Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
1
BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG
& TỰ ĐỘNG HÓA
3
Khái quát về điều khiển tự động
4
Khái niệm về điều khiển tự động
 Thí dụ:
o Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40km/h
 Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ
• Thu thập thông tin.
 Bộ não điều khiển tăng tốc nếu v<40km/h, giảm tốc nếu v>40km/h
• Xử lý thông tin
 Tay giảm ga hoặc tăng ga
• Tác động lên hệ thống.
 Kết quả của quá trình điều khiển là xe chạy với tốc độ “gần” bằng với
40km/h.
5
Khái niệm về điều khiển tự động
 Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ
thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước.
 Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có sự tác động của con người.
6
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
2
Ứng dụng điều khiển tự động
 Hiện nay, điều khiển và điều khiển tự động được ứng dụng trong hầu hết các
ngành kỹ thuật, trong nghiên cứu khoa học, cũng như trong đời sống:
o Hệ thống sản xuất: nhà máy xi măng, nhà máy đường, nhà máy giấy, nhà

Các nguyên tắc trong điều khiển tự động
 Nguyên tắc giữ ổn định
o Phương pháp điều khiển theo sai lệch (Feedback Control) hoặc phản hồi
Dung dịch vào
Hơi nước
bão hòa
Van
Bộ hiển thị
nhiệt độ
Thiết bị
gia
nhiệt
Dung dịch ra
Nhiệt độ mong muốn = T
o
11
Các nguyên tắc trong điều khiển tự động
 Nguyên tắc giữ ổn định
o Phương pháp bù tác động bên ngoài (Fee dforward Control)
 Theo phương pháp này, bộ phận đo lường sẽ đo các tín hiệu nhiễu tác
động vào quá trình và so sánh với giá trị đặt, sự sai lệch sẽ tạo ra tín
hiệu tác động điều khiển

Hơi nước
bão hòa
Dung dịch vào
Van
Bộ hiển thị
nhiệt độ
Thiết bị

(nhiễu).
16
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Cụ thể là các yêu cầu sau:
o An toàn:
 Sự hoạt động an toàn của các quá trình hóa học chính là yêu cầu chính
yếu cho mọi người trong nhà máy và tiếp tục đóng góp vào sự phát triển
kinh tế.
 Chính vì vậy, áp suất, nhiệt độ, nồng độ….các chất đang hoạt động phải
luôn không được vượt quá giới hạn cho phép.
 Chẳng hạn như, nếu một thiết bị phản ứng được thiết kế để làm việc ở
áp suất tối đa 100psig (7at), chúng ta sẽ có một hệ thống điều khiển để
duy trì áp suất hoạt động dưới áp suất này. Một ví dụ khác, chúng ta
nên tránh phát triển các hỗn hợp gây nổ trong hoạt động của nhà máy.
17
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Cụ thể là các yêu cầu sau:
o Đặc điểm kỹ thuật của sản phẩm:
 Một nhà máy nên quan tâm đến số lượng và chất lượng của các sản
phẩm mong muốn cuối cùng.
 Ví dụ, chúng ta yêu cầu sản xuất ra 2 tấn eylen/ngày, với độ tinh khiết
99,5%.
 Vì vậy, chúng ta cần một hệ thống điều khiển để chắc rằng mức sản xuất
và độ tinh khiết phải được đảm bảo
18
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
5
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Cụ thể là các yêu cầu sau:
o Các quy định về môi trường:

21
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Tất cả các yêu cầu liệt kê ở trên c ho thấy sự cần thiết phải giám sát liên tục các
hoạt động của nhà máy hóa và sự can thiệp bên ngoài (điều khiển) để đảm bảo
việc đáp ứng các mục tiêu hoạt động.
 Điều này được thực hiện thông qua việc sắp xếp hợp lý các thiết bị (các thiết bị
đo, các van, các bộ điều khiển, máy tính) và sự can thiệp của con người (những
nhà thiết kế nhà máy, những người vận hành) mà được kết hợp với nhau tạo
thành hệ thống điều khiển.
22
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
6
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Một hệ thống điều khiển cần đáp ứng 3 yêu cầu sau:
o Loại bỏ sự ảnh hưởng của các tác động nhiễu bên ngoài
o Đảm bảo sự hoạt động ổn định của một quá t rình hóa học
o Tối ưu hóa hiệu suất của một quá trình hóa học
23
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài tác động lên quá trình
nào đó là một trong những mục tiêu phổ biến nhất của quá trình điều khiển
trong nhà máy hóa chất.
 Yếu tố nhiễu chính là những yếu tố của môi trường xung quanh tác động đến
thiết bị phản ứng; thiết bị phân riêng, thiết bị trao đổi nhiệt; máy nén; máy thổi
khí….
 Những yếu tố nhiễu này ngoài tầm kiểm soát của người vận hành. Do đó, bộ
điều khiển sẽ làm thay đổi quá trình một cách chính xác để loại bỏ những tác
động tiêu cực do yếu tố nhiễu gây ra cho quá trình.
 Đây chính là điều mong muốn đối với các quá trình vận hành nhà máy hóa trong
thực tế cần phải đạt được.

o Duy trì thể tích lưu chất trong bình khuấy đạt giá trị
mong muốn V
s
(lít)
26
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
7
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Khi vận hành hệ thống thiết bị, các yếu tố nhiễu bên
ngoài tác động vào hệ thống này có thể là:
o Sự thay đổi lưu lượng dòng vào bình khuấy:
F
i
(lít/phút) thay đổi
o Sự thay đổi nhiệt độ của dòng vào bình khuấy: T
i
(
o
C)
thay đổi
27
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Nếu không có gì thay đổi, sau khi đạt được T=T
s
và
V=V
s
, chúng ta có thể để hệ thống tự hoạt động mà
không cần giám sát hay điều khiển.
 Nhưng rõ ràng rằng điều đó không thể được vì nhiệt độ

Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Nếu >0 nghĩa là giá trị đo nhỏ hơn giá trị đặt, khi đó bộ điều khiển sẽ đưa ra
quyết định tăng độ mở van cấp dòng hơi.
 Trong trường hợp ngược lại thì giảm độ mở van cấp dòng hơi.
 Nếu  = 0 thì bộ điều khiển không làm việc.
 Trong hệ thống điều khiển này, bộ điều khiển đo trực tiếp sự biến đổi đại lượng
quan trọng nhất mà chúng ta quan tâm (nhiệt độ) sau khi chịu sự tác động của
yếu tố gây nhiễu.
 Hệ thống điều khiển như vậy được gọi là hệ thống điều khiển feedback. Giá trị
nhiệt độ mong muốn Ts được gọi là giá trị đặt và được người vận hành cài đặt.
31
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Tương tự như vậy, nếu c húng ta muốn giữ thể tích của lưu chất trong bình
khuấy ổn định nghĩa là ta phải giữ chiều cao mực chất lỏng trong bình khuấy
không thay đổi ở giá trị đặt h
s
khi giá trị F
i
thay đổi.
 Trong trường hợp này, bộ điều khiển xác định chiều cao mực chất lỏng trong
bình khuấy đồng thời tác động đóng hay mở van khóa dòng đầu ra để điều
chỉnh lưu lượng dòng ra (F) hoặc dòng dầu vào F
i
.
 Hệ thống điều khiển như vậy cũng được xem là điều hiển feedback nghĩa là
chỉnh sửa lại sau khi bị ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu làm giảm chất lượng
của quá trình.
32
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Điều khiển feedback theo lưu lượng dòng ra

10
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Để ý rằng ở thời điểm t=t
o
giá trị của x không đổi, hệ thống chịu sự tác động
của nhiễu bởi một số yếu tố nhiễu bên ngoài, khi đó giá trị của x thay đổi nhưng
theo thời gian giá trị của x quay trở lại giá trị ban đầu và ổn định ở giá trị này.
 Chúng ta nói rằng quá trình ổn định hay quá trình tự điều chỉnh và không cần
có một can thiệp nào từ bên ngoài để cho quá trình ổn định nghĩa là không cần
có cơ chế điều khiển nào cưỡng bức để x trở lại giá trị ban đầu.
39
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ngược lại với hành vi của x được mô tả như trên, biến y trong hình sau không
tự quay lại giá trị ban đầu sau khi bị làm nhiễu bởi các yếu tố ảnh hưởng bên
ngoài
40
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Quá trình biểu diễn sự thay đổi của đại lượng nào đó như hình trên gọi là quá
trình không ổn định và cần thiết phải có bộ điều khiển bên ngoài để ổn định lại
“hành vi” của đại lượng đó.
 Ví dụ phản ứng nổ giữa nhiên liệu hydrocabon với không khí là một quá trình
không ổn định
 Hay lái xe đạp là một quá trình không ổn định và chúng ta phải cố gắng điều
chỉnh bằng cách đạp, lái, nghiêng cơ thể bên trái bên phải để quá trình đạt được
ổn định.
41
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
42
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
11

Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
12
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
47
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Từ điểm P2 khi nhiệt độ của dòng nhập liệu Ti tăng thì nhiệt độ của lưu chất
trong bình phản ứng tăng và cuối cùng nhiệt độ sẽ tiến đến điểm trạng thái
ổn định P3
48
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Tương tự như vậy nếu nhiệt độ của dòng nhập liệu Ti giảm thì nhiệt độ của
lưu chất trong bình phản ứng giảm từ điểm P2 đến điểm P 1
49
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Ngược lại, nếu chúng ta bắt đầu vận hành ở điểm trạng thái P1 hoặc P3
trong quá trình vận hành hệ thống thiết bị phản ứng nếu bị l àm nhiễu thì hệ
thống sẽ tự trở lại điểm P1 và P3
50
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
13
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Trong thực tế, người ta hay vận hành hệ thống bình phản ứng khuấy
trộn liên tục ở khoảng giữa điểm ổn định và không ổn định với một số
số lý do sau:
 Ở nhiệt độ thấp hơn điểm trạng thái ổn định P1 thì hiệu suất thấp

đến nhiệt độ trong thiết bị phản ứng gián đoạn và nhiệt độ sẽ ảnh
hưởng hưởng đến tốc độ của quá trình phản ứng mong muốn B và
không mong muốn C.
o Vấn đề là làm sao chúng ta thay đổi Q(t) theo thời gian mà lợi nhuận
 là lớn nhất.
56
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
 Nếu Q(t) đạt giá trị lớn nhất trong toàn bộ thời gian phản ứng t
R
,
nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng sẽ đạt được lớn nhất có thể. Ban
đầu, khi nồng độ C
A
lớn, chúng ta sẽ có sản lượng B cao nhưng
chúng ta cũng sẽ trả nhiều chi phí cho hơi đốt. Sau đó nồng độ B
tăng lên làm cho sản lượng của C cũng tăng.
 Nếu lượng hơi giữ ở mức thất nhất của nó (tức là Q(t) = 0) trong
suốt thời gian phản ứng t
R
, chúng ta sẽ không phải tốn chi phí cho
hơi, nhưng chúng ta cũng sẽ không thu được sản phẩm B.
57
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
 Chúng ta thấy rõ ràng từ 2 mức giới hạn trên là Q(t) sẽ biến đổi
giữa giá trị thấp nhấp và cao nhất trong suốt thời gian phản ứng.
Làm cách nào để nó thay đổi nhằm đạt được lợi nhuận tối đa là
không đơn giản và đòi hỏi giải pháp tối ưu vấn đề đưa ra ở trên.
 Trong hình sau, chúng ta sẽ thấy một xu hướng chung là lượng hơi
phải theo tối ưu hóa lợi nhuận.
58

 Lưu lượng kế Ventury để đo lưu lượng dòng
 Các máy sắc ký khí để đo thành phần của hơi
63
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
 Một nhiệt kế thủy ngân không tốt cho việc đo lường mà được sử dụng
cho việc điều khiển vì giá trị đo của nó không thể truyền tải được.
 Mặt khác, một nhiệt kế nhiệt điện thì lại dùng được vì nó sinh ra một
hiệu điện thế mà có thể dễ dàng truyền tải được.
 Vì vậy, việc truyền tải là một yếu tố rất quan trọng trong việc lựa chọn
thiết bị đo lường.
 Các thiết bị đo tốt là yếu tố quan trọng cho các bộ điều khiển tốt, các
thiết bị đo phải chắc chắn và đáng tin cậy trong công nghiệp
64
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
o Bộ chuyển đổi:
 Nhiều thiết bị đo không thể sử dụng cho việc điều khiển cho đến
khi chúng được chuyển đổi thành các đại lượng vật lý khác (như là
hiệu điện thế hoặc cường độ dòng điện, hoặc tín hiệu áp suất, như
khí nén hoặc dòng lưu chất) mà có thể được truyền tải dễ dàng.
 Các bộ chuyển đổi được sử dụng cho mục đích đó. Chẳng hạn như
cảm biến điện trở là những dây dẫn kim loại mà điện trở của nó
thay đổi khi chúng bị biến dạng cơ học. Vì vậy chúng có thể được
sử dụng để chuyển tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện.
65
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
o Bộ chuyển đổi:
 Có 3 loại tín hiệu tín hiệu chính được sử dụng trong công nghiệp
• Tín hiệu khí nén, hoặc áp suất khí , thường sử dụng trong
khoảng 3-15ps ig.
• Tín hiệu điện thường sử dụng trong khoảng 4-20mA, 1-5V

 Chúng được sử dụng để truyền tải tín hiệu đo được từ các thiết bị
đo đến các thiết bị điều khiển.
 Trước đây, đường truyền dẫn là khí (khí nén hoặc chất lỏng nén)
nhưng với sự xuất hiện của các bộ điều khiển analog điện và đặc
biệt sự lan tràn của việc sử dụng máy tính số cho việc điều khiển,
đường truyền dẫn đã truyền dẫn tín hiệu điện.
 Đôi khi tín hiệu đo từ các thiết bị đo thì rất không ổn định và
không thể được truyền dẫn cho quãng đường dài. Trong những
trường hợp như vậy, đường truyền dẫn được cung cấp bộ khuêch
đại để tăng mức độ của tín hiệu. Chẳng hạn như, đầu ra của nhiệt
kế nhiệt điện chỉ khoảng vài milivôn, vì vậy trước khi nó được
truyền tải đi đến bộ điều khiển, nó được khuếch đại lên đến vài
vôn.
69
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
o Bộ điều khiển:
 Đây là bộ phận cứng mà được gọi là “bộ não”. Nó tiếp nhận
thông tin từ thiết bị đo và quyết định các tác động sẽ thực hiện
tiếp theo.
 Những bộ điều khiển trước đây là các bộ thông minh ở mức giới
hạn, có thể dùng cho các quá trình đơn giản mà có quy luật điều
khiển đơn giản.
 Ngày nay với việc phát triển của kỹ thuật số cho nên các bộ điều
khiển đã trở nên thông minh hơn mà có thể làm các công việc
phức tạp hơn phù hợp hơn với các quy luật điều khiển phức tạp
hơn rất nhiều.
70
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
18
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển

73
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
74
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
19
Ví dụ
 Điều khiển nhiệt độ trong thiết bị truyền nhiệt
T T
C o n d e n s a t e
S t e a m
F e e d
T C
P r o d u c t
S t r e a m
S e t p o i n t
75
Ví dụ
 Điều khiển trong thiết bị phản ứng sinh học
A i r
A C
V a r i a b l e S p e e d
A i r C o m p r e s s o r
A T
S e t p o i n t
76