1LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật điều khiển tự động đã làm nên sự kỳ diệu trong mọi lĩnh vực của
đời sống hiện đại. Là nghành khoa học đóng vai trò quan trọng trong chiến lược
công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, tạo khả năng phát triển kinh tế với tốc độ
cao và bền vững. Do vậy đối với ngành tàu thuỷ việc tìm hiểu, nghiên cứu các thiết
bị, hệ thống tự động sử dụng trên tàu thuyền là việc làm cần thiết.
Nhà trường cần có những phương pháp thích hợp để giúp sinh viên nắm
được kiến thức một chách nhanh nhất trong thời gian có thể. Việc làm sinh động, cụ
thể hoá bài giảng là phương pháp cần thiết và hợp lý để giúp sinh viên tiếp thu kiến
thức một cách có hiệu quả nhất.
Nhận thấy đựơc ý nghĩa thực tiễn của nó. Tôi chọn đề tài: “Phân tích cơ sở
lý thuyết và mô phỏng đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống tự
động trên tàu thuỷ”. Nội dung của đề tài bao gồm:
- Cơ sở lý thuyết tự động.
- Đặc điểm và nguyên lý làm việc của hệ thống tự động phục vụ thiết bị năng
lượng và hệ thống tàu.
- Mô phỏng đặc điểm cấu tạo và và nguyên lý làm việc của một số hệ thống
phục vụ thiết bị năng lượng và hệ thống tàu.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, tuy nhiên tự động là một lĩnh vực rộng lớn, do
đó phạm vi nghiên cứu chỉ dừng lại ở những phần cơ bản. Hơn nữa thời gian thực
hiện đề tài là có hạn và kiến bản thân còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi
những thiếu sót nhất định. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy, cô và các
bạn đọc.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: Ths Nguyễn Đình Long đã
tận tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này.

chất của quá trình làm việc và đặc điểm của các cơ cấu tự động, trên cơ sở đó sử
dụng có hiệu quả các thiết bị tự động hiện có và tiến tới việc sửa chữa, chế tạo
những trang thiết bị mới là một hướng phát triển tất yếu.
Trong nhà trường, việc đào tạo nhân lực phục vụ cho hoạt động của tàu
thuyền phải đáp ứng đựơc yêu cầu thực tế đề ra. Với khối lượng kiến thức ngày
càng nhiều, đòi hỏi sinh viên phải nắm được trong một thời gian ngắn là rất khó.
Sinh viên sẽ khó có thể tiếp thu và tư duy vấn đề một cách sâu sắc nếu không có
phương pháp và cách thức giảng dạy hợp lý nhất. Giảng dạy phải đảm bảo phát huy
tính tích cực, tự giác, chủ động tư duy sáng tạo của người học, vun đắp lòng say mê
tìm hiểu, ý chí vươn lên.
3Ngày nay với sự phát triển của công nghệ thông tin, máy tính đã trở thành
công cụ giảng dạy không thể thiếu trong nhà trường. Ứng dụng tính năng của máy
tính, ta có thể cụ thể hoá các kiến thức, tạo các mô hình động thông qua phương
pháp mô phỏng. Nhờ đó giúp cho sinh viên trong thờigian ngắn có thể tiếp thu được
lượng kiến thức lớn, có khả năng hiểu sâu và bản chất của vấn đề. Giúp cho đối
tượng tiếp nhận có cái nhìn trực quan hơn, bước gần hơn đến thực tế.
Sinh viên cần biết tư duy, nhưng nhờ có điều kiện tiếp cân bài giảng thông
qua trực quan sẽ tiếp thu nhanh hơn, cũng cố sự tự tin khi tư duy được nghiệm đúng
qua trực quan. Đồng thời với sự sinh động của bài giảng sẽ tạo cho sinh viên có
hứng thú học tập, tìm hiểu bài học sâu hơn.
Để phục vụ cho việc giảng dạy môn học trang bị động lực trong nhà trường,
tôi đã tìm hiểu về các hệ thống tự động trên tàu thuỷ. Tuy nhiên tự động hoá là một
quá trình phát triển không ngừng và ngày càng đa dạng. Ở đây tôi chỉ đề cập đến
những cơ sở ban đầu, những hệ thống đơn giản, cơ bản phục vụ cho thiết bị năng

2.1.2.1. Khái niệm
Một hệ thống tự động điều chỉnh gồm hai thành phần cơ bản là đối tượng
điều chỉnh và thiết bị điều chỉnh, đối tượng điều chỉnh là thành phần tồn tại khách
quan có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh và nhiệm vụ cơ bản của điều chỉnh là
phải tác động lên đầu vào của đối tượng điều chỉnh sao cho đại lượng cần điều
chỉnh đạt được giá trị mong muốn. Thiết bị điều chỉnh là tập hợp tất cả các phần tử
của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều chỉnh tác động lên đối tượng. Giá trị
này được gọi là tác động điều chỉnh. Những tác động từ bên ngoài lên hệ thống
được gọi là tác động nhiễu.
Phương pháp để thiết bị điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh được gọi là
phương thức điều chỉnh. Có ba phương thức điều chỉnh là: Phương thức điều chỉnh
theo chương trình, phương thức bù nhiễu, điều chỉnh liên hợp và phương thức điều
chỉnh theo sai lệch. Trong kỹ thuật người ta thường sử dụng phương thức điều chỉnh
theo sai lệch.
Điều chỉnh tự động có thể điều hành dưới hai dạng cơ bản sau:
- Hệ thống điều chỉnh hở.
5
Hình H. 2-1. Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh hở.
- Hệ thống điều chỉnh kín.
C

u

x

y

f

y

X

O

e

B

Đ 6

72.1.2.3. Phân loại hệ thống điều chỉnh tự động
Có rất nhiều cách phân loại hệ thống điều chỉnh tự động. Với giới hạn của
phần lý thuyết nghiên cứu, ta chia hệ thống điều chỉnh tự động thành hai loại chính
phụ thuộc vào tính chất của các phần tử của hệ thống là: Hệ thống tuyến tính và hệ
thống phi tuyến tính.
Nếu tất cả các phần tử của hệ thống đều là tuyến tính thì hệ thống được gọi là
hệ tuyến tính. Chỉ cần một phần tử trong hệ thống mang tính phi tuyến thì hệ thống
được gọi là hệ phi tuyến tính. Phần cơ bản nhất của lý thuyết điều khiển tự động là
đi sâu nghiên cứu hệ tuyến tính. Đặc trưng cơ bản nhất của các phần tử tuyến tính là
chịu tác động của nguyên lý xếp chồng. Nghĩa là khi có một tổ hợp tín hiệu tác
động ở đầu vào của phần tử thì tín hiệu ra sẽ bằng tổ hợp tương ứng của các tín hiệu
ra thành phần. Hệ thống phi tuyến tính không chịu tác động của nguyên lý này.
2.2. Đặc tính tĩnh học và động học của hệ thống tự động điều chỉnh
2.2.1. Khái niệm về khâu (phần tử) và đặc tính tĩnh học và động học của khâu
2.2.1.1. Khâu (phần tử) cơ bản
Khâu cơ bản là khâu có tác động định hướng. Mỗi khâu được đặc trưng bởi
hai đại lượng là đại lượng vào (tín hiệu vào) và đại lượng ra (tín hiệu ra). Tín hiệu
được truyền từ đầu vào đến đầu ra theo một hướng nhất định, các hiện tượng được
nghiên cứu có thể khác nhau về mặt cấu trúc, tính chất vật lý, ứng dụng, số lượng
các phần tử thế nhưng chúng đều được tạo nên bởi sự kết hợp với nhau của các
phần tử cơ bản.
2.2.1.2. Đặc tính tĩnh học và động học của khâu
Việc nghiên cứu các khâu cũng như hệ thống tự động điều chỉnh được tiến
hành ở hai trạng thái, trạng thái tĩnh và trạng thái động.


