Báo cáo Điều khiển quá trình - Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ thống gia nhiệt

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 gia nhiệt.” Ngày nay, ai cũng biết rõ rằng hệ thống gia nhiệt đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp như thế nào, nó giúp chúng ta điều khiển nhiệt độ một cách chính xác, giảm thiểu đc tối đa số người lao động và năng suất 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, năm 2020 Sinh viên   CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Điều khiển quá trình. 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 là ứng dụng kỹ thuật 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 con người. Mục đích và chức năng của ĐKQT. 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. 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. Qúa trình và các biến. Quá trình và các biến 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 được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. 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-thấp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin. Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật đưoc đo 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. Sự phân biệt giữa hai khái niệm quá trình kỹ thuật và quá trình công nghệ ở đây không phải là vấn đề từ ngữ, mà chì nhằm mục đích thuận tiện cho các nội dung trình bày sau này. Từ nay về sau, nếu không nhấn mạnh thì khái niện quá trình có thể được hiểu là quá trình công nghệ hoặc quá trình kỹ thuật tùy theo ngữ cảnh sử dụng. Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình. Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của ro-le sợi đốt...Một biến ra là nguyên nhân trong khi các biến có thể xuất hiện kết quả (quan hệ nhân quả). Cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm đến các trạng thái của biến. Các thông tin trạng thái biến đổi về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như (speed) nhiệt độ biến thiên, áp suất hoặc mức. Trong nhiều trường hợp, một trạng thái biến cũng có thể được coi là một biến. Ví dụ, mức nước trong bình có thể coi là một trạng thái, vừa có thể coi là một biến thể. Một cách tổng quát, nhiệm vụ của điều khiển hệ thống quá có thể sử dụng các biến thể của quá trình hợp lý để các biến thể của nó thỏa mãn các tiêu chí trước, đồng thời giảm thiểu hư hỏng ảnh của quá trình. Thuật ngữ đối với con người và xung quanh môi trường. Hơn nữa, các diễn đàn cũng như các tham số, các hoạt động trạng thái của các thành phần trong hệ thống cần phải có: theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một nghệ thuật quá thì không phải biến thành bất kỳ thứ gì cũng có thể sử dụng được và không phải biến thể nào cũng cần phải điều khiển. Biến cần điều khiển (biến được điều khiển, CV) là một biến ra hoặc một trạng thái biến của quá trình được điều khiển, sao điều chỉnh cho gần với một giá trị mong muốn hoặc đặt giá trị (điểm đặt, SP) hoặc theo một chủ đạo, mẫu tín hiệu biến (biến lệnh / tín hiệu tham chiếu). Các biến cần quan trọng của hệ thống liên quan điều khiển, đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ, lượng, lưu lượng, áp suất và mức độ là những biến thể cần điều khiển tiêu biểu nhất trong điều khiển hệ thống quá trình. Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình Một biến vào là 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 Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp được theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển. Nhiễu: Biến vào không 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). 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 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 Hình 1.6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT   CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA 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. 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 qua 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 1.4: Thiết bị gia nhiệt. 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 phản hồi để điều khiển mức nước trong bình chứa. 3. Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ. Mô phỏng hệ hở trên Simulink 4. Thiết kế Bộ điều khiển cho quá trình bình mức, xác định giá trị của bộ điều khiển. Mô phỏng kết quả điều khiển với bộ điều khiển vừa tính được. a) Mô hình điều khiển b. Kết quả Mô phỏng trên matlab. 3.2. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát. Các biến quá trình trong hệ thống gia nhiệt. + Biến vào: TH1, wH, TC1, wc + Biến ra: TC2, TH2 + Biến điều khiển: wH + Biến cần điều khiển: TC2 + Nhiễu: TH1, TC1, wc Thông số cơ bản của hệ thống gia nhiệt: + A: Tiết diện đều, A = 0.8 m2. +w2 = 200kg/phút + w1 = 150kg/phút + w = 350kg/phút + x = 0,4. + x1 =0,8. + x2 = 0,2. + ρ = 1.25kg/lit. + k = 1/(ρ.A) = 0,001 Mô hình quá trình của hệ thống gia nhiêt. TC1 wC TH1 Nhiễu wH TC2 Biến điều khiển biến ra cần điều khiển TH2 Biến ra không cần điều khiển 3.3. Thiết kế sách lược. - Khái niệm sách lược điều khiển: Thể hiện nguyên tắc về mặt cấu trúc trong việc sử dụng thông tin về các biến quá trình để đưa ra tác động điều khển. - Phân loại: + Truyền thẳng (vòng hở, bù nhiễu). + Phản hồi. + Tỉ lệ. + Tầng. Kết quả của việc thiết kế sách lược là có: + Sơ đồ P&ID + Sơ đồ khối điều khiển. Có rất nhiều phương pháp thiết kế sách lược, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm khác nhau nhưng với bài toán này em chọn phương pháp điều khiển phản hồi vì phương pháp này tối ưu chó phép nhiễu tác động vào quá trình rồi tín hiệu đo lường phản hồi về để điều chỉnh lại tín hiệu SP. Phương pháp này nó ưu điểm hơn phương pháp truyền thẳng ở chỗ là tín hiệu truyền thẳng không xác định được biến nhiễu. 3.3.1. Xây dựng mô hình điều khiển phản hồi. - Nguyên tắc đo: + Đo liên túc giá trị biến được điều khiển. + Lấy phản hồi đầu ra đưa về bộ điều khiển. Cấu trúc tổng quát

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việcthay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụngnhiều 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 gia nhiệt.”

Ngày nay, ai cũng biết rõ rằng hệ thống gia nhiệt đóng vai trò quan trọng trongcông nghiệp như thế nào, nó giúp chúng ta điều khiển nhiệt độ một cách chính xác, giảmthiểu đc tối đa số người lao động và năng suất 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, năm 2020

Sinh viên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1.1.Điều khiển quá trình.

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 là ứng dụng kỹ thuật điều khiển, vận hành và giám sát các quátrình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn chocon người, máy móc và con người

- Mục đích và chức năng của ĐKQT

Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trơn tru: Giữ cho hệ thống ổn định tại điểm làmviệc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu củachế 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 kếhoạch 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 nhưbảo 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 độchại, giảm nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nguyênnhiên liệu

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

- 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 Qúa trình và các biến.

Quá trình và các biến quá trình Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễnbiến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin đượcbiến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tớibiển đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyềncông nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng Một quá trình công nghệ có thể chỉđơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có thể phứctạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng-thấp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin Quátrình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật đưoc đo và được can thiệp Khinói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹthuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành Sự phân biệt giữa hai khái niệm quá trình kỹthuật và quá trình công nghệ ở đây không phải là vấn đề từ ngữ, mà chì nhằm mục đíchthuận tiện cho các nội dung trình bày sau này Từ nay về sau, nếu không nhấn mạnh thìkhái niện quá trình có thể được hiểu là quá trình công nghệ hoặc quá trình kỹ thuật tùytheo ngữ cảnh sử dụng Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện quacác biến quá trình Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động

từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấpnhiệt, trạng thái đóng/mở của ro-le sợi đốt Một biến ra là nguyên nhân trong khi cácbiến có thể xuất hiện kết quả (quan hệ nhân quả) Cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũngquan tâm đến các trạng thái của biến Các thông tin trạng thái biến đổi về trạng thái bêntrong quá trình, ví dụ nhiệt độ, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể dẫn xuất

từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như (speed) nhiệt độ biến thiên, áp suất hoặc mức.Trong nhiều trường hợp, một trạng thái biến cũng có thể được coi là một biến Ví dụ,mức nước trong bình có thể coi là một trạng thái, vừa có thể coi là một biến thể Một cáchtổng quát, nhiệm vụ của điều khiển hệ thống quá có thể sử dụng các biến thể của quátrình hợp lý để các biến thể của nó thỏa mãn các tiêu chí trước, đồng thời giảm thiểu hưhỏng ảnh của quá trình Thuật ngữ đối với con người và xung quanh môi trường Hơnnữa, các diễn đàn cũng như các tham số, các hoạt động trạng thái của các thành phầntrong hệ thống cần phải có: theo dõi và giám sát chặt chẽ Tuy nhiên, trong một nghệ

thuật quá thì không phải biến thành bất kỳ thứ gì cũng có thể sử dụng được và không phảibiến thể nào cũng cần phải điều khiển Biến cần điều khiển (biến được điều khiển, CV) làmột biến ra hoặc một trạng thái biến của quá trình được điều khiển, sao điều chỉnh chogần với một giá trị mong muốn hoặc đặt giá trị (điểm đặt, SP) hoặc theo một chủ đạo,mẫu tín hiệu biến (biến lệnh / tín hiệu tham chiếu) Các biến cần quan trọng của hệ thốngliên quan điều khiển, đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sảnphẩm Nhiệt độ, lượng, lưu lượng, áp suất và mức độ là những biến thể cần điều khiểntiêu biểu nhất trong điều khiển hệ thống quá trình.

Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình

- Một biến vào là

- 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

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

- Nhiễu: Biến vào không can thiệp 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).

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

1.3 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

Hình 1.6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA 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 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 công việcchính bao gồm nghiên cứu kỹ lưu đồ công nghệ, xác định rõ mục đích sử dụng của môhình, tóm tắt các thông số công nghệ cũng như các giả thiết quan trọng Trên cơ sở đó, tacần làm rõ yêu cầu về mức độ chi tiết và mức độ chính xác của mô hình, phương pháp vàcông 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 vậtlý):

+ 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, mô hìnhgián 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 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 dụng phépkhai triển Taylor, kết quả là một mô hình tuyến tính xấp xỉ có giá trị sử dụng tại lân cậnđiểm 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 rộng tuyếntính

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.4.Tuyến tính hóa từng phương trình phi tuyến của mô hình tại điểm làm việc bằng phépkhai triển Taylor, bắt đầu với các phương trình đại số và sau đó là với các phương trình vi

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 qua 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)

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