Nghiên ứu kết hợp điều khiển truyền thẳng và phản hồi đầu ra trong một số ứng dụng điều khiển quá trình

Số bậc tự do của một hệ thống được hiểu là số lượng tối đa các vòng điều khiển đơn tác động độc lập có thể sử dụng, hay nói cách khác là số lượng tối đa biến đầu vào có thể can thiệp độc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

=====  =====

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG

VÀ PHẢN HỒI ĐẦU RA TRONG MỘT SỐ ỨNG DỤNG

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

=====  =====

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG

VÀ PHẢN HỒI ĐẦU RA TRONG MỘT SỐ ỨNG DỤNG

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHUYÊN NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG

HÀ NỘI – 2012

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG

ÁN XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN……….1

1.1 Một số khái niệm….……… 1

1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển quá trình….………5

1.2.1 Thiết bị đo……….……….……… 5

1.2.1.1 Cấu trúc cơ bản……….……….5

1.2.1.2 Đặc tính vận hành……….…… 5

1.2.2 Thiết bị điều khiển……….…… 9

1.2.3 Thiết bị chấp hành……….……10

1.3 Tổng quan về xây dựng bộ điều khiển trong điều khiển quá trình………11

1.3.1 Điều khiển truyền thẳng……….….……… 12

1.3.2 Điều khiển phản hồi……… 12

1.3.3 Điều khiển tỷ lệ……….13

1.3.4 Điều khiển tầng……….13

1.3.5 Điều khiển suy diễn……….……….14

1.3.6 Điều khiển lựa chọn……… 14

1.3.7 Điều khiển phân vùng………14

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI……… ……….15

2.1 Điều khiển truyền thẳng……….15

2.1.1 Cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng lý tưởng……… 15

2.1.2 Đặc điểm của điều khiển truyền thẳng……… ………17

2.1.2.1 Sai lệch mô hình………17

2.1.2.2 Nhiễu không đo được………18

2.1.2.3 Tính khả thi của bộ điều khiển lý tưởng……… …18

2.1.2.4 Tính ổn định của bộ điều khiển lý tưởng……… 19

2.1.2.5 Đối tượng không ổn định……… 19

2.1.3 Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng……… 20

2.2 Điều khiển phản hồi……….……….20

2.2.1 Vai trò của điều khiển phản hồi……….………21

2.2.2 Một số nhược điểm của điều khiển phản hồi……….22

2.2.3 Các bộ điều khiển phản hồi……… 24

2.2.3.1 Bộ điều khiển hai vị trí……….25

2.2.3.2 Bộ điều khiển PID………26

2.2.3.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ P………26

2.2.3.2.2 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PI……… 27

2.2.3.2.3 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân PID……… 28

2.2.3.3 Bão hòa tích phân……….………30

2.2.4 Cấu trúc của hệ điều khiển phản hồi……….31

2.2.4.1 Cấu hình chuẩn……….31

2.2.4.2 Chuẩn hóa mô hình……… 32

2.2.4.3 Các quan hệ cơ bản……… 33

2.2.4.4 Tính ổn định của hệ điều khiển phản hồi………35

2.2.4.4.1 Tính ổn định……….35

2.2.4.4.2 Tính ổn định nội của hệ điều khiển phản hồi……… 38

2.5 Điều khiển phản hồi kết hợp với điều khiển truyền thẳng………40

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NHIỆT ĐIỆN………….………… 43

3.1 Phân loại nhà máy nhiệt điện……….44

3.1.1 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu rắn……….44

3.1.2 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu lỏng……… 44

3.1.3 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu khí……….44

3.1.4 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu hỗn hợp……….………45

3.2 Sơ đồ, nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện khí……… 45

CHƯƠNG 4: KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ PHẢN HỒI ĐẦU RA TRONG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN KHÍ………49

4.1 Kết hợp điều khiển truyền thẳng và phản hồi đầu ra trong điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt……… 49

4.1.1 Nguyên lý chu trình hơi……….49

4.1.2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của lò hơi……….50

4.1.3 Bộ quá nhiệt……… 50

4.1.3.1 Khái niệm……… ………50

4.1.3.2 Điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt……… … 51

4.1.3.2.1 Điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng hơi………52

4.1.3.2.2 Điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng khói……….53

4.1.4 Nguyên lý, sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra……….55

4.1.4.1 Sử dụng bộ giảm ôn hay sử dụng hơi……… 55

4.1.4.2 Sử dụng khói……….58

4.2 Kết hợp điều khiển truyền thẳng và phản hồi đầu ra trong điều khiển mức nước bình nước cấp……… 60

4.2.1 Nguyên lý, sơ đồ bình nước cấp………60

4.2.2 Điều khiển mức nước bình nước cấp……….61

4.2.3 Sơ đồ, nguyên lý điều khiển mức nước bình nước cấp.………61

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH NƯỚC CẤP SỬ DỤNG CÔNG CỤ MATLAB……….……….63

5.1 Mô hình bình nước cấp……….63

5.2 Thiết kế bộ điều khiển……… ……… 64

5.3 Mô phỏng quá trình……… 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO………77

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo……….…… 5

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của thiết bị điều khiển……….…… 9

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành……….………….…… 10

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của van điều khiển……….….… 11

Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển truyền thẳng……… …… 12

Hình 1.6 Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi……….…… 12

Hình 2.1 Cấu hình điều khiển truyền thẳng kiểu song song……….…….… 15

Hình 2.2 Cấu hình điều khiển truyền thẳng kiểu nối tiếp……….….…… 15

Hình 2.3 Cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng……….….… 20

Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của các bộ điều khiển phản hồi……….… 24

Hình 2.5 Thuật toán điều khiển hai vị trí lý tưởng……… 25

Hình 2.6 Thuật toán điều khiển hai vị trí thực……… … 25

Hình 2.7 Các dạng biểu diễn bộ điều khiển PID……… … 30

Hình 2.8 Hiện tượng bão hòa tích phân……… 30

Hình 2.9 Cấu hình chuẩn của điều khiển phản hồi… ……… 31

Hình 2.10 Cấu hình điều khiển phản hồi nhiễu quá trình được tách thành nhiễu đầu

vào và nhiễu đầu ra……… 38

Hình 2.11 Thiết bị gia nhiệt sử dụng bộ điều khiển phản hồi kết hợp với điều khiển truyền thẳng……… 41

Hình 2.12 Cấu hình ứng dụng điều khiển truyền thẳng và phản hồi đầu ra….… … 41

Hình 3.1 Sơ đồ hoạt động của nhà máy nhiệt điện khí….……….… …… 45

Hình 3.2 Chu trình nhiệt động của nhà máy nhiệt điện khí….……… …… 47

Hình 4.1 Nguyên lý chu trình hơi……….……… … 49

Hình 4.2 Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng bộ giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu ra kết hợp truyền thẳng đối với 01 nhiễu……….…….55

Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng bộ giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu ra kết hợp truyền thẳng đối với 01 nhiễu……….…….55 Hình 4.4 Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng bộ giảm ôn áp dụng sách

lược điều khiển phản hồi đầu ra kết hợp truyền thẳng đối với 02 nhiễu………….……….57

Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng bộ giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu ra kết hợp truyền thẳng đối với 02 nhiễu……….….57

Hình 4.6 Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng nhiệt độ khói áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra………58

Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng nhiệt độ khói áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra………59

Hình 4.8 Cấu tạo bình nước cấp……… …… 60

Hình 4.9 Sơ đồ điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra……… 62

Hình 5.1 Cấu trúc bộ điều chỉnh mức nước bình nước cấp áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra………64

Hình 5.2 Cấu trúc bộ điều chỉnh mức nước bình nước cấp áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra có sử dụng bộ định vị van……… 65

Hình 5.3 Khâu tạo nhiễu F2……….……… …… 68

Hình 5.4 Dạng nhiễu F2……….……….…….… 69

Hình 5.5 Bộ điều khiển phản hồi PI…….……….………69

Hình 5.6 Khâu giới hạn tín hiệu F1……….……….………….…… 69

Hình 5.7 Quá trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng bộ điều khiển phản hồi………70

Hình 5.8 Kết quả mô phỏng quá trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng bộ điều khiển phản hồi……….………… 70

Hình 5.9 Quá trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng bộ điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng……….71

Hình 5.10 Kết quả mô phỏng quá trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng bộ điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng……….….72

Hình 5.11 Cấu trúc điều khiển mức nước bình nước cấp sử dụng bộ điều khiển phản hồi thuần túy và sử dụng bộ điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng……… 72

Hình 5.12 Kết quả so sánh đáp ứng điều khiển mức nước bình nước cấp sử dụng bộ điều khiển phản hồi thuần túy và sử dụng bộ điều khiển phản hồi đầu ra kết hợp truyền thẳng……….73 Hình 5.13 Bộ điều khiển PI có khâu chống bão hòa tích phân….………74 Hình 5.14 Cấu trúc điều khiển mức bình nước cấp có sử dụng khâu bão hòa tích phân……… 74Hình 5.15 Kết quả so sánh đáp ứng điều khiển mức nước bình nước cấp sử dụng bộ điều khiển phản hồi thuần túy và sử dụng bộ điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng có

sử dụng khâu chống bão hòa tích phân………75

MỞ ĐẦU

Việt Nam đang trong quá trình đi lên chủ nghĩa xã hội với mục tiêu trước mắt là công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Với chính sách mở cửa thu hút đầu tư của Đảng và Nhà nước ta trong những năm vừa qua, nền công nghiệp của Việt Nam đã có những bước tiến đáng

kể, các nhà máy sản xuất, chế tạo hiện diện ở mọi miền đất nước mang đến nguồn thu nhập lớn cho nền kinh tế và tạo một lượng việc làm đáng kể cho nhân dân Tuy nhiên, nhiều nhà máy ở nước ta còn sử dụng công nghệ lạc hậu, gây tiêu tốn nhiên liệu, chất lượng và sản lượng sản phẩm còn kém Do vậy, việc đẩy mạnh nghiên cứu phát triển, ứng dụng khoa học công nghệ vào sản xuất là nhiệm vụ hàng đầu cần được quan tâm đầu tư để phát huy tối đa mọi nguồn lực của đất nước Không nằm ngoài xu hướng này, điều khiển quá trình, một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất đang được nghiên cứu chuyên sâu tại nhiều viện nghiên cứu, trường đại học lớn, nhằm tạo ra những thành tựu mới, ứng dụng vào thực tế sản xuất làm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm Nghiên cứu ứng dụng các sách lược điều khiển là một trong những nhiệm vụ trọng tâm của điều khiển quá trình nhằm tăng năng suất, hiệu quả hoạt động sản xuất Do vậy, trong đồ án này, với sự hướng dẫn của TS Đỗ Mạnh Cường, em đã lựa chọn đề tài là “nghiên cứu kết hợp điều khiển truyền thẳng và phản hồi đầu ra trong một số ứng dụng điều khiển quá trình” Mặc dù sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi đã được đào sâu nghiên cứu trong nhiều đề tài, công trình khoa học trước đây, tuy nhiên, sự kết hợp hai bộ điều khiển này đối với những đối tượng khác nhau là hoàn toàn khác nhau

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là xét việc ảnh hưởng tương hỗ giữa hai phương pháp điều khiển trên tiến tới xây dựng bộ điều khiển kết hợp Mục đích của đề tài là xây dựng một bộ điều khiển kết hợp có thể phát huy được ưu điểm của cả hai phương pháp đó Bộ điều

khiển kết hợp sau đó sẽ được kiểm chứng trên mô hình cụ thể xuất phát từ ứng dụng thực tế

Bộ điều khiển kết hợp được thiết kế trong đề tài có khả năng ứng dụng trong thực tế sản xuất, kết quả của đề tài có tác dụng minh chứng, khẳng định những ưu điểm của bộ điều khiển

kết hợp đồng thời đưa vào áp dụng bộ điều khiển này với mô hình cụ thể trong chu trình hơi của nhà máy nhiệt điện khí nhằm tăng độ tin cậy vận hành, tăng hiệu suất, giảm chi phí hoạt động cho nhà máy

Em xin chân thành cảm ơn TS Đỗ Mạnh Cường đã tận tình hướng dẫn hoàn thành đồ án này và chân thành cảm ơn các thầy cô giáo giảng giạy các môn học thuộc chuyên ngành Điều khiển Tự động hóa đã tận tâm truyền thụ kiến thức tại khóa học cao học để em có đủ kiến thức hoàn thành đồ án

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiển

CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH VÀ CÁC 1:

PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

1.1 Một số khái niệm:

Điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp năng lượng và hoá chất Quá trình toàn cầu hóa hiện nay đẩy nhanh sự tăng trưởng của thị trường tiêu thụ trên thế giới đồng thời cũng làm gia tăng sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa các tập đoàn sản xuất với nhau Trước tình hình đó, tất cả các tập đoàn hoạt động trong lĩnh vực sản xuất muốn tồn tại và phát triển đều phải nâng cao mức

độ tự động hóa dây chuyền sản xuất nhằm tăng năng suất, tăng chất lượng sản phẩm, hạ giá thành sản phẩm

Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp nhiệt, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng tháp chưng luyện hoặc – một tổ hợp lò hơi tua bin Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật – được đo hoặc được can thiệp Quá trình kỹ thuật có thể được hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình Biến vào là đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví

dụ như lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở rơ le sợi đốt Biến ra là đại lượng hoặc điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví

dụ như nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao Nói cách khác, các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ như nhiệt

độ lò, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, như tốc độ biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnNhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo (tín hiệu mẫu) Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các

hệ thống điều khiển quá trình Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị

Biến điều khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần loại bỏ, giảm ảnh hưởng của nhiễu Nhiễu được chia thành 02 loại: nhiễu đo và nhiễu quá trình Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được Nhiễu đo hay tạp nhiễu là nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số trong giá trị

Trong một quá trình liên tục, các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục hoặc gần như liên tục Khi đã đạt được trạng thái

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnxác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến tương tự, tức chúng có thể lấy một giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn Quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng và chất khí là các quá trình liên tục tiêu biểu Quá trình gián đoạn hay quá trình không liên tục có bản chất như quá trình liên tục nhưng các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định Quá trình rời rạc là quá trình có các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình Do đó, các đạ lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến logic Quá trình đóng bao, đóng chai, chế tạo, lắp ráp là các quá trình rời rạc Quá trình mẻ là quá trình hỗn hợp, có đặc trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm cả biến tương tự và biến rời rạc Yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng vai trò quan trọng trong một quá trình mẻ Các quá trình phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trình lên men là những quá trình mẻ

Mục đích và chức năng điều khiển quá trình: Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, cần phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó Việc đặt ra bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình Chức năng điều khiển quá trình: (1) Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế

độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện (2) Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu (3) Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn Giảm

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnthiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố (4) Bảo vệ môi trường Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nguyên nhiên liệu (5) Nâng cao hiệu quả kinh tế Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên nhiên

liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường

Đối với nhiều quá trình kỹ thuật, không phải tất cả các biến cần được điều khiển cũng

có thể tự do điều khiển theo ý muốn ngay cả khi ta không quan tâm tới các điều kiện giới hạn Số bậc tự do của một hệ thống được hiểu là số lượng tối đa các vòng điều khiển đơn tác động độc lập có thể sử dụng, hay nói cách khác là số lượng tối đa biến đầu vào có thể can thiệp độc lập để tác động tới đầu ra Xác định được số bậc tự do của một mô hình cho phép kiểm chứng tính nhất quán, khả năng giải được và mô phỏng được của mô hình Cũng như trên cơ sở phân tích bậc tự do, ta có thể đưa ra các sách lược điều khiển đúng đắn Số bậc tự do của một hệ thống được định nghĩa là:

Nf = Nv − Ne (1.1) Trong đó: Nv là số lượng biến quá trình mô tả hệ thống và Ne là số lượng mối quan

hệ độc lập giữa các biến

Về nguyên tắc, số lượng phương trình trong một mô hình phải đúng bằng số biến phụ thuộc nếu ta muốn có nghiệm xác định Nếu số biến cần tìm ít hơn số phương trình, mô hình đưa ra sẽ không có nghiệm, ngược lại trong trường hợp số biến cần tìm nhiều hơn số phương trình sẽ dẫn đến vô số nghiệm Như vậy, số bậc tự do của một mô hình phải đúng bằng số biến tự do (số biến đầu vào) mới đảm bảo tính nhất quán của mô hình

Điều kiện cần để điều khiển được n biến ra một cách độc lập là phải có ít nhất n biến điều khiển Khi một mô hình quá trình đã đảm bảo tính nhất quán, số biến đầu vào đúng bằng số bậc tự do và cần được phân biệt thành các biến điều khiển và các biến nhiễu Như vậy, số bậc tự do của mô hình trừ đi số biến nhiễu phải bằng hoặc lớn hơn số biến điều

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnkhiển cần thiết Số lượng vòng điều chỉnh phản hồi tối đa có thể xây dựng được khi số biến điều khiển bằng số bậc tự do

Đối với quá trình có liên quan tới thay đổi pha, việc tính toán số bậc tự do tuân theo định luật Gibb:

2

n n = −n + (1.2) Trong đó, n là số bậc tự do hóa học; nC là số lượng cấu tử có mặt; nP là số lượng pha

1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển quá trình:

Hệ thống điều khiển quá trình bao gồm: bộ điều khiển, thiết bị đo và thiết bị chấp hành

1.2.1 Thiết bị đo:

1.2.1.1 Cấu trúc cơ bản:

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của thiết bị đoThiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá trình kỹ thuật và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo là cảm biến được minh họa như hình vẽ trên Thành phần chính của thiết bị đo là cảm biến Cảm biến

có chức năng chuyển đổi một đại lượng vật lý sang một tín hiệu, thông thường là điện hoặc khí nén Một cảm biến có thể bao gồm nhiều phần tử cảm biến, trong đó mỗi phần tử cảm biến lại là một bộ chuyển đổi, từ một đại lượng này sang một đại lượng khác dễ xử lý hơn Tín hiệu ra từ cảm biến thường rất nhỏ, chưa truyền được xa, chứa sai số do chịu ảnh

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnhưởng của nhiễu hoặc do độ nhạy kém của cảm biến, phi tuyến với đại lượng đo Vì vậy, sau phần tử cảm biến cần các khâu khuếch đại, chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi,

bù sai lệch và tuyến tính hóa Những chức năng đó được thực hiện trong một bộ chuyển đổi đo chuẩn Bộ chuyển đổi đo chuẩn đóng vai trò là khâu điều hòa tín hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến và cho đầu ra là tín hiệu chuẩn để có thể truyền xa và thích hợp với đầu vào của bộ điều khiển

Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố, gọi

là các đặc tính thiết bị đo, bao gồm đặc tính vận hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học Đặc tính vận hành bao gồm các chi tiết về khả năng đo, chi tiết vận hành và tác động môi trường Đặc tính tĩnh biểu diễn quan hệ giữa đại lượng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra của tiết bị đo ở trạng thái xác lập, trong khi đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào và tín hiệu ra theo thời gian Đặc tính tĩnh liên quan tới độ chính xác khi giá trị của đại lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm Ngược lại, đặc tính động học liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay đổi nhanh

ra của một thiết bị đo chính là phạm vi tính hiệu ra của bộ chuyển đổi đo Đa số các bộ chuyển đổi chuẩn sử dụng trong điều khiển quá trình cho đầu ra theo chuẩn dòng 4 – 20

mA, với 4 mA tương ứng với 0% và 20 mA tương ứng với 100% phạm vi đo Chuẩn dòng

4 – 20 mA có một số ưu điểm như:

Khả năng truyền xa, không bị ảnh hưởng bởi trở kháng cáp truyền

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnKhả năng phân biệt giữa trường hợp lỗi đứt cáp với trường hợp tín hiệu ra đạt giới hạn dưới

Khả năng mang nguồn nuôi cho các thiết bị mắc nối tiếp

Bên cạnh đó, các dạng tín hiệu điện truyền thống khác cũng được sử dụng như 1- 5 V, 1- 10V và 10 50 mA Tín hiệu khí nén chuẩn là 0.2 1 bar (20 100 kPa), tuy nhiên – – – ngày càng ít được sử dụng hơn Ngày nay, phương thức truyền tín hiệu số qua bus trường ngày càng được ứng dụng rộng rãi Đối với một thiết bị đo thông minh ghép nối qua bus trường, số liệu truyền đi là giá trị trực tiếp của đại lượng đo cùng với đơn vị vật lý, nên ta

có thể coi phạm vi đầu ra trùng với phạm vi đo Bên cạnh khả năng giao tiếp số, các thiết

bị đo thông minh còn có khả năng xử lý thông tin tại chỗ rất mạnh

Khi giá trị của một biến đo biến thiên liên tục trong phạm vi đo, một số thiết bị đo cho tín hiệu ra thay đổi một cách rời rạc thay vì liên tục Trong trường hợp này, độ phân giải của thiết bị đo được định nghĩa là một bước thay đổi của tín hiệu ra Khi kích cỡ các bước thay đổi lớn nhất được gọi là độ phân giải cực đại Để thuận tiện, độ phân giải thường được biểu diễn bằng tỷ lệ phần trăm so với dải tín hiệu ra của thiết bị Độ phân giải trung bình biểu diễn theo tỷ lệ phần trăm của dải tín hiệu ra được tính theo công thức:

Độ phân giải trung bình (%) = 100/N Trong đó N là tổng số bước thay đổi trong toàn phạm vi đo

Độ tin cậy của một thiết bị đo là xác suất mà thiết bị hoạt động tốt qua một khoảng thời gian trong một số điều kiện quy định chuẩn Các điều kiện tin cậy bao gồm giới hạn môi trường làm việc, độ vượt phạm vi và độ lệch đầu ra cho phép Một khi giá trị đại lượng đo quá phạm vi, thiết bị đo không quay trở lại trạng thái làm việc bình thường ngay lập tức sau khi không còn quá tải, mà cần một khoảng thời gian hồi phục Giới hạn quá phạm vi là độ quá phạm vi tối đa một thiết bị đo chịu đựng được mà không dẫn tới hư hỏng hoặc thay đổi đặc tính đo một cách vĩnh viễn Như vậy, một điều kiện làm việc tin cậy là giá trị đại lượng đo không được phép nằm ngoài phạm vi của thiết bị

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiển

Độ lệch hay độ trôi là một thay đổi kh ng mong muốn qua một khoảng thời gian làm ôviệc quy định Trôi điểm không là sự thay đổi tín hiệu đầu ra của thiết bị đo khi giá trị đại lượng đo được giữ cố định tại điểm không Lệch độ nhạy là sự thay đổi độ nhạy của một thiết bị đo qua một khoảng thời gian quy định Hiện tượng trôi điểm không dẫn tới đặc tính

bị đẩy lên hoặc xuống, trong khi lệch độ nhạy làm thay đổi độ dốc của nó

Điều kiện làm việc của một thiết bị đo bao gồm nhiệt độ và áp suất bên ngoài, áp suất dòng chảy, các trường điện từ, gia tốc, độ rung và vị trí lắp đặt Giới hạn làm việc là phạm

vi các điều kiện làm việc mà không gây ra hư hỏng thiết bị Tác động của nhiệt độ có thể xét tới thông qua độ trôi điểm không hoặc lệch độ nhạy Trôi điểm không do nhiệt là sự thay đổi tín hiệu ra tại giá trị không của một số thiết bị đo khi nhiệt độ xung quanh thay đổi Tương tự như vậy, lệch độ nhạy đo nhiệt là sự thay đổi độ nhạy của một thiết bị đo khi

có thay đổi nhiệt độ môi trường

Đặc tính tĩnh của thiết bị đo liên quan tới độ chính xác của một thiết bị đo trong điều kiện phòng làm việc với đại lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm Thực chất, thiết bị đo cũng là một khâu động học, vì vậy đặc tính tĩnh phản ánh quan hệ giữa đại lượng đo đầu vào và tín hiệu đầu ra ở trạng thái xác lập

Sai số đo là sai lệch giữa giá trị quan sát được với giá trị thực của đại lượng đo Sai số

đo thường gồm hai thành phần là sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống Sai số ngẫu nhiện

có hể có nguyên nhân do đặc tính bất định của thiết bị hoặc do tác động của nhiễu tức thời Sai số hệ thống có nguyên nhân từ các đặc tính vận hành (độ phân giải, trôi điểm không, lệch độ nhạy, điều kiện sử dụng khác điều kiện chuẩn) và tính phi tuyến của thiết bị

Độ chính xác là mức độ phù hợp của đầu ra của một thiết bị đo so với giá trị thực của đại lượng đo xác định bởi một số tiêu chuẩn Độ chính xác được đánh giá thông qua thử nghiệm thiết bị đo với một quy trình đặc biệt trong điều kiện quy chuẩn Độ chính xác được biểu diễn dựa trên sai số âm và dương lớn nhất

Quy trình xác định độ chính xác của một thiết bị đo và thực hiện hiệu chuẩn cho phù hợp với ứng dụng và nếu cần thiết thực hiện bù trong thuật toán điều khiển được gọi là định chuẩn Công việc định chuẩn bao gồm xác định mối quan hệ giữa các giá trị của đại

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnlượng đo và tín hiệu đo qua ba vòng thử nghiệm cho toàn bộ phạm vi đo theo cả hai chiều thay đổi của đại lượng đo, tính toán các giá trị trung bình, giá trị sai số và biểu diễn các số liệu định chuẩn dưới dạng bảng hoặc đồ họa Đồ thị định chuẩn còn được gọi là đặc quyền vào ra của thiết bị đo, mô rả đặc tính tĩnh của thiết bị

Dải chết của một thiết bị đo là thay đổi nhỏ nhất của đại lượng đo theo chiều ngược lại mà thiết bị đo có thể đáp ứng với tín hiệu đầu ra thay đổi Dải chết còn được gọi là ngưỡng nhạy Độ trễ là sự khác nhau trong đáp ứng ra với cùng thay đổi đầu vào nhưng theo hai chiều khác nhau Hiệu ứng dải chết và độ trễ tạo ra hai đường đặc tính khác nhau cho mỗi chiều thay đổi của đại lượng đo

Tính trung thực hay còn gọi là khả năng lặp lại của một thiết bị đo là độ lệch lớn nhất của các giá trị quan sát được sau nhiều lần lặp lại so với giá trị trung bình của một đại lượng đo Tính trung thực cũng là một chỉ số cho sự tản mạn của phép đo Một thiết bị đo

có tính trung thực cao không nhất thiết sẽ chính xác, tuy nhiên một thiết bị có độ chính xác cao nhất thiết phải trung thực

1.2.2 Thiết bị điều khiển

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của thiết bị điều khiểnCác thiết bị điều khiển là thành phần cốt lõi của hệ thống điều khiển Trên cơ sở tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tùy theo dạng tính hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển,

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnmột thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển logic hoặc là thiết bị điều khiển số Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp và loại tương tự Một mạch logic rơ le là một thiết bị điều khiển logic Một thiết

bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển

số có thể chấp nhận các đầu vào ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các thành phần chuyển đổi tương tự số như cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ - cũng được thực hiện bằng máy tính số Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhận nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc Hiện nay, hầu hết các giải pháp điều khiển hiện đại đều là các hệ điều khiển số Một thiết bị điều khiển số thực chát là một máy tính số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển

Trong các hệ thống điều khiển quá trình, hầu hết biến điều khiển là lưu lượng, vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu và quan trọng nhất Van điều khiển cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất qua đường ống dẫn tỷ lệ với tín hiệu điều khiển.Một van điều khiển bao gồm thân van được ghép nối với một cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan Phần thân van được gắn với đường ống, đóng vai trò là phần tử

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnđiều khiển Độ mở van và lưu lượng qua van được xác định bởi hình dạng và vị trí chốt van Một số loại van được phân loại theo thiết kế và chuyển động của chốt van:

Van cầu: Chốt trượt có đầu hình cầu hoặc hình nón, chuyển động lên xuống

Van nút: Chốt xoay hình trụ (có đục các lỗ theo chiều ngang) hoặc một phần hình trụ Van bi: Chốt xoay hình cầu (có đục lỗ theo chiều ngang) hoặc một phần hình cầu Van bướm: Chốt xoay hình đĩa

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của van điều khiển

Cơ cấu chấp hành van có nhiệm vụ cung cấp năng lượng và tạo ra chuyển động cho chốt van thông qua cầu van (đối với chuyển động trượt) hoặc trụ van (chuyển động xoay)

1.3 Tổng quan về xây dựng bộ điều khiển trong điều khiển quá trình:

Thiết kế, xây dựng bộ điều khiển quá trình được tiến hành theo 02 bước cơ bản là thiết kế cấu trúc điều khiển và thiết kế bộ điều khiển Cấu trúc điều khiển hay còn gọi là sách lược điều khiển thể hiện quan hệ về mặt cấu trúc giữa các biến chủ đạo hay giá trị đặt, biến đo và biến điều khiển thông qua các bộ điều khiển và các phần tử cấu hình hệ thống khác Kết quả của việc thiết kế cấu trúc điều khiển là bản vẽ mô tả chi tiết cấu trúc hệ

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnthống điều khiển Trên cơ sở cấu trúc điều khiển đã được thiết kế sẽ lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển và xác định các tham số của bộ điều khiển

Các sách lược điều khiển thường được sử dụng trong điều khiển quá trình:

1.3.1 Điều khiển truyền thẳng:

Hình 1.5: Cấu trúc điều khiển truyền thẳngĐây là cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng Đặc điểm cơ bản của là biến nhiễu quá trình được đo và đưa tới bộ điều khiển Dựa trên các giá trị nhiễu đo được cùng với giá trị đặt, bộ điều khiển tính toán đưa ra giá trị cho biến điều khiển Nếu đặc tính đáp ứng của quá trình điều khiển cũng như với nhiễu biết trước, bộ điều khiển có thể thực hiện thuật toán bù trước sao cho giá trị biến được điều khiển đúng bằng giá trị đặt

1.3.2 Điều khiển phản hồi:

Hình 1.6: Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồiTrong đó G: mô hình quá trình tổng quát;

K; bộ điều khiển tổng quát;

w: các đầu vào quá trình (gồm cả nhiễu đo);

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiển

z: các đầu ra cần được kiểm soát;

y: các đầu vào bộ điều khiển;

u: các tín hiệu điều khiển

Điều khiển phản hồi (feedback control) dựa trên nguyên tắc liên tục đo (hoặc quan sát) giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển Do có cấu trúc khép kín, sách lược điều khiển phản hồi có thể đươc gọi là điều khiển vòng kín (closed loop control) Trong các sách lược điều khiển, điều -khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng hàng đầu Điều khiển phản hồi được sử dụng gần như trong tất cả các hệ thống điều khiển tự động

1.3.3 Điều khiển tỷ lệ:

Điều khiển tỷ lệ là duy trì tỷ lệ giữa hai biến tại một giá trị đặt nhằm gián tiếp điều khiển một biến thứ ba Trong rất nhiều ứng dụng điều khiển quá trình, giá trị của một biến cần điều khiển có quan hệ trực tiếp với tỷ lệ giữa các giá trị biến vào Có thể coi điều khiển

tỷ lệ là một trường hợp đặc biệt của điều khiển truyền thẳng, trong đó các biến nhiễu được

đo và bù theo nguyên tắc tỷ lệ

1.3.4 Điều khiển tầng:

Điều khiển tầng là một cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn, được sử dụng nhằm khắc phục một số vấn đề trong điều khiển phản hồi, như: ảnh hưởng của nhiễu quá trình tới biến đầu ra cần điều khiển chậm được phát hiện, khó đảm bảo tốc độ đáp ứng nhanh cũng như độ quá điều chỉnh nhỏ; thiết bị chấp hành là một khâu trong hệ kín mà tốc

độ can thiệp và độ chính xác của nó ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của vòng điều khiển Điều khiển tầng giúp loại bỏ ảnh hưởng của một số dạng nhiễu và cải thiện rõ rệt đặc tính động học của hệ thống Tư tưởng chính của điều khiển tầng là phân cấp điều khiển nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi nó phát sinh

1.3.5 Điều khiển suy diễn:

Điều khiển suy diễn là sách lược điều khiển dựa trên một trong hai phương pháp: (1)

Sử dụng một mô hình toán học hoặc một mô hình suy diễn để tính toán, suy diễn giá trị

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiểnbiến cần điều khiển từ một số đại lượng đo được khác Khâu tính toán, suy diễn này còn được gọi là cảm biến mềm; (2) Lựa chọn một biến trung gian dễ điều khiển hơn có quan hệ mật thiết với biến cần điều khiển, sao cho từ giá trị biến trung gian này có thể suy ra giá trị gần đúng của biến cần điều khiển

Sách lược điều khiển suy diễn được sử dụng khi: (1) Quan hệ giữa biến điều khiển và biến cần điều khiển có tính phi tuyến mạnh; (2) Phép đo biến cần điều khiển không chính xác hoặc rất chậm so với động học của quá trình; (3) Bản thân động học của quá trình rất chậm, ảnh hưởng của nhiễu chậm được phản ánh trong biến cần điều khiển

1.3.6 Điều khiển lựa chọn:

Điều khiển lựa chọn là sách lược điều khiển được sử dụng trong các hệ hụt cơ cấu chấp hành, tức là hệ có số biến điều khiển ít hơn số biến cần điều khiển, trong đó, đầu ra quan trọng nhất được lựa chọn tùy theo tình huống để chia sẻ sử dụng biến điều khiển một cách hợp lý Điều khiển lựa chọn được ứng dụng chủ yếu với mục đích an toàn hệ thống

do khả năng điều khiển được của một hệ hụt cơ cấu chấp hành rất bị hạn chế do một biến điều khiển không thể can thiệp một cách độc lập tới nhiều biến ra cùng một lúc

1.3.7 Điều khiển phân vùng:

Điều khiển phân vùng là một sách lược điều khiển được áp dụng khi hệ thống có một cần biến điều khiển nhưng có nhiều biến điều khiển, trong đó mỗi biến điều khiển có ảnh hưởng lớn nhất trong một phạm vi riêng Tùy theo giá trị tức thời của biến được điều khiển, cùng một lúc có thể chỉ một, nhưng cũng có thể nhiều biến điều khiển cùng được lựa chọn để can thiệp Mục đích chính của điều khiển phân vùng là sử dụng phối hợp một cách tối ưu các thiết bị chấp hành, giảm thiểu chi phí điều khiển, đồng thời góp phần cải thiện tốc độ và chất lượng đáp ứng của hệ thống

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ

ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI

2.1 Điều khiển truyền thẳng:

2.1.1 Cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng lý tưởng:

Hình 2.1: Cấu hình điều khiển truyền thẳng kiểu song song

Hình 2.2: Cấu hình điều khiển truyền thẳng kiểu nối tiếpTrong đó: r là biến chủ đạo, giá trị đặt;

u là biến điều khiển;

d là nhiễu quá trình;

y là biến được điều khiển;

G(s) là quá trình;

Gd(s) là mô hình nhiễu;

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

1 1

( ) ( )( ) ( ) ( )

y Gu G d G K r K d= + = + +G = G G r G G d− − − +G d r= (2.3) Phần chung của khâu truyền thẳng và khâu bù nhiễu cũng chính là nghịch đảo của mô hình đối tượng Mỗi bộ điều khiển lý tưởng (bộ điều khiển truyền thẳng cũng như bộ điều khiển phản hồi) thường chưa bên trong nó nghịch đảo của mô hình đối tượng Như vậy, khi K(s) = G 1 - (s) tồn tại và khả thi, cấu hình thứ hai hoàn toàn tương đương với cấu hình thứ nhất Song nói chung cấu hình thứ nhất tổng quát hơn và dễ thực hiện hơn

Xét cấu hình nối tiếp trên hình 2.2: Cũng như cấu hình song song, ta giả thiết mô hình chính xác và nhiễu đo được Nhiễu quá trình d, bộ điều khiển cần tính toán sao cho y = r

1

( )( ( ) )( ) ( )

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

Ưu điểm quan trọng nhất của điều khiển truyền thẳng là khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu tới quá trình Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của điều khiển truyền thẳng là cần phải biết rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu Khi mô hình quá trình hoàn toàn chính xác và hàm truyền đạt G 1 - (s) khả thi, bộ điều khiển truyền thẳng lý tưởng sẽ cho biến ra cần điều khiển y bám chặt biến chủ đạo r Nhưng thực tế, mô hình đối tượng và mô hình nhiễu không bao giờ chính xác, không phải nhiễu nào cũng đo được, nên sai lệch tĩnh bao giờ cũng tồn tại Thực tế, bộ điều khiển lý tưởng không bao giờ

có tính khả thi Quan trọng hơn nữa, một bộ điều khiển truyền thẳng không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định

2.1.2.1 Sai lệch mô hình:

Bộ điều khiển truyền thẳng luôn được tính toán dựa trên mô hình quá trình Một mô hình dù chi tiết và chính xác đến đâu cũng chỉ là xấp xỉ của đối tượng thực Giả sử hàm truyền đạt của đối tượng là G* = G + ΔG, trong đó ΔG là sai lệch mô hình Sử dụng bộ điều khiển truyển thẳng lý tưởng, đáp ứng đầu ra của quá trình với biến chủ đạo (giả thiết d

= 0) trở thành:

y G u= ∗ = G+ ∆G G r r− = + ∆GG r− (2.6) Sai lệch điều khiển e = ΔGG 1 - r, tỷ lệ với giá trị đặt và sai lệch mô hình Tương tự như vậy, giả sử hàm truyền đạt thực sự từ nhiễu tới đầu ra là Gd = Gd + ΔGd, đáp ứng đầu ra của quá trình là:

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

này cũng hoàn toàn đúng cho những bộ điều khiển truyền thẳng không phải dạng lý tưởng

Bộ điều khiển truyền thẳng khá nhạy cảm với sai lệch mô hình quá trình

2.1.2.2 Nhiễu không đo được:

uTrong bất kỳ quá trình nào cũng tồn tại nhiều nguồn nhiễ Ngay trong lúc xây dựng

mô hình, một số giả thiết đơn giản hóa đã được đưa ra Những yếu tố đã bỏ qua cùng với sai số của các phép đo đều được coi là nhiễu không đo được Ngay cả khi tất cả các biến nhiễu được xét tới, không phải mỗi biến nhiễu đều đo được Ảnh hưởng của chúng có thể thấy rõ qua đáp ứng đầu ra như sau:

2 2 2 2

y Gu G d G d= + + = +r G d (2.8) Trong đó d2 là nhiễu không được đo và Gd2 là hàm truyền đạt từ d2 tới y Sai lệch điều khiển sẽ luôn tồn tại ngay cả khi G và Gd đều là chính xác Hơn nữa, nếu Gd2 không ổn định thì toàn hệ thống cũng sẽ mất ổn định Tính chất này cũng là tổng quát cho mọi bộ điều khiển truyền thẳng cứ không chỉ riêng cho dạng lý tưởng

2.1.2.3 Tính khả thi của bộ điều khiển lý tưởng:

Đối với các quá trình thực, hàm truyền đạt lý tưởng K(s) = G 1 - (s) sẽ không có tính nhân quả vì:

+ Quá trình chứa thành phần trễ (trong thực tế khó tránh khỏi)

+ G(s) luôn là một hàm truyền đạt hợp thức chặt, tức bậc đa thức tử số nhỏ hơn

đa thức mẫu số

Khi đó, buộc phải sử dụng một thuật toán xấp xỉ mới có thể thực thi Phương pháp đơn giản nhất là chọn K = G 1 - (0), bộ điều khiển sẽ trở thành khâu bù tĩnh Khi đó, chỉ quan tâm tới quan hệ giữa các đại lượng ở trạng thái xác lập, hay nói cách khác là chỉ xét tới đặc tính tĩnh mà bỏ qua đặc tính quá độ của quá trình

Tuy nhiên, trước khi tiến hành xấp xỉ, có thể biễu diễn bộ điều khiển truyền thẳng dưới dạng song song:

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

1 1

d r

2.1.2.4 Tính ổn định của bộ điều khiển lý tưởng:

Khi đối tượng có đặc tính đáp ứng ngược, tức là khi G có điểm không nằm bên phải trục ảo, những điểm không này sẽ trở thành điểm cực không ổn định của khâu nghịch đảo

G 1 - Khi đó bộ điều khiển lý tưởng ngay cả thực thi được thì tính ổn định nội của hệ thống không còn được đảm bảo Để biến cần điều khiển bám theo giá trị đặt, tín hiệu điều khiển

sẽ phải liên tục tăng hoặc giảm không có giới hạn, không thể chấp nhận được trong thực tế Nhưng nếu sử dụng một khâu hạn chế tín hiệu điều khiển thì bộ điều khiển thực ra không còn là lý tưởng và chất lượng cũng sẽ hoàn toàn không như mong đợi Cách khắc phục duy nhất là xấp xỉ bộ điều khiển về một khâu ổn định, ví dụ một khâu bù tĩnh

2.1.2.5 Đối tượng không ổn định:

Một bộ điều khiển truyền thẳng không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định Ngay cả khi tồn tại bộ điều khiển lý tưởng với hàm truyền đạt G 1 - khả thi thì cũng chỉ có tác dụng triệt tiêu điểm cực không ổn định của G, nhưng không vì thế mà đảm bảo được tính ổn định nội của hệ thống Chỉ cần nhiễu đầu vào du rất nhỏ cũng đủ làm đáp ứng đầu ra tiến tới vô cùng:

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

( u) d u

y G u d= + +G d Gd= (2.10) Điều khiển truyền thẳng không làm thay đổi tính ổn định hệ thống, một sai lệch nhỏ trong mô hình hoặc một tác động nhỏ của nhiễu không những gây ra sai lệch tĩnh của hệ thống, mà còn làm cho hệ đi tới trạng thái mất cân bằng

2.1.3 Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng:

Điều khiển truyền thẳng tác động nhanh, cho phép loại bỏ đáng kể ảnh hưởng của nhiễu (đo được) trước khi nhiễu kịp tác động xấu vào hệ thống, cũng như giúp hệ thống đáp ứng nhanh với giá trị đặt thay đổi

Điều khiển truyền thẳng tuy không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định, nhưng nó không làm mất tính ổn định của một quá trình ổn định

Nếu kết hợp một cách khéo léo với điều khiển phản hồi, điều khiển truyền thẳng có thể cải thiện đặc tính quá độ của hệ thống một cách đáng kể

2.2 Điều khiển phản hồi:

Hình 2.3: Cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

Trong đó: r: biến hủ đạo (giá trị đặt)c

y: biến được điều khiển

u: biến điều khiển

Đối với cấu hình hai bậc tự do, bộ điều khiển chứa hai khâu tương ứng với hai đầu vào, có thể chỉnh định một cách độc lập để đưa ra đáp ứng các yêu cầu riêng về bám giá trị đặt cũng như loại bỏ nhiễu Thêm khả năng thiêt kế bộ điều khiển Kr(s) để cải thiện đáp ứng với thay đổi giá trị đặt

Về bản chất, cấu hình điều khiển hai bậc tự do chính là một sự kết hợp của điều khiển phản hồi với điều khiển truyền thẳng Đa số các bộ điều khiển trong công nghiệp đều cho phép lựa chọn cấu hình hai bậc tư do

2.2.1 Vai trò của điều khiển phản hồi:

Điều khiển phản hồi là sách lược điều khiển cơ bản nhất, không thể thay thế trong hầu hết các hệ thống điều khiển Xét minh họa đối với cấu hình một bậc tự do

y GK r y n = ( − − ) + G dd (2.11)

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

2.2.2 Một số nhược điểm của điều khiển phản hồi:

Được coi là nền tảng của điều khiển quá trình nhưng điều khiển phản hồi cũng có nhiều hạn chế Một bộ điều khiển phản hồi có thể ổn định một đối tượng không ổn định, song một vòng điều khiển kín chứa một đối tượng ổn định cũng có thể trở nên mất ổn định Nếu bộ điều khiển không được thiết kế cẩn thận, nhất là khi mô tả quá trình kém chính xác hoặc bản thân đặc tính động học của quá trình thay đổi theo thời gian, hệ thống dễ dàng đi tới mất ổn định

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

Để đạt được chất lượng điều khiển phản hồi tốt thì phép đo đại lượng phản hồi phải

có độ chính xác cần thiết Bản thân các cảm biến cũng chịu tác động của nhiễu đo Một khi giá trị đo có sai số lớn thì chất lượng điều khiển không còn được đảm bảo nếu như không

có các thuật toán lọc nhiễu thích hợp

Để đạt được chất lượng điều khiển hoàn hảo, ta cần có e = 0 trong mọi trường hợp Như vậy, ta cần có 2 giá trị 1

=

+ đồng thời xấp xỉ bằng 0, tuy nhiên,

điều này không thể xảy ra do tổng của 2 giá này luông bằng 1 Tuy nhiên, trong thực tế, dải tần của tín hiệu đo n thường cao hơn so với dải tần của biến chủ đạo r và của nhiễu quá trình d Vì vậy một trong những nguyên tắc cơ bản của thiết kế điều khiển phản hồi là làm cho S j( ω) ≈0 trong phạm vi tần số cao chịu ảnh hưởng của nhiễu đo và T j( ω)≈ 0 trong

vi tần số thấp chịu ảnh hưởng của biến chủ đạo và nhiễu quá trình Tuy nhiên, việc lựa chọn các dải tần số phù hợp cho một ứng dụng cụ thể không phải bao giờ cũng hiển nhiên Mặc dù điều khiển phản hồi đã dung sai với sai lệch mô hình ở một mức độ nào đó,

nó không thể giải quyết hoàn toàn được vấn đề này Thực tế khó mà có một bộ điều khiển phản hồi tốt nếu không có một mô hình tốt, nhất là đối với những quá trình phức tạp

Bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phản ứng, có nghĩa là chỉ khi ảnh hưởng của nhiễu đã thể hiện rõ trong giá trị biến được điều khiển thì nó mới tác động trở lại Nhiều quá trình có đặc tính động học chậm (như các quá trình nhiệt, quá trình chuyển khối hoặc quá trình phản ứng), ảnh hưởng của nhiễu chỉ sau một thời gian khá lớn mới có thể quan sát được Như vậy, trước khi bộ điều khiển kịp đưa ra tác động điều chỉnh thì chất lượng sản phẩm đã bị ảnh hưởng Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách kết hợp điều khiển phản hồi với bù nhiễu

Việc thiết kế chỉnh định bộ điều khiển để đồng thời thỏa mãn tất cả các yêu cầu đặt ra hiếm khi là một công việc đơn giản, trong một số trường hợp là không thể thực hiện được Các chỉ tiêu chất lượng nhiều khi không hòa đồng được với nhau, đòi hỏi phải thỏa hiệp Mỗi quá trình lại có những đặc điểm phức tạp riêng như đáp ứng ngược, thời gian trễ, phép

đo chậm, tham số biến thiên, ràng buộc tín hiệu điều khiển…

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

2.2.3 Các bộ điều khiển phản hồi:

Các bộ điều khiển phản hồi là những thành phần cốt lõi của các hệ thống điều khiển

Bộ điểu khiển phản hồi có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều k iển phản hhồi có thể được thực hiện dưới dạng một thiết bị điều khiển vòng đơn hoặc một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ Một bộ điều khiển đa biến bao giờ cũng được cài đặt trên một thiết bị điều khiển chia sẻ

Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của các bộ điều khiển phản hồiTác động của bộ điều khiển được gọi là thuận khi đầu ra của nó (tín hiệu điều khiển)

là một hàm đồng biến với biến cần điều khiển Tác động của bộ điều khiển được gọi là nghịch khi tín hiệu điều khiển là một hàm nghịch biến với biến cần điều khiển Chiều tác động chỉ thực sự có ý nghĩa đối với điều khiển phản hồi, bởi nó liên quan tới việc chọn dấu của hệ số khuếch đại của bộ điều khiển Hệ số khuếch đại có giá trị âm tương ứng với tác động thuận, tức là tín hiệu điều khiển tăng khi đầu ra quá trình tăng và ngược lại Với hệ số

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

khuếch đại dương, bộ điều khiển sẽ có tác động nghịch, tức là tín hiệu điều khiển tăng khi giá trị đầu ra quá trình giảm Chiều tác động của bộ điều khiển cần được chọn sao cho hệ

số khuếch đại của toàn hệ hở (quá trình công nghệ, bộ điều khiển và van điều khiển) có giá trị dương

2.2.3.1 Bộ điều khiển hai vị trí

Bộ điều khiển hai vị trí còn gọi là bộ điều khiển on off hay điều khiển bang- -bang Thực chất đây là bộ điều khiển phi tuyến tính

Hình 2.5 Thuật toán điều khiển hai vị trí lý tưởngTùy thuộc vào sai lệch điều khiển, tín hiệu điều khiển chỉ có thể nhận một trong hai giá trị đã được quy định từ trước Nếu về mặt lý thuyết, sai lệch điều khiển có thể bằng 0

sẽ dấn đến tín hiệu điều khiển thường xuyên bị thay đổi giữa hai giá trị (hiện tượng bangbang), gây ra tình trạng phá hỏng thiết bị chấp hành Do đó, trong các thuật toán thực tế, một dải chết được sử dụng và sai lệch điều khiển nằm trong dải chết này

-Hình 2.6 Thuật toán điều khiển hai vị trí thực

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

Bộ điều khiển hai vị trí được sử dụng trong những ứng dụng đơn giản, không yêu cầu

độ chính xác cao Bộ điều khiển này có ưu điểm của là chi phí thiết bị thấp tuy nhiên có nhược điểm là chất lượng thấp

2.2.3.2 Bộ điều khiển PID

PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình do: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ hiểu và dễ sử dụng; Tồn tại nhiều phương pháp

và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham số của bộ điều khiển; Các luật điều khiển P,

PI và PID thích hợp cho một phần lớn các quá trình công nghiệp

2.2.3.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ P

Bộ điều khiển P là dạng đơn giản nhất thuộc họ PID huật toán khuếch đại tỷ lệ đưa T

ra sai lệch tín hiệu điều khiển tỷ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu sai lệch điều khiển quan sát được

u t = + u k e t (2.17) Trong đó: u(t) là đầu ra của bộ điều khiển (tín hiệu điều khiển thực)

u là độ dịch, hay là giá trị đầu ra của bộ điều khiển tại thời điểm làm việc (khi e t ( )= 0)

e t ( )là sau lệch điều khiển e t ( )= r(t) – y(t)

kclà hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

Nếu coi ban đầu hệ thống ở trạng thái xác lập và u= 0, hàm truyền đạt của bộ điều khiển P có thể được biểu diễn đơn giản hơn :

độ dịch u bằng tay sao cho u(t) = u khi e(t) = 0 Độ dịch chuyển phụ thuộc vào điểm làm

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

việc hay phụ thuộc vào giá trị đặt Luật tỷ lệ tác động nhanh và tức thời sẽ có tác động cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ thống và vì vậy có vai trò chính trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ Tuy nhiên, hệ số khuếch đại càng lớn sẽ làm tín hiệu điều khiển thay đổi càng mạnh (là điều không mong muốn), đồng thời cũng làm cho hệ nhạy cảm hơn với ảnh hưởng của nhiễu đo Đối với một số quá trình, việc chọn hệ số khuếch đại quá lớn thậm chí

có thể dẫn đến hệ mất ổn định

Luật điều khiển tỷ lệ có ưu điểm là đơn giản, tác động nhanh nhưng khó tránh khỏi sai lệch tĩnh đối với những đối tượng không có đặc tính tích phân Luật điều khiển này phù hợp nhất với những đối tượng quán tính – tích phân

2.2.3.2.2 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PI

Bộ điều khiển PI là dạng được sử dụng phổ biến nhất trong họ PID So với bộ điều khiển P, bộ điều khiển PI có thêm thành phần tích p ân với mục đích triệt tiêu sai lệch htĩnh Tác động tích phân đưa ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với tích lũy của sai lệch điều khiển quan sát được e(t)

( 2.19)

Trong đó: τi là thời gian tích phân

Tác dụng triệt tiêu sai lệch tĩnh của thành phần tích phân I có thể được lý giải như sau: khi sai lệch điều khiển chưa tiến tiệm cận tới thì tín hiệu điều khiển sẽ còn thay đổi 0 trong một thời gian và hệ thống chưa thể đến được trạng thái xác lập Như vậy, nếu hệ kín

ổn định và đi tới trạng thái xác lập thì sai lệch điều khiển sẽ phải biến mất Thời gian tích phân càng nhỏ thì tác động tích phân càng lớn, tức là thông thường sai lệch điều khiển càng nhanh chóng bị triệt tiêu Tuy nhiên, thành phần tích phân sẽ làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, tác động chậm, dễ dao động hơn và dễ mất ổn định Tác động tích phân càng lớn thì hệ dao động cành mạnh, đặc tính động học càng xấu Do vậy, cần cân

Chương 2: Đặc điểm sách lược điều khiển truyền thẳng và điều khiển phản hồi

nhắc giữa đặc tính đáp ứng động học và chất lượng ở trạng thái xác lập Luật điều khiển này phù hợp nhất những đối tượng quán tính

2.2.3.2.3 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân PID

Bộ điều khiển PID đưa ra tín hiệu điều khiển dựa theo cả ba thành phần gồm tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D)

0

( ) 1

Trong đó: τd là hằng số thời gian vi phân.

Nếu coi các tín hiệu trong biểu thức trên là các biến chênh lệch, hay u= 0, hàm truyền đạt của bộ điều khiển sẽ có dạng sau:

( ) ( )

( )

1 1

Trong khi thành phần tích phân có ảnh hưởng lớn ở gần trạng thái xác lập thì thành phần vi phân có tác dụng chủ yếu tới quá trình quá độ Hơn nữa, với thành phần vi phân,

bộ điều khiển có thể ổn định được một số quá trình mà bình thường không ổn định được với các bộ điều khiển P hoặc PI Tuy nhiên, do chính khả năng đáp ứng nhanh nên tác động vi phân rất nhạy cảm với nhiễu đo

Có thể biểu diễn thuật toán PID dưới dạng song song như sau: