Nội dung của chƣơng 1 đó tập trung giải quyết đƣợc một số vấn đề liờn quan đến nội dung của luận văn và định hƣớng cho cỏc nội dung cần giải quyết để thực hiện đƣợc mục tiờu của luận văn đó đề ra : nõng cao đƣợc chất lƣợng của hệ điều khiển quỏ trỡnh
-Phõn tớch làm rừ vai trũ quan trọng của hệ điều khiển quỏ trỡnh trong thực tế, đặc biệt trong sản xuất cụng nghiệp. Tỡm hiểu những đặc điểm của cỏc quỏ trỡnh và yờu cầu của cỏc quỏ trỡnh đối với hệ thống điều khiển cần phải thoả món, làm cơ sở cho việc lựa chọn cỏc hệ điều khiển sau này.
- Tỡm hiểu cấu trỳc của hệ điều khiển quỏ trỡnh, nguyờn lý làm việc, cỏc lƣợng vào, lƣợng ra của quỏ trỡnh và cỏc thụng số đặc trƣng cho quỏ trỡnh, cỏc
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
phần tử cơ bản của hệ thống và đề xuất hƣớng giải quyết về điều khiển cỏc quỏ trỡnh trong sản xuất cụng nghiệp.
- Phõn tớch phạm vi sử dụng của cỏc bộ điều khiển PID, PID số, PID thớch nghi. Chỉ ra những ƣu, nhƣợc điểm của bộ điều khiển PID khi điều khiển cỏc quỏ trỡnh và hƣớng khắc phục những nhƣợc điểm. Trờn cơ sở cỏc ƣu nhƣợc điểm của cỏc bộ điều khiển và đặc điểm cụng nghệ của quỏ trỡnh cần điều khiển, lựa chọn giải phỏp nõng cao chất lƣợng của hệ điều khiển quỏ trỡnh cụ thể. Đề xuất giải phỏp ứng dụng vào nõng cao chất lƣợng điều khiển và ổn định ỏp suất bao hơi.
CHƢƠNG 2
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 2
THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRèNH 2.1 LỰA CHỌN VÀ Mễ TẢ TOÁN HỌC CHO QUÁ TRèNH 2.1.1 Lựa chọn đối tƣợng điều khiển
Trong thực tế cú nhiều quỏ trỡnh cần đƣợc điều khiển từ đơn giản đến phức tạp, trong cả lĩnh vực kỹ thuật, cũng nhƣ lĩnh vực quản lý kinh tế, điều hành và quản lý xó hội. Con ngƣời đó điều khiển cỏc quỏ trỡnh trờn bằng nhiều quy luật khỏc nhau tuỳ thuộc từng lĩnh vực.
Trong quỏ trỡnh sản xuất cụng nghiệp, điều khiển quỏ trỡnh đúng vai trũ quan trọng hàng đầu, nú quyết định chất lƣợng, năng suất và giỏ thành sản phẩm. Đồng thời quỏ trỡnh điều khiển tự động, hạn chế việc tham gia trực tiếp của con ngƣời vào quỏ trỡnh điều khiển, cải thiện điều kiện làm việc cho ngƣời lao động và giảm thiểu đƣợc những ảnh hƣởng xấu của quỏ trỡnh cụng nghệ đối với con ngƣời và mụi trƣờng xung quanh. Trong cụng nghiệp cú rất nhiều quỏ trỡnh cần đƣợc điều khiển nhƣ quỏ trỡnh sản xuất xi măng, vật liệu xõy dựng, cỏc nhà mỏy sản xuất hoỏ chất, sản xuất linh kiện, thiết bị, sản xuất điện năng ...
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Để phự hợp với điều kiện cụ thể của cơ sở đào tạo tụi lựa chọn mụ hỡnh lũ hơi là đối tƣợng để khảo sỏt và quỏ trỡnh cần điều khiển ở đõy là quỏ trỡnh ổn định ỏp suất của lũ hơi. Trong phũng thớ nghiệm của trƣờng Đại học Kỹ thuật cụng nghiệp, hiện cú mụ hỡnh vật lý của quỏ trỡnh này và đƣợc sử dụng để đỏnh giỏ chất lƣợng điều khiển bằng thực nghiệm.
Lũ hơi là thiết bị cú mặt trong tất cả cỏc xớ nghiệp, nhà mỏy để sản xuất hơi phục vụ cho quỏ trỡnh sản xuất, nhƣ sản xuất điện năng trong nhà mỏy nhiệt điện, chƣng cất dung dịch, sấy sản phẩm trong cỏc nhà mỏy đƣờng rƣợu, bia, thậm chớ phục vụ cho sinh hoạt nhƣ đun nấu, sƣởi ……
Lũ hơi là thiết bị quan trọng trong cỏc nhà mỏy nhiệt điện, ở đú xảy ra quỏ trỡnh đốt chỏy nhiờn liệu để tạo ra nhiệt năng. Nhiệt năng đƣợc tạo ra trong buồng đốt cỏc nhiờn liệu nhƣ tan đỏ, khớ thiờn nhiờn, dầu mỏ, sẽ làm nƣớc trong lũ hơi chuyển hoỏ thành hơi nƣớc. Hơi nƣớc đƣa tới quay tuốc bin, biến năng lƣợng nhiệt thành cơ năng. Tuốcbin sẽ quay mỏy phỏt điện để biến cơ năng thành điện năng.
Lũ hơi là hệ thống cú nhiều đầu vào và nhiều đầu ra :
- Lƣợng vào của lũ hơi bao gồm nhiờn liệu (than, dầu), giú đảm bảo cho quỏ trỡnh cung cấp oxy và lƣợng nƣớc đƣợc cấp xuống từ bao hơi.
- Lƣợng ra của lũ hơi là hơi nƣớc, nƣớc thừa đi xuống, lƣợng khúi thải và xỉ từ quỏ trỡnh chỏy.
Năng lƣợng hữu ớch của lũ hơi đƣợc hơi nƣớc mang đi (nƣớc là mụi chất truyền nhiệt năng). Lƣợng vào và lƣợng ra của lũ hơi cú quan hệ mật thiết với nhau. Với mỗi yờu cầu thay đổi lƣợng ra (là cụng suất mỏy phỏt điện) thỡ cần điều khiển nhiờn liệu vào để đỏp ứng sản lƣợng hơi mong muốn.
Hệ thống điều khiển lũ hơi là hệ thống điều khiển cú cấu trỳc phức tạp với nhiều mạch vũng điều khiển khỏc nhau. Tuy nhiờn cỏc mạch vũng điều khiển đƣợc chia thành 02 nhúm sau đõy :
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
- Cỏc mạch vũng đảm bảo chất lƣợng
Để đảm bảo hiệu suất lũ hơi là cao nhất, phải đảm bảo 2 yờu cầu là chất lƣợng của quỏ trỡnh chỏy và chất lƣợng của hơi. Hơi nƣớc đũi hỏi phải cú nhiệt độ và ỏp suất ổn định và lƣu lƣợng đỏp ứng yờu cầu của phụ tải.
Để giới hạn nội dung giải quyết, tỏc giả lựa chọn điều khiển và ổn định ỏp suất mụ hỡnh lũ hơi trong phũng thớ nghiệm để tớnh toỏc cỏc bộ điều khiển
2.1.2 Cấu trỳc hệ thống điều khiển ỏp suất bỡnh bao hơi.
Cấu trỳc cơ bản của một hệ thống điều khiển quỏ trỡnh đƣợc minh họa nhƣ hỡnh H 2.1:
x(t) : lƣợng đặt xỏc định điểm làm việc của quỏ trỡnh điều khiển. y(t) : lƣợng ra của quỏ trỡnh, đƣợc xỏc định từ yờu cầu cụng nghệ QT : Quỏ trỡnh đƣợc điều khiển
CH : cơ cấu chấp hành là phần tử tỏc động trực tiếp vào biến cần điều khiển
ĐK : thiết bị điều khiển cú nhiệm vụ tạo ra tớn hiệu điều khiển
TBĐ : Thiết bị đo làm nhiệm vụ xỏc định cỏc tớn hiệu tỷ lệ với cỏc đại lƣợng cần đo
Hỡnh 2.1 : Sơ đồ khối một vũng của hệ thống điều khiển quỏ trỡnh
y(t)
ĐK CH QT
TBĐ
Tớn hiệu
điều khiển Biến điều khiển
Tớn hiệu đo (PM) Đại lƣợng đo (PM) Giỏ trị đặt (SP) (CO) (MV) (CV)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Để xỏc định đƣợc tham số của bộ điều khiển, cần phải nhận dạng đƣợc đối tƣợng điều khiển, cơ cấu chấp hàng và thiết bị đo. Thụng thƣờng ngƣời ta tiến hành mụ tả toỏn học cho đối tƣợng điều khiển, từ đú xỏc định đƣợc hàm truyền của đối tƣợng cũng nhƣ cỏc tham số đặc trƣng.
2.1.3 Mụ tả toỏn học cho đối tƣợng
Mụ tả toỏn học của đối tƣợng là đƣa đối tƣợng về một dạng mụ hỡnh toỏn nào đú. Mụ hỡnh là một hỡnh thức mụ tả khoa học và cụ đọng cỏc khớa cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, cú thể cú sẵn hoặc cần phải xõy dựng. Một mụ hỡnh phản ỏnh hệ thống thực từ một gúc nhỡn nào đú phục vụ hữu ớch cho mục đớch sử dụng. Mụ hỡnh khụng những giỳp ta hiểu rừ hơn về thế giới thực, mà cũn cho phộp thực hiện đƣợc một số nhiệm vụ phỏt triển mà khụng cần sự cú mặt của quỏ trỡnh và hệ thống thiết bị thực. Mụ hỡnh giỳp cho việc phõn tớch kiểm chứng tớnh đỳng đắn của một giải phỏp thiết kế đƣợc thuận tiện và ớt tốn kộm, trƣớc khi đƣa giải phỏp vào triển khai.
Cú thể phõn mụ hỡnh thành 2 loại : mụ hỡnh vật lý và mụ hỡnh trừu tƣợng.
- Mụ hỡnh vật lý là một sự thu nhỏ và đơn giản hoỏ của hệ thống thực, đƣợc xõy dựng trờn cơ sở vật lý - hoỏ học giống nhƣ cỏc quỏ trỡnh và thiết bị thực. Mụ hỡnh vật lý là một phƣơng tiện hữu ớch phục vụ đào tạo cơ bản và nghiờn cứu ứng dụng, nhƣng ớt phự hợp cho cỏc cụng việc thiết kế và phỏt triển của ngƣời kỹ sƣ điều khiển quỏ trỡnh.
- Mụ hỡnh trừu tƣợng đƣợc xõy dựng trờn cơ sở một ngụn ngữ bậc cao, nhằm mụ tả một cỏch logic cỏc quan hệ về mặt chức năng giữa cỏc thành phần của hệ thống. Việc xõy dựng mụ hỡnh trừu tƣợng của một hệ thống đƣợc gọi là mụ hỡnh hoỏ. Mụ hỡnh hoỏ là một quỏ trỡnh trừu tƣợng hoỏ trong đú thế giới thực đƣợc mụ tả bằng một ngụn ngữ mụ hỡnh hoỏ và bỏ qua cỏc chi tiết khụng thiết yếu. Trong kỹ thuật điều khiển, ta quan tõm trƣớc hết tới bốn dạng mụ hỡnh trừu tƣợng sau:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
+ Mụ hỡnh đồ hoạ : Với cỏc ngụn ngữ mụ hỡnh hoỏ đồ họa nhƣ lƣu đồ cụng nghệ, lƣu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ logic,... Mụ hỡnh đồ hoạ phự hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trỳc liờn kết và tƣơng tỏc giữa cỏc thành phần.
+ Mụ hỡnh toỏn học: Với ngụn ngữ của toỏn học nhƣ phƣơng trỡnh vi phõn (khả năng biểu diễn mạnh, với mụ hỡnh bậc cao thỡ khú sử dụng cho phõn tớch thiết kế hệ thống), phƣơng trỡnh đại số, hàm truyền đạt, phƣơng trỡnh trạng thỏi (ỏp dụng thống nhất cho phõn tớch, thiết kế hệ đơn biến và đa biến, khú tiến hành nhận dạng trực tiếp, nhạy cảm với sai lệch thụng số, ớt dựng cho điều khiển quỏ trỡnh). Mụ hỡnh toỏn học thớch hợp cho mục đớch nghiờn cứu sõu sắc cỏc đặc tớnh của từng thành phần cũng nhƣ bản chất của cỏc mối liờn kết và tƣơng tỏc.
+ Mụ hỡnh suy luận: Là một hỡnh thức biểu diễn thụng tin và đặc tớnh về hệ thống thực dƣới dạng cỏc luật suy diễn, sử dụng cỏc ngụn ngữ bậc cao.
+ Mụ hỡnh mỏy tớnh: Là cỏc chƣơng trỡnh phần mềm mụ phỏng đặc tớnh của hệ thống theo những khớa cạnh quan tõm. Mụ hỡnh mỏy tớnh đƣợc xõy dựng với cỏc ngụn ngữ lập trỡnh, trờn cơ sở sử dụng cỏc mụ hỡnh toỏn học hoặc mụ hỡnh suy luận.
Mụ hỡnh toỏn học, mụ hỡnh suy luận và mụ hỡnh mỏy tớnh đƣợc xếp vào phạm trự mụ hỡnh định lƣợng. Mụ hỡnh đồ hoạ thuộc phạm trự mụ hỡnh định tớnh. Mụ hỡnh định tớnh thƣờng quan tõm tới cấu trỳc và mối liờn quan giữa cỏc thành phần hệ thống về mặt định tớnh. Trong khi đú một mụ hỡnh định lƣợng cho phộp thực thi cỏc phộp tớnh để xỏc định rừ hơn quan hệ về mặt định lƣợng giữa cỏc đại lƣợng đặc trƣng trong hệ thống cũng nhƣ quan hệ tƣơng tỏc giữa hệ thống với mụi trƣờng bờn ngoài.
Mặc dự cả bốn dạng mụ hỡnh núi trờn đều cú vai trũ quan trọng nhất định trong lĩnh vực điều khiển quỏ trỡnh, cỏc mụ hỡnh toỏn học đúng vai trũ then chốt trong hầu hết nhiệm vụ phỏt triển hệ thống. Trong cỏc bƣớc thực
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
hiện nhiệm vụ phỏt triển, mụ hỡnh toỏn học giỳp cỏc cỏn bộ cụng nghệ cũng nhƣ cỏn bộ điều khiển cho cỏc mục đớch sau đõy:
- Hiểu rừ hơn về quỏ trỡnh sẽ cần phải điều khiển và vận hành. - Tối ƣu hoỏ thiết kế cụng nghệ và điều kiện vận hành hệ thống. - Thiết kế sỏch lƣợc và cấu trỳc điều khiển.
- Lựa chọn bộ điều khiển và xỏc định cỏc tham số cho bộ điều khiển. - Phõn tớch và kiểm chứng cỏc kết quả thiết kế.
- Mụ phỏng trờn mỏy tớnh phục vụ đào tạo vận hành.
Xỏc định rừ mục đớch sử dụng của mụ hỡnh là một việc hết sức cần thiết, bởi mục đớch sử dụng quyết định tới việc lựa chọn phƣơng phỏp mụ hỡnh hoỏ cũng nhƣ mức độ chi tiết và chớnh xỏc của mụ hỡnh sau này.
2.1.4 Xõy dựng hàm truyền cho cỏc thành phần của hệ thống 2.1.4.1 Thiết bị đo 2.1.4.1 Thiết bị đo
a. Cấu trỳc
Thiết bị đo quỏ trỡnh cú nhiệm vụ cung cấp thụng tin về diễn biến của quỏ trỡnh kỹ thuật và biến đổi những thụng tin về quỏ trỡnh thành một tớn hiệu chuẩn ở đầu ra (xỏc định đƣợc giỏ trị bằng cỏc tớn hiệu đo chuẩn nhƣ dũng điện, điện ỏp… ). Cấu trỳc cơ bản của một thiết bị đo quỏ trỡnh đƣợc minh họa nhƣ trờn hỡnh 2.2.
Hỡnh 2.2: Cấu trỳc cơ bản của một thiết bị đo Chỉ bỏo
Cảm biến Bộ chuyển đổi
đo chuẩn Thiết bị đo Tớn hiệu đo (PM,y) Transmitter Indicator Đại lƣợng đo (PV,x) Transducer Sensor
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Thành phần cốt lừi của một thiết bị đo là cảm biến. Một cảm biến cú chức năng chuyển đổi một đại lƣợng vật lý, vớ dụ nhiệt độ, ỏp suất, mức, lƣu lƣợng, nồng độ sang một tớn hiệu thụng thƣờng là điện hoặc khớ nộn. Một cảm biến cú thể bao gồm một hoặc vài phần tử cảm biến, trong đú mỗi phần tử cảm biến lại là một bộ chuyển đổi từ một đại lƣợng này sang một đại lƣợng khỏc dễ xử lý hơn. Tớn hiệu ra từ cảm biến thƣờng rất nhỏ, chƣa truyền đƣợc xa, chứa sai số do chịu ảnh hƣởng của nhiễu hoặc do độ nhạy kộm của cảm biến, phi tuyến với đại lƣợng đo. Vỡ thế sau phần tử cảm biến ngƣời ta cần cỏc khõu khuếch đại chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bự sai lệch và tuyến tớnh hoỏ. Những chức năng đú đƣợc thực hiện trong một bộ chuyển đổi đo chuẩn. Một bộ chuyển đo đổi chuẩn đúng vai trũ là một khõu điều hoà tớn hiệu, nhận tớn hiệu đầu vào từ một cảm biến và cho đầu ra là một tớn hiệu chuẩn để cú thể truyền xa và thớch hợp với đầu vào của bộ điều khiển. Trong thực tế nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn đƣợc tớch hợp luụn cả phần tử cảm biến, vỡ vậy khỏi niệm 'Trasmitter' cũng đƣợc dựng để chỉ cỏc thiết bị đo.
Thuật ngữ:
Measurement device: Thiết bị đo Sensor: Cảm biến
Sensor element: Phần tử cảm biến, đầu đo Signal conditioning: Điều hoà tớn hiệu Transmitter: Bộ chuyển đổi đo chuẩn
Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng
Hỡnh 2.3 Một số hỡnh ảnh thiết bị đo cụngnghiệp
Lưu lượng kế Thiết bị đo ỏp suất
Số húa bởi Trung tõm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Chất lƣợng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố mà ta khỏi quỏt là cỏc đặc tớnh thiết bị đo, bao gồm đặc tớnh vận hành, đặc tớnh tĩnh và đặc tớnh động học . Đặc tớnh võ ̣n hành bao gồm cỏc chi tiết về khả năng đo chi tiết vận hành và tỏc động mụi trƣờng. Đặc tớnh tĩnh biểu diễn quan hệ giữa đại lƣợng đầu vào và giỏ trị tớn hiệu đầu ra của thiết bị đo ở trạng thỏi xỏc lập, trong khi đặc tớnh động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiờn đầu vào và tớn hiệu ra theo thời gian. Đặc tớnh tĩnh liờn quan tới độ chớnh xỏc khi giỏ trị của đại lƣợng đo khụng thay đổi hoặc thay đổi rất chậm. Ngƣợc lại, đặc tớnh động học liờn quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lƣợng đo thay đổi nhanh.
b. Đặc tớnh động học
Khi giỏ trị đại lƣợng đo ớt thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tớn hiệu đo chỉ phụ thuộc vào giỏ trị đầu vào và ta chỉ cần quan tõm tới đặc tớnh tĩnh của thiết bị đo. Tuy nhiờn tớn hiệu đầu ra sẽ khụng thể đỏp ứng ngay với sự thay đổi tƣơng đối nhanh của đại lƣợng đo. Quan hệ phụ thuộc của tớn hiệu đầu ra vào cả đại lƣợng đo và biến thời gian đƣợc gọi là đặc tớnh động học của thiết bị đo. Đặc tớnh động học của hầu hết cỏc thiết bị đo cú thể đƣợc mụ tả đƣợc mụ tả bằng một phƣơng trỡnh vi phõn cấp một hoặc cấp hai. Coi đặc tớnh của thiết bị đo là tuyến tớnh coi động học của nú cú thể đƣợc biểu diễn với một