Nghiên cứu kỹ lưu đồ công nghệ:
Xác định rõ mục đích sử dụng của mô hình .
Xác định mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng. Tóm tắt các thông số công nghệ cũng như các giả thiết quan trọng.
Trên cơ sở mô tả công nghệ và mục đích mô hình hóa, tiến hành phân chia
thành các quá trình con, nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá
trình.
Xây dựng các mô hình thành phần:
Trong trường hợp sử dụng cấu trúc điều khiển tập trung, hoặc phải mô phỏng toàn bộ hệ thống, ta cần tiến hành xây dựng và kết hợp nhiều mô hình thành phần thành một mô hình lớn hơn. Hầu hết các công cụ thiết kế và mô phỏng máy tính hỗ trợ việc ghép nối các mô hình thành phần trên cơ sở:
Sử dụng trực tiếp các phương trình vi phân và phương trình đại số.
Hoặc sử dụng biến đổi sơ đồ khối và các mô hình dẫn xuất (hàm truyền đạt, mô hình trạng thái).
Nguyên tắc kết hợp các mô hình thành phần hoàn toàn dựa trên các tín hiệu vào/ra, không dựa trên các dòng quá trình. Ví dụ: một biến ra của một mô hình thành phần đóng vai trò là biến vào của một mô hình khác.
Phân tích và kiểm chứng mô hình dựa vào phân tích bậc tự do:
bậc tự do cần được xác định lại, khi mà số lượng biến độc lập có thể giảm đi do kết hợp các mô hình thành phần sử dụng chung biến.
Phân tích bậc tự do của mô hình:
Đối với nhiều quá trình kĩ thuật, không phải tất cả các biến cần được điều khiển cũng có thể tự do điều khiển theo ý muốn ngay cả khi ta không quan tâm tới các điều kiện giới hạn (ví dụ: áp suất, nhiệt độ và tốc độ bay hơi trong một nồi hơi là các đại lượng có quan hệ ràng buộc với nhau, không thểđiều khiển hoàn toàn độc lập theo ý muốn).
Số bậc tự do của hệ thống : là số lượng tối đa các vòng điều khiển đơn tác động độc lập có thể sử dụng, hay nói cách khác là số lượng tối đa biến đầu vào có thể can thiệp độc lập để tác động tới đầu ra. Xác định số bậc tự do của mô hình cho phép kiểm chứng tính nhất quán, khả năng giải được và mô phỏng được của mô hình. Cũng như trên cơ sở phân tích bậc tự do ta mới có thể đưa ra các sách lược điều khiển đúng đắn.
Nf = Nv – Ne ( 2) Trong đó :
Nf : số bậc tự do của một hệ thống. Nv: số lượng biến quá trình mô tả hệ thống. Ne: số lượng mối quan hệđộc lập giữa các biến.
Sự liên quan giữa số bậc tự do với khả năng giải được cũng như mô phỏng được của một mô hình:
Về nguyên tắc, số lượng phương trình trong một mô hình phải đúng bằng số biến phụ thuộc nếu ta muốn có nghiệm xác định. Nếu số biến cần tìm ít hơn số phương trình, mô hình đưa ra sẽ không có nghiệm, ngược lại trường hợp số biến cần tìm nhiều hơn số phương trình sẽ dẫn đến vô số nghiệm. Như vậy: Số bậc tự do của một mô hình phải đúng bằng số biến tự do (hay nói cách khác là số biến đầu vào) mới đảm bảo tính nhất quán của mô hình. Nếu muốn giải các phương trình mô hình (cũng nhưđể tiến hành mô phỏng) các biến đầu vào cần phải được cho biết.
Sự liên quan giữa số bậc tự do của một mô hình quá trình với số biến ra có khả năng điều khiển được một cách độc lập:
Về nguyên tắc, điều kiện cần đểđiều khiển được n biến ra một cách độc lập là phải có ít nhất n biến điều khiển. Khi một mô hình quá trình đã đảm bảo tính nhất quán số biến đầu vào đúng bằng số bậc tự do và cần được phân biệt thành các biến điều khiển và biến nhiễu. Như vậy, số bậc tự do của mô hình trừ đi số biến nhiễu phải bằng hoặc lớn hơn số biến điều khiển cần thiết. Số lượng vòng điều khiển phản hồi tối đa có thể xây dựng được khi số biến diều khiển bằng số bậc tự do.
Sự liên quan giữa số bậc tự do của một mô hình quá trình và số bậc tự do của hệ thống điều khiển:
Bản chất của điều khiển nằm ở chỗ lợi dụng số bậc tự do để can thiệp một cách có ý nghĩa vào các đầu ra của quá trình. Xây dựng sách lược điều khiển chính là bổ sung các mối quan hệ phụ thuộc vào các biến điều khiển, các giá trị đặt, các biến nhiễu và biến ra (đo được). Điều đó có nghĩa là, để thiết kế một hệ thống điều khiển thì các biến điều khiển cần được xác định theo:
Biến chủđạo và thời gian (điều khiển theo chương trình).
Theo cả một số biến nhiễu (điều khiển truyền thẳng, điều khiển bù nhiễu) Phụ thuộc cả giá trịđo của biến được điều khiển (điều khiển phản hồi).
Một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh sẽ chỉ còn số bậc tự do tương đương với tổng số biến chủđạo và biến nhiễu.
Mô phỏng quá trình bằng máy tính:
Bên cạnh các phương pháp phân tích, một công cụ quan trọng để đánh giá và kiểm chứng mô hình là mô phỏng bằng máy tính. Việc tiến hành mô phỏng trên
Dự báo diễn biến của quá trình. Đào tạo cơbản và đào tạo vận hành.
Mô phỏng tĩnh hay còn gọi làm mô phỏng trạng thái xác lập là mô phỏng các quan hệ vào/ra của một hệ thống ở trạng thái xác lập. Mô phỏng tĩnh được sử dụng thường xuyên trong thiết kế các quá trình và thiết bị công nghệ, giúp xác định các tham số trên lưu đồ P&ID. Cơ sở của mô phỏng tĩnh là các phương trình cân bằng vật chất và năng lượng ở trạng thái xác lập (tại điểm làm việc) và một số phương trình đại số khác.
Mô phỏng động sử dụng các mô hình động học để phản ánh diễn tiến của quá trình theo thời gian. Mô phỏng động được gọi là liên tục nếu các biến vào/ra là liên tục theo thời gian một cách cố hữu và sẽ được gọi là rời rạc khi các biến vào/ra có tính rời rạc theo sự kiện. Mô phỏng liên tục được sử dụng trong phân tích và thiết kế các sách lược và thuật toán điều khiển, trong khi mô phỏng rời rạc phục vụ bài toán điều khiển khóa liên động và điều khiển trình tự. Cơ sở của mô phỏng liên tục
là các phương trình vi phân và phương trình đại số, hoặc các mô hình động học
khác.