LƢƠNG THỊ THANH XUÂN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A

NGÀNH: TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A NGHIÊN CỨU, KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG
CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
LƢƠNG THỊ THANH XUÂN

THÁI NGUYÊN – 2011



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên
:
Lƣơng Thị Thanh Xuân
Ngày tháng năm sinh
:
Ngày 01 tháng 12 năm 1980
Nơi sinh
:
Huyện Đông Triều – Tỉnh Quảng Ninh
Nơi công tác
:

PGS.TS Bùi Quốc Khánh
HỌC VIÊN
Lương Thị Thanh Xuân
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu.
Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo. Tác giả luận văn LƢƠNG THỊ THANH XUÂN
1.3.4. Đặc tính động học của van 46
1.4. Lựa chọn van điều khiển 46
Chƣơng 2.
NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG PHI TUYẾN CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN
54
2.1. Hiện tƣợng Stiction 54
2.1.1. Giới thiệu chung 54
2.1.2. Đề suất định nghĩa mới về Stiction 56
2.2. Quan sát ảnh hƣởng hiện tƣợng Stiction trong thực tế 60
2.3. Mô hình vật lý của ma sát van 65
2.3.1. Mô hình ma sát 66
2.3.2. Mô phỏng van 67
2.4. Mô hình Stiction van điều khiển bằng dữ liệu 70
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3

Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG VÀ KHẮC PHỤC HIỆN TƢỢNG
STICTION ĐẾN CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN PH 74
3.1. Động học cơ bản của phản ứng hóa học 74
3.1.1. Cân bằng hóa học 74
3.1.2. Tốc độ phản ứng 75
3.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cân bằng hóa học và tốc độ phản ứng 76
3.2. Lý thuyết về pH 77
3.2.1. Quá trình pH 77
3.2.2. Đƣờng cong chuẩn độ 78
3.2.3. Ý nghĩa quá trình trung hòa pH 80
3.3. Ảnh hƣởng của đặc tính van tới điều khiển độ PH trong CSTR 81

điều khiển, vận hành và giám sát nhằm bảo đảm các yêu cầu của quá trình và thiết
bị công nghệ nhƣ chất lƣợng sản phẩm, sản lƣợng, hiệu suất sản xuất, an toàn cho
con ngƣời, máy móc và môi trƣờng.
Trong một quá trình sản xuất, có hàng trăm thậm chí hàng nghìn vòng điều
khiển, tất cả đƣợc kết nối với nhau để cho ra đời sản phẩm. Mỗi vòng điều khiển
đƣợc thiết kế để giữ một số biến quá trình quan trọng nhƣ áp suất, lƣu lƣợng, nhiệt
độ… trong phạm vi yêu cầu đề đảm bảo chất lƣợng sản phẩm. Tuy hiên các vòng
lặp có thể nhận và tạo ra những rối loạn nội bộ, ảnh hƣởng bất lợi đến các biến quá
trình. Để giảm bớt ảnh hƣởng của những rối loạn tải, cảm biến và các thiết bị nhận
truyền sẽ thu nhập thông tin về biến quá trình và mối quan hệ của nó với mong
muốn của điểm thiêt lập. Thông tin thu nhận đƣợc sẽ đƣợc truyền về bộ điều khiển,
bộ điều khiển sẽ thực hiện những phép tính và đƣa ra quyết định điều khiển đƣa
biến quá trình về gần mong muốn của điểm thiết lập. Khi tất cả sự đo đạc, so sánh
và tính toán đƣợc thực hiện, một số phần tử điều khiển cuối cùng đƣợc lựa chọn bởi
bộ điều khiển. Phần tử cuối cùng này chính là các thiết bị chấp hành xác định bởi
đầu ra của bộ điều khiển. Các phần tử này có thể là van điều khiển, thiết bị chuyển
đổi on - off, nhƣng đƣợc dùng phổ biến trong hầu hết các vòng điều khiển công
nghiệp chính là van điều khiển.
Nhƣ vậy van điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong hệ điều khiển quá
trình, nó điều chỉnh lƣu lƣợng môi chất chống lại xáo trộn tải, giữ biến quá trình ở
gần điểm đặt mong muốn.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
5

Trong phạm vi luận văn với đề tài: “Nghiên cứu, khắc phục ảnh hưởng của
van điều khiển tới hệ điều khiển quá trình” tập trung nghiên cứu các vấn đề cơ
bản của van điều khiển, hiện tƣợng Stiction của van điều khiển và ảnh hƣởng của

EP
Phần trăm đều – Equal percentage
7.
FC
Van đóng an toàn
8.
FO
Van mở an toàn
9.
R
Dải điều chỉnh van – Rangeability
10.
CSTR
Bình phản ứng khuấy trộn liên tục - Continuous
Stirred Tank Reactor
11.
PID
Proportional – Integral – Derivative
12.
PI
Proportional – Integral
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân


Hình 1.6
Ví dụ các bộ phận và phụ kiện van cầu
16
7
Hình 1.7
Van một cổng
17
8
Hình 1.8
Van một cổng
18
9
Hình 1.9
Một số kiểu thân van khác
19
10
Hình 1.10
Van quay
20
11
Hình 1.11
Kiểu tác động của van
21
12
Hình 1.12
Các kiểu cơ cấu truyền động
22
13
Hình 1.13
Cơ cấu truyền động điều khiển tay

Hình 1.21
Thời gian T
d
và τ
ν
của van
33
22
Hình 1.22
Tóm tắt thời gian đáp ứng của van
34
23
Hình 1.23
Cấu trúc van điều khiển
35
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
8

24
Hình 1.24
Đƣờng cong đặc tính của van
36
25
Hình 1.25
Quan hệ f(m)
38
26

Hình 2.4
Điều khiển mức trong một thiết lập công nghiệp
62
34
Hình 2.5
Dữ liệu từ một vòng lặp lƣu lƣợng trong một nhà
máy lọc dầu
63
35
Hình 2.6
Dữ liệu từ vòng lặp lƣu lƣợng trong một nhà máy
lọc dầu
64
36
Hình 2.7
Dữ liệu vòng điều khiển nhiệt độ buồng sấy trong
công nghiệp
65
37
Hình 2.8
Đáp ứng vòng lặp mở trong mô hình cơ khí
68
38
Hình 2.9
Đáp ứng vòng kín của mô hình cơ khí
69
39
Hình 2.10
Tín hiệu và biểu đồ logic cho mô hình dữ liệu của
stiction

Hình dạng xung điều khiển
86
46
Hình 3.7
Cấu trúc của phƣơng pháp bù
88
47
Hình 4.1
Mô hình mô phỏng stiction
89
48
Hình 4.2
Mô phỏng hiện tƣợng Stiction của van
90
49
Hình 4.3
Cấu trúc mô phỏng điều khiển nồng độ PH
91
50
Hình 4.4
Lƣợng đặt và tín hiệu ra van tuyến tính
92
51
Hình 4.5
Lƣợng đặt và tín hiệu ra van phần trăm đều
92
52
Hình 4.6
Tín hiệu điều khiển van tuyến tính
93

Hình 4.13
Mô hình van phần trăm đều chịu ảnh hưởng của
Stiction
97
60
Hình 4.14
Tín hiệu trước và sau khối stiction
97
61
Hình 4.15
Ảnh hưởng của stiction lên điều chỉnh độ pH
98
62
Hình 4.16
Mô hình có khâu điều chỉnh hiện tượng stiction
(van tuyến tính)
99
63
Hình 4.17
Tín hiệu trước và sau khối stiction
99
64
Hình 4.18
Quan hệ đầu ra pH theo thời gian
100
65
Hình 4.19
Mô hình có khâu điều chỉnh hiện tượng stiction
(van phần trăm đều)
100

“Nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng của van điều khiển trong hệ thống điều
khiển quá trình”
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
a. Ý nghĩa khoa học:
Đƣa ra các thuật toán điều khiển phù hợp (điều khiển thích nghi, điều khiển
phi tuyến, và các thuật toán điều khiến khác), để đạt đƣợc chất lƣợng điều khiển
nhƣ mong muốn.
b. Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu đƣợc ứng dụng cho các mạch vòng thực tế trong
công nghiệp hóa chất, nhiệt điện, xi măng, giấy nhằm nâng cao chất lƣợng để điều
khiển.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
11 3. Mục đích nghiên cứu
Xác định đƣợc ảnh hƣởng của các loại van điều khiển tới chất lƣợng
động và tĩnh của điều khiển quá trình. Từ đó đề xuất ra các giải pháp và thuật điều
khiển để nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển.
Nội dung nghiên cứu:
Phần mở đầu
Chƣơng 1. VAI TRÕ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH
1.1. Vai trò của van điều khiển
1.2. Cấu tạo, phân loại van điều khiển
1.3. Đặc tính của van điều khiển
1.4. Lựa chọn van điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
13

Chương 1. VAI TRÕ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU
KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Vai trò vị trí của van trong điều khiển quá trình
Định nghĩa 1.1. Van điều khiển chính là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ
biến nhất trong hệ thống điều khiển quá trình, cho phép điều chỉnh lƣu lƣợng môi
chất qua các đƣờng ống dẫn.

Hình 1.1. Vị trí thiết bị chấp hành trong hệ thống điều khiển
Van điều khiển đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điều khiển.
Nó là cơ cấu chấp hành điều khiển lƣu lƣợng môi chất đi qua, để bù đắp lại ảnh
hƣởng của nhiều và thay đổi giá trị biến điều khiển để có đƣợc đại lƣợng cần điều
khiển nhƣ mong muốn. Môi chất bao gồm:
Chất lỏng: nƣớc, dung dịch, …
Chất khí: khí đốt, hơi nƣớc, bụi bẩn…
Chất rắn: dạng bột, than, …
Van đƣợc thiết kế phong phú về chủng loại, kích cỡ, lớp áp suất… Vật liệu
chế tạo van là thép, sắt, nhựa, đồng thau, đồng hoặc một số hợp kim đặc biệt. Trong
công nghiệp, van nhỏ nhất đƣợc biết đến có khối lƣợng 0,45kg và lớn nhất là 10 tấn
cùng với chiều cao lên đến 24ft (6,1m). Hơn 90% van đƣợc sử dụng trong các hệ
thống đƣờng ống có kích cỡ 4 inch, kích cỡ đƣờng ống nhỏ nhất là 0,5 inch và lớn
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
14

nhất đƣợc dùng là 48inch. Van đƣợc sử dụng trong dải áp suất từ chân không đến

+ w
2
) c
Thay thế c bằng giá trị đặt (SP):

Hệ thống điều khiển nhiệt độ

Hình 1.4. Hệ thống điều khiển nhiệt độ
1.2. Cấu tạo, phân loại van điều khiển
1.2.1. Cấu tạo van điều khiển
Van điều khiển là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến trong quá trình.
Điều khiển độ mở van, sẽ điều khiển đƣợc các biến điều khiển nhƣ lƣu lƣợng áp
suất , nhiệt độ, nồng độ Đặc tính của nó có ảnh hƣởng rất lớn tới ổn định và chất
của điều khiển quá trình. Vì vậy nghiên cứu mở van điều khiển là nhiệm vụ không
thể thiếu trong ĐKQT
Van điều khiển cấu tạo bao gồm thân van nối với một cơ chế chấp hành cùng
với các phụ kiện liên quan có khả năng thay đổi độ mở van theo tín hiệu từ bộ điều
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
16

khiển. Trên hình 1.5 là hình ảnh mặt cắt của một van cầu khí nén với cơ chế truyền
động màng rung lò xo.

Hình 1.5. Cấu tạo một van điều khiển điển hình Hình 1.6. Ví dụ các bộ phận và phụ kiện van cầu


+ Van chốt kiểu thanh: thƣờng sử dụng cho những ứng dụng mà bị ăn mòn
tƣơng đối lớn. Do đƣợc chế tạo từ những hợp kim chống ăn mòn hoặc bằng các loại
nhựa đặc biệt nên loại van này tƣơng đối đắt.
+ Van pittông kết hợp thanh chốt cân bằng
Đây cũng là một loại van thông dụng. Van này sử dụng một thanh chốt thăng
bằng, trong đó là một hệ thống pittong trƣợt ở trong buồng chứa. Nhờ hệ thống
pittong này sẽ tạo ra đặc tính ở đầu vào có áp suất lớn, còn đầu ra có áp suất nhỏ
hơn. Áp suất của dòng ra phụ thuộc vào vị trí pittong ở trong buồng chứa. Nhờ hệ
thống này mà một dòng có áp suất lớn có thể điều khiển đƣợc dễ dàng hơn so với
các cơ cấu truyền động không cần quá lớn.
+ Van pitton áp suất cao
Loại van này thiết kế cho những ứng dụng mà tại đó độ sụt áp là lớn. Tại đó
dòng chảy với tốc độ lớn. Do có chuyển động lớn nhƣ vậy làm phần ở trong van có
độ rung rất lớn khi hoạt động.
Hình 1.8.Van một cổng
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
19

Ngoài ra còn phải chú ý đến một loại van đặc biệt, đó là van chịu áp suất cao,
loại này thƣờng sử dụng cho các ngành công nghiệp dầu khí. Kết cấu van này rất
đặc biệt.
- Van hai cổng ( double port valve) :
Lực động học trên thanh chốt sẽ trở nên cân bằng khi dòng tác dụng mở một

điện, thủy lực và dùng tay. Thông thƣờng ngƣời ta sử dụng cơ cấu truyền động này
kết hợp với một loạt các kết cấu cơ khí sử dụng lò xo để cho các thiết kế trở nên
đơn giản hơn. Nhờ cơ cấu khí nén cung cấp lực làm biến dạng lò xo, sinh ra lực tác
động lên pittong làm quay trục của cơ cấu đóng mở van. Khi sử dụng các cơ cấu
điện và điện khí nén thì hệ thống sẽ trở nên phức tạp hơn và rất đắt. Và thƣờng chỉ
đƣợc sử dụng ở những nơi không có điều kiện sử dụng đƣợc không khí nhƣ khi
không có nguồn khí hoặc ở đó nhiệt độ quá thấp không sử dụng đƣợc. Trong các
thiết kế truyền động của van thì ngƣời ta thƣờng sử dụng 2 loại : tác động trực tiếp (
Direct) và tác động ngƣợc (Reverse)
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa
GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
21 Hình 1.11. Kiểu tác động của van
- Cơ cấu truyền động sử dụng khí nén
Gồm hai loại chính là truyền động màng chắn lò xo và truyền động pittong.
Truyền động pittong là cơ cấu khí nén thƣờng sử dụng áp suất rất cao, thƣờng
tới 150 pis. Pittong đƣợc trang bị thiết bị cung cấp dòng khí lớn và nhanh. Pittong
truyền động, trong cả hai trƣờng hợp đóng và mở đều sử dụng lực nhanh nhất.
- Cơ cấu truyền động sử dụng điện - khí nén
Cơ cấu này yêu cầu một nguồn cung cấp điện cho động cơ và các tín hiệu
điện vào bộ điều khiển của nguồn cấp. Cơ cấu này đƣợc sử dụng rất tiện cho những
nơi không có nguồn khí cùng cấp cho hệ thống khí nén mà rất cần điều khiển chính
xác vị trí của van.