) qua phần

Ở ví dụ hình 1.6 giá trị yêu cầu SP ở trạm điều khiển mức là mức chât
lỏng cần ổn định ở bể chửa (bể cao) được biểu diễn trên hình là vạch đậm ký
hiệu SP.

1.2.4. Đại lượng nhiễu (z)
Đại lượng nhiễu trong quá trình điều khiển và điều chỉnh là các đại
lượng tác động vào quá trình làm thay đổi hành vi của tác động (nhiễu ở cơ
cẩu chấp hành) hoặc đại lượng ra (nhiễu ở ĐTĐK) của hệ mà HTĐK không
làm thay đổi chúng.
Ở ví dụ hình 1.7 van xả từ đáy của bể cao (bể được điều khiển mức)
thay đổi lượng chất lỏng xả về bể nguồn (bể thấp) để mô phỏng nhiễu ở trạm

16

điều khiển mức. Trong dây chuyền công nghệ đó vừa là lượng chất lỏng tiêu
thụ thay đổi trong dây truyền công nghệ, vừa bao gồm cả những thất thoát do
bay hơi, rò rỉ... Ở ví dụ trên mô hình thiết bị, thay đổi độ mở của van bằng
tay để mô phỏng quá trình nhiễu.

'X*.

Hình 1.7. Van mô phỏng nhiễu ở trạm điều khiển mức

1.2.5. Độ chênh lệch (e) giữa giá trị yêu cầu và giá trị đo hồi tiếp
Trong hình 1.8 đối tượng điều khiển là nước của bể chứa ( bể cao ).
Khi đó độ chênh lệch giữa mức nước yêu cầu (
) và mức nước thực tế tại
thời điểm đo (mức nước đo được) được ký hiệu là e:

w

e=

w-x

(1.2)

17


V

Hình 1.8. Độ chênh lệch e

Trong mô hình HTĐKQT của FESTO, đại lượng này kí hiệu là Xdỉ
Đó chính là dữ liệu từ đầu ra của phần tử so sánh đi vào bộ phận xử lý tiêp
của TBĐK.

1.2.6 Các ví dụ ĐKTĐ theo mạch hở và ĐKTĐ theo vòng lặp
kín
Đe minh hoạ và so sánh hai dạng điều khiển theo mạch hở và kín ta
khảo sát vỉ dụ hai trường hợp điều khiển thiết bị sưởi sử dụng nước nóng đế
điều khiển nhiệt độ trong phòng theo yêu cầu.

+ Trường họp 1, điều khiển theo mạch hở (hình 1.9)
Trong hình 1.9 A:
1. Công tắc nhiệt kế;

4. Thiết bị sưởi;

2. Rơle;

5. Van cấp hơi nước nóng.

3. Nam châm điện;
18


Lưu đồ khối hình 1.9 phần B:
TI biểu diễn bằng 2 mũi tên chỉ 2 yếu tố đầu vào của cảm biến nhiệt độ
A, đó là nhiệt độ bên ngoài và nhiệt độ yêu cầu (nhiệt độ mong muốn đạt
được ở trong phòng)

TI

T2

T3

T4

T5

T6

Hình 1.9. ĐKTĐ đóng cắt thiết bị sưởi sử dụng hơi nước nóng
19


T2 là tín hiệu ra từ A tức là dòng điện tác dụng vào rơle B
T3 là lực hút do rơle tạo ra để đóng tiếp điểm thường mở công tắc điện làm
cho nam chầm điện c có điện tạo ra tác động T4 mở van hơi nước nóng
cung cấp cho thiết bị sưởi D.
T5 là nhiệt tác dụng toả ra cung cấp cho phòng E
T6 là nhiệt độ trong phòng.
Đầu tiên điều chỉnh công tắc nhiệt kế theo nhiệt độ yêu cầu,. Khi nhiệt độ
bên ngoài giảm xuống, rơle nhận tín hiệu từ công tắc nhiệt kế, tác động vào
van đóng nam châm điện để van mở hơi nước nóng vào thiết bị sưởi, nhiệt
độ trong phòng tăng lên, dự liệu bù đắp được nhiệt lượng mất mát do thoát
nhiệt ra môi trường bên ngoài. Khi nhiệt độ bên ngoài tăng lớn hơn nhiệt độ
yêu cầu, rơle mất tín hiệu, van hơi nước nóng đỏng lại. Như vậy nhiệt độ
trong phòng không được đo lại để phản hồi về cơ cẩu đóng mở van hơi nước
nóng; mà nhiệt độ trong, phòng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng
như độ mở của cửa sổ, các yếu tố truyền nhiệt ra ngoài như truyền nhiệt qua

tường, gió v.v ... Đặc điểm quan trọng trong dạng điều khiển này là đại
lượng được điều khiển ( nhiệt độ trong phòng ) không được kiểm soát.

+ Trường hựp thứ 2, ĐKTĐ theo vòng lặp kín ( hình 1.10)
Quá trình thực hiện theo nguyên tắc phản hồi, tức là đại lượng được điều
khiển (nhiệt độ trong phòng) được đo lường liên tục và dẫn trở lại so sánh
với giá trị yêu cầu (mục tiêu điều khiển hay giá trị đặt). Kết quả so sánh này
được đưa vào bộ điều chỉnh, từ đó TBĐK tạo ra tác động lên ĐTĐK để đảm
bảo cho đại lượng được điều khiển có giá trị mong muốn (xấp xỉ gần nhất
với giá trị đặt).
Khi nhiệt độ bên ngoài giảm xuống, lượng nhiệt thoát ra ngoài khe cửa sổ,
truyền nhiệt qua tường, m ái... nhiệt độ trong phòng giảm xuống. Các yếu tố
ảnh hưởng khác như số người trong phòng thay đổi, số lần mở cửa ra v à o ...
cũng ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong phòng. Tất cả các yếu tố ảnh
hưởng gây nên sự chênh lệch nhiệt độ trong phòng so với nhiệt độ yêu cầu
gọi là những đại lượng nhiễu. Các đại lượng nhiễu này cũng không phải là

20


hằng số mà thay đổi. Ớ đây việc điều chỉnh là nhiệt độ trong phòng được
kiểm soát liên tục để tác động loại trừ các ảnh hưởng của các nhiễu.
Trong hình 1.10:
A. Cảm biến nhiệt độ (1)

D. Thiết bị sưởi ấm phòng (4)

B. Van điện (2)

E. Phòng

c. Cơ cấu tác động (3, 5)
(dùng van điều khiển lưu lượng)
T l. Nhiệt độ yêu cầu

T2. dòng điện

T3. Lực hút

T4. Độ mở của van lưu lượng

T5. Lượng nhiệt

T6. Nhiệt độ trong phòng

T7. Nhiệt độ bên ngoài

T8. Các yếu tố thất thoát nhiệt

M

21


Hĩnh 1.10. Điều khiển nhiệt độ phòng bằng ĐKTĐ theo vòng kín

1.3. C ơ SỞ XÂY DựNG HÀM TRUYỀN BẰNG THựC NGHIỆM
HTĐK VÒNG KÍN
1.3.1. Điều kiện và nền tảng kiến thức
Học phần này có điều kiện tiên quyết là người học đã được học môn

lý thuyết điều khiển tự động. Trên nền tảng kế thừa các kiến thức, phục vụ
cho thực nghiệm, ở đây đề cập cơ sở lý thuyết xây dựng hàm truyền của hệ
thống điều khiển vòng kín.
Khảo sát một hệ ĐKTĐ sẽ thuận tiện hơn rất nhiều nếu không dùng
đặc tính biên độ - pha với trục tần số thông thường, mà được chia theo thang
logarithm.
Đặc tính biên độ-pha với trục tần số chia theo thang logarithm được
xác định bằng biểu thức sau:
22


W{j (0) = H{ca)emũ,)
H{(X>) - đặc tính biên tần
6 (0 ) - đặc tính pha tần
Lay logarithm cơ số 10 (lg) của đẳng thức và ký hiệu:
Lm(íy) = 201g|lL(íy)| = L\W{jco)\.
Đặc tính biên tần logarithm LMD (Log magnitude diagram) là đường
cong Lm(ry) với trục tần số co được chia theo thang logarithm cơ số 10, thứ
nguyên là decibel (dB)
Đặc tính pha tần logarithm LPD (Log phase diagram) là đường cong
0(iy) với trục tần số (0 được chia theo thang logarithm cơ số 10, thứ nguyên
là độ.
Khảo sát LMD và LPD của một vài phần tử cơ bản.

1.3.2. Phần tử khuếch đại
Phần tử khuếch đại có hàm truyền dạng: W(s) = k , tức là LMD và
LPD không phụ thuộc vào tần số và được xác định theo công thức
Lm(
1.3.3. Phần tử quán tính bậc nhất

75 + 1

WC \ =
k
{JŨ)) T(j(ữ) + \
_

=

k

kặ-T(j<ò))
_
Ợ{jco) + \)(\-T(jco))

k
r V

+1

■ -kTJ r V +1

- jarctgîû)

~ V rV +1
Khi k = 1 LMD và LPD được xác định bởi biểu thức:

23

Lm(ft>) = - 2 0 1 g V r V 7 T ;
0(co) - - arctgTco
Với những giá trị khác nhau của tần số ft), ta có thể phân chia các vùng của
LMD như sau:
Lm(í») = -2 0 lg V r V +7 « 0,
< Lm (ö) s -2 0 lg Tco,

7ft) <1;
Tco> 1;

Lm(ft)) s -2 0 lg V 2 = - 3 dB,

Tco - 1;

Từ các biểu thức trên cho thấy rằng LMD của phần tử có thể biểu diễn gần
đúng bằng hai đoạn thẳng có tần sổ liên kết là colK - MT
ị Lm(ft>) Ï 0,

co<ì / T;

[Lm(ft>) = -201gTft),

< y> l/T ;

Hình dưới đây cho biết LMD và LPD của phần tử.
t

Hình 1.11. LMD và LPD của phần tử được vẽ đúng và gần đúng

24


1.3.4. Phán tu* dao dong
W (s) = ——— ----------

T2s2+2¿;Ts + \

k,T,¿; - he so khuéch dai, thdi gian có dinh va he só dao dong cua he,
Khi k = 1 LMD va LPD dutrc xác dinh bdi biéu thúc:
Lm(ío)

=

-201g-^/(l - T2co2)2 + (2%Tú)f;

s
2%Tcú
6{co) = -a r c tg — —, ,
i-r V
Ho duong cong Lm(7¿>) va 9{to) vói nhímg giá tri khác nhau cüa £
khi T = cora/ diroc ve ó hinh duói.

Bode Diagram

Hinh 1.12. LMD va LPD cúa phán tú vúi nhüng giá tri khác nhau cua ¿¡

25

1.3.5.Phần tử vi phân
W( s) = ks
Khi k = 1 LMD và LPD được xác định bởi biểu thức
Lm(íy) = -201gứ>;
ớ(ũ)) = 7t! 2
Lm(
3 ỊI
2.5

2

0.5'

-2

10

-

‘ - ■-í- ' - ‘ '■1' ‘

-1

10

1■

-'-‘.i I- ■■ í - i ' í 1 ^

0

10

¡
10

1

Hinh 1.13. LMD và LPD của phần tử vỉ phân

26

'

í

<

' ■i ' ' I
10

2