2.1.Khái quát chung về điều khiển
2.1.1.Các khái niệm cơ bản
Trong hoạt động của con người bao giờ cũng có một mục đích nhất định. Để đạt được mục đích của hoạt động, con người bao giờ cũng phải đánh giá được kết quả của hoạt động và điều khiển các hoạt động của mình để đạt được mục đích đề ra. Như vậy, bất cứ một hoạt động nào đều bao gồm các tác động được chia thành ba chức năng khác nhau: chức năng công nghệ, chức năng đo lường - kiểm tra và chức năng điều khiển. chức năng công nghệ là những tác động đáp ứng được vai trò công nghệ của hoạt động. chức năng đo lường – kiểm tra sẽ đẩm bảo cho chức năng điều khiển tổ chức các tác động công nghệ theo một trình tự nhất định để đạt được mục đích mong muốn của hoạt động.
Như vậy có thể nói, điều khiển là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức nhằm đạt được mục đích mong muốn của hoạt động. Bất cứ một hoạt động có mục đích nào đều là sự hòa quyện của các tác động với các chức năng khác nhau: chức năng công nghệ, chức năng đo lường – kiểm tra và chức năng điều khiển. Tuy nhiên nếu thiếu một trong hai chức năng đo lường – kiểm tra và điều khiển thì hoạt động công nghệ không bao giờ đạt được mục đích mong muốn.
Hệ thống điều khiển nói chung bao gồm hai thành phần cơ bản: đối tượng điều khiển (ĐTĐK) và chủ thể điều khiển (CTĐK) mà sơ đồ khối của nó như hình sau:
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
ĐTĐK là thiết bị công nghệ hoặc quy trình công nghệ bắt buộc phải hoạt động theo đúng mục đích nhất định của hoạt động công nghệ dưới sự tác động của các tác nhân điều khiển u được phát ra từ CTĐK. Đại lượng y biểu thị kết quả hoạt động của ĐTĐK dưới sự tác động của u được gọi là đại lượng cần điều khiển. Đại lượng z từ bên ngoài tác động lên ĐTĐK làm cho sự hoạt động của nó khác với mục đích mong muốn được gọi là nhiễu. Sơ khai ban đầu CTĐK là con người và hệ thống điều khiển được gọi là hệ thống người điều khiển hay hệ thống điều khiển bằng tay. Do nhu cầu về chất lượng của hệ thống điều khiển và dựa trên sự phát triển của khoa học – kỹ thuật, con người đã chế tạo ra thiết bị để thay thế chức năng CTĐK của mình trong hệ thống điều khiển. Thiết bị đóng vai trò CTĐK của con người trong hệ thống điều khiển được gọi là thiết bị điều khiển (TBĐK). Hệ thống điều khiển không có sự tham gia trực tiếp của con người như CTĐK được gọi là hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ).
2.1.2.Phân loại hệ thống điều chỉnh tự động
Điều chỉnh là khái niệm hẹp của điều khiển. Mục đích của điều chỉnh là giữ cho một thông số nào đó cố định hay thay đổi theo một nhu cầu cần thiết. Như vậy hệ thống điều chỉnh tự động chỉ có một đại lượng cần điều chỉnh. Hệ thống điều khiển có thể có một hoặc nhiều đại lượng cần điều chỉnh. Có rất nhiều phương pháp để phân loại hệ thống điều chỉnh tự động:
Theo đại lượng cần điều chỉnh: hệ thống điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống điều chỉnh áp suất, hệ thống điều chỉnh tôc độ…..
Theo trạng thái xác lập: hệ thống có sai lệch tinhxvaf hệ thống không có sai lệch. Theo trạng thái quá độ: hệ thống dao động và hệ thống không dao động…
Tuy nhiên để nghiên cứu hệ thống dựa trên phương diện lý thuyết ta phân loại theo đặc tính mô hình toán học của nó: hệ thống tuyến tính và hệ thống phi tuyến tính. Hệ thống mà tất cả các phần tử của nó tuyến tính được gọi là hệ thống tuyến tính. Nếu trong cấu trúc của hệ thống tồn tại phần tử phi tuyến tính thì hệ thống được gọi là hệ thống phi tuyến tính. Do đó đặc thù tuyến tính và phi tuyến tính rất khác nhau vì vậy tồn tại lý thuyết điều khiển hệ tuyến tính và lý thuyết điều khiển hệ phi tuyến tính. Cấu trúc hệ phi tuyến được phân thành hai thành phần: thành phần tuyến tính và thành phần phi tuyến tính. Lý thuyết hệ phi tuyến tính cũng được phát triển trên cơ sở hệ tuyến tính.
Lý thuyết điều khiển tự động được phân thành bốn phần: lý thuyết hệ tuyến tính liên tục thông thường, lý thuyết hệ tuyến tính xung – số, lý thuyết hệ phi tuyến tính và lý thuyết hệ đặc biệt. Lý thuyết điều khiển hệ thống thông thường là phần lý thuyết cơ bản nhất của lý thuyết điều khiển tự động. Nhiệm cụ của lý thuyết điều khiển tự động bao gồm:
• Nghiên cứu các phương pháp xây dựng mô tả toán học của hệ thống điều khiển tự động.
• Nghiên cứu các phương pháp khảo sát chất lượng của hệ thống điều khiển tự động bao gồm khảo sát ổn định và khảo sát chất lượng quá trình điều khiển
2.2.Cơ sở về điều khiển quá trình 2.2.1.Khái niệm
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thưật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.
Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý ,hóa học hoặc sinh học trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi ,vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, trộn sản phẩm , nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng, tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi, tuabin,…
Bất kỳ một hệ thống điều khiển quá trình nào cũng không thể thiếu các biến quá trình. Biến quá trình thể hiện trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình. Biến quá trình bao gồm các biến vào và biến ra. Biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình. Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài .
Hình 2.2. Quá trình kỹ thuật nhìn từ quan điểm hệ thống
Ngoài ra, bên cạnh các biến vào và biến ra, ta cũng cần quan tâm tới các biến trạng thái. Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình. Đôi khi một biến trạng thái cũng có thể được coi là một biến ra.
Do đó, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thõa mãn các chỉ tiêu cho trước ,đồng thời
giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình công nghệ đối với con người và môi trường xung quanh.
Trong hình 2 ta thấy có sự xuất hiện của biến cần điều khiển, biến điều khiển và nhiễu.Vậy cụ thể chúng là những biến gì?
Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình dược điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo. Các biến cần điều khiển liên quan tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm .
Biến điều khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất.
Những biến còn lại không can thiệp một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình được gọi là nhiễu. Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có những biện pháp nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể chia ra làm hai loại , đó là: nhiễu quá trình và nhiễu đo. Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình công nghệ một cách không mong muốn nhưng không can thiệp được. Còn nhiễu đo là nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số trong giá trị đo được.