nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG
ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******************&&&******************

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
TÊ

N Đ Ề

T À

I :
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
PHƢƠNG
PHÁP
ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT L
Ƣ
ỢNG
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học viên:
Dƣơng
Mạnh Hòa
Giáo viên h
ƣ
ớng dẫn: TS. Võ Quang Vinh
Thái nguyên năm 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t

t p: / /

w w w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
MỤC LỤC
Mục lục
………………………………………………………………… 1
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
…………………………… …………….3
Mở đầu
………………………………………………………… ……….5
Chương1: Mở
đầu………………………………………………… ……10
1.1 Giới thiệu chung ……………………………………………………………10
1.1.1. Điều khiển quá
trình 10
1.1.2 Các tính chất của hệ điều khiển quá trình
………………… 11
1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá
trình……………………… 15
1.2.1. Cơ cấu chấp
hành……………….…….…………… … 15
1.2.2. Các cảm biến:…………………… ….……………… … 18
1.2.3. Các cảm biến áp
lực:
….………………
…… 22
1.3.Đặc điểm Điều khiển quá trình gia
nhiệt……………………………22
1.4.Kết

luận 23
Chương 2 : Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển quá
trình 24
2.1 .Đặt vấn đề
……………………… 24
2.2. Các phương pháp điều khiển cơ bản
24
2.2.1 Phương pháp điều khiển truyền
thẳng……………………… 24
2.2.2 Phương pháp điều khiển phản
hồi……………………………31
2.2.3. Phương pháp điều khiển tỉ lệ
……………………………….41
1.2.4 Phương pháp điều khiển tầng
……………………………….47
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t

t p: / /

w w w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
2.2.5 Phương pháp điều khiển suy diÔn………… 50
2.2.6 Phương pháp điều khiển lựa chọn…………………… 51
2.2.7 Phương pháp điều khiển . . . . .…….……………… 52
2.3 Các phương pháp điều khiển hiện đại 53
2.3.1 Phương pháp điều khiển thích
nghi 53
2.3.1.1Khái niệm chung của hệ thống điều khiển thích nghi .
53
2.3.1.2 điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp .
55
2.3.1.3 Hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh .
59
2.3.2 Phương pháp điều khiển
mờ 61
2.3.2.1Sơ đồ khối của bộ điều khiển
mờ 62
2.3.2.2. Bộ điều khiển mờ
tĩnh 64
2.3.2.3. Bộ điều khiển mờ động 64
2.3.2.4. Hệ điều khiển mờ lai F-PID 67
2.4. kết luận 69
Chương 3 : Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình gia
nhiệt
71
Đặt vấn
đề

71
3.1Đối tượng 71
3.2 Thiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống 72
Chương 4. Mô phỏng hệ thống 86
Kết
luận 89
Tài liệu tham khảo
90
DANH MỤC HÌNH
VẼ
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t

t p: / /

w w w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Chương1: Mở

đầu
Hình 1.1: Sơ đồ kinh điển của cấu trúc điều khiển quá trình
Hình 1.2: Hàm truyền của quá trình có tính tự cân bằng
Hình 1.3: Hàm truyền của quá trình không có tính tự cân bằng
Hình 1.4 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình
Hình 1.5: Van tiết lưu
Hình 1.6: Van tiết lưu cân bằng áp
hình 1.7 van servo con trượt
Hình1.8: Van servo tấm chắn
Hình 1.9: Can nhiệt điện
Hình1.10: Cấu trúc hệ thống đo áp suất tự động
Chương 2 : Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại
điều khiển quá trình
Hình2.1.Cấu trúc tổng quat của hệ điều khiển truyền thẳng
Hình2.2 Cấu hình nối tiếp và cấu hình song song
Hình 2.3Đặc tính điều khiển cho ví dụ2.1
Hình 2.4 Đièu khiển mức sách lược truyền thẳng
Hình 2.5 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước
Hình 2.6. Cấu trúc tổng quat của hệ điều khiển phản hồi
Hình 2.7 Hai cấu hình điều khiển phản hồi
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t

t p: / /

w w w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Hình 2.8.Đièu khiển mức sách lược phản hồi
Hình 2.9. Mô phỏng điều khiển mức với hệ số kc khác nhau
Hình 2.10 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ
Hình2.11 Hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu
Hình 2.12 hai cấu trúc của điều khiển tầng
Hình 2.13 sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi.
Hình 2.14 sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp.
Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp .
Hình 2.16 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn
Hình 2.17 Hệ thông điều khiển thích nghi tự chỉnh.
Hình 2.18 sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ.
Hình 2.19 Hệ điều khiển mờ theo luật PI
Hình 2.20 Hệ điều khiển mờ theo luật PD
Hình 2.21 Hệ điều khiển mờ PID
Hình 2.22 Các vùng tác động của FLC và PID.
Hình 2.23 vùng tác động của các bộ điều chỉnh PID
Chương 3 : Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình
gia nhiệt
Hình 3.1 Mụ hỡnh hệ thống
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hình 3.3 Cấu trúc van nước lạnh

Hình 3.4 Cấu trúc van nước nóng
Hình 3.5 Khâu lưu tốc đặt trước
Hình 3.6 Khâu nhệt độ đặt
trước
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t

t p: / /

w w w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Hình 4.1 Lưu tốc dòng nước
Hình 4.2 Nhiệt độ bồn nước
Hình 4.3 Van nước lạnh
Hình 4.4 Van nước nóng
Chương 4 Mô phỏng hệ thống
Hình 4.1Tạo lập cỏc hàm liờn thuộc cho biến vào
Hình 4.2 Tạo lập các hàm liên thuộc cho biến ra

Hình 4.3luật điều khiển trong không gian
Hình 4.4 Sơ đồ SimulinK
Hình 4.5 Đáp ứng nhiệt độ
Hình 4.6 Đáp ứng lưu tốc
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t

t p: / /

w w w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Lời nói đầu
Điều khiển quá trình là một lĩnh vực quan trọng của kĩ thuật điều khiển
trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất( gọi chung là công nghiệp
chế biến, process industry).Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối
chặt chẽ nền tảng của lý thuyết diều khiển tự động với các bài toán của quá trình
công nghệ. Phạm vi đề cập cụ thể ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích,
thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng là quá trình công nghệ.

Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới nhưng luôn
chiế
m vị
trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp.Khác với những nghàng
công nghiệp chế tạo, ngày nay bất cứ một nhà máy xi măng, một nhà máy điện
hay một nhà máy lọc dầu nào cũng không thể vận hành được nếu thiếu hệ thống
điều khiển tự động. Quá trình toàn cầu hóa gần đây tạo ra nhiều thị trường tiêu
dùng mới, đồng thời gia tăng sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa nhiều tập đoàn sản
xuất. Các doanh nghiệp buộc phải nâng cao mức độ tự động hóa dây chuyền sản
xuất để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản xuất. Sức ép
giảm sử dụng nguyên liệu thô (yêu cầu tái chế), giảm tiêu thụ nhiên liệu và khả
năng thích ứng nhanh với yêu cầu thị trường buộc các kĩ sư phải đưa ra những
thiết kế quá trình công nghệ mới thích hợp hơn, nhưng đồng thời cũng đặt ra
những yêu cầu cao hơn cho hệ thống điều khiển tự động và cho những người kĩ
sư thiết kế điều khiển. nhìn từ một góc độ khác, những tiến bộ về công nghệ thiết
bị điều khiển( DCS, PLC/HMI, IPC, bus trường,…) ngày càng tạo điều kiện
thuận lợi hơn cho việc cài đặt các sách lược và thuật toán điều khiển tiên
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t

t p: / /

w w w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
tiến.một điều đáng nói là trong khi công nghệ sản xuất hoặc công nghệ thiết bị
điều khiển có thể lạc hậu chỉ sau 10-15năm, cơ sở phương pháp luận cho thiết kế
hệ thống điều khiển quá trình vẫn giữ nguyên giá trị sau hàng nửa thế kỉ-tất
nhiên được bổ sung và phát triển trên một tầm cao mới Vì vậy việc nghiên cứu
ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển quá trình gia nhiệt là
một vấn đề hết sức quan trọng và cấp thiết.
Do vậy, tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển
hiện đaị để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt " với mục đích
nghiên cứu như sau:
1. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại điều khiển
quá trình gia nhiệt
2. Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ điều khiển nhiệt độ và lưu
tốc bồn nước
Từ đó, đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề chính, được chia thành 3
chương như sau:
Chương 1. Mở đầu
Chương này nghiên cứu các kiến thức chung về điều khiển quá trình, cấu
trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình, các thiết bị trong hệ thống điều
khiển quá trình
Chương 2:Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển
quá
trình
Chương này nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại,
phân tích thế mạnh của nó từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển cho quá

trình gia nhiệt
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t

t p: / /

w w w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Chương 3 Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá
trình gia nhiệt
Chương này nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển mờ cho đối tượng cụ thể là
nhiệt độ và lưu tốc bồn nước.
Chương 4 Mô phỏng hệ thống
Mô phỏng bằng Matlap . Phân tích các kết quả đạt được, đưa ra các kết luận
Trong quá trình làm luận văn, tôi đã được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của
thầy giáo, TS. Võ Quang Vinh , giảng viên khoa Điện, Trường đại học KTCN
Thái Nguyên. Xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Tôi cũng
nhận được sự hỗ trợ rất nhiều từ các thầy cô giáo trong Khoa Điện, trường đại

học KTCN Thái Nguyên cũng như từ gia đình, bạn bè. Xin trân trọng cảm ơn
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009
Dương Mạnh Hoà
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t

t p: / /

w w w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn được xây dựng
hoàn toàn là do bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn
của thầy giáo và tham khảo các tài liệu đã được trích dẫn.
Học
viên
Dương Mạnh
Hoà

LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
Chương1: mở
đầu
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Khái niệm và đặc tính chung của Điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là sự thao tác những điều kiện của quá trình để làm
xảy ra những thay đổi mong muốn trong những đặc tính đầu ra của quá trình.
Trong thực tế thì điều khiển quá trình thường được xem như điều khiển các
thông số như: nhiệt độ (t
0
), áp suất (P), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ (pH),
định lượng và thậm chí cả điều khiển phản ứng v.v. Việc điều khiển các đại
lượng này thường gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có những đặc tính:

Những đặc điểm của quá trình:
Thường được thể hiện dưới 4 đặc tính sau:
- Thời gian chết quá trình (Process Dead time)
- Trễ quá trình (Process Lag)
- Hệ số khuyếch đại của quá trình (Process gain)
- Nhiễu quá trình (Process disturbances)
- Thời gian chết quá trình: Đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi trong
tín hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển quá trình và đáp ứng của tín hiệu.
Hiện tượng này luôn luôn không phân biệt dạng của tín hiệu được dùng. Ngoài
ra nó còn được biết đến như: trễ thuần tuý, trễ vận tải, hoặc trễ khoảng cách -
vận tốc.
- Trễ quá trình: Vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng
lượng một cách liên tục. Qua đó ta có trễ bậc một hoặc trễ bậc cao.
- Hệ số khuyếch đại quá trình: Hệ số khuyếch đại của quá trình được xác
định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi đầu vào.
- Nhiễu quá trình: Là những sự thay đổi mong muốn xảy ra trong quá trình,
nó có xu hướng ảnh hưởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển.
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
10 Dương Mạnh Hoà
Hỡnh 1.1: Sơ đồ kinh
Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Khi nghiên cứu điều khiển quá trình thì việc tổng hợp mạch vòng điều
khiển thường gặp khó khăn vì:
- Hệ thống có thông số rải.
- Trong quá trình hoạt động, không những cấu trúc của hệ thay đổi (dẫn

đến hàm truyền của hệ thay đổi) mà còn cả thông số của hệ cũng thay đổi.
- Tính phi tuyến cũng như tính tương tác rất lớn.
1.1.2 Các tính chất cơ bản của điều khiển quá trình
Khi xây dựng hệ thống điều khiển, nhiệm vụ cơ bản được đặt ra là phải
nghiên cứu được tính chất của quá trình (đối tượng điều khiển). Các thông tin về
quá trình thu thập được càng đầy đủ thì việc tổng hợp hệ thống điều khiển tự
động càng đơn giản và quá trình điều chỉnh càng dễ đạt độ chính xác cao. Việc
nghiên cứu quá trình phải xuất phát từ việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy
ra trong quá trình. Các hiện tượng này luôn liên quan đến dòng vật chất hay năng
lượng chảy vào E
1
và chảy ra E
0
từ quá trình tạo nên môi trường hoạt động của
quá trình. Khi E
1
= E
0
các hiện tượng trong quá trình tồn tại ở trạng thái dừng,
quá trình ở trạng thái cân bằng. Khi E
1
≠ E
0
sẽ tồn tại sự vận động trong môi
trường hoạt động của quá trình. Giá trị ∆E = E
1
- E
0
được gọi là tác động nhiễu
lên quá trình. Nó là đại lượng đặc trưng cho tác động vào của quá trình. Năng

lượng hoặc vật chất sẽ được tích luỹ hay chuyển hoá trong lòng quá trình. Các
hiện tượng này được phản ánh thông qua một số thông số kỹ thuật của quá trình
và được gọi là tín hiệu ra của quá trình. Thông số kỹ thuật đặc trưng nhất cho
các hiện tượng xảy ra trong quá trình được chọn làm đại lượng cần điều chỉnh y.
Tác động ảnh hưởng lớn nhất lên đại lượng cần điều chỉnh được sử dụng làm tác
động điều chỉnh u.
y
sp
(s)
e(s)
-
u(s)
G
C
(s)
G
P
(s)
Controller
P
r
oce
ss
y(s)


điển c

ủa c

ấu t

r

úc điều k

hiển quá tr

ình

11
Dương Mạnh Hoà
h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Hai tính chất cơ bản của quá trình là khả năng tích luỹ hay còn gọi là tính
dung lượng và tính tự cân bằng. Nghiên cứu bản chất vật lý của quá trình chính
là nghiên cứu các tính chất của nó.
a. Tính dung lượng
Các quá trình điều khiển luôn luôn là khả năng tích luỹ môi trường hoạt
động, dự trữ nó trong lòng. Khả năng đó được gọi là khả năng tích luỹ của quá
trình hay còn gọi là dung lượng của quá trình. Quá trình có dung lượng càng nhỏ
thì tốc độ thay đổi của đại lượng cần điều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân
bằng giữa dòng ra và dòng vào dẫn đến quá trình điều chỉnh càng phức tạp.
Ngược lại dung lượng của quá trình càng lớn thì tốc độ thay đổi của đại lượng
cần điều chỉnh càng nhỏ, quá trình điều chỉnh càng đơn giản.
b. Tính tự cân bằng
Tính tự cân bằng là khả năng của quá trình sau khi có nhiễu tác động phá
vỡ trạng thái cân bằng của nó thì nó sẽ tự hiệu chỉnh trở lại trạng thái cân bằng
mà không tĩnh. Quá trình không có tính tự cân bằng được gọi là quá trình phi
tĩnh.
c. Mô tả đặc tính động học của quá trình
Là một phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động, đặc tính
động học của quá trình (đối tượng điều khiển) cần được xác định tường minh
dưới dạng mô tả toán học (ngoại trừ trường hợp điều khiển mờ thì đối tượng
không nhất thiết phải được mô tả tường minh dưới dạng toán học).
Đối với các quá trình phức tạp, đây là đặc trưng của các quá trình trong
công nghiệp, việc xác định mô tả toán học của nó không thể tiến hành theo
phương pháp giải tích bình thường mà phải tiến hành bằng phương pháp thực
nghiệm. Đặc tính động học của quá trình này được biểu diễn dưới dạng các đặc
tính thời gian.
0 1
n−1
Dương Mạnh Hoà

h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trên cơ sở hàm quá độ của quá trình có thể xác định gần đúng hàm truyền
đạt của nó. Do quá trình có hai loại cơ bản là quá trình có tính tự cân bằng và
quá trình không có tính tự cân bằng nên thường việc xác định hàm truyền đạt
cho hai loại này cũng khác nhau.
* Quá trình có tính tự cân bằng
Dạng tổng quát của hàm truyền đạt của quá trình có tính tự cân bằng được
mô tả như sau:
G

P
(s) =

K

P
.G

0
(s).e
−θ
P
s
Trong đó:
K
P
- hệ số truyền của quá trình
θ
P
- thời gian trễ, còn gọi là trễ vận chuyển.
b s
m
+

b s
m
−
1
+


+

b s
+

1
G

(s)

=




0


1


m

−
1


víi m
≤

n
0

a s
n
+ a s
n
−
1
+ + b s
+

1
G
P
(s)
Process
−θ
p
s
G
0
(s).K
P
e
Hình 1.3: Hàm truyền của quá trình có tính tự cân
Quá trình gồm hai khâu mắc nối tiếp nhau là: Khâu trễ có hàm truyền đạt
e
−τ
P
s
và khâu tĩnh có hàm truyền đạt K.G
0

(s).
Trong thực tế khâu tĩnh có thể được lấy gần đúng một trong 4 dạng sau:
khâu quán tính bậc nhất, khâu quán tính bậc nhất có trễ, khâu bậc hai và bậc hai
có trễ.
dạng:
- Khi khâu tĩnh là khâu quán tính bậc nhất thì quá trình có hàm truyền đạt
Dương Mạnh Hoà
h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
0 1
n−1
e
p

G
P
(s)
=
K

P
1
+
τ
P

s
e
−θ
P

s
- Khi khâu tĩnh là khâu quán tính bậc nhất có trễ thì quá trình được mô tả
bằng hàm truyền đạt dạng:
G
P
(s)
=
K
P
1
+
τ
P

s
e
−(
θ+θ
P
)s
Trong đó: θ được gọi là trễ dung lượng.
- Khâu tĩnh có hàm bậc hai và bậc hai có trễ thường ít gặp hơn trong các
bài toán điều khiển.
* Quá trình không có tính tự cân bằng
Quá trình mà trong cấu trúc của nó có thành phần tích phân thì sẽ không
có tính tự cân bằng. Hàm quá độ của nó tiến xa vô cùng. Hàm truyền đạt của các
quá trình không có tính tự cân bằng được mô tả dưới dạng tổng quát như sau:
G (s)
=

1
K .G (s).e
−θ
P

s
P
s
P
0
Trong đó: K
P
- hệ số truyền của quá trình

θ
P
- thời gian trễ
G
0
(s) - hàm truyền đạt của thành phần tĩnh có dạng tổng quát:
b s
m
+

b s
m
−
1
+


+

b s
+

1
G

(s)

=

0


1


m

−
1


víi m
≤

n
0
a s
n
+ a s
n
−
1
+ + b s
+

1
G

P
(s)
G
0
(s).K
P
Process
−θ

s
1
s
Hình 1.4: Hà m truyền của quá trình không có tính tự
Trong thực tế hàm truyền đạt của quá trình không có tính tự cân bằng
được mô tả gần đúng bằng một trong 4 dạng sau:
- Khâu tích phân đơn thuần:
G
P
(s)
=
1
τ
P

s
- Khâu quán tính tích phân:
G

P
(s)

=
K

P
(1
+
τ
P

s)s
- Khâu tích phân có trễ:
G

P
(s)
=
1
τ
P

s
e
−θ
P

s
- Khâu quán tính tích phân có trễ:
G
P
(s)

=
K
P
(1
+
τ
P

s)s
e
−θ
P
s
1.2. cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình
Hình 1.5 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình
1.2.1. Cơ cấu chấp hành
1.2.1.1. Van
*Van tiết lưu:
Là van điều khiển lưu lượng được minh hoạ trên hình 1.4. Đây là một
dạng van kim với đầu côn để có thể điều chỉnh được lưu lượng đi đến xi lanh
hay động cơ thuỷ lực. Chính vì vậy có thể điều khiển được tốc độ của xilanh
thuỷ lực. Nhược điểm của van này là khi tải tăng, tốc độ của pittông trong xilanh
giảm làm cho áp tăng. Chênh lệch áp từ bơm và đầu ra của van kim giảm dẫn
đến lưu lượng giảm. Để giữ cho tốc độ pittông không đổi phải tăng áp của bơm.
Để khắc phục nhược điểm này người ta thiết kế ra loại van tiết lưu cân bằng áp
hình 1.6
P
1
Hình 1.5: Van tiết lưu
Hình 1.6: Van tiết lưu cân

bằng
áp
Khi có tải lớn áp trên đầu của van tăng, đẩy con trượt xuống dưới và mở
rộng cửa vào cho chất lỏng, cho lưu lượng qua van kim nhiều hơn. Như vậy
chênh lệch áp được đảm bảo và tốc độ dịch chuyển của pittông không thay đổi.
* Van servo
Là van có nhiều bậc khuyếch đại, mà bậc cuối cùng là các van con trượt.
Van servo có ba loại: van servo con trượt, van tấm chắn và van vòi phun. Các
van này có cấu tạo đặc biệt hơn các van thông thường ở chỗ bên trong nó có hệ
thống tự điều chỉnh để có thể đạt vị trí chính xác và đạt tốc độ yêu cầu. Van
servo có hai tầng (hình 1.7). Tầng thứ nhất là van lái hướng dòng chất lỏng đến
con trượt. Chuyển động của con trượt chính được điều khiển bởi
mô
men kéo do
cơ cấu quay gắn với con trượt sinh ra. Cơ cấu quay có thể được nối với tấm chắn
để đóng hay mở các cửa, làm cho áp lực đẩy con trượt thay đổi vị trí theo tín
hiệu điều khiển. Đối với van servo tấm chắn và van servo vòi phun thì lưu lượng
qua van tỉ lệ với áp suất ra.
Con tr•ît ®iÒu
khiÓn
C¬ cÊu ®Èy kÐo
P
Con tr•ît chÝnh
A P
B
Vòi phun
Vòi phun
Tấm chắn
Hình1.8: Van servo tấm chắn
Hình 1.8 mô tả cấu tạo của van servo tấm chắn. Tấm chắn nằm giữa hai

vòi phun gắn với hai đường cấp dầu vào con trượt chính. Khi cơ cấu kéo đẩy đẩy
tấm chắn về phía nào thì áp lực phía ấy tăng lên, đẩy con trượt về phía áp thấp.
Khi van ở vị trí không làm việc thì hai vòi phun đẩy tấm chắn về vị trí cân bằng.
1.2.1.2. Động cơ điện và các cơ cấu điện từ
Động cơ điện là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng (chuyển động
tròn xoay). Phần quay của động cơ được gọi là roto hay phần cảm. Roto thường
không cần nối với nguồn điện. Trên rôto có thể có dây dẫn hay nam châm vĩnh
cửu hoặc hợp kim đặc biệt tuỳ theo từ tính của chúng. Một số roto có cuộn dây
bằng đồng nối với nguồn điện bằng các vòng trượt. Thiết bị khống chế chiều
dòng điện qua rôto còn gọi là cổ góp. Cổ góp có các cặp chổi than lắp cố định
trên vỏ động cơ, dẫn điện đến phần chuyển động của nó. Rôto được đỡ trên các ổ
bi. Các ổ bi hướng kính là loại thông dụng, cần phải được bôi trơn định kỳ. Một
số động cơ nhỏ sử dụng bạc đồng bôi trơn bằng dầu thay cho các ổ bi.
Phần đứng yên của động cơ hay còn gọi là stato cấp từ trường chính để
làm động cơ hoạt động. Từ trường này có thể tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu
hoặc nam châm điện. Phần lớn các động cơ chỉ cần nối với điện lưới là có thể
hoạt động được. Một số động cơ có độ chính xác cao thường phải có một thiết bị
đi kèm đó là thiết bị điều khiển động cơ. Trong số đó có hai loại sau:
- Động cơ có tốc độ, vị trí và mômen kéo cần được điều khiển chính xác.
- Các động cơ công suất lớn, phải khởi động từng bước để dòng xung kích
không phá hỏng động cơ.
Trong các hệ thống tự động thì tín hiệu điều khiển đến thiết bị điều khiển
động cơ nhằm đạt tốc độ hay vị trí yêu cầu. Tín hiệu điều khiển là tín hiệu tương
tự một chiều từ thiết bị điều khiển rôbốt, PLC, thiết bị điều khiển trạm hay máy
tính chủ.
Các động cơ sử dụng để điều khiển vị trí và tốc độ có kèm theo bên trong
nó các cảm biến vị trí và tốc độ được gọi là động cơ servo.
1.2.2. Các cảm biến:
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
Trong tất cả các hệ thống tự động, thiết bị tiếp nhận thông tin về diễn biến

của môi trường và về diễn biến của các đại lượng vật lý bên trong hệ thống được
gọi là cảm biến (sensor).
1.2.2.1. Các cảm biến đo nhiệt độ
* Cặp nhiệt điện
Là cảm biến đo nhiệt độ, chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện dựa
trên hiện tượng nhiệt điện. Khi có sự chênh lệch nhiệt điện ở hai đầu nối của hai
dây dẫn bằng kim loại khác nhau làm xuất hiện một sức điện động. Nhiệt độ
tăng làm tăng sức điện động (điện áp) ra trên cặp kim loại cấu tạo nên nó. Để
thuận tiện cho người sử dụng các cặp nhiệt điện được chế tạo sẵn dưới dạng các
can nhiệt điện. Miền đo của can nhiệt điện phụ thuộc vào vật liệu chế tạo. Đối
với can nhiệt đồng/vàng-côban có thể đo được từ -
7
270
0
C đến 2700
0
C.
Can nhiệt điện có sơ đồ cấu trúc được mô tả
5
trong hình 1.9. Đầu làm việc 1 của hai dây điện
6
3
cực nhiệt được hàn chặt vào nhau. Các dây điện
4
cực được lồng vào trong ống cách điện 2. Hai đầu
2
19 Dương Mạnh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt

p://

www.

l

rc

-t

nu.

edu.v

n
1
Hình 1.9: Can
nhiệt
Dương Mạnh Hoà
h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt
tự do của hai dây điện cực nhiệt được gắn các cốt nối 3 thuận tiện cho việc ghép
nối với bên ngoài. Vỏ bảo vệ 4 ngăn cản sự xâm thực của môi trường đo lên các
dây điện cực nhiệt. Vỏ bảo vệ 4 được gắn chặt lên đầu nối 5 của can nhiệt điện.
Hệ thống hai dây điện cực, ống cách điện 2 và cốt nối 3 cũng được gắn chặt lên
đầu nối 5 qua tấm lót cách điện 6. Tấm lót cách điện 6 còn đóng vai trò ngăn cản
nước xâm nhập vàp trong lòng can nhiệt điện, 7 là nắp đậy. Can nhiệt điện chế
tạo nhiều loại khác nhau. Chiều dài của can cũng rất đa dạng đáp ứng được nhu
cầu sử dụng. Can nhiệt điện có chiều dài lớn nhất là 2m. Đường kính dây điện
cực nhiệt lớn nhất là 3mm
Để đo được nhiệt độ thì đầu tự do của cặp nhiệt điện phải có nhiệt độ ổn
định, cách xa các bề mặt được đốt nóng. Thông thường đầu tự do của cặp nhiệt
điện phải đưa về phòng điều khiển trung tâm để ghép nối với thiết bị đo qua dây
dẫn bù.
Sơ đồ hệ thống nối cặp nhiệt điện với thiết bị đo trong công nghiệp:
e
AB
(t)
A
1
A
CN
Đ

Dây d
ẫ
n bù
e
A1B1
(t)
TB
Đ
t
0
t
B
B
1
* Nhiệt điện trở (Thermistor)
Là loại cảm biến nhiệt độ mà khi nhiệt độ tăng thì điện trở lại giảm. Nhiệt
điện trở có độ phân giải cao hơn độ phân giải của điện trở kim loại khoảng 10
lần. Các nhiệt điện trở thông thường được chế tạo từ các ôxit bán dẫn đa tinh thể.
Miền đo phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, có thể từ -273
0
C đến 300
0
C.
1.2.2.2. Các cảm biến đo áp suất và lưu lượng
* Cảm biến đo áp suất
Đo áp suất là đo lực tác dụng trong môi trường đàn hồi. Các cảm biến áp
suất đo chênh lệch áp suất giữa hai vùng kế cận nhau. Thường là một môi trường
chất lỏng và một là môi trường không khí. Các cảm biến áp suất đo khả năng mà
áp suất vùng đo có thể làm chuyển dịch tải trọng giữ nó lại trong môi trường
không khí. Có một số cảm biến áp suất có hai đầu vào nối hai nguồn áp suất

khác nhau để đo chênh lệch áp. các cảm biến sử dụng dạng phần tử biến dạng
thông dụng như ống bourdon, màng đàn hồi, hộp biến dạng, lò xo ống dạng sóng
hay ống hình trụ có thể chỉ thị trực tiếp áp suất trên các thang khắc vạch, nói
cách khác các phần tử này thể hiện một dịch chuyển vị trí tương đương với áp
suất.
Khi sử dụng trong hệ thống tự động bắt buộc các cảm biến loại này phải
trang bị thêm cơ cấu chuyển đổi tín hiệu vị trí thành tín hiệu áp lực tương đương.
Cấu trúc của một hệ thống đo áp suất tự động được mô tả trong hình 1.10.
p
λ
u
n
Cảm biến đo
Chuyển đổi Chỉ thị đo
Hình1.10: Cấu trúc hệ thống đo áp suất tự động
Hệ thống gồm ba thành phần: cảm biến đo, chuyển đổi đo và chỉ thị đo.
Vai trò cảm biến đo là nhận tín hiệu áp suất P và chuyển đổi sang dạng tín hiệu
khác. Phần lớn các cảm biến đo áp suất đều có tín hiệu ra dưới dạng dịch chuyển
cơ học. Chuyển đổi đo làm nhiệm vụ chuyển độ dịch chuyển cơ học sang dạng
tín hiệu điện hay tín hiệu áp suất khí nén để truyền về cho thiết bị chỉ thị đo
thường đặt ở phòng điều khiển trung tâm.
* Cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi
Một trong những phương pháp khá phổ biến để đo lưu lượng dịch thể chất
khí và hơi quá nhiệt chảy trong đường ống là hiệu áp suất hai bên thiết bị thu
hẹp. Thiết bị thu hẹp đóng vai trò cảm biến đo, được đặt trong đường ống tạo
nên điểm thắt dòng chảy cục bộ trong đường ống dẫn. Như vậy tại vị trí đặt thiết
bị thu hẹp tốc độ của dòng chảy tăng lên. Động năng tăng sẽ dẫn đến thế năng
của dòng chảy giảm xuống. Tại vùng đặt thiết bị thu hẹp sẽ có hiện tượng
chuyển đổi thế năng sang động năng của dòng chảy. Trước thiết bị thu hẹp áp
suất đột ngột tăng, sau khe hẹp áp suất đột ngột giảm. Hai bên thiết bị thu hẹp sẽ

xuất hiện áp suất ∆P phụ thuộc vào lưu lượng của dòng chảy.
Và Lưu lượng: q = K.
∆P
Trong đó K phụ thuộc vào thiết diện khe hở.
Hệ thống đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi bao gồm: cảm biến đo là
thiết bị thu hẹp chuyển tín hiệu lưu lượng q sang hiệu áp suất ∆P. Thiết bị
chuyển đổi II chuyển tín hiệu hiệu áp suất ∆P sang tín hiệu dòng chuẩn điện áp
một chiều (0 ÷ 5mA; 0 ÷ 20mA; 4 ÷ 20mA). Ưu điểm của tín hiệu dòng là có thể
truyền đi xa mà không bị tổn thất trên đường dẫn. Phần tử thứ 3 trong hệ thống
là bộ xử lý tín hiệu III. Bộ xử lý này thực hiện chức năng đầu tiên là chuyển tín
hiệu dòng nhận được sang tín hiệu áp chuẩn (0 ÷ 5V hoặc 1 ÷ 10V một chiều).
Bước thứ hai là xác định giá trị lưu lượng tức thời q trên cơ sở điện áp U và các
thông số các công thức tính lưu lượng. Đồng thời nó cũng tính tổng lượng vật
chất chảy qua đường ống theo công thức tích phân:
Q
=

∫

qdt
Các giá trị q và Q được hiển thị bằng số trên bảng số.
1.2.3. Các cảm biến áp lực:
* Load cell
Load cell là cảm biến được thiết kế riêng biệt để đo lực. Cấu tạo của nó
gồm một thanh dầm có dán 4 cảm biến đo biến dạng (4 điện trở tenzo) tại những
vị trí bảo đảm gần như chính xác tuyệt đối là khi thành dầm biến dạng thì hai
cảm biến chịu biến dạng kéo có cùng điện trở (R - ∆R) và hai cảm biến còn lại
chịu biến dạng nén có cùng điện trở (R - ∆R). Load cell được chế tạo rất nhiều
loại với những giới hạn khác nhau. Trong giới hạn làm việc đặc tính của load
cell được xem là tuyến tính. Khi sử dụng load cell cần phải biết giới hạn đo, các

điều kiện làm việc, điện áp nguồn cung cấp và độ nhạy của load cell.
1.3 Đặc điểm Điều khiển quá trình gia nhiệt
Quá trình gia nhiệt là một bài toán tiêu biểu của điều khiển quá trình . Được ứng
dụng rộng rãi trong các nhà máy hoá chất , công nghệ thực phẩm đồ uống vv .
Minh họa sách lược điều khiển qóa tr×nh gia nhiệt . Nhiệt độ ra của dòng
quá trình được thiết bị đo và chuyển đồi đưa tới bộ điều khiển nhiệt độ . Dựa
vào sai lệch giữa giá trị đặt và nhiệt độ đo được, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu
điều chỉnh bộ mở van cấp nước qua đó điều chỉnh lại nhiệt độ ra. Nguyên lý
điều khiển qu¸ tr×nh gia nhiÖt được giải thích một cách sơ lược như sau. Giả sử
vì một lý do nào đó mà nhiệt độ ra đo được nhỏ hơn giá trị đặt, ví dụ đo giá trị
đặt hoặc lưu lượng dòng quá trình tăng lên, bộ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều
khiển để tăng lưu lượng hơi nước. Thuật toán điều khiển đơn giản nhất là đưa ra
tác động điều khiển tỉ lệ với sai lệch quan sát được :
∆
ω
s
= k
c
(T
SP
−
T
2
)