Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng tích phân quán tính bậc hai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





NGUYỄN THỊ THANH THÚY


TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN
CHO ĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂN – QUÁN TÍNH BẬC HAI


LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 6052 0216





Thái Nguyên – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP








NGUYỄN THỊ THANH THÚY

TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN
CHO ĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂN – QUÁN TÍNH BẬC HAI

Chuyên ngành: Tự động hóa
Mã số: 6052 0216


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆNPHÒNG QL ĐTSĐH
NGƢỜI HDKH




Thái Nguyên - 2014
i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ
thuật điều khiển tự động trong các ngành công nghiệp năng lƣợng và hóa chất.
Điều khiển quá trình không phải lĩnh vực mới nhƣng luôn chiếm hàng đầu trong
tự động hóa công nghiệp.
Nghiên cứu về điều khiển quá trình nhằm nắm bắt đƣợc những vấn đề chủ
yếu sau: Tìm hiểu, phân tích yêu cầu điều khiển của các quá trình công nghệ;
Đặt bài toán điều khiển cho từng yêu cầu cụ thể; Thiết kế sách lƣợc điều khiển
phù hợp với yêu cầu và với mô hình quá trình; Chọn lựa giải pháp thiết bị đo,
thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển.
Nhằm nâng cao hơn nữa hiểu biết về điều khiển quá trình, tôi đã lựa chọn
đề tài: Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tƣợng tích phân - quán tính bậc hai.
Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình của
các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trƣờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc
ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dƣới sự hƣớng dẫn và góp
ý của thầy PGS.TS. Nguyễn Nhƣ Hiển đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính
khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế
nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý
kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu,
hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này.
Học viên



Nguyễn Thị Thanh Thúy

ii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Thanh Thúy
Sinh ngày: 05/07/1987
Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật
Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Công ty TNHH Công nghệ COSMOS tại Vĩnh Phúc.
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hƣớng
của giáo viên hƣớng dẫn, không sao chép của ngƣời khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn



Nguyễn Thị Thanh Thúy

iii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Trang bìa phụ

LỜI NÓI ĐẦU
i
LỜI CAM ĐOAN
iii
MỤC LỤC
iv
DANH MỤC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT
vi
DANH MUC CÁC HÌNH VẼ
vii
MỞ ĐẦU
1
1. Tính cấp thiết của luận văn
1
2. Mục tiêu của nghiên cứu
1
3. Kết quả thực nghiệm của luận văn
1
4. Nội dung của luận văn
1

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIẢN ĐỒ
CÔNG NGHỆ CHO ĐỐI TƢỢNGTÍCH PHÂN QUÁN TÍNH BẬC HAI
3
1.1. Giới thiệu chung
3
1.1.1. Các khái niệm cơ bản
4
1.1.2. Mục đích và yêu cầu của điều khiển quá trình
7
1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống ĐKQT
10
1.2.1. Cấu trúc cơ bản của một HT ĐKQT
10
1.2.2. Các thành phần cơ bản của hệ điều khiển quá trình
11
1.3. Vai trò của bình mức chứa và cấp chất lỏng trong điều khiển quá trình
15
1.4. Mục tiêu của nghiên cứu:
18
1.5. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc
18
1.6. Kết luận chƣơng 1
18
iv
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 2:MÔ TẢ TOÁN HỌCCHO ĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂN
QUÁN TÍNH BẬC HAI
19
2.1. Khái quát chung

19
2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển quá
trình
21
2.2.1. Cấu trúc một hệ điều khiển quá trình
21
2.2.2.Thiết bị đo
21
2.2.3. Thiết bị chấp hành
24
2.2.4. Hàm truyền của mô hình
28
2.3. Hàm truyền của hệ thống
36
2.4. Kết luận:
36
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨCĐỐI TƢỢNG TÍCH
PHÂNQUÁN TÍNH BẬC HAI
37
3.1. Giới thiệu chung
37
3.1.1. Bộ điều khiển PID
37
3.1.2. Chọn luật điều khiển PID:
40
3.2. Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng
41
3.3. Thiết kế điều khiển mức cho lò hơi
43
3.4. Kết luận chƣơng 3

45
CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ
PHỎNG MATLAB – SIMULINK VÀ THỰC NGHIỆM
46
4.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai
46
4.2. Đánh giá chất lƣợng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab –
Simulink
46
4.2.1. Cấu trúc mô phỏng:
46
4.2.2. Các kết quả mô phỏng:
47
4.3. Đánh giá chất lƣợng hệ thống bằng thực nghiệm
47
v
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

