Giáo trình Điều khiển quá trình nâng cao (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hóa - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ


GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO
NGHỀ: SỬA CHỮA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HĨA
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số: 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020
của Trường Cao Đẳng Dầu Khí)

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2020
(Lưu hành nội bộ)


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được phép
dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình Điều khiển quá trình nâng cao được dịch và biên soạn dành cho sinh
viên hệ cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) của Trường Cao Đẳng
Dầu Khí và thuộc mơn học chun ngành. Các sinh viên nghề SCTBTĐH trước khi học
môn học này cần hồn thành mơn học Cơ sở điều khiển quá trình và DCS.
Nội dung của giáo trình gồm 04 bài:
Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển
Bài 2: Các phương pháp hiệu chuẩn
Bài 3: Các sách lược điều khiển nâng cao

Bài 4: Hiệu chuẩn vòng điều khiển trên DCS Centum VP
Tác giả chân thành gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp tổ bộ môn Tự Động Hóa đã
giúp tác giả hồn thiện giáo trình này.
Tuy đã nỗ lực nhiều, nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót, rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp để lần ban hành tiếp theo được hồn thiện hơn.
Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 03 năm 2020
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: ThS. Nguyễn Xuân Thịnh
2. ThS. Đỗ Mạnh Tuân
3. ThS. Lê Ân Tình


MỤC LỤC
1.
1. ......................................................................................................................................4
1.
BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM VỀ HIỆU CHUẨN VỊNG ĐIỀU KHIỂN ..............15
1.1

Mục đích hiệu chuẩn vịng điều khiển .............................................................16

1.1.1
1.1.2

Lý do phải hiệu chuẩn vòng điều khiển (The Reasons for Loop Tuning) .......16
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của vòng điều khiển .............................16

1.2

Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành .....................................................17

1.2.1 Chế độ tỉ lệ (Proportional control mode – P mode) .........................................17
1.2.2 Chế độ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI mode) ..................................................18
1.2.3 Chế độ điều khiển PID .....................................................................................19
1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa liên quan đến hiệu chuẩn vòng điều khiển (Terms
and Definitions Associated with Loop Tuning) ............................................................20
1.2.5 Xác định loại quá trình (Process Type Identification) .....................................22
2.
BÀI 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHUẨN ..................................................27
2.1

Các phương trình cơ bản ..................................................................................28

2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
2.1.6
2.1.7
2.1.8

Phương trình cân bằng năng lượng (Energy Balance) .....................................28
Hằng số thời gian (Time Constant) ..................................................................29
Phương trình đáp ứng hồn chỉnh (Complete Response Equation) .................30
Hệ số khuếch đại quá trình (Process Gain) ......................................................30
Dải tỉ lệ (Proportional Band) ............................................................................32
Thời gian tích phân (Integral Time) .................................................................33
Thời gian vi phân/đạo hàm (Derivative Time) .................................................34
Biểu thức vòng điều khiển PID (PID Control) .................................................35

2.2

Hiệu chuẩn vòng điều khiển hở .......................................................................37

2.2.1
2.2.2
2.2.3

Tổng quan về qui trình thực hiện (Procesure Overview) .................................37
Phương pháp hằng số thời gian (Time Constant Method) ...............................39
Phương pháp xác định tốc độ đáp ứng (Reaction Rate Method) .....................42

2.3

Hiệu chuẩn vòng điều khiển kín (Closed Loop Tuning) .................................45

2.3.1
2.3.2

Phương pháp chu kì tới hạn (Ultimate Period Method) ...................................46
Phương pháp dao động tắt dần (Dampened Oscillation Method) ....................49

2.4

Hiệu chuẩn vòng điều khiển trực quan ............................................................50

2.4.1 Tăng P, I và D (Incremental Changes) .............................................................50
2.4.2 Sự mất ổn định rõ ràng (Apparent Instability) .................................................50
2.4.3 Đáp ứng chậm (Sluggish Response) ................................................................52

3.
BÀI 3: CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO ...................................58
3.1

Điều khiển truyền thẳng (Feedforward control) ..............................................59

3.1.1
3.1.2

Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt: ...................................................................59
Cấu trúc cơ bản và bộ điều khiển lý tưởng.......................................................60


3.2

Điều tỉ lệ (Ratio control) ..................................................................................61

3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4

Ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn liên tục ....................................................61
Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước .....................................................62
Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ .............................................................................63
Bản chất và ý nghĩa của điều khiển tỉ lệ ...........................................................64

3.3

Điều khiên tầng (Cascade control) ...................................................................65

3.3.1
3.3.2

Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước .....................................................65
Ứng dụng của điều khiển tầng ..........................................................................66

3.4

Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng .....................................67

3.5

Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển tỉ lệ ...................................................68

3.6

Điều khiển tầng kết hợp điều khiển truyền thẳng ............................................69

4.

BÀI 4: HIỆU CHUẨN VÒNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN DCS CENTUM VP .......72
4.1 Hiệu chỉnh vòng điều khiển theo định luật Ziegler & Nichols áp dụng cho vòng
điều khiển hở (LAB 1) ...............................................................................................73

4.1.1 Xác định các thông số: hệ số khuếch đại (KP), thời gian chết (LP), hằng số thời
gian (τP). ........................................................................................................................74
4.1.2 Xác định P, I và D theo định luật Ziegler & Nichols hiệu chuẩn vòng điều khiển
hở.
75

4.1.3 Điều khiển hệ thống điều khiển lưu lượng với các thơng số P, I, D tìm được ở
phần 4.1.2. .....................................................................................................................75
4.1.4 Hiệu chuẩn các thông số của bộ điều khiển để đáp ứng ngõ ra tối ưu nhất. ....76
4.2 Hiệu chuẩn vòng điều khiển theo định luật Ziegler & Nichols áp dụng cho vịng
điều khiển kín (LAB 2) ..............................................................................................76
4.2.1 Xác định chu kỳ tới hạn (TU) và dải tỉ lệ tới hạn (PBU). ..................................76
4.2.2 Xác định P, I và D theo định luật Ziegler & Nichols hiệu chuẩn vịng điều khiển
kín.
78
4.2.3 Điều khiển hệ thống điều khiển lưu lượng với các thơng số P, I, D tìm được ở
phần 4.2.2. .....................................................................................................................79
4.2.4 Hiệu chuẩn các thông số của bộ điều khiển để đáp ứng ngõ ra tối ưu nhất. ....79
4.2.5 Điều khiển tỉ lệ: ................................................................................................79
4.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................82


