nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LÊ HỮU THÀNH



NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa






Thái Nguyên - 2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP


LÊ HỮU THÀNH


NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢƠNG HỆ ĐIỀU
KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



PHÒNG QUẢN LÝ ĐT
SAU ĐẠI HỌC
KHOA CHUYÊN MÔN
NGƢỜI HƢỚNG DẪN
KHOA HỌC



PGS. TS. Bùi Quốc Khánh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Thái Nguyên - 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự thực hiện tổng hợp và nghiên
cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Quốc
Khánh
. Trong luận văn có sử dụng một
số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tác giả luận văn



Lê Hữu Thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỤC LỤC
MỤC LỤC …………………………………………………………………………… I
DANH MỤC BẢNG BIỂU VI
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VII
LỜI NÓI ĐẦU VIII
CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 1
1.1. Tổng quan về điều khiển quá trình 1
1.1.1. Khái niệm quá trình và các biến quá trình 1
1.1.2. Mục đích của điều khiển quá trình 2

1.2. Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến. 4
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 9
1.3.1. Thiết bị đo 9
1.3.2. Thiết bị chấp hành 10
1.3.3. Thiết bị điều khiển 12
CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN14
2.1. Giới thiệu về bàn thí nghiệm 14
2.1.1. Các thiết bị chấp hành 14
2.1.2. Các thiết bị đo 16
2.1.3. Các thiết bị khác 18
2.1.4. Bộ điều khiển
21
2.2. Giới thiệu phần mềm và thiết kế giao diện 29
2.3. Cấu trúc điều khiển mô hình thí nghiệm 38
2.3.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình thí nghiệm 38
2.3.2. Mô hình đối tượng điều khiển 39
2.4. Các vòng điều khiển 44
CHƢƠNG 3. NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 45
3.1. Nhận dạng hệ thống 45
3.1.1. Nhận dạng tác động của dòng nóng đến nhiệt độ T
3
(G
11
) 45
3.1.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến nhiệt độ T
3
(G
12
) 46
3.1.3. Nhận dạng tác động của dòng nóng đến mức L (G

21
) 47

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3.1.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến mức L (G
22
) 48
3.2. Nghiên cứu tác động xen kênh của hệ thống 50
3.2.1. Khi hệ thống chưa có bộ tách kênh De - Coupler 50
3.2.2. Khi hệ thống có bộ tách kênh De - Coupler 52
3.3. Phân tích ảnh hƣởng các tham số đến chất lƣợng hệ điều khiển 53
3.3.1. Xét ảnh hưởng của hệ số khuyếch đại xen kênh đến sự tương tác. 53
3.3.2. Chỉnh định lại bộ điều khiển khi hệ số khuyếch đại tương tác nhỏ
01


. 54
3.3.3. Xét ảnh hưởng các tham số của mạch vòng tương tác tới tác động xen kênh. 55
3.3.4. Điều khiển phân ly hệ đa biến. 56
3.3.5. Điều kiện điều khiển phân ly feedforward hệ đa biến. 57
3.3.6. Ảnh hưởng của K
p
đối với vòng điều khiển 58
3.3.7. Ảnh hưởng của hằng số thời gian τ
p
tới vòng điều khiển 60
3.3.8. Ảnh hưởng của thời gian chết θp tới vòng điều khiển 61
3.3.9. Ảnh hưởng của KP khi loại bỏ tác động xen kênh 62
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐA

BIẾN 62
4.1. Tính toán bộ tách kênh 62
4.2. Thiết lập bộ điều khiển 63
4.2.1. Phương pháp điều khiển sử dụng tối ưu module 63
4.2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS (Direct
Synthesis) 66
4.2.3. Phương pháp điều khiển sử dụng mô hình nội IMC (InternalModel Control) 69
CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 73
5.1. Hƣớng dẫn vận hành 73
5.2 Vận hành hệ thống
74
5.2.1. Quá trình khởi động 75
5.2.2 Thay đổi giá trị đặt của mức L 76
5.2.3. Thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ T3 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO 80
PHỤ LỤC 81

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Minh họa quá trình và biến quá trình 1
Hình 1.2. Nguyên lý điều khiển pha trộn 5
Hình 1.3. Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến 6
Hình 1.4. Cấu trúc của hệ đa biến (MIMO) 7
Hình 1.5. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình. 9
Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo. 10
Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành. 11
Hình 1.8. cấu tạo van điều khiển 11

Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển. 12
Hình 2.1. Hình ảnh thực tế của van điều khiển 14
Hình 2.2. Hình dáng của van từ trong thực tế 15
Hình 2.3. Hình ảnh của 5 rơ-le MY4N sử dụng trong bàn thí nghiệm 16
Hình 2.4. Hình ảnh cảm biến mức trong thực tế 16
Hình 2.5. Hình ảnh thực tế của cảm biến đo nhiệt sử dụng trong mô hình 17
Hình 2.6. Hình ảnh của bộ Quick Disconnect trong thực tế 17
Hình 2.7. Hình ảnh của thiết bị đo lưu lượng của OMEGA 18
Hình 2.8. Hình ảnh thực tế của bình nóng lạnh 19
Hình 2.9. Hình ảnh bơm trong thực tế 19
Hình 2.10. Hình ảnh của nguồn cấp một chiều SD823 trong thực tế 20
Hình 2.11. Hình ảnh của máy biến áp trong thực tế 20
Hình 2.12. Hình ảnh thực tế của bình chứa trong mô hình thí nghiệm 21
Hình 2.13. Hình ảnh bình trộn trong thực tế 21
Hình 2.14. Hình ảnh về AC800 22
Hình 2.15. Hình ảnh về các dạng kết nối I/O tới bộ điều khiển 23
Hình 2.16. Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển và I/O 25
Hình 2.17. Hình ảnh của AI810 26
Hình 2.18. Hình ảnh của AO810 27
Hình 2.19. Hình ảnh của DO810 28
Hình 2.20. Hình ảnh tổng thể của mô hình sau khi lắp đặt 29

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 2.21. Hình ảnh giao diện của Control Builder 29
Hình 2.22. Tạo thư viện và kết nối với các thư viện yêu cầu 30
Hình 2.23. Tạo các dạng dữ liệu trong Control Builder M 31
Hình 2.24. Tạo các khối Control Modules trong Control Builder M 32
Hình 2.25. Cấu hình và kết nối đầu vào ra trong Control Builder M 33
Hình 2.26. Hình ảnh giao diện của My ePlant 34

Hình 2.27. Công cụ thiết kế giao diện Process Graphic Editor 34
Hình 2.28. Cài đặt thông số cho Trend Display trên Trend Template 35
Hình 2.29. Đồ thị xu hướng Trend Display 36
Hình 2.30. Màn hình giao diện của hệ thống 37
Hình 2.31. Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến 38
Hình 2.32. Cấu trúc tổng quan mô hình 39
Hình 2.33. Xác định biến quá trình của đối tượng bình trộn. 40
Hình 3.1. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới nhiệt độ T3 45
Hình 3.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới nhiệt độ T3 46
Hình 3.3. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới mức L 47
Hình 3.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới mức L 49
Hình 3.5. Mô phỏng quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh. 50
Hình 3.6. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh 51
Hình 3.7. Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh De - Coupler 52
Hình 3.8. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh 53
Hình 3.9. Cán thép dây xây dựng 56
Hình 3.10. Điều khiển phân ly 56
Hình 3.11. Nguyên lý điều khiển feedforward có đo biến điều khiển 56
Hình 4.1. Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 64
Hình 4.2. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 64
Hình 4.3. Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 65
Hình 4.4. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 65
Hình 4.5. Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS
67
Hình 4.6. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 4.7. Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 68
Hình 4.8. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 68

Hình 4.9. Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC
70
Hình 4.10. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC
70
Hình 4.11. Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 71
Hình 4.12. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 71
Hình 5.1. Khởi động OPC Server Configuration 73
Hình 5.2. Thiết lập giá trị đặt cho biến quá trình 73
Hình 5.3. Bảng điều khiển bằng tay 74
Hình 5.4. Bảng điều khiển PID 74
Hình 5.5. Quá trình khởi động khi chưa có bộ De-coupler 75
Hình 5.6. Quá trình khởi động khi có bộ De-Coupler 76
Hình 5.7. Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi chưa có De-coupler 76
Hình 5.8. Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi có De-coupler 77
Hình 5.9. Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi chưa có De-coupler 77
Hình 5.10. Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi có De-coupler 77
Hình 5.11. Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi chưa có De-coupler 78
Hình 5.12. Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi có De-coupler 78


