phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống tự động trên

1

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật điều khiển tự động đã làm nên sự kỳ diệu trong mọi lĩnh vực của

đời sống hiện đại. Là nghành khoa học đóng vai trò quan trọng trong chiến lược

công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, tạo khả năng phát triển kinh tế với tốc độ

cao và bền vững. Do vậy đối với ngành tàu thuỷ việc tìm hiểu, nghiên cứu các thiết

bị, hệ thống tự động sử dụng trên tàu thuyền là việc làm cần thiết.

Nhà trường cần có những phương pháp thích hợp để giúp sinh viên nắm

được kiến thức một chách nhanh nhất trong thời gian có thể. Việc làm sinh động, cụ

thể hoá bài giảng là phương pháp cần thiết và hợp lý để giúp sinh viên tiếp thu kiến

thức một cách có hiệu quả nhất.

Nhận thấy đựơc ý nghĩa thực tiễn của nó. Tôi chọn đề tài: “Phân tích cơ sở

lý thuyết và mô phỏng đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống tự

động trên tàu thuỷ”. Nội dung của đề tài bao gồm:

- Cơ sở lý thuyết tự động.

- Đặc điểm và nguyên lý làm việc của hệ thống tự động phục vụ thiết bị năng

lượng và hệ thống tàu.

- Mô phỏng đặc điểm cấu tạo và và nguyên lý làm việc của một số hệ thống

phục vụ thiết bị năng lượng và hệ thống tàu.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, tuy nhiên tự động là một lĩnh vực rộng lớn, do

đó phạm vi nghiên cứu chỉ dừng lại ở những phần cơ bản. Hơn nữa thời gian thực

hiện đề tài là có hạn và kiến bản thân còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi

những thiếu sót nhất định. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy, cô và các

bạn đọc.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: Ths Nguyễn Đình Long đã

tận tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này.

Nha trang, tháng 11/2006

Sinh viên thực hiện

Đinh Xuân Toán

2

Chương 1

ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. Khái quát chung

Trong quá trình công nghiệp hóa đất nước, để tăng năng suất lao động, giảm

lượng nhân công chúng ta đã sử dụng ngày càng nhiều các trang thiết bị hiện đại để

điều chỉnh tự động các quá trình sản xuất, chế biến gia công và các quá trình làm

việc của các thiết bị phục vụ cho cuộc sống con người. Và khi áp dụng các biện

pháp tự động lên con tàu đã mang lại cho nó một diện mạo mới. Nhờ vào việc đơn

giản hóa các thao tác điều khiển, tăng tính cơ động, giảm lượng nhân công trên tàu,

đảm bảo tàu hoạt động ở chế độ có lợi nhất đã nâng cao khả năng khai thác của tàu,

hành trình chuyến biển dài hơn. Vì vậy đã nâng cao đáng kể tính kinh tế của một

chuyến biển. Trong các hệ thống động lực tàu thủy vấn đề điều chỉnh tự động và

điều khiển tự động ngày càng có ý nghĩa rất lớn.

1.2. Phạm vi và ý nghĩa đề tài.

Tự động hóa đã trở thành nhân tố gắn liền với sự phát triển của nền kinh tế,

gắn liền với tiến bộ không những cho hiện tại mà còn là xu hướng cho tương lai.

Ngành vận tải đường thủy Việt Nam ngày càng được trang bị hiện đại với các hệ

thống động lực được tự động hóa cao. Việc nắm vững nguyên lý cơ bản, hiểu rõ bản

chất của quá trình làm việc và đặc điểm của các cơ cấu tự động, trên cơ sở đó sử

dụng có hiệu quả các thiết bị tự động hiện có và tiến tới việc sửa chữa, chế tạo

những trang thiết bị mới là một hướng phát triển tất yếu.

Trong nhà trường, việc đào tạo nhân lực phục vụ cho hoạt động của tàu

thuyền phải đáp ứng đựơc yêu cầu thực tế đề ra. Với khối lượng kiến thức ngày

càng nhiều, đòi hỏi sinh viên phải nắm được trong một thời gian ngắn là rất khó.