nn
nn
apapapaTrong đó
mn
bbaa , ,,, ,
00
là những hệ số
2.2.2. Các khâu cơ bản
Mặc dù các bộ phận tự động khác xa nhau về cấu tạo, công suất, dạng năng
lượng v.v chúng ta vẫn có thể phân chúng thành những khâu điển hình.
Khâu điển hình trong hệ thống tự động điều chỉnh là khâu có quá trình
chuyển tiếp được biểu diễn bằng phương trình vi phân không quá bậc hai. Trong hệ
thống tự động điều chỉnh của hệ động lực tàu thủy thường gặp các khâu điển hình
là: Khâu tỉ lệ, khâu quán tính, khâu dao động, khâu tích phân và khâu vi phân.
2.2.3. Các dạng liên kết các khâu và hệ số truyền của hệ thống hở
Trong hệ thống tự động điều chỉnh các khâu có thể liên kết với nhau bằng
nhiều cách. Tuy vậy bất kỳ một hệ thống phức tạp nào cũng có thể xem như tổng
hợp của ba dạng liên kết cơ bản sau: Nối tiếp, song song và hồi tiếp.

92.2.3.1. Liên kết nối tiếp

tích số hàm truyền đạt của các phần tử thành phần.
2.2.3.2. Hệ thống các phương trình mắc song song
Hệ thống được xem là gồm các phần tử mắc song song nếu tín hiệu vào của
hệ thống là tín hiệu vào của các phần tử thành phần. Còn tín hiệu ra của hệ thống
bằng tổng đại số tín hiệu ra của các phần tử thành phần. Sơ đồ hệ thống gồm các
phần tử mắc song song được mô tả trên hình H. 2-5.
Ta có:

XXY
XXY
XXY
nn
.W. W

.W. W
.W. W
nn
2222
1111




Như vậy:



n
1i
i


W
2

W
n

∑

x
1
= x
x
2
= xx
n
= x y
1

y
2

y
n

Hình H. 2-6. Sơ đồ hệ thống có mạch mắc phản hồi
YXY .W.W.W
ntt

2.3. Tính ổn định của hệ thống tự động điều chỉnh và chất lượng quá trình
điều chỉnh
2.3.1. Tính ổn định
Tính ổn định của hệ thống tự động điều chỉnh là khả năng của hệ thống giữ
chế độ công tác đã cho với độ chính xác nhất định và phục hồi nó khi bị phá vỡ. Hệ
thống tự động điều chỉnh gọi là ổn định khi thông số cần điều chỉnh so với vị trí cân
bằng do kết quả tác động tức thời sau một thời gian sẽ tiến tới giá trị nhỏ hơn một
giá trị cho trước.
Hệ thống tự động điều chỉnh trước hết phải là hệ thống ổn định. Vì vậy đánh
giá tính ổn định của hệ thống tự động điều chỉnh là một trong những nhiệm vụ quan
trọng hàng đầu.

X
X
t

Y
t
= Y
X

Ổn định chỉ mới là chỉ tiêu để nói rằng hệ thống có làm việc được hay không
còn chất lượng quá trình quá độ mới nói tới việc hệ thống điều chỉnh tự động có sử
dụng được hay không. Chất lượng của quá trình điều chỉnh được đánh giá theo chất
lượng quá trình chuyển tiếp và sai số tĩnh học.
Người ta có thể đánh giá chất lượng của quá trình điều chỉnh theo các
phương pháp khác nhau như theo phân bố nghiệm phương trình đặc tính, theo
phương pháp tích phân, theo phương pháp tần số.
2.4. Đối tượng điều chỉnh
2.4.1 . Khái niệm về đối tượng điều chỉnh
Đối tượng điều chỉnh được hiểu với hai ý nghĩa khác nhau. Trong trường
hợp khi nói về tính chất tĩnh và động của đối tượng thì có thể hiểu đối tượng là
một trong các phần tử của hệ thống tự động, chúng có đại lượng vào và đại lượng
ra được biểu thị bằng phương trình vi phân, bằng hàm truyền hoặc bằng vectơ
trạng thái. Khi đó đối tượng là một quá trình mà sự thay đổi của quá trình này
được điều khiển hoặc điều chỉnh. Ví dụ: Quá trình thay đổi mực nước trong nồi
hơi, quá trình thay đổi tốc độ quay của động cơ diezel Trường hợp thứ hai khái
niệm về đối tượng có ý nghĩa là thiết bị khi đó nó biểu thị thiết bị công nghệ mà
12trong đó xảy ra quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh. Ví dụ: nồi hơi, động cơ
diezel Đối tượng điều chỉnh là khâu cơ bản trong hệ thống tự động, toàn bộ sự
hoạt động của các phần tử nhằm mục đích phục vụ cho đối tượng. Hiểu rõ cấu tạo
cơ bản của đối tượng và vấn đề quyết định sự thành bại đối với người khai thác
các hệ thống tự động.
2.4.2. Các tính chất đặc trưng của đối tượng điều chỉnh
Đối tượng điều chỉnh được đặc trưng bởi những tính chất cơ bản sau:

lựa chọn các thông số hiệu chỉnh cho từng thiết bị được chính xác.
2.5. Cảm biến
2.5.1. Khái niệm
Cảm biến là những phần tử mà chức năng của nó là nhận thông tin và xử lý
thông tin tạo ra những tín hiệu đưa đến các thiết bị có chức năng điều khiển.
Tập hợp các cảm biến được nối một đầu với đối tượng, còn đầu kia nối với
thiết bị điều khiển.
Hình H. 2-7. Vị trí của cảm biến trong hệ thống tự động điều chỉnh.
Để có thể tạo ra được những tín hiệu tin cậy cho hệ thống, cảm biến phải
đảm bảo những yêu cầu sau:
- Giá trị tín hiệu ra y chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào x (phải có tính chọn lọc,
không chịu tác động của nhiễu, chính xác).
- Hàm truyền phải đồng nhất trong vùng giá trị rộng và không phụ thuộc vào
thời gian (vùng ổn định rộng).
- Độ nhạy phải cao và không phụ thuộc vào tín hiệu vào.

Thi
ết bị thực hiện


2

2

2

F
F

2

G

G

2

k

G

ω


X
Z


Z1

Cùng quay với trục có hai quả văng 3 treo trên thanh truyền 2 và khớp nối 1 chuyển
15động dọc theo trục. Dưới tác dụng của lực ly tâm, hai quả văng chuyển động ra xa
trục quay. Trong khi đó trọng lực của quả văng G
2
, trọng lượng của khớp nối G
k
và
lực kéo của lò xo F tác động ngược chiều với lực ly tâm kéo quả văng gần lại với
trục quay. Khi tốc độ quay có giá trị nhất định, sẽ thiết lập trạng thái cân bằng về
lực và khớp nối 1 được giữ ở một vị trí nhất định nào đó. Trục Z và X có hướng
dương tương ứng với hướng chuyển dịch của khớp trượt về phía tăng vận tốc góc.
2.5.2.2. Cảm biến áp suất
Trên thực tế có thể gặp cảm biến áp suất khác nhau về cấu tạo. Trong các bộ
điều chỉnh thường sử dụng cảm biến áp suất kiểu màng, hộp xếp, kiểu piston xilanh,
kiểu dạng ống cong đàn hồi,

p

n

2R

t

2R

16a) Cảm biến áp suất kiểu màng.
b) Cảm biến áp suất kiểu piston-xilanh.
c), d) Cảm biến áp suất kiểu hộp xếp đàn hồi.
- Cảm biến áp suất kiểu piston- xilanh được áp dụng rộng rãi với những hệ
thống mà trong đó công chất truyền động có tính bôi trơn tốt. Loại cảm biến này có
lực chuyển dịch lớn, do vậy sau cảm biến chỉ cần sử dụng bộ khuếch đại loại nhỏ,
thậm chí không cần dùng bộ khuếch đại.
- Đối với chất khí và các loại khác người ta thường dùng cảm biến áp suất
kiểu màng hoặc xiphông.
- Bộ cảm ứng áp suất kiểu màng ứng dụng khi áp suất trong hệ thống nhỏ.
Màng có nhược điểm đáng kể là đặc tính tĩnh học [sự phụ thuộc giữa hành trình và
áp suất Z = Z(p)] chỉ tuyến tính trong giới hạn biến dạng không lớn. Để tăng độ
tuyến tính, người ta dùng màng mềm bằng cách tạo các nếp nhăn hình dạng khác
nhau. Nếp nhăn càng cao độ tuyến tính càng lớn.

