Phương Pháp Điều Khiển Ổn Định Áp Suất Thủy Tĩnh Trong Luận Văn Tốt Nghiệp

Luận văn đồ án tốt nghiệp nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định áp suất thủy tĩnh liên tục, ứng dụng trong công nghiệp và kỹ thuật.

• Người hướng dẫn: Thầy Nguyễn Phúc Đáo
• Đề tài: Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hưng Yên

Tóm tắt

I. Hướng dẫn điều khiển

Phần này tập trung vào hướng dẫn điều khiển hệ thống thủy tĩnh, bao gồm các phương pháp và kỹ thuật để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Các bước điều khiển được trình bày chi tiết, từ việc thiết lập thông số đến việc kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống. Các phương pháp điều khiển vòng hở và vòng kín được phân tích, với ưu điểm của điều khiển vòng kín được nhấn mạnh.

1.1. Phương pháp điều khiển vòng hở

Phương pháp điều khiển vòng hở được sử dụng trong các hệ thống đơn giản, nơi không cần phản hồi từ đầu ra. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là không thể tự động điều chỉnh khi có sự thay đổi trong hệ thống.

1.2. Phương pháp điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng kín sử dụng phản hồi từ đầu ra để điều chỉnh đầu vào, giúp hệ thống ổn định hơn. Phương pháp này được ưu tiên trong các hệ thống phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao.

II. Ổn định áp suất

Phần này tập trung vào việc ổn định áp suất trong hệ thống thủy tĩnh. Các phương pháp đo và điều chỉnh áp suất được trình bày, bao gồm việc sử dụng cảm biến áp suất và các thiết bị đo lường khác. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của áp suất cũng được phân tích.

2.1. Phương pháp đo áp suất

Các phương pháp đo áp suất bao gồm đo trực tiếp và đo gián tiếp. Phương pháp đo trực tiếp sử dụng cảm biến đặt sát thành bình, trong khi phương pháp đo gián tiếp dựa trên biến dạng của thành bình.

2.2. Thiết bị đo áp suất

Các thiết bị đo áp suất như cảm biến áp suất và đồng hồ đo áp suất được giới thiệu. Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của từng thiết bị được trình bày chi tiết.

III. Áp suất thủy tĩnh

Phần này tập trung vào áp suất thủy tĩnh, định nghĩa và các yếu tố ảnh hưởng đến áp suất trong hệ thống thủy tĩnh. Các phương pháp tính toán và điều chỉnh áp suất thủy tĩnh được trình bày, cùng với các ứng dụng thực tế.

3.1. Định nghĩa áp suất thủy tĩnh

Áp suất thủy tĩnh là áp suất tạo ra bởi chất lỏng ở trạng thái tĩnh. Định nghĩa và công thức tính toán áp suất thủy tĩnh được trình bày chi tiết.

3.2. Ứng dụng áp suất thủy tĩnh

Áp suất thủy tĩnh được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thủy lực, cung cấp nước, và các ngành công nghiệp khác. Các ví dụ cụ thể về ứng dụng áp suất thủy tĩnh được đưa ra.

IV. Luận văn tốt nghiệp

Phần này tập trung vào việc luận văn tốt nghiệp về điều khiển ổn định áp suất thủy tĩnh. Các bước thực hiện luận văn, từ việc chọn đề tài đến việc phân tích và đánh giá kết quả, được trình bày chi tiết. Các khó khăn và cách khắc phục trong quá trình thực hiện luận văn cũng được đề cập.

4.1. Chọn đề tài

Việc chọn đề tài luận văn cần dựa trên các yêu cầu thực tế và khả năng của sinh viên. Các bước để chọn đề tài phù hợp được trình bày.

4.2. Phân tích kết quả

Phân tích kết quả là bước quan trọng trong luận văn. Các phương pháp phân tích và đánh giá kết quả được trình bày chi tiết.

V. Kỹ thuật điều khiển

Phần này tập trung vào kỹ thuật điều khiển được sử dụng trong hệ thống thủy tĩnh. Các kỹ thuật điều khiển PID, điều khiển vòng kín, và điều khiển vòng hở được trình bày chi tiết. Các ưu điểm và nhược điểm của từng kỹ thuật được phân tích.

5.1. Điều khiển PID

Điều khiển PID là kỹ thuật phổ biến trong điều khiển hệ thống. Các bước thiết lập và hiệu chỉnh bộ điều khiển PID được trình bày.

