Nghiên cứu phương pháp lựa chọn lý thuyết đặc tính dòng chảy của van điều tiết

Thread Content

Nghiên cứu về phương pháp lựa chọn đặc tính dòng chảy của van điều tiết 1. Trong giai đoạn thiết kế hệ thống điều khiển quy trình, việc lựa chọn đúng đặc tính dòng chảy của van điều tiết (gọi tắt là việc lựa chọn) là một vấn đề kỹ thuật cần được giải quyết. Điều này có tác dụng quan trọng trong việc nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống. Theo các tài liệu hiện có, phương pháp lựa chọn lý thuyết vẫn đang được nghiên cứu và tìm tòi; trong quá trình thiết kế, người ta thường sử dụng các nguyên tắc kinh nghiệm để giải quyết vấn đề lựa chọn này. Tuy nhiên, các nguyên tắc kinh nghiệm được đưa ra trong các tài liệu khác nhau không hề giống hệt nhau; một số nguyên tắc kinh nghiệm thì lại không làm rõ phạm vi áp dụng của chúng. Ví dụ, đối với hệ thống điều khiển nhiệt độ ở đầu ra của bộ trao đổi nhiệt phổ biến, kết luận về việc lựa chọn phương thức truyền nhiệt có sự chuyển pha hay không có sự chuyển pha là khác nhau. Nếu không hiểu rõ lý thuyết lựa chọn mà cứ máy móc áp dụng các nguyên tắc kinh nghiệm, có thể dẫn đến việc lựa chọn sai lầm. Do đó, việc nghiên cứu các lý thuyết và phương pháp được chọn là rất cần thiết. Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phản hồi một vòng. Từ Hình 1 có thể thấy rằng, khi bộ điều chỉnh đã được cài đặt xong, thì Kc sẽ là một hằng số. Cơ sở lý thuyết để chọn giá trị này là Ko = Kv*Kp*Km ≈ hằng số. Trong đó: Ko, Kv, Km lần lượt là các hệ số khuếch đại của đối tượng tổng quát trong hệ thống, van điều chỉnh, đối tượng được điều khiển, và bộ cảm biến. Phân tích công thức (1) từ góc độ lựa chọn: Mục đích của việc sử dụng công thức (1) là để bù đắp giá trị của Kv cho Kp và Km, đồng thời thực hiện việc điều chỉnh phi tuyến cho Ko. Nếu trong quá trình hoạt động của hệ thống không có bất kỳ yếu tố gây nhiễu nào, tức là các giá trị Kp và Km vẫn không thay đổi, thì không cần phải tiến hành điều chỉnh phi tuyến. Bất kỳ loại van điều tiết dòng chảy nào được sử dụng cũng đều có thể đáp ứng các yêu cầu của phương trình (1). Vì vậy, nếu không có sự can thiệp nào thì cũng chẳng có vấn đề gì liên quan đến việc lựa chọn. Khi nghiên cứu các lý thuyết và phương pháp để lựa chọn, cần phải xem xét các yếu tố gây nhiễu để đánh giá mức độ phù hợp của chúng. (2) Quá trình lựa chọn được thực hiện dựa trên quy luật biến đổi của Kp và Km dưới tác động của các yếu tố gây nhiễu chính trong hệ thống; từ đó chọn ra giá trị Kv phù hợp với các điều kiện được nêu trong công thức (1), dưới tác động của những yếu tố gây nhiễu đó. Vì quy luật thay đổi của Km phụ thuộc vào mối quan hệ hàm số tự nhiên giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra của toàn bộ bộ cảm biến, nên nó không liên quan gì đến các yếu tố gây nhiễu. Do đó, chìa khóa để giải quyết vấn đề lựa chọn nằm ở việc xác định và nắm rõ quy luật thay đổi của Kv, Kp dưới tác động gây nhiễu chính của hệ thống. (3) Xét về các phương