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển 24
Bảng 2.2. Bảng liệt kê thiết bị kết nối với bộ điều khiển 25
Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật của AI810 26
Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của AO810 27
Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của AO810 28
Bảng 3.1. Tìm hiểu hệ số khuếch đại xen kênh – yếu tố thể hiện tác động qua lại của

các vòng điều khiển 59
Bảng 5.1. Bảng ký hiệu màu 74
Bảng P3. Bảng đấu nối các kênh cho khối đầu ra tương tự DO810 84
Bảng P4. Bảng đấu nối của AI810 trong tủ 86
Bảng P5. Bảng đấu nối của các van từ trong tủ 87
Bảng P6. Bảng đấu nối của DO810 88
Bảng P8. Bảng đấu nối của các bơm trong mô hình 89

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
MV

Manual Valve
Van tay
CV

Control Valve
Van điều khiển
PV

Proportioning Valve
Van tỉ lệ
SV

Solenoid Valve

Van từ
LT

Level Transmitter
Thiết bị đo mức
TT

Temperature Transmitter
Thiết bị đo nhiệt
FT

Flow Transmitter
Thiết bị đo lưu lượng
PI

Pump In
Bơm đầu vào
PO

Pump Out
Bơm đầu ra
DS
Driect Synthesis
Tổng hợp trực tiếp
IMC
Internal Model Control
Điều khiển mô hình nội


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI NÓI ĐẦU
Điều khiển quá trình là một mảng lớn trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa, với
một loạt các ứng dụng quan trọng trong công nghiệp chế biến, hóa chất, năng lượng …
Thêm vào đó, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và các yêu cầu mới của
quá trình sản xuất, điều khiển quá trình đang ngày càng được quan tâm và phát triển.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cấp cơ sở của điều khiển quá trình là gồm các mạch vòng đơn biến. Tuy nhiên trong
công nghiệp sản xuất có rất nhiều các biến cần điều khiển, các mạch vòng đơn biến lại
có sự tác động liên quan đến nhau, có sự sen kênh giữa các mạch vòng, gây khó khăn
cho quá trình điều khiển, ảnh hưởng đến năng suất cũng như chất lượng sản phẩm. Khi
thiết kế thiết bị công nghệ điều khiển người ta cố gắng hạn chế sự sen kênh, nhưng có
1 số các mạch vòng không thể hạn chế được người ta chấp nhận điều khiển đa biến.
Vì vậy vấn đề nghiên cứu dể nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa
biến là hết sức cấp thiết. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên và bản thân tác giả
mong muốn thiết kế được mô hình thí nghiệm phục vụ việc dạy và học ở Trường Cao
Đẳng Nghề Phú Thọ, nơi mà học viên đang công tác. Vì vậy học viên mạnh dạn chọn
đề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển quá trình đa biến”. Với
mong muốn tìm hiểu nghiên cứu để nâng cao chất lượng điều khiển trong điều khiển
quá trình đa biến.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
a. Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kỹ thuật điều khiển feedforward để nâng
cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến
b. Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết quả thu được ta khảo sát thiết kế và cài đặt hệ
điều khiển đa biến trong công nghiệp
3. Mục đích nghiên cứu:
- Phân tích được các tính chất cơ bản của hệ điều khiển đa biến
- Ứng dụng của kỹ thuật điều khiển tách kênh feedforward để nâng cao chất
lượng hệ điều khiển đa biến.

- Thiết kế và cài đặt được hệ điều khiển đa biến trong thí nghiệm
4. Phƣơng pháp nghiên cứu:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Nghiên cứu lý thuyết
- Tham khảo các sách giáo khoa, giáo trình tài liệu…. về hệ điều khiển
quá trình đa biến.
- Tìm hiều nghiên cứu về mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình, các
thiết bị điều khiển ….
Mô phỏng :
- Thiết kế hệ điều khiển, mô hình hóa mô phỏng trên phần mềm Matlab
Thực nghiệm:
- Ứng dụng phương pháp điều khiển trên mô hình thí nghiệm điều khiển
mức và nhiệt độ để kiểm chứng
5. Những vấn đề cần nghiên cứu
Chương 1. Lý thuyết chung điều khiển quá trình đa biến
Chương 2. Giới thiệu mô hình thí nghiệm điều khiển đa biến
Chương 3. Nhận dạng và điều khiển hệ thống
Chương 4. Thiết kế nâng cao chất lượng điều khiển hệ đa biến
Chương 5. Kết quả thực nghiệm
Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều khiển tự
động và bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp trường Đại học KTCN Thái
Nguyên, đặc biệt là thầy giáo PGS. TS. Bùi Quốc Khánh cùng các cán bộ nhân viên
trong trung tâm ứng dụng công nghệ cao - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm luận văn.
Do thời gian và năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn của tôi chắc chắn
còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ dạy và đóng góp ý kiến của các thầy
cô và các bạn học viên để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn
Tôi xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, ngày 14 tháng 12 năm 2013
Học viên


Lê Hữu Thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Chƣơng 1. LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH ĐA BIẾN
1.1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận
hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm
bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường.
1.1.1. Khái niệm quá trình và các biến quá trình
 Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học, trong đó
vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biển đổi, vận chuyển
hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một
nhà máy sản xuất năng lượng.

Hình 1.1. Minh họa quá trình và biến quá trình
Quá trình và phân loại các biến quá trình.
 Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá
trình:
Biến vào là một đại lượng hoặc một điều 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 …

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra
bên ngoài. ví dụ: nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình
thường hay quá cao.
Biến cần điều khiển (controlled variable) là một biến ra hoặc một biến trạng
thái của quá trình điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay
giá trị đặt (set point) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command
variable/reference signal). Các biến điều khiển liên quan hệ trọng đến sự vận hành ổn
định, an toàn của hệ thống hoặc của 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.
Biến điều khiển (manipulated variable) 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 khiển tiêu biểu nhất.
Nhiễu là những biến thiên vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp
hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm. Nhiễu tác động lên 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 nhiễu có đặc trưng 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 nhưng không can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất
lỏng ra, thành phần nhiên liệu,…
- Nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá
trị đo được.
1.1.2. Mục đích 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 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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 sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:
- 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.
Việc vận hành ổn định một quá trình có vai trò quan trọng là do nhiều nguyên
nhân. Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng vật chất hoặc
năng lượng, dẫn đến đảm bảo các yêu cầu về chế độ làm việc của các thiết bị đông
nghệ như tránh tràn hoặc tránh cạn bình chứa, quá nhiệt, quá áp… Thứ hai, một hệ
thông vận hành ổn định, trơn tru cũng đồng 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 hơn
hoặc ít phải thay đổi chế độ làm việc hơn, tuổi thọ máy móc, thiết bị sẽ được kéo dài.
Thứ ba, hệ thống có vận hành ổn định mới có thể ổn định năng suất 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 thông 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 có 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 nhiễu và vì thế có các quá
trình quá độ. Bên cạnh đó nhiều quá trình không có tính tự cân bằng, 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 hay tác động nhiễu thế nào, nhiệm vụ
của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ về trạng thái vận hành ổn định. Đó cũng chính
là một nhiệm vụ thuộc phạm vi chức năng điều chỉnh, chức năng quan trọng nhất trong
một hệ thống điều khiển quá trình.

- Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản xuất theo
kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi
yêu cầu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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. Để đảm bảo chất lượng sản
phẩm, các biến quá trình không những phải được duy trì ổn định tại một giá trị bất kỳ
mà còn phải được điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong một
phạm vi cho trước. 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 lượng quan
trọng.
- Vận hành hệ thống an toàn: Nhằm 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 sự cố.
Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghệ nào cũng phải đảm bảo được mục
đích này. Chính vì tầm quan trọng của vấn đề an toàn máy móc, con người và môi
trường, chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với hệ thống có thể vượt xa chi phí cho
thực hiện các chức năng điều khiển thuần túy.
nhiên và môi trường. Đây
khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm. Cách giải quyết
thông thường là đảm bảo chất lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm 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).
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 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 chất lượng
điều khiển tốt nhất sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.
1.2. Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến.
Trong sản xuất công nghiệp các quá trình công nghệ thường bao gồm rất nhiều biến
quá trình. Khi thiết kế hệ điều khiển ta xác định được các biến cần điều khiển, biến
điều khiển, biến nhiễu …Từ đó thiết lập các mạch vòng điều khiển và coi các mạch

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

vòng đó độc lập với nhau, gọi đó là hệ có nhiều mạch vòng đơn biến (một vào một ra
SISO). Tuy nhiên có một số mach vòng có cấu trúc qua lại với nhau. Lúc đó điều
khiển SISO không mang lại hiệu quả. Chúng ta phải xét chúng là hệ đa biến (nhiều vào
nhiều ra MIMO). Lý thuyết hệ đa biến đã được đề cập với lý thuyết điều khiển tự
động. Trong phần này ta nghiên cứu phân tích phục vụ thiết kế chỉnh định lại hệ đa
biến trong thực tế.
Thí dụ 1: Hệ đa biến trong điều khiển pha trộn. Trên hình 1.1 trình bày nguyên lý
điều khiển pha trộn.
AT
AC
FC
FT
F
m
1
m
2
F
X
F1
F2

y1
y2

Hình 1.2. Nguyên lý điều khiển pha trộn
Ta có hai biến cần điều khiển
1
y
là nồng độ X biến điều khiển
11
fm
, biến điều
khiển
2
y
là lưu lượng tổng
f
biến điều khiển
22
mf
.
12
F F F
= hằng số
1
1
.100%
F
Xy
F


Khi thay đổi
1
m
thì
1
y
thay đổi đồng thời kéo theo
2
y
cũng thay đổi . Ngược lại khi
thay đổi
2
m
thì
2
y
thay đổi đồng thời kéo theo
1
y
cũng thay đổi. Nếu thiết kế theo
nguyên lý đơn biến hệ khó ổn định và chất lượng không đảm bảo. Vậy phải xét nó trên
góc độ hệ đa biến để thiết kế điều khiển.
Cấu trúc hệ điều khiển hai biến tổng quát trình bày trên hình 1.2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1sp
Y
2sp

Y
y1
y2
1C
G
2C
G
11
G
21
G
21
G
22
G
1
m
2
m

Hình 1.3. Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến
Các định nghĩa cơ bản:
1C
G
và
2C
G
là hàm truyền bộ điều khiển 1,2;
11 22
,GG

là hàm truyền quá trình kênh 1 và
2,
12
G
hàm truyền tác động xen kênh từ 1 tác động sang 2,
21
G
ngược lại từ 2 tác động
sang 1
1 1 1
( , )
C C C
G k g
,
2 2 2
( , )
C C C
G k g
,
11 11 11
( , )G k g
,
22 22 22
( , )G k g
,
21 21 21
( , )G k g
,
12 12 12
( , )G k g

Hệ số khuyếch đại xen kênh tổng quát kênh thứ j đến thứ i gọi là
ij

được tính:
ij
()
()
i
i
j
j
y
m
m
y
y
m







(1.1)
Áp dụng cho hệ hai biến hình 1.2 ta có:
11 11
( )|
i

m
i
y
kg
m




(1.2)
21 21 12 12
11 11
22 22
22
( ) |
1
i
y
i
CC
y
k g k g
kg
m
kg
kg





(1.3)
Xét hệ khi xác lập ta có hệ số khuyếch đại xen kênh
11 22
ij
21 12
11 22 12 21
11 22
1
1
kk
kk
k k k k
kk





(1.4)
 Quá trình đa biến 2x2 với 2 biến vào CO1, CO2 và 2 biến ra PV1, PV2. Trong đó:
- CO1 tác động trực tiếp tới PV1 thông qua hàm truyền G11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- CO2 tác động trực tiếp tới PV2 thông qua hàm truyền G22
- CO1 tác động xen kênh ( cross – loop) tới PV2 thông qua hàm truyền G21
- CO2 tác động xen kênh ( cross – loop) tới PV1 thông qua hàm truyền G12

Hình 1.4. Cấu trúc của hệ đa biến (MIMO)
Hệ số khuếch đại xen kênh (Relative Gain) Đại lượng đo thể hiện tác động qua lại của
các vòng quá trình
Để nghiên cứu về quá trình điều khiển đa biến , người ta đưa ra một khái niệm là
hệ số khuếch đại xen kênh λ (Relative Gain), khái niệm này được sử dụng nhiều bởi:
- Nó thể hiện được tác động giữa các vòng quá trình
- Dễ tính
- Không có thứ nguyên nên không bị rang buộc bởi đơn vị của các giá trị các
biến
Công thức tính: λ =
Trong đó K
ij
là hệ số khuếch đại của các hàm truyền tương ứng
Có hai cách ghép đôi cặp biến vào ra:
1. CO1 điều chỉnh thiết bị F1 để điều khiển PV1
CO2 điều chỉnh thiết bị F2 để điều khiển PV2
2. CO1 điều chỉnh thiết bị F1 để điều khiển PV2
CO2 điều chỉnh thiết bị F2 để điều khiển PV1
Lưu ý: Các vòng điều khiển nên được ghép với nhau bất cứ khi nào có thể để giúp cho
hệ số khuếch dại đạt giá trị dương, và khi đó các vòng điều khiển có thể coi như là 1
vòng.
G11
G22
G21

G12
PV1
PV2
CO2
CO1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Khái quát cho hệ đa biến.


1
y
2
y
.
.
.
i
y
1
m
2
m
j
m
11

12


1 j

21

22

2 j

1i

2i

ij

. . .
. . .
. . .
.
.


1
1
1
.
.
1
1
. . .
1

(1.5)
Người ta gọi (1.5) là hệ số khuyếch đại xen kênh sắp sếp dưới dạng ma trận (RGA:
Relative gain array) có tính chất là tổng theo cột và tổng theo hàng bằng 1.
Thí dụ xác định ma trận xen kênh theo cấu trúc điều khiển hình 1.2. Ta có gần đúng so
với đơn vị tương đối.
2
1 2 1 2
12
11
1
1
1
1
m
x
f f m m
f m m
fm
x
ff
f
m
f
mx













Ta có
1
11
1
1
m
x
f
x

  

Ta có hệ số ma trận khuyếch đại xen kênh
1
1
xx
xx





1

m
2
m

1
1

1
1
1
y
2
y



Khi xác định hệ số khuếch đại xen kênh theo (1.2) và (1.3) dựa trên.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1 11 1 12 2
2 21 1 22 2
y k m k m
y k m k m



(1.6)
Người ta gọi là hệ số khuếch đại xen kênh mạch vòng hở.
Đối với mạch vòng kín ta có:

1 11 1 12 2
2 21 1 22 2
m H y H y
m H y H y



(1.7)
Trong đó:
ij
j
i
y
m
H
y




(1.8)

ij
H
và
ij
k
có mối quan hệ:

ij ij ij

Hk



(1.9)
Vì vậy đối với mạch vòng kín ta có:

11
12 21
11 22
1
1
HH
HH




(1.10)
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các yêu cầu của
quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất,
an toàn cho con người, máy móc và môi trường.

Hình 1.5. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình.
1.3.1. Thiết bị đo
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào
đó. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo
(tranducer).
(PM)

(CV)
(MV)
(CO)
(SP)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo.
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.
Một cảm biến (Sensor) thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quan tâm của
quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. Để có thể truyền xa và sử dụng được
trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được
khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp.
Một bộ chuyển đổi đo (Transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là
một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA,…). Trong các hệ thống điều khiển
quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất.
1.3.2. 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.
Một thiết bị chấp hành bao gồm 2 thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay
cơ cấu dẫn động (Actuator) và phần tử điều khiển(Control element):


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành.
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ
năng hoặc nhiệt năng), trong khi phần tử chấp hành tác động can thiệp trực tiếp vào
biến điều khiển.
Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng
vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan trọng nhất.
Van điều khiển là thiết bị chấp hành cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu
chất qua đường ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển. Một van điều khiển bao gồm thân
van được ghép nối với một cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan.

Hình 1.8. cấu tạo van điều khiển
Mô hình động học của van điều khiển có thể đưa về một khâu quán tính bậc
nhất:
(1.1)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.3.3. 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, thành phần cốt lõi
của một hệ thống điều khiển công nghiệp. Tùy trường hợp mà một bộ điều khiển có
thể là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài
đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả
một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ trạm PLC/DCS).

Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển.
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách lược điều khiển được
lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều
khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo
dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển

có thể được xếp loại thành: thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển số và thiết
bị điều khiển logic

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu