M

TS PHAN CHÍ CHÍNH

29.892

>

1 1 0 5 Ch

HỆ THỐ NG

ĐIỀU KHIÊN
QUÁ TRÌNH
DÙNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẨT

V Ỵ ỉ

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT


TS PHAN CHÍ CHÍNH

HẸ THONG
ĐIỂU KHIỂN QUÁ TRÌNH
(Dùng cho các trường đại học kỹ thuật)

(Ệế\
NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2010


các trạm thành mạng và điều khiển trung tâm bằng hệ thống van điều khiển
4


điện từ và các van tuyến tính bố trí trong các ổng dẫn liên thông các trạm
riêng lẻ vào hệ thống. Các bài thực nghiệm được thực hiện từ các phần kết
nối cơ khí (gồm cả việc xây dựng các sơ đồ liên kết của từng trạm và hệ
thống) đến đặt thông số cẩu hình cho từng trạm và cho hệ thống. Việc thực
nghiệm vận hành được thực hiện từng bước từ điều khiển bằng tay các trạm
đơn lẻ đến vận hành cả hệ thống trên máy tính trung tâm bàng phần mềm
điều khiển.
Các phần mở rộng đề cập đến ứng dụng cho các thiết bị công nghệ
thực. Phần nội dung liên quan tự động điều khiển thiết bị chưng cất được chủ
nhiệm đề tài - Tiển sĩ Lê Phan Hoàng Chiêu đồng ý cho sử dụng kết quả
nghiên cứu. Chủng tôi xin chân thành cám ơn TS.Lê Phan Hoàng Chiêu Phó Giám đốc Trung Tâm Neptech Sở Khoa học Công nghệ TP. Hồ Chí
Minh và tập thể nhóm triển khai đề tài trường ĐH Bách Khoa TP. Hồ Chí
Minh đã cung cấp và cho sử dụng các kết quả nghiên círu triển khai để kịp
thời cập nhật cho ấn phẩm này.
Chúng tôi chân thành cám ơn PGS.TS Vũ Quý Đạc (Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên); Thạc sĩ Trần Trọng Toàn (ĐH công nghiệp
TP.HỒ Chi Minh) đã có những đóng góp quý báu, những ý kiến xác đáng
cho nội dung cuốn sách; xin cám ơn các anh chị Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật đã hết sức giúp đỡ, cho thẩm định và phản biện nội dung để cuốn
sách sớm được xuất bản.
Chúng tôi cũng xin độc giả lượng thứ cho các thiếu sót có thể gặp phải
và xin được quý vị góp ý để ấn phẩm có điều kiện hoàn thiện hơn sau này.

5



ĐTĐK:
Đối tượng điều khiển, trong HTĐKQT đó chính là các
quá trình
TSĐK:
Thông số điều khiển
CCĐL:
Cơ cấu đo lường
ĐKTĐ:
Điều khiên tự động
TBĐK:
Thiết bị điều khiển
BĐKSCN: Bộ điều khiển số công nghiệp
CCĐK:
Cơ cấu điều khiển hay gọi là bộ điều chỉnh (controller)
Bộ điều chỉnh
BĐC:
Hệ thống điều khiển
HTĐK:
Cơ cấu chấp hành
CCCH:
Set point- giá trị đặt ban đầu đưa vào hệ điều khiển
SP:
Process Control System- Hệ thống điều khiển quá trình
PCS:
Phần
tử so sánh
PTSS:
Điều khiển tỷ lệ (P) - tích phân (I) - đạo hàm (D)
PID:
Direct Digital Control- điều khiển bằng tín hiệu số

hiệu ra ỉà đại lượng tác động, tác động lên ĐTĐK (ở đây là quá trình).

- Hệ thống điều khiển (HTĐK) là hệ thống thực hiện quá trình tác động của
TBDK lên l) 1ĐK (hình 1.1). __

’

~

'

'

*

' ~....

Hình 1.1. Hệ thống điều khiển
9


ĐKTĐ được hình thành dần dần và đến ngày nay có nhiều dạng
ĐKTĐ mà thông thường nhất có thể phân thành hai loại:
ĐKTĐ theo mạch hở (feedforward control - sơ đồ hình 1.2)
- ĐKTĐ theo vòng lặp kín (feedback control - hìnhl.3, ở đây đề cập đến
nguyên tắc điều khiển theo độ lệch).

1.1.2. ĐKTĐ theo mạch hở và ĐKTĐ theo vòng lặp kín
ĐKTĐ theo mạch hở, biểu diễn bằng sơ đồ sau:



-

Y r, Y h : giá trị của các đại lượng điều chỉnh (tự động hay bằng tay) tạo
ra tín hiệu vào cơ cấu chấp hành ( CCCH ) rồi từ đó tạo ra tác động Y
vào ĐTĐK;

-

Z] : nhiễu tác dụng vào CCCH;

-

Zj : nhiễu tác dụng vào ĐTĐK;

11


-

Xd: giá trị hiệu của w và X (độ lệch) là tín hiệu ra từ phần tử so sánh
(PTSS) đồng thời cũng là tín hiệu vào bộ điều chỉnh.
Các loại BĐC gồm các kiểu điều khiển P, I, D, PI, PD, PID

trong đó:
+ p : Điều khiển tỷ lệ (điều khiển nguyên hàm)
+ I : Điều khiển tích phân
+ D : Điều khiên đạo hàm
+ PI : Điều khiển “tỷ lệ - tích phân”
+ PD: Điều khiển “tỷ lệ - đạo hàm”

-Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu gián đoạn, điển hình là cơ cấu điều chỉnh hai
điểm và cơ cấu điều chỉnh 3 điểm
-Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu rời rạc (tín hiệu số, DDC-Direct Digital
Control)

b. Theo năng lượng sử dụng:
-Cơ cấu điều chỉnh bằng khí nén (đại lượng ra tiêu chuẩn áp suất p từ
0...1 bar)
-Cơ cấu điều chỉnh bằng thuỷ lực
-Cơ cấu điều chỉnh bằng điện, điện tử (đại lượng điện ra tiêu chuẩn dòng
điện I từ 0 ...2 0 mA và điện áp u từ 0...10 V)

c. Theo đặc tính quá độ:
-Cơ cấu điều chỉnh tỷ lệ (nguyên hàm), được gọi là cơ cấu p
-Cơ cấu điều chỉnh tích phân (cơ cấu I)
-Tương tự có các loại cơ cấu đạo hàm (D), cơ cấu tỷ lệ-tích phân (PI), cơ
cấu tỷ lệ- đạo hàm (PD), cơ cấu PID.

13


1.2. MINH HOẠ, GIẢI THÍCH CÁC ĐẠI LƯỢNG c ơ BẢN VÀ
CÁC VÍ DỤ ĐKTĐ

1.2.1. Đại lượng được điều khiển X (PV)
Giá trị thực của đại lượng được điều khiển (còn gọi là đại lượng ra).
Trong hệ thống điều khiển quá trình, giá trị này được kí hiệu là PV (Process
Value). Trong minh họa hình 1.4 là mức chất lỏng trong bể chứa (bể cao là
bể được điều khiển mức) tại mỗi thời điểm.



w

ở

X (PV).

15


Hĩnh ỉ. 6. Giá trị yêu cầu SP ở trạm điểu khiển mức
Tín hiệu hồi tiếp (X ) được so sánh với tín hiệu chủ đạo (
tử so sánh để vào bộ phận xử lý tiếp trong TBĐK.

w ) qua phần

Ở ví dụ hình 1.6 giá trị yêu cầu SP ở trạm điều khiển mức là mức chât
lỏng cần ổn định ở bể chửa (bể cao) được biểu diễn trên hình là vạch đậm ký
hiệu SP.

1.2.4. Đại lượng nhiễu (z)
Đại lượng nhiễu trong quá trình điều khiển và điều chỉnh là các đại
lượng tác động vào quá trình làm thay đổi hành vi của tác động (nhiễu ở cơ
cẩu chấp hành) hoặc đại lượng ra (nhiễu ở ĐTĐK) của hệ mà HTĐK không
làm thay đổi chúng.
Ở ví dụ hình 1.7 van xả từ đáy của bể cao (bể được điều khiển mức)
thay đổi lượng chất lỏng xả về bể nguồn (bể thấp) để mô phỏng nhiễu ở trạm

16


Trong mô hình HTĐKQT của FESTO, đại lượng này kí hiệu là Xdỉ
Đó chính là dữ liệu từ đầu ra của phần tử so sánh đi vào bộ phận xử lý tiêp
của TBĐK.

1.2.6 Các ví dụ ĐKTĐ theo mạch hở và ĐKTĐ theo vòng lặp
kín
Đe minh hoạ và so sánh hai dạng điều khiển theo mạch hở và kín ta
khảo sát vỉ dụ hai trường hợp điều khiển thiết bị sưởi sử dụng nước nóng đế
điều khiển nhiệt độ trong phòng theo yêu cầu.

+ Trường họp 1, điều khiển theo mạch hở (hình 1.9)
Trong hình 1.9 A:
1. Công tắc nhiệt kế;

4. Thiết bị sưởi;

2. Rơle;

5. Van cấp hơi nước nóng.

3. Nam châm điện;
18


Lưu đồ khối hình 1.9 phần B:
TI biểu diễn bằng 2 mũi tên chỉ 2 yếu tố đầu vào của cảm biến nhiệt độ
A, đó là nhiệt độ bên ngoài và nhiệt độ yêu cầu (nhiệt độ mong muốn đạt
được ở trong phòng)

TI

tường, gió v.v ... Đặc điểm quan trọng trong dạng điều khiển này là đại
lượng được điều khiển ( nhiệt độ trong phòng ) không được kiểm soát.

+ Trường hựp thứ 2, ĐKTĐ theo vòng lặp kín ( hình 1.10)
Quá trình thực hiện theo nguyên tắc phản hồi, tức là đại lượng được điều
khiển (nhiệt độ trong phòng) được đo lường liên tục và dẫn trở lại so sánh
với giá trị yêu cầu (mục tiêu điều khiển hay giá trị đặt). Kết quả so sánh này
được đưa vào bộ điều chỉnh, từ đó TBĐK tạo ra tác động lên ĐTĐK để đảm
bảo cho đại lượng được điều khiển có giá trị mong muốn (xấp xỉ gần nhất
với giá trị đặt).
Khi nhiệt độ bên ngoài giảm xuống, lượng nhiệt thoát ra ngoài khe cửa sổ,
truyền nhiệt qua tường, m ái... nhiệt độ trong phòng giảm xuống. Các yếu tố
ảnh hưởng khác như số người trong phòng thay đổi, số lần mở cửa ra v à o ...
cũng ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong phòng. Tất cả các yếu tố ảnh
hưởng gây nên sự chênh lệch nhiệt độ trong phòng so với nhiệt độ yêu cầu
gọi là những đại lượng nhiễu. Các đại lượng nhiễu này cũng không phải là

20


hằng số mà thay đổi. Ớ đây việc điều chỉnh là nhiệt độ trong phòng được
kiểm soát liên tục để tác động loại trừ các ảnh hưởng của các nhiễu.
Trong hình 1.10:
A. Cảm biến nhiệt độ (1)

D. Thiết bị sưởi ấm phòng (4)

B. Van điện (2)

E. Phòng

lý thuyết điều khiển tự động. Trên nền tảng kế thừa các kiến thức, phục vụ
cho thực nghiệm, ở đây đề cập cơ sở lý thuyết xây dựng hàm truyền của hệ
thống điều khiển vòng kín.
Khảo sát một hệ ĐKTĐ sẽ thuận tiện hơn rất nhiều nếu không dùng
đặc tính biên độ - pha với trục tần số thông thường, mà được chia theo thang
logarithm.
Đặc tính biên độ-pha với trục tần số chia theo thang logarithm được
xác định bằng biểu thức sau:
22


W{j (0) = H{ca)emũ,)
H{(X>) - đặc tính biên tần
6 (0 ) - đặc tính pha tần
Lay logarithm cơ số 10 (lg) của đẳng thức và ký hiệu:
Lm(íy) = 201g|lL(íy)| = L\W{jco)\.
Đặc tính biên tần logarithm LMD (Log magnitude diagram) là đường
cong Lm(ry) với trục tần số co được chia theo thang logarithm cơ số 10, thứ
nguyên là decibel (dB)
Đặc tính pha tần logarithm LPD (Log phase diagram) là đường cong
0(iy) với trục tần số (0 được chia theo thang logarithm cơ số 10, thứ nguyên
là độ.
Khảo sát LMD và LPD của một vài phần tử cơ bản.

1.3.2. Phần tử khuếch đại
Phần tử khuếch đại có hàm truyền dạng: W(s) = k , tức là LMD và
LPD không phụ thuộc vào tần số và được xác định theo công thức
Lm(


Lm(ft>) = - 2 0 1 g V r V 7 T ;
0(co) - - arctgTco
Với những giá trị khác nhau của tần số ft), ta có thể phân chia các vùng của
LMD như sau:
Lm(í») = -2 0 lg V r V +7 « 0,
< Lm (ö) s -2 0 lg Tco,

7ft) 1;

Lm(ft)) s -2 0 lg V 2 = - 3 dB,

Tco - 1;

Từ các biểu thức trên cho thấy rằng LMD của phần tử có thể biểu diễn gần
đúng bằng hai đoạn thẳng có tần sổ liên kết là colK - MT
ị Lm(ft>) Ï 0,

co) = -201gTft),

< y> l/T ;

Hình dưới đây cho biết LMD và LPD của phần tử.
t

Hình 1.11. LMD và LPD của phần tử được vẽ đúng và gần đúng


1.3.5.Phần tử vi phân
W( s) = ks
Khi k = 1 LMD và LPD được xác định bởi biểu thức
Lm(íy) = -201gứ>;
ớ(ũ)) = 7t! 2
Lm(