http://www.ebook.edu.vn 162 sử dụng để mô phỏng quá trình. Cần phải biết rằng trong các ứng dụng thực tế, các mô hình đáp ứng bước DMC chính sẽ khác với tác động của quá trình thực. Vì vậy, các khả năng của bộ điều kiển DMC được miêu tả ở đây được xem như đặc tính tốt nhất. Mô phỏng quá trình lý tưởng là mô hình quán tính bậc 2 có thời gian chết (SOPDT) là dạng mô hình có quá chỉnh với các thông số mẫu như sau: Hệ số khuếch đại quá trình: K P = 2,0 Hằng số thời gian thứ nhất: P1 = 20.0 time units Hằng số thời gian thứ hai: P2 = 10.0 time units Thời gian chết: P = 10.0 time units Bước đầu tiên trong việc điều chỉnh là phải có sự tương thích mô hình FOPDT với dữ liệu quá trình. Trong ví dụ này, công cụ thiết kế tạo ra tham số mô hình cho quá trình lý tưởng là P K = 2,0 PV units/CO units, P =24,1 đơn vị thời gian (time units), P =13,8 đơn vị thời gian (time units). Dựa vào tiêu chuẩn ở bước 2, lựa chọn thời gian cắt mẫu là 7,0 đơn vị thời gian (time units). Đối với mô hình FOPDT, tham số được ước lượng và giá trị T được lựa chọn như trên, hệ số phạm vi dự báo P, và hệ số phạm vi mô hình N, được tính theo bước 3 là 19, thời gian ổn định hệ hở của quá trình lý tưởng lấy theo mẫu. Tiếp đến hệ số phạm vi điều khiển M, bằng 5 được tính theo bước 4. Cuối cùng ở bước 5, hệ số cản trở chuyển động phù hợp là 23,9 được tính cho quá trình lý tưởng. Với các tham số điều chỉnh được lựa chọn, hệ số đáp ứng bước đơn vị được quyết định cho quá trình lý tưởng với thời gian cắt mẫu là 7,0 đơn vị thời gian. Trong khi khởi động bộ điều khiển DMC, các hệ số đáp ứng bước được tạo ra bằng cách dựa vào giá trị T, P, N. Mô hình được sử dụng để tạo ra các hệ số đáp ứng bước được viết dưới dạng hàm truyền trên menu thiết kế. Người ứng dụng luôn muốn sử dụng các hàm truyền mà miêu tả tốt nhất quá trình. Trong trường hợp này hàm truyền sẽ là mô hình chống nhiễu SOPDT. Tham số mô hình liệt kê phía trên được nhập vào menu thiết kế. Khi thiết kế hoàn tất, chạy thử DMC và kiểm nghiệm đặc tính quá trình lý tưởng. Hình 5.63. Điều khiển DMC cho mô hình lý tưởng http://www.ebook.edu.vn 163 Đặc tính hệ kín có được trong quá trình lý tưởng sử dụng điều chỉnh DMC bằng thuật điều chỉnh được biểu diễn trên hình 5.63. Nửa trên của biểu đồ biểu diễn đáp ứng biến quá trình đối với sự thay đổi nhảy bậc của giá trị đặt. Nửa dưới của biểu đồ biểu diễn thay đổi ở đầu ra của bộ điều khiển được tạo ra nhờ DMC để đạt được giá trị đặt bám mong muốn. Định nghĩa đặc tính hệ kín mong muốn khi đáp ứng biến quá trình đối với sự thay đổi nhảy bậc ở giá trị đặt biểu diễn độ quá chỉnh đỉnh nhọn vừa phải (nhỏ hơn 10%). Cũng như trên, kích thước thay đổi đầu ra bộ điều khiển tương ứng không được vượt quá 2 đến 3 lần thời gian thay đổi cuối cùng ở đầu ra bộ điều khiển. Đặc tính có được như vậy được biểu diễn trên hình 5.63. 1. Tác động khi điều chỉnh tham số của DMC thể hiện trên các đặc tính Tầm quan trọng của thuật điều chỉnh được minh hoạ trong nghiên cứu độ nhạy khi tác dụng điều chỉnh mỗi tham số trên đặc tính hệ kín được nghiên cứu riêng biệt. Để so sánh điều chỉnh DMC và thiết kế được biểu diễn trên hình 5.63, được đặt tên là “trường hợp cơ bản” từ hình 5.64 đến hình 5.70. Từ trái qua phải trên hình 5.64 biểu diễn tác động giảm hệ số phạm vi mô hình N, từ 38 về 19 (trường hợp cơ bản) và rồi về 10 và cuối cùng về 5. Với giá trị của N giảm, mô hình đáp ứng bị xén đầu, theo DMC có khả năng dự báo tác dụng thay đổi đầu ra của bộ điều khiển chỉ trong 5 chu kỳ cắt mẫu (cộng với thời gian chết) sau khi giá trị đặt thay đổi. Ngoài 5 chu kỳ cắt mẫu, đầu ra bộ điều khiển thay đổi trong quá khứ tiếp tục tác động tới biến quá trình, tác dụng của chúng không nhận ra được khi nằm trong số những tính toán sai từ giá trị mô hình bị xén đầu. Vì trong trường hợp này, sự xén đầu như vậy thường dẫn đến đặc tính điều khiển không mong muốn và không dự báo được. Hình 5.64. ảnh hưởng của hệ số phạm vi mô hình N Từ trái qua phải trên hình 5.65, biểu diễn tác động của việc giảm hệ số phạm vi dự báo P, từ 19 về 8 và cuối cùng là 3. Đối với giá trị nhỏ của P đáp ứng biến quá trình cho thấy thời gian tăng với thời gian dài hơn. Chú ý rằng sự thay đổi này xảy ra đột ngột khi giá trị của P trở nên rất nhỏ so với quá trình bình thường khi giá trị của P giảm. Đặc tính này thay đổi kết quả bởi vì: i) Sự thay đổi ở đầu ra bộ điều khiển được tính bằng DMC tìm cách hạn chế lỗi dự báo qua một số ít chu kỳ cắt mẫu tiếp theo, ii) Với P http://www.ebook.edu.vn 164 nhỏ, DMC không có khả năng dự báo hành vi của quá trình đủ xa để nhận ra rằng các thay đổi trong quá khứ sẽ đặt biến quá trình vào một giá trị đặt mới và ngoài ra, iii) sự tồn tại của hệ số cản trở chuyển động khá lớn phù hợp với trường hợp cơ bản (P =19), nhưng dẫn đến thay đổi rất nhỏ ở trường hợp mà hệ số phạm vi dự báo giảm (P = 3). Hình 5.65. Tác động của hệ số phạm vi dự báo P Như đã nói ở trên, giá trị phù hợp đối với hệ số cản trở chuyển động có liên quan đến hệ số phạm vi dự báo P. Từ trái qua phải, hình 5.66 biểu diễn tác động của việc giảm hệ số cản trở chuyển động từ 192 xuống 23,9 (trường hợp cơ bản) và rồi về 3 và cuối cùng là 0,375 khi giá trị thời gian cắt mẫu là không đổi (T = 7,0 đơn vị thời gian), hệ số phạm vi mô hình (N = 19), hệ số phạm vi dự báo (P = 19), và hệ số điều khiển (M = 5). Như được biểu diễn ở phía dưới, tăng hệ số cản trở chuyển động khi hệ số phạm vi dự báo là không đổi có thể làm tăng mạnh khoảng thời gian tăng tốc, dẫn đến đáp ứng chậm hơn và điều khiển kém hơn. Điều này minh họa tác động của hệ số cản trở chuyển động lên tính chất của đáp ứng. Khi hệ số cản trở chuyển động giảm, sự thay đổi của đầu ra bộ điều khiển tăng quá lớn dẫn đến đáp ứng biến quá trình dao động với quá chỉnh nhỏ. Giảm hệ số cản trở chuyển động sẽ giảm được lỗi về kích thước biến đổi do DMC tạo ra dẫn đến biến đổi quá lớn. Về mặt toán học, điều này cũng được giải thích như tính mất hiệu quả của hệ số cản trở chuyển động nhỏ trong điều kiện ma trận hệ thống ở trong tình trạng xấu một cách cố hữu, A A T , theo luật điều khiển DMC http://www.ebook.edu.vn 165 Hình 5.66. Tác động của hệ số . Như đã nói đến ở phần trước, hệ số phạm vi mô hình và phạm vi dự báo, N và P tương ứng nên có cùng giá trị. Từ hình 5.64 đến hình 5,65 miêu tả tác dụng riêng khi thay đổi N và P khác xa nhau nhưng hiệu quả của việc thay đổi cả hai tham số cùng một lúc cũng rất đáng quan tâm. Từ trái qua phải trên hình 5.67 minh họa tác động của việc thay đổi cả N và P từ 38 xuống 19 (trường hợp cơ bản), xuống 10, xuỗng 5 và cuối cùng là 3 khi giá trị thời gian cắt mẫu giữ không đổi (T = 7,0 đơn vị thời gian), hệ số phạm vi điều khiển (M = 5) và hệ số cản trở chuyển động ( = 23,9). Chú ý đến đáp ứng trở nên dao động hơn như thế nào khi N và P giảm cho đến khi suy giảm quá mức và chậm chạp khi P = 3. Vì vậy, tác động kép của việc hệ số phạm vi dự báo thấp (P = 3) và hệ số cản trở chuyển động lớn ( = 23,9) vượt quá tác động bình thường của việc giảm cả hai hệ số phạm vi dự báo và phạm vi mô hình. Hình 5.67. Tác động khi thay đổi đồng thời cả hai thông số N và P. http://www.ebook.edu.vn 166 Hình 5.68. Tác động của hệ số M. Từ trái qua phải trên hình 5.68 minh họa tác động của việc giảm hệ số phạm vi điều khiển M, từ 10 xuống 5 (trường hợp cơ bản), xuống 3 và sau cùng về 1 khi thời gian cắt mẫu (T = 7,0 đơn vị thời gian), hệ số phạm vi dự báo và phạm vi mô hình (N = P = 19) và hệ số cản trở chuyển động ( = 23.9) giữ nguyên. Sự khác nhau ở đặc tính giữa trường hợp cơ bản và các trường hợp khác là không đáng kể, đặc biệt khi có hệ số cản trở chuyển động đáng kể. Đối với trường hợp cơ bản có hệ số phạm vi điều khiển lớn (M = 5), đáp ứng biến quá trình nhanh hơn, có sự tăng độ quá chỉnh không lớn và hoạt động của đầu ra bộ điều khiển thay đổi tăng là vì số bậc tự do được cộng thêm vào từ chuyển động phụ được tính ở mỗi chu kỳ cắt mẫu. Hình 5.69. Tác động của chu kỳ cắt mẫu T Với một số lượng lớn các bước dịch chuyển được tính trong mỗi khoảng thời gian cắt mẫu, DMC có khả năng tạo ra bước dịch chuyển đầu tiên lớn hơn mà được bù lại bằng các bước dịch chuyển phụ sẵn có. Chỉ khi bước dịch chuyển đầu tiên thực sự được thực thi trong khi các dịch chuyển khác bị hủy bỏ để http://www.ebook.edu.vn 167 tính một bộ giá trị thay đổi mới của M ở chu kỳ cắt mẫu tiếp theo, kết quả là đáp ứng có độ quá chỉnh lớn hơn. Hình 5.70. Tác động khi thay đổi chu kỳ cắt mẫu T và các thông số khác Từ trái qua phải trên hình 5.69 miêu tả tác động của việc thay đổi chu kỳ cắt mẫu T từ 14 xuống 7 (trường hợp cơ bản), xuống 3,5 và 1,75 đơn vị thời gian. Ghi chú rằng những thay đổi này xảy ra khi không có sự thay đổi của bất kỳ tham số DMC nào khác so với giá trị của trường hợp cơ bản (như đã tính dựa vào trường hợp T = 7,0 đơn vị thời gian). Chú ý xem đáp ứng trở nên dao động hơn như thế nào khi T giảm. Tương tự, hình 5.70 cũng miêu tả tác động thay đổi T từ 14 xuống 7 (trường hợp cơ bản), xuống 3,5 và 1,75 đơn vị thời gian. Tuy nhiên, chú ý rằng các tham số điều chỉnh khác của DMC đã bị thay đổi theo chu kỳ cắt mẫu, sử dụng luật điều chỉnh đủ khả năng tìm ở đây phải đề cập rằng khi thời gian cắt mẫu thay đổi, mô hình đơn vị bậc phản hồi trong cấu trúc DMC nên được cập nhật cho phù hợp nhằm loại bỏ sự khác biệt giữa thiết bị và mô hình. Trạm điều khiển tính toán mô hình bậc phản hồi nhờ mô hình tuyến tính và T, cả hai được người điều khiển nhập vào. Mô hình tuyến tính được dùng không đổi khi T thay đổi nhưng mô hình bậc phản hồi thì có thay đổi. tuy nhiên, mô hình bậc phản hồi thay đổi mỗi khi T thay đổi nếu như đầu vào trực tiếp của nó là bộ điều khiển mà không qua một bước tính toán nào. đặc biệt, mô hình sau khi được chỉnh sửa được cấu tạo từ các hệ số bậc phản hồi thành phần, i , tại khoảng dừng cắt mẫu mới T. Hình 5.69 đã cho thấy bằng cách nào phản hồi thu nhận được biểu diễn một tập hợp đầu ra bộ điều khiển không thông thường dịch chuyển cùng với phản hồi biến quá trình bất quy tắc. Nhưng những phản hồi được minh hoạ trong hình 5.70 thì khá quen thuộc. Nguyên nhân của sự khác biệt này có thể lí giải được, trong đó lập trình tất cả tuning parameters tuỳ thuộc vào việc chọn lựa thời gian trích mẫu. Vì thế, thay đổi thời gian trích mẫu mà không chỉnh lại tất cả tuning parameter DMC khác sẽ gây tác động ngược chiều cho hoạt động vòng lặp đóng. Hình 5.69 và 5.70 diễn tả tầm quan trọng của việc thay đổi N, P, M và phải đi liền với bất kì thay đổi nào của thời gian trích mẫu T. http://www.ebook.edu.vn 168 Tác động ràng buộc (constraint) đối với hoạt động của DMC Ví dụ sau có thể minh hoạ vai trò của constraint. Trong hai phép kiểm tra dưới đây, tuning parameter được cho trước là T = 7.0 đơn vị thời gian, P = N = 19, M = 5 và = 23.9. Các constraint là: Đồ thị thứ nhất trong hình 5.71, chỉ ra hoạt động của DMC trong trưòng hợp T = 7, P = N = 19, M = 5 và = 23.9 mà không tồn tại các constraint trên. Đồ thị thứ hai biểu diễn hoạt động khi trong thiét kế bộ điều khiển có tồn tại các constraint. Chú ý rằng khi tính cả các constraint, thay đổi về kích thước mà DMC lập trình cho đầu ra không lớn hơn 0.5 và đầu ra bộ điều khiển cố định ở giá trị 50% hoặc 52.5%. Khi tính đến các constraint, phản hồi biến quá trình chậm hơn nhiều so vớii khi chưa có constraint. Hình 5.71. Tác động với các điều kiện ràng buộc http://www.ebook.edu.vn Điều khiển quá trình STT Nội dung Trang 1 Tổng quan về điều khiển quá trình 1 1.1 Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển quá trình 1 1.2 Tính cấp thiết của điều khiển quá trình 1 1.3 Điều khiển quá trình 2 1.3.1 Khái quát chung 2 1.3.2 Phân loại 6 1.3.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống 6 1.3.4 Thời gian chết của quá trình 8 1.4 Mạch vòng phản hồi 9 1.5 chọn chế độ hoạt động cho bộ điều khiển 12 1.6 Mô tả chức năng hệ thống 12 1.6.1 Lưu đồ P&ID 12 1.6.2 Tóm tắt tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 15 2 Mô hình quá trình 20 2.1 Giới thiệu chung 20 2.1.1 Mô hình và mục đích mô hình hoá 20 2.1.2 Nguyên tắc chung của mô hình quá trình 21 2.1.3 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học 22 2.2 Tổng quan về quy trình mô hình hoá 22 2.3 Phân loại mô hình toán học 25 2.3.1 Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến 25 2.3.2 Mô hình đơn biến và mô hình đa biến 26 2.3.3 Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên 26 2.3.4 Mô hình tham số tập trung và mô hình tham số rải 26 2.3.5 Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn 27 2.4 Các dạng mô hình liên tục 28 2.4.1 Phương trình vi phân 28 2.4.2 Mô hình trạng thái 28 2.4.3 Mô hình đáp ứng quá độ 31 2.4.4 Mô hình hàm truyền đạt 33 2.4.5 Mô hình đáp ứng tần số 36 2.5 Các mô hình gián đoạn 37 2.5.1 Các mô hình gián đoạn 37 2.5.2 Mô hình trạng thái 38 2.5.3 Mô hình đáp ứng quá độ 40 2.5.4 Mô hình Hàm truyền đạt gián đoạn 41 3 Mô hình hoá lý thuyết quá trình 44 3.1 Tổng quan về các bước tiến hành 44 3.2 Nhận biết các biến quá trình 44 3.2.1 Ví dụ bình chứa chất lỏng 45 3.2.2 Ví dụ thiết bị khuấy trộn liên tục 46 3.2.3 Ví dụ về thiết bị gia nhiệt 47 3.2.4 Ví dụ tháp chưng luyện hai cấu tử 48 3.3 Xây dựng các phương trình mô hình 49 http://www.ebook.edu.vn 3.3.1 Phương trình cân bằng vật chất 50 3.3.2 Phương trình cân bằng năng lượng 54 3.3.3 Phương trình cân bằng nhiệt 58 3.3.4 Phương trình động học phản ứng hoá học 60 3.3.5 Phương trình cân bằng pha 61 3.4 Phân tích bậc tự do của mô hình 63 3.4.1 Bậc tự do của hệ thống 63 3.4.2 Ví dụ về thiết bị khuấy trộn liên tục 64 3.4.3 Ví dụ thiết bị gia nhiệt 64 3.4.4 Ví dụ nồi hơi bão hoà 65 3.5 Tuyến tính hoá và mô hình hàm truyền đạt 66 3.5.1 Biến chênh lệch và mô hình hàm truyền đạt 66 3.5.2 Tuyến tính hoá quanh điểm làm việc 67 3.5.3 Độ phi tuyến của mô hình 71 3.5.4 Tuyến tính hoá với phép biến đổi vào ra 73 3.6 Một số ví dụ quá trình tiêu biểu 76 3.6.1 Chuỗi ba thiết bị phản ứng liên tục đẳng nhiệt 76 3.6.2 Thiết bị phản ứng thu nhiệt sợi đốt 80 3.6.3 Thiết bị phản ứng liên tục toả nhiệt 82 4 Nhận dạng quá trình 86 4.1 Khái niệm và những nguyên tắc cơ bản 86 4.1.1 Các bước tiến hành 86 4.1.2 Phân loại phương pháp nhận dạng 86 4.1.3 Đánh giá và kiểm chứng mô hình 88 4.2 Các phương pháp dựa trên đáp ứng quá độ 88 4.2.1 Mô hình quán tính bậc nhất có trễ 89 4.2.2 Mô hình quán tính bậc hai có trễ 92 4.2.3 Mô hình dao động bậc hai 93 4.2.4 Mô hình chứa thành phần tích phân 94 4.3 Các phương pháp dựa trên đáp ứng tần số 95 4.3.1 Kích thích trực tiếp tín hiệu hình sin 95 4.3.2 kích thích tín hiệu dạng xung 96 4.3.3 Phương pháp phân tích phổ tín hiệu 96 4.4 Nhận dạng vòng kín 97 4.4.1 Nhận dạng trong vòng phản hồi rơle 98 4.4.2 Nhân dạng trong vòng điều khiển P/PI 99 5 Tổng hợp các bộ điều khiển cơ bản trong điều khiển quá trình 101 5.1 Bộ điều khiển ON - OFF 101 5.2 Tổng hợp Bộ điều khiển PID theo phương pháp tương quan (DERIVING PID CONTROLLER TUNING CORRELATION) 103 5.2.1 Tổng hợp trực tiếp bộ điều khiển 103 5.2.2 Ứng dụng tổng hợp trực tiếp các bộ điều khiển tương quan (Deriving Controller Correlations Using Direct Synthesis) 105 5.3 Cấu trúc điều khiển theo mô hình nội IMC (Internal Model Control structure) 107 5.3.1 Cấu trúc điều khiển 107 5.3.2 Hàm truyền của mạch vòng kín IMC ( IMC Closed Transfer Functions) 108 5.3.3 Tổng hợp bộ điều khiển tương quan theo phương pháp IMC (Deriving Controller Tuning Correlations the IMC Method) 108 5.3.4 Một số ví dụ 110 http://www.ebook.edu.vn 5.4 Điều khiển nối tầng (CASCADE CONTROL) 111 5.4.1 Khả năng loại bỏ nhiễu của cấu trúc Cascade (Architectures Improved Disturbance Rejection) 111 5.4.2 Cấu trúc điều khiển nối tầng (The Cascade Architecture) 111 5.4.3 Ví dụ minh hoạ (An Illustrative Example) 112 5.4.4 Khảo sát quá trình phản ứng nhiệt trong lò có vỏ bọc (Exploring The Jacketed Reactor Process) 115 5.5 Điều khiển phản hồi trước FEED FORWARD CONTROL 123 5.5.1 Một số đặc điểm của mô hình điều khiển quá trình Feed Forward 123 124 5.5.2 Cấu trúc điều khiển Feed Forward 124 5.5.3 Một số ví dụ minh hoạ về điều khiển Feedforward 125 5.5.4 Thiết kế điều khiển Feedforward 127 5.5.5 Lý thuyết điều khiển Feedforward 127 5.5.6 Khả năng điều khiển theo mô hình Feed Forward 128 5.5.7 Điều khiển Feed Forward loại trừ nhiễu ở lò phản ứng 131 5.5.8 Điều khiển feed forward trạng thái tĩnh 135 5.5.9 So sánh mức độ bám giá trị đặt của bộ điều khiển vòng đơn và bộ điều khiển feed forward 136 5.6 Hệ điều khiển quá trình nhiều biến (MULTIVARIABLE PROCESS CONTROL) 137 5.6.1 Sự tương tác vòng điều khiển 139 5.6.2 Thiết kế bộ điều khiển phân ly 139 5.6.3 Nghiên cứu về chưng cất với các mạch vòng ảnh hưởng lẫn nhau 141 5.6.4 Điều khiển đáy với sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các mạch vòng 143 5.6.5 Nghiên cứu điều khiển bồn chưng cất với các mạch vòng điều khiển phân ly 145 5.7 Mô hình dự báo Smith cho quá trình có thời gian chết lớn 149 5.7.1 Thời gian chết lớn tác động lên quá trình điều khiển 149 5.7.2 Mô hình dự báo của Smith 150 5.7.3 Thuật toán điều khiển dự báo Smith 151 5.7.4 Hướng phát triển của bộ điều khiển dự báo Smith 151 5.8 Điều khiển ma trận động vòng đơn (DMC) 157 5.8.1 Mô hình quá trình DMC 160 5.8.2 Điều chỉnh DMC 161 5.8.3 Ví dụ ứng dụng 161 . quan về điều khiển quá trình 1 1.1 Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển quá trình 1 1.2 Tính cấp thiết của điều khiển quá trình 1 1.3 Điều khiển quá trình 2 1.3.1 Khái quát chung. Nhân dạng trong vòng điều khiển P/PI 99 5 Tổng hợp các bộ điều khiển cơ bản trong điều khiển quá trình 101 5.1 Bộ điều khiển ON - OFF 101 5.2 Tổng hợp Bộ điều khiển PID theo phương. đặt của bộ điều khiển vòng đơn và bộ điều khiển feed forward 136 5.6 Hệ điều khiển quá trình nhiều biến (MULTIVARIABLE PROCESS CONTROL) 137 5.6.1 Sự tương tác vòng điều khiển 139 5.6.2