Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình Tác giả: Hoàng Minh Sơn

H o à n g M in h S ơ n
Cơ sớ Hi THỐNG
ĐiỀư KHIỂN quá trìn h
NHẢ XƯAT BAN BÀCH KHOA HA NỌI
- 2009 -
Mục lục
Chương 1 Mờ ĐẦư 1
1.1 Điều khiển quá trình là gì? 2
1.1.1 Quá trình và các biến quá trình 2
1.1.2 Phân loại quá trình 5
1.1.3 Bài toán điều chỉnh và bài toán bám 6
1.1.4 Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình

7
1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

.

10
1.2.1 Vận hành ổn định
11
1.2.2 Năng suất và chất lượng sản phẩm 12
1.2.3 Vận hành an toàn 13
1.2.4 Bảo vệ môi trường 14
1.2.5 Hiệu quả kinh tế 15
1.3 Phân cấp chức năng điều khiến quá trình 16
1.3.1 Giao diện quá trình 17

1.3.2 Điều khiển cơ sở 17
1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sá t 19
1.3.4 Điều khiển cao cấp 20
1.4 Các thảnh phần cơ bản của hệ thống 20
1.4.1 Thiết bị đo 22
1.4.2 Thiết bị điều khiển 23
1.4.3 Thiết bị chấp hành ‘24
1.5 Các nhiệm vụ phát triền hệ thống 24
1.5.1 Phân tích chức năng hộ thống 24
1.5.2 Xây dựng mô hình quá trình 26
1.5.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển 26
1.5.4 Thiết kế thuật toán điều khiển 27
1.5.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống 27
1.5.6 Phát triển phần mềm ứng dụng 27
1.5.7 Chỉnh định và (lưa vào vận hành 28
1.6 Mô tả chức năng hệ thống 28
1.6.1 Các tài liệu mô tả đồ họa 28
1.6.2 Lưu đồ P&ID 29
1.7 Ghi chú và tài liệu tham khảo 32
vi
1.7.1 Bàn thêm về khái niệm điều khiển quá trìn h

335
1.7.2 Về tài liệu tham khảo
3Í5
1.8 Câu hỏi và bài tậ p 3ỈỈ)
Chương 2 Mô HÌNH QUÁ TRÌNH 411
2.1 Giới thiệu chung 412
2.1.1 Mô hình và mục đích mô hình hóa 412
2.1.2 Nguyên tắc chung của mô hình hóa quá trình 4*4

2.1.3 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học 4Ỉ5
2.2 Tổng quan về quy trình mô hình hóa 477
2.2.1 Đặt bài toán mô hình hóa 477
2.2.2 Phẳn chia hệ thống 5(0
2.2.3 Xây dựng các mô hình thành phần 5il
2.2.4 Kết hợp các mô hình thành phần 5Í2
2.2.5 Phân tích và kiểm chứng mô hình 5Í2
2.3 Phân loại mô hình toán học 5Ỉ3
2.3.1 Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến 5i3
2.3.2 Mô hình đơn biến và mô hình đa biến 5)4
2.3.3 Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên 5)5
2.3.4 Mô hình tham số tập trung và mô hình tham số rả i

5)5
2.3.5 Mỏ hình liên tục và mô hình gián đoạn 546
2.4 Các dạng mô hình liên tục 5)7
2.4.1 Phương trình vi phân
5)7
2.4.2 Mô hình trạng thái 5)8
2.4.3 Mô hình đáp ứng quá đ ộ 6)3
2.4.4 Mô hình hàm truyền đ ạ t 0^6
2.4.5 Mô hình đáp ứng tần số 6:)9
2.5 Các mô hình gián đoạn 770
2.5.1 Phương trình sai phân 770
2.5.2 Mô hình trạng thái 771
2.5.3 Mô hình dáp ứng quá đ ộ 774
2.5.4 Các mô hình đa thức và hàm truyền đạt xung

776
2.5.5 Mô hình hàm truyền đạt gián đoạn

881
2.6 Ghi chú và tài liệu tham khảo


^84
2.7 Câu hỏi và bài tậ p ^85
Chương 3 Mô HÌNH HÓA LÝ THƯYET 837
3.1 Tổng quan các bước tiến hành £87
3.2 Nhận biết các biến quá trình £88
3.2.1 Ví dụ bình chứa chất lỏng
í 91
3.2.2 Ví dụ thiết bị khuấy trộn liên tụ c 92
3.2.3 Ví dụ thiết bị gia nhiệt 93
3-2.4 Ví dụ tháp chưng luyện hai cấu tử 94
3.3 Xây dựng các phương trình mô hình 95
3.3.1 Phương trình cân bằng vật chất 96
3.3.2 Phương trình cân bằng năng lượng

101
3.3.3 Phương trình truyền nhiệt 105
3.3.4 Phương trình động học phản ứng hóa học 108
3.3.5 Phương trình cân bằng pha
109
3.4 Phân tích bậc tự do của mô hình 111
3.4.1 Bậc tự do của hệ thống 111
3.4.2 Ví dụ thiết bị khuấy trộn liên tụ c 112
3.4.3 Ví dụ thiết bị gia nhiệt 113
3.4.4 Ví dụ nồi hơi bâo hòa
.

.

.

.

114
3.5 Tuyến tính hóa và mô hình hàm truyền đạt
115
3.5.1 Biến chênh lệch và mô hình hàm truyền đạt

115
3.5.2 Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc

117
3.5.3 Độ phi tuyến của mô hình

124
3.5.4 Tuyến tính hóa với phép đổi biến vào-ra 126
3.6 Mô phỏng quá trình 12S
3.6.1 Phân loại các phương pháp mô phỏng 129
3.6/2 Giải hệ phương trình vi phân (phi tuyến)

132
3.6.3 Giải hệ phương trình vi phân tuyến tính 134
3.6.4 Mô phỏng quá trình sử dụng MATLAB 134
3.7 Một số ví dụ quá trình tiêu biểu
142
3.7.1 Chuỗi ba thiết bị phản ứng liên tục đẳng nhiệt 142

3.7.2 Thiết bị phản ứng thu nhiệt sợi đố t 146
3.7.3 Thiết bị phản ứng liên tục tỏa nhiệt 149
3.7.4 Tháp chưng luyện hai cấu tử J 53
3.8 Ghi chú và tài liệu tham khảo 163
3.9 Câu hỏi và bài tậ p 165
Chương 4 Nhận dạng qưá trình 171
4.1 Khái niệm và những nguyên tắc cơ bản 171
4.1.1 Các bước tiến hành 171
4.1.2 Phân loại phương pháp nhận dạng 172
4.1.3 Đánh giá và kiểm chứng mô hình 174
4.2 Các phương pháp dựa trên đáp ứng quá độ 175
4.2.1 Mô hình quán tính bậc nhất có trễ 177
4.2.2 Mô hình quán tính bậc hai có trễ 184
X
7.1 Bài toán chuẩn 329
7.1.1 Cấu hình chuẩn 329
7.1.2 Sơ đồ khối và mô hình hàm truyền đ ạ t 332
7.1.3 Chuẩn hóa mô hình 337
7.1.4 Phát biểu bài toán chuẩn và các quan hệ cơ bản

341
7.2 Tính ổn định của hệ điều khiển phản hồi 344
7.2.1 Khải niệm tính ổn định 345
7.2.2 Tính ổn định nội của hệ điều khiển phản hồi
350
7.2.3 Tiêu chuẩn Nyquist 356
7.2.4 Tiôu chuẩn Bođe 362
7.2.5 Độ dự trữ ổn định 363
7.2.6 Tính ổn định được 366
7.3 Chất lượng điều khiển phản hồi 4

367
7.3.1 Đảnh giá chắt lượng trên miền thời gian

367
7.3.2 Đánh giá chất lượng trên miền tần số 371
7.3.3 Phân tích chất lượng điều khiển tầng

380
7.4 Ghi chú và tài liệu tham khảo 384
7.5 Câu hỏi và bài tậ p 385
Chương 8 Chính định bộ điều khiển PID 389
8.1 Cơ sở chung 390
8.1.1 Các dạng mô hình quá trình thông dụng,

390
8.1.2 Xấp xi mô hình bậc cao - luật chia đôi 392
8.1.3 Các cấu hình điều khiển và kiểu bộ điều khiển

39«‘i
8.1.4 Đặc tính vòng điều khiển sử dụng bộ P ID 394
8.1.5 Lựa chọn luật điều khiển 399
8.2 Các phương pháp dựa trên đặc tính đáp ứng
402
8.2.1 Phương pháp dựa trên đáp ứng bậc thang

402
8.2.2 Phương pháp dựa trẽn đặc tính dao động tới hạn

403

8.2.3 Phương pháp tự chỉnh phản hồi rơ-le

405
8.2.4 Phương pháp của Tyreus và Luyben

.406
8.3 Các phương pháp dựa trên mô hình mẫu

410
8.3.1 Phương pháp Haalman
410
8.3.2 Phương pháp tổng hợp trực tiếp 411
8.3.3 Phương pháp tổng hợp trực tiếp ưu tiên kháng nhiễu

413
8.3.4 Phương pháp IMC 416
8.3.5 Phương pháp IMC cho quá trình không ổn định

421
8.3.6 Phương pháp xấp xỉ đặc tính tằ n

.426
8.4 Các phương pháp nắn đặc tính tần 430
C hương 7 P hân tích hê điỀư khiển phản Hồi 329
8.4.1 Phương pháp tối ưu đối xứng 430
8.4.2 Phương pháp ‘kappa-tau1 432
8.4.3 Phương pháp dựa trên cỉự t rữ biên-pha

433
8.5 Điều khiển PID kết hợp bù trễ 437

8.5.1 Bộ dự báo Sm ith
437
8.5.2 Bộ diều khiến PI (lự báo 439
8.6 Ghi chú và tài liệu tham khảo 441
8.7 Câu hỏi và bài tậ p 445
Chương 9 T hiẾt kế cẤu trúc điỀư khiển cho quá trình đa biến 447
9.1 Giới thiệu chung 447
9.1.1 Cấu trúc điều khiển là gì? 447
9.1.2 Cơ sờ thiết kế cấu trúc diều khiển 452
9/2 Lựa chọn biến quả trình 453
9.2.1 Một số chỉ dần lựa chọn 454
9.2.2 Phân tích giá trị suy biến 457
9.3 Điều khiển đa biến/tập trung 460
9.4 Điều khiến đơn biến/phi tập trung 462
9.4.1 Cặp đôi các biến vào-ra 464
9.4.2 Tính ổn định của hộ (liều khiển phi tập trung

466
9.5 Ghi chú và tài liệu t.luim khảo
467
P hụ lục A 469
A.l Tóm tắt chuẩn ANSI/ISA 5.1 469
A.2 Tóm tắt chuẩn ANSI/ISA 5.2 474
A.3 Tóm tắt chuẩn ANSI/ISA 5.3 477
P hụ lục B 477
B.l Chuẩn vector và chuẩn ma trận 477
B.2 Chuẩn tín hiệu và chuẩn hộ thống 480
B.3 Phép phân tích giá trị suy biến (SVD) 483
B.4 Ma trận khuếch đại tương đối (RGA) 486
2 Chương 1 Mở DẦU

Mục đích của chương rriở đầu này là cung cắp cho người đọc cái nhìn sơ lược
về bản chất vả mục đích của điều khiển quá trình, tổng quan về các chức năng
và thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình và các nhiệm vụ
đặt ra cho người kỹ sư.
1.1 Điều khiển quá trình là gì?
Trong nội dung cuốn sách này, khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng
dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiẽn. vận hành và giám sát các quả
trinh công nghệ, nhằm đám bảo chắt lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an
toàn cho con người, máy móc và môi trường.
Đế làm rỏ định nghĩa này, những mục tiếp theo sẽ lần lượt, cung cấp một số
khái niệm cơ bản và phân tích những vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình.
1.1.1 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 hiến đổi, vận chuyển
hoặc lưu trữ (IEC60050-351 [1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 [4]). Quá trình
công nghệ là những quá trình liên quan tới biến dổi, vận chuyến hoặc lưu trữ vật
chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản
xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp
liệu, trao đối nhiệt, pha chế hổn hợp, nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một
tổ hợp lò phản ứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin. Quá trình
kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc/và được: can
thiệp. Khi nói tới một quả trình kỹ thuật, ta hiểu là quả trình công nghệ cùng
với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành. Sự phân biệt
giữa hai khái niệm ‘quá trình kỹ thuật’ và ‘quả trình công nghệ’ ủ đây không
phải là vấn đề từ ngừ, mả chỉ nhằm mục đích thuận tiện cho các nội dung trình
bày sau này. Từ nay về sau, nếu không Iihấn mạnh thì klìái niệm ‘quả trình’ có
thể được hiểu là ‘quá trình còng nghệ’ hoặc ‘quá trình kỹ thuật’ tùy theo ngữ
cảnh sử dụng.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thế hiện qua các biến
quá trinh. Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được

minh họa trên Hình 1-2. Một biến vào là một dại lượng hoặc một diều kiện phản
ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt
độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơ-le sợi đốt, Một biến ra là
một đại lượng hoặc một diều kiện thể hiện tác động cua quá trình ra bên Iigoài,
ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường
hay quá cao, Nhìn từ quan điểm của lý thuyết hệ thống, các biến vảo thế hiện
1.1 Điều KHIỂN QUẤ TRÌNH LÀ GÌ?
3
Dién vảo
r

— 1

1
Dién điều khiển Nhiều
Vật chất
Năng lượng
Thông tin
Hình 1-2: QuÁ THÌNH VÀ PHÂN LOẠI BIEN quá trình
nguyên nhản trong khi các biến ra thể hiện két quả (quan hệ nhân-quả). Bên
cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái. Các
biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ
lò, áp suất hơi hoặc mức chắt lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại
lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, á]) suất hoặc mức.
Trong nhiều trường hợp, một biến trạng thái cũng có thể được coi là một biến
ra. Ví dụ, mức nước trong một bỉnh chứa vừa có thế coi là một biến trạng thái,
vừa có thể coi là một biến ra.
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trinh là can thiệp
các biến vào của quá trình một cách hợp lý đổ các biến ra của nó thỏa màn các
chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiổu ảnh hưởng xấu của quá trinh kỷ thuật

đối với COI1 người và mồi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá
trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt (lộng của các thành phần trong hệ
thống cần được theo dõi và giám sát chặt chõ. Tuy nhiên, trong một quá trình
công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải
biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
Biến cần điều khiển (controlled variable, CVJ là một biến ra hoặc một biến
trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị
mong muốn hay giá trị đặt (set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín
hiệu mẫu (command variable/reference signal). Các biến cần điều khiến liên quan
hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản
phẩm. Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều
khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Các biến ra hoặc
biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị.
Vật chất
Nàng lượng
Thông tin
Biến trạng thái
______
]■ I
_____
Biến không cần
diều khiển
Biến ra
_J L_
Dỉếti cần diều
khiên
Biến không cần
điều khiên
4
Chương 1 Mờ ĐẦU

Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của. quá trình có
thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn.
Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiến tiêu biểu nhắt.
Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp
trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu. Nhiễu tác dộng tới
quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ
hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiều có
đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise).
Nhiễu quả trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố
hữu nhưng không can thiộp được, ví dụ trọng lượng hảng cần nâng, lưu lượng
chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, v.v Còn nhiều đo hay nhiễu tạp là nhiễu
tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được.
Lưu ý rằng, cần phân biệt rạch ròi giữa các đầu vào/ra công nghệ và đầu
vảo/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống. Nhìn từ phía công nghệ thì các dầu vào và
đầu ra của một quá trình có thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan
điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới thông tin thể hiện qua các biến quá trình.
Hình 1-3 minh họa một bình chứa chất lỏng đdn giản cùng với các biến đặc
trưng. Đây là một quá trĩnh công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyến và
lưu trữ. Mặc dù chất lỏng chảy vào và ra khỏi bình, nhưng cả lưu lượng vào và
lưu lượng ra đều được coi là các biến vào, trong khi mức chất lỏng /i vừa có thể
coi là một biến trạng thái hoặc là một biến ra của quá trình. Bài toán điều khiến
đặt ra là thông qua điều chỉnh độ mở van cấp, thay đổi lưu lượng vào Fi một
cách hợp lý để duy trì mức trong bình h ổn định tại một giá trị mong muốn,
không phụ thuộc vào lưu lượng ra F0. Có thế dễ dàng thấy, mức chất lỏng li là
biến cần điều khiển và lưu lượng vào Fi là biến điều khiển. Trong khi đó, lưu
lượng ra F0 phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của quá trình tiếp theo, không thể
can thiệp được ở đây, vì vậy được coi là nhiễu quá trình hay nhiễu tái
Biến vàừ

Nhiễu F0 Biến ra

Biến cần
điều khiên /.
a) Sơ dồ công nghệ b) Sơ dò khối
Hình 1-3: BÌNH CHỨA CHAT LÒNG VÀ CÁC BIEN QUẤ trình
1.1 Đlèu KHIẾN QUÁ TRÌNH LÀ GÌ?
5
Các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được. Trong đa số các
trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được. Tuy nhiên nếu
phép đo một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có
thể được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng
khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp. Vì thế, một biến cần điều khiển trong
một số trường hợp chưa chắc sê là một biến được điều khiển. Ví dụ, đối với các
tháp chưng luyện thì biến cần điều khiển là thành phần sản phẩm ra. Tuy nhiên,
phép đo thành phần hóa chất thường rắt chậm và kém chính xác, hơn nữa ảnh
hưởng của nhiễu được phản ánh rắt chậm trong thay đổi thành phần sản phẩm
ra. Thực tế, người ta có thể chọn biến được điều khiển là nhiệt độ đỉnh tháp
cũng như nhiệt độ đáy tháp, với lý do thành phần sản phẩm có quan hệ chặt chẽ
với nhiệt độ, giá trị nhiệt độ dề đo hơn và phản ánh nhanh hơn ảnh hưởng của
nhiễu.
Trong nhiều bài toán, việc nhận biết các biến quá trình cũng như lựa chọn
các biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ cùng dễ
dàng. Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thiết kế hệ
thống điều khiển mà ta sẽ bàn kỹ hơn trong các chương sau.
1.1.2 Phân loại quá trình
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau.
Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Một quá trình
chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì
được gọi là quá trinh đa biến. Một quá trình một vào-một ra còn được gọi tắt là
SISO (single-input single-output), quá trình nhiều vào-nhiều ra được gọi là
MIMO (multi-input multi-output). Có thể nói, hầu hết quá trình công nghệ đều

là đa biến.
Dựa trên đặc tính của những đại lượng dặc trưng (biến đầu ra hoặc biến
trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên
tục, quá trinh gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ. Trong một quá
trình liên tục, các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc
biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đâ đạt được trạng
thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành.
Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến tương tự, tức
chúng có thể lắy một giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn. Quá trình trao đổi
nhiệt, quá trình bay hơi, quá trinh vận chuyển chắt lỏng và chất khí là các ví dụ
quá trình liên tục tiêu biểu. Một quá trình gián đoạn (hay còn gọi là quá trinh
không liên tục) có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào
ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định.
6 Chương 1 Mở uẦu
Trong một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại
một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu
hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy, các đại
lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến
số nguyên, trường hợp đặc biệfr là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến
logic (cho các trạng thái logic). Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trình phục
vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ quá trình rời rạc tiêu biểu.
Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp {hệ laị hybrid system), có đặc
trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động
theo một qưy trình thao tác (công thức, recipe) cho trước và tồn tại trong một
khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ. Các đại lượng đặc trưng
của một quá trình mẻ bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt,
yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá
trình mẻ. Các quá trinh phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trình lên men
(bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ.
Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp

chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế
tạo và lắp ráp. Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trước
hết tới các quá trình liên tục và quá trình mẻ. Tuy nhiên, ngay cả trong những
nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trinh rời rạc, ví dụ quá trình nhập-
xuắt hàng, vận chuyển, đóng bao, đóng chai, khởi động/dừng thiết bị, v.v
1.1.3 Bài toán điều chỉnh và bài toán bám
Nhìn từ quan điểm của lý thuyết điều khiển, ta có thể phân biệt giữa bài toán
điều chỉnh (regulation problem) và bài toán bám (trackỉng problem) hay cơ chế
servo (servo mechanism). Nhiệm vụ điều chỉnh là thiết lập hoặc duy trì đầu ra
tại một giá trị đặt cho trước trong khi có tác động của nhiễu, trong khi yêu cầu
của điều khiển bám là đầu ra bám theo một tín hiệu chủ đạo liên tục thay đổi
(biết trước hoặc không biết trước). Hình 1-4 minh họa sự phân biệt hai bài toán
này. Trong điều khiển quá trình thì bài toán điều chỉnh chiếm vai trò chủ yếu,
bởi các giá trị đặt thường cố định hoặc ít thay đổi trong chế độ vận hành bình
thường. Các ví dụ tiêu biểu cho bài toán điều chỉnh bao gồm điều chính nhiệt độ,
lưu lượng, áp suất, mức và nồng độ. Trong khi đó, bài toán điều khiển bám được
quan tâm nhiều hơn trong lĩnh vực điều khiển máy móc, điều khiển chuvển động.
Tuy nhiên, điều khiển bám cũng có những vai trò nhất định trong các hệ thống
điều khiển quá trình, ví dụ trong bài toán khởi động/dừng hệ thống, thay đổi
chế độ vận hành hoặc điều khiển quá trình theo mẻ. Mặc dù có những điểm khác
nhau cần chú ý trong thiết kế, hầu hết những công cụ của lý thuyết điều khiển
tự động đều áp dụng được cho cả hai loại bài toán này.
1.1 ĐlỀư KHIẾN quá trình là gì?
7
a) b)
#
Hình 1-4: BÀI TOÁN ĐlỀU CHÍNH (a) VÀ BÀI TOẤN BÁM (b)
(P V : biến dược điều khiển, SP: giá trị đặt, tín hiệu chủ đạo)
Trong bài toán điều chỉnh tự động ta cũng cần phân biệt giữa yêu cầu điều
khiển loại bỏ nhiễu (disturbance rejection) với yêu cầu điều khiển bám giá trị

đặt (setpoint tracking). Điều khiển loại nhiễu cần duy trì biến được điều khiển tại
một giá trị đặt cố định, tức là phải triệt tiêu hoặc giảm hẳn ảnh hưởng của
nhiễu. Điều khiển bám giá trị đặt đưa quá trình tới một điểm làm việc mới,
trong đó biến được điều khiển cần bám nhanh và chính xác theo giá trị đặt đã
thay dổi. Qua minh họa trên Hình l-4b ta có thể thấy rõ các đáp ứng hệ thống
khác nhau giữa trường hợp thay đổi giá trị đặt với tác động nhiễu. Đối với các
quá trình vận hành liên tục, giá trị đặt ít thay đổi hoặc thay đổi trơn tru nên
yêu cầu loại bỏ nhiễu thực ra có vai trò quan trọng hơn.
1.1.4 Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình
Lĩnh vực ứng dụng điều khiển quá trình là các ngành công nghiệp chế biến, khai
thác và năng lượng. Để có thể thiết kế cũng như vận hành tốt các hệ thống điều
khiển quá trình, trước hết người kỹ sư điều khiển cần hiểu rõ các vắn đề đặc thù
trong lĩnh vực này.
Qui mô ứng dụng
Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá trình có quy
mô vừa và lớn, khác với điều khiển máy, điều khiển chuyển động hoặc điều khiển
các dây chuyền gia công, lắp ráp. Qui mô ở đây có thể được hiểu theo hai nghĩa,
quy mô về phạm vi chức năng điều khiển cần thực hiện và quy mô về mặt tổ
chức sản xuất. Mỗi nhà máy hóa chất, nhà máy lọc dầu, nhà máy xi măng hoặc
nhà máy điện đều bao gồm nhiều khu vực và phân đoạn liên quan tới nhau. Ví
dụ, một nhà máy nhiệt điện bao gồm các khu vực lò hơi, khu vực turbin-máy
8
Chương 1 Mờ ĐẦu
phát, hệ thống cắp than, hệ thống xử lý nước cấp và nước thải, trạm phân phối
và biến thế, Trong mỗi khu vực hoặc phân đoạn bao gồm nhiều tổ hợp thiết bị
và quá trình công nghệ (gọi là tổ hợp công nghệ). Mỗi tổ hợp công nghệ ở đây lại
bao gồm các quá trình nhiều vào-nhiều ra không dễ dàng điều khiển. Đương
nhiên hệ thống điều khiển cũng phải được thiết kế tương ứng vối cấu trúc của
nhà máy, song việc phân chia khu vực một cách hợp lý, và điều khiển phối hợp
các quá trình tương tác không phải là vấn đề đơn giản, số lượng điểm vào/ra có

