Bài giảng Điều khiển quá trình - Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống gồm 3 phần trình bày các kiến thức: Thiết bị đo quá trình, thiết bị chấp hành và van điều khiển, thiết bị điều khiển. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Chương 123 © 2004, HỒNG MINH SƠN Điều khiển q trình Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nội dung chương 4.1 4.2 © 2004, HỒNG MINH SƠN 4.3 Thiết bị đo trình - Cấu trúc - Các đặc tính thiết bị đo Thiết bị chấp hành van điều khiển - Cấu trúc - Các đặc tính van điều khiển - Bộ định vị van Thiết bị điều khiển - Sơ lược thiết bị điều khiển công nghiệp - Bộ điều khiển hai vị trí - Các điều khiển P/PI/PID Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Cấu trúc HTĐKQT HỆ THỐNG VẬN HÀNH & GIÁM SÁT Tham số © 2004, HỒNG MINH SƠN Đầu vào Trạng thái THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN Đầu THIẾT BỊ CHẤP HÀNH THIẾT BỊ ĐO QUÁ TRÌNH KỸ THUẬT Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt © 2004, HỒNG MINH SƠN Ví dụ hệ thống ₫iều khiển nhiệt ₫ộ Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Các thành phần hệ thống Giá trị đặt (SP) Tín hiệu điều khiển (CO) Thiết bị điều khiển Tín hiệu đo (PM) Thiết bị chấp hành Thiết bị đo Biến điều khiển (MV) Quá trình Biến điều khiển (CV) Đại lượng đo Set Point (SP), Set Value (SV) Tín hiệu điều khiển Control Signal, Controller Output (CO) Biến điều khiển Control Variable, Manipulated Variable (MV) © 2004, HOÀNG MINH SƠN Giá trị đặt Biến điều khiển Controlled Variable (CV) Đại lượng đo Measured Variable, Process Value (PV) Tín hiệu đo Measured Signal, Process Measurement (PM) Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Chuẩn tín hiệu Tín hiệu tương tự: — Điện: 0-20mA, 4-20mA, 10-50mA, 0-5V, 1-5V, — Khí nén: 0.2-1bar (3-15 psig) Tín hiệu logic: — 0-5 VDC, 0-24 VDC, 110/120 VAC, 220/230 VAC, © 2004, HỒNG MINH SƠN Tín hiệu xung/số: — Tín hiệu điều chế độ rộng xung, tần số xung — Chuẩn bus trường: Foundation Fieldbus, Profibus-PA, — Chuẩn nối tiếp thông thường: RS-485, RS-422 Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 4.1 Thiết bị ₫o trình Sensor Đại lượng đo (Nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, ) Transducer Thiết bị đo Cảm biến Bộ chuyển đổi tín hiệu đo Transmitter Tín hiệu chuẩn (4-20mA, 0-10V, ) Tín hiệu bus Chỉ báo Indicator © 2004, HỒNG MINH SƠN Measurement device: Thiết bị đo Sensor: Cảm biến (vd cặp nhiệt, ống venturi, siêu âm, ) Sensor element: Cảm biến, phần tử cảm biến Signal conditioning: Điều hòa tín hiệu Transmitter: Bộ chuyển đổi đo chuẩn (điều hòa + truyền tín hiệu) Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng (vd áp suất-dịch chuyển, dịch chuyển-điện áp), sensor sensor + transmitter Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Lưu lượng kế Bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) © 2004, HỒNG MINH SƠN Thiết bị đo áp suất Cảm biến bên Cảm biến bên Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 4.1.1 Đặc tính vận hành Phạm vi đo dải đo Độ phân giải, dải chết độ nhạy Độ tin cậy Ảnh hưởng tác động mơi trường © 2004, HỒNG MINH SƠN Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Phạm vi ₫o (range) dải ₫o (span) Tm [mA] Dải tín hiệu = 16mA 20 16 12 Dải đo = 300oC © 2004, HỒNG MINH SƠN 100 Ngưỡng (Điểm không) 200 300 T [oC] 400 Ngưỡng VÍ DỤ Phạm vi đo (phạm vi đầu vào): 100-400oC Dải đo (dải đầu vào): 300oC Phạm vi đầu ra: 4-20mA Dải tín hiệu (dải đầu ra) 16m Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 10 4.3.3 Bộ ₫iều khiển PID thực Thuật toán xấp xỉ khâu vi phân Chống bão hòa tích phân Bộ điều khiển hai bậc tự Thuật toán số Chuyển chế độ Auto-Manual Lọc nhiễu © 2004, HỒNG MINH SƠN Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 67 Xấp xỉ khâu vi phân Khâu vi phân lý tưởng không thực khơng có tính nhân Thuật tốn xấp xỉ thông dụng ud (s) = kc τd s (r (s) − y(s)) τd s 1+ N — N trở thành tham số PID (N tăng làm tăng tác động vi phân) — Thông thường N chọn khoảng từ — 30 © 2004, HOÀNG MINH SƠN Sử dụng trọng số giá trị đặt (để tránh nhạy cảm với thay đổi giá trị đặt) ud (s) = kc τd s (cr (s) − y(s)) τd s 1+ N Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 68 Hiện tượng bão hòa tích phân (reset windup) Hiện tượng đầu điều chỉnh tiếp tục tăng mức giới hạn sai lệch điều khiển trở không Windup xảy khi: © 2004, HỒNG MINH SƠN — điều khiển có chứa thành phần tích phân — tín hiệu điều khiển bị hạn chế Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 69 © 2004, HỒNG MINH SƠN Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 70 Các biện pháp khắc phục (Antiwindup) Cắt bỏ thành phần tích phân giá trị điều khiển đạt tới giá trị đặt, loại trừ hoàn toàn tượng windup Giảm hệ số khuếch đầu điều chỉnh nằm giới hạn cho phép, tránh việc xảy tượng windup Theo dõi giá trị thực tín hiệu điều khiển bị giới hạn phản hồi điều chỉnh để giảm thành phần tích phân, hạn chế windup © 2004, HOÀNG MINH SƠN dui k = c e + (ub − u ) dt τi τt Đặt khâu giới hạn đầu điều chỉnh PID để mơ đặc tính phi tuyến phần tử chấp hành, sử dụng thuật toán bù giống phương pháp Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 71 © 2004, HỒNG MINH SƠN Chống bão hòa tích phân dui k = c e+ (ub − u ) τi τt dt Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 72 Bộ ĐK bậc tự - trọng số giá trị ₫ặt Bộ điều chỉnh hai bậc tự © 2004, HỒNG MINH SƠN b có vai trò làm mềm q trình độ ⎛ ⎞⎟ τd s + u = kc (b − 1)r + kc ⎜⎜⎜ 1+ ⎟⎟(r − y ) ⎝ τi s + τd s / N ⎠ ⎛ ⎞⎟ τd s ⎜ = kc ⎜⎜br − y + (r − y ) + (r − y ) ⎟⎟ ⎝ ⎠ τi s + τd s / N Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 73 © 2004, HỒNG MINH SƠN Cấu trúc PID thực theo chuẩn ISA ⎛ ⎞⎟ τd s ⎜ u = kc ⎜⎜br − y + (r − y ) + (cr − y) ⎟⎟ τi s + τd s / N ⎝ ⎠ ⎛ ⎞⎟ τd s K (s) = kc ⎜⎜⎜ + + ⎟ ⎝ τi s + τd s / N ⎟⎠ + (b τi + τd N ) s + τi τd (c + b N ) s P (s ) = + ( τi + τd N ) s + τi τd ( + N ) s Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 74 Lưu ý PID theo chuẩn ISA Cấu trúc theo chuẩn ISA tương đương với cấu trúc minh họa Hình 6-28 trường hợp c = K(s) là hàm truyền đạt PID thực bậc tự Do tham số chỉnh định nhiều phương pháp nghiên