BÀI GIẢNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Các khái niệm cơ bản. Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại(các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, nhà máy hoá chất, toà nhà văn phòng ). Các hệ thống điều khiển tự động và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực có các đặc thù chung được xếp vào các phạm trù khác nhau: + - Tự động hoá xí nghiệp; tự động hoá quá trình ( các quá trình gia công, lắp ráp như quá trình sản xuất xi măng, quá trình đóng bao, quá trình cán thép ); - Tự động hoá toà nhà (điều khiển thang máy, nhiệt độ, lưu lượng ); - Điều khiển tự động các quá trình công nghệ (nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, mức trong các nhà máy chế biến khai thác, lọc hoá dầu, dầu khí, hoá chất ). + - Hệ thống có quá trình công nghệ liên tục - Hệ thống có quá trình công nghệ gián đoạn. - Hệ thống tồn tại đồng thời quá trình liên tục và gián đoạn. I. Hệ thống có quá trình công nghệ liên tục. Đầu vào là nguyên liệu, đầu ra là sản phẩm. Công nghệ có độ phức tạp cao, số lượng thiết bị và tín hiệu phục vụ điều khiển lớn. Quá trình khởi động hay dừng là thực hiện cho toàn nhà máy. Tiêu biểu là các ngành hóa chất, hóa dầu, xử lý khí, nhiệt điện. Trong công nghệ cần điều khiển rất nhiều tham số dạng tương tự: áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, tốc độ, tỷ lệ các thành phần… Các tham số này có quan hệ chặt chẽ, tác động đa chiều, biến đổi phức tạp và ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm đầu ra. 1.1. Đặc điểm. - Là hệ đa thông số, nhiều đầu vào ra (MIMO), nhiều mạch vòng điều chỉnh. - Là hệ thông số rải, các thông số biến thiên lớn - Phần lớn các đối tượng điều khiển là phi tuyến Từ các đặc điểm trên cho thấy hệ điều khiển cho hệ thống sản xuất liên tục phải có khả năng thực hiện các chức năng: - Điều khiển tối ưu, thích nghi, điều khiển theo mô hình dự báo, điều khiển thông minh. - Điều khiển bền vững. - Điều khiển chất lượng. Trong lĩnh vực này hệ điều khiển duy nhất phù hợp vẫn là hệ điều khiển phân tán (DCS-Distributed Control System) <<SCADA-Supervisory Control And Data Acquisition>> Ưu điểm của hệ DCS: - Khả năng xử lý tín hiệu analog tốt (được phát triển trong môi trường xử lý hóa chất từ các bộ điều khiển tương tự ban đầu). Hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng hay theo các thuật toán điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ưu, bền vững - Khả năng truyền thông: hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý (Profibus, Foundation, Fieldbus, Ethernet). - Độ tin cậy cao: nhờ có khả năng dự phòng: dự phòng kép ở tất cả các thành phần trong hệ, khả năng thay đổi chương trình, thay đổi cấu trúc hệ, thêm bớt các thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khởi động lại quá trình (thay đổi online). - Cơ sở dữ liệu có tính toàn cục và thống nhất. - Khả năng mở rộng, tính tích hợp cao. - Tuổi thọ ứng dụng lớn (15-20 năm). 1.2. Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển. - Phân tích: Là việc đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống, xét tính ổn định của hệ. - Thiết kế: Xác định tham số và cấu trúc dựa vào các yêu cầu thiết kế như: độ chính xác điều khiển, độ tác động nhanh, cực tiểu năng lượng * Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống được xây dựng từ ba thành phần cơ bản: - Thiết bị điều khiển C( Controller) - Đối tượng điều khiển O (Object) - Thiết bị đo lường M (Mesuring Device), các bộ biến đổi. Ngoài ra còn một số thành phần như: Cơ cấu chấp hành, các phần tử trung gian(Rơle trung gian ) Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV) Tín hiệu điều khiển Control Signal, Controller Output (CO) Biến điều khiển Control