Tài liệu Cơ sở khoa học nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN KỸ THUẬT HẠ TẦNG VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN ---------------*-------------- BÀI GIẢNG CAO HỌC CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC GS. TS.LÊ CHÍ NGUYỆN HÀ NỘI - 2013 MỞ ĐẦU Máy bơm và trạm bơm là một loại thiết bị và công trình được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân. Nhằm mục đích tưới tiêu và cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, đến nay chúng ta đã xây dựng nhiều trạm bơm lớn, nhỏ. Tất cả các trạm bơm trên đều do cán bộ kỹ thuật nước ta thiết kế, xây dựng và quản lý vận hành và đã phát huy hiệu quả tưới tiêu đảm bảo an toàn sản xuất nông nghiệp nâng cao năng suất và sản lượng cây trồng. Song song với các trạm bơm tưới tiêu có áp lực thấp xây dựng chủ yếu ở các vùng đồng bằng, các trạm bơm áp lực cao dùng để tưới cho các vùng đồi, cây chuyên canh, sử dụng các kỹ thuật tưới phun, tưới gốc…., các trạm bơm cấp nước cho các khu dân cư đang được xây dựng và phát triển. Để đáp ứng yêu cầu sản xuất, không ngừng hiện đại hóa hệ thống thủy lợi ở nước ta yêu cầu cấp thiết phải: 1. Nâng cao trình độ thiết kế, xây dựng đảm bảo công trình hiện đại, hợp lý. 2. Nâng cao trình độ khai thác vận hành để giảm chi phí quản lý, tăng hiệu quả tưới, tiêu và cấp thoát nước. Để đáp ứng các yêu cầu trên, cần thiết phải nghiên cứu để giải quyết những vấn đề sau đây : Về máy bơm : 1. Xác định được một gam bơm hợp lý phủ được toàn bộ các yêu cầu dùng bơm trong cả nước. 2. Hiện đại hóa thiết bị và trình độ chế tạo. 3. Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống dẫn dòng thủy lực (bánh xe cánh quạt, cánh hướng nước…) để nâng cao hiệu suất bơm, kết cấu bơm gọn nhẹ. 4. Nghiên cứu áp dụng các vật liệu mới nâng cao độ bền, giảm trọng lượng, chống khí thực, nước va… Về trạm bơm: 1. Nghiên cứu xác định quy mô tối ưu các hệ thống tưới tiêu bằng động lực. 1 2. Nghiên cứu xác định các thông số thiết kế hợp lý Zh, Zt, H, Q… cho các trạm bơm tưới, tiêu và cấp nước. 3. Nghiên cứu các kết cấu nhà trạm phù hợp với các loại thiết bị bơm và yêu cầu về nền móng và các điều kiện tự nhiên khác. 4. Nghiên cứu hình dạng và cấu tạo hợp lý các công trình hút nước, tháo nước. 5. Phương pháp tính toán tối ưu mạng ống tưới và cấp nước. 6. Nghiên cứu lập chương trình điều khiển, vận hành tối ưu các trạm bơm và hệ thống tưới tiêu cấp nước bằng động lực. Những vấn đề trên được giải quyết dựa vào các cơ sở. - Lý thuyết phân tích hệ thống - Lý thuyết tối ưu - Lý thuyết về thủy lực và cơ chất lỏng - Các phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý… Cuốn sách này giúp người đọc nâng cao một số kiến thức chủ yếu về máy bơm, trạm bơm và cung cấp một số vấn đề cơ sở có thể áp dụng để giải quyết các bài toán về hệ thống tưới tiêu và cấp nước bằng động lực. CHƯƠNG I: ĐẶC TÍNH MÁY BƠM VÀ TRẠM BƠM 1.1. ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH MÁY BƠM 1.1.1. Đường đặc tính máy bơm cánh quạt: 2 • Máy bơm cánh quạt là máy bơm có bánh xe công tác (BXCT) gắn cnh quạt v khi BXCT quay sẽ truyền năng lượng cho chất lỏng. • Đây là loại máy bơm được dng phổ biến nhất và được nghin cứu đầy đủ nhất. Máy bơm cánh quạt được phn ra thnh 3 loại theo hướng của dịng chảy chuyển động trong máy bơm so với trục bơm: - M¸y b¬m ly t©m - M¸y b¬m hưíng trơc - M¸y b¬m hưíng chÐo MBLT MBHC MBHT Đặc tính công tác của mỗi loại máy bơm biểu thị bằng các đường đặc tính máy bơm. Đường đặc tính máy bơm là đường quan hệ giữa các thông số cột nước H, công suất N, hiệu suất và đặc tính hút (Độ cao chân không cho phép, độ cao hút cho phép hoặc độ dữ khí thực) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D. Với một máy bơm (D = const) làm việc với số vòng quay n = const có một họ đường đặc tính gồm H = f(Q), η = f(Q), N = f(Q), ∆H(NPSH) = f(Q) (hoặc [H CK ] = f(Q)). Họ đường đặc tính này có dạng khác nhau tùy theo loại khác nhau của máy bơm cánh quạt. Máy bơm cánh quạt có 3 loại : - Bơm ly tâm : n S ≤ 300 - Bơm hướng chéo n S > 300 ÷ 500 - Bơm hướng trục n S > 500 Dạng đường đặc tính của ba loại máy bơm cánh quạt này (hình 1.1) có khác nhau. 3 Η η Ν Η η Ν η=f(Q) Η A' A η Ν η=f(Q) η=f(Q) B Η=f(Q) B' Η=f(Q) Ν=f(Q) Ν=f(Q) Q a. Bơm ly tâm C C' Η=f(Q) Ν=f(Q) Q Q b. Bơm hướng chéo c. Bơm hướng trục Hình1 : Dạng đường đặc tính máy bơm cánh quạt * Máy bơm ly tâm, là loại máy bơm truyền lực ly tâm cho chất lỏng, có hệ số tỷ tốc n S ≤ 300. Họ đường đặc tính bơm ly tâm biểu thị ở hình 1-1a. Dạng đường H = f(Q) có dạng cong trơn, phạm vi hiệu suất cao rộng, Đường N = f(Q) tăng dần theo lưu lượng. Máy bơm hướng trục truyền lực nâng cho chất lỏng có n S ≥ 500 có họ đường đặc tính biểu thị ở hình 1.1.c. Đường H = f(Q) và N = f(Q) giảm với tốc độ lớn theo Q tăng và xuất hiện các cực đại và cực tiểu. Vùng từ cực đại C về phía Q giảm đột ngột. Đường hiệu suất η = f(Q) nhọn nên phạm vi hiệu suất cao thường rất bé. Máy bơm hướng chéo (hỗn lưu) là loại máy bơm truyền cho chất lỏng cả lực ly tâm và lực nâng, hệ số tỷ tốc n S = 300 ÷ 500. Các dạng đường đặc tính đều nằm trung bình giữa đường đặc tính của hai loại máy bơm li tâm và hướng trục. Đặc biệt đường N = f(Q) thay đổi rất ít khi Q thay đổi làm cho động cơ làm việc khá ổn định. 1.1.2. Sự tương tự của đường đặc tính máy bơm. Việc xác định các đường đặc tính máy bơm bằng lý thuyết có rất nhiều khó khăn. Vì vậy hiện nay để có các đường đặc tính mỗi loại máy bơm đều dựa vào kết quả thí nghiệm đồng thời dùng phương pháp tương tự và phân tích thứ nguyên làm cơ sở để tổng hợp phát triển kết quả thí nghiệm. Phương pháp tương tự và thứ nguyên cho ta tìm được các quy luật quan hệ giữa cột nước H = f(Q,n,D), công suất N = f(Q,n,D) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D, khi đồng dạng hình học giữa 2 máy bơm đã được xác lập, tức là tỷ số kích thước hình học của hai bộ phận dẫn l l2 D D2 1 1 dòng của 2 máy bơm luôn luôn không thay đổi (= = const ). 4 Với một máy bơm (D = const) lưu lượng Q và số vòng quay n là đại lượng xác định chế độ làm việc của bơm; Tính chất của chất lỏng được biểu thị bằng mật độ ρ và hệ số nhớt µ. Đối với chất lỏng là không nén được, sự chuyển động của chất lỏng trong máy bơm có thể được xác định bằng các thông số có thứ nguyên D,Q,n,ρ,µ. Cột nước H do bơm tạo ra cho chất lỏng và công suất N biểu thị qua mô men quay M được xác định bởi dạng chuyển động của chất lỏng trong bánh xe cánh quạt, do đó nó sẽ được xác định bởi các thông số có thứ nguyên nêu trên. Công thức thứ nguyên của các thông số trên : D = (m); Q = (m3/s); n = (1/s); ρ = (KG.s2/m4); µ = (KG.s/m2). Theo lý thuyết về thứ nguyên thì số tổ hợp các đại lượng không thứ nguyên m sẽ bằng hiệu số của số đại lượng có thứ nguyên p và số đại lượng có thứ nguyên độc lập k. Ở đây số tổ hợp của các đại lượng không thứ nguyên m = p – k = 5 – 3 = 2. Do đó ta có 2 tổ hợp nD 3 Qρ và Q Dµ Tổ hợp thứ nhất có dạng của số Raynôn và tổ hợp thứ hai có dạng số Strukhan. Qρ nD 3 ; ). Qµ Q Ta có đại lượng thứ nguyên của mô men quay M = ρn 2 f M ( và công suất N = ρn3D5 f M ( Q ρ nD 3 ; ) Dµ Q Đại lượng không thứ nguyên của cột nước có thể xác định bằng tỷ số : H=  Q ρ nD 3  D 2n2 fM  ,  g  Dµ Q  Các quan hệ trên chưa tính đến tổn thất bề mặt thành khe cánh quạt và các tổn thất ổ trục. Cột nước H và công suất N phụ thuộc vào Qρ hạn chế bằng một vùng Dµ rộng, trong đó hiện tượng chuyển động có tương tự cơ học khi: 1. Hai máy bơm đồng dạng hình học. 2. nD 3 Đảm bảo quan hệ = const Q 5 Từ đó ta có các công thức đồng dạng :  Q1 D13 n1  = 3  Q2 D2 n2  H D12 n12 1 = 2 2   H 2 D2 n2 N D 5 n3  1 = 15 13  N 2 D2 n2 Nếu tính đến tổn thất bề mặt có thể viết: Q1 Q2 H1 H2 N1 N2 = = = D13 n1 η d 1 D23 n2 η d 2 D12 n 21 η t1 D22 n 2 2 η t 2 D15 n 31 η c1 D25 n 3 2 η c 2 6 1.1.3. Đường đặc tính tổng hợp máy bơm Với cùng một máy bơm thì D1 = 1 , các loại tổn thất thủy lực, tổn thất dung D2 tích và tổn thất cơ khí trong một phạm vi rất rộng thay đổi không đáng kể. Vì vậy quan hệ đồng dạng có dạng : Q1 n1 H1 n12 N1 n13 = = = ; ; Q2 n2 H 2 n22 N 2 n23 Trong vùng mô hình tự động có thể coi η = const đối với các điểm nằm trên đường parabol. H = H1 2 Q Q12 Từ các kết quả thí nghiệm máy bơm ứng với số vòng quay cho trước có thể vẽ lại đường đặc tính khi số vòng quay thay đổi. Và ta có đường đặc tính tổng hợp của máy bơm (hình 1 – 2). Đường đặc tính tổng hợp máy bơm có được bằng cách trên cùng một đồ thị vẽ các đường đặc tính H i = f(Q) ứng với số vòng quay n i = const và đường đẳng hiệu suất η. Ηm 25 20 15 n=960 v/ph 10 750 5 0 600 500 40 80 120 160 Q l/s Hình 2: Đường đặc tính tổng hợp máy bơm Xác định các đường đặc tính của một máy bơm bằng thí nghiệm thường có những khó khăn và tốn kém. Vì vậy khi đã có một đường đặc tính với một số vòng quay nào đó người ta có thể mở rộng phạm vi hoạt động của bơm ứng với 7 các số vòng quay cần thiết và hiệu suất của máy bơm sẽ đạt được ứng với một giá trị cột nước và lưu lượng. Đường đặc tính tổng hợp máy bơm xác định bằng các công thức đồng dạng trên đây sẽ có mức độ chính xác cần thiết vì trong điều kiện mô hình tự động thì hiệu suất thủy lực, hiệu suất dung tích và hiệu suất cơ khí trong bơm sẽ giữ không đổi trong giới hạn rất rộng và được sử dụng phổ biến trong xác định điểm làm việc của bơm điều tốc, ứng dụng biến tần để thay đổi vòng quay của bơm. 1.1.4. Đường đặc tính toàn phần của bơm Khi máy bơm làm việc bình thường số vòng quay n, lưu lượng Q, cột áp H và mô men quay M có trị số dương. Trong trường hợp có sự cố ở mức độ nào đó, máy bơm sẽ làm việc trong chế độ thuận nghịch. Đường đặc tính toàn phần của một máy bơm biểu thị tính năng máy bơm trong các trạng thái công tác quá độ đó. Nếu biểu thị : = h H Q = %; q % HH QH = α n M = %; m % nH MH Trong đó hệ số h, q,α, m là tỷ số giữa cột nước, lưu lượng, số vòng quay và mô men quay so với chế độ định mức (ứng với η max ). Quan hệ giữa các hệ số trên được biểu thị trên hệ tọa độ hình (1.3) và gọi là đường đặc tính toàn phần của máy bơm. 8 α= nnH % +100 150 % 0 +5 -50% 100 B A I h=0 G -q -150 -100 C 50 -50 D -100 m= 0 E 100 0 m= 150 200 q= Q % QH F h=0 0% 0 +1 0 -50 0% -10 50 -150 % 0 +5 -50% 0% -10 -α Hình 3: Đường đặc tính toàn phần của máy bơm Ghi chú : : Đường m : Đường h Quy ước như sau: Quay thuận chiều (n>0), quay ngược chiều (n<0) Bơm thuận chiều : H>0, Q>0; Tự chảy qua máy bơm Q>0, H<0 Chảy ngược qua máy bơm Q<0, H>0 Từ quan hệ đó cho thấy đường đặc tính toàn phần chia làm 8 khu vực : 1. Khu vực A : Lưu lượng có trị số dương (lưu lượng bơm lên) và bơm quay thuận chiều (n>0) : bơm làm việc với trạng thái bơm thuận chiều. 2. Khu vực B : Bơm quay thuận nhưng lưu lượng chảy ngược trong trường hợp này bơm nhận được năng lượng của dòng chảy (bắt đầu chảy ngược n>0, H>0, Q<0). 3. Khu C là khu vực máy bơm làm việc theo trạng thái tuốc bin (n<0, Q < 0, H>0) (Chảy ngược từ bể tháo qua máy bơm). 9 4. Khu D là khu vực máy bơm quay ngược, lưu lượng chảy ngược, máy bơm làm việc ở trạng thái hãm tiêu hao năng lượng ở dòng chảy và cả động cơ (Từ trạng thái Turbin sang trạng thái tự chảy n < 0, Q <0; H>0). 5. Khu E có n < 0 và Q> 0 và H>0 thuộc trạng thái làm việc bơm chuyển động ngược (kết thúc trạng thái bơm quay ngược bắt đầu chuyển sang trạng thái tự chảy qua bơm). 6. Khu F có n < 0 nhưng Q > 0, H < 0 và M < 0 thuộc trạng thái hãm (hãm chảy ngược khi bơm quay ngược, chuyển sang tự chảy từ bể hút qua bơm). 7. Khu G có n > 0, Q > 0 Nhưng cả H < 0, M < 0 là giai đoạn có trạng thái tuốc bin chuyển ngược (Tự chảy qua bơm nhưng vẫn còn mômen quay ngược theo đà). 8. Khu I có n > 0, Q > 0, M > 0, nhưng H < 0 là khu vực hãm (Hãm tự chảy qua bơm, chuyển sang bơm thuận chiều). 1.1.5. Số học hóa đường đặc tính máy bơm Đường đặc tính của một máy bơm được xác định từ thí nghiệm. Để có thể sử dụng trong tự động hóa thiết kế hoặc điều hành có thể biểu thị đường đặc tính dưới dạng hàm số phương trình số học. Có thể biểu thị các đường đặc tính H = f(Q), [H CK ] = f(Q) và N = f(Q) dưới dạng đường cong bậc 2. Theo E.A.Grepera thì sai số về lưu lượng không quá 6% và cột nước không quá 3%. Các phương trình như sau :  H =a0 ( x) + a1 ( x)Q + a2 ( x)Q 2  2 [ H CK ] =b0 ( x) + b1 ( x)Q + b2 ( x)Q  2  N =c0 ( x) + c1 ( x)Q + c2 ( x)Q Trong đó : a0 ( x), b0 ( x), c0 ( x); a1 ( x), b1 ( x), c1 ( x); a2 ( x), b2 ( x), c2 ( x); là các hệ số phụ thuộc vào các thông số điều chỉnh x. Nếu không điều chỉnh, các hệ số trên là hằng số phụ thuộc từng loại máy bơm và có thể xác định bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Chẳng hạn muốn tìm a 0 , a 1 , a 2 ta lấy 3 điểm bất kì trên đường H ∼ Q, tìm tọa độ được hệ 3 phương trình với 3 ẩn số a 0 , a 1 , a 2 . Giải hệ 3 phương trình này ta được a 0 , a 1 , a 2 . Thông số điều chỉnh ở đây là góc nghiêng cánh quạt hoặc các vòng quay khác nhau. 10 Chẳng hạn nếu máy bơm hướng trục có 6 khả năng thay đổi góc nghiêng cánh quạt thì sẽ có tương ứng 6 phương trình số học khác nhau biểu thị quan hệ H = f(Q); [H CK ] = f(Q) và N = f(Q). Ngoài phương pháp số học hóa, để giải trên máy tính, có thể cho bằng bảng các đường đặc tính của máy bơm. 1.2. MÁY BƠM LÀM VIỆC TRONG HỆ THỐNG 1.2.1. Điểm công tác máy bơm Một máy bơm làm việc trong hệ thống sẽ làm việc ổn định tại một điểm, đó là điểm công tác máy bơm. Điểm công tác máy bơm là điểm gặp nhau giữa hai đường : đường đặc tính máy bơm H = f(Q) và được đặc tính yêu cầu : H yc . H yc = H dh + h t = H dh + SQ2. Ở đây : H dh : cột nước bơm địa hình. h t : tổng tổn thất thủy lực trên đường ống hút và ống đẩy của máy bơm. Trong khu vực bình phương sức cản có thể viết : h t = SQ2 với S là hệ số tổn thất. Có nghĩa là điểm công tác là điểm cân bằng giữa năng lượng cung cấp của máy bơm và năng lượng yêu cầu ở môi trường sử dụng bơm. H = f(Q) = H dh + SQ2 Η η Η=f(Q) ηA Α ΗΑ [ΗCK]Α η=f(Q) Ηyc=Hdh+SQ [ΗCK]=f(Q) QA Q Hình 4 : Điểm công tác máy bơm 11 Nếu đặt H dh = f(Q) – SQ2 thì điểm công tác máy bơm có thể tìm được khi biết H dh = Z t - Z h . Ở đây : Z t , Z h là cao trình mực nước tháo và mực nước hút. Nếu biểu thị cột nước máy bơm : H = a 0 (x) + a 1 (x)Q + a 2 (x)Q2 thì: H dh = a 0 (x) + a 1 (x)Q + [a 2 (x) – S]Q2 hay: a 0 (x) + a 1 (x)Q + [a 2 (x) – S]Q2 – H dh = 0 Nếu cột nước địa hình là hằng số H dh = Z t - Z h = const thì phương trình trên sẽ có dạng một phương trình bậc hai cho phép có thể xác định giá trị nghiệm Q A và từ đó xác định H A của điểm công tác A. 1.2.2. Máy bơm làm việc song song Có n máy bơm làm việc song song cùng làm việc chung với một đường ống (hình 1.5) + Hệ thống làm việc cân bằng khi : P M1 = P M2 = …. = P Mn + Áp lực tại M do các máy bơm tạo nên : P M = P Mi = P hi + γ[H i – (Z M - Z hi ) - VM2 − Vhi2 − hti ] 2g Trong đó : - P hi , Z hi và V hi : áp lực, cao trình và lưu tốc ống hút tại bể hút. - P M , Z M và V M : áp lực, cao trình và lưu tốc tại điểm M. - h ti : Tổn thất của đường ống máy bơm i từ bể hút đến M. - H i : Cột nước bơm máy i + Để bơm nước lên cao trình Z N đáp ứng áp lực P N và lưu tốc V N , áp lực tại M phải bằng : PM VN2 − VM2 = P N + γ(Z N - Z M ) + + htMN 2g Trong đó : - P N , Z N , V N áp lực, cao trình, lưu tốc của mặt cắt cuối cùng của hệ thống (mặt nước bể tháo). 12 - h tMN : tổn thất thủy lực ống chính (M – N) Như vậy muốn làm việc chung thì tại M phải có áp lực cân bằng đối với các máy bơm, tức là : P M = P Mi = const Áp lực P M do các máy bơm i sinh ra phải cân bằng với yêu cầu về áp lực tại M. Muốn cho áp lực tại M cân bằng thì cột nước do bơm tạo ra phải đảm bảo để khắc phục cột nước địa hình và tổn thất M – N. - Để tìm đường đặc tính chung khi ghép song song n máy bơm, từ đường đặc tính của các máy i (1,……, n). H i = f i (Q) Xác định các đường PMi γ = fi (Q) tức là : PM 1 γ PM 2 = γ = ............. = PMn (1) γ n Q = ∑ Qi (2) i =1 N(PN, ZN, VN) M(PM, ZM, VM ) I P h1 Z h1 V h1 n II P h2 Z h2 V h2 P hn Z hn V hn Hình 5 : Máy bơm ghép song song Từ quan hệ trên vẽ đường đặc tính chung của n máy. - Điểm công tác là giao điểm của đường đặc tính chung ở trên với đường đặc tính yêu cầu. 13 1.2.3. Máy bơm làm việc nối tiếp. Khi cột nước cần lớn mà cột nước bơm bé thì cần mắc nối tiếp hai hoặc nhiều máy bơm . (hình 1- 6) Có n máy mắc nối tiếp : H 1 = f 1 (Q) H 2 = f 2 (Q) …. H n = f n (Q) Thì : Q = Q 1 = Q 2 =… = Q n = H n Hi ∑= n ∑ f (Q) =i 1 =i 1 i Trong đó : Q, H lưu lượng và cột nước làm việc chung của các máy bơm nối tiếp Điểm công tác : H yc = H dh + SQ2 = n ∑ f (Q) i 1 Từ đây tìm được Q và các thông số khác Zt Hdh Zh I II Hình 6 : Hai máy bơm ghép nối tiếp 14 Câu hỏi thảo luận 1. Với trạm bơm cụ thể (máy bơm đã xác định : số máy, loại máy. Hình thức công trình đã xác định). Để nâng cao hiệu quả phục vụ của các trạm bơm thì biện pháp quản lý phải thế nào? 2. Các yêu cầu cần đạt được khi điều chỉnh điểm công tác của máy bơm (nói chung và nói riêng với trạm bơm làm nhiệm vụ tưới, tiêu). Các phương pháp điều chỉnh điểm công tác của máy bơm trong hệ thống. 15 CHƯƠNG II GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT PHN TÍCH HỆ THỐNG V ỨNG DỤNG 2.1. HỆ THỐNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG 2.1.1. Định nghĩa Hệ thống l một tập hợp cc phần tử được sắp xếp theo một trật tự nào đó, có mối tác động tương tác lẫn nhau tạo thnh một tập hợp đầy đủ. Hệ thống cơng trình trạm bơm l một tập hợp cc phần tử: nguồn nước -> trạm bơm -> knh v cơng trình trn knh -> khu tưới; cĩ mối tác động tương hỗ lẫn nhau thnh một tập hợp đầy đủ lm nhiệm vụ đặt ra (tưới, tiu, kết hợp tưới tiu). 2.1.2. Các đặc trưng của hệ thống 1. Cấu trc hệ thống Cấu trc hệ thống l sự sắp xếp cc phần tử trong hệ thống theo một trật tự nào đó cùng với các tác động tương tác giữa chng. Cấu trc của hệ thống được mơ tả ty thuộc vo mục đích nghiên cứu của hệ thống. Một hệ thống thực, nhưng mục đich nghiên cứu khc nhau sẽ cĩ sự mơ tả cấu trc khc nhau. Mỗi thnh phần tham gia vo cấu trc của hệ thống được đặc trưng bởi tham số nào đó gọi l tham số cấu trúc. Như vậy, nói đến cấu trúc có nghĩa là đ kể đến những tham số đặc trưng cho cấu trc v mối quan hệ qua lại giữa cc thnh phần của cấu trc ấy. Cc thơng số về cấu trc của hệ thống bao gồm: Nhiệm vụ trạm bơm, quy mơ trạm bơm, vị trí đặt trạm bơm, kết cấu nh trạm, chủng loại my bơm, diện tích khu tưới, kích thước mặt cắt knh, chiều dài kênh, đặc điểm v số lượng cc cơng trình trn knh. 2. Thơng tin vo, ra của hệ thống Cĩ thể định nghĩa như sau: - Thơng tin vo của hệ thống l tập hợp tất cả các “ tác động” vo hệ thống để nhận được cc thơng tin ra của hệ thống. - Thơng tin ra của hệ thống l tập hợp tất cả những đặc trưng mà người nghin cứu quan tâm khi có tác động tương ứng ở đầu vo. Như vậy, lựa chọn thơng tin vo, ra cũng phụ thuộc vo mục tiu nghin cứu. Nĩi tĩm lại ci gì cần quan tm ta coi đó là thông tin ra, cịn ci gì lm thay đổi thông tin ra được coi l thơng tin vo của hệ thống. 16 + Cc thơng tin vo của hệ thống trạm bơm bao gồm: các điều kiện khí tượng thủy văn; nguồn nước; nhu cầu nước; loại cy trồng; cơ cấu cy trồng; tập qun canh tc; gi thnh sản phẩm. + Cc thơng tin ra của hệ thống trạm bơm bao gồm: quy trình điều khiển; quản lý; vận hnh hệ thống nh trạm bơm knh; cơng trình trn knh; cc chỉ tiu kinh tế, kỹ thuật. - Các thông tin vào và ra được đặc trưng bởi một đại lượng nào đó có thể coi l cc biến v gọi l biến vo, biến ra. Nếu các đại lượng này là các đại lượng phụ thuộc vo thời gian gọi l cc qu trình vo, ra hoặc l cc hm vo, ra của hệ thống. - Cc biến vo của hệ thống bao gồm cả cc biến điều khiển được v cc biến không điều khiển được. Ví dụ, khi vận hnh một trạm bơm tiêu, quá trình mưa, bốc hơi là các biến vào không điều khiển được, lưu lương bơm qua trạm bơm tiêu là biến vào điều khiển được. Biến ra của hệ thống cĩ thể l qu trình năng lượng tiu hao cho trạm bơm tiêu là hàm của cc biến vo, cũng cĩ thể l sự biến đổi mực nước trong khu tiu. 3. Trạng thi của hệ thống v biến của trạng thi Trạng thi của hệ thống l một đặc trưng quan trọng của bài toán điều khiển hệ thống. Với tác động từ bn ngồi hệ thống sẽ “chuyển động” theo một quỹ đạo biến đổi theo thời gian. Quỹ đạo chuyển động của hệ thống tại thời điểm bất kỳ phụ thuộc vo trạng thi của nĩ ở thời điểm trước đó và những tác động từ bn ngồi ở chính thời điểm đó. Hệ thống m trạng thi của nĩ ở một thời điểm nào đó không những phụ thuộc vào tác động từ bn ngồi ở chính thời điểm đó, mà cịn phụ thuộc vo trạng thi của nĩ ở những thời điểm trước đó gọi l hệ thống cĩ nhớ. Đối với hệ thống cĩ nhớ người ta đưa vào một loại biến đặc trưng cho trạng thi của nĩ, gọi l biến trạng thi. Biến trạng thi l một hm của thời gian. Trong trường hợp m trạng thi của hệ thống chỉ phụ thuộc vào tác động bn ngồi ở chính thời điểm đó gọi l hệ thống khơng cĩ nhớ thì việc mơ tả thm biến trạng thi l khơng bắt buộc. Sự mơ tả hệ thống trình by trn đây cần được hiểu nghĩa đầy đủ theo ý nghĩa tốn học của nĩ, tức l sự mơ tả biến vo, biến ra của hệ thống cĩ thể khơng trng với “ ci vo”, “ci ra” của hệ thống thực. Như vậy, cng một hệ thống thực nhưng mục đích nghiên cứu khc nhau thì sự mơ tả hệ thống, bao gồm cc biến ra v biến trạng thi cũng khc nhau. Khi mơ tả hệ thống, điều quan trọng nhất của người lm hệ thống l phải xác định được đâu là biến vo, biến ra và đặc trưng nào là biến trạng thi. Ngồi ra, 17 cũng phải mơ phỏng được qu trình trao đổi thơng tin giữa cc thnh phần trong hệ thống, quan hệ giữa biến vo, biến ra v biến trạng thi. 2.1.3. Phn loại hệ thống Phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống, mục đích nghiên cứu m cĩ cch phn loại khác nhau. Dưới đây là một số loại hệ thống đặc trưng: - Hệ thống với mơ hình vo, ra: Loại ny khơng cho biết cấu trc bn trong của hệ thống m chỉ cho biết quan hệ tương tác giữa cc biến vo v biến ra. Hệ thống loại ny cĩ tn l “ hộp đen” (hình trn). Đối với hệ thống trn, biến vo v biến ra cĩ thể l hm của thời gian. Cch mơ tả ny phụ thuộc loại hệ thống khơng cĩ nhớ, tức l kết quả ở đầu ra tại một thời điểm chỉ phụ thuộc vào tác động tại đầu vo ở chính thời điểm đó. Quy trình sản xuất sản phẩm khp kín l loại hệ thống ny. Với đầu vào quy định về vật liệu, thnh phần v quy trình cơng nghệ xác định ra được sản phẩm như tiu chuẩn. - Hệ tĩnh v hệ động: Hệ tĩnh l hệ m cc khơng gian biến của hệ thống khơng phải l hm của thời gian. Hệ động l hệ cĩ chứa biến trạng thi v cc biến vo, biến ra đều l hm của thời gian. Hệ tĩnh là trường hợp ring của hệ động khi cc hm thời gian được lấy bình qun trong một khoảng thời gian nào đó. 18 - Hệ có điều khiển v hệ không có điều khiển - Hệ thống cĩ mơ tả cấu trc bn trong – Hộp trắng: Khc với loại hộp đen các hệ thống loại hộp trắng cĩ thm cc biến trạng thi. Việc đưa vào không gian biến trạng thái giúp ta phân tích được “quỹ đạo chuyển động” của hệ thống hoặc đoán biết được xu hướng pht triển của hệ thống trong tương lai. Do đó người nghin cứ định hướng được các tác động vo hệ thống để đạt được mục tiu mong muốn. Cấu trc bn trong của hệ thống cịn phải được mơ tả bằng cc biến gọi l thơng số cấu trc, vì rằng cc thơng số ny sẽ quyết định sự truyền thơng tin từ đầu vào đến sự thay đổi trạng thi v cc phản ứng ở đầu ra. Một hệ thống m mối quan hệ giữa biến vo, biến ra v biến trạng thái được mơ tả một cch chặt chẽ bằng cc biểu thức tốn học gọi l hệ cĩ “cấu trc chặt”, ngược lại l hệ thống “phi cấu trc”, loại hệ thống có đặc tính trung gian gọi l hệ thống cĩ “ cấu trc yếu”. Hệ thống không có điều khiển l hệ m cc thơng tin vo khơng chứa cc biến điều khiển được, ngược lại l hệ có điều khiển. Nĩi chung, biến điều khiển v biến trạng thi l cc biến độc lập nhau, nhưng trong một số trường hợp, biến trạng thi cũng chính l biến điều khiển. - Hệ thống trạm bơm thuộc loại ny. Cấu trc bn trong hệ thống được mơ tả bằng cc biến gọi l thơng số cấu trc như: chủng loại my bơm, kết cấu nh trạm, ống ht, ống đẩy. - Hệ thống cĩ "cấu trc yếu" - Hệ thống trạm bơm có điều khiển. Thơng số điều khiển ở đây là: điều khiển số vịng quay, điều khiển tổn thất trên đường ống ht, ống đẩy; điều khiển độ mở cống để điều khiển mực nước bể ht trạm bơm tưới đặt trong đê. 19