Chương 9
Thiết kế cấu trúc điều khiển cho
quá trình đa biến
Công việc thiết kế điều khiển được tiến hành theo hai bước cơ bản là thiết kế
cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển) và thiết kế bộ điều khiển (hay
thuật toán điều khiển). Các sách lược điều khiển cơ sở đã được trình bày trong
chương 5, qua đó các ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng của mỗi sách lược đã
được làm rõ. Các chương 6 và 7 đi sâu vào sách lược điều khiển phản hồi và đưa
ra phương pháp phân tích, đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển phản hồi
vòng đơn. Các phương pháp thiết kế, chỉnh định bộ điều khiển PID cho các quá
trình đơn biến đã được trình bày khá chi tiết trong chương 8. Tuy nhiên, các quá
trình thực tế bao giờ cũng nhiều vào-nhiều ra. Thiết kế cấu trúc điều khiển cho
quá trình đa biến là một vấn đề phức tạp và cũng là một chủ đề nghiên cứu
mang tính thời sự. Nội dung của chương này tập trung làm rõ bài toán thiết kế
cấu trúc điều khiển, từ đó đưa ra những nguyên tắc cơ bản trong việc thiết kế
cấu trúc điều khiển cho các quá trình đa biến.

9.1 Giới thiệu chung
9.1.1 Cấu trúc điều khiển là gì?
Hầu hết mỗi quá trình công nghiệp bao giờ cũng có nhiều biến vào và nhiều biến
ra. Sau khi xây dựng được mô hình toán học, ta đã nhận biết được một cách sơ
bộ vai trò của từng biến quá trình và quan hệ giữa chúng với nhau. Tiếp theo, để
có thể thiết kế thuật toán điều khiển ta sẽ phải trả lời hàng loạt câu hỏi như:
• Những biến quá trình nào sẽ được lựa chọn thực sự cho từng bài toán điều
khiển cụ thể?
• Sử dụng một bộ điều khiển đa biến (tập trung) hay nhiều bộ điều khiển đơn
biến (phi tập trung) để điều khiển một quá trình phức hợp?
Chương 9 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho quá trình đa biến

448
• Nếu sử dụng nhiều bộ điều khiển đơn biến thì biến điều khiển nào nên được

dx
wx wx w w x
dt Ah Ah
ρ
ρρ
⎧
⎪
=+−
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
=+− +
⎪
⎪
⎪
⎩
(9.1)
h
w
1
, x
1
w
2
, x
2

chiều, vì vậy hai vòng điều khiển đơn biến ở đây hoàn toàn có thể đáp ứng yêu
cầu về chất lượng.
Một yếu tố cần quan tâm tiếp theo trong bài toán điều khiển thiết bị khuấy
trộn là khả năng đo và bù nhiễu. Trong số các biến nhiễu thì lưu lượng vào w
2
có
ảnh hưởng lớn nhất và cũng dễ đo nhất. Sách lược bù nhiễu giúp nâng cao chất
lượng điều khiển, nhưng lại tăng thêm chi phí cho thiết bị đo. Vì thế phải tùy
theo yêu cầu cụ thể của bài toán mà cân nhắc đưa ra quyết định.
Dựa trên các phân tích trên đây, ta có thể đưa ra các cấu trúc điều khiển
khác nhau. Trên Hình 9-2 là bốn sơ đồ cấu trúc điều khiển tiêu biểu cho hệ
thống bình trộn, trong đó 3 cấu trúc đầu (a–c) dựa trên các bộ điều khiển đơn
biến (
điều khiển phi tập trung
) và cấu trúc thứ tư (d) dựa trên một bộ điều
khiển đa biến (
điều khiển tập trung
). Ba cấu trúc phi tập trung cùng sử dụng
sách lược phản hồi cho vòng điều khiển mức, với lý do quá trình mức có đặc tính
tích phân, chỉ có thể ổn định bằng một bộ điều khiển phản hồi. Đối với bài toán
điều khiển thành phần ta có ba phương án khác nhau: a) điều khiển phản hồi
thuần túy, b) điều khiển tỉ lệ và c) điều khiển tầng, kết hợp điều khiển phản hồi
với điều khiển tỉ lệ. Hơn nữa, các cấu trúc b và c có sử dụng giá trị đo lưu lượng
w
2
và chứa bên trong thành phần bù nhiễu. Cấu trúc điều khiển tập trung d
cũng sử dụng sách lược điều khiển phản hồi kết hợp bù nhiễu. Mỗi cấu trúc có
những ưu điểm và nhược điểm riêng sẽ được phân tích kỹ hơn trong các phần
sau.
Cấu trúc hệ thống điều khiển cũng có thể được mô tả đơn giản bằng sơ đồ

x
SP
h
SP
LCLT
FT
RC
R
SP
h
SP
LCLT
AT
AC
x
SP
h
SP
LT
FT
x
SP
h
SP
FT
RC
UC
AT
a)
b)

1

AC
x
sp

h
sp
Bình trộn
h
F
h
sp

LC
Bình trộn
h
c
F
1

h
sp
F
LC
c
sp
Bình trộn
h
c

phản hồi
c) Điều khiển tầng và điều khiển
phản hồi
d) Điều khiển đa biến
LC
Chương 9 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho quá trình đa biến

452
• Cấu hình điều khiển bao giờ cũng gắn với một bài toán thực tế, trong khi cấu
trúc điều khiển có thể đưa ra một cách tổng quát.
• Cấu hình điều khiển không bao hàm vấn đề lựa chọn các biến vào/ra, tức là
một cấu hình điều khiển bao giờ cũng dựa trên cơ sở các biến điều khiển và
các biến được điều khiển có sẵn.
• Một cấu hình điều khiển có thể được lựa chọn (từ một tập các cấu hình thông
dụng), chứ không phải được thiết kế.
9.1.2 Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển
Nhiệm vụ của điều khiển tự động là giữ cho một số biến quá trình gần với biến
chủ đạo tương ứng trong điều kiện có tác động của nhiễu và thông tin không
chính xác về đối tượng. Việc thiết kế cấu trúc điều khiển cần hướng tới những
tiêu chí sau đây:
1.
Chất lượng
: Đảm bảo khả năng thiết kế các bộ điều khiển để đáp ứng tốt
nhất các yêu cầu về chất lượng điều khiển như tính ổn định, tính bền vững,
tốc độ đáp ứng và chất lượng đáp ứng.
2.
Đơn giản và kinh tế
: Đảm bảo khả năng thực thi, chỉnh định và đưa hệ
thống điều khiển vào vận hành một cách đơn giản và kinh tế trên các giải
pháp phần cứng và phần mềm thông dụng, dựa trên những cơ sở lý thuyết dễ

và đặc tính động học như độ chính xác, độ trễ, dải chết, phạm vi giới hạn
đo/điều khiển, hằng số thời gian,…
• Đặc thù của nhiễu quá trình, ví dụ mức độ ảnh hưởng, tốc độ biến thiên, khả
năng đo được,…
• Các yêu cầu về an toàn hệ thống, ví dụ bắt buộc khống chế mức chất lỏng để
tránh tràn, khống chế áp suất và nhiệt độ để tránh cháy nổ,…

9.2 Lựa chọn biến quá trình
Trong nội dung chương 3 về xây dựng mô hình lý thuyết cho các quá trình, ta đã
bàn về vấn đề nhận biết các biến quá trình, bao gồm các biến cần điều khiển,
biến điều khiển và nhiễu. Quan hệ giữa các biến quá trình thể hiện qua mô hình
toán học, nhận được từ phương pháp lý thuyết hoặc nhận dạng. Bài toán thiết
kế điều khiển tổng quát nay được minh họa trên Hình 9-4. Trong trường hợp lý
tưởng, ta mong muốn toàn bộ biến cần được điều khiển cũng sẽ được điều khiển
một cách trực tiếp và độc lập. Song trong thực tế điều này không phải bao giờ
cũng thực hiện được bởi nhiều lý do như sau:
• Số lượng biến điều khiển có thể ít hơn số biến cần điều khiển (xem phần phân
tích bậc tự do mô hình trong chương 3).
• Không phải biến cần điều khiển nào cũng có thể đo được một cách kinh tế,
đủ chính xác và đủ nhanh cho mục đích điều khiển, đặc biệt là nồng độ.
Nhiễu d
Các biến cần
điều khiển y

Các biến
điều khiển u
Các giá
trị đặt r
Quá trình
Hình 9-4: Bài toán thiết kế điều khiển

2.
Chọn các biến ra cần phải duy trì trong giới hạn ràng buộc của thiết bị
hoặc của chế độ vận hành
(ví dụ nhiệt độ, áp suất và nồng độ). Các giới hạn
ràng buộc liên quan tới sự vận hành ổn định, an toàn và đảm bảo yêu cầu
bảo vệ môi trường, nên cho dù một số biến có tính tự cân bằng chúng cũng
cần được duy trì trong phạm vi qui định.
3.
Chọn các biến ra đại diện trực tiếp cho chất lượng sản phẩm
(ví dụ nồng
độ, thành phần)
hoặc các đại lượng ảnh hưởng lớn tới chất lượng
(ví dụ
nhiệt độ hoặc áp suất). Nồng độ hoặc thành phần là các đại lượng liên quan
trực tiếp tới chất lượng, nhưng cũng thường khó đo chính xác hoặc phép đo
rất chậm. Như trong chương 3 đã phân tích, giữa nhiệt độ, áp suất và nồng
độ của một quá trình có mối quan hệ trực tiếp, ta không thể đồng thời điều
9.2 Lựa chọn biến quá trình
455
khiển 3 biến một cách độc lập. Ví dụ trong nhiều hệ thống tháp chưng luyện,
người ta chọn phương án duy trì áp suất cố định và điều chỉnh nhiệt độ theo
giá trị đặt tính toán để đảm bảo thành phần sản phẩm ra.
4.
Chọn các biến ra có tương tác mạnh tới các biến cần điều khiển khác.

Trong một hệ thống điều khiển quá trình, các biến được điều khiển có thể có
quan hệ tương tác lẫn nhau. Ví dụ trong một tháp chưng luyện, áp suất trong
tháp hoặc mức đáy tháp ảnh hưởng tới tốc độ bay hơi và qua đó ảnh hưởng
tới chất lượng và năng suất. Một biến được điều khiển trong quá trình đứng
trước cũng có thể lại đóng vai trò là nhiễu hoặc biến điều khiển trong quá

Tác động nhanh ở đây thể hiện qua hằng số thời gian quán tính nhỏ, thời
gian trễ nhỏ nếu so sánh tương đối với các quan hệ vào-ra khác. Hằng số thời
gian quán tính càng lớn hoặc thời gian trễ càng lớn thì chất lượng điều khiển
có thể đạt được càng kém. Đặc biệt, cố gắng tránh những quan hệ vào-ra có
đặc tính đáp ứng ngược (do có điểm không nằm bên phải trục ảo).