thể từ vài trăm cho tới vài nghìn, thậm chí lên tới vài chục nghìn, đặt ra các yêu
cầu rất cao cho chức năng quản lý dữ liệu và vận hành-giám sát. Khoảng cách
giữa các khu vực sản xuất, giữa các công đoạn trong dây chuyền có thể từ vài
trăm cho tới vài nghìn mét, vì thế việc thiết kế cấu trúc hệ thống phân tán liên
quan tới nhiều yếu tố kỹ thuật như khả năng phối hợp điều khiển, khả năng
giám sát vận hành, độ tin cậy và chi phí đầu tư.
Độ tin cậy và tính sẵn sàng
Bên cạnh quy mô sản xuất lớn, các nhà máy trong ngành hóa chất hoặc năng
lượng đều có yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống điều
khiển, bởi sự ngưng trệ sản xuất trong ít giờ hoặc ít ngày có thể dẫn tới thiệt hại
nghiêm trọng về mặt kinh tế. Khác với các dây chuyền chế tạo và lắp ráp, các
quá trình công nghệ chủ yếu được vận hành liên tục (hoặc theo mẻ), bất cứ một
sự ngưng trệ nào không những làm giảm năng suất, mà còn có thể làm hỏng các
trang thiết bị công nghệ, đó là chưa nói tới các trường hợp sự cố có thể gây ra
hậu quả nghiêm trọng tới con người và môi trường xung quanh. Do đó việc đảm
bảo độ tin cậy và tính sẵn sàng cao là một trong những chức năng quan trọng
của hệ thống điều khiển quá trình. Yêu cầu về độ tin cậy cao làm tăng chi phí
đầu tư cho giải pháp diều khiển, mặc dù vậy chi phí này chỉ chiếm một phần nhỏ
so với cả hệ thống thiết bị cơ-điện và thiết bị công nghệ.
Chức năng điều khiển
Như đã đề cập, bài toán điều chỉnh là chức năng tiêu biểu và quan trọng nhắt
trong một hệ thống điều khiển quá trình. Các đại lượng cần quan tâm trong một
quá trình công nghệ trước hết là các biến liên tục và tương tự (lưu lượng, áp
suất, mức, nhiệt độ, thành phần), đặt ra các yêu cầu đặc trưng cho khả náng
chuyển đổi và xử lý tín hiệu của các thiết bị đo, điều khiển và chấp hành. Các
thuật toán điều chỉnh liên quan tới các số thực (dấu phảy động), vì thế hệ vi xử
lý của bộ điều khiển cũng phải có khả năng thực hiện các thuật toán một cách
hiệu quả. Bên cạnh đó, các chức năng khác như điều khiển khóa liên động, diều
khiển trình tự, thu thập dữ liệu cũng cần được chú ý. Việc thực thi đồng thời
nhiều vòng điều chỉnh cùng các chức năng điều khiển khác đặt ra các yêu cầu về

khả năng đáp ứng tính thời gian thực của hệ thống. Tuy nhiên, phần lớn các đại
1.1 ĐlỀU KHIỀN QUÁ TRÌNH LÀ c;ì?
9
lượng đặc trưng của quá trình công nghệ diễn biến tương đối chậm nếu so với
các đại lượng của bài toán điều khiển chuyển động trong các ứng dụng gia công
cơ khí, vì thế yêu cầu về tính năng thời gian thực ít ngặt nghèo hơn. Các phương
phảp điều khiển được áp dụng ở đây có thể không phải xuất phát từ các lý
thuyết tiên tiến nhắt, nhưng là các phương pháp rất tin cậy và đả được kiểm
chứng nhiều trong thực tế.
Khả năng vận hành và điều khiến của quá trình
Khả nàng vận hành của một quá trình công nghệ liên quan tới thiết kế công
nghẹ và các điều kiện ràng buộc liên quan. Giới hạn vật lý của các trang thiết bị
cũng như những quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng là những trở ngại không
nhỏ trong việc thực hiện giải pháp điều khiển. Đặc biệt, các quá trình công nghệ
hiện đại thường được thiết kế tối ưu về mặt an toàn, tiết kiệm năng lượng và chi
phí đầu tư, nhưng lại gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế điều khiển. Ví dụ, các
bình chứa nhỏ tiết kiệm được chi phí và giảm thiểu nguy cơ rò rỉ hoặc cháy nổ
nhưng lại đặt ra một bài toán khó cho việc duy trì hệ thống vận hành ổn định
bởi sự tương tác mạnh giữa các quá trinh kế tiếp nhau. Thực tế là người kỹ sư
thiết kế điều khiển rất khó có thể can thiệp vào việc thay đổi thiết kế công nghệ.
Ngay cả khi quá trình công nghệ là một đối tượng dể điều khiển về mặt toán
học, tức là ta hoàn toàn có thể đưa ra các luật điều khiển để đạt các chỉ tiêu
chất lượng một cách lý tưởng, song các luật điều khiển đó không thể thực hiện
được do các điều kiện ràng buộc. Mỗi thiết bị chắp hành chỉ có hiệu lực trong
một phạm vi làm việc bởi sự ràng buộc về mặt vật lý. Đặc tính động học của
mỗi van điều khiển, mỗi động cơ hoặc máy bơm cũng chỉ có giới hạn, chúng
không thể tác động nhanh tùy ý theo yêu cầu của thuật toán điều khiển. Bên
cạnh đó, do yêu cầu về chế độ vận hành, một số biến trạng thái cũng như biến
ra cũng phải thỏa mãn một số điều kiện ràng buộc về giá trị và tốc độ biến
thiên. Điều này gảy ra khỏ khản lim cho người kỹ sư điều khiển, bởi hầu hết các

phương pháp điều khiển hiện nay không đưa các điều kiện ràng buộc trực tiếp
vào trong bài toán thiết kế.
Mô hình không chính xác
Các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học của
đối tượng. Tuy nhiên, việc xây dựng ưiô hình toán học của các quá trình công
nghệ thường gặp rất nhiều khó khăn do chúng đều là các đối tượng MIMO, chứa
đựng nhiều quan hệ vật lý, hóa học hoặc sinh học rất phức tạp. Đặc biệt, việc
tiến hành thực nghiệm không phải dễ dàng do liên quan tới vận hành hệ thống
lớn và chi phí rất tốn kém. Do vậy, các mô hình toán học nếu có được thì thưòng
chỉ là gần đúng vì đả bỏ qua rất nhiều yếu tố động học và các yếu tố khác.
10
Chương 1 Mờ ĐẰư
1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu
quả và kinh tế cho quá trình công nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một
hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển
và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Việc đặt
bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt
đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển. Phân
tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cằn
thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình.
Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân
loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:
1. Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động
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.
2. Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẳm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm
theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản
phẩm trong phạm vi yêu cằu.

3. Đảm bảo vận hành hệ thống 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.
4. Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí
thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và
khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu.
5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu
trong khi giảm chi phí nhân công, nguyẽn liệu và nhicn liệu, thích ứng nhanh
với yêu cầu thay đổi của thị trường.
Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ các chức năng điều khiển quá
trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa trên Hình 1-5. Hai
dòng nguyên liệu có thành phần chất A lần lượt là X\ và X2 được đưa vào thiết bị
khuấy trộn, tạo ra một sản phẩm có thành phần X theo yêu cầu. Lưu lượng khối
lượng của các dòng nguyên liệu được ký hiệu là W\ và U)2, có thể điều chỉnh qua
hai van cấp tương ứng. Quá trình pha chế được hỗ trợ bởi một hệ thống khuấy
trộn gắn động cơ. Dung dịch sản phẩm được đưa tới quá trình tiếp theo với lưu
lượng khối lượng w. Thiết bị khuấy trộn có thể hoạt động theo chế độ liên tục
hoặc theo mẻ, ở đây ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục.
1.2 Mục ĐÍCH VÀ CHỨC NĂNG DlỀư KHIẺN quá TRÌNH
11
Hình 1-5: ví DỤ THIẾT BỊ KHUẤY trộn đon giản
1.2.1 Vận hành ổn định
Đe đảm bảo một nhà máy vận hành ổn định và t.rơn tru, yêu cầu trước tiên là
từng tổ hdp công nghộ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự
phối hợp giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru. Trong lý thuyết điều khiển tự
động, chúng ta đã có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của một hệ thống
và cách xác định tính ổn định bằng các công cụ toán học và đồ họa. ơ đây tính
ổn định sẽ được diễn giải một cách thực tế, theo các yêu cầu vận hành của quy
trình công nghệ.
Có thể nói, một quá trình ổn định khi mà nó được duy trì ở trạng thái xác

lập hay nói cách khác là ở trạng thái cân bằng vật chất và năng lượng, có Iighĩa
là trạng thái mà lượng vật chất hoặc năng lượng tích lũy của nó không thay đổi.
Trong ví dụ pha chế dung dịch, việc đảm bảo hệ thống vận hành ổn định thể
hiện ở việc duy trì mức trong thiết bị khuấy trộn cũng như thành phần sản
phẳm ở các giá trị cố định hoặc ít nhất là nằm trong một khoảng giới hạn cho
phép. Cả hai yêu cầu này đều xuất phát từ nguyên lý cân bằng vật chất của hệ
thống ở trạng thái xác lập. Có nghĩa là, khi hộ thống vận hành ổn định thì lượng
sản phẩm lấy ra đúng bằng tổng các thành phần đầu vào, lượng mỗi cấu tử có
mặt trong một sản phẩm đúng bằng tổng lượng cấu tử đó trong nguyên liệu.
Trong một số trường hợp khác, các yêu cầu về tính ổn định có thể xuất phát từ
các nguyên lý cân bằng năng lượng, cân bằng pha, cân bằng phản ứng hóa học
hoặc cân bằng động lực học.
Tại sao việc vận hành ổn định một quá trình lại có vai trò quan trọng như
vậy? Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cản bằng vật chất
hoặc năng lượng, dần đến đảm bảo các yêu cầu về chế độ làm việc của các thiết
bị công nghệ như tránh tràn hoặc tránh cạn bình chứa, tránh quá áp, quá nhiệt
trong lò hơi, Thứ hai, một hệ thống vận hành ổn định, trơn tru cũng đồng
12
Chương 1 Mở ĐẦư
nghĩa với việc tín hiệu điều khiển được giữ cố định hoặc ít thay đổi. Cũng chính
vì vậy, các thiết bị chấp hành ít phải làm việc hờn hoặc ít phải thay đổi chế độ
làm việc hơn, tuổi thọ máy móc, thiết bị sẽ được kéo dài. Trong chế độ vận hành
Ổn định và trơn tru, các van điều khiển không phải thay đổi độ mở một cách
thường xuyên hoặc không phải thay đổi một cách đột ngột, các động cơ không
phải thay đổi tốc độ một cách quá nhanh. Thứ ba, hệ thống có vận hành ổn
định mới có thể ổn định năng suắt và chất lượng sản phẩm theo yêu cầu. Hơn
nữa, hệ thống vận hành ổn định thì người vận hành cũng ít phải can thiệp và
việc vận hành hệ thống trở nên thuận tiện và an toàn hơn.
Trong thực tế không phải một hệ lúc nào cũng ở chế độ vận hành bình
thường, liên tục mà còn các giai đoạn khởi động hoặc dừng, điểm làm việc cũng

có thể thay đổi do yêu cầu thay đổi giá trị đặt hoặc do tác động của nhiều và vì
thế có các quá trình quá độ. Ví dụ, nhiều thiết bị khuấy trộn có thể vận hành
theo mẻ với các sản phẩm khác nhau, hoặc trong khi vận hành liên tục người ta
có thể yêu cầu thay đổi lưu lượng hoặc nồng độ của sản phẩm ra. Bản thân
nhiều quá trình không có tính tự cân bằng (không ổn định), vì thế chỉ một thay
đổi nhỏ biến đầu vào cũng có thể đưa quá trình tới trạng thái mất ổn định. Bất
kể đặc tính động học của quá trình ra sao, giá trị đặt thay đổi hoặc tác động của
nhiễu thế nào, nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng
thái vận hành ổn định, có thể tại một điểm làm việc mới. Đó cũng chính là một
nhiệm vụ thuộc phạm vi chức năng điều chỉnh, chức năng quan trọng nhắt
trong một hệ thống điều khiển quá trình.
1.2.2 Năng suất và chất lượng sản phẩm
Trong lĩnh vực công nghệ hóa học và thực phẳm, chất lượng sản phẩm hầu hết
được thể hiện trực tiếp qua thành phần hóa học, nồng độ, mật độ và một số tính
chất hóa học hoặc vật lý khác. Trong khi đó, năng suất thường được thể hiện
qua lưu lượng sản phẩm. Nhiệm vụ đảm bảo chắt lượng sản phẩm và Iiăng suất
cũng thuộc về chức năng điều chỉnh.
Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản
phẩm. Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn. Đe đảm bảo chất
lượng sản phẩm, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại
một giá trị bất kỳ, mà phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và
nằm trong một phạm vi cho trước. Trong ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng
sản phẩm đòi hỏi thành phần ra không những ổn định mà còn phải đảm bảo
đúng theo một giá trị đặt trước, hoặc ít ra là với một sai lệch nằm trong phạm
vi cho phép. Như vậy sai lệch điều khiển, hay nói đúng hơn, diễn biến của sai
lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượnị
quan trọng.
1.2 Mục ĐÍCH VÀ CHỨC NẰNG DlỀu KHIEN QưẤ trình
13
Cần lưu ý rằng, chất lượng điều khiển có vai trò quyết định tới, nhưng không

đồng nghĩa với chất lượng sản phẩm. Chất lượng điều khiển cao thì mới có thể
cải thiện chất lượng sản phẩm, tuy nhiên chất lượng sản phẳm còn phụ thuộc
nhiều yếu tố khác, ví dụ tính toán giá trị đặt. Mặt khác, mục đích của điều
khiển không phải là mang lại chất lượng sản phẩm cao nhất, mà chỉ cần duy trì
trên một ngưỡng yêu cầu nào đó. Tuy nhiên, như ta sẽ thấy, chất lương điều
khiển tốt nhắt luôn luôn là điều mong muốn.
Trong nhiều quá trình công nghệ, phép đo thành phần hóa học rất phức tạp
dẫn đến việc phản tích chắt lượng sản phẩm không phải bao giờ cũng có thể
thực hiện được nhanh, thậm chí nhiều khi không thể thực hiện trực tuyến. Do
đó, việc điều khiển đảm bảo chất lượng chất lượng không thể dựa vào chức năng
điều chỉnh tự động mà phải được tiến hành ở một mức cao hơn. Chức năng điều
khiển cao cấp đó được gọi là điều khiển chất lượng (qualỉty control) và phần hệ
thống thực hiện chức năng đó được gọi là hệ thống điều khiển chất lượng (quality
control system, QCS). Trên cơ sở theo dõi chất lượng sản phẳm (trực tuyến hoặc
qua phân tích trong phòng thí nghiệm), điều khiển chất lượng đưa ra các quyết
định điều khiển vận hành (chọn chế độ điều khiển, thay đổi tham số bộ điều
khiển, tính toán các giá trị đặt) để đảm bảo chất lượng sản phẩm theo yêu cầu.
Một phạm trù các phương pháp điều khiển chắt lượng dựa trên lý thuyết thống
kê được biết tới với cái tên điều khiển thống kẽ (statistical process control, SPỮ).
Điều khiển thống kê sử dụng các phương pháp đánh giá thống kê để xác định
mối liên quan giữa các biến quá trình với các thông số sản phẩm (chủ yếu liên
quan tới chất lượng), tìm ra các yếu tố ảnh hưởng tốt và xấu tới quá trình điều
khiển, từ đó đưa ra các biện pháp can thiộp thích hợp.
1.2.3 Vân hành an toàn
Bất. cứ một giải pháp điều khiển quả trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo
vận hành hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ con người, các thiết bị máy
móc và môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố. Chính vì tầm
quan trọng của vấn đề an toàn cho máy móc, con người và môi trường, chi phí
cho đảm bảo chức năng này đối với một số hệ thống có thể vượt xa chi phí cho
thực hiện các chức năng điều khiển thuần túy.

Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ,
áp suất nằm trong một giới hạn an toàn cho phép. Do đặc thù của mỗi quá trình
công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng
sản phẩm, nhưng cùng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại gần một giá
trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm vi nhất định. Ví dụ, dù cho hệ thống
động cơ khuấy trộn có thể đạt tốc độ quay rắt cao thì yêu cầu an toàn của hệ
thống cũng không cho phép đặt một tốc độ cao tùy ý. Vì thế, việc khống chế tốc
14
Chương 1 Mở ĐẦư
độ động cơ là điều cần thiết. Cũng như vậy, mặc dù mức trong bình không anh
hưởng một cách quyết định tới chắt lượng sản phẩm được pha chế thì yêu cầu an
toàn cũng không cho phép giá trị mức quá cao, hoặc quá thấp rrià đồng thời hệ
thống động cơ khuắy đang hoạt động. Cho nên bài toán điều khiển mức ở đây
vừa đảm bảo nguyên lý cân bằng vật chất, vừa đảm bảo an toàn hệ thống.
Trong các ví dụ khác như nồi hơi hoặc thiết bị phản ứng thì việc điều chỉnh,
khống chế các giá trị mức, nhiệt độ, áp suất là các bài toán hết sức quan trọng.
Chức năng điều chỉnh chỉ là một trong hàng loạt biện pháp cằn thiết bảo
đảm vận hành an toàn cho hệ thống, cần lưu ý rằng, một hệ thống thiết bị tự
động tối tân nhất cũng vẫn có thể bị lỗi, ngay cả khi có cơ chế dự phòng thích
hợp. Vì thế, con người cần phải liên tục theo dõi diễn biến của quá trình và giám
sát trạng thái hoạt động của hệ thống thiết bị. Chức năng ghi chép (recordiĩig),
hiển thị (indication) và báo động (alarrn) giúp người vận hành theo dõi được các
tình huống bất thường của hệ thống điều khiển và của quá trình kỹ thuật, qua
đó có rihững thao tác can thiệp thích hợp.
Tuy nhiên, một người vận hành có trình độ cao và giầu kinh nghiệm đến mấy
cũng không tránh khỏi mắc sai lầm. Mặt khác, trong rất nhiều trường hợp người
vận hành không thể phát hiện đầy đủ hoặc phát hiện kịp thời nguy cơ sự cố
cũng như không thể có phương tiện can thiệp nhanh. Vì vậy, một hệ thống cùng
phải có khả năng ngăn cản các thao tác vận hành sai cũng như khả năng tự
động phát hiện các tình huống nguy hiểm và tự động thực hiện các chức năng

bảo vệ (protection) như ngắt cách ly hoặc dừng khẩn cấp mà không cần có sự
can thiệp của con người. Việc tự động thực hiện các biện pháp đó dựa vào sách
lược điều khiển khóa liên động (interlock control) cùng với các trang thiết bị an
toàn, thiết bị bảo vệ (công tắc an toàn, nút dừng khẩn cấp, rơ-le an toàn, ).
1.2.4 Bảo vệ môi trường
Một hệ thống vận hành an toàn, không để xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo vệ
môi trường. Tuy nhiên, vấn đề bảo vệ môi trường cần được chú trọng hơn thông
qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn
chế lượng bụi và khói. Dễ thấy, mức độ ô nhiễm môi trường của một nhà máy
một phần liên quan tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng, nhưng một
phần không nhỏ thuộc trách nhiệm của hệ thống điều khiển. Việc giảm thiểu
hoặc ít nhất là duy trì các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho
phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh và chức năng vận hành. Ví dụ, để
giảm thiểu lượng c o 2 và bụi than trong khí thải của lò hơi đốt than, bài toán
điều chỉnh đặt ra là duy trì tỉ lệ giữa lượng nhiên liệu (bột than) và không khí ở
một giá trị thích hợp tùy theo nồng độ oxy trong không khí và chất lượng than.
1.2 Mục ĐÍCH VÀ CHỨC NĂNG ĐỉỀu KHIẺN QUÁ TRÌNH
15
Việc giảm tiêu thụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng một mặt nâng cao hiệu
quả kinh tế, mặt khác cũng góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi
trường. Đây củng là một vấn đề thuộc trách nhiệm chung của những nhà thiết
kế công nghệ cùng những người thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển, cần
lưu ý rằng, những dây chuyền công nghệ mới cho phép vận hành với hiệu suất
cao, tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu thông qua những chu trình kết hợp,
chu trình khép kín và tái sử dụng năng lượng, nhưng lại thường là những quá
trình rắt khó điều khiển, điều kiện vận hành rất bị ràng buộc, đặt ra yêu cầu
ngày càng cao hơn cho các chức năng điều khiển quá trình.
1.2.5 Hiệu quả kinh tế
Đe đạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải
đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, mà năng suất phải thích ứng được với yêu cầu

thị trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra)
cũng như tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu. Rõ ràng, bài toán đặt ra là ta
phải cân nhắc giữa chi phí cho các tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn
thiết bị) với chất lượng sản phẳm. Ví dụ, để cải thiện chất lượng điều khiển
nhiều khi ta cần các thuật toán tác động nhanh. Tuy nhiên, tác động nhanh
thường đồng nghĩa với việc tổn hao nhiều năng lượng cho các cơ cắu chấp hành
(động cơ, máy bơm, van điều khiển), đồng thời tác động nhanh cũng thường dẫn
đến giảm tuổi thọ cho các thiết bị. Cách giải quyết thông thường là đảm bảo
chắt lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm thiểu chi phí cho các tác
động điều khiển. Một cách giải quyết khác là xây dựng và giải quyết bài toán
điều khiển tối ưu, trong đó chất lượng điều khiển và chi phí điều khiển được đặt
chung với các trọng số khác nhau trong một hàm mục tiêu cần cực tiểu (điều
khiển tối ưu).
Không phải bao giờ cốc mục đích điều khiển cụng có thể dễ dàng hòa đồng.
Việc nâng cao hiệu quả kinh tế chưa chắc hòa đồng với mục đích bảo vệ môi
trường bởi chi phí bổ sung cho các hệ thống lọc bụi, xử lý khí thải và nước thải.
Việc nâng cao chất lượng sản phẩm chưa chắc đă đồng nghĩa với nâng cao hiệu
quả kinh tế bởi yêu cầu chi phí vận hành lớn. Nhưng nếu để nồng độ các chất
độc hại trong khí thải hoặc nước thải vượt quá một tiêu chuẩn cho phép thì có
khả năng nhà máy sẽ bị đóng cửa, hoặc nếu chất lượng sản phẩm xuống thấp
dưới một ngưởng tiêu chuẩn nào đó thì khách hàng sẽ không chấp nhận và lợi
nhuận sẽ bị sụt giảm nặng nề. Thật ra, mục đích cuối cùng của việc ứng dụng
điều khiển tự động các quá trình công nghệ vẫn là nâng cao hiệu quả kinh tế về
lâu dài. Thông thường, hệ thống vận hành càng gần với các điều kiện ràng buộc
thì chi phí vận hành càng nhỏ và lợi nhuận giành được sẽ là cao nhất. Một trong
những vai trò quan trọng của điều khiển là làm sao duy trì được chất lượng sản
16
C hương 1 M ờ ĐAU
Giới hạn ràng buộc trên
Điểm làm việc

không kinh tế
Điểm làm.
việc kinh tế
Giới hạn ràng buộc dưới
Hình 1-6: Hiệu QUẢ KINH TẾ PHỤ THUỘC ĐIỂM LÀM VIỆC VÀ CHAT
LƯỢNG ĐIÊU KHIỂN
phẩm thật ổn định và đạt vừa đủ yêu cầu để người vận hành có thể đưa các giá
trị đặt đến gần sát với ngưỡng cho phép. Như vậy, cùng với việc lựa chọn điểm
làm việc tối ưu thì chắt lượng điều khiển tốt nhắt (không đồng nghĩa với chất
lượng sản phẩm tốt nhất) sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất (Hình 1-6).
Rõ ràng, việc nâng cao hiệu quả kinh tế là một bài toán tối ưu. Điều khiển hệ
thống nồi hơi-turbin trong các nhà máy nhiệt điện đế đảm bảo cung cấp điện
năng theo đúng yêu cầu trong khi giảm thiểu chi phí nhiên liêu là một ví dụ tiêu
biểu. Bài toán tối ưu có thể đặt ra ở hai mức khác nhau là tối ưu hóa thời gian
thực (real-time optimization) và tối Uu hóa quá trình (process optimization). Tối
ưu hóa thời gian thực mang tính chất cục bộ cho một tổ hợp thiết bị công nghệ,
được tiến hành trực tuyến trên cơ sở các số liệu thời gian thực. Trong khi đó, tối
ưu hóa quá trình được tiến hành cho cả quy trình công nghệ (hoặc ít ra là một
phân đoạn trong quy trình công nghệ), dựa trên cơ sở các số liệu thống kê quá
khứ. Cả hai hình thức tối ưu hóa này đều là các chức năng điều khiển cao cấp,
dựa trên phương pháp giải bài toán tối ưu để tìm ra chế độ vận hành và các giá
trị đặt thích hợp cho các vòng điều khiển cấp dưối để giảm thiểu chi phí sản
xuất cũng như thời gian chu kỳ sản phẩm.
1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
Việc phân tích các mục đích điều khiển ở phần trên cũng đã làm rõ được các
chức năng quan trọng của một hệ thống điều khiển quá trình. Theo quan niệm
cổ điển, chức năng điều khiển quá trình bó hẹp trong bài toán điều chỉnh tự
động cho các quá trình liên tục, trong đó biến đầu ra được duy trì tại một giá trị
đặt cố định. Đặc thù của các dây chuyền công nghệ này là các quá trình biến đổi
về chất hoặc biến đổi năng lượng, chính vì vậy điều chỉnh tự động có vai trò

hàng đầu. Tuy nhiên, trong nhiều dây chuyền sản xuất hiện đại, các quá trình
công nghệ diễn ra liên tục hoặc theo mẻ, các giá trị đặt có thể ít thay đổi hoặc
thay đổi liên tục. Bên cạnh đó, các yêu cầu về giảm tiêu thụ năng lượng, khả