class="bi x0 y0 w1 h1"
H o à n g M in h S ơ n
Cơ sớ Hi THỐNG
ĐiỀư KHIỂN quá trìn h
NHẢ XƯAT BAN BÀCH KHOA HA NỌI
- 2009 -
class="bi x0 y0 w1 h1"
class="bi x0 y0 w1 h1"
class="bi x0 y0 w1 h1"
Mục lục
Chương 1 Mờ ĐẦư 1
1.1 Điều khiển quá trình là gì? 2
1.1.1 Quá trình và các biến quá trình 2
1.1.2 Phân loại quá trình 5
1.1.3 Bài toán điều chỉnh và bài toán bám 6
1.1.4 Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình

7
1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

.

10
1.2.1 Vận hành ổn định
11
1.2.2 Năng suất và chất lượng sản phẩm 12
1.2.3 Vận hành an toàn 13
1.2.4 Bảo vệ môi trường 14
1.2.5 Hiệu quả kinh tế 15
1.3 Phân cấp chức năng điều khiến quá trình 16
1.3.1 Giao diện quá trình 17

2.1.3 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học 4Ỉ5
2.2 Tổng quan về quy trình mô hình hóa 477
2.2.1 Đặt bài toán mô hình hóa 477
2.2.2 Phẳn chia hệ thống 5(0
2.2.3 Xây dựng các mô hình thành phần 5il
2.2.4 Kết hợp các mô hình thành phần 5Í2
2.2.5 Phân tích và kiểm chứng mô hình 5Í2
2.3 Phân loại mô hình toán học 5Ỉ3
2.3.1 Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến 5i3
2.3.2 Mô hình đơn biến và mô hình đa biến 5)4
2.3.3 Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên 5)5
2.3.4 Mô hình tham số tập trung và mô hình tham số rả i

5)5
2.3.5 Mỏ hình liên tục và mô hình gián đoạn 546
2.4 Các dạng mô hình liên tục 5)7
2.4.1 Phương trình vi phân
5)7
2.4.2 Mô hình trạng thái 5)8
2.4.3 Mô hình đáp ứng quá đ ộ 6)3
2.4.4 Mô hình hàm truyền đ ạ t 0^6
2.4.5 Mô hình đáp ứng tần số 6:)9
2.5 Các mô hình gián đoạn 770
2.5.1 Phương trình sai phân 770
2.5.2 Mô hình trạng thái 771
2.5.3 Mô hình dáp ứng quá đ ộ 774
2.5.4 Các mô hình đa thức và hàm truyền đạt xung

776
2.5.5 Mô hình hàm truyền đạt gián đoạn


.

.

.

114
3.5 Tuyến tính hóa và mô hình hàm truyền đạt
115
3.5.1 Biến chênh lệch và mô hình hàm truyền đạt

115
3.5.2 Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc

117
3.5.3 Độ phi tuyến của mô hình

124
3.5.4 Tuyến tính hóa với phép đổi biến vào-ra 126
3.6 Mô phỏng quá trình 12S
3.6.1 Phân loại các phương pháp mô phỏng 129
3.6/2 Giải hệ phương trình vi phân (phi tuyến)

132
3.6.3 Giải hệ phương trình vi phân tuyến tính 134
3.6.4 Mô phỏng quá trình sử dụng MATLAB 134
3.7 Một số ví dụ quá trình tiêu biểu
142
3.7.1 Chuỗi ba thiết bị phản ứng liên tục đẳng nhiệt 142


367
7.3.1 Đảnh giá chắt lượng trên miền thời gian

367
7.3.2 Đánh giá chất lượng trên miền tần số 371
7.3.3 Phân tích chất lượng điều khiển tầng

380
7.4 Ghi chú và tài liệu tham khảo 384
7.5 Câu hỏi và bài tậ p 385
Chương 8 Chính định bộ điều khiển PID 389
8.1 Cơ sở chung 390
8.1.1 Các dạng mô hình quá trình thông dụng,

390
8.1.2 Xấp xi mô hình bậc cao - luật chia đôi 392
8.1.3 Các cấu hình điều khiển và kiểu bộ điều khiển

39«‘i
8.1.4 Đặc tính vòng điều khiển sử dụng bộ P ID 394
8.1.5 Lựa chọn luật điều khiển 399
8.2 Các phương pháp dựa trên đặc tính đáp ứng
402
8.2.1 Phương pháp dựa trên đáp ứng bậc thang

402
8.2.2 Phương pháp dựa trẽn đặc tính dao động tới hạn

403

8.5.1 Bộ dự báo Sm ith
437
8.5.2 Bộ diều khiến PI (lự báo 439
8.6 Ghi chú và tài liệu tham khảo 441
8.7 Câu hỏi và bài tậ p 445
Chương 9 T hiẾt kế cẤu trúc điỀư khiển cho quá trình đa biến 447
9.1 Giới thiệu chung 447
9.1.1 Cấu trúc điều khiển là gì? 447
9.1.2 Cơ sờ thiết kế cấu trúc diều khiển 452
9/2 Lựa chọn biến quả trình 453
9.2.1 Một số chỉ dần lựa chọn 454
9.2.2 Phân tích giá trị suy biến 457
9.3 Điều khiển đa biến/tập trung 460
9.4 Điều khiến đơn biến/phi tập trung 462
9.4.1 Cặp đôi các biến vào-ra 464
9.4.2 Tính ổn định của hộ (liều khiển phi tập trung

466
9.5 Ghi chú và tài liệu t.luim khảo
467
P hụ lục A 469
A.l Tóm tắt chuẩn ANSI/ISA 5.1 469
A.2 Tóm tắt chuẩn ANSI/ISA 5.2 474
A.3 Tóm tắt chuẩn ANSI/ISA 5.3 477
P hụ lục B 477
B.l Chuẩn vector và chuẩn ma trận 477
B.2 Chuẩn tín hiệu và chuẩn hộ thống 480
B.3 Phép phân tích giá trị suy biến (SVD) 483
B.4 Ma trận khuếch đại tương đối (RGA) 486
2 Chương 1 Mở DẦU

minh họa trên Hình 1-2. Một biến vào là một dại lượng hoặc một diều kiện phản
ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt
độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơ-le sợi đốt, Một biến ra là
một đại lượng hoặc một diều kiện thể hiện tác động cua quá trình ra bên Iigoài,
ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường
hay quá cao, Nhìn từ quan điểm của lý thuyết hệ thống, các biến vảo thế hiện
1.1 Điều KHIỂN QUẤ TRÌNH LÀ GÌ?
3
Dién vảo
r

— 1

1
Dién điều khiển Nhiều
Vật chất
Năng lượng
Thông tin
Hình 1-2: QuÁ THÌNH VÀ PHÂN LOẠI BIEN quá trình
nguyên nhản trong khi các biến ra thể hiện két quả (quan hệ nhân-quả). Bên
cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái. Các
biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ
lò, áp suất hơi hoặc mức chắt lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại
lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, á]) suất hoặc mức.
Trong nhiều trường hợp, một biến trạng thái cũng có thể được coi là một biến
ra. Ví dụ, mức nước trong một bỉnh chứa vừa có thế coi là một biến trạng thái,
vừa có thể coi là một biến ra.
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trinh là can thiệp
các biến vào của quá trình một cách hợp lý đổ các biến ra của nó thỏa màn các
chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiổu ảnh hưởng xấu của quá trinh kỷ thuật

Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của. quá trình có
thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn.
Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiến tiêu biểu nhắt.
Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp
trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu. Nhiễu tác dộng tới
quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ
hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiều có
đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise).
Nhiễu quả trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố
hữu nhưng không can thiộp được, ví dụ trọng lượng hảng cần nâng, lưu lượng
chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, v.v Còn nhiều đo hay nhiễu tạp là nhiễu
tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được.
Lưu ý rằng, cần phân biệt rạch ròi giữa các đầu vào/ra công nghệ và đầu
vảo/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống. Nhìn từ phía công nghệ thì các dầu vào và
đầu ra của một quá trình có thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan
điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới thông tin thể hiện qua các biến quá trình.
Hình 1-3 minh họa một bình chứa chất lỏng đdn giản cùng với các biến đặc
trưng. Đây là một quá trĩnh công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyến và
lưu trữ. Mặc dù chất lỏng chảy vào và ra khỏi bình, nhưng cả lưu lượng vào và
lưu lượng ra đều được coi là các biến vào, trong khi mức chất lỏng /i vừa có thể
coi là một biến trạng thái hoặc là một biến ra của quá trình. Bài toán điều khiến
đặt ra là thông qua điều chỉnh độ mở van cấp, thay đổi lưu lượng vào Fi một
cách hợp lý để duy trì mức trong bình h ổn định tại một giá trị mong muốn,
không phụ thuộc vào lưu lượng ra F0. Có thế dễ dàng thấy, mức chất lỏng li là
biến cần điều khiển và lưu lượng vào Fi là biến điều khiển. Trong khi đó, lưu
lượng ra F0 phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của quá trình tiếp theo, không thể
can thiệp được ở đây, vì vậy được coi là nhiễu quá trình hay nhiễu tái
Biến vàừ

Nhiễu F0 Biến ra

là đa biến.
Dựa trên đặc tính của những đại lượng dặc trưng (biến đầu ra hoặc biến
trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên
tục, quá trinh gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ. Trong một quá
trình liên tục, các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc
biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đâ đạt được trạng
thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành.
Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến tương tự, tức
chúng có thể lắy một giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn. Quá trình trao đổi
nhiệt, quá trình bay hơi, quá trinh vận chuyển chắt lỏng và chất khí là các ví dụ
quá trình liên tục tiêu biểu. Một quá trình gián đoạn (hay còn gọi là quá trinh
không liên tục) có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào
ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định.
6 Chương 1 Mở uẦu
Trong một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại
một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu
hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy, các đại
lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến
số nguyên, trường hợp đặc biệfr là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến
logic (cho các trạng thái logic). Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trình phục
vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ quá trình rời rạc tiêu biểu.
Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp {hệ laị hybrid system), có đặc
trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động
theo một qưy trình thao tác (công thức, recipe) cho trước và tồn tại trong một
khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ. Các đại lượng đặc trưng
của một quá trình mẻ bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt,
yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá
trình mẻ. Các quá trinh phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trình lên men
(bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ.
Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp

đặt (setpoint tracking). Điều khiển loại nhiễu cần duy trì biến được điều khiển tại
một giá trị đặt cố định, tức là phải triệt tiêu hoặc giảm hẳn ảnh hưởng của
nhiễu. Điều khiển bám giá trị đặt đưa quá trình tới một điểm làm việc mới,
trong đó biến được điều khiển cần bám nhanh và chính xác theo giá trị đặt đã
thay dổi. Qua minh họa trên Hình l-4b ta có thể thấy rõ các đáp ứng hệ thống
khác nhau giữa trường hợp thay đổi giá trị đặt với tác động nhiễu. Đối với các
quá trình vận hành liên tục, giá trị đặt ít thay đổi hoặc thay đổi trơn tru nên
yêu cầu loại bỏ nhiễu thực ra có vai trò quan trọng hơn.
1.1.4 Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình
Lĩnh vực ứng dụng điều khiển quá trình là các ngành công nghiệp chế biến, khai
thác và năng lượng. Để có thể thiết kế cũng như vận hành tốt các hệ thống điều
khiển quá trình, trước hết người kỹ sư điều khiển cần hiểu rõ các vắn đề đặc thù
trong lĩnh vực này.
Qui mô ứng dụng
Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá trình có quy
mô vừa và lớn, khác với điều khiển máy, điều khiển chuyển động hoặc điều khiển
các dây chuyền gia công, lắp ráp. Qui mô ở đây có thể được hiểu theo hai nghĩa,
quy mô về phạm vi chức năng điều khiển cần thực hiện và quy mô về mặt tổ
chức sản xuất. Mỗi nhà máy hóa chất, nhà máy lọc dầu, nhà máy xi măng hoặc
nhà máy điện đều bao gồm nhiều khu vực và phân đoạn liên quan tới nhau. Ví
dụ, một nhà máy nhiệt điện bao gồm các khu vực lò hơi, khu vực turbin-máy
8
Chương 1 Mờ ĐẦu
phát, hệ thống cắp than, hệ thống xử lý nước cấp và nước thải, trạm phân phối
và biến thế, Trong mỗi khu vực hoặc phân đoạn bao gồm nhiều tổ hợp thiết bị
và quá trình công nghệ (gọi là tổ hợp công nghệ). Mỗi tổ hợp công nghệ ở đây lại
bao gồm các quá trình nhiều vào-nhiều ra không dễ dàng điều khiển. Đương
nhiên hệ thống điều khiển cũng phải được thiết kế tương ứng vối cấu trúc của
nhà máy, song việc phân chia khu vực một cách hợp lý, và điều khiển phối hợp
các quá trình tương tác không phải là vấn đề đơn giản, số lượng điểm vào/ra có

khả năng đáp ứng tính thời gian thực của hệ thống. Tuy nhiên, phần lớn các đại
1.1 ĐlỀU KHIỀN QUÁ TRÌNH LÀ c;ì?
9
lượng đặc trưng của quá trình công nghệ diễn biến tương đối chậm nếu so với
các đại lượng của bài toán điều khiển chuyển động trong các ứng dụng gia công
cơ khí, vì thế yêu cầu về tính năng thời gian thực ít ngặt nghèo hơn. Các phương
phảp điều khiển được áp dụng ở đây có thể không phải xuất phát từ các lý
thuyết tiên tiến nhắt, nhưng là các phương pháp rất tin cậy và đả được kiểm
chứng nhiều trong thực tế.
Khả năng vận hành và điều khiến của quá trình
Khả nàng vận hành của một quá trình công nghệ liên quan tới thiết kế công
nghẹ và các điều kiện ràng buộc liên quan. Giới hạn vật lý của các trang thiết bị
cũng như những quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng là những trở ngại không
nhỏ trong việc thực hiện giải pháp điều khiển. Đặc biệt, các quá trình công nghệ
hiện đại thường được thiết kế tối ưu về mặt an toàn, tiết kiệm năng lượng và chi
phí đầu tư, nhưng lại gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế điều khiển. Ví dụ, các
bình chứa nhỏ tiết kiệm được chi phí và giảm thiểu nguy cơ rò rỉ hoặc cháy nổ
nhưng lại đặt ra một bài toán khó cho việc duy trì hệ thống vận hành ổn định
bởi sự tương tác mạnh giữa các quá trinh kế tiếp nhau. Thực tế là người kỹ sư
thiết kế điều khiển rất khó có thể can thiệp vào việc thay đổi thiết kế công nghệ.
Ngay cả khi quá trình công nghệ là một đối tượng dể điều khiển về mặt toán
học, tức là ta hoàn toàn có thể đưa ra các luật điều khiển để đạt các chỉ tiêu
chất lượng một cách lý tưởng, song các luật điều khiển đó không thể thực hiện
được do các điều kiện ràng buộc. Mỗi thiết bị chắp hành chỉ có hiệu lực trong
một phạm vi làm việc bởi sự ràng buộc về mặt vật lý. Đặc tính động học của
mỗi van điều khiển, mỗi động cơ hoặc máy bơm cũng chỉ có giới hạn, chúng
không thể tác động nhanh tùy ý theo yêu cầu của thuật toán điều khiển. Bên
cạnh đó, do yêu cầu về chế độ vận hành, một số biến trạng thái cũng như biến
ra cũng phải thỏa mãn một số điều kiện ràng buộc về giá trị và tốc độ biến
thiên. Điều này gảy ra khỏ khản lim cho người kỹ sư điều khiển, bởi hầu hết các

3. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố
cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong
trường hợp xảy ra sự cố.
4. Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí
thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và
khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu.
5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu
trong khi giảm chi phí nhân công, nguyẽn liệu và nhicn liệu, thích ứng nhanh
với yêu cầu thay đổi của thị trường.
Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ các chức năng điều khiển quá
trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa trên Hình 1-5. Hai
dòng nguyên liệu có thành phần chất A lần lượt là X\ và X2 được đưa vào thiết bị
khuấy trộn, tạo ra một sản phẩm có thành phần X theo yêu cầu. Lưu lượng khối
lượng của các dòng nguyên liệu được ký hiệu là W\ và U)2, có thể điều chỉnh qua
hai van cấp tương ứng. Quá trình pha chế được hỗ trợ bởi một hệ thống khuấy
trộn gắn động cơ. Dung dịch sản phẩm được đưa tới quá trình tiếp theo với lưu
lượng khối lượng w. Thiết bị khuấy trộn có thể hoạt động theo chế độ liên tục
hoặc theo mẻ, ở đây ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục.
1.2 Mục ĐÍCH VÀ CHỨC NĂNG DlỀư KHIẺN quá TRÌNH
11
Hình 1-5: ví DỤ THIẾT BỊ KHUẤY trộn đon giản
1.2.1 Vận hành ổn định
Đe đảm bảo một nhà máy vận hành ổn định và t.rơn tru, yêu cầu trước tiên là
từng tổ hdp công nghộ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự
phối hợp giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru. Trong lý thuyết điều khiển tự
động, chúng ta đã có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của một hệ thống
và cách xác định tính ổn định bằng các công cụ toán học và đồ họa. ơ đây tính
ổn định sẽ được diễn giải một cách thực tế, theo các yêu cầu vận hành của quy
trình công nghệ.
Có thể nói, một quá trình ổn định khi mà nó được duy trì ở trạng thái xác

có thể thay đổi do yêu cầu thay đổi giá trị đặt hoặc do tác động của nhiều và vì
thế có các quá trình quá độ. Ví dụ, nhiều thiết bị khuấy trộn có thể vận hành
theo mẻ với các sản phẩm khác nhau, hoặc trong khi vận hành liên tục người ta
có thể yêu cầu thay đổi lưu lượng hoặc nồng độ của sản phẩm ra. Bản thân
nhiều quá trình không có tính tự cân bằng (không ổn định), vì thế chỉ một thay
đổi nhỏ biến đầu vào cũng có thể đưa quá trình tới trạng thái mất ổn định. Bất
kể đặc tính động học của quá trình ra sao, giá trị đặt thay đổi hoặc tác động của
nhiễu thế nào, nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng
thái vận hành ổn định, có thể tại một điểm làm việc mới. Đó cũng chính là một
nhiệm vụ thuộc phạm vi chức năng điều chỉnh, chức năng quan trọng nhắt
trong một hệ thống điều khiển quá trình.
1.2.2 Năng suất và chất lượng sản phẩm
Trong lĩnh vực công nghệ hóa học và thực phẳm, chất lượng sản phẩm hầu hết
được thể hiện trực tiếp qua thành phần hóa học, nồng độ, mật độ và một số tính
chất hóa học hoặc vật lý khác. Trong khi đó, năng suất thường được thể hiện
qua lưu lượng sản phẩm. Nhiệm vụ đảm bảo chắt lượng sản phẩm và Iiăng suất
cũng thuộc về chức năng điều chỉnh.
Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản
phẩm. Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn. Đe đảm bảo chất
lượng sản phẩm, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại
một giá trị bất kỳ, mà phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và
nằm trong một phạm vi cho trước. Trong ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng
sản phẩm đòi hỏi thành phần ra không những ổn định mà còn phải đảm bảo
đúng theo một giá trị đặt trước, hoặc ít ra là với một sai lệch nằm trong phạm
vi cho phép. Như vậy sai lệch điều khiển, hay nói đúng hơn, diễn biến của sai
lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượnị
quan trọng.
1.2 Mục ĐÍCH VÀ CHỨC NẰNG DlỀu KHIEN QưẤ trình
13
Cần lưu ý rằng, chất lượng điều khiển có vai trò quyết định tới, nhưng không

Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ,
áp suất nằm trong một giới hạn an toàn cho phép. Do đặc thù của mỗi quá trình
công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng
sản phẩm, nhưng cùng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại gần một giá
trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm vi nhất định. Ví dụ, dù cho hệ thống
động cơ khuấy trộn có thể đạt tốc độ quay rắt cao thì yêu cầu an toàn của hệ
thống cũng không cho phép đặt một tốc độ cao tùy ý. Vì thế, việc khống chế tốc
14
Chương 1 Mở ĐẦư
độ động cơ là điều cần thiết. Cũng như vậy, mặc dù mức trong bình không anh
hưởng một cách quyết định tới chắt lượng sản phẩm được pha chế thì yêu cầu an
toàn cũng không cho phép giá trị mức quá cao, hoặc quá thấp rrià đồng thời hệ
thống động cơ khuắy đang hoạt động. Cho nên bài toán điều khiển mức ở đây
vừa đảm bảo nguyên lý cân bằng vật chất, vừa đảm bảo an toàn hệ thống.
Trong các ví dụ khác như nồi hơi hoặc thiết bị phản ứng thì việc điều chỉnh,
khống chế các giá trị mức, nhiệt độ, áp suất là các bài toán hết sức quan trọng.
Chức năng điều chỉnh chỉ là một trong hàng loạt biện pháp cằn thiết bảo
đảm vận hành an toàn cho hệ thống, cần lưu ý rằng, một hệ thống thiết bị tự
động tối tân nhất cũng vẫn có thể bị lỗi, ngay cả khi có cơ chế dự phòng thích
hợp. Vì thế, con người cần phải liên tục theo dõi diễn biến của quá trình và giám
sát trạng thái hoạt động của hệ thống thiết bị. Chức năng ghi chép (recordiĩig),
hiển thị (indication) và báo động (alarrn) giúp người vận hành theo dõi được các
tình huống bất thường của hệ thống điều khiển và của quá trình kỹ thuật, qua
đó có rihững thao tác can thiệp thích hợp.
Tuy nhiên, một người vận hành có trình độ cao và giầu kinh nghiệm đến mấy
cũng không tránh khỏi mắc sai lầm. Mặt khác, trong rất nhiều trường hợp người
vận hành không thể phát hiện đầy đủ hoặc phát hiện kịp thời nguy cơ sự cố
cũng như không thể có phương tiện can thiệp nhanh. Vì vậy, một hệ thống cùng
phải có khả năng ngăn cản các thao tác vận hành sai cũng như khả năng tự
động phát hiện các tình huống nguy hiểm và tự động thực hiện các chức năng

thị trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra)
cũng như tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu. Rõ ràng, bài toán đặt ra là ta
phải cân nhắc giữa chi phí cho các tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn
thiết bị) với chất lượng sản phẳm. Ví dụ, để cải thiện chất lượng điều khiển
nhiều khi ta cần các thuật toán tác động nhanh. Tuy nhiên, tác động nhanh
thường đồng nghĩa với việc tổn hao nhiều năng lượng cho các cơ cắu chấp hành
(động cơ, máy bơm, van điều khiển), đồng thời tác động nhanh cũng thường dẫn
đến giảm tuổi thọ cho các thiết bị. Cách giải quyết thông thường là đảm bảo
chắt lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm thiểu chi phí cho các tác
động điều khiển. Một cách giải quyết khác là xây dựng và giải quyết bài toán
điều khiển tối ưu, trong đó chất lượng điều khiển và chi phí điều khiển được đặt
chung với các trọng số khác nhau trong một hàm mục tiêu cần cực tiểu (điều
khiển tối ưu).
Không phải bao giờ cốc mục đích điều khiển cụng có thể dễ dàng hòa đồng.
Việc nâng cao hiệu quả kinh tế chưa chắc hòa đồng với mục đích bảo vệ môi
trường bởi chi phí bổ sung cho các hệ thống lọc bụi, xử lý khí thải và nước thải.
Việc nâng cao chất lượng sản phẩm chưa chắc đă đồng nghĩa với nâng cao hiệu
quả kinh tế bởi yêu cầu chi phí vận hành lớn. Nhưng nếu để nồng độ các chất
độc hại trong khí thải hoặc nước thải vượt quá một tiêu chuẩn cho phép thì có
khả năng nhà máy sẽ bị đóng cửa, hoặc nếu chất lượng sản phẩm xuống thấp
dưới một ngưởng tiêu chuẩn nào đó thì khách hàng sẽ không chấp nhận và lợi
nhuận sẽ bị sụt giảm nặng nề. Thật ra, mục đích cuối cùng của việc ứng dụng
điều khiển tự động các quá trình công nghệ vẫn là nâng cao hiệu quả kinh tế về
lâu dài. Thông thường, hệ thống vận hành càng gần với các điều kiện ràng buộc
thì chi phí vận hành càng nhỏ và lợi nhuận giành được sẽ là cao nhất. Một trong
những vai trò quan trọng của điều khiển là làm sao duy trì được chất lượng sản
16
C hương 1 M ờ ĐAU
Giới hạn ràng buộc trên
Điểm làm việc

hàng đầu. Tuy nhiên, trong nhiều dây chuyền sản xuất hiện đại, các quá trình
công nghệ diễn ra liên tục hoặc theo mẻ, các giá trị đặt có thể ít thay đổi hoặc
thay đổi liên tục. Bên cạnh đó, các yêu cầu về giảm tiêu thụ năng lượng, khả