MỤC LỤC
Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
3
Danh mục bảng số liệu
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
4
Danh mục từ viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt
MV Manual Valve Van tay
CV Control Valve Van điều khiển
PV Proportioning Valve Van tỉ lệ
SV Solenoid Valve Van từ
LT Level Transmister Thiết bị đo mức
TT Temperature Transmister Thiết bị đo nhiệt
FT Flow Transmister Thiết bị đo lưu lượng
PI Pump In Bơm đầu vào
PO Pump Out Bơm đầu ra
IMC Internal Model Control Điều khiển mô hình nội
5
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Trong giai đoạn phát triển ngày nay, điều khiển quá trình đã và đang giữ một vị trí quan
trọng trong các ngành công nghiệp dầu khí, hóa chất, công nghệ thực phẩm… quyết định
đến việc đảm bảo cho các dây chuyền sản xuất đạt được năng suất và chất lượng mong
muốn. Việc học tập và thực nghiệm về điều khiển quá trình trong nhà trường là rất cần
thiết. Do vậy, Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp công nghiệp đã đảm nhận và đưa vào
giảng dạy môn học Điều khiển quá trình nhằm giúp sinh viên có thể tiếp cận được các
khái niệm, lý thuyết và làm quen với những hệ điều khiển quá trình. Vấn đề đặt ra là cần
vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
Quá trình công nghệ là sự diễn biến (biến đổi) lý hóa trong dây chuyền, thiết bị
công nghệ của dòng nguyên vật liệu đầu vào để tạo ra dòng sản phẩm đầu ra. Trạng thái
hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình.
Hình .1.Quá trình công nghệ và phân loại các quá trình công nghệ.
• Biến vào : là một đại lượng hoặc một điều 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, …
• 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, …
• 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 một giá trị mong muốn hay giá trị
7
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
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, 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 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
tác động lên quá trình công nghệ một cách cố hữu nhưng ta không thể can thiệp
được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên
liệu, …Còn nhiễu đo (hay nhiễu tạp) là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số
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 đóng một vai trò quan trọng trong
một quá trình mẻ. Ví dụ quá trình mẻ như các phản ứng hóa học. quá trình pha
chế, lên men (bia, rượu),
1.1.3. Khái niệm điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều
khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm,
hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc, môi trường.
1.1.4 Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật
một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước đồng thời giảm
thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh.
Điều khiển quá trình có các chức năng sau :
• Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru. Đây là yêu cầu trước tiên bởi vì
thứ nhất, một quá trình ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng về vật chất
và năng lượng tức là đảm bảo được yêu cầu về chế độ làm việc; thứ hai là tuổi
thọ của cơ cấu chấp hành được nâng cao do tín hiệu điều khiển ít thay đổi; và
thứ ba, chỉ khi quá trình đạt ổn định thì yêu cầu về năng suất, chất lượng sản
phẩm mới có thể thực hiện được.
• 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
9
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
trong phạm vi yêu cầu Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định
tới chất lượng sản phẩm. 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. Theo đó, điễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong
những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng.
• Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn : Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố
tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và
thiết bị điều khiển.
Hình 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
1.2.1. Thiết bị đo
Một thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá
trình công nghệ và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn, một thiết bị đo gồm hai thành phần
cơ bản là cảm biến và chuyển đổi đo.
Hình 1 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo
11
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Cảm biến có chức năng chuyển đổi một đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suât, mức,
lưu lượng, nồng độ) sang một tín hiệu khác, thông thường là điện hoặc khí nén. Bộ
chuyển đổi đo cho đầu ra là tín hiệu chuẩn ví dụ như 0-10V, 4-20mA, RS485, tín hiệu bus
trường, …trong đó tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất.
Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào các yếu tố
đặc tính vận hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học :
• Đặc tính vận hành bao gồm các chi tiết về khả năng đo, chi tiết vận hành và tác
động môi trường.
• Đặc tính tĩnh biểu diễn quan hệ giữa đại lượng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra
của thiết bị đo ở trạng thái xác lập, liên quan tới độ chính xác khi giá trị của đại
lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm.
• Đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào và tín hiệu ra theo
thời gian, liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay
đổi nhanh.
a) Đặc tính vận hành
• Phạm vi đo và dải đo : Phạm vi đo là phạm vi giá trị danh định của đại lượng đo
mà một thiết bị đo được sử dụng theo quy định, được xác định bởi giới hạn trên và
giới hạn dưới. Dải đo là khoảng cách giữa giới hạn trên và giới hạn dưới của phạm
vi đo
• Độ phân giải : Khi giá trị của một biến đo biến thiên liên tục trong phạm vi đo,
Đặc tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể biểu diễn bằng một khâu quán
tính bậc nhất :
m
m
k
G (s)
1 s
=
+ τ
(1.1)
Hoặc một khâu bậc hai ổn định :
m
m
2 2
k
G (s)
2 s s
=
τ + τς +
(1.2)
Nếu hằng số thời gian τ rất nhỏ so với hằng số thời gian của quá trình công nghệ, tức là
phép đo có động học nhanh hơn nhiều so với động học của quá trình, ta có thể bỏ qua
quán tính của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo như một khâu khuếch đại thuần
túy. Ngược lại nếu hằng số thời gian này không nhỏ hơn nhiều hằng số thời gian của quá
trình thì phải đưa mô hình động học của thiết bị đo vào mô hình quá trình hoặc vẫn chỉ sử
dụng mô hình tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gây ra là nhiễu đo.Với một thiết bị
đo, đặc tính đáp ứng với giá trị đo thay đổi đột ngột tức đặc tính đáp ứng quá độ được coi
là quan trọng nhất.
13
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
kích cỡ van và thiết kế chốt van. Đối với chất lỏng ở chế độ chảy dòng ta có công thức:
v max
s
ΔP
F=C f(p) , ( )=F/F
g
f p
(1.3)
15
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Trong đó:
F : Lưu lượng thể tích của chất lỏng qua van
P
∆
: Áp suất sụt qua van
C
v
: Hệ số cỡ van
g
s
: Trọng lượng riêng của chất lỏng
f(p) : Phần lưu lượng ở độ mở van p so với lưu lượng tối đa
Dựa vào hàm f(p) người ta phân biệt các loại đặc tính dòng chảy sau:
• Đặc tính tuyến tính (Linear, f=p): Khi
P
∆
cố định, lưu lượng qua van tỉ lệ tuyến
tính với độ mở van.
• Đặc tính mở nhanh (Quick Opening,
f p
v
v
k
F(s)
G (s)= =
u(s)τ s+1
(1.4)
Việc xác định hệ số khuếch đại k
v
và hằng số thời gian τ
v
của van có thể tiến hành từ thực
nghiệm.Hằng số thời gian τ
v
của van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp hành, thông
thường τ
v
có giá trị khoảng một vài giây, đối với van cỡ lớn có thể tới 10-15 giây.
1.2.3 Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều
khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp.
17
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Hình 1 Cấu trúc cơ bản của 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, các thiết bị điều khiển có thể chia
làm 3 loại: thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển số và thiết bị điều logic.
18
- Nhiệt độ nước nóng từ bình nóng lạnh : T1 (
o
C).
- Lưu lượng nước ấm ra khỏi bình trộn : F3 (ml/s).
Biến cần điều khiển:
19
Chương 2. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
- Nhiệt độ nước trong bình trộn : T3(
o
C).
- Mức nước trong bình trộn : L (cm).
Hình 2.1.Đối tượng bình trộn và xác định các biến quá trình
- Phương trình cân bằng khối lượng trong bình trộn:
Coi khối lượng riêng của nước nóng và nước lạnh là như nhau. Ta có phương trình
cân bằng khối lượng :
1 2 3
dV
=F +F -F
dt
(2.1)
Vì mô hình sử dụng bình trộn có dạng hình trụ nên V=A.L nên ta có:
1 2 3
dL
A =F +F -F
dt
(2.2)
Trong đó : V : thể tích nước trong bình trộn
A : diện tích đáy bể
- Phương trình cân bằng nhiệt độ trong bình trộn:
3
dT
A.L. +T .(F +F -F )=F.T +F .T -F .T
dt
dT
A.L. =F .T +F .T -F .T -T .(F +F -F )
dt
dT
1
= . F.T +F .T -T .(F +F ) = (2.4)
dt A.L
⇒
⇒
f
Sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc, viết lại phương trình
(2.2) với lượng biến thiên nhỏ ta có:
( )
1 2 3
1
L F F F
A
•
∆ = ∆ + ∆ − ∆
(2.5)
Tiến hành Laplace phương trình trên ta được:
( )
( )
1 2 3
1 2 3
1
s L(s) F(s) F (s) F (s)
∆ ≈ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
f f f f f f
Tại điểm cân bằng ta được:
3
1 1 2 2 3 1 2 1 2 3
2
1 3 1 2 3 2 1 1 2 2
1 1
ΔT [F.T +F .T T (F +F )].ΔL - (F +F ).ΔT
A.L A.L
1 1 1 1
(T T ).ΔF (T T ).ΔF .F. T .F . T
A.L A.L A.L A.L
•
= − − +
− + − + ∆ + ∆
(dấu gạch ngang trên biến biểu thị giá trị biến ở trạng thái cân bằng)
Mặt khác ta có:
1 1 2 2 3 1 2
F.T +F .T T (F +F ) = 0
−
và
1 2 3
F +F = F
nên
3 3 3 1 3 1 2 3 2 1 1 2 2
1
ΔT ( F .ΔT (T T ).ΔF (T T ).ΔF F. T F . T )
A.L
• Xác định điểm làm việc và chuẩn hóa của mô hình
Với đối tượng bình trộn, chọn điểm làm việc như sau:
o
3
T =50 C
L=20mm
Các thông số khác được chọn như sau:
22
Chương 2. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
o
1
o
2
3
T =80 C
T =30 C
F =120ml/s
Thực hiện chuẩn hóa đưa các đại lượng về dạng phần trăm (%):
• Đối với nhiệt độ: Coi nhiệt độ nước lạnh tại 30˚C là 0%, nhiệt độ nước nóng tại
80˚C là 100%. Tính toán giá trị chuẩn hóa tại điểm làm việc:
3 ch
50-30
v
v
K
G .e
T s 1
−θ
=
+
(2.8)
Trong đó :
• K
v
: Hệ số khuếch đại tĩnh của van
• T
v
: Hằng số thời gian của van
• θ
v
: Thời gian trễ của van
- Hàm truyền ống :
23
Chương 2. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
o
-θ s
o
o
o
K
G = .e
T s+1
• θ
LT
: Thời gian trễ của thiết bị đo mức
- Hàm truyền thiết bị đo nhiệt độ :
TT
-θ s
TT
FT
TT
K
G = e
T s+1
(2.11)
Trong đó :
• K
LT
: Hệ số khuếch đại của thiết bị đo nhiệt độ
• T
LT
: Hằng số thời gian của thiết bị đo nhiệt độ
• θ
LT
: Thời gian trễ của thiết bị đo nhiệt độ
2.3. Các vòng điều khiển và giải pháp cho hệ thống
2.3.1. Các vòng điều khiển
Từ mô hình thí nghiệm ta có thể thấy 2 vòng điều khiển đơn:
• Vòng điều khiển nhiệt độ T
3
: điều khiển và giữ ổn định nhiệt độ của nước trong
bình trộn. Vòng điều khiển này được thực hiện nhờ việc điều khiển lưu lượng
và Y
1
.
- G
12
là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa U
1
và Y
2
.
- G
21
là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa U
2
và Y
1
.
- G
22
là hàm truyền thẻ hiện quan hệ giữa U
2
và Y
2
.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©