Báo cáo Điều Khiển Quá Trình - Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ thống khuấy trộn liên tục dùng sách lược điều khiển Tầng

LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Trong kỳ này em thực hiện đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ thống khuấy trộn liên tục”. Ngày nay, ai cũng biết rõ rằng công nghệ khuấy trộn liên tục đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp như thế nào, nó giúp chúng ta trộn 1 chất nào đó như sơn hay bê tông với tỉ lệ chính xác, ít lao động và chất lượng cao Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của cô giáo Th.S Hoàng Thị Thương và các thầy cô giáo trong khoa để em thực hiện tốt đề tài này. Tuy nhiên do kiến thức, kinh nghiệm chưa được hoàn chỉnh nên còn có một số thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài, mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đọc quan tâm đề tài này. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2022 Sinh viên thực hiện CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1. Sự phát triển của kĩ thuật điều khiển quá trình Công nghệ thiết bị đo quá trình tiếp tục được phát triển trong cả hai lĩnh vực ứng dụng và nghiên cứu. Vào năm 1774, Jame Watt đã lần đầu tiên sử dụng hệ thống điều khiển có phản hồi áp dụng vào trong quả văng để điều chỉnh tốc độ động cơ hơi nước. Mười năm sau Oliver Evans đã vận dụng kĩ thuật điều khiển để tự động hoá nhà máy xay bột Philadelphia. Ban đầu, những thiết bị đo quá trình phát triển rất chậm , bởi vì có rất ít quá trình công nghệ để ứng dụng. Vì vậy vào cuối thế kỉ 20 khi công nghiệp bắt đầu phát triển thì thiết bị đo quá trình phát triển theo. Tuy nhiên, chỉ có thiết bị đo quá trình trực tiếp là có thể thực hiện được cho đến cuối những năm 30. Vào những năm 40, hệ thống truyền động bằng khí nén đã làm cho các hệ thống phức tạp và các phòng điều khiển trung tâm có thể thực hiện được. Thiết bị đo điện tử đã trở lên phổ biến vào những năm 50 và tính phổ biến của nó đã làm cho công nghệ thiết bị đo quá trình phát triển nhanh chóng từ đó. Và chủ yếu trong vòng 10 năm đó, sự xuất hiện công nghệ máy tính số đã giải quyết những vướng mắc của những quá trình phức tạp hơn. Tuy nhiên yêu cầu đặt ra lúc này là là thiết bị quá trình tương lai sẽ phải kết hợp được hệ thống số và hệ thống tương tự. 1.2. Tính cấp thiết của điều khiển quá trình Ngày nay tất cả các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp đều được trang bị các hệ thống tự động hoá ở mức cao. Các hệ thống này nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất giải phóng người lao động khỏi những vị trí làm việc độc hại.v.v .. Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình công nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra. Các hệ thống tự động hoá thực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ quá trình công nghệ hoặc toàn bộ xí nghiệp nói chung. Hệ thống tự động hoá đảm bảo cho quá trình công nghệ xảy ra trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuất mong muốn của từng công đoạn trong quá trình công nghệ. Chất lượng của sản phẩm và năng suất lao động của các phần xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc rất lớn vào chất lượng làm việc của các hệ thống tự động hoá này. Để phát triển sản xuất, ngoài việc nghiên cứu hoàn thiện các quá trình công nghệ hoặc ứng dụng công nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng là nâng cao mức độ tự động hoá các quá trình công nghệ. Do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử và công nghệ chế tạo cơ khí chính xác, các thiết bị đo lường và điều khiển các quá trình công nghệ càng được chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy và chính xác. Ngày nay thiết bị đo lường ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hoá các quá trình sản xuất và công nghệ cũng như trong các công tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau. Để thực hiện được các nhiệm vụ đó cần thiết phải tiến hành đo các đại lượng vật lý khác nhau đó là các đại lượng điện, các đại lượng hình học, cơ học, nhiệt học, hoá học, các đại lượng từ, các đại lượng hạt nhân nguyên tử ... Trên cơ sở đánh giá đúng đắn vai trò to lớn của việc áp dụng điều khiển quá trình vào trong các hệ thống sản xuất, nhà máy, xí nghiệp công nghiệp... ta tiến hành tìm hiểu đi sâu tìm hiểu các thiết bị đo lường và chuyển đổi dùng trong điều khiển quá trình. 1.3. Điều khiển quá trình 1.3.1. Khái quát chung Điều khiển tự động phát triển theo hai hướng là lý thuyết và ứng dụng, hướng lý thuyết phát triển theo hướng tìm ra các bộ điều khiển thông minh (mờ, nơron, thích nghi…), còn hướng ứng dụng là tìm ra các giải pháp vận hành, điều khiển các quá trình công nghệ cụ thể trong thực tiễn. Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào trong các ngành công nghiệp chế biến (công nghệ hóa học, sinh học và thực phẩm), là sự kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động với qui trình công nghệ của các quá trình sản xuất. Để học được môn học này sinh viên cần có kiến thức của các môn học: Hóa học, Vật lý, Đo lường cảm biến và LT ĐKTĐ và thực tế quan sát được các dây chuyền công nghệ sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp khi được đi thực tập ở ngoài doanh nghiệp. Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng các kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm , hiệu quả sản xuất và an toàn cho người, máy móc. Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc chuyển đổi 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 , năng lượng , năng trong một dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất. Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng đo được hoặc/và can thiệp được. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo, thiết bị chấp hành. Một cách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp vào các biến điều khiển một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu cho trước đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình đến môi trường và con người xung quanh. Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biến quá trình. Các biến quá trình bao gồm biến vào và biến ra. Biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ như dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơle sợi đốt... Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ sản phẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải... 1.3.2. Quá trình và biến quá trình 1.3.2.1. Quá trình Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin dưoc biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ và được phân biệt như sau : + Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biển 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 liệu, 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-turbin. + Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc và được can thiệp. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành. 1.3.2.2. Biến quá trình Hình 1.1. Quá trình và phân loại biến quá trình Nhìn trong sơ đồ ta có thể phân loại ra các biến chính của quá trình điều khiển như sau: Biến vào: là đại lượng hay điều kiện phản ánh sự tác động từ ben ngoài vào quá trình. Biến ra: là đại lượng, thông số thể hiện sự ảnh hưởng quá trình ra bên ngoài. Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp được theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển. Biến cần điều khiển (controlled variable): Biến ra, đại lượng hệ trọng tới sự vận hành an toàn, ổn định hoặc chất lượng sản phẩm, cần được duy trì tại một giá trị đặt, hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo. Nhiễu: là biến vào của quá trình tác động lên quá trình nhưng ta không thể can thiệp được. + Nhiễu quá trình (disturbance, process disturbance): Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số đầu vào (lưu lượng, nhiệt độ hoặc thành phần nguyên liệu, nhiên liệu). Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng dòng chảy, áp suất hơi nước,...). Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài,... + Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise): Nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trong giá trị đo được Các quá trình được điều khiển bằng các bộ điều khiển quá trình . Bộ điều khiển chính xác phải giữ cân bằng yếu tố năng lượng hoặc nguyên liệu chống lại những sai lệch xuất hiện trong quá trình . Hầu hết những bộ điều khiển quá trình trong thực tế là bộ điều khiển phản hồi . Bộ điều khiển dựa vào giá trị đo được của biến cần biến điều khiển , so sánh với giá trị định mức ( giá trị đặt ) và sử dụng sai lệch để có tác động hiệu chỉnh theo mong muốn . Nhiều hệ thống phức tạp hơn đo giá trị năng lượng hoặc nguyên liệu đầu vào hoặc cả hai yếu tố năng lượng và nguyên liệu cấp cho quá trình để điều khiển đầu ra . Ví dụ 1: Bình chứa chất lỏng. Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình. Ví dụ 2: Bộ gia nhiệt. Hình 1.3: Bộ gia nhiệt và các biến quá trình 1.4. Nhiệm vụ 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, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện để đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá 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. Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây: 1. Bảo đảm hệ thống vận hành 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, vận hành thuận tiện. 2. Bảo đảm 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 thiểu 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 nhiên liệu và nguyên 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 liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường. 1.5. Cấu trúc cơ bản và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 1.5.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm 3 thành phần chính: - Thiết bị đo. - Thiết bị chấp hành. - Thiết bị điều khiển. Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐKQT 1.5.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình Hình 1.5. Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT 1.5.2.1. Thiết bị đo quá trình Hình 1.6. Một số thiết bị đo Chức năng của một thiết bị đo là : cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi (transducer): - Cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận địa lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. - Bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi do mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường,..). Để có thể truyền xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp ( Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế ). Lưu ý rằng các thuật ngữ “transmitter” hoặc “transducer” đôi khi cũng được dùng để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”. 1.5.2.2. Thiết bị điều khiển Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển (controller) : là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ một trạm PLC DCS). Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển sách lược 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 tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller). Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự. Một mạch logic rơ-le (cơ - điện hoặc điện tử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó. 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 cầu 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 nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc. Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, PAS) đều là các hệ điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển. Vì vậy khi ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch. Còn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển bao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra và module chức năng khác. 1.5.2.3. Thiết bị chấp hành Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. Hình 1.7. Cơ cấu chấp hành Ví dụ : Tùy theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh độ mở van và thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình. Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển (control element). Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhiệt), trong khi phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển. 1.6. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ phát triển hệ thống. Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát triển hệ thống điều khiển quá trình được minh họa trên Hình 1.8. 1.6.1. Phân tích chức năng hệ thống Quy trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm hiểu các yêu cầu công nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa trên cơ sở phân tích các mục đích điều khiển cơ bản. Đây là một nhiệm vụ hiết sức quan trong, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà công nghệ . Người kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên quan mô tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trọng nhất. Công việc của người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán điều khiển, bổ sung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên các bản vẽ và lưu đồ chức năng hay lưu là P&ID sơ lược. Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công nghệ cho mỗi bài toán điều khiển cần được cụ thể hóa thông qua của các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiển cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động,... Bên cạnh đó, các điều kiện vận hành như điểm làm việc, các điều kiểu biên, các chế độ vận hành và các yêu cầu về an toàn hệ thống cũng cần được làm rõ. Các biểu đồ trình tự cũng được sử dụng để biểu diễn các yêu cầu về trình tư vận hành công nghệ. Hình 1.8: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển quá trình 1.6.2. Xây dựng mô hình quá trình Thiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu của người kỹ sư. Mô hình giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ, giúp ta trừu tượng hóa vấn đề và vì thế đơn giản hóa cách giải quyết. Hơn nữa, mô hình quá trình không chỉ quan trọng đối với công việc thiết kế mà còn phục vụ việc mô phỏng và đảo tạo vận hành. Việc xây dựng mô hình còn được gọi là mô hình hóa. Mô hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức và với nhiều phương pháp khác nhau. 1.6.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển). Thiết kế cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể vào thuật toán điều khiển, mà nhằm mục đích làm rõ về mặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống. Đây là công việc hết sức quan trọng, đòi hỏi không những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều khiển mà cả nhiều kinh nghiệm thực tế. Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập trung, cấu trúc phi tập trung hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp). Tiếp theo, ta cần lựa chọn các biến được điều khiển, các biển điều khiển tương ứng, các biến nhiều và liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điều khiển tụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ,... Kết quả của công việc thiết kế sách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên các lưu đồ P&ID chi tiết. Kết quả của thiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ biểu đồ logic, trong khi kết quả của thiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đồ trình tự. Những công cụ toán học và công cụ máy tính trong lý thuyết điều khiển tự động giúp ta phân tích và đánh giá tính thích hợp của các sách lược điều khiển. 1.6.4. Thiết kế thuật toán điều khiển Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tính toán và các công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước lựa chọn kiểu bộ điều khiển hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không thể tách rời bài toán phân tích hệ thống. Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các công cụ máy tính có vai trò hết sức quan trong. Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ thể về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với các thiết bị đo và thiết bị chấp hành cũng như đặc tính cơ bản của chúng. Bên cạnh thuật toàn điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệt quan tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự. Kết quả của thiết kế thuật toán điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc phương trình logic, trong khi kết quả của thiết kế điều khiến trình tự là các bản vẽ biểu đồ chức năng trình tự chi tiết. 1.6.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các yêu cầu của quy trình công nghệ. Công việc này đòi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn tổng quan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau. 1.6.6. Phát triển phần mềm ứng dụng Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, là phần hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần mềm có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu và thiết kế giao diện người - máy. Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, công việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn hình vận hành, giám sát mới được tiến hành. Các chương trình ứng dụng được thử nghiệm từng phần trên cấu hình phần cứng thực với các đối tượng mô phỏng và sau đó được thử nghiệm ghép nối. Không quan trọng là xuất phát từ kỹ sự công nghệ, kỹ sư điều khiển, kỹ sư tự động hóa hay kỹ sư phần mềm, ở đây nhóm chuyên viên phần mềm phải nắm vững những kiến thức nền tảng của công nghệ phần mềm công nghiệp. Công nghệ phần mềm cho các hệ thống điều khiển - tự động hóa cũng có thể được coi thuộc lĩnh vực công nghệ hệ thống điều khiển. 1.6.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành Bước cuối cùng trong công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện trường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công nghệ, chạy thử từng phân đoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy. Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đối toàn diện, kinh nghiệm dự án và sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động hóa trong nhóm chuyên gia hiện trường. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 2.1. Giới thiệu chung Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. - Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích sử dụng. - Phân loại mô hình: + Mô hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật toán. + Mô hình toán học: ODE, Hàm truyền, mô hình trạng thái. + Mô hình máy tính: Chương trình phần mềm. + Mô hình suy luận: Cơ sở tri thức, luật. 2.1.1. Các bước mô hình hóa. Bước đầu tiên của quy trình mô hình hóa là đặt bài toán mô hình hóa. Các công việc chính bao gồm nghiên cứu kỹ lưu đồ công nghệ, xác định rõ mục đích sử dụng của mô hình, tóm tắt các thông số công nghệ cũng như các giả thiết quan trọng. Trên cơ sở đó, ta cần làm rõ yêu cầu về mức độ chi tiết và mức độ chính xác của mô hình, phương pháp và công cụ phân tích, đánh giá chất lượng của mô hình. Hình 2.1: Tổng quan các bước mô hình hóa quá trình phức hợp Phương pháp xây dựng mô hình toán học: - Phương pháp lý thuyết (mô hình hóa lý thuyết, phân tích quá trình, mô hình hóa vật lý): + Xây dựng mô hình trên nền tảng các định luật vật lý, hóa học cơ bản. + Phù hợp nhất cho các mục đích 1.,2. Và 5. - Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng quá trình, phương pháp hộp đen): + Ước lượng mô hình trên cơ sở các quan sát số liệu vào – ra thực nghiệm. + Phù hợp nhất cho các mục đích 3. và 4. - Phương pháp kết hợp: + Mô hình hóa lý thuyết để xác định cấu trúc mô hình. + Mô hình hóa thực nghiệm để ước lượng các tham số mô hình. 2.2. Các dạng mô hình hóa 2.2.1. Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến. Một mô hình được gọi là tuyến tính khi quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra của nó thỏa mãn nguyên lý xếp chồng. Một cách chính thức, nếu M(u) là một toán tử tuyến tính và u1, u2 là hai biến đọc lập, ta sẽ có: M(u_1+u_2 )=M(u_1 )+M(u_2) (2.1) Khi đó, nếu có các tín hiệu ra y_1,y_2 lần lượt ứng với các tín hiệu vào độc lập bất kỳ u_1,u_2 thì ta cũng sẽ có 〖y=y〗_1+y_2 ứng với 〖u=u〗_1+u_2. Ngược lại, chỉ cần bất cứ một qua hệ vào/ra nào không thõa mãn nguyên lý xếp chồng thì mô hình sẽ được gọi là phi tuyến. 2.2.2. Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn. Mô hình liên tục mô tả quan hệ giữa các biến quá trình liên tục theo thời gian. Nói một cách khác các tín hiệu sử dụng trong mô hình là hàm liên tục theo thời gian. Mô hình gián đoạn chỉ phản ánh đặc tính quá trình tại những thời điểm nhất định (gọi là thời điểm quan sát). Một mô hình liên tục chỉ thích hợp với các quá trình liên tục. Trong khi đó, mô hình gián đoạn có thể sử dụng cho tất cả các thành phần trong hệ thống điều khiển số (bao gồm cả quá trình và bộ điều khiển số). 2.2.3. Mô hình đơn biến và mô hình đa biến. Mô hình đơn biến: Một biến vào điều khiển và một biến ra được điều khiển, biến vào-ra được biểu diễn là các đại lượng vô hướng. Mô hình đa biến: Nhiều biến vào điều khiển hoặc/và nhiều biến ra, các biến vào-ra có thể được biểu diễn dưới dạng vector. 2.2.4. Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên. Mô hình tham số hằng: các tham số mô hình không thay đổi theo thời gian. Mô hình tham số biến thiên: ít nhất 1 tham số mô hình thay đổi theo thời gian. 2.3. Mô hình hóa lý thuyết 2.3.1. Các bước mô hình hóa. 1) Phân tích bài toán mô hình hóa - Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mô hình, từ đó xác định mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng. - Phân chia thành các quá trình con. - Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hóa mô hình. - Nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình. 2) Xây dựng các phương trình mô hình 3) Kiểm chứng mô hình: - Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng các biến quá trình và số lượng các quan hệ phụ thuộc. - Phân tích khả năng giải được của mô hình, khả năng điều khiển được. - Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các tính chất của mô hình kết hợp mô phỏng máy tính. 4) Phát triển mô hình: - Phân tích các đặc tính của mô hình. - Chuyển đổi mô hình về các dạng thích hợp. - Tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc nếu cần thiết. - Mô phỏng, so sánh mô hình tuyến tính hóa với mô hình phi tuyến ban đầu. - Thực hiện chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thiết kế điều khiển. 5) Lặp lại một trong các bước trên nếu cần thiết. 2.3.2. Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Hầu hết mô hình toán học xây dựng bằng phương pháp lý thuyết cho đến các quá trình thực đều chứa phương trình vi phân phi tuyến. Nhưng đến nay, đa số phương pháp phân tích và thiết kế đều dựa trên mô hình tuyến tính. Ngay cả một số phương pháp phi tuyến cũng không loại trừ hoàn toàn việc sử dụng mô hình tuyến tính, ít ra là để làm cơ sở so sánh và kiểm chứng chất lượng. Vì vậy nếu mục đích sử dụng mô hình là phục vụ phân tích hệ thống, thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển, thì việc tuyến tính hóa mô hình trước hay sau cũng sẽ cần thiết. Có 3 phương pháp tuyến tính hóa cơ bản được biết đến, bao gồm: - Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc (phải là một điểm cân bằng): áp dụng phép khai triển Taylor, kết quả là một mô hình tuyến tính xấp xỉ có giá trị sử dụng tại lân cận điểm làm việc. - Tuyến tính hóa thông qua phép biến đổi đơn thuần, kết quả có thể là một mô hình tuyến tính hoặc mô hình ít phi tuyến hơn nhưng hoàn toàn tương đương với mô hình ban đầu. - Tuyến tính hóa chính xác: sử dụng phản hồi, kết quả là một mô hình mở rộng tuyến tính. Hai phương pháp tiếp cận: Tuyến tính hóa trực tiếp trên phương trình vi phân dựa theo các giả thiết về điểm làm việc: 2. Sử dụng biến chênh lệch và phép khai triển chuỗi Taylor: Đa năng, thông dụng. Phép khai triển Taylor: Đặt các ma trận Jacobi: Tóm tắt các bước tuyến tính hóa 1.Đơn giản hóa mô hình như có thể, nếu được thì nên tách thành nhiều mô hình con độc lập. 2.Xác định rõ điểm làm việc và giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc để có mô hình trạng thái xác lập. 3.Đối với các phương trình tuyến tính, thay thế các biến thực bằng các biến chênh lệch. 4.Tuyến tính hóa từng phương trình phi tuyến của mô hình tại điểm làm việc bằng phép khai triển Taylor, bắt đầu với các phương trình đại số và sau đó là với các phương trình vi phân. 5.Đặt lại ký hiệu cho các biến chênh lệch (sửdụng ký hiệu vector nếu cần) và viết gọn lại các phương trình mô hình. 6.Tính toán lại các tham số của mô hình dựa vào giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc. 7.Chuyển mô hình tuyến tính về dạng mong muốn, ví dụ biểu diễn trong không gian trạng thái hoặc bằng hàm truyền đạt. 2.4. Mô hình hóa thực nghiệm 2.4.1 Nhận dạng hệ thống. Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các số liệu vào-ra thực nghiệm được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (system identification). Theo IEC 60050-351: “Nhận dạng hệ thống là những thủ tục suy luận một mô hình toán học biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nó đối với một tín hiệu đầu vào xác định rõ, ví dụ hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu tạp trắng”. Theo Lofti A. Zadeh: Trên cơ sở quan sát số liệu vào/ra thực nghiệm, các định các tham số của mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp, sao cho sai số là nhỏ nhất. Các yếu tố cơ bản của nhận dạng: - Số liệu vào/ra thực nghiệm: + Xác định như thế nào? Trong điều kiện nào? + Dạng nhiễu (nhiễu quá trình, nhiễu đo), độ lớn của nhiễu? - Dạng mô hình, cấu trúc mô hình + Mô hình phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, hàm truyền đạt/không gian trạng thái, … + Bậc mô hình, thời gian trễ. - Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô hình: Mô phỏng và so sánh với số liệu đo như thế nào? - Thuật toán xác định tham số: Rất đa dạng -> thuật toán nào phù hợp với bài toán nào? Các bước tiến hành: 1.Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình (“apriori” information). 2.Lựa chọn phương pháp nhận dạng (trực tuyến/ ngoại tuyến, vòng hở/vòng kín, chủ động/bị động, thuật toán nhận dạng, ...). 3.Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy. 4.Quyết định về dạng mô hình và giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình. 5.Lựa chọn thuật toán và xác định các tham số mô hình. 6.Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình. 7.Quay lại một trong các bước 1-4 nếu cần. Phân loại các phương pháp nhận dạng: -Theo dạng mô hình sử dụng: phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, mô hình thời gian/tần số. -Theo dạng số liệu thực nghiệm: chủ động/bị động. -Theo mục đích sử dụng mô hình: trực tuyến, ngoại tuyến. -Theo thuật toán ước lượng mô hình: + Bình phương tối thiểu (least squares, LS), + Phân tích tương quan (correlation analysis), phân tích phổ (spectrum analysis), + Phương pháp lỗi dự báo (prediction error method, PEM). + Phương pháp không gian con (subspace method). -Nhận dạng vòng hở/vòng kín. 2.5. Động học trong điều khiển quá trình. 2.5.1. Động học khâu có thời gian chết. Thời gian chết là đặc tính phổ biến trong hệ điều khiển quá trình, có đáp ứng trình bày trên hình, mô tả toán học khâu thời gian chết có dạng đơn giản: Gp(s)=Kpe^(-θs) Trong thực tế sản xuất thời gian chết có trong các quá trình: - Các quá trình điều khiển vận chuyển vật liệu và môi chất. - Các quá trình điều khiển chất lượng QCS. - Thời gian chết ở thiết bị đo (do biến đổi lý hóa của cảm biến, lấy mẫu) và cơ cấu chấp hành (do ma sát tĩnh). 2.5.2. Động học của mạch vòng điều khiển lưu lượng. Điều khiển lưu lượng được sử dụng phổ biến nhất trong hệ ĐKQT, nó đóng vai trò là biến điều khiển trong các điều khiển nhiệt độ, áp suất, mức, nồng độ, pha trộn, cấp liệu, và trong các lò phản ứng hóa học. Điều khiển lưu lượng vật chất có ở 3 thể cơ bản: rắn, lỏng, khí. Điều khiển lưu lượng vật chất ở thể rắn thường dùng cân băng. Trong mạch vòng điều khiển lưu lượng thể lỏng và khí bao gồm: các đường ống dẫn, thiết bị vận chuyển, bơm, quạt, có cơ cấu chấp hành là các van, damper, thiết bị đo lưu lượng. Trong thực tế sản xuất sử dụng một số phương pháp điều khiển lưu lượng: Hình 2.2: Các phương án điều khiển lưu lượng 2.5.3. Động học các quá trình tích lũy. Khâu tích lũy trong sản xuất là các bình, tank và các silo, nó thực hiện chức năng là kho đệm giữa các công đoạn nhằm đảm bảo đồng bộ, cân bằng vật chất cho toàn bộ dây chuyền. Ngoài ra các khâu tích lũy cũng được thiết kế lắp đặt để phân ly các công đoạn, phân ly các vồng điều khiển. Các bình, tank và silo trong sản xuất thường chứa các môi chất thể lỏng, khí rắn hoặc môi chất có hai pha lỏng và khí... Xét động học khâu tích lũy chất lỏng trong bình không trao đổi nhiệt. Hình 2.3: Mô hình bình chứa chất lỏng CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 3.1. Yêu cầu bài toán Hình 3.1. Thiết bị khuấy trộn liên tục. Lưu lượng dòng vào thứ 2 phụ thuộc vào quá trình trước đó. Lưu lượng ra và dòng 1 có thể điều chỉnh được. Điều khiển quá trình để chất lỏng trong bình giữ ổn định và dòng sản phẩm ra có thành phần x mong muốn. ω, ω1, ω2: lưu lượng theo khối lượng các dòng nguyên liệu. x: thành phần sản phẩm tính theo khối lượng ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng trong bình. A: tiết diện đáy bình, coi đồng đều. V: thể tích chất lỏng trong bình. Yêu cầu: 1. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát 2. Thiết kế sách lược điều khiển tầng để điều khiển thành phần x và mức sản phẩm thu được. 3. Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ. Mô phỏng hệ hở trên Simulink 4. Thiết kế Bộ điều khiển cho quá trình khuấy trộn nhiên liệu, xác định giá trị của bộ điều khiển. Mô phỏng kết quả điều khiển với bộ điều khiển vừa tính được. 3.2. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát. Đối với các quá trình liên quan tới điều khiển thành phần hoặc các quá trình liên quan tới chất khí, phương trình cân bằng vật chất tốt nhất được biểu diễn với biến lưu lượng khối lượng hoặc lưu lượng mol. Mục đích sử dụng đặt ra là xây dựng mộ hình phục vụ thiết kế sách lược điều chỉnh, vì thế mô hình không đòi hỏi quá chi tiết. Trước hết ta cũng đưa ra giả thiết là trễ vận chuyển có thể bỏ qua. Tiếp theo, quá trình khuấy trộn được giả thiết là lý tưởng, có nghĩa là chất lỏng đồng nhất tại mọi vị trí trong thiết bị. Khối lượng riêng của hỗn hợp trong thiết bị cũng được coi là không thay đổi đáng kể. Phân tích các mục đích điều khiển, ta xác định được 7 biến quá trình. Hai biến ra là mức chất lỏng trong bình h và thành phần x của sản phẩm , 5 biến vào bao gồm các lưu lượng vào - ra (w_1, w_2, w_3) và thành phần của các dòng vào (x_1, x_2) . Trong số đó, hai biến ra cũng là các biến cần điều khiển của quá trình. Bên cạnh các phương trình cân bằng vật chất toàn phần ta còn có một phương trình cân bằng vật chất thành phần Theo yêu cầu bài toán chúng ta phải khuấy trộn liên tục để chất liệu sản phẩm đạt yêu cầu và tỉ lệ đúng như ta mong muốn. Các biến trong hệ thống khuấy trộn. + Biến vào: + Biến điều khiển: + Nhiễu: + Biến ra: + Biến cần điều khiển : Trong đó: thành phần chất vào ra. : là thành phần lưu lượng chất vào ra. Thông số cơ bản của hệ thống khuấy trộn: + A: Tiết diện đều, A = 0.8 m2. + = 200 kg/phút + = 100 kg/phút + = 300 kg/phút + = 0,4. + = 0,8. + = 0,2. + = 1m + ρ = 1.25 kg/lit. + k = 1/(ρ.A) = 0,001(m/kg) Mô hình quá trình của hệ thống khuấy trộn.

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao,việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứngdụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt

Trong kỳ này em thực hiện đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho

hệ thống khuấy trộn liên tục”.

Ngày nay, ai cũng biết rõ rằng công nghệ khuấy trộn liên tục đóng vai trò quantrọng trong công nghiệp như thế nào, nó giúp chúng ta trộn 1 chất nào đó như sơn hay bêtông với tỉ lệ chính xác, ít lao động và chất lượng cao

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của cô giáo Th.S Hoàng Thị

Thương và các thầy cô giáo trong khoa để em thực hiện tốt đề tài này Tuy nhiên do kiến

thức, kinh nghiệm chưa được hoàn chỉnh nên còn có một số thiếu sót trong quá trình thựchiện đề tài, mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đọc quantâm đề tài này

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2022

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1.1 Sự phát triển của kĩ thuật điều khiển quá trình

Công nghệ thiết bị đo quá trình tiếp tục được phát triển trong cả hai lĩnh vực ứngdụng và nghiên cứu Vào năm 1774, Jame Watt đã lần đầu tiên sử dụng hệ thống điềukhiển có phản hồi áp dụng vào trong quả văng để điều chỉnh tốc độ động cơ hơi nước.Mười năm sau Oliver Evans đã vận dụng kĩ thuật điều khiển để tự động hoá nhà máy xaybột Philadelphia

Ban đầu, những thiết bị đo quá trình phát triển rất chậm , bởi vì có rất ít quá trìnhcông nghệ để ứng dụng Vì vậy vào cuối thế kỉ 20 khi công nghiệp bắt đầu phát triển thìthiết bị đo quá trình phát triển theo Tuy nhiên, chỉ có thiết bị đo quá trình trực tiếp là cóthể thực hiện được cho đến cuối những năm 30 Vào những năm 40, hệ thống truyềnđộng bằng khí nén đã làm cho các hệ thống phức tạp và các phòng điều khiển trung tâm

có thể thực hiện được Thiết bị đo điện tử đã trở lên phổ biến vào những năm 50 và tínhphổ biến của nó đã làm cho công nghệ thiết bị đo quá trình phát triển nhanh chóng từ đó

Và chủ yếu trong vòng 10 năm đó, sự xuất hiện công nghệ máy tính số đã giải quyếtnhững vướng mắc của những quá trình phức tạp hơn Tuy nhiên yêu cầu đặt ra lúc này là

là thiết bị quá trình tương lai sẽ phải kết hợp được hệ thống số và hệ thống tương tự

1.2 Tính cấp thiết của điều khiển quá trình

Ngày nay tất cả các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp đều được trang bị các hệthống tự động hoá ở mức cao Các hệ thống này nhằm mục đích nâng cao chất lượng sảnphẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất giải phóng người lao độngkhỏi những vị trí làm việc độc hại.v.v

Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình côngnghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra Các hệ thống tự động hoá thựchiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ quátrình công nghệ hoặc toàn bộ xí nghiệp nói chung Hệ thống tự động hoá đảm bảo choquá trình công nghệ xảy ra trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuất mongmuốn của từng công đoạn trong quá trình công nghệ Chất lượng của sản phẩm và năngsuất lao động của các phần xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc rất lớn vàochất lượng làm việc của các hệ thống tự động hoá này

Để phát triển sản xuất, ngoài việc nghiên cứu hoàn thiện các quá trình công nghệ

hoặc ứng dụng công nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng lànâng cao mức độ tự động hoá các quá trình công nghệ Do sự phát triển mạnh mẽ củacông nghệ vi điện tử và công nghệ chế tạo cơ khí chính xác, các thiết bị đo lường và điềukhiển các quá trình công nghệ càng được chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy và chính xác.

Ngày nay thiết bị đo lường ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụkiểm tra tự động, tự động hoá các quá trình sản xuất và công nghệ cũng như trong cáccông tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau Đểthực hiện được các nhiệm vụ đó cần thiết phải tiến hành đo các đại lượng vật lý khácnhau đó là các đại lượng điện, các đại lượng hình học, cơ học, nhiệt học, hoá học, các đạilượng từ, các đại lượng hạt nhân nguyên tử

Trên cơ sở đánh giá đúng đắn vai trò to lớn của việc áp dụng điều khiển quá trìnhvào trong các hệ thống sản xuất, nhà máy, xí nghiệp công nghiệp ta tiến hành tìm hiểu

đi sâu tìm hiểu các thiết bị đo lường và chuyển đổi dùng trong điều khiển quá trình

1.3 Điều khiển quá trình

1.3.1 Khái quát chung

Điều khiển tự động phát triển theo hai hướng là lý thuyết và ứng dụng, hướng lýthuyết phát triển theo hướng tìm ra các bộ điều khiển thông minh (mờ, nơron, thíchnghi…), còn hướng ứng dụng là tìm ra các giải pháp vận hành, điều khiển các quá trìnhcông nghệ cụ thể trong thực tiễn Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiểnvào trong các ngành công nghiệp chế biến (công nghệ hóa học, sinh học và thực phẩm),

là sự kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động với qui trình công nghệ củacác quá trình sản xuất

Để học được môn học này sinh viên cần có kiến thức của các môn học: Hóa học, Vật lý,

Đo lường cảm biến và LT ĐKTĐ và thực tế quan sát được các dây chuyền công nghệ sảnxuất ở các nhà máy, xí nghiệp khi được đi thực tập ở ngoài doanh nghiệp

Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng các kỹ thuật điều khiển tự độngtrong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chấtlượng sản phẩm , hiệu quả sản xuất và an toàn cho người, máy móc

Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc chuyển đổi 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 , năng lượng , năng trong một dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất.

Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng đo được hoặc/và can thiệpđược Khi nói tới một quá trình kỹ thuật ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với cácphương tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo, thiết bị chấp hành Mộtcách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp vào các biến điềukhiển một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu cho trước đồng thời giảmthiểu ảnh hưởng xấu của quá trình đến môi trường và con người xung quanh

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biếnquá trình Các biến quá trình bao gồm biến vào và biến ra Biến vào là một đại lượnghoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ như dòng nguyênliệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơle sợi đốt Biến ra là một đạilượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ sảnphẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải

1.3.2 Quá trình và biến quá trình 1.3.2.1 Quá trình

Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinhhọc, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin dưoc biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ

và được phân biệt như sau :

+ Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biển đổi, vận chuyển hoặclưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máysản xuất năng lượng Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu,trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phảnứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin

+ Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc vàđược can thiệp Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng vớicác phương tiện kỹ thuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành

1.3.2.2 Biến quá trình

Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình

Nhìn trong sơ đồ ta có thể phân loại ra các biến chính của quá trình điều khiển như sau:

- Biến vào: là đại lượng hay điều kiện phản ánh sự tác động từ ben ngoài vào quátrình

- Biến ra: là đại lượng, thông số thể hiện sự ảnh hưởng quá trình ra bên ngoài

- Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp đượctheo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển

- Biến cần điều khiển (controlled variable): Biến ra, đại lượng hệ trọng tới sự vậnhành an toàn, ổn định hoặc chất lượng sản phẩm, cần được duy trì tại một giá trịđặt, hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo

- Nhiễu: là biến vào của quá trình tác động lên quá trình nhưng ta không thể canthiệp được

+ Nhiễu quá trình (disturbance, process disturbance):

 Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số đầu vào (lưulượng, nhiệt độ hoặc thành phần nguyên liệu, nhiên liệu)

 Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượngdòng chảy, áp suất hơi nước, )

 Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài, + Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise): Nhiễu tác động lên phép đo gâysai số trong giá trị đo được

Các quá trình được điều khiển bằng các bộ điều khiển quá trình Bộ điều khiểnchính xác phải giữ cân bằng yếu tố năng lượng hoặc nguyên liệu chống lại những sai lệchxuất hiện trong quá trình Hầu hết những bộ điều khiển quá trình trong thực tế là bộ điềukhiển phản hồi Bộ điều khiển dựa vào giá trị đo được của biến cần biến điều khiển , sosánh với giá trị định mức ( giá trị đặt ) và sử dụng sai lệch để có tác động hiệu chỉnh theomong muốn Nhiều hệ thống phức tạp hơn đo giá trị năng lượng hoặc nguyên liệu đầuvào hoặc cả hai yếu tố năng lượng và nguyên liệu cấp cho quá trình để điều khiển đầu ra

Ví dụ 1: Bình chứa chất lỏng.

Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình.

Ví dụ 2: Bộ gia nhiệt.

Hình 1.3: Bộ gia nhiệt và các biến quá trình 1.4 Nhiệm vụ và chức năng điều khiển quá trình

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệuquả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thốngđiều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệthống cần thực hiện để đạt được các mục đích đó Việc đặt bài toán và đi đến xây dựngmột giải pháp điều khiển quá bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thểhóa các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việcđặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình

Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại vàsắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:

1 Bảo đảm hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tạiđiểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêucầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy, vận hành thuận tiện

2 Bảo đảm năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kếhoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêucầu

3 Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng nhưbảo 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 nhiênliệu và nguyên liệu

5 Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khigiảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổicủa thị trường

1.5 Cấu trúc cơ bản và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

1.5.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm 3 thành phần chính:

- Thiết bị đo

- Thiết bị chấp hành

- Thiết bị điều khiển

Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐKQT 1.5.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

Hình 1.5 Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT 1.5.2.1 Thiết bị đo quá trình

đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bustrường, ) Để có thể truyền xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặcdụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại, điều hòa và chuyểnđổi sang một dạng thích hợp ( Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyềnthống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấyviệc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế ).

Lưu ý rằng các thuật ngữ “transmitter” hoặc “transducer” đôi khi cũng được dùng

để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”

1.5.2.2 Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển(controller) : là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõicủa một hệ thống điều khiển công nghiệp

Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiểnđơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiểnchia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ(ví dụ một trạm PLC DCS)

Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển đượclựa 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 tínhiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể đượcxếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logiccontroller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller) Các thiết bị điều chỉnh cơ, khínén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự Một mạch logic rơ-le (cơ - điện hoặc điệntử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó Một thiết bị điều khiển sốđược xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điềukhiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển số có thể chấpnhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các thành phầnchuyển đổi tương tự - số như cầu thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng đượcthực hiện bằng máy tính số Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độtin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiểnthị cùng một lúc

Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, PAS) đều làcác hệ điều khiển số Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang

bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển Vì vậy khi ta nói tới máy tínhđiều khiển tức là chỉ bao hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thànhphần tích hợp trên bo mạch Còn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiểnbao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra vàmodule chức năng khác

1.5.2.3 Thiết bị chấp hành

Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tínhiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bịchấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió.Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biếncủa quá trình kỹ thuật

Hình 1.7 Cơ cấu chấp hành

Ví dụ : Tùy theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh độ

mở van và thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình Một máybơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặcdòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng

Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấphành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển (control element) Cơ cấuchấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhiệt),trong khi phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển

1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống

Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phântích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ pháttriển hệ thống Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát triển hệ thống điều khiểnquá trình được minh họa trên Hình 1.8

1.6.1 Phân tích chức năng hệ thống

Quy trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm hiểucác yêu cầu công nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa trên cơ sởphân tích các mục đích điều khiển cơ bản Đây là một nhiệm vụ hiết sức quan trong, cần

có sự hợp tác chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà công nghệ Người

kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên quan mô tả quy trìnhcông nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trọng nhất Công việc của người kỹ

sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán điều khiển, bổ sung các chứcnăng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên các bản vẽ và lưu đồ chức nănghay lưu là P&ID sơ lược Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công nghệ cho mỗi bài toán điềukhiển cần được cụ thể hóa thông qua của các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiểncho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động, Bên cạnh đó, các điều kiện vận hành nhưđiểm làm việc, các điều kiểu biên, các chế độ vận hành và các yêu cầu về an toàn hệthống cũng cần được làm rõ Các biểu đồ trình tự cũng được sử dụng để biểu diễn các yêucầu về trình tư vận hành công nghệ

Hình 1.8: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển quá trình

1.6.2 Xây dựng mô hình quá trình

Thiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu của người

kỹ sư Mô hình giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ, giúp ta trừu tượng hóa vấn đề

và vì thế đơn giản hóa cách giải quyết Hơn nữa, mô hình quá trình không chỉ quan trọngđối với công việc thiết kế mà còn phục vụ việc mô phỏng và đảo tạo vận hành Việc xâydựng mô hình còn được gọi là mô hình hóa Mô hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức vàvới nhiều phương pháp khác nhau

1.6.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển

Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quátrình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển) Thiết kếcấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể vào thuật toán điều khiển, mà nhằm mục đích làm rõ vềmặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống Đây là công việc hết sức quantrọng, đòi hỏi không những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều khiển mà cả nhiều kinhnghiệm thực tế Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tậptrung, cấu trúc phi tập trung hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp) Tiếp theo, tacần lựa chọn các biến được điều khiển, các biển điều khiển tương ứng, các biến nhiều vàliên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điềukhiển tụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ, Kết quả của công việc thiết kếsách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên các lưu đồ P&ID chi tiết Kết quả củathiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ biểu đồ logic, trong khi kết quả củathiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đồ trình tự Những công cụ toánhọc và công cụ máy tính trong lý thuyết điều khiển tự động giúp ta phân tích và đánh giátính thích hợp của các sách lược điều khiển

1.6.4 Thiết kế thuật toán điều khiển

Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràngcác bước tính toán và các công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điềukhiển Công việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước lựa chọn kiểu bộ điều khiểnhay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển Côngviệc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không thể tách rời bài toán phân tích hệ thống.Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các công

cụ máy tính có vai trò hết sức quan trong Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ thể

về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với cácthiết bị đo và thiết bị chấp hành cũng như đặc tính cơ bản của chúng.

Bên cạnh thuật toàn điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệtquan tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự Kết quảcủa thiết kế thuật toán điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc phươngtrình logic, trong khi kết quả của thiết kế điều khiến trình tự là các bản vẽ biểu đồ chứcnăng trình tự chi tiết

1.6.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống

Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điềukhiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với cácyêu cầu của quy trình công nghệ Công việc này đòi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn tổngquan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trongphương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau

hệ thống điều khiển

1.6.7 Chỉnh định và đưa vào vận hành

Bước cuối cùng trong công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiệntrường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của điều khiển,thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công nghệ, chạy thử từng phân

đoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, đòihỏi kiến thức tương đối toàn diện, kinh nghiệm dự án và sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữacác kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động hóa trong nhóm chuyêngia hiện trường.

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

2.1 Giới thiệu chung

Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một

hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng

- Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích chomục đích sử dụng

- Phân loại mô hình:

+ Mô hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật toán

+ Mô hình toán học: ODE, Hàm truyền, mô hình trạng thái

+ Mô hình máy tính: Chương trình phần mềm

+ Mô hình suy luận: Cơ sở tri thức, luật

2.1.1 Các bước mô hình hóa.

Bước đầu tiên của quy trình mô hình hóa là đặt bài toán mô hình hóa Các côngviệc chính bao gồm nghiên cứu kỹ lưu đồ công nghệ, xác định rõ mục đích sử dụng của

mô hình, tóm tắt các thông số công nghệ cũng như các giả thiết quan trọng Trên cơ sở

đó, ta cần làm rõ yêu cầu về mức độ chi tiết và mức độ chính xác của mô hình, phươngpháp và công cụ phân tích, đánh giá chất lượng của mô hình

Hình 2.1: Tổng quan các bước mô hình hóa quá trình phức hợp

Phương pháp xây dựng mô hình toán học:

- Phương pháp lý thuyết (mô hình hóa lý thuyết, phân tích quá trình, mô hình hóavật lý):

+ Xây dựng mô hình trên nền tảng các định luật vật lý, hóa học cơ bản

+ Phù hợp nhất cho các mục đích 1.,2 Và 5

- Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng quá trình, phương pháp hộp đen):

+ Ước lượng mô hình trên cơ sở các quan sát số liệu vào – ra thực nghiệm

+ Phù hợp nhất cho các mục đích 3 và 4

- Phương pháp kết hợp:

+ Mô hình hóa lý thuyết để xác định cấu trúc mô hình

+ Mô hình hóa thực nghiệm để ước lượng các tham số mô hình

2.2 Các dạng mô hình hóa

2.2.1 Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến.

Một mô hình được gọi là tuyến tính khi quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra của nó thỏamãn nguyên lý xếp chồng Một cách chính thức, nếu M(u) là một toán tử tuyến tính và u

1, u2 là hai biến đọc lập, ta sẽ có:

M(u1+u2)=M(u1)+M (u2) (2.1)

Khi đó, nếu có các tín hiệu ra y1, y2 lần lượt ứng với các tín hiệu vào độc lập bất kỳ

u1,u2 thì ta cũng sẽ có y = y1+ y2 ứng với u =u1+u2 Ngược lại, chỉ cần bất cứ một qua hệ

vào/ra nào không thõa mãn nguyên lý xếp chồng thì mô hình sẽ được gọi là phi tuyến

2.2.2 Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn.

Mô hình liên tục mô tả quan hệ giữa các biến quá trình liên tục theo thời gian Nói mộtcách khác các tín hiệu sử dụng trong mô hình là hàm liên tục theo thời gian

Mô hình gián đoạn chỉ phản ánh đặc tính quá trình tại những thời điểm nhất định(gọi là thời điểm quan sát)

Một mô hình liên tục chỉ thích hợp với các quá trình liên tục Trong khi đó, môhình gián đoạn có thể sử dụng cho tất cả các thành phần trong hệ thống điều khiển số (baogồm cả quá trình và bộ điều khiển số)

2.2.3 Mô hình đơn biến và mô hình đa biến.

Mô hình đơn biến: Một biến vào điều khiển và một biến ra được điều khiển, biến

vào-ra được biểu diễn là các đại lượng vô hướng

Mô hình đa biến: Nhiều biến vào điều khiển hoặc/và nhiều biến ra, các biến vào-ra cóthể được biểu diễn dưới dạng vector

2.2.4 Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên.

Mô hình tham số hằng: các tham số mô hình không thay đổi theo thời gian

Mô hình tham số biến thiên: ít nhất 1 tham số mô hình thay đổi theo thời gian

2.3 Mô hình hóa lý thuyết

2.3.1 Các bước mô hình hóa.

1) Phân tích bài toán mô hình hóa

- Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mô hình, từ đó xác địnhmức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng

- Phân chia thành các quá trình con

- Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hóa mô hình

- Nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình

2) Xây dựng các phương trình mô hình

3) Kiểm chứng mô hình:

- Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng các biến quá trình và số lượng cácquan hệ phụ thuộc

- Phân tích khả năng giải được của mô hình, khả năng điều khiển được

- Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các tính chấtcủa mô hình kết hợp mô phỏng máy tính

4) Phát triển mô hình:

- Phân tích các đặc tính của mô hình

- Chuyển đổi mô hình về các dạng thích hợp

- Tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc nếu cần thiết

- Mô phỏng, so sánh mô hình tuyến tính hóa với mô hình phi tuyến ban đầu

- Thực hiện chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thiết kếđiều khiển.

5) Lặp lại một trong các bước trên nếu cần thiết

2.3.2 Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.

Hầu hết mô hình toán học xây dựng bằng phương pháp lý thuyết cho đến các quá trìnhthực đều chứa phương trình vi phân phi tuyến Nhưng đến nay, đa số phương pháp phântích và thiết kế đều dựa trên mô hình tuyến tính Ngay cả một số phương pháp phi tuyếncũng không loại trừ hoàn toàn việc sử dụng mô hình tuyến tính, ít ra là để làm cơ sở sosánh và kiểm chứng chất lượng Vì vậy nếu mục đích sử dụng mô hình là phục vụ phântích hệ thống, thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển, thì việc tuyến tính hóa mô hìnhtrước hay sau cũng sẽ cần thiết Có 3 phương pháp tuyến tính hóa cơ bản được biết đến,bao gồm:

- Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc (phải là một điểm cân bằng): áp dụngphép khai triển Taylor, kết quả là một mô hình tuyến tính xấp xỉ có giá trị sử dụng tại lâncận điểm làm việc

- Tuyến tính hóa thông qua phép biến đổi đơn thuần, kết quả có thể là một mô hìnhtuyến tính hoặc mô hình ít phi tuyến hơn nhưng hoàn toàn tương đương với mô hình banđầu

- Tuyến tính hóa chính xác: sử dụng phản hồi, kết quả là một mô hình mở rộngtuyến tính

Hai phương pháp tiếp cận:

1 Tuyến tính hóa trực tiếp trên phương trình vi phân dựa theo các giả thiết về điểmlàm việc:

2 Sử dụng biến chênh lệch và phép khai triển chuỗi Taylor: Đa năng, thôngdụng

Phép khai triển Taylor:

Đặt các ma trận Jacobi:

Tóm tắt các bước tuyến tính hóa

1.Đơn giản hóa mô hình như có thể, nếu được thì nên tách thành nhiều mô hình con độclập

2.Xác định rõ điểm làm việc và giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc để có mô hìnhtrạng thái xác lập

3.Đối với các phương trình tuyến tính, thay thế các biến thực bằng các biến chênh lệch

khai triển Taylor, bắt đầu với các phương trình đại số và sau đó là với các phương trình viphân.

5.Đặt lại ký hiệu cho các biến chênh lệch (sửdụng ký hiệu vector nếu cần) và viết gọn lạicác phương trình mô hình

6.Tính toán lại các tham số của mô hình dựa vào giá trị các biến quá trình tại điểm làmviệc

7.Chuyển mô hình tuyến tính về dạng mong muốn, ví dụ biểu diễn trong không giantrạng thái hoặc bằng hàm truyền đạt

2.4 Mô hình hóa thực nghiệm

2.4.1 Nhận dạng hệ thống.

Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các số liệu vào-ra thực nghiệmđược gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (system identification).Theo IEC 60050-351: “Nhận dạng hệ thống là những thủ tục suy luận một mô hìnhtoán học biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nóđối với một tín hiệu đầu vào xác định rõ, ví dụ hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu tạptrắng”

Theo Lofti A Zadeh: Trên cơ sở quan sát số liệu vào/ra thực nghiệm, các định cáctham số của mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp, sao cho sai số là nhỏ nhất

Các yếu tố cơ bản của nhận dạng:

- Số liệu vào/ra thực nghiệm:

+ Xác định như thế nào? Trong điều kiện nào?

+ Dạng nhiễu (nhiễu quá trình, nhiễu đo), độ lớn của nhiễu?

- Dạng mô hình, cấu trúc mô hình

+ Mô hình phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, hàm truyền đạt/không gian trạngthái, …

+ Bậc mô hình, thời gian trễ

- Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô hình: Mô phỏng và so sánh với số liệu đo như thếnào?

- Thuật toán xác định tham số: Rất đa dạng -> thuật toán nào phù hợp với bài toánnào?

Các bước tiến hành:

1.Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình (“apriori” information).

2.Lựa chọn phương pháp nhận dạng (trực tuyến/ ngoại tuyến, vòng hở/vòng kín, chủđộng/bị động, thuật toán nhận dạng, )

3.Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏnhững giá trị đo kém tin cậy

4.Quyết định về dạng mô hình và giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình

5.Lựa chọn thuật toán và xác định các tham số mô hình

6.Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình

7.Quay lại một trong các bước 1-4 nếu cần

Phân loại các phương pháp nhận dạng:

-Theo dạng mô hình sử dụng: phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, mô hình thờigian/tần số

-Theo dạng số liệu thực nghiệm: chủ động/bị động

-Theo mục đích sử dụng mô hình: trực tuyến, ngoại tuyến

-Theo thuật toán ước lượng mô hình:

+ Bình phương tối thiểu (least squares, LS),

+ Phân tích tương quan (correlation analysis), phân tích phổ (spectrum analysis),+ Phương pháp lỗi dự báo (prediction error method, PEM)

+ Phương pháp không gian con (subspace method)

-Nhận dạng vòng hở/vòng kín

2.5 Động học trong điều khiển quá trình.

2.5.1 Động học khâu có thời gian chết.

Thời gian chết là đặc tính phổ biến trong hệ điều khiển quá trình, có đáp ứng trình bàytrên hình, mô tả toán học khâu thời gian chết có dạng đơn giản:

Gp (s)=Kp e −θs

Trong thực tế sản xuất thời gian chết có trong các quá trình:

- Các quá trình điều khiển vận chuyển vật liệu và môi chất

- Các quá trình điều khiển chất lượng QCS

- Thời gian chết ở thiết bị đo (do biến đổi lý hóa của cảm biến, lấy mẫu) và cơ cấu chấphành (do ma sát tĩnh)