Đề tài Điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch thông qua biến tần

n : Nguyễn Đình Thăng Mã số sinh viên : 20120880 Lớp : Nhiệt lạnh 1-K57 Người hướng dẫn : Ths. Cao Đại Thắng Hà nội - Năm 2015 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: 1. Những nội dung trong đồ án này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Cao Đại Thắng. 2. Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. 3. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà nội, ngày tháng năm 2015 Sinh viên Nguyễn Đình Thăng 2 Mục Lục Lời cam đoan Mục lục Lời mở đầu Chương 1 : Tổng quan về phòng sạch và điều hòa dùng trong phòng sạch..... 5 1.1.Giới thiệu về phòng sạch............................................................................ 5 1.1.1.Áp suất phòng.......................................................................................... 5 1.1.2.Nhiễm chéo.............................................................................................. 5 1.1.3.Độ sạch.................................................................................................... 6 1.2.Điều hòa dùng trong phòng sạch................................................................ 6 1.2.1.Khái niệm về điều hòa không khí............................................................ 6 1.2.2. Sơ đồ nguyên lí....................................................................................... 7 1.3. Hệ thống thông gió trong phòng sạch....................................................... 8 1.3.1. Hệ thống đường ống gió......................................................................... 8 1.3.2. Thiết bị tiêu âm....................................................................................... 8 1.3.3. Các miệng cấp/ hồi khí – Bộ lọc HEPA................................................. 8 1.3.4. Vật liệu bảo ôn cách nhiệt...................................................................... 8 1.3.5. Hệ thống thải khí.................................................................................... 8 Chương 2 : Hệ thống điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch...... 10 2.1. Khái quát về hệ thống điều khiển............................................................ 10 2.1.1. Thành phần cấu tạo chính................................................................. 10 2.1.2. Nhiệm vụ và chức năng........................................................................ 10 2.1.3. Sơ đồ điều khiển................................................................................... 11 2.2. Các thiết bị đo và điều khiển................................................................... 12 2.2.1. Bộ điều khiển PID................................................................................ 12 2.2.2. Biến tần................................................................................................. 16 2.2.3. Cảm biến lưu lượng.............................................................................. 19 3 2.2.4. Thiết bị AHU và Quạt.......................................................................... 23 2.2.5. Sơ đồ kết nối điều khiển....................................................................... 24 Chương 3: Cơ sở lý thuyết............................................................................. 26 3.1. Nhận dạng đối tượng diều khiển............................................................. 26 3.1.1 Đối tượng một đầu ra............................................................................. 26 3.1.2 Đối tượng nhiều đầu ra.......................................................................... 27 3.2. Mô hình hóa đối tượng............................................................................ 30 3.2.1 Đặc tính và mô hình đối tượng trong công nghiệp................................ 30 3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng............................................... 32 3.2.3 Phương pháp mô hình hóa theo đặc tính quá độ................................... 33 3.3. Phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh...................................................... 37 3.3.1 Đặt bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển tối ưu................................. 37 3.3.2 Xây dựng hệ thống bền vững chất lượng cao........................................ 37 3.4. Đánh giá chất lượng bộ điều chỉnh.......................................................... 41 3.4.1 Khái niệm chất lượng quá trình điều khiển........................................... 41 3.4.2 Chất lượng chuyển trạng thái................................................................ 42 3.4.3 Chỉ tiêu tích phân sai số điều chỉnh...................................................... 45 Chương 4 : Lấy số liệu và tính toán cụ thể.................................................... 47 4.1 Xác định mô hình hóa đối tượng............................................................. 47 4.2 Tổng hợp và đáng giá bộ điều khiển....................................................... 51 4 Lời mở đầu Trong những năm gần đây nhu cầu cho thiết kế phòng sạch ngày càng tăng. Do yêu cầu của sản phẩm công nghệ cao như sản xuất máy tính, sản xuất chíp, các bo mạch, công nghệ chất bán dẫn; hay những loại thuốc trong dược phẩm, các thiết bị y tế, phòng mổ trong bệnh viện. Tất cả những phòng này đòi hỏi phải kiểm soát nồng độ hạt bụi, các loại chất ô nhiễm, sự trao đổi không khí ở một mức cho phép để tạo ra một môi trường lí tưởng. Để tạo ra môi trường đáp ứng các yêu cầu của phòng sach, người ta sử dụng điều hòa không khí cho phòng sạch với các đặc điểm, tính năng vợt trội so với điều hòa không khí thông thường. Và nhiệm mới vụ đặt ra sau khi duy trì được các điều kiện trên cho phòng sạch là điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch để tiết kiệm năng lượng một cách tốt nhất. Bằng sự cố gắng nổ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy Cao Đại Thắng, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể ttránh khỏi những thiếu xót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến thầy giáo và các bạn sinh viên để bài đồ án này hoàn thiện hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn thầy Cao Đại Thắng và các bạn sinh viên đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian em làm đồ án . Sinh Viên Nguyễn Đình Thăng 5 Chương 1 Tổng quan về phòng sạch và điều hòa dùng trong phòng sạch 1.1. Giới thiệu về phòng sạch Phòng sạch là một phòng mà nồng độ của hạt lơ lửng trong không khí bị khống chế và nó được xây dựng và sử dụng trong một kết cấu sao cho sự có mặt, sự sản sinh và duy trì các hạt trong phòng được giảm đến tối thiểu và các yếu tố khác trong phòng đều có thể khống chế và điều khiển. Như vậy đối với phòng sạch thường giải quyết năm vấn đề là nhiệt độ, độ ẩm, áp suất phòng, độ sạch và vấn đề nhiễm chéo. *)Những đặc điểm khác nhau chính giữa phòng sạch và ĐHKK thường : 1.1.1.Áp suất phòng Nhiệm vụ chủ yếu là ngăn ngừa không cho không khí, hạt bụi, chất nhiễm trùng; từ phòng, khu vực dơ hơn sang phòng, khu vực sạch hơn. Nguyên tắc di chuyển căn bản của không khí là từ nơi có áp suất cao tới nơi có áp suất thấp. Như vậy, phòng có cấp độ sạch hơn thì có áp cao hơn và ngược lại. Để kiểm soát áp suất phòng thì thường có đồng hồ đo áp suất, khi áp phòng vượt quá sẽ tự động tràn ra ngoài thông qua cửa gió xì. Thường thì những phòng nào có yêu cầu cao mới gắn miệng gió xì. 1.1.2. Nhiễm chéo Để hiểu rõ về nhiễm chéo ta định nghĩa về tạp nhiễm. Tạp nhiễm là sự nhiễm (đưa vào) không mong muốn các tạp chất có bản chất hóa học hoặc vi sinh vật, hoặc tiểu phân lạ vào trong hoặc lên trên một nguyên liệu ban đầu hoặc thành phẩm trung gian trong quá trình sản xuất, lấy mẫu, đóng gói, bảo quản và vận chuyển. Như vậy nhiễm chéo là việc tạp nhiễm của một nguyên liệu ban đầu , sản phẩm trung gian, hoặc thành phẩm với một nguyên liệu ban đầu hay sản phẩm khác trong quá trình sản xuất. 6 Việc nhiễm chéo có cả nguyên nhân bên ngoài và bên trong. Vấn đề nhiễm chéo khá phức tạp đối với các phòng trong nhà máy dược cũng như phòng mổ trong bệnh viện. Các phòng sạch cho công nghệ cao thì ít hơn rất nhiều do chỉ sản xuất 1 loại sản phẩm trong một khu lớn. 1.1.3.Độ sạch Độ sạch của phòng được quyết định bởi hai yếu tố là số lần trao đổi gió hay bội số tuần hoàn (Air Changes per Hour) và Phin lọc. Thông thường đối với điều hòa không khí cho cao ốc văn phòng có thể từ 2 tới 10 lần. Nhưng trong phòng sạch thì số lần trao đổi gió lên tới 20 lần, đặc biệt trong phòng sạch cho sản xuất chíp lên tới 100 lần. Tăng số lần trao đổi gió để làm giảm nồng độ hạt bụi, chất ô nhiễm sinh ra trong phòng. Do vậy kết cấu phòng sạch khác với những cao ốc văn phòng. Với các phòng có yêu cầu cấp độ sạch khác nhau thì số lần trao đổi gió cũng khác nhau. Ví dụ trong nhà máy sản xuất dược phẩm khu vực thay đồ có cấp độ sạch E (cấp màu đen) có áp phòng là +(15Pa), số lần trao đổi gió là 10, trong khi phòng pha chế có cấp độ sạch C có áp phòng +(30Pa), số lần trao đổi gió là 20, phin lọc cấp H12. Phin lọc có nhiệm vụ là lọc bỏ những hạt bụi của không khí trước khi vào phòng. Tùy theo yêu cầu của các loại phòng sạch mà sử dụng phin lọc cho phù hợp. Thông thường với các phòng trong nhà máy dược thì sử dụng loại lọc hiệu suất cao HEPA(High Efficiency Particle Air). Vị trí bộ lọc có thể gắn ngay tại AHU hoặc từng phòng. 1.2. Điều hòa dùng trong phòng sạch 1.2.1.Khái niệm về điều hòa không khí Điều hòa không khí là một ngành khoa học nghiên cứu các phương pháp , công nghệ và thiết bị nhằm tạo ra một môi trường không khí phù hợp với công nghệ sản xuất, chế biến hoặc tiện nghi đối với con người. Ngoài nhiệm vụ duy trì nhiệt độ trong phòng , hệ thống điều hòa không khí còn phải giữ 7 nhiệt độ không khí trong phòng đó ổn định ở một mức độ ổn định nào đó. Bên cạnh đó cần phải chú ý đến độ sạch của không khí, khống chế độ ồn và tốc độ lưu thông hợp lí của dòng không khí. Như vậy, một hệ thống điều hòa đúng nghĩa là hệ thống có thể duy trì trạng thái của không khí trong không gian điều hòa ở trong vùng quy định nào đó, nó không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của điều kiện khí hậu bên ngoài hay sự thay đổi phụ tải bên trong. 1.2.2. Sơ đồ nguyên lí của điều hòa 1- Máy nén ; 2- Bình ngưng ; 3- Dàn lạnh ; 4- Bình tách lỏng ; 5 - Tháp giải nhiệt ; 6 – Bơm giải nhiệt ; 7- phòng 8 1.3. Hệ thống thông gió 1.3.1. Hệ thống đường ống gió Để luân hồi không khí trong hệ thống ta sử dụng hệ thống ống gió làm bằng tôn, có tính chất vật lí tốt như bền, nhẹ không làm ảnh hưởng tới không khí cần luân hồi, tùy thuộc vào kích thước của từng ống mà chọn độ dày khác nhau. 1.3.2. Thiết bị tiêu âm Khi hệ thống hoạt động sẽ tạo ra tiếng ồn, để tiếng ồn không bị di chuyển theo cấp vào các phòng sản xuất ta phải sử dụng biện pháp làm tiêu âm trên dường đi của dòng khí, sử dụng ống gió tiêu âm bề mặt xung quanh bên trong ống có cấu trúc lỗ làm cho tiếng ồn đó bị triệt tiêu. 1.3.3. Các miệng cấp/ hồi khí – Bộ lọc HEPA - Miệng cấp khí HEPA : Trong hệ thống phòng sạch có nhiều khu vực có cấp độ sạch khác nhau. Bởi vậy các HEPA cho các khu vực này cũng có các filter lọc với cấp độ lọc, độ dày khác nhau theo tiểu chuẩn GMP – WHO. - Miệng hồi khí : Với cửa hút trần ta sử dụng cửa hút nan thẳng có màng lọc thô hoặc cửa hút có vỏ bọc kim loại soi nhiều lỗ tròn. Cửa hút chân tường là dùng loại dạng lưới. 1.3.4. Vật liệu bảo ôn cách nhiệt Hệ thống ống gió được làm bằng tôn nên trong quá trình lắp đặt ta cần phải làm kín và cách nhiệt. Ta sử dụng bảo ôn PE dạng tấm xốp có tráng bên ngoài một lớp giấy bạc, ngoài ra bảo ôn còn có thể cách âm cho hệ thống. 1.3.5. Hệ thống thải khí Đối với một số công trình phòng sạch có các khu vực độc hại hoặc hóa chất gây hại cho con người và môi trường nên không thể để không khí luân hồi tại các AHU. Do đó ta cần lắp đặt một hệ thống thải khí trong đó có các virút và hóa chất độ hại được tách ra khỏi không khí trước khi cho ra môi trường bên 9 ngoài. Giải pháp tốt nhất cho vấn đề này là sử dụng các bộ lọc khí RPT hoặc hệ thống lọc khí BIBO. 10 Chương 2 Hệ thống điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch 2.1.Khái quát về hệ thống điều khiển 2.1.1. Thành phần cấu tạo chính - Thông số điều khiển: là thông số nhiệt vật lí cần phải duy trì của hệ thống điều khiển. Thông số điều khiển được định giá trị trước tại bộ điều khiển. - Bộ cảm biến: là thiết bị cảm nhận sự thay đổi của thông số diều khiển và truyền các ghi nhận đó lên thiết bị điều khiển. Bộ cảm biến hoạt động dựa trên sự giãn nở nhiệt của các chất, áp lực dòng chảy - Bộ điều khiển: Thiết bị điều khiển sẽ so sánh giá trị nhận được từ bộ cảm biến với giá trị đặt trước của nó.Tùy theo mối quan hệ của hai giá trị này mà tín hiệu đầu ra khác nhau. - Phần tử điều khiển: Sau khi nhận tín hiệu từ thiết bị điều khiển cơ cấu chấp hành sẽ tác động, tác động đó có tác dụng làm thay đổi thông số điều khiển. 2.1.2. Nhiệm vụ và chức năng Chức năng quan trọng nhất của hệ thống điều hòa không khí là duy trì các thông số khí hậu trong một phạm vi nào đó không phụ thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh và sự thay đổi của phụ tải. Tuy nhiên chúng ta vẫn chưa xem xét làm thế nào mà hệ thống điều hoà không khí có thể thực hiện được điều đó khi phụ tải và môi trường luôn luôn thay đổi. Hệ thống điều khiển có chức năng nhận các tín hiệu thay đổi của môi trường và phụ tải để tác động lên hệ thống thiết bị nhằm duy trì và giữ ổn định các thông số khí hậu trong không gian điều hòa không phụ thuộc vào điều kiện khí hậu bên ngoài và phụ tải bên trong. Ngoài chức năng đảm bảo các thông số vi khí hậu trong phòng, hệ thống điều khiển còn có tác dụng bảo vệ an toàn cho hệ 11 thống, ngăn ngừa các sự cố có thể xãy ra; đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và kinh tế nhất; giảm chi phí vận hành của công nhân. 2.1.3 Sơ đồ điều khiển *) Sơ đồ nguyên lý điều khiển : 1- Phin lọc (miệng cấp khí) ; 2- Cảm biến lưu lượng ; 3- Bộ điều khiển 4- Biến tần ; 5- Quạt ; 6- Dàn lạnh ; 7- Miệng hồi khí FT VSD 12 *) Sơ đồ cấu trúc: Trong đó R: Thiết bị điều khiển. O : Đối tượng điều khiển(trong hệ thống này là: biến tần, quạt, cảm biến). r(t): Tín hiệu vào. y(t): Tín hiệu ra. u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên phần tử điều khiển. v(t): Tín hiệu nhiễu. e(t): Tín hiệu sai lệch điều khiển. z(t): Tín hiệu phản hồi. 2.2 Các thiết bị đo và điều khiển 2.2.1 Bộ điều khiển PID Cấu trúc của bộ ñiều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặt tham số cho các chế độ đã chọn. Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID. v(t) 13 Cấu trúc bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộng rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng: - Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn. - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh. - Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh. 1 IT s DT s 14 *) Bộ điều khiển S7-300: a) Các thành phần cơ bản của S7-300 Bộ phận Nhiệm vụ Rãnh trượt Là giá của S7-300 Nguồn cung cấp(PS) Biến đổi áp khu vực (120/230V AC) ra 24V DC là áp làm việc của S7-300 Vi xử lý(CPU) Thực hiện chương trình của người dùng phụ kiện: khối nhớ, pin lưu trữ Khối giao tiếp(IM) Kết nối các thanh dữ liệu giữa các giá(dãy) Khối tín hiệu(SM) Làm thích nghi với nhiều mức xử lý của S7- 300, phụ kiện: nối thanh ghi, nối phía trước Khối chức năng(FM) Thực hiện nhiệm vụ định vị, điều khiển hồi tiếp Xử lý truyền thông(CP) Để nối các thiết bị PLC với nhau, phụ kiện: cap, phần mềm, khối giao tiếp - Nguồn: nguồn cung cấp là loại cách ly, có bảo vệ ngắn mạch, áp ổn định khi không tải. 15 - Khối vi xử lý: CPU có nhưng thành phần sau ở mặt trước: + Báo trạng thái và báo lỗi . + Công tắc chuyển đổi cách vận hành với 4 lựa chọn. + Mối nối nguồn cung cấp 24V. + Phần giao tiếp nhiều điểm MPI để nối các thiết bị lập trình hay PLC khác. + Hộc chứa pin. + Hộc chứa khối nhớ. - Khối giao tiếp: Có thể sắp xếp cấu hình theo nhiều kiểu. - Khối tín hiệu: Có bộ nối bus diều khiển cho mỗi khối và các vòng nối các bus dữ liệu phía sau. Tín hiệu được xử lý ở bộ nối phía trước. - Nối liên kết: Cần có cáp để nối CPU trực tiếp với máy lập trình. - Cáp: Cáp PROFIBUS và cáp nối cần có để nối nhiều PLC với nhau. - FM: Những khối chức năng thay thế các khối IP. - CP: Bộ xử lý truyền thông dành cho hệ thống bus dữ liệu của PROBUS. b) Các khối của PLC SIEMENS S7-300 - Khối tín hiệu (SM) + Khối ngõ vào digital : 24V DC, 120/300V AC. + Khối ngõ ra digital : 24V DC, 0,5A; 120/300V AC, 1A; ngắt từ. + Khối ngõ vào analog: Áp, dòng, điện trở, cặp nhiệt. + Khối ngõ ra analog: 24V DC, 4÷ 20mA. - Khối giao tiếp (IM): Khối IM360/IM365 và IM365 dùng để nối nhiều cấu hình. Chúng điều khiển thanh ghi của hệ thống. - Khối giả lập (DM): Khối DM 370 dự phòng các khối tín hiệu chưa được chỉ định. Chúng điều khiển thanh ghi của hệ thống. - Khối chức năng (FM): Thể hiện các chức năng đặc biệt như: 16 + Đếm. + Định vị. + Điều khiển hồi tiếp. - Xử lý liên lạc(CP): Cung cấp các tiện nghi liên lạc: + Nối điểm - điểm. + Mạng PROFIBUS. + Ethernet công nghiệp. - Phụ tùng: Các thanh nối và bộ phận nối. 2.2.2. Biến tần ● Biến tần là gì? - Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. ● Nguyên lý hoạt động của biến tần - Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosφ của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0,96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. 17 - Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp. - Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. - Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển. 18 *) Biến tần OMRON-3G3RX-A2300: - Chức năng: + Điều khiển vector vòng kín với mô đun PG cắm thêm. + Mô men khởi động lớn, cho phép 200% ở tần số 0.3Hz. + Có chức năng điều khiển PID. + Chức năng dừng khẩn cấp (tác động nhanh). + Tích hợp mô đun phanh với loại 22kW trở xuống. + Chức năng truyền thông RS-485 (chuẩn MODBUS). + Khối đấu nối dây tín hiệu có thể tháo rời được. + Chức năng lọc nhiễu và lọc sóng hài nguồn đầu vào. + Tương thích với các tiêu chuẩn RoHS, CE, UL/cUL. - Đặc tính kỹ thuật: + Điện nguồn: 3 pha 200-240V tại 50/60Hz. +Tín hiệu đầu vào: dòng điện 4-20mA. + Công suất động cơ: 30kW. 19 + Công suất đầu ra danh định: 41,9kVA. + Điện áp danh định đầu ra: 3 pha 200-240V AC. + Tần số tối đa đầu ra: 400Hz. + Phương thức điều khiển: Điều chế dòng sin bằng độ rộng xung(PWM). + Tần số mang: 0,5-15kHz. + Dải kiểm soát tần số: 0,1-400Hz. + Độ phân giải của tần số đầu ra: 0,01Hz. + Thời gian gia tốc/giảm tốc: 0,01-360 2.2.3.Cảm biến lưu lượng Ống pitô Trên hình trình bày ống pitô đo áp suất: áp suất tĩnh (a), áp suất tổng (b) và áp suất động (c), cảm biến điện (d) Cơ sở để đo lưu lượng là sự phụ thuộc giữa lưu lượng vào sự thay đổi áp suất khi đi qua thiết bị. 20 CẢM BIẾN ĐIỆN Sử dụng hiệu ứng áp điện trong vật trung gian, ta có thể chuyển đổi trực tiếp ứng lực tạo ra bởi áp suất thành tín hiệu điện dưới dạng điện tích do hiện tượng phân cực điện. Điện tích này tỷ lệ với lực tác dụng: Q kN Trong đó k là hằng số áp điện (hệ số này phụ thuộc vào kích thước của lát cắt và bản chất của tinh thể), ví dụ với thạch anh thì k = 2,1.10-12 C/N. Áp suất đo được biến đổi nhờ màng thành ứng suất, tạo nên một lực nén lên miếng thạch anh, (đường kính 5 mm, có bề dày 1 mm). Điện tích Q xuất hiện và được đưa ra bộ khuếch đại điện tử có tổng trở vào rất lớn cỡ 1013 Ω. Quan hệ giữa điện tích Q và áp suất P : . .Q k F P Trong đó F là diện tích hữu ích của màng. Cấu tạo và hình dạng của cảm biến áp suất kiểu áp điện 21 Điện tích trên các bản cực: 2 2 4dh Q N D k d   Trong đó: D, d – là đường kính ngoài và trong của ống. h – là chiều cao phần phủ kim loại( 2 bản cực). Dòng điện được sinh ra: dq di dt  Giới hạn trên của bộ biến đổi này với tinh thể thạch anh từ 2,5 – 100 MPa. Bộ biến đổi này có tần số hồi đáp cao nên thường để đo áp suất thay đổi nhanh, kích thước nhỏ, đo nhanh, tuy nhiên nó nhạy cảm với nhiệt độ, cần sử dụng cáp nối riêng. a) B ộ a) Biến đổi dạng tấm b) Bộ biến đổi dạng ống 22 *) Cảm biến điện flow transmitter của QUINGTIANWEIYE: - Thông số kỹ thuật:  Nguồn cung cấp: 20-36 VDC / 85-250 VAC.  Công suất: 20W  Niệt độ môi trường: -10~+60℃.  Độ ẩm tương đối: 5~90%.  Vỏ: Nhôm đúc.  Dải đo: 100 ~ 8.000 m3/h.  Tín hiệu đầu ra: Xung / 4-20mA.  Độ chính xác: 0,5%. 23 2.2.4. AHU và quạt Bộ xử lý không khí AHU có thể được dùng để làm lạnh, làm nóng, hút ẩm và làm sạch không khí. Lưu lượng xử lý không khí lên đến 6,000-140,000 m3/h. Cấu tạo: cấu trúc nhỏ gọn, cấu hình linh hoạt, kiểu dáng trang nhã, vận hành ổn định, điện năng tiêu thụ thấp, máy chạy êm, dễ lắp đặt và bảo trì Phạm vi ứng dụng: Được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều hòa không khí trong ngành công nghiệp thực phẩm, công nghiệp điện, hóa học, dược, xây *) Cấu trúc của AHU Khung bên ngoài: Vật liệu bằng nhôm hợp kim dạng hình chữ T loại bỏ cấu dẫn nhiệt và kết cấu vững chắc. Kết cấu vỏ ngoài: Vỏ ngoài có dạng tấm 2 lớp, lớp bên trong phủ hợp kim, lớp bên ngoài phủ sơn tĩnh điện và lớp giữa bằng vật liệu cách nhiệt loại PU (polyurethane) dày 30mm – 50mm Dàn lạnh: Dàn lạnh vật liệu là các ống đồng và cánh tản nhiệt bằng nhôm. Phin lọc: Phin lọc kiểu tấm G4 có thể rửa được, bộ lọc kiểu túi F7 hoặc F8, và bộ lọc HEPA để đáp ứng các cấp yêu cầu làm sạch khác nhau. 24 Cấu hình bổ sung: Bộ giải nhiệt, thiết bị phun ẩm bổ sung, bộ tiêu âm, bộ điều chỉnh gió Tại AHU, khí hồi từ các phòng dược quạt hút về AHU, một phần khí hồi được thải trực tiếp ra ngoài thông qua hệ thống đường ống thải khí, lượng khí thải ra đúng bằng lượng khí tươi cấp vào, phần còn lại tiếp tục được hòa trộn với khí tươi. Sau khoang hòa trộn, hỗn hợp khí được quạt hút qua các dàn lạnh và dàn nóng. Tại đây, thông qua các dàn trao đổi nhiệt, nước lạnh làm cho nhiệt độ của hỗn khí giảm xuống. Quạt có nhiệm vụ tạo ra áp suất dương đẩy không khí vào phòng sạch, đồng thời tạo ra áp suất âm để hút khí từ phòng sạch ra qua miệng hồi khí. 2.2.5. Sơ đồ kết nối điều khiển Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến 25 Kết nối S7-300 với biến tần 26 Chương 3 Cơ sở lý thuyết 3.1.Nhận dạng đối tượng điều khiển Các đối tượng điều khiển công nghiệp thường có quán tính bậc cao và có trễ vận tải. Chúng có tính chất phi tuyến và thường thay đổi một cách bất định, do điều kiện làm việc thay đổi. Về cấu trúc, các đối tượng điều khiển công nghiệp có thể chia thành hai loại, loại đối tượng nhiều đầu vào một đầu ra và loại đối tượng nhiều đầu vào nhiều đầu ra. 3.1.1 Đối tượng một đầu ra Là loại đối tượng chỉ có một đại lượng đầu ra được kieemr soát và điều khiển. Đại lượng đầu ra của đối tượng bị thay đổi dưới sự tác động của nhiều tín hiệu vào: μ(t), 1( )t , 2 ( )t , ..., ( )m t . Trong đối tượng một đầu ra, có một tín hiệu vào μ(t) là tác động điều chỉnh, tạo bởi bộ điều chỉnh nhằm đưa đại lượng đầu ra trở về quỹ đạo mong muốn. Các tín hiệu 1( )t , ..., ( )m t là những chấn động xuất hiện dưới dạng nhiễu loạn làm thay đổi đại lượng đầu ra lệch khỏi quỹ đạo mong muốn. 27 Giả sử các đại lượng vào và ra của đối tượng thay đổi trong khoảng nhỏ, cho phép xấp xỉ và diễn ra trong mô hình tuyến tính. Khi đó theo nguyên lý xếp chồng của đối tượng tuyến tính, ta có: 1 ( ) ( ) ( ) i m i y t y t y t     (3.1) Trong đó, y(t) – đại lượng đầu ra, do các tín hiệu đầu vào tác động; ( )y t - thành phần đại lượng ra, do tác động điều chỉnh μ(t) gây ra; ( ) i y t - thành phần đại lượng ra, do chấn động λi gây ra. Công thức (3.1) có thể viết dưới dạng: 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ). ( ( )) ( ). i m i m i i i Y s Y s Y s O s M s sD s         , trong đó, λi(t)↦ Λi(s); μ(t)↦ M(s); ( ) ( ) ( ) Y s O s M s   - hàm truyền của đối tượng theo kênh điều chỉnh:   ( ) ( ) ii i Y D s s s    - hàm truyền của đối tượng theo các kenh nhiễu. 3.1.2. Đối tượng nhiều đầu ra Các đối tượng nhiều đầu ra có thể chia làm hai loại. Loại thứ nhất gồm các đối tượng, trong đó mỗi tác động đầu vào chỉ ảnh hưởng đến một đâị lượng đầu ra tương ứng. Trong trường hợp này, một đối tượng phức tạp có thể phân tách thành các kênh tác động độc lập, mỗi kênh thể hiện là một đối tượng đơn lẻ. Đối tượng có nhiều đầu vào nhiều đầu ra, mà có thể phân tách thành các kênh độc lập lẫn nhau, thì gọi là đối tượng tách được. Đối với mỗi kênh có thể xây dựng một hệ điều khiển con độc lập một đầu ra. Phương pháp thiết kế và hiệu chỉnh hệ tách được hoàn toàn tương tự như đối với các hệ điều khiển một đầu ra. 28 Loại thứ hai bao gồm các đối tượng, trong đó một tác động đầu vào có thể ảnh hưởng đến nhiều đại lượng đầu ra khác. Đối tượng này gọi là đối tượng không tách được hay đối tượng đa liên kết. Hệ thống điều khiển xây dựng đối với đối tượng này có tên gọi là hệ đa liên kết. Đối tượng nhiều đầu ra Theo nguyên lý xếp chồng của đối tượng tuyến tính đa liên kết, ta có thể tính đầu ra yi : Trong đó, , jiy  - thành phần tín hiệu ra thứ i do đầu vào μi(t) tác động riêng biệt , jiy  - thành phần tín hiệu ra thứ i do đầu vào λi(t) tác động riêng biệt Chuyển (3.2) về dạng ảnh: , ,( ) ( ) ( )j ji i iY s Y s Y s    ij ij 1 1 ( ) ( ). ( ) ( ) (s). j n m i j j j Y s O s M s D s      trong đó, Oij – hàm truyền theo kênh μj ⟶ yi; Dij – hàm truyền theo kênh λj ⟶ yi 29 Λj(s), Mj(s), Yi(s) – lần lượt là ảnh Laplace của các tín hiệu λj(t), μj(t), yi(t). Nếu xét các đầu vào và đầu ra dưới dạng véctơ, ta có: Thực hiện biến đổi Laplace, ta được các véctơ ảnh tương ứng: Từ các công thức trên, ta biểu diễn đối tượng nhiều đầu ra dưới dạng ma trận tuyến tính: trong đó, 30 O(s), D(S) – các ma trận truyền từ các đầu vào véctơ: μ(t), λ(t) tương ứng Mỗi phần tử trong ma trận truyền là một hàm truyền, ví dụ Oij(s) là hàm truyền theo kênh μj ⟶ yi; Dij(s) là hàm truyền theo kênh λj ⟶ yi . Phòng sạch thuộc loại đối tượng đa liên kết phức tạp, trong đó, có thể nêu ra thông số đầu ra chính, cần điều khiển. Đó là nhiệt độ, áp suât, độ ẩm, ...,tuy nhiên trong phạm vi của đồ án là điều khiển lưu lượng không khí vào phòng sạch thì ta xem đây là loại đối tượng một đầu ra. 3.2 Mô hình hóa đối tượng 3.2.1 Đặc tính và mô hình các đối tượng trong công nghiệp Điểm đặc trưng của các đối tượng công nghiệp là có trễ vận tải và có quán tính lớn.Trễ vận tải còn gọi là trễ tuyệt đối ,trễ thời gian chết,đó là thời gian kể từ thởi điểm xuất hiện xung đầu vào (≠0) đến khi đại lượng ra bắt đầu thay đổi so với giá trị xác lập ban đầu Độ quán tính của đối tượng phẩn ánh mức độ phản ứng chậm của nó, kể từ khi đại lượng ra đã bắt đầu thay đổi .Do có quán tính lớn và trễ vận tải nên hầu hết các đối tượng điều khiển công nghiệp đồng thời hệ thống điều khiển tưng ứng là những bộ lọc tần số thấp Theo tính chất động học ,tồn tại phổ biến hai lớp đối tượng điều chỉnh công nghiệp : lớp đối tượng tĩnh và lớp đối tượng phi tĩnh. Đối tượng tĩnh có đặc tính quá độ tiến tới giá trị hữu hạn ,tức đặc tính quá độ có tiệm cận ngang (hình a).khi triệt bỏ xung đầu vào thì đại lượng ra của nó quay trở về giá trị ban đầu. Đối tượng phi tĩnh có đặc tính quá độ tiến tới vô hạn và thường có tiệm cần xiên(hình b),thể hiện quỹ đạo tích phân.Khi triệt bỏ xung đầu vào thì đại lượng ra của nó dừng ở giá trị cuối cùng mà không thể quay trở về giá trị ban đầu. 31 Dạng đặc tính quá độ đặc trưng của các đối tượng điều khiển công nghiệp Để mô tả các đối tượng một cách đúng đắn hơn, có thể dùng mô hình dưới dạng tổng quát: Trong đó , b0 – hệ số truyền ; a1 ,a2am,b1,b2,bn –các hệ số ;τ – độ trễ vận tải;q-bậc tích phân hay bậc phi tĩnh; m- bậc của tử thức; n- bậc mẫu thức.Đối với các đối tượng thực thì m<n 3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng Hàm truyền đối tượng có thể xác định dựa trên số liệu đặc tính tần số hoặc đặc tính thời gian.Việc sử dụng đặc tính thời gian hay đặc tính tần số làm cơ sở cho bài toán nhận dạng là phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của đối tượng và phương pháp mô hình hóa được áp dụng.Từ đó đi đến sự cần thiết thực hiện thí nghiệm để xác định đặc tính hoặc xác định đặc tính tần số của đối tượng 32 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng trong hệ thống hở Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng trong hệ thống trong hệ thống kín 33 3.2.3 Phương pháp mô hình hóa theo đặc tính quá độ a. Mô hình hóa quán tính bậc nhất có trễ: Đặc tính quá độ của đối tượng quán tính có trễ Các đối tượng quán tính có trễ có thể mô hình hóa đơn giản bởi khâu quán tính bậc nhất có trễ với hàm truyền .. . 1 s s K e O T s    Trong đó : - Hằng số quán tính T= AC - Thời gian trễ τ ,và hệ số truyền K xác định trực tiếp theo đồ thị 34 b. Mô hình quán tính bậc n đồng nhất có trễ: Đặc tính quá độ của đối tượng quán tính có trễ Hàm truyền có dạng: .. ( . 1) s s n K e O T s    Trong đó :  Hệ số truyền K  Thời gian trễ τ-xác định theo đồ thị thực nghiệm  Bậc quán tính n của mô hình 1u t n Ta     Hằng số thời gian T= ϴ.Ta trong đó Ta : hằng số biểu trưng xác định theo đồ thị ; ϴ = ϴ (n) xác định theo bảng 35 n 1 2 3 4 5 6 7 8 ϴ (n) 1,0 0,368 0,272 0,224 0,196 0,176 0,16 0,149 c. Mô hình quán tính bậc 2 có trễ : Đối tượng quán tính có quán tính bậc cao (≥2) tồn tại phổ biến trong thực tế.Tuy vậy người ta vẫn mong muốn và thực tế cho phép mô tả chúng một cách khá chính xác bởi mô hình quán tính bậc 2 có trễ. Đặc tính quá độ thực nghiệm Mô hình quán tính bậc 2 có trễ, xét dưới dạng: . 1 2 . ( . 1)( 1) s s K e O T s T     Trong đó :  h(∞)- giá trị xác lập  Ta -hằng số quán tính biểu trưng  (tu,hu)- tọa độ điểm uốn  g =(hu/h∞)- tung độ tương đối điểm uốn  gmax =1-2.e-1=0,26424 36 Các hằng số quán tính và thời gian trễ ,xác định theo 2 trường hợp: a) nếu g<gmax thì tính 0,364 0,458 0,584 g v    Sau đó : T1=Ta.v ,T2=Ta(1-g)-T1,τ=tu+T1.ln(v) b) nếu g>gmax ,thì tính δ=g-gmax,sau đó: T1=T2=Ta(1-0,9. δ)/e , τ=tu-Ta(1+2,4. δ)/e  Hệ số truyền K=h(∞)/x0 d. Mô hình khâu tích phân có quán tính và có trễ : Đặc tính quá độ của đối tượng tích phân có quán tính và có trễ Ta xét mô hình: .. ( 1) s s n K e O s T s    Trong đó : τ = OC –thời gian trễ T=Ta=CA- hằng số quán tính 37 3.3 Phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh 3.3.1 Đặt bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển tối ưu Để giải quyết bài toán, trước hết người ta thiết kế một hệ thống một vòng đơn giản, chỉ bao gồm một đối tượng và một bộ điều chỉnh, như hình vẽ: v ε μ z y trong đó, z: giá trị đặt y: đại lượng điều chỉnh – đầu ra của hệ thống μ: tác động điều chỉnh – đầu ra của bộ điểu chỉnh ε = z – y:sai số điểu chỉnh, là đầu vào của bộ điều chỉnh d:nhiễu quá trình tác động vào đầu vào của đối tượng Z(s), V(s), Y(s) – lần lượt là ảnh Laplace của các tín hiệu: z,v,y O(s), R(s) – các hàm truyền tương ứng của đối tượng và bộ điều chỉnh H(s) = R(s).O(s) – hàm truyền vòng, tức hàm truyền của hệ hở W(s) = H(s)/[1+H(s)] – hàm truyển của hệ kín theo kênh đặt z  y 3.3.2 Xây dựng hệ thống bền vững chất lượng cao a. Hàm truyền của hệ thống và bộ điều chỉnh: Theo sơ đồ trên, đáp ứng ra y = yz + yv,trong đó yz là đáp ứng thành phần gây ra bởi tác động điều khiển z; yv – gây ra bởi tác động nhiễu v.Ta có: Yz(s) = W(s)Z(s) Yv(s) = [ 1 – W(s)]O(s)V(s) Y(s) = Yz(s) + Yv(s) = W(s)Z(s) + [1- W(s)]O(s)V(s) Từ đây thấy rằng, nếu W(s) = 1, thì: O R 38 Y(s) = 1.Z(s) + [1 – 1]O(s)V(s) = Z(s) y ≡ z Khi đó đại lượng đầu ra bám sát tuyệt đối tín hiệu đặt z, đồng thời khử hoàn toàn sự ảnh hưởng của nhiễu v. Để xây dựng một hệ như vậy, bộ điều chỉnh phải có hệ số vô cùng lớn vì: R(s)O(s) = H(s) = W( ) 1 ( ) ì ( ) 1 W( ) 1 1 s R s v O s s          Bộ điều chỉnh trên không thể thực hiện được trong thực tế. Do vậy chỉ có thể xây dựng một hệ thống tiến gần lý tưởng, tức thực hiện W( ) 1s  . Trong vô số các cấu trúc có thể đảm bảo cho hàm truyền của hệ thống có khả năng tiến tới 1, nên chọn cấu trúc bền vững nhất. Vậy ta áp dụng cấu trúc hệ bền vững là khâu quán tính bất nhất.Theo cấu trúc này, để hệ thống có chất lượng điều khiển cao, tức hàm truyền của nó phải có khả năng tiến tới 1, chỉ cần có K1 và θ1, với điều kiện:K1, θ>0. Ta thấy, đối với hệ số truyền không có ràng buộc nào khác nên trong mọi trường hợp có thể cho cố định K = 1, còn θ chọn bé nhất có thể. Từ đó ta có hàm truyền của hệ điều khiển bền vững chất lượng cao là: 1 W( ) , 0 1 s s      (1) Dễ thấy rằng, với 0  thì hiển nhiên: W(s) 1.Điều đó hoàn toàn đảm bảo yêu cầu chất lượng cao đã nói trên.Hệ thống với hàm truyền (1) gọi là hệ bền vững chất lượng cao.Từ (1) ta suy ra hàm truyền của hệ hở và của bộ điều chỉnh tương ứng là: 1 1 1 ( ) W( ) / [1 W( )] / (1 ) 1 1 H s s s s s s          11( ) ( ) / ( ) ( )R s H s O s O s s   (2) Như vậy, hệ hở tương ứng của hệ bền vững chất lượng cao là một khâu tích phân. Còn (2) là hàm truyền của bộ điều chỉnh bền vững chất lượng cao.Nếu đối tượng là đã biết, thì trong bộ điều chỉnh chỉ còn θ là tham số duy nhất cần tìm đề hệ đạt chất lượng cao nhất. Cấu trúc của bộ điều chỉnh bền vững chất lượng cao θ(t) μ(t) μ(t+ ) 1 ( ) ( ) A s s B s se 39 b. Hệ bền vững định chuẩn: Giả sử hệ thống được hình thành theo cấu trúc một vòng như hình vẽ trên, trong đó đối tượng cho dưới dạng: Và bộ điều chỉnh bền vững xác định theo 11( ) [ ( )]PTR s O s s  hay R(s) = ( ) ( ) A s sB s Kết quả hình thành hệ hở và hệ kín bền vững với các hàm truyền: 11( ) ( ) ( ) [ ( )] ( ) s s PT PT e H s R s O s O s O s e s s          ( ) / W( ) 1 ( ) 1 / s s s s H s e s e s H s e s s e                  Trong đó chỉ phụ thuộc vào thời gian trễ mà không phụ thuộc vào các tham số khác của đối tượng và bộ điều chỉnh.Ngoài ra theo định nghĩa chỉ số dao động mềm chỉ số dao động mềm cũng chỉ phụ thuộc vào tham số trễ của đối tượng. Thay θ = θcτ vào ( ) s c e H s s      2 công thức trên, ta có: ( ) s c e H s s      và W( ) s s c e s s e        Trong đó c hệ số định chuẩn. Từ đây, đổi biến: p = τs, ta được hàm truyền hệ hở định chuẩn: ( ) p c e H p p   , và hàm truyền của hệ kín định chuẩn: /( ) W( ) 1 ( ) 1 / p p c p p c c e pH s e s H s e p p e              Như vậy hệ định chuẩn là hệ bền vững ứng với trễ vận tải τ = 1.Hằng số quán tính định chuẩn θc phụ thuộc vào yêu cầu dự trữ ổn định của hệ thống.Khi θc đã xác định thì các chỉ số chất lượng của hệ định chuẩn cũng được định đoạt.Đối với trường hợp τ  1 thì các chỉ số chất lượng của hệ thống có thể suy ra dễ dàng từ các chỉ số tương ứng của hệ định chuẩn. 40 c. Tính toán bộ điều chỉnh bền vững tối ưu: Theo yêu cầu chất lượng đã cho, xác định chỉ số dao động cắt mc cần thiết.Tính tần số cắt định chuẩn tương ứng ϖc = ar 2 cctgm   , đồng thời tần số cắt thực tế ωc = ϖc/τ Hằng số quán tính θ = θcτ, trong đó 2 1 c cm c c c e m      - hằng số quán tính chuẩn Bộ điều chỉnh bền vững nhận được: 11 ( )( ) [ ( )] ( ) PT c A s R s O s s sB s     . Nếu bậc của đa thức B(s) bằng 0 còn bậc của A(s) không vượt quá 2, thì bộ điều chỉnh bền vững sẽ có dạng PID: 2 0 1 2 11( ) (1 )PID p d p D i c c s c s K R s K T s K K s s T s s          d. Tăng cường khả năng kháng nhiễu cho bộ điều khiển: Kết quả chứng minh sai số điều chỉnh ε(t) – theo kênh đặt luôn luôn hội tụ về không và tốc độ hội tụ càng nhanh, nếu τ ( tức θ = θcτ) càng nhỏ..Trong khi đó sai số điều chỉnh gây ra bởi tác động nhiễu, tức đáp ứng ra theo kênh nhiễu v, phụ thuộc rất nhiều vào tính chất động học của đối tượng.Không làm mất tính tổng quát, giả sử đối tượng là khâu quán tính bậc nhất có trễ ( ) 1 sKe O s Ts    trong đó,K- hệ số truyền; T- hằng số quán tính; τ – thời gian trễ.Nếu đối tượng là khâu có tự cân bằng thì tác động nhiễu không gây ra sai số xác lập. Tuy nhiên, thực tế cho thấy nếu hằng số quán tính T của đối tượng càng lớn thì đáp ứng đối với nhiễu sẽ càng kéo dài và hội tụ càng chậm.Khi độ quán tính tiến tới vô cùng thì nó trở thành khâu không có tự cân bằng và đáp ứng ra theo nhiễu xuất hiện sai số xác lập. Đó là hạn chế của bộ điều chỉnh bền vững nguyên bản, để khử sai số xác lập đồng thời tăng tốc độ hội tụ của đáp ứng ra theo nhiễu, có thể áp dụng giải pháp bổ sung tác động tích phân cho bộ điều khiển dưới dạng: R(s) = Rz(s) + A s (3),trong đó, Rz(s) – bộ điều khiển bền vững tối ưu nguyên bản; A- hệ số tăng cường tác động tích phân. 41 Thật vậy, hàm truyền của bộ điều chỉnh bền vững nguyên bản có thể biến đổi hoặc xấp xỉ dưới dạng chuỗi lũy thừa của s: 0 1 2( ) ... c R s c c s s     (4),trong đó: c0 – hệ số tích phân, c1 – hệ số truyền tỷ lệ, c2 – hệ số vi phân. So sánh (3) với (4) ta đi đến bộ điều khiển bền vững có tăng cường kháng nhiễu được viết như sau: * * *0 1 2 0 0( ) ..., c R s c c s c c A s       (5) trong đó, A – có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau: 2 1 2 1 0.5 . 1 5 / c A c c T      Trong đó τ – thời gian trễ của đối tượng T - độ quán tính tương đương của đối tượng Ta gọi (5) là bộ điều chỉnh bền vững tối ưu, một mặt đảm bảo dự trữ ổn định cho trước của hệ thống. Mặt khác, nó đảm bảo sự giảm thỏa hiệp giữa sai số điều chỉnh theo kênh đặt và sai số điều chỉnh theo kênh nhiễu. 3.4 Đánh giá chất lượng điều chỉnh 3.4.1 Khái niệm chất lượng quá trình điều chỉnh Chất lượng điều chỉnh là tập hợp những yếu tố định lượng, thể hiện mức độ tốt xấu theo một nghĩa nào đó của quá trình điều chỉnh trong điều kiện làm việc nhất định. Những yếu tố định đó gọi là chỉ số hay chi tiêu chất lượng điều chỉnh. Các chỉ số chất lượng được xác định theo đáp ứng ra của hệ thống đối với các tín hiệu vào khác nhau. Nếu tín hiệu đầu vào là một đại lượng ngẫu nhiên (không có dạng hàm xác định), thì chỉ tiêu chất lượng điều chỉnh cơ bản là độ chính xác động học trung bình, tức sai số quân phương giữa đại lượng điều chỉnh đầu ra và quỹ đạo mong muốn. Chất lượng quá trình điều chỉnh của hệ thống trong điều kiện tác động ngẫu nhiên được đánh giá dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất thống kê. 42 Nếu tín hiệu đầu vào là hàm thời gian xác định, chất lượng điều chỉnh được xác định dựa theo đáp ứng ra của hệ thống đối với các dạng xung điển hình như xung bậc thang,xung đơn vị và xung dao động hình sin ... Tín hiệu bậc thang là dạng xung thường xuyên sảy ra trong quá trình hoạt động của hệ thống diều khiển. Sự đóng/ngắt một thiết bị nào đó sẽ làm thay đổi nhanh các đại lượng điều chỉnh liên quan, gây ra hàng loạt xung bậc thang tác động vào các vòng điều chỉnh. Ngoài ra, sự thay đổi không mong muốn tính chất của vòng vật chất hoặc điều kiện xung quanh gây ra các dạng nhiễu bậc thang tác động vào hệ thống. Đối với các hệ thống làm việc trong điều kiện có rung động thì thường tồn tại vô số tín hiệu sóng hình sin tác động vào hệ thống. Các đối tượng điều khiển nhiệt nối chung có quán tính lớn nên hệ thốn điều chỉnh thương có tinhd chất như một bộ lọc tần số thấp, có khả triệt giảm rõ rệt các loại nhiễu dao động tần số cao. 3.4.2 Chất lượng chuyển trạng thái Trong số những dạng tín hiệu, tác động vào hệ thống, thì xung bậc thang là nguy hiểm nhất, vì nó tác động đột ngột và duy trì ảnh hưởng lâu dài đến hệ thống. Đáp ứng ra của hệ thống đối với tác động bậc thang, thường gội là đặc tinh quá độ, là đường cong biến thiên của đại lượng đầu ra theo thời gian, kể từ thời điểm xuất hiện xung cho thới vô hạn, với điều kiện đầu không. Chất lượng chuyển trạng thái thể hiện rõ rệt trên đáp ứng quá độ của hệ thống. Thường các chỉ số chất lượng được xác định dựa theo đáp ứng quy chuẩn, tức theo đáp ứng đối với xung bậc thang đơn vị. 43 Đặc tính quá độ theo đầu ra Đặc tính quá độ theo nhiễu a) Thời gian điều chỉnh Thời gian điều chỉnh cho phép đánh giá độ tác động nhanh của hệ thống. Giá trị lý thuyết của thời gian điều chỉnh luôn luôn bằng vô cùng nhưng điều đó không liên quan gì đến tốc độ phản ứng của hệ thống. trong thực tế người 44 ta quan tâm đến giá trị thời gian điều chỉnh thực: Tq, đó là khoảng thời gian tính từ khi xuất hiện xung đầu vào cho đến thời điểm mà kể từ đó đáp ứng ra sai lệch không quá ±∆ so với giá trị xác lập. | h(t) – h(∞) | ≤ ∆ với mọi t ≥ Tq Độ sai lệch thường chọn trong khoảng: ∆ = (3÷10%). Với những chỉ tiêu chất lượng khác nhau, một hệ thống có thời gian điều chỉnh càng nhỏ,thì nó càng tác động nhanh và chất lượng điều chỉnh càng cao. b) Sai lệch động cực đại và độ quá điều chỉnh Sai lệch động cực đại là chủ tiêu phản ánh mức độ ảnh hưởng của tác động đầu vào nhất định, làm trệch quỹ đạo đầu ra của hệ thống. Đối với đầu vào điều khiển, khái niệm này có ý nghĩa để xác định tốc độ thay đổi cho phép tối đa của giá trị đặt trong quá trình điều khiển các thiết bị công nghệ. max max | ( ) | t h h t Đối với đầu vào là tác động nhiễu, độ sai lệch động cực đại của đáp ứng đầu ra cho phép đánh giá khả năng kháng nhiễu của hệ thống. Giá trị sai lệch động cực đại càng nhỏ thì hệ thống có khả năng kháng nhiễu càng cao. Mức độ điều chỉnh được đánh giá bằng một chỉ số gọi là độ quá điều chỉnh: max ( ) ( ) h h h      , trong đó, hmax – giá trị lớn nhất của đáp ứng quá độ. Trong thực tế, tùy theo đặc điểm của quá trình công nghệ cần điều khiển người ta áp đặt yêu cầu khác nhau về độ quá điều chỉnh, nhưng phổ biến nằm trong khoảng: δ =10 -50%. c) Độ tắt dần dao động của quá trình quá độ 45 Để đánh giá tính chất giao động của hệ thống người ta dùng khái niệm hệ số tắt dần quá trình quá độ xác định từ đặc tính quá độ, theo công thức: 1 2 2 1 1 1 1 A A AA A A A       Từ hệ số tắt dần có thể tính chỉ số giao động của quá trình quá độ : 1 ln(1 2 )m      Quá độ tắt dần càng nhanh nếu ψ càng lớn 3.4.3 Chỉ tiêu tích phân sai số điều chỉnh Để đánh giá một cách tổng hợp chất lượng điều chỉnh của hệ thống có thể căn cứ theo giá trị tích phân của sai số điều chỉnh. Chỉ tiêu tích phân sai số động học là một tích phân xác định theo thời gian của hàm sai lệch giữa đáp ứng ra và giá trị xác lập của nó. Tồn tại các dạng chỉ tiêu tích phân thường gặp: 1 0 ( )t tJ d    46 1 0 | ( ) |a tJ dt    2 2 0 ( )tJ dt    2 2 0 ' 2( ) ( ( ))a t tJ dt        Trong đó, ε(t) =h(∞) – h(t) là sai số động học; γ – hệ số đối trọng. Các chỉ tiêu tích phân là chỉ số chất lượng gián tiếp, nó phản ánh tương đối tổng hợp độ tác dộng nhanh và độ quá điều chỉnh của hệ thống. Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ tiêu tích phân cũng có ý nghĩa vật lý trực tiếp. 47 Chương 4 Lấy số liệu và tính toán cụ thể 4.1 Xác định mô hình đối tượng 4.1.1 Xác định bằng phương pháp mô hình hóa đối tượng Ta nhận thấy đường đặc tính quá độ của đối tượng có dạng quán tính bậc hai có trễ: Do đó mô hình của đối tượng có dạng: 1 2 . ( ) (1 )(1 ) sK e O s T s T s     Từ đồ thị đặc tính của O ta xác định được các giá trị:  Giá trị xác lập: h(∞) =1000(m3/h)  Hằng số quán tính biểu trưng: Ta = 3,1(s)  Toạ độ điểm uốn: U(7,69;282) Tung độ tương đối của điểm uốn: max 282 0,282 1 0,26424 000 uhg h g      δ = g – gmax =0,282 – 0,26424 = 0,01776 3,1 282 7,69 48 1 2 (1 0,8 3,1(1 0,8.0,01776) 1,96 )aTT T e e       (1 2,4 ) 3,1(1 2,4.0,01776) 3,1 2,211au T t e e          Hệ số truyền: 0 22 1000 200 5x h K    Vậy mô hình của đối tượng là: 2,211 2 2 1 . 200. (s) (1 ) (1 1,96 ) s sK e e O T s s       4.1.2 Xác định bằng phần mềm cascad Từ đường đặc tính của đối tượng ta có bẳng số liệu: t(s) h(m3/h) 0 0 1 20 2 62,5 3 175 4 312,5 5 475 6 575 7 700 8 787,5 9 825 10 875 12 925 14 975 16 987,5 18 997,5 20 1000 49 Nhập số liệu vào cascad: Mở CASCAD/DATA-PROCESS Sau đó mô hình hóa đối tượng: M/2Lag+DT/Run_Optim 50 Ta được đường đặc tính của đối tượng sau khi mô hình hóa: Mô hình đối tượng có dạng: 1 2 . ( ) (1 )(1 ) sk e O s T s T s     Và xung bậc thang đầu vào x(t) = x0.1(t) = 5.1(t) Nên ta được mô hình đối tượng O(s): 2,519 2,529 2 2 997,937. 1 199,587 ( ) . (1 2,012 ) 5 (1 2,012s) s se e O s s       51 4.2 Tổng hợp và đánh giá bộ điều khiển 4.2.1 Xác định bộ điều chỉnh bền vững tối ưu nguyên bản Rz(s) a) Tính toán thông thường Bộ điều chỉnh bền vững tối ưu nguyên bản có dạng: 11( ) ( )z pt s R s O s   Trong đó, 2 1 (1 1,96s)( ) 200 ptO s   mc = 0,461 ⟶ θc =1,348 θ = θc.τ = 1,348.2,211 = 2,98   2 3 2 11 1 (1 1,96 ) 1,68.10 (1 1,96 ). ( ) . 2,98 200 z pt s s R s O s s s s        b) Xác định bằng phần mềm cascad Nhập các khâu vào cấu trúc: Vì phần mềm mặc định xung đầu vào x0 =1 nên ta phải sửa lại giá trị của K Chọn Pm/Function/Parameters/K=199.587, các giá trị khác giữ nguyên. Coppy Pm→O và B Nhập z =1/s, v = 1/s Chọn ^C/Robust/Orginal Mô hình Rz(s) có dạng: 1 2(1 )(1 )( )z sK c s c s e R s s    52 Lấy số liệu từ cascad, ta được:     2 0,001. 1 2,012 zR s s   Và đặc tính mềm H(- mω +jω) của hệ hở: Nhận thấy đặc tính mềm của hệ hở đi qua điểm (-1; j0), theo tiêu chuẩn Nyquist ta có hệ kín đảm bảo dự trữ ổn định. *) Đáp ứng quá độ yz(t) của hệ kín theo kênh đặt: Trên đồ thị đáp ứng quá độ với tín hiệu là xung bậc thang ta có chất lượng của hệ thống được đánh giá qua các chỉ số:  Thời gian điều chỉnh: Tq = 16,456(s) ứng với ∆ = 5%  Độ quá điều chỉnh: max 1,245 1 24,5% 1 y y y          Hệ số tắt dần: ψ= 0,945 53 *) Đáp ứng đầu ra theo kênh nhiễu: 54  Thời gian điều chỉnh: Tq =30(s)  Hệ số tắt dần: ψ = 0,967  ymax = 120,802 4.2.2 Xác định bộ điều chỉnh bền vững có tăng cường kháng nhiễu a) Xác định bằng phương pháp thông thường Bộ điều chỉnh bền vững có tăng cường kháng nhiễu có dạng: ( ) ( )z A R s R s s   2 20,001(1 1,96 ) 0,001 0,0039 0,0038 ( )z s s s R s s s      2 1 1 2 0,5 . 1 0 /,5C C A C T      ⟹ C1 = 0,0039; C2 =0,0038; T∑ =T1 +T2= 1,96 + 1,96 = 3,92 2 40,0039 0,5. 3,6.10 0,0038 2,98.0,0039 1 0,5.2,519 / 3,92 A      20,00136 0,0039 0,0038 ( ) s s R s s     b) Xác định bằng cascad Chọn GRAPHING/Robust/I+Robust Ta được bộ điều khiển bền vững có tăng cường kháng nhiễu: 20,002 0,006 0,006 ( ) s s R s s    55 Và đặc tính mềm H(-mω + jω) của hệ hở: Đặc tính quá độ khi đã kháng nhiễu: 56 Tài liệu tham khảo 1. Bài giảng “Lý thuyết điều chỉnh quá trình nhiệt” Thầy Đỗ Mạnh Hùng 2. Tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm CASCAD 3. Tài liệu tham khảo của các sinh viên khóa trước 4. Các tài liệu từ nguồn INTERNET