Luận văn tốt nghiệp thiết bị tự động

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đồ án “Thiết Bị Tự Động ”
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
1
MỤC LỤC

Lời nói đầu
Trong công cuộc kiến thiết xây dựng đất nước nhà nước đạng bước vào
thời kỳ công nghiệp hóa ,hiện đại hóa đất nước với những cơ hội thuận lợi và
những khó khăn thách thức lớn.Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ những chủ
nhân tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề .Sự phát triển nhanh
chóng của cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện –
điện tử nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng ngày . Để đáp
ứng được những yêu cầu đó ,chúng em những chủ nhân tương lai của đất
nước cần có ý thức học tập và nghiên cứu về chuyên môn của mình trong
trường đại học KTCN một cách đúng đắn và sâu rộng .
Điều khiển –Đo lường là một trong nhưng ngành mới ,đang có đà phát
triển một cách tích cực trong nền CN nước nhà ,chính vì vậy chúng em những
kỹ sư tương lai của đất nước đang nghiên cứu trên ghế nhà trường đều ý thức
một cách rõ ràng về Điều Khiển Tự Động .
Đồ án “Thiết Bị Tự Động ” là một trong những đề tài mà chúng em
đang nghiên cứu đã nói lên được phần nào về vấn đề thiết kế và mô phỏng hệ
thống điều khiển. Rất quan trọng trong hệ thống thiết bị công nghiệp hiện
nay.
Trong quá trình thiết kế đồ án của em có sự giúp đỡ chỉ dẫn tận tình của
thầy cô trong bộ môn đặc biệt là PGS TS: Nguyễn Hữu Công .Qua đây em
gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Hữu Công và các thầy trong bộ
môn đã giúp đỡ em trong đồ án này .Tuy vậy bản đồ án của em không tránh
khỏi những thiếu sót ,em rất mong các thầy thông cảm .
Em xin chân thành cảm ơn!
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa

2
Ngày 16 tháng12 năm 2009
Sinh viên
Lê Hữu Thành

Chương 1:Tổng quan chung về thiết bị tự động
1.1-Cấu chúc chung của hệ thống điều khiển tự động.
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh mẽ, các hệ thống điều khiển
tự động có vai trò và vị trí quan trọng trong việc phát triển của khoa học kỹ
thuật và công nghệ. Thực tế trong mọi lĩnh vực của cuộc sống hàng ngày điều
vị chi phối bởi một vài hệ thống điều khiển tự động như: Hệ thống điều chỉnh
của máy điều hoà nhiệt độ, máy giặt….Trong công nghiệp như : HTTĐ điều
khiển các máy công cụ, Tổ hợp điều khiển máy tính. hệ thống kiểm soát chất
lượng sản phẩm, hệ thống điều khiển giao thông, năng lượng, robot….
Một hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp có cấu trúc chung như
hình vẽ:
Hệ thống điều khiển tự động bao gồm:
C (controller): Thiết bị điều khiển
O (object): Đối tượng điều khiển
M (measuaring device): Thiết bị đo lường
r(t): Tín hiệu vào
y(t): Tín hiệu ra
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
3
u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng O
e(t): Tín hiệu sai lệnh điều khiển
z(t): Tín hiệu phản hồi
f(t): Tín hiệu nhiễn tác động lên đối tượng 0
Thiết bị điều khiển là một bộ phận quan trọng, nó tạo ra tín hiệu điều khiển
u(t) để tác động vào đối tượng nhằm bảo tín hiệu ra y(t) của hệ thống thoả

mãn các chỉ tiêu chất lượng định trước.
Ở hình 1.1 ta thấy đầu vào của bộ điều khiển là sai lệnh e(t) = r(t) – z(t)
đầu ra của bộ điều khiển là tín hiệu điều khiển u(t)
Đối với bộ điều khiển đơn giản thì có 1 đầu vào và 1 đầu ra (SISO), bộ
điều khiển phức tạp là bộ điều khiển có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra
(MIMO).
Bộ điều khiển có nhiệm vụ duy trì sự ổn định của hệ thống nghĩa là nó
điều khiển quá trình của hệ thống tiến tới một giá trị xác lập.
1.2- Nguyên tắc điều khiển và phân loại hệ thống điều khiển.
1.2.1- Các nguyên tắc điều khiển.
Các hệ thống điều khiển tự động có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản :
- Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch
- Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiễu
- Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp theo sai lệch và bù nhiều
1.2.2- Phân loại các hệ thống điều khiển tự động.
Hệ thống điều khiển tự động có thể phân loại theo nhiều phương pháp
khác nhau đó là:
- Hệ thống điều khiển tuyến tính, hệ thống điều khiển theo phi tuyến.
- Hệ thống liên tục, hệ thống rời rạc ( hệ xung - số).
- Hệ tiền định, hệ thống ngẫu nhiên.
Hệ thống tối ưu : là hệ thống điều khiển phức tạp, trong đó thiết bị điều
khiển có chức năng tổng hợp được một tín hiệu u(t) tác động lên đối tượng
nhằm chuyển trạng thái điều khiển tự động từ trạng thái đầu đến trạng thái
cuối với khoảng thời gian ngắn nhất hoặc làm cho hệ đạt được độ chính xác
điều khiển cao nhất.
Hệ thống điều khiển thích nghi (hay còn gọi là hệ thống tự chỉnh) là hệ
thống có khả năng thích ứng tự động những biến đổi của điều kiện môi trường
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
4
và đặc tính của đối tượng. Hiện nay hệ thống thích nghi được sử dụng rộng

