H O À N G M IN H S Ơ N

Cff sứ HỆ THÔNG

Đ iều khiển
quá trình
THƯ VIỆN ĐH NHA TRANG

I

30C)0025314

N H À X U Ấ T B Ả N B Á C H K H O A HÀ NỘ I


H o à n g M in h S ơ n

cir
ĐiỀu

s. H‫ ؛‬THỐNG

khi Ển quá trình

(TÁ I BÂN l Ầ n 2 , c ó SỬA CHỮA VÀ B ổ s u n g )

ỉ.ệi íỉoi; fis٠Ẵỉ u،«&

ĨH Ư V l ệ í ĩ

I

tlh(٩t bị diều khiển (DCJS, PLCVHMI, ‫()ﻟﻞ‬:, bus ti'ư(')ng,...) ngày cầ.ng t(ạo diều klộn
thiiận l(٠h hcUi clio vỉộc cài d ặt các shell 1іГ(;с và, tliuật toh.n diều kliiển tihn tiốỉi.
Một di(٩u dhng nói la trong kill cOng ngli(١shn xuht lioặ.c cbng ngh‫ ؛‬tlilết 1)Ị (liều
khiển dã, cO thể lạ,c hậu chĩ sa.u 10-15 nhm, co sd ỉ)hưong phảỊ) luậ,n cho thiht kế
li‫ '؛‬tliống diềi-i kliiển quả trinh vẫ.n gild ngu^'ên gia trị sau liầng ni'ïa thế kỷ - t:ất
nhiên ditqc bổ sung và phht triển lên một tầm (:ao indi.
٢-:ι.ιήη shch Cơ sở hệ thong Điều khỉển quá trinh la giho trinh mỗn liqc “Điều
kliỉến quh trìn li” cho sinh viên đại liqc ngầnli Kỹ tliuật Điều khiển vh Ti.í dộng
lida của trirOng Đại h(_)c Bhch klioa Hà Nội. Nội dimg chínli cila cuốn shell chng
(:ó tliể sir dpng Ihm thi liệu li(^c' tập clio sinli vihn chc ngành C(^ng nghệ liên quan
(Nhiệt, Hba, Sinh liqc-Thực pliẩm, M(/١)
i trirdng,...). Đổ Ihrn việc liiệu quh veji cuốn
shch. chc sinh viên cần diĩỢc trang l)ị ki(‫ ؛‬n thtíc c.(-t sở của lý thuyết diều kliiến tit
động. Đặc biệt, cu(‫ ؛‬n shell di,r(.lc trinh bhy theo một phong chcli diễn gih.1 kết li(?p
nliiều ví di-.i minti liqa cụ tliể١Ị)liù hỢp clio unie dícli tit ngliiên c.ứu cha m ột số


iv

nhóm l)ạii đọc. Tảc giả cũng hy vọng nhiều đồng nghiệp trong các trường clcii lỉọc
và viện nghiên cứu tìrn thấy trong cuốn sách những tư liệu tharn khảo bổ ích.
Cuốn sảch dược biên soạn dựa trên kinh nghiệm từ nhiều nâm giảng dạy шоп
hục ‘;Điều khiển quá trin h ” và một số môn liên quan tio n g trường dạ.i học, chng
như các khOa dào tạo nâng cao cho kỷ sư bên ngoà-i. Ngoài chương mở dầu, nội
d ‫ ا‬mg cuốn sảch bao gồm hai phần chinh la Cơ sở mô hình hóa (chương ٠2 dến
chương 4) và T h iế t kế diều khiển (chương 5 dến chương 9). Hầ.u hết CÁC ví dụ
minh họa dược thực hiện với sự hỗ trỢ của cOng cụ MATLAB.
Tảc gia bày tỏ lOng cảm ơn chân thànli tới các dồng nghiệp vả cảc Іэаіі sinli
viên - những người da giUp dỡ và hỗ trỢ nhiệt tinh cho sự ra dời cUa cuốn số.ch٠
PCS. TS P h an X uân ^4inh da cho nhiều lời khuyên cho thiết kế nội dung cuốn

M ue lue
٠

٠

C hương 1 M ơ
1.1

1.3

l .4

.1.5

1.6

1.7

1

Điều khieii quá ti.ình là g ì ? ............................................................................ 2
1.1.1
1.1.2

1.2

đ Ầư

Q uá tiìu h vả các l)iếu quá t r in h ................................................... 2
Phan loại quả trin h ............................................................................ 5

Tliiốt Ị)ị chap líhnli.......................................................................... 21
Cáe nlii‫؛‬:.m vụ phát triển hộ th ố n g ............................................................. 24
1.5.1
l)lihn tích chtíc na.ng hộ tliống...................................................... 24
1.5.2
Xây di-.ưig mb liìnli quả tr in h ........................................................ 25
1.5.3
4٦liiết kế cấu trúc rliều khiển..........................................................25
1.. 5.4 T hiết kế th u ậ t toản diều khiển...................................................... 27
1.5.5
I^tía chọn giải phhp hệ tliố n g ........................................................ 27
1.5.6
P h á t triển phần mềm ứng dụng....................................................27
1.5.7
G١
hínli d!nh VẰ dưa vào vận h à n h ................................................ 23
Mô tả chức nẵ-ng hệ th ố n g ............................................................................ 28
1.5.1
Cảc tải hệu mô ta dồ h(.)a.............................................................. 28
1.6.2
Lưu dồ P& ID .......................................................................29
Ghi cliU vả tài liêu tham k liả o .....................................................................32


V‫؛‬

Rail them về kliai niệiíi điều kỉiỉếii (]Iiá
1.7.1 ‫ اإااأ'ا ؛‬.................... .. 3.1
1.7 .‫ﻳﺈ‬
\ ‫ خ’ا‬tà ‫ ؛‬l ‫؛‬ộu tỉiaiii khao ............................................................. .......3‫ة‬

2.3.2 ‫؛‬3iếii và 111(5 ‫؛‬linh da h ‫؛‬ế n ....................................... .54
Mô hình tham số hằng vầ 111(5 hìnii tlia.ni số blén thiCn
2.3.3 .... .. 55
Mô
2.3.4 ‫؛‬lìiili th a .111 số tập t.ìuiig và nib hình tham số lải .... .... .. 55
hl(5 hình
5..3 ..2 11‫ ااج‬ti.ic vả niO hìnli g!án đo ạn ..................................... 5‫ة‬
Các (ỉạiig 111(5 h
2.4‫؛‬n ‫؛‬i ‫؛؛‬du tụ c ........................................................................ 57
Pliiíơiig tiìnli vi p h â n 2.4.1................................................................ .. 57
Mỏ hìnli t i
2.4.2‫؟‬.ng th á ‫ ؛‬.......................................................................... 58
Mò liìii
2.4.3‫( !؛‬ỉả[) itiig quá đ ộ ...................................................... ..... .. 53
Mô
2.4.4 ‫؛‬linh hàm tiuyíui d ạ t ...................................................... ..... .. 55
liìiih dảp iliig tầ.ii s ố
5)1^2.4.5.............................................. ..... .. 59
Các iiiO
2.5 ‫ ا؛ااأاا‬giciii (lo a n ......................................................................... ........ 7(.'‫إ‬
P
2.5.1‫؛‬iư(tng tiliih sa ‫ ؛‬p ‫؛‬ia.u ........................................................... . .. 79
Mô liìiili
2.5.2 ‫؛‬.lạiig t ‫؛‬iÁỈ.......................................................................... 71
liình đá]) Inig qu5, đ ộ
M(52.5.3............................................. ...... .. 74
Các niO hìiili da thtíc vả hd.ni ti'u.v^ii dạt, x u n g .
2.5.4............ ..... .. 75
Mô liĩnli lìảiii tiuyền (lạ.t glảii doạ,n 2.5.5............................................. 81
Clii chú VÀ tà

3.3.3
3.3.4
3.3.5

3.4

3.5

3.6

3.7

Ví dụ thiết bị khuấy trộn liên t ụ c ...............................................92
Ví dụ thiết bị gia n h iệ t.......................................................
93
Ví dụ thảp chưng luyện hai cấu t ử ..............................................94

Phương
Phương
Phương
Phương

trình
trình
trình
trình

cân bằng năng lượng............................................101
truyền n h iệ t....................................
105

Mô phỏng quá trình sử dụng M A T L A B .................................. 134

3.8

M ột số ví dụ quá trìn h tiêu b iể u ...............................................................142
3.7.1
Chuỗi ba th iết bị phản ứng liên tục đẳng n h iệ t.....................142
3.7.2
T hiết bị phản ứng th u nhiệt sợi đ ố t ......................................... 146
3.7.3
T hiết bị phản ứng liên tục tỏa n h iệ t....... ................................ 119
3.7.4
T háp chưng luyện hai cấu tử .................................
153
Ghi chú và tài liệu th am k h ả o ....................................................................163

3.9

Câu hỏi và bài t ậ p .................................................................................

C h ư ơn g 4 N hận
4.1

4.2

dạng quá t r ìn h

165
171


4.2.4
Mỏ liìiih chứa thảnh Ị)hần tích p liâ ĩi....................................... 190
Các phư’(jng pháp dựa tìê n đáp ứng t.ần s ố .............................................. ‫ ا‬9 ‫)ا‬
4.3.1
Kí(4i thích t ì ١
ĩc tiếp tin hiện hình s i n ........................................191
4.3.2
Kích thícdi tin hiệu dạ.ng x u n g ..................................................... 196
4.3.. .1 IdiUOng Ị)háỊ3 phâ.n tích plìổ tin h iệ u .......................................... 19(1
Cốc ])hu٠
ờng phảỊ.) bìnli phương tối th iể u ...................................................193
4.4.1
Nguyên ІѴ bìnli phương tối th iể u ................................................ 193
4.4.2
U’ớc lượng tham số mô liình FIR...................................................200
4.4.3
l/ởc lượng tham số mô hình A R X ...............................................20‫اا‬
1.4.4
ưdc lượng tham số n٦ô hìnli hên tục SO PD T
200
N.ỉiậii d‫)؛‬,ng tiong ٧òng k i n ............................................................................ 212
-1.3.1
Nhận dạng trong vOng pliản hồi rơ-le........................................ 21‫إا‬
4.3.2
Nhận dạng trong vOng diều khiển Р /Р І ................................... 219
Sử diiiig M atlab Identification T o o lb o x ................................................... 221
4.0. 1 I3iểu diễn số liệu thực' nghiệm .......................................................22.2
4.0. 2 Dạng mô hình sử d ụ n g ...............................................................,...222
-'-1.0.3
Cảc th u ậ t toán nliận d ạ n g .............................................................22-3

Cấu trhc cơ bẲ.n............................................................................... 247
3.2..3
Mai ti,'ồ của diều khiển Ị)hảri l.iồi.................................................. 249
-3.2.4
Скгс vấn dề của diều khiển phản h ồ i...........................................233
3.2.-3
Điều khiển phản hồi kết hợp truyềri tliẳ.ng........................'234
Dièu klii^n tỉ l ệ ................................................................................................ 2-3.3
-3.3.1
Ví dụ diều khiến thiết bị khuấ.y trộn liên ttic ....................23 3
3.3.2
Ví dụ diều khiển thiết bị gia nhiệt, hơi nríóc......................23 0
3.3.3
3.3.4

Hai cấu hình diều khiển tỉ l ệ ....................................................... 257
I3ả.n cliất vầ ý nglila của diều kliiển tỉ l ệ ................................... 239


lx

Điều khien
5.3.5 ‫؛‬:‫ آ‬lệ к ‫؛‘؛‬: 1‫( د]إ(ا‬11‫ ااغ‬кЬіГ١п plìản liồi ................ ..... 2‫ ة‬2
Diều kliien ta n g Г).4............................................................................................... 263
.Vi 5.4.1 (1‫ا‬.‫ ا‬điều kliieii thiet bi gia ĩiỊiiột hơi uư ớ c . ..................... 264

.liai cấu ti'Uc. điều kliiCu triiig
5.4.2...........................................
.Dièu khiểu vi t.j'i v a u
5.4.3 ................................................................. 2

Dặc: tínli clbng cli6.2.3 ‫؛‬٠y .i............................................................... 304

Dặc t-ínli động h(y6.2.4 ' .................................................................. 307
13Ộ clịnh vị v a n .6.2
٠
5............................................................................. 308
Che bộ C-liều khiển phhn
6.3 1)6,1...................................................................... 309
Chiều the đ ộ n g 6.3.1 ............................................................................. 310
điều khiển hai vị tri Bc)6.3.2 ........................................................... 312
Bộ điều khiển p 6.3.3 ..................................................................... 313
Bc) điều khiển B I 6.3.4 ..................................................................... 314
Bộ diều kliiển PIB lý titdng 6.3.5 ....................................................... 315
Bộ diều khiển PIB tlu.íc6.3.6 ^................................................................ 318
Glii clnl và tài liội.,1 tham k h h o 6.4..................................................................... 324
hỏi vầ bải t ậ p C âu 6.5................................................................................. 325


X

C hương 7 P hẳn
7.1

7.2

7.3

7.4
7.5


Tínli ổn định dư ợ c..........................................................................366
C hất lưựng thều khiển Ị)hảii liồ i..................................................................367
7.3.1
Bả.nh giá chất IríỢng trên miền thời g ia n .................................367
7.3.2
Đảnh gia clìất lượng trẽn ĩniền tầ.n s ố ......................................371
7.3.3
Phân tích chất hrợiig diều khiển tầ n g .......................................330
Ghi chủ và tai hệu tham k h ả o ....................................................................334
Câu hỏi vầ bài tậ Ị ) ......................................................................................... 335

C hương 8 C hỉnh
8.1

t ‫ ؛‬ch hệ đi Ều khi Ển phản h Ồi

định bộ đi Ều khi Ển

PID

389

Cơ sở c liu n g ......................................................................................................390
3.1.1
Cảc dạng mô hìĩ)h quá trinh thông rlrii١g-...........................390
3.1.. 2 XấỊ) xỉ mO hình t^ậ.c cao - luật chia d ô i.....................................392
8.1.3
Các cấu hình diều kliiổn và kiểu hộ diều khiển .................393
8.1.4
Bặc tínli v(١


XI

Pliitưiig Ị)liảỊ) tối
8.4.1 ‫ ااﺀﻻ‬đối x ١.١i!g ..................................................... 4.40
٤kaỊ)pa:taii 8.4.4
Phươĩig pháp ' ............................................................ 442
Phương ])lìá]) (hra trhii dự 1riì hidn-pha
8.4.4............................... 444
Điền kliicn
8.5 ‫ل)ل‬kết 0 ‫اﻹ‬.‫از‬.) ‫ ا'ادا‬ti.ễ .................................................................. 4.47
14ộ dir l;)áo Siíiitli1'.8.5 .............................................................................. 447
pộ dièu kliieii
8.5.2 [‫ل‬1 0 ‫ 'ﻻ‬Ị,)áo.............................................................. 440
Ghl chú vả tài hện thani k h a o
8.6................................................................... 44-1.
Câu hỏi VÌI hài t ậ p
8.7..................................................................................... 445
C hương 9 T hi Ết

k Ế c Ấư trúc di Ềư khi Ển cho qưá trỉnh da bi Ến

447

‫؛‬Giới thiộn c h u n g
.1.1............................................................................................ 44.
CẤu ti'úc điều kdiiển lả gì9.1.1? ........................................................... 447
9.1-.2
0‫ ل(ا‬.‫؟‬ờ tliiết kế cắn trúc di‫؛‬١u kliioii............................................ 452
‫؛‬Lựa clipn hiến quá ti

B.2 c:huắn tin hiộu và. cỉiuắn liộ t-liống............................................................ 480
B.3
B.4

PliÓỊ) pliân tícli giá tri .suy liỉến (SVD ) .................................................... 484
Ma trậ.n klmếch dại tu'ơng dối (HCLA) ...................................................... 486


2

C hươn (; 1

Mở DAU

Mục đícli của cliiicjiig mở đầu Iiả.y là cuỉ١g cấ.Ị) clio ugcĩời đọc cải ỉiliìu sơ lu٠Ợc
về bản chất vả ĩuục đích của (:bèu khi‫؛؛‬u quá ti'iuh, ‫؛‬.ổng quan về các chlíc nang
và. t-ỉiành ơ‫؛‬iần cơ bản của một liệ ‫ ؛‬hống điều kliiến quá. tỉ',ình và cá.c nhiệin vụ
đặt ra cho người kỹ sư.

1.1

D iều khiển quá trinh là gì?

Trong nội dung cuốn sách nảy, khhi niệm diều khiển CỊuả trh ih đưỢc hiểu Ih. ling
diLug k^ th,iiộ,t diều kltieu t'ự dộĩig tiOug diều кіі.геи, Oậu ìiciuH 'ud giám sdt cdc gud
trinh cong ĩiqhệ, ĩihằrn đảm bão chất ìĩCỢng sản J)ham> h'iê'ii quả sản xuất ĩìà an
todu clio cou Tigitời, má\j mốc ca môt ‫؛‬..'riidug.
Đế làm rO địnli nghĩa này, những mục tiếư theo sẽ lần lượt cung cấp m ột số
khải niệm cơ bdn vả phân tícli nhtlng' vấn đề dặc tliU của diều khiển quá trinh.




1.1

ĐiỀư khĩể: n qưá tỉùnh là g ì ‘.''
Diếu vào
I

Bién điều khiển

Nhiễu

Vật cliất
Năng lượng
Thông tin

Vật chất
Năng lượng
Thông tin

Biếri trạng thái
Biến không cần
điều khiên

Hình 1-2:

QưÁ

Biến ra


khiển tiều biểu n h ất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Cảc biến ra hoặc
biến trạn g thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị.


4

Clỉl/ƠNG 1

Mờ ĐAU

B iến điều khỉển {manipulated variable, Μ \/) là, một biến vảo của quá trìuh có
thể can thiệp trực tiếp ti١ĩ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra tliGO ý muon.
Trong diều khiển quá trinh thi lưu lượng la biến diều khiển tiêu biểu nhất.
Những biến vào cồn lại khOng can thiệp dược một cảch trực tiếp hay gián tiếp
trong phạm vi quá trìnli dang quan tâm dược coi la nhiễu. Nhiễu tảc dộng tới
quá trinh m ột cảch không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ
hoặc ít nhất, la giảm thiểu ảnh hưởng của nó. c o thể phân biệt hai loại nliiễu có

\‫؟‬، \vk \\‫\\\ \\ ه‬лам \à иНгеи quá t ĩ i á ЦгзѣитЪаисе‫ ؛‬va иКгеи do (^uoiseV
Nhiễu quá trinh la những biến vào tác dộng lên quá trinh kỹ tliu ậ t một) cá.ch cố
hữu nhưng không can t.hiệp đưỢc, ví, dụ trọng lượng hảng cần nâ ٠ng, lưu lưqng
chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, Ѵ.Ѵ... Còn n.hiễu do hay nỉiỉễu ίοφ la nhiễu
tác dộng lên phép do, gây ra sai số trong giá trị do dược.
Lưu ý rằng, cần phân biệt rạ,ch ròi giữa cầc dầu v à o /ra cOng nghệ và ٢
lầu
v à o /ra nhìn từ lý thu y ết hệ thống. Nhìn từ phía công nghệ thi các dầu v٠
ao và
dầu ra của m ột quá trinh có thể la nâng lượng hoặc vật chất, nhưng từ q١ian
điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới tliOng tin thể hiện qua cảc biến quá trinh.
Hình 1-3 minh họa một bìiili chứa chất lỏng dơn giản eUng vối cảc biến dặc

BÌNH

CHỬA CHAT LỎNG VÀ CÁC BIẾ n q u a t r i n h


1.1

Đ lỀ u KHIỂN QUÁ TRÌNH LÀ GÌ?

5

Cảc biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được. Trong đa số cảc
trường hỢp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được. T uy nhiên nếu
phéỊ3 đo m ột đại lượng quá chậm, quả thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có
thế được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua m ột đại lượng
khảc th ay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp. Vì thế, một hiến cần điều khiển trong
một số trường hỢp chưa chắc sẽ là m ột biến được điều khiển. Ví dụ, đối với các
th áp chưng luyện thì biến cần điều khiển là thành phần sản phẩm ra. T uy nhiên,
phép đo th àn h phần hóa chất thường rất chậm và kém chính xác, hơn nữa ảnh
hưởng của nhiễu được phản ảnh rất chậm trong thay đổi th àn h phần sản phẩm
ra. Thực tế, người ta có thể chọn biến được điều khiển là nhiệt độ đỉnh tháp
cũng như nhiệt độ đáy tháp, với lý do thành phần sản phẩm có quan hệ chặt chẽ
với nhiệt độ, giá trị nhiệt độ dễ đo hơn và phản ánh nhanh hơn ảnh hưởng của
nhiễu.
T rong nhiều bài toán, việc nhận biết các biến quá trình cũng như lựa chọn
các biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ cũng dễ
dàng. Đây là m ột trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình th iết kế hệ
thống điều khiển m à ta sẽ bàn kỹ hơn trong các chương sau.

1 .1 .2

Trong m ột quá trình rời rạc, cảc đại lượng đặc trưng chỉ th ay đổi giá trị tại
một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong m ột tập hữu
hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy, cả(' clại
lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng cảc biến
số nguyên, trường hợp đặc biệt, lả các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến
logic (cho các trạng thải logic). Q uá trình đóng bao, đóng chai, quả trình Ị)hục
vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là cảc ví dụ quá trình rời rạc tiêu biểu.
Một quá trinh mẻ là một quả trình hỗn hỢp {hệ lai, hybrid system ), có đặc
trưng của cả quả trình liên tục và quá trình rời rạc. Q uá trìn h mẻ hoạt động
theo m ột quy trình thao tác {công thức, recipe) cho trước vả tồn tại trong một
khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với m ột mẻ. Các đại lượng đặc trưng
của một quá trình mẻ bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc bií)t,
yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá
trình mẻ. Các quá trình phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trìn h lên men
(bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ.
Q uá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp
chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của cảc ngành công nghiệp) chế
tạo và lắp ráp. Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trìn h ta quan tâm trước
hết tới các quá trình liên tục và quá trình mẻ. T uy nhiên, ngay cả trong những
nhà máy chế biến cũng tồn tại m ột số quá trình rời rạc, ví dụ quả trìn h nhậpxuất hàng, vận chuyển, đóng bao, đóng chai, khởi động/dừ ng th iết bị, v.v...

1.1.3

B ài to á n đ iều ch ỉn h và bài to á n b ám

Nhìn từ quan điểm của lý thuyết điều khiển, ta có thể phân biệt giữa bài toán
điều chỉnh {régulation problern) và bài toán bấm {tracking problem) hay cơ chế
servo {seruo mechanỉsm). Nhiệrn vụ điều chỉnh là thiết lập hoặc duy trì đầu ra
tại một giá trị đặt clio tnrôc trong khi có tảc động của nhiễu, trong khi yêu cầu
của điều khiển bám là (lầu ra bảm theo một tín hiệu chủ đạo liên tục thay dổi

nhiễu. Diều khiển bám gia trị dặt dưa quả trìnli tdi một điểm lảm việc mới,
tr()ng dó biến dược diếu khiển cần bá.m nhanh và chinh xác theo gia trị dặ.t dã
thay dối. Q ua m inh họa trên Hình l-4b ta có thể thấy rõ các đáp ứng hệ thống
khác ntiau giữa trrròng hợp thay dổi giá. trị đặt vdi tảc dộng nhiễu. Đối với các
quá trinh vận hành liên tục, giá trị đặt ít thay dổi lioặc thay dổi trơn tru nên
yêu cầu loạ,i bỏ nhiễu thực ra có vai trò qua.n trqng hơn.

1.1.4

C ác v ấ n đ ề đ ặc th ù của điều k h iển quá tr in h

Lĩnli virc ứng dụng diều khiển quá trìnli lả các ngdnli cbi'ig ngliỉệỊ-) chế biến, kliai
thdc và năng lượng. Để cO thể tliỉế.t kế chng nliư vận liành tố t chc hệ thống điều
khiển quá trinh, trước hết) ngươi kỹ sư diều khiổn cần liiểu rồ các vấn dề dặc thù
tr()ng lĩnli vực nà٠
y.
Q ui m ô ứ n g d ụ n g
Hầu hết cảc dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá trin h có ٢
ỉu.y
mb vừa và lớn, khác với diều khiển máy, diều khiển chuyển dộng hoặc diều khiển
các dây chuyền gia công, lắp ráp. Qui mô ở đâ.y có thể dưỢc hiểu theo hai nghĩa,
quy :nô về phạm vi chức nấng diều khiểi'1 cần thực hiện và quy mỗ về m ặt tổ
chtic sản xuất. Mỗi nh a máy hóa chất, nhầ máy lọc dầu, nhà máy xi m ãng hoặc
nha '.náy diện dều bao gồm nhiều khu vực và phan đoạn liên quan tới nhau. Ví
dụ, một nhà máy nhiệt diện bao gồm các khu vực 10 hơi, khu vực turbin-m áy


8

C hương 1

Như da dề cập, bầi toán điề‫ إا‬cliỉnh là cl)ức nầng tiêu biểu và quan trọng nliất
trong m ột hệ thống diều khiển quá trinh. Các dại lượng cần (luan tâm trong m ột
quá trinh cOng nghệ trước l)ết lầ, các bỉến liên tục và tương tự (lưu IríỢTig, áp
suất, mức, nhiệt độ, thành phần), dặt ra í.:ác yêu cầu dặc trưng cho khả nầng
chuyển dổi và xử lý tin hiệu của. các thiết bị do, diều khiển và chấp hành. Các
th u ật toán diều chỉnh liên quan tơi các số th^íc (dấ,u phảy dộng), vì thế hệ vi xử
lý của bộ diều khiển cUng phải có khả nang thiíc hiện các th u ậ t toán một cách
hiệu quả. Bên cạnh dó, các chttc nang kliác như diều khiển khóa liên dộng, điều
khiển trin h tự, thu th ập dữ liệu chng cần dược chú ý. Việc thực thi dồng thời
nhiều vOng diều chỉnh cùng các chức nằng diều khiển khác d ặ t ra các yêu cần về
khả nẵng dáp ứng tinh thời gian thực của hệ thống. Tuy nhiên, phần lớn các dại


1.1

ĐlỀu KHIEN QUÁ TRÌNH LA GÌ?

9

lượiig đặc trưng của quá trinh công ĩigliộ (liễn bien tương đối chậm nếu so với
tá c íỉại lượng của bài to ản điền khỉển chuyển rlộng trong cảc ứng dụng gia công
cơ klií, vì thế yêu cầu về tinh nấ.ng thời gian tliực ít ngặt nghèo hơn. Các phương
phả]) diều khiển dược áp dụng ‫ ؤ‬đây có thể khbng phải xuất phát từ các lý
thuyết t.iên tiến nhất, nhưng lả các phương pháp rất tin cậy và da dược kiểm
chứng nhiều tiong thực tế.
K h ả n a n g v ậ n h à n h v à đ iều k h iển của ٩ uá tr in h
Khả. nang vậ.n hành của một quả trinh công nghệ liên quan tới thiết kế công
nghệ và các diều kiện ràng buộc hên quan. Giới hạn vật lý của các trang thiết bị
cUng như những quan hệ phụ thuộc giữa các dại lượng là những trở ngại không
nliO troiìg việc thực hiện giải pháp diều khiển. Dặc biệt, cảc quá trinh công nghệ


1.2

CnifONG 1

Mở ϋΛ ٧

M ục dlch và chức năng diều kh‫؛‬ển quá

Nhiệm vụ của điều k‫ر‬l‫إ‬ển ٩uả tiìiih lả đảm hảo (liều kiệu vận liảuh au I.OÀU, hiệu
quả và kinli l)ế cho quá trìuh chug ughệ. Ti.ưốc klii tim hiểu hoặc xây dựug m ột
hệ tliống' điều khiển quá trìuli, ugười kỹ sư phải làm ‫ ةاا‬các mục đích điều k.hiểu
và cliức nầ.ng hệ thống cần tliực hiệu nhằm dạt được các mục đích dó. Miệc d ặ t
bài toán và. di dến xây dựng một giải Ịiháp diều kliiển quá trinh bao giờ cUng b ắt
dầu với việc tiến hành phân tícli và. cụ thể hóa các mục đích điều khiển. P h a n
tích mục dích diều khiển là cơ sở quan trọng clio việc dặ.c tả các chức nầng cần
thực hiện của liệ thống diều khiển quá trinh.
Toàn bộ các cliức nầng của một, hệ thống điều kliiển quá trinh có thể Ị)hân
loại và sắp xếp nhằm phục vụ nầ.m mục dícli cơ bản sa.u dây:
1. Đ ảm bảo vận h àn h hệ thống ổn định, trơ n tru: Giữ clio hệ thống hoạt dộng
ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cá.ch trơn tru, dồ..m
bảo các diều kiện theo yêu cầu của chế độ vậ,n hành, kéo dầi tuổi thọ m áy
móc, vận hành th u ận tiện.
2. Đ ảm bảo nãng su ấ t và chất lượng sân phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩ.m
theo kế hoạch sản xuất và duy tri các tliOug số liên quan chất lượng sản
phẩm tio n g phạm vi yêu cầu.
3. Đ ảm bảo vận h à n h hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sư cố
cUng như bảo vệ clio con người, máy móc, tliiết bị và môi trường trong
trường hợp xảy ra sự cố.
4. Bẳo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi ti.ươug thbug qua giảm nồng độ khi

V Í Dự THIET BỊ K ỉ ì u Ấ y ĨR Ộ N đ ơ n G ỉ ẢN

V â٠n h à n h ổn d inh
٠

I)ể đảm bảo m ột nhà máy vận hà.nh ổn định và trơn tru, yêu cầu trưốc tiên là.
từng tổ hợp công nghệ và từng ٩ uá t.rình ph.ảl vận hành ổn định cUng như sự
l)h^)l hợp giữa chting phải nhịp lĩhÀng, trơn tru. Trong lý tliuyết áiều khiển tự
(٩ộng, chúng ta đã có những định nghĩa chặt cliẽ tinh ổn áịnh của m ột hệ thống
và cácli xác định tinh ổn định bằng các công cụ toá.n học vầ đồ họa. ở đây tinh
ổn định sẽ được tliễn giải một cách thực tế, theo các yêu cầu vận hành của ٩ uy
trinh công nghệ.
CO thể nối, m ột ٩ uá trìnl) ốn định khi mà nó được duy tri ở trạn g thái xác
lậl) hay nói cáclỉ khác la ở trạng tl)ái cân bằng vật chấ ٠t và nầng lượng, cO nglila
la trạng thải m à lượng vật cliất l ‫ا‬oặc nâng lượng tícli lUy của nO khôĩig thay dổi.
rrrong ví dụ plia chế dung dịch, việc dảm bảo hệ thống vận hành ổn dịnli thể
hiện ‫ ق‬việc duy tri mức trong thiết bị khuấy trộn cUng như thànli phần sản
pluiin ờ các gia trị cố định lioặc ít nhất la nằm trong n٦ột klioảng giới hạn cho
phỏp. Cả hai yêu cầu nhy (lều xiifit ỉ)hảt ti'í nguyên lý cân bằng vật chất cUa hệ
l.liồng ở trạng thái xác lập. Có nghla là, kill hệ thống vận hành ổn định thi Irlựng
sản pliẩm lấy ra dilng bằng tổng các thành plỉần dầu vào, lượng mỗi cấu tử cO
m ặt trong một sản Ị)hẩm đúng bằ.ng tổng lưựng cấu tử dó trong nguyên liệu.
٢rro n g một số trương hỢp khác, các yêu cầu về tínl) ổn định cO thể xuất phảt từ
các nguyên lý cân bằng nâng lượng, cân bằng Ị)ha, cân bằng pliản ứng liOa học
lioặc cân bằng dộng lực học.
Tại sao việc v.ận hành ổn địnlr một ٩ uá tidnli lại có vai trò quan trọng như
vậy? T hứ nhất, vận hành ổn dinh đồng nghĩa vơi trạng thái cân bằng vật, cliất
lioặc nầng lượng, dẫn dến dảm bảo các yêu cầu về chế độ làm việc cUa các thiết
bị cOng ngliệ như trá n h tràn hoặc tránh cạn binh chứa, trán h quá áp, quá nhiệt
trong 10 liơi,... Tliứ hai, một liệ thống vận hành ổn định, trơn tru cUng dồng


1.2.2

N ă n g su ấ t v à ch ấ t lượng sản phẩm

Trong lĩnh vực công nghệ hóa học và thực phẩm, chất lượng sản phẩm hầu hết
được thể hiện trực tiếp qua thành phần hóa học, nồng độ, m ật độ và m ột số tính
chất hóa học hoặc vật lý khác. Trong khi đó, năng suất thường được thế hiện
qua lưu lượng sản phẩm . Nhiệm vụ đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng suất
cũng thuộc về chức năng điều chỉnh.
T ính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản
phẩm. Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn. Để đảm bảo chắt
lượng sản phẩưi, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại
một giá trị bất kỳ, m à phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và
nằm trong một phạm vi cho trước. Trong ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng
sản phẩrn đòi hỏi thàn h phần ra không những ổn định m à còn phải đảm bảo
đúng theo m ột giá trị đặt trước, hoặc ít ra là với một sai lệch nằm trong phạm
vi cho phép. Như vậy sai lệch điều khiển, hay nói đúng hơn, diễn biến của sai
lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng
quan trọng.


1.2

Mục ĐÍCH VÀ CHỨC NẨNC DiỀu

k h i Ển q u á t r ìn h

13


vận hành hệ thống một cách an toản vả để bảo vệ con người, cảc thiết bị máy
móc và môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố. Chính vì tầm
quan trọng của vấn đề an toàn cho máy móc, con người và môi trường, chi phí
cho (lảm bảo chức năng này đối với một số hệ thống có thể vượt xa chi phí cho
thực hiện các chức năng điều khiển thuần túy.
Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ,
áp suất nằm trong m ột giới hạn an toàn cho phép. Do đặc th ù của mỗi quá trình
công nghệ, m ột số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng
sản phẩm, nhưng cũng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại gần một giả
trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm vi nhất định. Ví dụ, dù cho hệ thống
động cơ khuấy trộn có the đ ạt tốc độ quay rất cao thì yêu cầu an toàn của hệ
thống cũng không cho phép đặt m ột tốc độ cao tùy ý. Vì thế, việc khống chế tốc


14

C١HƯƠNG 1

MO ‫ا‬١Ầ‫! ا‬

độ động (:ơ là điều (:ần lliiết. Cữiig như vậ.y, mặc (lủ mức ti'()ng bìnli kiiỏiyg ỉirili
hưởng một cácli (luyết địnli tới chất lư(^ng sản phẩm (l(íỢc plia, chế thi vê١i cầu an
t()ản cũng khồng cho phẻỊ) giá, trị mirc quá cao, hoặc quả th ấp mà đồng tlìời hệ
th(‫ ؛‬ng động cơ kliuấy đang hoạ.t (lộng. Cli() nên bà.i t.oán điều khiển mứ'c ‫ ق‬dây
vừa đảm bảo nguyên lý cân l‫ﺧﺪ‬ng vật chất, vtía (lảm bảo an toàn hệ Ihèng.
Trong các ví dụ khác nliư nồi hơi hoặc thiết bị phản tíng thi việc diều (:hỉnh,
khống chế các gia trị rntíc, nhiệt độ, ảp suất là cảc bai toản hết sức quan tr(^ng.
Cliức nâng điều ctỉỉnh chỉ la, một l',i'ong liàng loạt biện Ị)háp cần tliiết bảo
đảiĩi vặn hành an toàn cho hệ tliống. c ầ n lưu ý 1'ằ.ng, m()t hệ tliống thiết bị tự
động tối tân nhất cUng vẫn có thể bị lỗi, ngay cả kld có cơ chế dự phOng thích

diều chỉnh dặ.t ra là. duy tri t.ỉ lệ giữa lư‫؟‬íng٠nhiên liệu (bột tlian) và khOng khi ở
m ột giá, trị thícli hỢp tUy theo nồng độ oxy trong không khi vầ ch.ất lirợng than.


1.2

M ục ĐÍCH VÀ CHỨC NẤNC DlỀU KH]Ển

quá

T ĩ í ÌNÍI

15

Việc giảrri tiêu tliụ nguyên liệu và nhiẽn liệu sử dụng m ột rnặt nâng cao hiệu
quả kinh tế, m ặt khác cũng góp phần hảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi
trường. Đây cũng lả một vấn đề thuộc trách nhiệm chung của những nhà thiết
kế còng nghệ cùng những người thiết kế sảch lược và th u ậ t toán điều khiển, c ầ n
lưu ý rằng, nhừng dây chuyền công nghệ mới cho phép vận hành với hiệu suất
cao, tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu thông qua những chu trình kết hỢp,
chu trình khép kín và tái sử dụng năng lượng, nhưng lại thường là những quá
trinh rất khó điều khiển, điều kiện vận hành rất bị ràng buộc, đ ặt ra yêu cầu
ngày càng cao hơn cho cảc chức nàng điều khiển quá trình.

1 .2 .5

H iệu q u ả kinh tế

Để d ạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trìn h không những phải
đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, m à năng suất phải thích ứng được với yêu cầu