Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ - Bộ điều khiển với TCU - 12004

i víi cÆp nhiÖt ®iÖn (vµo) §Çu ra tuyÕn tÝnh 1 chiÒu 4 - 20mA (ra) OP 2/ AL1 OP2 - A AL2 OP1 - A OP1 - B OP1 - C §K CS ~ 220V Nguån nu«i 3.1.1. §Æc ®iÓm ®èi t­îng ®iÒu khiÓn (lß ®iÖn trë) vµ ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é lß. * §Æc ®iÓm lß ®iÖn trë. Víi c¸c øng dông cho c«ng suÊt võa vµ nhá th× lß ®iÖn trë lµ mét gi¶i ph¸p phæ biÕn. ¦u ®iÓm lín nhÊt cña nã lµ tÝnh ®¬n gi¶n c¶ vÒ nguyªn lý lÉn thùc tiÔn c«ng nghÖ, dÔ l¾p ®Æt, vËn hµnh vf chÊt l­îng l¹i kh¸ tèt. Tuy nhiªn qu¸n cña lß lín, sù thay ®æi nhiÖt ®é cña lß x¶y ra chËm. Lß cã hÖ sè dung l­îng cµng lín th× ®é trÔ cµng lín. NhiÖt ®é buång lß kh«ng hoµn toµn ®ång ®Òu t¹i mäi ®iÓm, v× vËy nªn viÖc x¸c ®Þnh nhiÖt ®é còng bÞ phô thuéc vµo vÞ trÝ cña c¶m biÕn. BiÕn thiªn nhiÖt ®é lß cßn cã tÝnh tù c©n b»ng (tÊt nhiªn lµ ®iÒu nµy x¶y ra cùc kú chËm) nªn khi mÊt c©n b»ng gi÷a l­îng nhiÖt cung cÊp vµ nhiÖt l­îng tiªu thô th× ng­ d©n lß cã thÓ tiÕn tíi mét gi¸ trÞ x¸c lËp míi mµ kh«ng cÇn cã tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn tõ TCU. * Ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é lß ®iÖn trë. NhiÖt ®é trong lß phô thuéc vµo nhiÖt l­îng to¶ ra tõ ®©y nung, tøc lµ nhiÖt ®é lß phô thuéc vµo c«ng suÊt ®Æt vµo buång lß. Ch×nh v× vËy ®Ó ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é ta cÇn ®iÒu khiÓn c«ng suÊt ®Æt vµo nã. Tõ c«ng thøc tÝnh c«ng suÊt cña lß: P = I2. R Ta thÊy ngay ®­îc hai c¸ch ®Ó ®iÒu khiÓn c«ng suÊt P. + Thø nhÊt: ®iÒu khiÓn vÒ phÝa tiªu thô ®iÖn n¨ng tøc lµ thay ®æi ®iÖn trë cña lß. Ph­¬ng ph¸p nµy sÏ gÆp khã kh¨n khi nhiÖt ®é lµm viÖc cao, lóc ®ã kho¶ng thay ®æi ®iÖn trë lµ t­¬ng ®èi lín nªn ®é chÝnh x¸c kÐm. Ph­¬ng ph¸p nµy Ýt ®­îc sö dông cßn bëi tÝnh kh«ng liªn tôc vµ h¹n chÕ vÒ ph¹m vi ®iÒu khiÓn. + §iÒu khiÓn vÒ phÝa cung cÊp, tøc lµ thay ®æi c«ng suÊt cung cÊp cho d©y ®èt. Ph­¬ng ph¸p nµy ®­îc dïng nhiÒu vµ ®¬n gi¶n th«ng qua c¸c bé ®iÒu khiÓu c«ng suÊt. 3.1.2. Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ phÇn cøng. * S¬ l­îc vÒ vai trß cña c¸c bé c¶m biÕn. Trong c¸c hÖ thèng ®o l­êng - ®iÒu khiÓn, mäi qu¸ tr×nh ®Òu ®­îc ®Æc tr­ng bëi c¸c biÕn tr¹ng th¸i nh­: nhiÖt ®é, ¸p suÊt, tèc ®é, m« men… C¸c biÕn tr¹ng th¸i nµy th­êng lµ c¸c ®¹i l­îng kh«ng ®iÖu. Nh»m môc ®Ých ®iÒu chØnh, ®iÒu khiÓn c¸c qu¸ tr×nh ta cÇn thu thËp th«ng tin, ®o ®¹c, theo dâi sù biÕn thiªn c¸c biÕn tr¹ng th¸i cña qu¸ tr×nh. NhiÖm vô ®ã ®­îc thùc hiÖn bëi c¸c bé c¶m biÕn, nªn cã thÓ coi nã lµ "tai m¾t" cña c¸c d©y chuyÒn, qu¸ tr×nh c«ng nghÖ vµ cña c¸c con ng­êi. Riªng c¶m biÕn ®o ng­ d©n cã ý nghÜa cùc kú quan träng bëi ®¹i l­îng vËt lý ng­ d©n ®­îc quan t©m nhiÒu h¬n c¶ trong c¸c ®¹i l­îng vËt lý nãi chung. NhiÖt ®é ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh ®Õn nhiÒu tÝnh chÊt cña vËt chÊt. §Ó chÕ t¹o c¸c bé c¶m biÕn nhiÖt ®é ng­êi ta sö dông nhiÒu nguyªn lý c¶m biÕn kh¸c nhau tõ ®ã sÏ cã c¸c lo¹i c¶m biÕn kh¸c nhau. Cã thÓ kÓ ra ®©y vµi lo¹i c¶m biÕn th«ng dông nh­: nhiÖt ®iÖn trë, nhiÖt ngÉu, ph­¬ng ph¸p quang dùa trªn ph©n bè bøc x¹ nhiÖt do dao ®éng nhiÖt. * C¶m biÕn cÆp nhiÖt ngÉu (cÆp nhiÖt ®iÖn) A B t0 t 1 2 Bé c¶m biÕn m¹ch nhiÖt ngÉu lµ mét m¹ch cã tõ hai hay nhiÒu thanh dÉn ®iÖn gåm hai d©y dÉn A vµ B. Chç nèi gi÷a hai thanh kim lo¹i 1 vµ 2 ®­îc hµn víi nhau. Khi 2 mèi hµn t vµ t0 cã nhiÖt ®é kh¸c nhau th× sÏ cã dßng ®iÖn ch¹y qua trong m¹ch kÝn (theo Seebek). ChiÒu cña dßng ®iÖn phô thuéc vµ nhiÖt ®é t­¬ng øng cña m«i hµn, tøc lµ nÕu t > t0 th× dßng ®iÖn ch¹y theo h­íng ng­îc l¹i. NÕu ®Ó hë mét ®Çu th× gi÷a hai cùc xuÊt hiÖn 1 søc ®iÖn ®éng (s®®) nhiÖt. Khi mèi hµn 1 vµ 2 cã cïng nhiÖt ®é (gi¶ sö lµ t0) th× s®® tæng: EAB = eAB (t0) + eBA (t0) = 0 eAB = eAB (t) - eAB (t0) Khi nhiÖt ®é ë t0, t kh¸c nhau th× s®® tæng: EAB = eAB (t) + eAB (t0) Hay: EAB = eAB (t) - eAB (t0) §©y chÝnh lµ ph­¬ng tr×nh c¬ b¶n cña cÆp nhiÖt ngÉu. Gi¶ sö : t0 = const => eAB (t0) = C (h»ng sè) VËy cã: EAB (t) = eAB (t) - C = f (t) Nh­ vËy b»ng c¸ch ®o s®® ta cã thÓ t×m nhiÖn ®é t cña vËt. §Çu mèi hµn t lµ ®©u ®o, ®Çu t0 lµ ®Çu tù do. §Æc tÝnh cña mét sè lo¹i cÆp nhiÖt ®iÖn Sù thay ®æi s®® cña mét sè lo¹i cÆp nhiÖt ®iÖn ®­îc m« t¶ d­íi ®©y. 70 60 50 40 30 20 10 200 600 1000 1400 1800 E J K E (mV) T (0C) KT J E - 10 - 200 R S T C¸c ý nghÜa cña c¸c ký hiÖu E, J, T, K, R, S, B E: Chromel/ Constantan J: S¾t/ Constantan T: §ång/ Constantan K: Chromel/ Alumen R: Platin - Rodi/ Platin S: Platin - Rodi/ Platin B: Platin - Rodi (30%) / Platin - Rodi (6%) + Th«ng sè kü thuËt cña c¸c cÆp nhiÖt ®iÖn th«ng dông. CÆp nhiÖt ®iÖn D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc 0C Søc ®iÖn ®éng mV §é chÝnh x¸c §ång/ Constantan f = 1,63mm - 270 - 370 - 6,258 ¸ 19,027 (-1000C ¸ 400C) : ± 2% (40C ¸ 1000C) : ± 1,8% (-1000C ¸ 3500C) : ± 0,75% S¾t/ Constantan f = 3,25mm - 210 - 800 - 8,095 ¸ 45,498 (00C ¸ 4000C) : ± 3% (4000C ¸ 12500C) : ± 0,75% Chromel/Alumen f = 3,25 mm - 276 ¸ 780 - 9,835 ¸ 66,473 (00C ¸ 4000C) : ± 3% (4000C ¸ 12500C) : ± 0,75% Platin - Rodi (10%)/ Platin f = 0,51 mm - 50 ¸ 1500 - 0,236 ¸ 15,576 (00C ¸ 6000C) : ± 2,5% (6000C ¸ 15000C) : ± 0,4% Platin - Rodi (30%)/ Platin (6%) f = 0,51 mm 0 ¸ 1700 0 ¸ 12,426 (8700C ¸ 17000C) : ± 0,5% Platin - Rodi (13%)/ Platin f = 0,51mm - 50 ¸ 1500 - 0,226 ¸ 17,445 (00C ¸ 5380C) : ± 1,4% (5380C ¸ 15000C) : ± 0,25% Lonfram - Reni (5%)/ Lonfram - Reni (26%) 0 ¸ 2700 0 ¸ 38,45 + Thang ®o nhiÖt ®é - Thang ®o nhiÖt ®é tuyÖt ®èi K Ng­êi ta lÊy nhiÖt ®é cuÈ ®iÓm c©n b»ng cña ba tr¹ng th¸i n­íc - n­íc ®¸ - h¬i mét gi¸ trÞ b»ng 273,15K. Tõ thang ®o nµy x¸c ®Þnh ®­îc thang ®o Celsius vµ Fahrenheit + Thang Celsius: 0C Do Andreas Celsius (Thuþ §iÓn) ®­a ra n¨m 1742. Trong thang nµy th× mËt ®é C (0C) còng b»ng mét ®é K. Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é Celsius vµ nhiÖt ®é Kelvin ®­îc cho theo biÓu thøc: T (0C) = T (K) - 273,15 + Thang Fahrenheit: Do Fahrenheit ®­a ra n¨m 1706, quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é Celsius vµ Fahrenheit: T (0C) = [T (0F) - 32] T (0F) = T (0C) + 32 B¶ng gi¸ trÞ t­¬ng øng mét sè nhiÖt ®é quan träng cña 3 thang ®o NhiÖt ®é K 0C 0F §iÓm kh«ng tuyÖt ®èi 0 - 273,15 - 459,67 Hoµ hîp n­íc - n­íc ®¸ 273,15 0 32 C©n b»ng n­íc - n­íc ®¸ - h¬i 273,16 0,01 32,018 N­íc s«i 373,15 100 212 3.1.2.2. Bé ®iÒu khiÓn c«ng suÊt. Cã nhiÒu ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn c«ng suÊt nh­ng ph­¬ng ph¸p dïng 2 thyistor m¾c xung ®èi ®­îc sö dông nhiÒu. Khi cã xung ®iÒu khiÓn th× hai thyristor sÏ lÇn l­ît më cho dßng ®i qua. Ta cã thÓ ®iÒu khiÓn gãc më cña thyristor b¶o ®¶m cho c«ng suÊt lß thay ®æi tõ 0 ®Õn gi¸ trÞ lín nhÊt. Ph­¬ng ph¸p nµy cho phÐp ®iÒu chØnh trong ph¹m vi réng, ®¸p øng yªu cÇu ®iÒu khiÓn, ®é chÝnh x¸c ®iÒu khiÓn t­¬ng ®èi cao, ®é nh¹y ®iÒu chØnh t­¬ng ®èi lín, cã kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh liªn tôc vµ ®Òu ®Æn. Dùa vµo yªu cÇu vÒ chÊt l­îng ®iÒu khiÓn vµ c¸c trang thiÕt bÞ s½n cã, trong ®å ¸n nµy chän ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh c«ng suÊt lß dïng 2 thyristor m¾c xung ®èi ®Ó ®iÒu khiÓn lß ®iÖn trë. Ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn cã thÓ lµ ®iÒu biªn hoÆc ®iÒu khiÓn kho¶ng thêi gian ®ãng ng¾t cña thyristor. Ë ®©y ta chän ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn biªn. a. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña thyristor. Thyristor lµ thiÕt bÞ b¸n dÉn gåm 4líp b¸n dÉn pnpn kh¸c nhau vÒ chiÒu dµy vµ mËt ®é diÖn tÝch. Gi÷a c¸c lín b¸n dÉn nµy h×nh thµnh c¸c chuyÓn tiÕp lÇn l­ît lµ J1, J2, J3 vµ ®­îc lÊy ra ë c¸c cùc anèt, catèt vµ cùc ®iÒu khiÓn. P1 N1 P2 N2 J1 J2 J3 G - K + A H×nh 1 - 4: S¬ ®å cÊu t¹o thyristor. Khi ®Æt mét ®iÖn ¸p mét chiÒu gi÷a hai cùc A vµ K (anèt nèi vµo cùc d­¬ng, katèt nèi vµo cùc ©m) th× J1 vµ J3 ®­îc ph©n cùc thuËn cßn J2 bÞ ph©n cùc ng­îc. GÇn nh­ toµn bé ®iÖn ¸p nguån ®Æt lªn mÆt ghÐp J2. §iÖn tr­êng néi t¹i Ei cña J2 cã chiÒu h­íng tõ N1 h­íng vÒ P2. Vïng chuyÓn tiÕp còng lµ vïng c¸ch ®iÖn, kh«ng cã dßng ®iÖn ch¶y qua thyristor. Khi cã mét xung ®iÒu khiÓn t¸c ®éng vµo cùc G, c¸c ®iÖn tö tõ N2 ch¶y sang P2. C¸c ®iÖn tö chÞu søc hót cña ®iÖn tr­êng tæng hîp cña mÆt ghÐp J2 vµ ngµy cµng nhiÒu ®iÖn tö ch¶y µo ¹t vµo N1, qua P1 vµ ®Õn cùc d­¬ng cña nguån ®iÖn ngoµi víi tèc ®é 1cm/100ms §iÖn trë khi ë tr¹ng th¸i kho¸ RK = 10W §iÖn trë khi ë tr¹ng th¸i më RM = 0.01W b. §Æc tÝnh Von - Ampe cña thyristor. §Æc tÝnh Von - Ampe cña thyristor gåm 4 ®o¹n. U Uch 4 2 3 iH i U7 H×nh 1 - 5: §Æc tÝnh Von - Ampe cña thyristor. + §o¹n 1: øng víi tr¹ng th¸i kho¸, chØ cã dßng ®iÖn rß ch¶y qua. Khi t¨ng U ®Õn Uch (®iÖn ¸p chuyÓn tr¹ng th¸i), b¾t ®Çu qu¸ tr×nh t¨ng tr­ëng nhanh chãng cña dßng ®iÖn, thyristor chuyÓn sang tr¹ng th¸i më. + §o¹n 2: øng víi giai ®o¹n ph©n cùc thuËn cña J2. Trong giai ®o¹n nµy, mçi l­îng t¨ng nhá cña dßng ®iÖn øng víi mét l­îng gi¶m lín cña ®iÖn ¸p ®Æt trªn thyristor. §o¹n nµy cßn ®­îc gäi lµ ®o¹n ®iÖn trë ©m. + §o¹n 3: øng víi tr¹ng th¸i më cña thyristor. Lóc nµy c¶ ba mÆt ghÐp ®· trë thµnh dÉn ®iÖn. Dßng ®iÖn ch¶y qua thyristor bÞ h¹n chÕ bëi ®iÖn trë m¹ch ngoµi. §iÖn ¸p r¬i trªn thyristor rÊt nhá kho¶ng 1V. Thyristor gi÷ ®­îc ë tr¹ng th¸i më chõng nµo i cßn lín h¬n iH, (dßng duy tr×). Lùa chän thyristor dïng trong m¹ch. Lo¹i thyristor ®­îc dïng khi lµm ®å ¸n nµy lµ lo¹i thyristor c«ng suÊt nhá KY - 202H do Nga chÕ t¹o víi c¸c th«ng sè kü thuËt nh­ sau: + §iÖn ¸p lµm viÖc: 0,4 (kV) + Dßng ®iÖn cùc ®¹i cho phÐp 10 (A) + §iÖn ¸p ®iÒu khiÓn 10 (V) + Dßng ®iÖn rß: 0.3 - 0.5 (A) Bé ®iÒu khiÓn c«ng suÊt lß nung. S¬ ®å nguyªn lý t¹o xung trªn h×nh 1 - 6. HÖ thèng nµy ®­îc dïng ®Ó ®iÒu khiÓn c«ng suÊt nguån cung cÊp cho sîi ®èt cña lß tøc lµ lµm thay ®æi nhiÖt ®é trong buång lß, tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®­îc ®­a vµo ®Çu Y cña hÖ thèng, cßn c«ng suÊt ®èt ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng van thyristor. Nguån cung cÊp cho lß nung lµ nguån ®iÖn xoay chiÒu v× vËy thyristor ®­îc sö dông ë chÕ ®é kho¸ tù nhiªn, nghÜa lµ nã tù kho¸ khi dßng ®iÖn ®i qua nã b»ng kh«ng, v¸c van thyristor ®­îc m¾c song song ng­îc chiÒu. Thyristor më khi cã ®¸p øng thuËn, cã nghÜa lµ khi ®Æt ®iÖn ¸p d­¬ng lªn Anèt, ®iÖp ¸p ©m lªn Katèt ®ång thêi cã tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn vµo cùc ®iÒu khiÓn G cña nã vµ cã dßng. Ig > Igst Ig: Dßng ®iÒu khiÓn Igst: Giíi h¹n gi¸ trÞ dßng ®iÒu khiÓn ë ®©y ta m¾c hai thyristor xung ®èi nhau nªn ë mçi thêi ®iÓm chØ cã mét trong hai thyristor ®­îc më cho dßng ®iÖn ®i qua sîi ®èt cña lß. a lµ gãc më cña thyristor, tøc lµ gãc lÖch kÓ tõ thêi ®iÓm ban ®Çu cña nöa chu kú dßng xoay chiÒu cho ®Õn thêi ®iÓm më thyristor, thêi ®iÓm ph¸t xung ®iÒu khiÓn lµm thay ®æi gãc më a tøc lµ thay ®æi c«ng suÊt cung cÊp cho d©y nung cña lß. ViÖc ®iÒu khiÓn thêi ®iÓm ph¸t xung cho thyristor ®­îc thùc hiÖn b»ng bé t¹o xung r¨ng c­a, bé so s¸nh vµ bé ph¸t xung më thyristor. + M¹ch ph¸t xung: TÝn hiÖu xung r¨ng c­a ®­îc so s¸nh víi tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn nhê bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n m A742. Xung r¨ng c­a ®­îc ®­a vµo ®Çu ®¶o cßn tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®­îc ®­a vµo ®Çu kh«ng ®¶o. KhuÕch ®¹i thuËt to¸n m A742 ®­îc sö dông ë chÕ ®é khuÕch ®¹i kh«ng cã ph¶n håi, v× vËy khi ®iÖn ¸p cña xung r¨ng c­a lín h¬n ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn th× ®iÖn ¸p ra cña m A742 sÏ b·o hoµ ©m cßn khi ®iÖn ¸p cña xung r¨ng c­a nhá h¬n ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn th× ®iÖn ¸p ra cña m A742 sÏ b·o hoµ d­¬ng. §Çu ra cña m A742 lµ xung vu«ng víi tÇn sè 100Hz. S¬ ®å nguyªn lý m¹ch t¹o xung ë h×nh vÏ sau: Tô C2 vµ ®iÖn trë R11 lµ m¹ch vi ph©n, t¹o ra c¸c xung nhän khi c¸c xung vu«ng ®¶o dÊu, kÝch th­íc cña c¸c xung nµy ®­îc quyÕt ®Þnh bëi ®iÖn dung cña tô C2 vµ gi¸ trÞ cña ®iÖn trë R11. Diod D6 sÏ dïng ®Ó chÆn c¸c xung ©m t¸c ®éng lªn cùc Baz¬ cña transistor T3, nh­ vËy Bax¬ cña transistor T3 chØ chÞu t¸c dông cña c¸c xung nhän d­¬ng víi tÇn sè 100Hz, thêi ®iÓm cã c¸c xung nhän nµy lµ thêi ®iÓm giao nhau cña s­ên sau xung r¨ng c­a víi ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn. NÕu ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn t¨ng th× thêi ®iÓm giao nhau cña nã víi xung r¨ng c­a cµng dÞch ®Õn ®Ønh xung, tøc lµ gãc lÖch cña nã sÏ so víi thêi ®iÓm ®Çu cña nöa chu kú tÇn sè xoay chiÒu cµng nhá. Trong tr­êng hîp ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn gi¶m th× thêi ®iÓm giao nhau cña nã víi xung r¨ng c­a cµng dÞch xa ®Ønh xung, tøc lµ gãc lÖch cña nã so víi ®iÓm ®Çu cña nöa chu kú tÇn sè xoay chiÒu cµng lín. Nh­ vËy khi ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn cµng lín th× gãc lÖch a sÏ nhá nªn c«ng suÊt cung cÊp cho t¶i sÏ lín vµ ng­îc l¹i. Khi cã mét xung d­¬ng ®Æt bµo baz¬ cña transitor T3 th× nã sÏ më vµ ph¸t ra mét xung qua cuén s¬ cÊp cña biÕn ¸p xung BX dÉn ®Õn ë hai cuén thø cÊp cña biÕn ¸p xuÊt hiÖn hai xung dïng ®Ó më c¸c thyritor. C¸c ®iÖn trë R10 vµ R12 dïng ®Ó h¹n chÕ dßng ®iÒu khiÓn ®Æt vµo c¸c thyritor, ®iÖn trë R13 dïng ®Ó giíi h¹n gi¸ trÞ xung ë m¹ch s¬ cÊp, cßn diod D9 dïng ®Ó xo¸ c¸c xung ©m sinh ra trong m¹ch s¬ cÊp cña biÕn ¸p xung BX, ®¶m b¶o transitor T3 khái chÞu t¸c ®éng cña c¸c xung ®iÖn ¸p cã gi¸ trÞ lín. C¸c diod D7 vµ D8 dïng ®Ó ng¨n kh«ng cho c¸c xung ©m t¸c ®éng lªn cùc ®iÒu khiÓn cña c¸c thyritor, nh­ vËy trong mét nöa chu kú ®iÖn ¸p xoay chiÒu chØ cã mét thyritor th«ng, tøc lµ chØ cã thyritor nµo cã ®iÖn ¸p thuËn míi ®­îc phÐp më. Theo tÝnh to¸n s¬ bé vµ theo kinh nghiÖm ta ®· chän c¸c th«ng sè kü thuËt nh­ sau: T1: A 564 E0 = 12V R1 = 1,33 kW U = 6V R3 = 100 W T2 = C 828 R0 = 1kW C1 = 1mF R4 = 3 kW C2 = 0.22 mF R5 = 10 kW R6 = 5000 W R7 = 5 kW R10 = 30 W R11 = 2 kW D2 : 306 T3:C 2383 R2 = 12 kW t t t t t t u(t) u u H×nh 1 - 7: Gi¶n ®å xung theo thêi gian Ch­¬ng 4 X¸c ®Þnh ®Æc tÝnh ®éng häc cña ®èi t­îng 4.1 Tæng quan vÒ ®èi t­îng ®iÒu chØnh c«ng nghiÖp. 4.1.1. Kh¸i niÖm chung vÒ ®èi t­îng ®iÒu chØnh c«ng nghiÖp. C¸c ®èi t­îng ®iÒu chØnh gÆp trong c«ng nghiÖp d¹ng tõ ®¬n gi¶n ®Õn phøc t¹p. C¸c ®èi t­îng cã thÓ cã mét ®Çu vµo - mét ®Çu ra, nhiÒu ®Çu vµo - mét ®Çu ra hay nhiÒu ®µu vµo - nhiÒu ®Çu ra. §èi t­îng cã mét ®¹i l­îng ®iÒu chØnh (mét ®Çu ra) lµ ®èi t­îng mµ tÝn hiÖu ra y (t) ®­îc kiÓm so¸t vµ thay ®æi d­íi t¸c ®éng cña nhiÒu ®¹i l­îng vµo m (t), l1(t), l2(t)… lm (t) trong ®ã th×: - m(t): t¸c ®éng ®iÒu chØnh (do bé ®iÒu chØnh ®­a ra) - l1(t), l2(t)… lm (t) lµ c¸c chÊn ®éng bªn trong vµ bªn ngoµi. ChÊn ®éng bªn trong lµ nh÷ng t¸c ®éng ¶nh h­ëng ®Õn ®èi t­îng theo kªnh ®iÒu chØnh cßn chÊn ®éng bªn ngoµi lµ nh÷ng t¸c ®éng trùc tiÕp tõ m«i tr­êng xung quanh. Gi¶ sö c¸c ®¹i l­îng vµo vµ ra thay ®æi trong kho¶ng nhá vµ hÖ cã thÓ tuyÕn tÝnh ho¸ ®­îc. Khi ®ã theo nguyªn lý xÕp chång ta cã thÓ viÕt. y(t) = yu (t) + . Trong ®ã: y(t) lµ ®¹i l­îng ra do sù t¸c ®éng cña tÝn hiÑu ®iÒu chØnh vµo c¸c t¸c ®éng kh¸c ®ång thêi. yu(t) lµ tÝn hiÖu ra do t¸c ®éng cña tÝn hiÖu ®iÒu chØnh. yli(t) lµ tÝn hiÖu ra do t¸c ®éng cña c¸c chÊn ®éng. ViÕt l¹i c«ng thøc trªn d­íi d¹ng ¶nh Laplace. y (s) = yu (s) + = W0 (l). m (s) + Ta cã: W(s) = . Hµm truyÒn cña ®èi t­îng theo kªnh t¸c ®éng ®iÒu chØnh. Wi (s) = : Hµm truyÒn cña ®èi t­îng theo kªnh chÊn ®éng l1 l2 lm …... …... y u W0(s) l1 l2 lm yu1 yu2 Tõ sù ph©n tÝch trªn ta thÊy r»ng:muèn m« t¶ mét c¸ch ®Çy ®ñ ®Æc tÝnh ®éng cña ®èi t­îng ®iÒu chØnh ngoµi h·m truyÒn ®èi t­îng theo kªnh ®iÒu chØnh, cÇn biÕt tÊt c¶ c¸c ph­¬ng tr×nh cña ®èi t­îng theo mçi kªnh cã chÊn ®éng. * §èi t­îng cã nhiÒu ®¹i l­îng ®iÒu chØnh (nhiÒu ®Çu ra). C¸c ®èi t­îng phøc t¹p trong c«ng nghiÖp th­êng gåm nhiÒu ®¹i l­îng ®iÒu chØnh. Khi x©y dùng hÖ thèng ®iÒu chØnh víi c¸c ®èi t­îng nµy th× t­¬ng øng víi mçi ®¹i l­îng ra ph¶i cã mét t¸c ®éng ®iÒu chØnh (®Ó ®¶m b¶o tÝnh ®iÒu khiÓn ®­îc cña hÖ thèng). Ngoµi ra ®èi t­îng tù nã cßn bÞ t¸c ®éng cña nhiÒu chÊn ®éng bªn trong vµ bªn ngoµi kh¸c n÷a. C¸c ®èi t­îng lo¹i nµy ®­îc ph©n ra lµm hai lo¹i. + Thø nhÊt: Lµ ®èi t­îng mµ trong ®ã mçi t¸c ®éng ®iÒu chØnh chØ ¶nh h­ëng ®Õn mét ®¹i l­îng ®iÒu chØnh (®Çu ra) t­¬ng øng. Trong tr­êng hîp nµy th× ®èi t­îng phøc t¹p cã thÓ tÈch thµnh nhiÒu ®èi t­îng ®¬n gi¶n h¬n, ®éc lËp lÉn nhau. Do ®ã víi mçi ®èi t­îng ®¬n gi¶n cã thÓ x©y dùng mét hÖ thèng ®iÒu chØnh ®éc lËp. HÖ thèng nh­ vËy gäi lµ hÖ Autonom (hÖ t¸ch ®­îc). TÝnh to¸n thiÕt kÕ vµ hiÖu chØnh ®èi víi hÖ Autonom hoµn toµn gièng ®èi víi c¸c hÖ cã mét ®¹i l­îng ®iÒu chØnh. + Thø hai: Lµ ®èi t­îng mµ mét t¸c ®éng ®iÒu chØnh cã thÓ ¶nh h­ëng ®Õn nhiÒu ®¹i l­îng ®iÒu chØnh kh¸c. §èi t­îng nµy kh«ng t¸ch ®­îc (non autonom). HÖ thèng t­¬ng øng víi lo¹i ®èi t­îng nµy gäi lµ hÖ nhiÒu liªn kÕt. y1 y2 ul m2 l1 l2 lm VÝ dô: mét hÖ thèng ®iÒu chØnh cã hai ®¹i l­îng ®iÒu chØnh vµ c¸c chÊn ®éng l1, l2,… lm Ta cã: Y1(s) = W11 (s) . m1 (s) + W12 (s) + Y2(s) = W12 (s) . m2 (s) + W22 (s) + Trong ®ã: - W11 (s), W12 (s): Hµm truyÒn theo kªnh tõ ®Çu ra m1 (s) vµ m2 (s)t­¬ng øng ®Õn ®Çu ra Y1(t). - W21 (s), W22 (s): Hµm truyÒn theo kªnh tõ ®Çu vµo m1 (s) vµ m2 (s)t­¬ng øng ®Õn ®Çu ra Y2(t). - T­¬ng tù: W1li (s): lµ hµm truyÒn theo kªnh tõ chÊn ®éng li ®Õn ®Çu ra y1(t). W2 li (s): lµ hµm truyÒn theo kªnh tõ chÊn ®éng li ®Õn ®Çu ra y2(t). Tr­êng hîp tæng qu¸t ®èi víi hÖ cã n ®¹i l­îng ®iÒu chØnh, n t¸c ®éng ®iÒu chØng t­¬ng øng vµ m chÊn ®éng, quan hÖ vµo - ra cãthÓ viÕt d­íi d¹ng ma trËn truyÒn nh­ sau: Y(s) = WK (s) . m (s) + Wl (s) . l (s) Trong ®ã: Wk(s), Wl (s): lµ hµm truyÒn ma trËn t­¬ng øng víi vect¬ t¸c ®éng ®iÒu chØnh vµ vect¬ ch©n ®éng. §Ó thiÕt kÕ hÖ thèng th× ng­êi thiÕt kÕ ph¶i cè g»ng x©y dùng hÖ thèng sao cho ®¬n gi¶n nhÊt mµ l¹i ®¶m b¶o yªu cÇu vÒ chÊt l­îng ®iÒu chØnh. V× vËy viÖc nghiªn cøu kü thuËt tÝnh chÊt ®éng häc cña ®èi t­îng víi mçi kªnh tÝn hiÖu vµo, chän ra nh÷ng t¸c ®éng ®iÒu chØnh quan träng nhÊt vµ l­îc bá nh÷ng chÊt ®éng kh«ng ®¸ng kÓ. 4.1.2. §Æc tÝnh vµ m« h×nh c¸c ®èi t­îng c«ng nghiÖp. §Æc tÝnh cña ®èi t­îng lµ mèi quan hÖ ®éng häc d­íi d¹ng gi¶i tÝch hoÆc ®å th× cña mçi tÝn hiÖu ra ®èi víi mçi tÝn hiÖu vµo riªng biÖt. øng víi mèi quan hÖ ®ã t­¬ng thÝch mét ®Æc tÝnh tÇn sè hay thêi gian nhÊt ®Þnh. §Æc ®iÓm cña ®èi t­îng nhiÖt lµ qu¸n tÝnh lín vµ hay cã trÔ. Cã thÓ chia c¸c ®èi t­îng c«ng nghiÖp thµnh hai nhãm chÝnh sau ®©y. * Nhãm thø nhÊt: y(t) 0 ®­êng cong qu¸ ®é cña c¸c ®èi t­îng lo¹i nµy theo thêi gian tiÕn tíi v« tËn. H×nh 4.1.2 - 1 y(t) 0 t y(t) 0 t H×nh 4.1.2 - 2 H×nh 4.1.2 - 3 t y(t) 0 H×nh 4.1.2 - 4 t0 y(t) 0 H×nh 4.1.2 - 5 t0 t §­êng cong qu¸ ®é trªn h×nh 4.1.2 - 2,3 cã ®Æc tr­ng lµ ®¹i l­îng ®iÒu chØnh y(t) b¾t ®Çu thay ®æi ngay khi cã t¸c ®éng ®Çu vµo. Ngoµi ra trªn h×nh 4.1.2 - 2 th× ®¹i l­îng ®iÒu chØnh thay ®æi víi vËn tèc kh«ng ®æi, cßn h×nh 4.1.2 - 3 th× ®¹i l­îng ®iÒu chØnh thay ®æi víi vËn tèc t¨ng dÇn vµ tiÕn tíi mét gi¸ trÞ víi vËn tèc tiÖm cËn nµo ®ã. §­êng cong qu¸ ®é trªn h×nh 3.1.2 - 4,5 ®¹i l­îng ra chØ b¾t ®Çu sau mét thêi gian t0 nµo ®ã kÓ tõ khi cã tÝn hiÖu vµo. Tõ c¸c ®Æc tÝnh ®ã ta cã thÓ nhËn thÊy r»ng ®èi t­îng 4.1.2 - 2 mang tÝnh chÊt mét kh©u tÝch ph©n, trªn h×nh 3.1.2 - 3 mang tÝnh chÊt mét kh©u tÝch ph©n qu¸n tÝnh, h×nh 4.1.2 - 3 mang tÝnh chÊt mét kh©u tÝch ph©n cã trÔ, h×nh 4.1.2 - 5 lµ kh©u tÝch ph©n qu¸n tÝnh cã trÔ. C¸c ®èi t­îng nµy nãi chung ®­îc ®Æc tr­ng bëi tèc ®é qu¸ ®é e (tèc ®é thay ®æi ®¹i l­îng ®iÒu chØnh). Tèc ®é qu¸ ®é b»ng tèc ®é thay ®æi lín nhÊt tÝn hiÖu ra chia cho tÝn hiÖu vµo. * Nhãm thø hai. Gåm nh÷ng ®èi t­îng æn ®Þnh. §­êng cong qu¸ ®é cã xu h­íng tiÕn tíi tiÖm cËn ngang song song víi trôc thêi gian. §Æc ®iÓm chung cña c¸c ®èi t­îng nµy lµ sau khi xuÊt hiÖn tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn vµo chóng tiÕn tíi mét tr¹ng th¸i c©n b»ng míi. TÝnh chÊt kh«i phôc tr¹ng th¸i c©n b»ng míi sau khi cã t¸c ®éng ®Çu vµo gäi lµ tù c©n b»ng. §èi t­îng cã tÝnh chÊt nµy gäi lµ ®èi t­îng tù c©n b»ng. Mçi tr¹ng th¸i c©n b»ng ®­îc ®Æc tr­ng bëi mét gi¸ trÞ tù c©n b»ng cµng lín nÕu gi¸ trÞ x¸c lËp cña tr¹ng th¸i c©n b»ng míi cµng Ýt sai lÖch so víi gi¸ trÞ c©n b»ng ban ®Çu khi xung t¸c ®éng cã cïng mét gi¸ trÞ. TÝnh chÊt tÜnh häc cña ®èi t­îng cã tÝnh tù c©n b»ng ®Æc tr­ng bëi hÖ sè khuÕch ®¹i hay hÖ sè truyÒn K® = = const - Gi¸ trÞ tÝn hiÖu t¸c ®éng vµo Y(¥): Gi¸ trÞ x¸c lËp míi cña ®¹i l­îng ®iÒu chØnh sau khi kÕt thóc qu¸ tr×nh qu¸ ®é. Ph©n tÝch c¸c ®èi t­îng c©n b»ng ng­êi ta thÊy cã bèn ®Æc tÝnh c¬ b¶n sau: t y(t) H×nh 4.1.2 - 7a t0 y(t) 0 H×nh 4.1.2 - 7b t0 t y(t) 0 t y(t) 0 t H×nh 4.1.2 - 6a H×nh 4.1.2 - 6b y(¥) y(¥) tu y(¥) y(¥) tu §Æc ®iÓm cña ®èi t­îng cã ®­êng cong qu¸ ®é trªn h×nh 3.1.2 - 6a cã tèc ®é thay ®æi ®¹i l­îng ®Çu ra y(t) cã gi¸ trÞ lín nhÊt t¹i thêi ®iÓm xuÊt hiÖn xung vµo (X0 = const), nã thÓ hiÖn tÝnh chÊt mét kh©u qu¸n tÝnh nhÊt kh«ng trÔ. §­êng cong trªn h×nh 4.1.2 - 6b cã mét ®iÓm uèn t¹i tu. T¹i ®©y tèc ®é ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt, thÓ hiÖn tÝnh chÊt ®éng häc cña nhiÒu kh©u qu¸n tÝnh bËc 1 m¾c nèi tiÕp nhau. H×nh 4.1.2 - 7a thÓ hiÖn ®Æc tÝnh ®éng häc cña kh©u qu¸n tÝnh cã trÔ. H×nh 4.1.2 - 7b thÓ hiÖn ®Æc tÝnh ®éng häc cña kh©u qu¸ntÝnh vµ kh©u trÔ m¾c nèi tiÕp. D¹ng ®èi t­îng cã tÝnh tù c©n b»ng rÊt phæ biÕn trong c«ng nghiÖp (vÝ dô ®èi t­îng h¬i qu¸ nhiÖt, ®èi t­îng ®iÒu chØnh ¸p suÊt v.v…) Ngoµi nh÷ng ®èi t­îng cã ®Æc ®iÓm nh­ ®· nãi trªn, cßn tån t¹i nh÷ng ®èi mang ®Æc tÝnh cña mét kh©u dao ®éng cã trÔ hoÆc kh«ng trÔ, kh©u tÝch ph©n cã dao ®éng , kh©u dao ®éng cã qu¸n tÝnh… M« h×nh tæng qu¸t c¸c ®èi t­îng ®iÓu chØnh trong c«ng nghiÖp cã thÓ viÕt d­íi d¹ng hµm truyÒn nh­ sau. W®t (s) = Víi m £ n Trong ®ã: Kd: hÖ sè khuÕch ®¹i t: thêi gian trÔ e: lµ bËc ai, bi: hÖ sè kh«ng ®æi. §èi víi nhiÒu ®èi t­îng c«ng nghiÖp ng­êi ta cã thÓ dïng m« h×nh thÓ hiÖn sù m¾c nèi tiÕp gi÷a kh©u trÔ vµ nhiÒu kh©u qu¸n tÝnh bËc nhÊt (vµ kh©u tÝch ph©n nÕu cã). VÝ dô: W®t (s) = n = 0, 1 , 2…… Ti lµ h»ng sè thêi gian cña kh©u qu¸n tÝnh. Nh÷ng d¹ng ®Æc biÖt cña c«ng thøc trªn. §èi t­îng tù c©n b»ng §èi t­îng kh«ng tù c©n b»ng 3.1.3. Ph­¬ng ph¸p thùc nghiÖm x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh ®éng cña ®èi t­îng. Môc ®Ých cñaviÖc x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh cña ®èi t­îng lµ ®Ó rót ra ®Æc tÝnh tÇn sè cña nã. §Æc tÝnh tÇn sè ®èi t­îng lµ c¬ së ®Ó nghiªn cøu vµ ph©n tÝch hÖ thèng tù ®éng. C¸c ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n th«ng sè hiÖu chØnh tèi ­u cña bé ®iÒu chØnh nhiÖt hiÖn nay ®a phÇn ®Òu dùa trªn c¬ së ®Æc tÝnh tÇn sè cña ®èi t­îng d­íi d¹ng gi¶i tÝch hoÆc ®å thÞ. §Æc tÝnh tÇn sè cña ®èi t­îng cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm (dïng sãng h×nh sin) hay x¸c ®Þnh tõ ®Æc tÝnh thêi gian (dïng xung bËc thang). Tuú theo ®Æc ®iÓm vµ ®iÒu kiÖn thùc tÕ cña qu¸ tr×nh c«ng nghÖ mµ ph­¬ng thøc x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh ®éng cña ®èi t­îng ®iÒu chØnh kh¸c nhau. Nh­ng vÒ mÆt nguyªn lý th× ®Òu gièng nhau ë chç cÇn ®o tÝn hiÖu xung t¸c ®éng vµo vµ tÝn hiÖu ®¸p øng ra cña ®èi t­îng. * X¸c ®Þnh ®Æc tÝnh thêi gian cña ®èi t­îng. §èi víi hÖ hë (t¹m ng¾t vßng ®iÒu kiÖn) th× ®Æc tÝnh thêi gian cña ®èi t­îng cã thÓ x¸c ®Þnh theo s¬ ®å sau. §o tÝn hiÖu vµo g: C¸c t¸c ®éng y x: TÝn hiÖu vµo §Çu ®o tÝn hiÖu ra C¬ cÊu ghi nhËn vµ xö lý x1 (t) t 1 x1 (t) = 1 (t - t0) X2 (t) t t0 X2 (t) = 1 (t - t0) - 1 (t - t1) t1 TÝn hiÖu vµo th­êng lµ xung bËc thang hoÆc xung ng¾n h¹n h×nh ch÷ nhËt. Mét ®iÒu khiÓn ®Ó ®¶m b¶o ph­¬ng ph¸p trªn chÝnh x¸c lµ: tÝnh chÊt ®éng häc cña ®èi t­îng kh«ng thay ®æi hoÆc thay ®æi rÊt chËm so víi qu¸ tr×nh qu¸ ®é. Trong tr­êng hîp cã ¶nh h­ëng cña nhiÒu ngÉu nhiªn ®ßi hái ph¶i lÆp ®i lÆp l¹i nhiÒu lÇn qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm. * X¸c ®Þnh ®Æc tÝnh tÇn sè cña ®èi t­îng. Ph­¬ng ph¸p thùc nghiÖm x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh tÇn sè cña ®èi t­îng cã thÓ thùc hiÖn víi hÖ hë (t¹m ng¾t vßng ®iÒu khiÓn) hoÆc víi ngay c¶ trªn hÖ thèng ®ang vËn hµnh. - §èi víi hÖ hë ta cã s¬ ®å thùc hiÖn sau: §o tÝn hiÖu vµo g y §o tÝn hiÖu ra C¬ cÊu ghi nhËn vµ xö lý §èi t­îng ®iÒu chØnh M¸y ph¸t sãng x - §èi víi hÖ kÝn th× tÝn hiÖu vµo h×nh sin t¸c ®éng ngay vµo bé ®iÒu chØnh. S¬ ®å thùc hiÖn nh­ sau: y §o tÝn hiÖu ra Ghi nhËn vµ xö lý §èi t­îng ®iÒu chØnh Bé ®iÒu chØnh §o tÝn hiÖu vµo M¸y ph¸t sãng Nh×n chung th× x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh tÇn sè b»ng thùc nghiÖm ®ßi hái nhiÒu chi phÝ vµ thêi gian h¬n so víi ®Æc tÝnh thêi gian. Nh­ng ph­¬ng ph¸p dïng nãng ®iÒu hoµ cã ®é chÝnh x¸c cao h¬n vµ ®é tin cËy cao, cã thÓ thùc hiÖn thÝ nghiÖm ngay trªn thiÕt bÞ ®ang vËn hµnh, Ýt bÞ ¶nh h­ëng cña nhiÒu ngÉn nhiªn. Khi ®Çu vµo lß mét xung bËc thang ®¬n vÞ th× ë ®Çu ra cña ®èi t­îng ta sÏ thu ®­îc ®Æc tÝnh qu¸ ®é. x(t) t 1 t TÝn hiÖu vµo x(t) t h(t) §­êng ®Æc tÝnh qu¸ ®é 4.2. TiÕn hµnh x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh cña ®èi t­îng. Sau khi ®· t×m hiÓu vÒ c¸c ®èi t­îng chñ yÕu trong c«ng nghiÖp ta tiÕn hµnh thùc nghiÖm x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh cña ®èi t­îng. §Æc tÝnh ta x¸c ®Þnh ë ®©y lµ ®Æc tÝnh thêi gian cña ®èi t­îng (mµ cô thÓ lµ ®Æc tÝnh qu¸ ®é). Do ®èi t­îng kh¸ ®¬n gi¶n (lµ lß ®iÖn trë trong phßng thÝ nghiÖm) vµ thùc chÊt lµ sîi d©y ®Êt vµ kh«ng lµm viÖc trong m«i tr­êng phøc t¹p, nhiÒu t¸c ®éng phô. Nªn tr­íc hÕt x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh vÒ mÆt thêi gian cña nã. Hoµn toµn cã thÓ x©y dùng ®­îc ®Æc tÝnh tÇn sè víi ®é chÝnh x¸c cã thÓ chän lùa dùa trªn ®Æc tÝnh thêi gian. Ph­¬ng ph¸p thùc nghiÖm mµ ta chän lµ ph­¬ng ph¸p dùa trªn sù phan tÝch cÊu tróc. Néi dung ph­¬ng ph¸p nµy nh­ sau: + §èi víi ®èi t­îng c©u b»ng, ®Æc tÝnh qu¸ ®é kh«nng cã ®iÓm uèn. x(t) t y(¥) Ta 0 t x §Æc tÝnh nµy lµ cña ®èi t­îng qu¸n tÝnh bËc nhÊt cã trÔ. Trong ®ã: t: lµ thêi gian trÔ Ta: H»ng sè thêi gian KM: hÖ sè khuÕch ®¹i. Víi KM th× x¸c ®Þnh nh­ sau: (x0 : biªn ®é tÝn hiÖu vµo x) Cßn h»ng sè thêi gian vµ thêi gian trÔ ®­îc x¸c ®Þnh trªn h×nh vÏ. Nh÷ng tr­êng hîp suy biÕn cña m« h×nh ®èi t­îng cã thÓ cã nh­ sau. 1. t = 0 (hoÆc t » 0) vµ Ta - 0 (Ta » 0). Khi ®ã ®èi t­îng biÕn thµnh 1 kh©u tû lÖ: ®å thÞ cã d¹ng nh­ sau: t x x = const t y(t) KM . x 2. Ta = 0 (Ta » 0); KM = 1, t = 0; ®èi t­îng cã d¹ng mét kh©u trÔ víi thêi gian trÔ t. Khi ®ã ®å thÞ cã d¹ng nh­ sau: t x x = const t y(t) 3. t = 0; Ta > 0; KM ¹ 0 dÉn ®Õn m« h×nh mét kh©u qu¸n tÝnh bËc nhÊt th«ng th­êng. NhËn d¹ng ®èi t­îng. §Ó nhËn d¹ng ®èi t­îng ë ®©y chóng em dïng ph­¬ng ph¸p thùc nghiÖm ®Ó x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh cña ®èi t­îng. §Æt vµo bé ®iÒu khiÓn Thyistor ®iÖn ¸p 3V, sau ®ã dïng m¸y tù ghi ghi l¹i ®¸p øng ®Çu ra H(t) cña ®èi t­îng th«ng qua tÝn hiÖu sensor. H×nh vÏ 1 : TÝn hiÖu ®Çu vµo chuÈn H×nh vÏ 2: §Æc tÝnh ®Çu ra H(t) §Ó x¸c ®Þnh ®­îc ®å thÞ hµm (t). TÞnh tiÕn hµm qu¸ ®é däc theo trôc nhiÖt ®é (chiÒu d­¬ng) mét ®o¹n 30. Lóc nµy ta cã =500-30=470. TÞnh tiÕn hµm qu¸ ®é däc theo trôc thêi gian (chiÒu d­¬ng) mét ®o¹n 40. TiÕn hµnh rêi r¹c ho¸ hµm qu¸ ®é. Víi (t) Ta cã b¶ng sè liÖu sau: H(t) 30 30 40 50 60 70 80 90 100 (t) 0 0 0.021 0.043 0.064 0.085 0.106 0.128 0.149 H(t) 110 120 130 140 150 160 170 180 190 (t) 0.170 0.191 0.213 0.234 0.255 0.277 0.298 0.319 0.340 H(t) 200 210 220 230 240 250 260 270 280 (t) 0.362 0.383 0.404 0.425 0.447 0.468 0.489 0.511 0.532 H(t) 290 300 310 320 330 340 350 360 370 (t) 0.553 0.574 0.596 0.617 0.638 0.660 0.681 0.702 0.723 H(t) 380 390 400 410 420 430 440 450 460 (t) 0.745 0.766 0.787 0.808 0.830 0.851 0.872 0.894 0.915 H(t) 470 480 490 500 500 500 500 500 500 (t) 0.936 0.957 0.979 1 1 1 1 1 1 Tõ c¸c gi¸ trÞ rêi r¹c trªn vÏ l¹i ®­îc hµm (t) H×nh vÏ 2: §å thÞ hµm chuÈn (t) Tõ trªn ®å thÞ x¸c ®Þnh t7 sao cho (t) =0.7 ta ®­îc t7 = 731(s) vµ t3 =(t) =0.33. Nh­ vËy ®èi t­îng ta ®ang xÐt cã (t) =0.33 > 0.31. Do ®ã ®èi t­îng ®­îc lÊy gÇn ®óng b»ng kh©u bËc nhÊt cã trÔ. Trªn ®­êng chuÈn ta lÊy ®iÓm A cã (tA)=0.10.2, ®iÓm B cã (tB)=0.80.9. Nh­ vËy ta lÊy ®iÓm A cã (tA)=0.2 vµ ®iÓm B (t) =0.8. Trªn ®å thÞ ta cã tA =159 (s) vµ tB =933 (s). Hµm qu¸ ®é cña ®èi t­îng cã d¹ng. H(t) =K.(1-) Hµm chuÈn. (t) =(1-) Thay to¹ ®é ®iÓm A vµ B vµo ta cã A(t)= (1-) (*) B(t)= (1-) (**) Tõ (*) =ln(1-A(t)) (1) Tõ (**) =ln(1-B(t)) (2) Chia vÕ víi vÕ cña (1) cho (2) ta cã. (3) Tõ (3) ta rót ra ®­îc Thay sè vµo ta cã: =34(s) Trõ vÕ víi vÕ cña (1) vµ (2) ta cã. Thay sè vµo ta cã: (s) HÖ sè khuÕch ®¹i. Trong ®ã: lµ b­íc nh¶y bËc thang ë ®Çu vµo. lµ gi¸ trÞ x¸c lËp cña hµm qu¸ ®é lµ gi¸ trÞ hµm qu¸ ®é ë thêi ®iÓm ban ®Çu TÝn hiÖu vµo lµ ®iÖn ¸p, sai lÖch vµo lµ: TÝn hiÖu ra lµ ®iÖn ¸p, sai lÖch vµo lµ: Hay chuyÓn sang d¹ng sè =3=1228.5 Thay sè vµo ta cã. Thay c¸c gi¸ trÞ t×m ®­îc vµo ta cã. Hµm truyÒn cña ®èi t­îng lß lµ: NhËn d¹ng ®èi t­îng nung. VËt nung mµ ta ta kh¶o s¸t lµ ®èi t­îng mét thái Diatomit h×nh trô cã ®­êng kÝnh lµ 100mm. §Æt cÆp nhiÖt ®iÖn vµo t©m vËt vµ ®­îc nèi víi Recorder. T­¬ng tù nh­ c¸ch nhËn d¹ng ®èi t­îng lß. Ta cã ®¸p øng ®Çu ra H(t) nh­ sau: Hµm truyÒn cña hÖ lµ: Tõ quan hÖ ®Ó x¸c ®Þnh ®­îc ta sö dông phÇn mÒm Matlab ®Ó thùc hiÖn phÐp chia. Sau khi thùc hiÖn ta ®­îc.  Ch­¬ng 5 Tæng hîp hÖ thèng 5.1. ChÊt l­îng ®iÒu chØnh. 5.1.1. Kh¸i niÖn vÒ chÊt l­îng ®iÒu chØnh. §Ó qu¸ tr×nh ®iÒu chØnh hÖ thèng cã hiÖu qu¶, mçi hÖ thèng ®iÒu chØnh ph¶i tho¶ m·n hµng lo¹t c¸c yªu cÇu kh¸c nhau vÒ tÝnh chÊt cña qu¸ tr×nh ®iÒu chØnh. Tõ ®ã h×nh thµnh nªn kh¸i niÖm chÊt l­îng ®iÒu chØnh. Cã thÓ hiÓu mét c¸ch ®¬n gi¶n kh¸i niÖm vÒ chÊt l­îng ®iÒu chØnh nh­ sau. ChÊt l­îng ®iÒu chØnh lµ tËp hîp nh÷ng yÕu tè ®Þnh l­îng thÓ hiÖn møc ®é tèt xÊu theo mét nghÜa nµo ®ã cña qu¸ tr×nh trong ®iÒu kiÖn lµm viÖc nhÊt ®Þnh. Nh÷ng yÕu tè ®ã cã thÓ gäi lµ chØ tiªu chÊt l­îng ®iÒu chØnh. C¸c chØ tiªu ®ã ®­îc x¸c ®Þnh theo ®¸p øng cña hÖ thèng khi cã c¸c t¸c ®éng vµo kh¸c nhau. C¸c t¸c ®éng ®ã cã thÓ ph©n ra nh÷ng tr­êng hîp sau. + T¸c ®éng vµo lµ mét ®¹i l­îng ngÉu nhiªn (tøc lµ kh«ng biÓu diÔn ®­îc d­íi d¹ng hµm thêi gian râ rµng), chØ tiªu chÊt l­îng c¬ b¶n lµ ®é chÝnh x¸c vµ quÜ ®¹o sai lÖch trung b×nh b×nh ph­¬ng gi÷a ®¹i l­îng ®iÒu chØnh vµ quÜ ®¹o mong muèn cña nã. Trong tr­êng hîp ng­êi ta th­êng dïng c¸c ph­¬ng ph¸p cña lý thuyÕt x¸c suÊt thèng kª. + T¸c ®éng ®Çu vµo lµ mét hµm thêi gian x¸c ®Þnh, chÊt l­îng ®iÒu chØnh ®­îc x¸c ®Þnh theo ®¸p øng cña hÖ thèng ®èi víi c¸c d¹ng xung ®iÓn h×nh nh­ xung bËc thang, xung ®¬n vÞ vµ d¹ng t¸c ®éng h×nh sin. v.v... -T¸c ®éng bËc thang lµ t¸c ®éng hay gÆp trong thùc tÕ. Nã ®Æc tr­ng cho hÖ thèng ®iÒu chØnh tù ®éng duy tr× th«ng sè (gi¸ trÞ ®Æt cña hÖ thèng lµ h»ng sè). T¸c ®éng xung bËc thang th­êng do sù ®ãng ng¾t ®ét ngét c¸c thiÕt bÞ tiªu thô n¨ng l­îng, vËt chÊt lµm phô t¶i thay ®æi ®ét ngét, hoÆc chØ ®¬n gi¶n thay ®æi ®ét ngét gi¸ trÞ ®iÓm ®Æt cña hÖ thèng. - Xung t¸c ®éng ®¬n vÞ (hµm delta) th­êng ë trong c¸c hÖ thèng mµ phô t¶i ph¶i thay ®æi nhanh, gi¸ trÞ thay ®æi lín vµ ®Æc biÖt lµ rÊt nhanh víi thêi gian qu¸ ®é cña hÖ thèng. + §èi víi c¸c hÖ thèng lµm viÖc trong ®iÒu kiªn cã rung ®éng hoÆc c¸c chÊn ®éng cã chu kú th× c¸c nhiÔu chu kú ®ã sÏ ph©n tÝch ra nh÷ng sãng h×nh sin thµnh phÇn t¸c ®éng vµo hÖ thèng. Mçi sãng h×nh sin ®ã sÏ t¸c ®éng vµo hÖ thèng theo tÝnh chÊt cña nã. Ta cã thÓ ph©n chØ tiªu chÊt l­îng ®iÒu chØnh ra lµm hai lo¹i c¬ b¶n lµ: trùc tiÕp vµ gi¸n tiÕp. 5.1.2. §¸nh gi¸ chÊt l­îng ®iÒu chØnh khi cã xung bËc thang. Qu¸ tr×nh qóa ®é cña hÖ thèng x¶y ra khi cã t¸c ®éng tõ bªn ngoµi trong sè nh÷ng d¹ng t¸c ®éng kh¸c nhau th× xung bËc thang ®­îc coi lµ lo¹i xung nguy hiÓm nhÊt ®èi víi mét hÖ thèng ®iÒu chØnh tù ®éng v× nã lµm thay ®æi m¹nh nhÊt ®¹i l­îng ®iÒu chØnh. §¸p øng ra cña hÖ thèng ®èi víi c¸c t¸c ®éng xung bËc thang (®Æc tÝnh qu¸ ®é) lµ ®­êng cong biÕn thiªn cña ®¹i l­îng ®iÒu chØnh theo thêi gian b¾t ®Çu tõ thêi ®iÓm cã t¸c ®éng bËc thang. Th«ng th­êng cac chØ sè chÊt l­îng trùc tiÕp ®­îc x¸c ®Þnh dùa trªn ®Æc tÝnh qu¸ ®é h(t) khi cã t¸c ®éng xung bËc thang ®¬n vÞ. 1 khi t ³ 0 o khi t <0 1(t) = Víi ®iÒu kiªn hÖ thèng ë vÞ trÝ “0” ban ®Çu 2D t h(¥) hmax h(t) 0 t® Dùa trªn ®Æc tÝnh qu¸ ®é ng­êi ta cã thÓ x¸c ®Þnh nh÷ng chØ sè chÊt l­îng sau ®©y: a.Thêi gian ®iÒu chØnh t¸c ®éng. ChØ sè nµy cho phÐp ®¸nh gi¸ ®é t¸c ®éng nhanh cña hÖ thèng. Gi¸ trÞ lý thuyÕt cña thêi gian ®iÒu chØnh lu«n lu«n b»ng v« cïng, nh­ng râ rµng gi¸ trÞ ®ã kh«ng ph¶n ¸nh ®­îc tèc ®é t¾t dÇn cña qu¸ tr×nh qu¸ ®é. V× vËy ng­êi ta tÝnh thêi gian ®iÒu chØnh thùctÐ lµ thêi gian tèi thiÓu mµ b¾t ®Çu tõ ®ã ®¹i l­îng ®iÒu chØnh sai lÖch kh«ng qu¸ mét ®¹i l­îng D (D > 0) so víi gi¸ trÞ x¸c lËp cña nã. | h(t) - h(¥) | £ D víi t ³ t®. Trong ®ã: h(¥) lµ gi¸ trÞ x¸c lËp cña qu¸ tr×nh qóa ®é D ®­îc chän tuú theo yªu cÇu vÒ chÊt l­îng ®iÒu chØnh hoÆc chØ cã thÓ x¸c ®Þnh lµ vïng kh«ng nh¹y cña bé ®iÒu chØnh. Qu¸ tr×nh qu¸ ®é cña hÖ thèng coi nh­ t¾t h¼n sau mét thêi gian ®iÒu chØnh t¸c ®éng. KÓ tõ ®ã ®é biÕn thiªn cña ®¹i l­îng ®iÒu chØnh kh«ng ®­îc v­ît qua khái vïng kh«ng nh¹y cña bé ®iÒu khiÓn. Thùc tÕ th× gi¸ trÞ D th­êng x¸c ®Þnh b»ngtõ 3 ®Õn 10% gi¸ trÞ x¸c lËp h(¥) cña ®¹i l­îng ®iÒu chØnh. Víi c¸c ®iÒu kiªn kh¸c nh­ nhau th× hÖ thèng cã thêi gian ®iÒu chØnh cµng ng¾n sÏ cã chÊt l­îng cµng cao. b. §é qu¸ ®iÒu chØnh. Trong qu¸ tr×nh ®iÒu chØnh tõ chÕ ®é x¸c lËp nµy sang chÕ ®é x¸c lËp kh¸c cã thÓ x¶y ra hai tr­êng hîp thay ®æi ®¹i l­îng ®iÒu chØnh tíi gi¸ trÞ míi. Tr­êng hîp thø hai hay x¶y ra khi ®¹i l­îng ®iÒu chØnh v­ît ra ngoµi giíi h¹n trªn. Tr­êng hîp nµy x¶y ra hiÖn t­îng qu¸ ®iÒu chØnh ®­îc ®¸nh g¸i b»ng ®¹i l­îng: §é qu¸ ®iÒu chØnh theo c«ng thøc sau: hmax: lµ gi¸ trÞ lín nhÊt cña ®Æc tÝnh qu¸ ®é. Trong tr­êng hùp h(¥) = 0 ®é qu¸ ®iÒu chØnh ®­îc tÝnh theo c«ng thøc sau: a: lµ biªn ®é xung bËc thang ®Çu vµo. Tuú theo chÊt l­îng s¶n phÈm, ®é an toµn thiÕt bÞ, yÕt tè kinh tÕ... mµ ®é qu¸ ®iÒu chØnh cã thÓ cho phÐp cã hoÆc kh«ng. Nh­ng nh×n chung th× gi¸ trÞ nµy hay n»m trong kho¶ng 10 ¸ 30%. c. TÝnh chÊt t¾t dÇn qu¸ tr×nh qu¸ ®é. Qu¸ tr×nh qu¸ ®é cã thÓ dao ®éng, kh«ng cã chu kú hoÆc ®¬n ®iÖu. Qu¸ tr×nh qu¸ ®é gäi ®¬n ®iÖu nÕn ®é sai lÖch gi÷a ®¹i l­îng ®iÒu chØnh vµ gi¸ trÞ x¸c lËp míi cña nã lu«n lu«n gi¶m. Qu¸ tr×nh qu¸ ®é ®¬n ®iÖu kh«ng bao giê cã ®é qu¸ ®iÒu chØnh. Qu¸ tr×nh qu¸ ®é phi chu kú th­êng kh«ng cã qu¸ mét ®iÓm cùc ®¹i. §èi víi qu¸ tr×nh dao ®éng th× c¸c ®iÓm cùc ®¹i, cùc tiÓu xuÊt hiÖn liªn tôc cho ®Õn khi ®¹i l­îng ®iÒu chØnh lät vµo vïng kh«ng nh¹y cña hÖ thèng. h2 max D h1 max 2 3 1 §Æc tÝnh qóa ®é ®¬n ®iÖu. §Æc tÝnh qu¸ tr×nh qu¸ ®é dao ®éng §Æc tÝnh qu¸ tr×nh qu¸ ®é phi chu kú C¸c chØ tiªu kh¸c gièng nhau, hÖ thèng nµo cã qu¸ tr×nh qóa ®é Ýt dao ®éng th× tèt h¬n (®¬n ®iÖu). §Ó ®¸nh gi¸ ®­îc tÝnh chÊt dao ®éng cña hÖ thèng ng­êi ta x¸c ®Þnh hÖ sè t¾t dÇn c theo c«ng thøc. Vµ ®é dao ®éng m: Qu¸ tr×nh qu¸ ®é t¾t cµng nhanh nÕu c (hoÆc m) cµng lín. NÕu c = 1 (m = ¥) ®Æc tÝnh qu¸ ®é kh«ng cã dao ®éng NÕu c = 0 (m = 0) ®Æc tÝnh qu¸ ®é dao ®éng kh«ng t¾t (hÖ thèng ë biªn giíi æn ®Þnh. 5.1.3. Tiªu chuÈn chÊt l­îng d¹ng tÝch ph©n. §©y lµ ®¸nh gi¸ tæng hîp chÊt l­îng ®iÒu chØnh hÖ tù ®éng. Tiªu chuÈn tÝch ph©n ®­îc ®Þnh nghÜa lµ tÝch ph©n x¸c ®Þnh theo thêi gian cña hµm sai sè gi÷a ®Æc tÝnh qu¸ ®é vµ gi¸ trÞ x¸c lËp cña nã. Nh÷ng d¹ng phæ biÕn tiªu chuÈn tÝch ph©n lµ: e = h(¥) - h(t); q: hÖ sè träng nµo ®ã. Nh×n chung tiªu chuÈn tÝch ph©n lµ chØ sè chÊt l­îng gi¸n tiÕp. Nã ph¶n ¸nh t­¬ng ®èi tæng hîp ®é t¸c ®éng nhanh vµ ®é qu¸ ®iÒu chØnh cña hÖ thèng. h(t) h(¥) h(t) t TÝch ph©n J1 chÝnh lµ diÖn tÝch ph©n g¹ch chÐo trªn h×nh vÏ. TÝch ph©n nµy ph¶n ¸nh t­¬ng ®èi tèt tÝnh chÊt t¸c ®éng nhanh (thêi gian ®iÒu chØnh) cña hÖ thèng cã qu¸ tr×nh qu¸ ®é ®¬n ®iÖu. Víi cïng mét ®iÒu kiÖn ban ®Çu, th× hÖ thèng cã gi¸ trÞ tÝch ph©n J1 cµng nhá sÏ cµng t¸c ®«ng nhanh, thêi gian ®iÒu chØnh cµng ng¾n. §èi víi c¸c qu¸ tr×nh qu¸ ®é cã dao ®éng, tÝch ph©n J1 kh«ng ph¶n ¸nh ®óng ®é t¸c ®éng nhanh cña hÖ thèng n÷a. ng­êi ta thay tÝch ph©n J1 b»ng tÝch ph©n trÞ tuyÖt ®èi J1a. - - h(t) h(t) h(¥) + + + - - Tuy nhiªn tÝnh to¸n víi J1a th× khã kh¨n vµ phøc t¹p h¬n. Hai tÝch ph©n J2 vµ J2a lµ tÝch ph©n cña hµm b×nh ph­¬ng sai sè ®éng häc nªn nã kh«ng phô thuéc vµo dÊu cña e(t) vµ ®¹o hµm nªn nã ph¶n ¸nh trung thùc ®é t¸c ®éng nhanh cña hÖ thèng. 5.1.4. §¸nh gi¸ chÊt l­îng ®iÒu chØnh khi cã t¸c ®éng sãng ®iÒu hoµ khi tÝn hiÖu t¸c ®éng vµo hÖ thèng lµ c¸c dao ®éng ®iÒu hoµ, chÊt l­îng cña hÖ thèng ®iÒu chØnh, cã thÓ ®¸nh gi¸ dùa trªn ®Æc tÝnh tÇn sè - biªn ®é - pha, ®Æc tÝnh tÇn sè - biªn ®é, ®Æc tÝnh tÇn sè pha vµ ®Æc tÝnh tÇn sè logarit. Mét sè chØ tiªu chÊt l­îng c¬ b¶n th­êng ®­îc xÐt lµ; M - ChØ sè dao ®éng wr- tÇn sè dao ®éng céng h­ëng wo - d¶i th«ng tÇn cña hÖ thèng. Vµ c¸c sù dù tr÷ æn ®Þnh theo modun vµ theo pha. ChØ sè dao ®éng M ®Æc tr­ng cho xu h­íng dao ®éng cña hÖ thèng chØ sè dao ®éng M lµ tû sè gi÷a gi¸ trÞ biªn ®é lín nhÊt cña hÖ thèng (t¹i tÇn sè céng h­ëng) vµ gi¸ trÞ biªn ®é t¹i tÇn sè w = 0 M = AKmax/AK(0) = Ak (wr)/ Ak(0) Víi Ak(w) - ®Æc tÝnh biªn ®é cña hÖ thèng kÝn. w wk Ak(0) Akmax Víi c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c gièng nhau th× hÖ thèng cã M cµng lín th× cµng kem chÊt l­îng. Trong c¸c bµi to¸n thiÕt kÕ, ®Ó ®¶m b¶o cho hÖ thèng cã ®é dù tr÷ æn ®Þnh nhÊt , ng­êi ta ph¶i ¸p ®Æt mét giíi h¹n trªn nµo ®ã cña chØ sè dao ®éng. TÇn sè céng h­ëng wr ®èi víi hÖ thèng dao ®éng lµ tÇn sè mµ t¹i ®ã ®Æc tÝnh biªn ®é tÇn sè cã gi¸ trÞ lín nhÊt. C¸c tÝn hiÖu dao ®éng víi tÊn sè ®ã ®i qua hÖ thèng ®­îc khuÕch ®¹i ë møc tèi ®a. D¶i th«ng tÇn cña hÖ thèng lµ kho¶ng tÇn sè tõ w = 0 ¸ w0 tho¶ m·n hÖ thøc. Ak(w) ³ Ak(w0) = 0,707 Ak(0) w Ak(0) 0,707Ak(0) Ak w0 wc Th«ng th­êng trong thiÕt bÞ hÖ thèng, ®Æt ra yªu cÇu lµ d¶i th«ng tÇn kh«ng ®­îc qu¸ lín ®Ó tr¸nh cho nhiÔu tÇn sè cao khái ¶nh h­ëng ®Õn hÖ thèng. TÇn sè c¾t wc lµ gi¸ trÞ tÇn sè mµ trong kho¶ng w = 0 ¸ wc ®Æc tÝnh biªn ®é cña hÖ thèng tho¶ m·n. Ak(w) ³ 1; w = 0 ¸ wc TÇn sè c¾t liªn quan mét c¸ch gi¸n tiÕp víi ®é t¸c ®éng nhanh cña hÖ thèng ®iÒu chØnh. TÇn sè c¾t wc cµng nhá th× ®é t¸c ®éng nhanh cña hÖ thèng cµng kÐm t® = (1+ 2) 2p/wc NÕu qu¸ tr×nh qu¸ ®é cã mét hoÆc hai dao ®éng th× ®å thÞ cña nã ®¹t cùc ®¹i ®Çu tiªn sau mét thêi gian tmax » p/wc Ngoµi nh÷ng tiªu chuÈn ®¸nh gi¸ chÊt l­îng kÓ trªn, ng­êi ta cßn ®¸nh gi¸ chÊt l­îng ®iÒu chØnh trong chÕ ®é x¸c lËp… Tuy nhiªn cÇn nhÊn m¹nh r»ng, ngµy nay víi sù ph¸t triÓn