5.2. Điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng kín sử dụng phản hồi để điều chỉnh đầu vào, giúp hệ thống ổn định hơn. Các ứng dụng của điều khiển vòng kín được trình bày.

VI. Hệ thống thủy tĩnh

Phần này tập trung vào hệ thống thủy tĩnh, bao gồm các thành phần chính và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống cũng được phân tích.

6.1. Thành phần hệ thống

Các thành phần chính của hệ thống thủy tĩnh bao gồm bơm, van, cảm biến, và bộ điều khiển. Chức năng của từng thành phần được trình bày.

6.2. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy tĩnh dựa trên sự cân bằng áp suất và lưu lượng chất lỏng. Các bước hoạt động của hệ thống được trình bày chi tiết.

VII. Ứng dụng áp suất

Phần này tập trung vào ứng dụng áp suất trong các hệ thống thủy tĩnh. Các ứng dụng cụ thể trong các ngành công nghiệp như cung cấp nước, khai thác dầu, và chế biến thực phẩm được trình bày.

7.1. Ứng dụng trong cung cấp nước

Áp suất được sử dụng để điều khiển lưu lượng nước trong các hệ thống cung cấp nước. Các phương pháp điều khiển áp suất trong hệ thống cung cấp nước được trình bày.

7.2. Ứng dụng trong khai thác dầu

Áp suất được sử dụng để điều khiển lưu lượng dầu trong các hệ thống khai thác dầu. Các phương pháp điều khiển áp suất trong hệ thống khai thác dầu được trình bày.

VIII. Nghiên cứu áp suất

Phần này tập trung vào nghiên cứu áp suất, bao gồm các phương pháp nghiên cứu và phân tích áp suất trong hệ thống thủy tĩnh. Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tế được trình bày.

8.1. Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu áp suất bao gồm nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Các bước thực hiện nghiên cứu được trình bày chi tiết.

8.2. Phân tích kết quả

Phân tích kết quả nghiên cứu là bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển áp suất. Các phương pháp phân tích kết quả được trình bày.

IX. Phân tích áp suất

Phần này tập trung vào phân tích áp suất, bao gồm các phương pháp phân tích và đánh giá áp suất trong hệ thống thủy tĩnh. Các yếu tố ảnh hưởng đến áp suất và cách điều chỉnh được trình bày.

9.1. Phương pháp phân tích

Các phương pháp phân tích áp suất bao gồm phân tích lý thuyết và thực nghiệm. Các bước thực hiện phân tích được trình bày chi tiết.

9.2. Điều chỉnh áp suất

Điều chỉnh áp suất là bước quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Các phương pháp điều chỉnh áp suất được trình bày.

X. Tối ưu hóa áp suất

Phần này tập trung vào tối ưu hóa áp suất, bao gồm các phương pháp tối ưu hóa và cải thiện hiệu suất của hệ thống thủy tĩnh. Các kết quả tối ưu hóa và ứng dụng thực tế được trình bày.

10.1. Phương pháp tối ưu hóa

Các phương pháp tối ưu hóa áp suất bao gồm tối ưu hóa lý thuyết và thực nghiệm. Các bước thực hiện tối ưu hóa được trình bày chi tiết.

10.2. Ứng dụng tối ưu hóa

Tối ưu hóa áp suất được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thủy tĩnh để cải thiện hiệu suất và độ ổn định. Các ví dụ cụ thể về ứng dụng tối ưu hóa được đưa ra.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Từ yêu cầu của đề tài là: Xây dựng thuật toán điều khiển PID cho hệ thống điều khiển và ổn định áp suất. Qua việc nghiên cứu, tìm hiểu các hệ thống thủy lực trong thực tế chúng em xây dựng sơ đồ tổng quát của hệ thống như hình 1. Tín hiệu phản Van xả bằng tay BỘ ĐIỀU hồi từ cảm biến KHIỂN P Đồng hồ cơ ĐỘNG CƠ BƠM BIẾN TẦN BA PHA THỦY LỰC Van an toàn THÙNG CHỨA DẦU Hình 1.Mô hình tổng quát của hệ thống Trong mô hình trên gồm có: - Bộ điều khiển - Biến tần - Động cơ không đồng bộ ba pha - Bơm thủy lực - Cảm biến áp suất - Van thủy lực. Để hiểu rõ hơn về mô hình chúng ta sẽ đi tìm hiểu các thành phần chính có trong mô hình như bộ điều khiển, biến tần, động cơ, bơm…nhưng trước tiên chúng ta cần hiểu rõ hơn về đối tượng chúng ta cần điều khiển, ổn định đó là áp suất.Định nghĩa áp suất.

Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với diện tích của nó. 10 dF P dS Thương số này không phụ thuộc vào định hướng của bề mặt dS mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của nó trong chất lưu. Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi (gọi chung là chất lưu), áp suất là một thông số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng. Trong công nghiệp, việc đo áp suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cho thiết bị cũng như giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc thiết bị có sử dụng chất lưu.

Đơn vị chuần Pascal(Pa), ngoài ra còn có nhiều đơn vị đo áp suất khác bar, kg/cm2, atmosphe, cm cột nước, mmHg, mbar. l(Pa) = Newton/m2 Thường việc phân chia thang đo của máy đo áp suất được dùng với bội của đơn vị Pascal. Một số đơn vị đo áp suất Pa bar at atm Torr psi 1 Pa 1 10−5 1.Phương pháp đo áp suất. Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất.

- Đo trực tiếp chất lưu thông qua một điểm trên thành bình. 11 - Đo gián tiếp thông qua biến dạng của thành bình do tác động của áp suất gây lên. Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình. Trong trường hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do áp suất gây ra.

Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang bị thêm bộ phận chuyển đổi điện. Để sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất. Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình, biến dạng này là hàm của áp suất. - Dựa theo nguyên tắc chung là đo hiệu suất tổng và áp suất tĩnh.

- Có thể đo bằng cách đặt áp suất tổng lên màng trước, đặt áp suất tĩnh lên màng sau của màng đo, tín hiệu đưa ra là độ chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh.Thiết bị đo áp suất.  Cảm biến áp suất. Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện, thường được dùng để đo áp suất hoặc dùng trong các ứng dụng có liên quan đến áp suất. Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất cũng gần giống như các loại cảm biến khác là cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo của cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị về xử lý rồi đưa tín hiệu ra.

Áp suất Cảm biến Xử lý Ngõ ra Hình 1.Sơ đồ khối cảm biến áp suất Trong đó: - Áp suất: Nguồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng … - Cảm biến: Là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử lý. Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp suất sang dạng tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện … về khối xử lý. - Khối xử lý: Có chức năng nhận các tính hiệu từ khối cảm biến thực hiện các xử lý để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong đo áp suất như tín hiệu ngõ ra dòng điện 4 ~ 20 mA, điện áp 0~5 VDC, 0~10 VDC,1 ~ 5 VDC … 12 - Ngõ ra: Có thể là dòng điện(4 ~ 20 mA) hoặc điện áp(0 ~ 5 VDC, 0 ~ 10 VDC, 1 ~ 5 VDC).  Đồng hồ đo áp suất(áp kế).

Nhiều hệ thống thủy lực và đường ống hoạt động ở một áp suất thiết lập nào đó để hiệu suất làm việc là tối ưu nhất. Áp kế thủy lực sử dụng để đo áp suất trong hệ thống chất lỏng, để đảm bảo rằng hệ thống này không rò rỉ hoặc thay đổi áp suất, những dấu hiệu đó có thể làm ảnh hưởng đến hệ thống. Đồng hồ đo áp suất thủy lực dùng đo trong các hệ thống dầu, nhiên liệu, máy bơm,máy nén nước, phanh xe ô tô hoạt động ở áp suất cao. Một dạng phổ biến của áp kế thủy lực là áp kế dạng ống Bourdon.

Dạng này thường được lắp đặt khá nhiều ở các hệ thống thủy lực của các thiết bị xe, hay cơ cấu cánh tay trong nhà máy. Áp kế có nhiều loại với các dải đo khác nhau. Tùy thuộc vào mục đích đo và áp suất max của hệ thống mà ta lựa chọn loại áp kế cho phù hợp.Đồng hồ đo áp suất - Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo áp suất dạng này cực kỳ đơn giản: + Khi có lưu chất chảy qua (nước, dầu, khí nén…). Lưu chất len vào ống Bourdon làm ống này giãn ra.

+ Thông qua cơ cấu truyền động làm xoay trục kim đồng hồ giúp hiển thị giá trị áp suất. + Áp lực càng lớn dẫn đến ống bourdon càng giãn ra, kim đồng hồ xoay càng nhiều.Biến tần MM 440. Trong công nghiệp có nhiều loại biến tần khác nhau của các hãng Siemen, Danfoss, LS, Delta…trong đề tài chúng em lựa chọn biến tần MicroMaster 440 (MM440) của hãng Siemen.Vì đây là loại biến tần thông dụng, phổ biến trên thị trường Việt Nam với mức giá phù hợp và đáp ứng được yêu cầu công nghệ của đề tài. MM440 chính là họ biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các biến tần tiêu chuẩn.MM40 là bộ biến đổi tần số dùng điều khiển tốc độ động cơ 3 pha xoay chiều.

Có nhiều loại khác nhau từ 120W nguồn vào 1 pha đến 200kW nguồn vào 3 pha. Biến tần MM440 với các thông số đặt mặc định của nhà sản xuất, có thể phù hợp với một số ứng dụng điều khiển động cơ đơn giản. Biến tần MM440 cũng được dùng cho nhiều các ứng dụng điều khiển động cơ cấp cao nhờ danh sách các thông số hỗn hợp của nó.Biến tần MM 440.Nguyên tắc hoạt động MM440 thay đổi điện áp hay tốc độ cho động cơ xoay chiều bằng cách chuyển đổi dòng điện xoay chiều cung cấp thành dòng điện một chiều trung gian sử dụng cầu chỉnh lưu. Sau đó điện áp một chiều lại được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ với giá trị tần số thay đổi.

Nguồn cung cấp cho biến tần có thể sử dụng nguồn xoay chiều một pha (cho công suất thấp), hay sử dụng nguồn xoay chiều ba pha. Phần điện áp một chiều trung gian chính là điện áp trên các tụ điện, các tụ điện đóng vai trò san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu và cung cấp cho phần nghịch lưu. Điện áp trên tụ không điều khiển được và phụ thuộc vào điện áp đỉnh của nguồn xoay chiều cung cấp. Điện áp một chiều được chuyển thành điện áp xoay chiều sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung(PWM).

Dạng sóng mong muốn được tạo lên bởi sự đóng cắt ở đầu ra của các transistors. MM440 sử dụng các IGBTs (Insulated Gate 14 Bipolar Transistor) ở mạch nghịch lưu, điện áp xoay chiều mong muốn đựơc tạo ra bằng cách thay đổi tần số đóng cắt của các IGBTs. Điện áp xoay chiều ở đầu ra là sự tổng hợp của hàng loạt các xung vuông với các giá trị khác nhau ở đầu ra của các IGBTs.  Các đặc điểm chính.

- Dễ dàng lắp đặt, đặt thông số và vận hành. - Thời gian tác động lặp đến các tín hiệu điều khiển nhanh. - Các thông số hỗn hợp cho phép thực hiện được nhiều ứng dụng. - Có các đầu ra rơ le.

- Có các đầu ra tương tự (0 _ 20mA) - 6 cổng vào số cách ly NPN/PNP - 2 cổng vào tương tự - AIN1: 0-10V, 0-20mA và (-10V) – (+10V) - AIN2: 0-10V, 0-20 mA. - 2 đầu vào tương tự có thể dùng như cổng vào số 7 và 8. - Thiết kế các module với cấu hình cực kỳ linh hoạt. - Tần số chuyển mạch cao làm giảm độ ồn của động cơ khi làm việc.

Những chọn lựa ngoài cho truyền thông với PC, panel vận hành cơ bản (BOP), panel điều khiển cấp cao (AOP) và module kết nối mạng Profibus.  Các đặc tính làm việc - Điều khiển dòng từ thông để cải thiện tác động và điều khiển động cơ động. - Giới hạn dòng điện nhanh để làm việc với phần cơ khí dừng tự do. - Kết hợp hãm dùng dòng điện DC.

- Hãm kết hợp để cải thiện việc hãm động cơ. - Với chương trình điều khiển thời gian khởi động / dừng động cơ mềm. - Sử dụng chức năng điều khiển vòng kín PI.  Các đặc tính bảo vệ - Bảo vệ cho cả biến tần và động cơ.

- Bảo vệ quá áp và thấp áp. - Bảo vệ quá nhiệt biến tần. - Bảo vệ lỗi nối đất. - Bảo vệ ngắn mạch.

- Bảo vệ nhiệt động cơ 15 1. Các thông số kỹ thuật của biến tần MM440. Các thông số kỹ thuật của biến tần MM 440. Điện áp vào và công suất 200V đến 240V 1 AC ± 10% 0.12 - 3kW 200V đến 240V 3 AC ± 10% 0.12 - 45kW 380V đến 480V 3 AC ± 10% 0.37 - 75kW 200V đến 240V 1 AC ± 10% 0.75 + 75kW Tần số điện vào 47 đến 63Hz Tần số điện ra 0 đến 650Hz Hệ số công suất 0.