BÀI TẬP MÔN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CƠ SỞ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

BÀI TẬP MƠN ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH CÂU HỎI: SÁCH “CƠ SỞ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH (HỒNG MINH SƠN)” Họ tên : Nguyễn Quốc Anh MSSV : 20181325 Mã lớp : 124689 Chương : Mở đầu Câu 1.1 : Giải thích khái niệm điều khiển trình nêu lĩnh vực ứng dụng điều khiển trình Phân biệt điều khiển trình với lĩnh vực điều khiển khác − Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát q trình cơng nghệ, nhằm nâng cao hiệu sản xuất đảm bảo yêu cầu bảo vệ người, máy móc mơi trường − Các lĩnh vực ứng dụng: Công nghiệp chế biến, khai thác lượng − Phân biệt điều khiển trình với lĩnh vực điều khiển khác: Điều khiển trình hạn chế ở toán điều chỉnh cho q trình cơng nghệ, khơng đề cập tới điều khiển tay chức khác Như vậy, khái niệm điều khiển trình phân biệt với tốn điều khiển có đặc thù khác hẳn tự động hố xí nghiệp điều khiển q trình gia cơng, lắp ráp, điều khiển chuyển động điều khiển công lưu Các nhà máy thuộc lĩnh vực công nghiệp khai thác, chế biến lượng có quy mơ sản xuất lớn thị trường sản phẩm rộng, chất lượng sản phẩm hiệu sản xuất phụ thuộc nhiều vào mực độ tự động hố, điều khiển q trình đóng vai trị quan trọng Câu 1.2 : Nêu đặc thù lĩnh vực điều khiển q trình − Qui mơ sản xuất thơng thường vừa lớn − Yêu cầu cao độ tin cậy tính sẵn sàng − Các q trình liên quan tới biến đổi lượng vật chất:  Bài toán điều chỉnh tiêu biểu  Các đại lượng cần điều khiển: lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, nồng độ, thành phần,  Diễn biến tương đối chậm  Mơ hình khó xác định  Khả điều khiển hạn chế  Khó thay đổi thiết kế công nghệ Câu 1.3 : Phân biệt loại biến trình a − Biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động bên ngồi q trình − Biến đại lượng điều kiện thể tác động q trình bên ngồi − Biến q trình mang thông tin trạng thái biểu diễn trình b − Biến cần điều khiển biến biến trạng thái điều chỉnh cho gần với giá trị mong muốn hay giá trị đặt (setpoint) − Biến điều khiển biến can thiệp từ bên ngồi qua tác động biến theo ý muốn − Nhiễu biến vào không can thiệp được, Nhiễu tác động tới tình cách ko mong muốn, cần loại bỏ giảm thiểu tác động Câu 1.4 :Phân biệt toán bám toán điều chỉnh: Bài tốn điều chỉnh: thiết lập trì đầu giá trị đặt cho trước có tác động nhiễu Sử dụng cho điều chỉnh như: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất,… Bài toán điều khiểm bám: bám sát theo tín hiệu chủ đạo thay đổi liên tục( biết trước chưa biết trước) Sử dụng cho toán thay đổi trang thái hệ thống, thay đổi chế độ hoạt động Câu 1.5 : Nêu rõ mục đích điều khiển phân tích ví dụ cụ thể: − Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo điều kiện vận hành bình thường, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện − Đảm bảo suất chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độ sản xuất theo ý muốn, giữ thông số chất lượng sản phẩm biến động giới hạn qui định − Đảm bảo vận hành an toàn: nhằm mục đích bảo vệ người, máy móc, thiết bị môi trường − Bảo vệ môi trường: Giảm nồng độ chất độc hại khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu nhiên liệu − Nâng cao hiệu kinh tế, tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi thị trường Ví dụ : Phân tích:  Ổn định hệ thống: − Các đại lượng cần ổn định ví dụ:  Mức bình trộn  Nồng độ A sản phẩm − Các yêu cầu ổn định liên quan tới:  Nguyên lý cân vật chất (trong ví dụ)  Nguyên lý cân lượng  Nguyên lý cân pha  Nguyên lý cân phản ứng hóa học  Các nguyên lý động lực học hệ thống trạng thái xác lập  Chất lượng sản phẩm: − Nồng độ A sản phẩm ko cần giữ ổn định mà phải gần với chất lượng yêu cầu − Đảm bảo chất lượng sản phẩm:  Đáp ứng với thay đổi giá trị đặt (đáp ứng độ)  Đáp ứng với tác động nhiễu (đáp ứng loại nhiễu)  An toàn hệ thống: − Cần đặt cảm biến (logic) báo tràn cạn bình, tốc, dòng động khuấy => điều khiển rời rạc động van an tồn − Khóa liên động nhằm:  Tránh xảy tình nguy hiểm (ví dụ động khởi động mức bình đạt giá trị đó)  Giảm thiểu tác hại cố xảy (bằng biện pháp ngắt phần dừng khẩn cấp)  Bảo vệ môi trường: − Các dây chuyền công nghệ ngày thiết kế với nhiều yêu cầu giảm ô nhiễm môi trường:  Giảm nhiên liệu tiêu thụ  Giảm sử dụng nước − Các thiết kế "recycling" tạo tính phi tuyến cao tương tác lớn hệ thống − Yêu cầu cao tiêu chuẩn quốc gia quốc tế xử lý nước thải khí thải  Hiệu kinh tế: − Các yêu cầu cụ thể:  Chất lượng ổn định (nồng độ A sản phẩm)  Năng suất thích ứng với yêu cầu thị trường (liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra)  Tiêu hao lượng thấp (cho động khuấy cho van điều khiển)  Tác động điều khiển êm ả, trơn tru − Các yêu cầu cụ thể mâu thuẫn nên ta có phương án giải quyết:  Sử dụng tiêu chuẩn hòa đồng => điều khiển tối ưu  Đáp ứng vừa đủ yêu cầu thiết yếu, sau tập trung vào yêu cầu cịn lại: ví dụ cho phép chất lượng dao động phạm vi chấp nhận để tránh thay đổi liên tục tác động điều khiển Câu 1.6 : Phân tích làm rõ chức điều khiển q trình: Tồn chức hệ thống điều khiển q trình phân loại xếp nhằm phục vụ năm mục đích sau đây: - Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định điểm làm việc chuyển chế độ cách trơn tru, đảm bảo điều kiện theo yêu cầu chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện - Đảm bảo suất chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất trì thơng số liên quan chất lượng sản phẩm phạm vi yêu cầu - Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu nguy xảy cố bảo vệ cho người, máy móc, thiết bị mơi trường trường hợp có cố xảy - Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng nước thải, hạn chế lượng bụi khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu nguyên liệu - Nâng cao hiệu kinh tế: Đảm bảo suất chất lượng theo yêu cầu giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi thị trường Câu 1.7 : Nêu rõ thành phần hệ điều khiển trình mối liên hệ thành phần với nhau: Sơ đồ: Thiết bị đo trình: − Measurement device: Thiết bị đo, vd đo nhiệt độ, áp suất, nồng độ − Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng, ví dụ áp suất-dịch chuyển, dịch chuyểnđiện áp − Sensor: Cảm biến, dạng chuyển đổi, vd cặp nhiệt, ống venturi, siêu âm, − Sensor element: Cảm biến, phần tử cảm biến − Signal conditioning: Điều hịa tín hiệu − Transmitter: Chuyển đổi tín hiệu + truyền phát tín hiệu chuẩn Thiết bị điều khiển: − Control equipment: Thiết bị điều khiển, vd PLC, IPC, Digital Controller, DCS Controller, − Controller: Bộ điều khiển, hiểu là:  Cả thiết bị điều khiển,  Chỉ riêng khối tính tốn điều khiển, vd PI, PID, FLC, ON/OFF, Thiết bị chấp hành: − Actuator: Thiết bị chấp hành, cấu chấp hành (van điều khiển, máy bơm, quạt gió, chắn gió, rơ-le, ) − Actuator, actuating element: cấu dẫn động, phần tử dẫn động (động điện, khối chuyển đổi dịng-khí nén, cuộn hút từ, ) − Final control element: Phần tử chấp hành (thân van, tiếp điểm, sợi đốt) Hệ thống vận hành & giám sát: − Vận hành (Operation) − Giám sát, theo dõi (Monitoring) − Chẩn đoán (Diagnosis) − Giao diện người-máy (Human-Machine Interface, HMI) Câu 1.8 : Giải thích ký hiệu lưu đồ: Level transmitter Flow rate transmitter Thiết bị đo giá trị mức Thiết bị đo giá trị lưu lượng Pressure transmitter Analysis transmitter Thiết bị đo giá trị áp suất Thiết bị đo trị phân tích Temperature transmitter Flow rate convert Thiết bị đo giá trị nhiệt độ Bộ biến đổi lưu lượng Position switch Hand switch Cơng tắc hành trình Công tắc tay Level indicate control Flow rate record control loop Bộ điều khiển hiển thị 102 mức Bộ điều khiển hiển thị lưu lượng vòng 102 Flow ratio control loop Pressure diferential control 102 loop 102 Bộ điều khiển tỉ lệ lưu Bộ điều khiển vi phân áp suất lượng vòng 102 vòng 102 Temperature control loop Analysis control loop 102 102 Bộ điều khiển phân tích vòng Bộ điều khiển nhiệt độ 102 vòng 102 Ratio control loop 102 Quantity control loop 102 Bộ điều khiển tỉ lệ vòng Bộ điều khiển số lượng vòng 102 102 Indicator Programme Indicator Bộ thị Bộ thị khả trình Flow rate - Pressure Temperature alarm low-high record Bộ cảnh báo nhiệt độ cao – Bộ ghi giá trị lưu lượng thấp áp suất Phần mềm máy tính điều khiển phân tích Câu 1.9 : Vẽ phác sơ đồ PID cho yêu cầu: a Điều khiển mức sử dụng tín hiệu vào/ra 4-20mA, điều khiển DCS với giá trị đặt từ máy tính vận hành: b Điều khiển hiển thị chênh áp với tín hiệu vào khí nén với thiết bị điều khiển đơn lẻ, ghi chép giá trị áp suất thiết bị riêng: c Điều khiển hiển thị nhiệt độ với đầu vào RTD điều 4-20mA đưa tới van nén khsi qua biến đổi I/P: d Cảnh báo nhiệt vưới cản biến chuyển mạch tín hiệu logic đưa tới thiết bị báo động: 10 spam) Bên cạnh đó, ta có định nghĩa tương tự cho phạm vi đầu (output range) dải tín hiệu hay dải đầu (output span) Câu 6.5 :Cho đồ thị định chuẩn thiết bị đo nhiệt độ Hình 6-30 a Có thể phát biểu đặc tính thiết bị? b Giả sử nhiệt độ có giá trị thật 125°C không thay đổi Giá trị tín hiệu đầu từ ba phép đo gần 11.8 mA, 11.9 mA 12.1A Có thể nói về: • Sai số đo • Độ phân giải • Độ xác • Tính trung thực? c Giả sử ta xấp xỉ hàm truyền đạt thiết bị đo khâu quán tính bậc với số thời gian quán tính T = 3s, sau 15s nhiệt độ tăng từ giá trị xác lập 1250C lên 1350C Bỏ qua tính phi tuyến sai số tĩnh, xác định sai số giá trị đo thời điểm sau 3s sau 15s a) Các đặc tính thiết bị − Phạm vi đo từ 50°C tới 200°C, dải đo tương ứng 150°C − Phạm vi đầu 4-20 mA, dải tín hiệu ra: 16mA 64 b) Giá trị tín hiệu đầu từ phép đo gần 11.8 mA, 11.9 mA 12.1 mA  𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ 𝑐ủ𝑎 𝑡í𝑛 ℎ𝑖ệ𝑢 đầ𝑢 𝑟𝑎 =  𝑆𝑎𝑖 𝑠ố đ𝑜 = 11.8−12 11.9−12 12.1−12 |+| |+| | 12 12 12 |  Độ 𝑝ℎâ𝑛 𝑔𝑖ả𝑖 𝑡𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ (%) = 11.8+11.9+12.1 = 11.93 (𝑚𝐴) = 0.01 100 𝑁 = 100 150 = 0.67 Với N tổng số bước thay đổi toàn phạm vi đo, N=150  𝑇í𝑛ℎ 𝑡𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑡ℎự𝑐 = Độ 𝑙ệ𝑐ℎ 𝑙ớ𝑛 𝑛ℎấ𝑡 𝑐ủ𝑎 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑞𝑢𝑎𝑛 𝑠á𝑡 𝑠𝑜 𝑣ớ𝑖 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑇𝐵 = 12,1 – 11,93 = 0,17 c) Hàm truyền đạt: 𝐺 (𝑠) = 𝑘 1+𝑇𝑠 = 𝑘 1+3𝑠 Câu 6.6 :Nêu nguyên lý hoạt động loại cảm biến cho đại lượng sau: • Nhiệt độ • Áp suất • Lưu lượng • Mức a) Nhiệt độ : − Các nhiệt kế giãn nở: Giãn nở chất theo nhiệt độ làm thay đổi chiều dài, thể tích áp suất, ví dụ nhiệt kế thủy ngân nhiệt kế lưỡng kim − Nhiệt kế điện trở: Điện trở thay đổi theo nhiệt độ, sử dụng nhiệt điện trở kim loại (resistance temperature detector, RTD) nhiệt điện trở bán dẫn (thermistor) − Cặp nhiệt (thermocouple, TC): Điện thể thay theo nhiệt độ điểm tiếp xúc hai kim loại khác nhau, ví dụ niken crom, niken đồng − Hỏa kế (Pyrometer): Bước sóng nhiệt xạ thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ hỏa kế xạ áp dụng cho đo nhiệt độ cao (quá trình đốt cháy) b) Áp suất : − Các cảm biến đàn hồi hai phần tử: Phần tử cảm biến sơ cấp biến đổi áp suất thành dịch chuyển dựa tính chất lý đàn hồi, ví dụ ống Bourdon, màng rung, màng chắn capsule Phần tử thứ cấp cảm biến lịch chuyển, 65 chuyển đổi độ dịch chuyển thành tín hiệu điện, ví dụ chiết áp, cảm biến sức căng (strain gauge), cảm biến cảm ứng, cảm biến tụ điện, biến áp vi sai (linear variable differential transformer, LVTD) − Các cảm biến piezo: Sử dụng phần tử cảm biến sơ cấp tinh thể thạch anh có hiệu ứng áp trở (piezo-resistive) áp điện (piezo-electric) Khi tác độn lực lên tinh thạch anh, hiệu ứng áp trở gây nên thay đổi điệu trở tinh thể thạch anh, hiệu ứng áp điện gây nên tích điện khác dấu hai bề mặt tinh thể anh − Các cảm biến chân không Thường thực phép đo gián tiếp dựa nguyên lý truyền nhiệt (chân khơng kế Pirani) ion hóa chất khí (châu khơng kế ion hóa) c) Lưu lượng : − Lưu lượng kế chênh áp: Đo gián tiếp thông qua phép đo chênh áp dựa quan hệ lưu lượng dòng chảy độ chênh lệch áp suất qua cấu thu hẹp đường ống, ví dụ ống venturi, lỗ định cỡ (orifice plate), ống Pitot − Lưu lượng kế turbin: Đo gián tiếp thông qua tốc độ quay dựa lưu lượng dòng chảy tốc độ quay tur bin − Lưu lượng kế điện tử: Đo đại lượng điện dựa thay đổi điện dung điện cảnh lưu lượng dòng chảy thay đổi − Lưu lượng kế siêu âm: Đo khơng tiếp xúc sử dụng sóng siêu âm xác định vận tốc dòng chảy dựa hiệu ứng Doppler, từ tính tốn lưu lượng d) Mức : − Phương pháp tiếp bề mặt: Sử dụng phao, que dò phần tử cảm biến chuyển − Phương pháp điện học: Dựa tượng thay đổi điện dung điện cảm − Phương pháp chênh áp: Dựa phép đo chênh lệch áp suất hai vị trí có độ cao khác bình − Phương pháp siêu âm: Sử dụng cảm biến siêu âm đặt nắp bình chứa xác định khoảng cách bề mặt chất lỏng nắp 66 Câu 6.7 :Nêu thành phần thiết bị chấp hành chức chúng Lấy ví dụ minh họa Các thành phần thiết bị chấp hành gồm : • Phần tử điều khiển (control element) : Là thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển Ví dụ vận tỉ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải • Cơ cấu chấp hành (actuator) : Truyền lượng, truyền động đến phần tử điều khiển Ví dụ hệ thống động cơ, hút cấu khí nén, thủy lực Câu 6.8 :Nêu thành phần phụ kiện van điều khiển Một van điều khiển bao gồm thân vạn ghép nối với chế chấp hành với phụ kiện liên quan Phần thân van phụ kiện gắn với đường ống, đóng vai trị phần tử điều khiển Độ mở van lưu lượng qua van xác định hình dạng vị trí chốt van 67 Câu 6.9 :Phân loại van điều khiển theo chế chấp hành • Van khí nén: Loại phổ biến nhất, truyền động khí nén sử dụng màng chắn lị so piston Tín hiệu đầu vào khí nén, dịng điện tín hiệu số (bus trường) Nếu tín hiệu điều khiển dịng điện, ta cần chuyển đổi dịng điện-khí nén ( IP) tích hợp bên tách riêng bên ngồi • Van điện: Cơ chế chấp hành sử dụng động servo động bước, điều khiển trực tiếp từ tín hiệu đầu điều khiển, thơng thường dịng điện tương tự 4-20 mA tín hiệu số Van điện sử dụng ứng dụng cơng suất nhỏ địi hỏi độ xác cao • Van thủy lực: Cơ chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng chắn piston, bơm dầu điều khiển tín hiệu từ điều khiển, Van thủy lực sử dụng cho ứng dụng cơng suất lớn • Van từ: Cơ chế chấp hành cuộn hút kết hợp lò xo, lực nét yếu độ xác kém, phù hợp với toán đơn giản Câu 6.10 :Phân loại van điều khiển theo thiết kế chốt van • Van cầu (globe alue): Chốt trượt có đầu hình cầu hình nón, chuyển động lên xuống • Van nút (plug value): Chốt xoay hình trụ (có đục lỗ theo chiều ngang) phần hình trụ • Van bi (ball value): Chốt xoay hình cầu (có đục lỗ theo chiều ngang) phần hình cầu • Van bướm (butterfly value): Chốt xoay hình đĩa 68 Câu 6.11 :Giải thích vai trị định vị van Khi nên khơng nên sử dụng định vị? a) Bộ định vị van thực chất điều khiển thứ cấp cấu trúc điều khiển tầng Bộ định vị sử dụng tín hiệu đo vị trí cần van (tức độ mở van thực) so sánh với giá trị đặt từ tín hiệu điều khiển, sở đưa tác động tới cấu chấp hành để điều chỉnh lại độ mở van Thông thường, định vị sử dụng luật tỉ lệ với hệ số khuếch đại tương đối lớn Sử dụng định vị cho phép cải thiện độ xác, mà cịn tăng tốc độ đáp ứng bạn Ví dụ, sai số vị trí giảm xuống tới 0.5%, dải chết 0,1-0,5% số thời gian 0.5-2 giây b) Nếu kinh phí cho phép ta nên sử dụng định vị u cầu có độ xác cao tốc độ đáp ứng nhanh động học trình chậm đáng kể so với van (hằng số thời gian lớn lần so với vạn), ví dụ q trình phản ứng, trình nhiệt, trình trộn, Tuy nhiên, định vị điều khiển vòng nên động học trình tương đối nhanh (hằng số thời gian không lớn lần so với văn) định vị làm chậm giảm chất lượng điều khiển vịng ngồi Hơn nữa, ta sử dụng vòng điều khiển lưu lượng vai trị định vị trở nên không cần thiết Câu 6.12 :Khi độ mở van cố định, lưu lượng qua van điều khiển biến thiên với sụt áp qua van với trọng lượng riêng chất lỏng? • Đối với chất lỏng chế độ chảy dịng ta có cơng thức : ∆𝑃 𝐹 𝑔𝑠 𝐹𝑚𝑎𝑥 𝐹 = 𝐶𝑣 𝑓(𝑝)√ , 𝑓(𝑝) = : F - lưu lượng thể tích chất lỏng qua van (gpm, gallons/phút) ∆P - áp suất sụt qua van (psi) Cv - hệ số cỡ van gs - trọng lượng riêng chất lỏng (=1 nước 15°C) f(p) - phần lưu lượng độ mở van p so với lưu lượng tối đa (p =1) 69 • Khi độ mở van cố định, tức f(p) khơng đổi, lưu lưu lượng qua van điều khiển (F) tỉ lệ tuyến tính với bậc hai tỉ số áp suất sụt qua van (∆P) trọng lượng riêng chất lỏng (gs) Câu 6.13 :Phân loại van điều khiển theo đặc tính cố hữu Loại van phù hợp cho toán điều chỉnh lưu lượng? Trong trường sử dụng van phù hợp? Hàm f(p) cơng thức định tới đặc tính dịng chảy cố hữu Dựa vào người ta phân biệt loại đặc tính dịng chảy sau: • Đặc tính tuyến tính (Quick Opening, f = p): ∆P cố định, lưu lượng qua van tỉ lệ tuyến tính với độ mở van • Đặc tính mở nhanh (Linear, f = √p): ∆P cố định, lưu lượng qua van tỉ lệ tuyến tính với bậc hai độ mở van • Đặc tính phần trăm (Equal percentage, f = α^(p-1)): ∆P cố định, độ mở van tăng lên lượng lưu lượng qua van tăng lên với tỉ lệ phần trăm so với giá trị Thông thường, α có giá trị từ 20-50 Câu 6.14 :Giải thích khác đặc tính cố hữu đặc tính lắp đặt van điều khiển nguyên nhân dẫn tới khác Đặc tính dịng chảy cố hữu van quan hệ tĩnh lưu lượng qua van độ mở van điều kiện áp suất sụt qua van khơng đổi Đặc tính cố hữu van phụ thuộc vào kích cỡ vấn thiết kế chốt van Ngược lại, đặc tính dịng chảy lắp đặt đặc tính thực tế lắp đặt, có nghĩa cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác gây thay đổi sụt áp qua van Câu 6.15 :Giải thích hiệu ứng sức cản đường ống thiết bị công nghệ tới đặc tính lắp đặt van điều khiển Lưu lượng lưu chất qua đường ống điều tiết cách thay đổi độ mở van Nhưng lưu lượng thay đổi áp suất tổn thất qua đường ống qua thiết bị trình thay đổi, áp suất bơm cấp thay đổi theo, dẫn tới chênh lệch áp suất qua vai thay đổi Do đó, van có đặc tính tuyến tính cố hữu sau lắp đặt khơng cịn tuyến tính Trái lại, van có đặc tính phần trăm tính 70 tốn lựa chọn hợp lý lại cho đặc tính lắp đặt gần tuyến tính phạm vi làm việc yêu cầu 71 Câu 6.16 :Giải thích ý nghĩa chiều tác động • Một van điều khiển • Một điều khiển phản hồi a) Chiều mũi tên xuống hướng tới thân van thể kiểu van đóng an tồn (failclosed, FC air-to-open, AO), cịn mũi tên ngược lại thị kiểu mở an toàn (fail-open, FO air-to-close, AC) Sự lựa chọn kiểu tác động van túy dựa nguyên tắc đảm bảo an tồn trường hợp tín hiệu điều khiển nguồn lượng cấp Van đóng an tồn có độ mở van lớn tín hiệu điều khiển tăng, van mở an tồn có độ mở van nhỏ tín hiệu điều khiển tăng Lưu ý khái niệm chiều tác động thân van điều khiển định nghĩa tài liệu chuẩn dựa theo chiều chuyển động chốt van Chiều tác động thuận định nghĩa độ mở van giảm tín hiệu điều khiển tăng (có nghĩa cần vận chuyển động theo chiều thuận từ xuống ván trượt) Chiều tác động nghịch định nghĩa độ mở van tăng lên tín hiệu điều khiển tăng (cần vận chuyển động theo chiều nghịch từ lên ván trượt) b) Tác động điều khiển gọi thuận (DA, direct acting) đầu (tín hiệu điều khiển) hàm đồng biến với biến cần điều khiển, Tác động điều khiển gọi nghịch (RA, reverse acting) tín hiệu điều khiển hàm nghịch biến với biến cần điều khiển Chiều tác động thực có ý nghĩa điều khiển phản hồi, liên quan tới việc chọn dấu hệ số khuếch đại điều khiển Hệ số khuếch đại có giá trị âm tương ứng với tác động thuận, tức tín hiệu điều khiển tăng đầu trình tăng ngược lại Với hệ số khuếch đại dương, điều khiển có tác động nghịch, tức tín hiệu điều khiển tăng giá trị đầu trình giảm 72 Câu 6.17 :Việc lựa chọn chiều tác động van điều khiển phụ thuộc vào gì? Lựa chọn chiều tác động điều khiển phản hồi dựa sở nào? • Chiều tác động điều khiển cần chọn cho hệ số khuếch đại tồn hệ hở (q trình cơng nghệ + điều khiển + van điều khiển) có giá trị dương • Việc lựa chọn chiều tác động điều khiển yêu cầu hiểu biết đối tượng kiểu tác động vạn Câu 6.18 :Trong ví dụ điều khiển phản hồi minh họa Hình 6-31, chọn chiều tác động van điều khiển điều khiển a) Van điều khiển mở an tồn (FO) để tránh làm tràn bình, tức van có chiều tác động thuận Khi mực nước tăng lên điều khiển phải giảm giá trị tín hiệu điều khiển để tăng độ mở van xả ngược lại Tức điều khiển có chiều tác động nghịch (RA) 73 b) Van điều khiển mở an tồn (FO) để tránh làm cạn bình, tức van có chiều tác động thuận Khi mực nước tăng lên điều khiển tăng giá trị tín hiệu điều khiển để giảm độ mở van bơm ngược lại Tức điều khiển có chiều tác động thuận (DA) c) Van điều khiển đóng an tồn (FO) để tránh tình trạng q nhiệt, tức van có chiều tác động nghịch Khi nhiệt độ đầu tăng lên điều khiển tăng giá trị tín hiệu điều khiển để tăng độ mở van bơm ngược lại Tức điều khiển có chiều tác động thuận (DA) Câu 6.19 :Nêu ý nghĩa tính chất thành phần điều khiển PID Tỉ lệ (P) Ý Tích phân (I) Vi phân (D) Thuật tốn khuếch đại tỉ lệ Đưa tín hiệu điều khiển Tỉ lệ với thay đổi nghĩa đưa tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích lũy sai sai lệch điều khiển quan tỉ lệ với giá trị tức thời lệch điều khiển quan sát sát e(t) tín hiệu sai lệch điều khiển e(t) quan sát Tính + Hệ số lớn, sai lệch + Triệt tiêu sai lệch tĩnh chất nhiễu đo nhỏ + Tác động rõ dãi tần học hệ thống (nếu hệ ổn định); song, tác thấp, làm xấu đặc tính + Tăng tốc độ đáp ứng động tỉ lệ không đảm bảo động học hệ thống (lam hệ kín với thay đổi sai lệch tiến hệ dao động chí giá trị đặt tác trường hợp ổn định) + Cải thiện đặc tính động động nhiễu tải + Cải thiện tốc độ đáp ứng + Tác dụng chủ yếu hệ thống làm phạm vi tần số cao, ảnh tín hiệu thay đổi mạnh hướng đến trình hơn, hệ nhạy cảm với độ nhiễu đo + Khiến hệ nhạy cảm với nhiễu đo 74 Câu 6.20 :Khi lựa chọn luật điều khiển: a P b PI c PD d PID a) Chọn luật điều khiển P hệ thống không yêu cầu tốc độ đáp ứng nhanh đặc tính động học hệ thống, thường dùng cho điều khiển mức q trình có đặc tính tích phân nên dùng luật P cho điều khiển lỏng b) Chọn luật điều khiển PI hệ thống yêu cầu đặc tính động học tốt, sai lệch tĩnh phải triệt tiêu Thời gian trễ nhỏ nên thường dùng vòng điều khiển lưu lượng, khơng dùng thành phần vi phân phép đo chịu ảnh hưởng nhiễu cao tần c) Chọn luật điều khiển PD hệ thống yêu cầu cải thiện tốc độ đáp ứng, ổn định điều khiển hệ thống có sẵn đặc tính tích phân khơng có nhiễu đầu vào Thời gian trễ chuẩn hóa hệ số khuếch đại chuẩn hóa   0,3; k2  d) Chọn luật điều khiển PID hệ thống yêu cầu cao: vừa phải đáp ứng nhanh mà điều khiển lại ổn định.Thường dùng vòng điều khiển nhiệt độ điều khiển thành phần Câu 6.21 Giải thích tượng bão hịa tích phân sử dụng điều khiển PID Khi tượng xảy ra? Nếu biện pháp khắc phục Hiện tượng bão hồ tích phân tượng đầu điều khiển tiếp tục tang mức giới hạn tích luỹ thành phần tích phân tiếp tục trì sai lệch điều khiển trở khơng Hiện tượng xảy điều khiển có chứa thành phần tích phân tín hiệu điều khiển bị hạn chế Các biện pháp chống bão hoà tích phân bao gồm: Khi sai lệch điều khiển 0, tách bỏ thành phần tích phân điều khiển tốt hết xoá trạng thái thành phần tích phân 75 Giảm hệ số khuếch đầu điều khiển nằm giới hạn cho phép, tránh việc xảy tượng bão hồ tích phân Theo dõi giá trị thực tín hiệu điều khiển bị giới hạn, phản hồi điều khiển để thực thuật tốn bù nhằm giảm thành phần tích phân Đặt khâu giới hạn đầu điều khiển để mơ đặc tính phi tuyến thiết bị chấp hành sử dụng thuật toán bù giống phương pháp Câu 6.22 :Giải thích ý nghĩa việc đưa số cho giá trị đặt thuật toán PID Trong điều khiển PID, khâu vi phân D đáp ứng nhanh với thay đổi giá trị đặt Trong thực tế, giá trị đặt thay đổi nhanh làm cho thành phần vi phân lớn, gây thay đổi đột ngột cho tín hiệu điều khiển Để tránh điều này, ta đặt trọng số c cho giá trị đặt: u d ( s ) = kc ds ( cr ( s ) − y ( s ) ) ds 1+ N Câu 6.23 :Với luật điều khiển sử dụng thành phần vị phân, tượng xảy ta thay đổi nhanh giá trị đặt? Biện pháp khắc phục nào? Đối với luật điều khiển sử dụng thành phần vi phân, việc thay đổi nhanh giá trị đặt làm cho thành phần vi phân lớn, gây thay đổi đột ngột cho tín hiệu điều khiển Để khắc phục điều này, ta đặt trọng số c cho giá trị đặt: u d ( s ) = kc ds ( cr ( s ) − y ( s ) ) ds 1+ N Câu 6.24 :Viết thuật toán PID thực theo chuẩn ISA giải thích ý nghĩa tham số Cấu trúc PID theo chuẩn ISA: 76   ds u = kc  br − y + (r − y ) + (cr − y )  i 1+d s / N   Với tham số: N: tham số xấp xỉ khâu vi phân b,c: trọng số giá trị đặt Thành phần  d s khâu khơng có tính nhân quả, khơng thực thi Mặt khác, khâu vi phân đáp ứng nhanh với thay đổi tín hiệu sai lệch nên nhạy cảm với nhiễu đo Để khắc phục hai vấn đề ta xấp xỉ khâu vi phân Đối với luật điều khiển sử dụng thành phần vi phân, việc thay đổi nhanh giá trị đặt làm cho thành phần vi phân lớn, gây thay đổi đột ngột cho tín hiệu điều khiển Để khắc phục điều này, ta đặt trọng số b,c cho giá trị đặt Câu 6.26 :Trình bày phương pháp xấp xỉ thành phần tích phân vị phần thuật tốn PID số Thành phần tích phân thuật tốn PID số xấp xỉ hai phương pháp thông dụng phương pháp diện tích hình chữ nhật phương pháp diện tích hình thang Với phương pháp diện tích hình chữ nhật, thành phần tích phân biểu diễn thành: 𝑘𝑐 𝑡 𝑘𝑐 𝑇 𝑢𝑖 (𝑡) = ∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏 ≈ 𝑢𝑖 (𝑡 − 𝑇) + 𝑒(𝑡) 𝜏𝑖 𝜏𝑖 T chu kì trích mẫu tín hiệu Thuật tốn xấp xỉ tích phân theo phương pháp diện tích hình thang biểu diễn sau: ui (t )  ui (t − T ) + kcT ( e(t ) + e(t − T ) ) 2ti Khâu vi phân cải tiến biểu diễn miền thời gian:  d dud N dt + ud = − kc d 77 dy dt xấp xỉ với phép tính sai phân thành: ud (t ) = d  d + NT ud (t − T ) − 78 kc d N ( y(t ) − y(t − T ) )  d + NT