a) Cảm biến mức đo kiểu phao.
b) Cảm biến mức đo kiểu màng.
c) Cảm biến mức đo kiểu bình thông nhau bằng ống mềm.
- Cảm biến mức đo kiểu phao gồm phao nổi 1 được nối với cần truyền tín
hiệu 3 và lò xo tạo lực phục hồi. Trong một số trường hợp mức chất lỏng không
dao động nhiều không cần dùng lò xo 2. Khi mực chất lỏng thay đổi tạo áp lực đẩy
khác nhau lên phao và do vậy phao dịch chuyển, thông qua cần 3 bộ điều chỉnh có
thể nhận được tín hiệu.
- Cảm biến mức đo kiểu màng: Khi mức chất lỏng thay đổi, cột áp tĩnh sẽ tác
động với các giá trị khác nhau lên màng và tín hiệu được truyền ra ngoài theo thanh dẫn.
H

o

o

o

h

Z

H

1
2
3


Z

Hình H. 2-11. Cảm biến nhiệt độ
a) Cảm biến nhiệt độ kiểu màng đàn hồi.
b) Cảm biến nhiệt độ kiểu hộp xếp.
c) Thanh lưỡng kim (bi-mê-tan).
d) Cảm biến nhiệt độ dựa theo nguyên lý nhiệt độ – áp suất hơi bão hòa.
Trong các hệ thống tự động hệ động lực tàu thủy hay gặp hơn là loại cảm
biến nhiệt độ kiểu a, b, c.
Z

Z

192.5.2.5.Cảm biến lưu lượng
- Ta có thể đo lưu lượng bằng cách đo độ chênh áp trước và sau thiết bị có
ống hẹp như hình a và b. Cảm biến lưu lượng xây dựng theo nguyên lý này gọi là
cảm biến lưu lượng kiểu độ chênh áp thay đổi.
- Khi cho độ chênh áp không thay đổi (p
1
– p
2
= const) đo diện tích tiết diện
của ống dẫn xác định được lưu lượng của dòng chảy như trên hình d cảm biến loại


4

1

2

3

20chất trong hệ thống tự động, cụ thể là công chất của đối tượng hoặc năng lượng của
công chất do đối tượng tạo nên.
2.6.1.1. Bộ khuếch đại kiểu ngăn kéo công chất tác động hai phía Hình H. 2-13. Khuếch đại ngăn kéo công chất tác động 2 phía

2
2

1

1

S

S

X

P
P
Y

N

21
công chất có áp suất p
1
hoặc tuyến tháo có áp suất p
2

1
và p
2
.
X

P

1
2

P

Y

N

2

1
X

P

P

Y

N


thuộc vào vị trí ngăn kéo. Do đó đại lượng vào (vị trí ngăn kéo) và đại lượng ra (vị
trí piston servomotor) liên hệ chặt chẽ với nhau. Bộ khuếch đại này là loại tĩnh học.
2.6.2. Phần tử ổn định
Chức năng của nó là cùng với phần tử đo làm cho bộ phận điều chỉnh hoạt
động hoàn thiện và chính xác hơn.
X
2

h

h

X
1

2
1

X

P

P

Y

23


4

3

1

2

ω

x

n
P
P
24



7

A

B

3

2

1

25Chương 3
ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG

3.1. Tự động hóa tàu thủy
3.1.1. Khối lượng công việc của tự động hóa
Trên những tàu hiện đại các quá trình điều khiển, điều chỉnh và kiểm tra sự
làm việc của thiết bị năng lượng phải được áp dụng tự động hóa và liên lạc từ xa
nhằm để giảm bớt mức độ phức tạp của công việc và cải thiện điều kiện làm việc,
nâng cao năng suất lao động của đội máy.
Khối lượng công việc tự động hóa toàn bộ gồm có: