Luận văn Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị

kế thực hiện tuần tự theo thuật toán bốn bước sau: Bước 1 : 1 0 0 0 Bước 2 : 0 1 0 0 Bước 3 : 0 0 1 0 Bước 4 : 0 0 0 1 Bước 5 : 1 0 0 0 ....................................... LG CH KĐ MĐC GN T FL VAN Sensor nhiệt yk X2k Y2k Uyk Uyk+1 t 0 SS Sensor tốc độ (-) Hình 3.6b. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước Khâu QT bậc nhất, có trễ LL dầu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 Các khối: Sensor nhiệt độ, khuếch đại (KĐ) làm nhiệm vụ lấy tín hiệu nhiệt độ dưới dạng điện áp ở các thời điểm đầu và cuối các bước đưa về khối ghi nhớ, sensor tốc độ làm nhiệm vụ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ duới dạng điện áp đưa về máy điều chỉnh để điều chỉnh tốc độ trong mỗi bước. 3.4.2. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ Nguyên tắc làm việc của sơ đồ được thực hiện theo 4 bước như sau:  Bước 1: Bộ phát lệnh (FL) phát lệnh tới khối logic (LG) điều khiển động cơ chấp hành (CH) quay dịch mở van gió một bước +x , đồng thời phát lệnh cho bộ ghi nhớ (GN), ghi nhớ giá trị nhiệt độ ban đầu dưới dạng điện áp Uyk.  Bước 2: Bộ phát lệnh tạo thời gian trễ để nhiệt độ của lò thay đổi  Bước 3: Bộ phát lệnh phát lệnh cho bộ ghi nhớ, ghi nhớ giá trị Uyk+1.  Bước 4: Bộ phát lệnh phát lệnh so sánh 2 giá trị trong các bộ nhớ . * Nếu: yk = Uyk+1 - Uyk > c ( nhiệt độ lò đang tăng lên) Trong đó c là một số dương cho trước là ngưỡng tác động của khối logic, bộ phát lệnh tiếp tục phát lệnh tới khối logic điều khiển động cơ chấp hành quay dịch mở van khí một bước x nữa, và phát lệnh cho bộ ghi nhớ, ghi nhớ giá trị Uyk+1 . Quá trình lặp lại theo chu kỳ như trên cho tới khi tìm được cực trị (đây là quá trình tìm cực trị ). * Nếu: yk = Uyk+1 - Uyk < - c (điểm làm việc vượt qua giá trị cực đại) Thì khối logic điều khiển động cơ quay ngược lại đóng bớt van gió một bước x và lúc này hệ đã tìm được cực trị và chuyển sang quá trình duy trì cực trị. * Nếu: - c < yk = Uyk+1 -Uyk < c khối logic không tác động, động cơ không quay lưu lượng khí cấp vào mỏ đốt được giữ cố định và hệ làm việc ở vùng cực trị. Tuy nhiên giá trị nhiệt độ ở bước 1 và bước 3 vẫn được bộ ghi nhớ ghi lại để kiểm tra và duy trì điểm làm việc xung quanh điểm cực trị. Như vậy nhờ thuật toán điều khiển kiểu bước như trên hệ đã thực hiện hai quá trình, quá trình thứ nhất là quá trình tìm cực trị và quá trình thứ hai là quá trình duy trì điểm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 làm việc tại cực đại, bằng việc tính chọn mức ngưỡng của phần tử logic hợp lý và trong khoảng sai số cho phép ta có vùng làm việc không nhạy mà ở đó, hệ làm việc trong vùng cực trị mà không bị dao động. Ở đây thuật toán của ta là thực hiện bước đều (x xác định trước), nếu ta tính toán đưa ra nhiều ngưỡng so sánh c1, c2, c3 … (c1< c2< c3), tương ứng với các góc mở x1< x2< x3, ...), với sai lệch càng lớn thì góc mở càng lớn, thì hệ thống sẽ nhanh chóng tiến đến điểm cực đại. Hoặc trong những hệ thống yêu cầu chất lượng điều khiển cao hơn, ta có thể lấy ky làm hệ số khuếch đại cho giá trị Uđk động cơ chấp hành. Như vậy sẽ thực hiện góc mở van “vô cấp” theo sai lệch của nhiệt độ. Tuy nhiên với thuật toán này, hệ thống chỉ có lợi ở vùng làm việc xa điểm cực trị. Khi đó sai lệch ky lớn, bước dịch chuyển lớn, nên hệ nhanh tiến về điểm cực trị. Ở vùng lân cận điểm cực trị ky nhỏ, bước dịch chuyển nhỏ nên hệ tiến đến cực trị lâu hơn, hình 3.7. Hình 3.7. Sai lệch ky ở các vùng khác nhau trên đặc tính cực đại Do vậy trên thực tế ta nên dùng thuật toán bước theo cấp. Tức là khi ở xa điểm cực đại, hệ thực hiện bước nhảy lớn, khi gần đến điểm cực đại hệ thực hiện bước đều, với bước nhảy nhỏ hơn. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Thoi gian (s) Nh ie t d o NHIET DO GHI NHO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 Sensor tốc độ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ dưới dạng điện áp đưa về cùng với máy điều chỉnh để điều chỉnh tốc độ động cơ trong mỗi bước. 3.4.3. Thiết lập sơ đồ nguyên lý Hệ thống gồm các bộ phận chính sau:  Bộ phát lệnh (FL)  Bộ ghi nhớ (GN)  Bộ so sánh (SS)  Máy điều chỉnh (MĐC)  Động cơ chấp hành (CH) ... 3.4.3.1. Bộ phát lệnh Nhiệm vụ của bộ phát lệnh là phát lệnh cho bộ điều khiển làm việc theo chu kỳ 4 bước với chu kỳ bằng 8(s) và có thể điều chỉnh chu kỳ được, để tạo ra chu kỳ 8(s) có thể điều chỉnh được ta nhờ bộ tạo thời gian trễ. Sau khi nghiên cứu ta chọn bộ tạo thời gian trễ như hình 3.8. Vi mạch 555 bao gồm hai khuyếch đại thuật toán thực hiện chức năng so sánh, một trigơ, một tranistơr, vi mạch có 8 chân 1- nối với cực âm nguồn, 2- kích lật 3- cổng ra, 4- khóa, 5- lọc nhiễu, 6- ngưỡng lật, 7- chân phóng điện, 8- chân nối cực dương Chu kỳ xung T = t1 + t2; t1 = 0,693 C7R11; t2 = 0,693 C7R12. Vi mạch 4017 là bộ chia 10 cùng với vi mạch 555 tạo thành bộ tạo thời gian trễ. Hình 3.8. Sơ đồ mạch điện tạo thời gian trễ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 Biến trở R11 để điều chỉnh chu kỳ xung chủ đạo phát ra từ vi mạch 555. Chọn chu kỳ bộ phát lệnh T = 8(s), thì R11 = 33 K, R12 = 33K, C7 = 2.2µF, để điều chỉnh chu kỳ xung ta chọn R11 là loại biến trở 50K. Kết quả mô phỏng xung nhịp và xung ra của mạch tạo thời gian trễ như hình 3.9. Hình 3.9. Kết quả mô phỏng xung ra mạch tạo thời gian trễ Để phát lệnh cho bộ điều khiển làm việc theo chu kỳ 4 bước ta thiết kế bộ phân phối 4 bước, nhiệm vụ của bộ phân phối tạo ra 4 bước, thực hiện bằng thuật toán sau: Bước 1 1 0 0 0 Bước 2 0 1 0 0 Bước 3 0 0 1 0 Bước 4 0 0 0 1 Sau khi nghiên cứu ta có sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bước như trên hình 3.10. Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bước Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 Bộ phân phối này được tạo nên nhờ hai vi mạch 4013BP và 4001BP, vi mạch 4013BP gồm hai flip-flop D, vi mạch 4001BP gồm 4 phần tử NOR, điện áp cấp nguồn cho hai vi mạch +3 ÷ +15v Nguyên lý làm việc của mạch như sau: Khi chưa có tín hiệu từ bộ tạo thời gian trễ đến giả sử các đầu ra Q1 của 4001 ở mức cao “H”, nên các đầu ra II, III, IV của 4001 ở mức thấp “L”, đầu ra I ở mức cao “H”, đây là trạng thái thứ nhất của bộ phân phối 4 bước, 1 0 0 0 (cũng chính là trạng thái khi bắt đầu làm việc). Ở sườn dương của xung thứ nhất từ bộ thời gian trễ đưa đến, đầu ra Q1 của U11A ở mức cao, đầu ra Q1 của U11B ở mức cao, nên đầu ra II của 4001 (U10D) chuyển lên mức cao, các đầu ra I,III,IV của 4001 ở mức thấp, đây là trạng thái thứ hai của bộ phân phối 4 bước, 0 1 0 0. Ở sườn dương của xung thứ hai từ bộ thời gian trễ đưa đến, đầu ra Q1 của U11A ở mức thấp, đầu ra Q1 của U11B ở mức cao, nên đầu ra III của 4001 (U10D) chuyển lên mức cao, các đầu ra I, II, IV của 4001 ở mức thấp, đây là trạng thái thứ ba của bộ phân phối 4 bước, 0 0 1 0 Ở sườn dương của xung thứ ba từ bộ thời gian trễ đưa đến, đầu ra Q1 của U11A ở mức cao, đầu ra Q1 của U11B ở mức thấp, nên đầu ra IV của 4001 (U10D) chuyển lên mức cao, các đầu ra I,II,III của 4001 ở mức thấp, đây là trạng thái thứ tư của bộ phân phối 4 bước, 0 0 0 1 Trạng thái của mạch luôn chỉ có một đầu ra mức cao còn các đầu ra khác ở mức thấp nên không cần thiết kế mạch tự khởi động, như vậy mạch cứ tuần tự lặp lại các trạng thái như trên đúng theo yêu cầu của bộ phát lệnh, xung nhịp lấy từ đầu số 12 của 4017 (mạch tạo thời gian trễ), đưa vào đầu CP1(3) của 4013 thứ nhất U11A, như vậy bằng việc ghép mạch tạo thời gian trễ và bộ phân phối 4 bước ta có bộ phát lệnh đáp ứng các yêu cầu điều khiển đề ra, việc điều chỉnh chu kỳ của bộ phát lệnh được thực hiện bằng việc điều chỉnh biến trở R1 của bộ tạo thời gian trễ. Đồ thị dạng sóng đầu vào xung nhịp và đầu ra như hình 3.11, mạch điện bộ phát lệnh như hình 3.12. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 Hình 3.11. Đồ thị dạng sóng đầu vào xung nhịp và đầu ra  Đường 1. Biểu diễn tín hiệu ra ở đầu ra I của bộ phân phối bốn bước  Đường 2. Biểu diễn tín hiệu ra ở đầu ra II của bộ phân phối bốn bước  Đường 3. Biểu diễn tín hiệu ra ở đầu ra III của bộ phân phối bốn bước  Đường 4. Biểu diễn tín hiệu ra ở đầu ra IV của bộ phân phối bốn bước Hình 3.12. Mạch điện bộ phát lệnh 3.4.3.2. Bộ ghi nhớ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 Để ghi nhớ các giá trị nhiệt độ dưới dạng điện áp ta chọn phần tử nhớ bằng tụ điện CI& CII. Các tụ điện này phải đảm bảo đủ năng lượng để cho bộ so sánh làm việc chính xác và có khả năng giữ được năng lượng trong chu kỳ làm việc, nếu chọn C lớn thời gian phóng điện dài khi so sánh tụ vẫn giữ một điện áp dư, nếu chọn C nhỏ tụ sẽ không đủ năng lượng để so sánh, ở đây ta tính C sao cho năng lượng đủ mở tầng khuyếch đại vi sai của khuếch đại thuật toán, và tính đến lượng điện tích dò do độ ẩm và nhiệt độ cao, sau khi tính toán ta chọn C = 10  F Để trích mẫu điện áp (ở đầu và cuối bước) phản hồi lấy từ sensor nhiệt độ về ta dùng cổng công tắc dùng vi mạch. Nhiệm vụ của cổng công tắc là đóng mở các tín hiệu sau khi có xung điều khiển ở mức cao “H”, hoặc thấp “L”, ở đây ta chọn cổng công tắc là vi mạch 4066, đây là IC thông dụng nhiệm vụ của các chân là: Chân (14) cấp nguồn +12v, (7) GND, các công tắc ( 1-2), ( 3-4 ), ( 8-9 ), (10- 11 ) được đóng khi các chân điều khiển tương ứng (13), (5), (6), (12), được tác động ở mức cao “H”, tần số làm việc khoảng 90MHz, sơ đồ như hình 3.13. Nguyên lý làm việc được giải thích như sau: Khi SW1,2 đóng tụ C5 được nạp và ghi nhớ giá trị điện áp Uy1 (giá trị điện áp ứng với nhiệt độ tại thời điểm t1), khi SW4,3 đóng tụ C6 được nạp và ghi nhớ giá trị điện áp Uy2 (giá trị điện áp ứng với nhiệt độ tại thời điểm t2), khi SW8,9 & SW10,11 đóng hai điện áp này được đưa vào khâu so sánh. 3.4.3.3. Mạch so sánh Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh hai giá trị nhiệt độ dưới dạng điện áp tại thời điểm đầu và cuối của của mỗi bước Uyk và Uyk+1, hiệu của hai giá trị điện áp này được đưa vào khâu logic, ta chọn bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán LM2904P sơ đồ mạch điện như hình 3.14. Hình 3.13. SW dùng IC 4066 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh Điện áp ở đầu ra bằng yk = Uyk+1–Uyk, các điện trở R7=R8=R9 =R10=100 KΩ. (để tạo ra khoảng thời gian trễ  = 0,1s, tụ điện của bộ ghi nhớ ta chọn bằng 10 F nên các điện trở chọn bằng 100K). Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và so sánh như hình 3.15. Hình 3.15. Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và khâu so sánh 3.4.3.4. Động cơ chấp hành (CH) Động cơ mở van có công suất nhỏ (vài chục W), đối với các hệ thống cũ thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Ngày nay với sự tiến bộ của kỹ thuật vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 xử lý và bán dẫn, hệ truyền động xoay chiều đang dần thay thế các hệ truyền động điện một chiều. Đề tài này lựa chọn động cơ mở van là động cơ xoay chiều một pha rotor lồng sóc. Để thay đổi tốc độ của động cơ ta sử dụng bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều một pha. Đặc điểm cấu tạo của động cơ xoay chiều một pha roto lồng sóc là phía stator có hai cuộn dây đặt lệch nhau 900 trong không gian, một trong hai cuộn nối tiếp với tụ điện. Cuộn dây nối tiếp với tụ điện làm chức năng của cuộn khởi động. Cuộn làm việc là cuộn nối trực tiếp với nguồn. Việc thay đổi vị trí của cuộn khởi động và cuộn làm việc sẽ thay đổi chiều quay của động cơ. a. Điều khiển tốc độ động cơ Để biến đổi một điện áp xoay chiều thành một điện áp xoay chiều khác cùng tần số nhưng có giá trị khác thì phương pháp thường dùng nhất là ta dùng máy biến áp. Máy biến áp có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ, làm việc tin cậy cao, nếu điện áp nguồn là sin thì điện áp ra cũng sin. Tuy nhiên máy biến áp có giá thành tương đối cao và rất khó thay đổi trơn điện áp ra. Khi yêu cầu điều chỉnh trơn điện áp trong phạm vi rộng thì người ta dùng Bộ biến đổi (BBĐ) xoay chiều – xoay chiều một pha, làm việc trên nguyên tắc sử dụng tính chất có điều khiển của thiết bị bán dẫn từ đó cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kì của điện áp nguồn xoay chiều hình sin cho ra điện áp có giá trị nhỏ hơn điện áp nguồn. Bộ biến đổi này cũng có ưu điểm là gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm việc tin cậy, có khả năng điều chỉnh trơn điện áp ra, nhưng nhược điểm là hạn chế về công suất do các thiết bị bán dẫn, điện áp ra không phải là hình sin khi điện áp nguồn là sin. Trong trường hợp này, động cơ mở van có công suất nhỏ thì việc lựa chọn BBĐ là là một giải pháp tối ưu. Sơ đồ nguyên lý : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 Các Ti1 và Ti2 mỗi ti mở trong ½ chu kì dòng điện , góc mở của hai Ti bằng nhau. Tụ C3 và điện trở R25 để bảo vệ cho các Ti. b. Đảo chiều động cơ Sơ đồ nguyên lý : Hình 3.17. Phương pháp đảo chiều quay động cơ Để đảo chiều quay của động cơ ta sử dụng một rơle có một cặp tiếp điểm thường mở và một cặp tiếp điểm thường đóng mắc như trên hình 3.17. Do thời gian dò tìm điểm cực trị là nhỏ so với thời gian duy trì cực trị mà cuộn dây rơ le chỉ có 2 trạng thái có điện và không có điện nên chọn trạng thái trong khi dò điểm cực trị rơ le có điện để đảm bảo tuổi thọ của rơ le và độ chính xác của các tiếp điểm. Khi cuộn dây rơle có điện thì cuộn làm việc là cuộn 1 và cuộn khởi động là cuộn 2 (động cơ quay theo chiều mở van gió). Khi cuộn dây rơle không có điện thì tiếp điểm thường đóng cho dòng qua nên cuộn dây 2 của động cơ đóng vai trò cuộn làm việc còn cuộn dây 1 đóng vai trò cuộn khởi động (động cơ quay theo chiều đóng van gió). Do số lần đảo chiều của động cơ là ít nên việc đổi chiều quay bằng rơle là có thể chấp nhận được. 3.4.3.5. Mạch logic Mạch logic có nhiệm vụ phát tín hiệu điều khiển cho động cơ làm việc theo nguyên tắc: . Hình 3.16. Mạch điều khiển tốc độ động cơ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 * Nếu: yk = Uyk+1 - Uyk > c (trong đó c là ngưỡng tác động của khối logic), khối logic phát lệnh điều khiển động cơ chấp hành quay dịch mở van một bước x. * Nếu: yk = Uyk+1 - Uyk < - c khối logic phát lệnh điều khiển động cơ chấp hành quay dịch ngược van lại một bước -x . * Nếu: - c < yk = Uyk+1 - Uyk < c Thì khối logíc không tác động, động cơ không quay, để thực hiện yêu cầu điều khiển như trên ta thiết kế mạch tạo mức ngưỡng, sơ đồ mạch điện như hình 3.18. Trên sơ đồ mạch điện các bộ khuếch đại thuật toán dùng vi mạch LM324P, phần tử NOR. Để tạo mức ngưỡng cho mạch logic (c = 0.05v) ta cấp một điện áp dương vào đầu đảo của U5B và U6C qua cầu phân áp R4 và R3, để mức ngưỡng đạt 0.05v ta chọn R3 là biến trở loại 100K, điện trở R4 là 470  , điện trở R6 = R5 = 1M. Bộ khuếch đại U8A là mạch khuếch đại đảo có hệ số khuếch đại bằng -1, đầu ra của nó có điện áp bằng ± yk. Hình 3.18. Sơ đồ mạch logic tạo mức ngưỡng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 Hình 3.19. Sơ đồ cung cấp điện cho rơle Nếu: yk > c > 0 đầu ra của U5B ở mức cao đầu ra số I ở mức cao, đầu ra U8A ở mức thấp, đầu ra số II ở mức thấp, đầu ra có tín hiệu cho cuộn rơle điều khiển động cơ quay dịch thuận van một bước x. Nếu: yk < - c đầu ra U5B ở mức thấp đầu ra số I ở mức thấp. Đầu ra U8A ở mức cao, đầu ra U6C ở mức cao, đầu ra số II ở mức cao, lúc này không có dòng điện qua cuộn rơle làm tiếp điểm thường mở được mở ra và tiếp điểm thường đóng thì đóng lại. Cuộn khởi động và cuộn làm việc được đảo vị trí. Động cơ quay dịch ngược van một bước x (theo chiều đóng van gió ). Nếu: -c < yk < c. Đầu số I và đầu số II đều ở mức thấp. Lúc này điện áp tại đầu C ở mức cao, qua cách quang làm điện áp tại chân 6 của TCA785 (xem mục 3.4.3.4) bằng 0V nên ngắt xung đầu ra tại chân số 14 và chân số 15. Động cơ không được cấp điện áp nên không quay. 3.4.3.6. Mạch điều khiển tốc độ động cơ chấp hành Thay đổi tốc độ của động cơ bằng thay đổi điện áp stato của động cơ . Điện áp cung cấp cho động cơ: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 Hình 3.20. Giản đồ điện áp đầu vào động cơ Tại mỗi nửa chu kì của dòng điện thì cần có một xung để kích mở cho Tiristor. Thông thường để tạo xung điều khiển cho Tiristor ta phải thực hiện thiết kế mạch tạo xung có các khối: Đồng bộ hóa, phát sóng răng cưa – So sánh tạo xung – Sửa xung – Khuyếch đại xung, đặc điểm của mạch tạo xung theo các khối này là thiết bị nhiều dẫn đến không chính xác, chỉnh định khó khăn, mạch cồng kềnh và chi phí lớn. Xu thế hiện nay là sử dụng các IC chuyên dụng tích hợp sẵn. Trong đề tài này ta sử dụng TCA785 là IC rất thông dụng trên thị trường. a. Giới thiệu IC TCA785 + Sơ đồ chân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 Hình 3.21. Sơ đồ các chân TCA785 Hình 3.22. Các khối chức năng của TCA785 Bảng 3.2. Chức năng các chân của TCA785 Chân Ký hiệu Chức năng Chân Ký hiệu Chức năng 1 GND Ground 9 R9 Điện trở cđ sóng răng cưa 2 2Q Đầu ra 2 đảo 10 C10 Điện dung cđ sóng răng cưa 3 QU Đầu ra U 11 V11 U điều khiển 4 1Q Đầu ra 1 đảo 12 C12 Tụ chỉnh định độ rộng xung 5 VSYN C Điện áp đồng bộ 13 L Long pulse 6 I Đầu vào ngắt Q1 và Q2 14 Q 1 Đầu ra 1 7 Q Z Đầu ra Z 15 Q 2 Đầu ra 2 8 VREF Điện áp ổn định 16 VS Vcc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 + Điện áp các chân của TCA785: Hình 3.23. Giản đồ điện áp của các chân TCA785 Từ giản đồ điệp áp các chân TCA785 ta có thể sử dụng các xung ra ở chân số 14 (V14 ) và chân số 15 (V15) để điều khiển các Ti. Điện áp ra (V14 & V15 ) có giá trị ở mức cao (V14&V15 )H=(Vs-3.0)V đến (Vs- 1.0), mức thấp (V14&V15 )L=0.3V đến 2.0V. Độ rộng xung có thể điều chỉnh phù hợp với Tiristo lựa chọn thông qua điều chỉnh giá trị của tụ nối vào chân số 12. Cụ thể: Khi chân 12 để trống thì độ rộng xung ra là (20 40 )s s  . Khi có tụ nối vào chân số 12 thì độ rộng xung ra được tính khoảng (530 760) s nF   . b. Thiết kế mạch điều khiển + Khối tổng hợp các tín hiệu tạo điện áp điều khiển Việc tổng hợp các tín hiệu chủ đạo và các tín hiệu phản hồi thường được thực hiện ngay ở mạch vào bộ khuếch đại trung gian. Bộ khuếch đại trung gian thì có thể sử dụng các sơ đồ khuếch đại bằng Transitor, bằng IC khuếch đại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 72 thuật toán. Trong đề tài này ta chỉ sử dụng sơ đồ khuếch đại đơn giản bằng 1 Transitor. + Lựa chọn phản hồi Với yêu cầu của đề tài tốc độ động cơ phải ít thay đổi (đặc tính cơ cứng) nên ta phải dùng phản hồi để nâng cao độ cứng đặc tính tĩnh. Ta chọn phản hồi âm tốc độ. Có nhiều cách để lấy phản hồi, trong trường hợp này ta chọn máy phát tốc vì nó tuy là thiết bị quay nhưng nó cho ta điện áp phản hồi phản ánh trung thực tốc độ động cơ, và ít phụ thuộc vào môi trường. Máy phát tốc (sensor tốc độ) thực chất là một máy phát một chiều kích từ độc lập hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, có công suất nhỏ. Công suất cung cấp cho mạch điều khiển là tương đối nhỏ nên ta có thể lấy trực tiếp thông qua điện trở phân áp từ điện áp 110VAC. Tổng hợp mạch điện điều khiển động cơ: Hình 3.24. Mạch điện điều khiển sử dụng TCA785 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73 Các đầu C và D trên mạch điện lấy từ mạch điện dò cực trị. Điện áp sử dụng trong mạch điều khiển các Ti làm việc không qua biến áp nên để đảm bảo an toàn cho người vận hành ta dùng cách quang với mạch điện dò cực trị. Khi nhiệt độ của lò nung đạt giá trị cực đại thì đầu C ở mức cao, đầu D được nối đất do đó có dòng qua cách quang, lúc này điện áp chân số 6 bằng 0V và chân số 6 ở mức thấp nên khóa xung ra ở chân số 14 và 15, các Tiristo khóa lại cắt điện áp vào stato của động cơ làm động cơ dừng lại. Điện áp điều khiển Uđk được lấy trên cực gốc của Tranzito Q3. Điện áp phân cực cho Q3 được tổng hợp từ điện áp đặt. Mạch khuyếch đại xung : Hình 3.25: Mạch khuyếch đại xung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 Mạch khuyếch đại xung có hai kênh riêng rẽ để điều khiển biên độ xung sao cho phù hợp với Tiristo. Khi động cơ công suất nhỏ thì biên độ của xung ra TCA785 đã có thể điều khiển được Tiristo nên không cần mạch khuyếch đại xung. Việc chọn Thiristo sao cho phù hợp với công suất của động cơ xoay chiều. Trên đây là mạch điều khiển động cơ mở van với bước nhảy đều, mỗi khi y có giá trị lớn hơn ngưỡng nhạy (được đặt thông qua biến trở R3 hình 3.18), I hoặc II có giá trị logic 1, động cơ sẽ khởi động với cấp điện áp đặt trước thông qua giá trị uđk trên hình 3.24. Để thực hiện thuật toán động cơ mở van với nhiều cấp tốc độ ta sử dụng thêm IC AN6884 với tín hiệu đầu vào là sai lệch y, tín hiệu đầu ra là giá trị Uđk, tỷ lệ thuận với sai lệch (có ngưỡng). Sơ đồ chân của AN6884 như hình 3.26 Hình 3.26. Sơ đồ chân của IC AN6884 Như vậy, trong mạch thiết kế tạo Uđk cho vào TCA785 thì điện áp chỉnh định sẽ được thay đổi qua việc sử dụng 5 cách quang, hình 3.27. Nếu cả 5 cách quang đều có điện thì lúc đó Uđk là nhỏ nhất. Khi không có cách quang nào có điện thì Uđk là lớn nhất và giá trị chỉnh định cho Uđk lúc này nên nhỏ hơn điện áp nguồn xoay chiều cung cấp cho TCA785 một chút. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 75 Trong mạch điện sử dụng AN4066 để thay đổi giá trị đưa vào 5 khuếch đại thuật toán (KĐTT) đảm bảm nó luôn có giá trị dương. Khi động có quay thuận chưa vượt qua điểm cực trị thì đầu I ở mức cao lúc đó S3 được dùng. Khi động cơ quay ngược thị đầu II mức cao và S4 được dung (giá trị điện áp ở S4 cùng độ lơn nhưng ngược dầu với S3). Như vây đầu ra số III luôn là điện áp lớn hơn 0v. Điện áp đầu III đưa vào bộ so sánh gồm 5 KĐTT để so sánh quyết định ngưỡng ra của các KĐTT này. Điện áp đưa vào đầu + của KĐTT là điện áp VCC chia đều cho 5 (qua 5 điện trở). Như vậy cứ điện áp chân III có giá trị lớn thêm một nấc thì sẽ có có một KĐTT cho đầu ra có giá trị thấp (hay một cách quang được mở). Như vậy với sơ đồ như hình 3.27 ta có thể tạo được 5 ngưỡng cho Uđk, tương ứng với 5 cấp tốc độ của động cơ. Hình 3.27. Mạch tạo 5 ngưỡng Uđk sử dụng AN6884 và cách ly quang. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 76 Hình 3.28. Mạch điều khiển sử dụng TCA785 kết hợp với AN6884 3.4.3.7 Sensor Chọn sensor là một cặp nhiệt và bộ khuyếch đại. Ta chọn cặp nhiệt loại Vonfram ký hiệu BP5/20 có sức điện động nhiệt với 1000C ứng với 1,33mV. Vậy với 20000C điện áp đầu ra là 26,6 mV. Để nâng điện áp từ 0 26,6mv lên 05v thì ta phải dùng bộ khuyếch đại có hệ số khuyếch đại là K = 188, có thể dùng bộ khuyếch đại thuật toán µA741, bộ này có triết áp để điều chỉnh hệ số khuyếch đại 3.4.3.8. Nguồn Để tạo ra điện áp ±12 v ta dùng bộ nguồn gồm có :  Máy biến áp biến đổi điện áp lưới xuống điện áp yêu cầu.  Bộ chỉnh lưu cầu.  Các tụ lọc.  Các IC ổn áp 7812 và 7912 sơ đồ như hình 3-26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 77 Hình 3.29: Bộ nguồn 3.4.4. Máy điều chỉnh 3.4.4.1. Xây dựng hàm truyền động cơ chấp hành Đối với động cơ xoay chiều không đồng bộ rotor lồng sóc có mô hình tương đối phức tạp, các quan hệ điện từ trong máy có tính phi tuyến rất mạnh. Tuy nhiên, trong trường hợp này do quán tính nhiệt của lò lớn, hằng số thời gian của lò hơn rất nhiều so với hằng số thời gian của động cơ, do vậy ta có thể sử dụng mô hình động cơ không đồng bộ khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ [5]. Trong trường hợp quá trình quá độ điện từ xảy ra rất nhanh sơ với quá trình quá độ điện cơ thì có thể bỏ qua quá trình quá độ điện từ khi khảo sát động cơ không đồng bộ. Trong trong trường hợp cụ thể này, mô men của động cơ là hàm của ít nhất hai biến: biến ra tốc độ và biến vào điện áp stator: M=M(u,) Do tính phi tuyến mạnh các đặc tính của động cơ không đồng bộ nên thường dùng phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc: M=Mđm+M và u=Uđm+u (3.19) Mc=Mcđm+M; =đm+  (3.20) Trong đó gia số mô men là:        .. M u u M M ;       .cc M M (3.21) Thay thế vào phương trình chuyển động của hệ thống viết dưới dạng toán tử: )(.)(.)(.. pu u M p MM ppJ c                 (3.22) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 78 Sơ đồ cấu trúc mô tả phương trình trên được thể hiện ở hình 3.30. Sau một vài phép biến đổi đại số cần thiết, ta có hàm truyền của động cơ là: pT K pu p pW m mu .1)( )( )(       (3.23) Trong đó Tm là hằng số thời gian điện cơ:        MM J T c m (3.24) Kmu là hệ số khuếch đại của động cơ với biến vào u:          MM u M K c mu (3.25) Hình 3.30. Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cảu động cơ Trong trường hợp dung công thức Kloss để tính mômen thì có thể lấy gần đúng: th th s s M s MM . 2 . 1 0000          (3.26) Với động cơ mở van, mô men tải không phụ thuộc tốc độ: Mc=Mco.sign[] thì ta tính được: th th m M sJ T .2 .. 0 ; đmuuth th mu u M M s K    . .0 (3.27) Trong trường hợp này ta chọn động cơ công suất nhỏ có các thông số như sau: u M     cM  M Jp 1 u  - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 79 Bảng 3.3: Thông số một số động cơ không đồng bộ 1 pha Chọn động cơ kiểu HCL80A4, các thông số khác như sau: Uđm=110V, f=50Hz, Điện trở, điện kháng mạch stator R1=2,02 (), X1=2,79 (); điện trở, điện kháng mạch rotor quy đổi về stator R2’=4,12 (), X2’=2,12 (), điện kháng hỗ cảm Xm=66,8 (). Sau khi tính toán ta có hàm truyền của động cơ là: p WĐC .002,01 161,0   (3.28a) Để đồng nhất, ta sử dụng toán tử s: s WĐC .002,01 161,0   (3.28a) 3.4.4.2. Xây dựng hàm truyền bộ biến đổi Trong đa số các trường hợp, chỉnh lưu được điều khiển bằng tín hiệu biến thiên chậm. Trong trường hợp này ảnh hưởng của tính chất xung và tính bán điều khiển đến quá trình quá độ là nhỏ và do đó, gần đúng có thể coi bộ biến đổi là mạch chỉnh lưu liên tục với sơ đồ thay thế như hình 3.31. Trong đó fefb L mm RR .. .2 ) .4 . 1(    ; Lb=Lf (3.29) m- số xung áp đầu ra; - góc chuyển mạch cực đại; Lf,Rf- điện cảm và điện trở của một pha xoay chiều. Id Ed Rb Lb Hình 3.31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 80 Trong trường hợp biến thiên nhỏ của tín hiệu, khi hiện tượng chuyển mạch không có ảnh hưởng đến giá trị trung bình của điện áp thì Rb=Rf. Do tính chất xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh lưu nên thời điểm của tín hiệu điều khiển thay đổi không trùng với thời điểm thay đổi góc điều khiển . Độ dài của khoảng thời gian trễ này có đặc tính ngẫu nhiên. Theo kinh nghiệm, nên chọn giá trị của thời gian trễ là: e vo m T   .  (4.12) khi đó hàm truyền của bộ biến đổi được mô tả như hình 4.3a. Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn, có thể dùng biểu thức gần đúng của khai triển Mc.Laurin: vo vovo Ts Ts TsTs e vo .1 1 ..... !2 1 .1 1 22 .     (3.30) Với bộ biến đổi xoay chiều-xoay chiều 1 pha, chọn Uđk=(0÷10) v, ứng với điện áp đầu ra Ud=(0÷110) v, ta có hàm truyền bộ biến đổi như sau: s WBBĐ .001,01 11   (3.31) 3.4.4.3. Hàm truyền của máy phát tốc Máy phát tốc thực chất là một máy phát điện một chiều kích từ vĩnh cửu, biến tốc độ quay trên trục động cơ thành điện áp đầu ra. Trong trường hợp máy có công suất nhỏ có thể coi như một khâu khuếch đại.    đkFT U W (3.32a) Với  .50 60 1500..2 60 .2  đb n ; Uđk=10 nên 064,0 .50 10   đk FT U W (3.33b) 3.4.4.4. Thiết kế mạch hiệu chỉnh uđk  voTse . voTs.1 1  uđk  Hình 3.32a. Hàm truyền của BBĐ Tiristo Hình 3.32b. Hàm truyền của BBĐ Tiristo trong trường hợp gần đúng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 81 Hình 3.33a: Sơ đồ khối hệ thống khi có máy điều chỉnh Ta có: FTDCBBDSH WWWW ..)(  (3.33a) 064,0. 002,01 161,0 . 001,01 11 )( sS W sH   (3.33b) Hiệu chỉnh theo phương pháp modul tối ưu Hình 3.33b )().1.(2 1 sH HC WsS W    Chọn τ=0,002 )002,01)(001,01( 113,0 ).1002,0(002,0.2 1 ss ss WHC    s s WHC 410.5,4 )001,01(    Thiết kế mạch hiệu chỉnh Hình 3.34: Mạch điện máy điều chỉnh FT WĐC WBBĐ WHC (-)  Uđk 1/FT WĐC WBBĐ WHC (- )  Uđk FT Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 82 ) . 1 ( sT KW sHC  ; 2,2 2 1  R R Ks ; T=R1.C2=4,5.10 -4 Chọn C2=10 -6 (F); R1=450(Ω); R2=990(Ω); 1 4 3  R R ; R3=R4=1000(Ω) 3.5. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý Trên sơ đồ nguyên lý bộ tạo thời gian trễ dùng vi mạch 555 và bộ chia 10 dùng vi mạch 4017, ở đầu ra 12 của 4017 là các xung nhịp chữ nhật có chu kỳ T = 2(s) được đưa đến chân CP1 (3) của bộ phân phối 4 bước, ở các sườn dương của xung nhịp sẽ làm cho các đầu ra của 4001 lần lượt thay đổi trạng thái, ở các đầu ra I, II, III, IV của 4001 thứ tự có các tín hiệu theo chu kỳ 1000, 0100, 0010, 0001, 1000 ... Giả sử khi đầu I có tín hiệu 1, cực điều khiển 13 của 4066 có mức cao làm SW1,2 đóng, tín hiệu (nhiệt độ) điện áp Uy1 được nạp vào bộ ghi nhớ 1 (tụ C5), giá trị điện áp này chính là giá trị đầu của một bước, đây là bước 1. Ở sườn dương của xung nhịp thứ 2, bộ phân phối ở trạng thái 0100, đầu ra II ở mức cao không cấp tín hiệu, thời gian này chính là thời gian trễ để nhiệt độ ở trong lò có đủ thời gian tăng hoặc giảm, đây là bước thứ 2. Ở sườn dương của xung nhịp thứ 3, đầu ra III có tín hiệu và được đưa đến cực điều khiển số 5 của 4066, SW3,4 đóng, bộ ghi nhớ 2 (tụ C6) được nạp giá trị điện áp Uy2, giá trị điện áp này là giá trị điện áp cuối một bước, đây là bước 3, Ở xung nhịp thứ 4 đầu ra IV có mức điện áp cao các cực 6, 12, của 4066 có điện làm SW8,9 & SW10,11 đóng hai tín hiệu Uy1 & Uy2 được đưa vào khâu so sánh, tuỳ theo dấu và độ lớn của yk = Uy2 – Uy1 mà khối logic điều khiển động cơ mở, đóng hoặc không làm việc van gió, xung nhịp đưa vào khối logic là tín hiệu lấy từ đầu số IV của bộ phát lệnh. Nếu: yk > c > 0 thì khối logic điều khiển động cơ dịch chuyển van gió một góc x theo chiều mở van. Nếu: yk = Uyk+1 - Uyk < - c thì khối logic phát lệnh tới mạch điều chỉnh điều khiển động cơ chấp hành quay ngược dịch chuyển van một góc x theo chiều đóng bớt van gió. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 Nếu: c - < yk = Uyk+1 - Uyk < c thì khối logic không tác động, mạch logic không tác động, động cơ không quay (do chọn sensor và bộ khuếch đại như phần trên ứng với mức ngưỡng c = 0.05v tương ứng với 20oC) chu kỳ tiếp theo lại tiếp tục lặp lại từ bước 1, trình tự như trên chính là quá trình tìm cực trị (cực đại của ngọn lửa). Khi hệ tìm được cực trị thì khối logic không tác động ngắt tín hiệu dịch bước và duy trì cực trị trong vùng không nhạy của nó còn bộ tìm bước chỉ làm nhiệm vụ ghi lại các giá trị nhiệt độ dưới dạng điện áp, so sánh để kiểm soát 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 chƣơng 3  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 nguyên tắc cực trị dùng phương pháp bước cho mạch vòng điều khiển lưu lượng gió, 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.  Đề tài đã nghiên cứu và thiết kế thành công mạch điều khiển cho động cơ chấp hành, sử dụng động cơ xoay chiều một pha rotor lồng sóc phù hợp với điều kiện và xu hướng phát triển hiện nay.  Để đơn giản trong quá trình điều khiển ta thực hiện thuật toán “bước đều”, trong quá trình tìm cực trị để thời gian tìm nhanh nhất cần hiệu chỉnh để giá trị dịch bước lớn. Tuy nhiên, nếu chọn “bước nhảy” lớn sẽ dẫn tới khả năng hệ chỉ dao động quanh điểm cực đại mà không thể “bước” tới đỉnh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 84  Khi yêu cầu chất lượng điều khiển cao hơn, và để tránh khả năng hệ không thể “bước” tới đỉnh của hệ, ta sử dụng thuật toán “bước” theo cấp, “bước nhảy” phụ thuộc vào độ lớn của sai lệch. Do đó sẽ đảm bảo càng xa điểm cực đại bước nhảy càng lơn, quá trình tìm cực trị nhanh hơn, hệ làm việc gần điểm cực trị hơn chất lượng điều khiển cao hơn.  Khi hệ tìm được cực trị, để mạch làm việc trong vùng ổn định cần hiệu chỉnh mức ngưỡng của khối logic hợp lý đảm bảo yêu cầu công nghệ và chất lượng điều khiển.  Đối với động cơ mở van, đề tài sử dụng động cơ xoay chiều một pha, đó là loại động cơ được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển. Một trong những kho khăn lớn của ngời thiết kế là khó có thể tìm được mô hình chính xác của laọi động cơ này. Trong nhiều trường hợp khi thời gian quá độ của động cơ nhỏ hơn nhiều so với thời gian quá độ của hệ thống thì ta có thể sử dụng hàm truyền gần đúng. Trong chương này đã giới thiệu và xây dựng hàm truyền gần đúng của động cơ xoay chiều một pha, khi bỏ qua quán tính điện từ. Từ đó làm tài liệu cơ sở để mô thiết kế các hệ thống tương tự. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 85 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 4.1 . Các thông số chất lƣợng Chất lượng của hệ thống tìm cực trị được đánh giá bằng các thông số sau :  Thời gian tìm đến cực trị (ttìm ), là thời gian tính từ lúc hệ bắt đầu làm việc ở một vị trí nào đó trên đặc tính tĩnh của đối tượng đến lúc hệ thống tới điểm cực trị.  Tổn thất tìm (Pt), là độ sai lệch trung bình trong một chu kỳ dao động xung quanh điểm cực trị.  Tổn thất lắc (Pl), là hiệu số giá trị lượng vào lớn nhất Xmax và lượng vào nhỏ nhất Xmin trong một chu kỳ.  Chu kỳ dao động quanh điểm cực trị ( Tt ), là thời gian tính từ lúc hệ thống đi từ vị trí cân bằng này cho đến khi trở lại đúng vị trí đó trong chu kỳ ổn định.  Hệ thống được đánh giá là có chất lượng tốt khi Pt, Pl, ttìm, nhỏ và Tt ngắn.  Đối với động cơ mở van yêu cầu thời gian quá độ nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ lấy mẫu của hệ thống. 4.2. Mô phỏng động cơ mở van Từ các hàm truyển xây dựng ở mục 3.4.3 ta tiến hành mô phỏng trên simulink như sau: Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng và hiệu chỉnh động cơ mở van Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0 5 10 15 20 25 30 35 Thoi gian (s) To c d o ( v/p ) DAC TINH MO MAY DONG CO CHAP HANH Hình 4.2. Đặc tính khởi động của động cơ mở van gió 4.3. Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống Từ sơ đồ nguyên lý đã xét ở phần trước ta xây dựng sơ đồ mô hình hoá hệ thống, việc xây dựng này dựa trên nguyên tắc. Thay thế các khí cụ tác động thực tế trong sơ đồ nguyên lý bằng các khâu động học điển hình có mô tả toán học tương đương với trạng thái tác động của các khí cụ đó, sự tương đương về nguyên tắc tác động ở sơ đồ nguyên lý và mô tả toán học ở sơ đồ cấu trúc như sau: - Bộ phát lệnh ở sơ đồ nguyên lý được mô hình hoá bằng khối Phulse Generator, khối Phulse Generator 3 tác động ở bước thứ 1, tương ứng với trạng thái ghi nhớ tín hiệu Uyk , khối Phulse Generator 2 tác động ở bước thứ 3 tương ứng với ghi nhớ tín hiêu Uyk+1, khối Phulse Generator1 tác động ở bước thứ 4 để so sánh hai tín hiệu Uyk+1 và Uyk. - Bộ ghi nhớ được mô hình hoá bằng khối Transport Delay và Transport Delay1, vì các khối này lưu giữ tín hiệu để so sánh ở bước thứ 4 nên khối Transport Delay đặt thời gian trễ là 6(s), khối Transport Delay1 đặt thời gian trễ là 2(s). - Bộ so sánh được thay thế bằng khối Sum - Khối logic được mô hình hoá bằng các khối Dead Zone, Constant4, Relational Operator (tạo mức ngưỡng ± 0.05v ), Triggered Subsytem. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 87 Khi hệ đạt cực trị đầu ra của khối Relational Operator có một xung dương kích mở lật trạng thái của Switch 3. Giả sử sau mỗi một bước nhịp thì van mở được một lượng diện tích là s .Việc van mở được nhiều hay ít sau một bước van phụ thuộc vận tốc quay của động cơ chấp hành. Lò nung được mô hình hoá là một khâu quán tính bậc nhất có trễ cùng với đặc tính tĩnh (có dạng parabol ) Khâu quán tính bậc nhất có trễ có hàm truyền đạt là ( ) 1 sKW s e Ts   (4.16a) K = 72, T = 1200(s), 60( )s  Xấp xỉ khâu trễ ta được: 2 72 72 w(s) (1200 1)(60 1) 72000s 1260s 1s s       (4.16b) Các khối, Clock, Math Function, Constant, Gain tạo mô hình đặc tính tĩnh dạng parabol. Sensor nhiệt độ và bộ khuếch đại mô hình hoá bằng khối Gain3 với hệ số K=0.025 Hình 4.3. Sơ đồ mô hình hoá lò nung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 88 Hình 4.4. Sơ đồ mô hình hoá bộ điều khiển dịch bước Từ việc thay thế như trên nếu thực hiện thuật toán bước đều, ta có mô hình mô phỏng hệ thống như hình vẽ 4.5. Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống với thuật toán bước đều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 Để thực hiện thuật toán bước theo tỷ lệ sai lệch y, ta phải thiết kế thêm một khâu khuếch đại với hệ số chính là tín hiệu sai lệch. Tuy nhiên trên thực tế, việc thiết kế phần cứng sẽ gặp nhiều khó khăn mà công nghệ cũng không yêu cầu chất lượng điều khiển cao như vậy. Để đơn giản ta thực hiện thuật toán bước theo từng cấp (mục 3.4.3). Sơ đồ mô phỏng hệ thống với bước nhảy 2 cấp như hình 4.6. Hình 4.6. Sơ đồ mô phỏng động cơ mở van 2 cấp tốc độ 4.4. Kết quả mô phỏng trên phần mền Matlab Simulink 4.4.1. Kết quả với thuật toán bước đều Lò nung là một khâu phi tuyến, ta có thể coi lò là một khâu quán tính bậc nhất có trễ cùng với đặc tính tĩnh của lò, giá trị cực đại và độ dốc của đặc tính tĩnh là thông số xác định bằng thực nghiệm hay tính toán giải tích, Ở đây giả thiết cực đại ymax = 1200 0 C, ứng với góc mở van khoảng 110% (=1,1), hình 4.7. Trong quá trình tìm cực trị, sau một chu kỳ của bộ phát lệnh, bộ so sánh so sánh hai giá trị đầu và cuối bước điều khiển khối logic phát tín hiệu điều khiển máy điều chỉnh cho động cơ dịch bước, kết quả mô phỏng góc dịch mở van như hình 4.12 : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 Hình 4.7. Đặc tính tĩnh nhiệt độ lò nung Hình 4.8. Góc dịch mở van bước nhảy đều Nhiệt độ lò nung như hình 4.9 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 anfa N hi et d o DAC TINH CUC TRI LO NUNG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 Hình 4.9. Nhiệt độ ra của lò với bước nhảy đều Từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy sau 15 bước mở van (120s) nhiệt độ lò đạt cực đại và được duy trì, ổn định tại nhiệt độ đó. Hình 4.10. Nhiệt độ ghi nhớ ở các bước 0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Thoi gian (s) N hi et d o DAC TINH DONG NHIET DO LO 0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 40 6 800 1000 1200 1400 Thoi gian (s) Nh ie t d o NHIET DO GHI NHO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 92 Hình 4.10 mô tả tín hiệu nhiệt độ được ghi nhớ tại các bước, từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy nếu điều chỉnh chu kỳ dịch bước nhỏ thì hệ thống làm việc chính xác hơn, tuy nhiên không thể nhỏ quá vì còn phụ thuộc và thời gian quá độ của động cơ. Hình 4.11 mô tả tín hiệu ra của khối logic, khi tín hiệu Uyk lớn hơn Uyk+1 khối logic phát tín hiệu ngắt dịch bước thuận và chuyển sang chế độ duy trì cực trị, trên sơ đồ mô phỏng điểm thay đổi trạng thái tại thời điểm t = 120s Hình 4.11. Tín hiệu ra của khối Triggered 4.4.2. Kết quả mô phỏng với bước nhảy hai cấp Với cùng một đặc tính tĩnh, hình 4.7, ta tiến hành mô phỏng với thuật toán động cơ mở van với 2 cấp tốc độ. Từ nhiệt độ ghi nhớ ở hình 4.10, ta nhận thấy càng ở xa điểm cực trị sai lệch nhiệt độ (y) càng lớn. Do đó ta đưa thêm một khâu so sánh ngưỡng C2 lớn hơn C1, khi y  C2 thì tín hiệu mở van được tăng gấp đôi 2x. Sơ đồ mô phỏng hình 4.6, kết quả mô phỏng như các hình 4.12, 4.13, 4.14. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 93 Hình 4.12: Góc mở van ứng với bước nhảy 2 cấp Hình 4.13: Đặc tính động nhiệt độ lò với bước nhảy 2 cấp 0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Thoi gian (s) Nh ie t d o NHIET DO LO KHI MO VAN 2 CAP Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 94 Hình 4.14. Tín hiệu ra của khối Triggered 4.4.3. Nhận xét Qua nhiều lần mô phỏng, ta thấy: + Đặc tính khởi động của động cơ chấp hành có lượng quá điều chỉnh nhỏ, số lần dao động ít, thời gian quá độ tqđ=0,03s nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ lấy mẫu của hệ thống (T=8s). Do vậy trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua động học của động cơ mở van, coi động cơ là một khâu khuếch đại. + Quá trình mở van hoàn toàn phù hợp với ý tưởng thiết kế, hệ tự động tìm được cực trị ở bước thứ 15 sau 120s ứng với góc mở   11% như hình 4.8. + Khi thay đổi “bước nhảy” theo độ dốc đặc tính thì quá trình tìm đến điểm cực trị nhanh hơn, chất lượng hệ thống cao hơn. Hình 4.12, mô phỏng 2 cấp tốc độ của động cơ mở van, hệ tìm được cực trị ở bước 13 sau 104s, ứng với góc mở   11%. + So sánh hình 4.9 và 4.13, ta nhận thấy khi thực hiện bước nhảy 2 cấp nhiệt độ lò tăng nhanh hơn và đạt ổn định sớm hơn. + Nếu giảm chu kỳ tìm bước thì chất lượng của hệ sẽ tốt hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 95 + Nếu chọn mức ngưỡng  của phần tử logic lớn, hệ sẽ tiến đến cực đại nhanh hơn nhưng lại khó tìm được đúng điểm cực đại. Do vậy nếu lựa chọn  hợp lý thì hệ ít bị dao động hơn. 4.5. Kết luận chƣơng 4 Từ việc mô hình hóa đối tượng và các khí cụ thao tác đề tài đã xây dựng mô hình mô phỏng trên nền Matlab – Simulink, một trong những phần mềm thông dụng và có tính ứng dụng rất cao hiện nay. Kết quả mô phỏng đã chứng minh tính đúng đắn của thuật toán tìm điểm cực trị theo phương pháp bước. Khi thực hiện “bước nhảy” phụ thuộc vào độ dốc đặc tính của đối tượng thì quá trình tìm điểm cực trị nhanh hơn, chất lượng của hệ thống tốt hơn. Kết quả mô phỏng chứng tỏ tính đúng đắn của thuật toán và tạo cơ sở khoa học để áp dụng vào các hệ thống thực. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận Nội dung nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị. Từ việc nghiên cứu các cơ sở lý luận chung và đi sâu nghiên cứu ứng dụng cho một đối tượng cụ thể đó là điều khiển ổn định nhiệt độ của lò nung trong công nghệ luyện cán thép, với hiệu suất cháy cao nhất . Qua quá trình tìm hiểu thực tế cho thấy, nhiều dây truyền cán thép thiết bị điều khiển lò không được tự động hoặc nếu tự động thì tỷ lệ gió/dầu thường được giữ “cứng” trong quá trình điều khiển. Như vậy việc vận hành lò hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm của thợ lò hoặc điều khiển tự động dựa trên một số giả thiết ban đầu. Khi có sự thay đổi của các tác động bên ngoài sẽ dẫn đến hiệu suất cháy giảm, gây tổn thất dầu, giá thành sản phẩm cao. Đề tài này đã nghiên cứu, phát triển bộ điều khiển thích nghi, điều khiển lưu lượng gió theo lưu lượng dầu, đồng thời “tìm” và duy trì tỷ lệ gió/dầu phù hợp nhất khi có sự thay đổi của điều kiện làm việc và các yếu tố môi trường. Nhằm nâng cao hiệu suất và tiết kiệm dầu đốt. Đề tài đã trình bày các thuật toán điều khiển, thiết kế mạch phần cứng và mô phỏng thành công. Đặc biệt là thuật toán tìm cực trị kiểu bước với “bước nhảy” phụ thuộc vào độ dốc của đặc tính. Thiết kế mạch phần cứng và mô phỏng thành công động cơ chấp hành là động cơ xoay chiều một pha không đồng bộ rotor lồng sóc. Với chất lượng điều khiển rất tốt. Hiện nay trên thị trường có nhiều thiết bị điều khiển lưu lượng dầu và khí vào các lò nung liên tục (ví dụ như DB1130 của hãng CHINO Nhật Bản ...) tuy nhiên giá thành còn khá đắt, mặt khác hồ sơ thiết bị chỉ có hướng dẫn sử dụng nên người quản lý kỹ thuật khó có thể nắm được bản chất của quá trình điều khiển nên không thể chủ động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 97 trong vận hành. Bản thuyết minh này là cơ sở khoa học để cán bộ vận hành khai thác và sử dụng hiệu quả hệ thống sẵn có và cải tiến, thay thế các hệ thống đã cũ, lạc hậu. 5.2. Kiến nghị Do thời gian và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở mô phỏng trên các phần mềm chuyên dụng. Nếu được kiểm chứng qua các mạch phần cứng và các thí nghiệm thực, hệ thống hoàn toàn có thể áp dụng vào thực tế, thay thế các thiết bị nhập ngoại với giá thành thấp hơn, mở ra hướng ứng dụng nhằm tiết kiệm nhiên liệu cho các công nghệ lò đốt nói chung. Thuật toán điều khiển cần phải được nghiên cứu ứng dụng cho một số công nghệ khác để có được những kết quả chính xác hơn và khắc phục những hạn chế do một số giả thiết chỉ phù hợp với công nghệ luyện cán thép. Tiếp tục nghiên cứu giải quyết bài toán điều khiển thích nghi nhiều biến nhằm bổ xung thêm cơ sở lý luận về điều khiển nói chung và điều khiển thích nghi nói riêng. Về thiết kế phần cứng, nên chuyển sang điều khiển số, sử dụng vi điều khiển thay thế các mạch điều khiển tương tự. Nhằm nâng cao tốc độ xử lý, độ chính xác, đặc biệt nâng cao tính linh hoạt của các thuật toán điều khiển. Trên đây là toàn bộ bản thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật của tác giả. Trong quá trình phân tích, thiết kế không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự cảm thông, giúp đỡ, đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè, đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn ! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 98 TÓM TẮT Bản thuyết minh bao gồm 5 chương, mỗi chương nghiên cứu và giải quyết một số vấn đề cơ bản sau: Chƣơng 1: Điều khiên thích nghi cho hệ cực trị Giới thiệu tổng quan về điều khiển thích nghi: Định nghĩa, phân loại, sơ đồ tổng quát. Phân tích một số đối tượng có đặc tính cực trị, các phương pháp xây dựng bộ điều khiển cho các đối tượng cực trị, các phương pháp “tìm” và duy trì điểm cực trị. Nội dung của chương này chủ yếu được tham khảo chương 3, 4 của tài liệu [1]. Chƣơng 2: Phân tích đối tƣợng lò nung trong công nghệ luyện cán thép Từ những tài liệu kỹ thuật của một số nhà máy, bằng việc nghiên cứu tìm hiểu đối tượng thực, chương 2 tập trung phân tích vai trò và yêu cầu của lò nung trong công nghệ luyện cán thép. Phân tích và xác định đặc tính tĩnh, đặc tính động của đối tượng lò nung, phân tích quá trình cháy và chứng minh nhiệt độ của lò nung phụ thuộc vào tỷ lệ gió/dầu theo đặc tính cực đại. Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống điều khiển Phân tích lựa chọn phương pháp bước để thiết kế bộ điều khiển. Đưa ra sơ đồ khối mạch điều khiển nhiệt độ lò nung, phân tích và thiết kế phần cứng mạch điều khiển lưu lượng gió với giả thiết lưu lượng dầu không đổi. Với động cơ mở van gió, đã nghiên cứu, sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ một pha. Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp stator. Xây dựng hàm truyền gần đúng, thiết kế mạch hiệu chỉnh theo phương pháp modul tối ưu. Chƣơng 4: Mô phỏng hệ thống Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm mô phỏng Matlab – Simulink, thết kế và mô phỏng toàn hệ thống. Quan sát và nhận xét kết quả. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 99 Chƣơng 5: Kết luận và kiến nghị Tóm tắt các kết quả chính đạt được của đề tài, đồng thời đưa ra những hạn chế và kiến nghị hướng phát triển tiếp theo. Từ khoá: Điều khiển thích nghi, hệ cực trị, đối tượng có đặc tính cực trị, tiết kiệm năng lượng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Thương Ngô, 2005, Lý thuyết điều khiển tự động thông thường và hiện đại, quyển 4, NXB Khoa học Kỹ thuật. [2]. Phạm kì Anh (2001); Phương pháp số trong lí thuyết điều khiển tối ưu, Nhà xuất bản quốc gia Hà Nội. [3]. Nguyễn Hữu Công, Nguyễn Mạnh Tường (2000); Một nghiên cứu về điều khiển tối ưu hệ thống có tham số biến đổi chậm, VICA4 - 2000. [4]. Nguyễn Doãn Phước (2004) Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật. [5]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, 2008; Điều chỉnh tự động truyền động điện; NXB Khoa học và kỹ thuật. [6]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2000) Điều khiển tối ưu và bền vững, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật. [7]. Tổng công ti thép Việt nam (2000), Báo cáo khả thi Dự án cải tạo và mở rộng sản xuất Công ty gang thép Thái Nguyên. [8]. Nguyễn Mạnh Tường, Nguyễn Hữu Công (2002) "Điều khiển tối ưu quá trình gia nhiệt- một đối tượng có tham số phân bố", Tạp chí khoa học công nghệ số 36+37/2002. [9]. %20Fuels%20and%20combustion%20(Vietnamese).pdf#17 [10].Cong N Huu; Nam N Hoai, Optimal control for a distributed parameter and delayed – time system based on the numerical method, Teth international conference on Control, Automotion, Robotics and vision( ICARCV’2008). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 100 [11].Miroslav Krstic, Hsin-Hsiung Wang, “Stability of extremum seeking feedback for general nonlinear dynamic systems”, Received 4 March 1997; revised 16 February 1999; received in final form 16 August 1999.