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1-1: Đồ thị đặc tính của một hệ thống điều khiển ................................................20
Hình 1-2: Đường cong đáp ứng quá trình của một quá trình tự điều chỉnh ..................23
Hình 1-3: Đường cong đáp ứng quá trình của một q trình tích hợp (khơng tự điều
chỉnh) .............................................................................................................................24
Hình 2-1: Bồn điều áp và đáp ứn của bồn đối với nhiễu ...............................................31
Hình 2-2: Ngõ ra vi phân cộng với tỉ lệ .........................................................................35
Hình 2-3: Ngõ ra của bộ điều khiển PID .......................................................................36
Hình 2-4: Sơ đồ khối của một quá trình được hiệu chuẩn bằng phương pháp hiệu chuẩn
vịng hở ..........................................................................................................................37
Hình 2-5: Đường cong đáp ứng được xây dụng bằng phương pháp hiệu chuẩn vịng hở
.......................................................................................................................................38
Hình 2-6: Phương pháp xác định hằng số thời gian cho hiệu chuẩn vịng điều khiển hở

.......................................................................................................................................39
Hình 2-7: Kết quả kiểm tra bằng phương pháp hiệu chuẩn vòng hở xác định hằng số thời
gian. ...............................................................................................................................40
Hình 2-8: Phương pháp xác định tốc độ đáp ứng cho hiệu chuẩn vòng hở ..................43
Hình 2-9: Kết quả kiểm tra một quá trình bằng phương pháp xác định tốc độ đáp ứng
vòng điều khiển hở ........................................................................................................44
Hình 2-10: Hệ thống điều khiển ở hệ số khuếch đại tới hạn 𝑲𝑲𝑲𝑲 hay dải tỉ lệ tới hạn 𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷

.......................................................................................................................................46
Hình 2-11: Đáp ứng của biến được đo đối với nhiễu ....................................................47
Hình 2-12: Kết quả kiểm tra quá trình bằng phương pháp hiệu chuẩn chu kì tới hạn ..48
Hình 2-13: Kết quả điều khiển bằng phương pháp dao động tắt dần ............................49
Hình 2-14: Đáp ứng của một quá trình với thơng tin về các loại thời gian ...................54
Hình 2-15: Dạng sóng của van điều khiển có ma sát tĩnh .............................................55
Hình 3-1: Sơ đồ khối điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước .........................................60
Hình 3-2: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển truyền
thẳng. .............................................................................................................................60
Hình 3-3: Cấu túc tổng quát của điều khiển truyền thẳng .............................................60
Hình 3-4: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị khuấy trộn liên tục......................................62
Hình 3-5: Sơ đồ điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển tỉ lệ ..............62
Hình 3-6: Sơ đồ 2 cấu hình của sách lược điều khiển tỉ lệ ............................................64
Hình 3-7: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển tầng ...66
Hình 3-8: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển phản hồi
kết hợp với điều khiển truyền thẳng. .............................................................................67


Hình 3-9: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị khuấy trộn bằng sách lược điều khiển phản
hồi kết hợp với sách lược điều khiển tỉ lệ......................................................................68

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2-1: Bảng tính thơng số PID bằng phương pháp hằng số thời gian .....................40
Bảng 2-2: Bảng tính thơng số PID bằng phương pháp tốc độ đáp ứng.........................43
Bảng 2-3: Bảng tính thơng số PID bằng phương pháp chu kì tới hạn (Ziegler & Nichols
rule for closed loop tuning) ...........................................................................................48
Bảng 4-1: Bảng ghi kết quả theo phương pháp hiệu chuẩn vịng hở. ...........................75
Bảng 4-2: Bảng tính thơng số P, I và D theo phương pháp hiệu chuẩn vòng kín. ........78
Bảng 4-3: Bảng kết quả điều khiển tỉ lệ. .......................................................................80


CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN: ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO
1. Tên mơ đun: Điều khiển q trình nâng cao
2. Mã mô đun: TĐH19MĐ18
Thời gian thực hiện mô đun: 90 giờ; (Lý thuyết: 28 giờ; Thực hành: 58 giờ; Kiểm tra:
04 giờ).
Số tín chỉ: 04
3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơ-đun:
3.1 Vị trí: Là mơ đun thuộc các mơ đun chun ngành của chương trình đào tạo. Môn
đun này được dạy sau mô đun cơ sở điều khiển q trình và mơ đun hệ thống điều khiển
phân tán (DCS).
3.2 Tính chất: Mơ đun này trang bị những kiến thức về các chế độ làm việc của các bộ
điều khiển, các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành hiệu chuẩn vòng điều khiển, các
phương thức điều khiển (sách lược điều khiển) cũng như phương pháp và kỹ năng hiệu
chỉnh một vòng điều khiển.
3.3 Ý nghĩa và vai trị của mơ-đun: là mơn học khoa học mang tính thực tế và ứng
dụng thực tiễn dành cho đối tượng là người học chuyên ngành điều khiển tự động hóa
quá trình (Process Control and Automation). Mơ-đun này đã được đưa vào giảng dạy tại
trường Cao Đẳng Dầu Khí từ năm 2019 đến nay. Nội dung chủ yếu của mô-đun này là
trang bị các kiến thức và kỹ năng thuộc lĩnh vực điều khiển quá trình: (1) nhận biết được
tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh vòng điều khiển (Control Loop Tuning); (2) Trình

bày được các phương trình cơ bản được sử dụng trong các quá trình điều khiển; (3) Xác
định được các sách lược điều khiển được sử dụng để từ đó cài đặt, hiệu chỉnh được các
thơng số của bộ điều khiển; (4) Khắc phục được lỗi dao động của một q trình bằng
lưu đồ và phân tích dữ liệu. Qua đó, giáo trình cung cấp các nội dung kiến thức về các
phương pháp hiệu chuẩn vòng điều khiển thông dụng và khắc phục các lỗi cơ bản xảy
ra trong một vòng điều khiển phù hợp với thực tế tại các nhà máy cơng nghiệp q trình
hiện nay như các nhà máy thuộc công nghiệp dược phẩm, công nghiệp hóa chất, cơng
nghiệp thực phẩm và đồ uống, cơng nghiệp năng lượng…
4. Mục tiêu mô-đun:
4.1 Về kiến thức:

Trang 9


A1. Trình bày được tầm quan trọng và chức năng của việc hiệu chuẩn vịng điều khiển;
A2. Trình bày được các phương trình cơ bản được sử dụng trong việc hiệu chuẩn vịng
điều khiển;
A3. Trình bày được phương pháp hiệu chuẩn vịng điều khiển hở, hiệu chuẩn vịng điều
khiển kín và hiệu chuẩn trực tiếp;
A4. Mô tả được các đặc điểm của sách lược điều khiển nâng cao.
4.2 Về kỹ năng:
B1. Thực hiện được hiệu chuẩn vòng điều khiển hở;
B2. Thực hiện được hiệu chuẩn vịng kín;
B3. Thực hiện được vòng điều khiển trực quan.
B4. Nhận dạng được các sách lược điều khiển trên bản vẽ P&ID.
4.3 Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
C1. 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;
C2. Rèn luyện tính cẩn thận, kiên nhẫn và tuân thủ an tồn khi thực hiện cơng việc.
5. Chương trình mơ-đun:

5.1. Chương trình khung:

Mã
MH/MĐ/HP

I

Tên mơn học, mơ đun

Các mơn
cương

học

chung/đại

Số
tín
chỉ

Thời gian học tập (giờ)
Trong đó
Thực
hành/
Kiểm tra
thực tập/
Tổng
Lý
thí
số

thuyết nghiệm/
bài tập/ LT TH
thảo
luận

21

435

157

255

15

MHCB19MH02 Giáo dục chính trị

4

75

41

29

5

MHCB19MH04 Pháp luật

2

30

18

10

2

MHCB19MH06 Giáo dục thể chất

2

60

5

51

4

75

36

35

MHCB19MH08

Giáo dục quốc phòng và An

ninh

8

4
2

Trang 10

2


Mã
MH/MĐ/HP

Tên môn học, mô đun

MHCB19MH10 Tin học
TA19MH02

Tiếng Anh

Các môn học, mô đun chuyên
môn ngành, nghề
II.1
Môn học, mô đun cơ sở
ATMT19MH01 An toàn vệ sinh lao động
TĐH19MĐ01 An toàn Tự động hóa
KTĐ19MĐ05 Điện kỹ thuật 1
TĐH19MĐ02 Điện tử cơ bản

KTĐ19MĐ13 Khí cụ điện
KTĐ19MĐ08 Đo lường điện
Môn học, mô đun chuyên
II.2
môn ngành, nghề
TĐH19MĐ04 Kỹ thuật số
TĐH19MH05 Thiết bị đo lường
TĐH19MH06 Bản vẽ thiết bị đo lường
TĐH19MĐ07 Hiệu chuẩn thiết bị đo lường
TĐH19MĐ08 Lắp đặt hệ thống TĐH 1
TĐH19MĐ09 Lắp đặt hệ thống TĐH 2
TĐH19MĐ10 Cơ sở điều khiển quá trình
TĐH19MĐ12 Đấu nối dây
Hệ thống điều khiển thủy lực TĐH19MĐ13
khí nén
TĐH19MĐ15 PLC
Hệ thống điều khiển phân tán
TĐH19MĐ17
(DCS)
Điều khiển quá trình
TĐH19MĐ18
nâng cao
Kiểm tra, chạy thử và xử lý lỗi
TĐH19MĐ19
vòng điều khiển
TĐH19MH20 Thiết bị phân tích và theo dõi
TĐH19MH21 Khóa luận tốt nghiệp
TĐH19MH22 Thực tập sản xuất
Tổng số
II

Số
tín
chỉ

Thời gian học tập (giờ)
Trong đó
Thực
hành/
Kiểm tra
thực tập/
Tổng
Lý
thí
số
thuyết nghiệm/
bài tập/ LT TH
thảo
luận

3

75

15

58

2

6

120

42

72

6

76

1755

613

1069

43

30

16
2
2
3
3
3
3

300
30
45
60
60
45
60

152
26
14
28
28
28
28

132
2
29
29
29
14
29

12
2
1
2
2
3

2

4

60

1455

461

937

31

26

3
5
3
5
4
5
3
2

60
90
45
120
90

120
60
45

28
56
42
28
28
28
28
14

29
29
0
87
58
87
29
29

2
4
3
2
2
2
2
1

1
1

4

90

28

58

2

2

5

120

28

87

2

3

3

60

28

29

2

1

4

90

28

58

2

2

2

45

14

29

1

1

4
3
5
97

60
135
225
2190

42
27
14
770

14
105
209
1324

4

58

1
1

1
1

3
2
3
1
1

3
2
38

Trang 11


5.2 Chương trình chi tiết mơ-đun:
Thời gian (giờ)
Stt

Nội dung tổng quát

Tổng
Lý
số
thuyết

Thực hành,
thí nghiệm,
thảo luận,

bài tập

Kiểm tra
LT TH

1

Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn
vòng điều khiển

03

03

0

2

Bài 2: Các phương pháp hiệu chuẩn

12

11

0

1

3

Bài 3: Các sách lược điều khiển
nâng cao (Advance Control
Strategies)

15

14

0

1

4

Hiệu chuẩn vòng điều khiển trên
DCS Centum VP

60

0

58

2

Hiệu chuẩn vòng điều khiển theo
4.1 định luật Ziegler & Nichols áp dụng
cho vòng điều khiển hở

30

0

29

1

Hiệu chuẩn vòng điều khiển theo
4.2 định luật Ziegler & Nichols áp dụng
cho vịng điều khiển kín

30

0

29

1

90

28

58

Cộng

2

2

6. Điều kiện thực hiện mơn học:
6.1. Phịng học Lý thuyết/Thực hành:
+ Phòng học lý thuyết: Đáp ứng phòng học chuẩn.
+ Phòng học thực hành: phòng DCS.
6.2. Trang thiết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, phấn
6.3. Học liệu, dụng cụ, mơ hình, phương tiện: Giáo trình, mơ hình học tập…
6.4. Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế về công tác xây dựng phương án
khắc phục và phòng ngừa rủi ro tại doanh nghiệp.
7. Nội dung và phương pháp đánh giá:
7.1. Nội dung:
- Kiến thức: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
- Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng.
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
Trang 12


+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp.
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng mơn học.
+ Nghiêm túc trong q trình học tập.
7.2. Phương pháp:
7.2.1 Kiểm tra thường xuyên:
-

Số lượng bài: 02

-

Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện tại thời

điểm bất kỳ trong quá trình học thông qua việc kiểm tra vấn đáp trong giờ học,
kiểm tra viết với thời gian làm bài bằng hoặc dưới 30 phút, kiểm tra một số nội
dung thực hành, thực tập, chấm điểm bài tập.

7.2.2 Kiểm tra định kỳ:
-

Số lượng bài: 04, trong đó 02 bài lý thuyết và 02 bài thực hành.

-

Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện theo theo
số giờ kiểm tra được quy định trong chương trình mơn học ở mục III có thể bằng
hình thức kiểm tra viết từ 45 đến 60 phút, chấm điểm bài tập lớn, tiểu luận, làm bài
thực hành, thực tập. Giáo viên biên soạn đề kiểm tra lý thuyết kèm đáp án và đề
kiểm tra thực hành kèm biểu mẫu đánh giá thực hành theo đúng biểu mẫu qui định,
trong đó:
Stt

Bài
kiểm
tra

1.

Bài 1

2.

Bài 2

3.

Bài 3

4.

Bài 4

Hình thức kiểm
tra
Lý thuyết: tự
luận/trắc
nghiệm/báo cáo
Lý thuyết: tự
luận/trắc
nghiệm/báo cáo
Thực hành: vận
hành trên DCS
Thực hành: vận
hành trên DCS

Nội dung

Chuẩn đầu ra
đáp ứng

Thời gian

bài 1, bài 2

A1, A2, C1

45÷60 phút

bài 3

A4, C1

45÷60 phút

Mục 4.1 bài 4
Mục 4.2 bài 4

A3, B1, B2,
C1, C2
A3, B1, B2,
C1, C2

60÷90 phút
60÷90 phút

7.2.3 Thi kết thúc mơ đun: lý thuyết và thực hành.
-

Hình thức thi: trắc nghiệm và vận hành trên DCS.

-

Thời gian thi:

+

Trắc nghiệm: 45÷60 phút.
Trang 13


-

+ Thực hành: 60÷90 phút.
Chuần đầu ra đáp ứng: A1÷A4, B1÷B4, C1÷C2

8. Hướng dẫn thực hiện mơ-đun
8.1. Phạm vi áp dụng chương trình
Chương trình mơ đun này được áp dụng cho nghề sửa chữa thiết bị tự động hóa,
trình độ cao đẳng và liên thông từ trung cấp lên cao đẳng.
8.2. Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy, học tập mô đun:
Đối với giảng viên/giáo viên:

-

+ Thiết kế giáo án theo thể loại lý thuyết hoặc tích hợp hoặc thực hành phù hợp
với từng chương/bài học với thời lượng theo giờ dạy hoặc theo buổi dạy.
+ Tổ chức giảng dạy: tập trung đối với giờ lý thuyết và chia ca đối với giờ thực
hành theo qui định.
Đối với người học:

+ Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp. Các tài liệu tham khảo sẽ được
cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện,
tài liệu...)
+ Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết. Nếu người học vắng >30% số

tiết lý thuyết phải học lại môn học mới được tham dự kì thi lần sau.
+ Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc
theo nhóm và làm việc cá nhân. Một nhóm gồm 3-4 người học sẽ được cung
cấp chủ đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành. Mỗi người học sẽ chịu
trách nhiệm về 1 hoặc một số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân cơng để
phát triển và hồn thiện tốt nhất tồn bộ chủ đề thảo luận của nhóm.
+ Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ.
+ Tham dự thi kết thúc môn học.
+ Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học.
8.3. Những trọng tâm chương trình cần chú ý: Các bài có nội dung quan trọng như
nhau.
9. Tài liệu tham khảo:
- Tài liệu tiếng Việt:
[1]. TS. Hoàng Minh Sơn, 2016, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, Hà Nội: Nhà
xuất bản Bách Khoa Hà Nội.
- Tài liệu nước ngoài:
+ NCCER, 2016, Instrumentation Level 4, third edition, published by PEARSON.
+ PAControl, 2006, Fundamentals of Pcocess Control, PAControl.com.

Trang 14


1. BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM VỀ HIỆU CHUẨN VÒNG ĐIỀU KHIỂN
GIỚI THIỆU BÀI 1:
Bài 1 giới thiệu cho người học tầm quan trọng của việc kiểm soát được và theo dõi được
các quá trình điều khiển trong nhà máy công nghiệp. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng
sản phẩm được tạo ra và uy tín, thương hiệu của một nhà máy. Vì vậy cơng việc bảo
dưỡng định kỳ hoặc khắc phục được sự cố xảy ra trong quá trình vận hành nhà máy là
hết sức quan trọng. Qua đó người học nhận thức được sự quan trọng của việc tuân thủ
các qui định, qui trình vận hành và thái độ đối với công việc của một vận hành viên.

MỤC TIÊU CỦA BÀI 1 LÀ:
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;
+ 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;
PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 1:
Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp,
dạy học theo vấn đề).
Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (bài 1) trước buổi học.
ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI 1:
Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng: phịng DCS.
Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác
Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu tham
khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan, các loại trang thiết bị bảo hộ cá
nhân: giày cách điện, bộ quần áo bảo hộ lao động.
Các điều kiện khác: không có
KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 1:
Nội dung:
Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
Kỹ năng: không
Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp
Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển

Trang 15


+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học.
+ Nghiêm túc trong quá trình học tập.

Phương pháp:
Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng hoặc kiểm tra viết
dưới 30 phút.)
Kiểm tra định kỳ lý thuyết/thực hành: không có.
NỘI DUNG BÀI 1:
1.1 Mục đích hiệu chuẩn vịng điều khiển
Trước khi vòng điều khiển được chạy thử và đưa vào hoạt động thì nó cần phải được
tinh chỉnh (tuning). Tinh chỉnh bao gồm việc điều chỉnh bộ điều khiển để tạo ra đáp ứng
mong muốn. Thuật ngữ đáp ứng (response) mơ tả đặc tính động của tồn bộ hệ thống
sau khi có nhiễu tác động mà có thể xảy ra hoặc là kết quả của nhu cầu hoặc là cung cấp
sự biến thiên. Đáp ứng là đặc tính kết hợp của quá trình và hệ thống điều khiển. Chất
lượng tổng thể của đáp ứng được đánh giá bằng tốc độ mà ở tốc độ ấy biến được điều
khiển (controlled variable) quay trở về giá trị đặt (setpoint), bằng lượng vọt lố
(overshoot) xảy ra, và bằng độ ổn định (stability) của hệ thống trong điều kiện quá độ
(transient condition).
1.1.1 Lý do phải hiệu chuẩn vòng điều khiển (The Reasons for Loop Tuning)
Lý tưởng thì một hệ thống điều khiển đáp ứng nhanh với các nhiễu và đưa biến được
điều khiển nhanh chóng quay trở về giá trị đặt. Biến quá trình cần phải giữ ổn định như
có thể để nó gần với giá trị đặt, chứ không phải dao động cách xa giá trị đặt sau mỗi lần
có nhiễu tác động. Các yếu tố tác động đến đặc tính của hệ thống điều khiển có thể rất
phức tạp. Hiệu chuẩn bao gồm cả việc điều chỉnh các yếu tố đó để đạt đến đáp ứng tốt
nhất có thể. Bởi vì một số yếu tố không thể điều chỉnh được cho nên việc hiệu chỉnh
thường là một sự thoả hiệp (compromise) giữa các yếu tố khác nhau.
1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của vòng điều khiển
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của một hệ thống điều khiển thường xung đột lẫn
nhau. Nếu tốc độ đáp ứng tăng lên (có nghĩa là cần ít thời gian để đạt đến gía trị đặt –
SV) thì sẽ làm giảm độ ổn định của hệ thống điều khiển. Cố gắng để đạt đến giá trị mong
muốn quá nhanh có thể làm mất ổn định hệ thống hồn tồn. 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)
Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển

Trang 16


hoặc là biên độ dao động giảm dần theo thời gian. Dao động của một hệ thống khơng
ổn định có biên độ tăng dần và thường trở nên mất kiểm sốt và có tiềm năng bị phá huỷ
(mất ổn định hồn tồn).
Những dao động khơng mong muốn này thường xảy ra ở một tần số đã biết với tên gọi
là tần số tới hạn (Critical frequency). Ở tần số này pha góc lệch pha của vịng điều
khiển là 360 độ (đồ thị giống như dòng điện xoay chiều dao động hình sin). Góc lệch
pha 360 độ này là góc tới hạn vì ở điều kiện này thì năng lượng hay vật chất đi vào quá
trình sẽ duy trì dao động này hoặc thậm chí cịn làm tăng biên độ dao động.
Tuy nhiên nếu chỉ có một yếu tố là góc lệch pha 360° thì khơng duy trì ổn định được
dao động. Vì thế vịng điều khiển phải có hệ số khuếch đại (độ lợi – gain) lớn hơn hoặc
bằng 1 để ổn định dao động này. Nếu hệ số khuếch đại của vịng điều khiển bằng 1 thì
có đủ năng lượng và vật chất đi vào hệ thống để duy trì dao động ổn định ở một mức độ
cố định. Góc lệch pha này đảm bảo rằng năng lượng hoặc vật chất đi vào vịng điều
khiển ở thời điểm chính xác để giữ cho dao động ổn định, giống như việc đẩy xích đu
cho một đứa trẻ - điều then chốt là thời gian thực hiện các lần đẩy xích đu ở đúng thời
điểm trong chu kỳ dao động.
Nếu hệ số khuếch đại lớn hơn 1, hệ thống có nhiều năng lượng và vật chất hơn ở mối
chu kỳ. Vì thế các dao động ngày càng mạnh lên (biên độ ngày càng tăng lên) và cuối
cùng bị mất kiểm soát. Hậu quả là hệ thống hoàn toàn mất ổn định.
Trong khi hiệu chuẩn vịng điều khiển, mục đích là điều chỉnh hệ số khuếch đại của
vòng điều khiển để mà hệ số này nhỏ hơn 1 ở tần số tới hạn. Nếu thực hiện được việc
này thì các dao động của q trình sẽ nhanh chóng được triệt tiêu và biến được điều
khiển sẽ ổn định gần với giá trị đặt (SV).
1.2 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
Ở mơ-đun “Cơ sở điều khiển q trình” đã giới thiệu chi tiết về các chế độ điều khiển
của bộ điều khiển PID. Tuy nhiên, ở mô đun này các kiến thức về chế độ làm việc của

bộ điều khiển này được nhắc lại để củng cố và phục vụ cho các kiến thức mới.
1.2.1 Chế độ tỉ lệ (Proportional control mode – P mode)
Điều khiển tỉ lệ (điều khiển kiểu P) tác động để đặt phần tử điều khiển cuối (FCE) trong
vịng điều khiển (thơng thường là van điều kiển) vào vị trí tỉ lệ với độ lớn của sai số
(Error). Sai số chính là sự chênh lệch giữa giá trị đặt (SV) và biến được đo (tín hiệu do
transmitter đo được và truyền về bộ điều kiển - PV). Điều khiển tỉ lệ cung cấp một ngõ
ra liên tục (phẳng mịn) để định vị trí của FCE ở các vị trí trung gian cũng như ở vị trí
hoặc đóng hồn tồn hoặc mở hồn tồn hoặc đóng/ngắt đối với van on/off.
Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển

Trang 17


Với chế độ điều khiển tỉ lệ, phần tử điều khiển cuối (FCE) giả định một vị trí xác định
(thường được thể hiện ở giá trị biến thao tác - MV) cho mỗi giá trị của biến được đo
(thông thường là biến quá trình – PV). Mối quan hệ giữa MV và PV thường là tuyến
tính. Giá trị đặt (Setpoint – SV) thường ở giữa băng tỉ lệ (Proportional band 𝑃𝑃𝐵𝐵 =

100%
𝐾𝐾

, 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 đó 𝐾𝐾 𝑙𝑙à ℎệ 𝑠𝑠ố 𝑘𝑘ℎ𝑢𝑢ế𝑐𝑐ℎ đạ𝑖𝑖 (𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺)), kết quả tạo ra offset giữa SP và giá trị

ổn định của biến q trình.

Ưu điểm chính của điều khiển tỉ lệ (P-mode) chính là nó khuếch đại ngõ ra ngay lập tức
khi bộ điều khiển phát hiện ra có sai số (error = PV – SV và error ≠ 0); việc này làm cho
phần tử điều khiển cuối (van điều khiển) xác lập lại được vị trí ổn định mới trong một
thời gian tương đối ngắn. Nhược điểm chính của chế độ điều khiển này chính là tồn tại
offset, là độ lệch ổn định giữa biến được đo và giá trị đặt khi vòng điều khiển đã ổn định.

Offset sẽ bằng 0 khi phần tử điều khiển cuối được ở vị trí mà biến được điều khiển bằng
với giá trị đặt.
Cần phải lưu ý là với bộ điều khiển loại P là nó chỉ thực sự cần thiết để thực hiện điều
chỉnh nhỏ bằng tay (manual control mode) để đem biến quá trình (PV) về với giá trị
đặt (SV) lúc khởi động hệ thống (initial startup).
Mặc dù điều khiển tỉ lệ là một phương pháp tốt và làm việc tốt trong nhiều trường hợp
nhưng nó lại khơng tối ưu. Vì lý do này mà bộ điều khiển loại P thường kết hợp với các
chế độ điều khiển khác để tác động đến hệ thống. Các chế độ kết hợp khác chỉ tác động
ở các thời điểm nhất định để loại làm giảm hoặc bỏ hạn chế của chế độ P.
1.2.2 Chế độ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI mode)
Một số vòng điều khiển sử dụng chế độ điều khiển tỉ lệ (chế độ P) kết hợp với chế độ
tích phân (chế độ I) tạo thành chế độ điều khiển PI. Chế độ này tốt hơn rất nhiều so với
chế độ P đứng một mình. Nó kết hợp đặc tính đáp ứng ngõ ra ngay lập tức của chế độ P
với hàm điều khiển tích phân (Integral). Hàm tích phân cung cấp một ngõ ra tỉ lệ với
tích phân theo thời gian của ngõ vào. Điều này có nghĩa nó tiếp tục thay đổi khi mà tín
hiệu sai số cịn tồn tại. Hàm tích phân chỉ tác động khi sai số còn tồn tại giữa biến được
điều khiển và giá trị reset. Giá trị reset là giá trị đặt trước ở một chu kì xác định trước (a
set time period). Kết quả là hàm tích phân loại bỏ bất kỳ offset tồn tại giữa giá trị đặt
và biến được đo, điều mà luôn tồn tại ở chế độ P. Việc thêm chế độ I vào chế độ P đã
thực hiện cài đặt lại hệ số khuếch đại của vịng điều kiển một cách tự động. Vì thế mà
chế độ PI đôi khi được gọi là chế độ reset.
Sự khác biệt chính giữa chế độ P và chế độ PI chính là chế độ P giới hạn vị trí đơn lẻ
của phần tử điều khiển cuối đối với mỗi giá trị của biến được điều khiển (có nghĩa là 1
Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển

Trang 18


MV tương tứng với 1 PV). Còn ở chế độ PI, vị trí của phần tử điều khiển cuối khơng chỉ
phụ thuộc vào vị trí của biến được điều khiển trong băng tỉ lệ mà còn phụ thuộc vào thời

gian và độ lớn của offset lệch khỏi SV. Khi biến được điều khiển ổn định thì điểm điều
khiển (giá trị PV lúc ổn định) bằng với giá trị đặt (SV), nghĩa là khơng cịn offset.
Chế độ điều khiển PI có thể bị ảnh hưởng bất lợi bởi tín hiệu sai số lớn một cách đột
ngột. Việc này có thể được gây ra bởi độ lệch yêu cầu quá lớn, sự thay đổi SV lớn hoặc
trong quá trình bắt đầu khởi động hệ thống. Tín hiệu sai số ổn định lớn như vậy có thể
làm cho ngõ ra của bộ điều khiển bị đẩy đến giới hạn mà kết quả là xảy ra hiện tượng
bão hồ tích phân (reset windup) và làm cho vòng điều khiển mất ổn định trong một
khoảng thời gian.
1.2.3 Chế độ điều khiển PID
Điều khiển P + điều khiển I + điều khiển D là loại điều khiển tinh tế nhất của điều khiển
vòng. Điều khiển PID chính là thêm thành phần vi phân - D (Derivative) vào chế độ
điều khiển PI (đã nói ở phần 1.2.2). (Chế độ điều khiển vi phân – D mode – còn được
gọi là chế độ Rate). Chế độ điều khiển vi phân cung cấp một tín hiệu ngõ ra tỉ lệ với tốc
độ thay đổi của sai số

𝑑𝑑𝑑𝑑(𝑡𝑡)
𝑑𝑑𝑑𝑑

. Điều này có nghĩa là chế độ vi phân chỉ tác động khi sai số

tiếp tục thay đổi. Vì vậy, điểm điều khiển (PV) càng thay đổi nhanh thì tác động điều
chỉnh của chế độ vi phân càng xảy ra mạnh. Nếu điểm điều khiển càng xa giá trị đặt
(SV) thì hàm vi phân sẽ tạo ra tác động điều chỉnh để đem điểm điều khiển về gần với
gía trị đặt nhanh hơn so với việc chỉ dùng chế độ điều khiển PI. Vì điểm điều khiển ngày
càng tiến dần đến gía trị đặt nên tác động vi phân sẽ giảm dần để tiến dần đến SV mà
không tạo ra sự vọt lố (overshoot). Không giống như chế độ điều khiển tỉ lệ (P-mode),
chế độ điều khiển vi phân (D-mode) không bao giờ được sử dụng một mình vì nó khơng
phát hiện ra được tình trạng sai số ổn định – khơng thay đổi nữa. Điều này cũng dễ hiểu
vì khi sai số là hằng số thì đạo hàm của một hằng số bằng 0.
Chế độ điều khiển PID là chế độ điều khiển chính xác và ổn định nhất khi áp dụng ở các

hệ thống có khối lượng tương đối nhỏ nhưng phản ứng nhanh để chuyển hoá thành năng
lượng để thêm vào quá trình. Điều khiển PID được khuyến nghị trong các hệ thống mà
tải trên quá trình thay đổi thường xuyên và bộ điều khiển được mong đợi sẽ tự động bù
do những thay đổi liên tục về giá trị đặt, lượng năng lượng có sẵn hoặc khối lượng được
kiểm sốt.

Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vịng điều khiển

Trang 19


1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa liên quan đến hiệu chuẩn vòng điều khiển (Terms
and Definitions Associated with Loop Tuning)
Thơng thường, trong ngữ cảnh về một vịng điều khiển thì đặc tính hệ thống điều khiển
được thể hiện bằng một đồ thị với trục hoành (trục x) thể hiện thời gian và trục tung
(trục y) thể hiện biến được điều khiển, ví dụ PV. Một đồ thị thơng thường (như hình 1.1)
chỉ ra biến quá trình phản ứng như thế nào sau khi có nhiễu tác động vào quá trình đó.
Nhiễu này đơi khi được gọi là thay đổi bước (Step change) bởi vì một mặt nào đó của
q trình đột nhiên tăng vọt lên hoặc giảm xuống đột ngột đến một giá trị khác, giống
như là một bậc thang. Sự thay đổi bước này làm cho hệ thống điều khiển phản ứng vì
nó cố để đem biến được điều khiển về lại giá trị đặt.

Hình 1-1: Đồ thị đặc tính của một hệ thống điều khiển
Ngồi việc tự q trình thay đổi, thay đổi bước cũng có thể được tạo ra bằng cách thay
đổi giá trị đặt (SV). Ví dụ, nếu người vận hành đột ngột thay đổi nhiệt độ lị nhiệt thì hệ
thống điều khiển xem sự thay đổi này là một thay đổi bước và cố gắng đem biến cần
điều khiển đến một đường ổn định mới với giá trị đặt mới. Khi hiệu chuẩn một vòng
điều khiển, đột ngột thay đổi giá trị đặt là một cách thông dụng để tạo ra thay đổi bước
một cách có chủ ý để xem hệ thống điều khiển phản ứng như thế nào. Tác động này đôi
khi được gọi là kiểm tra va chạm (bump test).

Thời gian là một yếu tố cực kỳ quan trọng khi làm việc với các hệ thống điều khiển.
Trong khi trục X đại diện cho thời gian, nó có thể khơng được chia tỷ lệ thành một phép
Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển

Trang 20


đo thời gian tiêu chuẩn như phút hoặc giây. Thay vào đó, nó có thể được chia thành các
đơn vị thời gian chung. Hình 1-1 là một ví dụ cho phương pháp này. Một khi bạn biết
đơn vị thời gian hiển thị thì bạn dễ dàng chuyển đổi chúng thành giá trị thực bằng cách
nhân với khoảng đơn vị thời gian thực mà chúng đại diện.
• Thời gian chết – Deadtime: đây là khoảng thời gian giữa điểm mà thay đổi bước
xảy ra và điểm mà biến được điều khiển bắt đầu thay đổi để đáp ứng với sự thay
đổi bước này. Trong suốt khoảng thời gian chết, biến được điều khiển sẽ thay đổi
nhưng bộ điều khiển sẽ không thực hiện sự hỗ trợ nào để tác động đến sự thay
đổi của biến được điều khiển. Thời gian chết hiện diện trong tất cả các hệ thống
điều khiển. Nó có thể được tối thiểu hố nhưng khơng bao giờ được loại bỏ hồn
tồn. Nó chính là ngun nhân phổ biến nhất của các vấn đề vận hành của nhiều
vòng điều khiển kín, đặc biệt là khi nó q lớn. Thời gian chết đôi khi được gọi
là thời gian trễ (delay). Thời gian chết ở hình 1-1 xảy ra trong 0.5 đơn vị thời
gian. Nếu 1 đơn vị thời gian là 1 phút thì thời gian chết là 0.5 x 1 phút = 0.5 phút
(30 giây).
• 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. Các trễ
bậc cao hơn thì khó giải quyết hơn và khơng được nói ở phần này. Nhiều q
trình có thể được xấp xỉ để trở thành q trình bậc nhất có trễ cộng với thời gian
chết (First Order Lag Plus Deadtime – FOLPDT).
• Trạng thái ổn định – Steady State: Điều kiện trạng thái ổn định là điểm mà ở đó
biến được điều khiển khơng cịn thay đổi nhiều nữa nhưng giữ được ổn định xung
quanh giá trị đặt (SV). Trong khi biến được điều khiển vẫn có thể dao động xung

quanh SV với biên độ nhỏ, sự chênh lệch giữa biến được điều khiển và SV đủ
nhỏ để nó khơng được qui là sai số. Mục đích của tất cả các hệ thống điều khiển
là duy trì được trạng thái ổn định.
• Hằng số thời gian – Time Constant: Hằng số thời gian là thời gian duy nhất đối
với một quá trình và hệ thống điều khiển cụ thể. Quan trọng hơn nữa, hằng số
thời gian giúp mô tả tốc độ mà ở đó hệ thống đáp ứng với nhiễu. Tất cả các quá
trình điều khiển đều mất một khoảng thời gian nhất định để đạt đến trạng thái ổn
định từ thời điểm chúng bắt đầu phản ứng (điểm cuối cùng của thời gian chết).
Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển

Trang 21


Một hằng số thời gian đơn lẻ là thời gian cần thiết để sự thay đổi quá trình đạt
đến 63.2% của tổng thay đổi q trình đó. Ở đồ thị hình 1-1 hằng số thời gian là
1.5 đơn vị thời gian (1.5 Time Units). Đáp ứng đầy đủ (tổng thay đổi của biến
được điều khiển) từ điểm cuối của thời gian chết đến thời điểm đạt đến trạng thái
ổn định cần gấp 5 lần hằng số thời gian (7.5 đơn vị thời gian). Tuỳ thuộc vào độ
phức tạp và bản chất của q trình mà hằng số thời gian khó mà đo hoặc ước
lượng. Một hệ thống phức tạp với vài trễ nối tiếp có hằng số thời gian bằng với
tổng các hằng số thời gian thành phần.
1.2.5 Xác định loại quá trình (Process Type Identification)
Nhìn chung, quá trình rơi vào một trong 2 loại: tự điều chỉnh (non-integrating hay selfregulating) và không tự điều chỉnh (integrating). Hiểu được sự khác biệt giữa hai quá
trình là rất quan trọng bởi vì mỗi loại q trình có đặc tính đáp ứng rất khác nhau đối
với bộ điều khiển. Khi hiệu chuẩn một vòng điều khiển, hiệu chuẩn viên cần phải nhận
biết được loại q trình, bởi vì cơng việc hiệu chuẩn thường liên quan đến điều khiển
quá trình để thu thập thơng tin. Khơng hiểu biết về đặc tính tổng thể của q trình có thể
dễ dẫn đến các đặc tính không mong muốn hoặc gây ra sự cố nghiêm trọng.
Một quá trình tự điều chỉnh (non-integrating/self-ragulating) là một quá trình mà
đáp ứng với một sự thay đổi ngõ ra của bộ điều khiển (∆𝐶𝐶𝐶𝐶) bằng cách tiến đến một giá

trị quá trình mới (process value – PV). Với một giá trị ∆𝐶𝐶𝐶𝐶 biết trước thì giá trị 𝑃𝑃𝑃𝑃 sẽ

thay đổi một lượng xác định. Q trình sẽ có một khoảng thời gian chết (deadtime) trước
khi nó bắt đầu thay đổi (bắt đầu đáp ứng với sự thay đổi của ∆𝐶𝐶𝐶𝐶), và sẽ mất một khoảng

thời gian để đạt đến giá trị ở trạng thái ổn định mới. Kết quả là sẽ có một hằng số thời
gian xác định (time constant). Nhưng trọng tâm ở đây là quá tình sẽ đạt đến một trạng
thái ổn định mới và giữ nguyên trạng thái ổn định ở điểm này. Đây chính là lý do mà
những quá trình loại này được gọi là tự điều chỉnh (self-regulating). Thậm chí là nếu
ngõ ra điều khiển giữ ngun ở vị trí mới thì q trình vẫn sẽ khơng tiếp tục thay đổi mà
khơng có giới hạn.

Một ví dụ điển hình của q trình tự điều chỉnh là một bồn chứa chất lỏng (tank) được
gia nhiệt bởi một lò gia nhiệt (heater) đã được cài đặt để tạo ra tín hiệu nhiệt độ ngõ ra
xác định. Khơng cần quan tâm bộ gia nhiệt được bật trong bao lâu, điều quan tâm chính
là nhiệt độ cao nhất của chất lỏng trong bồn có thể đạt đến chính là nhiệt độ của lị gia
nhiệt. Hình 1-2 chỉ ra phương thức mà loại quá trình sẽ đáp ứng với sự thay đổi ngõ ra
của bộ điều khiển. Theo như hình vẽ thì biến quá trình PV tăng rất nhanh nhưng cuối
cùng chững lại (không tăng nữa) và ổn định sau một khoảng thời gian bằng 5 lần hằng
Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển

Trang 22


số thời gian. Vì thế, sau khi có sự thay đổi ngõ ra ∆𝐶𝐶𝐶𝐶 ở quá trình tự điều chỉnh thì bộ
điều khiển có thể ổn định ở một ngõ ra mới và q trình sẽ tự chững lại (khơng thay đổi

nữa và ổn định).

CHÚ Ý: mặc dù các quá trình khơng tích hợp là q trình tự điều chỉnh, nhưng

chúng vẫn có thể đạt đến các mức nguy hiểm và có nguy cơ bị mất ổn định nếu bộ
điều khiển được cài đặt để tạo ra một tín hiệu thay đổi ở ngõ ra ∆𝐂𝐂𝐂𝐂 quá lớn. Khi

điều khiển bằng tay một q trình khơng tích hợp thì cần phải luôn luôn sử dụng
cảnh báo để vận hành viên khơng vơ tình tạo ra một thay đổi ngõ ra vượt quá giới
hạn có thể gây ra việc dừng nhà máy một cách đột ngột hoặc gây hư hỏng máy móc,
thiết bị.
Ngược lại, một q trình tích hợp (integrating) là một q trình khơng tự điều chỉnh
(not self-regulating). Một khi ngõ ra của bộ điều khiển thay đổi thì quá trình sẽ bắt đầu
phản ứng và vẫn sẽ thay đổi khi ngõ ra của bộ điều khiển ở vị trí mới. Dĩ nhiên, một quá
trình vẫn tiếp tục thay đổi thì cuối cùng sẽ tiến đến các mức nguy hiểm hoặc phá huỷ.

Hình 1-2: Đường cong đáp ứng quá trình của một quá trình tự điều chỉnh
Vì lý do này, ngõ ra bộ điều khiển phải được thay đổi sang mức mới chỉ trong thời gian
được yêu cầu để tạo ra thay đổi mong muốn. Sau đó nó phải trở lại mức trung tính, sau
đó q trình này cuối cùng sẽ chững lại ở một trạng thái cân bằng mới.

Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển

Trang 23


Hình 1-3: Đường cong đáp ứng quá trình của một q trình tích hợp (khơng tự điều
chỉnh)
Hình 1-3 chỉ ra đặc tính và các thơng số của q trình liên quan đến một q trình tích
hợp (khơng tự điều chỉnh). Chú ý rằng chỉ những q trình khơng tích hợp (tự điều
chỉnh) thì mới có thời gian chết. Nhắc lại một lần nữa, thời gian chết là khoảng thời gian
tính từ thời điểm ngõ ra của bộ điều khiển thay đổi đến thời điểm bộ điều khiển bắt đầu
đáp ứng với thay đổi đó. Tuy nhiên, hằng số thời gian lại được xác định hoàn toàn khác.
Để ý rằng, đường xiên nét đứt chạy dọc theo đường cong; đường này đại diện cho độ

dốc cực đại của biến quá trình. Nó giao với đường nằm ngang đánh dấu biên độ của
đường cong vào cuối thời gian chết. Một đường thẳng đứng đi qua giao điểm này và gặp
đường cong. Khoảng thời gian giữa đường thẳng đứng này và đường thẳng đi qua phần
cuối thời gian chết chính là hằng số thời gian (time constant).
Một ví dụ về q trình tích hợp (khơng tự điều chỉnh) chính là một bồn chứa chất lỏng
có ống thốt nước/ống xả (drain) và một đường ống cấp ở ngõ vào. Chất lỏng chảy vào
bồn và xả ra ở một tỉ số xác định. Khi mà tỉ lệ này thích hợp thì trạng thái cân bằng sẽ
được duy trì. Nhưng nếu lưu lượng chất lỏng ngõ vào tăng lên cao hơn giá trị ngõ ra
(làm cho chất lỏng chảy vào bồn ở tốc độ nhanh hơn tốc độ chất lỏng chảy xả ra) thì
mức chất lỏng trong bồn sẽ tăng lên, và sẽ tiếp tục tăng cho đến khi bồn bị tràn.
Thơng thường, vì thế mà các thay đổi ở ngõ ra bộ điều khiển ∆𝐶𝐶𝐶𝐶 thường được thực

hiện trong một khoảng thời gian đủ để tạo ra thay đổi mong muốn. Sau đó ngõ ra của bộ
điều khiển được đưa trở lại trạng thái trước đó, giá trị q trình sẽ cân bằng ở giá trị mới.
Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển

Trang 24


Ở ví dụ này, nếu mục đích là để tăng mức chất lỏng trong bồn thì lưu lượng ngõ vào sẽ
được tăng trong một khoảng thời gian vừa đủ để tạo ra điểm cân bằng mới để quá tình
đạt đến. Khi đạt đến mức chất lỏng mong muốn mới thì lưu lượng chất lỏng ngõ vào
phải được đưa trở lại trạng thái ổn định để ngăn chặn tình trạng tràn bồn.
Trong nhiều tình huống thực tế, các q trình có cả đặc tính tích hợp lẫn tự điều chỉnh,
nhưng một đặc tính sẽ trội hơn trong bức tranh tổng thể của q trình. Chính vì điều này
mà hiệu chuẩn viên cần phải xác định loại quá trình trước khi thực hiện hiệu chuẩn vòng
điều khiển. Khi hiệu chuẩn vòng điều khiển, thơng thường phải điều khiển q trình để
quan sát đặc tính của q trình đó. Việc này được thực hiện với bộ điều khiển ở chế độ
tự động (vòng điều khiển kín – closed loop) hoặc chế độ bằng tay (vòng điều khiển
hở - open loop). Bất kể phương pháp nào được sử dụng, bạn cần phải hiểu quá trình mà

bạn điều khiển trước khi thực hiện bất kỳ thay đổi nào. Một q trình tích hợp rất dễ
vượt quá mức (mất kiểm soát) nếu ngõ ra của bộ điều khiển được thay đổi trong khoảng
thời gian quá lâu. Một q trình tự điều chỉnh (khơng tích hợp) có thể vượt quá mức nếu
ngõ ra điều khiển bị thay đổi quá lớn.
 TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI 1:
1.1. Mục đích hiệu chuẩn vịng điều khiển
1.2. Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành
 CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI 1:
Câu 1: Hãy cho biết mục đích của việc hiệu chỉnh vòng điều khiển?
A. Để đáp ứng nhanh với nhiễu và ổn định biến được điều khiển tại Setpoint.
B. Để biến được điều khiển dao động điều hòa.
C. Để ận hành an toàn.
D. Để thuận tiện bảo dưỡng hệ thống.
Câu 2: Với giá trị nào của hệ số khuếch đại sẽ làm cho biến quá trình ổn định?
A. K>1
B. K<1
C. K = 1
D. K = ∞
Câu 3: Trong điều kiện nào thì vịng điều khiển dao động với biên độ ổn định?
A. Trong dải thời gian chết
B. Tại thời điểm chuyển pha.
C. Tại tần số tới hạn.
D. Tại biên độ cộng hưởng.
Câu 4: Hãy cho biết tên tiếng Anh của các thuật ngữ sau:
Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển

Trang 25