tự động hóa quá trình nhiệt
Lý thuyết điều chỉnh tự động là môn khoa học nghiên cứu những nguyên tắc thành lập hệ tự động về những quy luật của các quá trình xảy ra trong hệ thống. Nhiệm vụ chính của ngành khoa học này là xây dựng những hệ tự động tối ưu và gần tối ưu ...
Lý thuyết điều chỉnh tự động là môn khoa học nghiên cứu những nguyên tắc thành lập hệ tự động về những quy luật của các quá trình xảy ra trong hệ thống. Nhiệm vụ chính của ngành khoa học này là xây dựng những hệ tự động tối ưu và gần tối ưu bằng những biệt pháp kỹ thuật, đồng thời nghiên cứu các vấn đề thuộc về tĩnh học và động học của hệ thống đó. Những phương pháp hiện đại của lý thuyết điều chỉnh tự động giúp chúng ta chọn được cấu trúc hợp lý của hệ thống, xác định trị số tối ưu của thông số, đánh giá tính ổn định và những chỉ tiêu chất lượng của quá trình điều chỉnh.
Tiền thân của môn khoa học kỹ thuật điều chỉnh tự động ngày nay là kỹ thuật và lý thuyết điều chỉnh máy hơi nước bắt đầu vào thời kỳ Cách mạng công nghiệp của Chủ nghĩa Tư Bản.
Năm 1765 xuất hiện một cơ cấu điều chỉnh công nghiệp đầu tiên đó là bộ điều chỉnh tự động mức nước trong nồi hơi của Nhà cơ học Nga U - U - (((((((( (Pôlzunốp ). Hệ thống điều chỉnh mức nước này được thể hiện sơ lược trên hình vẽ sau:
Hình 1.1. Bộ điều chỉnh mức nước trong nồi hơi
Gần 20 năm sau, năm 1784 Jame Watt nhà cơ học người Anh đã nhận bằng sáng chế về bộ điều tốc máy hơi nước kiểu con quay ly tâm. Về nguyên lý điều chỉnh thì bộ điều tốc của Jame Watt không khác so với bộ điều chỉnh mức nước của Polzunốp, nhưng khác hoàn toàn về cấu tạo và mục đích ứng dụng.
Hình 1.2 Bộ điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin
Nguyên lý hoạt động:
Chuyển động quay của trục máy hơi nước được chuyển một cách tỷ lệ thành chuyển động của con quay ly tâm. Hai quả trọng khi chuyển động quay quanh trục đứng tạo ra lực ly tâm và nhờ hệ thống thanh truyền lực, kéo theo sự chuyển dịch của con trượt M lên phía trên cho đến khi cân bằng với lực lò xo L . Như thế độ dịch chuyển của con trượt M liên hệ chặt chẽ với tốc độ quay y của máy hơi nước, cánh tay đòn l1, l2 làm chuyển dịch trục van điều chỉnh theo hướng chống lại chiều thay đổi tốc độ quay của máy hơi nước. Như vậy tốc độ quay của máy hơi nước được giữ ở một giá trị cân bằng nào đó phụ thuộc vị trí cơ cấu định trị Z.
Các bộ điều chỉnh của Pôlzunốp và của Jame Watt đều tạo ra sự chuyển động van điều chỉnh chỉ nhờ vào năng lượng trực tiếp của cơ cấu đo nên có tên gọi là các bộ điều chỉnh trực tiếp.
Theo yêu cầu phát triển công suất của thiết bị, các bộ phận của van điều chỉnh có kích thước và trọng lượng ngày càng tăng. Do vậy lực cản đối với các bộ phận chuyển động cũng tăng theo tới mức các bộ điều chỉnh trực tiếp không đủ công suất để hoạt động. Mặt khác chúng không có khả năng duy trì chính xác giá trị đại lượng điều chỉnh khi thay đổi phụ tải (thay đổi công suất). Hiện tượng đó gọi là độ không đồng đều của qúa trình điều chỉnh hay điều chỉnh có độ sai lệch dư (có sai số tĩnh học). Thực vậy khi đối tượng mang phụ tải mới, cánh mở của cơ quan điều chỉnh phải có vị trí mới tương ứng (phụ tải càng lớn, cần lưu lượng hơi, nước càng lớn. Muốn vậy cửa thoát của van điều chỉnh phải mở càng rộng). Để giảm độ không đồng đều người ta đã cố gắng tăng tỷ số của cánh tay đòn l1/l2. Song tăng tỷ số đó đến một giá trị nào đó thì gặp hiện tượng lạ đối với kỳ thời sản xuất máy hơi nước cuối thế kỷ 18.
Đó là hịện tượng mất ổn định hệ thống điều chỉnh tự động, khi đạûi lượüng đều chỉnh dao động tới biên độ tăng không ngừng.
Hình 1.3 Hệ thống điều chỉnh mất ổn định
Mọi biện pháp đấu tranh với hiện tượng mất ổn định của hệ thống điều chỉnh bằng cách giảm ma sát của các khớp nối hoặc cải tiến cơ khí khác đều không đem lại kết quả. Vì vậy đã xảy ra thời kỳ đình trệ sự phát triển của máy hơi nước. Sự kiện khủng khiếp trên đã gây ảnh hưởng lớn tới mức lôi cuốn sự chú ý của các nhà bác học lớn thế kỷ 19. Công trình giải quyết vấn đề ổn định được J-C Maxwell với tiêu đề “ về các bộ điều chỉnh “ công bố năm 1868 đã là tiên đề cho các tiêu chuẩn ổn định sau này ra đời. Nhưng do một số giả thiết đơn giản hóa vấn đề và kết luận xa thực tế lúc bấy giờ nên ý nghĩa của công trình không được các chuyên gia đương thời nhìn thấy.
Cho đếïn cuối thế kỷ 19 mới có giải pháp hữu hiệu cho bài toán về chế độ điều chỉnh ổn định không có sai lệch dư trong các máy hơi nước công suất lớn. Theo giải pháp đó trong thành phần của bộ điều chỉnh có thêm cơ cấu khếch đại lực (trợ động cơ) để làm chuyển dịch van điều chỉnh và cơ cấu phản hồi phụ để thay đổi điều chỉnh động học của bộ điều chỉnh.
Lý thuyết điều khiển và điều chỉnh tự động từ trước cho đến năm 30 của thế kỷ 20 phát triển chủ yếu trên cơ sở giải quyết các vấn đề do thực tế tự động hóa máy hơi nước đặt ra. Mà trung tâm của lý thuyết là vấn đề ổn định của hệ thống điều chỉnh.
Bắt đầu những năm 30 của thế kỷ 20 lý thuyết điều chỉnh tự động được trang bị các dụng cụ của phương pháp tần số rất phổ biến cho đến ngày nay như năm 1932 có t/c H.Niquits và 1938 có t/c của A.V.Mikhailov ..
Thực tế trong quá trình vận hành, các hệ thống điều khiển luôn luôn chịu sự ảnh hưởng của các tác động ngẫu nhiên. Từ những năm 40 - 60 của thế kỷ 20 bắt đầu và phát triển lý thuyết điều khiển trong điều kiện ngẫu nhiên.
Thời kỳ phát triển hiện đại ngày nay của lý thuyết điều khiển tự động và điều khiển quá trình nhiệt nói riêng dựa trên cơ sở ứng dụng máy tính và kỹ thuật vi xử lý .
Cũng như mọi ngành khoa họa khác, điều khiển học có những khái niệm và thuật ngữ riêng. Để xác định các khái niệm ta thống nhất các định nghĩa trong các thuật ngữ về điều khiến học như sau:
+ Nhiễu động:
Là các nhân tố ảnh hưởng xuất hiện từ môi trường xung quanh làm thay đổi đại lượng điều khiển một cách không mong muốn và là những tác động làm quá trình sản xuất không ổn định. Có hai loại nhiễu động:
- Nhiễu động trong: là nhiễu động gây ra phía đầu vào.
- Nhiễu động ngoài: là những nhiễu động gây ra từ phía phụ tải hay đầu ra của thiết bị.
+ Tác động điều chỉnh:
Là tác động khống chế từ bên ngoài để thay đổi đại lượng điều chỉnh theo hướng phù hợp với mục đích điều khiểøn, đưa quá trình sản xuất về trạng thái ổn định những tác động đó có thể do con người hay máy móc thực hiện trường hợp mà máy móc hoạt động hoàn toàn không có tác dụng của con người tham gia gọi là điều chỉnh tự động.
+ Đối tượng điều chỉnh:
Là nhóm thiết bị diễn ra quá trình cần điều chỉnh trong đó và chúng hoạt động tạo nên bản chất công nghệ của quá trình sản xuất.
+ Bộ điều chỉnh:
Là nhóm thiết bị tác động vào đối tượng điều chỉnh bằöng những tác động lệnh theo quy luật toán học nhất định nhằm duy trì chế độ làm việc định trước của hệ thống.
+ Cơ quan điều chỉnh:
Là những bộ phận để thực hiện truyền tác động từ bộ điều chỉnh đến đối tượng điều chỉnh.
+ Thông số (đại lượng) điều chỉnh:
Là những thông sốï của đối tượng cần phải giữ ở phạm vi cho phép hay đó cũng là thông số công nghệ xác định trạng thái của đối tượng kỹ thuật. Giá trị của thông số điều chỉnh mà ta cần phải giữ trong 1 giới hạn cho trước gọi là triû số qui định hay định trị.
Tập hợp đối tượng điều chỉnh và bộ điều chỉnh quan hệ với nhau theo một thuật toán nhất định gọi là hệ thống tự động điều chỉnh hay gọi tắt là hệ điều chỉnh.
Hình 1.4 Ví dụ về các bộ điều chỉnh
Hình ảnh của một hệ thống điều chỉnh tự động có thể biểu diễn dưới dạng sơ đồ chức năng thể hiện sự tương tác (biểu diễn bằng mũi tên) giữa các phần tử hay nhóm thiết bị (biểu diễn bằng khối chữ nhật). Trong hệ thống dưới sự ảnh hưởng của các nhiễu loạn từ môi trường xung quanh mức độ chi tiết của sơ đồ và các phần tử có thể khác nhau tùy theo từng trường hợp cụ thể. Nhưng nhìn một cách tổng thể mọi hệ thống tự động đều được biểu diễn dạng sơ đồ chức năng gồm 2 phần tử cơ bản là đối tượng điều chỉnh và bộ điều chỉnh liên hệ với nhau bằng các đường thông tin có định hướng.
Hệ thống mà là đối tượng điều chỉnh và bộ điều chỉnh lập thành vòng kín có liên hệ ngược gọi là Hệ thống tự động khép kín.
Hệ thống mà mất 1 trong các liên hệ trên gọi là Hệ thống tự động hở.
Trong thực tế nghiên cứu và thiết kế hệ kín có độ phức tạp gấp bội so với hệ hở. Đối với hệ thống kín nổi bật lên vấn đề chính là tính ổn định của hệ thống và chất lượng điều chỉnh.
Nguyên tắc giữ ổn định
Nguyên tắc giữ ổn định được thực hiện theo 3 nguyên tắc cơ bản sau:
a- Nguyên tắc bù tác động bên ngoài: (nguyên tắc điều chỉnh theo nhiễu động)
Sơ đồ cấu trúc:
Đối với hệ thống ta cần tìm quan hệ xác định sao cho Y = Yo = const
Đây là hệ thống hở nên có các nhược điểm như không có liên hệ nghịch nên có khi làm hệ thống mất khả năng làm việc, và các nhiễu khó đo được chính xác. Do đó hệ thống này ít được sử dụng.
b- Nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch:
Sơ đồ cấu trúc:
Ở hệ thống này tính hiệu ra Y (lượng được điều chỉnh) được phản hồi lại đầu vào và so sánh với tính hiệu vào tạo nên độ sai lệch.
Δy = Y - Yo
Sai lệch sẽ tác động vào thiết bị điều chỉnh. Quá trình điều chỉnh sẽ kết thúc khi sai lệch bị triệt tiêu, lúc đó ta có tín hiệu ra Y - Yo.
c- Nguyên tắc điều chỉnh hỗn hợp:
Loại này tác động của hệ thống nhanh, độ tin cậy cao, nhưng giá thành lại cao.
Nguyên tắc điều chỉnh theo chương trình
Nguyên tắc điều chỉnh theo chương trình thường áp dụng do hệ thống hở và hệ thống kín. Nguyên tắc này dựa vào yêu cầu của tín hiệu ra y biến đổi theo thời gian với một chương trình nào đó, chẳng hạn như y = y(t). Dựa vào mô tả toán học của đối tượng điều khiển ta có thể xác định tín hiệu điều khiển.
Để đảm bảo bảo độ chính xác cao trong quá trình điều chỉnh theo chương trình người ta dùng hệ thống kín thực hiện theo 3 nguyên tắc:
- Điều chỉnh theo sai lệch
- Điều chỉnh theo nhiễu động
- Âiãöu chènh theo phæång phaïp häùn håüp
Nguyên tắc điều chỉnh tự thích nghi (tự chỉnh định)
Khi cần điều chỉnh những đối tượng phức tạp hoặc nhiều đối tượng đồng thời mà phải đảm bảo cho một tín hiệu có giá trị cực trị hoặc một chỉ tiêu tối ưu nào đó, thì ta phải dùng nguyên tắc thích nghi.
Sơ đồ cấu trúc:
Nguyên tắc điều chỉnh tối ưu (điều chỉnh cực trị)
Yo = y ( t) Var là hàm chưa biết
Sơ đồ cấu trúc:
Hình 1.10 Thiết bị tính toán sản ra những tín hiệu là để điều chỉnh.
Theo định trị (Yo)
Nếu dựa vào định trị Yo thì ta có thể phân ra 3 loại:
- Hệ thống giữ ổn định Yo = const
- Điều chỉnh chương trình Yo = y ( t ) biết trước
- Hệ thống tùy động Yo = y ( t ) = Var không biết trước
Theo dạng tín hiệu
Ta có:
- Hệ thống liên tục: Là hệ thống mà tất cả các tín hiệu truyền từ vị trí này đến vị trí khác trong hệ thống 1 cách liên tục (hàm liên tục).
- Hệ thống gián đoạn: Là hệ thống mà trong đó có ít nhất 1 tín hiệu biểu diễn bằng hàm gián đoạn theo thời gian.
Theo dạng phương trình vi phân mô tả hệ thống
- Hệ thống tuyến tính: Là hệ thống mà đặc tính tĩnh của tất cả các phân tử là tuyến tính. Phương trình trạng thái mô tả cho hệ thống tuyến tính là các phương trình tuyến tính. Đặc điểm cơ bản của hệ thống này thực hiện được nguyên lý xếp chồng. Tức là nếu hệ thống có nhiều tác động đồng thời, thì phản ứng đầu ra của nó là tổng tất cả phản ứng do từng tác động riêng lẻ vào hệ thống.
- Hệ thống phi tuyến: là hệ thống mà trong đó có 1 đặc tính của một phân tử là hàm phi tuyến. Phương trình trạng thái mô tả cho hệ thống này là phương trình phi tuyến. Đặc điểm của hệ thống phi tuyến là 2 thực hiện được nguyên lý xếp chồng.
- Hệ thống tuyến tính hóa: là hệ thống phi tuyến được tuyến tính hóa. Tuyến tính hóa các đặc tính phi tuyến có nhiều phương pháp.
Theo dạng thay đổi đặc tính của hệ thống
- Hệ thống tự thích nghi: Thích nghi với cả trường hợp điều kiện thay đổi.
- Hệ thống không tự thích nghi: Không tự chỉ định được.
Theo dạng năng lượng tiêu thụ
- Hệ thống điện
- Hệ thống khí nén
- Hệ thống thủy lực
- Hệ thống tổng hợp
Theo thông số điều chỉnh
- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ
- Hệ thống điều chỉnh áp suất
- Hệ thống điều chỉnh lưu lượng . . .
Lý thuyết điều chỉnh tự động nhằm giải quyết 2 nhiệm vụ chính:
Phân tích hệ thống
Nhiệm vụ này nhằm xác định đặc tính của tín hiệu ra của hệ thống, sau đó đem so sánh với những chỉ tiêu yêu cầu để đánh giá chất lượng, điều khiển của hệ thống đó.
Muốn phân tích hệ thống điều khiển tự động người ta dùng phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp để giải quyết 2 vấn đề cơ bản: vấn đề về tính ổn định của hệ thống và vấn đề chất lượng của quá trình điều khiển: quá trình xác lập trạng thái tĩnh và trạng thái động (quá trình quá độ).
Để giải quyết những vấn đề trên người ta thường dùng phương pháp mô hình toán học, tức là các phần tử của hệ thống điều khiển đều được đặc trưng bằng một mô hình toán và tổng hợp mô hình toán của các phần tử sẽ cho mô hình toán của toàn bộ hệ thống.
Xác định đặc tính ổn định của hệ thống thông qua mô hình toán của hệ thống với việc sử dụng lý thuyết ổn định trong toán học. Các bước để giải quyết bài toán ổn định là:
- Lập mô hình toán của từng phần tử trong hệ thống (phương trình vi phân hoặc hàm truyền đạt).
- Tìm phương pháp liên kết các mô hình toán lại với nhau thành mô hình toán của cả hệ thống.
- Xét ổn định của hệ thống dựa vào lý thuyết ổn định.
Tuy nhiên việc lập mô hình toán của các phần và của hệ thống trong thực tế rất khó khăn, nên ta dùng phương pháp xét ổn định theo đặc tính thực nghiệm (đặc tính tần số hoặc đặc tính thời gian).
Giải quyết nhiệm vụ phân tích chất lượng quá trình điều khiển cũng có 2 phương pháp: trực tiếp hoặc gián tiếp, thông qua mô hình toán hoặc đặc tính động học thực nghiệm. Giải quyết vấn đề này thường là giải hệ phương trình vi phân, ví tích phân v.v... Ngoài ra trong lý thuyết điều khiển tự động, khi phân tích quá trình quá độ người ta còn dùng máy tính tương tự và máy tính số.
Tổng hợp hệ thống
Tổng hợp hệ thống là vấn đề xác định thông số và cấu trúc của thiết bị điều khiển. Giải bài toán này thực tế là thiết kế hệ thống điều khiển tự động. Trong quá trình tổng hợp thường kèm theo bài toán phân tích. Đối với các hệ thống điều khiển tối ưu và tự thích nghi, nhiệm vụ tổng hợp thiết bị điều khiển giữ vai trò rất quan trọng. Trong các hệ thống đó, muốn tổng hợp được hệ thống, ta phải xác định algorit điều khiển, tức là phải xác định luật điều khiển U(t). Hệ thống điều khiển có yêu cầu chất lượng cao thì việc tổng hợp càng trở nên phức tạp. Trong nhiều trường hợp ta cần đơn giản hóa một số yêu cầu và tìm phương pháp tổng hợp thích hợp để thực hiện.
Để thiết kế một hệ thống điều khiển tự động, ta cần tiến hành các bước sau đây:
- Xuất phát từ mục tiêu điều khiển, yêu cầu về chất lượng điều khiển và đặc điểm đối tượng được điều khiển ta xác định mô hình đối tượng điều khiển.
- Từ mô hình, mục tiêu điều khiển, yêu cầu về chất lượng điều khiển, các nguyên lý điều khiển chung đã biết, khả năng các thiết bị điều khiển có thể sử dụng được hoặc chế tạo được, ta chọn một nguyên tắc điều khiển cụ thể. Từ đó lựa chọn các thiết bị cụ thể để thực hiện nguyên tắc điều khiển đã đề ra.
- Trên cơ sở nguyên lý điều khiển và thiết bị được chọn, kiểm tra về lý thuyết hiệu quả điều khiển trên các mặt: khả năng đáp ứng mục tiêu, chất lượng, giá thành, điều kiện sử dụng, hậu quả v.v .. Từ đó hiệu chỉnh phương án chọn thiết bị, chọn nguyên tắc điều khiển hoặc hoàn thiện lại mô hình.
- Nếu phương án đã chọn đạt yêu cầu, ta chuyển sang bước chế tạo, lắp ráp thiết bị từng phần. Sau đó tiến hành kiểm tra, thí nghiệm thiết bị từng phần và hiệu chỉnh các sai sót.
- Chế tạo, lắp ráp thiết bị toàn bộ. Sau đó kiểm tra, thí nghiệm thiết bị toàn bộ. Hiệu chỉnh và nghiệm thu toàn bộ hệ thống điều khiển.
