Thiết kế hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ của lò nhiệt luyện thép

BÁO CÁO MƠN HỌC
ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH
Đề tài:

Thiết kế hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ của lò
nhiệt luyện thép
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2021


Mục Lục

Mục Lục............................................................................................................................. 1
Lời mở dầu......................................................................................................................... 2
Chương 1: Tổng quan chung về điều khiển quá trình.........................................................3
1.1

Các khái niệm cơ bản............................................................................................3

1.1.1

Khái niệm về điều khiển q trình.................................................................3

1.1.2

Biến q trình.................................................................................................3

1.1.3

Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình...........................................4

1.1.4 Tầm quan trọng của điều khiển quá trình..........................................................5

1.2 Nhiệm vụ của điều khiển quá trình...........................................................................5
1.3

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình....................................6

1.3.1

Thiết bị đo......................................................................................................8

1.3.2

Thiết bị chấp hành..........................................................................................9

1.3.3

Các bộ điều khiển...........................................................................................9

1.3.4

Hệ thống vận hành, giám sát........................................................................10

1.4. Trình tự phát triển hệ thống...................................................................................10
1.4.1. Phân tích chức năng hệ thống.........................................................................10
1.4.2. Xây dựng mơ hình tốn học...........................................................................10
1.4.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển.........................................................................11
1.4.4. Thiết kế bộ điều khiển....................................................................................13


1.4.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống..........................................................................13
1.4.6. Phát triển phần mềm ứng dụng.......................................................................13

1.4.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành....................................................................14
Chương 2: Mơ hình hóa hệ thống.....................................................................................15
2.1. Giới thiệu chung....................................................................................................15
2.1.1 Các bước mơ hình hóa.....................................................................................15
2.2 Các dạng mơ hình hóa............................................................................................17
2.2.1 Mơ hình tuyến tính và mơ hình phi tuyến........................................................17
2.2.2 Mơ hình liên tục và mơ hình gián đoạn...........................................................17
2.2.3 Mơ hình đơn biến và mơ hình đa biến.............................................................17
2.2.4 Mơ hình tham số hằng và mơ hình tham số biến thiên....................................17
2.3. Mơ hình hóa lý thuyết...........................................................................................18
2.3.1 Các bước mơ hình hóa.....................................................................................18
2.3.2 Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc..........................................18
2.4 Mơ hình hóa thực nghiệm.......................................................................................22
2.4.1 Nhận dạng hệ thống.........................................................................................22
2.4.2 Phương pháp phản hồi Rơle............................................................................24
2.5 Động học trong điều khiển quá trình......................................................................25
2.5.1 Động học khâu có thời gian chết.....................................................................25
2.5.2 Động học của mạch vịng điều khiển lưu lượng..............................................26
2.5.3 Động học các q trình tích lũy.......................................................................27
Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển quá trình ổn định nhiệt độ của lị nhiệt...........29
3.1

Phân tích bài tốn điều khiển..............................................................................29


3.1.1 Mơ hình tổng qt...........................................................................................29
3.1.2 Xác định các biến q trình:............................................................................29
3.1.3 Mơ hình q trình............................................................................................29
3.2 Thiết kế sách lược điều khiển.................................................................................30
3.2.1 Sơ đồ khối.......................................................................................................30

3.2.2

Lưu đồ P&ID...............................................................................................30

3.3 Xây dựng phương trình truyền đạt.........................................................................30
3.3.1 Xây dựng mơ hình hàm truyền........................................................................30
3.3.2 Mơ phỏng trên Matlab Simulink......................................................................31
3.4 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống.......................................................................33
3.4.1 Bộ điều khiển ON/OFF...................................................................................33
3.4.2 Bộ điều khiển PID...........................................................................................36
Kết luận............................................................................................................................ 38
Tài liệu tham khảo............................................................................................................39


Lời mở dầu
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, trong đó đóng góp to lớn của
nghành điều khiển tự động đã đem lại nhưng lợi ích to lớn cho con người. Việc phát triển
những hệt thống tự động đã giuo con người thoát ly khỏi nhưng cơng việc nặng nhọc
bằng tay chân và thay vào đó là những hoạt động chính xác và hiệu quả hơn bằng máy
móc. Chính vì vậy những lợi ích to lớn về điều khiển quá trình mang đến cho đời sống
con người nên việc nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển q trình ln là vấn đề được
quan tâm với các nhà khoa học và kỹ sư… Trong ngành tự động hóa và tất cả những
người u thích ngành tự động.
Để thiết kế một hệ thống tự động hóa hồn chỉnh và có chất lượng tốt yêu cầu
người thiết kế phải nắm vững các kiến thức về điều khiển quá trình. Một trong những kỹ
năng cơ bản, đó là phân tích tính ổn định và chất lượng của hệ thống, từ đó thiết kế BĐK
để hệ có chất lượng tốt nhất.
Trong đồ án này em đã biết khảo sát các đường đặc tính thời gian, tần số thơng
qua Matlab từ đó xác định cac thơng số để hệ thống ổn định từ đó thiết kế các bộ điều
khiển ON-OFF và PID để nâng cao chất lượng đầu ra của hệ thống.

Trong quá trình thực hiện đồ án này e đã nhận được rất nhiều sự góp ý, động viên
từ các bạn cũng như các thầy cô, đặc biệt là cô – Giáo viên khoa cơng nghệ tự động hóa
trường CNTT. Với những kiến thức và hiểu biết còn hạn chế, em rất mong nhận được
nhiều hơn nữa những sự đóng góp bổ sung ý kiến của cơ và các bạn để đồ án này được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
1


Chương 1: Tổng quan chung về điều khiển quá trình
1.1 Các khái niệm cơ bản
1.1.1 Khái niệm về điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là điều khiển, vận hành và giám sát các q trình cơng nghệ,
nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an tồn cho con người, máy
móc và mơi trường.
Q 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 được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
Q trình cơng nghệ là những q trình liên quan đến 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 cơng nghệ có thể đơn giản như q trình cấp liệu, trao

2


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
Trong nội dung môn học, khái niệm quá trình được hiểu là quá trình cơng nghệ.
1.1.2 Biến q trình

Hình 1.1: Q trình và phân loại biến quá trình
-

Một biến vào là
Biến cần điều khiển (controlled variable): Biến ra, đại lượng hệ trọng tới sự

vận hành an toàn, ổn định hoặc chất lượng sản phẩm, cần được duy trì tại một giá trị đặt,
hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo
-

Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can

thiệp được theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển.
3


-

Nhiễu: Biến vào khơng can thiệp được:

+ Nhiễu q trình (disturbance, process disturbance):


Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số đầu vào (lưu

lượng, nhiệt độ hoặc thành phần nguyên liệu, nhiên liệu).


Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng

dòng chảy, áp suất hơi nước, ...).


Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài, ...

+ Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise).
VD: Bình chứa chất lỏng

Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng và các biến q trình
1.1.3 Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình
- Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trơn tru: Giữ cho hệ thống 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 móc, vận hành thuận tiện.

4


- Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo
kế hoạch sản xuất và duy trì các thơng số liên quan đến chất lượng sản phẩm.
- Đảm bảo hệ thống vận hành 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.
- Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải
độc hại, giảm nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ
nguyên nhiên liệu.
- Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất chất lượng theo yêu cầu trong khi
giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu của thị
trường.
1.1.4 Tầm quan trọng của điều khiển quá trình

- Điều khiển quá trình ảnh hưởng trực tiếp đến sự an tồn và tính tin cậy của một
quá trình.
- Điều khiển quá trình quyết định chất lượng sản phẩm của quá trình sản xuất
- Điều khiển quá trình ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành của quá trình.

5


1.2 Nhiệm vụ của điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật
một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm
thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh.
Hơn nữa, các diễn biến của quá trình kỹ thuật 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 quá trình kỹ thuật thì khơng phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và
không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
Đại lượng được 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 đặt
(setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal). Các đại lượng được
điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất
lượng sản phẩm. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình khơng được điều
khiển, nhưng có thể được ghi chép hoặc hiển thị. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là
những đại lượng được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình.
1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển q trình
Mơ Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm 3 thành phần chính:
+ Thiết bị đo.
+ Thiết bị chấp hành.
+ Thiết bị điều khiển

6

Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình.

Hình 1.5: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT
VD: Điều khiển nhiệt độ

7


1.3.1 Thiết bị đo

H
ình 1.6: Hệ thống thiết bị đo quá trình
Hệ thống thiết bị đo quá trình bao gồm: Cảm biến, điều hịa truyền phát tín hiệu và
chỉ báo để biến đổi các đại lượng không điện (nhiệt độ, áp suất...) thành các đại lượng
điện.
8


- Measurement device: Thiết bị đo
- Sensor: Cảm biến (ví dụ cặp nhiệt, ống venturi, siêu âm,..)
- Sensor element: Cảm biến, phần tử cảm biến
- Signal conditioning:Điều hịa tín hiệu, chuyển đổi đo
- Transmitter: Điều hịa tín hiệu + truyền phát tín hiệu chuẩn
- Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng (ví dụ áp suất-dịch chuyển, dịch
chuyểnđiện áp), có thể là sensor hoặc sensor + transmitter.
Đặc tính thiết bị đo: Đặc tính vận hành, phạm vi đo và dải đo, độ phân giải, dải
chết và độ nhạy, độ tin cậy, ảnh hưởng do tác động môi trường, sai số và độ chính xác, độ
tuyến tính, đặc tính động học, đáp ứng bậc thang, đáp ứng tín hiệu dốc.

1.3.2 Thiết bị chấp hành

9


Hình 1.7: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
Thiết bị chấp hành (actuator) thay đổi các đại lượng điều khiển theo tín hiệu điều
khiển, ví dụ van điều khiển, máy bơm, quạt gió, hệ thống băng tải.
Phần tử điều khiển (control element): Can thiệp trực tiếp tới đại lượng điều khiển,
ví dụ van tỉ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải.
Cơ cấu tác động, cơ cấu chấp hành (actuator, actuating element) như: Cơ cấu
truyền động, truyền năng cho phần tử chấp hành, ví dụ động cơ (điện), cuộn hút, cơ cấu
khí nén
1.3.3 Các bộ điều khiển

Hình 1.8: Thiết bị điều khiển
-

Control equipment: Thiết bị điều khiển, vd PLC, IPC, Digital Controller, DCS

-

Controller,...
Controller: Bộ điều khiển, có thể hiểu là:
10


+ Cả thiết bị điều khiển, hoặc
+ Chỉ riêng khối tính tốn điều khiển, ví dụ: PI, PID, FLC, ON/OFF,...
1.3.4 Hệ thống vận hành, giám sát

Hình 1.9: Hệ thống vận hành và giám sát
1.4. Trình tự phát triển hệ thống
Có 7 bước phát triển hệ thống hệ thống điều khiển q trình:
1.4.1. Phân tích chức năng hệ thống
Đây là bước vô cùng quan trọng, muốn điều khiển được ta cần hiểu kỹ về đối
tượng ở trạng thái tĩnh cũng như trạng thái động, khi phân tích kỹ từng thành phần cụ thể
cụ hệ thống ta sẽ hình dung được sơ đồ khối của hệ thống gồm các đầu vào, đầu ra và
nhiễu, cũng như tương tác của các đại lượng và các tham số trong hệ thống để có thể mơ
tả chính xác được hệ thống.

11


1.4.2. Xây dựng mơ hình tốn học
Xây dựng mơ hình tốn học cho một q trình có hai phương pháp:
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 và phương trình đại số.
Mơ hình hóa bằng thực nghiệm là dựa trên thơng tin ban đầu về q trình, quan sát
tín hiệu vào-ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và các
tham số mô hình từ một lớp các mơ hình thích hợp. Phương pháp mơ hình hóa tốt nhất là
kết hợp được giữa phân tích lý thuyết và nhận dạng q trình.
1.4.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển
Sau khi làm rõ chức năng điều khiển và hiểu rõ mơ hình tốn học của quá trình,
bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển nhằm làm rõ cấu trúc liên kết giữa các
phần tử trong hệ thống. Đây là công việc quan trong đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa lý
thuyết và kinh nghiệm thực tế để tránh nhầm lẫn. Tiếp theo là lựa chọn biến được điều
khiển, các biến điều khiển tương ứng và các biến nhiễu và liên kết chúng thông qua sơ đồ
để xây dựng các Cấu trúc điều khiển cụ thể. Các cấu trúc điều khiển chia thành hai phần

cấu trúc đơn biến như Cấu trúc phản hồi, tỉ lệ… và cấu trúc đa biến như Cấu trúc điều
khiển tập trung và cấu trúc phi tập trung... Các cấu trúc điều khiển được thể hiện rõ nhất
trên lưu đồ công nghệ P&ID.

12


Các biểu tượng lưu đồ P&ID bao gồm:
Các biểu tượng thiết bị.

Hình 1.10: Các biểu tượng thiết bị
Các biểu tượng tín hiệu và đường nối

13


Hình 1.11: Các biểu tượng tín hiệu và đường nối
Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng

14


Hình 1.12: Diễn giải ý nghĩa nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng
VD: Điều khiển bộ trao đổi nhiệt

Hình 1.13: Lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt
1.4.4. Thiết kế bộ điều khiển
Thiết kế thuật toán điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tính tốn và cơng
thức tính tốn cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển
gồm hai bước: lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ

điều khiển, công việc thiết kế gắn liền với việc phân tích hệ thống.

15


1.4.5. 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 u
cầu của qui trình cơng nghệ. Việc này địi hỏi người kỹ sư thiết kế phải có cái nhìn tổng
thể về cơng nghệ hệ thống điều khiển cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong
phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau. 14
1.4.6. Phát triển phần mềm ứng dụng
Phát triển phần mềm ứng dụng trong điều khiển quá trình là tạo chất xám là hồn
của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết các kỹ sư phần mềm có thể bắt đầu
thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế cơ sở dữ liệu và giao diện người-máy.
1.4.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành
Chỉnh định và đưa vào vận hành là bước cuối cùng của công việc phát triển hệ
thống được thực hiện tại hiện trường, gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các
tham số của bộ điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp
công nghệ…Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đối toàn
diện, kinh nghiệm thực tiễn và sự kết hợp chặt chẽ giữa nhóm kỹ sư cơng nghệ, đo lường,
điều khiển và tự động hóa trong nhóm chuyên gia hiện trường.

16


Hình 1.14: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống

17

Chương 2: Mơ hình hóa hệ thống
2.1. Giới thiệu chung
Mơ hình là một 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.
Một mơ hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho
mục đích sử dụng.
Phân loại mơ hình:
+ Mơ hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật tốn.
+ Mơ hình tốn học: ODE, Hàm truyền, mơ hình trạng thái.
+ Mơ hình máy tính: Chương trình phần mềm.
+ Mơ hình suy luận: Cơ sở tri thức, luật.
Trong nội dung chương 2 ta quan tâm tới xây dựng mơ hình tốn học cho các q trình
cơng nghệ.
2.1.1 Các bước mơ hình hóa.
Bước đầu tiên của quy trình mơ hình hóa là đặt bài tốn mơ hình hóa. Các cơng
việc chính bao gồm nghiên cứu kỹ lưu đồ công nghệ, xác định rõ mục đích sử dụng của
mơ hình, tóm tắt các thơng số công nghệ cũng như các giả thiết quan trọng. Trên cơ sở
18


đó, ta cần làm rõ yêu cầu về mức độ chi tiết và mức độ chính xác của mơ hình, phương
pháp và cơng cụ phân tích, đánh giá chất lượng của mơ hình.

Hình 2.1: Tổng quan các bước mơ hình hóa q trình phức hợp
Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học:
Phương pháp lý thuyết (mơ hình hóa lý thuyết, phân tích q trình, mơ hình hóa
vật lý):
+ Xây dựng mơ hình trên nền tảng các định luật vật lý, hóa học cơ bản.
+ Phù hợp nhất cho các mục đích 1.,2. Và 5.

19


Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng quá trình, phương pháp hộp đen):
+ Ước lượng mơ hình trên cơ sở các quan sát số liệu vào – ra thực nghiệm.
+ Phù hợp nhất cho các mục đích 3. và 4.
Phương pháp kết hợp:
+ Mơ hình hóa lý thuyết để xác định cấu trúc mơ hình.
+ Mơ hình hóa thực nghiệm để ước lượng các tham số mơ hình.
2.2 Các dạng mơ hình hóa
2.2.1 Mơ hình tuyến tính và mơ hình phi tuyến.
Một mơ hình được gọi là tuyến tính khi quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra của nó
thỏa mãn ngun lý xếp chồng. Một cách chính thức, nếu M(u) là một tốn tử tuyến tính
và là hai biến đọc lập, ta sẽ có:
(2.1)
Khi đó, nếu có các tín hiệu ra lần lượt ứng với các tín hiệu vào độc lập bất kỳ thì
ta cũng sẽ có ứng với . Ngược lại, chỉ cần bất cứ một qua hệ vào/ra nào khơng thõa mãn
ngun lý xếp chồng thì mơ hình sẽ được gọi là phi tuyến.

20


2.2.2 Mơ hình liên tục và mơ hình gián đoạn.
Mơ hình liên tục mơ tả quan hệ giữa các biến q trình liên tục theo thời gian. Nói
một cách khác các tín hiệu sử dụng trong mơ hình là hàm liên tục theo thời gian
Mơ hình gián đoạn chỉ phản ánh đặc tính q trình tại những thời điểm nhất định
(gọi là thời điểm quan sát)
Một mơ hình liên tục chỉ thích hợp với các q trình liên tục. Trong khi đó, mơ
hình gián đoạn có thể sử dụng cho tất cả các thành phần trong hệ thống điều khiển số
(bao gồm cả quá trình và bộ điều khiển số).

2.2.3 Mơ hình đơn biến và mơ hình đa biến.
Mơ hình đơn biến: Một biến vào điều khiển và một biến ra được điều khiển, biến
vào-ra được biểu diễn là các đại lượng vơ hướng.
Mơ hình đa biến: Nhiều biến vào điều khiển hoặc/và nhiều biến ra, các biến vào-ra
có thể được biểu diễn dưới dạng vector.
2.2.4 Mơ hình tham số hằng và mơ hình tham số biến thiên.
Mơ hình tham số hằng: các tham số mơ hình khơng thay đổi theo thời gian.
Mơ hình tham số biến thiên: ít nhất 1 tham số mơ hình thay đổi theo thời gian.

21