nghiên cứu mô hình điều khiển quá trình cho lò phản ứng. thiết kế hệ thống điều khiển cascade cho lò

CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ
LÒ PHẢN ỨNG
1.1. KHÁI NIỆM VỀ LÒ PHẢN ỨNG
1.1.1 Lịch sử lò phản ứng
Các khái niệm về một phản ứng dây chuyền hạt nhân lần đầu tiên được nhận
ra ở Hungary bởi nhà khoa học Leó Szilárd n năm 1933. Ông đã nộp một bằng
sáng chế cho ý tưởng của ông về một lò phản ứng hạt nhân đơn giản vào năm sau.
Các lò phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên, Chicago Pile-1 , được xây dựng
tại Đại học Chicago bởi một nhóm do Enrico Fermi vào năm 1942. Nó đạt được
criticality ngày 02 tháng 12 năm 1942 lúc 03:25. Cơ cấu lò phản ứng hỗ trợ đã
được làm bằng gỗ, trong đó hỗ trợ một đống các khối than chì, nhúng vào trong đó
được tự nhiên Uranium-oxide 'pseudospheres'. Nguồn sáng tạo cho một lò phản
ứng như vậy được cung cấp bởi nhà phát hiện bởi Lise Meitner , Fritz Strassman và
Otto Hahn trong năm 1938 bằng cách bắn phá uranium bằng các nơtron (được cung
cấp bởi một Alpha-on phản ứng nhiệt hạch Berili-, một " neutron howitzer ") sản
xuất một Bari dư lượng, mà họ lý luận đã được tạo ra bởi các fissioning của hạt
nhân Uranium. các nghiên cứu tiếp theo cho thấy một số nơtron cũng đã được phát
hành trong fissioning, làm cho có sẵn cơ hội cho một phản ứng dây chuyền .
1.2 MÔ TẢ CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG
1.2.1.Lò phản ứng hat nhân trong thực tế
Ngày nay, công nghệ lò phản ứng hạt nhân phát triển rất phong phú và đa dạng.
Hiện có trên 10 loại lò đang được sử dụng, nghiên cứu phát triển
Lò nước nhẹ: (bao gồm cả lò nước sôi - BWR và lò nước áp lực - PWR):
Đóng vai trò chủ đạo, chiếm tỷ trọng lớn tại nhiều nước có ĐHN. Đây là công nghệ
không những đã được phát triển, hoàn thiện và thương mại hóa rộng rãi trên thế
giới mà còn là công nghệ tiềm năng cho những cải tiến mạnh mẽ trong tương lai
gần. Các lò nước nhẹ công suất lớn đang được nâng cấp thành các lò cải tiến với
công suất lớn hơn.
1
Lò nước nặng: Bắt đầu phát triển từ Canada, cho đến nay công nghệ lò này
cũng được áp dụng tại nhiều nước, đặc biệt một số nước bắt đầu phát triển công

nghệ hạt nhân từ kiểu nước nặng như Trung Quốc, Ấn Độ chú trọng phát triển lò
nước nặng và đã tự chủ trong công nghệ này. Gần đây nhất, Rumani đã nhập công
nghệ này và xây dựng hai tổ máy. Lò nước nặng có chu trình nhiên liệu linh hoạt,
có thể sử dụng urani tự nhiên, urani có độ giàu thấp hoàn nguyên từ tái chế nhiên
liệu đã cháy của PWR, nhiên liệu oxide hỗn hợp, thorium.
Lò khí nhiệt độ cao: Được phát triển ở Mỹ, Anh và Tây Đức, lò này sử dụng
Graphit làm chậm nơtron, heli làm chất tải nhiệt và nhiên liệu là viên urani-thorium
có độ giàu cao được bao bọc bởi graphit. Tuy nhiên, công nghệ lò khí hiện nay
dường như chững lại. Các hướng nghiên cứu phát triển tập trung vào lò khí nhiệt độ
cao, lò tầng cuội kiểu nhiên liệu viên tròn với vỏ bọc Graphite. Một khả năng lớn
cho việc ứng dụng lò khí là dùng để sản xuất Hydro cho pin nhiên liệu.
Hình1.1 Lò phản ứng hạt nhân trong thực tế
Lò nơron nhanh: Sử dụng urani hoặc plutoni có độ giàu cao làm nhiên liệu,
vùng hoạt được bao bọc xung quanh bởi urani tự nhiên và kim loại lỏng được dùng
làm chất tải nhiệt. Tổ máy dùng lò nơtron nhanh có 3 vòng tuần hoàn, vòng 1 qua
2
vùng hoạt, vòng 2 qua trung gian và vòng 3 là vòng của chất sinh công, qua tuốc
bin.
Hệ lò dùng máy gia tốc: Một phát triển gần đây là kết hợp công nghệ lò
phân hạch và máy gia tốc để phát điện và chuyển hóa các đồng vị sống lâu trong
chất thải phóng xạ. Chùm proton năng lượng cao đập vào bia kim loại nặng làm sản
sinh nơtron.
1.2.1 Lò phản ứng hạt nhân trong phòng thí nghiệm
a.Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactor – SFR
Hình 1.2 Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri
Mục tiêu ban đầu của chương trình lò SFR (xem hình 1.2) là quản lý các actinide,
cắt giảm các sản phẩm thải, và tiêu thụ uran một cách hiệu quả hơn. Tuy nhiên theo
dự kiến, các thiết kế lò trong tương lai không chỉ sản xuất ra điện năng mà còn
cung cấp nhiệt, sản xuất hyđro, và có thể còn để khử mặn nữa. Phổ nơtron nhanh
của lò SFR có thể cho phép sử dụng các vật liệu phân hạch hữu ích, kể cả uran yếu,

một cách hiệu quả hơn nhiều so với các lò LWR hiện nay. Ngoài ra, hệ thống SFR
có thể không cần phải nghiên cứu thiết kế nhiều như các hệ thống thế hệ IV khác.
b. Lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor – MSR)
Lò MSR (xem hình 1.3) là lò nhiên liệu lỏng có thể sử dụng để đốt các actinide, sản
xuất điện năng, hyđro, và nhiên liệu phân hạch. Trong hệ thống này, nhiên liệu
muối nóng chảy chảy qua các kênh lõi graphít. Nhiệt tạo ra trong muối nóng chảy
3
được truyền sang hệ thống chất làm mát thứ cấp thông qua bộ trao đổi nhiệt trung
gian, sau đó qua một bộ trao nhiệt nữa tới hệ thống biến đổi năng lượng. Các
actinide và phần lớn các sản phẩm phân hạch tạo nên các florua trong chất lỏng làm
mát. Nhiên liệu lỏng đồng nhất cho phép bổ sung actinide mà không yêu cầu phải
chế tạo nhiên liệu.
Hình 1.3. Lò phản ứng muối nóng chảy
Trong những năm 1960, Mỹ đã phát triển lò phản ứng tái sinh muối nóng chảy như
là phương án chính hỗ trợ cho lòphản ứng tái sinh truyền thống. Công tác nghiên
cứu gần đây tập trung vào các chất làm mát florua lithi và berylli vớithori hoà tan
và nhiên liệu U 233. Bộ Năng lượng Mỹ có kế hoạch tiếp tục hợp tác trong tương
lai với các chương trình lò phản ứng muối nóng chảy của Euratom
c. Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (supercritical water-cooled
reactor - SCWR)
4
Hình 1.4. Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn
Lò SCWR (xem hình 1.4) hứa hẹn nhiều ưu thế đáng kể về mặt kinh tế, với hai lý
do: có thể đơn giản hoá thiết kế nhà máy và hiệu suất nhiệt tăng cao. Nhiệm vụ
chính của SCWR là phát điện với chi phí thấp nhờ kết hợp hai công nghệ đã qua
thử thách: công nghệ LWR truyền thống và công nghệ lò hơi siêu tới hạn đốt nhiên
liệu hoá thạch. Căn cứ các nghiên cứu thiết kế có thể tiên đoán hiệu suất nhiệt của
nhà máy sẽ cao hơn các lò LWR hiện nay khoảng một phần ba.
Từ hình vẽ có thể thấy các hệ thống còn lại của nhà máy và các đặc điểm an toàn
thụ động của lò SCWR cũng tương tự như đối với lò BWR, nhưng lại đơn giản hơn

nhiều do chất làm mát không thay đổi về pha trong lò phản ứng. Nước siêu tới hạn
làm quay trực tiếp tuabin, không cần đến hệ thống hơi trung gian. Trên thế giới,
dẫn đầu là Nhật Bản, người ta đang tìm cách giải quyết các vấn đề cấp bách nhất về
vật liệu và tính bất định trong thiết kế hệ thống nhằm chứng minh tính khả thi về kỹ
thuật của lò SCWR.
5
CHƯƠNG 2. THÀNH LẬP MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CASCADE CHO LÒ
PHẢN ỨNG
2.1. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
CASCADE
Khả năng loại bỏ nhiễu của cấu trúc Cascade (Architectures Improved
Disturbance Rejection). Trong công nghiệp, kỹ thuật điều khiển quá trình được ứng
dụng để điều khiển các công đoạn của quá trình tạo thành sản phẩm công nghiệp.
Các sản sản phẩm được tạo ra hầu hết dựa trên các phản ứng hoá học trong môi
trường hợp chất dưới dạng lỏng. Các công đoạn cần thiết phải điều chỉnh đồng thời
các tham số như áp suất, nhiệt độ, nồng độ Trong từng giai đoạn tạo thành sản
phẩm thường chọn biến quá trình chính quyết định tới chất lượng sản phẩm để điều
chỉnh. Biến quá trình chính thường bị ảnh hưởng bởi các biến quá trình phụ. Trong
các biến quá trình phụ có thể được coi là nhiễu. Để phân đoạn các cho quá trình sản
xuất thường dùng cấu trúc điều khiển Cascade nhằm loại trừ các nhiễu ảnh hưởng
lên quá trình chính. Cấu trúc này là dạng hệ thống điều khiển có khả năng loại bỏ
nhiễu.
2.2. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CASCADE
2.2.1. Sơ đồ chung
Cấu trúc điều khiển nối tầng (The Cascade Architecture). Sơ đồ cấu trúc tổng
quát điều khiển quá trình cho hệ thống theo nguyên tắc Cascade được biểu diễn trên
hình 2.1.
6
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Cascade.
Mục đích của cấu trúc điều khiển này là loại trừ tác động của nhiễu lên quá

trình. Trong sơ đồ cấu trúc ta thấy có 2 nhiễu là Distubance variable I (DVI) và
Distubance variable II (DVII). Trong đó nhiễu thứ nhất DVI ảnh hưởng đến biến
quá trình chính (Primary process), nhiễu thứ hai DVII ta không xét đến vì cấu trúc
này không loại trừ được ảnh hưởng của nhiễu này. Vì loại nhiễu này thường xuất
hiện trong công đoạn cuối cùng của quá trình.
Cấu trúc phân tầng yêu cầu phải biết biến quá trình phụ (secondary process
variable). Biến quá trình phụ này phải thoả mãn các yêu cầu sau:
- Nó có thể đo được bằng sensor
- Phần tử điều khiển cuối cùng (Final control element - ví dụ : Valve ) được sử
dụng để điều khiển quá trình chính (Primary variable) cũng phải điều khiển biến quá
trình phụ.
- Nhiễu ảnh hưởng đến biến quá trình chính cũng phải ảnh hưởng đến biến quá trình
phụ.
7
- Biến quá trình phụ phải nằm trong biến quá trình cơ sở trong cấu trúc điều khiển.
Vòng phụ là 1 cấu trúc phản hồi truyền thống. Cấu trúc phân tầng có thể giải quyết
nhiều nhiễu miễn là mỗi nhiễu tác động đến biến quá trình phụ trước khi ảnh hưởng
đến biến quá trình chính.
+ Giải pháp Cascade Control
Bước đầu trong thiết kế Cascade là để đảm bảo rằng mục đích kiểm soát của hệ
điều khiển là loại bỏ nhiễu. Sơ đồ cho thấy bộ điều khiển không cần điểm đặt. Trên
thực tế, điểm đặt sẽ cố định ở mức giữa của bể chứa trong quá trình vận hành bình
thường. Mục đích là để duy trì mức chất lỏng tại điểm đặt trong khi loại bỏ nhiễu áp
suất thay đổi ở phía trên bể chứa.
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Cascade điều khiển mức
bằng cách điều khiển dòng chảy.
Để hoàn chỉnh cho hệ thống điều khiển Cascade, phải tiến hành xác định biến
phụ. Mức chất lỏng là biến số chính và kiểm soát nó là mục tiêu thiết kế trung tâm
trong chiến lược điều khiển. Để có biến phụ, ta giả định là tốc độ dòng chảy trong
ống. Để phù hợp với những tiêu chuẩn cho thiết kế điều khiển Cascade điều kiện được

chọn là:
8
-Tốc độ chảy trong ống được điều khiển bằng một cảm biến.
-Cùng một van được dùng để đo mức chất lỏng (biến chính) và tốc độ chảy.
-Sự thay đổi áp suất bên trong làm ảnh hưởng đến việc kiểm soát mức chất lỏng
cũng sẽ ảnh hưởng đến tốc độ chảy.
-Tốc độ chảy được bao hàm trong mức chất lỏng mà nó sẽ phản hồi trước khi mức
chất lỏng thay đổi hay van thay đổi vị trí hoặc áp suất thay đổi.
Trên sơ đồ hình 2.1, chỉ đề xuất một cấu trúc điều khiển Cascade với hai bộ
điều khiển (kiểm soát mức chất lỏng và tốc độ chảy), 2 cảm biến (đo mức chất lỏng
và tốc độ chảy) và một biến phụ kiểm soát cuối (1 van trong ống). Sơ đồ cấu trúc của
hệ thống điều khiển Cascade trên hình 2.2 chỉ ra hệ thống điều khiển Cascade phù
hợp với hệ thống công nghệ trên hình 2.1.
Kiểm soát mức chất lỏng là mục tiêu chính được thực hiện bằng vòng lặp
chính hay vòng lặp
ngoài. Đầu ra của bộ điều khiển chính là điểm đặt của bộ điều
khiển phụ để kiểm soát tốc độ chảy bằng cách điều chỉnh vị trí van. Việc kiểm soát
động lực học của dòng chảy nhanh hơn nhiều kiểm soát mực nước. Vì vậy cấu hình
này phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế đã nêu trên, trong đó thời gian vòng lặp phụ
nhanh hơn thời gian vòng lặp chính.
Với cấu trúc Cascade này, nếu mức chất lỏng quá cao, bộ điều khiển làm tốc
độ chảy nhanh hơn tức là mở van rộng hơn như trong tổng hợp vòng lặp đơn. Bộ
điều khiển dòng chảy đó sẽ quyết định sẽ mở hay đóng van và mở/đóng bao nhiêu.
Vì vậy áp suất trong Vapor phase được bộ điều khiển định vị nhanh chóng và điều
này cải thiện đáng kể hoạt động loại nhiễu của vòng lặp kiểm soát chính.
2.2.2. Điều chỉnh thiết bị Cascade (Tuning a Cascade Implementation)
Điều khiển vòng lặp Cascade đòi hỏi các kỹ năng sau:
1. Bắt đầu cả hai bộ điều khiển sơ cấp và bộ điều khiển thứ cấp điều khiển bằng tay.
2. Chọn bộ điều khiển P cho vòng lặp trong
9

3. Điều chỉnh bộ điều khiển P thứ cấp sử dụng giá trị điểm đặt chuẩn (nhiệm vụ
chính của nó là phản hồi lại lệnh điểm đặt từ bộ điều khiển sơ cấp). Kiểm tra nó để
chắc chắn thực hiện từ điểm đặt.
4. Để bộ điều khiển thứ cấp tự động, nó trở thành một phần của quá trình chính.
Chọn một bộ điều khiển với hoạt động kết hợp cho mạch vòng sơ cấp (PI hoặc
PID). Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế lọc bỏ nhiễu như là một công việc chính của bộ
điều khiển sơ cấp.
5. Điều chỉnh bộ điều khiển sơ cấp sử dụng phương pháp sẽ được lựa chọn ở phần
sau và kiểm tra phương pháp đó sao cho phù hợp và có kết quả chấp nhận được.
6. Với cả hai bộ điều chỉnh hoạt động tự động, việc điều chỉnh Cascade đã hoàn
thành.
2.3. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHẢN ỨNG NHIỆT TRONG LÒ CÓ VỎ
BỌC (EXPLORING THE JACKETED REACTOR
PROCESS)
2.3.1. Quá trình phản ứng trong lò có vỏ bọc
Mô hình lò phản ứng jacketed trên hình 2.3, điều khiển cascade vòng lặp
phản hồi đơn, lò phản ứng là bồn (két) chất lỏng chuyển động nhẹ được khuấy trộn
có quá trình toả nhiệt. Trong thời gian tạo phản ứng cần giữ nhiệt độ không đổi vì
thế sự chuyển đổi thành phần của hỗn hợp được cấp (reactant feed) đối với sản
phẩm mong muốn có thể bị ảnh hưởng do nhiệt độ của ống thoát ra từ lò phản ứng.
Để kiểm soát nhiệt độ thoát ra trong ống thoát (biến số chính), bồn chứa được
bao bọc một jacket mà chất lỏng làm mát chảy qua. Bộ điều khiển điều chỉnh một
van để thay đổi tốc độ chảy của chất lỏng làm lạnh. Nếu nhiệt độ trong ống quá cao,
bộ điều khiển mở van. Điều này làm tăng tốc độ chảy nước làm lạnh, để làm nguội
lò phản ứng và giảm quá trình toả nhiệt. Cuối cùng, nhiệt độ đo được của dòng chảy
thoát ra từ lò phản ứng hoạt động sẽ gián tiếp kiểm tra được nhiệt độ trong lò phản
ứng. Như trên hình 2.3, biến nhiễu của quá trình là chất làm lạnh chảy vào jacket.
Vấn đề cần nghiên cứu ở đây với mục đích kiểm soát là duy trì nhiệt độ ống
10
thoát của lò phản ứng tại điểm đặt bằng cách loại bỏ nhiễu gây ra do thay đổi nhiệt

độ đầu vào jacket. Quá trình loại nhiễu của vòng lặp đơn với bộ điều khiển PI sẽ
được so sánh với cấu trúc điều khiển Cascade P-Only dạng PI.
Hình 2.3. Sơ đồ mô tả công nghệ thiết kế điều khiển lò phản ứng.
Đối với tất cả vòng lặp đơn cho kiểm soát Cascade, mức độ hoạt động thiết kế
là nhiệt độ lò phản ứng đo ở ống xả lò phản ứng ở nhiệt độ 86
0
C (gần bằng 86
0
C),
46
0
C thường là nhiệt độ thiết kế đầu vào jacket của chất lỏng làm nguội, nhưng đôi
lúc nó có thể tụt xuống 40
0
C. Trong nghiên cứu về vòng lặp hở chỉ ra 50% ở đầu ra
bộ điều chỉnh làm cho lò phản ứng ổn định ở nhiệt độ 86
0
C khi nhiệt độ đầu vào
của jackét theo thiết kế hay là 46
0
C. Vì thế điều khiển lò phản ứng nhất thiết phải
được xây dựng là hệ thống kín.
2.3.2. Vòng lặp đơn loại bỏ nhiễu trong lò phản ứng jacket
Điều khiển bằng vòng lặp đơn với bộ điều khiển PI như trong hình 2.3, tuân
theo tuần tự thiết kế như thường lệ. Chúng ta cho nhảy bậc (perturb) đầu ra bộ điều
khiển, ghi lại dữ liệu khi quá trình có phản hồi, khớp số liệu với mô hình qúa trình có
dạng FOPDT (first order plus dead time) và dùng giới hạn đo mô hình trong điều
chỉnh tương quan để xác định giá trị điều chỉnh ban đầu. Kết quả thu được trên hình
11
2.4, chúng ta dùng hai đầu ra của bộ điều khiển để đo dữ liệu của biến số cả trên và

dưới mức độ hoạt động theo thiết kế.
Vì thế việc kiểm tra quá trình động sẽ đưa ra một bảng dữ liệu hữu ích, ở đây
đầu ra của bộ điều khiển theo thiết kế có giá trị 50% tăng lên 53% sau đó giảm
xuống 47% và cuối cùng trở về giá trị 50%. Nhiệt độ ống thoát của lò phản ứng
phản hồi chính xác sau mỗi giá trị đặt của bộ điều khiển.
Hình 2.4. Kết quả điều khiển bằng mô phỏng lò phản ứng với
mạch vòng đơn cho mô hình quá trình có dạng FOPDT.
Với FOPDT khớp với dữ liệu động học của quá trình được tính toán bởi phần
mềm thiết kế bằng mô phỏng biểu diễn trên hình 2.4. Mô hình khá hợp lý dựa trên
cơ sở quan sát bằng mắt, vì thế đưa ra những giá trị cho thiết kế:
Hệ số khuyếch đại quá trình K
P
= - 0.36
0
C%
Hằng số thời gian
τ
P
=1.6 min
Thời gian chết
θ
P
= 0.88 min
Để ứng dụng mối tương quan IMC, đầu tiên phải tính toán hằng số thời gian
cho vòng lặp, ở đây ta chọn theo chuẩn điều chỉnh:
12
τ
C
> 0.1
τ

P
hoặc 0.8
θ
P
. Như vậy
τ
C
> 0,1.1,6 hoặc 0,8.0,88 = 0,70 min. Thay thế giá
trị đó vào giới hạn đo của dạng mô hình quá trình FOPDT trên vào điều chỉnh tương
quan ở hình 2.4 được giá trị:
Hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh K
C
= - 2.8%
0
C
Hằng số thời gian:
τ
I
=1.6 min.
Sau khi đã chọn được bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển Cascade tiến
hành kiểm tra khả năng loại bỏ nhiễu của hệ thống. Trong đặc tính ở hình 2.5, nhiệt
độ ống thoát ra của lò phản ứng lúc đầu ổn định tại giá trị đặt 86
0
C, nhiễu nhiệt độ
chất lỏng trong ống làm lạnh thay đổ từ nhiệt độ thiết kế 46
0
C giảm xuống 40
0
C
sau đó trở lại nhiệt độ 46

0
C, dùng để kiểm tra bộ điều khiển duy trì nhiệt độ ống
thoát theo thiết kế 86
0
C, với sai lệch khoảng 2.5
0
C trong suốt quá trình thể hiện trên
hình 2.5.
Hình 2.5. Kết quả loại bỏ nhiễu trong cấu trúc điều khiển Cascade cho
lò phản ứng bộ điều khiển dạng PI.
13
Hình 2.6. Cấu trúc điều khiển Cascade cho lò phản ứng loại bỏ nhiễu.
a. Cấu trúc Cascade
Như trong phần nghiên cứu vòng lặp đơn, mục tiêu điều khiển là loại bỏ nhiễu vì vậy
phải xem xét cấu trúc Cascade như thế nào cho hợp lý. Biến số chính vẫn là giữ nhiệt
độ cho ống thoát ra của lò phản ứng.
Hình 2.7.Sơ đồ cấu trúc điều khiển Cascade lò phản ứng
14
Để thiết kế Cascade, ta cần xác định một biến phụ. Như hình 5.12, trạm điều
khiển dùng nhiệt độ ra làm lạnh jacket. Các yêu cầu thiết kế Cascade:
- Nhiệt độ làm lạnh đo được bằng một cảm biến.
- Cùng một van để đo nhiệt độ ống thoát ra của lò phản ứng (biến chính) và nhiệt
độ ra làm lạnh jacket.
- Sự thay đổi nhiệt độ vào làm lạnh jacket làm nhiễu loạn nhiệt độ ống thoát của lò
phản ứng sẽ tác động nhiệt độ ra làm lạnh jacket.
- Nhiệt độ ra làm lạnh jacket nằm ngoài nhiệt độ ống thoát của lò phản ứng trong
đó nó sẽ có phản ứng đầu tiên với những thay đổi về vị trí van và thay đổi nhiệt độ
làm lạnh jacket.
Sơ đồ thực hiện điều khiển Cascade cho lò phản ứng với mô hình trên hình
2.6, có cấu trúc biểu diễn trên hình 2.7, nó cũng giống như mọi Cascade gồm 2 hệ đo,