Sinh viên sẽ khó có thể tiếp thu và tư duy vấn đề một cách sâu sắc nếu không có

phương pháp và cách thức giảng dạy hợp lý nhất. Giảng dạy phải đảm bảo phát huy

tính tích cực, tự giác, chủ động tư duy sáng tạo của người học, vun đắp lòng say mê

tìm hiểu, ý chí vươn lên.

3

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ thông tin, máy tính đã trở thành

công cụ giảng dạy không thể thiếu trong nhà trường. Ứng dụng tính năng của máy

tính, ta có thể cụ thể hoá các kiến thức, tạo các mô hình động thông qua phương

pháp mô phỏng. Nhờ đó giúp cho sinh viên trong thờigian ngắn có thể tiếp thu được

lượng kiến thức lớn, có khả năng hiểu sâu và bản chất của vấn đề. Giúp cho đối

tượng tiếp nhận có cái nhìn trực quan hơn, bước gần hơn đến thực tế.

Sinh viên cần biết tư duy, nhưng nhờ có điều kiện tiếp cân bài giảng thông

qua trực quan sẽ tiếp thu nhanh hơn, cũng cố sự tự tin khi tư duy được nghiệm đúng

qua trực quan. Đồng thời với sự sinh động của bài giảng sẽ tạo cho sinh viên có

hứng thú học tập, tìm hiểu bài học sâu hơn.

Để phục vụ cho việc giảng dạy môn học trang bị động lực trong nhà trường,

tôi đã tìm hiểu về các hệ thống tự động trên tàu thuỷ. Tuy nhiên tự động hoá là một

quá trình phát triển không ngừng và ngày càng đa dạng. Ở đây tôi chỉ đề cập đến

những cơ sở ban đầu, những hệ thống đơn giản, cơ bản phục vụ cho thiết bị năng

lượng và hệ thống tàu.

4

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỰ ĐỘNG

2.1. Khái quát chung về điều khiển

2.1.1. Khái niệm về điều khiển và điều chỉnh

Điều khiển là một tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá

trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó. Hệ thống điều

khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển

được gọi là điều khiển tự động. Điều chỉnh là một khái niệm hẹp hơn của điều

khiển.

Điều chỉnh là tập hợp tất cả các tác động nhằm giữ cho một tham số cần điều

chỉnh của quá trình ổn định hay thay đổi theo một quy luật nào đó.

2.1.2. Hệ thống tự động điều chỉnh

2.1.2.1. Khái niệm

Một hệ thống tự động điều chỉnh gồm hai thành phần cơ bản là đối tượng

điều chỉnh và thiết bị điều chỉnh, đối tượng điều chỉnh là thành phần tồn tại khách

quan có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh và nhiệm vụ cơ bản của điều chỉnh là

phải tác động lên đầu vào của đối tượng điều chỉnh sao cho đại lượng cần điều

chỉnh đạt được giá trị mong muốn. Thiết bị điều chỉnh là tập hợp tất cả các phần tử

của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều chỉnh tác động lên đối tượng. Giá trị

này được gọi là tác động điều chỉnh. Những tác động từ bên ngoài lên hệ thống

được gọi là tác động nhiễu.

Phương pháp để thiết bị điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh được gọi là

phương thức điều chỉnh. Có ba phương thức điều chỉnh là: Phương thức điều chỉnh

theo chương trình, phương thức bù nhiễu, điều chỉnh liên hợp và phương thức điều

chỉnh theo sai lệch. Trong kỹ thuật người ta thường sử dụng phương thức điều chỉnh

theo sai lệch.

Điều chỉnh tự động có thể điều hành dưới hai dạng cơ bản sau:

- Hệ thống điều chỉnh hở.

5

Hình H. 2-1. Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh hở.

- Hệ thống điều chỉnh kín.

Hình H. 2-2. Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh tự động kín.

Trong đó:

ĐT - Đối tượng điều chỉnh (điều khiển).

BĐC - Bộ điều chỉnh.

y - Thông số được điều chỉnh.

Xo - Giá trị cho trước của đại lượng được điều chỉnh.

e - Độ lệch điều chỉnh (điều khiển).

u - Tín hiệu điều chỉnh.

f - Tác động nhiễu loạn.

2.1.2.2. Sơ đồ tổng quát

Một hệ thống dù phức tạp đến đâu cũng bao gồm hai khối cơ bản là đối

tượng điều chỉnh và bộ điều khiển.

y

TBĐC ĐT

x u

y

f

y

e XO

BĐ

6

Hình H. 2-3. Sơ đồ tổng quát của hệ thống tự động điều chỉnh.

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ như sau: Cảm biến sẽ cảm nhận giá trị của

đại lượng được điều chỉnh và đưa tín hiệu này đến phần tử so sánh. Phần tử so sánh

sẽ so sánh tín hiệu đó với tín hiệu cho trước từ bộ tạo tín hiệu cơ sở và tạo ra một

hiệu độ lệch, qua khối chức năng sẽ tạo ra tín hiệu điều chỉnh theo giá trị sai lệch

đó, tín hiệu điều chỉnh này được khuếch đại lên khi qua bộ khuếch đại và tác động

lên phần tử thực hiện. Phần tử thực hiện sẽ tạo ra tác động điều chỉnh, tác động lên

cơ cấu điều chỉnh để làm thay đổi đại lượng điều chỉnh theo ý muốn của con người

thông qua tín hiệu chỉ huy.

Đối tượng điều chỉnh

Phần tử

thực hiện

Phần tử

cảm ứng

Bộ

khuếch đại

Phần tử

so sánh

Bộ tạo tín

hiệu cơ sở

Khối

chức năng

Tín hiệu chỉ huy

Bộ điều chỉnh

Tác động nhiễu loạn

7

2.1.2.3. Phân loại hệ thống điều chỉnh tự động

Có rất nhiều cách phân loại hệ thống điều chỉnh tự động. Với giới hạn của

phần lý thuyết nghiên cứu, ta chia hệ thống điều chỉnh tự động thành hai loại chính

phụ thuộc vào tính chất của các phần tử của hệ thống là: Hệ thống tuyến tính và hệ

thống phi tuyến tính.

Nếu tất cả các phần tử của hệ thống đều là tuyến tính thì hệ thống được gọi là

hệ tuyến tính. Chỉ cần một phần tử trong hệ thống mang tính phi tuyến thì hệ thống

được gọi là hệ phi tuyến tính. Phần cơ bản nhất của lý thuyết điều khiển tự động là

đi sâu nghiên cứu hệ tuyến tính. Đặc trưng cơ bản nhất của các phần tử tuyến tính là

chịu tác động của nguyên lý xếp chồng. Nghĩa là khi có một tổ hợp tín hiệu tác

động ở đầu vào của phần tử thì tín hiệu ra sẽ bằng tổ hợp tương ứng của các tín hiệu

ra thành phần. Hệ thống phi tuyến tính không chịu tác động của nguyên lý này.

2.2. Đặc tính tĩnh học và động học của hệ thống tự động điều chỉnh

2.2.1. Khái niệm về khâu (phần tử) và đặc tính tĩnh học và động học của khâu

2.2.1.1. Khâu (phần tử) cơ bản

Khâu cơ bản là khâu có tác động định hướng. Mỗi khâu được đặc trưng bởi

hai đại lượng là đại lượng vào (tín hiệu vào) và đại lượng ra (tín hiệu ra). Tín hiệu

được truyền từ đầu vào đến đầu ra theo một hướng nhất định, các hiện tượng được

nghiên cứu có thể khác nhau về mặt cấu trúc, tính chất vật lý, ứng dụng, số lượng

các phần tử thế nhưng chúng đều được tạo nên bởi sự kết hợp với nhau của các

phần tử cơ bản.

2.2.1.2. Đặc tính tĩnh học và động học của khâu

Việc nghiên cứu các khâu cũng như hệ thống tự động điều chỉnh được tiến

hành ở hai trạng thái, trạng thái tĩnh và trạng thái động.

Nghiên cứu tĩnh học hệ thống tự động điều chỉnh là nghiên cứu các điều kiện

bảo đảm các trạng thái cân bằng. Khi đối tượng đã xác định, việc tính toán tĩnh học

nhằm xác định thông số kết cấu của các bộ phận và bộ phận tự động điều chỉnh để

đảm bảo các giá trị cho trước của thông số điều chỉnh với một sai số nhất định.