Bài giảng Điều khiển quá trình nâng cao: Bài 1 - ThS. Nguyễn Thị Lan

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM

TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ 

PVMTC
ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH
NÂNG CAO
BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM VỀ HIỆU CHUẨN 
VỊNG ĐIỀU KHIỂN

Giảng viên: ThS. Nguyễn Thị Lan
Email: 
Mobile: 098.917.5925
ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO


Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn VĐK

2

MỤC TIÊU CỦA BÀI 1:
Sau khi học xong bài 1, người học có khả năng:
Trình bày được tầm quan trọng và chức năng của việc hiệu
chuẩn vòng điều khiển;
Ø

Nhận biết được tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh vòng
điều khiển trong các nhà máy sử dụng hệ thống điều khiển tự
động hóa.

Ø

THỜI LƯỢNG: 06 giờ, LT: 06 giờ, TH: 0 giờ, KT: 0

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO


NỘI DUNG BÀI 1

ThS. Nguyễn Thị Lan

1.1

Mục đích hiệu chuẩn VĐK

1.2

Các thuật ngữ về hiệu chuẩn VĐK

1.3

Các loại q trình chính

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO

3

1.1 Mục đích của việc hiệu chuẩn vịng ĐK
1.1.1

4

Lý do cần hiệu chỉnh vịng điều khiển:

-

Đáp ứng nhanh với các nhiễu và đưa biến được điều khiển nhanh
chóng quay trở về giá trị đặt.

-

Thực chất là điều chỉnh hệ số khuếch đại của vòng ĐK để hệ số này
nhỏ hơn 1 ở tần số giới hạn.

-

Tần số giới hạn – Critical Frequency: là tần số làm cho vòng ĐK
dao động với biên độ ổn định (dao động hình sin).
Để kiểm chứng đáp ứng của VĐK, vận hành viên thực hiện như sau:
1.

Cài đặt bộ điều khiển ở chế độ AUTOMATIC.

2.

Tăng SV thêm 5%

3.

Theo dõi đáp ứng của PV và MV. Sau đó đưa ra qut định hiệu
chuẩn vịng ĐK hay khơng.

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO


1.1 Mục đích của việc hiệu chuẩn vịng ĐK
v

1.1.1

5

Lý do cần hiệu chỉnh vịng điều khiển
PV

SV

∆SV = 5%

Hình 1-1: Đáp ứng của PV đối với thay đổi bước

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO

1.1 Mục đích của việc hiệu chuẩn vịng ĐK

1.1.2
-

6

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của VĐK:
Một hệ thống ổn định là một hệ thống có dao động mà dao động
này hoặc là ổn định (với biên độ là hằng số) hoặc là biên độ dao
động giảm dần theo thời gian.

-

Một vòng điều khiển dao động ở một tần số nhất định và được
gọi là tần số tới hạn – Critical frequency. Để sự dao động này
ổn định thì hệ số khuếch đại của vịng ĐK phải bằng 1.

-

Nếu điều chỉnh được 𝐾P<1 ở tần số tới hạn thì vịng điều khiển
sẽ ổn định.

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO


1.1 Mục đích của việc hiệu chuẩn vịng ĐK

v

7

Trị chơi xích đu chính là một minh hoạ rõ nét về sự dao động ổn định
của một vịng ĐK.

Hình 1-2: Dao động ở trị chơi xích đu

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ chuyên ngành
1.2.1

8

Chế độ điều khiển tỉ lệ (Proportional mode – P mode)

Đối với DCS Centum VP, bộ điều khiển PID được cài đặt ở chế độ P
khi:
P = X% (với 𝑋>0%), I = 9999 s (I→∞), D = 0 s
Nhược điểm: luôn luôn tồn tại offset.
Chỉ thực sự cần thiết để thực hiện điều chỉnh nhỏ bằng tay (manual
mode) để đem biến quá trình (PV) về với giá trị đặt (SV) lúc khởi
động hệ thống (initial startup).

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ chuyên ngành

9

Hình 1-3: Đáp ứng PV đối với bộ điều khiển kiểu P

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

10

1.2.2 Chế độ điều khiển PI (Proportional + Integral mode)
Đối với DCS Centum VP, bộ điều khiển PID được cài đặt ở chế độ PI
khi:
P = X% (với 𝐾>0%), I = Y s (𝐾>0 𝐾), D = 0 s
I-mode còn được gọi là Reset mode. Đơn vị RPM hoặc MPR
Ưu điểm: loại bỏ được offset tồn tại ở chế độ P.
Nhược điểm:
­

Nếu tác động tích phân nhanh hơn đáp ứng của q trình sẽ gây
ra bão hồ tích phân – reset windup.

­

Tác động tích phân làm vịng ĐK kém ổn định.

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

11

1.2.2 Chế độ điều khiển PI (Proportional + Integral mode)

Khi nào tác động tích phân
ngừng tác động?
ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

12

1.2.3 Chế độ điều khiển PID (Proportional + Integral mode +
Derivative mode)
Đối với DCSCentum VP, bộ điều khiển PID được cài đặt ở chế độ

PID khi:
P = X% (với 𝐾>0%), I = Y s (𝐾>0 𝐾), D = Z s (𝐾>0 𝐾)
Chế độ vi phân cung cấp một tín hiệu ngõ ra tỉ lệ với tốc độ thay đổi
của sai số - (𝑋𝑋(𝑋))/𝑋𝑋 và còn được gọi là rate mode.
Lưu ý: Chỉ thêm thành phần D đối với các quá trình điều khiển chậm
– slow processes, ví dụ như điều khiển nhiệt độ, nồng độ, khuấy trộn.

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

13

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Nhắc lại các thuật ngữ về vòng điều khiển đơn – single control loop

Hình 1-4: Sơ đồ một vịng điều khiển đơn

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

14

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Biến quá trình - Process variable (PV)
Là một trạng thái của chất lỏng q trình (ở dạng lỏng hoặc dạng khí)
có thể thay đổi được theo một cách thức nào đấy.
Những biến quá trình phổ biến: áp suất (P), lưu lượng (F), mức (L),
nhiệt độ (T), nồng độ (D), độ Ph, mặt phân cách chất lỏng…

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

15

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Giá trị đặt – Setpoint Value (SV):
là giá trị mà biến quá trình (PV) mong muốn đạt đến và ổn định tại
đấy.
Ví dụ 1 : Nếu nhiệt độ quá trình cần được giữ ở 100±5 ℃ thì
SV = 100 ℃
Ví dụ 2: mức chất lỏng trong bồn không được vượt quá 20 ft
như vậy SV = 20 ft.

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO

1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

16

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Biến thao tác - Manipulated variable (MV):
Yếu tố được thay đổi để giữ biến đo được tại giá trị đặt được gọi là
biến thao tác.
Nếu FCE của 1 vòng ĐK là van điều khiển thì MV chính là độ
mở/đóng van với đơn vị là %.

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

17

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Sai số - Error:
là sự sai lệch giữa giá trị của biến được đo và giá trị đặt. Sai số có
thể âm hoặc dương.
Offset là độ lệch ổn định của biến quá trình so với giá trị đặt.
Offset = PV – SP

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO

1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

18

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Nhiễu tải - Load disturbance:
là sự thay đổi không mong muốn của một trong các yếu tố ảnh
hưởng đến biến q trình.
Ví dụ: Cũng trong vòng điều khiển nhiệt độ, việc thêm nước lạnh vào
trong bồn chính là nhiễu tải vì nước lạnh làm giảm nhiệt độ chất lỏng
q trình.

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ về vịng điều khiển

19

Khảo sát đặc tính của một vịng điều khiển q trình:

Hình 1-5: Đặc tính đáp ứng của PV đối với nhiễu bước
ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO

1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

20

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Thay đổi bước – Step change: là sự thay đổi đột ngột của một
thơng số q trình, MV hoặc SV.
Ví dụ: tăng MV thêm 5% khi bộ ĐK ở chế độ MAN hoặc tăng SV thêm
5% khi bộ ĐK ở chế độ AUT.

∆MV = 5% → STEP CHANGE
MV

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

21

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Thời gian chết – Deadtime: đây là khoảng thời gian giữa thời điểm
mà thay đổi bước xảy ra và thời điểm mà biến được điều khiển bắt
đầu thay đổi để đáp ứng thay đổi bước này.
PV

∆PV

MV
ThS. Nguyễn Thị Lan

Deadtime

∆MV = 5%

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ về vòng điều khiển

22

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Trễ– Lag: Đây là khuynh hướng ngõ ra đáp ứng chậm hơn ngõ vào
khi hệ thống thay đổi.
Trễ bậc nhất là trễ phổ biến nhất trong các hệ thống quá trình và q
trình được bậc nhất có trễ được gọi là FOPDT.

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ chuyên ngành

23

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Hằng số thời gian – Time constant: là khoảng thời gian tính từ thời
điểm cuối cùng của thời gian chết cho đến khi biến được điều khiển
đạt đến 63.2% tổng thay đổi của QT đó.
PV time constant
∆PV = 100%

Steady state

∆PV = 63.2%
∆PV 100% tổng thay đổi của QT

∆MV = 5%
MV
ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO


1.2 Các thuật ngữ chuyên ngành

24

1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Trạng thái ổn định – Steady State: là trạng thái mà biến được điều
khiển không thay đổi nữa hoặc dao động ổn định quanh SV.

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO

1.3 Các loại q trình chính

25

Các loại q trình: gồm 2 loại chính
Q trình tự điều chỉnh – self-regulating /non-integrating
processes: là q trình có khả năng đạt đến trạng thái cân bằng
mới khi có thay đổi ở ngõ ra của bộ điều khiển. Quá trình điều khiển
lưu lượng là một ví dụ điển hình.
Q trình tích hợp – Integrating processes: là q trình khơng có
khả năng ổn định ở trạng thái cân bằng mới nếu mất đi trạng thái ổn
định ban đầu. Quá trình điều khiển mức là một ví dụ điển hình của
q trình tích hợp.

ThS. Nguyễn Thị Lan

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO