TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Cùng với sự tiến bộ của xã hội, đời sống người dân ngày càng được phát triển, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng sử dụng các thiết bị tự động hóa đã trở nên phổ biến trong cả lĩnh vưc công nghiệp và sinh hoạt hằng ngày
Hiện nay, công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều công ty doanh nghiệp, cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều năm nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công Công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần kiểm soát trực tiếp của con người Công việc này được ứng dụng nhiều trong nhà máy nước, nhà máy nhiệt, lọc hóa dầu, các bể nước, tháp nước tự động…
Hình 1 1 Quá trình chiết rót nước đóng chai tự động
Vấn đề điều khiển đối đối tượng chính xác là rất cần thiết trong sản xuất công nghiệp Các thiết bị ngày càng hiện đại và kích thước cũng nhỏ hơn nên các thao tác trong quá trình sản xuất đòi hỏi độ chính xác cao Một sai sót nhỏ có thể ảnh hưởng đến toàn bộ sản phẩm Do đó đáp ứng nhu cầu xã hội có rất nhiều cách điều khiển chính xác thiết bị như: vi mạch số, vi điều khiển, PLC, điều khiển bằng máy tính, điều khiển thông minh… Với nhiều phương pháp điều khiển khác nhau Phương pháp điều khiển dùng giải thuật PID cho hệ bồn nước công nghiệp là phương pháp sử dụng khá phổ biến
Trong bài nghiên cứu này, tác giả quyết định sử dụng giải thuật điều khiển PID đa biến áp dụng trong quản lý cho hệ thống bồn nước Mục tiêu của nghiên cứu này là cung cấp thêm kiến thức về ứng dụng và điều khiển tự động, cung cấp thêm thông tin hữu ít về việc áp dụng giải thuật PID đa biến trong các ứng dụng thực tế
Như đã trình bày ở trên, vấn đề “Thiết kế bộ điều khiển đa biến cho hệ bồn nước công nghiệp” là hướng nghiên cứu có tính ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Tháng 5 năm 2010 sinh viên Mai Văn Văn, khoa Điện Trường đại học bách khoa Đà Nẵng, đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển bình mức đôi và mô phỏng trên phần mềm matlab dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Quốc Định
Hình 1 2 Sơ đồ khối bộ điều khiển của hệ kín
Các hệ số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển PID được chọn theo phương pháp Z-N-
1 như hình 1.2 nói trên, bộ điều khiển đảm bảo được tính ổn định của hệ thống Nhưng thời gian quá độ còn quá lớn (147s), thời gian tăng (16s), độ vọt lố khá cao (47.5%) và sai số xác lập khá lớn, không thỏa mãn yêu cầu đặt ra của một hệ thống điều khiển nên chất lượng của hệ thống không tốt
Tạp chí khoa học công nghệ Đà Nẵng số 1 – 42 – 2011, các tác giả Nguyễn Hoàng Mai đại học quốc gia Đà Nẵng và học viên cao học Võ Khánh Thoại đã trình bày phương pháp điều khiển mờ PID cho quá trình mức chất lỏng
Hình 1 3 Mô hình mô tả hệ thống điều khiển mức chất lỏng
Trên tạp chí khoa học 8/2007 Trường đại học Cần Thơ tác giả Nguyễn Hoàng Dũng đã trình bày áp dụng giải thuật mờ điều khiển hệ phi tuyến hệ bồn nước hệ bồn QUADRUPLE
Hình 1 4 Hệ bồn nước QUADRUPLE
Tạp chí khoa học, Trường đại học Cần Thơ, năm 2011 tác giả Nguyễn Chí Ngôn đã trình bày phương pháp Bộ điều khiển PI mờ từ thiết kế đến ứng dụng cho mô hình hệ thống RT010
Hình 1 5 Mô tả mô hình hóa hệ thống RT010
Hình 1 6 Sơ đồ khối điều khiển PI mờ cho ổn định mức chất lỏng RT010
Tạp chí đại học và công nghệ đại học Đà Nẵng – Số 4 năm 2010 tác giả Phạm Quốc Định đã công bố kết quả nghiên cứu việc sử dụng hệ mờ-nơron điều khiển mức chất lỏng cho hệ thống bồn nước đôi Nội dung của công trình nghiên cứu giới thiệu mô hình của hệ mờ-nơron, đồng thời là sự kết hợp mạng nơron và điều khiển mờ để tạo ra bộ điều khiển nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra cho điều khiển đối tượng hệ phi tuyến nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO) Đối tượng được điều khiển trong đề tài nghiên cứu là hệ bồn nước đôi với cấu hình 2 ngõ vào - 2 ngõ ra và đối tượng nghiên cứu là bộ điều khiển sử dụng hệ mờ-nơron để xây dựng bộ điều khiển cho đối tượng phi tuyến 2 ngõ vào - 2 ngõ ra Bằng cách mô phỏng các hoạt động của hệ thống dựa vào bộ điều khiển mờ Nowrowrron thông qua phần mềm MATLAB, nghiên cứu này đã thành công trong việc chứng minh rằng bộ điều khiển được thiết kế đã thể hiện hiệu suất tốt và đáp ứng một cách linh hoạt đối với các yêu cầu đã được đề ra
Future trends in automation in mineral and metal processing, Finlan, năm 2000 có đăng bài “Level control of cascade coupled flotation tanks” được đăng bởi nhóm kỹ thuật điều khiển đại học công nghệ Lulea SE-97187 Lulea, Thụy Điển Bài viết này đề cập đến một phương pháp nghiên cứu bằng cách so sánh các giải thuật điều khiển kiểm soát mức trong các bể Bộ điều khiển phải duy trì mức ổn định trong tất cả các bể, có sự thay đổi dòng chảy vào bể đầu tiên Mức trong các bể (ký hiệu là Yi) là đầu ra của quá trình và tín hiệu điều khiển là các van ( ký hiệu là Ui), cùng với dòng chảy vào bể đầu tiên ( ký hiệu là q) là các đầu vào của quá trình Hệ thống là quá trình MIMO với 5 tín hiệu đầu ra và 6 tín hiệu đầu vào trong đó q được coi là nhiễu đầu vào
Hình 1 7 Mô hình 5 bể ghép nôi tiếp
