Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LÊ HỮU THÀNH
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Thái Nguyên - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Thái Nguyên - 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự thực hiện tổng hợp và nghiên
cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Quốc
Khánh
. Trong luận văn có sử dụng một
số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tác giả luận văn
Lê Hữu Thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỤC LỤC
MỤC LỤC …………………………………………………………………………… I
DANH MỤC BẢNG BIỂU VI
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VII
LỜI NÓI ĐẦU VIII
CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 1
1.1. Tổng quan về điều khiển quá trình 1
1.1.1. Khái niệm quá trình và các biến quá trình 1
1.1.2. Mục đích của điều khiển quá trình 2

21
) 47

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3.1.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến mức L (G
22
) 48
3.2. Nghiên cứu tác động xen kênh của hệ thống 50
3.2.1. Khi hệ thống chưa có bộ tách kênh De - Coupler 50
3.2.2. Khi hệ thống có bộ tách kênh De - Coupler 52
3.3. Phân tích ảnh hƣởng các tham số đến chất lƣợng hệ điều khiển 53
3.3.1. Xét ảnh hưởng của hệ số khuyếch đại xen kênh đến sự tương tác. 53
3.3.2. Chỉnh định lại bộ điều khiển khi hệ số khuyếch đại tương tác nhỏ
01


. 54
3.3.3. Xét ảnh hưởng các tham số của mạch vòng tương tác tới tác động xen kênh. 55
3.3.4. Điều khiển phân ly hệ đa biến. 56
3.3.5. Điều kiện điều khiển phân ly feedforward hệ đa biến. 57
3.3.6. Ảnh hưởng của K
p
đối với vòng điều khiển 58
3.3.7. Ảnh hưởng của hằng số thời gian τ
p
tới vòng điều khiển 60
3.3.8. Ảnh hưởng của thời gian chết θp tới vòng điều khiển 61
3.3.9. Ảnh hưởng của KP khi loại bỏ tác động xen kênh 62
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐA

Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển. 12
Hình 2.1. Hình ảnh thực tế của van điều khiển 14
Hình 2.2. Hình dáng của van từ trong thực tế 15
Hình 2.3. Hình ảnh của 5 rơ-le MY4N sử dụng trong bàn thí nghiệm 16
Hình 2.4. Hình ảnh cảm biến mức trong thực tế 16
Hình 2.5. Hình ảnh thực tế của cảm biến đo nhiệt sử dụng trong mô hình 17
Hình 2.6. Hình ảnh của bộ Quick Disconnect trong thực tế 17
Hình 2.7. Hình ảnh của thiết bị đo lưu lượng của OMEGA 18
Hình 2.8. Hình ảnh thực tế của bình nóng lạnh 19
Hình 2.9. Hình ảnh bơm trong thực tế 19
Hình 2.10. Hình ảnh của nguồn cấp một chiều SD823 trong thực tế 20
Hình 2.11. Hình ảnh của máy biến áp trong thực tế 20
Hình 2.12. Hình ảnh thực tế của bình chứa trong mô hình thí nghiệm 21
Hình 2.13. Hình ảnh bình trộn trong thực tế 21
Hình 2.14. Hình ảnh về AC800 22
Hình 2.15. Hình ảnh về các dạng kết nối I/O tới bộ điều khiển 23
Hình 2.16. Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển và I/O 25
Hình 2.17. Hình ảnh của AI810 26
Hình 2.18. Hình ảnh của AO810 27
Hình 2.19. Hình ảnh của DO810 28
Hình 2.20. Hình ảnh tổng thể của mô hình sau khi lắp đặt 29

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 2.21. Hình ảnh giao diện của Control Builder 29
Hình 2.22. Tạo thư viện và kết nối với các thư viện yêu cầu 30
Hình 2.23. Tạo các dạng dữ liệu trong Control Builder M 31
Hình 2.24. Tạo các khối Control Modules trong Control Builder M 32
Hình 2.25. Cấu hình và kết nối đầu vào ra trong Control Builder M 33
Hình 2.26. Hình ảnh giao diện của My ePlant 34

Hình 4.9. Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC
70
Hình 4.10. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC
70
Hình 4.11. Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 71
Hình 4.12. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 71
Hình 5.1. Khởi động OPC Server Configuration 73
Hình 5.2. Thiết lập giá trị đặt cho biến quá trình 73
Hình 5.3. Bảng điều khiển bằng tay 74
Hình 5.4. Bảng điều khiển PID 74
Hình 5.5. Quá trình khởi động khi chưa có bộ De-coupler 75
Hình 5.6. Quá trình khởi động khi có bộ De-Coupler 76
Hình 5.7. Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi chưa có De-coupler 76
Hình 5.8. Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi có De-coupler 77
Hình 5.9. Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi chưa có De-coupler 77
Hình 5.10. Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi có De-coupler 77
Hình 5.11. Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi chưa có De-coupler 78
Hình 5.12. Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi có De-coupler 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển 24
Bảng 2.2. Bảng liệt kê thiết bị kết nối với bộ điều khiển 25
Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật của AI810 26
Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của AO810 27
Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của AO810 28
Bảng 3.1. Tìm hiểu hệ số khuếch đại xen kênh – yếu tố thể hiện tác động qua lại của

Van từ
LT

Level Transmitter
Thiết bị đo mức
TT

Temperature Transmitter
Thiết bị đo nhiệt
FT

Flow Transmitter
Thiết bị đo lưu lượng
PI

Pump In
Bơm đầu vào
PO

Pump Out
Bơm đầu ra
DS
Driect Synthesis
Tổng hợp trực tiếp
IMC
Internal Model Control
Điều khiển mô hình nội Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- Thiết kế và cài đặt được hệ điều khiển đa biến trong thí nghiệm
4. Phƣơng pháp nghiên cứu:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Nghiên cứu lý thuyết
- Tham khảo các sách giáo khoa, giáo trình tài liệu…. về hệ điều khiển
quá trình đa biến.
- Tìm hiều nghiên cứu về mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình, các
thiết bị điều khiển ….
Mô phỏng :
- Thiết kế hệ điều khiển, mô hình hóa mô phỏng trên phần mềm Matlab
Thực nghiệm:
- Ứng dụng phương pháp điều khiển trên mô hình thí nghiệm điều khiển
mức và nhiệt độ để kiểm chứng
5. Những vấn đề cần nghiên cứu
Chương 1. Lý thuyết chung điều khiển quá trình đa biến
Chương 2. Giới thiệu mô hình thí nghiệm điều khiển đa biến
Chương 3. Nhận dạng và điều khiển hệ thống
Chương 4. Thiết kế nâng cao chất lượng điều khiển hệ đa biến
Chương 5. Kết quả thực nghiệm
Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều khiển tự
động và bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp trường Đại học KTCN Thái
Nguyên, đặc biệt là thầy giáo PGS. TS. Bùi Quốc Khánh cùng các cán bộ nhân viên
trong trung tâm ứng dụng công nghệ cao - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm luận văn.
Do thời gian và năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn của tôi chắc chắn
còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ dạy và đóng góp ý kiến của các thầy
cô và các bạn học viên để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn
Tôi xin chân thành cảm ơn !


Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra
bên ngoài. ví dụ: nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình
thường hay quá cao.
Biến cần điều khiển (controlled variable) là một biến ra hoặc một biến trạng
thái của quá trình điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay
giá trị đặt (set point) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command
variable/reference signal). Các biến điều khiển liên quan hệ trọng đến sự vận hành ổn
định, an toàn của hệ thống hoặc của chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, lưu lượng,
áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều
khiển quá trình.
Biến điều khiển (manipulated variable) 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 khiển tiêu biểu nhất.
Nhiễu là những biến thiên vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp
hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm. Nhiễu tác động lên 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 nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là
nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise).
- Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố
hữu nhưng không can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất
lỏng ra, thành phần nhiên liệu,…
- Nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá
trị đo được.
1.1.2. Mục đích của điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu
quả và kinh tế quá trình công nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống
điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ
thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi đến xây
dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân

- Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản xuất theo
kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi
yêu cầu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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. Để đảm bảo chất lượng sản
phẩm, các biến quá trình không những phải được duy trì ổn định tại một giá trị bất kỳ
mà còn phải được điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong một
phạm vi cho trước. 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 lượng quan
trọng.
- Vận hành hệ thống an toàn: Nhằm 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 sự cố.
Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghệ nào cũng phải đảm bảo được mục
đích này. Chính vì tầm quan trọng của vấn đề an toàn máy móc, con người và môi
trường, chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với hệ thống có thể vượt xa chi phí cho
thực hiện các chức năng điều khiển thuần túy.
nhiên và môi trường. Đây
khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm. Cách giải quyết
thông thường là đảm bảo chất lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm 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).
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 phẩm thật ổn định và
đạt vừa đủ yêu cầu để người vận hành có thể đưa các giá trị đặt đến gần sát với

y1
y2

Hình 1.2. Nguyên lý điều khiển pha trộn
Ta có hai biến cần điều khiển
1
y
là nồng độ X biến điều khiển
11
fm
, biến điều
khiển
2
y
là lưu lượng tổng
f
biến điều khiển
22
mf
.
12
F F F
= hằng số
1
1
.100%
F
Xy
F


Y
y1
y2
1C
G
2C
G
11
G
21
G
21
G
22
G
1
m
2
m

Hình 1.3. Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến
Các định nghĩa cơ bản:
1C
G
và
2C
G
là hàm truyền bộ điều khiển 1,2;
11 22
,GG


Hệ số khuyếch đại xen kênh tổng quát kênh thứ j đến thứ i gọi là
ij

được tính:
ij
()
()
i
i
j
j
y
m
m
y
y
m







(1.1)
Áp dụng cho hệ hai biến hình 1.2 ta có:
11 11
( )|
i


(1.3)
Xét hệ khi xác lập ta có hệ số khuyếch đại xen kênh
11 22
ij
21 12
11 22 12 21
11 22
1
1
kk
kk
k k k k
kk





(1.4)
 Quá trình đa biến 2x2 với 2 biến vào CO1, CO2 và 2 biến ra PV1, PV2. Trong đó:
- CO1 tác động trực tiếp tới PV1 thông qua hàm truyền G11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- CO2 tác động trực tiếp tới PV2 thông qua hàm truyền G22
- CO1 tác động xen kênh ( cross – loop) tới PV2 thông qua hàm truyền G21
- CO2 tác động xen kênh ( cross – loop) tới PV1 thông qua hàm truyền G12
G12
PV1
PV2
CO2
CO1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Khái quát cho hệ đa biến.


1
y
2
y
.
.
.
i
y
1
m
2
m
j
m
11

12



(1.5)
Người ta gọi (1.5) là hệ số khuyếch đại xen kênh sắp sếp dưới dạng ma trận (RGA:
Relative gain array) có tính chất là tổng theo cột và tổng theo hàng bằng 1.
Thí dụ xác định ma trận xen kênh theo cấu trúc điều khiển hình 1.2. Ta có gần đúng so
với đơn vị tương đối.
2
1 2 1 2
12
11
1
1
1
1
m
x
f f m m
f m m
fm
x
ff
f
m
f
mx






m
2
m

1
1

1
1
1
y
2
y



Khi xác định hệ số khuếch đại xen kênh theo (1.2) và (1.3) dựa trên.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1 11 1 12 2
2 21 1 22 2
y k m k m
y k m k m



(1.6)
Người ta gọi là hệ số khuếch đại xen kênh mạch vòng hở.
Đối với mạch vòng kín ta có:

Hk



(1.9)
Vì vậy đối với mạch vòng kín ta có:

11
12 21
11 22
1
1
HH
HH




(1.10)
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các yêu cầu của
quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất,
an toàn cho con người, máy móc và môi trường.

Hình 1.5. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình.
1.3.1. Thiết bị đo
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào
đó. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo
(tranducer).
(PM)

Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành.
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ
năng hoặc nhiệt năng), trong khi phần tử chấp hành tác động can thiệp trực tiếp vào
biến điều khiển.
Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng
vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan trọng nhất.
Van điều khiển là thiết bị chấp hành cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu
chất qua đường ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển. Một van điều khiển bao gồm thân
van được ghép nối với một cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan.

Hình 1.8. cấu tạo van điều khiển
Mô hình động học của van điều khiển có thể đưa về một khâu quán tính bậc
nhất:
(1.1)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.3.3. Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển
(controller) là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, thành phần cốt lõi
của một hệ thống điều khiển công nghiệp. Tùy trường hợp mà một bộ điều khiển có
thể là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài
đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả
một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ trạm PLC/DCS).

Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển.
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách lược điều khiển được
lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều
khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo
dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển