Cơ cấu tác động trong chương 6 của kỹ thuật điều khiển tự động 207003

Chuyên khảo phân tích 207003 chapter 6, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: C. Pham
• Trường học: Kỹ thuật điều khiển tự động
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động
• Đề tài: Cơ cấu tác động trong kỹ thuật điều khiển tự động
• Loại tài liệu: bài giảng
• Năm xuất bản: 2023

Mục lục chi tiết

• 6. Chương 6: Cơ cấu tác động
• 6.1. Cơ cấu đóng mở điện cơ
• 6.2. Phần tử tác động bán dẫn
• 6.3. Phần tử tác động thủy lực, khí nén
• 6.4. Động cơ điện
• 6.4.1. Động cơ DC
• 6.4.2. Động cơ DC không chổi than
• 6.4.3. Động cơ bước

Tóm tắt

I. Tổng quan về cơ cấu tác động trong kỹ thuật điều khiển tự động

Cơ cấu tác động là một phần quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động. Chúng đóng vai trò trung gian giữa bộ điều khiển và các thiết bị thực thi. Cơ cấu tác động nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và thực hiện các hành động cần thiết để điều chỉnh quá trình. Các loại cơ cấu tác động bao gồm cơ cấu điện, cơ cấu khí nén và thủy lực. Mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong công nghiệp.

1.1. Định nghĩa và vai trò của cơ cấu tác động

Cơ cấu tác động là thiết bị thực hiện các lệnh từ bộ điều khiển. Chúng có thể là công tắc, rơ le, hoặc động cơ. Vai trò chính của chúng là chuyển đổi tín hiệu điện thành hành động cơ học.

1.2. Các loại cơ cấu tác động phổ biến

Các loại cơ cấu tác động bao gồm: cơ cấu điện, cơ cấu khí nén, và cơ cấu thủy lực. Mỗi loại có cách thức hoạt động và ứng dụng riêng, từ việc điều khiển van đến động cơ.

II. Vấn đề và thách thức trong việc sử dụng cơ cấu tác động

Việc lựa chọn và sử dụng cơ cấu tác động không phải lúc nào cũng đơn giản. Có nhiều yếu tố cần xem xét như độ tin cậy, chi phí, và khả năng tương thích với hệ thống điều khiển. Các vấn đề thường gặp bao gồm sự cố kỹ thuật, độ trễ trong phản hồi và khả năng chịu tải. Những thách thức này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống.

2.1. Các vấn đề kỹ thuật thường gặp

Các vấn đề kỹ thuật như hỏng hóc, độ trễ trong phản hồi có thể làm giảm hiệu suất của hệ thống. Việc bảo trì định kỳ là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định.

2.2. Chi phí và hiệu suất của cơ cấu tác động

Chi phí đầu tư cho cơ cấu tác động có thể cao, nhưng hiệu suất mà chúng mang lại thường đáng giá. Cần cân nhắc giữa chi phí và lợi ích khi lựa chọn.

III. Phương pháp điều khiển cơ cấu tác động hiệu quả

Để tối ưu hóa hiệu suất của cơ cấu tác động, cần áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại. Các thuật toán điều khiển như PID, điều khiển mờ, và điều khiển thích nghi có thể giúp cải thiện độ chính xác và tốc độ phản hồi. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

3.1. Thuật toán điều khiển PID trong cơ cấu tác động

Thuật toán PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong điều khiển tự động. Nó giúp duy trì giá trị đầu ra ổn định bằng cách điều chỉnh tín hiệu điều khiển dựa trên sai số giữa giá trị thực và giá trị mong muốn.

3.2. Điều khiển thích nghi và ứng dụng của nó

Điều khiển thích nghi cho phép hệ thống tự điều chỉnh theo các điều kiện thay đổi. Phương pháp này rất hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và khả năng phản hồi nhanh.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cơ cấu tác động trong công nghiệp

Cơ cấu tác động được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất, tự động hóa và điều khiển quy trình. Chúng giúp tăng cường hiệu suất và độ chính xác trong các quy trình sản xuất. Ví dụ, trong ngành chế biến thực phẩm, cơ cấu tác động được sử dụng để điều khiển van và bơm, đảm bảo quy trình diễn ra suôn sẻ.

4.1. Ứng dụng trong ngành sản xuất

Trong ngành sản xuất, cơ cấu tác động giúp tự động hóa quy trình, từ việc đóng mở van đến điều khiển động cơ. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót.

4.2. Ứng dụng trong tự động hóa quy trình

Tự động hóa quy trình sản xuất yêu cầu các cơ cấu tác động hoạt động chính xác và đồng bộ. Việc sử dụng công nghệ hiện đại giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

V. Kết luận và tương lai của cơ cấu tác động trong kỹ thuật điều khiển tự động

Cơ cấu tác động sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật điều khiển tự động. Với sự phát triển của công nghệ, các cơ cấu tác động ngày càng trở nên thông minh và hiệu quả hơn. Tương lai hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến trong thiết kế và ứng dụng của chúng, giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy trong các hệ thống điều khiển.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ cơ cấu tác động

Công nghệ cơ cấu tác động đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các thiết bị thông minh. Những cải tiến này giúp nâng cao khả năng tự động hóa và giảm thiểu sự can thiệp của con người.

5.2. Tương lai của hệ thống điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển tự động sẽ ngày càng trở nên phức tạp và thông minh hơn. Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy vào các cơ cấu tác động sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Ch 6: Cơ cấu tác động • Bộ điều khiển nhận tín hiệu vào từ những cơ cấu cảm biến (sau khi qua phần xử lý tín hiệu) • Bộ điều khiển xuất tín hiệu ra, tác động lên những phần tử đóng/mở, phần tử tác động khí nén / thủy lực, van điều khiển quá trình, động cơ điện …Những phần tử này được phân vào nhóm cơ cấu tác động. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-1 6. Cơ cấu đóng mở điện cơ Toggle switch Công tắc cơ (mechanical switch) Là một thiết bị có thể đóng / mở, theo đó mà cho dòng điện chạy qua hay không. SPST switch SPDT switch (single-pole/single-throw) (single-pole/double-throw) DPDT switch (double-pole/double-throw)  C.

Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-2 6. Cơ cấu đóng mở điện cơ Normally open switch (NO) Normally closed switch (NC) Push-button NC and NO switch switch  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-3 6. Cơ cấu đóng mở điện cơ DIP switch Thumb-wheel  C.

Pham switch 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-4 6. Cơ cấu đóng mở điện cơ Rotary switch  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-5 6. Cơ cấu đóng mở điện cơ Membrane switch  C.

Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-6 6. Cơ cấu đóng mở điện cơ Rơ le (relay) Thiết bị sử dụng lực điện từ để đóng / mở các tiếp điểm – công tắc tác động bằng điện. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-7 6. Cơ cấu đóng mở điện cơ Tùy theo mục đích sử dụng, rơ le cũng có thể phân thành hai loại: rơ le bảo vệ và rơ le điều khiển.

Rơ le bảo vệ (rơ le nhiệt, rơ le điện áp, rơ le dòng điện, rơ le áp suất …) dùng để bảo vệ các mạch điện khỏi bị ảnh hưởng bởi các tác động không bình thường như quá tải, sụt áp … Temperature switch Liquid level switch Pressure switch Flow switch Biểu diễn chung:  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-8 6. Cơ cấu đóng mở điện cơ Rơ le thời gian (time-delay relay) Rơ le thời gian được thiết kế để trì hoãn thời gian đóng/mở tiếp điểm khi được kích hoạt. Time relay Time delay when the coil is energized Time delay when the coil is deenergized NO NC NO NC  C.

Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-9 6. Cơ cấu đóng mở điện cơ Công tắc tơ (contactor) và khởi động từ (motor starter) Rơ le cũng có thể được cấu tạo dùng để đóng/mở các mạch động lực, ví dụ như đóng ngắt, hãm, đảo chiều, khóa lẫn các thiết bị điện. Khi đối tượng là động cơ điện thì rơ le được gọi là khởi động từ, những trường hợp khác thì được gọi là công tắc tơ. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-10 6.

Phần tử tác động bán dẫn Các phần tử bán dẫn thường gặp trong hệ thống điều khiển làm nhiệm vụ đóng/mở và khuếch đại. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-11 6. Phần tử tác động bán dẫn Transistor lưỡng cực (BJT – Bipolar junction transistor) Transistor là một hệ thống gồm 3 lớp bán dẫn đặt tiếp giáp nhau, trong đó lớp ở giữa là loại bán dẫn có tính dẫn điện khác với hai lớp bên cạnh. Transistor có 3 điểm cực: cực gốc (B), cực thu (C), và cực phát (E).

Tùy theo trình tự sắp xếp các lớp bán dẫn P và N, ta có 2 loại transistor điển hình:  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-12 6. Phần tử tác động bán dẫn Hoạt động cơ bản của transistor dựa trên những phương trình sau: Với: : hệ số khuếch đại dòng IC: dòng cực thu IB: dòng cực gốc IE: dòng cực phát PD: công suất tiêu hao VCE: điện áp tiêu hao (giữa C và E)  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-13 6.

Phần tử tác động bán dẫn Điều kiện phân cực  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-14 6. Phần tử tác động bán dẫn Thí dụ: xác định dòng cực thu cho mạch bên dưới bằng cách dùng transistor có đường đặc tính như hình trên và có hệ số khuếch đại dòng  = 70. Giải: Dựa vào đường đặc tính  IB  1.

Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-15 6. Phần tử tác động bán dẫn Ứng dụng: khuếch đại, đóng/mở, và dao động…  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-16 6. Phần tử tác động bán dẫn SCR – silicon-controlled rectifier SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN.

Các tiếp xúc tạo ra 3 cực: cực A, cực K, và cực G. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-17 6. Phần tử tác động bán dẫn  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-18 6.

Phần tử tác động bán dẫn Mạch SCR đối với tải DC  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-19 6. Phần tử tác động bán dẫn Mạch SCR đối với tải AC  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-20 6.

Phần tử tác động bán dẫn Mạch SCR đối với tải AC Ứng dụng: đóng/mở mạch động lực, chỉnh lưu, và biến tần …  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-21 6. Phần tử tác động thủy lực, khí nén Nguyên lý làm việc  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-22 6.

Phần tử tác động thủy lực, khí nén Hệ thống thủy lực Hệ thống khí nén  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-23 6. Phần tử tác động thủy lực, khí nén Động cơ thủy lực Động cơ khí nén  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-24 6.

Phần tử tác động thủy lực, khí nén Xi lanh khí nén Xi lanh thủy lực  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-25 6. Phần tử tác động thủy lực, khí nén Van điều khiển: 3/2 Solenoid is deenergized Solenoid is energized  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-26 6.

Phần tử tác động thủy lực, khí nén Van điều khiển: 4/3 Solenoid ‘a’ is energized Solenoids are deenergized Solenoid ‘b’ is energized  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-27 6. Phần tử tác động thủy lực, khí nén  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-28  C.

Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-29 6. Động cơ điện DC motor Brushless DC motor Stepper motor AC motor  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-30 Động cơ DC Nguyên lý làm việc  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-31 Động cơ DC Lực tác dụng lên cuộn dây: với: F: lực tác dụng lên cuộn dây (N) I: dòng chạy qua cuộn dây (A) B: cường độ từ trường (G) L: chiều dài cuộn dây (m) : góc tạo bởi vectơ B và I  C.

Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-32 Động cơ DC Phần ứng động cơ DC Moment tạo ra với: T: moment động cơ KT: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ IA: dòng điện phần ứng : từ thông  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-33 Động cơ DC Khi phần ứng quay trong môi trường từ trường, một sức điện động sẽ xuất hiện trên các cuộn dây của phần ứng (ngược chiều với điện áp nguồn cấp vào phần ứng). với: EMF: điện áp tạo ra KE: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ : từ thông S: tốc độ động cơ (rpm) Điện áp thực trên phần ứng với: VA: điện áp thực trên phần ứng VTn: điện áp nguồn cấp vào phần ứng CEMF: điện áp tạo ra bởi động cơ IA: dòng điện phần ứng RA: trở kháng phần ứng  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-34 Động cơ DC Thí dụ: Một động cơ 12 Vdc có điện trở phần ứng là 10  và sức điện động tạo ra là 0.

Xác định dòng phần ứng thực tế khi động cơ làm việc ở vận tốc 0 rpm và ở vận tốc 1000 rpm. Giải: ta có • S = 0 rpm • S = 1000 rpm Lưu ý: khi động cơ làm việc, dòng điện trên phần ứng giảm đi  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-35 Động cơ DC Đường đặc tính (moment - tốc độ) của động cơ nam châm vĩnh cữu (permanent magnet)  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-36 Động cơ DC Thí dụ: Xác định tốc độ động cơ và dòng điện phần ứng trong những trường hợp sau:  C.

Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-37 Động cơ DC Thí dụ: Một động cơ DC PM sử dụng trong máy quay băng. Khi trả băng, động cơ làm việc ở 10 V với vận tốc 500 rpm. Để rút ngắn thời gian trả băng, nguời ta muốn động cơ làm việc với vận tốc 650 rpm. Khi đó moment tải ước tính sẽ tăng thêm 50%.

Hãy xác định điện áp phần ứng để động cơ đáp ứng được yêu cầu này. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-38 Động cơ DC Điều khiển động cơ • Bộ khuếch đại công suất: dùng các mạch khuếch đại tín hiệu tương tự • Bộ điều chế độ rộng xung: tạo ra các xung DC ở mức điện áp cố định  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-39 Động cơ DC • Mạch khuếch đại tín hiệu tương tự  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-40 Động cơ DC Đảo chiều động cơ  C.

Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-41 Động cơ DC • Mạch điều chế độ rộng xung Ưu điểm: • có dạng tín hiệu số - đóng/mở mạch, do đó có thể điều khiển trực tiếp từ máy tính (dùng 1 bit) mà không cần qua bộ DAC. • Hiệu quả về mặt năng lượng (ít tiêu hao công suất ở những mạch đóng/mở). Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-42 Động cơ DC  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-43 Động cơ DC không chổi than Nguyên lý làm việc của động cơ DC không chổi than 3 pha  C.

Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-44 Động cơ DC không chổi than Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển pha Ưu điểm: có độ ổn định cao, sử dụng hiệu quả và dễ điều khiển. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-45 Động cơ bước Nguyên lý làm việc  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-46 Động cơ bước Ảnh hưởng của tải lên động cơ  C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-47 Động cơ bước Chế độ kích • Động cơ 2 pha  C.

Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 6-48 Động cơ bước  C.