3.2.1. Khỏi niệm về sỏch lược điều chỉnh
Sỏch lược điều chỉnh hay cấu trỳc điều khiển là nguyờn tắc sử dụng cỏc đại lượng liờn quan đến quỏ trỡnh để đưa ra tỏc động điều khiển. Như vậy, cấu trỳc điều khiển thể hiện quan hệ về mặt cấu trỳc giữa giỏ trị đặt (SV-Setpoint variable), biến đo (PV - Process Variable)và biến điều khiển (MV - Manipulated variable) thụng qua bộ điều khiển và cỏc phần tử khỏc của hệ thống (Như bộ lựa chọn, trễ, tớnh toỏn, …)
3.2.2. Điều khiển phản hồi – Feedback Khỏi niệm điều khiển phản hồi
Điều khiển phản hồi (Feedback control) dựa trờn nguyờn tắc liờn tục đo (quan sỏt) giỏ trị biến được điều khiển (CV),
hồi tiếp thụng tin về bộ điều khiển để tớnh toỏn lại giỏ trị của biến điều khiển. Điều khiển phản hồi cũn được gọi là điều khiển vũng kớn (Closed – loop control). Trong cỏc sỏch lược điều chỉnh điều khiển phản hồi đúng vai trũ quan trọng, cú mặt trong hầu hết cỏc vũng điều khiển của hệ thống điều khiển tự động.
Vai trũ của điều khiển phản hồi
- Ổn định hệ kớn: Một quỏ
trỡnh khụng ổn định chỉ cú thể ổn định được bằng cỏch sử dụng điều khiển phản hồi. Sử dụng điều khiển phản hồi sẽ dịch cỏc điểm cực sang trục ảo của mặt phẳng phức.
- Loại bỏ nhiễu bất định: Bộ điều khiển phản hồi cú tỏc dụng làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển càng lớn, ảnh hưởng của nhiễu tới chất lượng điều khiển của hệ càng nhỏ.
- Triệt tiờu sai lệch tĩnh: Khi mụ hỡnh đối tượng khụng chớnh xỏc, việc loại bỏ sai lệch tĩnh chỉ cú thể thực hiện được bằng cỏch quan sỏt tớn hiệu ra.
Nhược điểm của điều khiển phản hồi
- Điều khiển phản hồi yờu cầu bổ xung hệ thống đo lường phức tạp, chớnh xỏc. Với một số quỏ trỡnh cú tỏc động ngược hoặc cú trễ, nếu khụng thiết kế cẩn thận bộ điều khiển phản hồi cú thể làm đặc tớnh đỏp ứng xấu hơn.
- Đặc điểm đặc trưng của bộ điều khiển phản hồi cú đỏp ứng chậm với nhiễu tải và sự thay đổi của giỏ trị đặt.
Vớ dụ về ứng dụng điều khiển phản hồi
Xột hệ gồm một bỡnh chứa nước, lưu lượng nước cấp vào bỡnh được điều chỉnh bằng độ mở van, lưu lượng nước lấy từ bỡnh tựy thuộc vào tải phớa sau, khụng xỏc định trước.
Để điều chỉnh duy trỡ mức nước trong bỡnh ta thiết lập cấu trỳc điều khiển phản hồi như gồm: Thiết
bị đo mức nước trong bỡnh (LT: Level Transmitter), bộ điều khiển LC (Level Control).
Hoạt động điều chỉnh của hệ như sau: Giả sử yờu cầu lấy nước từ bỡnh tăng lờn, mức nước trong bỡnh giảm đi. Thiết bị đo LT đo được mức nước giảm, gửi về bộ điều khiển LC, bộ điều khiển LC phỏt hiện ra sai lệch của mức nước trong bỡnh so với giỏ trị đặt, đưa ra tớn hiệu điều khiển mở rộng valve cấp nước vào bỡnh.
3.2.3. Điều khiển truyền thẳng – Feedforward
Nguyờn lý của điều khiển Feedforward là nhận biết nhiễu ảnh hưởng tới quỏ trỡnh. Bộ điều khiển sẽ tớnh toỏn biến điều khiển để hạn chế tỏc động của nhiễu nếu nhận dạng được hàm tỏc động của nhiễu lờn quỏ trỡnh.
Hỡnh 3.11: Điều khiển FeedForward – Cấu trỳc song song
Hỡnh 3.12: Điều khiển FeedForward – Cấu trỳc nối tiếp
Giả sử cú thể đo được nhiễu r, mụ hỡnh đối tượng cú thể xỏc định được Gd. Tớn hiệu điều khiển: MV = Kr.(SV – Gd.r) (1)
Hệ duy trỡ được CV khi CV = SV MV.G + Gd.r = MV (2) Kết hợp (1) và (2), ta được: Kr = G 1
Ưu điểm của điều khiển Feedforward
- Thực hiện đơn giản. - Tỏc động nhanh, hệ bự
nhiễu kịp thời trước khi nhiễu ảnh hưởng đến đối tượng.
Nhược điểm của điều khiển Feedforward
- Phải xỏc định được nguồn nhiễu, phải đo được chớnh xỏc nguồn nhiễu. - Trong trường hợp nhận dạng sai mụ hỡnh đối tượng và mụ hỡnh nhiễu sẽ dẫn đến sai số. - Khụng cú khả năng ổn định những hệ khụng ổn định. Vớ dụ về điều khiển Feedforward Trong hệ thống hõm dầu sử dụng hơi nhiệt độ của dầu ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi được điều chỉnh bằng van. Biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu ra
khỏi hệ thống, giỏ trị điều khiển là độ mở van hơi, nhiễu là lưu lượng dầu đi vào hệ
Hỡnh 3.13: Điều khiển bộ hõm dầu sử dụng hơi - Cấu trỳc Feedforward
Hỡnh 3.14: Cấu trỳc Feedforward kết hợp điều khiển phản hồi
thống. Khi sử dụng cấu trỳc điều khiển Feedforward, ta khụng đo nhiệt độ của dầu ra khỏi hệ thống để điều khiển mà đo lưu lượng dầu đi vào hệ thống để điều khiển. Khi lưu lượng dầu đến hệ thống tăng lờn, van hơi sẽ tăng độ mở, nhiệt độ dầu do đú mà được duy trỡ.
Với những ưu điểm tỏc động nhanh, bự nhiễu trước khi ảnh hưởng đến đối tượng, cấu trỳc điều khiển Feedforward được sử dụng khỏ rộng rói. Tuy nhiờn, do những nhược điểm như đó nờu ở trờn, cấu trỳc Feedforward thường được sử dụng kết hợp với cấu trỳc điều khiển phản hồi (Feedforward-Plus-Feedback).
3.2.4. Điều khiển tầng – Cascade
Do nguyờn lý thực hiện là quan sỏt tớn hiệu cần điều khiển để đưa ra tớn hiệu điều khiển nờn cấu trỳc điều khiển phản hồi chậm phỏt hiện ảnh hưởng của nhiễu quỏ trỡnh, đặc biệt đối với những quỏ trỡnh cú hằng số thời gian lớn. Trong một số cụng nghệ, việc phỏt hiện chậm đú cú thể ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm. Vớ dụ trong hệ thống hõm dầu bằng hơi sử dụng cấu trỳc điều khiển phản hồi. Quỏ trỡnh điều khiển thực hiện bằng cỏch đo giỏ trị biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu, so sỏnh và đưa gia tớn hiệu điều khiển là độ mở van. Trong trường hợp ỏp suất hơi sử dụng thay đổi, với cựng độ mở van như trước, nhưng lưư lượng hơi qua van đó thay
đổi, do đú nhiệt độ của dầu thu được sẽ khụng như mong muốn. Tuy nhiờn hệ chỉ cú thể phỏt hiện ra sự thay đổi đú sau một khoảng thời gian.
Để khắc phục nhược điểm đú, đối với cỏc đối tượng yờu cầu chất lượng điều khiển cao, phải sử dụng cấu trỳc điều khiờn tầng. Cấu trỳc điều khiển tầng là cấu trỳc mở rộng của điều khiển phản hồi vũng đơn. Điều khiển tầng giỳp loại bỏ ảnh hưởng của một số dạng nhiễu, cải thiện đặc tớnh động học của hệ thống. Tư tưởng của điều khiển tầng là phõn cấp điều khiển nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi phỏt sinh.
Điều khiển tầng cú 2 cấu trỳc: cấu trỳc nối tiếp và cấu trỳc song song
Ưu điểm của hệ cấu trỳc điều khiển tầng là:
- Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ. - Giảm độ quỏ điều chỉnh.
- Cải thiện tớnh ổn định của toàn hệ thống kớn. - Nõng cao tớnh bền vững của hệ kớn.
Với những ưu điểm nờu trờn, cấu trỳc điều khiển tầng được sử dụng rộng rói trong lĩnh vực điều khiển quỏ trỡnh. Tuy nhiờn, cấu trỳc chỉ cú thể thực hiện được khi xỏc định được một biến quỏ trỡnh thứ 2:
- Cú thể đo, điều khiển được
Hỡnh 3.16: Điều khiển tầng – Cấu trỳc nối tiếp
- Cú mối quan hệ nhõn quả với biến được điều khiển
- Đặc tớnh động của biến thứ 2 phải nhanh hơn của biến cần điều khiển.
Vớ dụ về ứng dụng cấu trỳc điờu khiển tầng
Hệ thống hõm núng dầu ở trờn cú:
- Biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu - Biến điều khiển là độ mở van
Để nõng cao đặc tớnh động học của hệ ở đõy ta sử dụng thờm biến quỏ trỡnh thứ hai là lưu lượng hơi cấp vào hệ thống. Đặc điểm của biến quỏ trỡnh này là:
- Cú thể đo được bằng thiết bị đo lưu lượng, cú thể điều khiển được bằng cỏch thay đổi đổ mở van.
- Lưu lương hơi cú quan hệ tới biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu, khi lưu lượng hơi tăng lờn, nhiệt độ dầu sẽ tăng và ngược lại.
- Việc điều chỉnh lưu lượng bao giờ cũng nhanh hơn sự biến đổi của quỏ trỡnh nhiệt.
Vậy, ta sẽ xõy dựng cấu trỳc điều khiển tầng cho hệ như sau: