Trong điều khiển quá trình, giá trị của một biến cần điều khiển cĩ quan hệ trực tiếp với tỉ lệ giữa các giá trị biến vào. Do đĩ, điều khiển tỉ lệ là duy trì tỉ lệ giữa hai biến tại một giá trịđặt nhằm gián tiếp điều khiển tới một biến khác. Sách lược điều khiển tỉ lệđược áp dụng trong nhiều bài tốn khác nhau.
3.2.3.1 Bản chất và ý nghĩa của điều khiển tỉ lệ
Theo mục đích điều khiển thì điều khiển tỉ lệ là một trường hợp đặc biệt của điều khiển truyền thẳng với các biến nhiễu được đo và bù theo nguyên tắc tỉ lệ. Quan hệ
giữa biến được điều khiển và biến cần điều khiển thường là tuyến tính.
Điều khiển tỉ lệ giúp giải quyết hiệu quả các bài tốn phi tuyến, thay vì phải tuyến tính hĩa xấp xỉ mơ hình hoặc sử dụng các phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến phức tạp. Thực chất, mỗi bộ điều khiển tỉ lệ là một bộ điều khiển phi tuyến
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
Ngồi ra, điều khiển tỉ lệ giúp cho việc thiết kế cấu trúc điều khiển đơn biến cho một quá trình đa biến được đơn giản hơn, trong đĩ sự tương tác chéo giữa các vịng
điều khiển được giảm thiểu.
Một dạng ứng dụng rất nhiều của điều khiển tỉ lệ, thường được sử dụng bù các thay
đổi dịng cấp. Trong hình 3.4 là một ứng dụng tiêu biểu. Bộ điều khiển tỉ lệ nhận một tỉ số hằng giữa nhiên liệu và ngõ cung cấp khơng khí. Bộ điều khiển nhiệt độ
cĩ thểđiều chỉnh tỉ lệ này.
Hình 3-6: Điều khiển truyền thẳng trong một buồng đốt
3.2.3.2 Điều khiển tỉ lệ kết hợp điều khiển phản hồi
Trong hai cấu hình của điều khiển tỉ lệ ta thấy vai trị của điều khiển phản hồi. Tuy nhiên, nếu xét theo mục đích điều khiển thì điều khiển tỉ lệ vẫn chỉ là một dạng của
điều khiển truyền thẳng. Trong thực tế, người ta thường sử dụng kết hợp giữa bộ điều khiển tỉ lệ và bộđiều khiển phản hồi. Kết quả là giá trịđặt tỉ lệ được tính tốn và điều chỉnh thường xuyên bởi một bộ điều khiển phản hồi.
3.2.4 Điều khiển tầng
Một trong những vấn đề của điều khiển phản hồi là nhiều khi ảnh hưởng của nhiễu quá trình tới biến đầu ra cần điều khiển được phát hiện chậm, điều này làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của sản phẩm. Ví dụ, trong tháp chưng luyện thì việc thay đổi lưu lượng hoặc thành phần cấp liệu ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng sản
Đặt tỉ lệ tựđộng
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
phẩm chưng luyện, nhưng phải sau một khoảng thời gian thì ảnh hưởng này mới quan sát được. Vì thế các vịng điều khiển phản hồi đơn khĩ đảm bảo tốc độ đáp
ứng nhanh cũng nhưđộ quá điều chỉnh nhỏ.
Điều khiển tầng là một cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vịng đơn, được sử
dụng nhằm khắc phục những nhược điểm ở trên của điều khiển phản hồi. Điều khiển tầng giúp loại bỏảnh hưởng của một số dạng nhiễu và cải thiện rõ rệt đặc tính
động học của hệ thống. Tư tưởng chính của điều khiển tầng là phân cấp điều khiển nhằm loại bỏảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi nĩ được sinh ra.
Hiện nay, trong hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình điều sử dụng cấu trúc
điều khiển tầng. Trong nhiều trường hợp, cấu trúc điều khiển tầng cũng cho phép kết hợp sử dụng nhiều sách lược điều khiển khác nhau, chẳng hạn như kết hợp điều khiển phản hồi với điều khiển tỉ lệ,…
3.2.4.1 Ứng dụng của điều khiển tầng
Ưu điểm của điều khiển tầng, đĩ là: cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ, giảm
độ quá điều chỉnh, cải thiện tính ổn định của tồn hệ kín và nâng cao tính bền vững của hệ kín.
Tất nhiên những ưu điểm trên chỉ cĩ được khi sách lược điều khiển áp dụng đúng và các bộ điều khiển được thiết kế hợp lý cũng như chi phí hợp lý. Do đĩ, ta chỉ nên áp dụng sách lược điều khiển tầng nối tiếp khi:
- Chất lượng của hệ điều khiển vịng đơn thơng thường khơng đáp ứng được yêu cầu đề ra.
- Quá trình cĩ thể phân chia thành hai quá trình con với những nguồn nhiễu tác
động độc lập, trong đĩ khâu đứng sau phải chậm hơn nhiều so vơi khâu đứng trước.
- Sách lược bù nhiễu khơng áp dụng được hoặc áp dụng nhưng kém hiệu quả
hoặc khơng giải quyết được triệt để ảnh hưởng của nhiễu cục bộ vào khâu
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
* Đối với vịng điều khiển lưu lượng thứ cấp
Ứng dụng tiêu biểu của điều khiển tầng là sử dụng vịng điều khiển lưu lượng là vịng thứ cấp. Vịng điều khiển sơ cấp cĩ thể là vịng điều khiển nhiệt độ, nồng độ, hoặc mức. Vì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Tuy nhiên, quá trình thay đổi lưu lượng phải thơng qua các cơ cấu chấp hành như van điều khiển, máy bơm, băng tải,… vì thế cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp của các nguồn nhiễu liên quan. Quá trình dịng chảy thường cĩ đặc tính
động học nhanh hơn nhiều so với các quá trình liên quan đến nhiệt độ, mức và nồng
độ. Do đĩ, việc đưa một vịng điều chỉnh bên trong vào để loại bỏ sớm ảnh hưởng của nhiễu gĩp phần cải thiện chất lượng điều khiển và tốc độđáp ứng của hệ kín.
3.2.4.2 Điều khiển định vị van
Van điều khiển là thiết bị được sử dụng nhiều nhất trong các ngành cơng nghiệp,
đặc biệt là cơng nghiệp dầu khí. Thơng thường van điều khiển là một hệ hở với đầu vào là tín hiệu điều khiển và đầu ra là độ mở van. Do đặc tính phi tuyến của cơ cấu chấp hành, độ trễ và độ dịch của van, ma sát chốt van,… nên các van thường cĩ quán tính lớn cũng như độ chính xác khơng cao. Đặc tính động học của van cĩ thể được cải thiện một cách rõ rệt nếu sử dụng thêm một vịng điều khiển định vị van. Một bộ định vị là một bộ điều khiển phản hồi với giá trị đặt là độ mở van mong muốn từ tín hiệu điều khiển và giá trị phản hồi là vị trí cần van. Như vậy, so với vịng điều khiển chính thì vịng điều khiển định vị van được coi là vịng thứ cấp.
* Đối với vịng điều khiển tỉ lệ thứ cấp
Điều khiển tỉ lệ thuần túy thực chất là điều khiển vịng hở nên khơng cĩ khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh. Do đĩ, việc bổ sung một vịng điều khiển phản hồi bên ngồi cĩ tác dụng loại bỏ những ảnh hưởng của nhiễu khơng đo được và sai lệch mơ hình nhằm triệt tiêu sai lệch tĩnh.
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
Hình 3-7: Điều khiển vị trí van
3.2.4.3 Điều khiển nồng độ sản phẩm chưng luyện
Trong điều khiển tháp chưng luyện, nhiệm vụ quan trọng là bảo đảm sản phẩm ra (đỉnh tháp hoặc đáy tháp) cĩ thành phần mong muốn. Tuy nhiên việc đo thành phần thường phức tạp và chậm, nên trong thực tế người ta cĩ thể điều khiển gián tiếp thơng qua biến nhiệt độ. Thành phần của một chất khí ( hoặc cĩ thể hơi) cĩ quan hệ
mật thiết với nhiệt độ và áp suất nên hai chỉ trong ba đại lượng này cĩ thể điều khiển độc lập. Hơn nữa, sự dao động về lưu lượng, thành phần và nhiệt độ của nguyên liệu ảnh hưởng tới nhiệt độ trong tháp nhanh hơn nhiều so với ảnh hưởng thành phần sản phẩm. Do đĩ điều khiển thành phần sản phẩm cĩ thể được thay thế
bằng điều khiển nhiệt độ tại một đĩa thích hợp.
Hình 3.8 là một cấu trúc điều khiển 3 tầng, trong đĩ điều khiển thành phần là vịng sơ cấp, điều khiển nhiệt độ và điều khiển lưu lượng hồi lưu là các vịng thứ cấp. Bộ điều khiển nhiệt độ TC đĩng vai trị là bộ điều khiển suy diễn, cĩ khả năng đáp ứng nhanh với nhiễu. Tín hiệu ra từ bộ điều khiển nhiệt độ là giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng hồi lưu FC. Lưu lượng hồi lưu thay đổi sẽ dẫn đến nhiệt độ đỉnh tháp và kéo theo thành phần sản phẩm đỉnh thay đổi.
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
Hình 3-8: Điều khiển thành phần sản phẩm chưng luyện.
3.3 Điều khiển tháp chưng với cấu trúc phi tập trung.
3.3.1 Giới thiệu:
Hầu hết mỗi quá trình cơng nghiệp trong thực tiễn nĩi chung hay quá trình điều khiển trong một tháp chưng cất nĩi riêng đều cĩ nhiều biến vào và nhiều biến ra,
đây là quá trình đa biến MIMO. Chính vì vậy, chúng ta cần phải lựa chọn các giải pháp thiết kế cấu trúc điều khiển cho phù hợp. Ởđây chúng ta đưa ra phương pháp thiết kết cấu trúc điều khiển đơn biến (điều khiển phi tập trung), nghĩa là phân chia bài tốn điều khiển tháp chưng phức tạp thành các bài tốn con với một biến vào một biến ra, để cĩ thể sử dụng các bộ điều khiển đơn biến quen thuộc. Mỗi bộ điều khiển đơn biến cĩ nhiệm vụ duy trì một biến được điều khiển tại một giá trị đặt mong muốn. Một bộđiều khiển đơn biến chỉ cĩ một đầu ra là giá trị biến điều khiển nhưng cĩ thể cĩ nhiều đầu vào (giá trị đặt và các giá trị đo được). Một sách lược
điều khiển đơn biến cĩ thể sử dụng một hoặc nhiều bộ điều khiển đơn biến độc lập nhau. Mặt khác, khi mục đích điều khiển chỉ nhằm vào một biến quá trình thì một sách lược điều khiển phản hồi, điều khiển truyền thẳng, điều khiển phản hồi kết hợp bù nhiễu, điều khiển tỉ lệ đều được xếp vào cấu hình điều khiển đơn biến. Một bộ điều khiển đơn biến cĩ thểđược thực hiện trong một thiết bị đơn lẻ, nhưng cũng cĩ thể là khối phần mền nằm trong một thiết bị chia sẻ.
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
Một vấn đề lớn của cấu hình đơn biến là sự tương tác giữa các vịng điều khiển trong tháp chưng. Việc thay đổi một giá trịđặt cĩ thể dẫn đến thay đổi khơng mong muốn tới nhiều biến được điều khiển. Trên thực tế cĩ hai phương án thực hiện là bỏ
qua các quan hệ tương tác hoặc tìm cách triệt tiêu các quan hệ tương tác chéo bằng các khâu bù kênh. Phương án thứ nhất địi hỏi phải xác định các cặp tín hiệu vào - ra cĩ quan hệ lấn áp, đưa bài tốn đa biến thành nhiều bài tốn điều khiển đơn biến
độc lập. Phương án thứ hai được gọi là điều khiển phân ly hay điều khiển tách kênh, với các khâu tách kênh dựa trên kinh nghiệm hiểu biết về quá trình hoặc tính tốn trên mơ hình tốn học. Tuy nhiên dù sau khi tách kênh, các vịng điều khiển trong cấu trúc tách kênh thực ra khơng hồn tồn độc lập với nhau. Mặc dù cĩ nhược
điểm trên, các cấu hình điều khiển đơn biến vẫn được sử dụng trong hầu hết các giải pháp điều khiển quá trình bởi hai lý do. Thứ nhất là điều khiển đơn biến cho phép sử dụng tối đa các hiểu biết về quá trình cơng nghệ và qua đĩ cĩ thể đưa ra sách lược điều khiển hợp lý. Thứ hai điều khiển đơn biến đơn giản hơn. Các tham số của bộđiều khiển vịng đơn hầu nhưđều cĩ mối quan hệ hiển nhiên tới đặc tính đáp ứng hệ thống, do đĩ tác dụng của mỗi thao tác hiệu chỉnh tham số trong quá trình vận hành đều cĩ thể theo dõi và đánh giá trực quan. Nếu một cấu hình đơn biến đã thoả
mãn các mục tiêu điều khiển đặt ra thì khơng lý gì người sử dụng phải thay đổi cách nhìn và hướng giải quyết. Hình 3-9: Sơđồ cấu trúc điều khiển đơn biến y1 y2 SPn M M Quá trình đa biến n K 2 K 1 K SP2 SP1 y1 y2 ... yn
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
Một điểm cần lưu ý là sự lựa chọn điều khiển đơn biến hay điều khiển đa biến cũng khơng hẳn loại trừ nhau, mà cĩ thể kết hợp rất tốt trong một cấu trúc điều khiển phân cấp. Thơng thường bộ điều khiển đa biến được sử dụng ở mức cao hơn trong một cấu trúc phân cấp chức năng trong đĩ các vịng điều khiển ở mức thấp hơn
được thực hiện với các bộđiều khiển đơn biến.
3.3.2 Một số khái niệm trong điều khiển phi tập trung: 3.3.2.1 Cấu trúc đối tượng : 3.3.2.1 Cấu trúc đối tượng :
Bước đầu tiên của thiết kế điều khiển phi tập trung là xác định cấu hình điều khiển và cấu trúc điều khiển. Điều khiển phân tán luơn được thực hiện trên hệ cĩ cấu trúc ma trận vuơng, ví dụ số biến điều khiển MV bằng với số biến cần điều khiển CV. Quá trình bao gồm N biến điều khiển MV và M biến được điều khiển CV, sẽ cĩ một số trường hợp xảy ra:
• Nếu N = M ( ma trận hệ thống dạng vuơng), thì việc chọn cặp vào – ra cấu hình vịng điều khiển sẽđược xác định. Cĩ nhiều cấu hình vịng điều khiển cĩ thể cĩ, số lượng cấu hình vịng khác nhau tăng lên nhanh với N:
- Với N = 3 chúng ta cĩ 3! = 6 cấu hình vịng khác nhau. - Với N = 4 chúng ta cĩ 4! = 24 cấu hình vịng khác nhau. - Với N = 3 chúng ta cĩ 5! = 120 cấu hình vịng khác nhau.
• Nếu N >M, do đĩ, chúng ta cần chọn số lượng M của biến MV tốt nhất để cặp với M biến CV. Điều này được gọi là thiết kế cấu trúc điều khiển nhằm xác định cấu trúc tốt nhất. các biến ngõ vào cịn lại r = N – M cĩ thể sử dụng dạng chia sẻ
hoặc cho trường hợp khẩn cấp.
• Nếu N < M, thì cĩ r = M – N biến điều khiển khơng thể được điều khiển. Trong trường hợp này, r biến được điều khiển mà cĩ mức độ ưu tiên thấp nhất sẽ được rút ra khỏi danh sách mục tiêu điều khiển hoặc được điều khiển theo sơ đồ
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
3.3.2.2 Cấu hình vịng điều khiển:
Một khi tất cả biến MV và biến CV được xác định, chúng ta cần quyết định chúng sẽ được nối kết trong vịng điều khiển như thế nào. Điều này cĩ nghĩa rằng đo lường ngõ ra sẽ tác động một MV đưa ra, hoặc giá trị biến MV nào sẽ sử dụng điều chỉnh một đo lường ngõ ra.
Cĩ rất nhiều cặp biến vịng điều khiển, việc lựa chọn cấu hình tốt nhất là nhiệm vụ
hàng đầu để lựa chọn cặp biến tốt nhất: Cĩ hai phương pháp thơng dụng là:
• Phương pháp Ma trận khuyếch đại tương đối (RGA), nhằm xác định cấu hình
điều khiển, nhận được các vịng điều khiển, giảm tối thiểu sự tương tác.
• Phương pháp ma trận suy biến SVD, trong phần này ta bỏ qua trình bày phương pháp này.
3.3.2.3 Cặp đơi vào-ra (Phương pháp khuyếch đại tương đối RGA):
Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu trong thiết kế cấu trúc điều khiển phi tập trung là sự lựa chọn cặp đơi các biến vào-ra. Đối với các quá trình đơn giản, việc này cĩ thể thực hiện hồn tồn dựa trên kinh nghiệm. Tuy nhiên, đối với các quá trình phức tạp ta cần sử dụng một cơng cụ tốn học thích hợp. Ma trận RGA do Bristol lần đầu tiên đưa ra năm 1966, nĩ thích hợp trong việc lựa chọn các cặp biến vào -ra, nĩ cũng được ứng dụng dự báo cách tác động các đáp ứng điều khiển, nĩ là cơng cụ quan trọng trong việc phân tích và thiết kế cấu trúc điều khiển phi tập trung (điều khiển phân tán). Dưới đây ta áp dụng ma trận RGA vào việc cặp đơi các biến vào – ra:
Trước hết, xét một quá trình 2 vào (u1 và u2) và 2 ra (y1 và y2) cĩ ma trận khuyếch
đại tĩnh ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = = → 22 21 12 11 0 ( ) lim