Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị

Nội dung text: Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị

1. bộ giáo dục và đào tạo TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Khoa điện    ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị Giáo viên hướng dẫn: Th.s- Nguyễn Hữu Công Người thiết kế: HOÀNG VĂN SƠN Thái Nguyên - 2000 Bộ giáo dục đào tạo CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Độc lập - Tự do - Hạnh phúc trường đại học ktcn o0o
2. Khoa: Điện Bộ môn: Đo lường điều khiển THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị Người thiết kế: Hoàng Văn Sơn Lớp: K31IĐ Ngành : Đo lường điều khiển Giáo viên hướng dẫn: Th.S - Nguyễn Hữu Công Ngày giao đề: Ngày hoàn thành: 8 - 3 - 2000
3. NỘI DUNG 1) Số trang : trang 2) Số bản vẽ và đồ thị (ghi rõ loại, kích thước). Nội dung các phần thuyết minh và tính toán. - Phần I : Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị. - Phần II: Tìm hiểu quá trình công nghệ. - Phần III: Xây dựng sơ đồ nguyên lý. - Phần IV: Tính chọn thiết bị. - Phần V : Đánh giá chất lượng hệ thống. - Phần VI: Thuyết minh sơ đồ nguyên lý. - Phần VII: Thiết kế hệ thống hiển thị nhiệt độ. Bản thuyết minh thiết kế tốt nghiệp đã được thông qua. Ngày tháng năm 2000 TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TL/HIỆU TRƯỞNG (Ký tên) (Ký tên) Chủ nhiệm khoa (Ký tên đóng dấu)
4. Lời cảm ơn Qua thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học KTCN Thái Nguyên, dưới sự chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo, đến nay bản đồ án của em đã hoàn thành. Quyển đồ án tốt nghiệp này là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện ở trường của em, nó không thể hoàn thành được nếu như không có swj chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo. Qua đây em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành với toàn thể các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo thạc sĩ - nghiên cứu sinh tiến sỹ Nguyễn Hữu Công đã trực tiếp chỉ bảo tận tình cho em trong suốt quá trình làm đồ án. Các thầy, cô giáo trong bộ môn ĐL-
5. ĐK và khoa điện đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành bản đồ án này. Thái nguyên, ngày 6 tháng 3 năm 2000 Sinh viên Hoàng Văn Sơn
6. Lời nói đầu gày nay sự phát triển mạnh mẽ vượt bậc của KHKT, đặc biệt là N công nghệ vi điện tử - vi xử lý, đã kéo theo sự ra đời của các hệ thống điều chỉnh tự động ngày càng được tối ưu hoá về mọi mặt. Chúng gọn nhẹ hơn nhưng lại tinh vi hơn, có thể đảm nhiệm được các công việc khó khăn hơn rất nhiều so với hệ thống cũ. Trước kia trong các hệ thống điều chỉnh, vì các lý do kỹ thuật, công nghệ và yêu cầu lúc đó, người ta chỉ điều chỉnh một giá trị đặt trước nào đó của một đại lượng điều chỉnh, hệ thống như vậy gọi là hệ thống có một đại lượng điều chỉnh. Ngày nay yêu cầu về một hệ thống điều chỉnh trở nên phức tạp hơn rất nhiều, nó đòi hỏi phải điều chỉnh một lúc nhiều thông số. Trong đó các thông số do các quá trình vật lý bên trong hệ thống có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Như vậy muốn xây dựng được một hệ thống điều chỉnh bắt buộc phải tìm hiểu các quá trình xảy ra bên trong, các tính chất và thành phần cấu tạo của hệ thống. Các tiến bộ KHKT được đặc trưng bởi sự phát triển không ngừng của việc tự động hoá sản xuất trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Tự động hoá nhằm tăng năng xuất lao động, giảm giá thành sản phẩm và nâng cao trình độ sản xuất. Chính vì vậy mà một trong các yếu tố để đánh giá nền sản xuất hiện đại là trình độ áp dụng tự động hoá có khả năng tự thích nghi với sự thay đổi của các tham số bên trong và bên ngoài hệ thống được quan tâm hàng đầu. + Hệ thống tự điều chỉnh là một hệ thống tự động mới, nó hoàn thiện hơn cả trong các hệ thống tự động. Các ứng dụng của nó trong cuộc sống, trong công nghiệp đã mang lại giá trị kinh tế rất lớn. + Hệ thống tự chỉnh xuất hiện vào những năm 50 của thập kỷ này, sự ra đời của nó cho phép mở rộng vùng ổn định, giữ nguyên độ tác động nhanh
7. cho trước, làm cho hệ thống trở thành bất biến hay hầu như bất biến nâng cao độ tin cậy. Các hệ thống tự chỉnh có thể xây dựng bằng nhiều cách khác nhau, các hệ đơn giản nhất đồng thời phổ biến nhất là hệ cực trị. Hệ thống điều khiển tìm cực trị có nhiệm vụ tìm kiếm và duy trì đại số cực đại trong cực tiểu cuả một hay nhiều tham số của đối tượng được điều khiển, trong khi đặc tính và điều kiện làm việc của đối tượng có thể biến đổi một cách ngẫu nhiên. Bản đồ án này sẽ đề cập tới một số ứng dụng của hệ cực trị trong công nghiệp và thiết kế bộ điều chỉnh tìm cực trị dùng cho lò cán thép. Trong khuôn khổ một bản đồ án tốt nghiệp, chúng em chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu một hệ thống không quá phức tạp. Đó là hệ thống điều chỉnh mà đại lượng được điều chỉnh là nhiệt độ trong lò cán thép và lượng dầu ma zút đưa vào lò để đốt. Các thiết bị bán dẫn được sử dụng để điều khiển đối tượng này cho phép tạo ra thuật toán linh hoạt và chính xác. Nội dung của bản đồ án đề cập tới các vấn đề sau: + Hệ thống tìm cực đại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như trong công nghiệp hoá chất, năng lượng, nhiệt luyện, xác định cực tính cực trị khi đối tượng điều khiển là lò cán thép. + Tính toán, thiết kế hệ điều chỉnh tìm cực trị kiểu bước dùng các phần tử bán dẫn. + Khảo sát qúa trình điều khiển, xác định chất lượng của hệ thống bằng phương pháp đồ thị giải tích trong trường hợp đối tượng có quán tính. Trong khi trình bày chúng em đã thể hiện sát nội dung và các yêu cầu trên. Qua việc tính toán và khảo sát đã rút ra được nhiều kết luận cần thiết để đánh giá chất lượng và chọn các tham số của hệ thống. Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn, nên chúng em chỉ mới đề cập tới các vấn đề trên trong một số trường hợp điều chỉnh, cần thiết và tối thiểu. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Hữu Công, các thầy cô trong khoa và bộ môn ĐL-ĐK đã giúp đỡ chúng em hoàn thành bản đồ án này. Thái Nguyên, ngày 6 tháng 3 năm 2000
8. Phần I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN TẮC CỰC TRỊ I. ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶCTÍNH CỰC TRỊ. Trong lĩnh vực điều khiển tự động, thường gặp một số đối tượng, có đặc tính cực trị (cực đại hay cực tiểu). Y = to Ví dụ 1: Trong các lò khí đốt, nhiệt độ to với lưu lượng khí đốt nhất X định phụ thuộc lưu lượng không khí X* theo đặc tính cực trị sau: Nhiệt độ cực đại và hình dạng đặc tính to (u) phụ thuộc chất lượng khí đốt nhiệt độ không khí và vật cần nung ở đối tượng này quá trình chộn lẫn không khí và khí đốt là có quán tính, vật cần nung cũng như dụng cụ đo cũng có quán tính. Y = t Ví dụ 2: Quá trình khoan, như khoan X  P thăm dò vào lòng đất có đặc tính X* cực trị như: Áp lực mũi khoan P  X và tốc độ tịnh tiến L  Y (xác định năng xuất của quá trình khoan) có cực đại, vì khi tăng áp lực lớn hơn trị số tối ưu X* thì mũi khoan bị nghẽn và tốc độ bị chậm lại. Hình dạng và vị trí cực đại phụ thuộc vào tính chất của đất. Ví dụ 3: Trong thực tế thường gặp những bài toán mà đại lượng được Y = t X X*
9. điều khiển là chỉ tiêu chất lượng của hệ, còn lượng điều khiển là thông số chỉnh định. Như trong trường hợp cán thép là: II. HỆ CỰC ĐẠI XÂY DỰNG THEO PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG ĐỒNG BỘ TSĐB ĐTĐK V Y Z L P Vth Vt K V CH Hình 1-1: Sơ đồ khối hệ cực trị xây dựng theo phương pháp tách sóng đồng bộ Đối tượng là một khâu phi tuyến tính có cực đại chẳng hạn và không có quán tính trong trường hợp giản đơn. Cơ cấu tách sóng đồng bộ (TSĐB) gồm có cơ cấu nhận và bộ lọc (L) cơ cấu chất hành (CH) được mô phỏng bằng khâu tích phân. Vth : là tín hiệu thử (tín hiệu tìm). Vt : là tín hiệu tựa. Trong trường hợp không có quán tính ở ĐTĐK, Vth và Vt là như nhau. Ví dụ dùng sóng điều hoà Vth = Vt = Xm Sin wot Nguyên tắc hoạt động như sau: 2  o y(x) y(t) C YC B A YB Y A VA VC VB X t
10. Ở điểm làm việc A, tín hiệu y(t) cùng pha với tín hiệu thử, ở điểm làm việc B ngược pha và điểm làm việc C (điểm cực đại) tín hiệu y(t) có tần số gấp đôi 2 o. Đó là những thông tin quan trọng làm cơ sở để xây dựng hệ cực đại. Theo chuỗi taylo, tại điểm làm việc X = V với tiến độ Xm bé ta có y Y(V + Xmsinot) = y(v) + XmSinot + x X = v 2 1  y 2 + (XmSinot) + . . . . . 2 2x X = v và biên độ của sóng bậc một ở đầu ra của đối tượng tỷ lệ với đạo hàm dy/dx ở điểm làm việc. Bộ lọc có chức năng dập tắt các sóng bậc cao chỉ còn lại các sóng bậc 1, sóng bậc 1 tỷ lệ với Grady. 2 Nếu đặc tính y(x) là hàm bậc 2: y(x) = o + 1X + 1X thì biên độ sóng bậc 1 ở đầu ra của đối tượng điều khiển:  t y Y = o y(v X Sin t = X ( + 2a V ) = X 1m m o m 1 2 2 m X = v 2 x o Tỷ lệ với xY - do dó phương pháp này gọi là phương pháp tách sóng đồng bộ. Cơ cấu tách sóng đồng bộ là một bộ nhận để thực hiện nhận y(t) với tín hiệu tựa Vt(t) và bộ lọc để lấy trị số trung bình. Bộ lọc lý tưởng có hàm trọng lượng như ở đường đậm nét, thực hiện như sơ đồ khối sau:   o 2 1 P P(p) Y(p) P e o t 2  o
11. Độ trễ đơn thuần chỉ được thực hiện bằng kỹ thuật số. Đường nét đứt là hàm trọng lượng của bộ lọc được thực hiện bằng một khâu quán tính bậc 2. Nguyên tắc hoạt động của hệ cực trị được giải thích như sau: Ở điểm làm việc A tín hiệu YA cùng pha với tín hiệu tựa Vt, ở đầu ra của bộ nhân là hai nửa chu kỳ dương Z(t) bộ lọc lý tưởng sẽ cho tín hiệu P là trị số hằng dương. Do đó cơ cấu chấp hành một khâu tích phân sẽ có tín hiệu ra ở đầu ra. T T V(t) = Podt = Pot o 0 Khi đóng công tắc K thì Vt sẽ từ trị số VA chuyển động theo hướng tiến đến cực trị điểm C. Quá trình sẽ ngược lại nếu hệ làm việc ở điểm B, ở điểm làm việc C đầu ra của bộ nhận tín hiệu Z(t) sẽ tạo thành với trục thời gian, những diện tích bằng nhau nhưng khác dấu từng đôi một (gạch sọc hình vẽ sau) do đó trị số trung bình P bằng không và vị trí điểm làm việc vẫn không đổi khi đóng K vì đó là chế độ tối ưu của hệ cực trị. V V(t) A YA Z P t V(t) VC V YC Vt Z
12. Ở hệ cực trị có hai quá trình xẩy ra: Quá trình cơ bản là quá trình tiến đến cực trị và quá trình tìm là quá trình xác định hướng phát triển của quá trình cơ bản, ở đây quá trình xác định hướng phát triển được thực hiện theo phương pháp tách sóng đồng bộ còn quá trình tiến đến cực trị (khi dòng công tắc K) được thực hiện bằng phương pháp Gradien. Sau này, sẽ không đi sâu vào việc khảo sát từng hệ mà chỉ đề cập đến các phương pháp khác nhau để xác định Grady và các phương pháp chuyển động đến cực trị. Kết hợp từng đôi một, ta có những hệ cực trị khác nhau. Khi đối tượng điều khiển ngoài đặc tính cực trị còn có thành phần quán tính, tín hiệu đầu ra của đối tượng Y(t) sẽ dịch pha so với tín hiệu thử một góc (o) do đó ở đầu ra của bộ lọc của bộ tách sóng. y P(t) = Xm cos (o) x Nếu góc lệch pha ấy lớn hơn 45o thì chuyển động sẽ hướng ngược lại so với hướng đến cực tại và hệ sẽ không làm việc được. Do vậy khi có quán tính được khi đưa vào bộ tách sóng đồng bộ, tín hiệu từ máy phát sóng tìm sẽ qua cơ cấu dịch pha để tín hiệu tựa cũng có góc dịch pha như tín hiệu Y(t) tốt nhất là bằng (o). Trong trường hợp góc dịch pha không thể xác định được, người ta một mạch thích nghi khác. Xây dựng theo phương pháp giải tích chẳng hạn, để nhận dạng và tự động chỉnh định góc dịch pha.
13. III. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GRADIEN VÀ CHUYỂN ĐỘNG ĐẾN CỰC TRỊ. 1- Các phương pháp xác định Gradien của hàm mục tiêu. a) Phương pháp đạo hàm theo (t). Gradien của hàm mục tiêu có thể xác định theo: dy dy / dt Grady = = dx dx / dt 1 X Y P P P +Uo KĐ KG dy dx -Uo Hình 1-2 Bằng cách dùng các bộ vi phân ở đầu vào X và đầu ra Y của đối tượng phần tử logic LG xác định dấu của đạo hàm khuếch đại KĐ và cơ cấu chuyển đổi sẽ đưa tín hiệu Uo vào cơ cấu chấp hành. Nếu có nhiều đầu vào có thể dùng các hàm tuyến tính lần lượt đưa vào từng kênh như hình trên. Đạo hàm toàn phần có dạng: dy y dx y dx = . 1 + + n dt x dt xn dt
14. Ở mỗi thời điểm chỉ có một kênh có giá trị. Ví dụ ở: t1 t t2 có: dx1 dx 3 dx 2 X = = 0 ; = b2 1 dt dt dt Thay vào biểu thức trên ta có: t X2 dy y = [ ] . b 2 t dt xn X3 Như vậy bằng cách đo đạo hàm t theo thời gian của hàm mục tiêu có thể 0 t1 t2 t3 xác định đạo hàm riêng tương ứng. b) Phương pháp đồng bộ: Phương pháp này đã được khảo sát ở phần trước. 2- Các phương pháp chuyển động đến cực trị. Sau khi xác định đạo hàm riêng biệt hướng và đại lượng gradien, hệ thực hiện quá trình cơ sở quá trình chuyển động đến cực trị. Dưới đây là một số phương pháp chuyển động đến cực trị riêng biệt với quá trình xác định gradien. a) Phương pháp này bước chuyển động tương ứng với gradien: x = a grady (x) Trong đó: a - là hệ số, ở mỗi kênh bước chuyển động tỷ lệ với đạo hàm riêng tương ứng. b) Phương pháp nâng hạ nhanh: Theo phương pháp này, chuyển động được thực hiện theo hướng gradien nhưng độ dài của bước chuyển động không phụ thuộc vào môđuyn của gradien mà phụ thuộc vào diều kiện đặt cực trị theo hướng grady nghĩa là đến khi bắt đầu tiếp xúc với một đường đồng mức nào đó. c) Phương pháp tối ưu hoá theo toạ độ (gaus- zuden) Phương pháp này thường dùng ở các hệ tối ưu nhiều thông số đầu vào với các bộ điều chỉnh cực trị một biến. Trường hợp này chỉ một thông số
15. thay đổi cho đến khi đạt cực trị theo thông số ấy trong khi các thống số khác cố định. Sau đó thay đổi thông số thứ hai. Sơ bộ so sánh cả ba phương pháp trên, ta thấy phương pháp nâng (hạ) có số bước chuyển động ít nhất trong cùng một điều kiện. Phương pháp tối ưu hoá theo toạ độ đòi hỏi nhiều thời gian hơn để đến cực trị khi số lượng thông số lớn. 3- Các phương pháp thực hiện đồng thời hai quá trình: a) Phương pháp ghi nhớ cực trị: Cơ cấu ghi nhớ cực trị có thể thực hiện bằng các linh kiện điện tử đơn giản (như hình dưới). Khi có kênh tăng X qua điốt Đ tụ C được nạp. Khi y(t) vượt khỏi trị số cực đại, y(t) bắt đầu giảm. Lượng chênh lệch ngày càng tăng sẽ được đặt lên điốt Đ vì điện trở ngược lớn. Lượng chênh lệch tương ứng với vùng gạch sọc. Y(x) Y t X t Do đó có tên là phương pháp ghi nhớ cực trị. Khi đạt đến trị số C K ngưỡng của đèn K (ngưỡng S là trị số Y Đ S tối đa để đèn ngắn mạch Đ) cơ cấu
16. chấp hành cho lệnh đảo chiều chuyển động, đại lượng y(t) lại tăng tụ lại nạp. Khi y(t) vượt quá trị số cực đại., lượng chênh lệch so với cực trị tăng dần và so sánh với ngưỡng S của đèn cứ thế hệ sẽ luôn ghi nhớ và bám theo cực trị. b) Phương pháp bước: Sau khi thực hiện một bước XK hệ sẽ đo thông số ở đầu ra yK và so sánh với trị số trước đó YK-1 đã được ghi vào bộ nhớ K là số thứ tự của bước được thực hiện. Tuỳ thuộc vào dấu của YK = yK - Yk-1 mà trước tiếp theo sẽ được thực hiện theo hướng cần thiết. Nếu cực trị là cực đại thì XK+1 = C sign ( YK) mà C là giá trị của bước. Trên biểu đồ hình (a) là các biểu đồ của trường hợp bước cho trước, không phụ thuộc tính chất của đối tượng. Ở biểu đồ hình (b) tần số của bước được xác định bởi độ dốc của đặc tính cực trị. Càng gần cực trị độ dốc càng bé hơn và tần số của bước cũng giảm. Sơ đồ khối của hệ hình (C). Đại lượng YK = YK - YK-1 được thực hiện nhờ cơ cấu so sánh và phần tử trễ T. Khâu tích phân nối tiếp với phân tử logic (Lg) điều kiện động cơ thực hiện chuyển động theo quy luật. TK + C nếu YK . dt >  TK 1 XK = TK - C nếu .YK . dt <-  TK 1  : là ngưỡng tác động của phần tử logic. Càng xa cực trị YK càng lớn (T K - TK-1) càng bé, bước càng dầy hơn. Khi gần cực trị YK càng bé
17. ảnh hưởng của nhiều càng lớn, nhưng thời gian lấy tích phân cũng càng lớn và khả năng chống nhiễu càng tốt. Y(x) Y(t) A x t t Hình a Y(x) Y(t) t t Hình b ĐTĐK Y ĐC Lg S YK K (-) T
18. Hình c c) Phương pháp đơn hình (Simplex) Trên mặt phẳng hai thông số, đơn hình được thể hiện bằng tam giác đều cạnh (trường hợp một thông số - những đoạn thẳng, ba thông số biến đổi đơn hình là những hình tháp bốn đỉnh, mỗi mặt là một tam giác đều). Hình dưới toạ độ của mỗi điểm 1, 2, 3 được xác định sao cho các cạnh bằng nhau và ứng với chúng các toạ độ : Y1(X11 , X21) ; Y2(X12 , X22) ; Y3(X13 , X23) được đo và so sánh x2 với nhau. Nếu cực trị là cực đại 6 4 thì đại lượng bé nhất sẽ bị loại 3 5 2 trừ và trạng thái mới sẽ được 1 lập tạo nên bằng cách lật tam giác 1, 2, 3 quanh trục 2, 3 để 0 x1 loại trừ điểm 1. Cứ thế hệ sẽ tiến đến cực trị. 4- Phương pháp tìm khi có nhiều cực trị. Trong nhiều trường hợp đặc tính đối tượng Y(x1 xn) có nhiều cực trị cần xác định cực trị toàn bộ thì người ta thường dùng phương pháp "(tìm mù" hay "quét". Nội dung tuần tự "xem xét" các vùng G có thể với thời gian và tốc độ sao cho phát hiện được cực trị cần tìm. Nếu kích thước (thể tích) n của tất cả các vùng cần quét là: G ; L . Kích thước vùng cực trị toàn bộ là gm n L n = e thì tổng thời gian quét là: Tq = T ( ) t Trong đó: T - là thời gian một lần đo. n - là số chiều dài của vectơ thông số. Thời gian ấy quá lớn nên người ta kết hợp hai phương pháp: + Phương pháp quét kết hợp với phương pháp Gradien nhanh chóng L n-1 tìm cực trị thời gian quét sẽ là: Tq . l = Tq ( ) t Trong đó: L* - là vùng cực trị toàn bộ.
19. IV. ĐỘNG HỌC HỆ CỰC TRỊ 1- Phương pháp khảo sát động học hệ cực trị: Ở hệ cực trị dùng tín hiệu phụ, trong quá trình làm việc luôn có dao động quanh cực trị, đôi khi có dạng phức tạp. Dao động ấy có thể là tự dao động hay dao động cưỡng bức. Dao động cùng cấp cho hệ thống tin tức về vị trí làm việc của nó đối với cực trị. Chênh lệch so với cực trị dao động gây nên ở chế độ xác lập gọi là tổn thất tín. Hệ cực trị là hệ phi tuyến. Đối với những hệ này có thể dùng phương pháp khảo sát động học các hệ phi tuyến nói chung, như phương pháp mặt phẳng pha hay tuyến tính hoá điều hoà. Trong một số trường hợp, khâu phi tuyến tính của đối tượng cùng với cơ cấu xác định Gradien nối tiếp nhau, bù trừ nhau và hệ cực trị tương đương với một hệ tuyến tính. Ví dụ: Khi đặc tính tĩnh Y(x) của đối tượng có dạng: Y = bx2 cơ cấu dy xác định Gradien có chức năng xác định: = 2bx dx Như vậy tương đương d với hai khâu này là một khâu d X dx tuyến tính có hệ số khuếch dx đại bằng 2b như hình vẽ. d Trong thực tế ở trạng X dx 2b thái xác lập hệ làm việc ở vùng cực trị nên có thể xấp xỉ đặc tính tĩnh y(x) vùng gần cực trị bằng hàm bậc hai nên giả thiết trên là có cơ sở. Đặc điểm quan trọng nữa là trong vùng cực trị tần số của tín hiệu ra y(t) gấp đôi tần số của tín hiệu tìm ở đầu vào. Do đó khi dùng phương pháp tuyến tính hoá điều hoà để khảo sát, cần quy đổi góc lệch pha theo quy tắc:  () = 2 ( ) 2
20.  Vì rằng góc lệch pha của dao động có tần số đối với dao động có 2  tần số  là () = còn ngược lại khi tính góc của  so với ta dùng 2 2 biểu thức: (  ) = 2 4 Góc lệch pha của dao động có tần số la bội số của nhau được xác định bằng khoảng cách gần nhất của hai dao động cùng chiều. Do tác động của nhiều ngẫu nhiên mà đặc tính cực trị của đối tượng có thể thay đổi. Vì vậy cần khảo sát hệ thống khi có tác động của nhiều ngẫu nhiên xác định thông số và cấu trúc của thiết bị điều khiển để hệ thống luôn làm việc ở chế độ tối ưu. Nhiễu có thể tác động ở đầu vào hay đầu ra của đối tượng Miền đầu vào làm nơi đặc tính cực trị. Nhiễu đầu ra làm cho chuyển động có thể lạc hướng hay giảm độ chính xác điều khiển. phần II CÔNG NGHỆ NUNG CÁN TRONG LÒ LUYỆN KIM I. VAI TRÒ CỦA LÒ NUNG. Qúa trình sản xuất kim loại trong công nghiệp luyện kim có thể phân làm hai thời kỳ: - Thời kỳ thứ nhất: Quá trình tạo ra kim loại có thành phần hoá học cho trước, từ các nguyên liệu ban đầu (quặng và các trợ dung khác) qua xưởng gang xưởng thép.
21. - Thời kỳ thứ hai: Quá trình gia công dẻo kim loại trong đó phương pháp gia công bằng áp lực đóng vai trò quan trọng nhất. Cán thép là một trong những dạng của gia công kim loai bằng áp lực. Cán thép là quá trình tác động ngoại lực lên kim loại làm cho nó thay đổi hình dạng và kích thước theo yêu cầu.Do đó kim loại qua trục cán phải có khả năng biến dạng dẻo. Yêu cầu quan trọng trong quá trình cán là sức căng biến dạng của kim loại không được lớn, đồng thời kim loại vẫn giữ được độ bền cao. Tính mềm dẻo của từng kim loại phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hoá học của nó, đặc biệt là phụ thuộc vào nhiệt độ nung kim loại trước khi cán và phương pháp gia công áp lực. Nhiệt độ cán càng cao thì sức căng biến dạng càng giảm, đồng thời cũng giảm được lực và năng lượng tiêu hao trong quá trình cán. Ví dụ: Khi cán ở nhiệt độ 1150  1200oC thì sức căng biến dạng của thép giảm 10 lần so với cán nguội. Do vậy trong thực tế, người ta nay dùng hương pháp cán nóng. Thực tế cho thấy rằng trong quá trình cán nguội kim loại trở nên cứng và sức căng biến dạng tăng lên rất nhiều tức là kim loại mất tính mềm dẻo và được gọi là sự biến dạng cứng, đồng thời năng lượng tiêu hao khi cán lớn. Cán ở nhiệt độ cao là quá trình gia công không có sự biến cứng, đồng thời nung sẽ làm giảm áp lực của kim loại vào trục cán và giảm hao phí năng lượng, cho phép thúc đẩy nhanh quá trình gia công và trong nhiều trường hợp tính dẻo nâng cao là khả năng duy nhất thực sự biến dạng dẻo. Vì vậy nhiệm vụ của lò nung liên tục trong cán là: - Nung thép đến nhiệt độ nhất định và đạt được mức đồng đều nhiệt độ trong phạm vi cho phép ứng vơí mỗi loại phôi nung (kích thước và mác thép khác nhau).
22. - Quá trình làm việc liên tục, đồng thời chế độ nhiệt tương đối ổn định trong từng vùng, vì vậy có thể thực hiện tự động điều chỉnh đối với từng vùng riêng biệt mà ảnh hưởng giữa các vùng với nhau không nhiều. - Quán tính nhiệt của lò tương đối lớn tính chất này chứng tỏ lò là một đối tượng nhiều dung lượng. Dung lượng nói chung là khả năng tích luỹ vật chất hoặc năng lượng của đối tượng. Với đối tượng của ta dung lượng là nhiệt dung của toàn bộ đối tượng bao gồm nhiệt dung của lò của phôi nung, như vậy phương trình vi phân mô tả tính chất động của đối tượng sẽ có bậc lớn hơn 1. - Năng suất của lò thay đổi trong phạm vi tương đối lớn, sự thay đổi này do năng suất máy cán quyết định. Khi đó với sơ đồ điều khiển tự động hiện nay giá trị cho trước của nhiệt độ thay đổi ít hoặc không thay đổi. - Chế độ nhiệt của lò cần được thay đổi cho phù hợp với từng loại phôi nung. II. ĐẶC ĐIỂM LÒ NUNG VÀ CÔNG NGHỆ CÁN. - Phôi được đưa vào lò liên tục theo thời gian và di chuyển dọc theo chiều dài của lò trên dầm trượt qua 3 vùng là: vùng sấy, vùng nung và vùng đồng nhiệt với ba chế độ nhiệt khác nhau. Phương pháp nạp vào đầu ra cạnh, lò nung kiểu này chỉ dùng cho các loại thép cácbon hoặc các loại thép hợp kim thấp. - Nhiên liệu của lò: Để đốt lò, người ta dùng dầu nặng bơm với áp suất cao tới mỏ đốt. Ở đây không khí vào biến dầu thành bụi phun vào không gian làm việc của lò. Nhiệt trị của dầu là 9500 Kcal/kg hay 39700 kJ/kg. Lưu lượng khối tiêu hao cực đại là 1230kg/h và tiêu hao nhiên liệu cho một tấn thép nung là 45kg/tấn. Lưu lượng khi yêu cầu là 15300m3/h và độ nhớt của dầu nặng là 4  6oE. Nhiệt độ dư nhiệt không khí là 350  400oC, áp lực không khí trước mỏ đốt là 500 Pa. Tiêu hao hơi nước 130kg/h, áp lực hơi nước trước mỏ đốt
23. là 0,1 MPa. Áp lực nước làm nguội 0,3MPa và tiêu hao nước làm nguội 150m3/h, áp lực gió do quạt trô cháy là 11776Pa. - Thép nung: Các loại thép thỏi, phôi có kích thước sau: + Thép thỏi có ba loại: 235.235 . 1560 thép lắng 275.275 275.275 . 1560 thép sôi 210.210 245.245 . 120 thép lắng 305.30.5 + Các loại phôi vuông kích thước 105.105 đến 200.200 dài khoảng 1400  3500 (mm). III. CẤU TẠO LÒ NUNG, CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH. A. Cấu tạo của lò: Lò kiểu đẩy thép nung liên tục và nung hai mặt. 1- Theo chiều dài lò: Có thể chia làm 3 vùng, tên mỗi vùng gọi lần lượt từ cửa vào phôi đến cửa ra: vùng sấy, vùng nung, vùng đồng nhiệt. Các thông số cửa lò như sau: - Vùng sấy dài 1,02m: + Vùng nung trên dài 6,66m, cao 1,44m + Vùng nung dưới dài 6,6m , cao 1,7m + Vùng đồng nhiệt dài 3,016m , cao 1,1m Diện tích đáy lò 19,046m, 3,596m Công suất lò 26 tấn/n ; max = 30 tấn/h Cường độ đáy lò 500kg/m2h.
24. Cửa vào phôi luôn mở, phôi cần nung được vận chuyển bằng cần trục và văng truyền con lăn từ gian để phôi đến cửa phôi. Toàn bộ phôi nung được xếp thành hai hàng dọc và dịch chuyển dọc theo lò lần lượt theo các vùng, cửa ra phôi dùng động cơ để mở. 2- Bộ phận dịch chuyển phôi. Trong lò người ta dùng 4 dầm trượt dọc để dịch chuyển hai hàng phôi. Phôi được đưa tới cửa lò và nhờ hai máy đẩy chúng dịch chuyển thay thế vị trí cho nhau trong lò, phôi được nung hai mặt. Từ đầu vào phôi đến hết vùng nung phôi được đẩy trượt trên dầm trượt, dầm là đoạn ống có chứa nước làm nguội bên trong. Khi phôi trượt trên đoạn này, chỗ tiếp xúc giữa phôi và dầm trượt bị làm nguội tạo nên vệt den trên bề mặt phôi. Đến vùng đồng nhiệt, vì thép nung chuyển vị đưa ra cán sau khi dùng đi qua vùng này nên yêu cầu nhiệt độ của thép phải đồng đều nhau trên bề mặt và bên trong tâm phôi nên không dùng dầm trượt có nước làm nguội nữa mà dùng thanh thép chịu nhiệt. Việc sử dụng hai loại dầm trượt khác nhau là chú ý đến hiệu quả kinh tế và căn cứ vào chế độ nung của lò. 3- Bố trí các mỏ đốt. Để cung cấp nhiệt cho lò người ta dùng dầu mazut mác 40, dầu được phun dưới dạng sử dụng trộn với không khí thổi qua các mỏ đốt, toàn bộ dùng 11 mỏ đốt phân bố như sau: Vùng đồng nhiệt 4 mỏ đốt; Vùng nung trên có 4 mỏ đặt ở hai bên, mỏ có bán kính R = 150 cm; Vùng nung dưới có 3 mỏ đặt ở hai bên có R = 200cm. Việc bố trí các mỏ đốt ở từng vùng dựa vào yêu cầu nhiệt độ tại các vùng đó. 4- Bộ phận giữ nhiệt.
25. Mục đích đặt bộ giữ nhiệt không khí trong đường ống khói là để thu hồi nhiệt dư của khói giảm tiêu hao nhiệt. Sau khi trợ cháy qua bộ giữ nhiệt lên từ 300  400oC được đưa đến mỏ đốt. Bộ phận giữ nhiệt được chia làm hai phần: - Bộ phận gần lò gọi là cụm ống bảo vệ bộ giữ nhiệt. - Bộ phận ĩ nhiệt phân thành hai cụm phải trái làm hai hành trình để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt. Để bảo vệ bộ giữ nhiệt, trên đường ống khói ta lắp van tham gia làm nguội 300. Khi nhiệt độ khói quá cao các van này mở làm cho không khí lan tràn vào đường ống khói làm giảm nhiệt độ khói.trên đường ống chung của gió nóng lắp van xả tự động. Khi nhiệt độ khí vượt quá 450oC van này tự động mở xả một phần gió nóng để bảo vệ bộ giữ nhiệt. - Các thông số của bộ giữ nhiệt: Diện tích truyền nhiệt 73.2 = 146 m2; Nhiệt độ dư nhiệt độ không khí 350  400oC Nhiệt độ khói vào bộ giữ nhiệt 800 oC Nhiệt độ khói ra bộ giữ nhiệt 457 oC. Lượng khói lớn nhất 16000m2/h Lưu lượng không khí trong bộ giữ nhiệt 12,61 m3/s. Lưu lượng khói trong bộ giữ nhiệt 1,79 m3/s. Tổng số truyền nhiệt 38,6 W/m2oC. Tổn thất lực cản không khí 156 mm H2O. B. Chế độ vận hành và yêu cầu tự động hoá. 1- Nhiệt độ lò 2- Nhiệt độ bề mặt phôi. 3- Nhiệt độ tâm phôi. Căn cứ vào biểu đồ nhiệt độ nung H ta có thể xác định chế độ vận hành và đề ra yêu cầu tự động hoá cho lò như sau:
26. 1- Vùng sấy: Khi chọn chế độ nhiệt độ cho t vùng sấy cần chú ý đến tính dẫn nhiệt của kim loại và lý, hoá tính 2 1 của nó. Hiện nay lò của xưởng cán 3 Gia Sàng chuyên dùng để nung các T 0 loại thép cacbon thường, hệ số dẫn Hình 2-1 nhiệt lớn nên khả năng truyền nhiệt từ mặt phôi đến tâm phôi nhanh ứng suất nhiệt sinh ra giữa mặt phôi và tâm phôi không lớn. Vì vậy tốc độ nung có thể cho phép tuỳ ý tức là nhiệt độ vùng sấy có thể tuỳ ý. Tuy nhiên nếu tốc độ nung quá thấp thì thời gian nung sẽ kéo dài ảnh hưởng tới năng suất lò. Yêu cầu điều chỉnh nhiệt độ ở đây chỉ cần đo lượng nhiệt độ mà thôi. 2- Vùng nung: Là vùng chủ yếu tăng nhiệt độ của phôi nung nên nhiệt độ vùng này phải cao (1300  1350oC) và nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ bề mặt phôi khoảng 100 oC. Sai số nhiệt độ của phôi chủ yếu do: - Mác thép nung, kích thước phôi nung thay đổi. - Sản lượng cán thay đổi. Việc tự động hoá lò nung là tự động duy trì nhiệt độ lò ở khoảng 1300 oC  1350 oC thông qua việc điều chỉnh lưu lượng dầu và không khí vào vùng nung. 3- Vùng đồng nhiệt: Nhiệm vụ khống chế nhiệt độ vùng này là làm cho phôi nung trước khi ra lò có độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt và tâm phôi nằm trong giới hạn cho phép khoảng 30oC/dm chiều dày. Tại vùng này nhiệt độ lò được hạ thấp
27. xuống so với nhiệt độ vùng nung (1250  1270 oC) và cao hơn nhiệt độ bề mặt phôi một chút. Với nhiệt độ lò như vậy nhiệt độ bề mặt phôi không tăng được nữa trong khi đó nhiệt độ tâm phôi vẫn tiếp tục tăng lên cho đồng đều với nhiệt độ bề mặt phôi. Để đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ cán việc tự động hoá duy trì nhiệt độ vùng đồng nhiệt là cần thiết bởi vì phôi trước khi ra lò cần có nhiệt độ nhất định đáp ứng yêu cầu về độ biến dạng dẻo của thép nhằm giảm lực gây biến dạng, giảm tiêu hao năng lượng khi gia công và tăng tuổi thọ các thiết bị. Không đảm bảo được nhiệt độ đồng đều theo tiết diện phôi sẽ làm xoắn phôi, tạo ra những vết nứt bên trong dễ gây nguy hiểm như cong, gẫy trục cán và làm hư hỏng các chi tiết khác của máy cán trong lúc làm việc. IV. CÁC ĐẶC TÍNH TĨNH VÀ ĐỘNG CỦA ĐỐI TƯỢNG. A. Đặc tính tĩnh. Đặc tính tĩnh của đối tượng là quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào của nó ở một chế độ nhất định. Đối tượng của ta là lượng vào là lưu lượng nhiên liêu, lượng ra là nhiệt độ lò. Các đặc tính tĩnh có thể tìm được bằng con đường tính toán giải tích hoặc thực nghiệm. Đối tượng ta xét thuộc loại đối tượng định vị, quan hệ giữa lượng ra và lượng vào ở trạng thái ổn định biểu hiện bằng phương trình. Xn = f (Xv) - hàm tuyến tính Ứng với mỗi giá trị ổn định của lượng vào (lưu lượng dầu mazut) ta có một giá trị ổn định xác lập ở lượng ra (nhiệt độ), ở các chế độ khác nhau quan hệ Xr và Xv cũng khác nhau. Cụ thể là ứng với từng năng suất khác nhau của lò ta có một họ đặc tính tĩnh. Một thông số rất quan trọng, đặc
28. trưng cho tính chất tĩnh của đối tượng là hệ số truyền hay hệ số khuếch đại được biểu diễn bằng quan hệ. X r dX r Kđt = lim X v dX v Hình 2-2 là họ đặc tính tĩnh của lò nung liên tục biểu diễn quan hệ của nhiệt độ theo lưu lượng dầu. oC oC oC 140 1350 1350 1300 1300 1250 1300 1250 1200 1250 1200 1150 1200 700 900 1100 Kg/h 600 800 Kg/h 600 800 1000 Kg/h a) b) c) Hình 2-2 a) Nhiệt độ vùng nung trên ; 1- Năng suất 100% b) Nhiệt độ vùng đều nhiệt ; 2- Năng suất 70% c) Nhiệt độ vùng nung dưới ; 3- Năng suất 0% B. Đặc tính động. Đặc tính động của đối tượng là sự thay đổi lượng ra theo thời gian khi xuất hiện nhiễu các đặc trưng động cho phép ta đánh giá các tính chất động của đối tượng ở trạng thái quá độ. Đặc trưng động có thể biểu diễn dưới nhiều dạng khác nhau: - Dạng phương trình vi phân.
29. - Dạng các đặc tính thời gian (hình 2-3). - Dạng đặc tính tần. + Các thông số động của đối tượng. a) Hệ số truyền (hệ số khuếch đại). Hình 2-3 o Xr [ C] 8 6 4 2 [S] 100 200 300 400 500 600 t Nhiệt độ vùng đồng nhiệt 3 o T = 180 ; To = 45s ; Kđt = 8 C/% hành trình chiều quay động cơ X [oC] r 8 6 3 T = 180 ; To = 60s ; Kđt = 4 o 4 C/% hành trình chiều quay động cơ 2 [S] 100 200 300 400 500 600 t Nhiệt độ vùng nung trên X [oC] r 8 6 4 2 [S]
30. Đối tượng của ta là đối tượng định vị (có tính tự cân bằng) hệ số truyền được tính bằng độ thay đôỉ lượng ra (nhiệt độ) khi chuyển từ trạng thái bán đầu (bắt đầu đặt nhiễu). Đến trạng thái ổn định mới tính theo một đơn vị nhiễu đặt vào đối tượng nghĩa là: 0 X t ( ) X t (o) C Kđt = X v % hµnh trinh Trong đó: XT ( ) và XT(o) là giá trị lượng ra ứng với trạng thái mới và trạng thái ban đầu. XV : là giá trị nhiễu đặt ở cửa vào tính theo phần trăm độ dịch chuyển của cơ quan điều chỉnh. Ở đây xét với vùng đông nhiệt có: o o XT( ) = 1250 C ; XT(0) = 1170 C X = 10% hành trình cơ quan điều chỉnh. 1250 1170 0 C Kđt = 8 10 % hµnh trinh b) Độ chậm trễ :
31. Bao gồm thời gian trễ thuần tuý (do vận chuyển) và thời gian trễ dung lượng (chuyển biến quá trình nhiệt độ giữa các dung lượng). Để thuận lợi cho việc tính toán hệ thống coi gần đúng đối tượng bao gồm một khâu trễ  do vận chuyển và một khâu bậc 2. c) Hằng số thời gian T: Xác định hằng số thời gian bằng cách kẻ tiếp tuyến với đường quá độ tại điểm uốn (điểm có tốc độ thay đổi cực đại của đại lượng cần điều chỉnh). Chẩn đoán tiếp tuyến chắn bởi trục hoành và đường giá trị xác lập mới lên trục hoành ta nhận được giá trị T. V. TỶ LỆ NHIÊN LIỆU - KHÔNG KHÍ - XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ CỦA ĐỐI TƯỢNG. Giữa nhiên liệu cháy và không khí dòng để đốt cháy một quan hệ nhất định, nó thể hiện qua hệ số dư thừa không khí . Khi lưu lượng nhiên liệu vì một lý do nào đó thay đổi thì lưu lượng không khí cũng phải thay đổi cho phù hợp (lưu lượng nhiên liệu là chủ đạo, lưu lượng không khí là phụ thuộc). Để điều chỉnh tối ưu sự cháy của nhiên liệu là thực hiện tìm một hệ số tỷ lệ giữa nhiên liệu và không khí như thế nào đó để nhiệt độ ngọn lửa là cực đại (theo kinh nghiệm vận hành và tính toán với nhiên liệu là chất lỏng (dầu) thì = 1,1  1,25) ta sử dụng hệ thống tự động tìm cực trị. Tức là tìm hệ số bằng bao nhiêu đó để có nhiệt độ ngọn lửa là cực đại. Bản chất của quá trình điều khiển là: Giả sử để đốt hết một kg dầu nặng, ta cần dùng m kg không khí. Tuy nhiên trên thực tế do nhiều yếu tố khác nhau mà lượng không khí cần cho việc đốt hết một kg dầu luôn m. Việc đốt đạt nhiệt độ tối ưu được thể hiện như hình 2-4 với đầu vào là hệ số dư thừa không khí và đầu ra là nhiệt độ vùng nung trên.
32. Ta sử dụng m kg không khí để đốt một kg dầu thì ta có = 1. Thực tế ta phải dùng m’ không khí để đốt một kg dầu (m > m’). Từ đó ta có hệ số dư m' thừa không khí: = m T(x) Hệ thống gồm hai vùng: - Bộ điều chỉnh tỷ lệ tiêu hao nhiên liệu không khí. * - Bộ tự động tìm cực trị. Hình 2-4 Phần III THIẾT LẬP SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ A- CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TÌM CỰC TRỊ KIỂU BƯỚC I . SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG. 1- Sơ đồ M Cơ cấu chấp hành Sign U Đối tượng điều chỉnh Y1 BN1 Y Thiết bị So sánh tính toán Phần tử đảo dấu Y2 BN2 Bộ phát lệnh Hình 3-1
33. 2- Nguyên lý làm việc của sơ đồ. Giả sử lượng vào của đối tượng điều chỉnh thay đổi theo thời gian thiết bị tính cho ta gía trị Y1 tượng ứng với t1 , Y12 tượng ứng với t2 . Các giá trị này lần lượt đưa vào trong BN1 và BN2 ( các bộ nhớ ) sau khi qua bộ so sánh tín hiệu ra Y = Y2 -Y1 tác động vào phần tử đảo chiều quyết định sự làm việc của cơ cấu chấp hành dẫn đến lượng vào đối tượng thay đổi . Khi Y 0 phần tử đảo chiều không tác động, vì thế cơ cấu chấp hành giữ nguyên trạng thái làm việc . Nếu Y < 0 ( Y 0 Y2 - Y1 < 0 hay cụ thể hơn Y2 - Y1  trong đó  là một số dương phản ứng ngưỡng nhạy của quá trình điều khiển ) thì phần tử đảo chiều tác động bắt buộc cơ cấu chấp hành đổi chiều làm việc . Để thực hiện công việc trên bộ phát lệnh đã làm nhiệm vụ chỉ huy các bước theo trình tự. Bước 1 : Ghi nhớ giá trị trước vào BN1. Bước 2 : Cho cơ cấu chấp hành làm việc theo chiều nào đó ( chạy thử). Bước 3 : Ghi nhớ giá trị sau khi chạy thử vào BN2. Bước 4 : So sánh 2 giả trị trong các bộ nhớ rồi xoá đi chuẩn bị cho c chấp hành làm việc. Ở đây đối tượng điều chỉnh có đặc tính cực trị như ở hình 2-4 và cơ cấu chấp hành là động cơ ĐCH . Các phần tử như thiết bị tính toán, bộ ghi nhớ , so sánh được xây dựng chúng dựa trên các phần tử có tiếp điểm và không có tiếp điểm .
34. II BỘ ĐIỀU CHỈNH CỰC TRỊ KIỂU BƯỚC DÙNG CÁC PHẦN TỬ CÓ TIẾP ĐIỂM 1- Sơ đồ nguyên lý Hình 3-2 chỉ ra sơ đồ nguyên lý của cực trị kiểu bước dùng các phần tử có tiếp điểm. Bộ chỉ huy là sự kết hợp giữa máy phát xung từ tấn số siêu thấp với bộ phân phối. Máy phát xung từ là một bộ khuyếch đại từ làm việc ở chế độ rơ le có vòng dao động LK CK mắc nối tiếp vàp cuộn điều khiển. Các dao động được khuyếch đại và biến đổi thành xung. Có thể xác định tần số dao động bằng việc chọn LK CK . W0K W0C W Y W ~ CK X III II + Lx 1 1 2 rn 2 4 4 3 3 r1 C2 _ R 1 IK +250V BN 1R2 1 IK R1 BN2 C1 r1
35. Các xung tạo bởi máy phát được đưa vào cuộn dây điện từ của bộ phân phối (cuộn này không vẽ ở hình 3-2) nhờ đó mà các thanh quét dịch chuyển trong trường tiếp xúc I, II, III với tần số xác định bởi tần số xung máy phát. Thiết bị nhờ sử dụng các tụ C1, C2 và mặch lặp katốt của đèn điệnt tử hai cực kép, điện áp tỷ lệ với các giá trị Y1, Y2 đặt lên lưới đèn phần tử tác động lôgic làm nhiệm vụ so sánh hiệu số điện áp Y1 và Y2 là rơ le phân cực R1. Rơ le náy điều khiển phần tử đảo chiều của bộ điều chỉnh đảm bảo cung cấp điện áp cho cuộn kích từ của ĐCH tuỳ thuộc vào chuyển đổi trứơc đó của nó. 2- Nguyên lý làm việc. - Bước thứ nhất : Thanh quét ở vị trí 1 giá trị Y1 được nhớ lại tỷ lệ với điện áp trên tụ C1.
36. - Bước thứ 2 : Thanh quét ở vị trí 2 , ĐCH làm việc kéo biến trở rn sự dịch chuyển của con trượt mô hình hoá cho chuyển động của cơ quan điều chỉnh , còn điện áp trên biến trở tỷ lệ với hệ số điều chỉnh . - Bước thứ 3 : Thanh quét ở vị trí 3 , giá trị Y2 được nhớ trên tụ C2. - Bước thứ 4 : Thanh quét ở vị trí 4 Thực hiện việc so sánh điện áp tỉ lệ với Y1,Y2 tuỳ theo dấu của Y mà 1 R1 sẽ đóng điện cho một trong hai cuộn kích thích của cơ cấu chấp hành. Nếu Y2 Y1 nghĩa là chuyển động theo hướng tiến tới cực trị thì 1R1 giữ nguyên giá trị cũ , không có việc đảo chiều . Nếu Y2 Y1 nghĩa là khi qua khỏi điểm cực trị thì 1R1 sẽ đóng sang vụ trí khác. III - BỘ ĐIỀU CHỈNH CỰC TRỊ KIỂU BƯỚC DÙNG CÁC PHẦN TỬ KHÔNG TIẾP ĐIỂM 1- Sơ đồ cấu trúc (hình 3-3 ) Hệ thồng gồm các phần tử : - Đôi tượng điều khiển, toạ độ X là đại lượng chuyển dịch và toạ độ Y là lưọng điện áp đưa vào các bộ ghi nhớ . - ĐCH : Động cơ điện để chuyển động cho đối tượng (thay đổi toạ độ X) - KĐT : Khuếch đại từ dùng để điều khiển ĐCH quay thuận nghịch điều chỉnh tốc độ. FNI T IV I V1 GN1 cs VP SS KD II cs V2 GN2 III
37. - Bộ phân phối 4 bước được xây dựng trên bộ ghi dịch bằng Ferit điôt hay Ferit triôt nó được thực hiện bằng thuật toán sau : 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 - CS : Là bộ chậm sau để ghi nhớ tín hiệu làm việc cho nhập sau. sơ đồ làm việc theo nguyên tắc một nhịp ( bộ ghi dịch).
38. - FN1 : Là bộ phát xung nghẹt phát ra dạng biên độ lớn và độ rộng hẹp dùng để kích thích Ferit làm việc theo nhịp tín hiệu từ khâu nay sang khâu khác . Nó được điều khiển đa hài FĐ. - FĐ : Là bộ đa hài đợi , khi có tín hiệu từ Ferit số hai đưa lên thì bộ FĐ sẽ vào trạng thái không ổn định. Đầu số 2 của FĐ sẽ có tín hiệu đưa vào bộ V3 , V4. Đầu vào 1 của FĐ sẽ cắt FN1 ra khỏi trạng thái làm việc . Sau khi FĐ quay về trạng thái ổn định thì FN1 sẽ bắt đầu làm việc lại. GN1 và GN2 là bộ ghi nhớ tín hiệu điện áp Uy1 và Uy2 của đối tượng điều khiển. - SS là bộ so sánh 2 giá trị điện áp của đối tượng. - KĐ là bộ KĐ tín hiệu so sánh. - VP là bộ vi phân tín hiệu so sánh để kích thích Trigơ T. - Trigơ dùng để xác định phương hướng cho ĐCH quay thuận nghịch. - K Khoá nạp và phóng điện. 2- Nguyên tắc hoạt động Khoá K đóng ở vị trí 1 để nguồn E nạp cho tụ C, sau khi K về vị trí 2 Tụ C phóng điện vào các cuộn dây xác định điều kiện ban đầu của bộ phân phối . Trạng thái đầu tiên của các Ferit là 1000 cho nên V1 sẽ mở ra và đưa tín hiệu điện áp Uy2 từ đối tượng GN1. Quá trình trên thực hiện bước thứ nhất . Bộ FN1 phát ra một xung đưa vào các cuộn dịch chuyển của bộ phân phối . Tín hiệu từ Ferit thứ nhất chuyển sang Ferit thứ hai và trạng thái của Ferit la 0100. Đầu ra của Ferit thứ hai coá tín hiệu đưa vào FD làm cho thay đổi trạng thái. Đầu 2 FĐ cho ta tín hiệu đưa vào V3 và V4 điều khiển ĐCH quay một quãng x đồng thời tín hiệu từ đầu 1FĐ đưa về khoá FN1. Bộ FĐ chỉ có một trạng thái ổn định vì thế sau một thời gian t nào đó nó sẽ trở về trạng thái ổn định ban đầu. Lúc đó ĐCH không quay nữa và FN1 lại có thể phát xung đó là bước thứ hai.
39. Bộ FN1 tiếp tục phát xung đưa vào Ferit. Tín hiệu từ Ferit chuyển sang 3 và trạng thái của bộ phân phối la 0010. Đấu ra của Ferit 3 có tín hiệu đưa vào V2 và điện áp Uy2 của đối tượng đưa vào GN2 . Đây là bước 3. Bộ FN1 lại phát xung chuyển trạng thái bộ phân phối. Đầu ra của Ferit 4 cho tín hiệu vào FN2 và phát xung đưa vào GN1 và GN2. Hai bộ ghi nhớ cho hai điện áp Uy1 và Uy2 đưa vào bộ so sánh . Nếu Uy1 x1) thì bộ so sánh không có tín hiệu ra . Nếu Uy1 > Uy2 thì bộ so sánh sẽ có tín hiệu ra đưa vào KĐ và VP để đưa xung vi phân vào Trigơ làm thay đổi trạng thái của nó. Một trong hai trạng thái đó sẽ khống chế V3 hay V4 để ĐCH có thể thay đổi chiều. Chu kì điều khiển tiếp theo sẽ lặp lại quá trình làm việc của các bước trước . Thiết bị của hệ thống không tiếp điểm có kích thước nhỏ, độ tin cậy cao. IV - SO SÁNH PHƯƠNG ÁN Các bộ điều chỉnh tìm cực trị kiểu bước xét ở trên đều gồm các khối sau : - Khối phát lệnh - Ghi nhớ - So sánh - Đảo dấu Hệ thống làm việc theo bốn bước như đã biết : Ở sơ đồ hình 3-2 : Bộ phát lệnh là khuyếch đại từ và bộ phân phối bắng có khí do vậy làm việc tin cậy , chắc chắn song quán tính lớn , chu kì dao động không thể nhỏ được. Thời gian làm việc của các tiếp điểm cơ khí mau hỏng. Mặt khác thiết bị nặng nề về trọng lượng và kồng kềnh về thể tích. Bộ ghi nhớ và bộ so sánh dùng đèn 3 cực kép và rơ le phân cực như vậy sẽ làm tin cậy, ít bị ảnh hưởng nhiễu sóng, độ nhạy thấp, độ tác động nhanh kém. Đứng về phía thiết bị mà nói sơ đồ trên khó thực hiện vì các
40. thiết bị như bộ tìm bước, rơ le phân cực, có rất ít gây khó khăn cho việc sửa chữa thay thế. * Ở sơ đồ 3-3 đọ tác động nhanh cũng có hạn chế do sự có mặt của các mạch từ Ferit. Mặt khác sơ đồ khá phức tạp, số lượng các phần tử, các mạch logic khá nhiều. Thời gian và thiết bị không cho phép thực hiện sơ đồ nay tuy nó có nhiều ưu điểm về độ tin cậy. B- BỘ ĐIỀU CHỈNH CỰC TRỊ KIỂU BƯỚC Qua 2 phương án trên để khắc phục các nhược điểm về các lượng thể tích, độ tin cậy và đơn giản dễ sửa chữa thay thế phù hợp với thiết bị coá sẵn em chọn phương án sau: I - SƠ ĐỒ HÌNH KHỐI HÌNH 3-4 - PL bộ phát lệnh gồm đa hài tự dao động ĐH và Trigơ T, tải của chúng là các rơ le R1 , R2. BN1và BN2 là hai bộ ghi nhớ bằng tụ C1 C2. SS bộ so sánh gồm hai KĐ thuật toán trong đó có một khối làm việc ở dắc tính rơ le. - PTD Phần tử dấu , thực hiện việc đảo chiều ĐCH gồm Trigơ và rơ le R3. Nguyên lý làm việc: Bộ đa hài tự dao động cho ra xung vuông, qua Trigơ tần số xung giảm một nửa. Do vậy ta có bộ phát lệnh điều khiển các rơ le đóng cắt theo đúng trình tự bốn bước yêu cầu ( hình 3-4). ĐCK CH DT ĐH T 1 SS
41. Hình 3-4 Bước 1 : R 1 ; R 2 tụ C1 nạp giá trí đầu y1 Bước 2 : R 1 ; R 2 động cơ chạy thử theo chiều nào đó Bước 3 : R 1 ; R 2 tụ C2 nạp giá trí đầu y2 Bước 4 : R 1 ; R 2 Bộ so sánh làm việc so sánh 2 giá trị y1 và y2 . Nếu y2 y1 thì PTĐ không tác động chuyển bị cho ĐCH đảo chiều quay. II - Sơ đồ nguyên lý: Hệ thống gồm các bộ phận chính sau: + Đối tượng có đặc tính cực trị. + Bộ phát lệnh. + Bộ nhớ. + Bộ so sánh. +E + Động cơ chấp hành. * Mạch điều khiển. R R R R R K1 1 b1 b2 2 RK2 1 - Bộ phát lệnh. Đ3 C1 C2 Đ4 T2 T1 Đ Đ
42. a) Bộ đa hài tự dao động: Đặc điểm cơ bản của bộ tìm bước là phải có khối lệnh tạo xung để thực hiện các bước mong muốn trong quá trình làm việc. Ở đây bộ đa hài tự dao động đóng vai trò quan trọng, nó là những thiết bị điện tạo nên những xung điện áp hoặc dòng điện có dạng vuông góc dưới tác dụng của quá trình phóng nạp của tụ điện qua các mạch R-C. + Nguyên lý làm việc Giả sử lúc đầu T1 tắt, T2 thông, tụ C1 nạp điện theo chiều: + ER R1 +C1 Đ1 T2 -EK còn C2 phóng theo chiều : C2 Đ4 T2 -EK Rb2 -C2 Quá trình phóng điện của C2 làm cho VBT1 có xu hướng dương lên khi điện áp phóng dạt đến ngưỡng khoá T2 thì T2 tắt và T1 bắt đàu thông lúc này C2 được nạp và C1 phóng điện. Quá trình trên cứ lặp đi lặp lại, hai đèn thay phiên nhau thông tắt , vì thế ta có bộ phát xung tự dao động. Để cải thiện dạng xung ra lắp thêm một bộ nắn xung gồm R1R3 và R2R4 Các điôt Đ1Đ2 để ổn định nhiệt. Có hai phương pháp thay đổi tần số làm việc của mạch. Thay đổi giá trị Rb (mạch phóng). Thay đổi giá trị tụ C. Giản đồ xung như sau: Ub1 t UC1 - E t
43. - E b) Trigơ đối xứng: K RK5 Rk6 C C7 8 R7 R8 T5 T6 Rf1 Rf2 Đ5 Rb5 Đ6 Rb6 C 5 Vv + Ed C6 Hình 3-6
44. Cùng với đa hài tự dao động Trigơ đối xứng có đầu vào đếm làm nhiệm vụ chia tần tạo thành khối lệnh chỉ huy toàn hệ thống theo 4 bước. Mạch đa hài dao động với chu kì 10(s) thì chu kì xung của Trigơ là 20(s) nghĩa là tần số xung được chia đôi. Trigơ đối xứng là mạch xung có hai trạng thái cân bằng ổn định. + Nguyên lý hoạt động: Nếu ở trạng thái ban đầu T6 bão hoà còn T5 tắt thì Đ6 sẽ thông còn Đ5 tắt . Do đó có xung dương ở đầu vào chỉ có thể đi qua điôt Đ6 đến kích thích vào cực gốc của Tranzito bão hoà T6 và lật trạng thái của Trigơ. Song một vấn đề đặt ra là sơ đồ này có thể chuyển biến hai lần được không khi chỉ có một xung kích thích ở đầu vào và sau khi Trigơ lật trạng thái điôt Đ5 thông và xung vào vẫn chưa kịp kết thúc. Song cần nhận ra điôt Đ5 không thể thông ngay tức thời sau khi Trigơ chuyển trạng thái mà chỉ thông sau khi tụ C5 đã phóng điện cho nên việc chuyển biến “nhầm” sẽ không xảy ra. Như vậy xung kích thích tiếp theo chỉ được dẫn đễn sau khi các tụ C5, C6 được nạp và phóng điện hoàn toàn để điôt Đ6 tắt và Đ5 thông. Giả sử lúc đầu T6 thông, T5 tắt thế ở KT6 dương lên đặt vào BT5 làm cho T5 khoá chắc chắn. Đó là trạng thái xác lập thứ nhất. Khi xung dương kích thích vào BT6 thì T6 tắt , UKT6 = - EK đặt vào BT5 làm cho T5 từ tắt chuyển sang thông. Trạng thái của Trigơ cứ duy trì như vậy cho tới khi có xung thứ hai kích thích vào. Như vậy cứ có hai xung đầu vào thì ở đầu ra ta được một xung.
45. + Giản đồ xung. Uv t CV t UR t c ) Đa hài đợi +EK Rb4 RK4 R4 RK3 Uv C4 T4 T3 C3 R5 R6 Hình 3-7 Nguyên lý làm việc: Ở trạng thái đầu vào bao giờ T4 cũng thông và T3 tắt. Dòng nạp cho tụ C4 từ: + E RK3 C4 RE - EK khi có xung kích thích vào qua tụ vi phân được xung dương kích vào BT3 làm T3 thông, khi T3 thông áp âm trên tụ đặt vào BT4 làm cho T4 tắt luôn C4 phóng điện qua T3 RE về nguồn khi
46. tụ phóng hết cũng là lúc hết xung đầu vào và mạch trở về trạng thái ban đầu T3 tắt T4 thông. d ) Mạch khuếch đại thuật toán: Nguyên lý hoạt động: Đưa điện áp UV1 và UV2 vào các đầu vào của T7 và T8. Giả sử UV1>UV2 nghĩa là U = UV2 - UV1 0. Ngược lại nếu UV1 0 thì Ur< 0. Như vậy ta có đầu vào một là đầu vào đồng pha còn đầu vào hai là đầu vào đảo pha. +E K R14 R R13 R R23 25 15 T13 Đ8 R26 T T11 T7 8 T10 R10 R11 Rt R12 R17 R22 R27 C10 T9 R20 T12 R T14 R21 24 R18 R19 Đ7 +EK Hình 3-8 2- Bộ khuếch đại thuật toán tạo vùng không nhạy.
47. + Sơ đồ: Ở đây tạo ra vùng không nhạy từ bộ khuếch đại thuật toán một đầu vào như (hình 3-9). +E D1 r1 r’2 CA1 D2 r2 CA r 2 1 Uv1 -E U v U rr Hình 3-9 Khi Uv dương điôt Đ2 dương bị khoá bởi điện áp -E và - Ur . Khi Uv nhỏ hơn điện áp ngưỡng Utd thì Đ1 còn bị khoá, đến khi Uv tăng đến giá trị bằng điện áp ngưỡng thì Đ1 thông , lúc này bộ khuếch đại thuật toán làm nhiệm vụ cộng hai tín hiệu Uv và E .Nếu bỏ qua điện trở thuận của điôt thì r1 ta có : Ur = E r'1 Nghĩa là sau khi Đ1 thông thì điện áp ra có giá trị không đổi . Giai đoạn này được mô tả bằng đoạn ab trên (hình 3-10) Ur - Khi U âm thì v c d U U Đ1 khoá lúc Uv qua giá tđ v a b Hình 3-10
48. trị điện áp ngưỡng thì Đ2 thông ta có r1 Ur = - E r'1 Điện áp ra mang dấu (+) biểu thị bằng đoạn cd trên đặc tính. Tóm lại bằng một lần thay đổi cực tính của điện áp vào ta đã nhận được đặc tính có vùng không nhạy. f ) Sơ đồ mạch ổn áp. Để tạo ra điện áp 12 v ta dùng sơ đồ gồm có : - Máy biến áp biến đổi điện áp lưới xuống điện áp yêu cầu. - Bộ chỉnh lưu. - Các tụ lọc. - Hai IC ổn áp 7812 và 7912. Sơ đồ như sau : CL 7812 +12V + C1 C3 BA - C + 2 - C4 7912 -12V Hình 3-11
49. Phần IV TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ 1- Mạch đa hài tự dao động Yêu cầu xung ra có đặc tính dương Biên độ xung : Um 10 v Tần số dao động f = 1  0,1 Hz Độ ổn định tần số f/f 10 % Nguồn cung cấp EK =1,2Um =12 v chọn đèn nhưng-p-nhưng kí hiệu KC509 có  = 240  900 ; f >150 MHz ; P = 300mW ; UKC7 = 25 v IKm = 100 mA Trong mạch xung thường chọn IK = 10 50 mA ; ở đây chọn IK=12mA. - Điện trở tải : RK’ = RK1 // R1 = RK2 // R2 E K 12v RK’ = 1K I K 12mA Vậy: RK1 = RK2 = R1 = R2 = 2RK = 2K Trở tạo thiên áp Bazơ. Với đèn có  lớn thường tính dòng : I K 12 mA I = 0 , 05 mA 6  240
50. Do I6 nhỏ ta có thể chọn R6 lớn mà không ảnh hưởng tới chế độ làm việc bão hoà của đèn , mặt khác ta có thể chọn tụ C nhỏ ; Chọn: R6 = 50 100 K ; lấy chuẩn R6 = 75K Tụ: C1 và C2 T 1 10 -6 -6 C = 3 = 9,5.10  95 .10 F 2ln 2R 6 2.0,7.75.10 Với T = 110 (s) ; R6 =75 K chọn C = 10 100F . Giữ nguyên R6 mà thay đổi C ta có quan hệ T = f(c) T(S) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C(F) 9,5 19 28,5 38 47,5 57 63 76 81,2 95 Việc chọn đèn có  lớn là để cải thiện dạng xung ra đồng thời đáp ứng yêu cầu mạch làm việc ổn định ở tần số thấp , phạm vi thay đổi tần số rộng . 2- Mạch Trigơ đối xứng Vì mạch đối xứng nên ta chỉ tính cho một vế vế kia tương tự . Yêu cầu : Ur = 10 v ; Ir = 10mA Chọn nguồn EK =12 v ; Ed = 1,5 v Với tần số nhỏ chọn đèn MII41 ta có : Vcf =15 v ; IK =150 mA ; f = 1MHz ; IK0 = 25 A;  = 10 50 Tính RKđể đảm bảo cho mạch lật trạng thái : 0,2 0,2 R < = 2,2 K K 1,57fvCk 1,5.106.60.10 12 CK là điện dung tiếp giáp vectơ và bằng 600pF E K 12 v Mặt khác ta có : RK 120  I Km 100 mA Vậy chọn: RK = 1K E K 12 Tính lại : IK = 12 mA R K 1
51. Điện dụng tăng tốc C7. Yêu cầu C7 > CK mới khử được ảnh hưởng của CK khi làm việc. 0,6 0,6 C7 = 6 3 0,6 nF f .R K 10 .10 Chọn: C7 = 22 nF R6 = 81 K  E và R là độ mất ổn định của nguồn cung cấp và của điện trở. - Điện trở phản hồi R7 .  min 1 R7 =( 1-2R ) RK min E d R K N . 1 2 E E K R B Trong đó N là hệ số nén tín hiệu đồng pha của tầng vi sai . Kd N = 20 lg( ) Kvs Trị số N có thể chọn từ -60  100 dB R7 = 5,8 K . Chọn chuẩn R7 = 5 K Điện trở vi phân Rf1 tạo với C5 làm nhiệm vụ vi phân. Chọn Rf1 = 15K Tụ vi phân đầu vào C5: 1 1 -3 C5 = 0,05.10 F = 550 nF 1,2R f fv 1,2.15.0,1 Các điôt Đ5 và Đ6 chỉ cần chọn loại có nội trở bé nên ta dùng 0A1160. * Hiệu chỉnh mạch: Trạng thái đầu tiên cho một đèn thông và một đèn tắt . Nếu không tạo được trạng thái nâày thì thì thay đổi trở và tụ tăng tốc R7R8 và C7 C8. R = 5  15 K ; C = 5  100nF Thử độ nhạy Trigơ:
52. Dùng thế đất kích trực tiếp vào đèn cực gốc đang thông, nếu đèn lật trạng thái là đủ độ nhạy. Nếu không được thì thay đổi RK trong khoảng 1  3K và tăng R6 từ 10  100 K. Khi làm việc nếu Trigơ không giữ được trạng thái mà lật theo nhịp của đa hài thì chọn điôt có khả năng chịu áp ngược lớn hơn (tức là dặc tính có IK ngược nhỏ) hoặc ghép nối tiếp thêm điôt để có ngưỡng mở lớn hơn. * Bộ lệnh phát xung ra 4 nhịp nhưng thực hiện các bước trên để điều khiển hệ thống làm việc là nhiệm vụ của các rơ le tiếp điểm nối ở đầu ra của đa hài Trigơ. Vì thế ở sau các bộ này đều mắc thêm một khoá điện tử để đóng cắt các rơ le đó. Tính toán khoá với yêu cầu làm việc ở chế độ bão hoà và cắt dòng vì rơ le có V nhả khá lớn. Ở đây dùng rơ le PC-5 và PC-3 có V hút = 12 v ; I =125 mA ; U nhả = 0,6 U hút = 7,2 V Chọn khoá là đèn n-p-n loại KV612 có: IKm = 3 A ; UKm = 80 v ;  =20  65 ; Pm =10 w V 12v Tính trở tải: R 100 I t 0,125A - Dòng colectơ: IK = IT = 0,125 A I K 0,125 - Dòng Bazơ : I6 = 0,03 A I B 40 U KT 6 10 Điện trở Bazơ: R6 = 3,3K I 6 T 3 3 3- Mạch đa hài đợi: Yêu cầu: Ur = 10 v ; fv = 0,1  1Hz Nguồn cung cấp : EK = 12v Chọn URE = 13 v để đảm bảo trạng thái đầu T3 tắt T4 thông chọn URE = 2 V E K U RE 12 2 Điện trở Colectơ RK4 100 IKm 100mA E K U R5 U KE 12 2 0,5 Mặt khác: RK4 < 63K I K0m 150A
53. Vậy chọn chuẩn RK14 =1K 0,97U RE 0,97.2 Chọn đèn KC149: RE= 0,25K E K U RE E KEbh 10 2,4 R K4 Chọn : RE = 220 R 1 R min K4 240 80K b4 S 1 1 2 Chọn: Rb4 = 75K R 1 S là hệ số khi xét đến ảnh hưởng của tải: S = K4 2 0,5R t min 0,5.1 E U 12 2 K RE 1,12K RK3 U 2 0,97. RE 0,97 R E 220 E K .R 5 R 5 U KE 1 Điện trở phân áp: URE R 4 R 5 R 4 R 5 E K 6 E K 12 Dòng Colectơ: IK3 = 5,4mA R K3 R E 2 0,220 I 5,4 Dòng Bazơ : I = K 3 22  A b3  min 240 Dòng qua phân áp : Ifa = ( 1020)Ib3 = 20.22 = 440 A E K 12 Trở phân áp : R = R4+R5 = 30K Ifa 0,44 Vậy: R4 = 27K ; R5 = 3K  t 14 5 Tụ C: C 3 1,8.10 18F R b 4 75 .10 Chọn: tụ C = 10F 1 18 Độ rộng sườn xung : t < T 4 ,5 s x 4 4
54. t x 1 Chọn: tx = 1 s ;  f 1, 4 s 0 ,7 0 ,7 Với C = 10F thì tần số làm việc của mạch lớn rất nhiều so với tần số làm việc của xung vào. Như vậy đảm bảo mạch hoạt động tốt. 4- Mạch khuếch đại thuật toán Việc tính chọn linh kiện phụ thuộc vào các thông số cho trước ở đây yêu cầu : 4 Urmax = 10 V ; Ir = 10 mA ; K = 10 Với hệ số KĐ là 104 ta chọn 4 tầng khuếch đại như hình vẽ. * Tính tầng ra. Tầng ra là tầng đẩy kéo tải Emitơ. - Chọn nguồn: EK = (1,11,2) URmax = 1,2.10 = 12 V - Chọn: EK = 12 V E K 12 - Điện trở tải: Rt = = 1,2K I R 10 Để mạch làm việc ổn định chọn Rt = 3K Điện áp ngược đặt vào đèn giả thiết khi T14 thông và T13 tắt UEKng = 2EK = 24 V - Chọn đèn: Căn cứ vào IKmax và UKEng ta chọn T13 là đèn n-p-n KC149 ít bị ảnh hưởng của nhiễu và ồn , có các tham số :  = 240  900 ; f = 150 MHz T14 là đèn thuận 0C1071 có :  = 47 ; f = 4,5 MHz ; UKE = 32V ; IKMax = 50 mA ; P = 125 mw Trở chông ngắn mạch R26 , R27 Dòng chạy qua T13nó thông hoàn toàn là: IKT7 max 100 mA E K 12 ( v ) R26 = R27 = = 120 () I Km 100 ( mA ) Chọn điện trở chuẩn R26 = R27 = 56 () Tính điện áp ra khi có R26 và R27
55. Umax = E K -IK . R26 =12 - 10 . 56 = 11,5 V Vậy Ur đảm bảo yêu cầu. I 10 - Dòng Bazơ đèn: I = I = Km bT13 bT14  47 * Tầng khuếch đại đơn - Điện trở Colectơ R25 R25 lớn thì K tăng song để đảm bảo U1Rmax thì E K U Km 12 10 R 10 = 10 K IbT13 0,23 E K 12 - Dòng Colectơ: - IKT12 = 1,2 mA R 25 10 - Chọn T12 là đèn n- p-n kí hiệu KC509 có  = 240  900 ; I = 100 mA ; U = 25 mA I KT 12 - Dòng Bazơ: IbT12 = 0 , 0048 mA 4 ,8  A 250 Chọn Đ8 có áp mở trùng với ngưỡng chết của T13 và T14 để đặc tuyến đi qua điểm 0 . ở đây Đ8 chọn loại OA1160 có ngưỡng mở là 0,5 V. * Tầng khuếch đại vi sai trung gian: - Chọn T10 và T11 tương tự có IK0 = 4,5 A chống được trôi. Để đảm bảo ổn định chọn: IKT10 = 100 IbT12 = 100.4,8 = 480 A = 0,48 mA T12 là đèn n-p-n có UbE = 0,5  0,8 V Chọn UbET12 = 0,6 V UbET12 0,6 R21 = = 1,25 K IKT10 0,48 Chọn R21 = R22 = 2K ; R24 = 4K - Điện trở R23 : Dòng IR23 = 2IKT10 = 2. 0,48 = 0,96 mA
56. E K U KT10 12 4 R23 = 8K I R 23 0,96 Vì T12 làm việc ở chế độ A với UK = 4v nên chọn R23 = 8 K 12 4 I KT 10 0,48 - Tính lại: IR23 = = 1mA; IbT10 = 10 A 8  47 * Tầng đầu vào: - Tính IKT7 = IKT8 IbT10 .10 = 10 A = 0,1 mA E UKT 7 12 4 - Trở Colectơ: R13 = R15 = = 80 K IKT 7 0,1 Chọn chuẩn R13 = R15 =75K - Chọn biến trở R14 = 47 K Từ Umax và Imax chọn đèn n-p-n loại KC149 IKT 7 0,1 Dòng đầu vào: IbT7 = IbT8 = =0,36A  275 - Chọn Trở đầu vào R10 = R11= 3K R12 = R17= 27K * Cụm nguồn ổn dòng UbT 9 U bTE 9 6 0,6 Chọn áp UbT9 = 6 V: R18 = 27K IR18 0,2 Chọn R18 =20K - Chọn T9 giống như T7 và T8 - Dòng qua phân áp: IR20 = ( 10  50 ) IbT9 = 50 . 7,4= 370 A UbT 9 6 Trở phân áp: R20 = R19 = = 16,2K IR 20 0,37 R20 = R19 = 18 K - Chọn Đ7 giống như Đ8 để phù hợp với ngưỡng mở của T9 - Hệ số khuếch đại : 1.R t1 - Hệ số khuếch đại tầng 1: K = trong đó Rt1 = R11 // RK R 10m
57. 26 26 R11 = RbT10 + ( +1 ) 300 (47 1) 2,9K IKT10 0,42 2,9.90 RT1 = = 2,8 K 2,9 90 26 26 R10m = RbT7 + ( +1 ) 350 (275 1) 72K IKT 7 0,1 275.2,8 Vậy: K1 = 10,6 72 10 .R t 2 Hệ số khuếch đại tầng 2: K2 = 2R'mv Rt2 = R21 // RVT12 26 26 RVT12 = RbT12 + ( +1 ) 300 (240 1) 5,5K IKT12 1,2 5,5.1,2 RT2 = = 0,98 K 5,5 1,2 50.0,98 Vậy: K2 = 10 2.29 12 .R 25 240.10 Hệ số khuếch đại tầng 3: K2 = 436 R mVT12 5,5 Hệ số khuếch đại tầng 4. Đây là tầng đẩy kéo tải Emitơ nên K4 1 . Hệ số khuếch đại toàn mạch. K = K1 K 2.K3.K4 = 10,6 . 10 . 436 .1 = 46254 K > 10 4 như vậy để đảm bảo hệ số khuếch đại yêu cầu * Hiệu chỉnh: Việc hiệu chỉnh được tiến hành từ tầng đầu vào trở đi. Hai tầng đầu là tầng khuếch đại vi sai, nhiệm vụ chủ yếu là chống trôi, hệ số khuếch đại nhỏ . Mạch khuếch đại có nhiệm vụ đảm bảo hệ số khuếch đại lớn . Để đảm bảo
58. áp ra hai cực tính và đủ công suất đưa ra tải, tầng ra phải là tầng đẩy kéo mắc tải Emitơ. - Vì trôi tầng đầu nên ở tấng này dùng nguồn ổn dòng gồm T9, Đ7, R20, R19, R18, yêu cầu chọn T7 và T8 và cá trị số trở R13, R15, R12, R17, R 10, R11 phải cân nhau. - Với tầng 2 cũng làm như tầng đầu, sau đó nối đầu ra tầng 1 với đầu vào tầng 2, hiệu chỉnh cho UKT10 = 11,5 v nhờ R23 = 5  10 K - Tầng khuếch đại đơn giản yêu cầu làm việc ở chế độ khuếch đại do vậy điều chỉnh R25 = 5  15 K. - Cuối cùng điều chỉnh chế độ làm việc của toàn mạch .Lấy hệ số khuếch đại của mạch là 9 , tính R28 = K .R11 = 9*3 = 27 K Lắp R28 vào đầu đảo pha - Để bù tần số do hiện tượng ký sinh gây ra , dùng tụ C9 và C10 . Chọn C9 = 4700pF và C10 = 0,01F Đặt tính của khuếch đại thuật toán trên hình sau : Ur[v] Ur[v] Đồng pha Đảo pha Mạch khuếch đại thuật toán có yêu cầu khi chọn càng giảm loại đèn càng tốt . Do vậy ở đây ta chọn các đèn cùng loại mặc dù tham số có hơi thừa . 5- Mạch khuếch đại thuật toán tạo vùng không nhạy. Các điôt Đ12 và Đ11 được chọn sao cho ngưỡng mở của nó bằng giá trị Utd mà ta đã chọn , ở đây dùng điôt loại OA1160, các chiết áp CA1 , CA2 loại 47 K.
59. Muốn bỏ một trong hai nhánh của điện áp ra , ở đây ta chỉ lấy ra Ur mang dấu (+ ) thì vặn con trượt chiết áp về phía giảm R416 tới 0. 6- Tính toán tụ điện trong bộ ghi nhớ. Việc tính toán tụ điện làm nhiệm vụ ghi nhớ phải đảm bảo đủ năng lượng để cho bộ so sánh làm việc chính xácvà có khả năng giữ được năng lượng trong chu kỳ làm việc Do vậy nếu chọn C lớn sẽ có thời gian phóng điện dài, khi so sánh tụ vẫn giữ một lượng áp dư. Cò nếu chọn C nhỏ quá sẽ không du năng lượng để so sánh và cũng không giữ được điện áp trong chu kì làm việc. Ở đây ta tính C sao cho năng lượng nó tính được đủ để mở tầng khuếch đại vi sai của bộ khuếch đại thuật toán. - Điện áp nạp trên tụ: q = CU hay q = C U t q là số gia điện tích: q = idt = I tb.ttđ 0 ttđ : là thời gian quá đọ của tranzito. U là đọ sụt điện áp ( 0,055v). - Dòng điện trung bình xác định dựa vào bộ khuếch đại thuật toán: Itb = Ib + IK I Km 100 mA Ib = 370  A  275 U i 10 IR = 0,33 mA R 11 R 17 3 27 Itb = 0,37 + 0,33 = 0,7 mA Để tính ttđ dựa vào dạng IB các dòng điện ở đầu ra và ở t đầu vào của Tranzito với sơ đồ cực phát chung. I s : Thời gian đốn mạch ng : Thời gian ngắt mạch 0,9 I t    
60. f : Thời gian tiêu tán  : Thời gian tồn tại xung Có công thức: IKm IB2 ttđ =  1ln 0,1IKm IB2 1 1 mà  = 1 1 (1 )2 f (1 )2 .f  Với đèn KC149 có  = 275 ; f = 150MHz ; IKm = 100mA 1 6 Vậy: 1 = 0,265.10 (s) (1 0,996).2.3,14.150.106 2 -6 100 275.0.043.10 6 ttđ = 0,265.10 .ln 0,61.10 (s) 10 275.0.043.10 2 Trong đó: IK U K 12 -2 IBC = = 0,043.10  R K 100.275 Cuối cung ta có : q = I . t = 0,7.10-3 .0,61 = 0,247 . 10-9 C q 0,427.10 9 Tụ điện : C = 8.10 9 F U 0,055 - Giá trị của tụ C tính trên là trị số nhỏ nhất dư để cho bộ khuếch đại thuật toán tác động . Song trong thực tế ở nước ta độ ẩm và nhiệt độ cao, bụi bẩn nhiều nên lượng điện tích dò ứng với thời gian của chu kì dài 20 (s) sẽ rất lớn. Do đó tụ C phải chọn với trị số đủ để tác động bộ so sánh khi đã tính đến lượng điện tích dò ở dây chọn C = 10F. Nếu chọn C quá lớn thì ở cuối quá trình điện tích dư còn nhiều nên việc ghi nhớ lần sau sẽ không chính xác. 7- Chọn động cơ:
61. Vì động cơ điện của ta dùng để kéo con trượt trên biến trở nên chỉ cần chọn động cơ điện một chiều công suất nhỏ có các thông số như sau: Uv = 12V ; UKT = 15 V ; P = 12,5w PHẦN V KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG - Phần trên ta đã biết một vài ứng dụng của hệ thống tự động tìm cực trị trong sản xuất công nghiệp. Từ đó có nhận xét sau: + Đặc điểm nổi bật của hệ cực trị là: - Ở đối tượng hay ở bộ điều chỉnh có khâu phi tuyến không đơn trị được mô tả toán học bằng phương trình đại số bậc hai hay cao hơn. - Vì khi tự dao động xung quanh điểm cực trị hệ cực trị tư động đảo chiều nên việc đảo chiều được dùng làm dấu hiệu các đặc biệt để đánh dấu trạng thái làm việc của hệ thống đối với điểm cực trị của mình. - Trong quá trình làm việc, hệ thống có thể có hoặc không có quán tính tuỳ theo tính chất của đối tượng.
62. - Chất lượng của hệ thống tự động tìm cực trị phụ thuộc nhiều vào dạng đặc tính tĩnh của đối tượng và mức độ quán tính của hệ thống. * Sau đây ta sẽ tiến hành khảo sát quá trình điều khiển và đánh giá chất lượng của hệ thống thông qua việc nghiên cứu tính toán quá trình động học của nó. I. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG. 1- Sơ đồ cấu trúc: Từ sơ đồ nguyên lý đã xét ở phần trước ta tiến hành xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ thống tự động tìm cực trị kiểu bước. Việc xây dựng sơ đồ cấu trúc 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 moo tả toán học tương đương với trạng thái tác động của các khí cụ đó. - Sự tương đương về nguyên tắc động ở sơ đồ nguyên lý và mô tả toán học ở sơ đồ cấu trúc như sau: + Về đối tượng có đặc tính cực trị thể hiện bằng đặc tính tĩnh theo quan hệ y = f(x) ở hai sơ đồ đều như nhau. + Bộ phát lệnh ở sơ đồ nguyên lý được mô hình hoá bằng hai phần tử xung PIX1 và PIX2 trên sơ đồ cấu trúc. Hai phần tử xung này tác động theo chu kỳ 4 bước của bộ phát lệnh. + Bộ nhớ ở hai sơ đồ như nhau nghĩa là gồm tụ hoá C1 và C2 . + Phần tử so sánh ở sơ đồ cấu trúc là khuếch đại thuật toán ở sơ đồ nguyên lý. + Bộ khuếch đại thuật toán tạo vùng không nhạy và trigơ trong sơ đồ nguyên lý được ký hiệu là phần tử dấu (PTD) ở sơ đồ cấu trúc. + Khâu chấp hành ở sơ đồ cấu trúc chính là động cơ điện một chiều ở sơ đồ nguyên lý. + Nếu không xét tới tính quán tính của đối tượng thì sơ đồ cấu trúc của hệ thống được vẽ như sau:
63. y ĐT y PTX x 1 BN BN 1 2 CH yn-1 yn PTX 2 P.T.D Hình 5-1: Sơ đồ cấu trúc hệ tự động tìm cực trị kiểu bước. 2- Nguyên tắc hoạt động. Tín hiệu đầu ra y của đối tượng được đưa tới bộ nhớ một cách gián đoạn trong từng khoảng thời gian t nhờ PTX1. Tại thời điểm t = n t tín hiệu đầu ra đó sẽ là yn được đưa vào BN, đầu ra của BN đưa tới phần tử so sánh. Phần tử này sẽ tiến hành so sánh tín hiệu đầu ra tức thời Yn với giá trị tín hiệu đầu ra trước đó một bước là Yn-1 đã giữ trong bộ nhớ. Như vậy đầu ra của phần tử so sánh là: Yn = Yn - Yn-1 - Ở thời điểm sau đó, lúc t = (n+1) t thì giá trị Yn-1 bị xoá đi, giá trị Yn được nhớ lại, BN sẽ ghi tín hiệu mới Yn+1 để tiến hành so sánh bước này, đồng thời đầu vào PTD xuất hiện tín hiệu mới là: Yn+1 = Yn+1 - Yn Nếu Y 0,055v (ở đây 0,055v chính là giá trị  mà ta đã giới thiệu ở phần trước) thì PTD tác động đóng rơle làm đảo chiều động cơ chấp hành.
64. Nếu Y < 0,055v thì PTD giữ nguyên trạng thái và động cơ tiếp tục quay theo chiều cũ. - Giữa PTD và CH có PTX2, phần tử xung này đóng cắt theo lệnh của bộ chỉ huy sẽ điều khiển động cơ quay theo đúng các bước đã định sẵn. II. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN XÁC ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG. 1- Đặc tính động học của cơ cấu chấp hành. - Cơ cấu chấp hành của hệ cực trị kiểu bước là động cơ điện một chiều kích từ song song, lượng vào là điện áp đặt lên phần ứng động cơ, còn lượng ra là tốc độ góc (hay góc quay), ở đây coi từ thông kích từ của động cơ không đổi. - Phương trình cân bằng điện áp: diu Uv = iuRư + Lư + Kcn dt - Phương trình cân bằng mômen khi không xét đến ảnh hưởng của phụ GD 2dn tải: Mđ = KM Iư = 375dt - Giải hai phương trình trên có hàm truyền của Đ: n(p) K D W(p) = 2 Uu (p) TETM P TM P 1 Trong đó: KD = 1/Ce Iu TE = : Hằng số thời gian điện từ. R u 2 R u D G TM = : Hằng số thời gian điện cơ. 375K M K B c.n(p) - Nếu lượng ra là góc quay , dựa vào: (p) = p (p) K D ta có: W(p) = 2 Uu (p) P(TE TM P TM P 1)
65. Vì DCH nhỏ, bỏ qua TE và TM có thể coi ĐCH là một khâu tích phân lý tưởng có: K W(p) = và hàm quá độ h(t) = k(t) 1(t) P 2- Các thông số chất lượng: - Chất lượng của hệ thống tìm cực trị được đánh giá bởi các thông số sau đây: + 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 quanh điểm cực trị. + Tổn thất lắc (P1): 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 lục hệ thống đi từ vị trí cân bằng này cho đến khi hệ trở về đúng vị trí đó trong chu kỳ ổn định. Hệ thống được đánh giá là có chất lượng tốt khi Pt , P1, T nhỏ và Tt ngắn. Người ta xác định chất lượng của hệ thống nhờ các đường đặc tính đầu vào x(t), đầu ra y(t) của đối tượng. Ta sẽ xây dựng đặc tính trên khi đối tượng có đặc tính tĩnh dạng parabol với cực trị là cực đại. 3- Đặc tính đầu vào của đối tượng x = x(t). Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống, ta thấy rằng lượng vào x của đối tượng do CH tạo nên, trong đó động cơ chấp hanh được coi là khâu tích phân lý tưởng. Khi làm việc góc quay của ĐCH làm thay đổi vị trí con trượt trên biến trở điều chỉnh nghĩa là làm biến đổi lượng vào x của đối tượng điều khiển. Do đó phương trình đặc tính đầu vào đối tượng là:
66. x = xo KD . t Trong đó: xo : là điểm làm việc ban đầu. KĐ : là hệ số khuếch đại của ĐCH hay chính là tốc độ dịch chuyển con trượt trên biến trở. (Dấu (+) ứng với sự chuyển động của DCH làm tăng lượng vào của đối tượng, dấu (-) ngược lại. DCH chỉ có tín hiệu vào khi PTX2 tác động, trong một chu kỳ làm việc của bộ phát lệnh thì PTX2 chỉ tác động ở nhịp thứ hai. Như vậy quan hệ x = xo KD.t không phải là đường thẳng liên tục mà là đường gẫy khúc tăng theo chiều tăng của thời gian t. Khoảng thời gian tăng đó ký hiệu là t - là thời gian duy trì một lệnh của bộ phát xung. Do vậy khi đã biết xo , KD, t sẽ vẽ được đường x = x(t). 4- Đặc tính đầu ra của đối tượng y = y(t). Đặc tính y = y(1) được suy ra từ đặc tính tĩnh và đặc tính đầu vào của đối tượng. Giữa x và y có quan hệ y = f(x) vì thế nếu biết x = x(t) ta sẽ xác định được y theo biểu thức y =f(x) = f[x(t)]. 5- Đặc tính trạng thái tác động của PTD. Bộ PTD này đặt ở đầu ra của bộ so sánh. Tín hiệu điện áp nhớ trên hai tụ sau khi so sánh và khuếch đại sẽ đặt vào để kích PTD. Ở đây chọn ngưỡng tác động của phần từ dấu là Utd = 0,5v. Nếu utd 0 t
67. x K = - 1 trong khoảng thời gian có < 0 t 6- Chọn bước tối thiểu x. Xuất phát từ tính chất tác động của bộ PTD và yêu cầu của hệ cực trị kiểu bước, một vấn đề quan trọng đặt ra là giá trị bước x của lượng vào phải chọn như thế nào để hệ thống làm việc tốt nhất, đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng. Trị số tối thiểu của x là trị số mà ứng với nó y đủ để PTD tác động U được: y = td K T Trong đó: KT là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán. Như vậy trị số tối thiểu của x phụ tuộc dạng đặc tính của đối tượng, yêu cầu chất lượng của hệ thống và hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán. - Với các dạng đặc tính đối tượng khác nhau x phải đảm bảo sao cho lượng chênh áp y do nó gây ra là nhỏ nhất nhưng đủ để PTD tác động được. III. KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ QUÁN TÍNH. Thực tế phần lớn các hệ thống tự động tìm cực trị đều có quán tính nghĩa là sau một khoảng thời gian t nào đó từ lúc có tín hiệu x đi vào đối tượng điều khiển, tín hiệu ra y mới được xác định. Trong trường hợp này quan hệ giữa lượng vào và lượng ra không biểu thị bằng phương trình đại số mà được viết dưới dạng phương trình vi phân. Với đối tượng là lò cán thép có thể coi như gồm hai khâu mắc nối tiếp: khâu quán tính bậc hai và đặc tính tĩnh của lò: y u(t) 1 x(t) y(t) (T1P )(T2P 1) x
68. Hình 5-2 Sau đây ta sẽ khảo sát chất lượng của hệ thống có quán tính bằng phương pháp đồ thị giải tích. 1- Với đối tượng có đặc tính dạng Parabol. y x(t) ĐT y(t) PTX x 1 W(p) BN1 BN2 u(t) yn-1 yn CH PTX2 P.T.D Hình 5-3 Tín hiệu đầu vào u = u(t) tác động vào khâu quán tính bậc hai có hàm truyền đạt: K W(p) = D P(T1P 1)(T2P 1) Vì ĐCH chỉ làm việc tương ứng với lệnh thứ hai của bộ phát lệnh nên u(t) là một đường thẳng gãy khúc. Vì vậy để xây dựng đặc tính quá độ x = x(t) trước hết phải xét phản ứng của khâu quán tính bậc hai dưới tác dụng của tín hiệu vào dạng l(t)kt. Đặc tính quá độ x = x(t) sẽ là kết quả xếp chồng theo thời gian phản ứng của khâu khi có tín hiệu tác động vào. Như đã biết, trong bốn nhịp của bộ phát lệnh ĐCH chỉ làm việc tương ứng với nhịp thứ hai, xung nhịp này được phân tích thành hai xung.
69. 1 Như vậy tín hiệu 1(t) kt từ ĐCH đưa vào khâu quán tính hay nói cách khác đặc tính động học đầu vào u = u(t) sẽ là sự xếp chồng liên tiếp các đường thẳng: 1(t)kt; - 1(t-t1)k (t=t1); 1(t-t2)k(t-t2) ; -1(t-t3)k(t-t3) ; 1(t-t4)k(t-t4) Kết quả sẽ được một đường cong gãy khúc tăng gián đoạn với hệ số k. u(t) l(t)kt u(t) t Hình 5-4 Dùng thép biến đổi Laplace xét phản ứng của khâu quán tính dưới tac động của tín hiệu 1(t)kr. y U(p) X(p) Y(p) W(p) x Ảnh biến đổi Laplace của tín hiệu vào 1(t)kt là: l(t)kt 1/P2 . K D Tín hiệu ra của khâu quán tính: X(P) = 2 P (T1P 1)(T2P 1) A B C D Phân tích ra đa thức: X(P) = 2 + + + (5-1) P P T1P 1 T1P 1
70. 2 Mẫu số chung: P (T1P + 1)(T2P + 1) Giải (5-1) có: KĐ = A(T1P + 1) (T2P+1+) + BP(T1P + 1) (T2P + 1) 2 2 + CP (T2P+1) + DP (T1P+1) 2 3 2 3 2 KĐ = A[T1T2P + P((T1 +T2) + 1] + CT2P + CP + DT1P + DP + 2 + BP(T1T2P + P(T1+ T2) + 1] 2 3 2 = AT1T2P + AP(T1 + T2) + A + B T1T2P + BP (T1+T2) + BP + 3 P (CT2 + DT1) + P(C+D) 3 2 = P (B T1T2 + CT2 + DT1) + P [A T1T2 + B(T1+T2) + C + D ] + + P[A(T1T2) + B] + A Cuối cùng ta có: A = KĐ (a) B T1T2 + CT2 + DT1 = 0 (b) A T1T2 + B (T1+ T2) + C + D = 0 (c) A(T1+ T2) + B = 0 (d) Từ (d) có: B = -A(T1+ T2) = - KĐ(T1+ T2) (c) : C = -A T1+ T2 - B(T1+ T2) - D (b) : - KĐ(T1+ T2)T1 T2 + T2 [-AT1 T2 - B(T1+ T2) - D] + DT1 = 0 2 - KĐ(T1+ T2)T1T2 -AT1T2 - BT2(T1+ T2)-DT2 + DT1 = 0 K (T T )T T K (T T 2 ) KT (T T ) 2 D = - D 1 2 1 2 D 1 2 2 1 2 T2 .T1 Chọn T1 = 5s, T2 = 10s thì: A = KĐ ; B = -15 KĐ ; C = - 25 KĐ ; D = 200 KĐ Thay vào (4-1) có: K 15K 25K 200K K 15K 5K 20K X(p) = D - D - D + D = D - D - D + D P2 P 2 5P 1 10P 1 P2 P P 0,2 P 0,1 Biến đổi Laplace ngược lại ta có: -0,2t -0,1t x(t) = KĐt - 15KĐ1(t) - 5KĐe + 20KĐe
71. -0,1t 0,2t x(t) = 5KĐ (4 e - e + 2,2t - 3) Ứng với mỗi giá trị của t sẽ có một giá trị của x. Từ đó ta vẽ được đường x = x(t) khi tác động vào khâu quán tính tín hiệu 1(t) K(t). Bằng phương pháp đồ thị giải tích việc vẽ x(t) lần lượt tiến hành theo trình tự sau: - Trước hết cho tác độngvào khâu quán tính tín hiệu K(t). Chọn KĐ = 0,2 phản ứng của khâu sẽ là: -0,2t -0,2t x1(t) = 4e - e + 0,2t - 3 Giả sử khi t = 10s ta có: 4e-0,1t = 1,476 ; e-0,2t = 0,1353; 0,2t = 2 x1(t) = 0,3363 Lần lượt với các giá trị của t ta xây dựng được bảng sau: Bảng 5-1: t(s) 5 6 8 10 12 14 15 16 4e-0,1t 2,427 2,195 1,797 1,431 1,207 0,986 0,829 0,807 e-0,2t 0,367 0,294 0,201 0,135 0,09 0,06 0,049 0,04 0,2t 1 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3 3,2 x1 0,059 0,1 0,159 0,336 0,516 0,725 0,842 0,967 t(s) 18 20 22 24 25 30 35 40 4e-0,1t 0,661 0,541 0,443 0,362 0,328 0,199 0,12 0,073 e-0,2t 0,027 0,018 0,012 0,008 0,006 0,002 0,00 0 0,2t 3,6 4 4,4 4,8 5 6 7 8 x1 1,233 1,523 1,831 2,154 2,321 3,196 4,119 5,073 t(s) 45 50 55 60 65 70 75 80 4e-0,1t 0,044 0,026 0,016 0,009 0,006 0,003 0,002 0,001 e-0,2t 0 0 0 0 0 0 0 0 0,2t 9 10 11 12 13 14 15 16 x1 6,044 7,026 8,016 9,009 10,06 11,03 12,02 13,01 t(s) 85 90 95 100 105 110 115 120 4e-0,1t 0 0 0 0 0 0 0 0 e-0,2t 0 0 0 0 0 0 0 0 0,2t 17 18 19 20 21 22 23 24 x1 14 15 16 17 18 19 20 21 - Với tín hiệu vào là xung 1(t)K9t) tồn tại trong khoảng thời gian t = t đến t thì phản ứng của khâu quán tính sẽ là:
72. x1 = x1(t) + x2(t) = x1(t) - x2(t- t) Từ đó ta xây dựng được bảng 5-2 và đồ thị biểu diễn x1(t) như hình 5-5. Bảng 5-2: t(s) 5 10 15 20 25 30 35 40 x1 0,059 0,277 0,506 0,680 0,798 0,875 0,923 0,953 t 45 50 55 60 65 70 75 80 x1 0,972 0,982 0,989 0,993 0,996 0,997 0,998 0,999 t 85 90 95 100 105 110 115 120 x1 0,9995 0,9996 1 1 Giả sử với: t = 20 (s) x1(20s) = 1,523 x1(15s) = 0,08428 3 x1(20 ) = 1,523 - 0,08428 = 0,6802 - Khi có N xung tác động tương tự sẽ có thêm các đường xII , xIII, xIV, , xN(t). Trong đó: xII(t) = x1(t) + x2(t) + x3(t) + x4(t) xII(t) = x1(t) + x1(t-T) 6 xIII(t) = x1(t) + x2(t) + + x6(t) = x1 (t) i 1 = x1(t) + x1(t-T) + x1(t-2T) Từ đó có công thức tổng quát: N N xN(t) = x1 (t)=  x1[t-(N-1)T] (5-2) i 1 i 1 N : thứ tự của đường (số bước); t : thời gian; T : chu kỳ bộ phát lệnh (T = 20s) Dựa vào (5-2) và trạng thái tác dộng của bộ khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ rơle với ngưỡng tác động là:
73. U 0,5 y td y = 0,055 K T 9 Ta lập được quan hệ giữa x và t: x =  K(N)x1(t - (N-1)T] (5-3) N 1 Đường x(t) có dạng như đồ thị hình 4-6. Khi x qua giá trị cực đại x* ta phải kiểm tra lượng chênh áp y của đối tượng ở các bước trước và sau x* xem PTD tác động ở những bước nào nhờ công thức: 2 2 y = y2 - y1 = [-K2 (x2-a) + b] - [-K2(x1-a) + b] Trường hợp của ta PTD tác động tại các bước thứ 11, 15, 19, 23, Ví dụ: - Tại bước thứ 11: x1 = 9,8257 ; x2 = 10,1319 y = -0,12(1,13)2 + 10 + 0,12(0,82)2 - 10 = 0,074 - Tại bước 15: y = 0,08 - Tại bước 19: y = 0,073 Từ đõây dựng được bảng (5-3) biểu diễn quan hệ x = x(t) theo công thức (5-3). Bảng 5-3: t(s) 5 10 25 30 45 50 65 70 x(cm) 0,059 0,277 0,857 1,152 1,830 2,134 2,826 3,132 1 85 90 105 110 125 130 145 150 x 3,825 4,131 4,825 5,131 5,825 6,131 6,825 7,131 t 165 170 185 190 205 210 225 230 x 7,825 8,131 8,825 9,131 9,825 10,131 10,565 10,423 t 245 250 265 270 285 290 305 310 x 9,94 9,656 8,991 8,688 7,999 7,693 7,259 7,404 t 325 330 345 350 365 370 385 390 x 7,884 8,168 8,883 9,136 9,825 10,131 10,565 10,423
74. x1 [cm] 1 x1(t) x1(t) 0,5 t 0 5 15 25 35 45 [s] 55 x2(t) Hình 5-5 x [cm] -x (t) 1 3,6 3 2,4 2 x1 1,6 1 x x x I II III t 0,4 0 10 20 40 60 80 [s] x2 Hình 5-6
75. x [cm] x* Pl 8 6 5 3 1 0 65 145 225 305 t(s) y (v) Pl = 2,5% 10 t = 260s 5 0 100 200 300 400 t(s) Hình 5-7
76. Phần VI THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ Trên sơ đồ nguyên lí động cơ ĐCH được đảo chiều bằng các rơ le R R2, R3 . Các rơ le này đống cát theo sự điều khiển của các bộ tạo lệnh. Nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau : + Khối tạo lệnh : Bao gồm các mạch đa hài tự dao động , đa hìa đợi và Trigơ . - Giả sử lúc đầu T2 thông , T1 tắt lúc này do thế đặt vào cực gốc của TK1 xấp xỉ bằng không nên TK1 sẽ khoá và R1 không có điện ( R 1 ) Lúc này T4 sẽ thông và không có xung đưa vào Trigơ nên T6 thông và T5 tắt Thế đặt vào cực gốc của TK2 là thế dương nên TK2 sẽ thông R2 có điện ( R 2 )và đây là trạng thái thứ nhất của mạch . Trong quá trình T2 thông thì tụ C1 được nạp điện và tụ C2 phóng điện. Quá trình phóng của tụ C2 làm cho thế cực gốc C1 có xu hướng lên, khi điện áp khoá đạt tới ngưỡng khoá của T2 thì T2 tắt và T1 thông. Khi T1 thông T2 khoá thì trên hai cực phát góp của T2 xuất hiện xung dương xung này được đưa tới kích thích vào cực gốc của TK1 làm cho TK1 thông R1 có điện ( R 1 ). Đồng thời xung dương nay qua tụ vi phân C3 tới kích thích vào cực gốc của T3 làm cho T3 thông T4 khoá. Trên 2 cực góp phát của T4 cũng xuất hiện xung dương . Xung này qua tụ vi phân C6 và điôt Đ6 tối kích thích vào cực gốc của T6 làm cho T6 từ thông chuyển sang tắt và T5 sẽ thông Trigơ lật trạng thái . Lúc này điện áp đặt lên cực gốc của TK2 là rất nhỏ chưa vượt tới ngưỡng của TK2 nên TK2 sẽ khoá R2 mất điện ( R2 )đây là trạng thái thứ hai của mạch Khi tụ C1 phóng điện tới ngưỡng khoá của T1 thì T1 sẽ tắt T2 sẽ thông . Lúc này trên hai cực phát góp của T2 không có xung
77. hay thế đặt vào cực gốc của TK1 xấp xỉ 0 nên TK1 khoá R1 mất điện ( R 1 ).Lúc này không có xung đưa vào cực gốc của T3 nên T3sẽ khoá và T4 thông . ở trên hai cực góp phát của T4 không có xung nên Trigơ vẫn giữ nguyên trạng thái T5 thông và T6 khoá TK2 khoá và R2 mất điện ( R 2 )đây chính là trạng thái thứ 3 của mạch. Khi C2 phóng tới ngưỡng khoá của T2 thì T2 sẽ khoá và T1 sẽ thông lúc này trên hai cực phát góp của T2 sẽ có một xung dương . Xung này tới kích thích vào cực gốc của TK làm cho TK thông R1 có điện. Đồng thời xung dương nay qua tụ vi phân C3 Tới kích thích vào cực gốc của T3 làm cho T3 mở . Trên hai cực gốc phát của T4 sẽ xuất hiện xung dương , xung này sẽ qua tụ C5 và Đ5 tới kích vào cực gốc của T5 làm T 5 tắt và T6 thông Trigơ lật trạng thái lúc này thế đặt vào cực gốc của TK2 là thế dương và lớn hơn điện áp ngưỡng của TK2 nên TK2 thông R2 có đện ( R 2 )và đây chính là trạng thái thứ tư của mạch. Như vậy mạch sẽ hoạt động tuần tự theo 4 bước trên: Bước 1 : R1 ; R 2 tụ C1 nạp giá trí đầu y1 Bước 2 : R 1 ; R 2 động cơ chạy thử theo chiều nào đó Bước 3 : R1 ; R 2 tụ C2 nạp giá trí đầu y2 Bước 4 : R 1 ; R 2 Bộ so sánh làm việc so sánh 2 giá trị y1 và y2 . Nếu y2 y1 thì PTĐ không tác động chuyển bị cho ĐCH đảo chiều quay. Ở bứơc thứ tư: Khi y2 y1 T7 thông hơn T8 thế cực góp của T7 sẽ âm hơn thế trên cực góp của T8 T11 thông nhiều hơn T10 thế đặt vào cực gốc của T12 sẽ âm T12 sẽ khoá .Thế đặt vào cực gốc của T13 dương T13 thông điện áp ra của khâu khuếch đại thuật toán là dương T22 thông điện
78. áp ra của mạch tạo vùng không nhạy là âm T23 sẽ tắt và T24 sẽ thông không có xung đưa vào Trigơ nên Trigơ vẫn giữ nguyên trạng thái. Giả sử trong trạng thái đầu là T26 thông T25 tắt , TK3 có điện và R3 có điện. Khi y2 < y1 T8 thông hơn T7 thế trên cực góp của T7 sẽ âm hơn thế trên cực góp của T8 T10 thông hơn T11 thế đặt vào cực gốc T12 dương T12 thông thế trên cực góp T12 sẽ âm bớt đi T14 sẽ thông và điện áp của khâu KĐTTlà âm . Điện áp đầu ra này được đưa vào đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán tạo vùng không nhạy cụ thể là đưa vào cực gốc của T16 làm cho T16 khoá và T15 thông T19 thông T18 khoá T20 khoá T22 khoá và T21 thông làm điện áp ra của mạch tạo vùng nhạy là dương đưa tới cực gốc của T23 xuất hiện một xung dương qua tụ vi phân C16 và điốt Đ14 tới kích vào cực gốc của T26 làm T26 khoá lại và T25thông Trigơ lật trạng thái và TK3 sẽ khoá lại R3 mất điện và động có đảo chiều quay.
79. phần VII
80. THIẾT KẾ HỆ THỐNG HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ Đối tượng cần hiển thị số đó là nhiệt độ của lò nung. Với nhiệt độ lò nung mới ở hàng nghìn nên ta chỉ thiết kế hệ thống hiển thị đến hàng nghìn. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống như sau: 5v D3 T2 T IG 1Y 3 7 T0 1B 1Y2 6 1Y1 5 T3 D2 D1 D0 1A 1Yn 4 2Y3 2G 2Y2 2B 1Y 1 2A 2Y n 74139 R1 R7 a b c d e f g SN 74247 A0 A1 MP8080 ADC 0804 0 = 0  5(v) SENSOR o to = 0  2000 C
81. 1- Bộ biến đổi tượng tự ADC: Ta chọn bộ bién đổi tương tự ADC là vi mạch ADC 0804 của hãng NSC là một bộ biến đổi A/D tác động nhanh và giá không cao. Các thông số kỹ thuật như sau: + Bus dữ liệu 8 bít. + Có nối vào analog vi phân. + Tất cả tín hiệu tương thích TT1. + Bộ phát xung nhịp cùng nằm trên chíp. + Dải tín hiệu analog nối vào 0 . . . 5v khi điện áp nguồn nuôi là 5v. + Không cần hiệu chỉnh điểm 0. + Dòng tiêu thụ cỡ 1,9 mA. Mạch điện điển hình dùng vi mạch ADC 0804 để tạo ra A/D 8 bit. + 5v 6 330 VIN + 20 0 5v 10 F 7 VIN - 8 + 19 D0 10K . 10K 4 CLKIN . + D LM358 vroy2 7 - 9 5 /INTR 1 ICS /WR REP252 1 F IP0 2 START 2- Senser:
82. Vì bộ ADC có đầu vào 0  5v nên ta có thể chọn Senser là một cặp nhiệt và bộ khuếch đại. Ta chọn cặp nhiệt loại: Vonfram (5% Rcni) Vonfram (20% Reni). Ký hiệu BP5/20 có sức điện động nhiệt với 100oC tương ứng với 1,33mV. Vậy với 2000 oC điện áp đầu ra là 26,6mV. Để nâng điện áp từ 0  2,66mV lên 0  5V thì ta phải dùng bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại là K = 188. Có thể dùng bộ khuếch đại thuật toán A741, bộ này có triết áp để có thể điều chỉnh hệ số khuếch đại. 3- Vi xử lý: Ta chọn P8080 của hãng INTEL có nhiệm vụ sử lý dữ liệu được đưa vào từ đầu ra ADC, ở đầu ra của P8080 gửi 2 địa chỉ dữ liệu đến bộ giải mã và bộ giải mã 7 thanh. Sơ đồ bố trí chân của P8080 như sau: 4- Thiết bị giải mã TTL: Ta chọn bộ giải mã phân kênh TTL loại 74139. Bảng sự thật 1 IG 1Y 7 3 G B A Y Y Y Y o 1 2 3 3 1B 1Y2 6 II X X II II II II 1Y1 5 2 1A L L L L II II II 1Y0 4 2Y3 9 L L II II L II II 15 2G 2Y 10 L II L II II L II 2 13 2B 1Y 11 L II II II II II L 1 14 2Y0 12 2A Tín hiệucho phép G là tích cực âm cũng như đầu ra từ Yo . . . Y3. Điều này có nghĩa một 74139 bị cấm (tức đầu vào G ở mức cao) thì một
83. trong các đầu ra sẽ ở mức thấp (nghĩa là khẳng định với logic âm). Còn các đầu ra khác ở mức cao. A10 1 40 A 11 GIID 2 39 A14 D 7 3 38 A13 D6 4 37 A12 D 5 5 36 A15 D 4 6 35 A9 D 3 7 34 A8 D2 8 33 A7 D1 9 32 A6 D INTEL 0 10 31 A5 8080 -5V 11 30 A4 Reset 12 29 A3 TCOLD 13 28 12V INT 14 27 A2 2 15 26 A1 INTE 16 25 Ao DSIN 17 24 WAIT WR 18 23 READY SYNC 19 22 1 -5V 20 21 IILDA
84. Hình 7.1- Sơ đồ bố trí chân của P8080 5- Bộ giải mã 7 thanh và led: cc 5V a R a 1 a p b g e c g b R7 d Đầu vào bộ giải mã 7 thanh được lấy từ đầu ra vi xử lý. Bộ giải mã 7 thanh được chế tạo dưới dạng vi mạch. Kiểu SN 74247, có các đầu ra hở cực góp. Nó được dùng để điều khiển một bộ chỉ thị Led có chung anôt 5V. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG BẰNG NGÔN NGỮ MATLAB Phần trước ta đã khảo sát chất lượng của hệ thống bằng phương pháp đồ thị giải tích, để xây dựng đặc tính động của hệ thống, ta dùng ngôn ngữ MatLaB. Để xây dựng đặc tính động trước hết ta xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ thống sau đó chuyển sang moo phỏng bằng ngôn ngữ MatLab như các hình vẽ sau. Khi đã xác định được sơ đồ mô phỏng MatLab vào các thông số và được kết quả như hình vẽ. Bằng cách thay đổi các thông số ta sẽ vẽ được
85. các đường đặc tính khác nhau. Từ các đường đặc tính đó ta chọn được một đường tối ưu nhất. MÔ PHỎNG MATLAB K  W W ĐC Lò Sơ đồ cấu trúc của hệ thống tự động điều chỉnh chế độ điện lò gia nhiệt SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG MATLAB
86. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại - Nguyễn Thương Ngô 2- Kỹ thuật điện tử - PGS.PTS Đỗ Xuân Thụ 3- Kỹ thuật điện tử số - Đặng văn Chuyết. 4- Kỹ thuật đo lương - Phạm Thượng Hàn. 5- Lý thuyết điều khiển tự động - Bài giảng. 6- Đo lường điều kiển bằng máy tính