1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƯƠNG THỊ THANH XUÂN
NGHIÊN CỨU, KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG
CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN QUÁ TRÌNH
Chuyên ngành: Tự Động Hóa
Mã số:
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2011
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh
Phản biện 1 : TS. Bùi Chính Minh
Phản biện 2 : TS. Phạm Hữu Đức Dục
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số , trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào giờ phút ngày tháng năm 2011.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
2
MỞ ĐẦU
Điều khiển tự động đã được biết đến trong Công nghệ Điều khiển Quá trình
(Process Control). Van Điều Khiển là phần tử chấp hành trong hệ thống điều khiển
và đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điều khiển.
Nội dung nghiên cứu:
Phần mở đầu
Chương 1. VAI TRÒ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH

Tôi xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 12 tháng 10 năm 2011
Người thực hiện
Lương Thị Thanh Xuân
4
Chương 1. VAI TRÒ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH
1.1. Vai trò vị trí của van trong điều khiển quá trình
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 lưu lượng môi chất qua các
đường 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 lưu lượng môi chất đi qua, để bù đắp lại ảnh
hưởng của nhiều và thay đổi giá trị biến điều khiển để có được đại lượng cần điều
khiển như mong muốn.
1.2. Cấu tạo, phân loại van điều khiển
1.2.1. Cấu tạo van điều khiển
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
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
a. Thân van ( Control valve body)
b. Cơ cấu chấp hành (actuator)

Là một cơ cấu truyền động khí nén, thủy lực hoặc điện để định vị vị trí đóng
mở van, điều chỉnh van chính xác theo tín hiệu điều khiển. Truyền động lò xo và
màng khí nén phổ biến nhất do độ an toàn của nó và đơn giản khi thiết kế.

- Van điện
- Van thủy lực
- Van từ
1.3. Đặc tính của van điều khiển
1.3.1. Kiểu tác động của van
- Van đóng an toàn (fail-closed, FC hoặc air-to-open, AO)
- Van mở an toàn (fail-open, FO hoặc air-to-close, AC)
- Dự phòng an toàn (fail – safe)
1.3.2. Đặc tính thời gian của van
a. Hiện tượng dải chết (Deadband) của van
Deadband là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự dư thừa của biến quá trình. Các
nguyên nhân gây ra hiện tượng Deadband là: ma sát , khe hở, dải chết,
Hình 1.19. Hiện tượng deadband
b. Thời gian đáp ứng của van (Valve respostion time)

1.3.3. Đặc tính lưu lượng của các loại van
Đặc tính lưu lượng của van điều khiển là mối quan hệ giữa lưu lượng tương
đối của môi chất đi qua van điều chỉnh và độ mở tương đối của cửa van, tức là:
ax axm m
F L
f
F L
 
=
 ÷
 
* Van tuyến tính ( linear vavle)
* Van mở nhanh ( Quick open vavle: QO)
* Van phần trăm đều ( Equal percentage vavle: EP)
1.3.4. Đặc tính động học của van

trong hai khoảng đó. Dải chết gây ra sự trễ pha giữa đầu vào và đầu ra.
* Deadzone(Vùng chết): là vùng mà đầu ra không thay đổi giá trị mặc dù có sự
thay đổi của đầu vào theo hai chiều thuận ngược.
b. Đề suất định nghĩa mới về Stiction
Sự xuất hiện của Stiction giảm sự di chuyển chính xác của van, ví dụ: cần van
có thể không đáp ứng tín hiệu đầu ra từ bộ điều khiển hoặc bộ định vị van. Sự di
chuyển trơn của van trong đáp ứng với đầu vào biến thiên từ bộ điều khiển hoặc bộ
định vị van thể hiện bởi dải giữ và sự nhảy đột được nêu lên như sự trượt-nhảy.
2.2. Quan sát ảnh hưởng hiện tượng Stiction trong thực tế
2.3. Mô hình vật lý của ma sát van
Khi trục van trượt theo định luật II Newton ta co phương trình cân bằng lực:
(2.1)

2.3.1. Mô hình ma sát
2.3.2. Mô phỏng van
Mục đích của mô phỏng của van là xác định ảnh hưởng của tính phi tuyến
trong mô hình. Các mô hình phi tuyến có thể tạo ra giới hạn chu kỳ dao động trong
vòng điều khiển phản hồi, và mục đích là để hiểu được ảnh hưởng của phi tuyến
đến đặc tính và hình dạng của chu kỳ giới hạn.
2.4. Mô hình Stiction van điều khiển bằng dữ liệu
Mô hình chỉ có cần :
* Tín hiệu ra từ bộ điều khiển
* Tổng deadband, stickband S và slip-jump J
Kết luận chương 2:
* Hiện tượng phi tuyến trong van là một trong những nguồn chính cho sự
xuống cấp trong quá trình điều khiển và kết quả phi tuyến này là do:
- Sụt áp trên van
- Hệ số khuếch đại thay đổi
- Do cơ cấu truyền động van
* Sự xuất hiện của Stiction giảm sự di chuyển chính xác của van, ví dụ: cần

Các thiết kế của quá trình trung hòa phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố như:
- Kích thước bể phản ứng, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trung hòa (ví dụ
như một bình lớn được yêu cầu khi thuốc thử có độ hòa tan thấp như canxi vôi).
Thời gian lưu giữ cần được giảm thiểu.
- Trộn và khuấy trộn đều để loại bỏ hoàn toàn thuốc thử phản ứng. Kết quả
của việc trộn không đều gây ảnh hưởng đến điều khiển pH
- Các vị trí tương đối của các đầu vào, đầu ra bình, và địa điểm đặt cảm biến
đo cho đáp ứng tốc độ tối đa.
- Hệ thống thuốc thử và điểm bổ sung thuốc thử cho việc điều khiển pH
3.3. Ảnh hưởng của đặc tính van tới điều khiển độ PH trong CSTR
3.3.1. Mô tả chung
Hình 3.2. Bình khuấy trộn liên tục CSTR [10].
3.3.2. Quá trình xảy ra trong bình CSTR
Nói về ảnh hưởng của stiction đến điều khiển quá trình, kết quả mô phỏng như
hình 3.4

3.4. Phương pháp bù ảnh hưởng của stiction valve
3.4.1. Phương pháp knocker
* Giới thiệu về phương pháp:
Hình 3.5. Cấu trúc phương pháp Knocker
- Phương pháp của Hagglund (2002) đề xuất cộng thêm một xung ngắn bù
thêm vào tín hiệu điều khiển knocker

h
k
a
τ
3.4. Ảnh hưởng của hiện tượng stiction đến hệ điều khiển quá trình
3.4.2. Phương pháp bù: bổ xung thêm mạch vòng bù ảnh hưởng hiện
tượng Stiction valve



+
sT
K
i
p
1
1
Controller
Y
sp
u
c
y
u
cr
Hình 3.7. Cấu trúc của phương pháp bù
- Phương pháp bù: bổ xung thêm mạch vòng bù ảnh hưởng hiện
tượng Stiction valve: là để điều chỉnh tín hiệu đưa vào cơ cấu chấp hành
bám theo tín hiệu mong muốn của bộ điều chỉnh cung cấp, có nghĩa là khử hiện
tượng stiction của van.
Nhiệm vụ của phương pháp: Dùng bộ điều khiển PI để khử các nhiễu tác
động, để tín hiệu điều khiển thực tế đạt được như mong muốn:
u
cr
= u
c
Chương 4. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Subsystem2
FbOut1
Subsystem1
Step2
Step1
Scope7
Scope6 Scope5
Scope4
Scope3 Scope2
Scope1
Scope
Saturation2
Saturation1
Product2
Product1
PID
PID Controller2
PID
PID Controller1
log10
Math
Function2
log10
Math
Function1
-1
Constant2
-1
Constant1
Hình 4.3. Cấu trúc mô phỏng điều khiển nồng độ PH

Saturation1
Product1
PID
PID Controller1
log10
Math
Function1
-1
Constant2
Hình 4.10 . Mô hình mô phỏng điều chỉnh độ pH khi chưa có stiction
Kết quả mô phỏng

Hình 4.11. Tín hiệu trước và sau khối stiction
Hình 4.12. Độ pH và lượng đặt
Ảnh hưởng của stiction lên van phần trăm đều (Ep)
Hình 4.13 . Mô hình van phần trăm đều chịu ảnh hưởng của Stiction
Kết quả mô phỏng:

Hình 4.14. Tín hiệu trước và sau khối stiction
Hình 4.15 . Ảnh hưởng của stiction lên điều chỉnh độ pH

Nhận xét: Thực tế khi van chịu ảnh hưởng từ hiện tượng Stiction, ảnh hưởng
rất nhiều đến quá trình trung hòa pH, như ta thấy ở kết quả trên, pH trong CSTR sẽ
không ổn định ở pH=7. Như vậy thực tế hiện tượng Stiction ảnh hưởng rất lớn đến
quá trình điều khiển pH
4.2.4. Khắc phục ảnh hưởng Stiction đến quá trình điều khiển pH
a. Van tuyến tính
Như vậy, vấn đề đặt ra là phải giảm tối đa ảnh hưởng của Stiction đến van.
Điều này tương đương với làm giảm tính phi tuyến trong van, đưa van về gần lý
tưởng nhất. Để đạt được điều này, ta sẽ thiết kế một bộ điều khiển PI dành riêng cho