Thiết kế, xây dựng mô hình thí nghiệm điều khiển mức nước và lưu lượng ứng dụng các thuật toán điều khiển quá trình nâng cao 273801

  • 129 trang
  • file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ VĂN QUANG
THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIÊM
ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG ỨNG DỤNG
CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO
Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hoá
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN HUY PHƯƠNG
Hà Nội – Năm 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
khoa học của TS. Nguyễn Huy Phương. Các số liệu, tính toán, mô phỏng trong luận
văn hoàn toàn trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Học viên
Vũ Văn Quang
i
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
MỤC LỤC .................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ........................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ...................................................................... vi
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ................................... 1
1.2 Khái quát về điều khiển quá trình........................................................................... 1
1.2.1 Tính cấp thiết của điều khiển quá trình ............................................................... 1
1.2.2 Khái niệm điều khiển quá trình [1]...................................................................... 2
1.2.3 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình ...................................................... 5
1.2.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình .................................. 6
1.2.5 Đặc điểm của đối tượng điều khiển quá trình ..................................................... 7
1.2.5.1 Đối tượng điều khiển đa biến ........................................................................... 7
1.2.5.2 Đối tượng có tham số biến thiên ...................................................................... 9
1.2.5.3 Đối tượng phi tuyến .......................................................................................... 9
1.2.5.4 Thời gian chết lớn ........................................................................................... 11
1.4. Mạch vòng phản hồi ............................................................................................ 12
1.5. Chọn chế độ hoạt động cho bộ điều khiển .......................................................... 16
1.6 Xây dựng các phương trình mô hình .................................................................... 17
1.6.1 Phương trình cân bằng vật chất ......................................................................... 17
1.6.2 Phương trình cân bằng năng lượng ................................................................... 18
1.7 Một số hệ thống điều khiển mức trong các dây truyền sản xuất .......................... 20
Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 25
CHƯƠNG 2: ............................................................................................................... 26
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ............................................... 26
2.1 Mô hình vật lý hệ thống điều khiển quá trình ...................................................... 26
2.1.2 Sơ đồ khối Hệ thống điều khiển mức ............................................................... 27
2.1.1 Sơ đồ cấu trúc mô hình vật lý điều khiển mức chất lỏng .................................. 27
2.1.3. Yêu cầu công nghệ của hệ thống ...................................................................... 29
ii
2.2 Các thiết bị trong Bàn thí nghiệm điều khiển quá trình ....................................... 29
2.2.1 Van tay ............................................................................................................... 29
2.2.2 Lưu lượng kế ..................................................................................................... 29
2.2.3. Van tuyến tính .................................................................................................. 30
2.2.4 Valve xoay chiều: .............................................................................................. 32
2.2.5.Bơm xoay chiều. ................................................................................................ 32
2.2.6. Cảm biến mức ................................................................................................... 33
2.2.7.Cảm biến đo lưu lượng. ..................................................................................... 34
2.2.8 Bộ điều khiển ..................................................................................................... 37
2.2 Ghép nối phần cứng .............................................................................................. 38
2.2.1 Thiết kế tủ điều khiển ........................................................................................ 38
2.2.2 Thiết kế mạch động lực ..................................................................................... 41
2.2.3 Thiết kế mạch điều khiển .................................................................................. 44
2.2.4 Tủ điều khiển và hệ thống sau khi thiết kế xong. .............................................. 49
Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 49
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO QUÁ TRÌNH ............................. 50
MỨC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG ............................................................................... 50
3.1. Cơ sở lý thuyết để thiết kế bộ điều khiển ............................................................ 51
3.1.1.Hàm truyền đạt, hàm trọng lượng, hàm quá độ. ................................................ 51
3.1.2.Xây dựng mô hình toán học của các khâu động học cơ bản bằng thực nghiệm.52
3.2. Thiết kế bộ điều khiển. ........................................................................................ 59
3.2.1. Chọn tham số cho bộ điều khiển PID. .............................................................. 59
3.3. Xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống ....................................................... 66
3.3.1 Mô hình bình chứa lỏng .................................................................................... 66
3.3.2. Xây dựng mô hình van. .................................................................................... 68
3.3.3. Mối quan hệ giữa lưu lượng Q và mức L. ........................................................ 69
3.4. Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng mức – lưu lượng : .................................... 69
3.4.5. Giới thiệu về module mềm trong Step7. .......................................................... 71
3.5. Lưu đồ điều khiển. ............................................................................................... 78
.................................................................................................................................... 82
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG ...................................... 84
iii
4.1 Lập trìnhPLC ........................................................................................................ 84
4.1.1 Kỹ thuật lập trình cấu trúc ................................................................................. 84
4.1.2 Phần mềm Simatic Step7 ................................................................................... 85
4.1.2.1 SIMATIC Manager ........................................................................................ 85
4.1.2.2 Dự án và thư viện ........................................................................................... 85
4.1.2.3 Soạn thảo một dự án ....................................................................................... 86
4.1.2.4 Chương trình điều khiển ................................................................................. 91
4.2 Thiết kế HMI ........................................................................................................ 91
4.2.1 Phần mềm Simatic Wincc Flexible ................................................................... 91
4.2.2 Thiết kế giao diện .............................................................................................. 93
4.2.2.1 Giao diện chính............................................................................................... 93
4.2.2.2 Giao diện cài đặt tham số ............................................................................... 94
4.2.2.2 Giao diện trend ............................................................................................ 94
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 97
Phụ lục ........................................................................................................................ 98
iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT
PCS: Process control system,
DCS: Distributed control system
MIMO: Multiple inputs multiple output
FOPDT : First order plus dead time
PLC: Program logic controller
LIC: Level Indecator Conrol
LAH: Level Alarm Hight
LAL: Level Alarm Low
SP: Set Point
F: Flow
HMI: Human-machine interface
API: Application Program Interface
PID: Proportional- Integal- Derivative Controller
v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hệ thống điều khiển quá trình ..........................................................................2
Hình 1.2 Quá trình và các loại biến quá trình .................................................................3
Hình 1.3 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình .......................................................4
Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình ..............................6
Hình 1.5 Các thành phần cơ bản trong hệ thống điều khiển nhiệt độ .............................7
Hình 1.6 Hệ thống bồn chưng cất ....................................................................................8
Hình 1.7 Thiết bị khuấy trộn liên tục ............................................................................10
Hình 1.8 Quá trình vận chuyển bằng băng tải ...............................................................12
Hình 1.9.: Bài toán điều chỉnh (a) và bài toán bám (b) .................................................13
Hình 1.10. Mạch vòng điều khiển phản hồi đơn giản. ..................................................14
Hình 1.11. Van kết nối trực tiếp với bộ điều khiển .......................................................15
Hình 1.12 Sơ đồ lò hơi BZK-220-100-10C ...................................................................22
Hình 1.13 Sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi .............................................................23
Hình 1.14 Sơ đồ tháp trưng luyện với cấu trúc điều khiển mức ...................................23
Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống điều khiển mức cho các bể, két chứa ..................................24
Hình 2.1 Sơ đồ mô tả các thiết bị của bàn thí nghiệm..................................................26
Hinh 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của bàn thí nghiệm điều khiển mức ......................27
Hình 2. 3 Mô hình điều khiển mức chất lỏng bình ........................................................28
Hình 2. 4 Van tay ...........................................................................................................29
Hình 2. 5 Lưu lượng kế .................................................................................................30
Hình 2.6 Van tuyến tính ................................................................................................30
Hình 2.7. Đặc tính của Valve tỉ lệ. ................................................................................31
Hình 2.8. Valve điện xoay chiều. ..................................................................................32
Hình 2.9 .Bơm xoay chiều. ............................................................................................33
Hình 2.10. Cảm biến áp suất PSA-01 ............................................................................34
Hình 2.12. Cấu tạo của cảm biến đo lưu lượng. ............................................................34
Hình 2.13 CPU 314C -2DP ...........................................................................................37
Hình 2.14 Khai báo phần cứng của CPU ......................................................................37
Hình 2.15 Panel mặt trong cánh tủ ...............................................................................38
Hình 2.16 Panel mặt ngoài cánh tủ ...............................................................................39
vi
Hình 2.17 Panel mặt trong tủ điều khiển ......................................................................40
Hình 2.18 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho hệ thống ...........................................................41
Hình 2.19 Mạch động lực của Valve, động cơ ..............................................................42
Hình 2.20 Sơ đồ mạch cấp nguồn PLC .........................................................................43
Hình 2.23. Sơ đồ mạch điều khiển tự động và bằng tay ...............................................46
Hình 2.24. Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến ....................................................................47
Hình 2. 25 Sơ đồ mạch đèn báo.....................................................................................48
Hình 3.1. Đặc tính quá độ của khâu quán tính bậc nhất. ...............................................53
Hình 3.2. Đặc tính quá độ của khâu tích p hân – quán tính bậc nhất. ...........................54
Hình 3.3. Đặc tính quá độ của khâu tích phân- quán tính bậc n....................................55
Hình 3.4. Đặc tính quá độ của khâu quán tính bậc hai .................................................56
Hình 3..5.a. Đặc tính quá độ của khâu Lead/ Lag. ........................................................57
Hình 3.5.b. Đặc tính quá độ của khâu Lead/ Lag. .........................................................58
Hình 3.6. Đặc tính quá độ của khâu dao động bậc hai. .................................................59
Hình 3.7. Điều khiển đối tượng với bộ điều khiển PID. ...............................................60
Hình 3.8. a. Đặc tính quá độ theo phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất. .................62
Hình 3.8.b. Đặc tính quá độ theo phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất. ..................62
Hình 3.9. Sơ đồ khối của phương pháp. ........................................................................63
Hình 3.10.Đặc tính quá độ theo phương pháp Chien- Hrones- Reswich. .....................64
Hình 3.11: Điều khiển Cascade. ....................................................................................65
Hình 3.12 Mô hình bình chứa B1 ...................................................................................67
Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển phản hổi PID kinh điển ................................................70
Hình 3.14. Ý nghĩa thiết bị và ký hiệu chức năng. ........................................................79
Hình 4.1 : Thực hiện lệnh gọi khối FC10 ......................................................................84
Hình 4.2 Giao diện chính..............................................................................................93
Hình 4.4 Giao diện trend ...............................................................................................95
vii
MỞ ĐẦU
Ngày nay hầu như trong ngành kinh tế kỹ thuật nào cũng đều đã áp dụng kỹ thuật
tự động hóa nhằm làm tăng sản lượng, chất lượng sản phẩm với mục tiêu hướng tới việc
nâng cao chất lượng đời sống con người. Việc áp dụng kỹ thuật tự động hóa đã làm thay
đổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ. Nhất là trong lĩnh vực sản xuất công
nghiệp. Ngày nay trên thế giới đã có không ít những nhà máy không có con người, văn
phòng không có giấy, mà chỉ có máy móc thông minh thiết bị thông minh v.v. Nói như
vậy để thấy rằng, tự động hóa là một nhu cầu cao trong xã hội hiện đại. Các hệ thống
này nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng xuất lao động, giảm
chi phí sản xuất, giải phóng người lao động khỏi những vị trí làm việc độc hại .v.v.
Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình công
nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra. Các hệ thống tự động hoá
thực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ
quá trình công nghệ hoặc toàn bộ xí nghiệp nói chung.
Để phát triển sản xuất, ngoài việc nghiên cứu hoàn thiện các quá trình công nghệ
hoặc ứng dụng công nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng là
nâng cao mức độ tự động hoá các quá trình công nghệ. Điều khiển quá trình hiện nay đã
và đang phát triển một cách mạnh mẽ trong các nhà máy công nghiệp như hóa chất, xi
măng, luyện kim... Tuy nhiên, việc nghiên cứu về điều khiển quá trình ở Việt Nam thì
chỉ ở giai đoạn khởi đầu.
Với ý tưởng tạo ra một mô hình thí nghiệm với nhiều bài toán điều khiển quá
trình và điều khiển quá trình nâng cao khác nhau trên mô hình thức tế để kiểm chứng lý
thuyết, đề tài thực hiện mong muốn điều khiển được giá trị mức chính xác và ổn định
cho các đối tượng tham số hằng hay tham số biến thiên cả trong phòng thí nghiệm cũng
như trong môi trường công nghiệp.
Nội dung luận văn gồm 4 chương:
Chương 1 : Tổng quan về điều khiển quá trình, thiết lập cái nhìn sơ lược về bản
chất và mục đích của điều khiển quá trình cũng các chức năng và thành phần cơ bản
của hệ thống điều khiển quá trình. Với một số quá trình trong thực tế và các khó
khăn trong việc thiết kế các bộ điều khiển
1
Chương 2: Tính toán, thiết kế xây dựng hệ thống, thiết kế một hệ thống điều
khiển quá trình với đối tượng bình mức, tính toán lựa chọn thiết bị và thiết kế phần cứng
cho hệ thống
Chương 3 :Tthiết kế bộ điều khiển cho quá trình mức nước và lưu lượng, trình
bày về mô hình toán học mô tả hệ thống bằng lý thuyết và thực nghiệm. Thuật toán điều
khiển PID và ghép tầng PID
Chương 4 : Điều khiển và giám sát hệ thống, lập trình PLC điều khiển giám sát
HMI, các kết quả đạt được, độ ổn định của mô hình
Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình trong suốt thời
gian qua của TS. Nguyễn Huy Phương. Do khả năng cũng như các nguồn tài liệu
tham khảo còn hạn chế nên kết quả luận văn này vẫn còn nhiều thiếu sót. Tôi mong
nhận được nhiều ý kiến đóng góp hữu ích từ các thầy, cô cùng các đồng nghiệp để có
thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến
kết quả hoàn thiện hơn
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Điều khiển quá trình hiện nay đã và đang phát triển một cách mạnh mẽ trong
các nhà máy công nghiệp như hóa chất, xi măng, luyện kim... Tuy nhiên, việc nghiên
cứu về điều khiển quá trình ở Việt Nam thì chỉ ở giai đoạn khởi đầu. Với mục đích
nâng cao chất lượng điều khiển và đảm bảo hoạt động an toàn cho hệ thống thì việc
tìm hiểu về các quá trình công nghệ và các phương pháp điều khiển hiện đại cho các
vấn đề phức tạp của điều khiển quá trình là rất quan trọng. Phần đầu tiên của luận văn
là các khái quát về một hệ thống điều khiển quá trình và các khó khăn thường gặp khi
điều khiển các hệ thống này.
1.1 Khái quát về điều khiển quá trình
1.1.1 Tính cấp thiết của điều khiển quá trình
Ngày nay tất cả các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp đều được trang bị các hệ
thống tự động hoá ở mức cao. Các hệ thống này nhằm mục đích nâng cao chất lượng
sản phẩm, nâng cao năng xuất lao động, giảm chi phí sản xuất, giải phóng người lao
động khỏi những vị trí làm việc độc hại .v.v.
Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình công
nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra. Các hệ thống tự động hoá
thực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ
quá trình công nghệ hoặc toàn bộ xí nghiệp nói chung. Hệ thống tự động hoá đảm bảo
cho quá trình công nghệ xảy ra trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuất
mong muốn của từng công đoạn trong quá trình công nghệ. Chất lượng của sản phẩm
và năng suất lao động của các phân xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc rất
lớn vào chất lượng làm việc của các hệ thống tự động hoá này.
Để phát triển sản xuất, ngoài việc nghiên cứu hoàn thiện các quá trình công nghệ
hoặc ứng dụng công nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng
là nâng cao mức độ tự động hoá các quá trình công nghệ. Do sự phát triển mạnh mẽ
của công nghệ vi điện tử và công nghệ chế tạo cơ khí chính xác, các thiết bị đo lường
và điều khiển các quá trình công nghệ càng được chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy và
chính xác [ 2].
1
Hình 1.1 Hệ thống điều khiển quá trình
Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà
máy công nghiệp hiện đại. Từ những năm nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay điều khiển
tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công nghiệp khai thác,
chế biến và năng lượng như dầu khí, lọc dầu, hoá chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà
máy điện. Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó
có một số đặc thù chung, được xếp vào phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình
(process control system, PCS). Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó
toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các
yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu
quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Hình 1.1 minh hoạ sơ
lược cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình. Trong cấu
trúc này, các quá trình đều được điều khiển nhờ các bộ điều khiển riêng dựa trên các
tín hiệu đầu vào và đầu ra tới hệ thống quá trình. Trong đó, máy tính đóng vai trò như
một thiết bị tham gia trực tiếp hay gián tiếp vào quá trình điều khiển, thể hiện các
trạng thái quá trình hay giao tiếp với người vận hành.
1.1.2 Khái niệm điều khiển quá trình
Trong nội dung luận văn này, khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng
dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình
2
công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho
người, máy móc và môi trường.
Để làm rõ định nghĩa này, những mục tiêu tiếp theo sẽ lần lượt cung cấp một số
khái niệm cơ bản và phân tích những vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình.
Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc chuyển đổi 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, năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất.
Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng đo được hoặc/và can thiệp
được. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương
tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo, thiết bị chấp hành.
Một cách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp vào
các biến điều khiển một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu cho trước
đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình đến môi trường và con người xung
quanh. Mô hình tổng quát của một quá trình như hình 1.6.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biến
quá trình. Các biến quá trình bao gồm 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, ví dụ như dòng
nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt… Biến ra là một đại lượng hoặc một điều
kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ sản phẩm hoặc lưu
lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải…
Hình 1.2 Quá trình và các loại biến quá trình
3
Biến trạng thái là các biến mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ
nhiệt độ lò, áp suất hơi, mức chất lỏng… trong nhiều trường hợp biến quá trình có thể
coi là biến ra.
Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái của một quá trình
điều khiển, điều chỉnh ổn định ở giá trị đặt hoặc bám theo tín hiệu chủ đạo.
Biến điều khiển là một biến có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác
động tới biến ra theo ý muốn.
Những biến còn lại không can thiệp một cách trực tiếp hoặc gián tiếp trong
phạm vi quá trình quan tâm thì được coi là nhiễu.
Hình 1.3 minh hoạ một hình chứa chất lỏng đơn giản cùng với các biến đặc
trưng. Đây là một quá trình công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyển và lưu trữ.
Mặc dù chất lỏng chảy vào và ra khỏi bình nhưng cả lưu lượng vào và ra đều được coi
là các biến vào, trong khi mức chất lỏng h vừa có thể coi là một biến trạng thái hoặc
một biến ra của quá trình. Bài toán điều khiển đặt ra là thông qua điều chỉnh độ mở
van cấp, thay đổi lưu lượng vào Fi một cách hợp lý để duy trì mức trong bình h ổn
định tại một giá trị mong muốn, không phụ thuộc vào lưu lượng ra Fo. Có thể dễ thấy
mức chất lỏng h là biến cần điều khiển và lưu lượng vào Fi là biến điều khiển. Trong
khi đó lưu lượng ra Fo phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của quá trình tiếp theo, không
thể can thiệp được ở đây, vì vậy được coi là nhiễu quá trình hay nhiễu tải.
Hình 1.3 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình
Trong điều khiển quá trình các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo
được. Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được.
Tuy nhiên nếu phép đo một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn
kém, nó có thể được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại
lượng khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp. Vì thế một biến cần điều khiển trong
4
một số trường hợp chưa chắc sẽ là một biến được điều khiển. Trong nhiều bài toán thì
việc nhận biết quá trình cũng như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điều
khiển không phải bao giờ cũng dễ dàng. Đây cũng là một trong những nhiệm vụ quan
trọng trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển.
1.1.3 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu
quả và kinh tế cho quá trình công nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ
thống điều khiển quá trình người kỹ sư phải tìm hiểu rõ các mục đích điều khiển và
chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán
và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển bao giờ cũng bắt đầu từ việc tiến hành
phân tích và cụ thể hoá các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là một
cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển
quá trình.
Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại
và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:
Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn
định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều
kiện theo yêu cầu chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ của máy móc, thuận tiện trong vận
hành.
Đảm bảo năng xuất và chất lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì
các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu.
Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng
như bảo vệ cho con người, máy móc và thiết bị và môi trường xung quanh trong
trường hợp xảy ra sự cố.
Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải
độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu
thụ nhiên liệu và nguyên liệu.
Nâng cao hiệu quả kinh tế: đảm bảo năng xuất và chất lượng theo yêu cầu trong
khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu
thay đổi thị trường.
5
1.1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Tuỳ theo mức độ ứng dụng và mức độ tự động hoá các hệ thống điều khiển quá
trình công nghiệp có thể đơn giản tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba
thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển.
Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Thuật ngữ:
Giá trị đặt Set Point (SP), Set Value (SV)
Tín hiệu điều khiển Control Signal, Controller Output (CO)
Biến điều khiển Control Variable, Manipulate Variable (MV)
Biến được điều khiển Controlled Variable (CV)
Đại lượng đo Measured Variable, Process Value (PV)
Tín hiệu đo Measured Signal, Process Measurement (PM)
Để thấy một cách sơ lược chức năng của từng thành phần trong hệ thống và
quan hệ giữa chúng, trước hết ta xét một ví dụ điều khiển nhiệt độ minh hoạ trên hình
1.5. Mục đích của hệ thống là pha trộn hai dòng vào F1 và F2 có nhiệt độ T1, T2 để thu
được sản phẩm có nhiệt độ T cấp cho quá trình đứng sau. Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi
bình (T) được đo bằng cảm biến cặp nhiệt, tín hiệu điện áp ra được một bộ chuyển đổi
đo chuẩn chuyển sang tín hiệu chuẩn dòng 4-20mA và đưa tới bộ điều khiển DCS.
DCS là giải pháp điều khiển số tích hợp cấu trúc phân tán được sử dụng rất rộng rãi
trong các hệ thống điều khiển quá trình.
6
Hình 1.5 Các thành phần cơ bản trong hệ thống điều khiển nhiệt độ
Tín hiệu đo tương tự 4-20 mA trước hết phải được chuyển đổi sang dạng số
(khâu biến đổi A/D) trước khi được xử lý tiếp trong máy tính số. Giá trị nhiệt độ mong
muốn (TSP) được người vận hành đặt từ trạm vân hành hoặc do một chương trình điều
khiển cao cấp trên trạm vân hành tính toán và đưa xuống. Qua so sánh giữa giá trị đo
với giá trị đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính toán giá trị biến điều khiển
theo một thuật toán đã được cài đặt. Ví dụ với thuật toán tỷ lệ, giá trị biến điều khiển
tỷ lệ thuận với sai lệch. Giá trị này được khâu biến đổi số - tương tự (khâu D/A)
chuyển thành tín hiệu điều khiển theo chuẩn dòng 4-20 mA để đưa tới van điều khiển
(thiết bị chấp hành). Cuối xùng tín hiệu điều khiển được chuyển qua khâu chuyển đổi
điện/khí nén I/P thành dạng tín tiệu khí nén 0.2-1Bar để thay đổi độ mở van cấp dòng
nóng. Lưu lượng dòng nóng F1 được thay đổi và thông qua đó điều chỉnh nhiệt độ ra T
với giá trị đặt TSP.
1.2 Đặc điểm của đối tượng điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là một trong các lĩnh vực phức tạp và phổ biến trong rất
nhiều lĩnh vực từ sản xuất, may mặc đến hóa chất, thực phẩm. Việc điều khiển một
quá trình thường gặp rất nhiều khó khăn do các đặc điểm của hệ gây ra.
1.2.1 Đối tượng điều khiển đa biến
Một quá trình trong thực tế thông thường sẽ là một hệ đa biến với nhiều biến
vào và biến ra có tác động qua lại lẫn nhau. Một hệ đa biến điển hình với tác động qua
lại là hệ thống bồn chưng cất như hình 1.6.
7
Bồn chưng cất có 2 đầu thoát ra cho 2 loại sản phẩm. Trong ví dụ này, tháp
trưng cất có nhiệm vụ tách hỗn hợp benzene và toluence. Lối thoát ở đỉnh tháp là sản
phẩm toluence và lối thoát ra ở đáy tháp là sản phẩm benzen. Để đạt được sự phân tách
benzen - toluene như mong muốn, bộ điều khiển ở đỉnh tháp phải điều khiển lưu lượng
ngược để điều chỉnh thành phần ở chất thoát ra ở đỉnh. Bộ điều chỉnh ở đáy điều chỉnh lưu
lượng hơi nước đến nồi chưng để điều chỉnh thành phần chất thoát ra ở đáy. Bất cứ sự thay
đổi nào ở nguồn cấp cho bồn được coi như 1 nhiễu quá trình. Với 2 biến phải điều khiển và
2 biến đo được từ quá trình như trên ta có hệ MIMO có 2 đầu vào 2 đầu ra [1].
Hình 1.6 Hệ thống bồn chưng cất
Để minh hoạ sự tương tác trong quá trình MIMO, giả sử thành phần toluence
của chất thoát ra từ đỉnh tháp thấp hơn điểm đặt. Bộ điều khiển sẽ phản ứng bằng cách
tăng lưu lượng của dòng lạnh (chảy ngược) vào trong tháp. Điều này sẽ làm tăng độ
tinh khiết của toluence thoát ra từ đỉnh. Tuy nhiên, chất lỏng lạnh được thêm vào sẽ
ảnh hưởng xuôi xuống đáy tháp, bắt đầu làm lạnh từ trên đỉnh xuống đáy và kết quả là
độ tinh khiết của benzen thoát ra từ chất ở đáy tháp giảm đi. Khi thành phần benzen
thoát ra từ đáy tháp thấp hơn điểm đặt, bộ điều khiển sẽ tăng dòng hơi vào buồng
8
chưng cất lại để làm nóng đáy tháp. Nhưng hơi nóng sẽ tác động lên trên và dẫn đến
đỉnh tháp cũng được làm nóng. Khi đó độ tinh khiết của toluence ở đỉnh giảm, bộ điều
khiển đỉnh lại thêm vào tác động điều khiển. Quá trình cứ liên tục diễn ra như vậy do
sự tác động lẫn nhau giữa các biến vào của một hệ đa biến. Từ đây ta thấy rõ có một sự
tương tác trong quá trình điều khiển các biến.
1.2.2 Đối tượng có tham số biến thiên
Khó khăn thứ 2 trong điều khiển các quá trình công nghiệp là hệ có tham số
biến thiên. Một đối tượng không có sự thay đổi tham số theo thời gian hoặc sự thay đổi
của tham số theo thời gian không đáng kể được gọi là mô hình tham số hằng. Ngược
lại đối tượng cần quan tâm có tham số phụ thuộc thời gian được gọi là mô hình tham
số biến thiên.
Các quá trình điều khiển mức với tham số biến thiên thường là các quá trình
pha trộn, phản ứng, trưng cất. Với mong muốn để có thể thực hiện tốt với yêu cầu chất
lượng sản phẩm thì thông thường người ta mong muốn thể tích V của đối tượng là
không đổi. Trong thực tế, thể tích công chất trong bình chứa được điều khiển bằng một
vòng điều khiển độc lập nhằm duy trì luôn là hằng số. Tuy nhiên, do sự thay đổi của
diện tích đáy, hay do sự không chính xác của vòng điều khiển thể tích V mà làm tham
số này biến thiên. Điều này dẫn đến sự biến đổi tham số trong mô hình toán của đối
tượng điều khiển [ 2].
Với các quá trình nhiệt, pha trộn thì do tính dẫn nhiệt hay không đồng nhất của
quá trình dẫn đến sự biến thiên tham số theo vị trí đặt của thiết bị đo. Khi vị trí của
cảm biến đặt càng gần với nguồn nhiệt hay nguồn vào công chất pha trộn thì càng thể
hiện rõ sự ảnh hưởng này.
1.2.3 Đối tượng phi tuyến
Đối tượng phi tuyến là các đối tượng không thỏa mãn nguyên lý xếp chồng. Khi
đối tượng là phi tuyến thì việc điều khiển không thể thực hiện trực tiếp bằng lý thuyết
điều khiển cổ điển mà phải thông qua tuyến tính hóa hay các phép biến đổi gần đúng
để tuyến tính đối tượng phi tuyến về dạng tuyến tính xung quanh điểm làm việc cân
bằng. Chính điều này gây nên sai số và giảm chất lượng điều khiển cho hệ thống.
Trong lĩnh vực điều khiển quá trình đối tượng cần điều khiển là phi tuyến do 2
yếu tố chính sau:
9
Thiết bị điều khiển là phi tuyến: Với thiết bị chấp hành thông thường cho các hệ
thống điều khiển quá trình là van, bơm, động cơ, thiết bị gia nhiệt... để điều khiển các
biến như nhiệt độ, lưu lượng, áp suất... Chính các thiết bị chấp hành này cũng là các
thiết bị phi tuyến dẫn đến sự phi tuyến của đối tượng điều khiển.
Mô hình toán của đối tượng là phi tuyến: điều này được minh họa như thiết bị
khuấy trộn liên tục trên hình 1.7. Sản phẩm được pha chế từ hai dòng nguyên liệu có
nồng độ chất A khác nhau. Yêu cầu công nghệ là duy trì thành phần sản phẩm ra theo
theo khối lượng của chất A như mong muốn, trong điều kiện thành phần của hai dòng
vào có thể thay đổi nhẹ.
Hình 1.7 Thiết bị khuấy trộn liên tục
ω1 và ω2 – lưu lượng khối lượng của hai dòng nguyên liệu (kg/s hoặc kg/phút);
x1, x2 – Thành phần hai dòng nguyên liệu (phần khối lượng của A);
ω – lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm ra (kg/s);
x – thành phần của sản phẩm ra (phần khối lượng của A);
h – mức chất lỏng trong bình tính bằng (m).
Trong ví dụ này, mô hình toán của hệ được hình thành bởi phương trình cân
bằng vật chất toàn phần và phương trình cân bằng vật chất riêng phần:
dV
ρ = ω1 + ω 2 − ω (1.1)
dt
d (Vx)
ρ = ω1 x1 + ω 2 x 2 − ωx (1.2)
dt
Khai triển đạo hàm vế trái của (1.2) theo x và V:
10