Giáo trình Tự động hóa quá trình nhiệt - Hoàng Dương Hùng
TÆ ÂÄNG HOA
QUA TRÇNH NHIÃT
PHÁN I : LY THUYÃT ÂIÃU CHÈNH TÆ ÂÄNG
PHÁN II : MÄT SÄ HÃ THÄNG ÂIÃU CHÈNH TÆ ÂÄNG ÂÄI
TÆÅNG NHIÃT TRONG NHA MAY NHIÃT ÂIÃN
PHÁN III : CAC THIÃT BË ÂIÃU CHÈNH TÆ ÂÄNG
2
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
PHÁN I
LY THUYÃT ÂIÃU CHÈNH TÆ ÂÄNG
CHÆÅNG 1: MÄT SÄ ÂËNH NGHÉA VA KHAI NIÃM CÅ BAN
CHÆÅNG 2: TÊNH CHÁT CUA ÂÄI TÆÅNG ÂIÃU CHÈNH VA
XÁY DÆNG PHÆÅNG TRÇNH ÂÄNG HOC CUA NO
CHÆÅNG 3: TÊNH CHÁT CUA CAC BÄ ÂIÃU CHÈNH VA CACH
XÁY DÆNG PHÆÅNG TRÇNH ÂÄNG HOC CUA CHUNG
CHÆÅNG 4: CAC KHÁU TIÃU BIÃU CUA HÃ THÄNG ÂIÃU
CHÈNH TÆ ÂÄNG VA CAC ÂÀC TÊNH ÂÄNG CUA CHUNG
CHÆÅNG 5: CAC ÂÀC TÊNH ÂÄNG CUA HÃ THÄNG TÆ ÂÄNG
CHÆÅNG 6: TÊNH ÄN ÂËNH CUA HÃ THÄNG TÆ ÂÄNG
CHÆÅNG 7: TÊNH TOAN HÃ THÄNG TÆ ÂÄNG
6
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
CHÆÅNG 1:
MÄT SÄ ÂËNH NGHÉA VA KHAI NIÃM CÅ BAN
1.1. Så læåc vã qua trçnh phat triãn cua Ly thuyãt âiãu chènh tæ âäng (LTÂCTÂ) va mät
sä thuát ngæ cua LTÂCTÂ
Ly thuyãt âiãu chènh tæ âäng la män khoa hoc nghiãn cæu nhæng nguyãn
tàc thanh láp hã tæ âäng vã nhæng quy luát cua cac qua trçnh xay ra trong hã
thäng. Nhiãm vu chênh cua nganh khoa hoc nay la xáy dæng nhæng hã tæ âäng
täi æu va gán täi æu bàng nhæng biãt phap ky thuát, âäng thåi nghiãn cæu cac
ván âã thuäc vã ténh hoc va âäng hoc cua hã thäng âo. Nhæng phæång phap
hiãn âai cua ly thuyãt âiãu chènh tæ âäng giup chung ta chon âæåc cáu truc
håp ly cua hã thäng, xac âënh trë sä täi æu cua thäng sä, âanh gia tênh än âënh
va nhæng chè tiãu chát læång cua qua trçnh âiãu chènh.
Tiãn thán cua män khoa hoc ky thuát âiãu chènh tæ âäng ngay nay la ky
thuát va ly thuyãt âiãu chènh may håi næåc bàt âáu vao thåi ky Cach mang
cäng nghiãp cua Chu nghéa Tæ Ban.
Nàm 1765 xuát hiãn mät cå cáu âiãu chènh cäng nghiãp âáu tiãn âo la bä
âiãu chènh tæ âäng mæc næåc trong näi håi cua Nha cå hoc Nga U - U -
ΠΟΛΖΥΗΟΒ (Pälzunäp ). Hã thäng âiãu chènh mæc næåc nay âæåc thã hiãn
så læåc trãn hçnh ve sau:
Næåc cáp
Håi næåc
y
µ
Q
Hçnh 1.1. Bä âiãu chènh mæc næåc trong näi håi
Gán 20 nàm sau, nàm 1784 Jame Watt nha cå hoc ngæåi Anh âa nhán
bàng sang chã vã bä âiãu täc may håi næåc kiãu con quay ly tám. Vã nguyãn
ly âiãu chènh thç bä âiãu täc cua Jame Watt khäng khac so våi bä âiãu chènh
7
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
mæc næåc cua Polzunäp, nhæng khac hoan toan vã cáu tao va muc âêch æng
dung.
Z
L
l1
l2
µ
M
Håi næåc
TUÄC BIN
HÅI NÆÅC
y
Hçnh 1.2. Bä âiãu chènh täc âä quay cua Tuäc bin
Nguyãn ly hoat âäng:
Chuyãn âäng quay cua truc may håi næåc âæåc chuyãn mät cach ty lã
thanh chuyãn âäng cua con quay ly tám. Hai qua trong khi chuyãn âäng quay
quanh truc âæng tao ra læc ly tám va nhå hã thäng thanh truyãn læc, keo theo
sæ chuyãn dëch cua con træåt M lãn phêa trãn cho âãn khi cán bàng våi læc lo
xo L . Nhæ thã âä dëch chuyãn cua con træåt M liãn hã chàt che våi täc âä
quay y cua may håi næåc, canh tay âon l1, l2 lam chuyãn dëch truc van âiãu
chènh theo hæång chäng lai chiãu thay âäi täc âä quay cua may håi næåc. Nhæ
váy täc âä quay cua may håi næåc âæåc giæ å mät gia trë cán bàng nao âo phu
thuäc vë trê cå cáu âënh trë Z.
Cac bä âiãu chènh cua Pälzunäp va cua Jame Watt âãu tao ra sæ chuyãn
âäng van âiãu chènh chè nhå vao nàng læång træc tiãp cua cå cáu âo nãn co tãn
goi la cac bä âiãu chènh træc tiãp.
Theo yãu cáu phat triãn cäng suát cua thiãt bë, cac bä phán cua van âiãu
chènh co kêch thæåc va trong læång ngay cang tàng. Do váy læc can âäi våi cac
bä phán chuyãn âäng cung tàng theo tåi mæc cac bä âiãu chènh træc tiãp khäng
âu cäng suát âã hoat âäng. Màt khac chung khäng co kha nàng duy trç chênh
xac gia trë âai læång âiãu chènh khi thay âäi phu tai (thay âäi cäng suát). Hiãn
tæång âo goi la âä khäng âäng âãu cua qua trçnh âiãu chènh hay âiãu chènh co
âä sai lãch dæ (co sai sä ténh hoc). Thæc váy khi âäi tæång mang phu tai måi,
canh må cua cå quan âiãu chènh phai co vë trê måi tæång æng (phu tai cang lån,
cán læu læång håi, næåc cang lån. Muän váy cæa thoat cua van âiãu chènh phai
må cang räng). Âã giam âä khäng âäng âãu ngæåi ta âa cä gàng tàng ty sä cua
8
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
canh tay âon l1/l2. Song tàng ty sä âo âãn mät gia trë nao âo thç gàp hiãn tæång
la âäi våi ky thåi san xuát may håi næåc cuäi thã ky 18.
Âo la hëãn tæång mát än âënh hã thäng âiãu chènh tæ âäng, khi âai
læång âãu chènh dao âäng tåi biãn âä tàng khäng ngæng.
y(t)
0
t
Hçnh 1.3. Hã thäng âiãu chènh mát än âënh
Moi biãn phap âáu tranh våi hiãn tæång mát än âënh cua hã thäng âiãu
chènh bàng cach giam ma sat cua cac khåp näi hoàc cai tiãn cå khê khac âãu
khäng âem lai kãt qua. Vç váy âa xay ra thåi ky âçnh trã sæ phat triãn cua may
håi næåc. Sæ kiãn khung khiãp trãn âa gáy anh hæång lån tåi mæc läi cuän sæ
chu y cua cac nha bac hoc lån thã ky 19. Cäng trçnh giai quyãt ván âã än âënh
âæåc J-C Maxwell våi tiãu âã “ vã cac bä âiãu chènh “ cäng bä nàm 1868 âa la
tiãn âã cho cac tiãu chuán än âënh sau nay ra âåi. Nhæng do mät sä gia thiãt
âån gian hoa ván âã va kãt luán xa thæc tã luc báy giå nãn y nghéa cua cäng
trçnh khäng âæåc cac chuyãn gia âæång thåi nhçn tháy.
Cho âãn cuäi thã ky 19 måi co giai phap hæu hiãu cho bai toan vã chã âä
âiãu chènh än âënh khäng co sai lãch dæ trong cac may håi næåc cäng suát lån.
Theo giai phap âo trong thanh phán cua bä âiãu chènh co thãm cå cáu khãch
âai læc (trå âäng cå) âã lam chuyãn dëch van âiãu chènh va cå cáu phan häi
phu âã thay âäi âiãu chènh âäng hoc cua bä âiãu chènh.
Ly thuyãt âiãu khiãn va âiãu chènh tæ âäng tæ træåc cho âãn nàm 30 cua
thã ky 20 phat triãn chu yãu trãn cå så giai quyãt cac ván âã do thæc tã tæ âäng
hoa may håi næåc âàt ra. Ma trung tám cua ly thuyãt la ván âã än âënh cua hã
thäng âiãu chènh.
Bàt âáu nhæng nàm 30 cua thã ky 20 ly thuyãt âiãu chènh tæ âäng âæåc
trang bë cac dung cu cua phæång phap tán sä rát phä biãn cho âãn ngay nay
nhæ nàm 1932 co t/c H.Niquits va 1938 co t/c cua A.V.Mikhailov ..
9
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
Thæc tã trong qua trçnh ván hanh, cac hã thäng âiãu khiãn luän luän chëu
sæ anh hæång cua cac tac âäng ngáu nhiãn. Tæ nhæng nàm 40 - 60 cua thã ky
20 bàt âáu va phat triãn ly thuyãt âiãu khiãn trong âiãu kiãn ngáu nhiãn.
Thåi ky phat triãn hiãn âai ngay nay cua ly thuyãt âiãu khiãn tæ âäng va
âiãu khiãn qua trçnh nhiãt noi riãng dæa trãn cå så æng dung may tênh va ky
thuát vi xæ ly .
Cung nhæ moi nganh khoa hoa khac, âiãu khiãn hoc co nhæng khai niãm
va thuát ngæ riãng. Âã xac âënh cac khai niãm ta thäng nhát cac âënh nghéa
trong cac thuát ngæ vã âiãu khiãn hoc nhæ sau:
+ Nhiãu âäng:
La cac nhán tä anh hæång xuát hiãn tæ mäi træång xung quanh lam thay âäi
âai læång âiãu khiãn mät cach khäng mong muän va la nhæng tac âäng lam
qua trçnh san xuát khäng än âënh. Co hai loai nhiãu âäng:
ꢀ Nhiãu âäng trong: la nhiãu âäng gáy ra phêa âáu vao.
ꢀ Nhiãu âäng ngoai: la nhæng nhiãu âäng gáy ra tæ phêa phu tai hay âáu ra
cua thiãt bë.
+ Tac âäng âiãu chènh:
La tac âäng khäng chã tæ bãn ngoai âã thay âäi âai læång âiãu chènh theo
hæång phu håp våi muc âêch âiãu khiãn, âæa qua trçnh san xuát vã trang thai
än âënh nhæng tac âäng âo co thã do con ngæåi hay may moc thæc hiãn træång
håp ma may moc hoat âäng hoan toan khäng co tac dung cua con ngæåi tham
gia goi la âiãu chènh tæ âäng.
+ Âäi tæång âiãu chènh:
La nhom thiãt bë diãn ra qua trçnh cán âiãu chènh trong âo va chung hoat âäng
tao nãn ban chát cäng nghã cua qua trçnh san xuát.
+ Bä âiãu chènh:
La nhom thiãt bë tac âäng vao âäi tæång âiãu chènh bàng nhæng tac âäng lãnh
theo quy luát toan hoc nhát âënh nhàm duy trç chã âä lam viãc âënh træåc cua
hã thäng.
+ Cå quan âiãu chènh:
La nhæng bä phán âã thæc hiãn truyãn tac âäng tæ bä âiãu chènh âãn âäi tæång
âiãu chènh.
+ Thäng sä (âai læång) âiãu chènh:
La nhæng thäng sä cua âäi tæång cán phai giæ å pham vi cho phep hay âo
cung la thäng sä cäng nghã xac âënh trang thai cua âäi tæång ky thuát. Gia trë
cua thäng sä âiãu chènh ma ta cán phai giæ trong 1 giåi han cho træåc goi la tri
sä qui âënh hay âënh trë.
Táp håp âäi tæång âiãu chènh va bä âiãu chènh quan hã våi nhau theo mät
thuát toan nhát âënh goi la hã thäng tæ âäng âiãu chènh hay goi tàt la hã âiãu
chènh.
10
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
1
Vê du 1: Våi bä âiãu chènh mæc
næåc trong bã
2
1.Tám chàn: Cå quan âiãu chènh
1 + 2: Bä âiãu chènh
3.Bã næåc: âäi tæång âiãu chènh
Ho : Âënh trë
3
Ho
Vê du 2: Våi bä âiãu chènh täc âä
Tua bin
2
1.Tám chàn Cå quan âiãu chènh
1 + 2 : Hã thäng âiãu chènh
3.TB Cán giæ co ω = const la âäi
tæång âiãu chènh
1
3
TUÄC BIN
HÅI NÆÅC
ω
ο
ωo : Âënh trë
Hçnh 1.4. Vê du vã cac bä âiãu chènh
Hçnh anh cua mät hã thäng âiãu chènh tæ âäng co thã biãu diãn dæåi
dang så âä chæc nàng thã hiãn sæ tæång tac (biãu diãn bàng mui tãn) giæa cac
phán tæ hay nhom thiãt bë (biãu diãn bàng khäi chæ nhát). Trong hã thäng dæåi
sæ anh hæång cua cac nhiãu loan tæ mäi træång xung quanh mæc âä chi tiãt cua
så âä va cac phán tæ co thã khac nhau tuy theo tæng træång håp cu thã. Nhæng
nhçn mät cach täng thã moi hã thäng tæ âäng âãu âæåc biãu diãn dang så âä
chæc nàng gäm 2 phán tæ cå ban la âäi tæång âiãu chènh va bä âiãu chènh liãn
hã våi nhau bàng cac âæång thäng tin co âënh hæång.
Xâc
Y
BÂC
ÂTÂC
Yo
Xâc
Y
BÂC
ÂTÂC
Yo
Mach liãn hã nghëch
Hçnh: 1.5
11
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
Hã thäng ma la âäi tæång âiãu chènh va bä âiãu chènh láp thanh vong kên co
liãn hã ngæåc goi la Hã thäng tæ âäng khep kên.
Hã thäng ma mát 1 trong cac liãn hã trãn goi la Hã thäng tæ âäng hå.
Trong thæc tã nghiãn cæu va thiãt kã hã kên co âä phæc tap gáp bäi so våi hã
hå. Âäi våi hã thäng kên näi bát lãn ván âã chênh la tênh än âënh cua hã thäng
va chát læång âiãu chènh.
1.2. Cac nguyãn tàc âiãu chènh tæ âäng
1.2.1. Nguyãn tàc giæ än âënh
Nguyãn tàc giæ än âënh âæåc thæc hiãn theo 3 nguyãn tàc cå ban sau:
a- Nguyãn tàc bu tac âäng bãn ngoai: (nguyãn tàc âiãu chènh theo nhiãu âäng)
Så âä cáu truc:
f
Xâc
Y
BÂC
Yo
ÂTÂC
Hçnh: 1.6
Âäi våi hã thäng ta cán tçm quan hã xac âënh sao cho Y = Yo = const
Âáy la hã thäng hå nãn co cac nhæåc âiãm nhæ khäng co liãn hã nghëch nãn co
khi lam hã thäng mát kha nàng lam viãc, va cac nhiãu kho âo âæåc chênh xac.
Do âo hã thäng nay êt âæåc sæ dung.
b- Nguyãn tàc âiãu chènh theo âä lãch:
Så âä cáu truc:
Yo
∆Y
Xâc
Y
BÂC
ÂTÂC
Hçnh: 1.7
Å hã thäng nay tênh hiãu ra Y (læång âæåc âiãu chènh) âæåc phan häi lai âáu
vao va so sanh våi tênh hiãu vao tao nãn âä sai lãch.
∆y = Y - Yo
12
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
Sai lãch se tac âäng vao thiãt bë âiãu chènh. Qua trçnh âiãu chènh se kãt thuc
khi sai lãch bë triãt tiãu, luc âo ta co tên hiãu ra Y - Yo.
c- Nguyãn tàc âiãu chènh hän håp:
f
Yo
∆Y
Xâc
Y
BÂC
ÂTÂC
Hçnh: 1.8
Loai nay tac âäng cua hã thäng nhanh, âä tin cáy cao, nhæng gia thanh lai cao.
1.2.2. Nguyãn tàc âiãu chènh theo chæång trçnh
Nguyãn tàc âiãu chènh theo chæång trçnh thæång ap dung do hã thäng hå va hã
thäng kên. Nguyãn tàc nay dæa vao yãu cáu cua tên hiãu ra y biãn âäi theo thåi
gian våi mät chæång trçnh nao âo, chàng han nhæ y = y(t). Dæa vao mä ta toan
hoc cua âäi tæång âiãu khiãn ta co thã xac âënh tên hiãu âiãu khiãn.
Âã âam bao bao âä chênh xac cao trong qua trçnh âiãu chènh theo chæång trçnh
ngæåi ta dung hã thäng kên thæc hiãn theo 3 nguyãn tàc:
ꢀ Âiãu chènh theo sai lãch
ꢀ Âiãu chènh theo nhiãu âäng
ꢀ Âiãu chènh theo phæång phap hän håp
1.2.3. Nguyãn tàc âiãu chènh tæ thêch nghi (tæ chènh âënh)
Khi cán âiãu chènh nhæng âäi tæång phæc tap hoàc nhiãu âäi tæång âäng thåi
ma phai âam bao cho mät tên hiãu co gia trë cæc trë hoàc mät chè tiãu täi æu
nao âo, thç ta phai dung nguyãn tàc thêch nghi.
Så âä cáu truc:
f
TB chènh âënh
Y
BÂC
ÂTÂC
Yo
Xâc
Hçnh: 1.9
13
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
1.2.4. Nguyãn tàc âiãu chènh täi æu (âiãu chènh cæc trë)
Yo = y ( t) Var la ham chæa biãt
Så âä cáu truc:
f
TB tênh toan
Y
BÂC
ÂTÂC
Yo
Xâc
Hçnh: 1.10
Thiãt bë tênh toan san ra nhæng tên hiãu la âã âiãu chènh.
1.3. Phán loai cac hã thäng tæ âäng
1.3.1. Theo âënh trë (Yo)
Nãu dæa vao âënh trë Yo thç ta co thã phán ra 3 loai:
ꢀ Hã thäng giæ än âënh Yo = const
ꢀ Âiãu chènh chæång trçnh Yo = y ( t ) biãt træåc
ꢀ Hã thäng tuy âäng Yo = y ( t ) = Var khäng biãt træåc
1.3.2. Theo dang tên hiãu
Ta co:
ꢀ Hã thäng liãn tuc: La hã thäng ma tát ca cac tên hiãu truyãn tæ vë trê nay
âãn vë trê khac trong hã thäng 1 cach liãn tuc (ham liãn tuc).
ꢀ Hã thäng gian âoan: La hã thäng ma trong âo co êt nhát 1 tên hiãu biãu
diãn bàng ham gian âoan theo thåi gian.
1.3.3. Theo dang phæång trçnh vi phán mä ta hã thäng
ꢀ Hã thäng tuyãn tênh: La hã thäng ma âàc tênh ténh cua tát ca cac phán tæ la
tuyãn tênh. Phæång trçnh trang thai mä ta cho hã thäng tuyãn tênh la cac
phæång trçnh tuyãn tênh. Âàc âiãm cå ban cua hã thäng nay thæc hiãn âæåc
nguyãn ly xãp chäng. Tæc la nãu hã thäng co nhiãu tac âäng âäng thåi, thç
phan æng âáu ra cua no la täng tát ca phan æng do tæng tac âäng riãng le vao
hã thäng.
ꢀ Hã thäng phi tuyãn: la hã thäng ma trong âo co 1 âàc tênh cua mät phán tæ
la ham phi tuyãn. Phæång trçnh trang thai mä ta cho hã thäng nay la phæång
trçnh phi tuyãn. Âàc âiãm cua hã thäng phi tuyãn la 2 thæc hiãn âæåc nguyãn
ly xãp chäng.
14
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
ꢀ Hã thäng tuyãn tênh hoa: la hã thäng phi tuyãn âæåc tuyãn tênh hoa. Tuyãn
tênh hoa cac âàc tênh phi tuyãn co nhiãu phæång phap.
1.3.4. Theo dang thay âäi âàc tênh cua hã thäng
ꢀ Hã thäng tæ thêch nghi: Thêch nghi våi ca træång håp âiãu kiãn thay âäi.
ꢀ Hã thäng khäng tæ thêch nghi: Khäng tæ chè âënh âæåc.
1.3.5. Theo dang nàng læång tiãu thu
ꢀ Hã thäng âiãn
ꢀ Hã thäng khê nen
ꢀ Hã thäng thuy læc
ꢀ Hã thäng täng håp
1.3.6. Theo thäng sä âiãu chènh
ꢀ Hã thäng âiãu chènh nhiãt âä
ꢀ Hã thäng âiãu chènh ap suát
ꢀ Hã thäng âiãu chènh læu læång . . .
1.4. Nhiãm vu cua Ly thuyãt âiãu chènh tæ âäng
Ly thuyãt âiãu chènh tæ âäng nhàm giai quyãt 2 nhiãm vu chênh:
1.4.1. Phán têch hã thäng
Nhiãm vu nay nhàm xac âënh âàc tênh cua tên hiãu ra cua hã thäng, sau âo
âem so sanh våi nhæng chè tiãu yãu cáu âã âanh gia chát læång, âiãu khiãn cua
hã thäng âo.
Muän phán têch hã thäng âiãu khiãn tæ âäng ngæåi ta dung phæång phap
træc tiãp hoàc gian tiãp âã giai quyãt 2 ván âã cå ban: ván âã vã tênh än âënh
cua hã thäng va ván âã chát læång cua qua trçnh âiãu khiãn: qua trçnh xac láp
trang thai ténh va trang thai âäng (qua trçnh qua âä).
Âã giai quyãt nhæng ván âã trãn ngæåi ta thæång dung phæång phap mä
hçnh toan hoc, tæc la cac phán tæ cua hã thäng âiãu khiãn âãu âæåc âàc træng
bàng mät mä hçnh toan va täng håp mä hçnh toan cua cac phán tæ se cho mä
hçnh toan cua toan bä hã thäng.
Xac âënh âàc tênh än âënh cua hã thäng thäng qua mä hçnh toan cua hã
thäng våi viãc sæ dung ly thuyãt än âënh trong toan hoc. Cac bæåc âã giai
quyãt bai toan än âënh la:
ꢀ Láp mä hçnh toan cua tæng phán tæ trong hã thäng (phæång trçnh vi phán
hoàc ham truyãn âat).
ꢀ Tçm phæång phap liãn kãt cac mä hçnh toan lai våi nhau thanh mä hçnh
toan cua ca hã thäng.
ꢀ Xet än âënh cua hã thäng dæa vao ly thuyãt än âënh.
Tuy nhiãn viãc láp mä hçnh toan cua cac phán va cua hã thäng trong thæc tã
rát kho khàn, nãn ta dung phæång phap xet än âënh theo âàc tênh thæc nghiãm
(âàc tênh tán sä hoàc âàc tênh thåi gian).
Giai quyãt nhiãm vu phán têch chát læång qua trçnh âiãu khiãn cung co 2
phæång phap: træc tiãp hoàc gian tiãp, thäng qua mä hçnh toan hoàc âàc tênh
15
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
âäng hoc thæc nghiãm. Giai quyãt ván âã nay thæång la giai hã phæång trçnh vi
phán, vê têch phán v.v... Ngoai ra trong ly thuyãt âiãu khiãn tæ âäng, khi phán
têch qua trçnh qua âä ngæåi ta con dung may tênh tæång tæ va may tênh sä.
1.4.2. Täng håp hã thäng
Täng håp hã thäng la ván âã xac âënh thäng sä va cáu truc cua thiãt bë âiãu
khiãn. Giai bai toan nay thæc tã la thiãt kã hã thäng âiãu khiãn tæ âäng. Trong
qua trçnh täng håp thæång kem theo bai toan phán têch. Âäi våi cac hã thäng
âiãu khiãn täi æu va tæ thêch nghi, nhiãm vu täng håp thiãt bë âiãu khiãn giæ
vai tro rát quan trong. Trong cac hã thäng âo, muän täng håp âæåc hã thäng,
ta phai xac âënh algorit âiãu khiãn, tæc la phai xac âënh luát âiãu khiãn U(t).
Hã thäng âiãu khiãn co yãu cáu chát læång cao thç viãc täng håp cang trå nãn
phæc tap. Trong nhiãu træång håp ta cán âån gian hoa mät sä yãu cáu va tçm
phæång phap täng håp thêch håp âã thæc hiãn.
Âã thiãt kã mät hã thäng âiãu khiãn tæ âäng, ta cán tiãn hanh cac bæåc
sau âáy:
ꢀ Xuát phat tæ muc tiãu âiãu khiãn, yãu cáu vã chát læång âiãu khiãn va âàc
âiãm âäi tæång âæåc âiãu khiãn ta xac âënh mä hçnh âäi tæång âiãu khiãn.
ꢀ Tæ mä hçnh, muc tiãu âiãu khiãn, yãu cáu vã chát læång âiãu khiãn, cac
nguyãn ly âiãu khiãn chung âa biãt, kha nàng cac thiãt bë âiãu khiãn co thã sæ
dung âæåc hoàc chã tao âæåc, ta chon mät nguyãn tàc âiãu khiãn cu thã. Tæ âo
læa chon cac thiãt bë cu thã âã thæc hiãn nguyãn tàc âiãu khiãn âa âã ra.
ꢀ Trãn cå så nguyãn ly âiãu khiãn va thiãt bë âæåc chon, kiãm tra vã ly
thuyãt hiãu qua âiãu khiãn trãn cac màt: kha nàng âap æng muc tiãu, chát
læång, gia thanh, âiãu kiãn sæ dung, háu qua v.v .. Tæ âo hiãu chènh phæång an
chon thiãt bë, chon nguyãn tàc âiãu khiãn hoàc hoan thiãn lai mä hçnh.
ꢀ Nãu phæång an âa chon âat yãu cáu, ta chuyãn sang bæåc chã tao, làp rap
thiãt bë tæng phán. Sau âo tiãn hanh kiãm tra, thê nghiãm thiãt bë tæng phán va
hiãu chènh cac sai sot.
ꢀ Chã tao, làp rap thiãt bë toan bä. Sau âo kiãm tra, thê nghiãm thiãt bë toan
bä. Hiãu chènh va nghiãm thu toan bä hã thäng âiãu khiãn.
16
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
CHÆÅNG 2: TÊNH CHÁT CUA ÂÄI TÆÅNG ÂIÃU CHÈNH VA XÁY DÆNG
PHÆÅNG TRÇNH ÂÄNG HOC CUA CHUNG
2.1. Tênh chát cua âäi tæång co mät dung læång
2.1.1. Phæång trçnh âäng hoc âäi tæång mät dung læång
Xet vê du cua bã næåc (toan bä vát chát táp trung vao 1 dung têch)
l
Qv, Pv
F
dH
Ho
Qr, Pr
Hçnh 2.1: Âäi tæång co 1 dung têch
- l va m la âä må cua la chàn;
- Ho: trë sä quy âënh (âënh trë)
- Xem Pv va Pr trong qua trçnh âiãu chènh la hàng sä.
* Khi âäi tæång å trang thai cán bàng thç: Qvo = Qro va H = Ho = const ; dH=0
⇒
Ta co phæång trçnh ténh cua âäi tæång:
Qvo - Qro = 0 hay dH = 0 hoàc H = Ho = const
(1)
* Trong chã âä âäng thç Qv≠Qr gia sæ Qv >Qr thç trong khoang thåi gian dt
ta co mæc næåc dáng lãn 1 khoang la dH hay thã têch tàng lãn dV = F.dH va
( Qv - Qr ).dt = dV = F.dH
dH
Hay :
Qv - Qr = F.
(2)
dt
Phæång trçnh (2) goi la phæång trçnh âäng cua âäi tæång.
dH
Tæ (1) va (2) ta co: ( Qv - Qvo ) - ( Qr - Qr0 ) = F.
dt
dH
dH
d(∆H)
Hay:
∆Qv - ∆Qr = F.
ma chu y ràng
=
;
dt
∆Qv - ∆Qr = F.
dt
dt
d(∆H)
Nãn ta co:
(3)
dt
Phæång trçnh (3) goi la phæång trçnh âäng cua âäi tæång viãt dæåi dang sä gia.
• Trong thæc tã cac âäi tæång tuy khac âäi tæång xet (bã næåc) nhæng ván
thoa man phæång trçnh (3). Ta xet cac vê du sau:
17
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
Vê du 1: Bçnh chæa khê
Gv
P
1 , γ1
Gr
Hçnh 2.2: Bçnh chæa khê
γ
d γ
d t
d P1
1
o
Ta co :
∆Gv - ∆Gr = V
= V
.
(4)
P1o d t
Vê du 2: Bçnh hàng nhiãt
R
I
q2
θ
q
1
Hçnh 2.3: Bçnh hàng nhiãt
dθ
dt
Ta co : ∆q − ∆q =
C.
(5)
∑
1
2
q1 - la læång nhiãt truyãn cho bä hàng nhiãt
q2 - la læång nhiãt truyãn ra ngoai
∑ C - Täng cac nhiãt dung thanh phán ( dáy näi va buäng )
dp
∆Qv − ∆Qr = C.
Váy täng quat:
dt
P - Thäng sä âiãu chènh
C - Hàng sä âàc træng cho kha nàng tang træ nàng læång vát chát trong âäi
tæång
Trå lai bai toan: Ta xem tám chàn (cå quan âiãu chènh) nhæ la cæa tiãt læu nãn ta co:
Q v = K .m . Pv − H
hay Qv = f (m , H)
v
va Q = K .l . H − Pr
hay Qr = f (l, H)
r
r
Váy ham vao va ra la nhæng ham phi tuyãn ⇒ âäi tæång la âäi tæång phi
tuyãn. Âã giai bai toan nay ta phai tçm cach tuyãn tênh hoa.
18
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
ꢀ Phæång phap tuyãn tênh hoa cac ham phi tuyãn
Gia sæ co ham y = f (x1 , x2)
Ta viãt thanh chuäi taylo våi sä gia cua ham y
2
2
⎡
⎤
∂ f
∂ f
1
∂
∂
f
∂ f
∂ f
∂ x 2
∂
f
2
2
∆ y =
∆ x1
+
.∆ x 2
+
(
∆ x1
)
+ 2
.∆ x1 .
.∆ x 2
+
(
∆ x 2
)
+ ....
⎢
⎣
⎥
⎦
∂ x1
∂ x 2
2!
2 x1
∂ x1
∂ x1
Nãu xem ∆x1 &∆ x2 la rát nho thç têch cua chung co thã bo qua
∂ f
∂ x 1
∂ f
∂ x
∆ y ≈
. ∆ x 1
+
. ∆ x
2
2
Ap dung vao træång håp cua bai toan :
∂ Q
∂ m
∂ Q
∂ Q
∂ H
v
r
v
(6)
∆ Q
=
.∆ m
+
.∆ H
v
∂ Q
r
(7)
∆ Q
=
.∆ l +
.∆ H
r
∂ l
∂ H
Thay gia trë cua (6), (7) vao phæång trçnh (3) ta âæåc :
d ( ∆ H )
∂ Q v
∂ Q v
∂ H
∂ Q
∂ l
∂ Q v
∂ H
r
F .
=
.∆ m
+
.∆ H −
∆ l −
∆ H
dt
∂ m
∂ Q v
∆ m
∂ Q r
∂ l
∂ Q
∂ H
∂ Q v
∂ H
d (∆ H )
⎛
⎞
⎟
r
(8)
⇒ F .
=
.∆ m −
∆ l − ∆ H
−
⎜
⎝
dt
⎠
Ván âã la ta tçm cach âæa phæång trçnh nay vã dang khäng thæ nguyãn bàng
cach lán læåt nhán va chia mäi sä hang cua phæång trçnh (8) cho âai læång
khäng âäi co thæ nguyãn la thæ nguyãn cua biãn sä nàm trong sä hang âo
(thæång cac âai læång âo la gia trë âënh mæc hoàc cæc trë Ho ; Qvmax , Qr max
lmax ; mmax).
;
∆H
d
F .H o
H o
∂Qv m max
∆m Qmax m max
∆l
∂Qr lmax ∆m
∂l Qmax lmax
.
=
.
.
−
.
.
-
Qmax
dt
∆H Ho
.
∂Q
∂H
∂Qv
∂H
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
r
−
.
−
(9)
H o Qmax
ꢀ Dung mät sä qui æåc va âàt tãn cac âai læång:
∆H
= ϕ
•
•
•
- sæ biãn âäi tæång âäi cua thäng sä âiãu chènh
Ho
∆m
mmax
∆l
= µ
= ( 0 ÷1 ) - sæ thay âäi tæång âäi cua cå quan âiãu chènh
= ( 0 ÷1 ) - sæ thay âäi tæång âäi cua phu tai (tac âäng nhiãu)
= λ
lmax
F. Ho
= T
•
o - la thåi gian chay hãt næåc våi læu læång cæc âai ( thåi gian
Qmax
bay lãn cua âäi tæång).
19
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
Q r
v
Q v
r
Q max
Q max
δQr
δQv
δm
δl
α
β
m
l
max
max
Hçnh 2.4:Âä thë quan hã giæa læu læång va âä må cua van
lmax
Qmax
∂Qr
∂l
mmax
Qmax
= Cotgα
= tgα
= Cotgβ
∂Qv
∂m
∂Qv mmax
∂m Qmax
= tgβ
∂Qr lmax
⇒
.
= 1
.
= 1
=>
∂l Qmax
Ho
∂Q
∂Q
⎞
⎛
⎝
r
v ⎟ = A
- la hã sä cán bàng cua âäi tæång
•
.⎜
−
⎠
Qmax ∂H
∂H
d ϕ
d t
T o .
+ A .ϕ = µ − λ
Váy ta co:
(10)
(10) : la phæång trçnh âäng cua âäi tæång co 1 dung læång co tæ cán bàng viãt
dæåi dang khäng thæ nguyãn.
Trong thæc tã ta con gàp dang khac cua phæång trçnh (10) nhæ sau:
To dϕ
A dt
1
.
+ ϕ =
(µ − λ )
A
dϕ
dt
T .
+ ϕ = K (µ − λ )
Hay
(11)
T - hàng sä thåi gian cua âäi tæång. ( To - thåi gian bay lãn cua âäi tæång )
K - hã sä khuãch âai cua âäi tæång.
1
= ε
Ta thay âai læång
- Täc âä bay lãn cua âäi tæång (1/s)
To
dϕ
dt
+ Aε.ϕ = ε (µ − λ )
(12)
ꢀ Xet mät sä hã sä trãn:
1) Hã sä tæ cán bàng cua âäi tæång A:
Ho ∂Q
∂Qv
∂H
⎛
⎞
⎟
⎠
r
A =
⎜
−
a)
> 0
⎝
Qmax ∂H
20
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
Gia sæ trong âäi tæång bã næåc nhæ hçnh trãn, vç mät ly do nao âo ma ma Qv
tàng nãn mæc næåc trong bã tàng lãn thç næåc vao bã kho khàn hån tæc la ban
thán no co kha nàng tæ chäng nhiãu hay tæ cán bàng.
Ngæåc lai khi mæc næåc trong bã tàng næåc chay ra dã dang hån, do âo âä sai
lãch gia. Hay ban thán bã næåc co kha nàng tæ cán bàng ma khäng cán sæ tac
âäng khac. Å âáy la træång håp co tæ cán bàng ca âáu vao va âáu ra.
Q
Q
Qv
Qr
Qv
Qr
∆Q
∆Q
Qro = Qvo
Qro = Qvo
t
t
t
t
H
H
Ho
Ho
Hçnh 2.5: Âäi tæång co tæ cán
bàng âáu vao va âáu ra
Hçnh 2.6: Âäi tæång co chè tæ
cán bàng âáu vao
Trong thæc tã co âäi tæång chè co tæ cán bàng âáu vao hoàc chè co tæ cán bàng
âáu ra.
-Chè âáu vao: Cung nhæ vê du trãn nhæng thay la chàn (l) bàng båm hut luc
nay qua trçnh xay ra nhæ âä thë hçnh 2.6.
-Chè tæ cán bàng âáu ra: Cung nhæ vê du trãn nhæng ta thay voi næåc (m) bàng
voi ngàn khäng cham mæc næåc nay qua trçnh xay ra nhæ âä thë hçnh 2.7.
Q
Q
Qv
Qr
Qv
Qr
∆Q
∆Q
Qro = Qvo
Qro = Qvo
t
t
t
t
H
H
Ho
Ho
Hçnh 2.8: Âäi tæång khäng co
chè tæ cán bàng
Hçnh 2.7: Âäi tæång chè co tæ
cán bàng âáu ra
21
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
Täng håp hai træång håp trãn (dung båm va voi ngàn) luc nay phæång
dϕ
dt
To −
= µ − λ
trçnh âäng co dang:
(12)
b) Co nhæng âäi tæång co tæ cán bàng ám: A < 0
dϕ
dt
To
− A.ϕ = µ − λ
Phæång trçnh co dang:
Vê du: Co lo næåc säi
(13)
Q
p2
t1 = 20 oC
p1
t2 = 100oC
Hçnh 2.9: Näi næåc säi
Khi læu læång håi Q tàng âät ngät ⇒ mæc næåc giam, P2 giam, muän giæ
H= const ⇒ phai cáp thãm næåc lanh å nhiãt âä 20oC vao ⇒ cæång âä bäc
håi giam ⇒ P2 lai cang giam do âo tao ra giang ap ∆P = P2’ - P2 ⇒ lai co mät
læång næåc næa tæ thãm vao ⇒ lam tàng thãm sæ mát cán bàng.
Tom lai nhæng âäi tæång co sæ cán bàng dæång thç thuán låi cho viãc âiãu
chènh con nhæng âäi tæång co tæ cán bàng ám thç ngæåc lai.
2) Hã sä khuãch âai K:
dϕ
dt
K (µ − λ ) = T .
+ ϕ
dϕ
dt
= 0
Trong trang thai än âënh
; nãu phu tai khäng âäi λ = 0
ϕ∞
µ∞
ϕ = K .µ ⇒ K =
⇒
∞
∞
La ty sä giæa âä thay âäi thäng sä âiãu chènh va âä thay âäi cua tac âäng âiãu
chènh ma gáy nãn sæ thay âäi âo khi phu tai khäng thay âäi va trong trang thai
än âënh.
22
TÆ ÂÄNG HOA QUA TRÇNH NHIÃT - PHÁN I
µ
ϕ
µ∞
ϕ∞
t
t
Hçnh 2.10
Hçnh 2.11
Ho . F
To =
3) Thäng sä thåi gian To:
Qmax
La thåi gian ma trong khoang âo thäng sä âiãu chènh thay âäi tæ 0 âãn gia trë
âënh mæc våi täc âä cæc âai tæång æng våi sæ khäng cán bàng lån nhát giæa
læång vao va læång ra.
Chu y:
- Thäng thæång nghiãn cæu ta chon dang nhiãu la thay âäi âät biãn bác thang
(âáy la dang nàng nã nhát), chon nhæ váy thç viãc giai phæång trçnh vi phán
âæåc dã dang hån vç vã phai cua phæång trçnh (10) la khäng âäi.
- Biãn âä thay âäi cua nhiãu cung co giåi han, khäng thã lån qua vç qua trçnh
cäng nghã khäng cho phep va cung khäng nho qua vç lán nhiãu, thæång ta
chon nhiãu µ = 0,1 ÷ 0,15.
µ, λ
t
Hçnh 2.12
2.1.2. Xac âënh âæång cong bay lãn cua âäi tæång (hay âàc tênh qua âä cua âäi
tæång)
La âä thë quan hã ϕ (t) tçm âæåc no bàng cach giai phæång trçnh (10).
1- Âäi våi âäi tæång co tæ cán bàng
a/ Træång håp 1: gáy nhiãu phêa tac âäng
t < 0 µ = 0
λ = 0
t > 0 µ = µo = const
23
Tải về để xem bản đầy đủ
191 trang
23320
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Tự động hóa quá trình nhiệt - Hoàng Dương Hùng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_tu_dong_hoa_qua_trinh_nhiet_hoang_duong_hung.pdf