4.3.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm:
47
4.3.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm:
49
4.3.3. Các kết quả thực nghiệm:
53
4.3.4. So sánh với kết quả mô phỏng:
53
4.4. Kết luận chƣơng 4
54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
55

1. Kết luận:
55
2. Kiến nghị:
55
TÀI LIỆU THAM KHẢO
56




















vi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU
Ý NGHĨA
CV
Biến cần điều khiển
SP
Giá trị đặt
MV
Biến điều khiển
ĐKQT
Điều khiển quá trình
HTĐKQT
Hệ thống điều khiển quá trình
PID
Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân
PLC/DCS
Bộ điều khiển logic mờ/ Bộ điều khiển phân tán
CPU
Khối xử lý trung tâm
PS
Khối nguồn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tên các hình vẽ
Trang
Hình 1.1: Quá loại trình và phân biến quá trình
5
Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình
11
Hình 1.3: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình

11

12
Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của các bộ điều khiển phản hồi
13

14
Hình 1.7: Mô hình tháp chƣng cất hai thành phần
16
Hình 1.8: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình
17
Hình 2.1: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình
21

22
Hình 2.3: Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp
23
vii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành
25

25
ều khiển
27
Hình 2.7: Sơ đồ khối lò hơi nhà máy nhiệt điện
30
Hình 2.8: Đặc tính động của mức nƣớc bao hơi khi thay đổi lƣu lƣợng
nƣớc cấp

32
Hình 2.9: Đặc tính động của mức nƣớcbao hơi theo lƣu lƣợng nƣớc cấp
33
Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID
37
Hình 3.2: Minh hoạ tƣ tƣởng thiết kế bộ điều khiển PID tối ƣu đối xứng
41
Hình 3.3: Minh hoạ tƣ tƣởng thiết kế bộ điều khiển PID tối ƣu đối xứng
43
Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán
tính bậc hai
43
Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán
tính bậc hai
46
Hình 4.2: Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân
quán tính bậc hai
47
Hình 4.3: Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân
quán tính bậc hai
47
Hình 4.4: Mô hình hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc
hai
48
Hình 4.5: Giao diện hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính
bậc hai
48
Hình 4.6: Giao diện kết quả hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân
quán tính bậc hai
49

Hình 4.7: Kết quả hệ thống điều khiển đối tƣợng tích phân quán tính bậc
hai
53

1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài luận văn
Các chi tiết cơ khí đƣợc hình thành sau khi qua các nguyên công thì cần
thiết phải qua nhiệt luyện tăng bền bề mặt và mạ điện để bảo vệ bề mặt đồng
thời tăng độ thẩm mỹ công nghiệp,…trong một dây chuyền mạ điện, dung dịch
mạ điện ngoài đảm bảo mức trong bể chứa còn duy trì nhiệt độ của dung dịch.
Số lƣợng các bình chứa dung dịch trung gian đƣợc sử dụng rất nhiều.
. Nhƣ v
.
Là học viên cao học K14TĐH và đồng thời là cán bộ thuộc công ty TNHH
Công nghệ COSMOS tại khu công nghiệp Khai Quang thành phố Vĩnh Yên,
tỉnh Vĩnh Phúc: Chuyên sản xuất linh kiện xe máy (hiện tại đang phải thuê mạ
điện bên ngoài), chủ trƣơng sắp tới sẽ lắp đặt thêm dây chuyền mạ. Tôi nhận
thấy rằng, trong dây chuyền mới này có ứng dụng lý thuyết điều khiển quá trình
trong nhiều công đoạn sản xuất. Về mặt mô hình hóa bằng lý thuyết hay còn gọi
là mô tả toán học thì các bể mạ trong dây chuyền đƣợc gọi là các khâu tích phân
quán tính bậc hai.Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tƣợng tích phân – quán tính bậc
hai là bể dung dịch mạ ức và nhiệt độ dung dịch cho toàn bộ dây
chuyền hoạt động đó là nội dung cấp thiết của đề tài.
Chính từ yêu cầu phục vụ sản xuất của cơ quan, tôi đã lựa chọn đề
tài:”Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tƣợng tích phân - quán tính bậc hai”.

2. Mục tiêu của nghiên cứu
- Từ cấu hình thực tế của một bể dung dịch trong dây chuyền, đƣợc mô
hình hóa thành đối tƣợng tích phân - quán tính bậc hai, trên cơ sở đó lập đƣợc
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

cấu trúc điều khiển và mô phỏng bằng phần mềm Matlab – Simulink để kiểm
chứng kết quả tính toán lý thuyết.
- Tiến hành thí nghiệm trong miền thời gian thực trên mô hình điều khiển
quá trình tại trung tâm thí nghiệm của trƣờng.
3. Kết quả thực nghiệm của luận văn
Nghiên cứu hệ thống điều khiển mức dung dịch trong bể mạ điện bằng lý
thuyết và kiểm nghiệm bằng mô phỏng trong miền thời gian ảo là công việc
trƣớc đây của một luận văn cao học.Ngày nay, yêu cầu học đi đôi với hành, lý
luận gắn với thực tiễn, luận văn cao học cần đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm
trong miền thời gian thực.Đây là một yêu cầu mới về nâng cao chất lƣợng đào
tạo của Nhà trƣờng. Việc áp dụng sáng tạo và linh hoạt các mô hình thí nghiệm
sẵn có của Nhà trƣờng vào công việc thực nghiệm của luận văn đã đạt kết quả
tốt. Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng nghiên cứu hệ thống điều khiển mức
nƣớc của bể mạ điện của đề tài này bằng lý thuyết và mô phỏng còn có khoảng
cách so với thực tế và nhờ có thí nghiệm nên có cơ sở vững chắc để điều chỉnh
lại thông số bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu của hệ thống.
4. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chƣơng sau:
Chương 1: Giới thiệu về điều khiển quá trình và giản đồ công nghệ cho đối
tƣợng tích phân quán tính bậc hai;
Chương 2: Mô tả toán học cho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai;
Chương 3: Thiết kế điều khiểncho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai;
Chương 4: Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho đối tƣợng tích phân
quán tính bậc hai.

Kết luận và kiến nghị


3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
VÀ GIẢN ĐỒ CÔNG NGHỆ CHO ĐỐI TƢỢNG
TÍCH PHÂN QUÁN TÍNH BẬC HAI

Ngày nay, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ
thuật điều khiển tự động trong các ngành công nghiệp năng lƣợng và hóa chất.
Điều khiển quá trình không phải lĩnh vực mới nhƣng luôn chiếm hàng đầu trong
tự động hóa công nghiệp.
1.1. Giới thiệu chung
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 thƣờng đƣợc xem nhƣ điều khiển
các thông số nhƣ: nhiệt độ (t
0
), áp suất (P), lƣu lƣợng (F), mức (L), nồng độ
(pH), định lƣợng và thậm chí cả điều khiển phản ứng, Việc điều khiển các đại
lƣợng này thƣờng gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có những đặc tính:
a. 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
tƣợng này luôn luôn không phân biệt dạng của tín hiệu đƣợc dùng. Ngoài ra nó
còn đƣợc biết đến nhƣ: trễ thuần tuý, trễ vận tải, hoặc trễ khoảng cách - vận tốc.
b. Trễ quá trình: Vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng
lƣợng một cách liên tục. Qua đó ta có trễ bậc một hoặc trễ bậc cao.

c. Hệ số khuyếch đại quá trình: Hệ số khuyếch đại của quá trình đƣợc xác
định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi đầu vào.
d. Nhiễu quá trình: Là những sự thay đổi mong muốn xảy ra trong quá
trình, nó có xu hƣớng ảnh hƣởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển.
Khi nghiên cứu điều khiển quá trình thì việc tổng hợp mạch vòng điều
khiển thƣờng gặp khó khăn vì:
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- 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.
Trƣớc khi đi sâu vào đối tƣợng điều khiển, ta nêu lại một số khái niệm cơ
bản sẽ sử dụng trong quá trình thiết kế luận văn nhƣ sau:
1.1.1. Các khái niệm cơ bản
- Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong
đó vật chất, năng lƣợng hoặc thông tin đƣợc biến đổi, vận chuyển hoặc lƣu trữ
(IEC60050-351[1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 [4]).
- Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận hành
hoặc lƣu trữ vật chất và năng lƣợng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc
một nhà máy sản xuất năng lƣợng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản
nhƣ quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhƣng cũng có thể phức
tạp hơn nhƣ một tổ hợp lò phản ứng - tháp chƣng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi -
turbin.
- Quá trình kỹ thuậtlà một quá trình với các đại lƣợng kỹ thuật đƣợc đo
hoặc/và đƣợc can thiệp. Khi nói tới quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công
nghệ cùng các phƣơng tiện
, nếu không nhấn m
cảnh sử dụng.
-

.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến
quá trình. Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình đƣợc
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

minh hoạ trên hình 1.1. Một biến vào là một đại lƣợng hoặc một điều kiện phản
ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lƣu lƣợng dòng nguyên liệu, nhiệt
độ hơi nƣớc cấp nhiệt, trạng thái đóng mở của rơle, sợi đốt, Một biến ra là một
đại lƣợng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ
nồng độ hoặc lƣu lƣợng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thƣờng hay
quá cao Nhìn từ quan điểm của lý thuyết hệ thống, các biến vào thể
- ). 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
, vừa có thể
coi là một biến ra.

Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can
thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn
các chỉ tiêu cho trƣớc, đồng thời giảm thiểu ảnh hƣởng xấu của quá trình kỹ
Hình 1.1:Quá loại trình và phân biến quá trình
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

thuật đối với con ngƣời và môi trƣờng xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của
quá trình cũng nhƣ các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong
hệ thống cần đƣợc theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình
công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp đƣợc và không

phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
Biến cần điều khiển (controller variable, CV
(set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ
đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal). Các biến cần điều khiển
liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lƣợng
sản phẩm. Nhiệt độ, mức, lƣu lƣợng, 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 đo, ghi chép hoặc hiển thị.
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 lƣu lƣợng là biến điều khiển tiêu biểu nhất.
Những biến vào còn lại không can thiệp đƣợc một cách trực tiếp hay gián
tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm đƣợc coi là nhiễu. Nhiễu tác động
tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp loại bỏ hoặc ít
nhất là giảm thiểu ảnh hƣởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc
trƣng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình(disturbance) và nhiễu đo (noise). Nhiễu
quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu
nhƣng không can thiệp đƣợc, ví dụ trọng lƣợng hàng cần nâng, lƣu lƣợng chất
lỏng ra, Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai
số trong quá trình đo đƣợc.
/ra công nghệ và đầu
vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống. Nhìn từ phía công nghệ thì các đầu vào và đầu
ra của một quá trình có thể là năng lƣợng hoặc vật chất, nhƣng từ quan điểm hệ
thống ta chỉ quan tâm tới thông tin thể hiện qua các biến quá trình.
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



1.1.2. Mục đích và yêu cầu của 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. Trƣớc khi tìm hiểu hoặc xây dựng
một hệ thống điều khiển quá trình, ngƣời kỹ sƣ phải làm rõ các mục đích điều
khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt đƣợc các mục đích đó.
Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển
cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hoá các mục đích điều khiển.
Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng
cần 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 xắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:
-
.
-
Trong
.
.
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ảm bảo chất lƣợng sản phẩm: Giá trị đại lƣợng cần điều khiển càng gần
với giá trị đặt càng tốt.
Chất lƣợng sản phẩm đƣợc đánh giá thông qua một số chỉ tiêu chất lƣợng
+ Đáp ứng với thay đổi giá trị đặt (đáp ứng quá độ)
+ Đáp ứng với tác động của nhiễu (đáp ứng loại nhiễu)
-
.
* Lỗi thiết bị, đƣờng truyề ợc điều chỉnh thông thƣờng
không đáp ứng đƣợc.
* Khóa liên động nhằm:
Tránh xảy ra các tình huống nguy hiểm (ví dụ động cơ chỉ đƣợc khởi động

khi mức trong bình đạt một giá trị nào đó.
Giảm thiểu tác hại khi sự cố xảy ra (bằng các biện pháp ngắt từng phần
hoặc dừng khẩn cấp)
-
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2
.
hơn .
Trong các dây chuyền công nghệ ngày nay đƣợc thiết kế với nhiều yêu cầu
giảm ô nhiễm môi trƣờng:
- Giảm nhiên liệu tiêu thụ
- Giảm sử dụng nƣớc sạch
Các thiết kế "recycling" tạo tính phi tuyến cao và tƣơng tác lớn trong hệ
thố ủa các phƣơng pháp điều khiển hiện đại.
Yêu cầu cao hơn trong các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về xử lý nƣớc
thải và khí thải.
-
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

( ).
.
.
1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống ĐKQT
1.2.1. Cấu trúc cơ bản của một HT ĐKQT
Tuỳ theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hoá, các hệ thống điều khiển
quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tƣơng đối phức tạp, nhƣng chúng đều
dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều

11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều
khiển quá trình

khiển. Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng đƣợc thể
hiện một cách trực quan với sơ đồ trên hình 1.2. và trên hình 1.3 là cấu trúc điều
khiển phản hồi của một vòng trong điều khiển quá trình. Theo hình 1.3 sẽ bao
gồm các phần chính nhƣ sau:

















1.2.2. Các thành phần cơ bản của hệ điều khiển quá trình
a. Thiết bị đo
Chức năng của thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỷ lệ theo một nghĩa

nào đó với đại lƣợng đo (hình 1.4). Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là
cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo (transducer). Một cảm biến thực hiện chức
năng tự động cảm nhận đại lƣợng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi
thành một tín hiệu. Để có thể truyền xa và sử dụng đƣợc trong thiết bị điều khiển
hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần đƣợc khuếch đại, điều hoà và
Hình 1.3: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình

12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 1.4:

chuyển đổi sang một dạng thích hợp. Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter)
là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn ( - -
- - ). Trong các hệ thống điều khiển
quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hƣớng
gần đây cho thấy việ
transmitter“ hoặc “transducer” đôi khi cũng đƣợc
dùng để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”.







b. Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển
(controller) là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần
cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp. Mặc dù các thuật ngữ “thiết bị

điều khiển” và “bộ điều khiển” trong thực tế đƣợc sử dụng với nghĩa tƣơng đồng,
ở đây ta cũng cần làm rõ
PID
PLC/DCS) hoặc
PLC/DCS). Trong phạm vi chƣơng trình, khi nói về giải pháp hệ thống thì “thiết
bị điều khiển” và “bộ điều khiển” đƣợc hiểu với nghĩa tƣơng đƣơng, còn khi đề
cập tới các vấn đề thuộc sách lƣợc điều khiển hay thuật toán điều khiển ta sẽ chỉ
sử dụng “bộ điều khiển”.
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Trên cơ sở sử dụng các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách lƣợc
điều khiển đƣợc lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đƣa
ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các
thiết bị chấp hành. Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phƣơng pháp thể hiện luật
điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể đƣợc xếp loại là thiết bị điều khiển
tƣơng tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller), hoặc
thiết bị điều khiển số (digital controller). Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén
hoặc điện tử đƣợc xếp vào loại tƣơng tự. Một mạch logic rơle ( - )
là
, có thể thay thế chức năng của một
thiết bị điều khiển tƣơng tự hoặc thiết bị điều khiển logic. Một thiết bị điều
khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tƣơng tự và
tích hợp các phần chuyển đổi tƣơng tự-số cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều
khiển bao giờ cũng đƣợc thực hiện bằng máy tính số. Một thiết bị điều khiển số
không những cho chất lƣợng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm
nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc.
Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, ) đều
là các hệ điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số

đƣợc trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển. Vì vậy khi
ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao hàm khối xử lý trung tâm (CPU),
Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của các bộ điều khiển phản hồi

14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch. Còn các khái niệm
thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển bao hàm cả máy tính điều khiển và các
thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra và module chức năng khác.
c. Thiết bị chấp hành
Một hệ thống thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực
hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu
trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió. Thông qua
các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của
quá trình kỹ thuật. Ví dụ, tuỳ theo tín hiệu điều
, qua đó điều chỉnh mức chất
lỏng trong bình. Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay
đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lƣu lƣợng.
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ
cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động (actuator)và phần tử điều khiển(control
element
lƣợng ( ), tron
.

Hình 1.6:

15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.3. Vai trò của bình mức chứa và cấp chất lỏng trong điều khiển quá trình

.
:
-
, )
- :
.
- :
.
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


.
.
Xét một ví dụ nhƣ mô hình tháp chƣng cất hai thành phần nhƣ hình 1.7.
Nguyên liệu đƣa vào tháp (F) là một hỗn hợp hai thành phần (ví dụ: tách riêng
Toluen và Benzen). Sản phẩm thu đƣợc từ đáy sẽ gồm thành phần khó bay hơi
(Toluen) và sản phẩm thu đƣợc từ đỉnh sẽ là thành phần dễ bay hơi (Benzen).

Nguyên liệu đầu vào chỉ coi có hai thành phần: Cấu tử Toluen và cấu tử Benzen
Hình 1.7: Mô hình tháp chưng cất hai thành phần