THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA
----------

BÁO CÁO
MƠN HỌC ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH
Đề tài:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHO HỆ
THỐNG GIA NHIỆT

Sinh viên thực hiện
Lớp
Giảng viên hướng
dẫn

: Trần Đình Quang
Nguyễn Dương Tùng
Linh
: TĐH K18A
: Ths. Hoàng Thị
Thương

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 03 năm 2023


MỤC LỤC
Chương I: Tổng quan về phương pháp điều khiển quá trình.........................................1
1.1 Giới thiệu về phương pháp điều khiển quá trình.................................................1
1.2 Biến quá trình và phân loại biến............................................................................1
1.3 Các phương pháp điều khiển quá trình................................................................3
1.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình.............................................4

1.5 Các bước để thiết kế một hệ thống điều khiển quá trình.....................................5
Chương II: Giới thiệu chung về hệ thống gia nhiệt........................................................7
2.1 Tổng quan về hệ thống gia nhiệt............................................................................7
2.2 Một số thiết bị gia nhiệt phổ biến...........................................................................7
2.3 Giới thiệu về hệ thống gia nhiệt bằng khơng khí................................................10
2.3.1 Giới thiệu về hệ thống gia nhiệt bằng dịng khí nóng........................................10
2.3.2 So sánh hệ thống gia nhiệt bằng khơng khí so với các hệ thống khác...............11
Chương III: Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ thống gia nhiệt...............13
3.1 Nội dung yêu cầu của đề tài..................................................................................13
3.2 Xác định yêu cầu, xác định biến vào ra của hệ thống.........................................13
3.3 Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi để điều khiển nhiệt độ sản phẩm ra...14
3.4 Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ. Mô phỏng hệ hở trên Simulink.....16
3.4.1 Xây dựng các phương trình mơ hình.................................................................16
3.4.2 Tuyến tính hóa và mơ hình hàm truyền đạt.......................................................16
3.4.3 Mơ phỏng hệ thống với hệ hở...........................................................................17
3.5 Thiết kế bộ điều khiển cho quá trình gia nhiệt, xác định giá trị của bộ điều
khiển............................................................................................................................. 22
3.5.1 Thiết kế bộ điều khiển cho quá trình gia nhiệt..................................................22
3.5.2 Xác định các hệ số của bộ điều khiển PID và mô phỏng...................................22
3.6: Điều khiển và giám sát hệ thống thống trên PLC và WinCC...........................26
3.6.1: Xác định các phần tử vào ra của hệ thống và lập bảng PLC tag.......................26
3.6.2: Sơ đồ khối hệ thống và lưu đồ thuật toán điều khiển.......................................26
3.6.3: Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát WinCC...........................................27
3.6.4: Lập trình điều khiển mơ phỏng hệ thống với PLC 1215C-1DP.......................28
3.6.5: Thực hiện mô phỏng hệ thống với PLC 1215C-1DP.......................................30
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.........................................................32


Danh mục hình ảnh
Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến q trình..............................................2

Hình 1.2: Ví dụ về ổn định bình chứa nước......................................................3
Hình 1.3: Bộ gia nhiệt và các biến quá trình....................................................5
Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT............................5
Hình 2.1: Mơ hình một hệ thống gia nhiệt hoạt động.......................................7
Hình 2.2: Mơ hình hệ thống sưởi dầu...............................................................8
Hình 2.3: Mơ hình hệ thống sưởi điện..............................................................8
Hình 2.4: Mơ hình hệ thống sưởi nước.............................................................9
Hình 2.5: Mơ hình hệ thống sưởi khí................................................................9
Hình 2.6: Mơ hình hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời.........................10
Hình 2.7: Mơ hình cơ bản hệ thống gia nhiệt khí...........................................10
Hình 2.8: Cách thức hoạt động của gia nhiệt khí...........................................11
Hình 3.1: Mơ hình hoạt động của hệ thống....................................................13
Hình 3.2: Sơ đồ khối của hệ thống.................................................................14
Hình 3.3: Lưu đồ P&ID của hệ thống............................................................15
Hình 3.4: Cấu trúc của hệ thống gia nhiệt.....................................................15
Hình 3.5: Tuyến tính hóa mơ hình thiết bị gia nhiệt qua phép đổi biến.........17
Hình 3.6: Kết quả mơ phỏng kiểm tra sự ổn định của hệ thống gia nhiệt......21
Hình 3.7: Sơ đồ bộ điều khiển cho quá trình gia nhiệt...................................22
Hình 3.8: Khảo sát sự ổn định của hệ thống trước và sau khi có PID...........25
Hình 3.9: Đáp ứng của hệ thống với PID.......................................................25
Hình 3.10: Ngõ đầu vào khai báo trong PLC Tag..........................................26
Hình 3.11: Ngõ đầu vào khai báo trong PLC Tag..........................................26
Hình 3.12: Sơ đồ khối hệ thống......................................................................27
Hình 3.13: Lưu đồ thuật tốn điều khiển của hệ thống..................................27
Hình 3.14: Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển WinCC........................28
Hình 3.15: Đoạn chương trình cho phép hệ thống hoạt động........................29
Hình 3.16: Đoạn chương trình xử lý dữ liệu phản hồi sau đó điều khiển van30
Hình 3.17: Đoạn chương trình mơ phỏng hệ thống gia nhiệt hoạt động.......30

Hình 3.18: Khối PID hoạt động và xử lý dữ liệu............................................31
Hình 3.19: Chạy mơ phỏng hệ thống với gía trị cài đặt trước.......................31
Hình 3.20: Bảng giá trị PID chạy mơ phỏng tự động....................................31


Chương I: Tổng quan về phương pháp điều khiển quá trình
1.1 Giới thiệu về phương pháp điều khiển quá trình
Phương pháp điều khiển quá trình (Process Control) là một
phương pháp được sử dụng để kiểm sốt các q trình sản xuất công
nghiệp. Phương pháp này giúp cải thiện chất lượng sản phẩm, tăng
năng suất và giảm chi phí sản xuất.
Các q trình sản xuất thường có nhiều biến số như nhiệt độ, áp
suất, lưu lượng, độ pH, độ ẩm, v.v... Các biến số này có thể ảnh hưởng
đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất. Phương pháp điều
khiển quá trình giúp giảm thiểu sự ảnh hưởng của các biến số này
bằng cách đưa ra các biện pháp điều khiển hợp lý.
Các hệ thống điều khiển quá trình thường sử dụng các thông số
đo và phản hồi để điều chỉnh các biến số sản xuất sao cho nó đạt được
mục tiêu mong muốn. Các thông số đo được sử dụng bao gồm các cảm
biến để đo các thông số quan trọng trong quá trình sản xuất, và các bộ
điều khiển để điều chỉnh các thông số này.
Phương pháp điều khiển q trình có thể được áp dụng trong
nhiều ngành cơng nghiệp như hóa chất, dược phẩm, thực phẩm, điện
tử, v.v... Nó được coi là một cơng cụ quan trọng giúp các doanh nghiệp
cải thiện hiệu quả sản xuất và cạnh tranh trên thị trường.
1.2 Biến quá trình và phân loại biến
Biến quá trình (process variable) là một đại lượng đo lường mơ tả
trạng thái của một q trình sản xuất, hoặc một hệ thống kỹ thuật.
Biến q trình có thể làm thay đổi qua thời gian và được sử dụng để
giám sát và điều khiển quá trình hoặc hệ thống.

1


Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình

Phân loại biến q trình được chia thành các nhóm dựa trên tính
chất của chúng, bao gồm:
 Biến đầu vào (input variables): Là các biến ảnh hưởng trực tiếp
đến quá trình hoặc hệ thống, và thường được kiểm soát hoặc
thay đổi để thay đổi trạng thái đầu ra. Ví dụ: nồng độ hóa chất
đưa vào, mức độ chiếu sáng.
 Biến điều khiển (control variables): là cá biến đầu vào. Là biến
được điều chỉnh hoặc thay đổi để điều khiển và ổn định q
trình hoặc hệ thống. Ví dụ: dịng điện đưa vào, mức nước tự
động điều chỉnh.
 Biến nhiễu (noise variable): là các biến đầu vào. Là các tác
động bên ngoài q trình điều khiển mà có thể làm thay đổi
giá trị của biến q trình mà khơng được kiểm sốt hoặc mong
đợi. Biến nhiễu có thể gây ra sai lệch giữa giá trị thực tế của
biến quá trình và giá trị mục tiêu của biến đặt ra. Ví dụ như
nhiệt độ, độ ẩm, …
Nhiễu gồm có:
-

Nhiễu q trình:

+ 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, ..

2


-

Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise).: Nhiễu tác
động lên phép đo gây sai số trong quá trình đo được

 Biến đầu ra (output variables): Là các biến mô tả kết quả hoặc
hiệu suất của quá trình hoặc hệ thống. Ví dụ: sản lượng, chất
lượng sản phẩm
 Biến cần điều khiển: là biến đầu ra của quá trình. Liên quan hệ
trọng tới sự vận hành an toàn, ổn dịnh chát lượng sảm phẩm.
Cần được duy trì ổn định tại một giá trị đặt hoặc bám theo một
tín hiệu chủ đạo.
 Biến không cần điều khiển: là biến ra của quá trình, có một số
biến khơng cần điều khiển vì chúng khơng ảnh hưởng trực tiếp
đến q trình sản xuất hoặc không thể điều khiển được. Các
biến này được gọi là các biến bị chi phối hoặc biến nhiễu.

Hình 1.2: Ví dụ về ổn định bình chứa nước

1.3 Các phương pháp điều khiển q trình
 Có nhiều phương pháp điều khiển q trình khác nhau được sử
dụng trong ngành cơng nghiệp. Sau đây là một số phương pháp
điều khiển quá trình phổ biến:

 Điều khiển đơn giản (PID): Đây là phương pháp điều khiển q
trình phổ biến nhất trong ngành cơng nghiệp. Nó sử dụng một
bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) để điều
chỉnh các thông số sản xuất theo các thông số đo. Bộ điều
khiển này tính tốn lỗi giữa giá trị mong muốn và giá trị hiện

3


tại của thông số đo, và điều chỉnh các thông số sản xuất sao
cho giảm thiểu lỗi này.
 Điều khiển mơ hình dự đốn (MPC): Phương pháp này sử dụng
một mơ hình tốn học của q trình sản xuất để dự đoán các
biến số tương lai và điều chỉnh các thơng số sản xuất để đạt
được mục tiêu. Nó cho phép điều khiển nhiều biến cùng lúc và
tối ưu hóa các thông số sản xuất.
 Điều khiển tối ưu (OC): Phương pháp này sử dụng các thuật
toán tối ưu để điều chỉnh các thông số sản xuất sao cho đạt
được mục tiêu tối ưu. Nó u cầu một mơ hình tốn học chính
xác của q trình sản xuất và tính tốn các thơng số sản xuất
tối ưu dựa trên các ràng buộc sản xuất và các mục tiêu.
 Điều khiển thơng minh (IC): Phương pháp này sử dụng các
thuật tốn học máy và trí tuệ nhân tạo để học và tối ưu hóa
các thơng số sản xuất. Nó cho phép tự động học hỏi và điều
chỉnh các thông số sản xuất để đạt được hiệu quả sản xuất tốt
nhất.
 Điều khiển phân tán (DCS): Phương pháp này sử dụng nhiều bộ
điều khiển phân tán để điều khiển các phần khác nhau của q
trình sản xuất. Nó cho phép điều khiển các phần khác nhau
của quá trình sản xuất một cách độc lập và tối ưu hóa hiệu

suất sản xuất.
Tùy thuộc vào quá trình sản xuất và các yêu cầu cụ thể, các phương
pháp điều khiển q trình có thể được sử dụng một cách riêng.
 Ưu và nhược điểm của phương pháp điều khiển quá trình so với
các phương pháp điều khiển khác:
- Ưu điểm của phương pháp điều khiển q trình bao gồm:
+ Tối ưu hóa hiệu suất sản xuất: Phương pháp này giúp tối ưu
hóa hiệu suất sản xuất và đạt được mục tiêu sản xuất một cách chính
xác hơn so với các phương pháp điều khiển khác.

4


+ Cải thiện chất lượng sản phẩm: Phương pháp điều khiển quá
trình giúp cải thiện chất lượng sản phẩm bằng cách đảm bảo rằng các
thông số sản xuất đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng sản phẩm.
+ Giảm thời gian dừng máy: Phương pháp này giúp giảm thời
gian dừng máy bằng cách đưa ra các giải pháp đúng đắn cho các sự cố
sản xuất và điều chỉnh các thơng số sản xuất nhanh chóng.
- Tuy nhiên, cũng có một số nhược điểm của phương pháp điều khiển
quá trình, bao gồm:
+ Phụ thuộc vào mơ hình tốn học: Phương pháp này u cầu sử
dụng mơ hình tốn học của q trình sản xuất để dự đốn và điều
khiển các thơng số sản xuất, do đó phụ thuộc vào độ chính xác của mơ
hình.
+ Tốn kém và phức tạp: Phương pháp này tốn kém và phức tạp
trong việc thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển, đặc biệt là đối với
các q trình sản xuất phức tạp.
+ Khó khăn trong việc điều chỉnh: Các thông số sản xuất được
điều khiển bởi phương pháp này có thể khó để điều chỉnh một khi đã

được cài đặt, đặc biệt là trong các q trình sản xuất phức tạp.
Tóm lại, phương pháp điều khiển q trình có nhiều ưu điểm về
tối ưu hóa hiệu suất và cải thiện chất lượng sản phẩm, nhưng cũng có
nhược điểm về độ phức tạp và khó khăn trong việc điều chỉnh.
1.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Một hệ thống điều khiển q trình bao gồm 3 thành phần chính:
- Thiết bị đo.
- Thiết bị chấp hành.
- Thiết bị điều khiển.

5


Hình 1.3: Bộ gia nhiệt và các biến quá trình

Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT

1.5 Các bước để thiết kế một hệ thống điều khiển quá trình
Để thiết kế một hệ thống điều khiển q trình, có thể tn theo các
bước sau:
-

Xác định mục tiêu điều khiển: Xác định các biến quan trọng
cần điều khiển và đặt mục tiêu cho các biến đó.

-

Xác định các phương pháp điều khiển: Lựa chọn các phương
pháp điều khiển phù hợp để đáp ứng mục tiêu điều khiển đã
đặt ra. Các phương pháp điều khiển bao gồm các phương pháp

PID, PD, điều khiển mơ hình dự đốn, điều khiển tối ưu...

-

Thiết kế, mơ hình hóa các thành phần của hệ thống: Thiết kế
và mơ hình hóa các thành phần của hệ thống điều khiển như
các thiết bị điều khiển, cảm biến, các thiết bị đo, các bộ điều
khiển logic...

6


-

Thiết kế, lựa chọn sách lược điều khiển: Thể hiện nguyên tắc
về mặt cấu trúc trong việc sử dụng thông tin về các biến quá
trình để đưa ra tác động điều khiển.

-

Lắp đặt và kiểm tra hệ thống điều khiển: Lắp đặt và kết nối
các thiết bị điều khiển và cảm biến vào hệ thống và tiến hành
kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống để đảm bảo rằng nó hoạt
động đúng.

-

Kiểm tra và hiệu chỉnh: Tiến hành kiểm tra và hiệu chỉnh hệ
thống điều khiển để đảm bảo rằng nó hoạt động chính xác và
đáp ứng được mục tiêu điều khiển đã đặt ra.

-

Vận hành và bảo trì: Sau khi hệ thống điều khiển được cài đặt
và kiểm tra, tiến hành vận hành và bảo trì hệ thống để đảm
bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy.

7


Chương II: Giới thiệu chung về hệ thống gia nhiệt
2.1 Tổng quan về hệ thống gia nhiệt
Hệ thống gia nhiệt (hay còn gọi là hệ thống sưởi) là một hệ thống
được thiết kế để tạo ra nhiệt độ ấm áp trong các khơng gian như nhà ở,
tịa nhà, văn phịng, nhà máy, các phương tiện giao thông, v.v. Hệ
thống này có thể sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau để tạo ra
nhiệt, bao gồm đốt cháy nhiên liệu, sử dụng điện hoặc năng lượng mặt
trời.
Trong các quá trình sản xuất công nghiệp, gia nhiệt là một trong
những công đoạn quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Để đạt
được hiệu quả cao trong quá trình gia nhiệt, cần thiết lập một hệ thống
điều khiển q trình chính xác và tin cậy.
Báo cáo này em trình bày về cách để thiết kế hệ thống điều khiển
quá trình cho hệ thống gia nhiệt.
Cấu tạo cơ bản của hệ thống gia nhiệt:
Hệ thống gia nhiệt thường bao gồm các thành phần như bộ
truyền động (như bơm), thiết bị tạo nhiệt (như lị đốt), hệ thống dẫn
nước hoặc khí (như ống dẫn), và các bộ điều khiển (như bộ điều khiển
nhiệt độ). Hệ thống gia nhiệt có thể được thiết kế để cung cấp nhiệt độ
khác nhau tại các vị trí khác nhau trong cùng một không gian hoặc tại

các không gian khác nhau.
Việc lựa chọn hệ thống gia nhiệt phù hợp là rất quan trọng để
đảm bảo độ tin cậy, hiệu quả và tiết kiệm năng lượng của hệ thống.
Các nhà sản xuất và kỹ sư có thể cung cấp tư vấn và giúp bạn lựa chọn
hệ thống gia nhiệt phù hợp nhất cho nhu cầu của bạn.

8


Hình 2.1: Mơ hình một hệ thống gia nhiệt hoạt động

2.2 Một số thiết bị gia nhiệt phổ biến
Hệ thống gia nhiệt có nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào nguồn
năng lượng sử dụng và phương pháp truyền nhiệt. Dưới đây là một số
loại hệ thống gia nhiệt phổ biến:
 Hệ thống sưởi dầu: sử dụng dầu hoặc nhiên liệu khí để tạo ra
nhiệt độ. Hệ thống này thường được sử dụng trong các nhà máy
và các cơng trình cơng nghiệp khác.

9


Hình 2.2: Mơ hình hệ thống sưởi dầu

 Hệ thống sưởi điện: sử dụng điện để tạo ra nhiệt độ. Hệ thống
này thường được sử dụng trong các nhà ở hoặc các khơng gian
nhỏ.

Hình 2.3: Mơ hình hệ thống sưởi điện

 Hệ thống sưởi nước: sử dụng nước để truyền nhiệt và tạo ra nhiệt
độ. Hệ thống này thường được sử dụng trong các tòa nhà lớn
hoặc các hệ thống sưởi trung tâm.

Hình 2.4: Mơ hình hệ thống sưởi nước

 Hệ thống sưởi khí: sử dụng khí để tạo ra nhiệt độ. Hệ thống này
thường được sử dụng trong các nhà máy hoặc các không gian lớn.

10


Hình 2.5: Mơ hình hệ thống sưởi khí

 Hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời: sử dụng tấm pin mặt trời
để tạo ra nhiệt độ. Hệ thống này thường được sử dụng trong các
khu vực có khí hậu nóng hoặc ấm áp.

Hình 2.6: Mơ hình hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời

Ngoài ra, các hệ thống gia nhiệt cũng có thể được kết hợp với hệ
thống làm mát để tạo ra một hệ thống HVAC (Heating, Ventilation, and
Air Conditioning) hồn chỉnh, giúp tạo ra một mơi trường sống và làm
việc thoải mái và tiết kiệm năng lượng.

11


2.3 Giới thiệu về hệ thống gia nhiệt bằng không khí
2.3.1 Giới thiệu về hệ thống gia nhiệt bằng dịng khí nóng

Hình 2.7: Mơ hình cơ bản hệ thống gia nhiệt khí

Hệ thống gia nhiệt bằng khơng khí là một phương pháp gia nhiệt
trong đó khơng khí được sử dụng để truyền nhiệt đến sản phẩm cần
gia nhiệt. Điều này thường được sử dụng trong các ứng dụng như các
hệ thống sưởi ấm, quạt hơi nước hoặc các ứng dụng sấy khơ trong
ngành cơng nghiệp.

Hình 2.8: Cách thức hoạt động của gia nhiệt khí

Các hệ thống gia nhiệt bằng khơng khí có thể hoạt động theo hai
cách:
 Hệ thống convectional: Hệ thống này sử dụng ngun lý của dịng
chảy khơng khí để truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến sản phẩm cần

12


gia nhiệt. Điều này thường được sử dụng trong các hệ thống sưởi
ấm hoặc làm khô các vật liệu.
 Hệ thống radiative: Hệ thống này sử dụng nguyên lý của bức xạ
để truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến sản phẩm cần gia nhiệt.
Trong hệ thống này, các bộ phận nóng của hệ thống được bố trí
để phát ra bức xạ hồng ngoại, và các sản phẩm cần gia nhiệt
được đặt trong tầm phát xạ của các bộ phận này để hấp thụ năng
lượng và gia nhiệt.
Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, các hệ thống gia nhiệt bằng khơng
khí có thể sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm quạt, tấm
nhiệt, bộ truyền động và bộ điều khiển tự động, để đảm bảo hiệu quả

và độ chính xác của quá trình gia nhiệt.
2.3.2 So sánh hệ thống gia nhiệt bằng khơng khí so với các hệ
thống khác
Hệ thống gia nhiệt bằng khơng khí là một trong những phương
pháp phổ biến nhất để truyền nhiệt trong các ứng dụng gia nhiệt. Dưới
đây là một số so sánh giữa hệ thống gia nhiệt bằng khơng khí và các
phương pháp khác:
Hệ thống gia nhiệt bằng dầu nóng: Hệ thống này sử dụng dầu
nóng để truyền nhiệt đến sản phẩm cần gia nhiệt. So với hệ thống gia
nhiệt bằng khơng khí, hệ thống gia nhiệt bằng dầu nóng có độ chính
xác cao hơn, tốc độ truyền nhiệt nhanh hơn và khả năng kiểm sốt
nhiệt độ chính xác hơn. Tuy nhiên, hệ thống gia nhiệt bằng khơng khí
lại tiết kiệm chi phí và khơng cần bảo trì cao như hệ thống gia nhiệt
bằng dầu nóng.
Hệ thống gia nhiệt bằng hơi nước: Hệ thống này sử dụng hơi nước
để truyền nhiệt đến sản phẩm cần gia nhiệt. So với hệ thống gia nhiệt
bằng khơng khí, hệ thống gia nhiệt bằng hơi nước có thể truyền nhiệt
nhanh hơn và hiệu quả hơn trong một số ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên,
hệ thống gia nhiệt bằng hơi nước yêu cầu một số yêu cầu cơ sở hạ
tầng đặc biệt và khó kiểm sốt nhiệt độ chính xác hơn so với hệ thống
gia nhiệt bằng khơng khí.

13


Hệ thống gia nhiệt bằng điện: Hệ thống này sử dụng điện để
truyền nhiệt đến sản phẩm cần gia nhiệt. So với hệ thống gia nhiệt
bằng khơng khí, hệ thống gia nhiệt bằng điện có độ chính xác cao hơn
và khơng gây ra khói hoặc mùi khó chịu. Tuy nhiên, hệ thống gia nhiệt
bằng điện tiêu tốn nhiều điện năng hơn và không phù hợp cho các ứng

dụng cần nhiệt độ cao hơn.
Tóm lại, hệ thống gia nhiệt bằng khơng khí là một phương pháp
đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí để truyền

14


Chương III: Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ
thống gia nhiệt
3.1 Nội dung yêu cầu của đề tài

Hình 3.1: Mơ hình hoạt động của hệ thống

-

Phân tích bài tốn điều khiển, xác định các biến của mơ hình
tổng quát.

-

Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi để điều khiển nhiệt độ
sản phẩm ra.

-

Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ. Mô phỏng hệ hở trên
Simulink

-

Thiết kế bộ điều khiển cho quá trình bình mức, xác định giá trị
của bộ điều khiển
Mô phỏng kết quả điều khiển với bộ điều khiển vừa tính được.
a) Mơ hình điều khiển
b) Kết quả mơ phỏng trên matlab

- Lập trình điều khiển và giám sát với PLC
3.2 Xác định yêu cầu, xác định biến vào ra của hệ thống
-

Xác định yêu cầu của hệ thống: Gia nhiệt cho sản phẩm

-

Xác định các biến quá trình:
+ Biến vào: TC1, WC, TH1, WH.
+ Biến ra: TC2, TH2.
+ Biến điều khiển: WH.
+ Biến cần điều khiển: TC2.
+ Nhiễu: TC1, TH1, WC.

15


Nhiễu
TC1

Biến
điều khiển
WH

WC

Q trình
gia nhiệt

TH1

Biến cần
điều khiển
TC2@22

Biến khơng
cần điều khiển
TH2@22
Hình 3.2: Sơ đồ khối của hệ thống

3.3 Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi để điều khiển nhiệt
độ sản phẩm ra
Sơ đồ cơng nghệ một q trình gia nhiệt đơn giản được minh họa
trên như hình phía dưới. Dịng q trình (ví dụ dịng ngun liệu hoặc
dịng nhiên liệu cấp cho một q trình sau) được làm nóng với một
dịng tải nhiệt (ví dụ dầu nóng). Bài tốn điều khiển q trình ở đây là
duy trì nhiệt độ của dịng quá trình sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt tại
một giá trị đặt mong muốn. Nhiệt độ dòng quá trình trước khi vào và
sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt được ký hiệu lần lượt là TC1 và TC2 nhiệt
độ dòng gia nhiệt vào và ra được ký hiệu là TH1 và TH2. Lưu lượng khối
lượng của hai dòng được ký hiệu lần lượt là ω C và ω H .
Xét theo quan hệ nhân quả, ta có thể nhận ra trong q trình gia
nhiệt có hai biến ra là TC2 và TH2. Tuy nhiên từ yêu cầu cơng nghệ ta có

thể thấy ngay biến ra duy nhất cần điều khiển là T C2. Nhiệt độ ra của
dòng gia nhiệt TH2 có thể đo và phản hồi về để sử dụng trong thuật
tốn điều khiển, nhưng khơng có lý do gì phải điều khiển.
Bốn biến vào được xác định là TH1, ω H , TC1 và ω C, trong đó có thể dễ
dàng nhận ra biến điều khiển tiềm năng chính là lưu lượng dịng gia
nhiệt ω H và các đại lượng cịn lại là nhiễu q trình. Lưu ý rằng, lưu
lượng của dịng q trình ức phụ thuộc vào u cầu của cơng đoạn
phía sau, ở đây ta khơng can thiệp được, vì vậy phải được coi là nhiễu
tải. Trong phạm vi quá trình gia nhiệt, ta cũng không thể can thiệp tới
nhiệt độ đầu vào của dòng gia nhiệt một cách dễ dàng và nhanh

16