Nghiên cứu phương pháp điều khiển hiện đại, quá trình

Việc điều khiển các đại lợng này th-ờng gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có những đặc tính: Những đặc điểm của quá trình: Thờng đợc thể hiện dới 4 đặc tính sau: - Thời gian chết quá

Chơng1: mở đầu

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Khái niệm và đặc tính chung của Điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình là sự thao tác những điều kiện của quá trình để làmxảy ra những thay đổi mong muốn trong những đặc tính đầu ra của quá trình.Trong thực tế thì điều khiển quá trình thờng đợc xem nh điều khiển cácthông số nh: nhiệt độ (t0), áp suất (P), lu lợng (F), mức (L), nồng độ (pH), định l-ợng và thậm chí cả điều khiển phản ứng v.v Việc điều khiển các đại lợng này th-ờng gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có những đặc tính:

Những đặc điểm của quá trình:

Thờng đợc thể hiện dới 4 đặc tính sau:

- Thời gian chết quá trình (Process Dead time)

- Trễ quá trình (Process Lag)

- Hệ số khuyếch đại của quá trình (Process gain)

- Nhiễu quá trình (Process disturbances)

- Thời gian chết quá trình: Đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi trong tínhiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển quá trình và đáp ứng của tín hiệu Hiện t-ợng này luôn luôn không phân biệt dạng của tín hiệu đợc dùng Ngoài ra nó còn

đợc biết đến nh: trễ thuần tuý, trễ vận tải, hoặc trễ khoảng cách - vận tốc

- Trễ quá trình: Vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng ợng một cách liên tục Qua đó ta có trễ bậc một hoặc trễ bậc cao

l Hệ số khuyếch đại quá trình: Hệ số khuyếch đại của quá trình đợc xác

định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi đầu vào

- Nhiễu quá trình: Là những sự thay đổi mong muốn xảy ra trong quá trình,

nó có xu hớng ảnh hởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển

Khi nghiên cứu điều khiển quá trình thì việc tổng hợp mạch vòng điềukhiển thờng gặp khó khăn vì:

1.1.2 Các tính chất cơ bản của điều khiển quá trình

Khi xây dựng hệ thống điều khiển, nhiệm vụ cơ bản đợc đặt ra là phảinghiên cứu đợc tính chất của quá trình (đối tợng điều khiển) Các thông tin vềquá trình thu thập đợc càng đầy đủ thì việc tổng hợp hệ thống điều khiển tự độngcàng đơn giản và quá trình điều chỉnh càng dễ đạt độ chính xác cao Việc nghiêncứu quá trình phải xuất phát từ việc nghiên cứu các hiện tợng vật lý xảy ra trongquá trình Các hiện tợng này luôn liên quan đến dòng vật chất hay năng lợngchảy vào E1 và chảy ra E0 từ quá trình tạo nên môi trờng hoạt động của quá trình.Khi E1 = E0 các hiện tợng trong quá trình tồn tại ở trạng thái dừng, quá trình ởtrạng thái cân bằng Khi E1  E0 sẽ tồn tại sự vận động trong môi trờng hoạt

động của quá trình Giá trị E = E1 - E0 đợc gọi là tác động nhiễu lên quá trình

Nó là đại lợng đặc trng cho tác động vào của quá trình Năng lợng hoặc vật chất

sẽ đợc tích luỹ hay chuyển hoá trong lòng quá trình Các hiện tợng này đợc phản

ánh thông qua một số thông số kỹ thuật của quá trình và đợc gọi là tín hiệu racủa quá trình Thông số kỹ thuật đặc trng nhất cho các hiện tợng xảy ra trongquá trình đợc chọn làm đại lợng cần điều chỉnh y Tác động ảnh hởng lớn nhấtlên đại lợng cần điều chỉnh đợc sử dụng làm tác động điều chỉnh u

Hai tính chất cơ bản của quá trình là khả năng tích luỹ hay còn gọi là tínhdung lợng và tính tự cân bằng Nghiên cứu bản chất vật lý của quá trình chính lànghiên cứu các tính chất của nó

a Tính dung lợng

Các quá trình điều khiển luôn luôn là khả năng tích luỹ môi trờng hoạt

động, dự trữ nó trong lòng Khả năng đó đợc gọi là khả năng tích luỹ của quátrình hay còn gọi là dung lợng của quá trình Quá trình có dung lợng càng nhỏthì tốc độ thay đổi của đại lợng cần điều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân bằnggiữa dòng ra và dòng vào dẫn đến quá trình điều chỉnh càng phức tạp Ngợc lạidung lợng của quá trình càng lớn thì tốc độ thay đổi của đại lợng cần điều chỉnhcàng nhỏ, quá trình điều chỉnh càng đơn giản

y

sp (s)

Controller Process Hình 1.1: Sơ đồ kinh điển của cấu trúc điều khiển quá trình

-Tính tự cân bằng là khả năng của quá trình sau khi có nhiễu tác động phá

vỡ trạng thái cân bằng của nó thì nó sẽ tự hiệu chỉnh trở lại trạng thái cân bằng

mà không tĩnh Quá trình không có tính tự cân bằng đợc gọi là quá trình phi tĩnh

c Mô tả đặc tính động học của quá trình

Là một phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động, đặc tính

động học của quá trình (đối tợng điều khiển) cần đợc xác định tờng minh dớidạng mô tả toán học (ngoại trừ trờng hợp điều khiển mờ thì đối tợng không nhấtthiết phải đợc mô tả tờng minh dới dạng toán học)

Đối với các quá trình phức tạp, đây là đặc trng của các quá trình trongcông nghiệp, việc xác định mô tả toán học của nó không thể tiến hành theo ph-

ơng pháp giải tích bình thờng mà phải tiến hành bằng phơng pháp thực nghiệm

Đặc tính động học của quá trình này đợc biểu diễn dới dạng các đặc tính thờigian

Trên cơ sở hàm quá độ của quá trình có thể xác định gần đúng hàm truyền

đạt của nó Do quá trình có hai loại cơ bản là quá trình có tính tự cân bằng vàquá trình không có tính tự cân bằng nên thờng việc xác định hàm truyền đạt chohai loại này cũng khác nhau

KP - hệ số truyền của quá trình

P - thời gian trễ, còn gọi là trễ vận chuyển

Quá trình gồm hai khâu mắc nối tiếp nhau là: Khâu trễ có hàm truyền đạt

- Khâu tĩnh có hàm bậc hai và bậc hai có trễ thờng ít gặp hơn trong các bàitoán điều khiển

* Quá trình không có tính tự cân bằng

Quá trình mà trong cấu trúc của nó có thành phần tích phân thì sẽ không

có tính tự cân bằng Hàm quá độ của nó tiến xa vô cùng Hàm truyền đạt của cácquá trình không có tính tự cân bằng đợc mô tả dới dạng tổng quát nh sau:

P - thời gian trễG0(s) - hàm truyền đạt của thành phần tĩnh có dạng tổng quát:

Trong thực tế hàm truyền đạt của quá trình không có tính tự cân bằng đợcmô tả gần đúng bằng một trong 4 dạng sau:

1.2 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình

Hình 1.5 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình

1.2.1 Cơ cấu chấp hành

1.2.1.1 Van

*Van tiết lu:

Là van điều khiển lu lợng đợc minh hoạ trên hình 1.4 Đây là một dạngvan kim với đầu côn để có thể điều chỉnh đợc lu lợng đi đến xi lanh hay động cơthuỷ lực Chính vì vậy có thể điều khiển đợc tốc độ của xilanh thuỷ lực Nhợc

điểm của van này là khi tải tăng, tốc độ của pittông trong xilanh giảm làm cho áptăng Chênh lệch áp từ bơm và đầu ra của van kim giảm dẫn đến lu lợng giảm.

Để giữ cho tốc độ pittông không đổi phải tăng áp của bơm Để khắc phục nhợc

điểm này ngời ta thiết kế ra loại van tiết lu cân bằng áp hình 1.6

Khi có tải lớn áp trên đầu của van tăng, đẩy con trợt xuống dới và mở rộngcửa vào cho chất lỏng, cho lu lợng qua van kim nhiều hơn Nh vậy chênh lệch áp

đợc đảm bảo và tốc độ dịch chuyển của pittông không thay đổi

* Van servo

Là van có nhiều bậc khuyếch đại, mà bậc cuối cùng là các van con trợt.Van servo có ba loại: van servo con trợt, van tấm chắn và van vòi phun Các vannày có cấu tạo đặc biệt hơn các van thông thờng ở chỗ bên trong nó có hệ thống

tự điều chỉnh để có thể đạt vị trí chính xác và đạt tốc độ yêu cầu Van servo cóhai tầng (hình 1.7) Tầng thứ nhất là van lái hớng dòng chất lỏng đến con trợt.Chuyển động của con trợt chính đợc điều khiển bởi mômen kéo do cơ cấu quaygắn với con trợt sinh ra Cơ cấu quay có thể đợc nối với tấm chắn để đóng hay

mở các cửa, làm cho áp lực đẩy con trợt thay đổi vị trí theo tín hiệu điều khiển

Đối với van servo tấm chắn và van servo vòi phun thì lu lợng qua van tỉ lệ với ápsuất ra

A P

P B

Con tr ợt điều khiển

Con tr ợt chính Cơ cấu đẩy kéo

Hình 1.8 mô tả cấu tạo của van servo tấm chắn Tấm chắn nằm giữa haivòi phun gắn với hai đờng cấp dầu vào con trợt chính Khi cơ cấu kéo đẩy đẩytấm chắn về phía nào thì áp lực phía ấy tăng lên, đẩy con trợt về phía áp thấp.Khi van ở vị trí không làm việc thì hai vòi phun đẩy tấm chắn về vị trí cân bằng

1.2.1.2 Động cơ điện và các cơ cấu điện từ

Động cơ điện là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng (chuyển độngtròn xoay) Phần quay của động cơ đợc gọi là roto hay phần cảm Roto thờngkhông cần nối với nguồn điện Trên rôto có thể có dây dẫn hay nam châm vĩnhcửu hoặc hợp kim đặc biệt tuỳ theo từ tính của chúng Một số roto có cuộn dâybằng đồng nối với nguồn điện bằng các vòng trợt Thiết bị khống chế chiều dòng

điện qua rôto còn gọi là cổ góp Cổ góp có các cặp chổi than lắp cố định trên vỏ

động cơ, dẫn điện đến phần chuyển động của nó Rôto đợc đỡ trên các ổ bi Các

ổ bi hớng kính là loại thông dụng, cần phải đợc bôi trơn định kỳ Một số động cơnhỏ sử dụng bạc đồng bôi trơn bằng dầu thay cho các ổ bi

Phần đứng yên của động cơ hay còn gọi là stato cấp từ trờng chính để làm

động cơ hoạt động Từ trờng này có thể tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu hoặcnam châm điện Phần lớn các động cơ chỉ cần nối với điện lới là có thể hoạt động

Vòi phun

Tấm chắn

Hình1.8: Van servo tấm chắn

Vòi phun

đợc Một số động cơ có độ chính xác cao thờng phải có một thiết bị đi kèm đó làthiết bị điều khiển động cơ Trong số đó có hai loại sau:

- Động cơ có tốc độ, vị trí và mômen kéo cần đợc điều khiển chính xác

- Các động cơ công suất lớn, phải khởi động từng bớc để dòng xung kíchkhông phá hỏng động cơ

Trong các hệ thống tự động thì tín hiệu điều khiển đến thiết bị điều khiển

động cơ nhằm đạt tốc độ hay vị trí yêu cầu Tín hiệu điều khiển là tín hiệu tơng

tự một chiều từ thiết bị điều khiển rôbốt, PLC, thiết bị điều khiển trạm hay máytính chủ

Các động cơ sử dụng để điều khiển vị trí và tốc độ có kèm theo bên trong

nó các cảm biến vị trí và tốc độ đợc gọi là động cơ servo

điện Miền đo của can nhiệt điện phụ thuộc vào vật liệu chế tạo Đối với cannhiệt đồng/vàng-côban có thể đo đợc từ -2700C đến 27000C

Can nhiệt điện có sơ đồ cấu trúc đợc mô tả

trong hình 1.9 Đầu làm việc 1 của hai dây điện

cực nhiệt đợc hàn chặt vào nhau Các dây điện cực

đợc lồng vào trong ống cách điện 2 Hai đầu tự do

của hai dây điện cực nhiệt đợc gắn các cốt nối 3

thuận tiện cho việc ghép nối với bên ngoài Vỏ

bảo vệ 4 ngăn cản sự xâm thực của môi trờng đo

lên các dây điện cực nhiệt Vỏ bảo vệ 4 đợc gắn

chặt lên đầu nối 5 của can nhiệt điện Hệ thống

hai dây điện cực, ống cách điện 2 và cốt nối 3

4

cũng đợc gắn chặt lên đầu nối 5 qua tấm lót cách điện 6 Tấm lót cách điện 6 còn

đóng vai trò ngăn cản nớc xâm nhập vàp trong lòng can nhiệt điện, 7 là nắp đậy.Can nhiệt điện chế tạo nhiều loại khác nhau Chiều dài của can cũng rất đa dạng

đáp ứng đợc nhu cầu sử dụng Can nhiệt điện có chiều dài lớn nhất là 2m Đ ờngkính dây điện cực nhiệt lớn nhất là 3mm

Để đo đợc nhiệt độ thì đầu tự do của cặp nhiệt điện phải có nhiệt độ ổn

định, cách xa các bề mặt đợc đốt nóng Thông thờng đầu tự do của cặp nhiệt điệnphải đa về phòng điều khiển trung tâm để ghép nối với thiết bị đo qua dây dẫnbù

Sơ đồ hệ thống nối cặp nhiệt điện với thiết bị đo trong công nghiệp:

* Nhiệt điện trở (Thermistor)

Là loại cảm biến nhiệt độ mà khi nhiệt độ tăng thì điện trở lại giảm Nhiệt

điện trở có độ phân giải cao hơn độ phân giải của điện trở kim loại khoảng 10lần Các nhiệt điện trở thông thờng đợc chế tạo từ các ôxit bán dẫn đa tinh thể.Miền đo phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, có thể từ -2730C đến 3000C

1.2.2.2 Các cảm biến đo áp suất và lu lợng

* Cảm biến đo áp suất

Đo áp suất là đo lực tác dụng trong môi trờng đàn hồi Các cảm biến ápsuất đo chênh lệch áp suất giữa hai vùng kế cận nhau Thờng là một môi trờngchất lỏng và một là môi trờng không khí Các cảm biến áp suất đo khả năng mà

áp suất vùng đo có thể làm chuyển dịch tải trọng giữ nó lại trong môi trờngkhông khí Có một số cảm biến áp suất có hai đầu vào nối hai nguồn áp suấtkhác nhau để đo chênh lệch áp các cảm biến sử dụng dạng phần tử biến dạngthông dụng nh ống bourdon, màng đàn hồi, hộp biến dạng, lò xo ống dạng sónghay ống hình trụ có thể chỉ thị trực tiếp áp suất trên các thang khắc vạch, nóicách khác các phần tử này thể hiện một dịch chuyển vị trí tơng đơng với áp suất

Khi sử dụng trong hệ thống tự động bắt buộc các cảm biến loại này phảitrang bị thêm cơ cấu chuyển đổi tín hiệu vị trí thành tín hiệu áp lực tơng đơng.Cấu trúc của một hệ thống đo áp suất tự động đợc mô tả trong hình 1.10

Hệ thống gồm ba thành phần: cảm biến đo, chuyển đổi đo và chỉ thị đo.Vai trò cảm biến đo là nhận tín hiệu áp suất P và chuyển đổi sang dạng tín hiệukhác Phần lớn các cảm biến đo áp suất đều có tín hiệu ra dới dạng dịch chuyểncơ học Chuyển đổi đo làm nhiệm vụ chuyển độ dịch chuyển cơ học sang dạngtín hiệu điện hay tín hiệu áp suất khí nén để truyền về cho thiết bị chỉ thị đo th-ờng đặt ở phòng điều khiển trung tâm.

* Cảm biến đo lu lợng theo độ giảm áp thay đổi

Một trong những phơng pháp khá phổ biến để đo lu lợng dịch thể chất khí

và hơi quá nhiệt chảy trong đờng ống là hiệu áp suất hai bên thiết bị thu hẹp.Thiết bị thu hẹp đóng vai trò cảm biến đo, đợc đặt trong đờng ống tạo nên điểmthắt dòng chảy cục bộ trong đờng ống dẫn Nh vậy tại vị trí đặt thiết bị thu hẹptốc độ của dòng chảy tăng lên Động năng tăng sẽ dẫn đến thế năng của dòngchảy giảm xuống Tại vùng đặt thiết bị thu hẹp sẽ có hiện tợng chuyển đổi thếnăng sang động năng của dòng chảy Trớc thiết bị thu hẹp áp suất đột ngột tăng,sau khe hẹp áp suất đột ngột giảm Hai bên thiết bị thu hẹp sẽ xuất hiện áp suất

P phụ thuộc vào lu lợng của dòng chảy

Và Lu lợng: qK. P

Trong đó K phụ thuộc vào thiết diện khe hở

Hệ thống đo lu lợng theo độ giảm áp thay đổi bao gồm: cảm biến đo làthiết bị thu hẹp chuyển tín hiệu lu lợng q sang hiệu áp suất P Thiết bị chuyển

đổi II chuyển tín hiệu hiệu áp suất P sang tín hiệu dòng chuẩn điện áp mộtchiều (0  5mA; 0  20mA; 4  20mA) Ưu điểm của tín hiệu dòng là có thểtruyền đi xa mà không bị tổn thất trên đờng dẫn Phần tử thứ 3 trong hệ thống là

bộ xử lý tín hiệu III Bộ xử lý này thực hiện chức năng đầu tiên là chuyển tínhiệu dòng nhận đợc sang tín hiệu áp chuẩn (0  5V hoặc 1  10V một chiều).Bớc thứ hai là xác định giá trị lu lợng tức thời q trên cơ sở điện áp U và các thông

số các công thức tính lu lợng Đồng thời nó cũng tính tổng lợng vật chất chảyqua đờng ống theo công thức tích phân:

1.2.3 Các cảm biến áp lực:

* Load cell

Load cell là cảm biến đợc thiết kế riêng biệt để đo lực Cấu tạo của nó gồmmột thanh dầm có dán 4 cảm biến đo biến dạng (4 điện trở tenzo) tại những vị tríbảo đảm gần nh chính xác tuyệt đối là khi thành dầm biến dạng thì hai cảm biếnchịu biến dạng kéo có cùng điện trở (R - R) và hai cảm biến còn lại chịu biếndạng nén có cùng điện trở (R - R) Load cell đợc chế tạo rất nhiều loại vớinhững giới hạn khác nhau Trong giới hạn làm việc đặc tính của load cell đợcxem là tuyến tính Khi sử dụng load cell cần phải biết giới hạn đo, các điều kiệnlàm việc, điện áp nguồn cung cấp và độ nhạy của load cell

1.3 Đặc điểm Điều khiển quá trình gia nhiệt

Quá trình gia nhiệt là một bài toán tiêu biểu của điều khiển quá trình Đợc ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy hoá chất , công nghệ thực phẩm đồ uống vv

Minh họa sỏch lược điều khiển qúa trình gia nhiệt Nhiệt độ ra của dũngquỏ trỡnh được thiết bị đo và chuyển đồi đưa tới bộ điều khiển nhiệt độ Dựavào sai lệch giữa giỏ trị đặt và nhiệt độ đo được, bộ điều khiển đưa ra tớn hiệuđiều chỉnh bộ mở van cấp nước qua đú điều chỉnh lại nhiệt độ ra Nguyờn lýđiều khiển quá trình gia nhiệt được giải thớch một cỏch sơ lược như sau Giả sử

vỡ một lý do nào đú mà nhiệt độ ra đo được nhỏ hơn giỏ trị đặt, vớ dụ đo giỏ trịđặt hoặc lưu lượng dũng quỏ trỡnh tăng lờn, bộ điều khiển sẽ đưa ra tớn hiệu điều

khiển để tăng lưu lượng hơi nước Thuật toỏn điều khiển đơn giản nhất là đưa ratỏc động điều khiển tỉ lệ với sai lệch quan sỏt được :

) (T T2

Trong cấu hỡnh điều khiển một bậc tự do, bộ điều khiển thực hiện luật điềukhiển dựa trờn sai lệch giữa giỏ trị quan sỏt được của biờn được điều khiển vớigiỏ trị đặt Vớ dụ, luật tỉ lệ trong thuật toỏn PID đưa ra cỏc giỏ trị biến điều khiển

tỉ lệ với sai lệch điều khiển, luật tớch phõn dựa trờn giỏ trị tớch phõn và luật viphõn dựa trờn đạo hàm của sai lệch điều khiển Bộ điều khiển chỉ tớnh toỏn đầu

ra của nú dựa theo sai lệch, khụng phõn biệt sai lệch đú là do nhiễu quỏ trỡnh hay

do thay đổi giỏ trị đặt gõy ra Núi cỏch khỏc, trong hầu hết trường hợp ta khú cúthể chỉnh định bộ điều khiển để thỏa món đồng thời yờu cầu đỏp ứng bỏm giỏ trịđặt và đỏp ứng loại bỏ nhiễu Vấn đề này sẽ được phõn tớch sõu hơn sau này

1.4.Kết luận

ở chơng 1 chúng ta đã đa ra đợc khái niệm chung về điều khiển quá trình,các đặc điểm tính chất của hệ điều khiển quá trình Bớc đầu đã xây dựng đợc cấutrúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình bao gồm thiết bị điều khiển , thiết bị đo

và cơ cấu chấp hành Đã giới thiệu đợc một số các thiết bị điển hình

Vấn đề đặt ra là có những phơng pháp điều khiển nào để thực hiện điều khiểnquá trình một cách tối u nhất Vấn đề này sẽ đợc giả quyết trong chơng 2

Chơng 2: tổng quan về các phơng pháp điều khiển hiện đại điều khiển quá trình

2.2.Các phơng pháp điều khiển cơ bản

2.2.1 Điều khiển truyền thẳng

2.2.1.1Cấu trỳc cơ bản và bộ điều khiển lý tưởng.

Cấu trỳc tổng quỏt của điều khiển truyền thẳng được minh họa trờn hỡnh 2.1

Bộ điều khiển

biến điều khiển

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quán của điều khiển truyền thẳng

Đặc điểm cơ bản của điều khiển truyền thẳng là số biến nhiếu quỏ trỡnhđược đo và đưa tới bộ điều khiển Dựa trờn cỏc giỏ trị đo được cựng với giỏ trịđặt, bộ điều khiển tớnh toỏn đưa ra giỏ trị cho biến điều khiển Nếu đặc tớnh đỏpứng của quỏ trỡnh với biến điều khiển cũng như với nhiễu biết trước, bộ điềukhiển cú thể thực hiện thuật toỏn bự trước sao cho giỏ trị được điều khiển đỳngbằng giỏ trị đặt

Hai cấu trỳc thực hiện cụ thể được minh họa qua sơ đồ khối trờn hỡnh 2-2,trong đú cỏc mụ hỡnh thụng thường được đưa ra dưới dạng hàm truyền đạt Vềmặt lý thuyết, hai cấu hỡnh cú thể được coi là tương đương Đối với cấu hỡnhsong song ( hỡnh 2-2a) , luận điều khiển được biểu diễn trờn miền Laplace là:

d K Kr

Gd+ +

a) Cấu hình song song

b) Cấu hình nối tiếp

Kí hiệu

r biến chủ đạo, giá trị đặt

y biến đ ợc điều khiển

u biến điều khiển

Hình 2.2 Cấu trúc tổng quán của điều khiển truyền thẳng

Ta cú thể nhận thấy một điều thỳ vị là sự đối xứng giữa mụ hỡnh quỏ trỡnh

bộ điều khiển Tương đương với hai thành phần G và Gd của mụ hỡnh quỏ trỡnh,

điều khiển truyển thẳng cũng bao gồm hai khõu là khõu truyền thẳng K và khõu bự nhiễu G d Khõu truyền thẳng cú nhiệm vụ tạo sự cõn bằng giữa biến

điều khiển i và giỏ trị đặt r cho trường hợp khụng cú nhiễu, trong khi khõu nhiễu

cú nhiệm vụ loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu quỏ trỡnh đo được Dễ thấy, cú đỏpứng lý tưởng y = r bộ điều khiển phải cú :

và khả thi, cấu hình thứ hai hoàn toàn tương đương với cấu hình thứ nhất Songnói chung cấu hình thứ nhất tổng quát hơn và dễ thực thi hơn.

2.2.1.3 Các tính chất của điều khiển truyền thẳng

Ưu điểm quan trọng nhất của điều khiển truyền thẳng là khả năng loại bỏnhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu tới quá trình Song, nhược điểm lớn nhấtcủa điều khiển truyền thẳng là cần phải biến rõ thông tin về quá trình và ảnhhưởng của nhiễu Như ta đã thấy, khi mô hình quá trình hoàn toàn chính xác vàhàm truyền đạt G-1(s) khả thi, bộ điều khiển truyền thẳng lý tưởng sẽ cho biến racần điều khiển y bám chặt chủ đạo r Tuy nhiên, mô hình đối tượng và mô hìnhnhiễu không bao giờ chính xác, không phải nhiễu nào cũng đo được, nên sai lệchtĩnh bao giờ cũng tồn tại Thực tế, bộ điều khiển lý tưởng bao giờ có tính khả thi.Quan trọng hơn nữa, một bộ điều khiển truyền thẳng khả năng ổn định một quátrình ổn định Những vấn đề này sẽ được làm rõ dưới đây

Sai lệch mô hình

s p

p C T T 

 ( 2  1) 

s p

p C T T 

 ( 2 1) 

Bộ điều khiển truyền thẳng bao giờ cũng được tính toán dựa trên mô hìnhquá trình Một mô hình dù chi tiết và chính xác đế đâu cùng lắm chỉ là xấp xỉcủa đối tượng thực Giả sử hàm truyền đạt thực của đối tượng là G* = G + ∆G,trong đó ∆G là sai lệch mô hình Sử dụng bộ điều khiển truyền thẳng lý tưởng,đáp ứng ra của quá trình vơi biến chủ đạo ( giả thiết d = 0 ) nay trở thành

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

Nhiễu không đo được

Trong bất kỳ một quá trình nào cũng tồn tại nhiều nguồn nhiễu Ngay tronglúc xây dựng mô hình ta đã thường đưa ra một số giả thiết đơn giản hóa Nhữngyếu tố đã bỏ qua cùng với sai số của phép đo đều được coi là nhiễu không đođược ví dụ trong bài toán điều khiển thiết bị gia nhiệt, các yếu tố đã được bỏqua bao gồm tổn nhiệt ra bên ngoài, nhiệt độ quá nhiệt của hơi nước và nhiệt độcủa nước ngưng tụ; phép đo lưu lượng và đo nhiệt độ cũng được coi là không cósai số Ngay cả khi tất cả các biến nhiễu được xét tới thì không phải mỗi biếnnhiễu đều được đo, chưa nói là có được đo hay không bởi vấn đề chi phí thiết bị.Ảnh hưởng của chúng có thể thấy rõ qua đáp ứng đầu ra như sau :

y= Gu + G d d + G d2 d 2 = r + G d2 d 2

Trong đó d2 là nhiễu không được đo và Gd2là hàm truyền đạt từ d2 tới y.Như vậy sai lệch điều khiển sẽ luôn không tồn tại ngay cả khi G và Gd đều là

chính xác Tồi tệ 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 chứkhông phải cho riêng dạng lý tưởng

Tính khả thi của bộ điều khiển lý tưởng

Đối với các quá trình thực, hàm truyền đạt dạng lý tưởng K(s) = G-1(s) sẽkhông có tính nhân – quả vì hai lý do sau đây :

 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 nhỏhơn đa thức mẫu số

Ví dụ với mô hình đối tượng

s

e s s

s s

bộ điều khiển lý tưởng sẽ chứa khâu phi nhân quả :

s

e s

s s s

1 ) (

2

buộc ta phải sử dụng một thuật toán xấp xỉ mới có thể thực thi Phươngpháp đơn giản nhất là chọn K = G-1(0) , bộ điều khiển sẽ trở thành một khâu bùtĩnh Khi đó ta có thể quan tâm tới quan hệ giữa các đại lượng ở trạng thái xáclập, hay nói cách khác là chỉ xét tới đặc tính tĩnh mà bỏ qua đặc tính quá độ củaquá trình Trong ví dụ trên K sẽ được chọn bằng 1

Một cách giải quyết hay hớn là trước khi tiến hành xấp xỉ, ta biểu diễn bộđiều khiển truyền thẳng dưới dạng song song như trên hình 2-2a :

d G G r G

u  1   1 d (2.10)Luật điều khiển được chia thành 2 thành phần : bù giá trị đặt ur và bù nhiễu

ud Như vậy mặc dù G-1 không có tính nhân quả và không cần xấp xỉ Khi đó ta

có một khâu bù nhiễu động thực sự, với điều kiện trong phép nhân G-1Gd khôngxảy ra triệt tiêu các điểm cực không ổn định Nếu không, ít nhất trong việc thựchiên xấp xỉ G-1Gd ở đây cũng mang lại độ chính xác cao hơn cho thành phần bunhiễu Riêng đối với thành phần bù giá trị đặt, ngay cả khi G-1 không có tínhnhân quả thì thuật toán vẫn có thể cài đặt trên máy tính nếu quỹ đạo đặt r biết

trước Trong trường hợp tổng quát, quỹ đạo r chưa thể biết trước thì việc xấp xỉ

G-1 thành một khâu bù tĩnh chỉ liên quan tới thành phần bù giá trị đặt

Tính ổn định của bộ điều khiển lý tưởng

Một trường hợp ta cần đặc biệt lưu tâm là khi đối tượng có đặc tính đáp ứngđược, 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 khẩu ổn định G-1 Khi đó bộ điều khiển

lý tưởng ngay cả khi thực thi được thì tính ổn định nội của hệ thống không cònđược 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 đượctrong thực tế Nhưng nếu sử dụng một khâu hạn chế tín hiệu điều khiển thì bộđiều khiển thực ra không còn là lý tưởng và chất lượng cũng sẽ hoàn toàn khôngnhư mong đợi Cách khắc phục duy nhất ở đât là xấp xỉ bộ điều khiển về mộtkhâu ổn định, ví dụ một khâu bù tĩnh như đã nói trên đây

Ví dụ 2-1 : Cho hàm truyền đạt của đối tưởng

s

s s

G





 1

1 ) ( (2.11)

ta sẽ có

s

s s

G s K

( 1 (2.12)

Trên hình 2-3 là đồ thị đặc tính điều khiển với thay đổi giá trị đặt tại t = 5scho 3 trường hợp : i) sử dụng bộ điều khiển không ổn định(2.12), ii) sử dụng bộđiều khiển (2.12) nhưng với khâu hạn chế giá trị [-1 1] và iii) sử dụng khâu bùtĩnh Gr=1 Có thể thấy, chỉ khâu bù tĩnh cho chất lượng tạm chấp nhận được.Đường đặc tính tín hiệu điều khiển cho trường hợp i) cho thây hệ đã mất ổnđịnh nội Ngay cả khi sử dụng một khâu hạn chế tín hiệu cho bộ điều khiểnkhông ổn định, giá trị biến cần điều khiển thậm trí lại hoàn toàn ngược dấu vớigiá trị đặt

Hình 2.3 Đặc tính điều khiển cho ví dụ 2-1

ii) bộ điều khiển không ổn định, hạn chế đầu ra iii) bộ điều khiển xấp xỉ (bù tĩnh)

Đối tượng khụng ổn định

Một bộ điều khiển truyền thẳng khụng cú khả năng ổn định một quỏ trỡnhkhụng ổn định Ngay cả khi tồn tại bộ điều khiển lý tưởng với hàm truyền đạt

G-1(s) khả thi thỡ cũng chỉ cú tỏc dụng triệt tiờu điểm cực khụng ổn định củaG(s), nhưng khụng vố thế mà đảm bảo được tớnh ổn định nội của hệ thống Chỉcần nhiễu đầu vào du rất nhỏ cũng đủ làm đỏp ứng đầu ra tiến tới vụ cựng:

y = G(u+du) +Gdd = Gdu (2.13)

Ta xột tiếp vớ dụ điều khiển bỡnh mức minh họa trờn hỡnh 2-4

SP

H×nh 2.4 §iÒu khiÓn møc s¸ch l îc truyÒn th¼ng (bï nhiÔu).

Thoạt đầu có thể thấy rằng chỉ cần duy trì lưu lượng vào đúng bằng lưulượng ra thì mức chất lỏng sẽ được giữ cố định trong bình Tuy nhiên, tác độngcủa nhiễu có thể sẽ làm sách lược này không đạt được mục đích như mongmuốn Ví dụ, Chỉ cẩn bất cứ một nguyên nhân nào sau đây như cảm biến đo lưulượng ra có sai số dù là nhỏ nhất, cần điều chỉnh lưu lượng vào không có đặctính lý tưởng hay áp suất dòng chảy thay đổi điều dẫn đến việc tràn bình hoặccạn bình sau một thời gian ngắn Bản chất của vấn đề ở đây nằm ở chỗ, quá trìnhbình mức là một khâu (không có tính tự cân bằng), trong khi điều khiển truyềnthẳng không làm thay đổi tính ổn định của hệ thống Một sai lêch nhỏ trong môhình hoặc một tác động nhỏ của nhiễu không những gây sai lệch tĩnh của hệthống, mà còn cho hệ đi tới trạng thái mất cân bằng

2.2.2 Điều khiển phản hồi

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 điềukhiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển Vì cấu trúc khép kín này sách

lược điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín (close – loop

control) trong các sách lược điều khiển, điều khiển phản hồi đóng vai trò quan

trọng hằng đầu điều khiển phản hồi được sử dụng gần như trong tất cả các hệthống điều khiển tự động.

2.2.2.1 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước

Hình 2-5 minh họa sách lược điều khiển phản hồi cho thiết bÞ gia nhiệt hơinước trên lưu đồ P&ID (a) và trên sơ đồ khối (b) Nhiệt độ ra của dòng quá trìnhđược thiết bị đo và chuyển đồi TT (temperature transmitter) đưa tới bộ điềukhiển nhiệt độ TC ( temperature controller ) Dựa vào sai lệch giữa giá trị đặt( SP) và nhiệt độ đo được, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu điều chỉnh bộ mở vancấp hơi nước qua đó điều chỉnh lại nhiệt độ ra Nguyên lý điều khiển phản hồiđược giải thích một cách sơ lược như sau Giả sử vì một lý do nào đó mà nhiệt

độ ra đo được nhỏ hơn giá trị đặt, ví dụ đo giá trị đặt hoặc lưu lượng dòng quátrình tăng lên, bộ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để tăng lưu lượng hơinước Thuật toán điều khiển đơn giản nhất là đưa ra tác động điều khiển tỉ lệ vớisai lệch quan sát được :

) (T T2

k c SP

s  

 (2.14)Tất nhiên, giá trị lưu lượng cần bù thêm sẽ được biểu diễn qua tín hiệu điềukhiển đưa xuống van Nhiệt độ chênh lệch càng lớn, tín hiệu điều khiển cũngcàng lớn, van điều khiển mở càng nhiều và lưu lượng hơi nước sẽ càng đượctăng lên Chừng nào còn tồn tại sai lệch điều khiển thì lưu lượng hơi nước cònđược thay đổi Nhờ vậy sau một thời gian nhiệt độ đầu ra T được đưa tới gần vớigiá trị đặt TSP Trường hợp ngược lại, khi nhiệt độ đầu ra lớn hơn giá trị đặt cũngđược sủ lý cùng thuật toán, không cần phân biệt

2.2.2.2 Cấu trỳc cơ bản

Cấu trỳc tổng quỏt của một hệ thống điều khiển phản hồi được minh họatrờn hỡnh 2-6 Cú thể núi, hầu hết cấu hỡnh điều khiển đều cú thể đưa về dạngnày kể cả điều khiển phản hồi trạng thỏi, điều khiển thớch nghi và điều khiển dựbỏo

G K

y u

Kí hiệu

G mô hình tổng quát

K bộ điều khiển tổng quát

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

z Các đầu ra cần đ ợc kểm soát

y Các đầu vào bộ biến đổi

u các tín hiệu điều khiển

Hình 2.6 Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi

Theo mụ hỡnh Hai cấu hỡnh điều khiển phản hổi thụng dụng được minh họatrờn hỡnh 2-7 Trong cấu hỡnh điều khiển một bậc tự do, bộ điều khiển thực hiện luật điều khiển dựa trờn sai lệch giữa giỏ trị quan sỏt được của biờn được điều khiển với giỏ trị đặt Vớ dụ, luật tỉ lệ trong thuật toỏn PID đưa ra cỏc giỏ trị biến điều khiển tỉ lệ với sai lệch điều khiển, luật tớch phõn dựa trờn giỏ trị tớch phõn

và luật vi phân dựa trên đạo hàm của sai lệch điều khiển Bộ điều khiển chỉ tính toán đầu ra của nó dựa theo sai lệch, không phân biệt sai lệch đó là do nhiễu quá trình hay do thay đổi giá trị đặt gây ra Nói cách khác, trong hầu hết trường hợp

ta khó có thể chỉnh định bộ điều khiển để thỏa mãn đồng thời yêu cầu đáp ứng bám giá trị đặt và đáp ứng loại bỏ nhiễu Vấn đề này sẽ được phân tích sâu hơn sau này

Kí hiệu

R biến chủ đạo, giá trị đặt G Mô hình đối tượng

y biến được điều khiển G d mô hình nhiễu

n nhiễu đo

y m giá trị đo được

Hình 2-7 Hai cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng

Với cấu hình hai bậc tự do, bộ điều khiển chứa hai khâu tương ứng với haiđầu vào, có thể chỉnh định một cách độc lập để đưa ra đáp ứng các yêu cầu riên

về bám giá trị đặt cũng như loại bỏ nhiều Về bản chất, cấu hình điều khiển haibậc tự do chính là một sự kết hợp của điều khiển phản hồi với điều khiển truyềnthẳng, như ta sẽ có dịp đề cập kỹ hơn trong những phần sau Đại đa số các bộphân điều khiển công nghiệp điều cho phép lựa chọn cấu hình hai bậc tự do

2.2.2.3 Vai trò của điều khiển phản hồi

Một câu hỏi được đặt ra thường xuyên là điều khiển phản hồi có vai tròquan trọng như thế nào trong các hệ thống điều khiển quá trình nói riêng vàtrong các hệ thống điều khiển tự động nói chung Có thể trả lới ngay rằng điềukhiển phản hồi là sách lược điều khiển cơ bản nhất không thể thay thế trong hầuhết các hệ thống điều khiển Những lý luận dưới đây ta sẽ làm rõ điều này

Để đơn giản ta xét cấu hình điều khiển một bậc tự do minh họa trên hình 9a Đáp ứng đầu ra của hệ được biêu diễn trên miên Laplace như sau :

r GK

sánh giá trị đo được với giá trị đặt mong muốn (h sp ) và tính toán đầu ra tỉ lệ với

sai lệch này Tín hiệu điều khiển được đưa tói van điều khiển để thay đổi độ mởvan tỉ lệ theo sai lệch, nếu giá trị đo được thấp hơn giá trị đặt van sẽ mở nhiềuhơn và lưu lượng vào Fi sẽ tăng lên giúp mức trong bình chứa tăng trở lại.Thông thường, giá trị mức mong muốn ít khi thay đổi, nếu bộ điều khiển đượcthiết kế tốt thì mức trong binhd sẽ duy trì trong phạm vi theo ý muốn, ngay khilưu lượng ra F0 thay đổi không biết trước

Như ta đã biết từ cơ sở điều khiển tự động, điều kiện ổn định của một hệthống tuyến tính là toàn bộ điểm cực của nó phải nằm bên trái trục ảo trên mặtphẳng phức, hay nói cách khác là có phần cực âm Từ biểu thức (2.15 ) ta nhân

thấy đa thức đặc tính của hệ kín được quyết định bởi công thức 1+GK Giả sử G

và K là các phân thức hữu tỉ :

) (

) ( ) ( , ) (

) ( )

(

s A

s B s K s A

s B s

c

BB AA

ổn định ( nêu có ) của G sang bên trái trục ảo và qua đó ổn định hệ kín Thực ra,

điều khiển phản hồi là cách duy nhất để ổn định một quá trình không ổn định.

Loại bỏ nhiễu bất định

Biểu thức 2.15 thể hiện rõ rằng, bộ điều khiển phản hồi có tác dụng làmgiảm ảnh hưởng của nhiễu d đi với một hệ số ( 1 +GK) Như vậy, chỉ cần K rấtlớn thì ảnh hưởng của nhiễu quá trình sẽ trở nên không đáng kể không phụ thuộcvào việc nhiễu quá trình có đo được hay không cũng như mô hình nhiễu Gd cobiết trước hay không Trong trường hợp tín hiệu đặt dạng bậc thang muốn triệttiêu sai lệch bám ở trạng thái xác lập ta chỉ cần đặc tính biênđộ│G(jw)K(jw)│lớn vô cùng tại tần số w = 0

Bền vững với sai lệch mô hình

Ký hiệu hàm truyền đạt của hệ kín là

GK

GK T



 1

Giả sử mô hình đối tượng G có sai lệch cộng ∆G dẫn tới sai lệch của hàmtruyền đạt hệ kín ∆T, ta có thể viết :

G GK

K T

G dG

dT G dG

T dT G

/

/ /

được thiết kế tốt thì ngay cả tồn tại sai lệch mô hình ở một mức độ nào đó bộđiều khiển phản hồi vẫn có khả năng triệt tiêu sai lệch điều khiển Điều này hoàntoàn không thể có được với các sách lược khác.

Ví dụ 2-2 : Xét ví dụ điều khiển mức bình chứa (hình 2-10) ta biết rằng quátrình mức là một khâu tích phân , môt hình của nó được thể hiện qua phươngtrình vi phân:

) (

1

0

F F A

max max , ( ) / , ( ) / /

s y s

G



1 ) (

) ( )

) ( )

(

) ( )

s d

s y s

G    (2.21)

Thật vậy, đa thức đặc tính hệ kín xác định theo (2.16) là kc + τs chỉ có mộts chỉ có mộtnghiệm âm khi kc >0 Nói một cách khác, bộ điều khiển phản hồi đã được dịchđiểm cực từ s = 0 sang bên trái trục ảo và làm hệ thống trở nên ổn định Ngay cảkhi không biết chính xác về mô hình quá trình trong thực tế người ta vẫn thườngtrọn giá trị kp theo kinh nghiệm

Trên hình 2-9 là đồ thị kết quả mô phỏng đáp ứng với thay đổi giá trị đặt vàđáp ứng nhiễu cho ba hệ số kc khác nhau (2,5 và 10) Tại thời điểm t = 0 giá trịđặt thay đổi từ 0 lên 50% ( điểm làm việc) Tại thời điểm t= 50 phút lưu lượng rathay đổi từ 0 lên 50 % và sau đó 5 phút lại giảm xuốn 0 như ta thấy giá trị kccàng lớn thì sai lệch điều khiển càng nhỏ, đầu ra càng bám nhanh giá trị đặt cũngnhư ảnh hưởng của nhiễu càng nhanh chóng được loại bỏ Tuy nhiên, tỏng thực

tế ta cũng cần để ý tới giới hạn của tín hiệu điều khiển Trong trường hợp môhình lý tưởng không chính xác, ví dụ hằng số thời gian T thực lớn gấp đôi giá trịtính toán thì chất lượng điều khiển cũng chỉ xấu đi tương đương với trường hợpgiảm hệ số khuyếch đại kc xuống còn một nửa ( ví dụ 10 xuống 5)

2.Khi nhiễu không đo được hoặc mô hình nhiễu bất định thì ảnh hưởng của

nó chỉ có thể triệt tiêu thông qua nguyên lý phản hồi

3 Mô hình đối tượng không chính xác, do vậy việc điều chỉnh tín hiệu cầnđiều khiển chỉ có thể thông qua quan sát diến biến đầu ra