Thiết kế cấu trúc điều khiển cho quá trình đa biến

Chương 9
Thiết kế cấu trúc điều khiển cho
quá trình đa biến
Công việc thiết kế điều khiển được tiến hành theo hai bước cơ bản là thiết kế
cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển) và thiết kế bộ điều khiển (hay
thuật toán điều khiển). Các sách lược điều khiển cơ sở đã được trình bày trong
chương 5, qua đó các ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng của mỗi sách lược đã
được làm rõ. Các chương 6 và 7 đi sâu vào sách lược điều khiển phản hồi và đưa
ra phương pháp phân tích, đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển phản hồi
vòng đơn. Các phương pháp thiết kế, chỉnh định bộ điều khiển PID cho các quá
trình đơn biến đã được trình bày khá chi tiết trong chương 8. Tuy nhiên, các quá
trình thực tế bao giờ cũng nhiều vào-nhiều ra. Thiết kế cấu trúc điều khiển cho
quá trình đa biến là một vấn đề phức tạp và cũng là một chủ đề nghiên cứu
mang tính thời sự. Nội dung của chương này tập trung làm rõ bài toán thiết kế
cấu trúc điều khiển, từ đó đưa ra những nguyên tắc cơ bản trong việc thiết kế
cấu trúc điều khiển cho các quá trình đa biến.

9.1 Giới thiệu chung
9.1.1 Cấu trúc điều khiển là gì?
Hầu hết mỗi quá trình công nghiệp bao giờ cũng có nhiều biến vào và nhiều biến
ra. Sau khi xây dựng được mô hình toán học, ta đã nhận biết được một cách sơ
bộ vai trò của từng biến quá trình và quan hệ giữa chúng với nhau. Tiếp theo, để
có thể thiết kế thuật toán điều khiển ta sẽ phải trả lời hàng loạt câu hỏi như:
• Những biến quá trình nào sẽ được lựa chọn thực sự cho từng bài toán điều
khiển cụ thể?
• Sử dụng một bộ điều khiển đa biến (tập trung) hay nhiều bộ điều khiển đơn
biến (phi tập trung) để điều khiển một quá trình phức hợp?
Chương 9 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho quá trình đa biến

448
• Nếu sử dụng nhiều bộ điều khiển đơn biến thì biến điều khiển nào nên được

cặp đôi với biến được điều khiển nào?
• Có thể sử dụng thông tin về một số biến ra khác hoặc một số biến nhiễu đo
được để nâng cao chất lượng cho một vòng điều khiển nào đó không?
• Có thể phối hợp nhiều bộ điều khiển đơn biến để nâng cao chất lượng điều
khiển không và hình thức phối hợp như thế nào?
• …
Việc trả lời những câu hỏi trên đây và đưa ra các bản vẽ mô tả chi tiết cấu
trúc (một phần) hệ thống điều khiển trên cơ sở lưu đồ P&ID hoặc sơ đồ khối
chính là nhiệm vụ thiết kế cấu trúc điều khiển. Một cấu trúc điều khiển hay còn
gọi là sách lược điều khiển thể hiện quan hệ về mặt cấu trúc giữa các biến chủ
đạo (giá trị đặt), biến đo được và biến điều khiển thông qua các bộ điều khiển và
các phần tử cấu hình hệ thống khác (ví dụ các khâu cộng, trừ, lựa chọn, bù,…).
Vấn đề thiết kế cấu trúc điều khiển được minh họa tốt nhất qua ví dụ điều
khiển thiết bị trộn (Hình 9-1). Phân tích các mục đích điều khiển, ta thấy rõ các
biến cần điều khiển bao gồm mức chất lỏng h và thành phần sản phẩm ra x. Các
biến điều khiển tiềm năng là lưu lượng vào w
1
và lưu lượng ra w. Các biến còn lại
đóng vai trò là nhiễu. Quan hệ giữa các biến quá trình đã được đã được xây
dựng trong chương 3:

12
11 22 1 2
1
()
11
()()
dh
www
dt A

dx
wx wx w w x
dt Ah Ah
ρ
ρρ
⎧
⎪
=+−
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
=+− +
⎪
⎪
⎪
⎩
(9.1)
h
w
1
, x
1
w
2
, x
2

w, x
V, x,
ρ

Hình 9-1: Bài toán điều khiển thiết bị khuấy trộn
Câu hỏi đầu tiên cần đặt ra ở đây là những biến nào sẽ thực sự được chọn
điều khiển, liệu có phải chắc chắn là h và c hay không? Điều này phụ thuộc vào
khả năng đo được và khả năng điều khiển được (dễ dàng) của một biến. Mức
chất lỏng h có thể đo được và điều khiển được một cách dễ dàng, nên chắc chắn
9.1 Giới thiệu chung
449
sẽ là biến được điều khiển trực tiếp. Trong khi đó thành phần x khó có thể đo
được nhanh và chính xác, quan hệ giữa thành phần và các biến vào lại rất phi
tuyến, gây khó khăn cho việc nhận dạng cũng như thiết kế thuật toán điều khiển
tuyến tính. Thực tế có nhiều cách lựa chọn ở đây: điều khiển trực tiếp thành
phần x, điều khiển gián tiếp thông qua tỉ lệ lưu lượng R = w
1
/w
2
hoặc điều khiển
kết hợp cả thành phần x và tỉ lệ R.
Tiếp theo là vấn đề cặp đôi giữa các biến vào-ra. Trên cơ sở phân tích mô
hình toán học hoặc qua nhận xét trực quan ta cũng có thể dễ dàng đưa ra quyết
định là sẽ chọn biến lưu lượng ra w cho vòng điều khiển mức. Vì sao vậy? Thứ
nhất, lưu lượng w có ảnh hưởng mạnh nhất tới giá trị mức h. Thứ hai, thay đổi
lưu lượng w không ảnh hưởng tới thành phần x (có chăng chỉ ảnh hưởng một
chút tới động học của vòng điều khiển thành phần), trong khi thay đổi w
1
sẽ gây
ảnh hưởng tới cả h và x. Giữa hai vòng điều khiển chỉ có tương tác theo một

chiều, vì vậy hai vòng điều khiển đơn biến ở đây hoàn toàn có thể đáp ứng yêu
cầu về chất lượng.
Một yếu tố cần quan tâm tiếp theo trong bài toán điều khiển thiết bị khuấy
trộn là khả năng đo và bù nhiễu. Trong số các biến nhiễu thì lưu lượng vào w
2
có
ảnh hưởng lớn nhất và cũng dễ đo nhất. Sách lược bù nhiễu giúp nâng cao chất
lượng điều khiển, nhưng lại tăng thêm chi phí cho thiết bị đo. Vì thế phải tùy
theo yêu cầu cụ thể của bài toán mà cân nhắc đưa ra quyết định.
Dựa trên các phân tích trên đây, ta có thể đưa ra các cấu trúc điều khiển
khác nhau. Trên Hình 9-2 là bốn sơ đồ cấu trúc điều khiển tiêu biểu cho hệ
thống bình trộn, trong đó 3 cấu trúc đầu (a–c) dựa trên các bộ điều khiển đơn
biến (
điều khiển phi tập trung
) và cấu trúc thứ tư (d) dựa trên một bộ điều
khiển đa biến (
điều khiển tập trung
). Ba cấu trúc phi tập trung cùng sử dụng
sách lược phản hồi cho vòng điều khiển mức, với lý do quá trình mức có đặc tính
tích phân, chỉ có thể ổn định bằng một bộ điều khiển phản hồi. Đối với bài toán
điều khiển thành phần ta có ba phương án khác nhau: a) điều khiển phản hồi
thuần túy, b) điều khiển tỉ lệ và c) điều khiển tầng, kết hợp điều khiển phản hồi
với điều khiển tỉ lệ. Hơn nữa, các cấu trúc b và c có sử dụng giá trị đo lưu lượng
w
2
và chứa bên trong thành phần bù nhiễu. Cấu trúc điều khiển tập trung d
cũng sử dụng sách lược điều khiển phản hồi kết hợp bù nhiễu. Mỗi cấu trúc có
những ưu điểm và nhược điểm riêng sẽ được phân tích kỹ hơn trong các phần
sau.
Cấu trúc hệ thống điều khiển cũng có thể được mô tả đơn giản bằng sơ đồ

khối. Hình 9-3 minh họa lại các cấu trúc điều khiển bình trộn đã trình bày trên
đây. Sơ đồ khối mang ít thông tin về đặc thù của quá trình công nghệ, nhưng rất
tiện cho công việc phân tích hệ thống và thiết kế thuật toán điều khiển, như ta
đã thấy qua những phần trình bày trong chương 7.
Chương 9 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho quá trình đa biến

450
Tóm lại, cấu trúc điều khiển là nguyên tắc về mặt cấu trúc trong sử dụng
thông tin về các biến quá trình để đưa ra tác động điều khiển. Lưu ý rằng
cấu
trúc điều khiển
khác với
cấu trúc bộ điều khiển
. Một cấu trúc điều khiển mô tả
quan hệ về mặt cấu trúc giữa mỗi bộ điều khiển với các biến quá trình tương
ứng cũng như quan hệ tương tác giữa các bộ điều khiển với nhau, nhưng chưa
nói lên cấu trúc bên trong của mỗi bộ điều khiển như thế nào. Công việc thiết kế
cấu trúc điều khiển bao gồm các bước cụ thể sau đây:
• Lựa chọn các biến được điều khiển dựa trên từng mục đích điều khiển cụ thể
và dựa trên khả năng điều khiển được (dễ dàng)

Hình 9-2: Một số cấu trúc điều khiển bình trộn

a) điều khiển phản hồi thuần túy (đơn biến)
b) điều khiển tỉ lệ và điều khiển phản hồi (đơn biến)
c) điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển tỉ lệ (cấu trúc tầng)
d) điều khiển phản hồi kết hợp bù nhiễu (đa biến)
LCLT
AT
AC

x
SP
h
SP
LCLT
FT
RC
R
SP
h
SP
LCLT
AT
AC
x
SP
h
SP
LT
FT
x
SP
h
SP
FT
RC
UC
AT
a)
b)

c) d)
9.1 Giới thiệu chung
451

• Lựa chọn các biến điều khiển và các biến được đo cho một mục đích điều
khiển cụ thể
• Phân tích và ra quyết định sử dụng phương án điều khiển tập trung, phi tập
trung hoặc phối hợp.
• Đối với cấu trúc phi tập trung: lựa chọn một
cấu hình điều khiển
dựa trên
cặp đôi các biến điều khiển – biến được điều khiển và các phần tử cấu hình cơ
bản.
• Phối hợp sử dụng các sách lược điều khiển cơ bản (điều khiển phản hồi, điều
khiển truyền thẳng, điều khiển tầng điều khiển tỉ lệ,…) và thể hiện cấu trúc
điều khiển trên bản vẽ.
Trong thực tế cũng như trong nhiều tài liệu, khái niệm
cấu hình điều khiển
cũng
được sử dụng với nghĩa tương đồng với
cấu trúc điều khiển
, bởi sự khác nhau
giữa hai khái niệm này không lớn. Tuy nhiên, trong phạm vi trình bày ở đây
khái niệm cấu hình điều khiển được hiểu với nghĩa hẹp hơn như sau:
Hình 9-3: Sơ đồ một số cấu trúc điều khiển thiết bị khuấy trộn
Bình trộn
h
x
F
F

1

AC
x
sp

h
sp
Bình trộn
h
F
h
sp

LC
Bình trộn
h
c
F
1

h
sp
F
LC
c
sp
Bình trộn
h
c

F
F
1
F
2
c
sp
h
sp
UC
r
sp

F
2

AC
RC
c
F
1
R
sp
F
2
RC
a) Đ
iều khiển phản hồi thuần túy
b) Đ
iều khiển tỉ lệ và điều khiển

phản hồi
c) Điều khiển tầng và điều khiển
phản hồi
d) Điều khiển đa biến
LC
Chương 9 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho quá trình đa biến

452
• Cấu hình điều khiển bao giờ cũng gắn với một bài toán thực tế, trong khi cấu
trúc điều khiển có thể đưa ra một cách tổng quát.
• Cấu hình điều khiển không bao hàm vấn đề lựa chọn các biến vào/ra, tức là
một cấu hình điều khiển bao giờ cũng dựa trên cơ sở các biến điều khiển và
các biến được điều khiển có sẵn.
• Một cấu hình điều khiển có thể được lựa chọn (từ một tập các cấu hình thông
dụng), chứ không phải được thiết kế.
9.1.2 Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển
Nhiệm vụ của điều khiển tự động là giữ cho một số biến quá trình gần với biến
chủ đạo tương ứng trong điều kiện có tác động của nhiễu và thông tin không
chính xác về đối tượng. Việc thiết kế cấu trúc điều khiển cần hướng tới những
tiêu chí sau đây:
1.
Chất lượng
: Đảm bảo khả năng thiết kế các bộ điều khiển để đáp ứng tốt
nhất các yêu cầu về chất lượng điều khiển như tính ổn định, tính bền vững,
tốc độ đáp ứng và chất lượng đáp ứng.
2.
Đơn giản và kinh tế
: Đảm bảo khả năng thực thi, chỉnh định và đưa hệ
thống điều khiển vào vận hành một cách đơn giản và kinh tế trên các giải
pháp phần cứng và phần mềm thông dụng, dựa trên những cơ sở lý thuyết dễ

tiếp cận trong thực tế.
3.
Tin cậy/bền vững
: Hệ thống phải làm việc tin cậy và hiệu quả ngay cả trong
điều kiện không có thông tin đầy đủ và chính xác về quá trình.
Những tiêu chí này cần được đặt ra với mức ưu tiên khác nhau cho từng bài
toán cụ thể. Quay trở lại ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn, nếu đặt chất
lượng là tiêu chí đầu tiên thì cấu trúc c và d tỏ ra có ưu điểm hơn cả. Cấu trúc c
lợi dụng kết hợp được các ưu điểm của điều khiển phản hồi, điều khiển tầng và
điều khiển tỉ lệ (ở đây cũng là một hình thức bù nhiễu). Cấu trúc d cũng kết hợp
sách lược phản hồi và bù nhiễu trong một bộ điều khiển đa biến, hứa hẹn chất
lượng điều khiển tốt nhất nếu mô hình quá trình đủ chính xác. Nhưng nếu xét
theo tiêu chí thứ hai thì cấu trúc b là đơn giản và kinh tế hơn cả, bởi khả năng
cài đặt dễ dàng và tiết kiệm chi phí cho thiết bị phân tích nồng độ. Xét về độ tin
cậy và tính bền vững của giải pháp điều khiển thì các cấu trúc phi tập trung có
ưu điểm hơn hẳn cấu trúc tập trung. Đối với cấu trúc phi tập trung, việc mất
một tín hiệu đo hoặc một tín hiệu điều khiển chỉ ảnh hưởng tới một vòng điều
chỉnh, trong khi độ tin cậy của giải pháp điều khiển tập trung phụ thuộc vào độ
tin cậy và tính sẵn sàng của toàn bộ tín hiệu vào/ra trực thuộc.
Bên cạnh hướng tới các tiêu chí thì việc thiết kế cấu trúc điều khiển còn phải
dựa vào nhiều yếu tố đặc thù của quá trình công nghệ như:
9.1 Giới thiệu chung
453
• Số biến quá trình (thông thường là lưu lượng) có thể can thiệp được một cách
độc lập, các khả năng can thiệp (thông qua máy bơm, van điều khiển, quạt
gió, dòng hồi lưu,…)
• Đặc tính động học của quá trình thể hiện qua quan hệ giữa các biến vào/ra,
ví dụ tính ổn định, tính chất pha cực tiểu/không cực tiểu, mức độ phi tuyến
và mức độ tương tác nội,…
• Đặc tính của các thiết bị đo và thiết bị chấp hành, bao gồm cả đặc tính tĩnh

và đặc tính động học như độ chính xác, độ trễ, dải chết, phạm vi giới hạn
đo/điều khiển, hằng số thời gian,…
• Đặc thù của nhiễu quá trình, ví dụ mức độ ảnh hưởng, tốc độ biến thiên, khả
năng đo được,…
• Các yêu cầu về an toàn hệ thống, ví dụ bắt buộc khống chế mức chất lỏng để
tránh tràn, khống chế áp suất và nhiệt độ để tránh cháy nổ,…

9.2 Lựa chọn biến quá trình
Trong nội dung chương 3 về xây dựng mô hình lý thuyết cho các quá trình, ta đã
bàn về vấn đề nhận biết các biến quá trình, bao gồm các biến cần điều khiển,
biến điều khiển và nhiễu. Quan hệ giữa các biến quá trình thể hiện qua mô hình
toán học, nhận được từ phương pháp lý thuyết hoặc nhận dạng. Bài toán thiết
kế điều khiển tổng quát nay được minh họa trên Hình 9-4. Trong trường hợp lý
tưởng, ta mong muốn toàn bộ biến cần được điều khiển cũng sẽ được điều khiển
một cách trực tiếp và độc lập. Song trong thực tế điều này không phải bao giờ
cũng thực hiện được bởi nhiều lý do như sau:
• Số lượng biến điều khiển có thể ít hơn số biến cần điều khiển (xem phần phân
tích bậc tự do mô hình trong chương 3).
• Không phải biến cần điều khiển nào cũng có thể đo được một cách kinh tế,
đủ chính xác và đủ nhanh cho mục đích điều khiển, đặc biệt là nồng độ.
Nhiễu d
Các biến cần
điều khiển y

Các biến
điều khiển u
Các giá
trị đặt r
Quá trình
Hình 9-4: Bài toán thiết kế điều khiển

Chương 9 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho quá trình đa biến

454
• Một số biến cần điều khiển có độ nhạy rất kém với các biến điều khiển, phạm
vi điều khiển được không lớn hơn nhiều so với ảnh hưởng của nhiễu đo.
• Động học của một số vòng điều khiển có thể rất chậm (do đặc tính của quá
trình, thiết bị đo hoặc thiết bị chấp hành), rất nhạy cảm với nhiễu, rất phi
tuyến hoặc tương tác mạnh với các vòng điều chỉnh khác, khó có thể thiết kế
để cho chất lượng điều khiển tốt.
Như đã phân tích, một trong những bước đầu tiên trong thiết kế cấu trúc
điều khiển là lựa chọn các biến được điều khiển, các biến điều khiển và biến đo
từ những biến quá trình có sẵn. Việc lựa chọn này một phần dựa trên cơ sở phân
tích các mục đích điều khiển, một phần dựa trên kinh nghiệm và một phần dựa
trên cơ sở phân tích mô hình.
9.2.1 Một số chỉ dẫn lựa chọn
Một số nguyên tắc cơ bản cho việc lựa chọn các biến quá trình đã được thảo luận
trong chương 1 và chương 3. Phần dưới đây tóm tắt một số chỉ dẫn quan trọng
dựa theo Seborg và cộng sự [2]. Phương pháp phân tích toán học cho các quá
trình với số lượng lớn biến vào-ra sẽ được trình bày trong mục tiếp theo.
Lựa chọn các biến được điều khiển
1.
Tất cả các biến không có tính tự cân bằng phải được điều khiển
. Một biến
không có tính tự cân bằng thể hiện một quá trình không ổn định, ví dụ mức
trong bình chất lỏng, áp suất trong bình gas, nồng độ sản phẩm trong một số
phản ứng hóa học,… Chỉ cần một nhiễu nhỏ tác động vào cũng có thể làm cho
giá trị những biến này vượt ra khỏi giới hạn cho phép. Cho dù một số biến
không đặc trưng cho chất lượng sản phẩm thì ít nhất chúng cũng liên quan
tới sự vận hành an toàn và ổn định của hệ thống, vì thế chúng phải được điều
khiển.