Hai giải thuật kiểm soát được xem sét: Bộ điều khiển tách rời và bộ điều khiển đa biến đối lưu LQ Bộ điều khiển là kết quả của hai phương pháp thiết kế này là bộ
5 điều khiển nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO) Các thí nghiệm của hai cấu trúc cho thấy mức độ kiểm soát mức tốt hơn so với thiết kế SISO ban đầu Bộ điều khiển tách rời tín hiệu đầu vào và đầu ra được lấy từ mô hình vật lý của torricelli's bổ sung cho việc xác định chức năng các van từ thí nghiệm thực tế Hệ các phương trình vi phân phi tuyến, mô tả động lực học các quá trình gồm 5 bể trong quá trình điều khiển
Trong đó: L Là diện tích của các bể, Ki, i=1,….,5 là số van và hi, i=1, 5 chênh lệch chiều cao vật lý giữa các bể Mô hình phi tuyến được tuyến tính hóa qua một điểm làm việc Mô hình trạng thái cho kết quả
Decoupling controller được ví dụ bởi Skogestad and postel-waite,1996 sử dụng các bộ bù sau các tín hiệu điều khiển và đầu ra chống lại các tương tác trong nhà máy
Hình 1 8 Mô tả cấu trúc vòng kín của bộ điều khiển
Tạp chí quốc tế về nghiên cứu nâng cao về kỹ thuật điện, điện tử và thiết bị có đăng bài “Modelling and Level Control of a Three Tank Hydraulic System” của Lekshmi Priya J trợ lý giáo sư, khoa AE & I, Đại học kỹ thuật Mount Zion, Pathanamthitta, Kerala, Ấn Độ Bài viết đề cập đến hệ thống nhiều bể chứa liên quan đến các vấn đề kiểm soát mức chất lỏng thường xảy ra trong các bể chứa công nghiệp
6 Đối với các mức chất lỏng độc hại trong công nghiệp hóa đầu & ngành chế biến thực phẩm Mục tiêu chính của điều khiển là đạt và ổn định mức trong bể bằng cách điều chỉnh hoạt động của bom và cài đặt van cho hệ thống ba bể Hệ thống cấp chất lỏng ba bể hình trụ, ba cảm biến và hai máy bơm, hai van liên kế, một van đầu ra và ba van rò rỉ Hệ thống sử dụng điều khiển với bộ điều khiển PID thông thường và cả bộ điều khiển dự đoán mẫu MPC
Hình 1 9 Mô tả hệ thống gồm ba bể ghép
Thiết kế bộ điều khiển PID được kiểm soát mức chất lỏng trong ba bể T1, T2 và T3
Hình 1 10 Hình mô tả bộ điều khiển dự đón mẫu MPC
Kiểm soát mức chất lỏng trong hai bể phụ T1 và T2, độ cao h1 và h2 được điều khiển, sử dụng điều khiển dẫn xuất tích phân tỷ lệ và điều chỉnh bộ điều khiển được thực hiện bằng phương pháp Ziegler Nichols Sơ đồ Simulink cho hệ thống vòng kín được đưa ra trong hình trong đó Kp = 10, Ki = 1 và Kd = 1
Hội nghị quốc tế lần thứ 4 năm 2018 về “Công nghệ xanh và phát triển bền vững (GTSD)” tác giả Võ Lâm Chương, Trương Nguyễn Luân Vũ và Lê Linh [11] đã trình
Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu này được tập trung vào việc xây dựng, thiết kế các hệ số điều khiển IMC- PID kết nối với các bộ lọc tiêu chuẩn, nhằm năng cao hiệu suất điều khiển hệ thống Nguyên tắc điều chỉnh đơn giản cho việc điều khiển ổn định mức chất lỏng, dựa trên mô hình điều khiển dễ dàng ứng dụng trong thực tế với hiệu quả cao cho hệ thống hai bể kết hợp.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu, giám sát độ đáp ứng của mực nước trên hệ thống hai bể kết hợp với giải thuật “Simplified Decoupling” Đồng thời so sánh kết quả mô phỏng với các giải thuật nghiên cứu khác
Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng công cụ Matlab kiểm chứng lý thuyết và mô phỏng của giải thuật
“Simplified Decoupling kết hợp với bộ lọc IMC-PID xếp tầng” trên mô hình hai bể ghép Trong nghiên bài báo cáo này, tác giả đề xuất giả pháp cho bộ điều khiển IMC-PID kết hợp với bộ lọc được xác định xấp xỉ với bộ điều khiển phản hồi lý tưởng, kết quả thu được bằng cách sử dụng trực tiếp xấp xỉ Pade bậc cao Những nghiên cứu trước đây chỉ gián tiếp sử dụng xấp xỉ Pade về phần thời gian trễ
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài nêu ra phương pháp đánh giá tính ổn đinh của hệ thống điều khiển IMC- PID xếp tầng Đóng góp thêm phần lý thuyết mới về các bộ điều khiển trong hệ tầng và chỉnh định (hay lựa chọn) tham số cho bộ điều khiển Độ tin cậy của kết quả nghiên cứu được đánh giá thông qua so sánh chất lượng bộ điều khiển khi sử dụng kết quả nghiên cứu này với khi sử dụng các phương pháp nghiên cứu khác (thể hiện trong mục của luận văn) và được minh chứng bằng thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab
Mặc khác, khi lựa chọn các hệ số cho bộ điều khiển, các tham số này được lựa chọn có phụ thuộc vào độ trễ của đối tượng (thể hiện ở công thức)
Các kết quả của báo cáo này làm cơ sở cho các nghiên cứu về sau để phát triển hoàn thiện cho lý thuyết điều khiển về hệ điều khiển tầng trong vấn đề điều chỉnh hệ thống
Thực tiễn ứng dụng cho các hệ thống điều khiểu ổn định mức cho các nhà máy, xí nghiệp vừa và nhỏ Trong các lĩnh vực sản xuất điện, nước thải, hóa chất,…và một số lĩnh vực liên quan khác
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu luận văn là ứng dụng giải thuật “Simplified Decoupling kết hợp với bộ lọc IMC-PID xếp tầng” để điều khiển mức chất lỏng cho hệ 2 bồn nước công nghiệp
Sử dụng phần mềm Matab để mô phỏng minh chứng giải thuật Đồng thời đưa ra bảng hệ số bộ điều khiển để so sánh với các giải thuật hiện có nhằm tối ưu hóa các hệ số điều khiển cho hệ bồn nước.
Nội dung của luận văn
Chương 2: Tổng quan điều khiển ổn định mức chất lỏng
Chương 3: Thiết kế đa vòng với bộ điều khiển IMC- PID đa biến
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển IMC- PID cho các quá trình có thời gian trễ
Chương 5: Mô phỏng và phân tích hoạt động của hệ thống
TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC CHẤT LỎNG
Sự cần thiết ổn định mức chất lỏng
Ngành công nghiệp hóa chất tại Việt Nam ngày càng phát triển mạnh mẽ Đặc điểm nổi bật của nó là sự đa dạng về các loại hình sản phẩm nhằm phục vụ cho tất cả các ngành kinh tế kỹ thuật Nó đóng vai trò quan trọng, góp phần quan trọng trong sự phát triển kinh tế của cả nước Ngành này có đặc điểm chính là sự đa dạng các sản phẩm, có thể phục vụ cho tất cả các ngành công nghiệp khác Chính vì thế, nó khai thác các tài nguyên của đất nước Từ khoáng sản, dầu khí cho đến sản phẩm, phụ phẩm và thậm chí là cả phế thải của công nghiệp, nông nghiệp Nó đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong nền kinh tế của một đất nước
Ngành công nghiệp hóa chất đã không còn quá xa lạ với người dân Việt Nam
- Năm 1954, nền công nghiệp hóa chất bắt đầu được xây dựng trên quy mô lớn Trải qua hơn một thập kỷ, nền công nghiệp hóa chất ngày càng phát triển mạnh mẽ và dần trở thành 1 ngành kinh tế về kỹ thuật độc lập
- Những năm 1980 – 1985, nó dần chiếm được vị thế cao trong toàn bộ ngành công nghiệp Việt Nam
- Năm 1985, bắt đầu thời kỳ đổi mới, nền công nghiệp hóa chất nước ta phát triển ổn định
- Từ năm 1992 – 1995, nó đạt mức độ tăng trưởng cao nhất – 20% / năm
- Những năm cuối thế kỷ XX đến nay, công nghiệp hóa chất nước ta cũng tăng trưởng ở tất cả các thành phần kinh tế
Hình 2 1 Mô tả thực trạng về công nghiệp hóa chất tại việc nam
Công nghiệp hóa chất ở Việt Nam chủ yếu nhằm phục vụ nông nghiệp, sản xuất công nghiệp và tiêu dùng Các ngành đó bao gồm:
+ Hóa chất để phục vụ cho nông nghiệp: Phân bón như phân lân, phân đạm, phân NPK,…
+ Hóa chất dùng để bảo vệ thực vật
+ Hóa chất vô cơ cơ bản: Soda, xút, axit sulfuric, axit photphoric, axit clohydric,…
+ Hóa chất của ngành công nghiệp: Đất đèn, oxy, cacbonic, than hoạt tính, amoniac, phụ gia của sản phẩm dầu mỏ, que hàn, nguyên liệu nhựa
+ Hóa chất dùng trong tiêu dùng: Xăng dầu, chất tẩy rửa, pin ắc quy, cao su, sơn Ngành công nghiệp hóa chất của nước ta đang từng bước xây dựng được nền công nghiệp hóa chất có cơ cấu hợp lý và hiện đại Liên tục xây dựng hình thành lên các khu công nghiệp tập trung với những công nghệ tiên tiến hiện đại nhất ngành hóa chất phát triển cũng kéo theo các ngành khác tăng trưởng theo Cụ thể cho thấy theo thống kê xu hướng tăng trưởng của ngành thực phẩm, đồ uống cũng tăng mạnh qua các năm gần đây
Hình 2 2 Biểu đồ mô tả dự báo tăng trưởng ngành thực phẩm và đồ uống đến năm
Thực tế cho thấy, chi tiêu cho thực phẩm và đồ uống có quan hệ tỷ lệ thuận với đà tăng trưởng của nền kinh tế Việt Nam, do cùng với sự phục hồi của đà tăng trưởng kinh tế thì sức cầu cho sản phẩm ngành thực phẩm và đồ uống của nền kinh tế nước ta cũng ngày càng tăng lên Tính chung trong giai đoạn 2014-2016 tăng trưởng kinh tế đạt trung bình 6,29%/năm, cao rõ rệt hơn mức tăng trưởng trung bình 5,52%/năm giai đoạn 2012-2014 Mặc dù năm 2016 tăng trưởng kinh tế không đạt mục tiêu đề ra là mức 6,7% tuy nhiên mức tăng trưởng 6,21% vẫn được ghi nhận như là một thành công khi nền kinh tế Việt Nam phải đối mặt với tình trạng hạn hán, lũ lụt và sự cố môi trường biển tại miền Trung Xu hướng tăng trưởng của ngành trong năm 2017 được đánh giá tiếp tục đà tăng trưởng mạnh, đạt tối thiểu khoảng 15%
Tăng trưởng kinh tế ổn định là nền tảng cho sự tăng trưởng “bùng nổ” của ngành thực phẩm và đồ uống khi ngành này chiếm khoảng 15% tổng GDP và đang trong xu hướng tăng lên trong thời gian tới Số liệu của Nielsen Việt Nam cho thấy có sự phục hồi của đà tăng trưởng diễn ra ở mảng thực phẩm (4,7%) Năm 2016, quy mô thị trường thực phẩm và đồ uống của Việt Nam được đánh giá vào khoảng 30 tỷ USD
Ngành công nghiệp dầu khí đang liên tục mở rộng việc sử dụng chất lỏng nhiệt để đáp ứng các yêu cầu năng lượng ngày càng tăng Chất lỏng nhiệt được sử dụng trong ngành dầu khí để thực hiện các hoạt động thiết yếu như chế biến dầu khí, lọc khí tự nhiên, tinh chế, biến khí thành chất lỏng, chế biến và lưu trữ nhựa đường, v.v
Theo Đánh giá thống kê về Năng lượng Thế giới 2022, sản lượng khí đốt tự nhiên toàn cầu chiếm 4.036,9 tỷ mét khối vào năm 2021, với tốc độ tăng trưởng khoảng 4.5% so với năm trước Nó đang tăng cường nhu cầu chất lỏng nhiệt trong quá trình xử lý khí tự nhiên
Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa…vấn đề cần thiết điều khiển mức nước, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng độ chính xác cao để phục vụ cho quá trình sản xuất ra sản phẩm được tốt hơn Đảm báo chất lượng tiêu dùng tốt hơn Giảm thiểu công việc cho người vận hành không cần trực tiếp đến kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở các bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong các bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay đổi Chính vì vậy các hệ thống bể chứa, bồn chứa cần phải “ổn định mức nước”
Mô tả các giải pháp và kỹ thuật đã biết
Đo mức chất lỏng là một công việc cần thiết và thường xuyên trong một số ngành công nghiệp Ứng dụng các loại cảm biến đo mức chất lỏng trong công nghiệp giúp kiểm soát chặt chẽ mực chất lỏng theo yêu cầu Hơn thế nữa, điều mà các ngành công nghiệp cần ở một thiết bị, một phương pháp đo mức chất lỏng đó chính là sự chính xác (sự chính xác gần như tuyệt đối)
Hình 2 3 Mô tả các dòng cảm biến đo mức chất lỏng Đo mức chất lỏng có rất nhiều phương pháp và theo thời gian công nghệ cảm biến mực nước cũng được cải tiến – phát triển để tối ưu hóa quá trình đo Hiện nay, có rất nhiều phương pháp đo mức chất lỏng phổ biến hiện nay như phương pháp sử dụng:
+ Phao báo mức chất lỏng
+ Cảm biến siêu âm báo mức nước
+ Báo mức nước bằng cảm biến điện dung
+ Que cảm biến mực nước bằng điện cực
+ Dây đo mực nước bằng phương pháp thả chìm
+ Thiết bị radar báo mực nước
+ Cảm biến đo chênh áp lò hơi; chênh áp cầu thang…
Các thiết bị báo mức chất lỏng được ứng dụng rộng rãi trong việc: Báo đầy báo cạn mức nước, nước thải, axit đặc, axit loãng, hóa chất, muối, nước ngọt, sữa, xăng dầu, đo mức nước trong lò hơi nhiệt độ cao 100 oC; 200 oC….Các thiết bị đo mức chất lỏng trên là những giải pháp quản lý bồn nước bể nước; xăng dầu hoặc các dung chất axit;
13 các dung dịch đặc… một cách tự nhiên theo dây chuyền sản xuất Và chúng được phân làm 2 dòng sản phẩm chính đó là thiết bị báo mức chất lỏng liên tục và báo mức chất lỏng on/off Căn cứ vào thuộc tính đo lường mà ta có thể phân loại các phương pháp đo mức chất lỏng như sau:
2.2.1 Đo mức chất lỏng trực tiếp Đo mức cơ học là hình thức đo tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng Ưu điểm của các phương pháp thuộc hình thức đo trực tiếp đó chính là trực quan, đơn giản
Nhược điểm là tốn kém thời gian, bảo trì sửa chữa khó khăn, thiết bị cồng kềnh Các phương pháp đo mức trực tiếp gồm có:
+ Đo mức chất lỏng bằng phao cảm biến
+ Đo mức chất lỏng bằng cảm biến áp suất thủy tĩnh dạng thả chìm
+ Đo mức chất lỏng bằng điện dung (điện cực)
Có rất nhiều người cho rằng kiểu đo trực tiếp mức nước công nghệ không tiên tiến, đo đơn giản thì các tính năng không cao Tuy nhiên, điều đó hoàn toàn không phải Với yêu cầu công nghiệp ngày càng khắt khe, việc cải tiến công nghệ thiết bị là điều tất yếu sẽ diễn ra Công nghệ của các thiết bị được nâng cấp cao hơn để phù hợp với điều kiện áp dụng đo lường Đo mức chất lỏng bằng cảm biến áp suất thủy tĩnh dạng thả chìm làm một trong những phương pháp đo mức có tính ứng dụng cao được nhiều ngành công nghiệp lựa chọn
2.2.2 Đo chất lỏng bằng phương pháp gián tiếp
2.2.2.1 Phương pháp đo mức chất lỏng bằng sóng siêu âm
Phương pháp đo mức bằng sóng siêu âm là một phương pháp đo mức không tiếp xúc Phương pháp nay được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống xử lý nước Nó cho phép đo chất lỏng có khả năng ăn mòn cao
Thiết bị đo mức chất lỏng với phương pháp đo bằng sóng siêu âm là một trong các loại cảm biến đo mức nước có độ chính xác rất cao, hầu hết sử dụng đo mức nước, nước thải trong công nghiệp hoặc nước cất trong các nhà máy sản xuất thuốc Đây được coi là cảm biến đo mức liên tục ra 4-20mA hay cảm biến đo mức liên tục 0-10V
Hình 2 4 Mô tả cảm biến siêu âm được gắn trên bể chứa
Nguyên lý cảm biến siêu âm là bắn sóng Sóng chạm vào chất lỏng sẽ phản hồi tín hiệu truyền về qua bộ phận xử lý đưa ra tín hiệu analog hay PNP rồi kết nối với bộ hiển thị mức nước liên tục để người dùng quan sát mức nước Điểm mạnh của dòng này là độ chính xác cao 0.15% Tốc độ truyền tín hiệu nhanh Cài đặt thay đổi các dãy đo một cách tự do mà không làm thay đổi độ sai số của thiết bị
2.2.2.2 Đo mức Chất Lỏng Bằng Rada
Cảm biến báo mức radar hay còn gọi thiết bị đo cảm biến radar được xem là một dòng thiết bị đo mức chất lỏng hoặc chất rắn có độ tín cậy cao thời gian phản hồi tín hiệu nhanh Đặc biệt dòng cảm biến mức radar đo được tất cả các loại chất lỏng trong công nghiệp với nhiệt độ và áp suất cao trừ các dòng axit hóa chất ăn mòn Bên cạnh đó thiết bị radar còn đo mức chất rắn như xi măng trong các silo dạng tro bay hoặc đo mức xăng rất chính xác
Hình 2 5 Mô tả cảm biến đo mức nước Radar cho các bồn chứa nước
- Ưu điểm của cảm biến radar:
+ Cảm biến radar có một số ưu điểm có thể kể tên như:
+ Đo lường chính xác trong môi trường khắc nghiệt khác nhau, chịu được nhiệt độ, áp suất cao
+ Tốc độ lấy mẫu cực kỳ nhanh
+ Cảm biến radar có phạm vi đo tới 40 m
+ Chúng khá nhỏ gọn với chùm tia phát sóng nhỏ trong phạm vi hẹp
+ Tín hiệu đo ổn định, ngay cả với các điều kiện môi trường bất lợi và ngay cả nắp cảm biến bị bẩn
+ Thích hợp cho nhiệt độ thấp, xuống đến -40°C
- Nhược điểm cảm biến radar
+ Có thể nói, nhược điểm lớn nhất của cảm biến radar không phải đến từ tính năng kỹ thuật, mà chính là giá thành
+ So với các loại cảm biến khác trong công nghiệp Thì có lẽ cảm biến radar là cảm biến có chi phí đầu tư tốn kém nhất Chúng thường chỉ xuất hiện ở những giai đoạn hay hệ thống quan trọng, cần độ chính xác cao
2.2.2.3 Phương pháp đo mức chất lỏng bằng áp suất
Phương pháp đo này không được quá phổ biến, ít người biết đến Cụ thể, phương pháp này dựa trên mối liên quan giữa áp suất và chiều cao của cột nước
Cách hoạt động của phương pháp này khá đơn giản: bạn chỉ cần gắn 1 cảm biến áp suất ở phía dưới của bồn chứa và đo áp suất tại vị trí này Từ tín hiệu áp suất, ta sẽ tính ra được chiều cao của cột nước
Hình 2 6 Mô tả phương pháp đo mức chất lỏng bằng áp suất
Khi dùng phương pháp này bạn phải dùng thêm 1 thiết bị để đọc tín hiệu và quy đổi tín hiệu áp suất Điều này làm tăng khá nhiều chi phí đầu tư
Ngoài ra nó còn đòi hỏi môi trường đo phải là trong bồn kín, nhiệt độ trong bồn không cao, nếu cao phải dùng ống siphon giảm nhiệt cho cảm biến áp suất
Ứng dụng của hệ thống ổn đinh mức nước
2.3.1 Lĩnh vực sản suất điện
Với mục tiêu từng bước làm chủ công nghệ, tiến tới nội địa hóa hoàn toàn các thiết bị trong nhà máy nhiệt điện đốt than, Tổng Công ty Lắp máy Việt Nam - LILAMA (trực tiếp là Công ty Cổ phần LILAMA 18) đã được Bộ Khoa học và Công nghệ và Bộ Công Thương giao chủ trì thực hiện đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tổ hợp và đưa vào vận hành hệ thống nước làm mát cho nhà máy nhiệt điện đốt than có công suất tổ máy đến khoảng 600 MW”
Hệ thống nước làm mát trong nhà máy nhiệt điện có nhiệm vụ chính là làm ngưng tụ hơi nước trong bình ngưng thành nước ngưng tại áp suất của bình ngưng (trong khi nhiệt độ của hơi không đổi) Ngoài ra, hệ thống nước làm mát còn cung cấp nước làm mát cho các thiết bị phụ trợ khác trong nhà máy Hệ thống làm mát thải đi một lượng nhiệt ẩn ngưng tụ của hơi nước giúp ngưng tụ thành nước ngưng, nhiệt lượng này chiếm khoảng 50-55% so với lượng nhiệt mà hơi nước đã nhận được ở lò hơi Tuy nhiên, phần lớn các nhà máy nhiệt điện của Việt Nam hiện nay đang sử dụng hệ thống nước làm mát kiểu trực lưu thường bao gồm các phần chính như sau: cụm bơm nước chính và hệ thống phân phối, cụm thiết bị nhận nước, hệ thống khử trùng bằng khí Clo, thiết bị nâng, hệ thống điện, điều khiển Về cơ bản, chất lượng nước làm mát không thay đổi so với trước khi đi vào hệ thống làm mát Tuy nhiên, vừa qua do sự bất thường của thời tiết, thiếu nước làm mát đã dẫn đến nhiệt độ nước làm mát ra nguồn tiếp nhận cao hơn quy chuẩn cho phép Vì vậy việc ổn định mức nước để làm mát cho hệ thống là hết sức cần thiết
Hình 2 7 Hệ thống làm mát nhà máy nhiệt điện Sông hậu 1 do LILAMA thiết kế, chế tạo và đưa vào vận hành
Cũng giống như nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân cũng cần cho việc giám sát quản lý ổn định mức nước cho các hệ thống làm mát
Hình 2 8 Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện hạt nhân
2.3.2 Lĩnh vực xử lý nước thải
Nước thải có ở mọi nơi như khu dân cư, công ty, bệnh viện, xí nghiệp…vấn đề xử lý nước thải luôn là vấn đề nóng Được nhà nước rất quan tâm giải quyết và xử lý sao cho hiệu quả nhà đảm bảo sức khỏe con người và môi trường sinh thái
Hình 2 9 Sơ đồ xử lý nước thải
Từ sơ đồ ta thấy các bể chứa hoạt động với chu kỳ khép kín các bể chứa đều được liên kết với nhau vận hành cùng nhau Chính vì vậy cần có sự tự động hóa để điều chỉnh và ổn định các mức nước để đảm bảo cho các hoạt động tốt nhất Từ đó làm tăng hiệu suất của hệ thống giảm chi phí vận hành cũng như lắp đặt
2.3.3 Một số lĩnh vực liên quan khác
Công nghệ lọc hóa dầu, tháp nước tự động, trạm bơm nước, nhà máy lọc nước….ứng dụng tự động hóa để điều khiển mức nước cũng rất cần thiết nó đảm bảo độ chính xác cao và nâng cao năng suất sản phẩm, giảm bớt chi phí khi lắp đặt và vận hành
Hình 2 10 Hệ thống công trình máy bơm cấp nước tự động
THIẾT KẾ ĐA VÒNG VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN
Quá trình đa biến
Một hệ thống tự nhiên hay nhân tạo được gọi là một hệ thống đa biến nếu có nhiều hơn một biến được kiểm soát Các hệ thống đa biến có thể tìm thấy ở hầu hết tất cả mọi nơi Trong môi trường văn phòng, nhiệt độ và độ ẩm là rất quan trọng để thoải mái Mức nước và tốc độ dòng chảy là hai biện pháp chính của một dòng sông…Một số hiện tượng chỉ xảy ra đối với các hệ thống đa biến và không thể xảy ra đối với hệ thống một biến Chẳng hạn, một hệ thống đa biến có thể có cực và Zero trùng với nhau nhưng không hủy bỏ nhau Số Zero của một phần tử nào đó trong hệ thống đa biến không đóng vai trò gì trong các thuộc tính của hệ thống Tính năng quan trọng nhất với một hệ thống đa biến là khả năng liên kết chéo hoặc tương tác giữa các biến của nó, tức là một biến đầu vào có thể ảnh hưởng đến biến khác hoặc tất cả các biến đầu ra Chính vì vậy việc thiết kế bộ điều khiển đa biến thực sự rất khó khăn cho việc thiết kế và hiệu chỉnh một vòng đọc lập riêng lẻ Việc điều chỉnh đọc lập riêng lẽ tham số sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của một vòng khác, đôi khi ảnh hưởng đến mức làm mất ổn định của toàn bộ hệ thống Chính các tương tác đa biến đã giải thích cho sự khác biệt cơ bản đối với các phương pháp thiết kế giữa các hệ thống điều khiển đơn biến và đa biến
Từ năm 1960, lý thuyết điều khiển hiện đại, dựa trên phân tích và tổng hợp trong miền thời gian để sử dụng các biến trạng thái, đã được phát triển để đối phó với sự phức tạp ngày càng tăng của các nhà máy hiện đại (dù là hệ SISO hay MIMO) và các yêu cầu nghiêm ngặt Về độ chính xác, ổn định và tốc độ trong các ứng dụng công nghiệp Vì vậy trong những năm 1960 và 1980, kiểm soát tối ưu của cả hai hệ thống bất định và ngẫu nhiên, cũng như kiểm soát thích ứng của hệ thống phức tạp, đã được nghiên cứu kỹ lưỡng Từ năm 1980 đến nay, sự phát triển của lý thuyết điều khiển hiện đại tập trung vào điều khiển ổn định, điều khiển H 2 /H và các chủ đề liên quan Kết quả là một bộ điều khiển mới pha trộn các tính năng tốt nhất của kỹ thuật cổ điển và hiện đại.
Kiểm soát quá trình đa biến
Trong các ngành công nghiệp quá trình, bộ điều khiển đa vòng hoặc bộ điều khiển phi tập trung thường được ưa chuộng hơn các bộ điều khiển đa biến được ghép chéo hoàn toàn vì chúng có cấu trúc đơn giản hơn với ít hơn Các tham số điều chỉnh
20 để xác định Ngoài ra, trong trường hợp bộ truyền động hoặc lỗi cảm biến, nó tương đối dễ dàng Để ổn định quy trình bằng bộ điều khiển đa vòng theo cách thủ công (Skogestad and Morari, 1989) Giống như Trường hợp SISO, bộ điều khiển của cấu trúc tích phân cộng (PI) tỷ lệ được sử dụng trong một vòng lặp đa vòng cho nhiều quy trình đa biến trong ngành công nghiệp Bộ điều khiển PI là nhiều nhất Thuật toán kiểm soát thường được sử dụng trong cỏc ngành cụng nghiệp kiểm soỏt quỏ trỡnh (Åstrửm et al., 1998) Kiểm soát PID là luôn luôn thích các bộ điều khiển nâng cao hơn trong các ứng dụng thực tế trừ khi bằng chứng được đưa ra hoặc Tích lũy cho thấy điều khiển PID không đầy đủ và không thể đáp ứng các thông số kỹ thuật hiệu suất Độ tin cậy của các bộ điều khiển đã được chứng minh, hưởng mức độ chấp nhận cao giữa các kỹ sư thực hành Đã có các định lý về kiểm soát phi tập trung chung của các hệ thống tuyến tính không trì hoãn bằng cách sử dụng Phương pháp tiếp cận phân số không gian và ma trận trạng thái (Ozguler, 1994) Tuy nhiên, trường hợp kiểm soát PID phi tập trung là ít phát triển hơn Ví dụ, vấn đề ổn định của các hệ thống kiểm soát PID phi tập trung Địa chỉ và vẫn cũn mở (Åstrửm và Họgglund, 1995; Tan et al., 1999) Nú cú thể được chỉ ra rằng Vấn đề ổn định vòng kín của điều khiển PID tương đương với ổn định phản hồi đầu ra tại các phương pháp phát minh đáp ứng các thông số kỹ thuật hiệu suất nhất định trên miền thời gian khép kín phản hồi hoặc trong miền tần số và để lại sự ổn định của vòng kín được kiểm tra sau Do những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ máy tính, cũng có việc sử dụng tối ưu hóa tham số ngày càng tăng Đối với việc thiết kế các bộ điều khiển phi tập trung với một cấu trúc cụ thể như một thứ tự cố định (thường là Loại thứ tự thấp hoặc loại PID) Nếu vấn đề được xây dựng trong miền tần số, các thuật toán có thể đơn giản hóa rất nhiều, nhưng sau đó sự ổn định không thể được đảm bảo Mặt khác, sự ổn định có thể được đảm bảoSử dụng tham số Youla, nhưng sau đó không còn có thể đảm bảo một cấu trúc đơn giản trong bộ điều khiển kết quả (Boyd et al., 1988) Điều khiển đa vòng không thể thay đổi bản chất tương tác của một hệ thống đa biến nhất định và do đó có thể Giới hạn hiệu suất có thể đạt được trong nhiều trường hợp Một bộ điều khiển đa biến kết nối hoàn toàn có tiềm năng cải thiện hiệu suất so với bộ điều khiển phi tập trung và đa biến chung
Lý thuyết kiểm soát đã phát triển trong những năm gần đây (Luyben, 1990; Maciejowski, 1989; Skogestad và Postlethwaite, 1996) Có thể lưu ý rằng hầu hết các
21 kỹ thuật thiết kế đa biến, chẳng hạn như không gian nhà nước, Tối ưu hóa, các phương pháp nyquist nghịch đảo và các phương pháp địa điểm đặc trưng, không có khả năng dẫn đến loại PID bộ điều khiển Đối với kiểm soát PID đa biến, Koivo và Tanttu (1991) đã đưa ra một cuộc khảo sát về các kỹ thuật điều chỉnh gần đây Cuộc khảo sát cho thấy các kỹ thuật này chủ yếu nhằm mục đích tách rời nhà máy ở một số tần số nhất định
Bộ điều khiển bao gồm một số phương pháp để điều chỉnh các bộ điều khiển MIMO PI/PID cũng như Hệ thống chuyên gia để hỗ trợ người dùng cũng đã được phát triển (Lieslehto et al., 1993) Gần đây, Wang et al (1997) đã đề xuất một phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID đa biến kết nối hoàn toàn thiết kế tách rời.
Bộ điều khiển tách rời
3.3.1 Kỹ thuật điều khiển Simplified Decoupling
Sơ đồ khối nổi tiếng của phương pháp tách rời về một quy trình TITO với quy trình tổng quát như hình 4.1 [6,8] Chúng ta cần thiết kế một ma trận tách rời D s ( )sao cho G s D s ( ) ( ) là một ma trận đường chéo Q s ( ), trong đó G s c ( )là bộ điều khiển Sau đó, bộ điều khiển nhiều vòng có thể được thiết kế trưc tiếp dựa trên quy trình rõ ràng được tách rời dưới dạng một bộ n SISO độc lập quy trình
Hình 3 1 Mô tả sơ đồ khối của bộ điều khiển tách rời TITO
Mục đích của việc tích rời là xác định được một ma trận tách rời D sao cho GD=Q Bộ điều khiển đa vòng sau đó có thể được thiết kế trực tiếp như một hệ gồm n hệ SISO độc lập
Dựa vào phương trình (4.1) ta đươc hệ phương trình sau:
1 1 , 1 1, , 1 1, i i i i i i ii ii i i i i in ni ii g d + + g − d − + g d + g + d + + + g g = q (4.2)
Trong đó, gij d, ij biểu thị các giá trị (i,j) tương ứng
Dựa vào phương trình (4.3) ta sắp xếp lại hàm Q tương ứng (4.2): (4.4) ir
( ) ii ii ic ii ii ii i i i i i i i i i i i i i in ni q = g d + g d +g d + +g − d − + +g + d + + +g g =g d +g d
Trong đó: g ir biểu thị vecter hàng thứ i-th của G là g ii , i.e, ir
1 2 , 1 , 1 i i i i i i in g = g g g − g + g , và d ic là biểu thị vector cột thứ i-th của D là d ii , i.e, d ir = d d 1 i 2 i d i − 1, i d i + 1, i d ni T
Từ phương trình (4.3), ta có: G d i ic +g g ic ir =0 (4.5) Trong đó: G i biểu thị một ma trận, dòng và cột i-th của G, g ic là vector i-th của
Do đó: d ic = −(G i ) − 1 g d ic ii (4.6)
Từ tính chất của ma trận: G adjG( )= G I (4.7)
Trong đó: I biểu thị cho ma trận đơn vị, |G| là đinh thức của G đặt C là chuyển đổi của ma trận, các yếu tố tương ứng với các mục của G
Từ ma trận (4.7) ta tìm được định thức sau:
Trong hình (4.9) i-th là phần tử chéo của ma trận G có thể viết bằng với phương trình sau: (4.11)
1 ii i i i i i i i i i i i i in in ii ii ii
Trong đó: C ic = C C i 1 , i 2 C i i , 1 − C i i , 1 + C in T là độ đáp ứng đến vector cột thứ i-th của adj G, đến bộ phận C ii
Từ (4.10) ta có: ic ii 0 i ic
= − C (4.13) Thay phương trình (4.13) vào phương trình (4.6) ta được d ic như sau:
( ) 1 ii ii i ic ic ic i ii ii
Theo đó phần tử (j,i) của các phần tử chia được thể hiện chung là:
Ta thay phương trình (4.11) và (4.14) vào phương trình (4.4) ta thu được phương trình sau: ii ii ii q d G
Mỗi phần tử chéo của ma trận DRGA (Witcher and McAvoy, 1977; Bristol, 1979; Skogestad and Poslethwaite, 1996; Truong and Lee, 2010a) có thể được tính là:
Trong đó: ii biểu thị phần tử chéo thứ i-th của GRGA
: biểu thị phép nhân cho từng phần tử
Từ phương trình (4.15) và phương trình (4.16), chứng tỏ các yếu tố của quá trình tách rời và được thể hiện cụ thể ở phương trình sau: ii ii ii ii q =d g
(4.18) Để thiết kế tách rời đơn giản hóa cho hệ thống ổn định với n đầu vào/ n đầu ra Tất cả phần tử chéo của ma trận tách rời d ii phải thống nhất các hình thức chung sau đây của bộ phận đơn giản hóa và các quy trình rõ rang được tách rời tương ứng như sau:
3.3.2 Thiết kế Simplified decoupling cho hệ 2x2
Xét một hệ thống TITO như sau:
(4.21) Trong trường hợp bộ tách rời được đơn giản hóa cho một quá trình và ổn định với nhiều đầu vào và nhiều đầu ra, tất cả các phần tử của đường chéo ma trận tách chúng tôi gán cho D 11 =D 22 =1 Để làm cho các phần tử nằm ngoài đường chéo chính của ma trận hàm truyền tách rời bằng 0, đồng thời để làm cho các phần tử ngoài đường chéo
25 của ma trận hàm truyền tách rời bằng 0, chúng ta tìm hiểu các phần tử khác của ma trận tách rời Truong and Lee [5][3]:
Sau đó các yếu tố tách rời được tìm thấy như sau:
Bằng cách sử dụng công thức (4.19) ta thu được ma trận tách rời như sau:
Trong đó C biểu thị chuyển vị của ma trận với ma trận hàm truyền G s c ( ) được đưa ra như sau:
Hơn nữa, mỗi phần tử đường chéo của ma trận DRGA của phương trình (4.17) được tính như:
= = (4.25) Theo (4.25) hàm quá trình tách rời được tìm thấy:
Q = =G - Λ G (4.27) Những kết quả này hoàn toàn giống với kết quả của hầu hết các phương pháp trong tài liệu liên quan đến việc tách rời đơn giản hóa cho các quy trình TITO [1],[4],[5]
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC- PID CHO CÁC QUÁ TRÌNH CÓ THỜI GIAN TRỄ
Thiết kế bộ điều khiển PID_ Simplified Decoupling
Các quy tắc PI/PID được mở rộng bằng cách xem xét các báo cáo của Truong and lee (2013)[5] Bài báo cáo với các điểm nổi bậc bao gồm: tính đơn giản hóa, hiệu suất mạnh mẽ, hình thức phân tích và hiệu quả để đơn giản hóa hệ thống tách rời
Các tác giả đã đưa ra các nguyên tắc điều chỉnh như sau: Đối với bộ điều khiển Simplified Decoupling, bộ điều khiển PI/PID chéo: G s c ( )được thực hiện tách rời rõ ràng cho quá trình Q s( ) Từ sơ đồ khối hình (4.1) hàm truyền vòng kín giữa điểm đặt và đầu ra được đưa ra như sau:
Ta được ma trận H s( )nghịch đảo như sau:
Ta thu được bộ điều khiển có kết quả như sau:
Từ phương trình (4.16) và phương trình (4.18), d ii được đặt thống nhất Q − 1 ( )s được viết như:
− = − (5.5) Trong đó phần tử h ii ( ) s là phần tử chéo của H s( )tương ứng với hàm truyền vòng kín mong muốn của mỗi vòng
Thay phương trình (5.5) và (5.4) vào (5.3) ta thu được phương trình sau:
( ) 1 1 ii ii ii ii c ii ii ii s h C h
Trong bài báo của tác giả Wang (2003) đã đưa ra được dạng chung cho vòng điều khiển kín h ii ( ) s của vòng lập i-th Về việc phân tích đặc tính của độ trễ thời gian và non - minimum số pha zeros trên bộ điều khiển tách rời
= + (5.7) Trong đó: f s i ( )là bộ lọc IMC vòng thứ nhất (Morari và Zafi r iou,1989) Điều quan trọng là thời gian trì hoãn và non – minimum (RHP) zero là các đặc điểm vốn có của quá trình không thể thay đổi bởi bất kỳ bộ điều khiển phản hồi ở biểu thức (5.7) Đối với một quy trình đơn giản với sự chậm trễ thời gian nhỏ nhất trong các phần tử chéo và không có RHP Zero vòng kín mong muốn Sau đó có thể được chọn đơn giản là:
+ (5.8) Trong đó: ii biểu thị thời gian trễ của phần tử thứ i của ma trận hàm quá trình
Thời gian lọc IMC không đổi cũng tương đương với thời gian kép kín không đổi
Ta thay phương trình (5.8) vào phương trình (5.6) ta thu được bộ điều khiển PID như sau:
Bộ điều khiển kết quả thừ phương trình (5.9) không theo tiêu chuẩn biểu mẫu PID Ta khai triển mở rộng hàng loạt Maclaurin để tạo bộ điều khiển PID sau:
Mở rộng Maclaurin cho phương trình g ci ( ) s ta thu được:
So sánh với bộ điều khiển tiêu chuẩn ta thu được bộ điều khiển PID như sau:
( ) ci Ii ci Di g s K sK s K s
Thiết kế bộ điều khiển IMC-PID
Phương pháp thiết kế mô hình Internal Model Control (IMC) đã được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Morari và đồng nghiệp (Garcia và Morari, 1982; Rivera et al.,
1986) Cả phương pháp IMC và phương pháp tổng hợp trực tiếp dựa trên mô hình giả định, đưa ra biểu thức giải tích cho các thiết lập bộ điều khiển Hai phương pháp này có mối liên quan chặt chẽ và dẫn đến các bộ điều khiển khá tương đồng khi các thông số thiết kế được đặt ra một cách nhất quán
Sơ đồ khối của phương pháp IMC được biểu diễn trong sơ đồ hình a và hình b
Hình 4 1 (a) Sơ đồ khối mô tả điều khiển phản hồi, (b) Mô tả điều khiển phản hồi cổ điển IMC
Hai sơ đồ hình ( 4.1) so sánh giữa cấu trúc điều khiển phản hồi và cấu trúc cổ điển IMC Hai sơ đồ khối này tương tự nhau khi hai bộ điều khiển G c và G I thỏa mãn quan hệ:
Do đó bất cứ bộ IMC G I nào cũng tương đương với bộ điều khiển hồi tiếp G c và ngược lại Dùng đại số sơ đồ khối, tín hiệu ra của hệ hồi tiếp IMC được viết như phương trình sau:
Trường hợp đặt biệt xét với mô hình lí tưởng, G = G thì phương trình (5.15) trở thành:
Bộ điều khiển được IMC thiết kế như sau:
+ Mô hình của quá trình được phân chia thành hai thành phần:
G = G + G − (5.17) Trong đó G + chứa toàn bộ thời gian trễ và các điểm zero nằm bên phải mặt phẳng phức Ngoài ra, G +yêu cầu ở trạng thái ổn định để đảm bảo rằng hai yếu tố trong công thức (5.17) là duy nhất
Thiết lập bộ điều khiển:
Trong đó: f là một bộ lọc có chức năng tang ổn định trạng thái Nó thường có dạng:
( 1) r f = s+ (5.19) Tham r là một số nguyên dương, thường là r =1
Bộ điều khiển IMC trong công thức (5.17) được dựa trên một phần của mô hình quá trình, G − chứ không phải là toàn bộ G Nếu G được sử dụng, bộ điều khiển có thể chứa một khâu dự báo e + s ( nếu G + chứa một thường gian trễ ) hoặc một cực không ổn định (nếu G + chứa một zero bên phải mặt phẳng phức), Như vậy, bằng cách
30 sử dụng thừa số của (5.16) và sử dụng một bộ lọc dạng (5.18), kết quả bộ điều khiển G I đảm bảo tính khả thi và ổn định
Trường hợp lý tưởng khi các mô hình hoàn hảo ( G = G ), thay (5.18) vào (5.15) thì ta nhận được đáp ứng vòng kín:
Y =G fR + + − f G D + (5.20) Như vậy hàm truyền vòng kín cho đáp ứng có giá trị đặt là:
R = + (5.21) Các phương pháp thiết kế IMC và tổng hợp trực tiếp có thể tạo ra nhứng bộ điều khiển tương đương và những đáp ứng vòng kín giống nhau, ngay cả khi sai số mô hình hiện tại, tương dương này sảy ra nếu hàm truyền mong muốn (Y R/ ) d trong hình (5.1) Được thiết lấp bằng Y R/ trong (5.19) công thức (5.13) vào (5.15) ta nhận được đáp ứng vòng kín sau:
Y =G fR + + − f G D + (5.22) Như vậy, hàm truyền vòng kín cho đáp ứng giá trị đặt là:
R = + (5.23) Các phương pháp thiết kế IMC và tổng hợp trực tiếp có thể tạo ra những bộ điều khiển tương đương và những đáp ứng vòng kín giống hệt nhau, ngay cả khi sai số mô hình hiện tại Tương đương này xảy ra nếu hàm truyền mong muốn ( / )Y R d được thiết lập bằng Y/R trong (5.23)
Lựa chọn là quyết định mấu chốt cho cả hai phương pháp thiết kế: tổng hợp trưc tiếp và IMC Nói chung, tăng sẽ tạo ra một bộ điều khiển bảo toàn hơn vì K c giảm trong khi I tăng Một số hướng dẫn IMC về được công bố cho mô hình bậc 1 có thời gian trễ
4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID lý tưởng
31 Đối với bộ điều khiển đơn giản hóa, bộ điều khiển PI/PID G s c ( ) được chuyển khai cho các biến tách rời Q s ( ) Từ mô hình tiêu chuẩn của điều khiển tách Ma trận hàm truyền vòng kín giữa các điểm đặt và đầu ra có thể được đưa ra như sau:
Sau đó, bộ điều khiển kết quả có thể được viết bởi:
Bộ điều khiển được cung cấp bởi (5.25) không phải là dạng PI/PID tiêu chuẩn và nó bao gồm hai phần Q -1 (s) và (H -1 (s)- )I -1 Theo như công thức (5.25) thì Q -1 (s) được viết:
Q (5.26) Đồng thời (H -1 (s)- )I -1 được biểu dưới dạng
Trong đó: h ii là phần tử đường chéo của H( )s tương ứng với hàm truyền vòng kín của mỗi vòng Thế (5.25) và (5.26) vào (5.24) ta thu được bộ điều khiển có kết quả như sau:
1-h (s) c diag ci s diag ii s ii − s
(5.28) Theo lý thuyết IMC của Theory [11], với giả định ii ( )s ổn định, hàm truyền vòng kín mong muốn h s ii ( )của vòng thứ i được chon là:
* z k thể hiện độ trễ của thời gian, các thông số RHP và liên hợp phức tương ứng của các số RHP zeros của các phần tử đường chéo thứ I của ma trận hàm truyền quá trình tương ứng q i là số của RHP zeros IMC là hằng số lọc thời gian,
i hằng số thời gian vòng kín Đồng thời là một tham số có thể điều chỉnh kiểm soát sự cân bằng giữa hiệu suất với độ bền m i là bậc tương đối của tử số và mẫu số trong g s ii ( )
Thay phương trình (4.56) vào (4.55) ta thu được bộ điều khiển với vòng lặp thứ i được biểu diễn bằng:
-1 k g (s)=Λ (s)g (s)=ii ii ii λ s+1mi-e-θ sii qi z -sk i k=1 z s+s* k
Từ biểu thức (5.29) ta thấy g s ii ( )sẽ bị triệt tiêu theo thời gian trễ và RHP zero z k ở tử số cũng triệt tiêu Do đó bộ điều khiển sẽ ổn định theo thời gian trễ Để tăng cường tính ổn định, đơn giản hóa cho quá trình điều khiển cho hệ thống như biểu thức (5.29) đã chứng minh, tác giả đề xuất sấp xỉ Pade trên cơ sở kiểm soát mô hình bên trong IMC nhằm tăng tính ổn định và chống lại các nhiễu do các biến quá trình như hình (4.1)
4.2.3 Thiết kê bộ lọc IMC-PID
Xét sơ đồ khối tiêu chuẩn của mô hình IMC-PID như hình 4.1 trong đó G ( )p s ,
G ( ) p s , G ( ) c s , q( ) s và f (s) r biểu thị quy trình, mô hình quy trình, bộ điều khiển phả hồi tương đương, bộ điều khiển IMC và bộ lọc tương đương y(s), r (s), d (s) và u (s) tương ứng với đầu ra được kiểm soát, đầu vào tại điểm đặt, đầu vào nhiễu và các biến tác động nếu không có lỗi mô hình G ( )=G ( )p s p s và điểm đặt Set- point Nhiễu cấu trúc IMC có thể đơn giản hóa thành: p r p d y(s)=G (s)q(s)f (s)r(s) + 1-G (s)q(s) G (s)d(s) (5.31) Tham số IMC [11] dẫn đến bộ điều khiển G ( ) p s là tích của hai thành phần: m A
G ( ) p s =p (s)p (s) (5.32) Trong đó: p (s)m là phần của mô hình có thể được đảo ngược để thiết kế bộ điều khiển p (s) A là phần của mô hình không bị đảo để thiết kế bộ điều khiển (pha cực tiểu
33 có thể bao gồm thời gian trễ và cực zero) p (0)=1 A để biến điều khiển bám theo điểm đặt
Bộ điều khiển IMC q( ) s có thể được thiết kế như sau:
-1 q( )s =p (s)f(s)m (5.33) Đối với cấu trúc điều khiển 2DOF, bộ lọc IMC, f (s)r chon để nâng cao hiệu suất quy trình m i i i=1 s +1 f(s) ( s 1) n
Các mô hình quá trình có thời gian trễ
4.3.1 Mô hình First- Order plus Dead time (FOPDT)
Mô hình xử lý FOPDT là một trong những mô hình được sử dụng rộng rãi trong các bộ xử lý công nghiệp, nó được xem xét để thiết kế các bộ điều khiển PID Được mô hình hóa bằng hàm truyền sau:
+ (5.41) Trong đó: + K biểu diễn cho độ lợi của quá trình
+ : thời gian trễ tương ứng
Cho cấu trúc điều khiển hai bậc tự do 2DOF, bộ điều kiển IMC được thiết kế như mô hình sau:
Hình thức bộ lọc IMC này được xem xét bởi một số nhà nghiên cứu Bộ điều khiển phản hồi lý tưởng được tìm thấy như sau:
Các thông số a và b của bộ lọc Lead-lag có thể tìm thấy từ [5] và phương trình (5.43) tương ứng
Vì vậy tham số được xác định bằng cách bỏ qua vòng lặp hở cực tại s= −1/ Theo phương trình (5.43) ta có tham số được tính như sau:
(5.44) Phương trình này được sử dụng bởi một số nhà nghiên cứu
Khi đề cập đến phương trình (5.29) điều kiện Lead ( s + 1 ) có thể là nguyên nhân gây ra độ vọt lố trong đáp ứng tại điểm đặt trước Điều này có thể triệt tiêu bằng cách thêm vào bộ lọc tại điểm đặt f(r) : s + 1 f(r) s + 1
Một số nhận xét quan trọng được mô tả như sau:
+ =0: trường hợp đặc biệt, bộ lọc đầu vào có dạng đơn giản nhất + =1: trường hợp không có bộ lọc đầu vào
+ 0