Phân biệt điều khiển trình với lĩnh vực điều khiển khác - Khái niệm điều khiển trình : ứng dụng kĩ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu sản xuất an toàn cho người, may móc mơi tường - Các lĩnh vực ứng dụng điều khiển q trình: hóa chất, lọc dầu, xi măng, nhà x - Phân biệt điều khiển trình với lĩnh vực điều khiển khác: + Điều khiển trình khác với lĩnh vực điều khiển khác chỗ đối tượng điều khiển trình cơng nghệ, khơng phải thiết bị, máy móc, … + Điểu chỉnh chức quan tọng điều khiển trình song hệ thống điều khiển q trình bao gồm chức năng: điều khiển rời rạc, điều khiển trình tự, thu thập liệu hiển thị Như vậy, khái niệm điều khiển trình phân biệt với tốn điều khiển có đặc thù khác hẳn tự động hố xí nghiệp điều khiển q trình gia cơng, lắp ráp, điều khiển chuyển động điều khiển công lưu Các nhà máy thuộc lĩnh vực công nghiệp khai thác, chế biến lượng có quy mơ sản xuất lớn thị trường sản phẩm rộng, chất lượng sản phẩm hiệu sản xuất phụ thuộc nhiều vào mực độ tự động hố, điều khiển q trình đóng vai trò quan trọng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ********** BÀI TẬP GIỮA KÌ MƠN ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Sinh viên: Nguyễn Tuấn Dũng MSSV: 20181427 Mã học phần: EE3550 Mã lớp: 124684 Hà Nội, 2021 Chương I 1.1 Giải thích khái niệm điều khiển q trình nêu lĩnh vực ứng dụng điều khiển trình Phân biệt điều khiển trình với lĩnh vực điều khiển khác - Khái niệm điều khiển trình : ứng dụng kĩ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu sản xuất an toàn cho người, may móc mơi tường - Các lĩnh vực ứng dụng điều khiển q trình: hóa chất, lọc dầu, xi măng, nhà x - Phân biệt điều khiển trình với lĩnh vực điều khiển khác: + Điều khiển trình khác với lĩnh vực điều khiển khác chỗ đối tượng điều khiển trình cơng nghệ, khơng phải thiết bị, máy móc, … + Điểu chỉnh chức quan tọng điều khiển trình song hệ thống điều khiển q trình bao gồm chức năng: điều khiển rời rạc, điều khiển trình tự, thu thập liệu hiển thị Như vậy, khái niệm điều khiển trình phân biệt với tốn điều khiển có đặc thù khác hẳn tự động hố xí nghiệp điều khiển q trình gia cơng, lắp ráp, điều khiển chuyển động điều khiển công lưu Các nhà máy thuộc lĩnh vực công nghiệp khai thác, chế biến lượng có quy mơ sản xuất lớn thị trường sản phẩm rộng, chất lượng sản phẩm hiệu sản xuất phụ thuộc nhiều vào mực độ tự động hố, điều khiển q trình đóng vai trò quan trọng 1.2 Nêu đặc thù lĩnh vực điều khiển trình( đối tượng điều khiển, yêu cầu kĩ thuật yêu cầu cộng nghệ ) Đặc thù lĩnh vực điều khiển trình: Đối tượng điều khiển: trình công nghệ Yêu cầu kĩ thuật: yêu cầu cao độ tin cậy tĩnh sẵn sàng hệ thống điều khiển u cầu cơng nghệ: hệ vi xử lí điều khiển phải có khả thực thuật toán cách hiệu quả, vận hành liên tục, thiết kế tối ưu 1.3 Phân biệt loại biến trình ( biến vào/ biến ra/ biến trạng thái, biến điều khiển/ biến điều khiển/ nhiễu ) Biến vào: đại lượng điểu kiện phản ánh tác động từ bên ngồi vào q trình Biến ra: đại lượng điều kiện thể tác động q trình bên ngồi Biến trạng thái: mang thông tin trạng thái trình Biến cần điều khiển: biến biến trạng thái trình điều khiển, điểu chỉnh cho gần với giá trị mong muốn Biến điều khiển: biến vào can thiệp theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển Nhiễu: biến vào không can thiệp Ví dụ: Q trình gia nhiệt + Biến vào: lưu lượng dòng qua nhiệt, nhiệt độ dòng qua nhiệt, lưu lượng + nhiệt độ dòng qua nhiệt + Biến ra: nhiệt độ dòng ra, nhiệt độ dòng qua nhiệt + Biến điều khiển: lưu lượng dòng gia nhiệt + Nhiễu : nhiệt độ + lưu lượng dịng q trình + Biến cần điều khiển: nhiệt đọ dòng + Biến khơng điều khiển được: nhiệt đọ dịng gia nhiệt 1.4 Phân biệt toán điều chỉnh với toán điều khiển bám, đưa số ví dụ minh họa Bài tốn điều chỉnh: thiết lập trì đầu giá trị đặt cho trước có tác động nhiễu Sử dụng cho điều chỉnh như: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, … Bài toán điều khiểm bám: bám sát theo tín hiệu chủ đạo thay đổi liên tục( biết trước chưa biết trước) Sử dụng cho toán thay đổi trang thái hệ thống, thay đổi chế độ hoạt động Ví dụ: 1.5 Nêu rõ mục đích điều khiển phân tích sở ví dụ minh họa, liên hệ với tốn điều khiển Mục đích điều khiển: có năm mục đích + Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định trơn tru + Đảm bảo suất chất lượng sản phẩm + Đảm bảo vận hành hệ thống an tồn + Bảo vệ mơi trường + Nâng cao hiệu kinh tế Ví dụ: Phân tích tốn - Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định trơn tru + Các đại lượng cần ổn định ví dụ: Mức bình trộn Nồng độ A sản phẩm + Các yêu cầu ổn định liên quan tới: Nguyên lý cân vật chất (trong ví dụ) Nguyên lý cân lượng Nguyên lý cân pha Nguyên lý cân phản ứng hóa học Các nguyên lý động lực học hệ thống trạng thái xác lập - Đảm bảo suất chất lượng sản phẩm + Nồng độ A sản phẩm ko cần giữ ổn định mà phải gần với chất lượng yêu cầu + Đảm bảo chất lượng sản phẩm: Đáp ứng với thay đổi giá trị đặt (đáp ứng độ) Đáp ứng với tác động nhiễu (đáp ứng loại nhiễu) - Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn + Cần đặt cảm biến (logic) báo tràn cạn bình, q tốc, q dịng động khuấy => điều khiển rời rạc động van an toàn + Khóa liên động nhằm: Tránh xảy tình nguy hiểm (ví dụ động khởi động mức bình đạt giá trị đó) Giảm thiểu tác hại cố xảy (bằng biện pháp ngắt phần dừng khẩn cấp) Bảo vệ môi trường: + Các dây chuyền công nghệ ngày thiết kế với nhiều yêu cầu giảm ô nhiễm môi trường: Giảm nhiên liệu tiêu thụ Giảm sử dụng nước + Các thiết kế "recycling" tạo tính phi tuyến cao tương tác lớn hệ thống + Yêu cầu cao tiêu chuẩn quốc gia quốc tế xử lý nước thải khí thải Nâng cao hiệu kinh tế + Các yêu cầu cụ thể: Chất lượng ổn định (nồng độ A sản phẩm) Năng suất thích ứng với yêu cầu thị trường (liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) Tiêu hao lượng thấp (cho động khuấy cho van điều khiển) Tác động điều khiển êm ả, trơn tru + Các yêu cầu cụ thể mâu thuẫn nên ta có phương án giải quyết: Sử dụng tiêu chuẩn hòa đồng => điều khiển tối ưu Đáp ứng vừa đủ yêu cầu thiết yếu, sau tập trung vào u cầu cịn lại: ví dụ cho phép chất lượng dao động phạm vi chấp nhận để tránh thay đổi liên tục tác động điều khiển 1.6 Phân loại làm rõ chức điều khiển q trình, liên hệ với mục đích điều khiển Phân loại: - Theo tính chất, nhiệm vụ phân làm bốn chức sau: + Giao diện trình: Bao gồm chức đo lường, chuyển đổi/truyền tín hiệu cấp trường, hiển thị, ghi chép giá trị chỗ, đóng cắt, truyền động bảo vệ + Điều khiển sở: Duy trì trạng thái thiết bị q trình giá trị đích lựa chọn từ tập trạng thái ổn định biết trước + Điều khiển cao cấp Một chức điều khiển tự động nằm điều khiển sở, không làm việc trực tiếp với tín hiệu vào/ra trình ĐK cao cấp tự động tạo giá trị đặt can thiệp vào tham số điều khiển sở + Điều khiển vận hành giám sát ĐK vận hành giám sát có tham gia trực tiếp người để thực vạn hành hệ thống hiệu Các chức điều khiển trình nêu nhằm hướng tới mục đích điều khiển 1.7 Nêu rõ thành phần hệ thống điều khiển trình mối liên hệ thành phần với Một hệ thống điều khiển trình gồm thành phần bản: Thiết bị đo: cung cấp tín hiệu tỉ lệ theo nghĩa với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm thành phần cảm biến chuyển đổi đo Cảm biến: tự cảm nhận đại lượng quan tâm kỹ thuật biến đổi thành tín hiệu Để truyền xa cần phải qua khuếch đại chuyển sang dạng thích hợp Bộ chuyển đổi đo: cho đầu tín hiệu chuẩn Thiết bị điều khiển: thiết bị tự động thực chức điều khiển Nó đưa thuật tốn điều khiển đưa tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại q trình kỹ thuật thơng qua thiết bị chấp hành Thiết bị chấp hành: nhận tín hiệu từ điều khiển thực tác động can thiệp tới biến điều khiển Gồm: Cơ cấu chấp hành: chuyển tín hiệu điều khiển thành lượng Cơ cấu dẫn động Phần tử điều khiển: thân van Mối liên hệ chúng thể qua sơ đồ khối sau: 1.8 Giải thích ý nghĩa biểu tượng lưu đồ Level transmitter Thiết bị đo giá trị mức Flow rate transmitter Thiết bị đo giá trị lưu lượng Pressure transmitter Thiết bị đo giá trị áp suất Analysis transmitter Thiết bị đo trị phân tích Temperature transmitter Thiết bị đo giá trị nhiệt độ Flow rate convert Bộ biến đổi lưu lượng Position switch Cơng tắc hành trình Hand switch Cơng tắc tay Level indicate control Bộ điều khiển hiển thị mức Flow rate record control loop 102 Bộ điều khiển hiển thị lưu lượng vòng 102 Pressure diferential control loop 102 Bộ điều khiển vi phân áp suất vòng 102 Analysis control loop 102 Bộ điều khiển phân tích vịng 102 Flow ratio control loop 102 Bộ điều khiển tỉ lệ lưu lượng vòng 102 Temperature control loop 102 Bộ điều khiển nhiệt độ vòng 102 Ratio control loop 102 Bộ điều khiển tỉ lệ vòng 102 Quantity control loop 102 Bộ điều khiển số lượng vòng 102 Indicator Bộ thị Programme Indicator Bộ thị khả trình Flow rate - Pressure record Bộ ghi giá trị lưu lượng áp suất Phần mềm máy tính điều khiển phân tích Temperature alarm low-high Bộ cảnh báo nhiệt độ cao – thấp Câu 1.9: Vẽ phác lưu đồ P&ID cho vòng điều khiển phản hồi sau: Điều khiển mức sử dụng tín hiệu vào/ra 4-20mA, điều khiển DCS với giá trị đặt truyền từ máy tính vận hành Tín hiệu dịng điện từ 4-20mA đo từ cảm biến mức bình đưa vào ADC để chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số Bộ điều khiển DCS, sử dụng tín hiệu chuyển đổi sang số kết hợp với giá trị đặt truyền xuống từ trạm vận hành đưa tín hiệu số Tín hiệu số tiếp tục chuyển sang tín hiệu tương tự đưa vào thiết bị chấp hành Tín hiệu đưa vào thiết bị chấp hành đưa qua khâu I/P để chuyển thành tín hiệu khí nén điều khiển van Điều khiển hiển thị chênh áp với thiết bị vào/ra khí nén với thiết bị điều khiển đơn lẻ chuyên dụng, ghi chép giá trị áp suất thiết bị riêng Tín hiệu áp suất đầu đo từ cảm biến áp suất PT sau đố ghi chép lại thiết bị ghi liệu PR Tín hiệu dạng khí nén đưa vào điều khiển áp suất đặc biệt Đầu điều khiển là tín hiệu khí nén đưa trực tiếp điều khiển van khí nén Điều khiển hiển thị nhiệt độ với đầu vào RTD(mV), đầu từ 4-20mA đưa tới van khí nén biến đổi I/P Tín hiệu nhiệt độ đầu đo nhiệt điện trở RTD dạng điện áp Tín hiệu điện áp sau đưa qua biến đổi từ điện áp (mV) dòng điện (mA) Tín hiệu dịng điện đưa vào ADC để tạo thành tín hiệu số xử lý bới DCS Bộ DCS đưa tìn hiệu số truyển thành tín hiệu tương tự nhờ DAC đưa vào I/P để chuyển thành tín hiệu khí nén để điều khiển van khí nén Cảnh giới nhiệt với cảm biến chuyển mạch, tín hiệu logic đưa tới thiết bị báo động 10 Cặp đôi biến điều khiển: F1 điều khiển c; F điều khiển h Ta phải chấp nhận không điều khiển lưu lượng dòng F 53 Chương VI 6.1 Nêu dạng tín hiệu chuẩn sử dụng điều khiển q trình Giải thích ý nghĩa việc sử dụng mức tín hiệu 4-20mA Các dạng tín hiệu chuẩn sử dụng điều khiển q trình: - Tín hiệu chuẩn dịng 4-20 mA Tín hiệu điện 1-5 V, 1-10 V, 10-50 mV Tín hiệu khí nén chuẩn 0.2-1 bar (20-100 kPa) Ý nghĩa việc sử dụng tín hiệu 4-20 mA: - 6.2 Khả truyền xa, không bị ảnh hưởng trở kháng cáp truyền Khả phân biệt trường hợp lỗi đứt cáp với trường hợp tín hiệu đạt giới hạn Khả mang nguồn nuôi cho thiết bị mắc nối tiếp Nêu thành phần thiết bị đo Giải thích thuật ngữ tiếng Anh: “Sensor", "Transducer" "Transmitter" Thành phần thiết bị đo bao gồm: Cảm biến (sensor): có chức chuyển đổi đại lượng vật lý ví dụ: nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, nồng độ - sang tín hiệu, thơng thường điện khí nén Bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter): khâu điều hịa tín hiêu, nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến cho đầu tín hiệu chuẩn để truyền xa thích hợp với đầu vào điều khiển Phân biệt thuật ngữ tiếng Anh: Sensor: Cảm biến Transmitter: Bộ chuyển đổi đo chuẩn Transducer: Bộ chuyển đổi nghĩa rộng (có thể sensor, transmitter sensor + transmitter 54 6.3 Giải thích phân biệt khái niệm đặc tính thiết bị đo: Độ xác Độ phân giải Tính trung thực (khả lặp lại) Độ tin cậy Độ xác Tính trung thưc/Khả lặp lại Mức độ phù hợp đầu thiết bị so với giá trị thực đại lượng đo xác định số tiêu chuẩn Độ lệch lớn giá trị quan sát sau nhiều lần lặp lại so với giá trị trung bình đại lượng đo Thể khả hoạt Thể tính động thiết bị đo xác phép đo điều kiện quy thiết bị chuẩn Thể tản mạn phép đo, thiết bị trung thực khơng thiết xác Xác suất mà thiết bị hoạt động tốt qua Định khoảng thời gian nghĩa số điều kiện quy chuẩn Phân biệt 6.4 Giải thích phân biệt khái niệm đặc tính thiết bị đo: • Phạm vi đo • Dải đo • Phạm vi tín hiệu • Dải tín hiệu • Phạm vi đầu vào • Phạm vi đầu • Dải đầu • Dải đầu vào Phâ n biệt Phâ n biệt Phạm vi đo Phạm vi tín hiệu Phạm vi đầu vào Phạm vi giá trị danh định đại lượng đo mà thiết bị đo sử dụng theo quy định Phạm vi giá trị Phạm vi tín hiệu tín hiệu mà Giống với phạm chuyển thiết bị đo đầu vi đo đổi đo chuẩn hóa Dải đo Dải tín hiệu Khoảng cách giới hạn giới hạn phạm vi đo Khoảng cách giới hạn Giống với dải đo giới hạn phạm vi tín hiệu Dải đầu vào Phạm vi đầu Dải đầu Khoảng cách giới hạn giới hạn phạm vi đầu 55 6.5 Cho đồ thị định chuẩn thiết bị đo nhiệt độ Hình 630 a Có thể phát biểu đặc tính thiết bị? b Giả sử nhiệt độ có giá trị thật 125°C không thay đổi Giá trị tín hiệu đầu từ ba phép đo gần 11.8 mA, 11.9 mA 12.1A Có thể nói về: • Sai số đo • Độ phân giải • Độ xác • Tính trung thực? c Giả sử ta xấp xỉ hàm truyền đạt thiết bị đo khâu quán tính bậc với số thời gian quán tính T = 3s, sau 15s nhiệt độ tăng từ giá trị xác lập 1250C lên 1350C Bỏ qua tính phi tuyến sai số tĩnh, xác định sai số giá trị đo thời điểm sau 3s sau 15s a Đặc tính thiết bị đo nhiệt độ: Đầu vào thiết bị đo dải đo từ 50-200 C Đầu thiết bị đo tín hiệu dịng chuẩn 4-20 mA Hai đường đặc tính khác chiều thay đổi đại lượng đo Tm1 11,8mA Tm 11,9mA b Giả sử T0 125 C , ta có Tm3 12,1mA => Tm 11,93mA 56 Ứng với T0 125 C theo lý thuyết ta có Tm 12mA => Tm 0, 07 mA , sai số tương đối nhỏ so với phép đo Sai số sai số hệ thống, có ngun nhân từ đặc tính vận hành (độ phân giải, trôi điểm không, lệch độ nhạy, điều kiện sử dụng khác điều kiện chuẩn) tính phi tuyến thiết bị Các phép đo đại lượng thay đổi khoảng 0.1 mA, nên ta coi 0.1mA bước thay đổi nhỏ tín hiệu => N 160 (N tổng số bước thay đổi toàn phạm vi đo) 100 0, 625(%) Độ phân giải trung bình (%) = 160 Độ xác tương đối tín hiệu ra: X X 0, 07 100% 100% 0,58% X th 12 Tính trung thực thiết bị: TmMax 0,17mA , thiết bị tương đối trung thực xác c Hàm truyền: Gm ( s) km Ts (T=3s) Sau 3s, tín hiệu đạt 63,28% giá trị xác lập => Sai số phép đo thời điểm sau 3s: 100 63, 28 36,72% Sau 15s, tín hiệu đạt 95-98% giá trị xác lập => Sai số phép đo thời điểm sau 15s: 2-5% 6.6 Nêu nguyên lý hoạt động loại cảm biến cho đại lượng sau: • Nhiệt độ • Áp suất • Lưu lượng • Mức Cảm biến Nguyên tắc hoạt động Nhiệt Nhiệt kế giãn Giãn nở chất theo nhiệt độ làm thay đổi chiều dài, thể độ nở tích áp suất, ví dụ nhiệt kế thủy ngân nhiệt kế lưỡng kim Nhiệt kế điện Điện trở thay đổi theo nhiệt độ, sử dụng nhiệt điện trở trở kim loại (RTD) nhiệt điện trở bán dẫn (thermistor) Cặp nhiệt Điện thay đổi theo nhiệt độ điểm tiếp xúc hai kim loại khác nhau, ví dụ niken crom, niken đồng 57 Hỏa kế Bước sóng nhiệt xạ thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ hỏa kế xạ áp dụng cho đo nhiệt độ cao (quá trình đốt cháy) Cảm biến đàn Phần tử cảm biến sơ cấp biến đổi áp suất thành dịch chuyển hồi hai phần dựa tính chất vật lý đàn hồi, ví dụ ống Bourdon, tử màng rung,… Phần tử thứ cấp cảm biến dịch chuyển, chuyển đổi độ dịch chuyển thành tín hiệu điện, ví dụ chiết áp, cảm biến sức căng, cảm biến cảm ứng,… Áp suất Cảm piezo biến Sử dụng phần tử cảm biến sơ cấp tinh thể thạch anh có hiệu ứng áp trở áp điện Khi tác động lực lên tinh thể thạch anh, hiệu ứng áp trở gây nên thay đổi điện trở tinh thể thạch anh, hiệu ứng áp điện gây nên tích điện khác dấu hai bề mặt tinh thể thạch anh Cảm biến Các phép đo gián tiếp dựa nguyên lý truyền nhiệt chân khơng ion hóa chất khí Lưu lượng kế Đo gián tiếp thông qua phép đo chênh áp dựa quan hệ chênh áp lưu lượng dòng chảy độ chênh lệch áp suất qua cấu thu hẹp đường ống Lưu lượn g Lưu lượng kế Đo gián tiếp thông qua tốc độ quay dựa quan hệ turbine lưu lượng dòng chảy tốc độ quay turbine Lưu lượng kế Đo đại lượng điện dựa thay đổi điện dung điện từ điện cảm lưu lượng dòng chảy thay đổi Lưu lượng kế Đo không tiếp xúc sử dụng sóng siêu âm xác định siêu âm vận tốc dịng chảy dựa hiệu ứng Doppler, từ tính tốn lưu lượng Cảm phao tính Mức biến Phương pháp tiếp xúc bề mặt, mực chất lỏng vượt qua tuyến ngưỡng phao, nấc phao chuyển rơ le Cảm biến điện Dựa tượng thay đổi điện dung dung Cảm biến siêu Xác định khoảng cách bề mặt chất lỏng nắp âm radar 6.7 Nêu thành phần thiết bị chấp hành chức chúng Lấy ví dụ minh họa Một hệ thống/thiết bị chấp hành có chức can thiệp tới biến điều khiển theo tín hiệu đầu điều khiển, có thành phần bao gồm: Phần tử điều khiển: Can thiệp trực tiếp đến biến điều khiển Cơ cấu chấp hành: Truyền lượng, truyền động đến phần tử điều khiển 58 Ví dụ minh họa: Trong hệ thống điều khiển q trình lọc dầu thơ, van điều khiển (control valve) thiết bị chấp hành tiêu biểu quan trọng Van điều khiển cho phép điều chỉnh lưu lượng lưu chất qua đường dẫn ống tỉ lệ với tín hiệu điều khiển 6.8 Nêu thành phần phụ kiện van điều khiển Các thành phần van điều khiển bao gồm: Thân van Cơ chế chấp hành Các phụ kiện liên quan Phần thân van phụ kiện gắn với đường ống, đóng vai trò phần tử điều khiển Độ mở van lưu lượng qua van xác định hình dạng vị trí chốt van Các phụ kiện van điều khiển: Bộ điều khiển tuyến tính với van điện Bộ khuếch đại dung lượng: gia tăng tín hiệu đầu vào định vị Limit switches Bộ lọc IP Converter … 59 6.9 Phân loại van điều khiển theo cấu chấp hành Phân loại van theo cấu chấp hành: Van khí nén Van điện Van thủy lực Van từ Truyền động khí nén sử dụng màng chắn/lò xo piston Cơ chế chấp hành sử dụng động servo động bước, điều khiển trực tiếp từ tín hiệu đầu điều khiển Sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng chắn piston, điều khiển tín hiệu từ điều khiển Cơ cấu chấp hành cuộn hút kết hợp lò xo, lực nén yếu độ xác kém, phù hợp với tốn đơn giản 6.10 Phân loại van điều khiển theo thiết kế chốt van Phân loại van theo thiết kế chốt van: Van cầu Van nút Van bi Van bướm Chốt trượt có đầu hình cầu hình nón, chuyển động lên xuống Chốt xoay hình trụ (có đục lỗ theo chiều ngang) phần hình trụ Chốt xoay hình cầu Chốt xoay hình đĩa (có đục lỗ theo chiều ngang) nửa hình cầu 6.11 Giải thích vai trị định vị van Khi nên khơng nên sử dụng định vị? a) Bộ định vị van thực chất điều khiển thứ cấp cấu trúc điều khiển tầng Bộ định vị sử dụng tín hiệu đo vị trí cần van (tức độ mở van thực) so sánh với giá trị đặt từ tín hiệu điều khiển, sở đưa tác động tới cấu chấp hành để điều chỉnh lại độ mở van Thông thường, định vị sử dụng luật tỉ lệ với hệ số khuếch đại tương đối lớn Sử dụng định vị cho phép cải thiện độ xác, mà cịn tăng tốc độ đáp ứng bạn Ví dụ, sai số vị trí giảm