Tài liệu Cơ sở tự động điều khiển quá trình. tái bản lần thứ 2

N G U Y Ễ N VÀN H O À Co sỏ tự động í ( T á i bản lần thứ h ai) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO oục VIỆT NAM Đ ại hội đại biểu toàn quốc ỉần thử IX của Đảng C ộng sản V iệt Nam khẳng định "C ông nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế là nhiệm vụ cấp thiết hàng đầu trong giai đoạn hiện nay của chúng ta". Nói đến hiện đại hoá là phải n ó i đến việc ứng dụng công nghệ hiện đại với các hệ thống tự động hóa ở rniíc đ ộ cao. i ^ g dụng công nghệ hiện đại là bước đầu tiên của công việc h iệ n đại hoá. Nhung hệ thống điều khiển lại là khâu quan trọng cuối cùng quyết định sự thành bại của hoạt động công nghệ. Như vậy để thực hiện hiện đại hoá thi phải kết hợp hài hoà giĩfâ quy trình công nghệ hiện đại với hệ thống (fiểu khiển tự động tiên tiến. Ngày nay. các nhà máy và xí nghiệp còng n g hiệp đưỢc trang bị các hệ thống điểu khiển tự động h mức độ cao với các th iế t bị tiên tiến. H ệ thống điều k h iể n tự động bảo đảm cho sự ho ạ t động của quy trình công nghệ đạt được kết quả m ong m uốn. Cấu trúc các hệ thống điều khiển tự động các quá trin h công nghệ rất đa dạng, nhưng có thể phân thành hai mức: mức thấ p và mức cao. Mửc thấ p là các hệ thống điều chỉnh tự động để bảo đảm m ô i trường cần th iế t cho quy trin h công nghệ. MvYc cao là hệ thống íự động hoá (fiều khiển quy trình công nghệ. Mục đích của hệ th ố n g này không chỉ bảo đảm m ô i trường cần th iế t cho quy trìn h công nghệ mà còn bảo đảm sao cho quy trỉn h công nghệ đạt được chất lượng tố t hhất (điểu khiển tố i ưu). T uy là hệ th ố n g điểu khiển cấp thấ p nhưng các hệ thống điều ch ỉn h tự động đóng vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra m ô i trường cần th iế t ch o quy trin h cõng nghệ. Nghĩa là nó đóng m ộ t vai trò rất quan trọng việc bảo đảm chất lượng hoạt động của quy trin h công nghệ. N ghiên ciAi hệ thống điểu khiển quá trìn h trước hết phải nghiên cứu các hệ th ố n g đ iề u chỉnh này. Đ ể trang bị cho sinh viên và các kỹ sư công nghệ những kiến thứ c cơ bản về hệ thống điểu khiển quá trình chúng tô i b iê n soạn cuốn sách "Cơ sở tự đ ộ n g điều k h iể n quá t r i n h ”. C uốn sách gồm h a i p h ầ n chính; P H Ầ N 1. L Ý T H U Y Ế T Đ !ỂU K H IỂ n T ự Đ Ộ N G T U Y Ế N T ÍN H i C hư ơ ng 1: K hái q u á t chung về điều khiển C hư ơ ng 2: Mô tả động học hệ thống C hư ơ ng 3: Khảo sát tín h ổn định của hệ thống điểu chỉnh tự động C hư ơ ng 4: Đánh giá châ^t lượng quá trìn h quá độ P H Ẩ N 2. H Ệ T H Ố N G Đ IỂ U C H ỈN H T ự Đ Ộ N G C Ô N G N G H IIỆ P C hư ơ ng 5: Đôì tượng điểu chỉnh công nghiệp C hư ơ ng 6 : Cảm biến và chuvển đổi đo C hư ơ ng 7: T h iế t bị điểu chỉnh C hư ơ ng 8 : Tổng hỢp hệ thông điểu chỉnh tự động D o thời gian biên soạn ngắn và thời lượng có hạn nên m ặc diù có nhiều c ố gắng, cuốn Cơ sở tự d ộ n g diều kh iể n q u á tr ìn h chắc c h ắ n còn nhiều vấn để cần bổ sung, hoần thiện. M ong bạn đọc g ó p ý xây dựng, m ọi ý kiến xin gửi về địa chỉ; B ộ m ô n Đ iề u kh iể n tự d ộ n g - Đ ại học Bách K h o a H à N ộ i hoặc C ô n g íy C P Sách Đ ại học - D ạ y nghề, 2 5 H à n Thuịỉ/ên, H à NộL TÁC GIÀ _____pýkẩn J ____ Lý thuyết điều khiển tự động tuyến tính Chương 1. Khái quáỉ chung về aỉều khiển 1.1. CÁC K H Á I NIỆM C ơ BẢN T rong h o ạ i động của con người bao giờ cũng có m ộ t mục đích n h ấ t định. Đ ể đạt được m ục đích đó của hoạt động, con người bao giờ cùng phải đánh giá được kế t quả của hoạt động và điều khiển các hoạt đ ộ n g của m in h để đạt được mục đích để ra. Như vậy. bất cứ m ộ t hoạt đ ộ n g nào đều bao gồm các tác động được chia th à n h ba chức năng khác nhau: chức năng công nghệ, chức năng đo lường - kiểm tra và chức năng điểu khiển. Chức năng công nghệ là nhCfrig tác động đáp ứng được vai trò công nghệ của hoạt động. Chức năng đo lường k iể m tra là đánh giá kết quả hoạt động của công nghệ. ChCte năng đo lường - kiểm tra sẽ bảo đảm ch o chức năng đổi trạng thái của hệ thống trước và sau khi có tác đ ộ n g của X được b iể u diễn trên hinh 1.5. K h i chưa có sự tác động của X th ì hệ th ố n g à trạ n g thái xác lập, tín hiệu đại lượng cần điều khiển kh ô n g thay đổi, Tiừtthcrt điểm 0, khi có tác động của X, trạng thái cân bằng của hệ thống b ị ]phá vỡ, hệ thống chuyển từ trạng thái cân bằng sang trạng thái quiá độ. T B Đ K íạo tác động điểu khiển bắt Đ T Đ K phải vận động để giá ttrị đại lượng cần điểu khiển y thay đổi tiến tới bằng giá tr ị chủ đạo X. K h ii hệ thống đạt đến trạng thái cân bằng mới thì quá trìn h quá độ kết thiúc- 10 K h i hệ thò ng ch ịu tác động của nhiễu phụ tải z có sơ đồ khối được m ỏ tả trên hình 1.6 a và đổ th ị biểu diễn sự thay đổi trạng thái củd nó được m ô tả trên h ìn h 1.6b. Từ thời điếm 0 trở về trước chưa có tác đ ộ n g của z nên hệ thố ng ở trạng thái cản bằng, Từ thời điểm 0, hệ th ố n g ch ịu tác động của nhiễu z, trạng thái cân bằng cíia nó bị phá vỡ. G iá trị sai lệch khác không, thiết bị điểu khiển tự động tạo tác động lên đ ố i tượng để đifa hệ thống trở về trạng thái cân bằng ban đầu. K hi hệ th ố n g trở về trạng th á i ban đầu thì quá trình điều khiển kết thúc. O i W • e ĐTĐK TQX^l/ ItìOK a) Hình 1.6. Hộ thống dưdl tóc động củ a nhlểu phụ tài z a ) So đổ khối cđu trủc; b) Đổ th| thay dổl trạng thài 1.2. PHÂN LO ẠI HỆ THỐ NG ĐlỀU C H ỈN H T ự ĐỘNG Trưàc hết. ta p h ả i n ó i đến khái niệm điều chỉnh. C ó th ể n ó i hân thành hệ thống điều khiển theo chương trình (H C T ) và hệ th ố n g 'điều khiển bù ỉih iễ u (HBN). Sơ đố khối hệ thống điểu khiển theo chương trìn h được m ô tả trên hình 1.8. T ín hiệu tác động điều khiến được ph á t theo chương trình đ ịn h sẵn tro n g T B Đ K sao cho đối TBĐK u ĐTOK tượng điểu khiển vận đ ộ n g theo đúng chưcfrỉg trình này. Như vậy. Hình 1.8. Sơ d ổ khổi hộ thống diểu khiển chương trình T B Đ K chỉ việc ph á t tín hiệu điểu khiển the o chương trin h này mà không cần quan tâm đến sự vậ n c5ộng của đ ố i Đ T Đ K . H ệ th ố n g điều khiển này sử dụng phương thức điều khiển theo chương trin h . Sơ đồ khối hệ th ố n g điều khiển bù nhiễu được m ô tả trẽ n Ihinh 1.9. H ình 1.9a là sơ đổ k h ố i của hệ thống điều kh iể n bù nhiễu phiụ tải z. Mục đích của điều kh iể n là giữ cho đại lượng cần điều khiển y không thay đổi khi có tác động của z. H ệ thống này cò n được gọi là h ệ th ố n g điều khiển bất biến u = f(z} bảo đảm sao cho y = const. Sơ đổ h ệ th ố n g điều khiển bù nhiễu đặt trước được m ô tả trên h ln h 1.9b. T h iế t bị điểu khiển tạo ra tác động điều khiển u theo tác động của X; y = f(x) để: bảo đảm sao cho y = X. a) b) Hình 1.9. So dổ khối hộ thống điểu khiển a) Bù nhiễu phụ tài; b) Bù nhiễu đột trưdc 14 l ỉ ệ thống đieu k h iể n bù n h iễ u còn được gọi là hệ th ố n g điều khiển tru yể n thẳng. Lfu điểm của các hệ thống điểu khiển này là tốc độ tác đ ộ n g nha n h vì tác động điểu khiến hình thành ngay khi có nhiễu, do vậy ch ấ t liíợng điểu khiển cao. T uy nhiên, các hệ th ố n g bù nhiễu trong cô n g n g h iệ p ít được sử dụng vi phần lớn các nhiễu phụ tải trong công n g h iệ p khóng đo được, đổng thời do khi điéu khiển không quan tâm đến kết qiiả của điều khiển nên không thể bảo đảm được đầy đủ chất ượng m ong m uốn của quá trìn h điểu khiển. H ệ thố ng điều khiển được sử dụng rộng rãi tro n g công nghiệp là hệ th ố n g kín. Đ ây là hệ thố ng mà giá trị đại lượng cần điều khiển được sử dụng tro n g quá trin h hình thà nh tác động điều khiển u. Phương thức điều khiển ở đèy là phương thức điểu khiển th e o sai lệch m à sơ đồ khối của n ó được m ô tả trên hình 1 .1 0 . D o tác động điều khiển được hình thà nh ngay sau khi có giá trị sai lệch giCte tín hiệu chủ đạo v/à tín hiệu thực của đại lượng cần điều khiển, vi vậy nó bảo đầm cho giá trị đại ượng cần điều khiển y luôn luôn bằng tín hiệu chủ đạo X, khòng phụ th u ộ c vào sự tác động của X hay z. TBĐK u ĐTĐK Hình 1.10. So đổ khổl hộ ỉhồng điéu khiển tụ dộng kín Phụ thuộc vào đặc tín h của X mà hệ thố ng điều kh iể n theo sai lệch điíỢc ch ia thành ba loại: hệ th ố n g điểu chình ổn đ ịn h (HEXD), hệ ứ iống điều khiển th e o chưcttig trìn h (H C T) và hệ ứ iống theo d õ i (HTD). Mục đích của H Đ O là giữ c h o đại lượng cần điều c h ỉn h y ồn đ ịn h ở m ột giá trị n h ấ t đ ịn h không đổi X => const. T ro n g H C T giá tr ị chủ đạo X thay đổi th e o m ộ t chương trìn h cần th iế t và hệ th ố n g điều khiển phải bảo đảm sao cho y phải chạy bám theo chương trìn h X. V ớ i H T D bài toán điều khiển phức tạp hơn. T ro n g hệ thống này, tín hiệu chủ đạo không biết trước. M ục đích của điểu khiển sao cho Đ T Đ K bám theo m ột đại lưgmg đích tồ n tại khách quan nhưng có th ể xác đ ịn h được thông qua m ột hệ th ố n g th iế t bị đo (TBĐ). Lấy ví dụ, hệ th ố n g điều khiển pháo 15 cao xạ phẳi bảo đảm sao cho nòng pháo bám the o m áy bay ờ m ộ 't cự ly nhất đ ịn h nào đỏ để kh i phát hoả viên đạn nhắm đúng m áy b a y . Sơ đồ khối của H T D được m ô tà trên hinh 1.11. T ro n g hệ thống iđìều khiển pháo cao xạ, đại lượng đích ià máy bay. T B Đ là hệ th ố n g ra d a r để xác định phương vị của mảy bay. Đ ối tượng điều khiến là hệ thiòng pháo cao xạ. T h iế t bị điều khiển phải bảo đảm sao cho p h á o phải tbám theo máy bay với cự ly cần thiết để bắn trúng mục tiêu. Đại lương đích Hỉnh 1.11. So đố khối hệ thống diếu khiển ỉự động theo dõi Các hệ thống điều ch ỉn h đặc biệt (HĐB) lã sự ph á t triế n c ủ a Lý thuyết Đ iều khiển tự động nhằm nâng cao chất lưcừig củd quá ttrinh điểu khiển. Các hệ th ố n g đặc biệt được chia th à n h ba loại; hệ th ố n g điều khiển cực trị (H C T). hệ thống ti/ chỉnh (H TC ) và hệ th ố n g t ố i ưii (H TU ) mà sơ đổ được m ô tả trên hình 1.12. Hệ thống điều khiển cực trị được sử dụng khi Đ T Đ K có cực trị và yêu cầu đại lượng cần HCT điểu khiển luôn luôn tồ n tại ớ điếm cực trị, Sơ đồ k h ố i của hệ Hình 1.12. So đổ phân loợl hệ thiống thống điểu khiển cực trị được mô điểu chỉnh dặc biệt tả trên hình 1.13. H ệ th ố n g này ngoài cấu trúc của hệ thống thông thường gốm hai thành phần là T B Đ K và Đ T Đ K còn có tthêm thành phần thử ba là th iế t bị tìm cực trị (TCT). Chức năng của thiiết bị T C T !à bảo đảm cho tin hiệu chủ đạo X luôn luôn tồ n tại à điếm c iụ t trị của đối tượng. D o đó, T B Đ K bảo đảm cho trạng thái của đối tiượng luôn iuòn tồ n tại ở cực trị. Hình 1.13. Sa đó khối hộ thống diểu khiển tự dộng kín 1( ' Bước phát triể n tiế p theo cúd Lý thuyết Đ iều khiến tự động là sử dụng hệ thống tự ch in h định th ó n g số hoặc cấu trúc của T B Đ K . Sơ đổ k tó i của hệ ĩh ố n g tự ch ỉn h định được m ô tả trên hình 1.14. N goài cấu tr ic như hệ th ố n g th ô n g thưởng, tro n g hệ thống T C Đ còn có thêm thánh phần thứ ba là th iế t bị tư chình định (TTC). T h iế t bị tự chình thu tháp tất cả các th ô n g tin cần th iế t về hệ thống. T ừ những thông tin thu thảp được nó sẽ p h á i hiện ra nhcmg sự thay đổi tro n g hệ thống và tiến hành nhCfng sự thdy đ ổ i cẩn thiết vể cấu trúc hoặc thông số của TB Đ C bẳD đảm sao ch o kết quả điều khiển đạt được mục đích m ong m uốn. Hình 1.14. $ợ khối hệ thống điêu khiển tự dộng kín H ệ thống điều khiển tối ưu là bước phát triể n cao nhất của Lý thuyết Đ iều kiẩn tự động. Sơ đồ k h ố i cấu trúc của nó được m ô tả trên hìr.h 1 .1 5 . T h iế t bị điều khịển à đây là T B Đ K tố i ưu (TBĐKTƯ ). Dựa trẽn thuật toán tố i ưu và thông tin nhận được về hệ thống, T B Đ K T Ứ sẽ xử lý và tạo ra tác động điều khiển cần th iế t để bảo đảm cho quá trình điểu khiển đạt được chỉ tiêu tố i ưu m ong m uốn. Thuộí to ỏ n tố i ưu TBĐKTƯ u ĐTĐK Hình 1.15. So đổ khối hệ Ihổngđiếu khiển féi ưu 1.3. VÍ DỤ VỀ HỆ TH Ố N G ĐíỀU KHIỂ n T ự ĐỘNG TUYỂN T ÍN H TH Ô N G THƯỜNG Nếu xét tổn g thê’ thì các hệ thống điểu c h ỉn h tro n g công nghiệp đều iằ phi tuyến tín h . Tuy nhiên nếu ta xé t các hệ th ố n g đó trong (Tiều 17 r C S ÌW )K Q TR IN H A kiện giá trị đại lượng cần điều khiến kh ò n g thay đ ố i X = const (H fi> 0 ) vã tác động điểu khiển bảo đảm giá trị đại lượng cần điểu kh iế n V t đ ố i tr o n g v iin g lã n c ậ n c ủ a X th i n h iề u h ệ th ố n g t r o n g c ô n g n g h i ệ p c ó thế xem là luyến tính (thực chất là hệ tuyến tính hoá). T ro n g phần nòy, ta xé t m ột ví dụ cụ th ế !à hệ th ố n g điều chỉnlh lự động tốc độ động cơ điện m ột chiểu kích từ độc lập. D ộng cơ điện jm ột chiểu là thiết bị chuyển đ ổ i năng lượng điện m ộ l chiểu thành măng lượng cơ học của chuyển động quay. Cấu tạo của n ó gồm hai p h ầ n : ro to và stato. R oto hay cò n gọi !à phần ứng của động cơ gồm các V'òng clâv gắn với cãc thanh góp của cổ góp và chổi th a n để chuyến m iạch điện từ vòng dây này sang vòng dây khác khi ro to quay. S tato tủ d động cơ có hai cuộn dây được n ố i với nguồn điện m ộ t chiếu tạo nẽin từ trường m ột chiều cua m ạch stato. Dựa vào m ố i tương quan giữa iro to và btato mà động cơ được phân thành ba loại: động cơ điện m ột chiểu kích từ độc lập, động cơ điện m ột chiểu kích từ song song và động cơ điện m ột ctũều kích từ n ố i tiếp. T ro n g hệ thống đĩểu khiển mà ta khảo sát. đối tLÍỢng điểu kh iể n là động cơ điện m ộ t chiéu kích từ độc lập. nghĩa là động cơ có nguồn đĩện kích nguyén lý cđu tọo động c <0 một chiểu từ và nguốn điện phần ứng độc lập nhau. Sơ đổ đặc trưng nguyên lý cấu tạo của động cơ điện m ột cíniểu kích từ độc lập được m ô tả trê n hinh 1 .1 6 . S tato của động cơ được nối với nguồn điện kích từ U|„ lạ o nên từ Irường m ộ t chiều. K h i ro to của động cơ được n ố i với nguồn điện m ộ t chiéu u ih ì vò n g dây có thidnh góp tiế p xúc với chối th a n sẽ có dòng điện chạy qua lạ o th à n h từ trường ro to tác động với từ trường stato làm quay ro to , R oío quay liên tục do các thanh góp luân phiên nhau tiế p xúc với chổi than để cấp điện cho các vòng dây k ế tiế p nhau tro n g ro to . T u y nhiên ro to miuôn lịU d v c ĩư ơ c m o m ,m cơ th ì học. m om cn đ iê n t ừ g iữ a ro to và s ta to Ị> h ả i th o n g điíỢ c M đật lòn ro to tủ a động cơ. 0 trạng thdi xác lộp, khi đ ộ n g cơ quay vỡi tốc độ khống (.ĩổi N(, ditói tác động củd điện áp phần vrtig Ur; thì trang thái cúd động cơ được m ò tá bang phifcfng trình: U q = R.l,) + K| ..No T ro n '3 đó+ R Id điện trớ phdn ífng của động cơ: + 1„ Iđ cường độ dòng điện chạy trong ro to cúa đ ộ n g cơ; + <1> là cường độ từ trường stato do nguổn điện kích từ U|^, tạo nên-, -t- K| là hệ bố tý lệ. Quá trin h chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học của chuyến động quay được m ô tả bằng phương trin h căn bằng điện cơ : K.>. = M T ro n g đó. Kv là hệ số tỷ lệ. Đ ố i tượng điểu ch ỉn h là động cơ điện m ột chiều kích tử độc lập (thực tế khòng xét riêng động cơ mà xét động cơ nằm trong hệ truyền động), đại lượng cần điều ch in h là tốc độ cúa động cơ. T ốc độ của đ ộ n g cơ phụ thuộc vào ba tác động từ bên ngoài !ên động cơ là điện á p đặt Vdo p h ầ n ứng động cơ u . điện á p đật vào m ạch kích tử động cơ U^, và m om en cơ học đật lèn ro to của động cơ M .. Như vậy, đc điều c h ỉn h tố c đ ộ đ ộ n g c ơ c ó th ể sử d ụ n g tá c đ ộ n g đ iề u k h iể n là đ iệ n á p đ ặ t vào phẩn ífng hoặc điện áp đặt vào mạch kích từ của động cơ. Tuy n hiên, tro n g thi/c tế tác đ ộ n g điều khiến được sử dụng nhiểu nhất là th a y đổi điện áp đật ưào phẩn ífng cua động cơ. Đ ể điều khiển được tố c đ ộ của động cơ phải thay đ ổ i được giá trị đ iệ n áp m ột chiểu cấp ch o mạch phần ửng của động cơ. C ó ba phưcỉng pháp để thay đổi giá trị điện áp m ột chiều là; sử dụng máy p h á t điện m ột chiều, sử dụng máy điện khuếch đại từ trường ngang và [ĩiạch chỉnh lull điểu khiển dùng thyristor. Như vậy có ba hệ thống điểu 19 khiển tốc độ động cơ điện m ột chiều là; hệ th ố n g máy ph á t đíện rnột chiểu - động cơ (M |^ - D), hệ thống m áy điện khuếch đại - độriỊg cơ {M ko - D) và hệ Ih ố n g th y ris to r động cơ {T - D). ớ đây. ta chỉ xéit hệ Mpí- - D. Máy phát (fiện là th iế t bị chuyển năng lượng cơ học th à n h nãng lượng điện có sơ đ ồ đặc trưng nguyên lý cấu tạ o được m ô tả trê n hình 1.17. Cấu tạo của m áy p h á t điện gồm hai thành phần: ro to và stato. R oto có cấu tạo là các cuộn dây được gắn với các th a n h góp tạo thành cổ góp với chổi tha n để lấy điện áp phát ra. S tato có cấu tạo hai cuộn dây được n ố i với điện áp Hình 1.17. So dổ độc trung cCua kích ,từ U|„ tạo thành từ trường m áy phát điện một chiều m ộí chiểu. R oto được quay với tốc độ không đổi N, dưới tác động của từ trường stato tro n g ro to xuất hiện điện áp cảm ứng được tín h theo công thức: E = K.CD.N T ro n g đó: + K là hệ số tỷ lệ: + cí> là cưcmg độ từ trường của stato do điện áp kích từ U|., tạo n ê n . Như vậy, khi tố c độ quay của ro to không thay đ ổ i thì điện áp phát ra E có th ể thay đổi bằng cách thay đ ổ i í iệ n áp kích từ Uk,. Sơ đổ nguyên !ý cấu tạo của hệ th ố n g điều khiển tố c độ độnig cơ điện m ột chiều kích từ đ ộ c lập hệ Moc - D Phát tốc FT được sử dụng để đ o Rq phát tín hiệu chủ đạo X, biến trở được m ô tả trẽn h in h 1 -1 8 . tốc độ của động cơ D.Biếm trở để hiệu c h ỉn h tương thích giữa tín hiệu tố c độ đo được y và tín hiệu chủ đạo X. K huếch đại th u ậ t toán K T ị là bộ so sánh tín hiệu chủ đạo X vcfi tín hiệu đ o được của đại Kượng cần điều khiển y. T ín hiệu ra của nó ty lệ với giá tr ị sai lệch e » 20 X. - y.