Đồ án môn học

Tự Động hoá
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

1LỜI MỞ ĐẦU
Như ta đã biết ngày nay,các nhà máy và xí nghiệp đều được trang bị các hệ thống
điều khiển tự động ở mức độ cao các thiết bị tiên tiến. Hệ thống điều khiển tự động
đảm bảo cho sự hoạt động của quy trình công nghệ đạt được kết quả mong muốn.
Cấu trúc các hệ thống điều chỉnh tự động các quá trình công nghệ rất đ
a dạng. Nó có
vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng họat động của quy trình công
nghệ.Chính vì vậy mà em nhận ra rằng qua lần làm đồ án này em đã được nhận thấy
thực tế về các hệ thống điều chỉnh trong công nghiệp.Và em biết cách thiết kế cấu
trúc hệ thống ,sơ đồ khối cấu trúc .
Để hoàn thành đồ án môn học này ngoài sự cồ gắng lỗ lực của b
ản thân em
còn nhận được sự giúp đỡ chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn.Đặc biệt em
xin chân thành cảm ơn thây Nguyễn Văn Hoà,thầy đã tân tình hướng dẫn em
trong suốt thời gian làm đồ án.

Hà nội,ngày 26-2-2008
Sinh viên:


Phần I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TĐHQTSX
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

3
* Khái Niệm Tự Động Hóa :
Tự động hóa là quá trình sử dụng thiết bị để thay thế chức năng đo lường kiểm tra và
điều khiển của con người trong hoạt động sản xuất.
Mối quan hệ giữa : đo lường kiểm tra, điều khiển và chức năng công nghệ rất mật
thiết với nhau, chúng tạo thành một mạch vòng khép kín.

Chức năng công nghệ

Chức nă
ng điều khiển Chức năng
đo lường kiểm tra
* Mục đích của Tự Động Hóa :
- Nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản
xuất.Mục đích cuối cùng là nâng cao hiệu quả kinh tế.

Hình 2 : Hệ thống tự động hoá quy trình công nghệ
TSCN : Thông số công nghệ. CCCH : Cơ cấu chấp hành
TĐCN : Tác động công nghệ. ĐCTĐ : Điều chỉnh tự động
CBĐ : Cảm biến đo. TTĐK : Thuậ
t toán điều khiển
CQĐK : Cơ quan điều khiển.
- Tự động hoá chia ra làm 3 loại:
+ Hệ thống hở (OFF - LINE): là trung tâm tính toán điều khiển làm chức năng cố
vấn cho người vận hành.
+ Hệ thống kín (ON - LINE): điều khiển phân tán.
+ Hệ IN - LINE: điều khiển tập trung. Phần 2:Xây Dựng Hệ Thống Điều Chỉnh Tự Động
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.


d
(p) một khoảng là
0
τ
−
e
.Với
O
τ
là trễ vận chuyển.

+
Trong đó: K
d
là hệ số khuyếch đại.

+
K
d
A
H )(∞
=
( đơn vị là thứ nguyên đơn vị tín hiệu ra/đơn vị tín hiệuvào).
Từ
O
τ
kẻ đường h
1
(t) vuông góc với trục thời gian.
Xác định hàm so chuẩn :

kẻ song song với trục
σ
(t) cắt đường đặc tính tại điểm B .
+Từ B kẻ song song với trục t cắt trục
σ
(t) tại
σ
(t
3
) .

σ
(t
3W
1(P)
e
-
τ
o. P
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.

1
(p):
+ Nếu )(
3
t
σ
> 0,31 thì W
1
(p)
1
1
+
=
Tp
p
e
1
τ
−

+ Nếu 0,19 < )(
3
t
σ
< 0,31 thì W
1
(p)
)1)(1(
1
21

1
τ
là trễ dung lượng.

1.Xác định dạng hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh:
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

7
Qua đồ thị đưa về dạng so chẩn ta xác định được:

o Đối với trục h(t)Trên đồ thị ta thấy:
11.9cm ứng với 30
0
C
H(∞) ứng với10 cm ứng với: 25.21
0
C
H
1(t3)
ứng với 2,05cm.2,521=5.168
0
C

o Đối với trục thời gian t: trên đồ thị ta thấy:
13.6 ứng với 750s

7
t =2.8 cm ứng với 154.417s

) nằm trong khoảng 0,19
≤
σ
(t
3
)
≤
0,31 .
Hàm truyền đạt W
1 (P)
là khâu quán tính bậc hai:
W
1 (P)
=
)1.)(1.(
1
21
++ PTPT

2.Xác định các thông số của hàm truyền đạt:
Ta xác định điẻm uốn t
u.
Hàm quá độ:
h(t) = K.[1 -
1
21
1
T
t
e

−
+
2
21
2
T
t
e
TT
T
−
−Lấy đạo hàm của
()t
σ
ta có:
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

8

σ
’(t) =
1
.(
1
21

1
1
1
221
111
TT
e
T
e
TTT Hình 1-2 Khâu quán tính bậc hai .
Theo tính chất của đạo hàm bậc hai tại điểm uốn ta có :


Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

9
Suy ra :
2
2
1
T
t
e
T
−
=
1
1
1
T
t
e
T
−

Vậy giá trị b sẽ là : b = 1-
σ
(t
u
) =
1
2

2
)

2
1
T
2
T
t
u
e
−

:Giá trị của đạo hàm tại điểm uốn :σ
’(t
u
) =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−

2

Xét tại điểm t=2t
u
:
c = 1-
σ
(2t
u
) =
1
2
21
1
T
t
u
e
TT
T
−
−
-
1
2
21
2
T
t
u

⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
(*)
Như vậy : c =
21
1
TT
T
−
.
2
2
2
2
1
T
t
u
e
T
T
−
⎟
⎟
⎠
⎞

e
T
TTTT
−
++

Tính được :
2
b
c
=
()
2
21
2
221
2
1
TT
TTTT
+
++
2
b
c
- 0,75 =
()

Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

100,75 -
b
c

2
=
)(
)(5,0
21
21
TT
TT
+
−0,75 -
b
c

2
+ 0,5 =
)(
)(5,0
21

⎜
⎜
⎝
⎛
− 0,5 +75,0
b
c

2
.a
=> T
2
= a – T
1

.Từ đồ thị ta xác định được: a = 143.3822
b = 0.755
c = 0.45
Thay vào ta có: T
1
=143.3822.
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+−

hh
)0()(
−
∞
=
12
21.25
= 2,1008 (
o
C / %)
Hàm truyền đạt đối tượng có dạng sau:
W
1 (P)
=
.
)12614.43)(11657.100(
1008.2
++ PP
p
e
19.34−

Mô phỏng trên sơ đồ simulink ta có đường đặc tính sau :

Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

11


Đặc điểm cơ bản của cảm biến đo là mối liên hệ giữa tín hiệu ra Y của nó với
giá trị đại lượng cần đo Q. Một đặc điểm của cảm biến đo mà ta quan tâm là độ nhạy
của cảm biến đo. Độ nhạy của cảm biến đ
o là sự thay đổi giá trị tín hiệu của cảm biến
đo khi đại lượng cần đo thay đổi 1 đơn vị. Độ nhạy của cảm biến đo thường được kí
hiệulà ε.Trong thực tế,cảm biến đo có độ nhạy lớn hơn sẽ ưu việt hơn cảm biến đo có
độ nhạy nhỏ hơn. Độ nhạy của cảm biế
n đo càng lớn thì việc gia công số liệu tiếp
theo càng đơn giản.
* Cảm biến đo:
Vì nhiệt độ cực đại của nguyên liệu là 200
o
C nên ta chọn cảm biến đo là nhiệt kế
điện trở Pt 100.
Nhiệt kế điện trở là cảm biến dùng để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ của môi
trường đo sang tín hiệu điện trở của nhiệt kế điện trở, nhiệt kế điện trở có thể đo nhiệt
độ trong khoảng – 260
o
C÷ 750
o
C. Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế điện trở dựa trên
sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn vào nhiệt độ của nó theo công thức:R
t
= f(R
o
, t).
Trong đó : R
o
- là điện trở của nhiệt kế ở 0
o

o
C thì mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở
của nhiệt kế điện trở bạch kim là một hàm bậc hai được mô tả theo biểu thức :
R
t
= R
o
.(1+3.94.10
– 3
.t – 5,8.10
– 7
.t
2
)
Ta sử dụng can nhiệt kế điện trở bạch kim có ký hiệu PT-100 có R
0
=100Ω.
Theo bài ở 200
0
C, ta có:
R
t
= 100.(1+3.94.10
– 3
.200 – 5,8.10
– 7
.200
2
) =176.48Ω
Độ chính xác của nhiệt kế điện trở phụ thuộc vào hai yếu tố: độ chính xác của

1
, R
2
, R
3
:băng dây manganin. R
d
: điện trở dây dẫn.
Ta chọn R
3
=R
0
(điện trở của nhịêt kế điện trở ở 0
0
C và khi chế tạobảo đảm điều
kiện: R
1
= R
2
>> R
3
= R
o
)
Khi nhịêt độ môi trường đo bằng 0
0
C thì cầu cân bằng U
ab
=0.Nhiệt độ môi
trường đo tăng lên R

)
U
ab
=I.∆R=2*76.48*10^-3=0.15296 V.(chọn I=2 ÷3mA).
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán KT được chọn sao cho đảmbảo giá trị
điện áp ra cần thiết.Cụ thể điện áp chuẩn là 0 ÷10V ta có:
K
kđ
=
376.65
15296.0
10
=
lần
*Tiếp theo ta dùng bộ chuyển đổi U/I:

Ta có R.I=α.U = > I=
R
α
.U=k.U
*Từ bộ khuếch đại U/ I trên ta được tín hiệu ra là dòng điện. Để tín hiệu ra là áp
suất ta dùng bộ chuyển đổi I/P.Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi được mô tả như
sau: Trong đó: 2: là nam châm vĩnh cửu ; 3: là nắp đậy , 4: là vòi phun ; 5:là van
cầu : 6:là van xiphông .

Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.

đầu điều chỉnh vít 5 sao cho áp suất ra P
r
=0.2 với dòng điện tương ứng là 4mA đây là
giới hạn dưới .Giới hạn trên được điều chỉnh bởi R sao cho dòng điện bằng 20mA thì
áp suất ra P
r
=1at.
Cấu trúc hệ thống đo: 0.2÷1at
CBĐ
K
U/I I/P
R/U
0÷0.152mV
0÷200
0
C
0÷10V
4÷20mA
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

17

Ta có hệ số chuyển đổi đo lường sẽ là:
004.0
200

18
III:khối lặp.
IV:bộ cộng van mạch thuận
V:bộ cộng van mạch hồi tiếp
VI: khối so sánh đầu ra
VII:mạch ổn dòng q=const
VIII:khuyếch đại công suất .
P
0
: tín hiệu chủ đạo, P
t
:tín hiệu đại lượng cần điều chỉnh ,P
r
:tín hiệu ra,P
i
:tín hiệu tích
phân.
Mạch khuếch đại công súât :có V là van cầu ,1 và 2 là 2 mỏ phun .
Khi P
V
> P
r
thì mỏ phun 2 mở P
r
tăng
,
còn khi P
V
< P
r

P
II
=

P
I
= P
i
P
R
= P
i
= P
R
0

e = P
0
– P
t
= 0 và P
R
= P
R
0
= const.
*) Trạng thái quá độ: P
0
# P
t

T
t
=
ePP
dt
dP
T
i
i
=−=
1
với
e
Tdt
dP
i
1
=

0
1
ii
Pedt
T
P +∫=

Phương trình cân bằng khối IV: P
I
= P
II


10
PePPPP
iti
=
+=+−
Suy ra:
(
)
eKKKPPKeKPKP
iiiI 121211
+
+
=++=
eKPP
iI 11
+= và
iRII
PKPKP
21
'' += với
N
RR
R
K
+
=
0
0
1

1
1
1
''
iiR
Pedt
T
e
K
K
Pe
K
K
P +∫+=+=

00
Ri
PP =

Vậy ta có:
edt
T
Keedt
T
e
K
K
PPU
RR
∫+=∫+=−=

T
=

+ Khi 1≤
K
: R
T
mở hoàn toàn(R
N
= 0)suy ra
1'
1
=
K
1
KK
=

Tín hiệu điều khiển:
0021
1
Uedt
T
eKUedtKeKU
i
m
+
⎟
⎟
⎠

+=
pT
KpW
i
m
1
1
=C
0
+
P
C
1

Trong đó:C
0
=k
m
;
C
1
=
Ti
km

Ưu điểm của quy luật tỷ lệ tích phân (PI) là tác động nhanh do có thành phần tỷ
lệ và có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh do có thành phần tích phân. Nếu ta chọn được
tham số K
m
và T

⇒ Hệ số khuếch đại là : k= k
c
.k
dl
.k
d
= 125.0,004.2.1008 = 1.0504 lần.
Sơ đồ khối cấu trúc của đối tượng điều khiển được mô tả như sau:

Từ sơ đồ khối cấu trúc ta nhận được hàm truyền đạt của đối tượng điều khiển là:

()
p
e
pp
p
.19.34
2
dk
1.42.143.308.4333
0504.1
W
−
+
=

Thiết bị điều khiển sử dụng quy luật tỷ lệ tích phân. Như vậy ta xây dựng được


142.143308.4333
.1008.2
2
.19.34
++
−
pp
e
p

0.004
125
0.2÷1at
0
÷
200
0
C
0÷100
%

0.2÷1at
Y
X
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

21

Đối tượng có hàm truyền đạt dạng:

W
Dk(p)
=
)1)(1(
.
21
0
++
−
pTpT
eK
p
τ

Hàm truyền đạt của hệ thống hở:
W
h (p)
= W
m (p)
. W
DK (p)
=
)1)(1(
.)(
21
10
++
+

τ

Phương trình đặc tính của hệ thống kín:
p.(T
1
p+1).(T
2
p+1) + (C
0
p+C
1
)k.e
-
τ
op
= 0
T
1
T
2
p
3
+ (T
1
+T
2
)p
2
+ p + (C
o

τ
- j.sinω
o
τ

Ta được: (**) => -ja
o
ω
3
– a
1
ω
2
+ jω + (C
o
jω + C
1
)k(cosω
o
τ
- j.sinω
o
τ
)
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

22
Ta có:

=> kC
o
ωsinω
o
τ
+ kC
1
cosω
o
τ
= a
1
ω
2

kC
o
ω.cosω
o
τ
- kC
1
sinω
o
τ
= a
o
ω
3
-ω

2
ksinω
o
τ
- (a
o
ω
3
-ω)kcosω
o
τΔ
C
1
= (a
o
ω
4
– ω
2
)ksinω
o
τ
- a
1
ω
3
kcosω

ooo
ωτωωτωω
cossin)(
2
1
3
−−

Thay các giá trị của: a
o
, a
1
,
o
τ
, k vào C
o
, C
1

Viết chương trình chạy trên Matlab :

Mô phỏng trên Matlap để phân vùng ổn định: Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.

n đ
ị
nh
Đồ án môn học :Tự Động hoá. - GVHD:Nguyễn Văn
Hoà.
Sinh viên:Lê Thị Huệ. - Lớp:ĐKTĐK7-CA.

24
của hệ thống. Mối liên hệ giữa mức độ dao động m và độ quá điều khiển σ% theo
công thức: σ% =100.e
mπ

Ta biết được độ quá điều khiển σ% thì dễ dàng xác định được mức độ dao động của
hệ thống theo công thức:

m =
ln
1
π
ο
ο
σ
100
= 604.0
15
100
ln
1
=
ο

)( jm +−
ω
vào trong phương trình đặc tính và cho ω chạy từ 0 đến ∞.
Đối tượng điều khiển ta xét do không cần tác động nhanh, nên ta chọn bộ điềukhiển
là bộ tỉ lệ tích phân(PI).
Sơ đồ hệ thống được mô tả như hình vẽ sau:

Phương trình đặc tính : (ở câu 3 (* *))