MỤC LỤC TỔNG QUAN 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 5 1.1 Khái quát chung 5 1.1.1 Khái niệm điều khiển quá trình 5 1.1.2 Biến quá trình 5 1.1.3 Mục đích của DKQT 6 1.1.4 Tầm quan trọng của điều khiển quá trình 7 1.2 Nhiệm vụ của hệ thống 7 1.3 Các thành phàn cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 7 1.3.1 Thiết bị đo 9 a.Cảm biến mức 10 b.Cảm biến nhiệt độ 11 1.3.2 Thiết bị chấp hành 11 1.3.3 Các bộ điều khiển phản hồi 11 1.4 Các chức năng của hệ thống 12 1.4.1 Điều khiển cơ sở và vận hành giám sát 12 1.4.2 Điều khiển cao cấp 13 1.4.3 Điều khiển P&ID 13 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG 16 2.1 Giới thiệu chung 16 2.2 Các dạng mô hình hoá 17 2.2.1 Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến 17 2.2.2 Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn 17 2.2.3 Mô hình đơn biến và mô hình đa biến 18 2.2.4 Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên 18 2.3 Mô hình hoá lý thuyết 18 2.3.1 Các bước mô hình hóa 18 2.3.2 Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc 19 2.4 Mô hình hoá thực nghiệm 21 2.4.1 Nhận dạng hệ thống 21 2.4.2 Phương pháp phản hồi Rơle 22 2.5 Động học của mạch vòng điều khiển lưu lượng 23 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT DỘ 25 3.1 Thiết kế hệ thống 25 3.1.1 Phân tích hệ thống 25 3.1.2 Thiết kế sách lược điều khiển 26 3.1.3 Hàm truyền của hệ thống điều khiển nhiệt độ 27 3.2 Xây dựng hệ thống trên Simulink 30 3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống 31 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 TỔNG QUAN Điều khiển quá trình là môn khoa học nghiên cứu về tĩnh và động học của sự biến đổi lý hóa trong các quá trình công nghệ của sản xuất công nghiệp, phục vụ cho thiết kế thiết bị công nghệ và hệ điều khiển các quá trình công nghệ đó. Do vậy điều khiển quá trình là cốt lõi của hệ tự đông hóa quá trình công nghệ. Nghiên cứu ĐKQT có hai hướng tiếp cận: Hướng thứ nhất thuộc về các nhà công nghệ nghiên cứu DKQT phục vụ khâu thiết kế dây chuyền thiết bị công nghệ và đề xuất nhiệm vụ điều khiển quá trình công nghệ. Hướng thứ hai là các nhà nghiên cứu về điều khiển và tự đông hóa nghiên cứu điều khiển quá trình để thiết kế, lắp đặt, chỉnh định và vận hành điều khiển và tự động hóa quá trình công nghệ. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÌNH HOÁ HỆ THỐNG CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 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. 1.1.1 Khái niệm điều khiển quá trình Điều khiển quá trình là 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 con người, máy móc và môi trường. 1.1.2 Biến quá trình Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình 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. 1.1.3 Mục đích của DKQT Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trơn tru: Giữ cho hệ thống ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện. Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm. Đảm bảo hệ thống vận hành 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. Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nguyên nhiên liệu. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu của thị trường. 1.1.4 Tầm quan trọng của điều khiển quá trình ĐKQT ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và tính tin cậy của một quá trình. ĐKQT quyết định chất lượng sản phẩm của quá trình sản xuất ĐKQT ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành của quá trình. 1.2 Nhiệm vụ của hệ thống Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình kỹ thuật cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình kỹ thuật thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển. Đại lượng được điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal). Các đại lượng được điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình không được điều khiển, nhưng có thể được ghi chép hoặc hiển thị. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những đại lượng được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. 1.3 Các thành phàn cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống ĐKQT 1.3.1 Thiết bị đo Hình 1.3 Hệ thống thiết bị đo quá trình Hệ thống thiết bị đo quá trình bao gồm: Cảm biến, điều hòa truyền phát tín hiệu và chỉ báo để biến đổi các đại lượng không điện (nhiệt độ, áp suất...) thành các đại lượng điện. Measurement device: Thiết bị đo Sensor: Cảm biến (ví dụ cặp nhiệt, ống venturi, siêu âm,..) Sensor element: Cảm biến, phần tử cảm biến Signal conditioning:Điều hòa tín hiệu, chuyển đổi đo Transmitter: Điều hòa tín hiệu + truyền phát tín hiệu chuẩn Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng (ví dụ áp suất-dịch chuyển, dịch chuyểnđiện áp), có thể là sensor hoặc sensor + transmitter. Đặc tính thiết bị đo: Đặc tính vận hành, phạm vi đo và dải đo, độ phân giải, dải chết và độ nhạy, độ tin cậy, ảnh hưởng do tác động môi trường, sai số và độ chính xác, độ tuyến tính, đặc tính động học, đáp ứng bậc thang, đáp ứng tín hiệu dốc. Chúng ta cần quan tâm đến các chuẩn truyền của tín hiệu như sau: Tín hiệu tương tự: Điện: 0-20 mA, 10-50 mA, 0-5V, 1-5V... Khí nén: 0.2-1 bar (3-15 psig) Tín hiệu logic: 0-5VDC, 0-24 VDC, 110/120VAC, 220/230 VAC... Tín hiệu xung/số: Tín hiệu điều chế độ rộng xung, tần số xung Chuẩn bus trường: Foundation Fieldbus, Profibus –PA... Chuẩn nối tiếp thông thường: RS-485, ... Các loại cảm biến thông dụng trong điều khiển quá trình: Cảm biến mức Hình 1.4 Cảm biến báo mức và đo mức Mức chất lỏng trong một bình chứa luôn luôn là một đại lượng cần điều khiển. Trong rất nhiều trường hợp, người ta đòi hỏi vòng điều khiển mức rất nhanh để duy trì giá trị mức độ cố định nhằm giảm tương tác tới những vòng điều khiển khác chậm hơn. Tuy nhiên, phép đo mức thường không đòi hỏi độ chính xác cao như áp suất, lưu lượng và nhiệt độ. Các phương pháp đo mức chất lỏng thông dụng có thể được phân loại như sau: - Phương pháp tiếp xúc bề mặt: Sử dụng phao, que dò và các phần tử cảm biến chuyển. - Phương pháp điện học: Dựa trên các hiện tượng thay đổi điện dung hoặc điện cảm. - Phương pháp chênh áp: Dựa trên phép đo chênh lệch áp suất giữa hai vị trí có độ cao khác nhau trong bình. - Phương pháp siêu âm: Sử dụng một cảm biến siêu âm đặt trên nắp bình chứa và xác định khoảng cách giữa bề mặt chất lỏng và nắp. - Phương pháp đo khối lượng: Sử dụng cảm biến trọng lượng và tính toán ra độ cao chất 11 lỏng. Thiết bị đo là các cảm biến, cảm biến gồm đầu đo và bộ phận chuyển đổi đo. Ví dụ: đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện trở PT100 thường gọi là can nhiệt. Đo mức (chiều cao) của chất lỏng trong bình kín dùng cảm biến siêu âm. Cảm biến nhiệt độ Nhiệt độ trong một bình chứa là đại lượng cần được điều khiển. Trong trường hợp này, phải đòi hỏi độ tác động và độ chính xác cao. 1.3.2 Thiết bị chấp hành Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành Thiết bị chấp hành (actuator) thay đổi các đại lượng điều khiển theo tín hiệu điều khiển, ví dụ van điều khiển, máy bơm, quạt gió, hệ thống băng tải. Phần tử điều khiển (control element): Can thiệp trực tiếp tới đại lượng điều khiển, ví dụ van tỉ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải. Cơ cấu tác động, cơ cấu chấp hành (actuator, actuating element) như: Cơ cấu truyền động, truyền năng cho phần tử chấp hành, ví dụ động cơ (điện), cuộn hút, cơ cấu khí nén. 1.3.3 Các bộ điều khiển phản hồi Các bộ điều khiển phản hồi là thành phần cốt lõi của hệ thống điều khiển. Bộ điều khiển có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bị chấp hành. Thiết bị điều khiển (control equipment) 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. Trong các văn phạm khoa học thiết bị điều khiển được gọi là bộ điều khiển (controller). 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 thành phần 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 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. Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system) nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và thực hiện can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ và máy bơm. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. Ví dụ tùy theo tín hiệu điều khiển mà một máy bơm có thể tăng hoặc giảm tốc độ hút chất lỏng để thay đổi lưu lượng chất lỏng trong đường ống hay làm thay đổi mức bình chứa. Một tín hiệu điều khiển có thể làm thay đổi nhiệt độ của bình gia nhiệt qua đó làm thay đổi nhiệt độ đầu ra. 1.4 Các chức năng của hệ thống 1.4.1 Điều khiển cơ sở và vận hành giám sát Điều khiển cơ sở được định nghĩa là “Điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của thiết bị hoặc quá trình”. Chức năng điều khiển cơ sở có thể do các bộ điều khiển thực hiện một cách tự động (điều khiển tự động), hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm (điều kh7iển bằng tay). Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm: điều chỉnh, điều khiển rời rạc, điều khiển trình tự. Chức năng điều chỉnh được định nghĩa là “ Nhằm duy trì các biến đầu ra của một quá trình gần như có thể với các giá trị đặt tương ứng trong điều kiện có tác động nhiễu và giá trị đặt thay đổi”. Điều khiển rời rạc là duy trì các trạng thái thiết bị quá trình tại một giá trị đích lựa chọn từ một tập các trạng thái ổn định biết trước. Điều khiển rời rạc được sử dụng chủ yếu trong 2 bài toán: điều khiển thiết bị và điều khiển liên động. Điều khiển thiết bị đơn lẻ đơn thuần là điều khiển khởi động, dừng hoặc chuyển chế độ cho các thiết bị quá trình đơn lẻ, ví dụ băng tải, động cơ, máy đóng cắt. Điều khiển liên động đảm bảo chức năng bảo vệ, an toàn cho máy móc và con người. Điều khiển trình tự được định nghĩa là một lớp chức năng điều khiển quá trình công nghiệp với mục đích đưa quá trình kỹ thuật qua một trình tự các trạng thái riêng biệt. Điều khiển trình tự có vai trò đặc biệt quan trọng trong thực hiện khởi động hoặc dừng một nhóm thiết bị hoặc cả hệ thống cũng như trong bài toán điều khiển theo mẻ. Trong các hệ thống điều khiển giám sát thì giao diện người-máy (HMI) là chức năng quan trọng nhất. Giao diện người-máy cung cấp các màn hình hiển thị hình ảnh chuẩn về hệ thống và thiết bị, các hình ảnh đồ họa tự do, lưu đồ công nghệ, đồ thị thời gian thực và đồ thị quá khứ, các tham số điều khiển, tình trạng các động cơ, các bảng tóm tắt báo động. Giao diện người-máy hỗ trợ thao tác vận hành thông qua các phương tiện chuẩn như các biến trạng thái máy móc được liên tục thu thập, lưu trữ và quản lý trong một hệ thống cơ sở dữ liệu. 1.4.2 Điều khiển cao cấp Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là một chức năng điều khiển tự động nhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với tín hiệu vào/ra quá trình. Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo giá trị đặt hoặc can thiệp vào các tham số điều khiển cơ sở. Thông thường, chức năng điều khiển cao cấp được đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành giám sát. Một hệ thống điều khiển quá trình có thể cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp như điều khiển công thức và quản lý mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển chất lượng và tối ưu hóa thời gian thực. 1.4.3 Điều khiển P&ID Lưu đồ P&ID: Pipe and Instrumentation Diagram (VD): - Lưu đồ công nghệ và các biểu tượng thiết bị và chức năng tự động hóa. - Một trong các tài liệu thiết kế quan trọng nhất về hệ thống đo lường, điều khiển và giám sát. - Cơ sở cho lựa chọn và lắp đặt thiết bị, phát triển phần mềm điều khiển và giám sát quá trình (bài toán điều khiển quá trình). Các biểu tượng lưu đồ được ISA (Instrumentation Society of America) chuẩn hóa: +ISA S5.1: Instrumentation Symbols and Identification. +ISA S5.3: Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display, Instrumentation Logic and Computer Systems. Các biểu tượng thiết bị. Hình 1.6 Các biểu tượng thiết bị Các biểu tượng tín hiệu và đường nối. Hình 1.7 Các biểu tượng tín hiệu và đường nối Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng. Hình 1.8 Diễn giải ý nghĩa nhãn thiết bị và kí hiệu chức năng CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG 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. 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 hoá 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 u_1,u_2 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 hoá lý thuyết 2.3.1 Các bước mô hình hóa Bước 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. Bước 2. Xây dựng các phương trình mô hình Bước 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. Bước 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. Bước 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: Phương pháp 1: Tuyến tính hóa trực tiếp trên phương trình vi phân dựa theo các giả thiết về điểm làm việc: Phương pháp 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 Bước 1. Đơn giản hóa mô hình như có thể, nếu được thì nên tách thành nhiều mô hình con độc lập. Bước 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. Bước 3. Đối với các phương trình tuyến tính, thay thế các biến thực bằng các biến chênh lệch. Bước 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. Bước 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. Bước 6. Tính toán lại các tham số của mô hình dựa vào giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc. Bước 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 hoá 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: + 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. Thuật toán xác định tham số: Rất đa dạng. Các bước tiến hành: Bước 1. Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình (“apriori”information). Bước 2. Lựa chọn phương pháp nhận dạng (trực tuyến/ngoại tuyến, vòng hở/vòng kín, chủ động/bị động, thuật toán nhận dạng,...). Bước 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. Bước 4. Quyết định về dạng mô hình và giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình. Bước 5. Lựa chọn thuật toán và xác định các tham số mô hình. Bước 6. Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình. Bước 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. 2.4.2 Phương pháp phản hồi Rơle Thực chất là một phương pháp tần số, chỉ nhận dạng được đặc tính tần số tại tần số tương ứng với 180° của hệ kín. Một trong những phương pháp nhận dạng hệ kín được sử dụng nhiều nhất bởi các ưu điểm: Đơn giản, dễ tiến hành. Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. Nhận dạng hệ kín xung quanh điểm làm việc. Cách thức tiến hành: Hình 2.2. Phương pháp phản hồi rơle 2.5 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 2.3. Các phương pháp điều khiển lưu lượng CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT DỘ 3.1 Thiết kế hệ thống 3.1.1 Phân tích hệ thống Hai dòng nhiên liệu vào: dòng 1 có lưu lượng F1, nhiệt độ T1 được điều khiển lưu lượng qua 1 van khí nén. Dòng lưu lượng F2, nhiệt độ T2 phụ thuộc vào quá trình trước đó. Hai dòng nhiên liệu được đưa vào bình và khuấy trộn đều bằng thiết bị khuấy trộn. Sản phẩm ra thu được có nhiệt độ T. Mô hình tổng quát Hình 3.1 Mô hình tổng quát
TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Khái quát chung
Điều khiển tự động phát triển song hành về lý thuyết (tìm kiếm bộ điều khiển thông minh) và ứng dụng (giải pháp vận hành quá trình công nghệ) Ứng dụng điều khiển quá trình trong công nghiệp chế biến (hóa học, sinh học, thực phẩm) đòi hỏi kết hợp lý thuyết với thực tiễn sản xuất Sinh viên cần kiến thức hóa học, vật lý, đo lường cảm biến, lý thuyết điều khiển tự động và kinh nghiệm thực tập tại nhà máy, xí nghiệp.
1.1.1 Khái niệm điều khiển quá trình Điều khiển quá trình là 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 con người, máy móc và môi trường.
Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình
- 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 là biến ra, ảnh hưởng trực tiếp đến vận hành an toàn, ổn định và chất lượng sản phẩm Giá trị của biến này cần được duy trì ở mức đặt trước hoặc theo tín hiệu điều khiển chính.
- 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.
Hệ thống vận hành ổn định, chuyển chế độ mượt mà, đáp ứng mọi yêu cầu vận hành, kéo dài tuổi thọ thiết bị và tối ưu hiệu quả sử dụng.
Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm đạt kế hoạch, duy trì các tiêu chuẩn chất lượng.
Hệ thống vận hành an toàn, giảm thiểu rủi ro sự cố, bảo vệ người, máy móc, thiết bị và môi trường.
Bảo vệ môi trường đòi hỏi giảm ô nhiễm bằng cách hạn chế khí thải độc hại, tiết kiệm nước và xử lý nước thải hiệu quả, giảm bụi, khói và tiêu thụ nhiên liệu.
Nâng cao hiệu quả kinh tế bằng cách tối ưu năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí nhân công, nguyên liệu, nhiên liệu và thích ứng nhanh với biến động thị trường.
1.1.4 Tầm quan trọng của điều khiển quá trình
- ĐKQT ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và tính tin cậy của một quá trình.
- ĐKQT quyết định chất lượng sản phẩm của quá trình sản xuất
- ĐKQT ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành của quá trình.
Nhiệm vụ của hệ thống
Điều khiển quá trình can thiệp biến vào để biến ra đáp ứng chỉ tiêu, giảm tác động xấu đến người và môi trường, đồng thời giám sát chặt chẽ quá trình và các thành phần Tuy nhiên, không phải tất cả biến vào/ra đều cần can thiệp/điều khiển Đại lượng được điều khiển (CV) là biến ra/trạng thái được điều chỉnh sát giá trị đặt (SP) hoặc tín hiệu chủ đạo, liên quan đến vận hành an toàn và chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, áp suất, nồng độ là các đại lượng CV tiêu biểu.
Các thành phàn cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống ĐKQT
Hình 1.3 Hệ thống thiết bị đo quá trình
Hệ thống đo lường quá trình gồm cảm biến, bộ điều hòa tín hiệu và thiết bị hiển thị, chuyển đổi tín hiệu phi điện (nhiệt độ, áp suất) thành tín hiệu điện.
- Measurement device: Thiết bị đo
- Sensor: Cảm biến (ví dụ cặp nhiệt, ống venturi, siêu âm, )
- Sensor element: Cảm biến, phần tử cảm biến
- Signal conditioning:Điều hòa tín hiệu, chuyển đổi đo
- Transmitter: Điều hòa tín hiệu + truyền phát tín hiệu chuẩn
Cảm biến (transducer) là bộ chuyển đổi tín hiệu, có thể là cảm biến đơn thuần hoặc cảm biến tích hợp bộ phát (sensor + transmitter), chuyển đổi các đại lượng vật lý như áp suất thành tín hiệu điện Đặc tính thiết bị đo quan trọng bao gồm: phạm vi đo, độ phân giải, độ nhạy, độ chính xác, độ tuyến tính, đáp ứng động học và ảnh hưởng môi trường Cuối cùng, cần lưu ý đến chuẩn truyền tín hiệu.
Tín hiệu logic: 0-5VDC, 0-24 VDC, 110/120VAC, 220/230 VAC
Tín hiệu xung/số: Tín hiệu điều chế độ rộng xung, tần số xung
Chuẩn bus trường: Foundation Fieldbus, Profibus –PA
Chuẩn nối tiếp thông thường: RS-485,
Các loại cảm biến thông dụng trong điều khiển quá trình: a Cảm biến mức
Điều khiển mức chất lỏng trong bình chứa rất quan trọng, đặc biệt cần vòng điều khiển nhanh để duy trì mức cố định và giảm ảnh hưởng đến các vòng điều khiển khác Mặc dù không đòi hỏi độ chính xác cao như các thông số khác (áp suất, lưu lượng, nhiệt độ), nhiều phương pháp đo mức chất lỏng được sử dụng phổ biến.
- Phương pháp tiếp xúc bề mặt: Sử dụng phao, que dò và các phần tử cảm biến chuyển
- Phương pháp điện học: Dựa trên các hiện tượng thay đổi điện dung hoặc điện cảm
- Phương pháp chênh áp: Dựa trên phép đo chênh lệch áp suất giữa hai vị trí có độ cao khác nhau trong bình
- Phương pháp siêu âm: Sử dụng một cảm biến siêu âm đặt trên nắp bình chứa và xác định khoảng cách giữa bề mặt chất lỏng và nắp.
- Phương pháp đo khối lượng: Sử dụng cảm biến trọng lượng và tính toán ra độ cao chất 11 lỏng
Thiết bị đo là các cảm biến, cảm biến gồm đầu đo và bộ phận chuyển đổi đo.
Cảm biến PT100 (can nhiệt) đo nhiệt độ, trong khi cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng trong bình kín.
Nhiệt độ trong một bình chứa là đại lượng cần được điều khiển Trong trường hợp này, phải đòi hỏi độ tác động và độ chính xác cao.
Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
Thiết bị chấp hành (actuator) như van điều khiển, máy bơm, quạt gió và hệ thống băng tải biến đổi các đại lượng điều khiển theo tín hiệu nhận được.
Phần tử điều khiển (control element): Can thiệp trực tiếp tới đại lượng điều khiển, ví dụ van tỉ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải
Cơ cấu chấp hành (actuator) gồm các bộ phận truyền động và truyền năng lượng cho phần tử thực thi, ví dụ: động cơ điện, cuộn hút, hay cơ cấu khí nén.
1.3.3 Các bộ điều khiển phản hồi
Các bộ điều khiển phản hồi là thành phần cốt lõi của hệ thống điều khiển.
Bộ điều khiển nhận tín hiệu, so sánh với tín hiệu cài đặt, xử lý thuật toán và tạo tín hiệu điều khiển thiết bị chấp hành, tác động lên biến điều khiển.
Thiết bị điều khiển, hay bộ điều khiển (controller), là thành phần cốt lõi của hệ thống điều khiển công nghiệp, tự động thực hiện chức năng điều khiển.
Bộ điều khiển có thể là một thiết bị độc lập (như bộ điều khiển nhiệt độ), một thành phần trong hệ thống điều khiển lớn hơn (như khối PID trong PLC/DCS), hoặc toàn bộ hệ thống điều khiển đó (như trạm PLC/DCS).
Bộ điều khiển sử dụng tín hiệu đo và cấu trúc điều khiển đã chọn để thực hiện thuật toán, tạo ra tín hiệu điều khiển tác động lên quá trình kỹ thuật qua thiết bị chấp hành.
Hệ thống chấp hành (actuator) nhận tín hiệu điều khiển và tác động trực tiếp lên biến điều khiển, gồm các thiết bị như van, động cơ và máy bơm Nhờ đó, hệ thống điều khiển can thiệp hiệu quả vào quá trình kỹ thuật.
Máy bơm tự động điều chỉnh tốc độ hút chất lỏng, thay đổi lưu lượng trong đường ống hoặc mức bình chứa theo tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển cũng điều chỉnh nhiệt độ bình gia nhiệt, từ đó thay đổi nhiệt độ đầu ra.
Các chức năng của hệ thống
1.4.1 Điều khiển cơ sở và vận hành giám sát Điều khiển cơ sở được định nghĩa là “Điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của thiết bị hoặc quá trình” Chức năng điều khiển cơ sở có thể do các bộ điều khiển thực hiện một cách tự động (điều khiển tự động), hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm (điều kh7iển bằng tay) Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm: điều chỉnh, điều khiển rời rạc, điều khiển trình tự.
Điều chỉnh duy trì biến đầu ra gần với giá trị đặt bất chấp nhiễu và thay đổi giá trị đặt Điều khiển rời rạc, ứng dụng trong điều khiển thiết bị (khởi động/dừng/chuyển chế độ) và điều khiển liên động (bảo vệ an toàn), giữ trạng thái thiết bị tại giá trị đích trong tập trạng thái ổn định Điều khiển trình tự, quan trọng trong khởi động/dừng nhóm thiết bị hoặc hệ thống và điều khiển theo mẻ, đưa quá trình qua trình tự trạng thái riêng biệt.
HMI là chức năng quan trọng nhất trong hệ thống điều khiển giám sát, cung cấp giao diện hiển thị trực quan về trạng thái hệ thống, bao gồm hình ảnh, đồ thị (thời gian thực và lịch sử), tham số điều khiển và báo động HMI hỗ trợ vận hành thông qua việc thu thập, lưu trữ và quản lý dữ liệu trạng thái máy móc trong cơ sở dữ liệu.
Chức năng điều khiển cao cấp tự động hóa quá trình, hoạt động trên cấp độ cao hơn điều khiển cơ sở, không trực tiếp xử lý tín hiệu vào/ra Nó tự điều chỉnh giá trị đặt và tham số điều khiển cơ sở, thường nằm cùng cấp với vận hành giám sát Các chức năng này bao gồm điều khiển công thức/mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển chất lượng và tối ưu hóa thực thời.
Lưu đồ P&ID: Pipe and Instrumentation Diagram (VD):
- Lưu đồ công nghệ và các biểu tượng thiết bị và chức năng tự động hóa.
- Một trong các tài liệu thiết kế quan trọng nhất về hệ thống đo lường, điều khiển và giám sát.
- Cơ sở cho lựa chọn và lắp đặt thiết bị, phát triển phần mềm điều khiển và giám sát quá trình (bài toán điều khiển quá trình).
Các biểu tượng lưu đồ được ISA (Instrumentation Society of America) chuẩn hóa:
+ISA S5.1: Instrumentation Symbols and Identification.
+ISA S5.3: Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display, Instrumentation Logic and Computer Systems.
- Các biểu tượng thiết bị.
Hình 1.6 Các biểu tượng thiết bị
- Các biểu tượng tín hiệu và đường nối.
Hình 1.7 Các biểu tượng tín hiệu và đường nối
- Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng.
Hình 1.8 Diễn giải ý nghĩa nhãn thiết bị và kí hiệu chức năng
MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG
Giới thiệu chung
Mô hình là bản mô tả khoa học, cô đọng các yếu tố cốt lõi của một hệ thống, dù hệ thống đó đã tồn tại hay cần được 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.
+ 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.
Các bước mô hình hóa:
Xây dựng mô hình bắt đầu bằng việc xác định rõ mục đích, thông số công nghệ, và giả thiết Yêu cầu về độ chi tiết, độ chính xác, phương pháp phân tích, và đánh giá chất lượng mô hình cũng cần được làm rõ dựa trên nghiên cứu kỹ lưu đồ công nghệ.
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 dựa trên dữ liệu vào-ra, phù hợp nhất cho mục đích 3 và 4.
+ 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.
Các dạng mô hình hoá
2.2.1 Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến
Mô hình tuyến tính tuân theo nguyên lý xếp chồng: M(u₁ + u₂) = M(u₁) + M(u₂), với M là toán tử tuyến tính và u₁, u₂ là các biến độc lập.
Hệ thống tuyến tính thỏa mãn nguyên lý xếp chồng: y = y₁ + y₂ khi u = u₁ + u₂ với u₁, u₂ là các tín hiệu vào độc lập Ngược lại, nếu bất kỳ quan hệ vào/ra nào không thỏa mãn nguyên lý này, hệ thống được gọi là phi tuyến.
2.2.2 Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn
Mô hình liên tục miêu tả mối quan hệ giữa các biến quá trình biến đổi liên tục theo thời gian, sử dụng các tín hiệu là hàm liên tục.
Mô hình gián đoạn chỉ phản ánh đặc tính quá trình tại những thời điểm nhất định (gọi là thời điểm quan sát)
Mô hình liên tục phù hợp với quá trình liên tục, còn mô hình gián đoạn áp dụng được cho mọi thành phần trong hệ thống 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.
Mô hình hoá lý thuyết
2.3.1 Các bước mô hình hóa
Bước 1 Phân tích bài toán mô hình hóa
Lưu đồ công nghệ cần được xây dựng dựa trên mục đích sử dụng cụ thể, từ đó xác định mức độ chi tiết và độ chính xác phù hợp.
- 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.
Bước 2 Xây dựng các phương trình mô hình
Bước 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.
Bước 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.
Bước 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 của các quá trình thực tế đều là phi tuyến, nhưng phân tích và thiết kế thường dựa trên mô hình tuyến tính Việc tuyến tính hóa mô hình là cần thiết cho phân tích hệ thống, thiết kế chiến lược và thuật toán điều khiển Ba phương pháp tuyến tính hóa cơ bản gồm [… liệt kê ba phương pháp ở đây nếu có].
Tuyến tính hóa mô hình quanh điểm cân bằng bằng khai triển Taylor tạo ra mô hình tuyến tính xấp xỉ, hiệu quả trong vùng lân cận điểm đó.
Tuyến tính hóa bằng biến đổi đơn giản giúp tạo ra mô hình tuyến tính hoặc ít phi tuyến hơn, nhưng vẫn tương đương với mô hình gốc.
- Tuyến tính hóa chính xác: sử dụng phản hồi, kết quả là một mô hình mở rộng tuyến tính.
Hai phương pháp tiếp cận:
Phương pháp 1: Tuyến tính hóa trực tiếp trên phương trình vi phân dựa theo các giả thiết về điểm làm việc:
Phương pháp 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
Bước 1 Đơn giản hóa mô hình như có thể, nếu được thì nên tách thành nhiều mô hình con độc lập.
Bước 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.
Bước 3 Đối với các phương trình tuyến tính, thay thế các biến thực bằng các biến chênh lệch.
Bước 4: Tuyến tính hóa phương trình mô hình tại điểm hoạt động bằng khai triển Taylor, ưu tiên phương trình đại số trước rồi đến phương trình vi phân.
Bước 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.
Bước 6 Tính toán lại các tham số của mô hình dựa vào giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc.
Bước 7 Chuyển mô hình tuyến tính về dạng mong muốn, ví dụ biểu diễn trong không gian trạng thái hoặc bằng hàm truyền đạt.
Mô hình hoá thực nghiệm
Mô hình hóa thực nghiệm, hay nhận dạng hệ thống, là phương pháp xây dựng mô hình toán học dựa trên dữ liệu vào-ra thực nghiệm.
Theo IEC 60050-351, nhận dạng hệ thống là quá trình suy luận mô hình toán học biểu diễn đặc tính tĩnh và động của hệ thống từ đáp ứng đầu ra với tín hiệu vào xác định (ví dụ: hàm bậc thang, xung, nhiễu trắng).
Theo Lofti A Zadeh, việc xác định tham số mô hình tối ưu dựa trên dữ liệu thực nghiệm nhằm giảm thiểu sai số Phương pháp này chọn mô hình phù hợp nhất từ một tập hợp các mô hình khả dĩ.
Các yếu tố cơ bản của nhận dạng
- Số liệu vào/ra thực nghiệm:
+ 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.
- Thuật toán xác định tham số: Rất đa dạng.
Bước 1 Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình (“apriori”information).
Bước 2 Lựa chọn phương pháp nhận dạng (trực tuyến/ngoại tuyến, vòng hở/vòng kín, chủ động/bị động, thuật toán nhận dạng, ).
Bước 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.
Bước 4 và 5 trong quá trình xây dựng mô hình bao gồm quyết định dạng mô hình, giả thiết cấu trúc ban đầu, lựa chọn thuật toán và xác định các tham số.
Bước 6 Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình.
Bước 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.
2.4.2 Phương pháp phản hồi Rơle
Thực chất là một phương pháp tần số, chỉ nhận dạng được đặc tính tần số tại tần số tương ứng với 180° của hệ kín.
Một trong những phương pháp nhận dạng hệ kín được sử dụng nhiều nhất bởi các ưu điểm:
- Đơn giản, dễ tiến hành.
- Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu.
- Nhận dạng hệ kín xung quanh điểm làm việc.
Hình 2.2 Phương pháp phản hồi rơle
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT DỘ
Thiết kế hệ thống
Bài viết trình bày hệ thống hai dòng nhiên liệu: dòng 1 (lưu lượng F1, nhiệt độ T1) điều khiển bằng van khí nén, và dòng 2 (lưu lượng F2, nhiệt độ T2) phụ thuộc vào quá trình trước.
Hai dòng nhiên liệu được đưa vào bình và khuấy trộn đều bằng thiết bị khuấy trộn Sản phẩm ra thu được có nhiệt độ T.
Hình 3.1 Mô hình tổng quát
Các biến quá trình trong hệ thống
Hình 3.2: Mô hình quá trình
3.1.2 Thiết kế sách lược điều khiển
Hệ thống điều khiển quá trình ưu tiên duy trì nhiệt độ đầu ra ổn định, do đó, bộ điều khiển phản hồi là lựa chọn tối ưu cho thiết kế hệ thống.
Lưu đồ điều khiển phản hồi
Hình 3.3: Lưu đồ điều khiển phản hồi
3.1.3 Hàm truyền của hệ thống điều khiển nhiệt độ
Hệ thống pha trộn hai dòng chất lỏng với lưu lượng và nhiệt độ F1, T1 và F2, T2 Lưu lượng dòng F1 điều chỉnh được qua van tỉ lệ, trong khi lưu lượng F2 cố định Mục tiêu là đạt được dòng ra theo yêu cầu.
Bộ điều khiển sử dụng sách lược điều khiển phản hồi, dựa trên sai lệch giữa giá trị nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực tế để điều chỉnh lưu lượng F1 qua độ mở van, từ đó đạt nhiệt độ mong muốn.
Thiết kế bộ điều khiển phản hồi cần mô hình chính xác phản ánh quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu đo, bao gồm đặc tính quá trình nhiệt, thiết bị đo và van điều khiển Phân tích ảnh hưởng của nhiễu (T1, F2, T2) và sai số thiết bị đo đến tín hiệu đo là cần thiết Tuy nhiên, việc lập phương trình cân bằng nhiệt lượng đủ để phân tích ảnh hưởng của F1, T1, F2, T2 đến nhiệt độ T, mà không cần mô hình chi tiết quá trình hay đặc tính van điều khiển và thiết bị đo.
Hình 3.1b minh họa mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng sơ đồ khối, sử dụng tín hiệu dòng điện ghép nối thiết bị đo, chấp hành và bộ điều khiển Đơn vị vật lý được ghi rõ trên sơ đồ Biến chênh lệch quá trình được ký hiệu (∆*), tín hiệu chưa chuẩn hoá là (~).
Xây dựng hàm truyền cho hệ thống bình chứa nhiệt
Phương pháp thực nghiệm xác định hàm truyền bình nhiệt Cấp nhiệt tối đa làm nhiệt độ tăng đến giá trị bão hòa, thể hiện trong đồ thị đặc tính nhiệt độ theo thời gian (Hình 3.5a).
Do đặc tính chính xác của bình nhiệt khá phức tạp nên ta xấp xỉ bằng đáp ứng gần đúng như ở hình 3.5b.
Hình 3.6 Đặc tính của lò nhiệt a) Đặc tính chính xác; b) Đặc tính gần đúng
Ta xác định hàm truyền gần đúng của bình nhiệt dùng định nghĩa:
Do tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị nên: R (s) = 1 s
Tín hiệu ra gần đúng (hình 3.5b) chính là hàm: c ( t )= f ( t − T 1 ) Trong đó: f (t )= K (1− e −t/T 2 )
Tra bảng biến đổi laplace ta được: F(s) = s( 1+ K T
Do vậy, áp dụng định lý chậm trễ ta được: C(s) = K e
Hàm truyền của lò nhiệt là: G(s) = K e −T 1 s
Suy ra hàm truyền là: G(s) = 1+ K T
Xây dựng hệ thống trên Simulink
Thử nghiệm mô phỏng hệ hở đối tượng lò nhiệt trên matlab
Hình 3.7: Mô phỏng hệ hở đối tượng bình nhiệt trên matlab
Step: Là hàm nấp đơn vị thể hiện phần tram công suất cung cấp cho lò nhiêt.
Lò nhiệt: Là mô hình lò nhiệt tuyến tính hóa
- STEP: Final value = 1, Step time = 0.
Ta được sơ đồ sau:
Hình 3.8: Mô hình bình nhiệt trên matlab
Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống
Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển PID:
Hình 3.9: Mô phỏng hệ thống lò nhiệt với PID trên matlab
Tsp : Tín hiệu nhiệt độ đặt của lò.
Lò nhiệt: Mô hình lò nhiệt tuyến tính hóa.
Khối PID: Là bộ điều khiển PID
Khối Saturation: Dùng để giới hạn công suất
Scope: Dùng để quan sát tín hiệu
Hệ có phản hồi tiếp âm đơn vị
Ta chọn giá trị Tsp = 100, Stop time 00s
Thông số khối Saturation : Upper limit = 1, Lower Limit = 0
Tính toán giá trị các thông số Kp, Ki, Kd của khâu PID theo phương pháp Ziegler-Nichols từ thông số T1 và T2 tìm đươc T1 , T2= 1000, K 0.
Ta có sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID:
Hình 3.10: Sơ đồ lò nhiệt với bộ điều khiển PID
Nhận xét: Nhìn vào sơ đồ cho ta thấy
- Độ vọt lố của nhiệt độ đạt giá trị max = 110 độ so với giá trị đặt thì quá độ đến 0.1% điều này không đáng kể
- Giá trị của hệ có sai số so với giá trị đặt
- Tuy nhiên, chất lượng của quá trình cũng dần ổn định theo thời gian là 450s.