CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1. Giới thiệu một số phương pháp thiết kế bộ điều khiển Có rất nhiều cách thiết kế bộ điều chỉnh khác nhau. Sau đây là một số cách thiết kế điển hình. 3.1.1. Hệ thống điều khiển vị trí: 3.1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí Với quy luật này tín hiệu ra của máy điều chỉnh xác định ở một trong hai trạng thái là U max và U min . Phương trình mô tả toán học được viết: u = B. Sign(e) Trong đó : B là tác động điều khiển ,Sign(e) là lấy mẫu của sai lệch • Khi e > 0 Sign(e) = 1 , u = B = U max • Khi e < 0 Sign(e) = -1 , u = -B = U min 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 được thể hiện như sau: Lúc bắt đầu điều chỉnh (0 ÷T 1 ), y < x , e = x-y > 0 ta có tác động điều chỉnh u = U max Khi t = T 1 thì y ≥ x, e = x - y ≤ 0 tác động điều chỉnh u = U min . Nhưng do quán tính y tiếp tục tăng sau đó mới giảm cho tới thời điểm T 2, e = 0 và tác động điều chỉnh u = U max. Nhưng y vẫn tiếp tục giảm xuống theo quán tính rồi sau đó mới tăng lên đến T 3 thì y > x tác động điều chỉnh u = U mim quá trình cứ lặp đi lặp lại như vậy. Do tác động có 2 vị trí là U min và U max nên quá trình điều chỉnh mang tính tự dao động xung quanh giá trị chủ đạo x. Chất lượng của quá trình điều chỉnh được đánh giá bằng hai tham số : Biên độ dao động : 2 minmax yy − =∆ Sai lệch dư : 2 minmax· yy x + −= σ 41 Hình 3-1 : Quy luật điều chỉnh 2 vị trí 3.1.1.2 Quy luật điều chỉnh 3 vị trí: Quy luật điều chỉnh 3 vị trí có mức độ tác động khác nhau là U max ,U min và U tb . U max sẽ tác động khi sai lệch e lớn, nó nhằm mục đích nhanh chóng đưa hệ về trạng thái cân bằng. Tác động của U tb và U min quy định chất lượng của quá trình điều chỉnh ở trạng thái xác lập, Phương trình như sau: U = B Sign(e) Trong đó : B là tác động điều khiển, Sign(e) là lấy mẫu của sai lệch • Khi e > a, y < x - a Sign(e) = 1 u = B = U max • Khi ae ≤≤ 0 , 0 ≤ x- y ≤ a Sign(e) = 0 u = U tb • Khi e < 0, y > x Sign(e) = -1 u = -B = U min Khi bắt đầu làm việc sai lệch tĩnh rất lớn lúc đó e>a, đối tượng sẽ được nhận tác động là U max vì vậy hàm y tăng rất nhanh, tới thời điểm t 1 , 0 < e < a đối tượng được điều chỉnh nhận được u = U tb , hệ thống chuyển trạng thái từ U tb sang U min , từ thời điểm này trở đi quá trình điều khiển sẽ tạo ra một giá trị xác lập giống như điều chỉnh 2 vị trí 42 U max U min T 1 T 2 T 3 T 4 x y y max t t u y min x U max -U min u e với mức tác động giữa U tb và U min . Ta xét tại mỗi thời điểm thực chất quy luật điều chỉnh 3 vị trí giống như 2 vị trí, nhưng có mức tác động U max , U tb và U min chất lượng điều chỉnh 3 vị trí tốt hơn 2 vị trí (thể hiện ở thời gian quá độ, biên độ dao động ở trạng thái xác lập). Hình 3-2 : Quy luật điều chỉnh 3 vị trí 3.1.1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi : Nếu chúng ta nối tiếp thiết bị điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi sẽ được một hệ thiết bị điều chỉnh vị trí với cơ cấu chấp hành không đổi. Cơ cấu chấp hành thường là động cơ một chiều và thường được coi là một khâu tích phân có hàm truyền là : 1 c T s với T c là hằng số thời gian chuyển dịch của cơ cấu chấp hành từ vị trí giới hạn đầu đến vị trí giới hạn cuối Quy luật điều chỉnh vị trí cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi được mô tả bằng phương trình: ( ) esign Tdt du c 1 = 43 Giả thiết hệ thống sử dụng bộ điều chỉnh 2 vị trí thì quá trình được diễn dải như sau: Hình 3-3 : Quy luật điều chỉnh hai vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi • e > 0 sign(e) = 1 c Tdt du 1 = • e < 0 sign(e) = -1 c Tdt du 1 −= Nếu ta chọn được T c thích hợp (phù hợp với quy luật điều chỉnh) chất lượng quá trình điều chỉnh sẽ tốt hơn so với điều chỉnh 2 vị trí, giá trị đầu ra sẽ được điều chỉnh phù hợp hơn, khi ở trạng thái cân bằng quá trình dao động sẽ nhỏ hơn Nhìn chung quá trình điều chỉnh vị trí theo phương án trên đều xẩy ra tự dao động, như vậy cơ cấu chấp hành sẽ làm việc liên tục. Để khắc phục nhược điểm này người ta có thể sử dụng thiết bị điều chỉnh 3 vị trí có vùng không nhạy (vùng chết) và được mô tả bằng phương trình sau: • Khi e > a, y < x – a, Sign(e) = 1, u = B = U max • Khi e > 0, e < a, 0 ≤ x- y ≤ a Sign(e) = 0, u = U tb • Khi e < 0, y > x Sign(e) = -1 u = -B = U min 0 0 u y x t 1 t 2 t 3 t u t u 44 Hình 3-4 : Quy luật điều chỉnh ba vị trí có vùng không nhạy Rơle 3 vị trí tương ứng với 3 trạng thái của cơ cấu chấp hành, quay thuận, dừng và quay ngược. Nếu sai lệch lớn hơn a thì rơle tác động điều chỉnh quay thuận tăng tín hiệu vào của đối tượng điều khiển và y tăng lên cho tới khi sai lệch -a ≤ e ≤ a , máy điều chỉnh đưa ra tín hiệu bằng 0 động cơ dừng làm việc, từ thời điểm t 1 tác động điều chỉnh được giữa cố định bằng u 1 từ đó có thể xẩy ra hai trường hợp : • Giá trị u 1 đã đảm bảo cho y chỉ dao động trong khoảng từ x-a đến x+a thì lúc đó quá trình điều chỉnh được xem như kết thúc tại t 1 • Giá trị lượng ra y vẫn lớn hơn giá trị x+a động cơ đảo lại chiều quay để thay đổi u từ u 1 đến u 2 sao cho tín hiệu ra nằm trong khoảng từ x-a đến x+a như từ thời điểm t 3 trên hình 3-4 3.1.2 Phương pháp đa thức đặc trưng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính 45 x+a x x-a 0 t u t 0 y u 1 u 2 t 1 t 3 t 2 Phương pháp hệ số suy giảm (Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được) dựa vào đa thức chuẩn bậc 2 được nghiên cứu đầy đủ để tổng quát cho bậc cao hơn. 3.1.2.1 Xét hệ bậc hai Giả sử hệ bậc 2 có hàm truyền ( ) 2 0 2 2 0 2 W s s s ω ξω ω = + + ξ : hệ số suy giảm 0 ω : tần số riêng Khi hệ số suy giảm thay đổi, làm chất lượng của hệ thay đổi, khảo sát chất lượng của hệ khi ξ thay đổi bằng Simulink ta có kết luận: ξ càng nhỏ độ qúa điều chỉnh càng tăng lên. Ta có : 20 2 1 4 aa a = ξ 3.1.2.2 Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được cho hệ cao Giả sử hàm truyền của hệ có dạng: ( ) 0 1 1 0 asasa a sW n n n n +++ = − − Ta dùng hệ số tập trung như sau: 111 2 21 20 2 1 20 11 0 1 1 1 2 1 1 1 0 0 2 2 1 1 31 2 2 2 20 2 1 1 ; ; ; ; ; , − − − − − − =====⇒ === === n n n n n nn n n aa a aa aa an a a a a a aa a aa a aa a ω ω α ω ω αα ω ω ωωω ααα Cho một số đặc trưng ω 0 và hệ số suy giảm α lấy cố định. Vậy ta tính được các thông số khác như sau: 46 1 2 0 210 0 2 1 20 2 1 0 1 1 1 0 0 2 , ωαω αωω ωω = === == aaa aa aa a a a a a Thông thường ta chọn a 0 = 1 và a 1 =1 3 0 3 3 2 0 1 2 1 0 0 0 11 1 − − − − − = = ==⇒= ωα ωα ω ω a a a aa Vậy ta có: ( ) k kk k k k a − −− = = 0 2/1 0 ωα ωαω Chú ý: Khi cho cùng 1 số hệ số α cho các giá trị n khác thì chất lượng của hệ thống thay đổi, n càng lớn thì thời gian hàm quá độ lần đầu tiên đạt xác lập càng nhỏ. Hệ số α có tính chất của hệ số suy giảm, khi α càng bé hệ dao động càng mạnh, α < 1,5 hệ trở lên mất ổn định, α nhỏ độ quá điều chỉnh σ% lớn. Lượng quá điều chỉnh quan hệ với α theo công thức kinh nghiệm Lg(σ%)=4,8 – 2α (*) Thời gian quá độ đạt cực đại 0 1 0 % 2,2 2,2 a a t == ω σ Bảng tính sẵn một số giá trị σ% theo α α 1,6 1,75 2 2,4 σ% 40 20 6 1 Người ta thường chọn α > 1,6 3.1.2.3 Xét ảnh hưởng của tử số hàm truyền Giả sử hàm truyền kín của hệ có dạng: 47 ( ) 0 1 1 0 1 1 ' '' asasa asasa sW n n n n m m m m +++ +++ = − − − − Khi m tăng thì σ% tăng và σ t giảm, để có chất lượng σ % cho trước người ta dùng hệ số hiệu chỉnh như sau: • Xét khi tử số hàm truyền có dạng bậc 1 ( ) 0 1 1 01 '' asasa asa sW n n n n +++ + = − − (**) ( ) 1 0 0 0 0 ' ' ' 5,1 ' 45,1' a a = −+= ω α ω ω α (***) Khi thiết kế α’ được xác định theo mẫu số của (**) sau đó dùng công thức (***) để xác định lại α rồi xác định lượng quá điều chỉnh theo công thức (*) Thời gian quá độ được tính:         −= 00 '4 11 2,2 ωω σ t • Khi tử số hàm truyền có dạng bậc 2: ( ) 0 1 1 01 2 2 ''' asasa asasa sW n n n n +++ ++ = − − Ta có : ( )         −= == −+= 00 20 1 2 1 0 0 2 0 2 0 3 ' 11 2,2 '' ' 4, ' ' ' 5,1 ' 6,15,1' ωω ξω α ω ω ξα σ t aa a a a 3.2. Sơ đồ khối hệ thống 48 Trên hình 3- 5 là sơ đồ khối tổng quát mạch điện điều khiển nhiệt độ lò nung, trên sơ đồ có hai mạch vòng điều khiển. Mạch vòng thứ nhất là mạch vòng ổn định lưu lượng dầu FO, bao gồm khối so sánh tín hiệu đặt giá trị lưu lượng dầu và tín hiệu phản hồi Uy 1k , máy điều chỉnh (MĐC), động cơ chấp hành (CH), van dầu (VAN), sensor đo lưu lượng (Sensor LL) và khối khuếch đại tín hiệu. Hình 3-5 Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lò Mạch vòng thứ hai là mạch vòng điều chỉnh lưu lượng gió nóng tìm cực trị kiểu bước, bao gồm khối so sánh (SS) , khối logic (LG), máy điều chỉnh (MĐC), động cơ 49 Hiển thị giá trị thực LG KĐ Sensor LL MĐC CH KĐ MĐC GN T FL CH VAN Sensor nhiệt VSL yk U 1 y 1k Uy 1k X 1k Y 1k X 2k Y 2k Uy k+1 Uy k Hiển thị giá trị đặt Báo động VAN t 0 LL (-) SS Sensor tốc độ (-) chấp hành (CH), van gió (VAN), sensor đo nhiệt độ (Sensor nhiệt), sensor đo tốc độ (Sensor tốc độ) khối khuếch đại tín hiệu (KĐ), bộ phát lệnh (FL), bộ ghi nhớ (GN) và khâu trễ (T). Ngoài hai mạch vòng chính còn bộ vi xử lý (VXL) để hiển thị giá trị nhiệt độ đặt, nhiệt độ đo, tín hiệu báo động khi nhiệt độ tăng quá hoặc thấp quá giá trị đặt,và điều chỉnh giá trị đặt lưu lượng khi thay đổi năng suất. lò nung được coi như một khâu có đặc tính cực trị. 3.3. Mạch vòng ổn định lưu luợng dầu Sơ đồ khối của mạch vòng ổn định lưu lượng dầu như hình 3-6. Để đưa nhiệt độ lò đến nhiệt độ mong muốn cho từng vùng của lò, ta đặt giá trị lưu lượng dầu ổn định ở giá trị điện áp U 1 (được nhập vào qua bàn phím), giá trị này so sánh với tín hiệu phản hồi Uy 1k được lấy từ sensor đo lưu lượng dầu qua bộ khuếch đại đưa về, ta nhận được sai lệch ∆y 1k ∆y 1k = U 1 – Uy 1k Sai lệch này được máy điều chỉnh (MĐC) xử lý điều khiển động cơ chuyển dịch đóng mở van dầu. 50 KĐ s.sơ LL MĐC CH U 1 y 1k Uy 1k X 1k Y 1k VAN LL (-) Hình 3-6 [...]... chế độ làm việc của hệ Trong quá trình làm việc do ảnh hưởng nhiễu của phụ tải, khối logic điều khiển duy trì hệ làm việc ở vùng cực trị 3.6 Kết luận chương 3 74 • Trong chương này đã phân tích và đưa ra sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị • Đã đưa ra sơ đồ khối điều khiển tuyến tính có vùng không nhạy mạch vòng ổn định lưu lượng dầu • Thiết kế bộ điều khiển thích nghi theo... 3-11 là kết quả tín hiệu ra khi không có tín hiệu điều khiển, hình 3-12 là kết quả tín hiệu ra khi tín hiệu điều khiển lớn hơn mức ngưỡng c, hình 3-13 là kết quả khi tín hiệu điều khiển nhỏ hơn mức ngưỡng -c và hình 3-14 là kết quả khi tín hiệu điều khiển mằm trong mức ngưỡng Đường 1 là tín hiệu ra của 4011 số I, đường 2- tín hiệu ra của 4011 số II, đường 3- xung nhịp, đường 4- tín hiệu điều khiển 1... mạch vòng điều khiển lưu lượng không khí, đã đưa ra phương án và thiết kế phần cứng bộ điều khiển theo ý tưởng đề ra và đã tiến hành chạy mô phỏng từng phần và cả bộ điều khiển trên phần mềm MUTIL SIM-8, các kết quả mô phỏng chứng tỏ chất lượng của bộ điều khiển đạt như mong muốn Việc tính chọn các thiết bị dùng các vi mạch đảm bảo độ tác động nhanh và tin cậy, giảm kích thước của bộ điều khiển, trong... BA6209 điều khiển động cơ quay dịch ngược van một bước ∆x (theo chiều đóng van gió ) Nếu: -c < ∆yk < c đầu ra U5B ở mức thấp, đầu ra 4011 số I ở mức cao, đầu ra của U6C luôn ở mức thấp nên đầu ra của 4011 số II ở mức cao vì vậy đầu ra không có tín hiệu điều khiển, động cơ không quay Sau khi nghiên cứu, thiết kế mạch điện tạo mức ngưỡng đã thực hiện được yêu cầu điều khiển của bộ điều khiển Kết quả... logic có đủ độ rộng và có thể điều chỉnh được ta thiết kế Xung điều khiển mạch dãn xung, hình 3-15 là sơ đồ mạch điện dãn xung Khi không có tín hiệu của xung điều khiển hoặc xung nhịp hoặc cả hai tín hiệu không có, đầu ra của 4011 ở mức Xung nhịp 60 cao « H », đầu ra 3 của vi mạch 555 ở mức thấp « L » (đầu ra điều khiển BA6209) Khi có tín hiệu của xung nhịp và xung điều khiển đầu ra của 4011 ở mức thấp,... vậy ta có hàm truyền của van là W (s) = 1 30 × 25 Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển là Hình 3-18 • Ta đi thiết kế máy điều chỉnh cho cơ cấu chấp hành động cơ một chiều có hàm truyền là Wdt (s)= 13.08 0.0008s + 0.05139 s + 1 2 Dùng phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được ta thiết kế đựợc máy điều chỉnh là PI bằng chương trình sau: %Chuong trinh thiet ke bo dieu khien k=input('Moi ban... H », khi xung điều khiển mất đầu ra 3 của 555 vẫn ở mức cao, thời gian trễ của xung ra τ = R1.C1 VCC 12V VCC 8 Xung điều khiển 500KΩ _LIN Key = A D1 1 GP30K R1 50% VCC 4 4011BP_10V 5 Xung nhịp C1 4 TRI 5 Xung ra THR CON OUT 3 6 DIS 2 2 7 6 3 U1A RST U2 LM555CM GND C2 1 0.1uF-POL 2.2uF-POL 0 Hình 3-15 Điều chỉnh R1 ta có thể điều chỉnh độ rộng của xung ra.Với yêu cầu thiết kế bộ điều khiển chọn thời... 500KΩ Kết quả chạy kiểm tra thử trên phần mềm multisim – 8 được thể hiện trên hình 3-16, đường 1 mô phỏng xung điều khiển, đường 2- xung nhịp, đường 3- xung ra 555 1 Xung ĐK 3 2 61 Xung nhịp Xung ra Hình 3-16 Như vậy để điều chỉnh độ rộng của xung ra ta điều chỉnh biến trở R 1, hay chính là điều chỉnh độ lớn của bước ∆x Mạch khuếch đại công suất cần hai ngõ vào điều khiển (5 và 6), như vậy ta thiết kế. .. không đi sâu nghiên cứu mạch vòng và mạch điều chỉnh này, mà đi sâu nghiên cứu mạch vòng thứ 2, mạch vòng điếu chỉnh lưu lượng gió tìm cực trị kiểu bước.Khi lưu lượng dầu cố định mạch vòng thứ hai có nhiệm vụ tự động điều chỉnh lượng gió để nhiệt độ của lò đạt cực đại 3.4 Thiết kế bộ điều khiển lưu lượng khí theo phương pháp bước 3.4.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước 52 Với... VEE Hình 3-10 Khi không có tín hiệu điều khiển ở cả hai đầu ra của 4011 đều ở mức cao, máy điều chỉnh không tác động, động cơ không quay Khi có tín hiệu điều khiển và có xung nhịp, Nếu: ∆yk > c > 0 đầu ra của U5B ở mức cao đầu ra của 4011 số I ở mức thấp, đầu ra U8A ở mức thấp, đầu ra U5B ở mức thấp, đầu ra 4011 số II ở mức cao, đầu ra có tín hiệu cho BA6209 điều khiển động cơ quay dịch thuận van một . CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1. Giới thiệu một số phương pháp thiết kế bộ điều khiển Có rất nhiều cách thiết kế bộ điều chỉnh khác nhau. Sau đây là một số cách thiết kế điển. đầu ra không có tín hiệu điều khiển, động cơ không quay. Sau khi nghiên cứu, thiết kế mạch điện tạo mức ngưỡng đã thực hiện được yêu cầu điều khiển của bộ điều khiển. Kết quả chạy thử mạch trên. 3-11 là kết quả tín hiệu ra khi không có tín hiệu điều khiển, hình 3-12 là kết quả tín hiệu ra khi tín hiệu điều khiển lớn hơn mức ngưỡng c, hình 3-13 là kết quả khi tín hiệu điều khiển nhỏ