3.1.1. Điều khiển quỏ trỡnh
Quỏ trỡnh được định nghĩa là một trỡnh tự cỏc biến vật lý, húa học hoặc sinh học, trong đú vật chất, năng lượng hoặc thụng tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
Điều khiển quỏ trỡnh là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giỏm sỏt cỏc quỏ trỡnh cụng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, mỏy múc, mụi trường.
Trạng thỏi của một quỏ trỡnh thể hiện qua cỏc biến quỏ trỡnh bao gồm:
- Đại lượng cần điều khiển (Controlled variable – CV): Là biến ra, thể hiện trạng thỏi của quỏ trỡnh, đại lượng cần điều khiển quyết định tới sự vận hành an toàn, ổn định hoặc chất lượng sản phẩm, cần được duy trỡ tại một giỏ trị đặt, hoặc bỏm theo một tớn hiệu chủ đạo.
- Đại lượng điều khiển (control variable, manipulated variable – MV): là biến vào, can thiệp được theo ý muốn, đại lượng điều khiển là giỏ trị tỏc động vào quỏ trỡnh để thay đổi đại lượng cần điều khiển.
- Đại lượng nhiễu bao gồm: nhiễu quỏ trỡnh, nhiễu đo, nhiễu tạp. Nhiễu quỏ trỡnh là nhiễu đầu vào (sự biến thiờn của cỏc thụng số đầu vào), nhiễu tải (thay đổi theo cỏc yờu cầu sử dụng) và nhiễu ngoại sinh (nhiễu của cỏc yếu tố mụi trường ảnh hưởng lờn quỏ trỡnh).
Xột hệ thống làm mỏt dầu sử dụng hơi
Cấu tạo: Hệ thống gồm một bỡnh chứa dầu nhận dầu từ 2 nguồn: dầu núng (thường xuyờn), dầu ấm (khụng thường xuyờn). Bỡnh chứa được bao quanh bởi hệ thống ống nước làm mỏt. Nhiệm vụ của bộ điều khiển là duy trỡ nhiệt độ của dầu ra khỏi bỡnh chứa.
Hoạt động: Hệ điều khiển đo nhiệt độ của dầu ra khỏi bỡnh, dựa vào giỏ trị đú để điều chỉnh lưu lượng nước làm mỏt cấp vào hệ thống.
Trong hệ thống này: Đại lượng cần điều khiển (CV) là nhiệt độ của dầu ra khỏi bỡnh, đại lượng điều khiển (MV) là lưu lượng nước làm mỏt cấp vào hệ thống. Đại lượng nhiễu là lưu lượng dầu ấm cấp vào bỡnh.
3.1.2. Cỏc đặc trưng của quỏ trỡnh Thời gian trễ vận chuyển – Dead Time
Thời gian trễ vận chuyển là một đặc tớnh của một hệ vật lý, đặc tớnh này làm tớn hiệu ra của hệ chậm so với tớn hiệu vào một khoảng thời gian.
Thời gian trễ vận chuyển xảy ra khi trong hệ cú sự vận chuyển vật chất hoặc năng lượng. Thời gian trễ khụng phụ thuộc vào tớn hiệu tỏc động, chỉ phụ thuộc vào đặc tớnh vật lý của hệ là quóng đường vận chuyển và tốc độ vận chuyển.
Xột về gúc độ điều khiển, thời gian trễ vận chuyển khụng làm thay đổi hệ số khuyếch đại của quỏ trỡnh mà làm dịch pha giữa tớn hiệu ra và tớn hiệu vào.
Xột hệ thống cấp than vào buồng đốt trong nhà mỏy nhiệt điện: Hệ thống gồm một xilụ chứa than, một băng tải vận chuyển than đến cỏc vớt cấp than và hệ thống cõn định lượng đặt ở cuối băng tải. Lượng than cấp vào lũ được điều chỉnh bởi tốc độ của van quay đặt dưới xilụ. Hiện tượng trễ vận chuyển cú thể nhận thấy khi hệ thống điều khiển nhà mỏy ra quyết định tăng lượng than cấp vào lũ. Tuy nhiờn, sau một thời gian nhất định hệ thống cõn định lượng mới nhận biết được cú sự thay đổi đú.
Hỡnh 3.2: Đồ thị mụ tả thời gian trễ vận chuyển
Hỡnh 3.3: Quỏ trỡnh xảy ra thời gian trễ vận chuyển Yếu tố dung tớch – Capacity
Yếu tố dung tớch là đặc điểm của một hệ vật lý cú khả năng tớch trữ vật chất, năng lượng. Yếu tố dung tớch xuất hiện dưới rất nhiều hỡnh thức: đối với hệ thống điều khiển cú đối tượng là chất lỏng, yếu tố dung tớch thể hiện ở cỏc bỡnh chứa; khi đối tượng là cỏc phần tử điện, yếu tố dung tớch thể hiện ở cỏc tụ điện; đối với cỏc hệ cơ khớ, yếu tố dung tớch thể hiện ở yếu tố quỏn tớnh.
Hỡnh 3.4: Hệ cú yếu tố dung tớch
Xột một bỡnh chứa nước cú lưu lượng nước chảy vào được điều chỉnh bằng van tay, nước trong bỡnh được bơm ra ngoài nhờ một bơm cú tốc độ khụng đổi. Do đú, lưu lượng nước vào bỡnh cú thể thay đổi được, lưu lượng nước ra khỏi bỡnh luụn luụn khụng đổi. Giả sử tại thời điểm nào đú bỡnh đang ở trạng thỏi ổn định, sau đú ta điều chỉnh độ mở của van một lượng, mức nước trong bỡnh sẽ tăng lờn cho đến khi tràn bỡnh hoặc cú thể cạn hết nước.
Hỡnh 3.5: Đỏp ứng của hệ cú yếu tố dung tớch Đặc tớnh tự điều chỉnh – Self regulation
Khả năng tự điều chỉnh là đặc tớnh tự ổn định của hệ. Khi tớn hiệu vào thay đổi tớn hiệu ra cũng sẽ thay đổi nhưng sẽ ổn định ở mức mới. Khi bỏ bơm ở vớ dụ về yếu tố dung tớch, để nước tự chảy, ta sẽ được hệ cú đặc tớnh tự điều chỉnh. Về mặt điều
khiển, quỏ trỡnh cú đặc tớnh tự điều chỉnh cú hàm truyền là khõu trễ bậc một (First order lag).
Hỡnh 3.6: Đỏp ứng của hệ tự điều chỉnh (Self-regulation)
3.1.3. Phương phỏp nhận dạng đối tượng
Nhận dạng hệ thống hay mụ hỡnh húa thực nghiệm là phương phỏp xõy dựng mụ hỡnh toỏn học của hệ thống trờn cơ sở cỏc số liệu vào ra thực tế. Mụ hỡnh toỏn học đú phải biểu diễn được cỏc đặc tớnh động và đặc tớnh quỏ độ của hệ thống từ đỏp ứng của nú với một tớnh hiệu đầu vào xỏc định (Vớ dụ: hàm bậc thang, tớn hiệu xung, …)
a. Cỏc phương phỏp nhận dạng đối tượng
Phương phỏp đường cong đỏp ứng
Phương phỏp được thực hiện trực tiếp trờn đồ thị đỏp ứng quỏ độ của đối tượng. Phương phỏp này được ỏp dụng cho cỏc quỏ trỡnh cú đỏp ứng dạng chữ S (Cỏc khõu quỏn tớnh cú trễ). Hoặc cú đường cong tốc độ đỏp ứng bậc thang hỡnh chữ S (Cỏc khõu quỏn tớnh cú chứa thành phần tớch phõn). Cú thể thấy phương phỏp này ỏp dụng cho hầu hết cỏc quỏ trỡnh trong sản xuất cụng nghiệp, như: đỏp ứng về nhiệt độ, đỏp ứng về mức, đỏp ứng về ỏp suất,…
Ưu điểm của phương phỏp là trực quan, đơn giản trong quỏ trỡnh thực hiện với cỏc cụng cụ đồ họa trờn mỏy vi tớnh.
Nhược điểm của phương phỏp là ở mức độ chớnh xỏc của mụ hỡnh thu được bởi : Phương phỏp thường sử dụng cỏc mụ hỡnh đơn giản cú bậc thấp để xấp xỉ và khụng giải quyết được vấn đề nhiễu.
Vớ dụ về quỏ trỡnh điều khiển nhiệt độ của nước
Đặc tớnh của quỏ trỡnh thu được như sau:
Phương phỏp dựa trờn đỏp ứng tần số
Phương phỏp này phục vụ cho cỏc phương phỏp điều khiển trực tiếp trờn miền tần số, ước lượng giỏn tiếp mụ hỡnh liờn tục từ cỏc số liệu thực nghiệm. Đặc tớnh đỏp ứng tần số của quỏ trỡnh được xỏc định tại những tần số quan tõm, thụng qua việc thực nghiệm trực tiếp với tớn hiệu kớch thớch hỡnh sin hoặc cỏc tớn hiệu phự hợp khỏc. Phương phỏp này trong thực tế ớt khi được sử dụng.
Phương phỏp bỡnh phương tối thiểu
Nước làm mỏt
Vận tốc
nước Đo nhiệt độ
Nước núng (Ra)
Hỡnh 3.7: Quỏ trỡnh đun nước
N hi ệt đ ộ Thời gian
Phương phỏp được ỏp dụng cho cỏc quỏ trỡnh phức tạp, những quỏ trỡnh đũi hỏi cao về mặt chất lượng điều khiển. Thực chất, bài toỏn nhận dạng được đưa về bài toỏn tối ưu với hàm mục tiờu cần cực tiểu húa là tổng bỡnh phương sai lệch giữa cỏc số liệu thực tế quan sỏt được và cỏc giỏ trị tớnh toỏn ước lượng (Với một hệ số trọng lượng nào đú).
Ưu điểm của phương phỏp là độ chớnh xỏc của mụ hỡnh thu được so với đối tượng thực. Phương phỏp ỏp dụng được cho cả hệ tuyến tớnh, phi tuyến, điều khiển trờn miền thời gian và miền tần số.
Nhược điểm của phương phỏp là cần phải biết trước về bậc của mụ hỡnh (Bao gồm cả bậc tử số và mẫu số), khối lượng tớnh toỏn của phương phỏp lớn, sử dụng thuật toỏn phức tạp, …
Do mục đớch của đồ ỏn và đặc điểm của quỏ trỡnh cụng nghệ trong nhà mỏy hầu hết là dao động nhanh tắt dần, cú thể xấp xỉ được với mụ hỡnh cú đỏp ứng dạng chữ S, nờn đồ ỏn lựa chọn phương ỏn nhận dạng đối tượng là phương phỏp đường cong đỏp ứng.
b. Phương phỏp đường cong đỏp ứng
Hầu hết cỏc quỏ trỡnh cần điều khiển trong nhà mỏy điều cú đặc tớnh dạng chữ S, mụ hỡnh sử đỏp ứng tốt nhất cho cỏc quỏ trỡnh này là cỏc mụ hỡnh bậc cao. Tuy nhiờn, cỏc mụ hỡnh bậc cao sẽ gõy khú khăn trong việc thiết kế hệ thống điều khiển, do đú, để đơn giản húa ta sẽ xấp xỉ cỏc quỏ trỡnh với một khõu quỏn tớnh bậc nhất cú trễ. Mụ hỡnh của một khõu quỏn tớnh bậc nhất cú trễ cú hàm truyền như sau:
s i e s T 1 k ) s ( W −θ + =
Trong đú: k – Hệ số khuyếch đại của đối tượng Ti – Hằng số thời gian
θ – Thời gian trễ
Do vậy, bài toỏn nhận dạng đối tượng ở đõy là xỏc định cỏc hệ số k, Ti, θ ở trờn cho cỏc quỏ trỡnh của nhà mỏy.
Cỏc phương phỏp để xỏc định cỏc hệ số của mụ hỡnh quỏ trỡnh bao gồm - Phương phỏp kẻ tiếp tuyến.
- Phương phỏp hai điểm quy chiếu. - Phương phỏp diện tớch.
Ở đõy, ta chọn phương phỏp kẻ tiếp tuyến
Phương phỏp được thực hiện như sau: Trước hết, kẻ đường tiệm cận với đường cong tại trạng thỏi xỏc lập sẽ giỳp tỡm hệ số k. Tiếp theo, kẻ tiếp tuyến tại điểm mà đường cong cú độ dốc lớn nhất (Là điểm xuất phỏt lờn đối với khõu trễ bậc nhất), giao điểm của tiếp tuyến này với trục cho ta thời gian trễ θ. Và cuối cựng, xỏc định điểm trờn đường cong tương ứng với giỏ trị 0,632 y∞, cho ta giỏ trị trờn trục hoàn
là Ti + θ.