Hiện nay việc đảm bảo chất lượng cho mỗi sản phẩm là việc rất quan trọng đối với các doanh nghiệp. Do đó yêu cầu đặt ra là phải làm sao cho các sản phẩm đó phải có chất lượng và mẫu mã giống nhau. Trong quá trình sản xuất tạo ra sản phẩm, khâu định lượng đóng vai trò hết sức quan trọng, nhằm xác định chính xác khối lượng nguyên vật liệu, bán thành phẩm và sản phẩm. Các thiết bị định lượng có mặt hầu hết tại các công đoạn của quá trình sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, , cấp liệu cho từng giai đoạn công nghệ, định lượng và đóng gói sản phẩm Tự động điều khiển, giám sát các công đoạn của quá trình sản xuất nói Chung và khâu định lượng đóng gói sản phẩm nói riêng là một trong các giải pháp ưu tiên hàng đầu được lựa chọn của đề tài mà nhóm tác giả lựa chọn Hiện nay, tại một số cơ sở sản xuất việc định lượng và đóng bao sản phẩm dạng hạt còn thực hiện theo phương pháp thủ công, một số cơ sở được trang bị thiết bị Điều khiển tự động nhập ngoại có giá thành cao và không phù hợp với từng loại sản phẩm cụ thể. Do đó vấn đề tiếp cận, làm chủ, tự thiết kế, chế tạo các hệ thống Điều khiển và giám sát tự động của thiết bị định lượng là cần thiết, mang tính thực tiến.
Lý thuyết chung về hệ thống cân băng định lượng
Đặt vấn đề
Việc đo lường và kiểm soát khối lượng trong các nhà máy là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm, năng suất cao và chi phí thấp Trước đây, hệ thống đo khối lượng chủ yếu sử dụng đối trọng hoặc lò xo với độ chính xác hạn chế và thiết kế cồng kềnh Ngày nay, nhu cầu về độ chính xác cao trong đo lường đã dẫn đến sự phát triển của các hệ thống hiện đại, khiến vấn đề công nghệ đo và hiển thị thông số chính xác trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhiều kỹ sư trong lĩnh vực tích hợp, đo lường và điều khiển.
Hệ thống cân băng định lượng đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất công nghiệp và thương mại, giúp xử lý nguyên liệu thô để tạo ra sản phẩm chất lượng Để đảm bảo khối lượng nguyên liệu đầu vào được định lượng chính xác, cần thiết lập quy trình hiệu quả nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng cao tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm.
Trong các nhà máy, việc định lượng nguyên liệu là một yếu tố quan trọng, từ khối lượng nguyên liệu đầu vào cho sản xuất đến các hoạt động thương mại Cân định lượng đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống tự động hóa, đặc biệt là trong các nhà máy xi măng và nhiệt điện Hệ thống cân băng định lượng giúp cân đo nguyên liệu cho máy nghiền theo tỷ lệ và năng suất đã định, đồng thời cung cấp nhiên liệu cho quá trình đốt, đảm bảo lưu lượng phù hợp trong suốt quá trình nung Ngoài ra, hệ thống này còn thực hiện việc cân đo các nguyên liệu khác như than và thạch cao cho các máy nghiền clanhke, máy nghiền than, máy đóng bao và máy sản xuất gạch men.
Khái niệm
Cân băng định lượng là thiết bị kết hợp nhiều thành phần, thuộc loại cân định lượng băng tải, sử dụng trong hệ thống cân liên tục Nó thực hiện việc phối liệu liên tục theo tỷ lệ yêu cầu của công nghệ, đảm bảo quy trình sản xuất hiệu quả và chính xác.
Hệ thống cân băng định lượng trong các nhà máy sản xuất công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định lưu lượng liệu và điều khiển lượng liệu, từ đó đảm bảo chất lượng sản phẩm Sự hiệu quả của hệ thống này không chỉ ảnh hưởng đến quy trình sản xuất mà còn góp phần quyết định đến sự thành công của công ty.
Cân băng định lượng là thiết bị trọng yếu trong nghiên cứu, cho phép đo lường trọng lượng vật liệu được vận chuyển trên băng tải Tốc độ băng tải được điều chỉnh linh hoạt để đạt được lưu lượng vật liệu theo giá trị đã được người vận hành thiết lập trước đó.
Cấu tạo của cân băng định lượng
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng
Cấu tạo của cân băng định lượng gồm các phân sau:
2 Cảm biến trọng lượng (Load Cell)
9 Động cơ không đống bộ (được nối với biến tần)10.Cảm biến vị trí
Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng
1.1.4.1 Nguyên lý tính lưu lượng
Cân băng định lượng, hay còn gọi là cân băng tải, là thiết bị chuyên dụng để cung cấp liệu theo kiểu trọng lượng Thiết bị này cho phép vật liệu được vận chuyển trên băng tải, với tốc độ được điều chỉnh nhằm đạt được lưu lượng đã đặt trước, ngay cả khi có sự can thiệp từ các yếu tố bên ngoài như vật liệu không rơi đều.
Cầu cân bao gồm một cảm biến trọng lượng (LoadCell) gắn trên giá có nhiều con lăn, giúp chuyển đổi trọng lượng vật liệu trên băng tải thành tín hiệu điện Để xác định lưu lượng vật liệu đến nơi đổ, cần đo đồng thời vận tốc băng tải và trọng lượng vật liệu trên mỗi đơn vị chiều dài (kg/m) Tốc độ băng tải được đo bằng cảm biến tốc độ liên kết động học với động cơ.
Tốc độ băng tải V (m/s) phản ánh tốc độ di chuyển của vật liệu trong quá trình truyền tải, trong khi tải của băng truyền (ƍ) biểu thị trọng lượng vật liệu trên mỗi đơn vị chiều dài ∂ (kg/m).
Cân băng tải được trang bị bộ phận đo trọng lượng và bộ điều khiển, giúp điều chỉnh tốc độ băng tải Mục tiêu là đảm bảo điểm đổ liệu và lưu lượng dòng chảy liệu đạt giá trị đã được người vận hành thiết lập trước.
Bộ điều khiển đo tải trọng trên băng truyền và điều chỉnh tốc độ băng đảm bảo lưu lượng không đổi ở điểm đổ liệu.
Trọng lượng tổng trên băng là lực Fc(N) được đo bởi hệ thống cân trọng lượng và
∂, được tính theo biểu thức: δ = (1.2)
Trong đó: L: Chiều dài của cầu cân g: Gia tốc trọng trường (g=9,8 m/s 2 ) Lực hiệu dụng Fm(N) do trọng lượng của vật liệu trên băng tải gây nên:
Trong đó: F0: Lực đo trọng lượng của băng tải cả con lăn và giá đỡ cầu cân.
Tải trọng trên băng truyền có thể tính là:
(1.4)Trong đó: γ: Khối lượng riêng của vật liệu (kg/m 3 )
S: Tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng (m 2 )
Do đó, lưu lượng có thể tính là:
1.1.4.2 Đo trọng lượng liệu trên băng tải
Trọng lượng được đo bằng tín hiệu từ LoadCell bao gồm cả trọng lượng của băng tải và vật liệu trên băng Để xác định chính xác trọng lượng của vật liệu, cần phải thực hiện quá trình trừ bì, tức là loại bỏ trọng lượng của băng tải.
Bộ điều khiển xác định trọng lượng của liệu nhờ trừ bì tự động các phân đoạn băng tải.
Nguyên lý của quá trình trừ bì như sau:
Băng tải cần được chia thành các phân đoạn xác định để đảm bảo cân chính xác Trong quá trình trừ bì băng tải rỗng, trọng lượng của mỗi đoạn được ghi vào bộ nhớ Khi vận hành, trọng lượng vật liệu trên mỗi phân đoạn được xác định bằng cách trừ trọng lượng băng tải đã ghi trong bộ nhớ Điều này giúp đảm bảo độ chính xác ngay cả khi băng tải có độ dày không đồng đều Việc điều chỉnh trọng lượng phải được thực hiện đồng bộ với vị trí băng, và bộ nhớ sẽ giữ lại vị trí của băng tải khi ngừng cân để thực hiện trừ bì ngay trong lần khởi động tiếp theo.
Cấu trúc hệ thống cân băng
Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng
Động cơ được sử dụng là động cơ không đồng bộ ba pha với rô to lồng sóc, và tốc độ của động cơ được đo bằng cảm biến đo tốc độ, cụ thể là bộ mã hóa xung.
– Số xung phát ra từ máy phát xung tỷ lệ với tốc độ động cơ và được đưa về bộ điều khiển.
– Bộ điều khiển (dùng PLC) điều chỉnh tốc độ của băng tải và lưu lượng liệu ở điểm đổ liệu sao cho tương ứng với giá trị đặt.
– Bộ cảm biến trọng lượng (LoadCell) biến đổi trọng lượng nhận được trên băng thành tín hiệu điện đưa về bộ khuyếch đại.
– Điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh tần số cấp nguồn cho
Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần
Động cơ không đồng bộ
1.3.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ (KĐB) có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo vận hành đơn giản an toàn, sử dụng trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3 pha nên động cơ KĐB được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, từ công suất nhỏ đến công suất trung bình nó chiếm tỷ lệ lớn so với động cơ khác Trước đây do các hệ thống truyền động động cơ KĐB có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ nhỏ do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB khó khăn hơn nhiều so với động cơ 1 chiều Ngày nay do việc phát triển của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật tin học.
Nên động cơ KĐB phát triển và dần có xu hướng thay thế động cơ 1 chiều trong các hệ truyền động.
Động cơ không đồng bộ (KĐB) khác với động cơ một chiều ở chỗ phần cảm và phần ứng không tách biệt Từ thông và mômen của động cơ KĐB phụ thuộc vào nhiều tham số khác nhau, do đó hệ điều chỉnh tự động cho động cơ này là hệ điều chỉnh đa tham số.
Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:
= : Vận tốc góc của từ trường quay
= : Hệ số trượt của động cơ f1: Tần số điện áp đặt vào stator p: Số đôi cực của động cơ
Uf: Trị số hiệu dụng điện áp pha của stator
R’ 2 : Điện trở Roto quy đổi về stator xnm: Điện kháng ngắn mạch ω: Vận tốc góc của động cơ
Tốc độ của động cơ KĐB phụ thuộc vào tần số lưới điện, do đó khi điều chỉnh tần số, tốc độ động cơ cũng sẽ thay đổi Đặc tính mômen M(s) đạt cực đại khi đạo hàm dM/ds bằng 0, từ đó có thể tính được mômen tới hạn và hệ số trượt tới hạn theo công thức.
Nếu bỏ qua điện trở cuộn dây stator r1 thì khi đó:
Khi tăng tần số nguồn (f1 > f1đm) mà giữ nguyên điện áp Uf, momen tới hạn Mth sẽ giảm đáng kể Do đó, cần điều chỉnh điện áp Uf theo quy luật nhất định khi thay đổi tần số f1 để đảm bảo sự cân bằng giữa momen động cơ và momen phụ tải, tránh tình trạng quá dòng Tỷ số giữa momen cực đại của động cơ và momen phụ tải tĩnh là hằng số (λ) Ngược lại, khi tần số giảm (f1 < f1đm) mà giữ nguyên điện áp Uf, momen và dòng điện động cơ sẽ tăng mạnh Vì vậy, khi giảm tần số, cần giảm điện áp theo quy luật nhất định để động cơ duy trì momen trong chế độ định mức Đặc tính cơ khi f1 < f1đm với điều kiện từ thông Φ = const sẽ giữ Mth không đổi trong vùng này.
Hình 1.3: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ
1.3.1.2 Công thức tính chọn động cơ không đồng bộ
* Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động
Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động
Vận tốc độ góc của động cơ:
Trong đó: n là tốc độ động cơ (v/ph) Tốc độ của bánh răng 2 (tốc độ của puly chủ động):
Trong đó: D: Đường kính bánh răng 2
V: Tốc độ của băng truyền (m/s) Tốc độ của bánh răng 1
Trong đó: i: Là tỷ số truyền giữa băng răng 1 và 2
Tỷ số truyền của hộp số: Tỷ số truyền giữa puly và động cơ: * Tính chọn công suất động cơ
Trong đó: η2: Hiệu suất hộp số η1: Hiệu suất băng tải
F1: Lực của trọng lượng tổng trên băng
F1= Lãgãƍ L: Chiều dài của băng g: Gia tốc trọng trường g=9,8m/s 2
Khái quát về biến tần
Biến tần là thiết bị biến đổi điện xoay chiều ở tần số này thành điện xoay chiều tần số khác có thể điều chỉnh được.
Hình 1.5: Biến tần 1.3.2.2 Nguyên lý hoạt động của biến tần
Bộ biến tần hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha thành nguồn điện một chiều thông qua quá trình chỉnh lưu và lọc Quá trình này được thực hiện nhờ bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện, giúp duy trì hệ số công suất cosφ không phụ thuộc vào tải và đạt tối thiểu 0.96 Sau đó, điện áp một chiều được biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng bằng công nghệ IGBT thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ vào sự phát triển của công nghệ vi xử lý và bán dẫn, tần số chuyển mạch có thể đạt đến dải tần số siêu âm, giúp giảm tiếng ồn cho động cơ và hạn chế tổn thất trên lõi sắt.
Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của biến tần
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha có khả năng điều chỉnh biên độ và tần số một cách linh hoạt nhờ vào bộ điều khiển Theo lý thuyết, mối quan hệ giữa tần số và điện áp phụ thuộc vào chế độ điều khiển, trong đó đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp và tần số là không đổi Tuy nhiên, đối với tải bơm và quạt, mối quan hệ này lại là hàm bậc 4, với điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này dẫn đến đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ, phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt, do mô men cũng là hàm bậc hai của điện áp.
Bộ biến tần có hiệu suất chuyển đổi nguồn rất cao nhờ vào việc sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất tiên tiến Điều này giúp năng lượng tiêu thụ gần như tương đương với năng lượng mà hệ thống yêu cầu.
Biến tần hiện đại đã tích hợp nhiều kiểu điều khiển đa dạng, phù hợp với hầu hết các loại phụ tải Ngoài ra, biến tần còn có bộ PID và hỗ trợ nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất lý tưởng cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.
1.3.2.3 Ưu điểm khi sử dụng biến tần
– Bảo vệ động cơ khỏi mài mòn cơ khí.
Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới điện, việc xảy ra sốc và hao mòn cơ khí là điều khó tránh khỏi Sử dụng biến tần không chỉ giúp khởi động động cơ một cách êm ái mà còn giảm thiểu tối đa hao mòn cơ khí, ngay cả khi quá trình khởi động và ngắt động cơ diễn ra liên tục.
– Tiết kiệm điện, bảo vệ các thiết bị điện trong cùng hệ thống.
Khi khởi động trực tiếp, dòng khởi động thường lớn hơn nhiều lần so với dòng định mức, dẫn đến việc tiêu thụ điện năng tăng cao Biến tần giúp khởi động êm ái và giảm dòng khởi động xuống dưới mức định mức, từ đó tiết kiệm điện năng Ngoài ra, biến tần còn ngăn chặn sụt áp và hư hỏng cho các thiết bị điện khác trong hệ thống Đối với các tải như bơm, quạt, máy nén khí và những ứng dụng cần điều khiển lưu lượng hoặc áp suất, biến tần có khả năng ngừng động cơ ở chế độ không tải, giúp tiết kiệm tối đa điện năng tiêu thụ.
Biến tần là giải pháp công nghệ thiết yếu cho các ứng dụng yêu cầu đồng bộ tốc độ, như trong ngành giấy, dệt, bao bì nhựa, in và thép Ngoài ra, nó cũng cần thiết cho các ứng dụng điều khiển lưu lượng và áp suất trong ngành nước và khí nén, cũng như cho các thiết bị như cẩu trục và thang máy Việc sử dụng biến tần không chỉ đáp ứng yêu cầu công nghệ mà còn cải thiện năng suất một cách hiệu quả.
Sử dụng biến tần trong các ứng dụng như dệt, nhuộm và nhựa giúp tăng năng suất sản xuất đáng kể so với việc sử dụng nguồn điện trực tiếp Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả hoạt động mà còn loại bỏ những phụ kiện cồng kềnh và kém hiệu quả như puli và motor rùa, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Điều chỉnh tần số động cơ bằng biến tần
Để điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số, cần một bộ nguồn xoay chiều có khả năng điều chỉnh tần số điện áp đồng thời thông qua biến tần Nhiều loại biến tần đã được thiết kế để tạo ra các giá trị U và f thay đổi, nhưng trong luận văn này, chúng ta chỉ tập trung vào bộ biến tần nguồn áp hoạt động theo nguyên lý điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation).
Bộ biến tần này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh, đồng thời nó còn tạo ra được điện áp và dòng điện gần giống hình sin.
Hình 1.7: Sơ đồ mạch lực bộ biến tần nguồn áp dùng Tranzitor
Dùng phương pháp PWM ta có giản đồ điện thế và điện áp pha A như sau:
Hình 1.8: Giản đồ điện thế và điện áp pha A dùng phương pháp PWM
– Sơ đồ biến tần ba pha dùng Tranzitor gồm:
Bộ nghịch lưu chuyển đổi điện áp một chiều từ nguồn cấp thành điện áp xoay chiều với tần số có thể điều chỉnh Điện áp xoay chiều sau khi qua bộ lọc sẽ được đưa vào sơ đồ cầu Transistor.
Sơ đồ biến tần Tranzitor ba pha dùng 6 Tranzitor công suất T1 từ T6 và 6 điốt
T7 từ T12 đấu song song ngược với các Tranzitor tương ứng.
Tín hiệu điều khiển Vb được đưa vào bazơ của Tranzitor có dạng chữ nhật, chu kỳ là 2 , độ rộng là /2.
Vb = “1” > Tranzitor mở bão hòa Các Tranzitor được điều khiển theo trình tự 1,2,3,4,5,6,1
Các tín hiệu điều khiển lệch nhau một khoảng bằng π/3.
Cảm biến trọng lực Loadcell
Khái niệm Loadcell
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện.
Khái niệm "strain gage" đề cập đến một cấu trúc có khả năng biến dạng đàn hồi khi chịu lực Khi bị tác động, cấu trúc này sẽ tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ thuận với mức độ biến dạng mà nó trải qua.
Loadcell là thiết bị thường được sử dụng để cảm nhận các lực lớn, bao gồm cả lực tĩnh và lực biến thiên chậm Tùy thuộc vào thiết kế của loadcell, một số loại có khả năng đo các lực tác động mạnh.
Tế bào cân đo trọng lượng
Là thiết bị đo trọng lượng trong hệ thống cân định lượng bao gồm 2 loại tế bào là loại SFT (Smat Foree Tran Sduer) và tế bào cân Tenzomet.
1.4.2.1 Nguyên lý tế bào cân số SFT
Đầu đo trọng lượng SFT là nơi tiếp nhận tải cần đo, truyền lực lên dây dẫn trong từ trường không đổi, gây ra sự thay đổi sức căng và dao động của dây dẫn Dao động này tạo ra sức điện động cảm ứng, ảnh hưởng trực tiếp đến tải trọng Ngoài ra, đầu cảm biến nhiệt độ theo dõi nhiệt độ môi trường để điều chỉnh, vì các phần tử SFT rất nhạy cảm với biến đổi nhiệt độ.
Bộ chuyển đổi: Chuyển đổi các tín hiệu đo lường từ đầu đo thành dạng tín hiệu.
Bộ xử lý: Xử lý tất cả các tín hiệu thu được và các tín hiệu ra bên ngoài theo phương thức truyền tin nối tiếp.
Bảng 1.1: Bảng thống kê một số loại tế bào
Tải định mức 20kg 30kg 100kg 120kg 200kg 300kg
Tải cực đại 30kg 45kg 150kg 180kg 300kg 450kg
Phạm vi nhiệt độ cho phép -10÷60 o C -10÷60 o C -10÷40 o C-10÷60 o C-10÷40 o C -10÷60 o C Giao thức truyền tin nối tiếp với bên ngoài
Khoảng ghép nối 500m 500m 500m 500m 500m 500m Độ phân giải 3,4g 5g 0,0001% 0,0001% 0,0001% 0,0001%
1.4.2.2 Nguyên lý tế bào cân Tenzomet
Hình 1.10: Sơ đồ cầu tế bào cân Tezome
Nguyên lý tế bào cân Tenzomet hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở, trong đó giá trị điện trở của các nhánh cầu biến đổi khi có ngoại lực tác động Khi có nguồn cung cấp không đổi (UN=const), tín hiệu thu được từ hai đường chéo của cầu sẽ thay đổi theo tải trọng đặt lên cầu Tín hiệu này phản ánh trạng thái cân bằng của cầu thông qua điện áp ra.
Ur=0 Khi cầu điện trở thay đổi với giá trị ΔR thì điện áp ra sẽ thay đổi, lúc này điện áp ra được tính theo công thức:
(1.14) Trong đó: UN: Điện áp nguồn cấp cho đầu đo
Ur: Điện áp ra của đầu đo ΔR: Lượng điện trở thay đổi bởi lực kéo trên đầu đo
R: Giá trị điện trở ban đầu của mỗi nhánh cầu.
Khi R tỷ lệ với khối lượng vật liệu trên băng cân, tín hiệu Ura sẽ được khuyếch đại và sau đó được gửi qua biến đổi A/D vào bộ điều khiển để xử lý Nếu cấp cho đầu vào cầu cân một điện áp UNv, mỗi 100kg vật liệu trên băng LoadCell sẽ chuyển thành 2mV/V, dẫn đến điện áp ra của cầu cân là Ura mV.
Bảng 1.2: Bảng thống kê một số loại tế bào cân Tenzomet
Tải cực đại 150% tải định mức
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Loadcell gồm hai thành phần chính: "Strain gage" và "Load" Strain gage là một điện trở nhỏ có khả năng thay đổi điện trở khi bị kéo dãn hoặc nén, hoạt động với nguồn điện ổn định Nó được gắn chặt vào "Load", một thanh kim loại đàn hồi chịu tải.
Hình 1.11: Cấu tạo của một Loadcell 1.4.3.2 Nguyên lý hoạt động
Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone, trong đó giá trị lực tác dụng tỉ lệ thuận với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở Điều này dẫn đến việc trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ, phản ánh chính xác sự thay đổi của lực tác động.
Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động của một Loadcell 1.4.3.3 Thông số kĩ thuật cơ bản
– Độ chính xác: Cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp.
– Công suất định mức: Giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được.
Dải bù nhiệt độ là khoảng nhiệt độ mà đầu ra của Loadcell được điều chỉnh Nếu nhiệt độ nằm ngoài khoảng này, đầu ra sẽ không đảm bảo thực hiện đúng theo các thông số kỹ thuật đã được quy định.
– Cấp bảo vệ: Được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi).
– Điện áp: Giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 - 15 V).
– Độ trễ: Hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng.
– Trở kháng đầu vào: Trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải.
– Điện trở cách điện: Thông thường đo tại dòng DC 50V Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện.
– Phá hủy cơ học: Giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng.
– Giá trị ra: Kết quả đo được (đơn vị: mV).
Trở kháng đầu ra được xác định bằng cách đo trở kháng giữa Ex+ và Ex- khi load cell chưa được kết nối hoặc đang hoạt động ở chế độ không tải.
– Quá tải an toàn: Công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất).
Hệ số tác động của nhiệt độ là chỉ số quan trọng được đo trong điều kiện có tải, phản ánh sự thay đổi công suất của Loadcell khi nhiệt độ thay đổi, ví dụ như 0.01%/10°C, nghĩa là khi nhiệt độ tăng thêm 10°C, công suất đầy tải của Loadcell sẽ tăng thêm 0.01% Trong khi đó, hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0 cũng đo sự thay đổi công suất, nhưng được thực hiện ở chế độ không tải.
1.4.3.4 Công thức tính khối lượng của LoadCell
Khi có tải chạy trên băng thì mô men lực của tải trọng sẽ được cân bằng với mômen lực của đối trọng và LoadCell.
Hình 1.13: Cấu trúc cầu cân bằng mô men lực
Dựa vào công thức tính tổng hợp momen lực:
Trong đó: F0: Lực của tải trọng tác động lên cầu cân
L0: Lực khoảng cách (cánh tay đòn ) từ tải đến puly
L0 =0,16m l1: Khoảng cách (cánh tay đòn) từ puly đến LoadfCell l1=0,12m l2: Khoảng cách (cánh tay đòn ) từ đối trọng đến puly, l2=0,20m
⇒F0 = Ở đây LoadCell và đỗ trọng được nối cứng với nhau nên coi a1=a2=1
Trong đó: m1: Khối lượng của LoadCell m2: Khối lượng của đối trọng Năng suất của băng là: Q (kg/h)
Tốc độ truyền là: V (m/ph)
Khi đó vật liệu được truyền tải trên 1 đơn vị chiều dài là:
Trọng lượng tổng trên băng là lực F0(N) được đo bởi hệ thống cân trọng lượng và σ được tính theo biểu thức:
Trong đó: L1: Chiều dài của cân g: Gia tốc trọng trường => F0 = thay vào phương trình (1.18)
Băng tải cao su
Hệ thống băng tải là thiết bị quan trọng trong việc vận chuyển hàng hóa hoặc tài liệu từ một điểm cố định đến một vị trí khác trong không gian Chức năng của hệ thống băng tải có thể thay đổi tùy thuộc vào thiết kế, nhưng nhiều hệ thống hiện nay sử dụng băng tải cao su để đảm bảo hiệu quả vận chuyển hàng hóa.
Hình 1.14: Băng tải cao su
Khi động cơ băng tải quay tang chủ động, lực ma sát giữa băng tải và tang giúp băng tải di chuyển Vật liệu rơi xuống bề mặt băng tải sẽ được vận chuyển nhờ chuyển động này Để tránh tình trạng băng tải bị võng, các con lăn được đặt dưới bề mặt băng tải, đồng thời giảm lực ma sát Băng tải cao su được chế tạo từ chất liệu cao su chất lượng cao, với lõi làm từ sợi Polyester và Poliamit, mang lại độ bền cao, khả năng chịu nước và thời tiết ẩm, đồng thời có thể vận chuyển nhiều loại vật liệu với tốc độ cao trên khoảng cách vừa và xa.
Băng tải cao su nổi bật với khả năng chịu tải cao và chịu được lực va đập lớn, đồng thời có khả năng chống nước, axit và các hóa chất khác Sản phẩm không bị giảm tuổi thọ theo thời gian sử dụng, đảm bảo sự bám dính tốt giữa sợi và cao su Độ dẻo dai lớn và trọng lượng nhẹ giúp tăng khả năng kéo của động cơ, từ đó tiết kiệm điện năng hiệu quả.
Băng tải là thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp nặng, thường hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt Tuy nhiên, băng tải có thể gặp phải các sự cố như giãn, trượt hoặc đứt gãy, dẫn đến hao mòn và giảm độ tin cậy Những sự cố này đặc biệt nghiêm trọng trong các ngành công nghiệp yêu cầu tính liên tục cao trong sản xuất, gây thiệt hại đáng kể cho hoạt động.
Biến tần đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ băng tải và thiết bị cơ khí bằng cách kiểm soát chính xác tốc độ và mô men của động cơ Điều này không chỉ kéo dài thời gian hoạt động của băng tải mà còn giúp giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì Hơn nữa, khi cần sửa chữa một mối nối của băng tải, biến tần có khả năng điều khiển băng tải di chuyển đến vị trí chính xác, tạo thuận lợi cho quá trình sửa chữa.
Sensor đo tốc độ
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Để điều khiển tốc độ động cơ, việc đọc góc quay của động cơ là rất quan trọng Các phương pháp xác định góc quay bao gồm tachometer, biến trở xoay và mã hóa xung encoder Trong đó, tachometer và biến trở xoay thuộc phương pháp tương tự, trong khi encoder quang là phương pháp số Hệ thống encoder quang bao gồm nguồn phát quang, cảm biến quang và đĩa có chia rãnh, được chia thành encoder tuyệt đối và encoder tương đối Trong ứng dụng cân băng định lượng, chỉ cần xác định tốc độ động cơ, do đó thường sử dụng encoder tương đối Khi đề cập đến encoder, chúng ta sẽ hiểu là encoder tương đối.
Hình 1.15: Encoder quang tương đối
4 Đầu thu quang Encoder có thể có 1 kênh (ngõ ra) A, 2 kênh gồm kênh A và kênh B hoặc 3 kênh bao gồm kênh A, kênh B và kênh I.
Kênh I trong hình ảnh là một lỗ nhỏ nằm bên trong đĩa quay, kết hợp với một cặp phát-thu riêng biệt Mỗi khi motor quay một vòng, lỗ nhỏ sẽ xuất hiện đúng vị trí của cặp phát-thu, cho phép hồng ngoại từ nguồn phát xuyên qua lỗ và đến cảm biến quang Kết quả là, mỗi vòng quay của motor tạo ra một “xung” trên cảm biến, thể hiện hoạt động của kênh I.
Trên các encoder, có một cặp thu phát được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút, tạo thành kênh B Tín hiệu xung từ kênh B có tần số giống kênh A nhưng lệch pha 90 độ.
Bằng cách phối hợp kênh A và B ta sẽ biết chiều quay của động cơ.
Các ngõ ra trên đa số (gần như tất cả) các encoder có dạng cực góp hở (Open collector), muốn sử dụng chúng cần mắc điện trở kéo.
Encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi chỉ cần xác định tốc độ quay, vì vậy sử dụng encoder 1 kênh là đủ Đĩa quay được chia thành nhiều rãnh nhỏ, với N rãnh trên đĩa, được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và phương pháp điều khiển Khi đĩa quay đến vị trí rãnh, ánh sáng sẽ xuyên qua, ngược lại, ở vị trí không có rãnh, ánh sáng không xuyên qua Cảm biến sẽ nhận biết và xuất ra giá trị 0 hoặc 1 tương ứng Khi đĩa quay một vòng, encoder sẽ xuất số xung tương ứng với số rãnh trên đĩa, trong nghiên cứu này, encoder được sử dụng có 32 xung.
Đo vận tốc băng tải
Để xác định vận tốc dài của băng tải, cần đo tốc độ quay của tang bị động Hệ thống sử dụng phương pháp mã hóa vòng quay thành xung (encoder) loại tương đối để xác định tốc độ này Encoder được lắp đặt đồng trục với tang bị động.
Dựa vào nguyên lý xác định tốc độ quay của trục quay, chúng ta có thể tính toán tốc độ dài của băng tải Cụ thể, thông qua đường kính của tang bị động trong hệ băng tải, ta sẽ xác định được tốc độ di chuyển của băng tải dựa trên chiều dài của nó.
Hình 1.16: Mạch đo tín hiệu tốc độ
Tín hiệu Vout được đưa vào đầu vào của PLC để xác vận tốc dài của băng tải.
Đo khối lượng liệu trên băng
Để xác định khối lượng liệu trên băng tải, cần sử dụng cảm biến trọng lực (Loadcell) đặt dưới băng tải Tín hiệu đầu ra của cảm biến này thường rất nhỏ, khoảng 1÷2 mV/V, vì vậy cần có mạch khuếch đại vi sai để nhận diện tín hiệu Sau khi khuếch đại, tín hiệu sẽ được gửi về PLC để xử lý.
Hình 1.17: Mạch đo khối lượng
Mạch điện này được sử dụng để xác định hiệu áp có thể nhân với các hằng số điện trở, cũng như sai số giữa hai điện áp của các điện trở khác nhau Các hằng số này được xác định thông qua các phương pháp đo lường cụ thể.
– Điện áp ra của mạch: (1.20)
– Tổng trở vi sai giữa 2 chân đầu vào Zin = R1 + R2
– Nếu R1 = R2 và Rf = Rg thì: Vout = A(V2 – V1)
– Hệ số khuếch đại vi sai: A = Rf /R
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Lựa chọn phương án thiết kế
Việc điều chỉnh cấp liệu cho băng cân định lượng chính là điều chỉnh lưu lượng liệu cấp cho băng cân và được thực hiện bằng 3 phương pháp.
2.1.1 Phương pháp 1 (Điều chỉnh cấp liệu gián đoạn):
Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu bằng tín hiệu của sensor cấp liệu kiểu trôi để điều khiển một số thiết bị cấp liệu.
Hình 2.1: Định lượng gián đoạn
Vị trí của sensor cấp liệu theo kiểu trôi được đặt ở phía cuối của ống liệu.
2.1.2 Phương pháp 2 (Điều chỉnh cấp liệu liên tục):
Hình 2.2: Định lượng liên tục
Phương pháp điều chỉnh cấp liệu liên tục cho băng cân định lượng sử dụng bộ điều chỉnh PID nhằm duy trì lượng tải ổn định trên mỗi đơn vị chiều dài băng tải Bộ PID tự động điều chỉnh lưu lượng cấp liệu, có thể là van cấp liệu hoặc van quay, khi lưu lượng thể tích thay đổi trong khoảng ±15% Lưu ý rằng bộ PID chỉ hoạt động khi băng tải đã bắt đầu hoạt động.
Nhận xét 2 phương pháp trên:
Hai phương pháp điều chỉnh cấp liệu có sự khác biệt rõ rệt về bản chất Phương pháp 2 vượt trội hơn về độ chính xác, với thời gian điều chỉnh ngắn và thiết bị hoạt động ổn định, tuy nhiên phạm vi điều chỉnh lại hạn chế Ngược lại, phương pháp 1 có thiết kế đơn giản hơn, cho phép phạm vi điều khiển rộng hơn và có thể được tùy chỉnh bởi người sử dụng, nhưng việc thiết bị phải hoạt động gián đoạn trong quá trình điều chỉnh có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ của nó.
2.1.3 Phương pháp 3 (Điều chỉnh mức vật liệu trong ngăn xếp)
Phương pháp điều chỉnh mức liệu trong ngăn xếp kết hợp giữa điều chỉnh gián đoạn và điều chỉnh liên tục, nhằm tối ưu hóa ưu điểm và khắc phục nhược điểm của cả hai phương pháp Phương pháp này được thiết kế đặc biệt cho các băng cân định lượng, mang lại hiệu quả cao trong việc điều chỉnh mức liệu.
Lựa chọn thiết bị
Biến tần là thiết bị dùng để biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều có tần số và điện áp có thể điều chỉnh được.
Biến tần Mitsubishi FR-E740 là dòng biến tần với đầy đủ tính năng hữu ích, thân thiện với môi trường.
Hình 2.3: Biến tần Mitsubishi FR-E740.
Các thông số kỹ thuật của biến tần Mitsubishi FR-E740. Ứng dụng của biến tần
Cầu trục và các thiết bị nâng hạ như băng chuyền, máy nén khí, máy đùn ép, máy cuộn, cùng với hệ thống kho tự động và máy nhấn chòm, đều yêu cầu tính năng điều khiển vị trí chính xác Tất cả các thiết bị này hoạt động hiệu quả với nguồn cấp 3 pha, 380-480V, 50/60 Hz.
Mô men khởi động 200% hoặc hơn tại 0.5 Hz khi từ tính điều khiển vector từ thông được nâng cao.
Khả năng quá tải 150%/ 60 giây, 200%/ 3 giây
Phương pháp điều khiển Soft-PWM và PWM tần số cao bao gồm các kỹ thuật như điều khiển V/F, điều khiển vector lực từ cao cấp, điều khiển vector lực từ đa năng và điều khiển kích tối ưu Những phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp.
Phanh hãm - Đầu vào Analog
Digital Đầu rara Cực góp
Chức năng bảo vệ Động cơ, quá dòng tức thời, quá tải, quá áp, thấp áp, mất áp, quá nhiệt, quá nhiệt điện trở phanh, ngăn chặn sụt
Thiết lập tần số tối đa và tối thiểu cùng với việc lựa chọn đầu vào cho rơ le nhiệt là rất quan trọng Hệ thống còn có chức năng tự động dò tốc độ động cơ khi mất nguồn, sử dụng cảm biến tốc độ để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Tích hợp sẵn bộ điều khiển PID, liên kết máy tính (RS-485)
Truyền thông Hỗ trợ các chuẩn truyền thông PU, USB, Modbus-RTU,
Profibus, CC-Link, CAN open và SSCNET III Thiết bị mở rộng
Tiêu chuẩn: Tích hợp sẵn bộ lọc EMC, PLC Lựa chọn: Bộ truyền thông, Cáp kết nối, DC reactor, AC reactor, điện trở xả, bộ phanh, bộ điện trở
Cấp bảo vệ IP00 (Mở lắp biến tần), IP20 (Đóng lắp)
- Tốc độ khởi động, downloand, upload nhanh
- Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình C
- Hiển thị định dạng ảnh BMP, JPG
- Thư viện hình ảnh 3D phong phú, hiển thị hình ảnh sống động hơn
- Hỗ trợ nhiều kiểu xử lý số liệu như biểu đồ thời gian, biểu đồ tọa độ XY
- Phần mềm lập trình: Touchwin Edit Tool.
Hình 2.4: Màn hình HMi Xinje.
Thông số cấu hình phần cứng.
- Dùng hiển thị, giám sát các thông số cài đăt.
- Cổng giao diện Ethernet 1 x 10/100 Mbit / s (IE / EIP / PROFINET /
- Cổng giao diện Ethernet 1 x 10/100 Mbit / s (IE / EIP / PROFINET /
- LCD FSTN 240×80 với 4 thang độ xám, 10 phím chức năng, chứa Phần mềm nguồn mở
- ARM9 400MHZ CPU, 128MB ROM, 128MB RAM
- Kích thước hiển thị 7 inch LCD, 16 million colors TFT LCD, LED backlight
- Tích hợp 2 COM ports, hỗ trợ chuẩn RS232/RS485/RS422, 2 ports có thể sử dụng độc lập.
- 2 USB ports hỗ trợ truyền dữ liệu và sao lưu dữ liệu
- Ethernet communication ( tương thích với chuẩn Modbus- TCP device và PLC Simens S7- 1200)
Hệ thống cân load cell kỹ thuật số là thiết bị cân điện tử tiên tiến, được phát triển từ cảm biến đo độ biến dạng truyền thống Sản phẩm này ứng dụng công nghệ vi điện tử hiện đại và tích hợp vi điều khiển, mang lại độ chính xác cao trong việc đo lường.
Các thông số kỹ thuật
2.2.4 PLC S7- 200, modul EM235 và EM231
PLC S7-200 của Siemens là thiết bị điều khiển logic lập trình nhỏ gọn, được thiết kế theo cấu trúc module với khả năng mở rộng Các module này hỗ trợ đa dạng ứng dụng lập trình, mang lại tính linh hoạt cho người sử dụng.
Hình 2.6: PLC S7-200 modul EM235 và EM 231
- Module Siemens S7-200, EM235, 4 AI, DC +/-10V; 1AQ, DC +/-10V, 12 bit, 6ES7235-0KD22-0XA0
- Module Siemens S7-200, EM231, 4AI, 15bit, 6ES7231-7PD22-0XA0
Hình 2.7: Bộ nguồn 220 VAC/24VDC
Các thông số kỹ thuật: Điện Áp Đầu Vào: AC 220V (Chân L và N) Điện Áp Đầu Ra: DC 24V 5A (Chân dương V+ , Chân Mass-GND : V- )
Công Suất: 120W Điện áp ra điều chỉnh: +/-10%
Phạm vi điện áp đầu vào: 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC
Bảo vệ nhiệt độ cao Khả năng chống sốc: 10 ~ 500Hz, 2G 10min / 1 chu kỳ, thời kỳ cho 60 phút mỗi trục
Nhiệt độ hoạt động và độ ẩm: -10 ℃ ~ + 60 ℃, 20% ~ 90% RH
Nhiệt độ bảo quản, nhiệt độ: -20 ℃ ~ + 85 ℃, 10% ~ 95RH
Phễu là thiết bị quan trọng được sử dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất và chế biến thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất và nước giải khát Chúng có chức năng lưu trữ và di chuyển các loại nguyên vật liệu rời, bao gồm bột, nguyên liệu dạng hạt, bột nhão và cả chất lỏng trong ngành hóa mỹ phẩm.
Băng tải là thiết bị vận chuyển nguyên vật liệu và thành phẩm, thay thế sức người và các phương tiện vận chuyển khác trong nhà máy Chúng giúp di chuyển vật liệu từ nơi khai thác, bến bãi hay kho chứa đến các khu vực sản xuất, đảm bảo tính liên tục và chính xác trong quá trình sản xuất Để đáp ứng yêu cầu về khối lượng nguyên vật liệu, hệ thống cân định lượng được sử dụng, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hoạt động liên tục của nhà máy.
Hình 2.9: Cân băng định lượng
Hình 2.11: Cấu tạo của Encoder
Hình 2.12: Sơ đồ nối dây.
Ta đấu dây Nâu vào +24VDC, dây Xanh vào -24VDC, dây Đen(pha A) vào I0.0 và dây trắng(pha B) vào I0.1 của PLC
Hệ thống cân băng định lượng được thiết kế để xử lý 2 loại chất rắn theo tỷ lệ cho 3 mã sản phẩm khác nhau Vật liệu được cân là dạng hạt rắn, và người vận hành có thể tự chọn mã sản phẩm từ giao diện người dùng HMI Khối lượng cân tối đa cho mỗi loại vật liệu là 5 kg.
CHƯƠNG 3 LẬP TRÌNH VÀ KẾT NỐI HỆ THỐNG
Sơ đồ đấu nối phần cứng PLC
Theo công nghệ của bài toán ta có sơ đồ đấu nối phần cứng như sau:
Hình 3.1: Sơ đồ đấu nối phần cứng PLC
Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán
Thuật toán điều khiển trong PLC S7-200
3.2.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID.
Bộ điều khiển PID là một thiết bị điều khiển vòng kín phổ biến trong ngành công nghiệp Nó hoạt động bằng cách điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (Process Variable - PV) và giá trị đặt (Set Point - SP) thông qua việc tính toán và điều chỉnh giá trị đầu ra.
Một bộ điều khiển gồm 3 thành phần :
- P (Proportional) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch(e- error).
- I (Integral) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch.
- D (Derivative) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch.
Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID
Tuỳ vào các đối tượng điều khiển khác nhau, yêu cầu công nghệ khác nhau, mà lựa chọn các bộ điều khiển khác nhau.
Bộ điều khiển tỉ lệ(P).
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với giá trị sai lệch, thông qua việc nhân sai số e với hằng số Kp, được gọi là hằng số tỷ lệ.
Ta có công thức : Pout = KP.e(t) (3.1)
+ Pout : Giá trị đầu ra + Kp : Hằng số tỉ lệ + e (error) : Sai lệch, E = SP – PV
Sơ đồ khối của khâu P :(Đường đặc tính P là một đường thẳng song song trục hoành)
Hình 3.4: Sơ đồ khối của khâu P
Hàm truyền của khâu P: Gp(s) = Kp
Nếu chỉ sử dụng khâu P, sai số tĩnh sẽ luôn tồn tại, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc trùng với giá trị mong muốn.
- Nếu hệ số Kp quá lớn thì sẽ làm cho hệ thống mất ổn định.
Hệ số Kp nhỏ có thể dẫn đến việc bộ điều khiển hoạt động kém nhạy và đáp ứng chậm Điều này khiến tác động điều khiển của bộ P trở nên quá yếu, dẫn đến sự không chính xác trong hệ thống.
Hình 3.5: Đáp ứng của khâu P (ref: tín hiệu chuẩn, p: Khâu P)
3.2.1.2 Bộ điều khiển tích phân (I).
Bộ điều khiển tích phân (I) cộng dồn các sai số trước đó vào giá trị điều khiển, giúp điều chỉnh liên tục cho đến khi giá trị thực đạt được bằng giá trị đặt Khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng, sai số sẽ bằng không.
Khâu I được tính theo công thức:
+ Iout: Giá trị đầu ra khâu I
+ Ki: Hệ số tích phân
Khâu I thường được kết hợp với khâu P để tạo thành bộ điều khiển PI, giúp cải thiện hiệu suất hệ thống Nếu chỉ sử dụng khâu I, hệ thống sẽ có đáp ứng chậm và dễ bị giao động.
Hình 3.6: Đáp ứng của khâu I và PI (ref: tín hiệu chuẩn, p: Khâu P, i: khâu I)
Từ đồ thị ta thấy khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống chậm đi rất nhiều, khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập.
3.2.1.3 Bộ điều khiển vi phân(D).
Bộ điều khiển vi phân (D) kết hợp tốc độ thay đổi của sai số vào giá trị điều khiển đầu ra Khi sai số thay đổi nhanh, nó tạo ra thành phần bổ sung cho giá trị điều khiển, từ đó cải thiện khả năng đáp ứng của hệ thống Điều này giúp hệ thống nhanh chóng thay đổi trạng thái và đạt được giá trị mong muốn một cách hiệu quả.
Khâu D được tính theo công thức : dt
+ Kd: Hệ số vi phân
Khâu D thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PD, hoặc bộ PI để hợp thành bộ điều khiển PID
Hình 3.7: Đáp ứng của khâu D và PD (ref: tín hiệu chuẩn, p: Khâu
P, d: khâu D) 3.2.1.4.Tổng hợp 3 khâu, bộ điều khiển PID.
Bộ điều khiển PID là tổng hợp ghép song song 3 khâu P, I, D có sơ đồ khối như sau : Đáp ứng của bộ PID :
Hình 3.8: Đáp ứng của khâu PID (ref: tín hiệu chuẩn)
Phương trình bộ PID lý tưởng: u(t) = K
Luật điều khiển được lựa chọn dựa trên việc xác định mô hình toán học phù hợp với đối tượng, đồng thời đáp ứng yêu cầu thiết kế của bài toán.
Khi không thể xác định mô hình toán học của đối tượng, việc tìm kiếm luật điều khiển và các tham số của bộ điều khiển có thể thực hiện thông qua thực nghiệm Phương pháp Ziegler và Nichols cung cấp cách xác định thông số tối ưu cho bộ PID dựa vào đồ thị hàm quá độ của đối tượng hoặc các giá trị tới hạn thu được từ thực nghiệm.
3.2.1.6 Thiết kế bộ PID sử dụng hàm quá độ của đối tượng.
Phương pháp Ziegler-Nichols, còn được gọi là phương pháp thứ nhất, được sử dụng để xác định các thông số Kp, TI và TD cho các bộ điều khiển.
P, PI và PID trên cơ sở đối tượng có thể mô tả xấp xỉ bởi hàm truyền đạt dạng:
Để hệ thống nhanh chóng đạt trạng thái ổn định, độ quá tới hạn δ max cần được giới hạn ở mức không vượt quá 40% so với h(∞), trong đó h(∞) là giới hạn của h(t) khi t tiến đến vô cùng.
Ba tham số quan trọng trong mô hình xấp xỉ bao gồm thời gian trễ (Tt), hệ số khuếch đại (K) và hằng số thời gian quán tính (T), có thể được xác định gần đúng thông qua đồ thị hàm quá độ h(t) của đối tượng Đối với đối tượng có hình dạng như hình 3.6a, các giá trị này có thể được đọc trực tiếp từ đồ thị hàm h(t).
+Tt là khoảng thời gian tín hiệu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với tín hiệu kích thích 1(t) tại đầu vào.
+ K là giá trị giới hạn h(∞) = lim h(t) : t→∞
Điểm A được xác định là điểm kết thúc của khoảng thời gian trễ, với hoành độ bằng Tt trên trục hoành Khoảng thời gian T cần thiết sau Tt sẽ giúp tiếp tuyến của hàm số h(t) tại điểm A đạt giá trị K.
Hình 3.9: Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ
Trường hợp hàm quá độ h(t) không có dạng lý tưởng như ở hình 3.6a,
Dạng gần giống như hình chữ S của khâu quán tính bậc 2 hoặc bậc n, như mô tả ở hình 3.6b, cho phép xác định ba tham số K, Tt, T một cách xấp xỉ.
+ K là giá trị giới hạn h(∞)
Kẻ đường tiếp tuyến của hàm số h(t) tại điểm uốn sẽ cho ta hoành độ giao điểm của tiếp tuyến với trục hoành, ký hiệu là Tt Khoảng thời gian cần thiết để đường tiếp tuyến di chuyển từ giá trị 0 đến giá trị K được ký hiệu là T.