Điều khiển vận tốc tua bin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NHIỆT - LẠNH

--------o0o---------

ĐỒ ÁN I
ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC TUA BIN

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Thành
Lớp: Nhiệt lạnh 2 – K56
Ngành: Kỹ thuật Nhiệt Lạnh
MỞ ĐẦU
1|Page


Trên thế giới tỷ lệ điện năng do nguồn nhiên liệu hữu cơ ngày càng tăng, tỷ
lệ thủy điện ngày càng giảm, hạt nhân tăng mạnh trong những năm 70,80 thập kỷ
trước nhưng bây giờ chững lại.
Việt Nam có ưu điểm về trữ lượng lớn, nguồn than tốt, giá than trên cùng 1
đơn vị nhiệt lượng chỉ bằng ½ dầu nên tỷ lệ các nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt
Nam lớn và có xu hướng tăng.
Tua bin thiết bị là trực tiếp tạo ra điện năng trong các nhà máy nhiệt điện.
Việc nâng cao hiệu suất sử dụng thiết bị có ý nghĩa rất lớn: tiết kiêm chi phí,
khoáng sản, giảm hiệu ứng nhà kính từ các khí thải (CO2, NO2, SO2…)
Được sự hướng dẫn của P.GS Nguyễn Văn Mạnh, Ths Cao Đại Thắng, em
xin thực hiện đề tài “ Điều chỉnh vận tốc tua bin trong nhà máy nhiêt điện” . Đồ án
gồm có 4 chương:





2|Page

Chương I: Mô tả chung về công nghệ và hệ thống điều khiển
Chương II: Hệ thống điều khiển vận tốc tua bin
Chương III: Cơ sở mô hình hóa và tổng hợp bộ điều chỉnh
Chương IV: Thu thập số liệu, tổng hợp độ điều khiển, đánh giá chất
lượng điều khiển


CHƯƠNG 1
MÔ TẢ CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Giới thiệu sơ lược về nhà máy nhiệt điện Uông Bí
Nhà máy nhiệt điện Uông Bí được xây dựng tại thị xã Uông Bí, tỉnh Quảng
Ninh. Nguồn nhiên liệu được lấy từ mỏ Vàng Danh cách nhà máy 2km, nước
làm mát lấy từ song Bạch Đằng cách nhà máy 1.7km. Nhà máy được thiết kế
công suất 300MW.

Hình 1.1: Sơ đồ nhà máy nhiệt điện Uông Bí
3|Page


Than nguyên được sang lọc thành than cám, từ nhà kho chứa than nguyên
được hệ thống bang tải vận chuyển vào 4 phễu than, từ đây sang máy nghiền than
kiểu bi. Than được nghiền thành bột, những hạt than lớn được quay lại máy
nghiền. Than mịn được sấy và đưa vào 2 tầng vòi đốt, mỗi tầng có 4 vòi thực hiện
đối đều lên 4 vách.
Gió nóng cho lò hơi được quạt vào từ không khí bên ngoài qua hệ thống sấy
không khí cấp I, II, III. Khói thoát ra từ buồng đốt đùng để sấy hơi ở các bộ quá

nhiệt và trao đổi nhiệt với nước ở bộ hâm nước và sấy nóng không khí đưa vào sau
đó khói thoát ra đi qua bộ lọc tĩnh điện và bộ khử lưu huỳnh được quạt hút khói
thông ra ngoài thông qua ống khói
Nước cấp cho là được gia nhiệt qua các bình cao áp sau đó nhận nhiệt biến
thành hơi quá nhiệt cho giãn nở trong tua bin làm quay máy phát điện. Phần hơi
được trích ra từ tua bin để thực hiện chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp. Phần
hơi thoát ra ở phần hạ áp của tuabin được đưa vào bình ngưng, được ngưng tụ
thành nước ngưng. Sau đó được bơm ngưng đưa qua bình gia nhiệt hạ áp rồi được
đưa vào khử khí ở bình khử khí rồi được bơm cấp nước qua bình gia nhiệt cao áp
rồi cấp cho lò qua bộ hâm nước tạo chu trình mới.
1.1.2 Giới thiệu chung về các loại tua bin
Tua bin là môt thiết bị động lực dung để biến đổi năng lượng của dòng chảy
thành cơ năng kéo máy phát điện
-

Năm 1834 Fuaray (Pháp) chế tạo thành công bánh tua bin đầu tiên
Năm 1837 Xaphon (Nga) chế tạo tua bin nước kiểu ly tâm
Năm 1838 Holp (Mĩ) đã cải tiến tua bin ly tâm thành tua bin hướng tâm
Năm 1847-1849 Dran Franxic (Mĩ) cải biến tua bin Holp thành tua bin
tâm trục có hiệu suất cao hơn
- Năm 1837-1841 Ghensen (Đức) và Jonvan (Pháp) chế tạo tua bin hướng
trục cánh cố định
- Năm 1912-1924 Kaplan (Tiệp) đã cải tiến tuabin hướng trục cánh cố định
thành tua bin hướng trục cánh cố định thành tua bin hướng trục cánh điều
chỉnh
- Năm 1880 Penton đã cải tiến bánh xe nước, và phát minh ra tua bin gáo

4|Page

Ngày nay các tua bin trên đã cải tiến và hoàn thiện ở mức độ cao, nhiều tua
bin mới được ra đời.
Phân loại tua bin:
1, Tua bin phản lực: Tùy vào hướng chảy của dòng chảy mà chia tua bin phản lực
thành các loại tuabin hướng trục, tuabin tâm trục, tuabin hướng trục chéo.
a, Tuabin hướng trục
Tua bin hướng trục là tuabin trong đó hướng chuyển động của dòng chảy
trong phạm vi bánh công tác song song với trục quay tua bin. Tuabin hướng trục có
thể là loại cánh cố định (tuabin chong chóng) hoặc loại cánh điều chỉnh
b, Tuabin tâm trục
Tua bin tâm trục là tuabin mà hướng của dòng chảy ở vùng bánh công tác
ban đầu theo phương hướng tâm sau đó chuyển sang song song với trục. Tuabin
này còn gọi là tua bin Franxic.
c, Tuabin hướng chéo
Kết hợp ưu điểm của tuabin hướng trục và tua bin tâm trục
Dòng chảy trong vùng bánh công tác của tua bin hướng trục chéo có hướng
làm với trục quay 1 góc nào đó. Bầu cánh là hình nón, bầu cánh chứa toàn bộ cơ
cấu điều chỉnh cánh như cơ cấu điều chỉnh của tua bin hướng trục cánh xoay.

2, Tua bin xung lực
a, Tuabin gáo
Là loại tuabin xung lực được sử dụng nhiều nhất, phần dẫn dòng của nó gồm
bánh công tác và vòi phun. Bánh công tác gồm nhiều bánh hình gáo được gắn chặt
lên đĩa bánh công tác

5|Page


Hình 1.2 : Sơ đồ tuabin Penbon
b, Tua bin tia nghiêng

Tua bin tia nghiêng có dòng chảy từ vòi phun hướng vào bánh công tác dưới 1 góc
nghiêng. Tua bin này được lắp trong những nhà máy nhỏ
c, Tua bin tác dụng kép
Dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên bánh công tác 2 lần, dòng chảy đi từ ngoài vào
tâm sau đó lại hướng từ tâm ra ngoài nên gọi là tua bin tác dụng kép.

6|Page


Hình 1.3 : Tua bin tác dụng kép

1.2 Hệ thống điều khiển vận tốc tuabin
Nhiệm vụ cơ bản của bộ điều tốc tuabin là làm thay đổi lưu lượng qua tuabin
để thay đổi momen của tuabin, sao cho bằng momen cản để giữ cho số vòng quay
không thay đổi.
Bộ điều tốc thay đổi vận tốc tuabin bằng cách điều tiết chất mang năng lượng
(hơi quá nhiệt) vào tua bin. Để điều tiết năng lượng vào tuabin người ta dùng các
van điều tiết. Trong các hệ thống điện hiện đại, các bộ điều tốc sơ cấp của tuabin là
một trong những phần tử chủ yếu của hệ thống điều chỉnh tần số nó còn tham gia
vào quá trình phân bố công suất tác dụng giữa các tổ máy trong nhà máy

7|Page


Chương II: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC TUA BIN
2.1 Nguyên lý bộ điều tốc tua bin trong nhà máy điện
Phương trình chuyển động của roto trong tổ máy có dạng:
MT – Mc = J

(2.1)

Trong đó:
MT: momen của tua bin
Mc: momen cản phụ thuộc vào phụ tải
J: momen quán tính của roto trong tổ máy
ω: vận tốc góc roto
Momen tua bin tính theo công thức:
MT =

(2.2)

Trong đó:
N:
Dựa vào phương trình (2.1), để ổn định vận tốc tuabin ta có thể cân bằng 1
trong 3 phương trình sau:
J

=0

(2.3.a)

MT – Mc = 0

(2.3.b)

Jω = const

(2.3.c)

 Theo phương trình (2.3.a) người ta chế tạo các bộ điều tốc có nhiệm vụ

điều chỉnh gia tốc sao cho = 0. Bộ điều tốc này gọi là bộ điều tốc gia tốc
 Theo phương trình (2.3.b) người ta chế tạo điều tốc có khả năng theo dõi
thay đổi phụ tải để điều chỉnh monen MT thông qua việc điều chỉnh lưu
lượng qua tuabin
 Theo phương trình (2.3.c) người ta chế tạo bộ điều tốc theo dõi sự thay
đổi của vận tốc góc ω và điều chỉnh sao cho Jω = const

8|Page


2.2 Sơ đồ công nghệ của hệ thống điều khiển

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý điều khiển vận tốc tua bin
Dựa vào sơ đồ trên ta thấy: tốc kế đo vận tốc tua bin để đưa vào bộ điều
khiển. Bộ điều khiển sẽ tác động đến cơ cấu chấp hành là moto servo để điều khiển
van thủy lực, từ đó thay đổi vận tốc tuabin tạo thành 1 chu trình kín.
2.3 Một số phương pháp đo vận tốc và công nghệ điều khiển
a, Các phương pháp cảm biến đo tốc độ tua bin
 Điều chỉnh vận tốc dùng con quay ly tâm

9|Page


Hình 2.2: Điều tốc bằng con quay ly tâm

Đây là bộ điều tốc máy hơi nước kiểu con quay ly tâm do Jame Watt
chế tạo năm 1784. Tốc độ quay trục của đầu máy hơi nước được biến đổi tỷ
lệ thành tốc độ con quay ly tâm với 2 quả đối trọng đối xứng. Sự chuyển
động của hai quả trọng xung quanh trục thẳng đứng tạo ra lực ly tâm đẩy
chúng ra xa khỏi trục. Nhờ hệ thống hai thanh truyền lực có khớp xoay, một

phần của lực ly tâm biến thành lực dọc trục hướng lên phía trên ép vào lò xo
Lx cho đến khi đạt vị trí cân bằng. Khi đó, con trượt M gắn với đầu dưới của
hai thanh truyền lực, chuyển dịch và chiếm vị trí cân bằng tương ứng. Đồng
thời nhờ cách tay đòn L1-L2 trục van điều chỉnh dòng hơi nước dịch chuyển
ngược hướng với chuyển động của con trượt M và tạo ra độ mở van thay đổi
ngược với hướng thay đổi tốc độ quay của máy hơi nước.

 Điều chỉnh vận tốc nhờ cơ cấu cơ-thủy lực

10 | P a g e


Hình 2.3: Hệ thống điều chỉnh vận tốc nhờ cơ cấu cơ-thủy lực
Khi ở trạng thái cân bằng (xác lập), tốc độ quay của máy hơi nước bằng giá
trị định trước, các cánh tay đòn L1, L2 chiếm vị trí nằm ngang. Hai đường dẫn đầu
vào buồng trên và buồng dưới của trợ động cơ TĐ bị chắn như nhau bởi piton
trong ngăn kéo NK. Piston của trợ động cơ TĐ cùng với trục van điều chỉnh giữ vị
trí cố định và lò xo Lf không bị kéo nén.
Giả sử theo một nguyên nhân nào đó, tốc độ quay của máy hơi nước tang
lên. Khi đó, tốc độ của con quay ly tâm tăng theo, làm cho con trượt M chuyển
dịch lên phía trên và các tay đòn L1, L2 chuyển động quanh điểm A. Điểm B cùng
với piton trong ngăn kéo NK chuyển dịch lên phía trên, mở cho buồng trên của trợ
động cơ TĐ thông qua đầu đẩy của bơm dầu, còn bên dưới thông với đường xả ra
thùng chứa.

11 | P a g e


Dưới tác dụng của áp suất dầu đẩy của bơm dầu, piston của trợ động cơ TĐ
cùng trục van điều chỉnh chuyển dịch xuống phía dưới làm đóng bớt dòng hơi vào

máy hơi nước.
Tức thời, bộ đệm Đf cùng với điểm A bị kéo xuống phía dưới, chống lại sự
chuyển dịch của điểm B gây ra bởi con trượt M. Bộ khuếch đại thủy lực có hệ số
rất lớn và có cơ cấu phản hồi phụ cũng được hiệu chỉnh sao cho điểm B thay đổi
rất ít và có thể coi điểm B là 1 điểm tựa cố định của cách tay đòn. Như vậy ở thời
điểm bắt đầu quá trình điều chỉnh, độ dịch điểm A và con trượt M là tỷ lệ với nhau.

 Đo tốc độ bằng cảm biến quang học: Encoder

Hình 2.4: Cảm biến quang học Encoder
Nguồn sóng là tia laze, khi chiếu qua lỗ đến tế bào quang học làm cho dòng
điện chạy qua (tương ứng với mức tín hiệu 1). Khi lệch khỏi lỗ thì tế bào quang
học không được chiếu sáng, khiến cho dòng điện không đi qua (tương ứng với mức
tín hiệu 0). Tín hiệu từ bộ phận quang học được nối đến thiết thị điện tử để đếm
xung, từ đó tìm ra vận tốc.
Độ chính xác của encoder phụ thuộc vào số lượng lỗ trên đĩa. Encoder có
loại 24 lỗ, 36 lỗ, 888 lỗ… đến hàng nghìn lỗ. Việc sử dụng encoder tương đối
chính xác nhưng khi sử dụng lâu dầu dễ bám bẩn làm giảm độ tin cậy thiết bị, nên
thực tế ít sử dụng.
 Đo tốc độ bằng cảm biển từ trở

12 | P a g e


Hình 2.5: Cảm biến thay đổi từ trở
Loại này dùng hiện tượng cảm ứng điện từ để đếm xung nhờ các rãnh từ,
làm thay đổi từ trở dẫn đến thay đổi điện áp và mức tín hiệu. Phương pháp này
tương đối tin cậy vì ít ảnh hưởng bởi dầu mỡ. Thực tế người ta thường sử dụng còn
vì giá thành rẻ.
 Phương pháp khác

Hình 2.6.a

Hình 2.6.b

Hình 2.6.a: Đo vận tốc bằng nam châm vĩnh cửu và kim chỉ. Do ảnh hưởng
của vận tốc trục đến nam châm làm cho kim quay.
Hình 2.6.b: Tốc độ kế điện từ loại DC hoặc AC.
Cả hai loại trên đều không đáng tin cậy nên ít được sử dụng trong thực tế.

b, Hệ thống điều khiển Ovation DCS
13 | P a g e


Ovation là công nghệ điều khiển đáng tin cậy và đáp ứng giám sát thời gian
thực và hệ thống điều khiển quá trình sử dụng phần cứng, hệ điều hành và công
nghệ mạng thương mại sẵn có.
Hệ thống Ovation bao gồm các trạm vận hành khác nhau, chúng được liên kết
với nhau thông qua một mạng tốc độ cao. Các trạm vận hành đó thực hiện các
chức năng khác nhau, kết quả là gửi dữ liệu thông qua mạng. Bên cạnh đó mỗi
trạm trên mạng đều có khả năng tập hợp dữ liệu và gửi dữ liệu ghi được các
trạm khác yêu cầu.
 Mạng
Mạng Ovation dựa trên giao thức chuẩn Fast Ethernet, là một mạng mạnh,
kháng lỗi cao và có tính mở. Được thiết kế để kết nối trực tiếp dễ dàng tới các thiết
bị ngoại vi như máy in, các mạng WAN, các mạng LAN, Allen- Brandley PLC,
điều khiển tua bin GE Mark V/VI và các thiết bị tƣơng tự khác sử dụng
truyền thông Ethernet.
Mạng Ovation cho phép cả hai loại cáp truyền thông là cáp quang và cáp đồng.
 Cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu Ovation bao gồm một trình tiện ích Master Database của
Oracle. Cơ sở dữ liệu này chứa cấu hình hệ thống, thông tin thuật toán điều
khiển, và cơ sở dữ liệu điểm quá trình.
Tất cả các công cụ lập trình và giao diện người sử dụng được lưu trong cơ sở dữ
liệu Ovation, và các thông tin đó được truyền tới hệ thống điều khiển. Các
phần mềm ứng dụng và các hệ thống điều khiển có thể được truy cập dễ dàng
thông qua ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc (SQL).
 Các mô đun vào/ra
Ovation I/O là các khối chức năng, các thành phần plug-in đó có khả năng
kháng lỗi cao và chuẩn đoán hệ thống. Các mô đun Ovation chuyển đổi các tín
hiệu vào và khởi tạo các tín hiệu ra. Các mô đun này được lắp đặt trong tủ
Ovation Controller, nhưng chúng cũng có thể được lắp đặt trong các tủ ở xa tới
2000 mét tính từ các Controller
 Bộ điều khiển
Ovation Controller là một bộ điều khiển quá trình sử dụng vi sử lý Intel
Pentium và chạy trên hệ điều hành thương mại sẵn có. Controller sử dụng một
giao diện off-the-shelf, dựa trên công nghệ mạng mới nhất để kết nối tới
mạng Ovation.
14 | P a g e


Contrller thực hiện tính toán, điều khiển tuần tự và hỗ trợ các chức năng sau:
- Khởi tạo và nhận các điểm quá trình.
- Thêm, xoá, và chỉnh sửa các điểm trực tuyến.
- Cung cấp cảnh báo và sử lý các từ lệnh cho các điểm được khởi tạo.
- Đọc các mô đun vào/ra và chuyển đổi dữ liệu tới các điểm quá trình.
- Đọc các điểm quá trình và ghi dữ liệu tới các mô đun vào/ra.
- Thực hiện điều khiển các thuật toán.
 Trạm vận hành OWS
Trạm OWS cung cấp truyền thông với khối sử lý thông qua mạng.

Ovation và giám sát điều kiện bình thường và không bình thường. Một cơ sở dữ
liệu phân tán (Raima) hỗ trợ OWS.
Các chức năng của OWS bao gồm các ứng dụng chính sau:
- Base Alarm System - Hệ thống cảnh báo cơ sở: Cung cấp một
phương pháp để nhận biết và hiển thị các điều kiện không bình thường như
các drop bị sự cố, các điểm vượt quá giới hạn
- Process Diagram System - Hệ thống sơ đồ quá trình: Cho phép xem
các sơ đồ đồ hoạ các thiết bị điều khiển quá trình để giám sát và điều khiển
hệ thống.
- Point Information (PI) System - Hệ thống thông tin điểm: Cho phép
xem và biên tập các thông tin điểm từ Ovation Network và Point
Builder.
- Error Log - Cung cấp thông tin về các lỗi hệ thống và ghi thông tin đó
tới một tập log (log file).
- Point Review - Xem lại các điểm: Cho phép tìm kiếm cơ sở dữ liệu
cho các điểm có khả năng cấu thành một nhóm điểm.
- Trend - Đồ thị điểm: Cho phép hiển thị các dữ liệu mẫu được tập hợp cho
các điểm đang thực hiện trên Ovation Network trong đồ hoạ.
- Point Viewer - Cho phép xem tất cả các điểm trong cơ sở dữ liệu hệ
thống.
 Trạm kỹ thuật EWS
Trạm EWS cung cấp môi trường để phát triển và bảo trì các phần mềm ứng
dụng và phần mềm hệ thống. Các chương trình, các file cấu hình và file dữ liệu
15 | P a g e


có thể được hiệu chỉnh để tạo ra và duy trì cấu hình hệ thống, phát triển và duy
trì các ứng dụng phần mềm và duy trì hoạt động cho phần mềm ứng dụng của
các trạm khác. Tất cả các công cụ Ovation Power đều được truy cập từ EWS.
 POWER TOOLS

Các công cụ cơ bản của Ovation Power là:
- Init Tools và Admin Tools – dùng để cấu hình và định nghĩa cho hệ
thống Ovation
- Point Builder – dùng để tạo, chỉnh sửa, và xoá các điểm
- I/O Builder – dùng để định nghĩa các môđun I/O sử dụng trong hệ
thống Ovation
- Holding Registers – dùng để chứa dữ liệu của thuật toán (thường là cho
các chức năng đặc biệt và các ứng dụng thang (Ladder))
- Drop Loader – dùng để nạp điều khiển và tạo thông tin điểm cho các
trạm trong hệ thống Ovation, kết nối cơ sở dữ liệu chính (Master
Database) với các trạm khác trong hệ thống.
- User Reconcile – dùng để chuyển các bộ điều khiển (trực tuyến) thành
cơ sở dữ liệu
- Point Grop Builder – dùng để tạo các nhóm điểm được sử dụng trong các
biểu đồ hay đồ hoạ.
- Security Builder – dùng để tạo, chỉnh sửa, và xoá các đối tượng và các định
nghĩa
- Baseline/ Compare – dùng để theo dõi các thay đổi của cơ sở dữ liệu
- External Database Compare – dùng để so sánh cơ sở dữ liệu ngoài với
cơ sở dữ liệu chính
- Control Builder – là trình xây dựng đồ hoạ trên nền AutoCAD đƣợc dùng
để tạo Logic điều khiển chạy trên các bộ điều khiển của Ovation
- Graphic Builder – dùng để tạo và chỉnh sửa các sơ đồ quá trình hệ thống
hiển thị trên trạm làm việc Ovation.

16 | P a g e


 Lưu trữ dữ liệu và khả năng báo cáo
Ovation Historians cung cấp khả năng lưu trữ và phục hồi dữ liệu quá

trình, các cảnh báo, các sự kiện tuần tự (SOE), các log và các hành động vận
hành trong hệ thống điều khiển quá trình. Các báo cáo đư-ợc khởi tạo cung
cấp các thông tin hữu ích để vận hành, lập trình và bảo trì.
 Các thiết bị ngoại vi
Ovation cung cấp khả năng để chuyển đổi thông tin giữa hệ thống điều
khiển và các thiết bị ngoại vi nhƣ Allen-Bradley, GE Mark V/VI,
Modbus, RTP I/O, Toshiba và các thiết bị MHI.
 Khả năng kết nối
Các sản phẩm của Emerson có khả năng liên kết, như Web Acess View
Enable (WAVE), ODBC Server, NetDDE Server, OPC Server và
SCADA Server kết nối tới hệ thống điều khiển. Bằng cách tích hợp
các khối điều
khiển và hệ thống thông tin.


2.4 Phương pháp lấy số liệu



CHƯƠNG 3: CƠ SỞ MÔ HÌNH HÓA ĐỐI TƯỢNG VÀ TỔNG HỢP BỘ
ĐIỀU CHỈNH TỐI ƯU
3.1. Lý thuyết nhận dạng và mô hình hóa
Các đối tượng điều khiển thường gặp trong công nghiệp rất phong phú và đa
dạng, từ dạng đơn giản nhất, như những khâu tuyến tính điển hình một đầu vào và
một đầu ra (SISO), cho đến những dạng phức tạp nhiều đầu vào nhiều đầu ra
(MIMO).
Các đối tượng điều khiển công nghiệp thường có quán tính bậc cao và có
quá trễ vận tải. Nói chung chúng có tính chất phi tuyến và thường thay đổi một
cách bất định, do đó điều kiện làm việc thay đổi. Về cấu trúc, các đối tượng điều
khiển công nghiệp có thành hai loại, đối tượng nhiều đầu vào một đầu ra và loại

đối tượng có nhiều đầu vào nhiều đầu ra.
Như đã nói trên, các đối tượng điều khiển công nghiệp có thể có một hoặc có
nhiều đầu ra, nhưng thường có nhiều kênh. Mỗi kênh là một đối tượng đơn, thể
hiện một mối liên kết vào-ra nhất định. Về sau, nếu không có chú thích thêm, khi
nói đến đặc tính của đối tượng, ta hiểu đó là đặc tính của đối tượng đơn, theo một
kênh nhất định. Đặc tính động học của đối tượng được thể hiện trên đặc tính tần số
hoặc đặc tính thời gian, trong đó, đặc tính quá độ (đáp ứng đối với xung bậc thang)
phản ánh đầy đủ và trực quan các đặc điểm động học của đối tượng.
Điểm đặc trưng của các đối tượng công nghiệp là có trễ vận tải và có quán
tính lớn. Trễ vận tải còn gọi là trễ tuyệt đối, trễ thời gian chết, vvv…, đó là thời
gian kể từ khi xuất hiện xung đầu vào (≠0) đến khi đại lượng ra bắt đầu thay đổi so
với giá tri xác lập ban đầu.
Độ quán tính của đối tượng được phản ánh mức độ phản ứng chậm của nó,
kể từ khi đại lượng ra bắt đầu thay đổi. Dó có quán tính lớn và trễ vận tải nên hầu
hết các đối tượng điều khiển công nghiệp đồng thời hệ thống điều khiển tương ứng
là những bọ lọc tần số thấp.


h(t)
h(t)
X0
X0

a

t

t
b

Hình 3.1 đặc tính quá độ đặc trưng của các đối tượng điều khiển công nghiệp
Theo tính chất động học, tồn tại phổ biến hai lớp đối tượng điều chỉnh công
nghiệp: lớp đối tượng tĩnh và lớp đối tượng phi tĩnh.
Đối tượng tĩnh có đặc tính quá độ tiến tới giá trị hữu hạn, tức đặc tính quá độ
có tiệm cận ngang (hình 3.1 a) khi triệt bỏ xung đầu vào, thì đại lượng ra của nó
quay trở về giá trị ban đầu.
Đối tượng phi tinh có đặc tính quá độ tiến tới vô hạn và thường có tiện cận
xiên (hình 3.1 b), thể hiện quỹ đạo tích phân. Khi triệt bỏ xung đầu vào, thì đại
lượng ra của nó dừng ở giá trị cuối mà không thể quay trở về giá trị ban đầu.
Các đối tượng điều khiển trong thực tế được đặc trưng bởi tốc độ biến thiên
cực đại hmax và hệ số tĩnh học k∞ định nghĩa như sau :
hmax=max{y’(t)}/x0, k∞=y(∞)/x0,
trong đó ,x0- độ lớn xung bậc thang vào; k = h∞ = limt→∞ h(t) giá trị xác lập
đầu ra.
Trong thực tế, các đối tượng tĩnh có khả năng thiết lập trạng thái cân bằng
tương ứng với độ lớn của xung đầu vào, nên có tên gọi là đối tượng “có tự cân
bằng”. Ví dụ, đối tượng điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, vvv… là có tự cân
bằng.


Khả năng tự cân bằng của đối tượng càng lớn, nếu với cùng một xung bậc
thang đầu vào, giá trị xác lập đầu ra của nó ít sai lệch so với giá trị ban đầu. Nói
cách khác, khả năng tự cân bằng giảm dần theo độ lớn của hệ số tĩnh học. Khi hệ
số tĩnh học k∞∞, khả năng tự cân bằng tiến tới không.
Các đối tượng phi tĩnh không có khả năng tự thiết lập trạng thái cân bằng
nên có tên gọi là đối tượng “không có tự cân bằng”. Ví dụ, các đối tượng điều
chỉnh mức chất lỏng, điều chỉnh tốc độ quay, vvv… thường là những đối tượng
không có tự cân bằng (hệ số tĩnh học của chúng là k∞=∞).
Các đối tượng không có tự cân bằng thường thể hiện trội tính chất tích phân nên
khi đó có thể gọi là đối tượng tích phân.

Sự phân tích đặc tính quá độ của các đối tượng có tự cân bằng trong thực tế cho
thấy rằng chúng có bốn dạng phổ biến (hình 3.2)
h(t)

h(t)

X0

h(∞)

h(t)

a)

h(∞)
h(t)

X0

tu

b)

h(∞)

h(∞)
c)

tu

d)

Hình3.2. Các dạng đặc tính quá độ của đối tượng có tự cân bằng
Trên hình 3.2-a, đường cong thể hiện đặc điểm động học của một khâu quán
tính bậc nhất. Tốc độ biến thiên đại lượng ra của nó đạt giá trị lớn nhất tại thời
điểm xuất hiện xung đâu vào,hmax=h’(o).
Trên hình 3.2-b, đường cong quá độ có một điểm uốn (tại t u- khi tốc độ biến
thiên đại lượng ra đạt giá trị lớn nhất) và có hình dáng chữ s. Do là dáng điệu của
khâu quán tính bậc cao, gồm nhiều khâu quán tính bậc nhất mắc nối tiếp. Độ quán


tính của đối tượng loại này tương đương với độ quán tính của các khâu quán tính
bậc nhất hợp thành.
Trên hình 3.2- c, đường cong quá độ thể hiện đặc điểm của đối tượng quán
tính bậc nhất có trễ vận tải, tức tạo bởi khâu quán tính bậc nhất mắc nối tiếp với
khâu trễ.
Trên hình 3.2-d, đường cong quá độ hình chữ s với 1 điểm uốn, nhưng nằm
dịch về phía bên phải một khoảng �, kể từ gốc tọa độ, so với đồ thị 3.2-b. Đó là
đặc tính quá độ của đối tượng, tạo thành từ nhiều khâu quán tính bậc nhất mắc nối
tiếp với một khâu trễ.
Tóm lại, các đối tượng có tự cân bằng với các đặc tính quá độ trên hình 3.2, có thể
biểu diễn bởi một khâu quán tính bậc n mắc nối tiếp với một khâu trễ. Hàm truyền
của chúng có hai dạng:
Osb ( s ) 

K
.e  s
(1  T1s )(1  T2 s )...(1  Tn s )
(1.1)

Trong đó, k- hệ số truyền;T1,T2,…Tn- các hằng số quán tính, tương ứng với các khâu
quán tính bậc nhất; n- bậc quán tính, hằng số quán tính bậc nhất hợp thành;�- trễ
vận tải.
Trong thực tế, thường dung một số dạng đơn giản của mô hình (1.1), như sau:
Osb ( s ) 

K
.e  s
n
(1  Ts )

Osb ( s ) 

K
.e  s
(1  T1s )(1  T2 s )
khâu quán tính bậc 2, có trễ.

khâu quán tính đồng nhất bậc n, có

trễ,

Các đối tượng không có tự cân bằng cũng có 4 dạng đặc tính quá độ phổ biến (hính
3.3).
Trên hình 3.3-a, đặc tính thay đổi theo một nửa đường thẳng tới vô hạn, kể
từ thời điểm xuất hiện xung đầu vào. Đó là đặc tính quá độ của một khâu tích phân.
Trên hình 3.3-b, đặc tính quá độ bắt đầu thay đổi với tốc độ tăng dần từ thời
điểm xuất hiện xung đầu vào tới vô hạn, tiến tới một đường tiệm cận xiên. Đó là

tính chất động học của khâu tích phân có quán tính, tức đối tượng loại này tạo bởi
khâu tích phân mắc nối tiếp với một khâu quán tính.
Trên hình 3.3-c, đặc tính quá độ khác với đường cong trên hình 3.3- a ở chỗ
là sự thay đổi đại lượng ra chỉ bắt đầu sau một thời gian � nhất định, kể từ thời
điểm xuất hiện xung đầu vào. Điều đó chứng tỏ rằng, đối tượng tương ứng là một
khâu tích phân có trễ, tức là mạch mắc nối tiếp giữa khâu tích phân và khâu trễ.
Trên hình 3.3- d, đặc tính quá độ thể hiện tính chất của khâu tích phân có
quán tính, trên hình 3.3- b, nhưng lùi về phía bên phải một khoảng �, kể từ thời
điểm xuất hiện xung đầu vào. Do vậy, đối tượng tương ứng bộc lộ là khâu tích
phân có quán tính và có trễ.

h(t)

h(t)
X0

X0

a)

h(t)

t

h(t)

b)

t

X0
X0
d)
c)
t
t
�
�
Hình 3.3. Các dạng đặc tính quá độ của đối tượng không có tự cân bằng

Tóm lại, hầu hết các đối tượng không có tự cân bằng trong thực tế là một
khâu tích phân có quán tính và có trễ, có thể mô tả bởi mô hình:
Ot ( s ) 

K
.e  s
s (1  T1s)(1  T2 s )...(1  Tn s )
(1.2)
q

Trong đó, k- hệ số truyền;T1,T2…,Tn- các hằng số quán tính;


q- là bậc tích phân (bậc phi tĩnh) của đối tượng. Trong thực tế phổ biến trường hợp
q=1.
Ta thấy mô hình (1.1) là trường hợp riêng của (1.2), ứng với q=0. Vậy biểu
thức (1.2) là mô hình đặc trưng của các đối tượng công nghiệp. Nó cho phép mô tả
cả ba đặc điểm cơ bản của các đối tượng công nghiệp, bao gồm trễ vận tải, tính
chất quán tính và tính chất tích phân.
Trong thực tế để đơn giản hóa, người ta thường mô hình hóa đối tượng

không có tự cân bằng dưới dạng đơn giản:
Ot ( s ) 

K
.e  s
n
s (1  Ts )
, n=0,1,2…

Trong những trường hợp phức tạp, để mô hình hóa các đối tượng một cách
đúng đắn hơn, có thể dung mô hình dưới dạng tổng quát:

b0  b1s  b2 s 2  ...  bm s m e  s
O( s) 
.
1  a1s  a2 s 2  ...  an s n ) s q (1.3)
Trong đó, b0- hệ số truyền; a1,…am,b1,…,bn- các hệ số, � thời gian trễ vận
tải,q- bậc tích phân hay bậc phi tĩnh; m- bậc của tử thức; n bậc của mẫu thức. đối
với các đối tượng thực thì m≤n.
3.2. Phương pháp mô hình hóa đối tượng
Phương pháp mô hình hóa theo đặc tính quá độ, mô hình quán tính bậc 2 có
trễ.
Giả sử đặc tính quá độ thực nghiệm (hình 3.2) của đối tượng,nhận được do tác

lim h(t )  h(�)

t ��
động ở đầu vào một xung bậc thang. Giá trị tiệm cận ngang
; đồ thị
có điểm uốn là U(tu,hu). Tiếp tuyến của đường cong tại điểm uốn cắt trục hoành và

đường tiệm cận ngang tại A và B.