rãi như : các thiết bị tĩnh, kỹ thuật số, hệ thống có ghép nối với vi xử lý và
máy tính.
1.3-Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động.
Chất lượng của HTĐKTĐ được đánh giá qua đặc tính quá độ và các chi
tiêu chất lượng của HTĐKTĐ.
1.3.1 - Đặc tính quá độ của hệ thống ĐKTĐ.
Một hệ thống ĐKTĐ được gọi là ổn định khi tín hiệu ra của hệ thống tắt
dần theo thời gian, để mô tả quá trình động hay quá trình tắt dần của hệ thống
đó theo thời
gian người ta
dùng đặc tính
quá độ. Như
vậy đặc tính quá
độ để mô tả
quá trình
quá độ của hệ
thống.

1.3.2 - Các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ĐKTĐ.
a, Chất lượng động.
Chất lượng động có thể đánh giá bằng phương pháp tính toán hay phương
pháp dùng đồ thị nhưng chỉ gần đúng và khi tính toán mất nhiều thời gian.
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
5
Nếu biết trước cấu trúc và thông số của hệ, phương pháp mô hình hoá trên
máy tính vừa nhanh, vừa đảm bảo độ chính xác tin cậy.
Với hình 1.3 là hàm quá độ y(t) với đáp ứng của hệ khi tín hiệu vào là nấc bậc
thang đơn vị x(t) = 1(t) có các chỉ tiêu chất lượng động như sau:
• Lượng quá điều chỉnh.
δ% =

( )
( )
∞
∞−
y
yy
max
δ% : lượng quá điều chỉnh
Y(∞) : giá trị xác lập của đại lượng ra
Y(max): giá trị cực đại
• Thời gian quá độ (t
qd
) là thời gian được tính từ lúc hàm quá độ được xem là
không lớn hơn miền sai số ± 5% y(∞)
•
Độ tác động nhanh : Độ tác động nhanh của hệ thống được đánh giá bằng
thời gian t
m
là thời điểm mà hàm quá độ có giá trị cực đại y
max.
• Số lần dao động (n) : Là số lần dao động quanh trị số xác lập y(∞) trước khi
kết thúc quá trình quá độ .
b, Chất lượng tĩnh.
Ở hệ điều chỉnh, chất lượng được đánh giá theo sai lệch tĩnh:
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
6
e =
( ) ( )
∞=
∞→

ete
t
lim
trong trường hợp chung, nếu cơ cấu điều khiển và đối tượng điều khiển có
hàm truyền tương ứng với:

( ) ( ) ( )
sWtWsW
dtdk
.
=
W
dk
(s) : hàm truyền của bộ điều khiển
W
dt
(s) : hàm truyền của đối tượng
Theo định nghĩa về giới hạn, sai lệch tĩnh được xác định bởi:

( ) ( )
ssEtee
st 0
limlim
→∞→
==
Như vậy ta thấy sai lệch tĩnh phụ thuộc vào cấu trúc và thông số của hệ
thống cũng như tín hiệu vào. Ở các hệ điều khiển khi tín hiệu vào có dạng
bậc thang đơn vị (đại lượng tương đối) x(t) = 1(t), X(s) = 1/s thì khi đó :
( )
sW

e
s
+
=
→
1
1
lim
0

Khi hệ thống là một khâu quán tính đơn giản thì :

kkTs
Ts
Ts
k
e
ss
+
=
++
+
=
+
+
=
→→
1
1
1

1
lim
1
1
1
lim
00
Sai lệch tĩnh tỉ lệ nghịch với hệ số khuếch đại k., muốn giảm sai lệch tĩnh
cần tăng kệ số khuếch đại k của hệ thống.
c, Chất lượng ở quá trình quá độ.
Chất lượng ở quá trình quá độ được đánh giá qua các chỉ tiêu như lượng
quá điều chỉnh δ%, thời gian quá độ t
qd
, thời gian đáp ứng t
m
, thời gian có
quá điều chỉnh t
δ
.
Có hai phương pháp đánh giá chất lượng này. phương pháp trực tiếp và
phương pháp gián tiếp. Phương pháp trực tiếp cơ sở trên việc đo và xác nhận
chất lượng của hệ theo tín hiệu đầu ra như hàm quá độ . phương pháp gián
tiếp xác định ảnh hưởng của điều chỉnh … của quá trình quá độ.
• Phương pháp trực tiếp:
Nội dung của phương pháp này là xây dựng đặc tính quá độ của quá trình
nên nó là phương pháp giải phương trình vi phân tuyến tính, phương pháp
toán tử đã đơn giản hoá 1 phần việc tính toán, một thời gian dài, phương
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
7
pháp tần số cơ sở trên mối liên hệ giữa hàm quá độ và đặc tính tần biên pha

cho phép xây dựng bằng đồ thị hàm quá độ h(t) của hệ thống theo các đặc
tính tần số mẫu.
Với sự phát triển của máy tính, đầu tiên là những máy chuyên dùng tương
tự cho phép mô hình hoá các hệ tự động theo thương trình vi phân hay theo
hàm truyền đạt để nghiên cứu, khảo sát và đánh giá chất lượng của hệ.
Ngày nay máy tính số phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng và với dung
lượng bộ nhớ lớn đã không ngừng thay thế được máy tính tương tự mà còn
cho phép khảo sát và đánh giá các hệ tự động với tốc độ và độ chính xác ngày
càng cao.
Trong lĩnh vực nghiên cứu các hệ tự động những phần mền chuyên dùng
như TUTSIN, MATLAB… không những được dùng để mô phỏng nghiên
cứu, khảo sát mà còn điều khiển trực tiếp các hệ tự động, không phải lập trình
phức tạp, thao tác đơn giản dễ sử dụng.
• Phương pháp gián tiếp
Với hệ bậc hai, các mối quan hệ giữa chỉ số dao động Mp

( )
( )
oW
pW
M
k
k
p
ϖ
ϖ
=
ωp là tần số ở biên độ cực đại với δ% t
qd
, t

m
, γ
c
, ω
o

Cũng như mối liên hệ giữa k, T với các chỉ số chất lượng nói trên đã được
đánh giá chính xác theo định lượng. Những mối quan hệ trên có thể được áp
dụng cho các đặc tính tần.
Trong kỹ thuật tự động rất thông dụng toán đồ Nichols (hình 5.4 trang
143, sách Lý thuyết điều khiển tự động thông thường và hiện đại của PGS-
TS: Nguyễn Thương Ngô).
Trục tung có các trị số của L(ω) hay
( )
ϖ
jW
của hệ hở. Trục hoành là độ
dịch pha của hệ hở ϕ. Những đường đồng mức của biên tần của hệ kín theo
đặc tính của hệ hở
Thông thường quá trình quá độ có thể chất lượng chấp nhận được với : δ
% =(10÷30)%. γ
c
=(30÷50)%, Mp =1,1÷1,5,
Với hệ pha cực tiểu, đặc tính tần số logarit L(ω) có độ nghiêng là -20
db/dec ở 2 phía của tần số cắt ω
c
(như hình 1.2) ở đoạn thẳng này càng dài,
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
8
độ dự trữ ổn định về pha càng lớn và chỉ số dao động Mp càng bé ở hình 1.4

có đặc tính L(ω) mẫu có thể sử dụng các toán đồ để thể hiện mối liên hệ giữa
các thông số của đặc tính tần hệ hở với các chỉ số của đặc tính tần hệ kín
cũng như hàm quá độ của nó.
d, Chất lượng hỗn hợp.
ở một mức độ nào đó, chất lượng động và chất lượng tĩnh có thể được
đánh giá theo tiêu chuẩn hỗn hợp, phương pháp đánh giá này rất thuận tiện
trong công việc tính toán & thưc nghiệm để phân tích và tổng hợp các hệ tối
ưu
Nếu tín hiệu ra y(t) và cùng với nó sai lệch e(t) không dao động quanh trị
số xác lập y(∞) dùng tiêu chuẩn phân dạng

( )
∫
∞
=
0
dtteJ
o
Khi đó dao động, tiêu chuẩn trên không được thì có thể dùng tiêu chuẩn dạng


( )
∫
∞
=
o
dtteJ
1
( )
∫

∞
=
0
2
2
dtteJ
Trong một số trường hợp người ta còn dùng các chỉ tiêu khác như

( )
∫
∞
=
0
3
. dttetJ
hay

( )
∫
∞






+=
0
2
4

dt
dt
de
teJ
α
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
9
α : Trong số để đánh giá mức độ quan trọng của tốc độ biến đổi của sai lệch
(cũng như của đầu ra) so với bình phương sai lệch.
Kết luận
Đối với một hệ thống điều khiển tự động chỉ tiêu vể ổn định và chất lượng
của hệ thống là 2 nội dung cơ bản để đánh giá một hệ thống điều khiển
Tuy nhiên điều kiện ổn định phải được thoả mãn sau đó mới xét về mặt
chất lượng, của việc đánh giá chất lượng của hệ thống gồm có:
- Chất lượng tĩnh
- Chất lượng động
- Chất lượng ở quá quá trình quá độ
- Chất lượng hỗn hợp
Chất lượng của hệ phụ thuộc vào các thông số, cấu trúc, tính chất của các
khâu động học. Do đó khi hệ thống được phân tích và xét ổn định đã được
thảo mãn, chúng ta phải khảo sát chất lượng bằng các phương pháp hiệu chỉnh
khác nhau nhằm nâng cao chất lượng hệ thống
1.4-Các quy luật điều chỉnh lý tưởng.
1.4.1-Các quy luật điều chỉnh vị trí.
Điều chỉnh vị trí là quy luật điều chỉnh không liên tục, không tương tự, nó
không có mối liên hệ liên tục giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào, đặc tính tác
động của máy điều chỉnh mang tính vị trí phụ thuộc vào dấu của sai lệch.
a, Quy luật điều chỉnh hai vị trí.
+ Nguyên lý điều chỉnh:
- Tín hiệu ra của máy điều chỉnh được xác lập ở hai vị trí hoặc U

max
hoặc U
min
- Phương trình mô tả của hệ thống:

u = B.Signe
B- là tác động điều chỉnh
Signe- là dấu của sai lệch
u- là tín hiệu ra
e > 0 → Signe = 1 → u = U
max
= B
e <0 → Signe = -1 → u = U
min
= -B(0)
Như vậy máy điều chỉnh 2 vị trí thực chất là một rơle 2 vị trí lý tưởng có tín
hiệu vào là e, quá trình quá độ điều chỉnh hệ thống thể hiện
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
10

Hình 1.5- Khâu rơle 2 vị trí
Hình 1.6- Giản đồ thời gian
+ Thuyết minh:
Giai đoạn đầu quá trình điều chỉnh y < x thì tác động điều chỉnh là U
max
,
sau đó y sẽ tăng lên tới thời điểm t
1
thì y > x thì tác động điều chỉnh là U
min

nhưng do quán tính nên y tiếp tục tăng rồi sau đó mới giảm xuống cho tới thời
điểm t
2
thì y < x và tác động điều chỉnh là U
max
, nhưng cũng do quán tính nên
y tiếp tục giảm rồi sau đó mới tăng lên cho tới thời điểm t
3
thì y > x và quá
trình điều chỉnh là U
min
và quá trình cứ lặp lại như vậy.
Tác động điều chỉnh 2 vị trí là U
max
và U
min
nên quá trình điều chỉnh mang
tính tự dao động xung quanh giá trị chủ đạo x.
+ Chất lượng quá trình điều chỉnh:
Được đánh giá bằng hai thông số:
- Biên độ dao động ∆

2
minmax
YY
−
=∆
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
11

e
u
max
u
min
0
u
- Sai lệch tĩnh S

2
minmax
YY
XS
+
−=
Y
max
và Y
min
là giá trị cực đại và cực tiểu của đại lượng cần điều chỉnh khi quá
trình điều chỉnh đã đạt tới trạng thái dao động ổn định.
Nhận xét:
- Giá trị của ∆ và S phụ thuộc vào các tham số động học của đối tượng điều
chỉnh và giá trị U
max
, U
min
.
- Đối với từng giá trị của X và với đối tượng cụ thể ta có thể chọn các giá trị
điều chỉnh thích hợp để ∆ là nhỏ nhất, tuy nhiên nếu ∆ nhỏ thường tăng thời

gian quá độ. Giá trị của S phụ thuộc vào độ thay đổi của Y khi tăng và giảm,
S=0 nếu hai tốc độ này bằng nhau.
b, Quy luật điều chỉnh 3 vị trí:
+ Nguyên lý điều chỉnh:
Quy luật điều chỉnh 3 vị trí có 3 mức tác động là U
max
, U
nor
, U
min
. U
max
chỉ
tác động khi có sai lệch lớn, tác động này nhanh chóng đưa hệ thống về trạng
thái cân bằng. Tác động U
nor
, U
min
sẽ quyết định đến chất lượng hệ thống ở
trạng thái xác lập.
Phương trình mô tả quá trình điều chỉnh 3 vị trí:
khi e > a, y< x – a, Sign(e) = 1, u = U
max
khi 0 ≤e ≤ a, x – a ≤ y ≤ x, Sign(e) = 0, u = U
nor
khi e < 0, y > x, Sign(e) = -1, u = U
min
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
12
+ Thuyết minh:

Khi sai lệch e > a thì đối tượng nhận được giá trị U
max
vì vậy y tăng tới thời
điểm t
1
thì 0 ≤e ≤ a → tác động điều chỉnh chuyển sang trạng thái U
nor
, tốc độ
y giảm cho tới thời điểm t
2
tác động điều chỉnh chuyển từ U
nor
→ U
min
, từ thời
điểm này quá trình điều chỉnh sẽ tạo ra dao động xác lập như điều chỉnh 2 vị
trí giữa U
nor
và U
min
.
+ Chất lượng quá trình điều chỉnh:
Tại mỗi thời điểm thực chất hệ thống điều chỉnh 3 vị trí giống điều chỉnh 2
vị trí nhưng do có 3 mức tác động U
max
, U
nor
, U
min
nên chất lượng của hệ điều

chỉnh 3 vị trí tốt hơn 2 vị trí về thời gian quá độ , giảm biên độ dao động ∆,
giảm sai lệch tĩnh S.
c, Quy luật điều chỉnh vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi.
+ Nguyên lý điều chỉnh:
Nếu ta nối tiếp thiết bị vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi ta
được quy luật này, cơ cấu chấp hành là khâu tích phân(I) có hàm truyền đạt là
1/T
c
.S với T
c
là hắng số thời gian chuyển dịch của cơ cấu chấp hành từ vị trí
đầu đến vị trí cuối.
Với động cơ nếu lượng vào là điện áp, lượng ra là góc quay → có hàm
truyền ≈1/T
c
.S
+ Phương trình mô tả:

( )
esign
Tdt
du
c
1
=
+ Thuyết minh và chất lượng điều chỉnh:
- Nếu hệ thống sử dụng thiêt bị 2 vị trí thì quá trình điều chỉnh như sau:
+ khi e > 0, sign(e) = 1 ,
c
Tdt

du 1
=

+ khi e < 0, sign(e) = -1 ,
c
Tdt
du 1
−=

SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
13
Với hệ thống này nếu ta chọn được T
c
thích hợp với đối tượng điều chỉnh
thì chất lượng của quá trình điều chỉnh hệ thống tốt hơn điều chỉnh 2 vị trí,
dưới tác động của thiết bị vị trí cơ cấu chấp hành sẽ tìm được tác động điều
chỉnh thích hợp đảm bảo cho giá trị của lượng cần điều chỉnh ở trạng thái cân
bằng chỉ dao động nhỏ xung quanh giá trị của x. Tuy nhiên do tác động của
thiết bị vị trí nên hệ thống vẫn luôn tự dao động và cơ cấu chấp hành làm việc
liên tục.
- Nếu hệ thống sử dụng thiết bị 3 vị trí:
+ khi e > a, Sign(e) = 1,
c
Tdt
du 1
=
+ khi –a ≤ e ≤ a, Sign(e) = 0,
0
=
dt

du
+ khi e < –a , Sign(e) = -1,
c
Tdt
du 1
−=


SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
14

Rơ le ở đây có 3 vị trí tương ứng với 3 trạng thái của cơ cấu chấp hành la
quay thuận, dừng và quay ngược. Nếu sai lệch e > 0 thì rơ le sẽ tác động vị trí
để động cơ quay thuận → y tăng cho đến khi sai lệch nằm trong khoảng
–a ≤ e ≤ a thì động cơ ngừng làm việc. Đây là khoảng xác định cho phép của
đại lượng cần điều chỉnh.
Từ thời điểm t
1
tác động điều khiển được giữ cố định → có thể xảy ra 2
trường hợp:
• Tại U
1
: có thể làm cho y tăng vượt quá giá trị (x+a) như hình vẽ, lúc đó
động cơ quay theo chiều ngược lại để giảm U đến giá trị U
2
và y cũng sẽ giảm
tới vùng cân bằng trong khoảng từ (x–a) → (x+a).
• Giá trị U
1
đủ đảm bảo cho y cân bằng trong khoảng xác định trên, lúc đó quá

trình điều chỉnh được xem như kết thúc tại t
1
.
1.4.2- Các quy luật điều chỉnh liên tục.
Quy luật điều chỉnh được mô tả bằng phương trình vi phân tuyến tính tác
động được mang tính chất liên tục phụ thuộc giá trị sai lệch e, các quy luật
này thường đảm bảo độ chính xác cao nếu ta chọn được các thông số của máy
điều chỉnh hợp lý và khoảng 90% thiết bị tự động trong công nghiệp đang sử
dụng quy luật này.
a, Quy luật điều chỉnh tỉ lệ P.
- Phương trình vi phân mô tả:
u = K
m
.e
K
m
– hằng số khuếch đại của quy luật
- Hàm truyền đạt:
W(S) = K
m

- Hàm truyền tần số:
W(jω) = K
m
- Các đặc tính quy luật:
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
15
Hình 1.9- Quá trình điều chỉnh với thiết bị
Từ các đặc tính cho ta thấy quy luật tỷ lệ phản ứng như nhau đối với tín
hiệu ở mọi dải tần số, góc lệch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào luôn bằng

0, nghĩa là tác động điều khiển ngay sau khi có sai lệch → chứng tỏ quy luật
có ưu điểm tác động nhanh.
Nhược điểm: quy luật thường tồn tại sai lệch tĩnh.
Thực tế các đối tượng thường có hàm truyền:

( )
n
nnn
n
nnn
aSaSaSa
bSbSbSb
SW
++++
++++
=
−−
−−


2
2
1
10
2
2
1
10
0
Xét tín hiệu đầu vào:

SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
16

Gọi
( ) ( ) ( ) ( )
SWKKSWSWSW
dtmdtdch 0

==
( ) ( )
( )
( )
SW
SW
SXSY
h
h
+
=⇒
1
.
Sai lệch đầu vào:
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( )
SW
SX
SW

SW
SXSYSXSE
hh
h
+
=








+
−=−=
1
1
.
1
1.
Sai lệch tĩnh được đánh giá:

( ) ( )
SESteS
st
.limlim
0
→∞→
==

- Khi tín hiệu vào là hàm đơn vị: x(t) = A.1(t)
→
( )
S
A
SX
=

( )
0
.11
1
lim
0
≠
+
=
+
=
→
dmh
s
KK
A
SWS
A
SS
Như vậy có tồn tại sai lệch tĩnh.
- Khi tín hiệu vào có dạng chương trình:
( ) ( )

2
.
S
A
SXtAtx
=→=
Sai lệch tĩnh:

( )
( )
+∞=
+
==
→→
SWKK
S
A
SSESS
dm
ss
0
2
00
1
1
lim.lim
Như vậy quy luật tỷ lệ không nên sử dụng để điều khiển theo chương trình.
• Ta xét tới chất lượng quá độ của hệ thống khi thay đổi hệ số K
m
bằng cách

thực hiện chạy mô phỏng nhiều lần trên máy tính ta thu được kết quả như sau:
(tín hiệu vào có dạng x(t) = 1(t)):
Đường 1 : là K
m
nhỏ, tác động điều chỉnh nhỏ dần quá trình không dao động
Đường 2 : là K
m
lớn hơn
Đường 3 : là K
m
lớn nhất
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
17
Trong 3 trường hợp K
m1
< K
m2
< K
m3
Theo sự tăng dần của K
m
thì quá trình sẽ tăng dao động nhưng sai lệch tĩnh
của tín hiệu sẽ giảm xuống, nếu cứ tiếp tục tăng K
m
sai lệch tĩnh tiếp tục giảm
nhưng dao động có thể tăng lên hoặc dao động không tắt dần hoặc có thể mất
ổn định.
→ Quy luật đồng dạng có ưu điểm tác động nhanh có thể làm việc ổn định
hầu hết đối tượng trong công nghiệp nếu điều khiển ổn định, nhược điểm cơ
bản là tồn tại sai lệch tĩnh.

b, Quy luật điều chỉnh tích phân (I).
- Trong miền thời gian quy luật tích phân được mô tả bằng phương trình vi
phân:
∫ ∫
==
edt
Ti
edtku
1

- Hàm truyền có dạng:

( )
ST
SW
i
.
1
=
- Hàm truyền tần số:
( )
2
.
.
1
.
1
Π
−
==

j
ii
e
TTj
jW
ωω
ω

Vẽ các đặc tính tần số và hàm truyền của quy luật tích phân như sau:

SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
18
Ta có nhận xét:
Quy luật tích phân phản ứng kém với các tín hiệu tần số cao, trong tất cả
dải tần số tín hiệu ra và luôn chậm pha hơn so với tín hiệu và 1 góc π/2. Quy
luật tích phân tác động chậm, hệ thống tự động được sử dụng máy điều chỉnh
theo quy luật tích phân sẽ dễ bị dao động.
Ti là hằng số thời gian tích phân
Nếu Ti càng nhỏ thì quá trình điều chỉnh càng dao động mạnh
Quá trình quá độ của sai lệch khi thay đổi T
i
như sau:

T
i1
> T
i2
> T
i3

- Sai lệch tĩnh:

( ) ( )
( )
( ) ( ) ( ) ( )
SWK
ST
SWSWSW
SW
SXSE
d
i
dtdch
h
0

.
1
.
1
1
.
==
+
=
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
19

( ) ( )
SESteS

st
.limlim
0
→∞→
==
+ Khi tín hiệu vào là hàm đơn vị: x(t) = A.1(t)
→
( )
S
A
SX
=

( )
0

.
1
1
1
lim
0
0
=
+
=
→
SWK
ST
S

A
SS
d
i
s
→ không có sai lệch tĩnh.
+ Khi tín hiệu vào có dạng chương trình:
( ) ( )
2
.
S
A
SXtAtx
=→=
Sai lệch tĩnh:

( )
( )
0
.
1

.
1
1
1
lim.lim
0
2
00

≠=
+
==
→→
d
i
d
i
ss
K
T
A
SWK
ST
S
A
SSESS
Quy luật I không tồn tại sai lệch tĩnh, nếu điều khiển ổn định thì đây là ưu
điển cơ bản của quy luật, khi càng giảm T
i
thì S càng giảm nhưng dễ dao
động.
Nhược điểm cơ bản là tác động chậm nên hệ kém ổn định.
c, Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PI).
Tác động quy luật PD được mô tả bằng phương trình vi phân

m
m
K
K

Td
dt
de
TdeK
dt
de
KeKu
2
21
.
=






+=+=

T
d
: là hằng số thời gian vi phân
K
m
= K
1
: gọi là hệ số khuếch đại của quy luật
- Hàm truyền đạt:
( ) ( )
STKSW

dm
.1.
+=
- Hàm truyền tần số:

( ) ( )
( ) ( )
( )
Tdarctg
TdKA
TdjKjW
m
m
ωωϕ
ωω
ωω
=
+=
+=
2
1
1
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
20

Nhận xét:
+ Khi ω = 0, quy luật PD làm việc như quy luật P với góc lệch pha ϕ(ω) =
0, tần số càng bé thì ảnh hưởng tác động của thành phần vi phân càng lớn.
+ Khi ω = ∞, quy luật PD có đặc tính như phần tử vi phân với ϕ(ω) = π/2,
quy luật PD có 2 tham số cần hiệu chỉnh K

m
, T
d
. Nếu T
d
= 0 thì quy luật PD
trở thành quy luật P.
+ Đặc tính của khâu PD phụ thuộc vào các giá trị K
m
, T
d
và ω. Tín hiệu ra
luôn vượt pha trước tín hiệu vào một góc từ (0 ÷ π/2).
Như vậy về độ tác động nhanh quy luật PD nhanh hơn quy luật P nhưng
quá trình điều chỉnh tồn tại sai lệch tĩnh. Phần tử vi phân tăng tốc độ tác động
nhưng cũng nhạy cảm với nhiễu tần số cao, đây là điều không mong muốn.
Trong công nghiệp quy luật PD chỉ được sử dụng với những quy trình
công nghệ cho phép sai lệch tĩnh và yêu câu tốc độ tác động cực nhanh.
d, Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI).
- Phương trình vi phân mô tả quy luật:







+=+=
∫∫
edt

Ti
KedtKeKU
m
1
1.
21
K
m
: là hệ số khuếch đại của khâu PI

2
1
K
K
T
i
=
- là hằng số thời gian tích phân
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
21
- Hàm truyền đạt:
( )









+=
ST
KSW
i
m
.
1
1.
- Hàm tần số :

( )
( )
2
1
1
.
1
1








+=







−=
Tij
KA
Ti
jKjW
m
m
ω
ω
ω
ω
- Đặc tính tần số và đặc tính quá độ:


Nhận xét:
+ Khi tần số thấp tác động tích phân là đáng kể , tần số càng tăng thì tác
động tích phân càng giảm, khi ω = ∞ chỉ còn tác động tỉ lệ.
+ Quy luật PI có 2 tham số cần điều chỉnh là K
m
và Ti. Khi Ti = ∞ quy
luật PI trở thành quy luật P. Khi K
m
= 0 thì PI giống I.
+ Phụ thuộc vào K
m
, Ti và ω , tín hiệu ra luôn chậm pha so với tín hiệu vào
1 góc từ (π/2 ÷ o).

+ Do đó cấu trúc có thành phần tích phân nên PI có thể triệt tiêu được sai
lệch tĩnh.
Đăc tính quá độ của sai lệch e khi sử dụng quy luật PI (với K
m
và Ti khác
nhau)
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
22
- Đường 1 : K
m
nhỏ, Ti lớn. Tác động điều chỉnh nhỏ nên quá trình không
dao động và tồn tại sai lệch tĩnh.
- Đường 2 : K
m
nhỏ,Ti nhỏ, quy luật PI trở thành gần giống với quy luật I,
vì vậy tác động chậm không còn sai lệch tĩnh.
- Đường 3 : K
m
lớn, Ti lớn, quy luật PI mang đặc tính quy luật P, hệ thống
dao động với tần số lớn, tồn tại sai lệch tĩnh.
- Đường 4 : tương ứng với quá trình điều chỉnh K
m
lớn và Ti nhỏ , tác
động điều chỉnh rất lớn, quá trình điều chỉnh dao động mạnh.
- Đường 5 : đặc tính quá độ chọn tham số chuẩn.
Trong thực tế quy luật PI được sử dụng khá rộng rãi và đáp ứng được chất
lượng hầu hết các quy trình công nghệ (trừ một vài quy trình yêu cầu tác động
rất nhanh và nhiễu thay đổi liên tục).
e, Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID).
- Phương trình vi phân mô tả quy luật:







++=++=
∫∫
dt
de
Tdedt
Ti
eK
dt
de
KedtKeKu
m
1
.
321
K
m
= K
1
: hệ số khuếch đại của quy luật
Ti = K
1
/ K
2

: hằng số thời gian tích phân
Td = K
3
/ K
1
: hằng số thời gian vi phân
- Hàm truyền đạt của quy luật PID :
Hàm truyền tần số :
( )








++=
ST
ST
KSW
d
i
m
1
1

( )
( )
2

1
1
1
1






−+=












−+=
ω
ωω
ω
ωω
Ti
TdKA

Ti
TdjKjW
m
m

( )








−=
i
d
T
Tarctg
ω
ωωϕ
1
-Đặc tính tần số và đặc tính quá độ:
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
23
Nhận xét:
- Ở dải tần số thấp quy luật PID mang đặc trưng gần như quy luật PI
Khi ω = ω
c
quy luật PID mang đặc tính quy luật P, ở dải tần số cao PID

có đặc tính gần như PD.
- Quy luật PID có 3 tham số cần hiệu chỉnh : K
m
, Ti, và Td
Xét ảnh hưởng của 3 tham số :
+khi Td = 0 và Ti → 0, quy luật PID trở về quy luật P
+khi Td = 0 và Ti = 0, quy luật PID trở về quy luật I
+Khi Ti → ∞ quy luật PID trở về quy luật PD
Sự phụ thuộc vào các tham số giữa Ti và Td, góc lệch pha giữa tín hiệu
vào và tín hiệu ra nằm trong khoảng ( -π/2 ÷ π/2).
Nếu chọn được tham số tối ưu, quy luật PID tác động nhanh hơn quy luật
tỉ lệ và triệt tiêu được sai lệch tĩnh, nói khác đi PID sẽ đáp ứng được chất
lượng của mọi quá trình công nghệ nếu chúng ta chọn được thồng số tối ưu
cho chúng. Tuy nhiên việc chọn thông số tối ưu cho 1 tổ hợp bộ 3 thông số
K
m
, Ti, và Td là rất khó khăn, đòi hỏi người kỹ thuật phải có 1 trình độ nhất
định về việc tổng hợp hệ thống tự động trong công nghiệo. Quy luật PID
chỉsử dụng cho các đối tượng điều chỉnh có nhiễu thay đổi liên tục hoặc các
quá trình công nghệ đòi hỏi độ chính xác cao mà quy luật PI không đáp ứng
được
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
24
Chương 2 :Bộ điều khiển PID
A- Thiết bị điều khiển PID.
Trong ngành công nghiệp hiện nay bộ điều khiển PID (Proportional
Intesgral Derivative) được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến. Luật điều khiển
PID đưa vào hệ thống với mục đích làm cho hệ thống đảm bảo tính ổn định và
đáp ứng chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu. Có thể khẳng định, trong hệ thống
điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất thiết bị điều khiển PID luôn giữ vai

trò quan trọng và không thể thiếu.
Bộ điều khiển PID đáp ứng được cả ưu điểm của bộ điều
2.1- Cấu trúc PID.
Hàm truyền của bộ điều chỉnh PID có dạng như sau:

( )
( )
( )
SK
S
K
K
SE
SU
SW
d
i
p
++==
Trong hoạt động của bộ điều chỉnh PID, hiệu quả của tác động điều khiển
là tích phân là sự loại trừ sự truyền tín hiệu tăng theo tỉ lệ, đặc biệt là trong
trường hợp có nhiễu lớn.
Trong thực tế bộ điều khiển PID có thể tạo ra bằng nhiều cách. Sau đây là
một số cấu trúc PID trong thực tế:
2.1.1- Cấu trúc PID không có phản hồi vị trí.
a, Sơ đồ cấu trúc.
SVTH: Lê Hữu Thành Bộ môn: Tự Động Hóa
K
sT
c

.
1
1.
1
2
+sT
1.
1
+sT
K
n
e
u
Hình 2.2: Cấu trúc PID khong có phản hồi vị trí
(-)
25
PID ĐT
ĐL
r(t) e(t) y(t)
z(t)
u(t)
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống với bộ điều khiển PID