CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG, MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Điều khiển quá trình
Quá trình đƣợc định nghĩa là một trình tự các biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lƣợng hoặc thông tin đƣợc biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lƣợng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc, môi trường.
Trạng thái của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình bao gồm:
- Đại lƣợng cần điều khiển (Controlled variable - CV): Là biến ra, thể hiện trạng thái của quá trình, đại lƣợng cần điều khiển quyết định tới sự vận hành an toàn, ổn định hoặc chất lƣợng sản phẩm, cần đƣợc duy trì tại một giá trị đặt, hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo. Đại lƣợng điều khiển (control variable manipulated , variable - MV): là biến vào, can thiệp đƣợc theo ý muốn, đại lƣợng điều khiển là giá trị tác động vào quá trình để thay đổi đại lƣợng cần điều khiển.
Hình 3.1: Hệ thống làmmát dầu
- Đại lƣợng nhiễu bao gồm: nhiễu quá trình, nhiễu đo, nhiễu tạp. Nhiễu quá trình là nhiễu đầu vào (sự biến thiên của các thông số đầu vào), nhiễu tải (thay đổi theo các yêu cầu sử dụng) và nhiễu ngoại sinh (nhiễu của các yếu tố môi trường ảnh hưởng lên quá trình).
Xét hệ thống làm mát dầu sử dụng hơi
50
Cấu tạo: Hệ thống gồm một bình chứa dầu nhận dầu từ 2 nguồn: dầu nóng (thường xuyên), dầu ấm (không thường xuyên). Bình chứa được bao quanh bởi hệ thống ống nước làm mát. Nhiệm vụ của bộ điều khiển là duy trì nhiệt độ của dầu ra khỏi bình chứa.
Hoạt động: Hệ điều khiển đo nhiệt độ của dầu ra khỏi bình, dựa vào giá trị đó để điều chỉnh lưu lượng nước làm mát cấp vào hệ thống.
Trong hệ thống này: Đại lƣợng cần điều khiển (CV) là nhiệt độ của dầu ra khỏi bình, đại lượng điều khiển (MV) là lưu lượng nước làm mát cấp vào hệ thống.
Đại lượng nhiễu là lưu lượng dầu ấm cấp vào bình.
3.1.2. Các đặc trưng của quá trình Thời gian trễ vận chuyển - Dead Time
Thời gian trễ vận chuyển là một đặc tính của một hệ vật lý, đặc tính này làm tín hiệu ra của hệ chậm so với tín hiệu vào một khoảng thời gian.
Thời gian trễ vận chuyển xảy ra khi trong hệ có sự vận chuyển vật chất hoặc năng lƣợng. Thời gian trễ không phụ thuộc vào tín hiệu tác động, chỉ phụ thuộc vào đặc tính vật lý của hệ là quãng đường vận chuyển và tốc độ vận chuyển.
Xét về góc độ điều khiển, thời gian trễ vận chuyển không làm thay đổi hệ số khuyếch đại của quá trình mà làm dịch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào.
Xét hệ thống cấp than vào buồng đốt trong nhà máy nhiệt điện: Hệ thống gồm một xilô chứa than, một băng tải vận chuyển than đến các vít cấp than và hệ thống cân định lƣợng đặt ở cuối băng tải. Lƣợng than cấp vào lò đƣợc điều chỉnh bởi tốc độ của van quay đặt dưới xilô. Hiện tượng trễ vận chuyển có thể nhận thấy khi hệ thống điều khiển nhà máy ra quyết định tăng lƣợng than cấp vào lò. Tuy nhiên, sau một thời gian nhất định hệ thống cân định lƣợng mới nhận biết đƣợc có sự thay đổi đó.
Hình 3.2: Đồ thị mô tả thời gian trễ vận chuyển
51
Hình 3.3: Quá trình xảy ra thời gian trễ vận chuyển Yếu tố dung tích - Capacity
Yếu tố dung tích là đặc điểm của một hệ vật lý có khả năng tích trữ vật chất, năng lượng. Yếu tố dung tích xuất hiện dưới rất nhiều hình thức: đối với hệ thống điều khiển có đối tƣợng là chất lỏng, yếu tố dung tích thể hiện ở các bình chứa; khi đối tƣợng là các phần tử điện, yếu tố dung tích thể hiện ở các tụ điện; đối với các hệ cơ khí, yếu tố dung tích thể hiện ở yếu tố quán tính.
Hình 3.4 Hệ có yếu tố dung tích:
Xét một bình chứa nước có lưu lượng nước chảy vào được điều chỉnh bằng van tay, nước trong bình được bơm ra ngoài nhờ một bơm có tốc độ không đổi. Do đó, lưu lượng nước vào bình có thể thay đổi được, lưu lượng nước ra khỏi bình luôn luôn không đổi. Giả sử tại thời điểm nào đó bình đang ở trạng thái ổn định, sau đó ta điều chỉnh độ mở của van một lượng, mức nước trong bình sẽ tăng lên cho đến khi tràn bình hoặc có thể cạn hết nước.
Hình 3.5: Đáp ứng của hệ có yếu tố dung tích
52 Đặc tính tự điều chỉnh - Self regulation
Khả năng tự điều chỉnh là đặc tính tự ổn định của hệ. Khi tín hiệu vào thay đổi tín hiệu ra cũng sẽ thay đổi nhƣng sẽ ổn định ở mức mới. Khi bỏ bơm ở ví dụ về yếu tố dung tích, để nước tự chảy, ta sẽ được hệ có đặc tính tự điều chỉnh. Về mặt điều khiển, quá trình có đặc tính tự điều chỉnh có hàm truyền là khâu trễ bậc một (First order lag).
Hình 3.6: Đáp ứng của hệ tự điều chỉnh (Self - regulation) 3.1.3. Phương pháp nhận dạng đối tượng
Nhận dạng hệ thống hay mô hình hóa thực nghiệm là phương pháp xây dựng mô hình toán học của hệ thống trên cơ sở các số liệu vào ra thực tế. Mô hình toán học đó phải biểu diễn đƣợc các đặc tính động và đặc tính quá độ của hệ thống từ đáp ứng của nó với một tính hiệu đầu vào xác định (Ví dụ: hàm bậc thang, tín hiệu xung, …)
a. Các phương pháp nhận dạng đối tượng Phương pháp đường cong đáp ứng
Phương pháp được thực hiện trực tiếp trên đồ thị đáp ứng quá độ của đối tượng. Phương pháp này được áp dụng cho các quá trình có đáp ứng dạng chữ S (Các khâu quán tính có trễ). Hoặc có đường cong tốc độ đáp ứng bậc thang hình chữ S (Các khâu quán tính có chứa thành phần tích phân). Có thể thấy phương pháp này áp dụng cho hầu hết các quá trình trong sản xuất công nghiệp, nhƣ: đáp ứng về nhiệt độ, đáp ứng về mức, đáp ứng về áp suất,…
Ưu điểm của phương pháp là trực quan, đơn giản trong quá trình thực hiện với các công cụ đồ họa trên máy vi tính.
Nhược điểm của phương pháp là ở mức độ chính xác của mô hình thu được bởi: Phương pháp thường sử dụng các mô hình đơn giản có bậc thấp để xấp xỉ và không giải quyết đƣợc vấn đề nhiễu.
53
Hình 3.7: Quá trình đun nước Ví dụ về quá trình điều khiển nhiệt độ của nước Đặc tính của quá trình thu đƣợc nhƣ sau:
Phương pháp dựa trên đáp ứng tần số
Hình 3.8: Đáp ứng quá trình đun nước
Phương pháp này phục vụ cho các phương pháp điều khiển trực tiếp trên miền tần số, ƣớc lƣợng gián tiếp mô hình liên tục từ các số liệu thực nghiệm. Đặc tính đáp ứng tần số của quá trình đƣợc xác định tại những tần số quan tâm, thông qua việc thực nghiệm trực tiếp với tín hiệu kích thích hình sin hoặc các tín hiệu phù hợp khác. Phương pháp này trong thực tế ít khi được sử dụng.
Phương pháp bình phương tối thiểu
Phương pháp được áp dụng cho các quá trình phức tạp, những quá trình đòi hỏi cao về mặt chất lƣợng điều khiển. Thực chất, bài toán nhận dạng đƣợc đƣa về bài toán tối ưu với hàm mục tiêu cần cực tiểu hóa là tổng bình phương sai lệch giữa các số liệu thực tế quan sát đƣợc và các giá trị tính toán ƣớc lƣợng (Với một hệ số trọng lƣợng nào đó).
Ưu điểm của phương pháp là độ chính xác của mô hình thu được so với đối tượng thực. Phương pháp áp dụng được cho cả hệ tuyến tính, phi tuyến, điều khiển trên miền thời gian và miền tần số.
Nhược điểm của phương pháp là cần phải biết trước về bậc của mô hình (Bao gồm cả bậc tử số và mẫu số), khối lượng tính toán của phương pháp lớn, sử dụng thuật toán phức tạp, …
Nước làm
Vận
tốc Đo nhiệt
Nước
54
Do mục đích của luận văn và đặc điểm của quá trình công nghệ trong nhà máy hầu hết là dao động nhanh tắt dần, có thể xấp xỉ đƣợc với mô hình có đáp ứng dạng chữ S, nên luận văn lựa chọn phương án nhận dạng đối tượng là phương pháp đường cong đáp ứng.
b. Phương pháp đường cong đáp ứng
Hầu hết các quá trình cần điều khiển trong nhà máy điều có đặc tính dạng chữ S, mô hình sử đáp ứng tốt nhất cho các quá trình này là các mô hình bậc cao.
Tuy nhiên, các mô hình bậc cao sẽ gây khó khăn trong việc thiết kế hệ thống điều khiển, do đó, để đơn giản hóa ta sẽ xấp xỉ các quá trình với một khâu quán tính bậc nhất có trễ. Mô hình của một khâu quán tính bậc nhất có trễ có hàm truyền nhƣ sau:
s i
se T s k
W
) 1 (
Trong đó: k - Hệ số khuyếch đại của đối tƣợng Ti - Hằng số thời gian
-
Thời gian trễ
Do vậy, bài toán nhận dạng đối tƣợng ở đây là xác định các hệ số k, Ti, ở trên cho các quá trình của nhà máy.
Các phương pháp để xác định các hệ số của mô hình quá trình bao gồm - Phương pháp kẻ tiếp tuyến.
- Phương pháp hai điểm quy chiếu.
- Phương pháp diện tích.
Ở đây, ta chọn phương pháp kẻ tiếp tuyến
Phương pháp được thực hiện như sau: Trước hết, kẻ đường tiệm cận với đường cong tại trạng thái xác lập sẽ giúp tìm hệ số k. Tiếp theo, kẻ tiếp tuyến tại điểm mà đường cong có độ dốc lớn nhất (Là điểm xuất phát lên đối với khâu trễ bậc nhất), giao điểm của tiếp tuyến này với trục cho ta thời gian trễ . Và cuối cùng, xác định điểm trên đường cong tương ứng với giá trị 0,632y, cho ta giá trị trên trục hoàn là Th i+ .