xuống tới 0.5%, dải chết 0,1-0,5% số thời gian 0.5-2 giây b) Nếu kinh phí cho phép ta nên sử dụng định vị u cầu có độ xác cao tốc độ đáp ứng nhanh động học trình chậm đáng kể so với van (hằng số thời gian lớn lần so với vạn), ví dụ q trình phản ứng, q trình nhiệt, trình trộn, Tuy nhiên, định vị điều khiển vòng nên động học trình tương đối nhanh (hằng số thời gian không lớn lần so với văn) định vị làm chậm giảm chất lượng điều khiển vịng ngồi Hơn nữa, ta sử dụng vịng điều khiển lưu lượng vai trị định vị trở nên khơng cần thiết 60 6.12 Khi độ mở van cố định, lưu lượng qua van điều khiển biến thiên với sụt áp qua van với trọng lượng riêng chất lỏng? Đối với chất lỏng chế độ chảy dịng ta có cơng thức : F=C v f ( p) √ ∆ P f ( p) = F , F max gs : F - lưu lượng thể tích chất lỏng qua van (gpm, gallons/phút) ∆P - áp suất sụt qua van (psi) Cv - hệ số cỡ van gs - trọng lượng riêng chất lỏng (=1 nước 15°C) f(p) - phần lưu lượng độ mở van p so với lưu lượng tối đa (p =1) Khi độ mở van cố định, tức f(p) khơng đổi, lưu lưu lượng qua van điều khiển (F) tỉ lệ tuyến tính với bậc hai tỉ số áp suất sụt qua van (∆P) trọng lượng riêng chất lỏng (gs) 6.13 Phân loại van điều khiển theo đặc tính cố hữu Loại van phù hợp cho toán điều chỉnh lưu lượng? Trong trường sử dụng van phù hợp? Hàm f(p) công thức định tới đặc tính dịng chảy cố hữu Dựa vào người ta phân biệt loại đặc tính dịng chảy sau: • Đặc tính tuyến tính (Quick Opening, f = p): ∆P cố định, lưu lượng qua van tỉ lệ tuyến tính với độ mở van • Đặc tính mở nhanh (Linear, f = √p): ∆P cố định, lưu lượng qua van tỉ lệ tuyến tính với bậc hai độ mở van • Đặc tính phần trăm (Equal percentage, f = α^(p-1)): ∆P cố định, độ mở van tăng lên lượng lưu lượng qua van tăng lên với tỉ lệ phần trăm so với giá trị Thơng thường, α có giá trị từ 20-50 6.14 Giải thích khác đặc tính cố hữu đặc tính lắp đặt van điều khiển nguyên nhân dẫn tới khác Đặc tính cố hữu Đặc tính lắp đặt Quan hệ tĩnh lưu lượng qua van Đặc tính thực tế van lắp đặt, có độ mở van điều kiện áp suất sụt nghĩa phụ thuộc vào nhiều yếu tố qua van không đổi, phụ thuộc vào kích khác gây sụt áp qua van thước van thiết kế chốt van Nguyên nhân có khác đặc tính cố hữu theo lý thuyết tính tốn có tính chất tuyến tính Song, lưu lượng thay đổi áp suất tổn thất qua đường ống qua thiết bị trình thay đổi, áp suất bơm cấp thay đổi theo, dẫn tới chênh lệch áp suất qua van thay đổi Do đó, van có đặc tính tuyến 61 tính cố hữu sau khơng cịn tuyến tính Trái lại, van có đặc tính phần trăm tính tốn lựa chọn hợp lý lại cho đặc tính lắp đặt gần tuyến tính phạm vi làm việc theo yêu cầu 6.15 Giải thích hiệu ứng sức cản đường ống thiết bị cơng nghệ tới đặc tính lắp đặt van điều khiển Lưu lượng lưu chất qua đường ống điều tiết cách thay đổi độ mở van Nhưng lưu lượng thay đổi áp suất tổn thất qua đường ống qua thiết bị trình thay đổi, áp suất bơm cấp thay đổi theo, dẫn tới chênh lệch áp suất qua vai thay đổi Do đó, van có đặc tính tuyến tính cố hữu sau lắp đặt khơng cịn tuyến tính Trái lại, van có đặc tính phần trăm tính tốn lựa chọn hợp lý lại cho đặc tính lắp đặt gần tuyến tính phạm vi làm việc yêu cầu 6.16 Ý nghĩa chiều tác động • Một van điều khiển • Một điều khiển phản hồi a) Chiều mũi tên xuống hướng tới thân van thể kiểu van đóng an tồn (fail-closed, FC air-to-open, AO), cịn mũi tên ngược lại thị kiểu mở an toàn (fail-open, FO air-to-close, AC) Sự lựa chọn kiểu tác động van túy dựa nguyên tắc đảm bảo an tồn trường hợp tín hiệu điều khiển nguồn lượng cấp Van đóng an tồn có độ mở van lớn tín hiệu điều khiển tăng, van mở an tồn có độ mở van nhỏ tín hiệu điều khiển tăng Lưu ý khái niệm chiều tác động thân van điều khiển định nghĩa tài liệu chuẩn dựa theo chiều chuyển động chốt van Chiều tác động thuận định nghĩa độ mở van giảm tín hiệu điều khiển tăng (có nghĩa cần vận chuyển động theo chiều thuận từ xuống ván trượt) Chiều tác động nghịch định nghĩa độ mở van tăng lên tín hiệu điều khiển tăng (cần vận chuyển động theo chiều nghịch từ lên ván trượt) b) Tác động điều khiển gọi thuận (DA, direct acting) đầu (tín hiệu điều khiển) hàm đồng biến với biến cần điều khiển, Tác động điều khiển gọi nghịch (RA, reverse acting) tín hiệu điều khiển hàm nghịch biến với biến cần điều khiển Chiều tác động thực có ý nghĩa điều khiển phản hồi, liên quan tới việc chọn dấu hệ số khuếch đại điều khiển Hệ số khuếch đại có giá trị âm tương ứng với tác động thuận, tức tín hiệu điều khiển tăng đầu trình tăng ngược lại Với hệ số khuếch đại dương, điều khiển có tác động nghịch, tức tín hiệu điều khiển tăng giá trị đầu trình giảm 62 6.17 Việc lựa chọn chiều tác động van điều khiển phụ thuộc vào gì? Lựa chọn chiều tác động điều khiển phản hồi dựa sở nào? Việc lựa chọn chiều tác động van phụ thuộc vào trình động học hệ thống, van đặt đầu vào để điều khiển biến đầu van đặt đầu dùng mạch vịng phản hồi, từ chọn chiều tác động van thích hợp Việc lựa chọn chiều tác động điều khiển phản hồi dựa sở hiểu biết đối tượng kiểu tác động van, cho hệ số khuếch đại toàn hệ hở giá trị dương 6.18 Trong ví dụ điều khiển phản hồi minh họa Hình 6-31, chọn chiều tác động van điều khiển điều khiển Đầu vào không điều khiển được, chọn van xả mở an toàn (LC) để xảy cố, bình khơng bị tràn dẫn đến hỏng hóc Chiều tác động van thuận nên chiều tác động điều khiển thuận Khi mức nước bình đạt đến gần giá trị setpoint điều khiển gửi tín hiệu để van mở them van xả nhằm trì mức nước đạt giá trị đặt 63 Van đặt đầu vào nên chọn van đóng an tồn (LC) để có cố xảy van đóng lại để phịng cố tràn bình Chiều tác động van chiều nghịch nên chiều tác động biến đổi chiều nghịch Khi mức nước bình tăng gần đạt đến giá trị đặt, điều khiển gửi tín hiệu để van đóng bớt nhằm giảm lượng chất lỏng them vào Van TC chọn van đóng an tồn để xảy cố, van đóng lại tránh việc gia nhiệt cho dòng dầu gây tượng nhiệt cho hệ thống Chiều tác động van chiều tác động nghịch nên chiều tác động điều khiển chiều tác động nghịch Khi nhiệt độ dòng dầu qua thiết bị gia nhiệt đạt gần đến giá trị đặt, điều khiển gửi tín hiệu điều khiển đóng bớt van cấp nước lại 6.19 Nêu ý nghĩa tính chất thành phần điều khiển PID Tỉ lệ (P) Tích phân (I) Ý nghĩ a Thuật toán khuếch đại tỉ lệ đưa tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị tức thời tín hiệu sai lệch điều khiển quan sát Đưa tín hiệu điều khiển Tỉ lệ với thay đổi tỉ lệ với tích lũy sai sai lệch điều khiển quan lệch điều khiển quan sát sát e(t) e(t) Tính chất + Hệ số lớn, sai lệch nhiễu đo nhỏ (nếu hệ ổn định); song, tác động tỉ lệ không đảm bảo sai lệch tiến trường hợp + Triệt tiêu sai lệch tĩnh + Cải thiện tốc độ đáp ứng hệ thống làm tín hiệu thay đổi mạnh hơn, hệ nhạy cảm với nhiễu đo Vi phân (D) + Cải thiện đặc tính động + Tác động rõ dãi tần học hệ thống thấp, làm xấu đặc tính + Tăng tốc độ đáp ứng động học hệ thống (lam hệ kín với thay đổi hệ dao động chí giá trị đặt tác ổn định) động nhiễu tải + Tác dụng chủ yếu phạm vi tần số cao, ảnh hướng đến trình độ + Khiến hệ nhạy cảm với nhiễu đo 64 6.20 Khi lựa chọn luật điều khiển: a P b PI c PD d PID a) Chọn luật điều khiển P hệ thống không yêu cầu tốc độ đáp ứng nhanh đặc tính động học hệ thống, thường dùng cho điều khiển mức q trình có đặc tính tích phân nên dùng luật P cho điều khiển lỏng b) Chọn luật điều khiển PI hệ thống yêu cầu đặc tính động học tốt, sai lệch tĩnh phải triệt tiêu Thời gian trễ nhỏ nên thường dùng vòng điều khiển lưu lượng, không dùng thành phần vi phân phép đo chịu ảnh hưởng nhiễu cao tần c) Chọn luật điều khiển PD hệ thống yêu cầu cải thiện tốc độ đáp ứng, ổn định điều khiển hệ thống có sẵn đặc tính tích phân khơng có nhiễu đầu vào Thời gian trễ chuẩn hóa hệ số khuếch đại chuẩn hóa 0,3; k2 d) Chọn luật điều khiển PID hệ thống yêu cầu cao: vừa phải đáp ứng nhanh mà điều khiển lại ổn định.Thường dùng vòng điều khiển nhiệt độ điều khiển thành phần 6.21 Giải thích tượng bão hịa tích phân sử dụng điều khiển PID Khi tượng xảy ra? Nếu biện pháp khắc phục Hiện tượng bão hồ tích phân tượng đầu điều khiển tiếp tục tang mức giới hạn tích luỹ thành phần tích phân tiếp tục trì sai lệch điều khiển trở không Hiện tượng xảy điều khiển có chứa thành phần tích phân tín hiệu điều khiển bị hạn chế Các biện pháp chống bão hồ tích phân bao gồm: Khi sai lệch điều khiển 0, tách bỏ thành phần tích phân điều khiển tốt hết xoá trạng thái thành phần tích phân Giảm hệ số khuếch đầu điều khiển nằm giới hạn cho phép, tránh việc xảy tượng bão hồ tích phân Theo dõi giá trị thực tín hiệu điều khiển bị giới hạn, phản hồi điều khiển để thực thuật tốn bù nhằm giảm thành phần tích phân Đặt khâu giới hạn đầu điều khiển để mơ đặc tính phi tuyến thiết bị chấp hành sử dụng thuật toán bù giống phương pháp 6.22 Giải thích ý nghĩa việc đưa số cho giá trị đặt thuật toán PID Trong điều khiển PID, khâu vi phân D đáp ứng nhanh với thay đổi giá trị đặt Trong thực tế, giá trị đặt thay đổi nhanh làm cho thành phần vi phân lớn, 65 gây thay đổi đột ngột cho tín hiệu điều khiển Để tránh điều này, ta đặt trọng số c cho giá trị đặt: ud s kc ds cr s y s ds 1 N 6.23 Với luật điều khiển sử dụng thành phần vị phân, tượng xảy ta thay đổi nhanh giá trị đặt? Biện pháp khắc phục nào? Đối với luật điều khiển sử dụng thành phần vi phân, việc thay đổi nhanh giá trị đặt làm cho thành phần vi phân lớn, gây thay đổi đột ngột cho tín hiệu điều khiển Để khắc phục điều này, ta đặt trọng số c cho giá trị đặt: ud s kc ds cr s y s ds 1 N 6.24 Viết thuật toán PID thực theo chuẩn ISA giải thích ý nghĩa tham số Cấu trúc PID theo chuẩn ISA: ds u kc br y (r y ) (cr y ) i 1d s / N Với tham số: N: tham số xấp xỉ khâu vi phân b,c: trọng số giá trị đặt Thành phần d s khâu khơng có tính nhân quả, không thực thi Mặt khác, khâu vi phân đáp ứng nhanh với thay đổi tín hiệu sai lệch nên nhạy cảm với nhiễu đo Để khắc phục hai vấn đề ta xấp xỉ khâu vi phân Đối với luật điều khiển sử dụng thành phần vi phân, việc thay đổi nhanh giá trị đặt làm cho thành phần vi phân lớn, gây thay đổi đột ngột cho tín hiệu điều khiển Để khắc phục điều này, ta đặt trọng số b,c cho giá trị đặt 66 6.26 Trình bày phương pháp xấp xỉ thành phần tích phân vị phần thuật tốn PID số Thành phần tích phân thuật tốn PID số xấp xỉ hai phương pháp thơng dụng phương pháp diện tích hình chữ nhật phương pháp diện tích hình thang Với phương pháp diện tích hình chữ nhật, thành phần tích phân biểu diễn thành: t ui (t ) kc k cT e ( ) d u ( t T ) e (t ) i i 0 i T chu kì trích mẫu tín hiệu Thuật tốn xấp xỉ tích phân theo phương pháp diện tích hình thang biểu diễn sau: ui (t ) ui (t T ) kcT e(t ) e(t T ) 2ti Khâu vi phân cải tiến biểu diễn miền thời gian: d dud dy ud kc d N dt dt xấp xỉ với phép tính sai phân thành: ud (t ) d k N ud (t T ) c d y (t ) y (t T ) d NT d NT 67 ... niệm điều khiển trình nêu lĩnh vực ứng dụng điều khiển trình Phân biệt điều khiển trình với lĩnh vực điều khiển khác - Khái niệm điều khiển trình : ứng dụng kĩ thuật điều khiển tự động điều khiển, ... dụ cho: - Điều khiển tầng - Điều khiển tỉ lệ - Điều khiển lấn át - Điều khiển giới hạn - Điều khiển phân vùng 5.4.1 Điều khiển tầng 41 Cấu trúc điều khiển gồm vòng điều khiển + Bộ điều khiển thứ... thống điều khiển nhiều chiều: +Điều khiển đa biến /tập trung +Điều khiển đơn biến/phi tập trung + Điều khiển đa biến /tập trung kết hợp Điều khiển đơn biến/phi tập trung cấu trúc điều khiển phân