cao cña kü thuËt tÝnh to¸n vµ m¸y tÝnh ®iÖn tö, ®Æc tÝnh qu¸ ®é cña hÖ thèng dï phøc t¹p ®Õn ®©u còng dÔ dµng thÓ hiÖn ®­îc d­íi d¹ng ®å thÞ chÝnh x¸c. ChÝnh v× vËy mµ vai trß øng dông cña c¸c tiªu chuÈn chÊt l­îng trùc tiÕp trong qu¸ tr×nh thiÕt bÞ hÖ thèng tù ®éng ngµy cµng t¨ng. 5.2. C¬ së lý thuyÕt vÒ tæng hîp hÖ thèng 5.2.1. Kh¸i niÖm vÒ bµi to¸n tæng hîp hÖ thèng. Tæng hîp hÖ thèng ®iÒu chØnh tù ®éng lµ qu¸ tr×nh t×m cÊu tróc vµ gi¸ trÞ c¸c th«ng sè toµn bé hÖ thèng sao cho víi nh÷ng ®iÒu kiÖn cho tr­íc (VÝ dô nh­: TÝnh chÊt c¸c t¸c ®éng bªn trong, bªn ngoµi vµ c¸c yªu cÇu vÒ ®é tin cËy, gi¸ thµnh, c«ng suÊt…) n»m trong ph¹m vi cho tr­íc hoÆc ®¹t gi¸ trÞ tèi ­u. Bµi to¸n tæng hîp ng­îc l¹i víi bµi to¸n ph©n tÝch. Bµi to¸n ph©n tÝch lµ ®¸nh gi¸ c¸c tiªu chuÈn vÒ chÊt l­îng ®iÒu chØnh cña hÖ thèng cã cÊu tróc vµ th«ng sè biÕt tr­íc. Bµi to¸n ph©n tÝch lµ hoµn toµn x¸c ®Þnh. Trong khi ®ã bµi to¸n tæng hîp cã nhiÒu yÕu tè bÊt ®Þnh vµ th­êng cã nhiÒu lêi gi¶i. Th«ng th­êng th× bµi to¸n tæng hîp th­êng ®­îc ph©n chia vµ gi¶i quyÕt theo nhiÒu giai ®o¹n kh¸c nhau. Cã thÓ t¹m chia thµnh nh÷ng giai ®o¹n: Giai ®o¹n 1: Tæng hîp hÖ thèng bao giê còng b¾t ®Çu b»ng viÖc x¸c ®Þnh nh÷ng bé phËn vµ c¸c th«ng sè biÕt tr­íc. §©y lµ phÇn kh«ng ®æi cña hÖ thèng. Trong hÇu hÕt c¸c hÖ thèng ®iÒu chØnh th× ®èi t­îng ®iÒu chØnh, c¬ quan ®iÒu chØnh c¬ cÊu chÊp hµnh vµ ®«i khi mét phÇn bé ®iÒu chØnh (c¸c c¬ cÊu ®o l­êng, biÕn ®æi) th­êng lµ biÕt tr­íc. Trong mét sè tr­êng hîp Ýt cã, ®èi t­îng ch­a x¸c ®Þnh tr­íc hoµn toµn, bé ®iÒu chØnh còng ch­a cã trong c«ng nghiÖp th× bµi to¸n tæng hîp lµ t¹o kü thuËt míi ®¸p øng nh÷ng yªu cÇu vÒ ®iÒu khiÓn ®Æt ra. Giai ®o¹n 2: X¸c ®Þnh s¬ ®å cÊu tróc vµ nh÷ng ®Æc tÝnh tÜnh vµ ®éng häc cña phÇn kh«ng ®æi trªn (x¸c ®Þnh m« h×nh to¸n). Nh÷ng d÷ kiÖn nµy th­êng lÊy trong tµi liÖu, hå s¬ m¸y, sæ tay tra cøu… hoÆc ph¶i lÊy tõ nh÷ng thÝ nghiÖm trùctiÕp trªn ®èi t­îng. M« h×nh to¸n cña phÇn kh«ng ®æi th­êng biÓu diÔn d­íi d¹ng hµm truyÒn hoÆc ph­¬ng trinh vi ph©n. Giai ®o¹n 3: X©y dùng s¬ ®å cÊu tróc cña toµn bé hÖ thèng ®iÒu chØnh. HÖ thèng mét vßng x©y dùng trªn nguyªn lý ®iÒu chØnh sai lÖch. NÕu cÇn thiÕt t¨ng tÝnh æn ®Þnh hÖ thèng, t¨ng ®é t¸c ®éng nhanh, gi¶m nhiÔu ng­êi ta cã thÓ x©y dùng hÖ thèng ®iÒu chØnh nhiÒu vßng kÝn, hoÆc cã thªm kh©u khö nhiÔu… Giai ®o¹n 4: Dùa theo s¬ ®å cÊu tróc cña hÖ thèng vµ m« h×nh tÝnh to¸n cña phÇn kh«ng ®æi cã thÓ tiÕn hµnh tæng hîp phÇn kh«ng ®æi cña hÖ thèng. §ã lµ c¸c bé ®iÒu chØnh, c¸c bé khö nhiÔu… Dùa trªn c¸c yªu cÇu vÒ chÊt l­îng ®iÒu chØnh trong chÕ ®é x¸c lËp vµ qu¸ tr×nh qu¸ ®é… ta tiÕn hµnh tèi ­u ho¸ tham sè hiÖu chØnh cña hÖ thèng. 5.2.2. Mét sè ph­¬ng ph¸p tæng hîp bé ®iÒu khiÓn PID. * Ph­¬ng ph¸p sö dông m« h×nh xÊp xØ bËc nhÊt cã trÔ cña ®èi t­îng (ph­¬ng ph¸p thø nhÊt cña Ziegler - Nichols). Ph­¬ng ph¸p nµy x¸c ®Þnh tham sè Kp, TI, ID cho bé ®iÒu khiÓn PID trªn c¬ së ®èi t­îng cã thÓ ®­îc xÊp xØ bëi hµm truyÒn ®¹t d¹ng. W(s) = t ® ¥ Sao cho hÖ thèng nhanh chãng vÒ chÕ ®é x¸c lËp vµ ®é qu¸ ®iÒu chØnh Dhmax kh«ng v­ît qu¸ 40% h¥ = lim h (t) t 40% 1 h (t) C¸c tham sè t (h»ng sè thêi gian trÔ), k (hÖ sè khuÕch ®¹i) vµ T (h»ng sè thêi gian) ®­îc x¸c ®Þnh gÇn ®óng tõ ®å thÞ hµm qu¸ ®é t (t) cña ®èi t­îng. T k h (t) t + t lµ kho¶ng thêi gian ®Çu ra h (t) ch­a cã ph¶n øng ngay víi kÝch th­íc 1 (t) t¹i ®Çu vµo. t ® ¥ + k lµ gi¸ trÞ giíi h¹n h¥ = lim h (t) + T lµ kho¶ng thêi gian cÇn thiÕt ®Ó tiÕp tuyÕn t¹i ®iÓm sau kho¶ng g trÔ t cña h (t) ®¹t ®­îc gi¸ trÞ k. T k h (t) t Trong tr­êng hîp hµm qu¸ ®é h (t) kh«ng cã d¹ng lý t­ëng nh­ trªn mµ cã d¹ng gÇn gièng ch÷ S cña kh©u qu¸n tÝnh bËc n (n ³ 2) nh­ h×nh vÏ d­íi ®©y. Th× ba tham sè k, t, T ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: t ® ¥ k lµ gi¸ trÞ giíi h¹n h¥ = lim h (t) KÎ tiÕp tuyÕn t¹i ®iÓm uèn cña nã t sÏ lµ hoanh ®é cña giao tiÕp tuyÕn víi trôc hoµnh. T lµ kho¶ng thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®­îc tiÕp tuyÕn ®i ®­îc tõ gi¸ trÞ 0 tíi trôc hoµnh. Sau khi ®· x¸c ®Þnh ®­îc m« h×nh xÊp xØ cña ®èi t­îng, Ziegler - Nichlos ®· ®Ò nghÞ sö dông c¸c tham sè TI, TD sao cho bé ®iÒu khiÓn. a. NÕu bé ®iÒu khiÓn P th× chän: b. NÕu bé ®iÒu khiÓn PI: c. NÕu bé ®iÒu khiÓn PID: Tuy nhiªn ta cã thÓ thÊy ngay sù h¹n chÕ cña ph­¬ng ph¸p nµy lµ: §èi t­îng ®· ph¶i æn ®Þnh, kh«ng cã dao ®éng vµ hµm qu¸ ®é cña nã ph¶i cã d¹ng ch÷ S. VËy nªn kÕt qu¶ cña ph­¬ng ph¸p nµy chØ mang tÝnh chÊt ®Þnh h­íng hoÆc hiÖu chØnh s¬ bé mµ kh«ng cho mét lêi gi¶i triÖt ®Ó. 6. Ph­¬ng ph¸p thùc nghiÖm (ph­¬ng ph¸p Ziegler - Nichols 2) Ph­¬ng ph¸p nµy kh«ng sö dông m« h×nh tÝnh to¸n cña ®èi t­îng ngay c¶ m« h×nh xÊp xØ gÇn dóng (bËc nhÊt cã trÔ). M« h×nh ®iÒu khiÓn Kth §èi t­îng ®iÒu khiÓn y(t) u(t) e(t) w(t) - + Nguyªn lý cña ph­¬ng ph¸p nh­ sau Thay bé ®iÒu khiÓn PID trong hÖ kÝn b»ng mét bé khuÕch ®¹i. Sau ®ã t¨ng hÖ sè khuÕch ®¹i tíi mét gi¸ trÞ lín tíi h¹n kth ®Ó hÖ kÝn ë chÕ ®é biªn giíi æn ®Þnh, tøc lµ h(t) cã d¹ng dao ®éng ®iÒu hoµ. Tõ ®ã x¸c ®Þnh ®­îc chu kú Tth cña dao ®éng. 2 1.5 1 0.5 1 2 3 4 5 6 Tth h(t) t X¸c ®Þnh tham sè bé ®iÒu khiÓn. - NÕu bé ®iÒu khiÓn lµ P th× Kp = kth NÕu bé ®iÒu khiÓn lµ PI th× kp = 0,45kth; TI = 0,95 Tth NÕu bé ®iÒu khiÓn PID th× kp = 0,6 kth ; TD = 0,12Tth Nh×n chung ph­¬ng ph¸p thø hai cho chÊt l­îng tèt h¬n ph­¬ng ph¸p thø nhÊt nh­ng chØ ¸p dông cho ®èi t­îng cã chÕ ®é biªn giíi æn ®Þnh khi hiÖu chØnh b»ng hÖ sè khuÕch ®¹i trong hÖ kÝn. Ngoµi hai ph­¬ng ph¸p trªn th× mét sè ph­¬ng ph¸p n÷a còng cã thÓ kÓ ra ë ®©y ®Ó tæng hîp bé ®iÒu khiÓn PID lµ: ph­¬ng ph¸p Chien - Hrones - Reswick, ph­¬ng ph¸p tæng T cña Kuhn... Nh­ng nh×n chung c¸c ph­¬ng ph¸p nãi trªn chØ ¸p dông cho ®èi t­îng æn ®Þnh, kh«ng cã dao ®éng, hµm truyÒn cã d¹ng ch÷ S... nªn kh«ng mang l¹i hiÖu qu¶ cao. Mét ®iÒu cÇn chó ý lµ ®èi t­îng liªn quan ®Õn qu¸ tr×nh nhiÖt th­êng cã ®é trÔ tuyÖt ®èi (t > 0) hoÆc m« h×nh ho¸ d­íi d¹ng ®èi t­îng pha chóng ®­îc m« t¶ bëi hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n phi tuyÕn. V× vËy nãichung c¸c ph­¬ng ph¸p gi¶i tÝnh trªn c¬ së m« h×nh trong miÒn thêi gian th­êng gÆp nhiÒu khã kh¨n vµ trë ng¹i. Trong tr­êng hîp nµy ng­êi ta th­êng tæng hîp hÖ thèng dùa trªn c¬ së m« h×nh hÖ thèng trong miÒn tÇn sè. Mét ph­¬ng ph¸p hay ®­îc dïng lµ ph­¬ng ph¸p tÝnh th«ng sè tèi ­u cña bé ®iÒu chØnh ®iÓn h×nh theo chØ sè dao ®éng nghiÖm m 3. tÝnh c¸c tham sè tèi ­u cña bé ®iÒu chØnh theo chØ sè dao ®éng nghiÖm m Gi¶ sö ta cã hÖ thèng ®iÒu chØnh mét vßng. WB W® y(t) Gi¶ sö hÖ hë cã dù tr÷ æn ®Þnh theo chØ sè dao ®éng nghiÖm lµ m, tøc lµ c¸c nghiÖm ®a thøc ®Æc tÝnh cña nã tho¶ m·n ®iÒu kiÖn ai £ - m | bi| , si = ai + jbi §Ó cho hÖ thèng b¶o tån dù tr÷ æn ®Þnh m ë tr¹ng th¸i kÝnth× ®Æc tÝnh tÇn sè biªn ®é pha më réng WH (-m w + jw) cña hÖ hë kh«ng bao ®iÓm (-1, j0) trªn mÆt ph¼ng thøc. Re 0 -1, j0 Jm WH (-mw + jw) HÖ kÝn sÏ n»m ë biªn giíi dù tr÷ æn ®Þnh m nÕu WH (- mw +jw) ®i qua ®iÓm (- 1, j 0) hay WH (- mw + jw) = -1 Ta cã thÓ t×m c¸c th«ng sè tèi ­u trªn biªn dù tr÷ æn ®Þnh víi m cho tr­íc. Ta cã: WH (-mw + jw) = -1 Û WB (mw + jw) . W® (-mw + jw) = -1 Û WB (-mw + jw) (1) (Trong ®ã WB (-mw + jw), W® (-mw + jw)) lÇn l­ît lµ ®Æc tÝnh tÇn sè më réng cña bé ®iÒu chØnh vµ cña ®èi t­îng. Ta ký hiÖu (2) = R1® (m, w) + j Q-1® (m, w) R1® (m, w), Q-1® (m, w) lµ phÇn thùc vµ phÇn ¶o cña ®Æc tÝnh tÇn sè nghÞch ®¶o cña ®èi t­îng. Gi¶ sö bé ®iÒu chØnh PID cã hµm truyÒn nh­ sau. WB(s) = Thay s = - mw + j w vµo WB (s) ta cã: WB (-mw + jw) = (3) Thay (3) vµo (2) vµo (1) ta ®­îc. Tõ ®©y b»ng c¸ch so s¸nh hai sè phøc suy ra. (4) Tõ hÖ ph­¬ng tr×nh trªn ta cã thÓ tiÕn hµnh t×m th«ng sè tèi ­u cho bé ®iÒu khiÓn PI, PD, hay PID tuú theo yªu cÇu. VÝ dô: Tæng hîp bé ®iÒu khiÓn PI Khi ®ã C2 = 0. HÖ ph­¬ng tr×nh 4 trë thµnh. (5) Dùa vµo c¸c c«ng thøc trong (5) ta tÝnh gi¸ trÞ C0 va C1 víi nh÷ng gi¸ trÞ w kh¸c nhau (m cho tr­íc). Sau ®ã dùng ®å thÞ quan hÖ gi÷a C0 vµ C1. §ã chÝnh lµ ®­êng biªn dù tr÷ æn ®Þnh theo chØ sè dao ®éng nghiÖm m. Trªn ®å thÞ x¸c ®Þnh ®iÓm hiÖu chØnh tèi ­u (C0, C1) øng víi gi¸ trÞ cao nhÊt cña C0 C0 C1 C*1 Cth1 0 C*0 Cth0 NÕu bé ®iÒu chØnh lµ tû lÖ P. ChØ cÇn bá thµnh phÇn tÝch ph©n (cho C0 = 0) vµ x¸c ®Þnh hÖ sè tíi h¹n (tèi ­u) Cth1 cña bé ®iÒu chØnh. Cth1 lµ giao ®iÓm gi÷a ®å thÞ C1 - C0 vµ trôc hoµnh (lÊy gi¸ trÞ Cth1 > 0) NÕu bé ®iÒu chØnh tÝch ph©n th× bá thµnh phÇn tû lÖ (cho C1 = 0) vµ x¸c ®Þnh th«ng sè tèi ­u C0 = Cth0 * Tæng hîp bé ®iÒu chØnh PID. Tõ hÖ ph­¬ng tr×nh (4) ta cho C0 nh÷ng gi¸ trÞ kh¸c nhau. Sau ®ã øng víi mçi gi¸ trÞ C0 cè ®Þnh tÝch C1 vµ C2 víi w thay ®æi sÏ dùng ®­îc ®­êng cong phô thuéc gi÷a C1 vµ C2 trªn to¹ ®é ph¼ng kÕt qu¶ sÏ thu ®­îc mét lo¹t c¸c miÒn dù tr÷ æn ®Þnh. Qu¸ tr×nh b¾t ®Çu tõ gi¸ trÞ C0 = 0 ®­îc miÒn D1. Sau ®ã t¨ng dÇn C0 ®­îc c¸c miÒn dù tr÷ æn ®Þnh D2, D3 thu hÑp dÇn t­¬ng øng. C¸c miÒn Di sÏ thu hÑp ®Õn khi ®ñ nhá theo yªu cÇu th× coi nh­ C0 ®· ®¹t gi¸ trÞ tèi ®a vµ ®­îc thõa nhËn tèi ­u tõ mét ®iÓm bÊt kú trong miÒn Di cuèi cïng h¹ xuèng c¸c trôc ta ®­îc gi¸ trÞ tèi ­u C*1, C*2 * Ph­¬ng ph¸p x¸c ®Þnh th«ng sè tèi ­u. §èi t­îng mµ ta nghiªn cøu ë ®©y lµ lo¹i lß ®iÖn víi ®é trÔ lín hµm truyÒn cña ®èi t­îng cã thÓ coi gÇn ®óng lµ mét kh©u bËc nhÊt cã trÔ X¸c ®Þnh th«ng sè tèi ­u cho bé ®iÒu khiÓn S¬ ®å hÖ thèng. Hµm truyÒn ®¹t cña bé ®iÒu khiÓn PI cã d¹ng. Hµm truyÒn ®¹t cña ®èi t­îng lµ. ( Trong ®ã ) Hµm truyÒn ®¹t cña hÖ kÝn. Ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh cña hÖ kÝn. hay: Víi chØ tiªu chÊt l­îng lµ qu¸ ®é ®iÒu chØnh ta cã thÓ tÝnh ®­îc ®é dao ®éng m. Do ®ã ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc c¸c th«ng sè cña bé ®iÒu chØnh ®¶m b¶o yªu cÇu chÊt l­îng ta thay vµo (*) ta cã. Dïng ph­¬ng ph¸p c©n b»ng hÖ sè ta cã lµ nghiÖm cña hÖ ph­¬ng tr×nh sau. Gi¶i hÖ ph­¬ng tr×nh hai Èn ta cã kÕt qu¶ nh­ sau. Thùc hiÖn ph­¬ng ph¸p ph©n bè nghiÖm sè t×m c¸c th«ng sè cña bé ®iÒu chØnh. Ta lÊy chØ tiªu chÊt l­îng lµ ®é qu¸ ®iÒu chØnh. Lóc ®ã tèc ®é t¾t dÇn. Víi mét gi¸ trÞ m vµ mçi gi¸ trÞ ta ®­îc mét ®iÓm . VËy khi thay ®æi trong mÆt ph¼ng ta ®­îc mét ®­êng cong, mçi ®­êng cong cã mét ®iÓm cùc ®¹i. øng mèi ®iÓm ë bªn tr¸i ®iÓm cùc ®¹i, bé ®iÒu chØnh cã tÝnh tÝch ph©n do ®ã tèc ®é t¸c ®éng chËm, phÝa bªn ph¶i ®iÓm cùc ®¹i cña bé ®iÒu chØnh cã tÝnh tû lÖ nªn cã sai lÖch tÜnh. §Ó hÖ t¸c ®éng nhanh vµ kh«ng cã sai lÖch tÜnh ta nªn chän c¸c th«ng sè cña m¸y ë ®iÓm cùc ®¹i. Kh¶o s¸t b»ng Matlab mèi liªn hÖ . =[0:0.001:0.1]; m=0.36; k=0.3; plot(c0,c1);grid rlocfind(c0,c1); §å thÞ biÓu diÔn mèi quan hÖ gi÷a theo m Lùa chän ®iÓm cùc ®¹i øng víi m=0.36 ta cã täa ®é ( 21.7051, 0.0942) VËy Thay vµo kh©u PI ta cã. Kh¶o s¸t vµ ®¸nh gi¸ chÊt l­îng cña hÖ thèng b»ng Simulink s¬ ®å hÖ thèng. Qu¸ tr×nh qu¸ ®é cña hÖ thèng: Nh×n vµo ®å thÞ ta thÊy nhiÖt ®é cña lß ®¹t ®­îc gi¸ trÞ x¸c lËp lµ 3000C, víi thêi gian x¸c lËp lµ 2200 (s) Nh­ vËy ®èi víi c¸c hÖ thèng mµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé ®iÒu chØnh bÞ h¹n chÕ, qu¸n tÝnh cña hÖ lín th× viÖc sö dông vßng ®¬n (mét vßng kÝn) sÏ kh«ng ®¶m b¶o chÊt l­îng yªu cÇu nh­ ta ®· sö dông ë trªn. ChÊt l­îng hÖ thèng ®iÒu khiÓn sÏ ®­îc c¶i thiÖn nhê thay ®æi cÊu tróc cña hÖ còng nh­ dïng c¸c luËt ®iÒu khiÓn hoµn thiÖn h¬n. Trong ph¹m vi ®å ¸n nµy ta sö dông ®iÒu khiÓn tÇng. HÖ thèng ®iÒu khiÓn tÇng cã nh÷ng ­u ®iÓm sau. - T¨ng chÊt l­îng ®iÒu khiÓn mét c¸ch râ rÖt khi sö lý nhiÔu ®Çu vµo vµ c¶i thiÖn mét phÇn khi sö lý c¸c t¸c ®éng ®iÒu khiÓn. - Khi hÖ thèng cã ®é trÔ lín, vÉn cã kh¶ n¨ng duy tr× ®¹i l­îng cÇn ®iÒu khiÓn (th«ng sè c¬ b¶n) ë gi¸ trÞ ®Æt tr­íc víi ®é chÝnh x¸c cao. - Nhanh chãng bï nhiÔu t¸c ®éng nªn vßng thùc hiÖn ®iÒu khiÓn (vßng trong ) do ®ã c¸c nhiÔu nµy kh«ng lµm sai lÖch ®¹i l­îng cÇn ®iÒu khiÓn khái gi¸ trÞ ®Æt tr­íc - Nhê cã vßng thùc hiÖn ®iÒu chØnh nªn sÏ lµm gi¶m râ rÖt ®é lÖch pha gi÷a ®¹i l­îng ra vµ l­îng vµo ®èi t­îng, do ®ã sÏ lµm t¨ng ®é t¸c ®éng nhanh cña vßng hiÖu chØnh(vßng ngoµi). §iÒu khiÓn hai vßng. S¬ ®å ®iÒu khiÓn. SPLß SPVËt PI1 PI2 W1 W2 (-) (-) t0 (lß) t0 (vËt) Vßng ®iÒu khiÓn. TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn lµ sai lÖch gi÷a nhiÖt ®é thùc cña lß vµ nhiÖt ®é ®Æt PI2 W1 SPLß (-) T­¬ng tù nh­ trªn ta cã. Kh¶o s¸t b»ng Matlab mèi quan hÖ theo m ta cã. Lùa chän ®iÓm cùc ®¹i øng víi m=0.512 ta cã täa ®é (11.2903, 0.0620) VËy Thay vµo kh©u ta cã. Kh¶o s¸t vµ ®¸nh gi¸ chÊt l­îng cña hÖ thèng b»ng Simulink S¬ ®å hÖ thèng. Qu¸ tr×nh qu¸ ®é cña hÖ thèng: Nh×n vµo ®å thÞ ta thÊy nhiÖt ®é cña lß ®¹t ®­îc gi¸ trÞ x¸c lËp lµ 3000C, víi thêi gian x¸c lËp lµ 1100 (s) Vßng hiÖu chØnh. §©y lµ vßng thùc hiÖn chØnh nhiÖt ®é lß theo sai lÖch ®é thùc cña vËt vµ gi¸ trÞ ®Æt. S¬ ®å SPLß SPVËt PI1 PI2 W1 W2 (-) (-) t0 (lß) t0 (vËt) Theo nh÷ng kÕt qu¶ trªn ta cã : Ta cã vËy Ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh lµ. = 0