2.
Chọn các biến ra cần phải duy trì trong giới hạn ràng buộc của thiết bị
hoặc của chế độ vận hành
(ví dụ nhiệt độ, áp suất và nồng độ). Các giới hạn
ràng buộc liên quan tới sự vận hành ổn định, an toàn và đảm bảo yêu cầu
bảo vệ môi trường, nên cho dù một số biến có tính tự cân bằng chúng cũng
cần được duy trì trong phạm vi qui định.
3.
Chọn các biến ra đại diện trực tiếp cho chất lượng sản phẩm
(ví dụ nồng
độ, thành phần)
hoặc các đại lượng ảnh hưởng lớn tới chất lượng
(ví dụ
nhiệt độ hoặc áp suất). Nồng độ hoặc thành phần là các đại lượng liên quan
trực tiếp tới chất lượng, nhưng cũng thường khó đo chính xác hoặc phép đo
rất chậm. Như trong chương 3 đã phân tích, giữa nhiệt độ, áp suất và nồng
độ của một quá trình có mối quan hệ trực tiếp, ta không thể đồng thời điều
9.2 Lựa chọn biến quá trình
455
khiển 3 biến một cách độc lập. Ví dụ trong nhiều hệ thống tháp chưng luyện,
người ta chọn phương án duy trì áp suất cố định và điều chỉnh nhiệt độ theo
giá trị đặt tính toán để đảm bảo thành phần sản phẩm ra.
4.
Chọn các biến ra có tương tác mạnh tới các biến cần điều khiển khác.

Trong một hệ thống điều khiển quá trình, các biến được điều khiển có thể có
quan hệ tương tác lẫn nhau. Ví dụ trong một tháp chưng luyện, áp suất trong
tháp hoặc mức đáy tháp ảnh hưởng tới tốc độ bay hơi và qua đó ảnh hưởng
tới chất lượng và năng suất. Một biến được điều khiển trong quá trình đứng
trước cũng có thể lại đóng vai trò là nhiễu hoặc biến điều khiển trong quá

trình đứng sau. Ví dụ áp suất hơi nước từ lò hơi cấp cho cụm turbin-máy
phát là biến điều khiển cho duy trì tốc độ turbin khi tải thay đổi, như vậy
đương nhiên phải được chọn là biến được điều khiển trong bài toán điều khiển
lò hơi. Lưu lượng hoặc nhiệt độ cấp liệu cho một tháp chưng cất cũng ảnh
hưởng tới quá trình chưng cất với vai trò là nhiễu, như vậy tốt nhất cần được
điều khiển trước hoặc làm trơn tru trước (ví dụ thông qua hệ thống bình chứa
trung gian).
5.
Chọn các biến ra có đặc tính động học và đặc tính tĩnh tiêu biểu, dễ điều
khiển
. Tránh lựa chọn các biến có thời gian trễ lớn do phép đo, các biến ít
nhạy cảm với thay đổi biến điều khiển hoặc các biến có quan hệ phi tuyến lớn
với biến điều khiển.
Trong nhiều trường hợp, có thể có mâu thuẫn nếu tuân theo đầy đủ tất cả
các chỉ dẫn trên đây. Trừ chỉ dẫn số 1 nhất thiết phải tuân theo, còn các chỉ dẫn
khác chỉ mang tính gợi ý, cần phải được cân nhắc cẩn thận. Mặt khác, việc tuân
theo đầy đủ các chỉ dẫn trên chưa chắc đã cho ta quyết định cuối cùng, nhất là
khi số lượng các biến ra rất lớn. Khi đó, việc sử dụng các công cụ toán học như
sẽ trình bày trong mục tiếp theo là điều cần thiết.
Lựa chọn các biến điều khiển
6.
Chọn những biến vào có ảnh hưởng lớn tới biến được điều khiển tương ứng
.
Ảnh hưởng của biến vào tới biến được điều khiển ở đây được đánh giá thông
qua hệ số khuếch đại (tĩnh và động) cũng như phạm vi thay đổi được của
biến vào. Trường hợp lý tưởng là một biến vào chỉ có ảnh hưởng mạnh tới
một biến được điều khiển duy nhất.
7.
Chọn những biến vào có tác động nhanh tới biến được điều khiển tương ứng
.

Tác động nhanh ở đây thể hiện qua hằng số thời gian quán tính nhỏ, thời
gian trễ nhỏ nếu so sánh tương đối với các quan hệ vào-ra khác. Hằng số thời
gian quán tính càng lớn hoặc thời gian trễ càng lớn thì chất lượng điều khiển
có thể đạt được càng kém. Đặc biệt, cố gắng tránh những quan hệ vào-ra có
đặc tính đáp ứng ngược (do có điểm không nằm bên phải trục ảo).