Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ thống khuấy trộn nguyên liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA

BÁO CÁO MƠN HỌC
ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH
Đề tài:

Thiết kế hệ thống điều khiển q trình cho hệ thống
khuấy trộn nguyên liệu
Sinh viên thực hiện

:

Tạ Thị Nga
Lương Gia Tráng
Lớp
:
CNTĐHK17
Giáo viên hướng dẫn : Th.S Hoàng Thị Thương

Thái Nguyên, năm 2022


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao,
việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng
dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.
Trong kỳ này em thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho
hệ thống khuấy trộn nguyên liệu”
Ngày nay, ai cũng biết rõ rằng cơng nghệ khuấy trộn liên tục đóng vai trị quan
trọng trong cơng nghiệp như thế nào, nó giúp chúng ta trộn 1 chất nào đó như sơn hay bê

tơng với tỉ lệ chính xác, ít lao động và chất lượng cao
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của cơ giáo Th.S Hồng Thị
Thương và các thầy cô giáo trong khoa để em thực hiện tốt đề tài này. Tuy nhiên do kiến
thức, kinh nghiệm chưa được hồn chỉnh nên cịn có một số thiếu sót trong q trình thực
hiện đề tài, mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đọc quan
tâm đề tài này.


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật 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 tồn
cho con người, máy móc và con người.
1.2. Quá trình và các biến quá trình
Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh
học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin dưoc biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ
(IEC60050-351 [1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 (4). Q trình cơng nghệ là những
q trình liên quan tới biển 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 q trình
cơng nghệ có thể chỉ đơn giản như q trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp,
nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng-tháp chưng luyện hoặc một
tổ hợp lị hơi-turbin. Q trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được
đo hoặc và được can thiệp. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình cơng
nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành. Sự phân
biệt giữa hai khái niệm “quá trình kỹ thuật” và “quá trình cơng nghệ” ở dây khơng phải là
vấn đề từ ngữ, mà chì nhằm mục đích thuận tiện cho các nội dung trình bày sau này. Từ
nay về sau, nếu khơng nhấn mạnh thì khái niệm “q trình” có thể được hiểu là “q trình
cơng nghệ” hoặc ”q trình kỹ thuật” tùy theo ngữ cảnh sử dụng.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá
trình. Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa trên

Hình 1.1. Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên
ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dịng ngun liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trang
thái đóng/mở của rơ-le soi đốt,.. Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện
tác động của q trình ra bên ngồi, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ
khí thải ở mức bình thường hay q cao...

Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình
Nhìn từ quan điểm lý thuyết của hệ thống các biến vào thể hiện nguyên nhân trong
khi các biến có thể xuất hiện kết quả (quan hệ nhân – quả). Cạnh các biến vào ra, nhiều


khi ta cũng quan tâm đến các biến trạng thái. Các biến trạng thái mang thông tin về trạng
thái bên trong q trình, ví dụ nhiệt độ, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể
là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, áp
suất hoặc mức. Trong nhiều trường hợp, một trạng thái biến cũng có thể được coi là một
biến. Ví dụ, mức nước trong bình chứa vừa có thể coi là một trạng thái, vừa có thể coi là
một biến ra.
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là ca thiệp các
biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các tiêu chí trước,
đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và mơi
trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng
thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ.
Tuy nhiên, trong một q trình cơng nghệ thì khơng phải biến vào nào cũng có thể can
thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
Biến cần điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng
thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn
hay giá trị đặt (set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command
variable/reference signal). Các biến cần điều khiển liên quan quan hệ trọng đến sự vận
hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, lưu lượng,
áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều

khiển quá trình. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của q trình có thể được đo, ghi
chép hoặc hiển thị.
Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của q trình có thể
can thiệp trực tiếp từ bên ngồi, 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 vào cịn lại khơng can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp
trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu. Nhiễu tác động tới q trình
một cách khơng mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất là giảm
thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiều có đặc trưng khác hẳn nhau là
nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise). Nhiễu quá trình là những biến vào tác
động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp dược, ví dụ trọng
lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, v.v... Còn nhiễu đo
hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được.
Lưu ý rằng, cần phân biệt rạch rịi giữa các đầu vào/ra cơng nghệ và đầu vào/ra
nhìn từ lý thuyết hệ thống. Nhìn từ phía cơng nghệ thì các đầu vào và đầu ra của một q
trình có thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới
thông tin thể hiện qua các biến quá trình. Hình 1.2 minh họa một bình chứa chất lỏng đơn
giản cùng với các biến đặc trưng. Đây là một q trình cơng 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 lưu lượng ra đều được coi là các biến vào, trong khi mức chất lỏng h vừa có
thể coi là một biến trạng thái hoặc là một biến ra của quá trình. Bài tốn điều khiển đặt ra
là thơng qua điều chỉnh độ mở van cấp, thay đổi lưu lượng vào , 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 . Có thể dễ dàng thấy, mức chất lỏng h là biến cần điều khiển và lưu lượng vào là biến


điều khiển. Trong khi đó, lưu lượng ra phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của q trình tiếp
theo, khơng thể can thiệp được ở đây vì vậy được coi là nhiễu quá trình hay nhiễu tải.

Hình 1.2 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình

Các biến quá trình có thể đo được hoặc khơng 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
tốn 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 một số trường hợp chưa chắc sẽ là một
biến được điều khiển. Ví dụ, đối với các tháp chưng luyện thì biến cần điều khiển là
thành phần của sản phẩm ra. Tuy nhiên, phép đo thành phần hóa chất thường rất chậm và
kém chính xác, hơn nữa ảnh hưởng của nhiễu được phản ánh rất chậm trong thay đổi
thành phần sản phẩm ra. Thực tế, người ta có thể chọn biến được điều khiển là nhiệt độ
đỉnh tháp cũng như nhiệt độ đáy tháp, với lý do thành phần sản phẩm có hệ thống chặt
chẽ với nhiệt độ, nhiệt độ dễ đo hơn và phản hồi ánh sáng. nhanh hơn ảnh hưởng của
nhiễu. Trong nhiều bài tốn, việc nhận biết các biến q trình cũng như chọn các biến
được điều khiển và điều khiển biến không phải bao giờ cũng dễ dàng. Đây là một trong
những quan trọng của nhiệm vụ trong quá trình điều khiển hệ thống thiết kế mà chúng ta
sẽ bàn kỹ hơn trong các chương trình sau.
1.3. Phân loại q trình
Các cơng nghệ được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau. Cách phân loại
thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Một q trình chỉ có một biến ra được
gọi là q trình đơn biến, cịn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là q đa biến. Một q
trình một vào – một ra cịn được gọi tắt là SISO (single-input single-output), quá trình
nhiều vào – nhiều ra được gọi là MIMO (multi-input multi-output). Có thể nói, hầu hết
các cơng nghệ đều là đa biến.
Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu
biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn,
quá trình rời rạc và quá trình mẻ. Trong một quá trình liên tục, các nguyên liệu hoặc năng
lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục).
Một khi đạt được trạng thái xác lập, bản chất của quá trình khơng phụ thuộc vào thời gian
vận hành. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến tương tự, tức
chúng có thể lấy một giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn. Quá trình trao đổi nhiệt, quá
trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng và chất khí là các ví dụ quá trình liên tục

tiêu biểu. Một q trình gián đoạn (hay cịn gọi là q trình khơng liên tục) có bản chất
giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời
điểm gián đoạn nhất định.
Trong một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số
thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước, tạo
nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy, các đại lượng đặc trưng của một quá
trình rời rạc thường được biếu biễn bằng các biến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các
biến kí tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic). Quá trình đóng
bao, đóng chai, q trình phục vụ, q trình chế tạo, q trình lắp ráp là các ví dụ q
trình rời rạc tiêu biểu.
Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), có đặc trưng
của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình
thao tác (công thức, recipe) cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn
tương ứng với một mẻ. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm các biến
tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt, yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trị qua
trọng trong một q trình mẻ. Các q trình phản ứng hóa học, q trình pha chế, q
trình lên men (bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ.
Quá trình liên tục và q trình mẻ là đặc trưng của các ngành cơng nghiệp chế
biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế tạo và lắp
ráp. Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trước hết tới các quá trình
liên tục và quá trình mẻ. Tuy nhiên, ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại
một số quá trình rời rạc, ví dụ q trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, khởi động
và dừng thiết bị,...
1.4. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an tồn, hiệu
quả và kinh tế cho q trình cơng nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống
điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ
thống cần thực hiện để đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng

một giải pháp điều khiển quá bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể
hóa các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc
đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển q trình.
Tồn 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:
1. Bảo đảm hệ thống vận hành 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 của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy, vận hành thuận tiện.
2. Bảo đảm năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế
hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu
cầu.
3. 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, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố.


4. Bảo vệ môi trường: giảm ô nhiễm môi trường thơng 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.
5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi
giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi
của thị trường.
Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ các chức năng điều khiển q
trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa trên Hình 1.3. Hai dịng ngun
liệu có thành phần chất A lần lượt là và được đưa vào thiết bị khuấy trộn, tạo ra một sản
phẩm có thành phần x theo yêu cầu. Lưu lượng khối lượng của các dịng ngun liệu
được kí hiệu là và , có thể điều chỉnh qua hai van cấp tương ứng. Quá trình pha chế được
hỗ trợ bởi một hệ thống khuấy trộn gắn động cơ. Dung dịch sản phẩm được đưa tới quá
trình tiếp theo với lưu lượng khối lượng w. Thiết bị khuấy trộn có thể hoạt động theo chế
độ liên tục hoặc theo mẻ, ở đây ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục.

Hình 1.3 Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản
1.5. Các thành phần của hệ thống
Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển q
trình cơng nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dự trên 3
thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển. Chức năng của
mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một các trực quan với sơ đồ
khối trên Hình 1.4

Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển q trình
Trong đó:
- Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV)
- Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO)


- Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated 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 các sơ lược chức năng của từng thành phần trong hệ thống và quan hệ
giữa chúng ta, trước hết ta xét một ví dụ về điều khiển nhiệt độ minh họa trên Hình 1.5.
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 (transmitter) chuyển sang tín hiệu chuẩn dịng 4-20mA
và đưa tới bộ điều khiển DCS (Distributed Control System). DCS là giải pháp điều khiển
số tích hợp có cấu trúc phân tán được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển
q trình. Tín hiệu do tương tự 4-20mA trước khi hết phải được chuyển sang dạng số
(khâu biến đổi A/D) trước khi được xử lý tiếp trong máy tính số. Giá trị nhiệt độ mong
muốn () được người vận hành đặt từ trạm vận hành, hoặc do một chương trình điều khiển
cao cấp trên trạm vận hành tính tốn và đưa xuống. Qua so sánh giữa giá trị đo với giá trị
đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính tốn giá trị biến điều khiển theo một thuật
tốn đã được cài đặt. Ví dụ với thuật toán tỉ lệ, giá trị biến điều khiển sẽ tỉ 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 4-20mA để đưa xuống van điều khiển (thiết bị chấp hành). Cuối
cùng, tín hiệu điều khiển được chuyển đổi qua khâu I/P thành dạng tín hiệu khí nén 0.21bar để thay đổi độ mở van cấp dịng nóng. Lưu lượng dịng nóng được thay đổi và
thơng qua đó điều chỉnh nhiệt độ ra T tới giá tri đặt .
Ví dụ minh họa ở đây dựa trên cấu trúc ghép nối truyền thơng với các tín hiệu
tương tự và vào - ra tập trung. Trong thực tế người ta có thể sử dụng các cấu trúc ghép
nối khác như vào - ra phân tán và sử dụng cơng nghệ bus trường. Khi đó quan hệ liên kết
giữa các thành phần trong hệ thống có thể khác một chút về mặt hình thức, nhưng bản
chất trao đổi thơng tin khơng có gì khác biệt.

Hình 1.5 Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ
1.5.1.Thiết bị đo
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào
đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và


chuyển đổi (transducer). Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận địa lượng
quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. Để có thể truyền xa và sử
dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần
được khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp. Một bộ chuyển đổi đo
chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi do mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 110V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường,..). Trong các hệ thống điều khiển
q trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây
cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế. Lưu ý rằng các
thuật ngữ “transmitter” hoặc “transducer” đôi khi cũng được dùng để chỉ cả thiết bị đo,
tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”.
1.5.2. Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển (controller)
là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ
thống điều khiển công nghiệp. Mặc dù các thuật ngữ “thiết bị điều khiển” và “bộ điều
khiển” trong thực tế được sử dụng với nghĩa tương đồng, ở đây ta cũng cần làm rõ sự

khác biệt nhỏ. Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều
khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều
khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển
chia sẽ (ví dụ một trạm PLC/DCS).
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển được
lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật tốn điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển
để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo dạng tín
hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được
xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic
controller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller). Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí
nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự. Một mạch logic rơ-le (cơ - điện hoặc điện
tử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó. Một thiết bị điều khiển số
được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều
khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic. Một thiết bị điều khiển số có thể chấp
nhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các thành phần
chuyển đổi tương tự - số như cầu thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được
thực hiện bằng máy tính số. Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độ
tin cậy cao hơn, mà cịn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính tốn và hiển
thị cùng một lúc.
Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, PAS) đều là
các hệ điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang
bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển. Vì vậy khi ta nói tới máy tính
điều khiển tức là chỉ bao hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thành
phần tích hợp trên bo mạch. Cịn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển
bao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra và
module chức năng khác.


1.5.3. Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tín

hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị
chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió.
Thơng qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến
của q trình kỹ thuật. Ví dụ, tùy theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể
điều chỉnh độ mở van và thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong
bình. Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng
chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp
hành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển (control element). Cơ cấu
chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhiệt),
trong khi phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển. Ví dụ trên Hình 1.5, cơ
cấu chấp hành bao gồm khẩu chuyển đổi L/P cộng với cơ cấu truyền động khí nén, cịn
phần tử điều khiển chính là thân van.
1.6. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
Việc xây dựng một hệ thống điều khiển q trình bao gồm nhiều bước như phân
tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ
phát triển hệ thống. Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát triển hệ thống điều
khiển quá trình được minh họa trên Hình 1.6.
1.6.1. Phân tích chức năng hệ thống
Qui trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm hiểu
các u cầu cơng nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa trên cơ sở
phân tích các mục đích điều khiển cơ bản. Đây là một nhiệm vụ hiết sức quan trong, cần
có sự hợp tác chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà công nghiệ. Người
kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên quan mô tả quy trình
cơng nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ cơng nghệ là quan trọng nhất. Công việc của người kỹ
sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán điều khiển, bổ sung các chức
năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên các bản vẽ và lưu đồ chức năng
hay lưu là P&ID sơ lược. Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công nghệ cho mỗi bài toán điều
khiển cần được cụ thể hóa thơng qua của các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiển
cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động,... Bên cạnh đó, các điều kiện vận hành như

điểm làm việc, các điều kiểu biên, các chế độ vận hành và các yêu cầu về an toàn hệ
thống cũng cần được làm rõ. Các biểu đồ trình tự cũng được sử dụng để biểu diễn các u
cầu về trình tư vận hành cơng nghệ.


Hình 1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển q trình
1.6.2. Xây dựng mơ hình q trình
Thiết kế hệ thống trên cơ sở mơ hình là phương pháp khơng thể thiếu của người kỹ
sư. Mơ hình giúp ta hiểu rõ hơn về q trình cơng nghệ, giúp ta trừu tượng hóa vấn đề và
vì thế đơn giản hóa cách giải quyết. Hơn nữa, mơ hình q trình khơng chỉ quan trọng đối
với cơng việc thiết kế mà cịn phục vụ việc mô phỏng và đảo tạo vận hành. Việc xây dựng
mơ hình cịn được gọi là mơ hình hóa. Mơ hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức và với
nhiều phương pháp khác nhau.
1.6.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển
Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mơ hình tốn học của quá
trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển). Thiết kế
cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể vào thuật toán điều khiển, mà nhằm mục đích làm rõ
về mặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống. Đây là cơng việc hết sức quan
trọng, địi hỏi khơng những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều khiển mà cả nhiều kinh
nghiệm thực tế. Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập
trung, cấu trúc phi tập trung hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp). Tiếp theo, ta
cần lựa chọn các biến được điều khiển, các biển điều khiển tương ứng, các biến nhiều và
liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điều
khiển tụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ,... Kết quả của công việc thiết kế
sách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên các lưu đồ P&ID chi tiết. Kết quả của
thiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ biểu đồ logic, trong khi kết quả của


thiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đồ trình tự. Những cơng cụ tốn
học và cơng cụ máy tính trong lý thuyết điều khiển tự động giúp ta phân tích và đánh giá

tính thích hợp của các sách lược điều khiển.
1.6.4. Thiết kế thuật toán điều khiển
Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràng
các bước tính tốn và các cơng thức tính tốn cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều
khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước lựa chọn kiểu bộ điều khiển
hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển. Công
việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng khơng thể tách rời bài tốn phân tích hệ thống.
Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các cơng
cụ máy tính có vai trị hết sức quan trong. Song, để có thể đưa mỗi bài tốn thiết kế cụ thể
về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với các
thiết bị đo và thiết bị chấp hành cũng như đặc tính cơ bản của chúng.
Bên cạnh thuật tồn điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệt
quan tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự. Kết quả
của thiết kế thuật toán điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc phương
trình logic, trong khi kết quả của thiết kế điều khiến trình tự là các bản vẽ biểu đồ chức
năng trình tự chi tiết.
1.6.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống
Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều
khiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các
yêu cầu của quy trình cơng nghệ. Cơng việc này địi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn tổng
quan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong
phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau.
1.6.6. Phát triển phần mềm ứng dụng
Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, là
phần hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần mềm
có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu và
thiết kế giao diện người - máy. Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều khiển và giám
sát, cơng việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn hình vận hành,
giám sát mới được tiến hành. Các chương trình ứng dụng được thử nghiệm từng phần
trên cấu hình phần cứng thực với các đối tượng mô phỏng và sau đó được thử nghiệm

ghép nối. Khơng quan trọng là xuất phát từ kỹ sự công nghệ, kỹ sư điều khiển, kỹ sư tự
động hóa hay kỹ sư phần mềm, ở đây nhóm chuyên viên phần mềm phải nắm vững
những kiến thức nền tảng của công nghệ phần mềm công nghiệp. Công nghệ phần mềm
cho các hệ thống điều khiển - tự động hóa cũng có thể được coi thuộc lĩnh vực công nghệ
hệ thống điều khiển.


1.6.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành
Bước cuối cùng trong công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện
trường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của điều khiển,
thử nghiệm từng vịng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp cơng nghệ, chạy thử từng phân
đoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy. Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, địi
hỏi kiến thức tương đối tồn diện, kinh nghiệm dự án và sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa
các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động hóa trong nhóm
chuyên gia hiện trường.


Chương 2: MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH, MƠ HÌNH HĨA LÝ THUYẾT&NHẬN
DẠNG Q TRÌNH
2.1. Mơ hình và mục đích mơ hình hóa
Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mơ hình tốn học.
Mục đích của phần này là giúp người đọc hiểu rõ hơn về vai trị của mơ hình trong các
nhiệm vụ phát triển hệ thống nói chung và trong phân tích, thiết kế điều khiển nói riêng,
đồng thời nắm được các nguyên tắc cơ bản trong nhiệm vụ mơ hình hóa q trình, trước
khi đưa vào các nội dung chi tiết trong các phần sau.
Mơ hình là hình thức mơ tả khoa học và cơ đọng các khía cạnh thiết yếu của một
hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Phân tích và thiết kế trên cơ sở mơ
hình là phương pháp khơng thể thiếu được của mỗi người kỹ sư. Mơ hình khơng phải là
một ‘bản sao’ mà chỉ là ‘bản chụp’ của thế giới thực từ một góc nhìn nào đó, vì vậy mơ
hình khơng cần thiết phản ánh đầy đủ các khía cạnh của hệ thống thực. Như người ta

thường nói”Khơng có mơ hình nào chính xác, nhưng một số mơ hình có ích”.
Mơ hình phân chia làm hai loại: mơ hình trừu tượng và mơ hình vật lý. Mơ hình
vật lý là sự thu nhỏ đơn giản hóa hệ thống thực, xây dựng trên cơ sở Vật lý- Hóa học
giống như các q trình và thiết bị thực. Mơ hình Vật lý là một phương tiện hữu ích phục
vụ đào tạo cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, phù hợp cho các công việc thiết kế và phát
triển của người kỹ sư ĐKQT.
Mơ hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao, nhằm mô tả
một cách lô gic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của hệ thống. Việc
xây dựng mơ hình trừu tượng gọi là mơ hình hóa. Mơ hình hóa là q trình trừu tượng
hóa, trong đó thế giới thực được mơ tả bằng một ngơn ngữ mơ hình hóa.
Phân loại mơ hình trừu tượng.
- Mơ hình đồ họa với các ngơn ngữ mơ hình hóa đồ họa như lưu đồ cơng nghệ, lưu đồ
P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ SFC (sequence function chart)…Mơ hình đồ17
họa biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành
phần.
- Mơ hình tốn học với ngơn ngữ của tốn học như phương trình vi phân, phương trình
đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái. Mơ hình tốn học thích hợp cho mục đích
nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên
kết và tương tác.
- Mơ hình suy luận là một hình thức biểu diễn thơng tin và đặc tính về hệ thống thực dưới
dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao (gần với tư duy con người) như sơ
đồ cây, lưu đồ thuật tốn.
- Mơ hình máy tính là các chương trình phần mềm mơ phỏng đặc tính của hệ thống theo
những khía cạnh quan tâm. Mơ hình máy tính được xây dựng với các ngơn ngữ lập trình,
trên cơ sở sử dụng các mơ hình tốn học hoặc mơ hình suy luận.
Trong bốn mơ hình trên, các mơ hình tốn học có vai trị then chốt trong hầu hết
nhiệm vụ phát triển hệ thống. Mơ hình tốn học giúp người kỹ sư điều khiển các mục
đích sau đây:

- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành.
- Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống
- Thiết kế cấu trúc điều khiển
- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển
- Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế
- Mơ phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành
*Các phương pháp xây dựng mơ hình tốn học:
- Mơ hình hóa bằng lý thuyết hay cịn gọi là mơ hình vật lý đi từ các định luật cơ bản của
vật lý và hóa học kết hợp với các thơng số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận
được là các phương trình vi phân (thường hoặc đạo hàm riêng) và phương trình đại số.
- Mơ hình hóa bằng thực nghiệm hay còn gọi là phương pháp hộp đen hay nhận dạng q
trình, dựa trên thơng tin ban đầu về q trình, quan sát tín hiệu vào – ra thực 18 nghiệm
và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và tham số mô hình từ một lớp các
mơ hình thích hợp.
- Phương pháp mơ hình hóa tốt nhất là kết hợp giữa phân tích lý thuyết và nhận dạng q
trình. Phương pháp kết hợp dựa trên phân tích q trình để tìm ra cấu trúc mơ hình cũng
như cơ sở cho việc thiết kế sách lược và lựa chọn kiểu bộ điều khiển. Bước nhận dạng
tiếp theo sẽ cho ta một mơ hình rất có ích trong tổng hợp bộ điều khiển cũng như mô
phỏng thời gian thực nhằm đánh giá sơ bộ chất lượng điều khiển trước khi đưa vào vận
hành thực.
*Phân loại mơ hình tốn học.
- Mơ hình tuyến tính và mơ hình phi tuyến
- Mơ hình đơn biến và mơ hình đa biến.
- Mơ hình tham số hằng và mơ hình tham số biến thiên.
- Mơ hình tham số tập trung và mơ hình tham số rải.
- Mơ hình liên tục và mơ hình gián đoạn.
Các dạng mơ hình liên tục gồm: phương trình vi phân, mơ hình trạng thái, mơ hình
trạng thái tuyến tính, mơ hình trạng thái phi tuyến, mơ hình đáp ứng q độ (đáp ứng
xung impulse, đáp ứng bậc thang step), mơ hình hàm truyền đạt (hàm truyền đạt, ma trận
truyền đạt), mơ hình đáp ứng tần số.

Các dạng mơ hình gián đoạn gồm: phương trình sai phân, mơ hình trạng thái, mơ
hình đáp ứng q độ (đáp ứng xung FIR Finite impulse response), đáp ứng bậc thang
FSR Finite Step Response), các dạng mơ hình đa thức và hàm truyền đạt xung, mơ hình
hàm truyền đạt gián đoạn.
2.2. Mơ hình hóa lý thuyết
2.2.1. Trình tự mơ hình hóa theo lý thuyết
Xây dựng mơ hình tốn học bằng phương pháp lý thuyết hay cịn gọi là mơ hình
hóa cơ sở đi từ việc áp dụng các định luật cơ bản của vật lý, hóa học và sinh học kết hợp
với các thông số kỹ thuật của thiết bị cơng nghệ để tìm ra quan hệ giữa các đại lượng đặc
trưng của q trình. Mơ hình hóa lý thuyết nhận được là phương trình vi phân và phương


trình đại số. Phương trình vi phân biểu diễn đặc tính động học của q trình trong khi
phương trình đại số biểu diễn quan hệ phụ thuộc khác.
Xây dựng mô hình hóa gồm các bước:
-Phân tích bài tốn mơ hình hóa: tìm hiểu lưu đồ cơng nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của
mơ hình, từ đó xác định mức độ chi tiết và độ chính xác của mơ hình cần xây dựng. Trên
cơ sở mô tả công nghệ và mục đích mơ hình hóa, tiến hành phân chia thành các quá trình
con, nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình.
-Xây dựng các phương trình mơ hình: Nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống, viết
các phương trình cân bằng và phương trình đại số dựa trên cơ sở các định luật bảo toàn,
định luật nhiệt động học, vận chuyển, cân bằng pha… Đơn giản hóa mơ hình bằng cách
thay thế, rút gọn và đưa về dạng phương trình vi phân chuẩn tắc. Tính tốn các tham số
của mơ hình dựa trên các thông số công nghệ đã được đặc tả.
-Kiểm chứng mơ hình: Phân tích bậc tự do của q trình dựa trên số lượng các biến quá
trình và số lượng các quan hệ phụ thuộc. Đánh giá mơ hình về mức độ phù hợp với yêu
cầu dựa trên phân tích các tính chất của mơ hình kết hợp mơ phỏng máy tính.
-Phát triển mơ hình: Tùy theo mục đích sử dụng có thể chuyển mơ hình về các dạng thích
hợp như đã trình bày trong chương 2. Tuyến tính hóa mơ hình tại điểm làm việc nếu cần
thiết. Thực hiện chuẩn hóa mơ hình theo u cầu của phương pháp phân tích và thiết kế

điều khiển.
-Nhận biết các biến quá trình (biến cần điều khiển, biến điều khiển và nhiễu) Xây dựng
mơ hình lý thuyết tức là tìm cách mơ tả đặc tính của q trình thơng qua quan hệ tốn học
giữa các biến q trình với sự hỗ trợ của các tham số q trình (tham số cơng nghệ).
Nhìn từ q trình cơng nghệ, hầu hết các biến q trình có thể được xếp vào một
trong hai loại biến dòng chảy (với nghĩa tổng quát) hoặc biến trạng thái. Một biến dịng
chảy mơ tả sự thay đổi, vận chuyển, trao đổi vật chất hoặc năng lượng trong một khu vực,
giữa các địa điểm, giữa các vật hoặc giữa các pha.
Một biến trạng thái mô tả trạng thái vật chất hoặc năng lượng của quá trình trong
từng pha. Một biến dịng có thể thuộc phạm trù “lượng” hoặc “dịng” (khối lượng, thể
tích, lưu lượng, nhiệt lượng…), trong khi một biến trạng thái thường thuộc phạm trù
“thế” (nhiệt độ, áp suất, nồng độ). Các tham số quá trình cũng được phân chia thành tham
số hiện tượng và các kích thước hình học. Các hệ số hiện tượng phản ánh tính chất của
vật chất trong hiện tượng vật lýhóa học, ví dụ hệ số tốc độ phản ứng, hệ số nhớt, hệ số
dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng… Các kích thước hình học liên quan tới thiết kế hình học của
các thiết bị cơng nghệ như tiết diện đường ống, thể tích bình chứa, diện tích tiếp xúc…
Trước khi bắt tay vào xây dựng các phương trình mơ hình, các biến và tham số quá trình
cần được thống kê và đặc tả cùng với những tính chất quan trọng của chúng, như bảng
đặc tả các biến quá trình:
Tên biến
Ký hiệu
Đơn vị
Phụ thuộc
Giới hạn
Giá trị danh tính
Lưu lượng
l/s
Thời gian
Max.2
0.5

cấp 1
Nồng độ A
Kg/
Thời gian,
20-40
0.5
trong bình 1
vị trí
...


Việc xác định các biến quá trình xuất phát từ mục đích điều khiển và u cầu cơng
nghệ. Trước hết cần xác định biến ra, các biến ra cần điều khiển với các biến vào (biến
điều khiển và nhiễu). Biến điều khiển là một biến có thể can thiệp được theo ý muốn để
tác động tới biến cần điều khiển. Ngồi ra cịn có nhiễu, các biến q trình khơng thể can
thiệp được, khơng thể kiểm sốt được vì một lý do nào đó, nhiễu được chia làm nhiễu q
trình (Process disturbance) hay một trường hợp đặc biệt hơn là nhiễu tải (Load
disturbance). Ngồi ra cịn có một loại nhiễu khác là nhiễu đo (measurement noise) là
những sai lệch trong q trình đo, có thể tác động từ bên ngồi, do đặc điểm của q trình
kỹ thuật hoặc do chính thiết bị gây ra. Ví dụ: trong thí nghiệm bình mức dung dịch trong
bình có chứa sai số lớn bởi mặt nước khơng ổn định, do thiết bị đo có sai số hoặc căn
chỉnh chưa đúng.
2.2.2. Các phương trình cân bằng
a, Phương trình cân bằng vật chất
Định luật bào tồn vật chất áp dụng cho hệ động học được áp dụng cho một hệ
động học thể hiện qua một phương trình cân bằng tồn phần
=- =∑-∑
là lượng tích lũy bên trong hệ thống
là lưu lượng các dòng vào
là lưu lượng các dịng ra khỏi hệ thống.

Phương trình cân bằng tồn phần có thể biểu diễn theo đơn vị khối lượng hoặc số
mol. Tại điểm làm việc (trạng thái cân bằng), lượng tích lũy bên trong hệ thống khơng
thay đổi, vì vậy ta có tổng lưu lượng vào đúng bằng lưu lượng ra ∑-∑ = 0
Ví dụ bình chứa chất lỏng với các giả thiết lý tưởng.
Các lưu lượng vào ra khơng phụ thuộc vào vị trí quan sát.
Khối lượng riêng chất lỏng tại mọi vị trí trong bình là như nhau.
Lưu lượng ra không phụ thuộc đáng kể vào chiểu cao chất lỏng trong bình.
Phương trình cân bằng vật chất tổng quát được cụ thể hóa như sau:
= - ρF
Trong thực tế ta có thể giả thiết thêm là khối lượng riêng của dịng vào khơng thay
đổi đáng kể, có nghĩa là = ρ =const
phương trình (1) trở thành = – F
b,Phương trình cân bằng năng lượng
Định luật bảo tồn năng lượng áp dụng cho một hệ động học, hay còn gọi là định
luật thứ nhất của nhiệt động học được diễn đạt như sau:
- Năng lượng toàn phần của một hệ động học bao gồm nội năng thế năng và động năng
= + +
Trong quá trình nhiệt, thế năng và động năng cũng như cơng sinh ra có thể coi là
không đáng kể so với nội năng và nhiệt lượng, vì thế có thể bỏ qua. Khi đó phương trình
có thể viết đơn giản thành:
=- +q
nội năng hệ thống


lưu lượng khối lượng dòng vào hệ thống (kg/s)
lưu lượng khối lượng dòng ra hệ thống (kg/s)
entanpy của dòng vào (J/kg)
entanpy của dòng ra (J/kg) bổ sung cho hệ thống
Q tổng lưu lượng nhiệt thông qua dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt thông qua dẫn nhiệt, bức xạ
nhiệt hoặc phản ứng hóa học (cơng suất cấp nhiệt) (J/s)

Entanpy trên một đơn vị khối lượng được định nghĩa là : h = u + P
U nội năng trên một đơn vị khối lượng (J/kg)
P áp suất thành ống (N)
thể tích riêng (nghịch đảo của khối lượng riêng /s)
Giả thiết entanpy không đổi tại một điểm quy chiếu ,
h - = (T - )
trường hợp áp suất không thay đổi quá lớn, ta có mối quan hệ đơn giản sau
h=T
2.2.3. Tuyến tính hóa mơ hình hàm truyền đạt
Biến chênh lệch và mơ hình hàm truyền đạt
Mơ hình hàm truyền đạt là phần khơng thể thiếu được cho phân tích và thiết kế hệ
thống điều khiển. Để có được mơ hình hàm truyền đạt ta cần lưu ý:
- Mơ hình hàm truyền chỉ áp dụng cho hệ tuyến tính và giá trị khởi đầu của tất cả các biến
liên quan (kể cả đạo hàm xuất hiện trong phương trình mơ hình) đều bằng 0. Nếu mơ
hình ban đầu (phương trình vi phân- đại số) là phi tuyến, ta có thể tuyến tính theo phương
pháp ở dưới đây. Để đảm bảo điều kiện thứ 2, ta sử dụng các biến chênh lệch so với điểm
làm việc thay cho các biến quá trình thực. Tại điểm làm việc của hệ thống các biến q
trình khơng thay đổi giá trị, vì thế các biến chênh lệch cũng như đạo hàm của chúng bằng
0. Sau khi đã biến mơ hình để thỏa mãn hai điều kiện trên, ta áp dụng biến đổi Laplace
cho cả 2 vế của các phương trình mơ hình và rút gọn đưa về dạng chuẩn là ham truyền
hoặc khơng gian trạng thái.
Ví dụ bình chứa chất lỏng , giả thiết lưu lượng không phụ thuộc vào độ cao của
chất lỏng trong bình , phương trình cân bằng vật chất được viết thành:
=A= –F
Trong đó:
h mức chất lịng
A tiết diện ngang của bình chứa
Phương trình trên đã tuyến tính nên ta chỉ cần thay biến chênh lệch vào vị trí các
biến tương ứng, ta được phương trình ở trạng thái xác lập:
0=A= –

Trừ hai vế cho nhau ta nhận được:
A=∆∆h = h - ; ∆ = - ; ∆F = F Đặt y=∆h; u =∆F; d=∆
Phương trình được viết gọn thành
= (y - u)


Ở trạng thái ban đầu (điểm làm việc), tất cả các biến chênh lệch y, u, d cũng như
đạo hàm đều bằng 0. Với các điều kiện này, ta có thể biến đổi Laplace 2 vế
sy(s) = -u(s) + d(s)
y(s) = - +d(s)
τ là hằng số thời gian tích phân
Hầu hết mơ hình tốn học của các q trình thực thực tế đều chứa phương trình vi
phân phi tuyến. Nhưng thực tế các phương pháp thiết kế hiện nay đều dùng cho mơ hình
tuyến tính. Vì thế mơ hình thực cần được tuyến tính hóa.
Có 3 phương pháp tuyến tính hóa:
- Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc (phải là một giá trị cân bằng) áp dụng phép
khai triển Taylor, kết quả là một mơ hình tuyến tính xấp xỉ có giá trị sử dụng tại lân cận
điểm làm việc.
- Tuyến tính hóa thơng qua phép đổi biến, đơn thuần kết quả có thể là mơ hình tuyến tính
hoặc mơ hình ít phi tuyến nhưng hồn tồn tương đương với mơ hình ban đầu.
- Tuyến tính hóa chính xác sử dụng đàn hồi, kết quả là một mơ hình mở rộng tuyến tính.
Việc tuyến tính hóa sẽ đơn giản hơn nến tiến hành với từng phương trình mơ hình. Phép
tuyến tính hóa điểm làm việc cho ta mơ hình biểu diễn với các biến chênh lệch. Vì thế, từ
mơ hình tuyến tính ta có thể dẫn xuất ngay mơ hình hàm truyền đạt

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHO HỆ THỐNG
KHUẤY TRỘN NHIÊN LIỆU
3.1. Đặt bài tốn
Hệ thống bình trộn chất lỏng là hệ thống điển hình ứng dụng điều khiển quá trình,
qua hệ thống thiết bị khuấy trộn , bài toán điều khiển đặt ra là lưu lượng vào dòng thứ hai

phụ thuộc vào q trình dịng đứng trước, trong khi lưu lượng ra là đại lượng có thể can
thiệp được.


Hình 3.1 Sơ đồ
Lưu lượng dịng vào 2 phụ thuộc vào q trình trước đó
Sản phẩm ra được điều chỉnh bởi van có điều khiển bằng khí nén
Trong đó:
- w1, w2, w: Lưu lượng khối lượng của các dòng vào và dòng ra (kg/s)
- x: thành phần của sản phẩm ra tính theo phần khối lượng
- h: mức chất lỏng trong thiết bị (m)
 : khối lượng riêng của chất lỏng trong thiết bị (kg/m3)
2
- A: tiết diện bình chứa ( m )
3.2. Phân tích bài tốn điều khiển, xác định các biến của mơ hình và mơ hình tổng
qt
Đối với các quá trình liên quan tới điều khiển thành phần hoặc các q trình liên
quan tới chất khí, phương trình cân bằng vật chất tốt nhất được biểu diễn với biến lưu
lượng khối lượng hoặc lưu lượng mol. Mục đích sử dụng đặt ra là xây dựng mộ hình
phục vụ thiết kế sách lược điều chỉnh, vì thế mơ hình khơng địi hỏi q chi tiết. Trước
hết ta cũng đưa ra giả thiết là trễ vận chuyển có thể bỏ qua. Tiếp theo, quá trình khuấy
trộn được giả thiết là lý tưởng, có nghĩa là chất lỏng đồng nhất tại mọi vị trí trong thiết bị.
Khối lượng riêng của hỗn hợp trong thiết bị cũng được coi là không thay đổi đáng kể.
Phân tích các mục đích điều khiển, ta xác định được 7 biến quá trình. Hai biến ra
là mức chất lỏng trong bình h và thành phần x của sản phẩm , 5 biến vào bao gồm các lưu
lượng vào - ra (, , ) và thành phần của các dòng vào (, ) . Trong số đó, hai biến ra cũng là
các biến cần điều khiển của quá trình. Bên cạnh các phương trình cân bằng vật chất tồn
phần ta cịn có một phương trình cân bằng vật chất thành phần
Theo yêu cầu bài toán chúng ta phải khuấy trộn liên tục để chất liệu sản phẩm đạt
yêu cầu và tỉ lệ đúng như ta mong muốn.

Các biến trong hệ thống khuấy trộn.
+ Biến vào: x1, w1, x2, w2
+ Biến ra: V, x


+ Biến điều khiển: x1, w1
+ Biến cần điều khiển: x, w
+ Nhiễu: x2, w2
Chú thích: x, x1, x2 là thành phần chất vào ra.
w, w1, w2: là thành phần lưu lượng chất vào ra.
Mơ hình q trình của hệ

Hình 3.1: Mơ hình tổng quan của hệ thống khuấy trộn nhiên liệu.

3.3. Thiết kế sách lược.
- Khái niệm sách lược điều khiển: Thể hiện nguyên tắc về mặt cấu trúc trong việc sử
dụng thơng tin về các biến q trình để đưa ra tác động điều khển.
- Phân loại:
+ Truyền thẳng ( vòng hở, bù nhiễu).
+ Phản hồi.
+ Tỉ lệ.
+ Tầng.
 Kết quả của việc thiết kế sách lược là có: + Sơ đồ P&ID


+ Sơ đồ khối điều khiển.
 Có rất nhiều phương pháp thiết kế sách lược, mỗi phương pháp đều có ưu nhược
điểm khác nhau nhưng với bài toán này em chọn phương pháp điều khiển phản hồi
vì phương pháp này tối ưu chó phép nhiễu tác động vào q trình rồi tín hiệu đo
lường phản hồi về để điều chỉnh lại tín hiệu SP. Phương pháp này nó ưu điểm hơn

phương pháp truyền thẳng ở chỗ là tín hiệu truyền thẳng khơng xác định được biến
nhiễu.
3.3.1. Xây dựng mơ hình điều khiển tầng.
-

Cấu hình 1 bậc tự do

Hình 3.3: Sơ đồ cấu hình một bậc tự do.
G: Mơ hình đối tượng.
Gd: Mơ hình nhiễu.
K: Khâu điều chỉnh.
r: Giá trị đặt.
Y: Biến được điều khiển.
U: Các tín hiệu điều khiển
n: Nhiễu đo
d: Nhiễu quá trình
- Xây dựng sơ đồ hệ điều khiển phản hồi.


Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển tầng
-

Xây dựng sơ đồ cơng nghệ P&ID của hệ thống khuấy trộn ngun liệu

Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc P&ID.
3.4. Tìm hàm truyền đạt và xây dựng hệ thống hở trên Simulink
3.4.1. Phương trình cân bằng tồn phần
ρ

= W1+ W2-W

(1)

mà có V=A.h

=> ρ.A = W1+ W2-W => = (W1+ W2-W)


3.4.2. Phương trình cân bằng thành phần
W1x-+W2x2-Wx = ρx

+ρV = W1x-+W2x2-Wx

(2)

Ta thay (1) vào (2) ta được:
ρV = (W1x-+W2x2-Wx) – (W1+ W2-W).x

= (W1+ W2-W)
(3)

= (W1x1+W2x2) – (W1+ W2).x
3.4.3. Tuyến tính hóa mơ hình hàm truyền đạt
= f1 = (W1+ W2-W)
= f2 = (W1x1+W2x2) – (W1+ W2).x
Do đạo hàm của biến trạng thái bằng 0 ta có phương trình mơ hình trạng thái xác lập:
0=+ 0=+ -(+ )
 ∆ = (∆W1 + ∆ W2 - ∆W)
(4)
Ta biến đổi Laplace cho cả hai vế của (4).
s∆ H(S) = (∆W1(S) + ∆ W2(S) - ∆W(S))

Áp dụng khai triển Taylor bậc nhất cho phương trình thứ 2 của (3)


Hình 3.5: Mơ hình hóa cho hệ thống khuấy trộn.

3.4.4. Xây dựng hệ thống trên Simulink