Trong điều khiển quá trình công nghệ hoa học có hai loại thuật toán phổ biến thường dùng là điểu khiển ON/OFF và điểu khiển P&ID.
Thuật toán điều khiển hai vị trí (đóng/ngắt – on/off):
Điều khiển hai vị trí là thuật toán điều khiển đơn giản nhất. Những đầu vào, đầu ra của loại điều khiển này chỉ ở một trong hai trạng thái đóng hay mở (on hay off). Tùy thuộc vào sai lệch điều khiển mà tín hiệu điều khiển có thể nhận một trong 2 giá trị 0 và 1 tương ứng với 2 trạng thái đóng/mở hoàn toàn của van hoặc bơm dừng/chạy.
Thuật toán điều khiển 2 vị trí lý tưởng có nhược điểm rất lớn là tín hiệu điều khiển thường xuyên thay đổi giữa 2 giá trị, dễ dẫn tới phá hỏng thiết bị chấp hành. Vấn đề này được khắc phục bằng cách sử dụng một dải chết và chấp nhận sai lệch điều khiển nằm trong dải chết đó. Do đó thuật toán này chỉ được ứng dụng trong những trường hợp đơn giản, không yêu cầu độ chính xác cao chẳng hạn như điều khiển mức bồn chứa.
Bộ điều khiển 2 vị trí điển hình nhất là các loại rơle. Với sự phát triển của ngành điện tử, bộ điều khiển có khả năng lập trình PLC (Programmable Logic Control) ra đời làm cho rơle trở nên lỗi thời và hiện nay thuật toán điều khiển 2 vị trí chỉ là một phần tử (hàm) cơ bản nhất trong bộđiều khiển PLC.
Thuật toán điều khiển PID:
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần gồm khâu khuyếch đại P (Proportional), khâu tích phân I (Integral) và khâu vi phân D (Differential).
Hình 3.26: Sơđồ hoạt động của khâu PID.
Thuật toán PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng theo nguyên lý phản hồi, đặc biệt là trong ngành công nghiệp hóa học. Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản về cấu trúc của nó lẫn nguyên lý làm việc. Bộđiều khiển thực hiện thuật toán PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) giữa giá trịđặt SP và giá trị thực tế PV về giá trị 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng.
Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỉ lệ P, tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn.
Nếu sai lệch e(t) chưa bằng không thì thông qua thành phần tích phân I, bộ điều khiển PID sẽ tiếp tục tạo ta tín hiệu điều khiển đểđưa sai lệch về không.
Nếu sự thay đổi sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân D, bộ điều khiển sẽ tạo ta phản ứng thích hợp u(t) càng nhanh.
Thuật toán điều kiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra theo phương trình sau:
u(t) = kp[ e(t) + + Td ] ( 1)
Trong đó :
Kp là hệ số khuyếch đại, đặt trưng cho khâu tỉ lệ. Ti là hằng số tích phân, đặt trưng cho khâu tích phân. Td là hằng số vi phân, đặt trưng cho khâu vi phân.
Đây là ba thông sốđặt trưng cho bộđiều khiển PID.
Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào ba thông số này và được đánh giá qua các tiêu chuẩn sau, tùy theo yêu cầu của đối tượng mà có giá trị cụ thể:
Thời gian đáp ứng: Thời gian nhỏ nhất đểđầu ra (biến được điều khiển – PV) đạt được 90% giá trịở trạng thái xác lập (SP). Thời gian đáp ứng càng nhỏ càng tốt.
Thời gian quá độ: Thời gian nhỏ nhất để đầu ra đạt và nằm lại trong phạm vi sai lệch cho phép so với giá trịở trạng thái xác lập. Thời gian quá độ càng nhỏ càng tốt.
Độ quá điều chỉnh: Trong trường hợp đáp ứng của hệ có dạng dao động tắt dần thì độ quá điều chỉnh là tỷ số giữa biên độ đỉnh thứ nhất và giá trị xác lập. Độ quá điều chỉnh càng nhỏ càng tốt.
Hệ số tắt dần: Tỉ số giữa biên độđỉnh thứ hai và biên độđỉnh thứ nhất.
Sai lệch tĩnh: Sai lệch giữa giá trị xác lập của đầu ra so với giá trịđặt. Sai lệch tĩnh càng nhỏ càng tốt.
Muốn có hệ thống có chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sởđó chọn các thông số Kp, Ti, Td cho phù hợp.
Phần tử điều khiển: là thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển như van tỉ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải.
Cơ cấu chấp hành: phần tử điều khiển được truyền năng lượng, truyền động từ cơ cấu chấp hành như hệ thống động cơ, cuộn hút và cơ cấu khí nén, thủy lực.
Thiết bị chấp hành: hay đổi đại lượng điều khiển theo tín hiệu điều khiển, ví dụ van điều khiển, máy bơm, quạt gió, hệ thống băng tải.
Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng, vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan trọng nhất. Van điều khiển cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất qua đường ống dẫn tỷ lệ với tín hiệu điều khiển.
Hệ thống vận hành, giám sát:
Hình 3.28: Cấu trúc cơbản của một hệ thống vận hành, giám sát quá trình.
Trong các nhà máy hiện đại, điều khiển hệ thống thường được thực hiện bởi máy tính được kết nối tới các cảm biến và phần tử điều khiển trong vòng điều khiển. Các tín hiệu của quá trình cũng như tín hiệu điều khiển được xử lý dưới dạng số. Một máy tính đơn có thể phục vụ như bộ điều khiển cho nhiều vòng điều khiển. Trong công nghệ hóa học, máy tính có cài đặt phần mềm phù hợp (WinCC, …) được dùng nhưlà cơ cấu giám sát quá trình với các chức năng chính sau:
Giao diện người – máy (Human – Machine Interface, HMI). Vận hành (Operation).
Giám sát, theo dõi (Monitoring). Chẩn đoán (Diagnosis).