bài giảng cở sở hệ thống điều khiển quá trình

C S IU KHIN QU TRèNH
(Process Control Fundamentals)
ThS.Bùi Tuấn Anh
Bộ môn Tự động hoá- Khoa Điện
Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên
2
Sách tham khảo
[1]. Giáo trình Cơ sở hệ thống điều khiển quá
trình do bộ môn Tự động hoá XNCN - Khoa
Điện.
[2]. Hoàng Minh Sơn; Cơ sở hệ thống điều khiển
quá trình; NXB Bách khoa Hà Nội, 2006
[3] Principles and Practice of Automatic Process
Control -Smith, C. A. (1997). (2nd ed.)
[4]Process Control Fundamentals-PAcontrol.com

3
Chƣơng 1. MỞ ĐẦU
1.1.GII THIU CHUNG
1.1.1. Khái niệm về quá trình và điều khiển quá trình
Điu khin qu trnh
Quá trình

Biến điều khiển
Nhiễu
Biến vào
Biến trạng thái
Biến ra
Biến không cần
điều khiển
Biến cần điều khiển

Biến không cần
điều khiển
Vật chất
Năng lượng
Thông tin
Vật chất
Năng lượng
Thông tin
Quá trình
Quá trình và phân loại biến quá trình
Biến cần điu khin (controller variable, CV)
Biến điu khin (manipulated variable, MV)
4
5
1.1.2. Phân loại quá trình
1.1.3. Mục đích và yêu cầu của điều khiển quá trình
1.2. CÁC THNH PHẦN CƠ BN CA H THNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH.
1.2.1.Cấu trúc cơ bản của một HT ĐKQT
6
7
1.2.2. Thiết bị đo:
8
1.2.3. Thiết bị điều khiển
9
1.2.4. Thiết bị chấp hành
10
1.3. MÔ T CHC NĂNG, LƢU Đ P&ID
1.3.1.Mô tả bằng đồ họa
11
1.3.2.Lƣu đồ P&ID

ANSI/ISA S5.1 (American National Standards Institute, International Society of
Automation )
DIN : Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN; in English, the German
Institute for Standardization)
12
Diễn giải ý nghĩa nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng
13
1.3.2.Lƣu đồ P&ID (tiếp)
14
Ý nghĩa các chữ cái
15
Ý nghĩa các chữ cái (tiếp)
16
Ví dụ: Bộ điều khiển trao đổi nhiệt
17
SIMATIC PCS 7 process control system- Siemens
18
CHƢƠNG II: MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH
 2.1 GII THIU CHUNG
 2.1.1. Mục đích của mô hình hóa quá trình
- Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía
cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần
phải xây dựng
- Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó
phục vụ hữu ích cho mục đích sử dụng
- Phân loại mô hình:
- Mô hình vật lí
- Mô hình trừu tƣợng
- Mô hình đồ họa: Sơ đồ. Lƣu đồ P&ID
- Mô hình toán học: hàm truyền, mô hình trạng thái

- Mô hình suy luận: cơ sỏ tri thức, luật
- Mô hình máy tính: chƣơng trình phần mềm

19
 Mô hình toán học giúp các kỹ sư công nghệ cũng như kỹ
sư điều khiển cho các mục đích sau đây:
- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận
hành.
- Tối ưu hoá thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ
thống.
- Thiết kế sách lực và cấu trúc điều khiển.
- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ
điều khiển.
- Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế.
- Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành.
20
2.1.2. Nguyên tắc chung của mô hình hóa quá trình
 Các yếu tố quan trọng nhất để đánh giá chất lượng mô
hình
 mức độ đơn giản,
 tính trung thực
 giá trị sử dụng.
 Mô hình tốt nhất là mô hình đơn giản nhất trong số các
mô hình đáp ứng yêu cầu về tính trung thực theo một
mục đích sử dụng nhất định
21
2.1.3. Các phƣơng pháp xây dựng của mô hình quá trình
 Mô hình hoá bằng lý thuyết ( mô hình hoá vật lý)
 Đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hoá học kết hợp với các
thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ,

 Kết quả nhận được là các phương trình vi phân và phương trình
đại số
 Mô hình hoá bằng thực nghiệm (phương pháp hộp đen
hay nhận dạng quá trình)
 Dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào -
ra thực nghiệm
 Phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và các tham
số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp.
 Mô hình kết hợp
 Mô hình hóa lý thuyết để xác định cấu trúc
 Mô hình thực nghiệm để ước lượng các tham số
22
2.1.3. Các phƣơng pháp xây dựng của mô hình quá trình
Quy trình mô hình hóa
23
2.2.PHÂN LOI MÔ HÌNH TOÁN HC
 2.2.1. Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến
 Một mô hình được gọi là tuyến tính khi quan hệ giữa các tín hiệu
vào/ra của nó thoả mãn nguyên lý xếp chồng( Minh họa, ưu điểm)
 2.2.2. Mô hình đơn biến và mô hình đa biến
 Mô hình có thể biểu diễn quan hệ giữa một biến vào và một biến ra
hoặc biểu diễn quan hệ giữa nhiều biến vào và nhiều biến ra của quá
trình( Minh họa)
 2.2.3. Mô hình tham số hằng/ tham số biến thiên
 Mô hình tham số hằng : các tham số mô hình không thay đổi theo
thời gian
 Mô hình tham sốbiến thiên: ít nhất 1 tham số mô hình thay đổi theo
thời gian

24

2.2.PHÂN LOI MÔ HÌNH TOÁN HC (tiếp)
 2.2.4. Mô hình tham số tập trung, mô hình tham số rải
 Giá trị của một biến quá trình không chỉ là hàm thời gian mà còn có
thể thay đổi theo không gian( ví dụ)
 2.2.5. Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn
 Mô hình liên tục mô tả quan hệ giữa các biến quá trình liên tục theo
thời gian. Nói một cách khác, các tín hiệu sử dụng trong mô hình là
các hàm liên tục theo thời gian.
 Mô hình gián đoạn chỉ phản ánh đặc tính quá trình tại những thời
điểm nhất định.
25
2.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HC BẰNG LÝ THUYẾT
2.3.1. Các bƣớc tiến hành
 1. Phân tích bài toán mô hình hoá:
 Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mô hình
 Xác định mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng.
 Phân chia thành các quá trình con
 Nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình
 Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản
hoá mô hình
 2. Xây dựng các mô hình
 Nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống
 Viết các phương trình cân bằng
 Đơn giản hoá mô hình bằng cách thay thế, rút gọn và đưa về dạng
phương trình vi phân
 Tính toán các tham số của mô hình dựa trên các thông số công nghệ
đã được đặc tả.