Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ thống khuấy trộn liên tục

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 q trình cho hệ thống
khuấy trộn liên tục
Sinh viên thực hiện : TRẦN TUẤN ANH
: NGUYỄN XUÂN BẰNG
Lớp

: TĐH-K18A

Giáo viên hướng dẫn : Th.S HOÀNG THỊ THƯƠNG
Thái Nguyên, năm 2023
1


MỤC L
DANH MỤC HÌNH ẢNH.............................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH.....................................7
1.1.

Điều khiển q trình............................................................................................7

1.2. Qúa trình và các biến..............................................................................................8
1.3

. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển q trình..........................................11

CHƯƠNG 2: MƠ HINH HĨA HỆ THỐNG...............................................................12
2.1. Giới thiệu chung...................................................................................................12
2.1.1. Các bước mơ hình hóa.......................................................................................12
2.2. Các dạng mơ hình hóa...........................................................................................13
2.2.1. Mơ hình tuyến tính và mơ hình phi tuyến..........................................................13
2.2.2. Mơ hình liên tục và mơ hình gián đoạn..............................................................13
2.2.3. Mơ hình đơn biến và mơ hình đa biến................................................................14
2.2.4. Mơ hình tham số hằng và mơ hình tham số biến thiên.......................................14
2.3. Mơ hình hóa lý thuyết...........................................................................................14
2.3.1. Các bước mơ hình hóa.......................................................................................14
2.3.2. Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.............................................15
2.4. Mơ hình hóa thực nghiệm.....................................................................................17
2.4.1 Nhận dạng hệ thống............................................................................................17
2.5. Động học trong điều khiển qua trình.....................................................................18
2.5.1. Động học khâu có thời gian chết........................................................................18
2.5.2. Động học của mạch vòng điều khiển lưu lượng.................................................19
2.5.3. Động học các q trình tích lũy.........................................................................19
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BÀI TỐN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MƠ PHỎNG
TRÊN MATLAB.........................................................................................................21
3.1. Yêu cầu bài toán...................................................................................................21
2


3.2. Phân tích bài tốn điều khiển, xác định các biến của mơ hình và mơ hình tổng
qt.............................................................................................................................. 22
3.3. Thiết kế sách lược.................................................................................................23
3.3.1. Xây dựng mơ hình điều khiển phản hồi.............................................................24
3.4. Tìm hàm truyền đạt và xây dựng hệ thống hở trên Simulink................................26

3.4.1. Phương trình cân bằng tồn phần.......................................................................26
3.4.2. Phương trình cân bằng thành phần.....................................................................26
3.4.3. Tuyến tính hóa mơ hình hàm truyền đạt.............................................................27
3.4.4. Xây dựng hệ thống trên Simulink......................................................................28
3.4.5. Kết quả mô phỏng hệ thống...............................................................................31
KẾT LUẬN.................................................................................................................37
TAI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................38
Y

3


DANH MỤC HÌNH ẢN

....................................................................................................................................... 1
Hình 1.1: Q trình và phân loại biến quá trình...........................................................10
Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình...................................................11
Hình 1.3: Bộ gia nhiệt và các biến quá trình................................................................11
Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐKQT....................................................12
Hình 1.6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT.........................................12
Hình 2.1: Tổng quan các bước mơ hình hóa q trình phức hợp.................................13
Hình 2.2: Các phương án điều khiển lưu lượng...........................................................20
Hình 2.3: Mơ hình bình chứa chất lỏng.......................................................................21
Hình 1.4: Thiết bị khuấy trộn liên tục..........................................................................22
Hình 3.1: Mơ hình tổng quan của hệ thống khuấy trộn liên tục...................................24
Hình 3.2: Sơ đồ tổng quan phương pháp phản hồi.......................................................25
Hình 3.3: Sơ đồ cấu hình một bậc tự do.......................................................................26
Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển phản hồi............................................................................26
Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc P&ID....................................................................................27
Hình 3.5: Mơ hình hóa cho hệ thống khuấy trộn..........................................................29

Hình 3.7: Sơ đồ tính mực chất lỏng.............................................................................30
Hình 3.8: Phương trình cân bằng tồn phần.................................................................30
Hình 3.9: Thơng số cơ bản của hệ thống......................................................................31
Hình 3.10: Sơ đồ tính thành phần................................................................................31
Hình 3.11: Phương trình cân bằng thành phần.............................................................32
Hình 3.12: Thơng số cơ bản của hệ thống....................................................................32
4


Hình 3.13: Tín hiệu thu được về chiều cao của chất lỏng............................................33
Hình 3.14: Tín hiệu thành phần chất lỏng....................................................................34
Hình 3.15: Sự thay đổi của lưu lượng vào w1..............................................................34
Hình 3.16: Sơ đồ hệ thống có điều khiển bằng PID.....................................................35
Hình 3.17: Thơng số PID của thành phần chất.............................................................35
Hình 3.18: Thơng số PID của chiều cao chất lỏng.......................................................36
Hình 3.19: Tín hiệu ra của thành phần chất.................................................................36
Hình 3.20: Tín hiệu ra của chiều cao chất lỏng............................................................37

5


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao,
việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân
ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.
Trong kỳ này em thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ
thống khuấy trộn liên tục”
Ngày nay, ai cũng biết rõ rằng cơng nghệ khuấy trộn liên tục đóng vai trị quan
trọng trong cơng nghiệp như thế nào, nó giúp chúng ta trộn 1 chất nào đó như sơn hay
bê tơng với tỉ lệ chính xác, ít lao động và chất lượng cao

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của cơ giáo Th.S Hồng Thị
Thương và các thầy cô giáo trong khoa để em thực hiện tốt đề tài này. Tuy nhiên do
kiến thức, kinh nghiệm chưa được hồn chỉnh nên cịn có một số thiếu sót trong q
trình thực hiện đề tài, mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và
bạn đọc quan tâm đề tài này.

Thái Nguyên, năm 2021
Sinh viên
Nguyễn Văn Thái

6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Điều khiển quá trình.
Điều khiển tự động phát triển theo hai hướng là lý thuyết và ứng dụng, hướng lý
thuyết phát triển theo hướng tìm ra các bộ điều khiển thơng minh (mờ, nơron, thích
nghi…), cịn hướng ứng dụng là tìm ra các giải pháp vận hành, điều khiển các q
trình
cơng nghệ cụ thể trong thực tiễn. Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển
vào trong các ngành cơng nghiệp chế biến (cơng nghệ hóa học, sinh học và thực
phẩm),
là sự kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động với qui trình cơng nghệ
của
các q trình sản xuất.
Để học được mơn học này sinh viên cần có kiến thức của các mơn học: Hóa học, Vật
lý, Đo lường cảm biến và LT ĐKTĐ và thực tế quan sát được các dây chuyền công
nghệ sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp khi được đi thực tập ở ngồi doanh nghiệp.
-

Khái niệm.

Điều khiển q trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển, vận hành và giám sát các q
trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho
con người, máy móc và con người.
-

Mục đích và chức năng của ĐKQT.

Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trơn tru: Giữ cho hệ thống ổn định tại điểm làm
việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu
của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện.
Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế
hoạch sản xuất và duy trì các thơng số liên quan đến chất lượng sản phẩm.
Đảm bảo hệ thống vận hành an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như
bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố.
Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc
hại, giảm nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nguyên
nhiên liệu.
Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất chất lượng theo yêu cầu trong khi
7


giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu của
thị trường.
-

Tầm quan trọng của điều khiển quá trình.

+ ĐKQT ảnh hưởng trực tiếp đến sự an tồn và tính tin cậy của một quá trình.

+ ĐKQT quyết định chất lượng sản phẩm của quá trình sản xuất
+ ĐKQT ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành của quá trình.
1.2. Quá trình và các biến.
Quá trình và các biến quá trình Quá trình được định nghĩa là một trình tự các
diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin
được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. Q trình cơng nghệ là những q trình liên
quan tới biển đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật. chất và năng lượng, nằm trong một dây
chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng. Một q trình cơng nghệ có
thể chỉ đơn giản như q trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có
thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng-thấp chưng luyện hoặc một tổ hợp lị
hơi-turbin. Q trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật đưoc đo và
được can thiệp. Khi nói tới một q trình kỹ thuật, ta hiểu là q trình cơng nghệ cùng
với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành. Sự phân biệt giữa
hai khái niệm q trình kỹ thuật và q trình cơng nghệ ở đây không phải là vấn đề từ
ngữ, mà chì nhằm mục đích thuận tiện cho các nội dung trình bày sau này. Từ nay về
sau, nếu khơng nhấn mạnh thì khái niện q trình có thể được hiểu là q trình cơng
nghệ hoặc q trình kỹ thuật tùy theo ngữ cảnh sử dụng. Trạng thái hoạt động và diễn
biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình. Một biến vào là một đại lượng
hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào q trình, ví dụ lưu lượng
dịng ngun liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của ro-le sợi
đốt...Một biến ra là nguyên nhân trong khi các biến có thể xuất hiện kết quả (quan hệ
nhân quả). Cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm đến các trạng thái của
biến. Các thông tin trạng thái biến đổi về trạng thái bên trong q trình, ví dụ nhiệt độ,
áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng
khác, ví dụ như (speed) nhiệt độ biến thiên, áp suất hoặc mức. Trong nhiều trường
hợp, một trạng thái biến cũng có thể được coi là một biến. Ví dụ, mức nước trong bình
có thể coi là một trạng thái, vừa có thể coi là một biến thể. Một cách tổng quát, nhiệm
8

vụ của điều khiển hệ thống quá có thể sử dụng các biến thể của quá trình hợp lý để các
biến thể của nó thỏa mãn các tiêu chí trước, đồng thời giảm thiểu hư hỏng ảnh của quá
trình. Thuật ngữ đối với con người và xung quanh môi trường. Hơn nữa, các diễn đàn
cũng như các tham số, các hoạt động trạng thái của các thành phần trong hệ thống cần
phải có: theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một nghệ thuật q thì khơng
phải biến thành bất kỳ thứ gì cũng có thể sử dụng được và không phải biến thể nào
cũng cần phải điều khiển. Biến cần điều khiển (biến được điều khiển, CV) là một biến
ra hoặc một trạng thái biến của quá trình được điều khiển, sao điều chỉnh cho gần với
một giá trị mong muốn hoặc đặt giá trị (điểm đặt, SP) hoặc theo một chủ đạo, mẫu tín
hiệu biến (biến lệnh / tín hiệu tham chiếu). Các biến cần quan trọng của hệ thống liên
quan điều khiển, đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản
phẩm. Nhiệt độ, lượng, lưu lượng, áp suất và mức độ là những biến thể cần điều khiển
tiêu biểu nhất trong điều khiển hệ thống quá trình.

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

Một biến vào là

-

Biến cần điều khiển (controlled variable): Biến ra, đại lượng hệ trọng tới sự vận
hành an toàn, ổn định hoặc chất lượng sản phẩm, cần được duy trì tại một giá trị
đặt, hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo

-

Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp
được theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển.

-

Nhiễu: Biến vào khơng can thiệp được:
+ Nhiễu q trình (disturbance, process disturbance):
9


 Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số đầu vào (lưu
lượng, nhiệt độ hoặc thành phần nguyên liệu, nhiên liệu).
 Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng
dòng chảy, áp suất hơi nước, ...).
 Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài, ...
+ Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise).
Ví dụ 1: Bình chứa chất lỏng.

Hình 1.2: Bình chứa chất lỏng và các biến q trình.
Ví dụ 2: Bộ gia nhiệt.

Hình 1.3: Bộ gia nhiệt và các biến quá trình

10


1.3 . Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm 3 thành phần chính:
- Thiết bị đo.
- Thiết bị chấp hành.
- Thiết bị điều khiển.

Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐKQT

Hình 1.6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT

11


CHƯƠNG 2: MƠ HINH HĨA HỆ THỐNG.
2.1. Giới thiệu chung
Mơ hình là một hình thức mơ tả khoa học và cơ đọng các khía cạnh thiết yếu của
một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng.
- Một mơ hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích
cho mục đích sử dụng.
- Phân loại mơ hình:
+ Mơ hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật toán.
+ Mơ hình tốn học: ODE, Hàm truyền, mơ hình trạng thái.
+ Mơ hình máy tính: Chương trình phần mềm.
+ Mơ hình suy luận: Cơ sở tri thức, luật.
2.1.1. Các bước mơ hình hóa.
Bước đầu tiên của quy trình mơ hình hóa là đặt bài tốn mơ hình hóa. Các cơng việc
chính bao gồm nghiên cứu kỹ lưu đồ cơng nghệ, xác định rõ mục đích sử dụng của mơ
hình, tóm tắt các thông số công nghệ cũng như các giả thiết quan trọng. Trên cơ sở đó,
ta cần làm rõ yêu cầu về mức độ chi tiết và mức độ chính xác của mơ hình, phương
pháp và cơng cụ phân tích, đánh giá chất lượng của mơ hình.

Hình 2.1: Tổng quan các bước mơ hình hóa q trình phức hợp
12


Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học:
- Phương pháp lý thuyết (mơ hình hóa lý thuyết, phân tích q trình, mơ hình hóa vật

lý):
+ Xây dựng mơ hình trên nền tảng các định luật vật lý, hóa học cơ bản.
+ Phù hợp nhất cho các mục đích 1.,2. Và 5.
- Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng quá trình, phương pháp hộp đen):
+ Ước lượng mơ hình trên cơ sở các quan sát số liệu vào – ra thực nghiệm.
+ Phù hợp nhất cho các mục đích 3. và 4.
- Phương pháp kết hợp:
+ Mơ hình hóa lý thuyết để xác định cấu trúc mơ hình.
+ Mơ hình hóa thực nghiệm để ước lượng các tham số mơ hình.
2.2. Các dạng mơ hình hóa
2.2.1. Mơ hình tuyến tính và mơ hình phi tuyến.
Một mơ hình được gọi là tuyến tính khi quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra của nó thỏa
mãn nguyên lý xếp chồng. Một cách chính thức, nếu M(u) là một tốn tử tuyến tính và
u1, u2 là hai biến đọc lập, ta sẽ có:
M ( u1+ u2 )=M ( u1 ) + M (u2 )

(2.1)

Khi đó, nếu có các tín hiệu ra y 1 , y 2 lần lượt ứng với các tín hiệu vào độc lập bất kỳ
u1 ,u 2 thì ta cũng sẽ có y= y1 + y 2 ứng với u=u1+ u2. Ngược lại, chỉ cần bất cứ một qua hệ

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

13


2.2.3. Mơ hình đơn biến và mơ hình đa biến.
Mơ hình đơn biến: Một biến vào điều khiển và một biến ra được điều khiển, biến
vào-ra được biểu diễn là các đại lượng vơ hướng.
Mơ hình đa biến: Nhiều biến vào điều khiển hoặc/và nhiều biến ra, các biến vào-ra
có thể được biểu diễn dưới dạng vector.
2.2.4. Mơ hình tham số hằng và mơ hình tham số biến thiên.
Mơ hình tham số hằng: các tham số mơ hình khơng thay đổi theo thời gian.
Mơ hình tham số biến thiên: ít nhất 1 tham số mơ hình thay đổi theo thời gian.
2.3. Mơ hình hóa lý thuyết
2.3.1. Các bước mơ hình hóa.
1.Phân tích bài tốn mơ hình hóa
- Tìm hiểu lưu đồ cơng nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mơ hình, từ đó xác định
mức độ chi tiết và độ chính xác của mơ hình cần xây dựng.
- Phân chia thành các quá trình con.
- Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mơ hình nhằm đơn giản hóa mơ hình.
- Nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình.
2.Xây dựng các phương trình mơ hình
3.Kiểm chứng mơ hình:
- Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng các biến quá trình và số lượng
các quan hệ phụ thuộc.
- Phân tích khả năng giải được của mơ hình, khả năng điều khiển được.
- Đánh giá mơ hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các tính chất
của mơ hình kết hợp mơ phỏng máy tính.
4.Phát triển mơ hình:
- Phân tích các đặc tính của mơ hình.
- Chuyển đổi mơ hình về các dạng thích hợp.

- Tuyến tính hóa mơ hình tại điểm làm việc nếu cần thiết.
- Mơ phỏng, so sánh mơ hình tuyến tính hóa với mơ hình phi tuyến ban đầu.
- Thực hiện chuẩn hóa mơ hình theo u cầu của phương pháp phân tích và thiết kế
điều khiển.
14


5.Lặp lại một trong các bước trên nếu cần thiết.
2.3.2. Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.
Hầu hết mơ hình tốn học xây dựng bằng phương pháp lý thuyết cho đến các quá
trình thực đều chứa phương trình vi phân phi tuyến. Nhưng đến nay, đa số phương
pháp phân tích và thiết kế đều dựa trên mơ hình tuyến tính. Ngay cả một số phương
pháp phi tuyến cũng khơng loại trừ hồn tồn việc sử dụng mơ hình tuyến tính, ít ra là
để làm cơ sở so sánh và kiểm chứng chất lượng. Vì vậy nếu mục đích sử dụng mơ hình
là phục vụ phân tích hệ thống, thiết kế sách lược và thuật tốn điều khiển, thì việc
tuyến tính hóa mơ hình trước hay sau cũng sẽ cần thiết. Có 3 phương pháp tuyến tính
hóa cơ bản được biết đến, bao gồm:
- Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc (phải là một điểm cân bằng): áp dụng
phép khai triển Taylor, kết quả là một mơ hình tuyến tính xấp xỉ có giá trị sử dụng tại
lân cận điểm làm việc.
- Tuyến tính hóa thơng qua phép biến đổi đơn thuần, kết quả có thể là một mơ hình
tuyến tính hoặc mơ hình ít phi tuyến hơn nhưng hồn tồn tương đương với mơ hình
ban đầu.
- Tuyến tính hóa chính xác: sử dụng phản hồi, kết quả là một mơ hình mở rộng tuyến
tính.
Hai phương pháp tiếp cận:
1. Tuyến tính hóa trực tiếp trên phương trình vi phân dựa theo các giả thiết về
điểm làm việc:

2. Sử dụng biến chênh lệch và phép khai triển chuỗi Taylor: Đa năng, thông

dụng.
Phép khai triển Taylor:
15


Đặt các ma trận Jacobi:

Tóm tắt các bước tuyến tính hóa
1.Đơn giản hóa mơ hình như có thể, nếu được thì nên tách thành nhiều mơ hình con
độc lập.
2.Xác định rõ điểm làm việc và giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc để có mơ
hình trạng thái xác lập.
3.Đối với các phương trình tuyến tính, thay thế các biến thực bằng các biến chênh
lệch.
4.Tuyến tính hóa từng phương trình phi tuyến của mơ hình tại điểm làm việc bằng
16


phép khai triển Taylor, bắt đầu với các phương trình đại số và sau đó là với các
phương trình vi phân.
5.Đặt lại ký hiệu cho các biến chênh lệch (sửdụng ký hiệu vector nếu cần) và viết gọn
lại các phương trình mơ hình.
6.Tính tốn lại các tham số của mơ hình dựa vào giá trị các biến quá trình tại điểm làm
việc.
7.Chuyển mơ hình tuyến tính về dạng mong muốn, ví dụ biểu diễn trong khơng gian
trạng thái hoặc bằng hàm truyền đạt.
2.4. Mơ hình hóa thực nghiệm
2.4.1 Nhận dạng hệ thống.
Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học trên cơ sở các số liệu vào-ra thực nghiệm
được gọi là mơ hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (system identification).

Theo IEC 60050-351: “Nhận dạng hệ thống là những thủ tục suy luận một mơ hình
tốn học biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nó
đối với một tín hiệu đầu vào xác định rõ, ví dụ hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu
tạp trắng”.
Theo Lofti A. Zadeh: Trên cơ sở quan sát số liệu vào/ra thực nghiệm, các định các
tham số của mơ hình từ một lớp các mơ hình thích hợp, sao cho sai số là nhỏ nhất.
Các yếu tố cơ bản của nhận dạng:
- Số liệu vào/ra thực nghiệm:
+ Xác định như thế nào? Trong điều kiện nào?
+ Dạng nhiễu (nhiễu quá trình, nhiễu đo), độ lớn của nhiễu?
- Dạng mơ hình, cấu trúc mơ hình
+ Mơ hình phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, hàm truyền đạt/khơng gian trạng
thái, …
+ Bậc mơ hình, thời gian trễ.
- Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mơ hình: Mơ phỏng và so sánh với số liệu đo như
thế nào?
- Thuật toán xác định tham số: Rất đa dạng -> thuật toán nào phù hợp với bài toán
nào?
Các bước tiến hành:
17


1.Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình (“apriori” information).
2.Lựa chọn phương pháp nhận dạng (trực tuyến/ ngoại tuyến, vịng hở/vịng kín,
chủ động/bị động, thuật tốn nhận dạng, ...).
3.Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử lý thô các số liệu nhằm loại
bỏ những giá trị đo kém tin cậy.
4.Quyết định về dạng mô hình và giả thiết ban đầu về cấu trúc mơ hình.
5.Lựa chọn thuật tốn và xác định các tham số mơ hình.
6.Mơ phỏng, kiểm chứng và đánh giá mơ hình.

7.Quay lại một trong các bước 1-4 nếu cần.
Phân loại các phương pháp nhận dạng:
-Theo dạng mơ hình sử dụng: phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, mơ hình thời
gian/tần số.
-Theo dạng số liệu thực nghiệm: chủ động/bị động.
-Theo mục đích sử dụng mơ hình: trực tuyến, ngoại tuyến.
-Theo thuật tốn ước lượng mơ hình:
+ Bình phương tối thiểu (least squares, LS),
+ Phân tích tương quan (correlation analysis), phân tích phổ (spectrum analysis),
+ Phương pháp lỗi dự báo (prediction error method, PEM).
+ Phương pháp khơng gian con (subspace method).
-Nhận dạng vịng hở/vịng kín.
2.5. Động học trong điều khiển qua trình.
2.5.1. Động học khâu có thời gian chết.
Thời gian chết là đặc tính phổ biến trong hệ điều khiển q trình, có đáp ứng trình
bày trên hình, mơ tả tốn học khâu thời gian chết có dạng đơn giản:
Gp ( s )=Kp e−θss

Trong thực tế sản xuất thời gian chết có trong các quá trình:
- Các quá trình điều khiển vận chuyển vật liệu và mơi chất.
- Các q trình điều khiển chất lượng QCS.
- Thời gian chết ở thiết bị đo (do biến đổi lý hóa của cảm biến, lấy mẫu) và cơ cấu
chấp hành (do ma sát tĩnh).
18


2.5.2. Động học của mạch vòng điều khiển lưu lượng.
Điều khiển lưu lượng được sử dụng phổ biến nhất trong hệ ĐKQT, nó đóng vai trị
là biến điều khiển trong các điều khiển nhiệt độ, áp suất, mức, nồng độ, pha trộn, cấp
liệu, và trong các lị phản ứng hóa học. Điều khiển lưu lượng vật chất có ở 3 thể cơ

bản: rắn, lỏng, khí.
Điều khiển lưu lượng vật chất ở thể rắn thường dùng cân băng. Trong mạch vòng
điều khiển lưu lượng thể lỏng và khí bao gồm: các đường ống dẫn, thiết bị vận chuyển,
bơm, quạt, có cơ cấu chấp hành là các van, damper, thiết bị đo lưu lượng.
Trong thực tế sản xuất sử dụng một số phương pháp điều khiển lưu lượng:

Hình 2.2: Các phương án điều khiển lưu lượng
2.5.3. Động học các q trình tích lũy.
Khâu tích lũy trong sản xuất là các bình, tank và các silo, nó thực hiện chức năng là
19


kho đệm giữa các công đoạn nhằm đảm bảo đồng bộ, cân bằng vật chất cho toàn bộ
dây chuyền. Ngoài ra các khâu tích lũy cũng được thiết kế lắp đặt để phân ly các công
đoạn, phân ly các vồng điều khiển.
Các bình, tank và silo trong sản xuất thường chứa các mơi chất thể lỏng, khí rắn
hoặc mơi chất có hai pha lỏng và khí...
Xét động học khâu tích lũy chất lỏng trong bình khơng trao đổi nhiệt.

Hình 2.3: Mơ hình bình chứa chất lỏng

20