1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

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

29 5 0
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Quá Trình Điều Khiển Hệ Thống Điều Khiển Nhiệt Độ
Trường học Trường Đại Học
Chuyên ngành Điều Khiển Quá Trình
Thể loại báo cáo
Định dạng
Số trang 29
Dung lượng 1,22 MB

Nội dung

MỤC LỤC TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN 4 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 5 1.1 Khái Niệm 5 1.2 Mục đích điều khiển 6 Đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, công nghệ 6 Đảm bảo các yếu tố công nghệ, môi trường 6 1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 7 1.4 Các chức năng 8 Điều khiển cơ sở và vận hành giám sát 8 Điều khiển cao cấp 9 Điều khiển P&ID 9 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 12 2.1 Giới thiệu chung 12 2.1.1 Khái niệm mô hình hóa 12 2.1.2 Phân loại mô hình 12 2.1.3 Các bước mô hình hóa 12 2.1.4 Phương pháp xây dựng mô hình toán học 13 2.2 Các dạng mô hình hóa 14 2.2.1 Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến 14 2.2.2 Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn 14 2.2.3 Mô hình đơn biến và mô hình đa biến 14 2.2.4 Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên 15 2.3 Mô hình hóa lý thuyêt 15 2.3.1 Các bước mô hình hóa 15 2.3.2 Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc 16 2.4 Mô hình hóa thực nghiệm 18 2.4.1 Nhận dạng hệ thống 18 2.4.2 Phương pháp phản hồi Rơle 19 2.4.3 Động học của mạch vòng điều khiển lưu lượng 20 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 22 3.1 Phân tích mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ 22 3.1.1 Mô hình tổng quát 22 3.1.2 Các biến của mô hình hệ thông 22 3.2 Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi 23 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối 23 3.2.3 Thiết kế lưu đồ điều khiển P&ID 24 3.3 Phương trình hàm truyền đạt của hệ thống 24 3.4 Mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink 25 KẾT LUẬN 30 TAI LIỆU THAM KHẢO 30   TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN 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. Hiện nay, khi tiến hành xây dựng một hệ thống điều khiển tự động để điều khiển đối tượng đạt được các chỉ tiêu yêu cầu không phải là một việc dễ dàng, bởi vì ta luôn gặp hàng loạt các vấn đề cần giải quyết liên quan đến việc đối tượng điều khiển có thể thay đổi hàm truyền theo thời gian sử dụng, những thay đổi này là ngẫu nhiên, khó xác định. Điều này có thể nhận thấy rõ ở các đối tượng nhiệt, vì các thiết bị nhiệt thường bị già hóa theo thời gian sử dụng nên các thông số bị thay đổi. Do vậy điều khiển quá trình là cốt lõi của hệ tự đông hóa quá trình công nghệ. Nghiên cứu điều khiển quá trình có hai hướng tiếp cận: Hướng thứ nhất thuộc về các nhà công nghệ nghiên cứu điều khiển quá trình 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: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Khái Niệm Điều Khiển Quá Trình Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng 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 con người, máy móc và môi trường. 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 đến biến 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 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. Trong nội dung môn học, khái niệm quá trình được hiểu là quá trình công nghệ. 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. 1.2 Mục đích điều khiển Đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, công nghệ a. Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo các điều kiện vận hành bình thường, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện. b. Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độ sản xuất theo ý muốn, giữ các thông số chất lượng sản phẩm biến động trong giới hạn qui định. c. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: nhằm mục đích bảo vệ con người, máy móc, thiết bị và môi trường. Đảm bảo các yếu tố công nghệ, môi trường a. Bảo vệ môi trường: Giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu. b. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường. 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 1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐKQT Hình 1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT 1.4 Các chức năng 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. 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. Điều khiển P&ID Lưu đồ P&ID: Pipe and Instrumentation Diagram (VD): - Lưu đồ công nghệ + 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. +ISAS5.3:Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display, Instrumentation Logic and Computer Systems. - Các biểu tượng thiết bị. Hình 1.4. Các biểu tượng thiết bị - Các biểu tượng tín hiệu và đường nối. Hình 1.5. Các biểu tượng tín hiệu và đường nối - Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng. Hình 1.6. Diễn giải ý nghĩa nhãn thiết bị và kí hiệu chức năng   CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu chung 2.1.1 Khái niệm mô hình hóa 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. 2.1.2 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. 2.1.3 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 2.1.4 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 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). 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 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 thuyêt 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: 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: + 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: 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. 2.4.2 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 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: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 3.1 Phân tích mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ 3.1.1 Mô hình tổng quát Hình 3.1: Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ 3.1.2 Các biến của mô hình hệ thông

Trang 1

MỤC LỤC

TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 5

1.1 Khái Niệm 5

1.2 Mục đích điều khiển 6

Đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, công nghệ 6

Đảm bảo các yếu tố công nghệ, môi trường 6

1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 7

1.4 Các chức năng 8

Điều khiển cơ sở và vận hành giám sát 8

Điều khiển cao cấp 9

Điều khiển P&ID 9

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 12

2.1 Giới thiệu chung 12

2.1.1 Khái niệm mô hình hóa 12

2.1.2 Phân loại mô hình 12

2.1.3 Các bước mô hình hóa 12

2.1.4 Phương pháp xây dựng mô hình toán học 13

2.2 Các dạng mô hình hóa 14

2.2.1 Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến 14

2.2.2 Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn 14

2.2.3 Mô hình đơn biến và mô hình đa biến 14

2.2.4 Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên 15

2.3 Mô hình hóa lý thuyêt 15

2.3.1 Các bước mô hình hóa 15

2.3.2 Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc 16

2.4 Mô hình hóa thực nghiệm 18

2.4.1 Nhận dạng hệ thống 18

2.4.2 Phương pháp phản hồi Rơle 19

2.4.3 Động học của mạch vòng điều khiển lưu lượng 20

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 22

3.1 Phân tích mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ 22

Trang 2

3.1.1 Mô hình tổng quát 22

3.1.2 Các biến của mô hình hệ thông 22

3.2 Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi 23

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối 23

3.2.3 Thiết kế lưu đồ điều khiển P&ID 24

3.3 Phương trình hàm truyền đạt của hệ thống 24

3.4 Mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink 25

KẾT LUẬN 30

TAI LIỆU THAM KHẢO 30

Trang 3

TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN

Điều khiển quá trình là môn khoa học nghiên cứu về tĩnh và động học của sựbiến đổi lý hóa trong các quá trình công nghệ của sản xuất công nghiệp, phục vụ chothiết kế thiết bị công nghệ và hệ điều khiển các quá trình công nghệ đó

Hiện nay, khi tiến hành xây dựng một hệ thống điều khiển tự động để điềukhiển đối tượng đạt được các chỉ tiêu yêu cầu không phải là một việc dễ dàng, bởi vì

ta luôn gặp hàng loạt các vấn đề cần giải quyết liên quan đến việc đối tượng điềukhiển có thể thay đổi hàm truyền theo thời gian sử dụng, những thay đổi này là ngẫunhiên, khó xác định Điều này có thể nhận thấy rõ ở các đối tượng nhiệt, vì các thiết

bị nhiệt thường bị già hóa theo thời gian sử dụng nên các thông số bị thay đổi Do vậyđiều khiển quá trình là cốt lõi của hệ tự đông hóa quá trình công nghệ Nghiên cứuđiều khiển quá trình có hai hướng tiếp cận: Hướng thứ nhất thuộc về các nhà côngnghệ nghiên cứu điều khiển quá trình phục vụ khâu thiết kế dây chuyền thiết bị côngnghệ và đề xuất nhiệm vụ điều khiển quá trình công nghệ Hướng thứ hai là các nhànghiên 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

Trang 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Khái Niệm

1.1.1 Điều Khiển Quá Trình

Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trongđiều 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 con người, máy móc và môitrường

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 được biến đổi, vận chuyển hoặclưu trữ

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển hoặclưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc mộtnhà máy sản xuất năng lượng Một quá trình công nghệ có thể đơn giản như quátrình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có thể phức tạp hơnnhư 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/vàđược can thiệp Trong nội dung môn học, khái niệm quá trình được hiểu là quátrình công nghệ

1.1.2 Biến Quá Trình

Trang 5

- 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 thiệpđược 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 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 (lưulượng 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 đogây sai số trong giá trị đo được

1.2 Mục đích điều khiển

Đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, công nghệ

a Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo các điều kiện vận hành bìnhthường, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện

b Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độ sản xuất theo ý muốn,giữ các thông số chất lượng sản phẩm biến động trong giới hạn qui định

c Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: nhằm mục đích bảo vệ con người, máy móc,thiết bị và môi trường

Đảm bảo các yếu tố công nghệ, môi trường

a Bảo vệ môi trường: Giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải, nước thải, giảmbụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu

b Nâng cao hiệu quả kinh tế: Giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu,thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường

Trang 6

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 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐKQT

Trang 7

Hình 1.3 Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT

1.4 Các chức năng

Điều khiển cơ sở và vận hành giám sát

Điều khiển cơ sở được định nghĩa là “Điều khiển chuyên dụng cho thiết lập vàduy 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 dongười vận hành trực tiếp đảm nhiệm (điều kh7iển bằng tay) Các chức năng điềukhiển 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 củamột quá trình gần như có thể với các giá trị đặt tương ứng trong điều kiện có tác độngnhiễu và giá trị đặt thay đổi”

Điều khiển rời rạc là duy trì các trạng thái thiết bị quá trình tại một giá trị đíchlựa chọn từ một tập các trạng thái ổn định biết trước Điều khiển rời rạc được sử dụngchủ 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 đảmbảo chức năng bảo vệ, an toàn cho máy móc và con người

Trang 8

Điều khiển trình tự được định nghĩa là một lớp chức năng điều khiển quá trìnhcông nghiệp với mục đích đưa quá trình kỹ thuật qua một trình tự các trạng thái riêngbiệt Điều khiển trình tự có vai trò đặc biệt quan trọng trong thực hiện khởi động hoặcdừng 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 chứcnăng quan trọng nhất Giao diện người-máy cung cấp các màn hình hiển thị hình ảnhchuẩn về hệ thống và thiết bị, các hình ảnh đồ họa tự do, lưu đồ công nghệ, đồ thị thờigian thực và đồ thị quá khứ, các tham số điều khiển, tình trạng các động cơ, các bảngtóm tắt báo động Giao diện người-máy hỗ trợ thao tác vận hành thông qua cácphương tiện chuẩn như các biến trạng thái máy móc được liên tục thu thập, lưu trữ vàquản lý trong một hệ thống cơ sở dữ liệu

Điều khiển cao cấp

Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là một chức năng điều khiển tự động nhưngnằm 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 cáctham số điều khiển cơ sở Thông thường, chức năng điều khiển cao cấp được đặt ởphía trên hoặc cùng cấp với vận hành giám sát Một hệ thống điều khiển quá trình cóthể 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

Điều khiển P&ID

Lưu đồ P&ID: Pipe and Instrumentation Diagram (VD):

- Lưu đồ công nghệ + 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 vàgiám sát

- Cơ sở cho lựa chọn và lắp đặt thiết bị, phát triển phần mềm điều khiển và giám sátquá 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

+ISAS5.3:Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display,Instrumentation Logic and Computer Systems

Trang 9

- Các biểu tượng thiết bị.

Hình 1.4 Các biểu tượng thiết bị

- Các biểu tượng tín hiệu và đường nối

Hình 1.5 Các biểu tượng tín hiệu và đường nối

- Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng

Trang 10

Hình 1.6 Diễn giải ý nghĩa nhãn thiết bị và kí hiệu chức năng

Trang 11

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu chung

2.1.1 Khái niệm mô hình hóa

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

2.1.2 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

2.1.3 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 dụngcủa 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

Trang 12

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

2.1.4 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

Trang 13

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

u1,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 phituyến

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 Nóimột 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 nhấtđịnh (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(bao gồm cả quá trình và bộ điều khiển số)

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

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

Trang 14

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 thuyêt

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 lượngcác 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 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

Trang 15

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 cácquá trình thực đều chứa phương trình vi phân phi tuyến Nhưng đến nay, đa sốphương pháp phân tích và thiết kế đều dựa trên mô hình tuyến tính Ngay cả một sốphương pháp phi tuyến cũng không loại trừ hoàn toàn việc sử dụng mô hình tuyếntính, ít ra là để làm cơ sở so sánh và kiểm chứng chất lượng Vì vậy nếu mục đích sửdụng mô hình là phục vụ phân tích hệ thống, thiết kế sách lược và thuật toán điềukhiển, thì việc tuyến tính hóa mô hình trước hay sau cũng sẽ cần thiết Có 3 phươngpháp 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 tạilân cận 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 hìnhban đầu

- 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 vềđiểm làm việc:

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

Ngày đăng: 25/11/2024, 17:39

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w