Cơ sở điều khiển tự độngFundamentals of Control System

Control Level - Fundamental Training Cơ sở điều khiển tự động Fundamentals of Control System Contents Topics: • Một số thuật ngữ • Nguyên lý điều chỉnh tự động • Các mạch điều khiển • Các mạch điều khiển nâng cao • Thuật toán điều khiển • Hệ thống điều khiển Power Point Presentation Handouts Control Level - Fundamental Training Ví dụ tự động điều chỉnh • Tự động điều chỉnh mức nước bầu nồi (nồi hơi) Ví dụ tự động điều chỉnh • Tự động điều chỉnh vịng quay steam turbine Power Point Presentation Handouts Control Level - Fundamental Training Thuật ngữ điều khiển - Process Control Terminology Đối tượng điều chỉnh – PROCESS/OBJECT Là thiết bị/hệ thống diễn trình cần điều chỉnh - Any operation or sequence of operations involving a change in the substance being treated Examples: Bầu nồi Steam turbine A change of energy state - A change of composition A change of dimension - Sự thay đổi mức nước Sự thay đổi vòng quay hot to cold, liquid to gas a chemical reaction grinding coal Thuật ngữ điều khiển - Process Control Terminology6 Thông số điều chỉnh – Process Controlled Variable • Là thơng số đối tượng cần trì khơng đổi thay đổi theo qui luật định controlled variables - these are the variables which quantify the performance or quality of the final product, which are also called output variables – Ví dụ: Mức nước bầu hơi; Vịng quay steam turbine Types of PROCESS CONTROLLED VARIABLE: Pressure Flow Level Temperature Liquid Interface Specific Gravity of liquid Density Mass Conductivity Composition Moles Power Point Presentation Handouts Level - Fundamental Training Control Thuật ngữ điều khiển - Process Control Terminology7 Thơng số điều chỉnh – Manipulated Variable • Là thông số (đại lượng) cần thay đổi để trì thơng số điều chỉnh mong muốn manipulated variables - these input variables are adjusted dynamically to keep the controlled variables at their set-points • Manipulated variables thường thông số đầu vào đối tượng: – Ví dụ: Lưu lượng nước cấp vào bầu nồi; Lưu lượng cấp vào steam turbine Thuật ngữ điều khiển - Process Control Terminology8 Tác động nhiễu – Disturbance Variable • Là tác động từ mơi trường làm thay đổi thông số điều chỉnh disturbance variables - these are also called "load" variables and represent input variables that can cause the controlled variables to deviate from their respective set points – Ví dụ: Mức tiêu thụ từ bầu hơi; Tải trục steam turbine Types of Disturbance Power Point Presentation Handouts Control Level - Fundamental Training Thuật ngữ điều khiển - Process Control Terminology Điều khiển mạch kín - CLOSED LOOP A combination of instruments or functions that are interconnected to measure and control a process variable with feedback input PROCESS FINALCONTROL ELEMENT A System with Feedback output MEASUREMENT CONTROLLER Thuật ngữ điều khiển - Process Control Terminology 10 Bộ điều chỉnh - CONTROLLER • Là tập hợp thiết bị tạo nên tác động điều chỉnh đến đối tượng nhằm trì thông số điều chỉnh giá trị cần thiết (set point) • Bộ điều chỉnh theo ngun lý mạch kín (Closed loop/Feedback) hay mạch hở (Open loop control) • Difference: Open loop control has no feedback – Control Modes • • • • ON/OFF (Binary) Proportional (P) – Tỷ lệ Proportional-plus-Integral (PI) – Tỷ lệ tích phân Proportional-plus-Integral-plus-Derivative (PID) – Tỷ lệ-tích phân-vi phân Power Point Presentation Handouts Level - Fundamental Training Thuật ngữ điều khiển - Process Control Terminology 11 What is a SIGNAL ? • Hệ thống tự động điều chỉnh sử dụng tín hiệu (signal), thơng số đo đạc, vận chuyển xử lý hệ thống Thuật ngữ điều khiển - Process Control Terminology 12 Cơ cấu thực - CONTROL ELEMENT/ACTUATOR • Là cấu trực tiếp thực việc điều chỉnh thông số đầu vào để trì thơng số đối tượng – Ví dụ: Van cấp nước vào bầu hơi; Van cấp vào steam turbine – Van điều khiển - Control Valves » modulates flow rate » operated by actuator – Các cửa gió, bướm gió - Louvers and Dampers » operated by pneumatic actuators – Điều chỉnh tốc độ - Variable Speed Drives » operated by electronic control signals ♦ - 20 mA Power Point Presentation Handouts Control Control Level - Fundamental Training Thuật ngữ điều khiển - Process Control Terminology 13 Sơ đồ chức – Block Function Diagram • Là sơ đồ khối biểu thị tương tác đối tượng điều chỉnh điều chỉnh, bao gồm: – Bộ điều chỉnh, Đối tượng điều chỉnh; – Tín hiệu (signals) quan hệ tín hiệu hệ thống Nhận dạng hệ thống TĐ ĐC 14 Van cấp nước; Cơ cấu van phao-tay đòn; Két nước Van cấp hơi; Cơ cấu cảm biến vòng quay, tay đòn; Steam turbine Question: Hãy nhận dạng: Đối tượng điều chỉnh; Bộ điều chỉnh; Thông số điều chỉnh; Cơ cấu, thông số điều chỉnh Power Point Presentation Handouts Control Level - Fundamental Training Bài tập nhà 15 Sơ đồ chức – Block Function Diagram • Hãy tìm ví dụ hệ thống tự động điều chỉnh mà bạn biết thực tế, vẽ sơ đồ chức nhận dạng hệ thống: – Đối tượng điều chỉnh (Controlled Object); – Thông số điều chỉnh (Controlled Variable); – Bộ điều chỉnh (Controller); – Cơ cấu điều chỉnh/Thông số điều chỉnh (Actuator/Manipulated Variable); – Định trị (thông số đặt) (Set Point) Nguyên lý điều chỉnh - Control Principle Power Point Presentation Handouts 16 Control Level - Fundamental Training Check Point 17 Cho hệ thống tự động đây, hãy: - Hãy vẽ sơ đồ chức hệ thống tự động; - Nhận dạng yếu tố: controlled variable; manipulated variable; nguyên lý điều chỉnh (ON/OFF, P, PI, PID) Hệ thống tự động bơm nước lên nhà cao tầng; Hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ hâm nước (water heater) gia đình; Hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ buồng lạnh (tủ lạnh) Control Principle 18 FEED PRODUCT PROCESS CORRECTING UNIT MEASURING UNIT PV SP O/P CONTROLLING UNIT OPERATOR Mục tiêu: Duy trì thơng số đo (Process Value-PV) giá trị yêu cầu (Set Point-SP) A controller implements a Control Algorithm so that an output signal (O/P) activates a correcting unit The ratio of output signal (O) to input signals (I) is Gain (K) Proportional band % = K Power Point Presentation Handouts 100 % Gain = I O x 100% Control Level - Fundamental Training Control Principle 19 • Thơng số cần điều chỉnh - Process Variable (PV) – the actual measurement of the state of the process • Giá trị đặt - Set Point (SP) – the desired state of the process variable • Thuật tốn điều khiển - Control Algorithm – the predefined response of the controller to PV-SP • Tín hiệu Bộ điều chỉnh - Controller Output (O/P) – a signal determined by the control algorithm • Độ lệch (sai số) điều chỉnh - Offset – the value of PV-SP when the system is in equilibrium • Diretct Acting Controllers – as the value of the measured variable increases, the output of the controller increases • Reverse Acting Controllers – as the value of the measured variable increases, the output of the controller decreases Control Principle Ngun lý tự chỉnh • Một hệ thống có khả tự chỉnh khơng có điều chỉnh mà phục hồi trạng thái cân sau có tác động nhiễu – Ví dụ: Két trạng thái cân với lưu lượng dòng vào, ra, mức nước ổn định; – Mở to van chút ít; – Lưu lượng dòng tăng, áp suất dòng giảm mức nước giảm Hệ thống dần đạt trạng thái cân với mức nước thấp lưu lượng dòng ổn định dòng vào; – Hệ thống từ chỉnh sang trạng thái ổn định có tác động nhiễu (mở to van ra) Power Point Presentation Handouts 20 Control Level - Fundamental Training Control Algorithm 47 Điều chỉnh tỷ lệ - Proportional Action (P) Bộ điều chỉnh tỷ lệ cho tín hiệu điều chỉnh (controller output - O/P) tỷ lệ với hiệu thông số điều chỉnh đối tượng (Process Variable - PV) giá trị đặt (Set Point - SP) Process Load SP PV Controller Output - Thường sử dụng cấu liên kết khí dạng cần (floating lever) - Có sai số thơng số điều chỉnh (PV) gọi sai số tĩnh Open-loop response of proportional mode Control Algorithm 48 O/P % 100 Proportional Action (P) Thuật toán điều khiển: - (PV - SP) + Constant Proportional Band (Constant is normally 50% ) O/P = 50 θ SP - PV Tan θ = Gain = 100 / Proportional Band Khi tải thay đổi làm thông số hệ thống lệch khỏi giá trị đặt, hệ thống điều chỉnh để đưa giá trị ban đầu Sau kết thúc, ln có sai lệch (offset) Power Point Presentation Handouts PV Time Recovery time Offset SP Time Control Level - Fundamental Training Control Algorithm 49 Low Proportional Gain: (Closed Loop) 100 90 80 SP E0 E1 70 E2 E3 E4 60 PV % 50 40 Output 30 20 10 prop Time Control Algorithm 50 High Proportional Gain: (Closed Loop) 100 90 PV 80 SP 70 60 % 50 40 30 20 Output 10 higain Power Point Presentation Handouts Time Control Level - Fundamental Training Control Algorithm 51 Hệ số Kp khác Control Algorithm 52 Integral Action (I) Khi giá trị đo PV = SP, Bộ điều chỉnh khơng có tín hiệu (O/P = 0) Khi PV ≠ SP, Bộ điều chỉnh hoạt động để phục hồi giá trị PV Tín hiệu Bộ điều chỉnh thay đổi tỷ lệ với độ lệch (offset) % Measurement Set Point Set Point % Output Time Integral mode RT Open-loop response a{ b{ Time RT = Reset Time min./rpt a=b Proportional plus Integral mode Power Point Presentation Handouts Control Level - Fundamental Training Control Algorithm 53 Integral Action: (Closed Loop) 100 90 SP 80 70 60 % PV 50 Proportional Plus Integral Output 40 30 20 Proportional Response 10 Time Control Algorithm 54 Derivative Action (D) As the PV changes, the controller resists the change The controllers output is proportional to the rate at which the difference between the measured and desired value changes The derivative time is an indication of this action It is the time that the open-loop P+D response is ahead of the response due to P only % Measurement Set Point Set Point DT = Derivative Time (min) DT Proportional only % Output (I/D) Time Derivative mode Open-loop response Time Proportional + Derivative Proportional plus Derivative mode Power Point Presentation Handouts Control Level - Fundamental Training Control Algorithm 55 % Scale Range PID Control 80 Measurement 60 A 40 20 Controller Output or Valve Position Proportional Proportional + Integral B Proportional + Integral + Derivative Time - minutes Open-loop response of three-mode controller Control Algorithm 56 P & ID Piping & Instrumentation Drawing Compressed Air Pipe Converter I/P Pneumatic Control Valve PID Controller PIC PT Pressure P Transmitter Process Vessel Fluid Pump Power Point Presentation Handouts Control Level - Fundamental Training Control Algorithm 57 Controller Selection Start Step change in valve travel Use PID Can offset be Yes tolerated ? Use P-only No Yes Is dead time excessive ? No Reaction curve 63.2 % Is noise present ? Yes Use P+I of measured variable C Capacity Dead Time No Time (sec) Control Algorithm 58 Controlled Variable Controller Adjustment Period P-only PID PI Time Control loop Flow Level Temperature Analytical Pressure Proportional band High (250%) Low Low High Low Time constant Fast (1 to 15 sec) Capacity dependent Capacity dependent Usually slow Usually fast Power Point Presentation Handouts Derivative Never Rarely Usually Sometimes Sometimes Control Level - Fundamental Training Control System 59 Điều khiển thích nghi - Adaptive Control Là chiến lược điều khiển mà điều chỉnh lập trình để tự đánh giá hiệu trình điều chỉnh tự điều chỉnh tham số điều chinhre để thích nghi với điều kiện thay đổi ảnh hưởng đến thông số điều chỉnh Ex) Digital Controller - Sensors are run to the computer’s input - Servomechanisms are connected to the computer’s output - Future changes don’t require re-wiring - Changing control functions (P,I, and D) and configurations (between cascade mode and feedforward mode) will be made on the computer’s program and not necessarily to any hardware Control System 60 Điều khiển giám sát - Supervisory Control Là hệ thống điều khiển có hệ thống máy tính nhằm thu thập, xử lý liệu tính tốn tín hiệu điều khiển đưa đến điều chỉnh tương tự truyền thống (conventional analog controllers) Hệ thống thường tích hợp chức thu thập liệu, xử lý điều khiển (Supervisory Control And Data Acquisition – SCADA) S SP1 M.I.S Supervisory Control Power Point Presentation Handouts Controller A S Management System A S SP2 Information Controller SP3 Controller A Control Level - Fundamental Training Control System 61 Distributed Control System - DCS Coax I/O Rack Controller Tools for Process Analysis, Diagnostics HW and Software Filtering Measurement Sampled Value I/O Rack Controller Control System Distributed Control System - DCS Power Point Presentation Handouts Tools for Process Analysis, Diagnostics 62 Control Level - Fundamental Training Control System 63 FIELDBUS Fieldbus hệ thống truyền thơng sử dụng tín hiệu số, chiều, đa điểm có khả tích hợp thiết bị trường, điều khiển, hệ thống (thông qua thiết bị kết nối trung gian) máy chủ liệu, trạm làm việc (Digital, two-way, multi-drop communication link, intelligent field devices and automation systems) (Only Digital Signals) Fieldbus P T Control room operator stations L Control systems (DCS or PLC) F Control System 64 Fieldbus Control System Work Systems Total of approximately 35,000 devices (due to address limits) HSE Gateway Controller H1 124 H2 Bridge H1 H1 H1 Devices H1 32 Devices H1 - 31.25 Kbit/s HSE - 100 M bit/s (Fast Ethernet) Power Point Presentation Handouts H1 32 Devices Control Level - Fundamental Training Control System 65 Fieldbus kết nối dây truyền thống (Point-to-Point Wiring) Control System 66 Fieldbus kết nối dây truyền thống (Point-to-Point Wiring) Power Point Presentation Handouts Control Level - Fundamental Training Control System 67 Fieldbus Overal Control System Control System Field Chuẩn cơng nghiệp •AS-Interface •CAN •EtherCAT •FOUNDATION fieldbus •Interbus •LonWorks •Modbus •Profibus •BITBUS •CompoNet •SafetyBUS p •RAPIEnet Power Point Presentation Handouts 68 Control Level - Fundamental Training Exercise 69 Which defined term is closest to the description or encompasses the example given? A Controller F Primary element B Converter G Signal C Instrument H Transducer D Point of measurement I Transmitter E Process Process temperature increases the measurable resistance in a monitored electrical circuit Pulsed output from a turbine meter Heat-injected plastic molding [ [ [ ] ] ] Exercise Temperature transmitter Device which adjusts the measured value of the process to the requirements of the operator Element, flow transmitter, controller and correcting unit A pipe piece is tapped for a sample fluid A device changes an industry standard pneumatic signal to an industry standard hydraulic signal Power Point Presentation Handouts 70 [ ] [ [ [ ] ] ] [ ] Control Level - Fundamental Training Exercise 71 Identify the components indicated by the Arrows Exercise 72 Which defined term is closest to the description or encompasses the example given A B C D E Cascade control Control algorithm Control valve Feed-forward control Foundation Fieldbus The predefined response of the controller to PV-SP [ ] The value of PV-SP when the system is in equilibrium [ ] The ratio of controller’s output to input [ ] It is a final control element operated by an actuator [ ] Power Point Presentation Handouts F G H I Gain Offset Proprietary Bus Smart Device Control Level - Fundamental Training Exercise 73 Involves master & slave controllers [ ] The output of the loop drives the input [ ] A digital communication based control network with control action in the controller only [ ] A digital communication based control network that allow control in the field [ ] A device that provide both analog & communication signal in its loop wire pair [ ] Câu hỏi Hãy vẽ sơ đồ chức Basic Feedback Controller mô tả hoạt động (sử dụng ký hiệu P&ID theo tiêu chuẩn ISA)? Hãy phân biệt khái niệm nguyên lý điều chỉnh (control principle) thuật toán điều chỉnh (control algorithm)? Hãy giải thích sơ đồ nguyên lý BĐC sau (trong Bài giảng Phần 1): Áp suất; Nhiệt độ; Lưu lượng; Mức Điều khiển tầng (cascade control) gì, so sánh cascade controller basic feedback controller? Điều khiển mạch thẳng (Feed Forward control) gì, so sánh Feed Forward controller basic feedback controller? Điều khiển tầng (Ratio control) gì, nêu đặc điểm phạm vi ứng dụng Ratio controller? Power Point Presentation Handouts 74 Control Level - Fundamental Training Câu hỏi Thuật tốn điều chỉnh (control algorithm) gì? Bằng cách để phân biệt BĐC P, PI hay PID controller? Điều khiển thích nghi (Adaptive control) gì, tìm ví dụ sử dụng Adaptive controller? Điều khiển giám sát (Supervisory control and data acquisition SCADA)) gì, tìm ví dụ hệ thống SCADA? 10.Hãy so sánh hệ thống điều khiển sử dụng FIELDBUS hệ thống sử dụng kết nối dây truyền thống (Point-to-Point Wiring)? 11.Hãy tìm hiểu FIELBUS CAN? 12.Hãy tìm hiểu FIELDBUS MODBUS? 13.Hãy tìm hiểu FIELDBUS PROFIBUS? Power Point Presentation Handouts 75