hai bộ điều khiển, và một phần tử kiểm soát cuối cùng như trong thực hiện vòng lặp
đơn. Quá trình chính là phản ứng và biến chính là nhiệt độ của ống thoát của lò phản
ứng. Đầu ra của bộ điều khiển chính là điểm đặt của bộ điều khiển phụ. Quá trình
phụ là làm lạnh jacket. Biến của vòng lặp phụ là tốc độ chảy làm lạnh jacket và biến
phụ là nhiệt độ ra làm lạnh jacket.
b. Bộ điều khiển phụ P-Only (Secondary P-Only Controller)
Để thực hiện một hệ thống điều khiển Cascade, bộ điều khiển phụ được điều
chỉnh, trong khi bộ điều khiển chính được điều khiển bằng tay. Điều kiện vận hành
thiết kế giống như điều kiện cho vòng lặp đơn với bộ điều khiển PI. Đó là với nhiệt
độ vào làm lạnh jacket là 46
0
C và đầu ra bộ điều khiển có giá trị 50%, nhiệt độ chất
lỏng ra ở ống thoát ổn định bằng 86
0
C. Chúng ta lưu ý điều kiện thiết kế là nhiệt độ ra
làm lạnh jacket, biến phụ, ổn định ở 69
0
C. Vì vậy đối với bộ điều khiển phụ:
Xu thế là giá trị đầu ra của bộ điều khiển trong vòng lặp hở làm biến số ổn định ở
điều kiện thiết kế khi nhiễu đạt đến điều kiện thiết kế. Vì thế đối với bộ điều khiển
15
phụ P- Only: y
setPoint
= 69
0
C
Xu thế là giá trị đầu ra của bộ điều khiển trong vòng lặp hở làm biến số ổn định ở
điều kiện thiết kế khi nhiễu đạt đến điều kiện thiết kế. Vì thế đối với bộ điều khiển
phụ P – Only: u
bias

= 50%
Ban đầu ở trạng thái ổn định theo thiết kế, hai đầu đo được dùng để ghi kại đầu ra bộ
điều khiển, dữ liệu của biến số trình bày trên hình 2.8:
Hình 2.8. Mô hình quá trình dạng FOPDT khi cho đầu ra của bộ điều khiển phụ
thay đổi và phản ứng của biến quá trình phụ
Đầu ra bộ điều khiển giảm từ giá trị thiết kế 50% tăng lên 55%, sau đó xuống
45% rồi trở về 50%. Sự hoạt động của biến phụ được kiểm soát. Mô hình động
FOPDT khớp với dữ liệu được chỉ ra trong hình 3.23, với giới hạn mô hình kiểm
soát vòng lặp phụ:
Hệ số khuyếch đại quá trình K
P
= - 0.37
0
C/%
Hằng số thời gian τ
P

= 1.9 min
Thời gian chết θ
P
= 0.25 min
16
Mặc dù loại nhiễu là một mục tiêu tổng quát, mục đích vòng lặp phụ là bám
sát sự thay đổi điểm đặt mà bộ điều khiển chính tính toán. Sử dụng những giới hạn
mô hình FOPDT này trong ITAE để điều khiển tương quan lượng điều chỉnh (set
point tracking correlation). Giả định rằng tương quan IMC không dùng cho bộ điều
khiển P-Only cho giới hạn điều chỉnh sau:
Hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển K
C
= - 6.4%/

0
C
Sự hoạt động bám sát điểm đặt của P - Only thể hiện trong hình 5.15. Vòng lặp
chính vẫn ở chế độ điều khiển bằng tay tại điểm đặt. Kỳ vọng cho một bộ điều khiển
P-Only tồn tại khi điểm đặt không đạt giá trị thiết kế. Biến phụ phản hồi nhanh và ổn
định khi có sự thay đổi điểm đặt vì thế ta coi thiết kế vòng lặp phụ đã hoàn thành.
Vòng lặp phụ ở chế độ tự động và trở thành một phần vòng lặp chính. Bây giờ tiến
hành điều chỉnh bộ điều khiển chính.
Hình 2.9. Khả năng điều chỉnh của bộ điều khiển P - Only với khả năng bám điểm
đặt của biến quá trình phụ và biến quá trình chính
2.4. CƠ SỞ TÍNH TOÁN CẤU TRÚC CASCADE
Giả sử mô hình quá trình với dạng FOPDT như sau:

1
)(
+
=
−
∗
s
eK
sG
P
S
P
P
P
τ
θ

Thay
se
P
S
P
θ
θ
−≅
−
1
vào phương trình mô hình quá trình ta có:

1
)1(
+
−
=
∗
s
sK
G
P
PP
P
τ
θ
(2.1)
Mà

)()( sGsGG

PPP
∗
−
∗
+
∗
=
trong đó:

)1()( ssG
PP
θ
−=
∗
+

1
)(
+
=
∗
−
s
K
sG
P
P
P
τ
. (2.2)

Ta có thể diễn giải,
)(sG
C
∗
mô hình của bộ điều khiển IMC bằng mô hình
chuyển đổi cộng thêm bộ lọc F(s):

)(
)(
1
)( sF
sG
sG
P
C
∗
−
∗
=
(2.3)
Trong đó bộ lọc IMC có dạng:

1
1
)(
+
=
s
sF
C

τ
(2.4)
Thế phương trình (2.1) và (2.4) vào phương trình (2.3) có được bộ điều
khiển:
)1(
1
1
1
1
)(
+
+
=








+









+
=
∗
sK
s
sK
s
sG
CP
P
CP
P
C
τ
τ
τ
τ
(2.5)
Chúng ta suy luận từ mô hình bộ điều khiển IMC với mô hình bộ điều khiển
trong hệ kín kinh điển

)()(1
)(
)(
sGsG
sG
sG
PC
C
C

∗∗
∗
−
=
Suy ra:







+
+
=
sK
sG
PPCP
P
C
τθτ
τ
1
1
)(
)(
(2.6)
So sánh phương trình với mô hình phản hồi cho bộ điều khiển PI:








+=
s
KsG
I
CPIC
τ
1
1)(
(2.7)
Chúng ta xác định được thông số của bộ điều khiển:

)(
PCP
P
C
K
K
θτ
τ
+
=
và τ
I
= τ
P

(2.8)
3.2. TÍNH TOÁN HÀM ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG.
- Bộ cascade controller :
Mô hình FOPDT của lò phản ứng với dữ liệu quá trình động được tính toán
bằng phần mèn thiết kế có tham số mô hình như sau:
Hệ số khuyếch đại quá trình : K
P
= -0,36
0
C/%
Hằng số thời gian : τ
P
= 1,58 min
Thời gian chết : θ
P
= 0,58 min
Với những tham số này khi sử dụng tiêu chuẩn mô hình nôi IMC để xác định
các hệ số cho bộ điều chỉnh PI là:
Hệ số khuyếch đại bộ điều khiểnt: K
c
= -2,7%/
0
C
Thời gian reset:
58,1
1
=
τ
min
Từ công thức (2.8) ta tính được :

046,158.0
)36.0).(7,2(
58,1
.
=−
−−
=−=
p
pc
p
c
KK
θ
τ
τ
s
s
ssK
sG
PPCP
P
C
58,1
158,1
.699,2
58,1
1
1.
)58,0046,1)(36,0(
58,11

1
)(
)(
+
−=






+
+−
=






+
+
=
τθτ
τ
- Hàm quá trình process:
158,1
.36,0
1
)(

58.0
S
+
−
=
+
=
−
−
s
e
s
eK
G
S
P
p
P
P
τ
θ
- Xây dựng hàm nhiễu:
Nhiễu trong quá trình là sự thay đổi nhiệt độ đầu vào của nước làm mát. Để
cho sự tính toán được đơn giản ta sử dụng mô hình nhiễu dạng FOPDT, với các
thông số của hàm nhiễu đã được tính toán cho kết quả như sau:
Hệ số khuyếch đại của nhiễu : K
D
= 0.95
Hằng số thời gian : τ
D

= 1.92 min
Thời gian chết : θ
D
= 1.3 min
192,1
.95.0
1
)(
3.1
S
+
=
+
=
−
−
s
e
s
eK
G
S
D
d
D
D
τ
θ
- Thiết bị Feed forward được xây dựng với cấu trúc:
)(

)1(
)1(
)(
sDe
s
s
K
K
U
S
D
p
P
D
dfeedForwar
PD












+
+









=
−−
θθ
τ
τ
S
S
D
p
P
D
F
e
s
s
e
s
s
K
K
G
PD

)58,03,1(
)(
.
)192,1(
)158,1(
.
36,0
95,0
)1(
)1(
−−
−−
+
+
−
=






+
+









=⇒
θθ
τ
τ

S
e
s
s
)72,0(
.
)192,1(
)158,1(
.64,2
−
+
+
=
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CASCADE CHO LÒ
PHẢN ỨNG
3.1. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB & SIMULINK.
Hình 3.1. Mô hình của hệ thống trên simulink.
3.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
3.2.1. Kiểm soát vòng lặp chính (Primary Loop Control)
Trên hình 2.8, thấy rằng khi tín hiệu đặt cho bộ điều khiển biến phụ có giá trị
nhảy bậc thì đầu ra của bộ điều khiển là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển biến chính.
Trong thiết kế bộ điều khiển cần thiết phải tạo tín hiệu điều khiển nhảy bậc để tổng
hợp bộ điều khiển cho biến chính. Kết quả thử nghiệm bộ điều khiển biến chính thể

hiện trên hình 3.3,bộ điều khiển P-Only tín hiệu đặt thay đổi nhảy bậc với giá trị
thiết kế là 69
0
C, nhảy lên 72
0
C sau đó xuống 66
0
C rồi trở về giá trị
69
0
C. Từ kết quả trên hình 3.2 chúng ta thấy rằng biến quá trính chính bám giá trị
đặt chứng tỏ khả năng loại bỏ nhiễu của bộ điều khiển. Thông qua thử nghiệm mô
hình bằng mô phỏng dữ liệu thiết kế hệ thống được xác định như sau:
Hệ số khuyếch đại quá trình: K
P
= 0,70 (
0
C của hơi đầu ra/
0
C đầu ra nước
làm mát) Hằng số thời gian: τ
P
= 0,55 phút; Thời gian chết: θ
P
= 0,71 phút
Hình 3.2. Kết quả thiết kế bộ điều khiển biến quá trình chính
với bộ điều khiển P-Only.
Các đặc tính thu được trên hình 3.2, được thực hiện cho hệ thống điều khiển
Cascade với bộ điều khiển cho biến phụ có dạng PI còn bộ điều khiển cho biến
chính là P-Only. Kết quả thu được được so sánh với hệ thống điều khiển mạch vòng

đơn. Khi có nhiễu nhiệt độ làm lạnh hệ thống điều khiển nối tầng sai lệch nhiệt độ là
1
0
C còn hệ thống điều khiển lò phản ứng theo mạch vòng đơn là 2,5
0
C. Như vậy hệ
thống điều khiển Cascade đã được thiết kế hoàn tất.
Hình 3.3. Khả năng loại bỏ nhiễu của hệ điều khiển Cascade khi sử dụng bộ điều
khiển P - Only và bộ điều khiển PI.
3.2.2. So sánh điều khiển hệ thống theo mạch vòng đơn và Cascade
a) Bộ điều khiển PI b) Bộ điều khiển cascade
Hình 3.4. So sánh việc bám giá trị đặt của bộ điều khiển vòng lặp đơn với hoạt
động đó của cascade.
Cấu trúc điều khiển Cascade không có nhiều ưu điểm trong việc bám sát
những thay đổi của giá trị đặt jacketed của lò phản ứng và điều này được thể hiện
trên hình 3.4. Đồ thị ở bên trái cho thấy hoạt động bám giá trị đặt của vòng lặp đơn
bộ điều khiển PI trong khi đồ thị bên phải chỉ ra hoạt động đó của cascade. Đường
cong phía dưới là tín hiệu ra bộ điều khiển truyền tới van nằm trên jacket làm lạnh
ống thoát hơi.
Hoạt động của bộ điều khiển vòng lặp đơn ở đồ thị bên trái được xem là tốt
hơn hoạt động của cascade trong đồ thị bên phải. Tuy nhiên, không nên quên rằng
bộ điều khiển vòng lặp đơn PI đã được điều chỉnh để sử dụng IMC bám giá trị đặt
và loại trừ nhiễu. Vòng lặp chính của cascade đã được chỉnh định, sử dụng ITAE để
loại nhiễu. Điều này nói chung sẽ tạo ra nhiều giá trị điều chỉnh hệ số khuếch đại
hơn. Ví dụ này là không đủ để chứng minh một nhận định rằng một cấu trúc hoạt
động hiệu quả hơn cấu trúc khác trong việc bám giá trị đặt. Tuy thế, chúng ta kết thúc
chương này và vẫn nhấn mạnh một lần nữa rằng trước khi xem xét một cấu trúc
cascade, phải chác chắn rằng mục tiêu thiết kế của bộ điều khiển
là loại bỏ nhiễu.
3.2.3 .NHẬN XÉT

- Hệ thống có khả năng loại bỏ nhiễu, loại bỏ đựoc hoàn toàn .Đầu ra của bộ
điều khiển nhảy bậc từ giá trị thiết kế là 46% xuống 40% rồi lên 46%.
- Nhiệt độ dòng chảy ra ở ống thoát của lò phản ứng đo được bắt đầu ổn định
ở giá trị đặt thiết kế là 86
0
C. Để kiểm nghiệm bộ điều khiển ,nhiệt độ đầu vào của
vỏ làm mát nhảy bậc từ giá trị thiết kế là 46
0
C xuống 40
0
C và quay trở lại. Nhìn
trên đồ hình ta thấy được bộ điều khiển PI mạch vòng đơn có khả năng duy trì nhiệt
độ dòng ra lò phản ứng gần giá trị đặt không đổi là 86
0
C với sai lệch nhỏ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] - Ts.Hoàng Xuân Bình, Bài giang Điều khiển quá trình.
[2] – Nguyễn Phùng Quang , Matlab &simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động
– NXB khoa hoc và kỹ thuật Hà Nội 2005
[3].TS. Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển quá trình - NXB Khoa học kỹ thuật Hà
Nội 2002.