Variable, Manipulated Variable (MV) I Biến được điều khiển Controlled Variable (CV) Đại lượng đo Measured Variable, Process Value (PV) Tín hiệu đo Measured Signal, Process Measurement (PM) VD: Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi bình (T) được đo bằng cảm biến cặp nhiệt, tín hiệu điện áp ra được một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) chuyển sang tín hiệu chuẩn dòng (4 – 20 mA) và đưa tới bộ điều khiển DCS. Tín hiệu dòng được chuyển sang dạng số (A/D). Giá trị nhiệt độ đặt T SP được đặt từ trạm vận hành. So sánh giá trị đo và giá trị đặt, chương trình điều khiển tính toán giá trị biến điều khiển theo một thuật toán đã cài đặt. Giá trị này qua khâu D/A chuyển sang tín hiệu dòng chuẩn 4-20 mA để đưa xuống van điều khiển (thiết bị chấp hành). Cuối cùng, tín hiệu điều khiển được chuyển đổi qua khâu I/P thành dạng khí nén để thay đổi độ mở của van cấp dòng nóng. Lưu lượng dòng nóng được thay đổi làm thay đổi nhiệt độ. 1.2.1. Thiết bị đo. Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỷ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo. Thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo (transducer). Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là bộ chuyển đổi cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (1-10V; 4-20 mA, RS485). 1.2.2. Thiết bị điều khiển (Controller) Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (VD bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (PID). 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. Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị có thể được xếp vào loại thiết bị điều khiển tương tự (thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử); thiết bị điều khiển logic(mạch rơle); thiết bị điều khiển số (PLC, DCS, PAS) 1.2.3. Thiết bị chấp hành (actuator system) Thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện động tác can thiệp tới biến điều khiển: Van điều khiển, động cơ, máy bơm, quạt gió (điều chỉnh độ mở van để thay đổi lưu lượng cấp) Thiết bị chấp hành bao gồm hai thành phần: cơ cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển: VD cơ cấu chấp hành bao gồm khâu chuyển đổi I/P cộng với cơ cấu dẫn động khí nén còn phần tử điều khiển là thân van. VD2. Ví dụ hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ quay của tuabin hơi nước. O: tuabin hơi nước; C: Van điều chỉnh lưu lượng hơi vào; M: Cơ cấu ly tâm. Hệ thống điều khiển tự động này nhằm duy trì tốc độ tuabin ổn định. Nếu tốc độ tăng lên do nguyên nhân nào đó thì thông qua cơ cấu ly tâ, con trượt sẽ bị kéo lên trên( kéo cả đầu A thông qua cánh tay đòn AB), đầu B bị ấn xuống làm van đóng bớt để giảm luồng hơi cấp vào tuabin. Khi đó tốc độ quay giảm xuống. Khi tốc độ quay tuabin giảm xuống thì cánh tay đòn thông qua cơ cấu ly tâm sẽ hạ đầu A xuống và nâng đầu B lên để mở van cho luồng hơi vào nhiều hơn, tốc độ tuabin sẽ tăng. 1.3. Nhiệm vụ thiết kế (phát triển hệ thống) ω Tải trục quay Tuabin hơi Cơ cấu ly tâm Hơi vào Van ω 1.3.1. Mô hình quá trình 1.3.1.1. 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 sẵn có hoặc phải xây dựng. Có thể phân chia thành 2 dạng mô hình: Mô hình vật lý (là mô hình thu nhỏ, được xây dựng trên cơ sở vật lý- hóa học giống như các quá trình và thiết bị thực); Mô hình trừu tượng (xây dựng dựa trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao nhằm mô tả một cách logic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của hệ thống). Việc xây dựng mô hình trừu tượng được gọi là mô hình hóa quá trình * Các dạng mô hình trừu tượng: - Mô hình đồ họa: lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ SFC, biểu đồ logic, máy trạng thái hữu hạn. Mô hình đồ họa phù hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành phần. - Mô hình toán học: phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái. Mô hình toán học thích hợp cho việc nghiên cứu sâu sắc đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác. - Mô hình suy luận: là hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính hệ thống dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao. - Mô hình máy tính: chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thống theo những khía cạnh quan tâm. Mô hình máy tính được xây dựng với các ngôn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận. Mô hình toán học đóng vai trò then chốt trong hầu hết các nhiệm vụ phát triển hệ thống vì nó giúp người sử dụng các mục đích sau: - Hiểu rõ hơn về quá trình cần điều khiển và vận hành - Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống. - Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển. - Chọn bộ điều khiển và xác định tham số điều khiển - Phân tích và kiểm chứng kết quả thiết kế. - Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành. 1.3.1.2. Phân loại mô hình toán học * Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến. Mô hình được gọi là tuyến tính khi quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra của nó thỏa mãn nguyên lý xếp chồng. Nếu M(u) là một toán tử tuyến tính và u 1 và u 2 là hai biến độc lập thì: M(u 1 + u 2 ) = M(u 1 ) + M(u 2 ) Ngược lại chỉ cần bất cứ một quan hệ vào/ra nào không thỏa mãn nguyên lý xếp chồng thì mô hình được gọi là phi tuyến. Có thể nói tất cả các quá trình thực đều có tính phi tuyến, tuy nhiên với mức độ khác nhau. Đối với đa số quá trình công nghiệp, nếu chỉ quan tâm tới các tín hiệu vào nằm trong một dải hẹp nào đó, một mô hình tuyến tính xấp xỉ hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu sử dụng. Ưu điểm của mô hình tuyến tính là đơn giản cho phân tích và thiết kế điều khiển. Chỉ khi nào mô hình tuyến tính không đáp ứng được yêu cầu chất lượng đặt ra hoặc bậc của mô hình quá cao không còn đơn giản nữa thì mới nên sử dụng mô hình phi tuyến. * Mô hình đơn biến và mô hình đa biến. - Mô hình biểu diễn quan hệ giữa một biến vào và một biến ra (SISO) - Mô hình biểu diễn quan hệ giữa nhiều biến vào và nhiều biến ra (MIMO) Xây dựng cũng như sử dụng mô hình đơn biến có ưu điểm là đơn giản, được hỗ trợ bởi nhiều công cụ phân tích và thiết kế kinh điển, vì vậy đa số phương pháp điều khiển quá trình hiện tại được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đều dựa trên mô hình đơn biến. Một số lớp mô hình đơn giản: là các khâu quán tính (bậc nhất, bậc hai, có trễ hoặc không trễ), quán tính - tích phân và dao động bậc hai. Tuy nhiên trong quá trình thực tế, sự tương tác chéo giữa các biến vào/ra gây nhiều khó khăn trong việc chỉnh định tham số của các bộ điều khiển. Với sự hỗ trợ của máy tính điều khiển hiệu năng cao, các phương pháp điều khiển hiện đại gần đây được quan tâm nhiều hơn và vì thế vai trò của mô hình đa biến ngày càng trở nên quan trọng. * Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên Quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng của một quá trình có thể thay đổi theo thời gian, theo điểm làm việc và theo tác động của nhiễu, nói chung là theo thời gian. Một mô hình có quan tâm phản ánh sự thay đổi này chắc chắn sẽ có các tham số phụ thuộc thời gian và được gọi là mô hình tham số biến thiên. Ngược lại, nếu sự phụ thuộc vào thời gian là không đáng kể hoặc ta chỉ quan tâm đến một khoảng thời gian ngắn thì có thể sử dụng mô hình tham số hằng. Hầu hết các phương pháp phân tích và thiết kế điều khiển quá trình chỉ dừng lại ở mô hình tham số hằng, chấp nhận sự bất định và tìm giải pháp theo hướng khác (điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững). Ở đây chỉ quan tâm tới các mô hình tuyến tính tham số hằng (LTI – Linear Time Invariant) * Mô hình tham số tập trung và tham số rải Giá trị của một biến không chỉ thay đổi theo thời gian mà còn thay đổi theo không gian. Tại một thời điểm nhất định giá trị đo phụ thuộc vào điểm đặt thiết bị đo. - Mô hình biểu diễn tính chất phân bố theo không gian được gọi là mô hình tham số rải (nhiệt độ tại phòng ) y = M (u,t,z) - Mô hình không quan tâm tới sự phân bố này được gọi là mô hình tham số tập trung y = M(u,t) * Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn - Mô hình liên tục (continuous-time model): mô tả quan hệ giữa các biến quá trình liên tục theo thời gian (các tín hiệu sử dụng trong mô hình là các hàm liên tục theo thời gian). (phương trình vi phân, mô hình trạng thái, mô hình đáp ứng quá độ, mô hình hàm truyền đạt, mô hình đáp ứng tần số) - Mô hình gián đoạn (discrete-time model): Chỉ phản ánh đặc tính quá trình tại những thời điểm nhất định (gọi là thời điểm quan sát) (Phương trình sai phân, mô hình trạng thái, mô hình đáp ứng quá độ, mô hình hàm truyền đạt gián đoạn) 1.3.1.3. Phương pháp xây dựng mô hình toán học - Mô hình hóa bằng lý thuyết: đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là phương trình vi phân và phương trình đại số. - Mô hình hóa bằng thực nghiệm (phương pháp hộp đen hay nhận dạng quá trình): Dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào-ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và tham số mô hình từ một lớp mô hình thích hợp. Cách thức xây dựng mô hình lý thuyết phụ thuộc rất nhiều vào quá trình cụ thể, đòi hỏi rất nhiều kinh nghiệm, công sức và thời gian. Thực tế khó có thể xây dựng được một mô hình lý thuyết phản ánh đầy đủ động học của quá trình. Phương pháp xây dựng mô hình bằng thực nghiệm có ưu điểm cho phép xác định tương đối chính xác các tham số mô hình trong trường hợp cấu trúc mô hình đã biết trước. Các công cụ phần mềm hỗ trợ rất mạnh chức năng nhận dạng trực tuyến cũng như ngoại tuyến. Tuy nhiên pp này phụ thuộc rất nhiều vào độ tin cậy của các phép đo, việc tiến hành thực nghiệm để lấy số liệu gặp nhiều khó khăn vì nhiều lý do như: khả năng thực thi, điều kiện rang buộc, ảnh hưởng của nhiễu. Phương pháp mô hình hóa tốt nhất là kết hợp giữa phân tích lý thuyết và nhận dạng quá trình. Phân tích quá trình để tìm ra cấu trúc của mô hình, sau đó tiến hành nhận dạng để xác định các tham số của mô hình. 1.3.1.4. Nhận dạng quá trình - 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. * Các bước tiến hành: - Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình. - Lựa chọn phương pháp nhận dạng - Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra. - Xác định các tham số mô hình - Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình * Phân loại phương pháp nhận dạng + Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động: - Nhận dạng chủ động: tín hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích (tín hiệu bậc thang, dao động điều hòa, xung ngẫu nhiên). - Nhận dạng bị động: Phương pháp chủ động có thể không khả thi đối với các hệ thống đang vận hành ổn định không cho phép bất cứ sự can thiệp nào ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Khi đó phải sử dụng các số liệu vào/ra vận hành thực và được gọi là phương pháp nhận dạng bị động + Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín - Nhận dạng vòng hở (open-loop identification): Mô hình của quá trình có thể được xác định một cách trực tiếp trên cơ sở tiến hành thực nghiệm và tính toán với các tín hiệu vào/ra của nó. Tuy nhiên, đối với các quá trình công nghiệp điều này gặp nhiều trở ngại vì việc chủ động đưa tín hiệu trực tiếp với biên độ lớn có thể làm cho các thông số của quá trình vượt quá giới hạn cho phép và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. - Nhận dạng vòng kín: Sử dụng bộ phản hồi đơn giản nhằm duy trì hệ thống trong một giới hạn cho phép. + Nhận dạng trực tuyến và nhận dạng ngoại tuyến: - Nhận dạng trực tuyến (online): Nếu mô hình cần xây dựng phục vụ chỉnh định trực tuyến và liên tục hoặc phục vụ tối ưu hóa thời gian thực hệ thống điều khiển, các tham số cần cập nhật liên tục. - Nhận dạng ngoại tuyến (off-line): Mô hình được tính toán tách biệt với quá trình thu thập dữ liệu . a. Các phương pháp nhận dạng dựa trên đáp ứng quá độ. Các loại đường cong đáp ứng quá độ tiêu biểu của các quá trình công nghiệp không có trễ. Có thể áp dụng một trong những phương pháp thích hợp dưới đây: - Đặc tính quán tính: có thể xấp xỉ thành mô hình quán tính bậc nhất hoặc bậc hai có trễ. - Đặc tính dao động tắt dần: Xấp xỉ thành mô hình dao động bậc hai. - Đặc tính tích phân: xấp xỉ thành mô hình quán tính bậc nhất hoặc bậc hai có trễ cộng thêm thành phần tích phân. * Mô hình quán tính bậc nhất có trễ Phần lớn các quá trình công nghiệp có đáp ứng quá độ nhanh tắt dần hình S. Một mô hình quán tính bậc cao là phù hợp nhất. Tuy nhiên một mô hình bậc cao thường gây khó khăn trong thiết kế các luật điều khiển đơn giản như PID. Để giải quyết vấn đề này có thể thực hiện phép xấp xỉ để đưa về mô hình quán tính bậc 1 với một khâu trễ Thời gian trễ thực của một hệ thống có thể xác định riêng rẽ và sau đó cộng với trễ xấp xỉ. Do đó chỉ cần quan tâm tới bài toán xấp xỉ một khâu quán tính bậc cao không có trễ về một mô hình quán tính bậc nhất có trễ FOPDT (first-order plus dead time). Mô hình FOPDT có hàm truyền đạt: s e s1 k )s(G θ− τ+ = Trong đó k là hệ số khuếch đại tĩnh; τ là hằng số thời gian (process lag); θ là thời gian trễ xấp xỉ. * Phương pháp kẻ tiếp tuyến (một điểm quy chiếu) - Kẻ đường tiệm cận với đường cong tại trạng thái xác lập để xác định hệ số khuếch đại k. - Kẻ tiếp tuyến tại điểm đường cong có độ dốc lớn nhất để xác định θ . - Xác định điểm trên đường cong tương ứng với giá trị 0.632 ∞ ∆y cho giá trị θ+τ (vì với khâu quán tính bậc nhất có trễ thì sau thời gian θ+τ thay đổi đầu ra đúng bằng 0.632 ∞ ∆y ) Có thể thấy, việc kẻ tiếp tuyến để ước lượng các tham số của mô hình mang tính cảm nhận chủ quan, thiếu chính xác và khó thực thi trên máy tính, vì thế trong thực tế ít sử dụng pp này. * PP hai điểm quy chiếu Để khắc phục một phần nhược điểm trên, có thể sử dụng pp hai điểm quy chiếu tương ứng các giá trị 0.283 ∞ ∆y và 0.632 ∞ ∆y )tt(5.1 12 −=τ τ−=−=θ 221 t)3/tt(5.1 [...]... v cỏc phn t trung gian Rle, cụng tct: - Là một khí cụ điện mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu vào đạt một giá trị nào đó Đặc tính vào/ra y y2 y1 x1 - x2 x Phân loại: Rơle điện từ, điện động ( sử dụng lực tơng tác giữa hai cuộn dây để đóng tiếp điểm), Rơle kiểu cảm ứng (công tơ điện), Rơle nhiệt * Rơle điện từ: - Khi cú dũng in chy trong cun dõy dũng in s sinh ra mt lc hỳt np lm úng . sau: )2(w/wy )1(www 1 21 = += Bài toán điều khiển quá trình hai vào hai ra này được tách thành hai bài toán điều khiển quá trình đơn biến có mô hình (1) và (2). Bài toán thứ nhất là điều khiển lưu. ra) ])t()t()t([)t( ini2i1i T ϕϕϕ=ϕ được gọi là vector hồi quy, và các phần tử của nó được gọi là biến hồi quy Bài toán nhận dạng được đưa về bài toán xác định các tham số của mô hình sao cho sai lệch giữa các giá trị quan.             ϕϕϕ ϕϕϕ ϕϕϕ =               ϕ ϕ ϕ =Φ )t()t()t( )t()t()t( )t()t()t( )t( )t( )t( NnN2N1 2n2221 1n1211 N T 2 T 1 T                  =ψ )t(y )t(y )t(y N 2 1  Có thể viết thành: ψ=θΦ Bài toán nhận dạng được biểu diễn thành bài toán tìm nghiệm “tối ưu” của hệ phương trình tuyến tính trên. * Ước lượng