1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, cùng với sự phát triển của đất nước, thì điều khiển và tự động hóa đóng một
vai trò quan trọng và ảnh hưởng không nhỏ đến nền kinh tế, chính trị xã hội của mỗi quốc
gia. Với nhu cầu tự động hóa ngày càng cao, thì việc thiết kế các bộ điều khiển phục vụ cho
các ngành công nghiệp sản xuất đang được rất nhiều các nhà nghiên cứu quan tâm.
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.
Các quá trình công nghệ hiện nay không đơn thuần chỉ là quá trình đơn biến (là quá
trình công nghệ có một biến ra) mà hầu hết là các quá trình đa biến (là quá trình công nghệ
có nhiều đầu ra). Do vậy, việc nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển cho quá trình đa biến
đang là vấn đề rất được lưu tâm hiện nay.
Vấn đề quan trọng của việc điều khiển quá trình đa biến là thiết kế bộ điều khiển phù
hợp. Trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa
năng cho các ứng dụng trong quá trình công nghệ. Các nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng
của bộ điều khiển thể hiện ở hơn 90% các bộ điều khiển đang được sử dụng trong công
nghiệp là bộ điều khiển PID [7]. Tuy nhiên, các bộ điều khiển PID đang cung cấp trên thị
trường hiện nay đã bộc lộ những hạn chế của nó như không thích nghi, không bền vững, tín
hiệu điều khiển không bị chặn.
Việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là chỉ tiêu được quan tâm
đầu tiên của các nhà thiết kế. Xuất phát từ những chỉ tiêu đó nhiều lý thuyết điều khiển hiện
đại ra đời thay thế cho những lý thuyết cũ đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh, không
đủ khả năng áp dụng cho các đối tượng phức tạp, khó mô hình hóa hoặc đối tượng phi tuyến
có thông số thay đổi [6].
Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được phát triển
mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều khiển, đó là điều khiển
mờ. Điều khiển mờ đã giải quyết thành công nhiều bài toán điều khiển phức tạp mà trước
đây chưa giải quyết được [6].

- Nghiên cứu bằng thực nghiệm tại trung tâm thí nghiệm của trường.
5. Nội dung luận văn
Chương 1: Hệ thống điều khiển quá trình đa biến.
Chương 2: Mô tả toán học hệ thống điều khiển quá trình đa biến.
Chương 3: Đánh giá chất lượng điều khiển quá trình đa biến với bộ điều khiển PID
bằng mô phỏng và thực nghiệm.
Chương 4: Cải thiện chất lượng điều khiển mức và nhiệt độ cho quá trình đa biến bằng
bộ điều khiển mờ lai.
Kết luận và kiến nghị.

3

Chương 1
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

1.1. Các khái niệm cơ bản về quá trình và điều khiển quá trình
1.1.1. Các khái niệm cơ bản
- Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất,
năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ (IEC60050-351[1],
ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 [2]).
- Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận hành hoặc lưu trữ
vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất
năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi
nhiệt, pha chế hỗn hợp nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng - tháp
chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi - turbine.
- Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc/và được
can thiệp. Khi nói tới quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng các phương tiện
kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành. Sự phân biệt giữa hai khái niệm “quá trình kỹ
thuật” và “quá trình công nghệ” ở đây không phải là vấn đề từ ngữ, mà chỉ nhằm mục đích
thuận tiện trong các nội dung trình bày sau này. Do vậy, nếu không nhấn mạnh thì khái

trạng thái còn lại của quá trình có thể đo, ghi chép hoặc hiển thị.
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 khiển tiêu biểu nhất.
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 động tới quá trình một cách
không mong muốn, vì thế cần có biện pháp loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của
nó
Lưu ý rằng, cần phân biệt rõ ràng giữa các đầu vào/ra công nghệ và đầu vào/ra nhìn từ
lý thuyết hệ thống. Nhìn từ phía công nghệ thì các đầu 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.
1.1.2. Mục đích và yêu cầu 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 cho 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 tích và cụ thể hoá các
mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các
chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình.
Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp
xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:
- Vận hành ổn định
- Năng suất và chất lượng sản phẩm
- Vận hành an toàn
- Bảo vệ môi trường
- Hiệu quả kinh tế
1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
1.2.1. Cấu trúc cơ bản
Tuỳ theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hoá, các hệ thống điều khiển quá trình công

biến vào có thể ảnh hưởng tới nhiều biến ra và một biến ra có thể chịu ảnh hưởng của nhiều
biến vào. Một giải pháp tiên tiến là chỉ sử dụng một bộ điều khiển đa biến duy nhất minh
họa như Hình 1.2.
Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển đa biến
1.3.2. Một số quá trình đa biến tiêu biểu
1.3.2.1. Mô hình tháp chưng cất hai thành phần
1.3.2.2. Lò hơi: Có bao hơi (lò hơi tuần hoàn) và lò trực lưu.
- Lò có bao hơi:
Bộ điều
khiển đa
biến
Quá trình
đa biến
Các giá tr
ị đặt

Các tín hi
ệu
Hình1.3: Giản đồ công nghệ thiết bị trộn quá trình

Đầu vào của bình trộn là 2 dòng dung dịch nóng và lạnh. Dung dịch được hòa vào
trong bình và bơm ra ngoài bằng bơm P. Dung dịch vào 1 là nước nóng, có nhiệt độ T
1
[0C],
lưu lượng F
1
[l/s] và khối lượng riêng ρ
1
[kg/l]. Dung dịch vào 2 là nước lạnh, có nhiệt độ T
2

[0C], lưu lượng F
2
[l/s] và khối lượng riêng ρ
2
[kg/l]. Dung dịch ra có nhiệt độ T
3
[0C], lưu
lượng F
3
[l/s] và khối lượng riêng ρ
3
[kg/l]. Dung dịch ở trong bình trộn có thể tích V [m
3
],
diện tích đáy A [m

F
2Ρ
2T
2F
3Ρ
3T
3VT
thống điều khiển nhiều đầu vào, nhiều ra và hệ thống điều khiển mức - nhiệt độ là một hệ
thống điển hình được sử dụng rất nhiều trong thực tế. Để nâng cao chất lượng điều khiển thì
việc nghiên cứu, thiết kế và đề xuất ra các phương pháp và các bộ điều khiển mới luôn được
quan tâm và thực hiện. Và việc thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống thì trước tiên, chúng
ta phải giải quyết bài toán phân tích, và mô hình hóa hệ thống.
2.2. Xây dựng mô hình quá trình
2.2.1. Các bước tiến hành
Việc xây dựng mô hình lý thuyết bao gồm các bước chính sau đây:
a. Phân tích bài toán mô hình hoá: Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử
dụng của mô hình, từ đó xác định mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây
dựng. Trên cơ sở mô tả công nghệ và mục đích mô hình hoá, tiến hành phân chia thành các
quá trình con, nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình. Liệt kê các
giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hoá mô hình.
b. Xây dựng các phương trình mô hình: Nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống,
viết các phương trình cân bằng và phương trình đại số khác dựa trên cơ sở các định luật bảo
toàn, định luật nhiệt động học, vận chuyển, cân bằng pha Đơn giản hoá mô hình bằng cách
thay thế, rút gọn và đưa về dạng phương trình vi phân chuẩn tắc. Tính toán các tham số của
mô hình dựa trên các thông số công nghệ đã được đặc tả.
c. Kiểm chứng mô hình: Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng của các
quan hệ phụ thuộc. Đánh giá mô hình và mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các
tính chất của mô hình kết hợp mô phỏng máy tính.
d. Phát triển mô hình: Tuỳ theo mục đích sử dụng, có thể chuyển đổi mô hình về các
dạng thích hợp. Tuyến tính hoá mô hình tại điểm làm việc nếu cần thiết. Thực hiện chuẩn
hoá mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thiết kế điều khiển.
2.2.2. Nhận biết các biến quá trình
Biến quá trình có thể được xếp vào một trong 2 loại là biến dòng chảy và biến trạng
thái. Biến dòng chảy dùng để mô tả sự thay đổi, vận chuyển, trao đổi vật chất hoặc năng
lượng trong một khu vực, giữa các địa điểm, giữa các vật hoặc giữa các pha. Biến dòng
chảy thuộc phạm trù “lượng“ hoặc ”dòng“ (Khối lượng, thể tích, lưu lượng, nhiệt lượng, ).
Biến trạng thái mô tả thể trạng vật chất hoặc năng lượng của quá trình trong một pha, nó

1 2 3
1 1 2 2
1
1

  




 
   
 


dh
F F F
dt A
dT
T T F T T F
dt Ah

(2.11)
Trong đó:
-
1 2
 
C C C
lần lượt là nhiệt dung riêng của dung dịch trong bình, dung dịch nóng và
dung dịch lạnh;

9

2.3.4. Mô hình hàm truyền đạt
Mô hình hàm truyền đạt là một công cụ mô tả toán học không thể thiếu được cho phân
tích và thiết kế các hệ thống điều khiển. Để có được mô hình hàm truyền đạt, ta cần đặc biệt
lưu ý hai điểm sau:
* Mô hình hàm truyền đạt chỉ áp dụng được cho hệ tuyến tính.
* Giá trị khởi đầu của tất cả các biến liên quan phải bằng 0.

Hình 2.4: Mô hình hàm truyền đạt
2.4. Mô hình toán của ĐKQT đa biến
Trong sản xuất công nghiệp, có những đối tượng điều khiển có nhiều tác động vào và
nhiều tác động ra. Ví dụ như bình trộn dung dịch trên Hình2.5. trong chương hai, có hai tín
hiệu vào là dòng dung dịch có nhiệt độ cao và dòng dung dịch có nhiệt độ thấp, cấp vào
bình trộn liên tục.

F
1

Gp(s
Δ
T

G
d
(s
Δ
T

h
s
1
x x
s a


2
s a


1
x x
s a


h
10 Hình2.6: Mô hình điều khiển tách kênh phân ly của hệ có hai tín hiệu vào và hai tín hiệu ra

2.4.2. Xây dựng bộ tách kênh giữ nguyên hàm truyền đối tượng
Sau khi phân ly được 2 kênh độc lập như trên ta xây dựng được cấu trúc điều khiển
mức và nhiệt độ như hình vẽ:
Hình 2.9: Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ


th

11

Chương 3
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN VỚI BỘ ĐIỀU
KHIỂN PID BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
3.1. Đặt vấn đề
Trong chương 2, đã tiến hành xây dựng được mô hình toán học cho đối tượng và
thực hiện phân ly hai kênh và thiết kế điều khiển theo quy luật PID cho đối tượng mức và
đối tượng nhiệt độ bằng phương pháp tối ưu đối xứng. Trong chương này, ta đi thiết kế bộ
điều khiển cho hệ thống điều khiển mức và nhiệt độ bằng bộ điều khiển PID kinh điển.
3.2. Tổng quan bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển được gọi là PID do được viết tắt từ 3 thành phần cơ bản trong bộ điều
khiển: khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D).


e(t)

u(t)

e(t)

với u(t) = u
P
+ u
I
+ u
D


PID

y(t)
x(t)
e(t)

u(t)

(-)
Plant

12

3.2.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn.
3.2.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số


() = 120 + 4/ + 250
3.4.2. Điều khiển nhiệt W
đk
(s)y(t)
u(t) (-)
W
đt
(s)100
(1 0,2 )
s



PID

(-)
L
đdd
L
th? c
13

0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
t(s)
T (oC)
Dap ung nhiet do cua doi tuong da bien
Td
Tthuc
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
10

= 200 + 10/ + 250
3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink
3.4.1. Cấu trúc mô phỏng

Hình 3.7a: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển mức cho đối tượng đa biến
Hình 3.7b: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ cho đối tượng đa biến
3.4.2. Các kết quả mông phỏng
3.4.2.1. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển mức cho đối tượng đa biến Hình3.8: Kết quả mô phỏng hệ điều khiển mức cho đối tượng đa biến
3.4.2.2. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển nhiệt độ cho đối tượng đa biến

trên

Hình 3.1313a cùng với kết quả mô phỏng về điều khiển nhiệt độ như trên Hình 3.9 và
kết quả thực nghiệm trên

Hình 3.13 13b cho thấy kết quả tương tự về chất lượng điều khiển. Như vậy, thông
qua thực nghiệm trên mô hình điều khiển mức và nhiệt cho đối tượng đa biến của trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã chứng tỏ mối liên hệ giữa thực tiễn và lý
thuyết. Qua đó, nâng cao được nội dung và kết quả cho luận văn về tính ứng dụng vào thực
tế.
3.7. Kết luận chương 3
Trong chương ba của luận văn đã thực hiện được các nội dung rất quan trọng đó là:
- Thực hiện phân ly hai kênh và thiết kế điều khiển theo quy luật PID cho đối tượng
mức bằng phương pháp tối ưu đối xứng và thiết kế điều khiển theo quy luật PID cho đối
tượng nhiệt bằng phương pháp tối ưng modul.
- Đánh giá được chất lượng bộ điều khiển PID điều khiển mức và nhiệt độ cho quá
trình đa biến bằng mô phỏng và thực nghiệm.
a)

b)

15

Chương 4
CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC VÀ NHIỆT ĐỘ CHO QUÁ TRÌNH
ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ
Khi gặp các bài toán điều khiển mà đối tượng khó mô tả bởi một mô hình toán học
hoặc có thể mô tả được song mô hình của nó lại phức tạp và phi tuyến, hay có các tham số
thay đổi, đối tượng biến đổi chậm có trễ thì logic mờ tỏ ra chiếm ưu thế rõ rệt. Ngay cả ở

Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ có xét tới các trạng thái động của đối tượng.
4.1.2.2. Điều khiển mờ lai
Hệ mờ lai (viết tắt là F-PID) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị điều
khiển bao gồm hai thành phần:
- Thành phần điều khiển kinh điển.
Kh
ối
mờ
hoá
Kh
ối
hợp
thành
Kh
ối
giải
mờ
Kh
ối
lu
ật mờ

16

- Thành phần điều khiển mờ.
*. Các dạng hệ mờ lai phổ biến
Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển
Hệ mờ lai Cascade
Điều khiển công tắc thích nghi bằng khóa mờ
4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai
17

0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Dap ung muc nuoc binh bao hoi
t(s)
L ( % )
Ld
LPID
LMo lai
Hình 4.20: Sơ đồ mô phỏng so sánh phương pháp mờ lai và phương pháp PID
4.4.1.2. Điều khiển nhiệt độ
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai 18

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
t(s)
L(%)
Dap ung muc nuoc cap binh bao hoi
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
10
20
30
40
50
60
70Hình 4.25: Đáp ứng nhiệt độ với bộ điều khiển mờ lai và PID có nhảy cấp từ 90
0
C xuống 70
0
C
4.4.3. Đánh giá kết quả
Từ kết quả ở các Hình 4.8 23, Hình 4.24 và Hình 4.25 cho thấy với bộ điều khiển mờ lai chất lượng điều
khiển đã được cải thiện một cách đáng kể như thời gian xác lập và độ quá điều chỉnh. Hơn
nữa khi tham số của đối tượng thay đổi thì bộ điều mờ lai vẫn duy trì được chất lượng còn
bộ điều khiển PID có độ quá điều chỉnh và thời gian xác lập tăng. Điều này cho thấy với
phương pháp điều khiển mờ lai đem lại khả quan cho việc phát triển ứng dụng phương pháp
điều khiển hiện đại cho hệ điều khiển cho quá trình đa biến.
4.5. Kết luận chương 4
Chương 4 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những vấn đề cơ bản về hệ logic mờ và điều khiển mờ.
- Đưa ra được phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ lai để thiết kế bộ điều khiển cho
đối tượng.
19

- Mô phỏng để khảo sát chất lượng hệ thống bằng Matlab/ Simulik .
- Chất lượng điều khiển mức nước và nhiệt độ của quá trình đa biến bằng bộ điều
khiển mờ lai so với bộ điều khiển PID đã được cải thiện đáng kể.
20

21

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng (2013), “Điều khiển DCS cho nhà máy nhiệt điện
đốt than”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
[2]. Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng (2010), “Điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt
than”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
[3]. Nguyễn Phùng Quang (2006), “Matlab  Simulink”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội.
[4]. Phan Xuân Minh  Nguyễn Doãn Phước (1999), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất
bản khoa học và kỹ thuật.
[5]. Phan Xuân Minh  Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển mờ in lần thứ 3
có sửa chữa bổ sung , Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[6]. Lại Khắc Lãi (2003), “Một số phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trên cơ sở logic
mờ và thích nghi”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường đại học Bách khoa Hà Nội.
[7]. Phạm Xuân Khánh (2012), “Nghiên cứu phát triển bộ điều khiển thông minh ứng dụng
trong công nghiệp”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[8]. Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, NXB Bách khoa Hà
Nội.
[9]. Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Xưởng in ĐHTC - Đại
học Bách khoa Hà Nội.