Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT

Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 605260

Học viên: Dương Mạnh Hòa

Giáo viên hướng dẫn: TS Võ Quang Vinh

Thái nguyên năm 2009

1.1 Giới thiệu chung ………10

1.1.1 Điều khiển quá trình 10

1.1.2 Các tính chất của hệ điều khiển quá trình ……… 11

1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình……… 15

2.2 Các phương pháp điều khiển cơ bản 24

2.2.1 Phương pháp điều khiển truyền thẳng……… 24

2.2.2 Phương pháp điều khiển phản hồi………31

2.2.3 Phương pháp điều khiển tỉ lệ ……….41

1.2.4 Phương pháp điều khiển tầng ……….47

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.2.5 Phương pháp điều khiển suy diÔn………… .50

2.2.6 Phương pháp điều khiển lựa chọn……… 51

2.2.7 Phương pháp điều khiển …….……… 52

2.3 Các phương pháp điều khiển hiện đại 53

2.3.1 Phương pháp điều khiển thích nghi 53

2.3.1.1Khái niệm chung của hệ thống điều khiển thích nghi 53

2.3.1.2 điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp 55

2.3.1.3 Hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh 59

2.3.2 Phương pháp điều khiển mờ 61

2.3.2.1Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 62

Hình 1.5: Van tiết lưu

Hình 1.6: Van tiết lưu cân bằng áp hình 1.7 van servo con trượt

Hình1.8: Van servo tấm chắn Hình 1.9: Can nhiệt điện

Hình1.10: Cấu trúc hệ thống đo áp suất tự động

Chương 2 : Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại

điều khiển quá trình

Hình2.1.Cấu trúc tổng quat của hệ điều khiển truyền thẳng Hình2.2 Cấu hình nối tiếp và cấu hình song song

Hình 2.3Đặc tính điều khiển cho ví dụ2.1

Hình 2.4 Đièu khiển mức sách lược truyền thẳng Hình 2.5 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước

Hình 2.6 Cấu trúc tổng quat của hệ điều khiển phản hồi Hình 2.7 Hai cấu hình điều khiển phản hồi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.8.Đièu khiển mức sách lược phản hồi

Hình 2.9 Mô phỏng điều khiển mức với hệ số kc khác nhau Hình 2.10 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ

Hình2.11 Hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu Hình 2.12 hai cấu trúc của điều khiển tầng

Hình 2.13 sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi

Hình 2.14 sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp Hình 2.16 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn Hình 2.17 Hệ thông điều khiển thích nghi tự chỉnh

Hình 2.18 sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ Hình 2.19 Hệ điều khiển mờ theo luật PI Hình 2.20 Hệ điều khiển mờ theo luật PD Hình 2.21 Hệ điều khiển mờ PID

Hình 2.22 Các vùng tác động của FLC và PID Hình 2.23 vùng tác động của các bộ điều chỉnh PID

Chương 3 : Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình

gia nhiệt

Hình 3.1 Mụ hỡnh hệ thống

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển Hình 3.3 Cấu trúc van nước lạnh Hình 3.4 Cấu trúc van nước nóng Hình 3.5 Khâu lưu tốc đặt trước

Hình 3.6 Khâu nhệt độ đặt trước

Hình 4.1 Lưu tốc dòng nước Hình 4.2 Nhiệt độ bồn nước Hình 4.3 Van nước lạnh Hình 4.4 Van nước nóng

Chương 4 Mô phỏng hệ thống

Hình 4.1Tạo lập cỏc hàm liờn thuộc cho biến vào Hình 4.2 Tạo lập các hàm liên thuộc cho biến ra Hình 4.3luật điều khiển trong không gian

Hình 4.4 Sơ đồ SimulinK Hình 4.5 Đáp ứng nhiệt độ Hình 4.6 Đáp ứng lưu tốc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Lời nói đầu

Điều khiển quá trình là một lĩnh vực quan trọng của kĩ thuật điều khiển

trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất( gọi chung là công nghiệp

chế biến, process industry).Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối

chặt chẽ nền tảng của lý thuyết diều khiển tự động với các bài toán của quá trình công nghệ Phạm vi đề cập cụ thể ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng là quá trình công nghệ Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới nhưng luôn chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp.Khác với những nghàng công nghiệp chế tạo, ngày nay bất cứ một nhà máy xi măng, một nhà máy điện hay một nhà máy lọc dầu nào cũng không thể vận hành được nếu thiếu hệ thống điều khiển tự động Quá trình toàn cầu hóa gần đây tạo ra nhiều thị trường tiêu dùng mới, đồng thời gia tăng sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa nhiều tập đoàn sản xuất Các doanh nghiệp buộc phải nâng cao mức độ tự động hóa dây chuyền sản xuất để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản xuất Sức ép giảm sử dụng nguyên liệu thô (yêu cầu tái chế), giảm tiêu thụ nhiên liệu và khả năng thích ứng nhanh với yêu cầu thị trường buộc các kĩ sư phải đưa ra những thiết kế quá trình công nghệ mới thích hợp hơn, nhưng đồng thời cũng đặt ra những yêu cầu cao hơn cho hệ thống điều khiển tự động và cho những người kĩ sư thiết kế điều khiển nhìn từ một góc độ khác, những tiến bộ về công nghệ thiết bị điều khiển( DCS, PLC/HMI, IPC, bus trường,…) ngày càng tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc cài đặt các sách lược và thuật toán điều khiển tiên

tiến.một điều đáng nói là trong khi công nghệ sản xuất hoặc công nghệ thiết bị điều khiển có thể lạc hậu chỉ sau 10-15năm, cơ sở phương pháp luận cho thiết kế hệ thống điều khiển quá trình vẫn giữ nguyên giá trị sau hàng nửa thế kỉ-tất nhiên được bổ sung và phát triển trên một tầm cao mới Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển quá trình gia nhiệt là một vấn đề hết sức quan trọng và cấp thiết

Do vậy, tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đaị để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt " với mục đích

nghiên cứu như sau:

1 Nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại điều khiển quá trình gia nhiệt

2 Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ điều khiển nhiệt độ và lưu tốc bồn nước

Từ đó, đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề chính, được chia thành 3 chương như sau:

Chương 1 Mở đầu

Chương này nghiên cứu các kiến thức chung về điều khiển quá trình, cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình, các thiết bị trong hệ thống điều khiển quá trình

Chương 2:Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển

quá trình

Chương này nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại,

phân tích thế mạnh của nó từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển cho quá trình gia nhiệt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chương 3 Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009

Dương Mạnh Hoà

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn được xây dựng hoàn toàn là do bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo và tham khảo các tài liệu đã được trích dẫn

Học viên

Dương Mạnh Hoà

Chương1: mở đầu 1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Khái niệm và đặc tính chung của Điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình là sự thao tác những điều kiện của quá trình để làm xảy ra những thay đổi mong muốn trong những đặc tính đầu ra của quá trình

Trong thực tế thì điều khiển quá trình thường được xem như điều khiển các thông số như: nhiệt độ (t0), áp suất (P), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ (pH), định lượng và thậm chí cả điều khiển phản ứng v.v Việc điều khiển các đại lượng này thường gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có những đặc tính:

Những đặc điểm của quá trình:

Thường được thể hiện dưới 4 đặc tính sau:

- Thời gian chết quá trình: Đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi trong tín hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển quá trình và đáp ứng của tín hiệu Hiện tượng này luôn luôn không phân biệt dạng của tín hiệu được dùng Ngoài ra nó còn được biết đến như: trễ thuần tuý, trễ vận tải, hoặc trễ khoảng cách - vận tốc

- Trễ quá trình: Vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng lượng một cách liên tục Qua đó ta có trễ bậc một hoặc trễ bậc cao

- Hệ số khuyếch đại quá trình: Hệ số khuyếch đại của quá trình được xác định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi đầu vào

- Nhiễu quá trình: Là những sự thay đổi mong muốn xảy ra trong quá trình, nó có xu hướng ảnh hưởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển

Khi nghiên cứu điều khiển quá trình thì việc tổng hợp mạch vòng điều khiển thường gặp khó khăn vì:

- Hệ thống có thông số rải

- Trong quá trình hoạt động, không những cấu trúc của hệ thay đổi (dẫn đến hàm truyền của hệ thay đổi) mà còn cả thông số của hệ cũng thay đổi

- Tính phi tuyến cũng như tính tương tác rất lớn

1.1.2 Các tính chất cơ bản của điều khiển quá trình

Khi xây dựng hệ thống điều khiển, nhiệm vụ cơ bản được đặt ra là phải nghiên cứu được tính chất của quá trình (đối tượng điều khiển) Các thông tin về quá trình thu thập được càng đầy đủ thì việc tổng hợp hệ thống điều khiển tự động càng đơn giản và quá trình điều chỉnh càng dễ đạt độ chính xác cao Việc nghiên cứu quá trình phải xuất phát từ việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình Các hiện tượng này luôn liên quan đến dòng vật chất hay năng lượng chảy vào E1 và chảy ra E0 từ quá trình tạo nên môi trường hoạt động của quá trình Khi E1 = E0 các hiện tượng trong quá trình tồn tại ở trạng thái dừng, quá trình ở trạng thái cân bằng Khi E1  E0 sẽ tồn tại sự vận động trong môi trường hoạt động của quá trình Giá trị E = E1 - E0 được gọi là tác động nhiễu lên quá trình Nó là đại lượng đặc trưng cho tác động vào của quá trình Năng lượng hoặc vật chất sẽ được tích luỹ hay chuyển hoá trong lòng quá trình Các hiện tượng này được phản ánh thông qua một số thông số kỹ thuật của quá trình và được gọi là tín hiệu ra của quá trình Thông số kỹ thuật đặc trưng nhất cho các hiện tượng xảy ra trong quá trình được chọn làm đại lượng cần điều chỉnh y Tác động ảnh hưởng lớn nhất lên đại lượng cần điều chỉnh được sử dụng làm tác động điều chỉnh u

GC(s) u(s) GP(s) y(s) e(s)

ysp(s)

Controller Process

-

Hai tính chất cơ bản của quá trình là khả năng tích luỹ hay còn gọi là tính dung lượng và tính tự cân bằng Nghiên cứu bản chất vật lý của quá trình chính là nghiên cứu các tính chất của nó

a Tính dung lượng

Các quá trình điều khiển luôn luôn là khả năng tích luỹ môi trường hoạt động, dự trữ nó trong lòng Khả năng đó được gọi là khả năng tích luỹ của quá trình hay còn gọi là dung lượng của quá trình Quá trình có dung lượng càng nhỏ thì tốc độ thay đổi của đại lượng cần điều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân bằng giữa dòng ra và dòng vào dẫn đến quá trình điều chỉnh càng phức tạp Ngược lại dung lượng của quá trình càng lớn thì tốc độ thay đổi của đại lượng cần điều chỉnh càng nhỏ, quá trình điều chỉnh càng đơn giản

b Tính tự cân bằng

Tính tự cân bằng là khả năng của quá trình sau khi có nhiễu tác động phá vỡ trạng thái cân bằng của nó thì nó sẽ tự hiệu chỉnh trở lại trạng thái cân bằng mà không tĩnh Quá trình không có tính tự cân bằng được gọi là quá trình phi tĩnh

c Mô tả đặc tính động học của quá trình

Là một phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động, đặc tính động học của quá trình (đối tượng điều khiển) cần được xác định tường minh dưới dạng mô tả toán học (ngoại trừ trường hợp điều khiển mờ thì đối tượng không nhất thiết phải được mô tả tường minh dưới dạng toán học)

Đối với các quá trình phức tạp, đây là đặc trưng của các quá trình trong công nghiệp, việc xác định mô tả toán học của nó không thể tiến hành theo phương pháp giải tích bình thường mà phải tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm Đặc tính động học của quá trình này được biểu diễn dưới dạng các đặc tính thời gian

Trên cơ sở hàm quá độ của quá trình có thể xác định gần đúng hàm truyền đạt của nó Do quá trình có hai loại cơ bản là quá trình có tính tự cân bằng và quá trình không có tính tự cân bằng nên thường việc xác định hàm truyền đạt cho hai loại này cũng khác nhau

KP - hệ số truyền của quá trình

P - thời gian trễ, còn gọi là trễ vận chuyển

- Khi khâu tĩnh là khâu quán tính bậc nhất thì quá trình có hàm truyền đạt dạng:

 Trong đó:  được gọi là trễ dung lượng

- Khâu tĩnh có hàm bậc hai và bậc hai có trễ thường ít gặp hơn trong các bài toán điều khiển

* Quá trình không có tính tự cân bằng

Quá trình mà trong cấu trúc của nó có thành phần tích phân thì sẽ không có tính tự cân bằng Hàm quá độ của nó tiến xa vô cùng Hàm truyền đạt của các quá trình không có tính tự cân bằng được mô tả dưới dạng tổng quát như sau:

Trong đó: KP - hệ số truyền của quá trình

Trong thực tế hàm truyền đạt của quá trình không có tính tự cân bằng được mô tả gần đúng bằng một trong 4 dạng sau:

1G (s)

KG (s)

 

 

1.2 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình

Hình 1.5 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình

1.2.1 Cơ cấu chấp hành

1.2.1.1 Van

*Van tiết lưu:

Là van điều khiển lưu lượng được minh hoạ trên hình 1.4 Đây là một dạng van kim với đầu côn để có thể điều chỉnh được lưu lượng đi đến xi lanh hay động cơ thuỷ lực Chính vì vậy có thể điều khiển được tốc độ của xilanh thuỷ lực Nhược điểm của van này là khi tải tăng, tốc độ của pittông trong xilanh giảm làm cho áp tăng Chênh lệch áp từ bơm và đầu ra của van kim giảm dẫn đến lưu lượng giảm Để giữ cho tốc độ pittông không đổi phải tăng áp của bơm Để khắc phục nhược điểm này người ta thiết kế ra loại van tiết lưu cân bằng áp hình 1.6

Khi có tải lớn áp trên đầu của van tăng, đẩy con trượt xuống dưới và mở rộng cửa vào cho chất lỏng, cho lưu lượng qua van kim nhiều hơn Như vậy chênh lệch áp được đảm bảo và tốc độ dịch chuyển của pittông không thay đổi * Van servo

Là van có nhiều bậc khuyếch đại, mà bậc cuối cùng là các van con trượt Van servo có ba loại: van servo con trượt, van tấm chắn và van vòi phun Các van này có cấu tạo đặc biệt hơn các van thông thường ở chỗ bên trong nó có hệ

Hình 1.5: Van tiết lưu

Hình 1.6: Van tiết lưu cân bằng áp

thống tự điều chỉnh để có thể đạt vị trí chính xác và đạt tốc độ yêu cầu Van servo có hai tầng (hình 1.7) Tầng thứ nhất là van lái hướng dòng chất lỏng đến con trượt Chuyển động của con trượt chính được điều khiển bởi mômen kéo do cơ cấu quay gắn với con trượt sinh ra Cơ cấu quay có thể được nối với tấm chắn để đóng hay mở các cửa, làm cho áp lực đẩy con trượt thay đổi vị trí theo tín hiệu điều khiển Đối với van servo tấm chắn và van servo vòi phun thì lưu lượng qua van tỉ lệ với áp suất ra

Con tr-ît ®iÒu khiÓn

Con tr-ît chÝnhC¬ cÊu ®Èy kÐo

Hình 1.8 mô tả cấu tạo của van servo tấm chắn Tấm chắn nằm giữa hai vòi phun gắn với hai đường cấp dầu vào con trượt chính Khi cơ cấu kéo đẩy đẩy tấm chắn về phía nào thì áp lực phía ấy tăng lên, đẩy con trượt về phía áp thấp Khi van ở vị trí không làm việc thì hai vòi phun đẩy tấm chắn về vị trí cân bằng

Vòi phun

Tấm chắn

Hình1.8: Van servo tấm chắn

Vòi phun

1.2.1.2 Động cơ điện và các cơ cấu điện từ

Động cơ điện là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng (chuyển động tròn xoay) Phần quay của động cơ được gọi là roto hay phần cảm Roto thường không cần nối với nguồn điện Trên rôto có thể có dây dẫn hay nam châm vĩnh cửu hoặc hợp kim đặc biệt tuỳ theo từ tính của chúng Một số roto có cuộn dây bằng đồng nối với nguồn điện bằng các vòng trượt Thiết bị khống chế chiều dòng điện qua rôto còn gọi là cổ góp Cổ góp có các cặp chổi than lắp cố định trên vỏ động cơ, dẫn điện đến phần chuyển động của nó Rôto được đỡ trên các ổ bi Các ổ bi hướng kính là loại thông dụng, cần phải được bôi trơn định kỳ Một số động cơ nhỏ sử dụng bạc đồng bôi trơn bằng dầu thay cho các ổ bi

Phần đứng yên của động cơ hay còn gọi là stato cấp từ trường chính để làm động cơ hoạt động Từ trường này có thể tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện Phần lớn các động cơ chỉ cần nối với điện lưới là có thể hoạt động được Một số động cơ có độ chính xác cao thường phải có một thiết bị đi kèm đó là thiết bị điều khiển động cơ Trong số đó có hai loại sau:

- Động cơ có tốc độ, vị trí và mômen kéo cần được điều khiển chính xác - Các động cơ công suất lớn, phải khởi động từng bước để dòng xung kích không phá hỏng động cơ

Trong các hệ thống tự động thì tín hiệu điều khiển đến thiết bị điều khiển động cơ nhằm đạt tốc độ hay vị trí yêu cầu Tín hiệu điều khiển là tín hiệu tương tự một chiều từ thiết bị điều khiển rôbốt, PLC, thiết bị điều khiển trạm hay máy tính chủ

Các động cơ sử dụng để điều khiển vị trí và tốc độ có kèm theo bên trong nó các cảm biến vị trí và tốc độ được gọi là động cơ servo

1.2.2 Các cảm biến:

19 Dương Mạnh Hoà

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trong tất cả các hệ thống tự động, thiết bị tiếp nhận thông tin về diễn biến của môi trường và về diễn biến của các đại lượng vật lý bên trong hệ thống được gọi là cảm biến (sensor)

1.2.2.1 Các cảm biến đo nhiệt độ

* Cặp nhiệt điện

Là cảm biến đo nhiệt độ, chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện dựa trên hiện tượng nhiệt điện Khi có sự chênh lệch nhiệt điện ở hai đầu nối của hai dây dẫn bằng kim loại khác nhau làm xuất hiện một sức điện động Nhiệt độ tăng làm tăng sức điện động (điện áp) ra trên cặp kim loại cấu tạo nên nó Để thuận tiện cho người sử dụng các cặp nhiệt điện được chế tạo sẵn dưới dạng các can nhiệt điện Miền đo của can nhiệt điện phụ thuộc vào vật liệu chế tạo Đối với can nhiệt đồng/vàng-côban có thể đo được từ -

2700C đến 27000

C

Can nhiệt điện có sơ đồ cấu trúc được mô tả trong hình 1.9 Đầu làm việc 1 của hai dây điện cực nhiệt được hàn chặt vào nhau Các dây điện cực được lồng vào trong ống cách điện 2 Hai đầu

5

3

2

1 6

7

4

tự do của hai dây điện cực nhiệt được gắn các cốt nối 3 thuận tiện cho việc ghép nối với bên ngoài Vỏ bảo vệ 4 ngăn cản sự xâm thực của môi trường đo lên các dây điện cực nhiệt Vỏ bảo vệ 4 được gắn chặt lên đầu nối 5 của can nhiệt điện Hệ thống hai dây điện cực, ống cách điện 2 và cốt nối 3 cũng được gắn chặt lên đầu nối 5 qua tấm lót cách điện 6 Tấm lót cách điện 6 còn đóng vai trò ngăn cản nước xâm nhập vàp trong lòng can nhiệt điện, 7 là nắp đậy Can nhiệt điện chế tạo nhiều loại khác nhau Chiều dài của can cũng rất đa dạng đáp ứng được nhu cầu sử dụng Can nhiệt điện có chiều dài lớn nhất là 2m Đường kính dây điện cực nhiệt lớn nhất là 3mm

Để đo được nhiệt độ thì đầu tự do của cặp nhiệt điện phải có nhiệt độ ổn định, cách xa các bề mặt được đốt nóng Thông thường đầu tự do của cặp nhiệt điện phải đưa về phòng điều khiển trung tâm để ghép nối với thiết bị đo qua dây dẫn bù

Sơ đồ hệ thống nối cặp nhiệt điện với thiết bị đo trong công nghiệp:

* Nhiệt điện trở (Thermistor)

Là loại cảm biến nhiệt độ mà khi nhiệt độ tăng thì điện trở lại giảm Nhiệt điện trở có độ phân giải cao hơn độ phân giải của điện trở kim loại khoảng 10 lần Các nhiệt điện trở thông thường được chế tạo từ các ôxit bán dẫn đa tinh thể Miền đo phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, có thể từ -2730C đến 3000

C

1.2.2.2 Các cảm biến đo áp suất và lưu lượng

* Cảm biến đo áp suất

Đo áp suất là đo lực tác dụng trong môi trường đàn hồi Các cảm biến áp suất đo chênh lệch áp suất giữa hai vùng kế cận nhau Thường là một môi trường

TBĐ

t A

B

eAB(t)

A1 B1

eA1B1(t)

chất lỏng và một là môi trường không khí Các cảm biến áp suất đo khả năng mà áp suất vùng đo có thể làm chuyển dịch tải trọng giữ nó lại trong môi trường không khí Có một số cảm biến áp suất có hai đầu vào nối hai nguồn áp suất khác nhau để đo chênh lệch áp các cảm biến sử dụng dạng phần tử biến dạng thông dụng như ống bourdon, màng đàn hồi, hộp biến dạng, lò xo ống dạng sóng hay ống hình trụ có thể chỉ thị trực tiếp áp suất trên các thang khắc vạch, nói cách khác các phần tử này thể hiện một dịch chuyển vị trí tương đương với áp suất

Khi sử dụng trong hệ thống tự động bắt buộc các cảm biến loại này phải trang bị thêm cơ cấu chuyển đổi tín hiệu vị trí thành tín hiệu áp lực tương đương Cấu trúc của một hệ thống đo áp suất tự động được mô tả trong hình 1.10

Hệ thống gồm ba thành phần: cảm biến đo, chuyển đổi đo và chỉ thị đo Vai trò cảm biến đo là nhận tín hiệu áp suất P và chuyển đổi sang dạng tín hiệu khác Phần lớn các cảm biến đo áp suất đều có tín hiệu ra dưới dạng dịch chuyển cơ học Chuyển đổi đo làm nhiệm vụ chuyển độ dịch chuyển cơ học sang dạng tín hiệu điện hay tín hiệu áp suất khí nén để truyền về cho thiết bị chỉ thị đo thường đặt ở phòng điều khiển trung tâm

* Cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi

Một trong những phương pháp khá phổ biến để đo lưu lượng dịch thể chất khí và hơi quá nhiệt chảy trong đường ống là hiệu áp suất hai bên thiết bị thu hẹp Thiết bị thu hẹp đóng vai trò cảm biến đo, được đặt trong đường ống tạo

nên điểm thắt dòng chảy cục bộ trong đường ống dẫn Như vậy tại vị trí đặt thiết bị thu hẹp tốc độ của dòng chảy tăng lên Động năng tăng sẽ dẫn đến thế năng của dòng chảy giảm xuống Tại vùng đặt thiết bị thu hẹp sẽ có hiện tượng chuyển đổi thế năng sang động năng của dòng chảy Trước thiết bị thu hẹp áp suất đột ngột tăng, sau khe hẹp áp suất đột ngột giảm Hai bên thiết bị thu hẹp sẽ xuất hiện áp suất P phụ thuộc vào lưu lượng của dòng chảy

Trong đó K phụ thuộc vào thiết diện khe hở

Hệ thống đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi bao gồm: cảm biến đo là thiết bị thu hẹp chuyển tín hiệu lưu lượng q sang hiệu áp suất P Thiết bị

một chiều (0  5mA; 0  20mA; 4  20mA) Ưu điểm của tín hiệu dòng là có thể truyền đi xa mà không bị tổn thất trên đường dẫn Phần tử thứ 3 trong hệ thống là bộ xử lý tín hiệu III Bộ xử lý này thực hiện chức năng đầu tiên là chuyển tín

Bước thứ hai là xác định giá trị lưu lượng tức thời q trên cơ sở điện áp U và các thông số các công thức tính lưu lượng Đồng thời nó cũng tính tổng lượng vật chất chảy qua đường ống theo công thức tích phân:

cảm biến chịu biến dạng kéo có cùng điện trở (R - R) và hai cảm biến còn lại

loại với những giới hạn khác nhau Trong giới hạn làm việc đặc tính của load cell được xem là tuyến tính Khi sử dụng load cell cần phải biết giới hạn đo, các điều kiện làm việc, điện áp nguồn cung cấp và độ nhạy của load cell

1.3 Đặc điểm Điều khiển quá trình gia nhiệt

Quá trình gia nhiệt là một bài toán tiêu biểu của điều khiển quá trình Được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy hoá chất , công nghệ thực phẩm đồ uống vv

Minh họa sách lược điều khiển qóa tr×nh gia nhiệt Nhiệt độ ra của dòng quá trình được thiết bị đo và chuyển đồi đưa tới bộ điều khiển nhiệt độ Dựa vào sai lệch giữa giá trị đặt và nhiệt độ đo được, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu điều chỉnh bộ mở van cấp nước qua đó điều chỉnh lại nhiệt độ ra Nguyên lý điều khiển qu¸ tr×nh gia nhiÖt được giải thích một cách sơ lược như sau Giả sử vì một lý do nào đó mà nhiệt độ ra đo được nhỏ hơn giá trị đặt, ví dụ đo giá trị đặt hoặc lưu lượng dòng quá trình tăng lên, bộ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để tăng lưu lượng hơi nước Thuật toán điều khiển đơn giản nhất là đưa ra tác động điều khiển tỉ lệ với sai lệch quan sát được :

Tất nhiên, giá trị lưu lượng cần bù thêm sẽ được biểu diễn qua tín hiệu điều khiển đưa xuống van Nhiệt độ chênh lệch càng lớn, tín hiệu điều khiển cũng càng lớn, van điều khiển mở càng nhiều và lưu lượng nước sẽ càng được tăng lên Chừng nào còn tồn tại sai lệch điều khiển thì lưu lượng nước còn được thay đổi Nhờ vậy sau một thời gian nhiệt độ đầu ra được đưa tới gần với giá trị đặt Trường hợp ngược lại, khi nhiệt độ đầu ra lớn hơn giá trị đặt cũng được sö lý cùng thuật toán, không cần phân biệt

Trong cấu hình điều khiển một bậc tự do, bộ điều khiển thực hiện luật điều khiển dựa trên sai lệch giữa giá trị quan sát được của biên được điều khiển với giá trị đặt Ví dụ, luật tỉ lệ trong thuật toán PID đưa ra các giá trị biến điều khiển tỉ lệ với sai lệch điều khiển, luật tích phân dựa trên giá trị tích phân và luật vi phân dựa trên đạo hàm của sai lệch điều khiển Bộ điều khiển chỉ tính toán đầu ra của nó dựa theo sai lệch, không phân biệt sai lệch đó là do nhiễu quá trình hay do thay đổi giá trị đặt gây ra Nói cách khác, trong hầu hết trường hợp ta khó có thể chỉnh định bộ điều khiển để thỏa mãn đồng thời yêu cầu đáp ứng bám giá trị đặt và đáp ứng loại bỏ nhiễu Vấn đề này sẽ được phân tích sâu hơn sau này

1.4.Kết luận

ở chương 1 chúng ta đã đưa ra được khái niệm chung về điều khiển quá trình, các đặc điểm tính chất của hệ điều khiển quá trình Bước đầu đã xây dựng được cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình bao gồm thiết bị điều khiển , thiết bị đo và cơ cấu chấp hành Đã giới thiệu được một số các thiết bị điển hình Vấn đề đặt ra là có những phương pháp điều khiển nào để thực hiện điều khiển quá trình một cách tối ưu nhất Vấn đề này sẽ được giả quyết trong chương 2

Chương 2: tổng quan về cỏc phương phỏp

điều khiển hiện đại điều khiển quỏ trỡnh

2.1.Đặt vấn đề

Bất cứ một hệ thống điều chỉnh nào cũng đũi hỏi chớnh xỏc tớn hiệu điều khiển trong chế độ xỏc lập, tựa xỏc lập và quỏ độ Trong thực tế cú nhiều cỏc phương phỏp điờự khiển quỏ trinh song ta sẽ đi vào nghiờn cứu một số cỏc phương phỏp điều khiển cơ bản và hiện đại từ đú tiến hành phõn tớch cỏc ưu nhược điểm nổi bật của phương phỏp điều khiển và lựa chon phương phỏp điều khiển nõng cao chất lượng hệ điều khiển quỏ trỡnh

2.2.Cỏc phương phỏp điều khiển cơ bản

2.2.1 Điều khiển truyền thẳng

2.2.1.1Cấu trỳc cơ bản và bộ điều khiển lý tưởng

Cấu trỳc tổng quỏt của điều khiển truyền thẳng được minh họa trờn hỡnh 2.1

Bộ điều khiển

biến điềukhiểnbiến chủ đạo

(giá trị đặt)

nhiễu quá trình

biến cầnđiều khiển

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quán của điều khiển truyền thẳng

Đặc điểm cơ bản của điều khiển truyền thẳng là số biến nhiếu quỏ trỡnh được đo và đưa tới bộ điều khiển Dựa trờn cỏc giỏ trị đo được cựng với giỏ trị đặt, bộ điều khiển tớnh toỏn đưa ra giỏ trị cho biến điều khiển Nếu đặc tớnh đỏp

ứng của quỏ trỡnh với biến điều khiển cũng như với nhiễu biết trước, bộ điều khiển cú thể thực hiện thuật toỏn bự trước sao cho giỏ trị được điều khiển đỳng bằng giỏ trị đặt

Hai cấu trỳc thực hiện cụ thể được minh họa qua sơ đồ khối trờn hỡnh 2-2, trong đú cỏc mụ hỡnh thụng thường được đưa ra dưới dạng hàm truyền đạt Về mặt lý thuyết, hai cấu hỡnh cú thể được coi là tương đương Đối với cấu hỡnh song song ( hỡnh 2-2a) , luận điều khiển được biểu diễn trờn miền Laplace là:

Quá trìnhBộ điều khiển

Quá trìnhBộ điều khiển

a) Cấu hình song song

b) Cấu hình nối tiếp

Kí hiệu

r biến chủ đạo, giá trị đặty biến đ-ợc điều khiểnu biến điều khiểnd nhiễu quá trình

G mô hình đối t-ợngGd mô hình nhiễuK khâu truyền thẳngKd khâu bù nhiễu

Hình 2.2 Cấu trúc tổng quán của điều khiển truyền thẳng

Ta cú thể nhận thấy một điều thỳ vị là sự đối xứng giữa mụ hỡnh quỏ trỡnh

điều khiển truyển thẳng cũng bao gồm hai khõu là khõu truyền thẳng K và

khâu bù nhiễu Gd Khâu truyền thẳng có nhiệm vụ tạo sự cân bằng giữa biến

điều khiển i và giá trị đặt r cho trường hợp không có nhiễu, trong khi khâu nhiễu có nhiệm vụ loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu quá trình đo được Dễ thấy, có đáp ứng lý tưởng y = r bộ điều khiển phải có :

và khả thi, cấu hình thứ hai hoàn toàn tương đương với cấu hình thứ nhất Song nói chung cấu hình thứ nhất tổng quát hơn và dễ thực thi hơn

2.2.1.3 Các tính chất của điều khiển truyền thẳng

Ưu điểm quan trọng nhất của điều khiển truyền thẳng là khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu tới quá trình Song, nhược điểm lớn nhất của điều khiển truyền thẳng là cần phải biến rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu Như ta đã thấy, khi mô hình quá trình hoàn toàn chính xác và hàm truyền đạt G-1(s) khả thi, bộ điều khiển truyền thẳng lý tưởng sẽ cho biến ra cần điều khiển y bám chặt chủ đạo r Tuy nhiên, mô hình đối tượng và mô hình nhiễu không bao giờ chính xác, không phải nhiễu nào cũng đo được, nên sai lệch

pCTT  ( 2 1)

pCTT( 2 1)

tĩnh bao giờ cũng tồn tại Thực tế, bộ điều khiển lý tưởng bao giờ có tính khả thi Quan trọng hơn nữa, một bộ điều khiển truyền thẳng khả năng ổn định một quá trình ổn định Những vấn đề này sẽ được làm rõ dưới đây

Nhiễu không đo được

Trong bất kỳ một quá trình nào cũng tồn tại nhiều nguồn nhiễu Ngay trong lúc xây dựng mô hình ta đã thường đưa ra một số giả thiết đơn giản hóa Những yếu tố đã bỏ qua cùng với sai số của phép đo đều được coi là nhiễu không đo được ví dụ trong bài toán điều khiển thiết bị gia nhiệt, các yếu tố đã được bỏ qua bao gồm tổn nhiệt ra bên ngoài, nhiệt độ quá nhiệt của hơi nước và nhiệt độ của nước ngưng tụ; phép đo lưu lượng và đo nhiệt độ cũng được coi là không có sai số Ngay cả khi tất cả các biến nhiễu được xét tới thì không phải mỗi biến

nhiễu đều được đo, chưa nói là có được đo hay không bởi vấn đề chi phí thiết bị Ảnh hưởng của chúng có thể thấy rõ qua đáp ứng đầu ra như sau :

y= Gu + Gdd + Gd2d2 = r + Gd2d2

Trong đó d2 là nhiễu không được đo và Gd2là hàm truyền đạt từ d2 tới y Như vậy sai lệch điều khiển sẽ luôn không tồn tại ngay cả khi G và Gd đều là

ổn định Tính chất này cũng là tổng quát cho mọi bộ điều khiển truyền thẳng chứ không phải cho riêng dạng lý tưởng

Tính khả thi của bộ điều khiển lý tưởng

không có tính nhân – quả vì hai lý do sau đây :

hơn đa thức mẫu số Ví dụ với mô hình đối tượng

bộ điều khiển lý tưởng sẽ chứa khâu phi nhân quả :

buộc ta phải sử dụng một thuật toán xấp xỉ mới có thể thực thi Phương

tĩnh Khi đó ta có thể quan tâm tới quan hệ giữa các đại lượng ở trạng thái xác lập, hay nói cách khác là chỉ xét tới đặc tính tĩnh mà bỏ qua đặc tính quá độ của quá trình Trong ví dụ trên K sẽ được chọn bằng 1

Một cách giải quyết hay hớn là trước khi tiến hành xấp xỉ, ta biểu diễn bộ điều khiển truyền thẳng dưới dạng song song như trên hình 2-2a :

u 1  1 (2.10)

Luật điều khiển được chia thành 2 thành phần : bù giá trị đặt ur và bù nhiễu ud Như vậy mặc dù G-1

không có tính nhân quả và không cần xấp xỉ Khi đó ta

Gd không xảy ra triệt tiêu các điểm cực không ổn định Nếu không, ít nhất trong việc thực hiên xấp xỉ G-1

nhiễu Riêng đối với thành phần bù giá trị đặt, ngay cả khi G-1

không có tính nhân quả thì thuật toán vẫn có thể cài đặt trên máy tính nếu quỹ đạo đặt r biết trước Trong trường hợp tổng quát, quỹ đạo r chưa thể biết trước thì việc xấp xỉ G-1 thành một khâu bù tĩnh chỉ liên quan tới thành phần bù giá trị đặt

Tính ổn định của bộ điều khiển lý tưởng

Một trường hợp ta cần đặc biệt lưu tâm là khi đối tượng có đặc tính đáp ứng được, tức là khi G có điểm không nằm bên phải trục ảo những điểm không này

lý tưởng ngay cả khi thực thi được thì tính ổn định nội của hệ thống không còn được đảm bảo Để biến cần điều khiển bám theo giá trị đặt, tín hiệu điều khiển sẽ phải liên tục tăng hoặc giảm không có giới hạn, không thể chấp nhận được trong thực tế Nhưng nếu sử dụng một khâu hạn chế tín hiệu điều khiển thì bộ điều khiển thực ra không còn là lý tưởng và chất lượng cũng sẽ hoàn toàn không như mong đợi Cách khắc phục duy nhất ở đât là xấp xỉ bộ điều khiển về một khâu ổn định, ví dụ một khâu bù tĩnh như đã nói trên đây

Ví dụ 2-1 : Cho hàm truyền đạt của đối tưởng

( (2.11)

ta sẽ có

( 1 (2.12)

Trên hình 2-3 là đồ thị đặc tính điều khiển với thay đổi giá trị đặt tại t = 5s cho 3 trường hợp : i) sử dụng bộ điều khiển không ổn định(2.12), ii) sử dụng bộ điều khiển (2.12) nhưng với khâu hạn chế giá trị [-1 1] và iii) sử dụng khâu bù

tĩnh Gr=1 Cú thể thấy, chỉ khõu bự tĩnh cho chất lượng tạm chấp nhận được Đường đặc tớnh tớn hiệu điều khiển cho trường hợp i) cho thõy hệ đó mất ổn định nội Ngay cả khi sử dụng một khõu hạn chế tớn hiệu cho bộ điều khiển khụng ổn định, giỏ trị biến cần điều khiển thậm trớ lại hoàn toàn ngược dấu với giỏ trị đặt

Times (sec)a) Đáp ứng đầu ra

Times (sec)b) Đáp ứng đầu ra

Hình 2.3 Đặc tính điều khiển cho ví dụ 2-1i) bộ điều khiển không ổn định

ii) bộ điều khiển không ổn định, hạn chế đầu raiii) bộ điều khiển xấp xỉ (bù tĩnh)

Đối tượng khụng ổn định

Một bộ điều khiển truyền thẳng khụng cú khả năng ổn định một quỏ trỡnh khụng ổn định Ngay cả khi tồn tại bộ điều khiển lý tưởng với hàm truyền đạt G-1(s) khả thi thỡ cũng chỉ cú tỏc dụng triệt tiờu điểm cực khụng ổn định của G(s), nhưng khụng vố thế mà đảm bảo được tớnh ổn định nội của hệ thống Chỉ cần nhiễu đầu vào du rất nhỏ cũng đủ làm đỏp ứng đầu ra tiến tới vụ cựng:

y = G(u+du) +Gdd = Gdu (2.13)

Ta xột tiếp vớ dụ điều khiển bỡnh mức minh họa trờn hỡnh 2-4

H×nh 2.4 §iÒu khiÓn møc s¸ch l-îc truyÒn th¼ng (bï nhiÔu).

Thoạt đầu có thể thấy rằng chỉ cần duy trì lưu lượng vào đúng bằng lưu lượng ra thì mức chất lỏng sẽ được giữ cố định trong bình Tuy nhiên, tác động của nhiễu có thể sẽ làm sách lược này không đạt được mục đích như mong muốn Ví dụ, Chỉ cẩn bất cứ một nguyên nhân nào sau đây như cảm biến đo lưu lượng ra có sai số dù là nhỏ nhất, cần điều chỉnh lưu lượng vào không có đặc tính lý tưởng hay áp suất dòng chảy thay đổi điều dẫn đến việc tràn bình hoặc cạn bình sau một thời gian ngắn Bản chất của vấn đề ở đây nằm ở chỗ, quá trình bình mức là một khâu (không có tính tự cân bằng), trong khi điều khiển truyền thẳng không làm thay đổi tính ổn định của hệ thống Một sai lêch nhỏ trong mô hình hoặc một tác động nhỏ của nhiễu không những gây sai lệch tĩnh của hệ thống, mà còn cho hệ đi tới trạng thái mất cân bằng.

2.2.2 Điều khiển phản hồi

Điều khiển phản hồi (feedback control) dựa trên nguyên tắc liên tục đo (

hoặc quan sát) giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển Vì cấu trúc khép kín này sách

lược điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín (close – loop

control) trong các sách lược điều khiển, điều khiển phản hồi đóng vai trò quan

trọng hằng đầu điều khiển phản hồi được sử dụng gần như trong tất cả các hệ thống điều khiển tự động

2.2.2.1 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước

Hình 2-5 minh họa sách lược điều khiển phản hồi cho thiết bÞ gia nhiệt hơi nước trên lưu đồ P&ID (a) và trên sơ đồ khối (b) Nhiệt độ ra của dòng quá trình được thiết bị đo và chuyển đồi TT (temperature transmitter) đưa tới bộ điều khiển nhiệt độ TC ( temperature controller ) Dựa vào sai lệch giữa giá trị đặt ( SP) và nhiệt độ đo được, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu điều chỉnh bộ mở van cấp hơi nước qua đó điều chỉnh lại nhiệt độ ra Nguyên lý điều khiển phản hồi được giải thích một cách sơ lược như sau Giả sử vì một lý do nào đó mà nhiệt độ ra đo được nhỏ hơn giá trị đặt, ví dụ đo giá trị đặt hoặc lưu lượng dòng quá trình tăng lên, bộ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để tăng lưu lượng hơi nước Thuật toán điều khiển đơn giản nhất là đưa ra tác động điều khiển tỉ lệ với sai lệch quan sát được :

 (2.14)

Tất nhiên, giá trị lưu lượng cần bù thêm sẽ được biểu diễn qua tín hiệu điều khiển đưa xuống van Nhiệt độ chênh lệch càng lớn, tín hiệu điều khiển cũng càng lớn, van điều khiển mở càng nhiều và lưu lượng hơi nước sẽ càng được tăng lên Chừng nào còn tồn tại sai lệch điều khiển thì lưu lượng hơi nước còn được thay đổi Nhờ vậy sau một thời gian nhiệt độ đầu ra T được đưa tới gần với giá trị đặt TSP Trường hợp ngược lại, khi nhiệt độ đầu ra lớn hơn giá trị đặt cũng được sủ lý cùng thuật toán, không cần phân biệt

wp T1

2.2.2.2 Cấu trỳc cơ bản

Cấu trỳc tổng quỏt của một hệ thống điều khiển phản hồi được minh họa trờn hỡnh 2-6 Cú thể núi, hầu hết cấu hỡnh điều khiển đều cú thể đưa về dạng này kể cả điều khiển phản hồi trạng thỏi, điều khiển thớch nghi và điều khiển dự bỏo

Kí hiệu

G mô hình tổng quátK bộ điều khiển tổng quát

w các đầu vào quá trình(gồm cả nhiễu đo)z Các đầu ra cần đ-ợc kểm soát

y Các đầu vào bộ biến đổiu các tín hiệu điều khiển

Hình 2.6 Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi

Theo mụ hỡnh Hai cấu hỡnh điều khiển phản hổi thụng dụng được minh họa trờn hỡnh 2-7 Trong cấu hỡnh điều khiển một bậc tự do, bộ điều khiển thực hiện

luật điều khiển dựa trờn sai lệch giữa giỏ trị quan sỏt được của biờn được điều khiển với giỏ trị đặt Vớ dụ, luật tỉ lệ trong thuật toỏn PID đưa ra cỏc giỏ trị biến

điều khiển tỉ lệ với sai lệch điều khiển, luật tích phân dựa trên giá trị tích phân và luật vi phân dựa trên đạo hàm của sai lệch điều khiển Bộ điều khiển chỉ tính toán đầu ra của nó dựa theo sai lệch, không phân biệt sai lệch đó là do nhiễu quá

trình hay do thay đổi giá trị đặt gây ra Nói cách khác, trong hầu hết trường hợp ta khó có thể chỉnh định bộ điều khiển để thỏa mãn đồng thời yêu cầu đáp ứng bám giá trị đặt và đáp ứng loại bỏ nhiễu Vấn đề này sẽ được phân tích sâu hơn

sau này

Kí hiệu

R biến chủ đạo, giá trị đặt G Mô hình đối tượng y biến được điều khiển Gd mô hình nhiễu u biến điều khiển K khâu điều chỉnh d nhiễu quá trình Kd khâu truyền thẳng

n nhiễu đo

ym giá trị đo được

Hình 2-7 Hai cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng

Với cấu hình hai bậc tự do, bộ điều khiển chứa hai khâu tương ứng với hai đầu vào, có thể chỉnh định một cách độc lập để đưa ra đáp ứng các yêu cầu riên về bám giá trị đặt cũng như loại bỏ nhiều Về bản chất, cấu hình điều khiển hai bậc tự do chính là một sự kết hợp của điều khiển phản hồi với điều khiển truyền thẳng, như ta sẽ có dịp đề cập kỹ hơn trong những phần sau Đại đa số các bộ phân điều khiển công nghiệp điều cho phép lựa chọn cấu hình hai bậc tự do

2.2.2.3 Vai trò của điều khiển phản hồi

Một câu hỏi được đặt ra thường xuyên là điều khiển phản hồi có vai trò quan trọng như thế nào trong các hệ thống điều khiển quá trình nói riêng và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung Có thể trả lới ngay rằng điều khiển phản hồi là sách lược điều khiển cơ bản nhất không thể thay thế trong hầu hết các hệ thống điều khiển Những lý luận dưới đây ta sẽ làm rõ điều này

Để đơn giản ta xét cấu hình điều khiển một bậc tự do minh họa trên hình 9a Đáp ứng đầu ra của hệ được biêu diễn trên miên Laplace như sau :

11)

Vai trò ổn định hệ kín của hệ điều khiển phản hồi được minh họa một cách đơn giản nhất qua ví dụ điều khiển mức bình chứa ( hình 2-10) Thiết bị đo LT

(Level tranmitter ) có nhiệm vụ đo mức trong bình chứa, chuyển thành một tín hiệu chuẩn và truyền về bộ điều khiển Bộ điều khiển LC ( Level controller) so sánh giá trị đo được với giá trị đặt mong muốn (hsp) và tính toán đầu ra tỉ lệ với

sai lệch này Tín hiệu điều khiển được đưa tói van điều khiển để thay đổi độ mở van tỉ lệ theo sai lệch, nếu giá trị đo được thấp hơn giá trị đặt van sẽ mở nhiều hơn và lưu lượng vào Fi sẽ tăng lên giúp mức trong bình chứa tăng trở lại Thông thường, giá trị mức mong muốn ít khi thay đổi, nếu bộ điều khiển được thiết kế tốt thì mức trong binhd sẽ duy trì trong phạm vi theo ý muốn, ngay khi lưu lượng ra F0 thay đổi không biết trước

H×nh 2.8 §iÒu khiÓn møc víi s¸ch l-îc ph¶n håi

Một đặc điểm rất đáng lưu ý là ở đây bộ điều khiển phản hồi chỉ cần sử dụng thuật toán tỉ lệ rất đơn giản cũng có thể ổn định giá trị mức trong bình mà không cần bất cứ thông tin nào về mô hình quá trình Điều này ta thấy là bất ký một bô điều khiển truyền thẳng nào cũng không thể làm được Hơn nữa, việc ổn định mức trong bình cũng không bao giờ thực hiên được bằng tay, mà chỉ có thể

Như ta đã biết từ cơ sở điều khiển tự động, điều kiện ổn định của một hệ thống tuyến tính là toàn bộ điểm cực của nó phải nằm bên trái trục ảo trên mặt phẳng phức, hay nói cách khác là có phần cực âm Từ biểu thức (2.15 ) ta nhân thấy đa thức đặc tính của hệ kín được quyết định bởi công thức 1+GK Giả sử G và K là các phân thức hữu tỉ :

Ta sẽ có :

(2.16)

Đa thức mẫu số trong (2.16) chính là đa thức đặc tính của hệ kín Như vậy Nếu K được tính toán thích hợp sẽ có tác dụng dời toàn bộ các điểm cực không ổn định ( nêu có ) của G sang bên trái trục ảo và qua đó ổn định hệ kín Thực ra,

điều khiển phản hồi là cách duy nhất để ổn định một quá trình không ổn định

Loại bỏ nhiễu bất định

Biểu thức 2.15 thể hiện rõ rằng, bộ điều khiển phản hồi có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của nhiễu d đi với một hệ số ( 1 +GK) Như vậy, chỉ cần K rất lớn thì ảnh hưởng của nhiễu quá trình sẽ trở nên không đáng kể không phụ thuộc

biết trước hay không Trong trường hợp tín hiệu đặt dạng bậc thang muốn triệt tiêu sai lệch bám ở trạng thái xác lập ta chỉ cần đặc tính biên độ│G(jw)K(jw)│lớn vô cùng tại tần số w = 0

Bền vững với sai lệch mô hình

Ký hiệu hàm truyền đạt của hệ kín là

1

Giả sử mô hình đối tượng G có sai lệch cộng ∆G dẫn tới sai lệch của hàm truyền đạt hệ kín ∆T, ta có thể viết :

Ví dụ 2-2 : Xét ví dụ điều khiển mức bình chứa (hình 2-10) ta biết rằng quá trình mức là một khâu tích phân , môt hình của nó được thể hiện qua phương trình vi phân:

i 

Đặt các biến chênh lệch chuẩn hóa

Bỏ qua động học của thiết bị đo mức và của van điều khiển ta có

G (2.21)

Thật vậy, đa thức đặc tính hệ kín xác định theo (2.16) là kc + τs chỉ có một

điểm cực từ s = 0 sang bên trái trục ảo và làm hệ thống trở nên ổn định Ngay cả khi không biết chính xác về mô hình quá trình trong thực tế người ta vẫn thường trọn giá trị k theo kinh nghiệm