Tài liệu Đồ án môn học :Tự Động hoá ppt

Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

1


LỜI MỞ ĐẦU
Như ta đã biết ngày nay,các nhà máy và xí nghiệp đều được trang bị các hệ thống
điều khiển tự động ở mức độ cao các thiết bị tiên tiến. Hệ thống điều khiển tự động
đảm bảo cho sự hoạt động của quy trình công nghệ đạt được kết quả mong muốn.
Cấu trúc các hệ thống điều chỉnh tự động các quá trình công nghệ rất đ
a dạng. Nó có
vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng họat động của quy trình công
nghệ.Chính vì vậy mà em nhận ra rằng qua lần làm đồ án này em đã được nhận thấy
thực tế về các hệ thống điều chỉnh trong công nghiệp.Và em biết cách thiết kế cấu
trúc hệ thống ,sơ đồ khối cấu trúc .
Để hoàn thành đồ án môn học này ngoài sự cồ gắng lỗ lực của b
ản thân em
còn nhận được sự giúp đỡ chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn.Đặc biệt em
xin chân thành cảm ơn thây Nguyễn Văn Hoà,thầy đã tân tình hướng dẫn em
trong suốt thời gian làm đồ án.

Hà nội,ngày 26-2-2008
Sinh viên:
Lê Thị Huệ

Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

2

MỤC LỤC

Phần I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TĐHQTSX.......................3
Phần II:XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG
I.Xây dựng hàm truyền đạt từ hàm quá độ cho trước : ...............................5
1.Xác định dạng hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh:........................7
2.Xác định các thông số của hàm truyền đạt:...........................,,,,.7

II.Xây dựng sơ đồ khối cấu trúc:................................................. 12

2.1.Thiết bị đo:..............................................................................12
2.1.1. Cảm biến đo:......................................................................................13

2.1.2.Chuyển đổi đo : .................................................................................
2.2.Máy điều chỉnh:....................................................................................17
2.3.Phần tử chấp hành:............................................................................. .20
III. Xây dựng vùng ổn định của hệ thống :................................. 20

IV. Xác định thông số tối ưu của máy điều chỉnh ( σ% = 15%):................23
V. Xâydựng sơ đồ nguyên lý cấu tạo của hệ thống điều chỉnh:....................31

Phần I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TĐHQTSX
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

3
* Khái Niệm Tự Động Hóa :
Tự động hóa là quá trình sử dụng thiết bị để thay thế chức năng đo lường kiểm tra và
điều khiển của con người trong hoạt động sản xuất.
Mối quan hệ giữa : đo lường kiểm tra, điều khiển và chức năng công nghệ rất mật
thiết với nhau, chúng tạo thành một mạch vòng khép kín.

Chức năng công nghệ




Chức nă
ng điều khiển Chức năng
đo lường kiểm tra
* Mục đích của Tự Động Hóa :

- Nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản
xuất.Mục đích cuối cùng là nâng cao hiệu quả kinh tế.
- Giải phóng con người khỏi những điều kiện làm việc độc hại.

* Các bước phát triển của TĐH
- Tự động hóa xuất hiện trên thế giới từ những năm 50 – 60 của thế kỷ XX.
- Tự động hóa Việt Nam có năm 80 tại một số nhà máy xi măng.
- Hiện nay TĐH có mặt ở rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống nhất là trong các nhà
máy công nghiệp. Các nhà máy và xí nghiệp này đều được trang bị hệ thống tự động
hóa ở mức cao.


Hệ Thống Tự Động Hoá QTCN
TĐCN TSCN
CT§
CQ§ TBC CB§
C§§ CB§CCC
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

4










Hình 2 : Hệ thống tự động hoá quy trình công nghệ

TSCN : Thông số công nghệ. CCCH : Cơ cấu chấp hành
TĐCN : Tác động công nghệ. ĐCTĐ : Điều chỉnh tự động
CBĐ : Cảm biến đo. TTĐK : Thuậ
t toán điều khiển
CQĐK : Cơ quan điều khiển.
- Tự động hoá chia ra làm 3 loại:
+ Hệ thống hở (OFF - LINE): là trung tâm tính toán điều khiển làm chức năng cố
vấn cho người vận hành.
+ Hệ thống kín (ON - LINE): điều khiển phân tán.
+ Hệ IN - LINE: điều khiển tập trung.





Phần 2:Xây Dựng Hệ Thống Điều Chỉnh Tự Động
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

5
I.Xây dựng hàm truyền đạt từ hàm quá độ cho trước :
Ta đổi trục tọa độ cũ sang trục tọa độ mới có tâm là điểm
O
τ
.
Cấu trúc của đối tượng:
1
(t)
h

1(t)
h
(t)


Hàm truyền đạt của đối tượng:
W
d (P)
=K
d
. W
1 (P)
.e
-
τ
o.P

W
1
(p) sẽ trễ hơn W
d
(p) một khoảng là
0
τ
−
e
.Với
O
τ
là trễ vận chuyển.

+
Trong đó: K
d
là hệ số khuyếch đại.

+
K
d
A
H )(∞
=
( đơn vị là thứ nguyên đơn vị tín hiệu ra/đơn vị tín hiệuvào).
Từ
O
τ
kẻ đường h
1
(t) vuông góc với trục thời gian.
Xác định hàm so chuẩn :
)(
)(
)(
1
∞
=
H
tH
t
σ

.

+
Từ
)(t
σ
=0,7 song song với trục t cắt đường đặc tính tại điểm A.

+
Từ điểm A kẻ song song với trục
σ
(t) cắt trục t tại điểm t
7
.
+
Chia t
7
ra làm 3 phần bằng nhau rồi lấy điểm t
3
.
+
Từ điểm t
3
kẻ song song với trục
σ
(t) cắt đường đặc tính tại điểm B .
+
Từ B kẻ song song với trục t cắt trục
σ
(t) tại

σ
(t
3
) .







σ
(t
3


W
1(P)
e
-
τ
o. P
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

6
1

σ
(t
7
)











Đồ thị đưa về dạng so chuẩn
Từ giá trị
)(
3
t
σ
ta xác định được dạng của W
1
(p):
+
Nếu
)(
3

t
σ
> 0,31 thì W
1
(p)
1
1
+
=
Tp
p
e
1
τ
−

+
Nếu 0,19 <
)(
3
t
σ
< 0,31 thì W
1
(p)
)1)(1(
1
21
++
=

pTpT

+
Nếu
)(
3
t
σ
< 0,19 thì W
1
(p)
)1)(1(
1
21
++
=
pTpT
p
e
1
τ
−

Trong đó
p
e
1
τ
−
,

1
τ
là trễ dung lượng.

1.Xác định dạng hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh:
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

7
Qua đồ thị đưa về dạng so chẩn ta xác định được:

o
Đối với trục h(t)Trên đồ thị ta thấy:
11.9cm ứng với 30
0
C
H(∞) ứng với10 cm ứng với: 25.21
0
C
H
1(t3)
ứng với 2,05cm.2,521=5.168
0
C


o
Đối với trục thời gian t: trên đồ thị ta thấy:
13.6 ứng với 750s

7
t
=2.8 cm ứng với 154.417s

⇒

3
t
= 0.93 cm ứng với 51.47(s).

0
τ
=0,62 cm ứng với:
6.13
750.62,0
=34.1911 s.

⇒

σ
(t
3
) =
)(
)(
31
∞H
tH
=

21.25
168.5
=0.20499
Ta nhận thấy
σ
(t
3
) nằm trong khoảng 0,19
≤
σ
(t
3
)
≤
0,31 .
Hàm truyền đạt W
1 (P)
là khâu quán tính bậc hai:
W
1 (P)
=
)1.)(1.(
1
21
++ PTPT

2.Xác định các thông số của hàm truyền đạt:

Ta xác định điẻm uốn t
u.

Hàm quá độ:
h(t) = K.[1 -
1
21
1
T
t
e
TT
T
−
−
+
2
21
2
T
t
e
TT
T
−
−
]
Hàm quá độ:
σ
(t
3
) = 1 -
1

21
1
T
t
e
TT
T
−
−
+
2
21
2
T
t
e
TT
T
−
−


Lấy đạo hàm của
()t
σ
t
a có:
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

8

σ
’(t) =
1
.(
1
21
T
t
e
TT
−
−
+
2
T
t
e
−
)
Lấy đạo hàm bậc hai của
t
a thu được có :

σ
’’(t) =
⎟
⎟

⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
−−
12
1
1
1
221
111
TT
e
T
e
TTT

Hình 1-2 Khâu quán tính bậc hai .
Theo tính chất của đạo hàm bậc hai tại điểm uốn ta có :

σ
’’(t
u
) = 0
⇒

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
−−
12
1
1

1
221
111
TT
e
T
e
TTT
=0
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

9
Suy ra :
2
2
1
T
t
e
T
−
=
1
1
1
T
t
e

T
−

Vậy giá trị b sẽ là : b = 1-
σ
(t
u
) =
1
2
1
.
21
1
T
t
u
e
T
T
TT
T
−
−
-
2
21
2
T
t

u
e
TT
T
−
−

=(T
1
+T
2
)

2
1
T
2
T
t
u
e
−

:Giá trị của đạo hàm tại điểm uốn :


σ
’(t
u
) =

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
−−
21
21
1
T
t
T
t
uu
ee
TT
=
2
1
T
.
2
T
t
u

e
−

Như vậy sẽ xác định đuựơc a : a =
(tu)'
σ
b
= T
1
+ T
2

Xét tại điểm t=2t
u
:
c = 1-
σ
(2t
u
) =
1
2
21
1
T
t
u
e
TT
T

−
−
-
1
2
21
2
T
t
u
e
TT
T
−
−

Mà :

1
2
T
t
u
e
−
=
2
2
2
2

1
T
t
u
e
T
T
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
(*)

Như vậy : c =
21
1
TT
T
−
.
2
2
2
2
1

T
t
u
e
T
T
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
-
2
21
2
T
t
u
e
TT
T
−
−

= > c =
2

2
2
2
2
221
2
1
.
T
t
u
e
T
TTTT
−
++

Tính được :
2
b
c
=
()
2
21
2
221
2
1
TT

TTTT
+
++



2
b
c
- 0,75 =
()
2
21
2
221
2
1
TT
TTTT
+
++
- 0,75


2
b
c
- 0,75 =
2
21

2
21
)(
)(25,0
TT
TT
+
−

Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

10


0,75 -
b
c

2
=
)(
)(5,0
21
21
TT
TT
+
−

0,75 -
b
c

2
+ 0,5 =
)(
)(5,0
21
21
TT
TT
+
−
+ 0,5 =
21
1
TT
T
+


0,75 -
b
c

2
+ 0,5 =

a
T
1

=> T
1
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
− 0,5 +75,0
b
c

2
.a
=> T
2
= a – T
1

.Từ đồ thị ta xác định được: a = 143.3822
b = 0.755
c = 0.45
Thay vào ta có: T

1
=143.3822.
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
5.075.0
2
45.0
755.0
=100.1657
. T
2
= 143.3822-100.1657=43,2614
Hàm truyền đạt W
1 (P)
là :

W
1 (P)
=
.
)12614.43)(11657.100(
1
++ PP

Hệ số khuyếch đại: K
DT
=
A
hh
)0()(
−
∞
=
12
21.25
= 2,1008 (
o
C / %)
Hàm truyền đạt đối tượng có dạng sau:
W
1 (P)
=
.
)12614.43)(11657.100(
1008.2
++ PP

p
e
19.34−

Mô phỏng trên sơ đồ simulink ta có đường đặc tính sau :

Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

11



II.Xây dựng sơ đồ khối cấu trúc:

Thiết bị điều khển là thiết bị khí nén. Yêu cầu của đối tượng điều khiển tín hiệu vào
ra của đối tượng điều khiển phải cùng thứ nguyên với thiết bị điều khiển.
Đối tượng công nghệ:tác động công nghệ là dòng nguyên liệu.Muốn chuyển đối
tượng công nghệ sang đối tượng điều khiển ta phải chọn thiết b
ị đo.
TBĐK
ĐTĐK
x
-
e
y
u
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.

Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

12
2.1.Thiết bị đo:
2.1.1. Cảm biến đo:

Để theo dõi giám sát và điều khiển các quá trình trước hết cần phải biết được
các đại lượng đặc trưng cho quá trình đó.Phần tử thực hiện chức năng chuyển giá trị
đại lượng cần đo sang tín hiệu khác đưộc gọi là cảm biến đo.Nó là phần tử đầu tiên
quan trọng nhất trong hệ thống đo lường thu thập tín hiệu để điều khiển dựa trên
những hiện tượng xảy ra trong lòng nó.


Đặc điểm cơ bản của cảm biến đo là mối liên hệ giữa tín hiệu ra Y của nó với
giá trị đại lượng cần đo Q. Một đặc điểm của cảm biến đo mà ta quan tâm là độ nhạy
của cảm biến đo. Độ nhạy của cảm biến đ
o là sự thay đổi giá trị tín hiệu của cảm biến
đo khi đại lượng cần đo thay đổi 1 đơn vị. Độ nhạy của cảm biến đo thường được kí
hiệulà ε.Trong thực tế,cảm biến đo có độ nhạy lớn hơn sẽ ưu việt hơn cảm biến đo có
độ nhạy nhỏ hơn. Độ nhạy của cảm biế
n đo càng lớn thì việc gia công số liệu tiếp
theo càng đơn giản.
* Cảm biến đo:
Vì nhiệt độ cực đại của nguyên liệu là 200
o
C nên ta chọn cảm biến đo là nhiệt kế
điện trở Pt 100.
Nhiệt kế điện trở là cảm biến dùng để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ của môi
trường đo sang tín hiệu điện trở của nhiệt kế điện trở, nhiệt kế điện trở có thể đo nhiệt
độ trong khoảng – 260

o
C
÷
750
o
C. Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế điện trở dựa trên
sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn vào nhiệt độ của nó theo công thức:R
t
= f(R
o
, t).
Trong đó : R
o
- là điện trở của nhiệt kế ở 0
o
C.
R
t
- là điện trở của nhiệt kế ở t
o
C.
CBĐ
Y Q
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

13
Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu chế tạo nhiệt kế điện trở là phải có hệ số nhiệt
điện trở lớn , ổn định và phải có điện trở suất lớn .Trong công nghiệp thường sử dụng

hai loại nhiệt kế điện trở dây dẫn bằng đồng hoặc bạch kim.Ta sử dụng nhiệt kế điện
trở bạch kim.
Nhiệt kế điện trở bạch kim được chế tạo làm rất nhiều loại bằng nhiều phương
pháp khác nhau . Phụ thuộc vào phương pháp chế tạo mà giới hạn đo sẽ khác nhau.
Với loại có đường kính dây từ 0,05
÷
0,1 mm thì giới hạn đo cực đại có thể lên đến
750
o
C , nếu dùng dây có đường kính 0,5 mm thì có thể đo nhiệt độ tới 1100
o
C . Nếu
nhiệt độ thay đổi trong khoảng từ 0
÷
660
o
C thì mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở
của nhiệt kế điện trở bạch kim là một hàm bậc hai được mô tả theo biểu thức :
R
t
= R
o
.(1+3.94.10
– 3
.t – 5,8.10
– 7
.t
2
)
Ta sử dụng can nhiệt kế điện trở bạch kim có ký hiệu PT-100 có R

0
=100Ω.
Theo bài ở 200
0
C, ta có:
R
t
= 100.(1+3.94.10
– 3
.200 – 5,8.10
– 7
.200
2
) =176.48Ω
Độ chính xác của nhiệt kế điện trở phụ thuộc vào hai yếu tố: độ chính xác của
hệ số nhịêt điện trở và độ chính xác khi chế tạo.Trong thực tế ta có thể bỏ qua sai số
do hệ số nhiệt điện trở mà chỉ quan tâm đến sai số do chế tạo. Khi chế tạo phân ra hai
loại cấp chính xác: loại 1 có cấp chính xác 0.05 và loại 2 có cấp chính xác 0.1.
2.1.2.Chuyể
n đổi đo : Chuyển đổi đo là thiết bị chuyển tín hiệu từ dạng này sang
dạng khác thuận tiện cho việc truyền tín hiệu hoặc xử lý tín hiệu. Đặc tuyến của
chuyển đổi đo là mối liên hệ giữa tín hiệu ra y của chuyển đổi đo và tín hiệu vào x
của nó. Đặc tuyến này luôn tuyến tính.Hệ thống chuyển đổi đo phải bảo đảm sao cho
tín hiệ
u ra của chuyển đổi đo cuối cùng phải thích hợp với loại tín hiệu được sử dụng
trong thiết bị điều khiển.