cứu © 2004, HỒNG MINH SƠN P(s) đóng vai trò khâu lọc trước giúp mềm hóa đáp ứng độ với giá trị đặt — Nếu N đặt cố định sau chỉnh định K(s) b c thay đổi điểm không P(s) — Khi K(s) chỉnh định tốt cho mục đích ổn định hệ thống đáp ứng với nhiễu, ta chỉnh định tham số b c để cải thiện chất lượng đáp ứng với giá trị đặt Khi b = c = 1, P(s) trở thành khâu khuếch đại đơn vị Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 75 Thuật toán PID số u p (t ) = kc (br (t ) − y(t )) Thành phần tỉ lệ: Xấp xỉ thành phần tích phân (T chu kỳ trích mẫu) k ui (t ) = c τi t ∫0 e(τ )d τ ≈ ui (t − T ) + kcT e(t ) τi © 2004, HOÀNG MINH SƠN Hoặc kcT ui (t ) ≈ ui (t − T ) + (e(t ) + e(t − T ) ) 2ti Xấp xỉ thành phần vi phân cải tiến: τd dud + ud = −kc τd dy N dt dt d u(t ) u(t ) − e(t − T ) ≈ dt T τd kτ N ud (t ) = ud (t − T ) − c d (y(t ) − y(t − T )) τd + NT τd + NT Thuật toán điều khiển: u(t ) = u + u p (t ) + ui (t ) + ud (t ) Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 76 Chuyển chế ₫ộ AutManual © 2004, HỒNG MINH SƠN Vấn đề: Khi chuyển từ chế độ tay sang tự động ngược lại, tín hiệu điều khiển thay đổi lớn gây dao động mạnh => yêu cầu “bumpless transfer” Trong vận hành tay, cho điều khiển PID làm việc chế độ bám (tracking mode), cập nhật trạng thái điều khiển => kết tính tốn tự động xấp xỉ giá trị đưa tay chuyển từ chế độ M sang chế độ A diễn hoàn toàn trơn tru Trước chuyển từ chế độ A sang chế độ M, đặt giá trị đưa tay tín hiệu điều khiển Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 77 Lọc nhiễu ₫o (lọc số) y f (t ) = f y(t ) + (1 − f ) y f (t − h ) Lọc nhiễu giảm ảnh hưởng nhiễu đo cách lấy giá trị trung bình xấp xỉ Đặc tính động học khâu lọc nhiễu cần quan tâm vòng điều chỉnh © 2004, HỒNG MINH SƠN Sử dụng khâu lọc cần thiết cách thay đổi hệ số f (0-1) Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 78 Filtered Temperature © 2004, HỒNG MINH SƠN Minh họa ₫ặc tính ₫áp ứng hệ hở với khâu lọc f=0.3 f=0.2 20 f=0.1 40 60 Time (seconds) Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com 80 100 © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 79 Đặc tính ₫iều khiển khơng có khâu lọc Product Temperature © 2004, HỒNG MINH SƠN Manipulated Variable Time Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 80 Đặc tính ₫iều khiển có khâu lọc Product Temperature © 2004, HỒNG MINH SƠN Manipulated Variable Time Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 81 ... Thiết bị điều khiển - Sơ lược thiết bị điều khiển công nghiệp - Bộ điều khiển hai vị trí - Các điều khiển P/PI/PID Chương 4: Đặc tính thành phần hệ thống CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt...Nội dung chương 4.1 4.2 © 2004, HỒNG MINH SƠN 4.3 Thiết bị đo trình - Cấu trúc - Các đặc tính thiết bị đo Thiết bị chấp hành van điều khiển - Cấu trúc - Các đặc tính van điều khiển - Bộ định... https://fb.com/tailieudientucntt Các thành phần hệ thống Giá trị đặt (SP) Tín hiệu điều khiển (CO) Thiết bị điều khiển Tín hiệu đo (PM) Thiết bị chấp hành Thiết bị đo Biến điều khiển (MV) Quá trình Biến điều khiển (CV)