pháp được sử dụng trong các lý thuyết hiện có, thì về bản chất, tất cả đều là những phương pháp phân tích định tính, nhằm giải quyết vấn đề lựa chọn. Vì vậy, điều có ý nghĩa thực tế khi lựa chọn các van điều tiết là việc nắm rõ quy luật thay đổi của giá trị Kv của các loại van có tính chất điều tiết theo dạng tuyến tính, logaritmic hoặc kiểu mở nhanh, dưới tác động của các yếu tố gây nhiễu khác nhau. Điều này sẽ giúp chúng ta có cơ sở để lựa chọn phù hợp ； Việc tìm hiểu các phương pháp lựa chọn lý thuyết thường được sử dụng, cũng như xác định mức độ khả thi và tính phù hợp của chúng trong việc xác định quy luật biến đổi của Kp dưới tác động của các yếu tố gây nhiễu, sẽ có ý nghĩa hướng dẫn đối với các kỹ sư trong việc lựa chọn phương pháp phù hợp. Dựa trên phân tích trên, những nội dung mà các tài liệu thường đưa ra về việc lựa chọn thiết bị điều tiết còn tồn tại nhiều hạn chế. Cụ thể, những phân tích liên quan đến đặc tính dòng chảy của van điều tiết và giá trị Kv thường chỉ tập trung vào một khía cạnh nhất định; xét từ góc độ lựa chọn thiết bị, những phân tích này còn cần được xem xét kỹ lưỡng hơn ； Chỉ đưa ra quy luật thay đổi của giá trị Kv của các van trong điều kiện lý tưởng (tức là chênh lệch áp suất ΔPv trước và sau van luôn ở mức không đổi), nhằm phục vụ việc lựa chọn van phù hợp; phạm vi áp dụng của phương pháp này trong trường hợp có nhiễu vẫn chưa rõ ràng ； Không có các yếu tố gây nhiễu nào được xem xét để chứng minh tính khả thi trong việc xác định quy luật biến đổi của Kv, cũng như tính phù hợp của các phương pháp được sử dụng. Do đó, việc lựa chọn như vậy thiếu tính thực tiễn, cần được sửa đổi và bổ sung. Bài viết này nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên; phần tiếp theo sẽ thảo luận về những gì các tài liệu đã nói về đặc tính dòng chảy của van và giá trị Kv ； Bắt đầu từ việc thảo luận về các đặc tính dòng chảy của van và bốn dạng biểu diễn của Kv, chúng ta có thể suy ra bốn dạng biểu diễn khác nhau của Kv dựa trên các biến Q/Qmax, Q, C/Cmax hoặc C. Dựa vào phân tích về trạng thái của các biến này dưới tác động của các yếu tố gây nhiễu, chúng ta có thể xác định được quy luật thay đổi của Kv ở các loại van có đặc tính dòng chảy tuyến tính, logaritmic hay nhanh khi chúng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây nhiễu. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể xác định được phạm vi sử dụng phù hợp cho các loại van này ； Chứng minh tính khả thi trong việc xác định quy luật biến đổi của Kp dưới tác động của nhiễu, cũng như tính phù hợp của các phương pháp được sử dụng. 2. Tìm hiểu những gì các tài liệu nghiên cứu đã đề cập về đặc tính lưu lượng của van và giá trị Kv. 2.1 Phân tích trạng thái của các biến số dưới tác động của các yếu tố gây nhiễu. Để thuận tiện cho việc thảo luận sau này, cần phải hiểu rõ trạng thái của các biến số dưới tác động của các yếu tố gây nhiễu trước. Phương trình lưu lượng của van ở một mức mở nhất định hoặc khi van được mở hoàn toàn lần lượt là: (2) và (3). Trong đó: g là gia tốc trọng trường, là một giá trị hằng số ； ρ – mật độ; đối với chất lỏng không thể nén, giá trị của p là hằng số ； Khả năng dẫn lưu của van C— ； Cmax – Đây là giá trị dòng chảy tối đa mà van điều tiết có thể xử lý được. Về bản chất, đó chính là giá trị C tương ứng với dòng chảy tối đa của hệ thống, được tính toán dựa trên các thông số kỹ thuật. Trong các dòng sản phẩm van tiêu chuẩn, giá trị dòng chảy tối đa này được các kỹ sư xác định một cách hợp lý. Giá trị Cg là một hằng số; do đó, Cmax cũng là một hằng số. Dù sử dụng các nguyên tắc dựa trên kinh nghiệm hay các phương pháp lý thuyết, thì thông thường người ta cũng sẽ chọn ra trong số nhiều yếu tố gây nhiễu đó yếu tố xuất hiện thường xuyên nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đến biến số bị điều khiển y, để coi đó là yếu tố gây nhiễu chính của hệ thống. Còn các yếu tố gây nhiễu khác thì được coi là các giá trị hằng số. Có nhiều dạng nhiễu khác nhau; nhìn chung, chúng có thể được coi tương đương với hai loại gánh tải tổng quát (tức là nhiễu không phải kiểu Δpv) hoặc nhiễu kiểu Δpv. Do đó, dựa vào các công thức (2) và (3), có thể thấy rằng: (1) Áp lực tải trong hệ thống ổn định là nguồn nhiễu chính; còn các yếu tố gây nhiễu phụ như Δpv có thể được coi là các giá trị không đổi ； Qmax là hằng số ； Cmax là giá trị không đổi ； Q, C là các biến. (2) Trong hệ thống có giá trị cố định, Δpv là nguồn nhiễu chính; các yếu tố gây nhiễu phụ như tải trọng có thể được coi là các giá trị không đổi ； Δpv là biến số ； Cmax là giá trị không đổi ； Theo công thức (3), ta có Qmax∝Δpv; tức là Qmax là một hàm của các biến khác ； Trạng thái của Q có thể được phân tích như sau: Vì giá trị X là một hằng số, nên theo nguyên lý cân bằng vật chất hoặc năng lượng trong quá trình vận hành hệ thống, cũng như quá trình điều chỉnh của hệ thống, sự thay đổi do tác động của Δpv ban đầu sẽ nhanh chóng bị khắc phục bởi việc điều chỉnh độ mở của van. Khi hệ thống ở trạng thái ổn định, giá trị của Q vẫn giữ nguyên như trước khi có sự tác động của Δpv. Do đó, Q vẫn có thể được coi là một hằng số ； C thay đổi theo mức độ mở của van, vì vậy C là một đại lượng biến thiên. Các kết luận trên sẽ được sử dụng làm các điều kiện đã biết trong phần thảo luận tiếp theo. 2.2. Khảo sát các hình thức trình bày thông thường trong các tài liệu nghiên cứu: Đối với đặc tính lưu lượng của van, người ta thường xác định nó thông qua mối quan hệ giữa lưu lượng tương đối Q/Qmax của chất lỏng chảy qua van và quãng đường di chuyển tương đối của trục van L/Lmax. Công thức định nghĩa là Q/Qmax = f(L/Lmax) (4). Các đặc tính về lưu lượng của từng van, cũng như giá trị Kv, có thể được tóm tắt như trong Bảng 1. Bảng 1: Quy luật thay đổi của hằng số Kv trong các loại van
Van tuyến tính: K là hằng số, tức là hệ số khuếch đại của van điều tiết.
Van logarit: Kv ∝ Q; giá trị của Kv tăng dần từ nhỏ lên lớn.
Van mở nhanh: Kv ∝ 1/Q; giá trị của Kv giảm dần từ lớn xuống nhỏ.
Trong bảng này, K là hằng số tỷ lệ. Đối với van tuyến tính, K = 1 – 1/R; đối với van logarit, K = lnR; đối với van mở nhanh, K = (1 – 1/R²)/2 ； R là phạm vi điều chỉnh lý tưởng của van; R = Qmax/Qmin = Cmax/Cmin = 30. Đường cong đặc tính lưu lượng lý tưởng của các van được đề cập trong tài liệu có thể xem ở Hình 2. 1: Mở nhanh ； 2: Đường thẳng ； 3: Đồ thị logarit. Hình 2 thể hiện đặc tính dòng chảy lý tưởng. Khi phân tích các đặc tính dòng chảy của van dựa trên Hình 2, người ta sử dụng mối quan hệ giữa hai biến tương đối không có đơn vị là Q/Qmax và L/Lmax để mô tả chúng. Về bản chất, đây chính là cách để biểu diễn đặc tính dòng chảy tương đối của van. Vì vậy, biểu thức (4) nên được gọi chính xác là công thức định nghĩa đặc tính lưu lượng tương đối của van ； Hình 2 nên được gọi chính xác là đồ thị biểu diễn đặc tính lưu lượng tương đối lý tưởng của các van ； Vẽ các đường tiếp tuyến tại các điểm trên đồ thị trong Hình 2; sự thay đổi của độ dốc các đường tiếp tuyến này phản ánh quy luật thay đổi của hệ số khuếch đại tương đối của từng van, được biểu diễn bằng giá trị Q/Qmax (ký hiệu là K’VQ) ； Công thức toán học của đường tiếp tuyến chính là công thức định nghĩa hệ số khuếch đại tương đối của van: K’VQ = d(Q/Qmax) / d(L/Lmax) (5). Do đó, biểu thức mô tả đặc tính lưu lượng trong Bảng 1 nên được gọi chính xác là biểu thức mô tả đặc tính lưu lượng tương đối của van điều khiển. Từ công thức (5), ta có thể biết được biểu thức K’VQ của từng van (xem Bảng 2). Biểu thức này phản ánh quy luật thay đổi của K’VQ của các van trong điều kiện lý tưởng, được biểu diễn thông qua giá trị Q/Qmax. Từ công thức (3), ta thấy rằng trong điều kiện lý tưởng, Qmax là một hằng số. Do đó, quy luật thay đổi của K’VQ của các van có thể được biểu diễn dưới dạng hệ số khuếch đại K, được biểu thị bằng biến có đơn vị Q, như được trình bày trong Bảng 1. Vì vậy, đó chính là dạng biểu diễn quy luật thay đổi của Kv được trình bày trong Bảng 1. Do đó, quy luật biến đổi của K được trình bày trong Bảng 1, về bản chất, xuất phát từ quy luật biến đổi K’VQ của các van; điều kiện để quy luật này có hiệu lực là trong điều kiện hoạt động lý tưởng. Do đó, quy luật thay đổi giá trị Kv của các van được trình bày trong Bảng 1 chỉ có thể được sử dụng để lựa chọn van phù hợp; phạm vi áp dụng của chúng chưa rõ ràng, cần xác định rõ phạm vi ứng dụng trong trường hợp có nhiễu. (1) Tải trọng hệ thống có giá trị cố định là nguồn nhiễu chính: Với Δpv đã được xác định, Qmax có thể coi là một hằng số. Điều này phù hợp với các điều kiện áp dụng cho các quy luật biến đổi K’VQ hoặc KV của các van, như đã được phân tích ở trên; do đó, phương pháp này có thể được sử dụng trong việc lựa chọn các giá trị phù hợp. (2) Hệ thống có giá trị cố định Δpv là nguồn nhiễu chính ； Vì Δpv và Qmax là những giá trị biến đổi, nên chúng không phù hợp với các điều kiện xác lập quy luật biến đổi của các giá trị K’VQ hoặc KV. Hình 2 cũng không thể được sử dụng; do đó, phương pháp này không thể được áp dụng trong việc lựa chọn giá trị phù hợp. Do đó, xét từ góc độ lựa chọn, Bảng 1 nên được trình bày như trong Bảng 2. Bảng 2: Quy luật thay đổi của K’VQ dưới tác động của nhiễu tải
Quy luật thay đổi của Kv dưới tác động của nhiễu tải

Van tuyến tính: K’VQ = K, tức là giá trị của K’VQ không thay đổi, không phụ thuộc vào sự thay đổi của các yếu tố khác. Kv cũng là một hằng số, không phụ thuộc vào sự thay đổi của Q.

Van logarit: Giá trị của Kv tăng dần từ nhỏ lên lớn; Kv ∝ Q.

Van mở nhanh: Giá trị của Kv giảm dần từ lớn xuống nhỏ