Đồ án Thiết kế và xây dựng mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình đa biến

MỤC LỤC
Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
3
Danh mục bảng số liệu
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
4
Danh mục từ viết tắt
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 Transmister Thiết bị đo mức
TT Temperature Transmister Thiết bị đo nhiệt
FT Flow Transmister Thiết bị đo lưu lượng
PI Pump In Bơm đầu vào
PO Pump Out Bơm đầu ra
IMC Internal Model Control Điều khiển mô hình nội
5
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Trong giai đoạn phát triển ngày nay, điều khiển quá trình đã và đang giữ một vị trí quan
trọng trong các ngành công nghiệp dầu khí, hóa chất, công nghệ thực phẩm… quyết định
đến việc đảm bảo cho các dây chuyền sản xuất đạt được năng suất và chất lượng mong
muốn. Việc học tập và thực nghiệm về điều khiển quá trình trong nhà trường là rất cần
thiết. Do vậy, Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp công nghiệp đã đảm nhận và đưa vào
giảng dạy môn học Điều khiển quá trình nhằm giúp sinh viên có thể tiếp cận được các
khái niệm, lý thuyết và làm quen với những hệ điều khiển quá trình. Vấn đề đặt ra là cần

phải có những mô hình thí nghiệm để cho sinh viên có thể thực hành những lý thuyết đã
được học vào trong thực tế. Xuất phát từ nhu cầu thực nghiệm đó, chúng em đã thực hiện
đề tài: “ Thiết kế và xây dựng mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình đa biến”.
Nội dung chính của đồ án mà em thực hiện gồm:
- Tổng quan về điều khiển quá trình.
- Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
- Xây dựng mô hình thí nghiệm.
- Thiết kế và mô phỏng các bộ điều khiển.
- Thực nghiệm trên mô hình
Qua những bài thí nghiệm điều khiển quá trình mà chúng em xây dựng, sinh viên
có thể tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển, vai trò của các thiết bị
trong hệ thống như cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển…Các bước tiến hành
trong quá trình thực nghiệm tương ứng với quá trình làm việc trong thực tế sản xuất như:
khảo sát đặc tính thực nghiệm của đối tượng điều khiển từ đó lựa chọn các phương pháp
điều khiển và hiệu chỉnh các tham số bộ điều khiển.
Trong 4 tháng thực hiện đồ án, được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy
giáo ThS. Vũ Thụy Nguyêncùng các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá, các cán bộ
nhân viên trung tâm HITECH, đồ án của em đã hoàn thiện. Do thời gian làm đồ án ngắn
và khối lượng công việc lớn, chắc chắn đồ án của em còn nhiều thiếu sót, em rất mong
nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn.
Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Bùi Thanh Sơn
1
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Các khái niệm cơ bản trong điều khiển quá trình
1.1.1. 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 sự diễn biến (biến đổi) lý hóa trong dây chuyền, thiết bị
công nghệ của dòng nguyên vật liệu đầu vào để tạo ra dòng sản phẩm đầu ra. Trạng thái
hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình.
Hình .1.Quá trình công nghệ và phân loại các quá trình công nghệ.
• 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 sợi đốt, …
• 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, …
• 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 một giá trị mong muốn hay giá trị
7
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
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, 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 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
tác động lên quá trình công nghệ một cách cố hữu nhưng ta không thể can thiệp
được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên
liệu, …Còn nhiễu đo (hay nhiễu tạp) là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số

trong giá trị đo được.
1.1.2. Phân loại quá trình
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau.
Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Nếu quá trình chỉ có
một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá
trình đa biến. Một quá trình một biến vào – một biến ra còn được gọi là SISO (single
input – single outpur), quá trình nhiều biến vào – nhiều biến ra được gọi là MIMO (multi
input – multi putput). Hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến.
Dựa vào đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái
tiêu biểu), ta có thể phân loại các quá trình thành các loại sau :
• Quá trình liên tục : Các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển
hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đã đạt trạng
thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành.
Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến tương tự. Ví dụ
cho quá trình liên tục là quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình
vận chuyển chất lỏng, …
8
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
• Quá trình gián đoạn (quá trình không liên tục) : có bản chất giống như quá
trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm
gián đoạn nhất định.
• Quá trình rời rạc : Các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời
điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước,
tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy, các đại lượng đặc trưng
của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến số nguyên,
trường hợp đặc biệt là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các
trạng thái logic). Ví dụ như quá trình đóng bao, quá trình lắp ráp,…
• Quá trình mẻ : là một quá trình hỗn hợp, có đặc trưng của cả quá trình liên tục
và quá trình rời rạc. Quy trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác cho
trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một

mẻ. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm cả các biến tương
tự và biến rời rạc. Đặc biệt yếu tố thời gian đóng một vai trò quan trọng trong
một quá trình mẻ. Ví dụ quá trình mẻ như các phản ứng hóa học. quá trình pha
chế, lên men (bia, rượu),
1.1.3. Khái niệm điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều
khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm,
hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc, môi trường.
1.1.4 Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật
một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước đồng thời giảm
thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh.
Điều khiển quá trình có các chức năng sau :
• Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru. Đây là yêu cầu trước tiên bởi vì
thứ nhất, một quá trình ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng về vật chất
và năng lượng tức là đảm bảo được yêu cầu về chế độ làm việc; thứ hai là tuổi
thọ của cơ cấu chấp hành được nâng cao do tín hiệu điều khiển ít thay đổi; và
thứ ba, chỉ khi quá trình đạt ổn định thì yêu cầu về năng suất, chất lượng sản
phẩm mới có thể thực hiện được.
• 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
9
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
trong phạm vi yêu cầu Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định
tới chất lượng sản phẩm. 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. Theo đó, điễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong
những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng.
• Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn : 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.Do đặc thù của mỗi quá trình công nghệ, một số biến quá trình có
thể không liên quan trực tiếp đến chất lượng sản phẩm nhưng cũng cần phải
được khống chế để giữ ổn định tại một giá trị thích hợp hoặc xê dịch trong một
phạm vi nhất định để đảm bảo giới hạn an toàn cho phép như mức, nhiệt độ, áp
suất. Tuy nhiên nguy cơ xảy ra lỗi ngay cả ở những hệ thống thiết bị tự động
tối tân nhất không phải không có nên vai trò theo dõi, giám sát trạng thái hoạt
động hệ thống thiết bị của con người một cách thường xuyên là rất quan trọng.
• Bảo vệ môi trường : Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí
thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi khói,
giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu.Mức độ ô nhiễm môi trường của một
nhà máy một phần liên quan tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng
nhưng một phần không nhỏ thuộc trách nhiệm của hệ thống điều khiển. Việc
giảm thiểu hoặc ít nhất duy trì các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường
ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh và chức năng vận hành.
• Nâng cao hiệu quả kinh tế : Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu
trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh
với yêu cầu thay đổi của thị trường.Mục đích cuối cùng của việc ứng dụng điều
khiển tự động các quá trình công nghệ vẫn là nâng cao hiệu quả kinh tế về lâu
dài. 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.
10
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình
Các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức

tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và
thiết bị điều khiển.
Hình 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
1.2.1. Thiết bị đo
Một thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá
trình công nghệ và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn, một thiết bị đo gồm hai thành phần
cơ bản là cảm biến và chuyển đổi đo.
Hình 1 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo
11
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Cảm biến có chức năng chuyển đổi một đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suât, mức,
lưu lượng, nồng độ) sang một tín hiệu khác, thông thường là điện hoặc khí nén. Bộ
chuyển đổi đo cho đầu ra là tín hiệu chuẩn ví dụ như 0-10V, 4-20mA, RS485, tín hiệu bus
trường, …trong đó tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất.
Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào các yếu tố
đặc tính vận hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học :
• Đặc tính vận hành bao gồm các chi tiết về khả năng đo, chi tiết vận hành và tác
động môi trường.
• Đặc tính tĩnh biểu diễn quan hệ giữa đại lượng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra
của thiết bị đo ở trạng thái xác lập, liên quan tới độ chính xác khi giá trị của đại
lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm.
• Đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào và tín hiệu ra theo
thời gian, liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay
đổi nhanh.
a) Đặc tính vận hành
• Phạm vi đo và dải đo : Phạm vi đo là phạm vi giá trị danh định của đại lượng đo
mà một thiết bị đo được sử dụng theo quy định, được xác định bởi giới hạn trên và
giới hạn dưới. Dải đo là khoảng cách giữa giới hạn trên và giới hạn dưới của phạm
vi đo
• Độ phân giải : Khi giá trị của một biến đo biến thiên liên tục trong phạm vi đo,

một số thiết bị đo cho tín hiệu rat hay đổi một cách rời rạc thay vì liên tục. Khi đó
một bước thay đổi của tín hiệu ra được gọi là độ phân giải của thiết bị đo.
• Độ tin cậy : là xác suất mà thiết bị đo hoạt động tốt qua một khoảng thời gian
trong một số điều kiện quy chuẩn.
• Tác động của môi trường : Điều kiện làm việc của một thiết bị đo bao gồm nhiệt
độ và áp suất bên ngoài, áp suất dòng chảy, trường điện từ, gia tốc, độ rung và vị
trí lắp đặt. Giới hạn làm việc là phạm vi các điều kiện làm việc mà không gây ra
hư hỏng thiết bị đo.
b) Đặc tính tĩnh
• Sai số và độ chính xác : Sai số đo là sai lệch giữa giá trị quan sát được với giá trị
thực của đại lượng đo. Sai số đo thường gồm hai phần là sai số ngẫu nhiên và sai
số hệ thống. Sai số ngẫu nhiên do đặc tính bất định của thiết bị hoặc do tác động
12
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
của nhiễu tức thời. Sai số hệ thống có nguyên nhân từ các đặc tính vận hành và
tính phi tuyến của thiết bị.
Độ chính xác là mức độ phù hợp của đầu ra một thiết bị đo với giá trị thực của đại
lượng đo xác định bởi một số tiêu chuẩn, được đánh giá thông qua thử nghiệm với
một quy trình đặc biệt trong điều kiện quy chuẩn.
• Dải chết và độ trễ : Dải chết của một thiết bị đo là thay đổi nhỏ nhất của đại lượng
đo theo chiều ngược lại mà thiết bị đo có thể đáp ứng với tín hiệu ra thay đổi. Độ
trễ là sự khác nhau trong đáp ứng ra với cùng thay đổi đầu vào nhưng theo hai
chiều khác nhau.
• Độ tuyến tính : Một thiết bị đo lý tưởng cho tín hiệu ra tuyến tính với đại lượng đo
đầu vào nhưng thực tế bất cứ thiết bị đo nào cũng là phi tuyến. Các hiện tượng phi
tuyến bao gồm độ nhạy biến thiên, độ trễ và dải chết. Tuy nhiên ở một chừng mực
nào đó, trong một dải làm việc nào đó người ta có thể coi đặc tính của một thiết bị
đo là tuyến tính. Mức độ gần với đặc tính tuyến tính lý tưởng được gọi là độ tuyến
tính.
c) Đặc tính động học

Đặc tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể biểu diễn bằng một khâu quán
tính bậc nhất :
m
m
k
G (s)
1 s
=
+ τ
(1.1)
Hoặc một khâu bậc hai ổn định :
m
m
2 2
k
G (s)
2 s s
=
τ + τς +
(1.2)
Nếu hằng số thời gian τ rất nhỏ so với hằng số thời gian của quá trình công nghệ, tức là
phép đo có động học nhanh hơn nhiều so với động học của quá trình, ta có thể bỏ qua
quán tính của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo như một khâu khuếch đại thuần
túy. Ngược lại nếu hằng số thời gian này không nhỏ hơn nhiều hằng số thời gian của quá
trình thì phải đưa mô hình động học của thiết bị đo vào mô hình quá trình hoặc vẫn chỉ sử
dụng mô hình tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gây ra là nhiễu đo.Với một thiết bị
đo, đặc tính đáp ứng với giá trị đo thay đổi đột ngột tức đặc tính đáp ứng quá độ được coi
là quan trọng nhất.
13
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình

Hình 1 Đáp ứng tiêu biểu của một thiết bị đo
Thời gian đáp ứng của thiết bị đo là thời gian mà tín hiệu ra của đáp ứng quá độ lần đầu
tiên đạt được một tỷ lệ phần trăm theo quy định so với giá trị xác lập, thông thường là
95%-98%. Thời gian đáp ứng càng nhỏ, động học của thiết bị càng nhanh và sai số động
của phép đo càng nhỏ.
1.2.2. Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới biến điều khiển theo tín hiệu
đầu ra của bộ điều khiển. Thông qua thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can
thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. 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.
a) Cấu trúc cơ bản của van điều khiển
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.
14
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Hình 1 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
Phần thân van cùng với các phụ kiện được gắn vào đường ống, đóng vai trò là phần tử
điều khiển. Độ mở van và lưu lượng qua van được xác định bởi hình dạng và vị trí chốt
van.
Phần lớn van điều khiển trong công nghiệp được cấp nguồn khí nén, song một số nguồn
năng lượng khác như điện, điện tử hoặc thủy lực cũng có thể được sử dụng.
Hình 1 Một số hình ảnh van điều khiển công nghiệp
b) Đặc tính dòng chảy
Đặc tính dòng chảy của van là quan hệ giữa lưu lượng qua van và độ mở van ở
trạng thái xác lập khi xét độ mở van thay đổi từ 0-100% giá trị danh định, bao gồm đặc
tính dòng chảy cố hữu và đặc tính dòng chảy lắp đặt.
Đặc tính dòng chảy cố hữu của van là quan hệ tĩnh giữa lưu lượng qua van và độ mở van
trong điều kiện áp suất sụt qua van không đổi. Đặc tính cố hữu của van chỉ phụ thuộc vào

kích cỡ van và thiết kế chốt van. Đối với chất lỏng ở chế độ chảy dòng ta có công thức:
v max
s
ΔP
F=C f(p) , ( )=F/F
g
f p
(1.3)
15
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Trong đó:
F : Lưu lượng thể tích của chất lỏng qua van
P
∆
: Áp suất sụt qua van
C
v
: Hệ số cỡ van
g
s
: Trọng lượng riêng của chất lỏng
f(p) : Phần lưu lượng ở độ mở van p so với lưu lượng tối đa
Dựa vào hàm f(p) người ta phân biệt các loại đặc tính dòng chảy sau:
• Đặc tính tuyến tính (Linear, f=p): Khi
P
∆
cố định, lưu lượng qua van tỉ lệ tuyến
tính với độ mở van.
• Đặc tính mở nhanh (Quick Opening,
f p

=
): Khi
P
∆
cố định, lưu lượng qua
van tỉ lệ tuyến tính với căn bậc hai của độ mở van.
• Đặc tính phần trăm bằng nhau (Equal Percentage,
1p
f
α
−
=
): Khi
P
∆
cố định, độ
mở van tăng lên cùng một lượng thì lưu lượng qua van tăng lên với một tỉ lệ phần
trăm bằng nhau so với giá trị hiện tại. thông thường α có giá trị từ 20-50.
Hệ số khuếch đại cố hữu của van là tỉ lệ giữa lưu lượng qua van và độ mở van khi áp suất
qua van không đổi. Khi độ mở van tăng lên thì hệ số khuếch đại cố hữu của van mở
nhanh giảm dần, van phần trăm bằng nhau tăng dần và của van tuyến tính không thay
đổi.
16
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Hình 1 Các đặc tính dòng chảy cố hữu
Đặc tính dòng chảy lắp đặt là đặc tính thực tế khi van được lắp đặt, nghĩa là còn phụ
thuộc vào nhiều yếu tố khác gây thay đổi sụt áp qua van.
c) Đặc tính động học
Mô hình động học của van điều khiển có thể đưa về một khâu quán tính bậc nhất:
v

v
v
k
F(s)
G (s)= =
u(s)τ s+1
(1.4)
Việc xác định hệ số khuếch đại k
v
và hằng số thời gian τ
v
của van có thể tiến hành từ thực
nghiệm.Hằng số thời gian τ
v
của van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp hành, thông
thường τ
v
có giá trị khoảng một vài giây, đối với van cỡ lớn có thể tới 10-15 giây.
1.2.3 Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển 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.
17
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Hình 1 Cấu trúc cơ bản của 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, các thiết bị điều khiển có thể chia
làm 3 loại: thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển số và thiết bị điều logic.
18

Chương 2. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
Chương 2
THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BÀN THÍ NGHIỆM
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
2.1. Mục đích thí nghiệm
Trong điều khiển quá trình, có rất nhiều lý thuyết trợ giúp người thiết kế cho việc
thiết kế các sách lược điều khiển cho hệ đơn biến (một biến vào, một biến ra) trong đó
biến ra chỉ chịu ảnh hưởng của một biến vào điều khiển.Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống
thực tế lại không đơn giản như vậy, mà là các hệ đa biến (nhiều biến vào và nhiều biến
ra). Trong các hệ này, một biến ra không chỉ phụ thuộc vào một biến điều khiển mà phụ
thuộc vào nhiều biến khác, thậm chí, trong một số trường hợp, các biến phụ còn ảnh
hưởng tới biến ra hơn cả biến điều khiển chính. Điều này làm điều khiển hệ đa biến trở
nên hết sức phức tạp và khó thực hiện. Một trong những giải pháp để hạn chế những ảnh
hưởng đó chính là sử dụng bộ decoupler (bộ tách kênh). Vậy mục đích của việc xây dựng
bàn thí nghiệm điều khiển quá trình là khảo sát, thiết kế bộ điều điều khiển cho một quá
trình đa biến sử dụng bộ tách kênh decoupler.
2.2. Xây dựng mô hình đối tượng điều khiển
2.2.1. Xây dựng mô hình bình trộn nhiệt
Đối với bài toán của mô hình thí nghiệm, yêu cầu đặt ra là điều khiển để giữ ổn
định nhiệt độ và mức nước trong bình trộn. Phương pháp được lựa chọn là thông qua điều
khiển độ mở các van điều khiển CV1, CV2 để điều chỉnh lưu lượng dòng nước nóng và
dòng nước lạnh qua bình trộn. Từ đó ta có thể xác định các biến quá trình của bài toán
điều khiển như sau:
Biến điều khiển:
- Lưu lượngnước nóng chảy vào bình : F1 (ml/s).
- Lưu lượng nước lạnh chảy vào bình : F2 (ml/s).
Nhiễu quá trình:
- Nhiệt độ nước lạnh từ thùng chứa : T2 (
o
C).

- Nhiệt độ nước nóng từ bình nóng lạnh : T1 (
o
C).
- Lưu lượng nước ấm ra khỏi bình trộn : F3 (ml/s).
Biến cần điều khiển:
19
Chương 2. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
- Nhiệt độ nước trong bình trộn : T3(
o
C).
- Mức nước trong bình trộn : L (cm).
Hình 2.1.Đối tượng bình trộn và xác định các biến quá trình
- Phương trình cân bằng khối lượng trong bình trộn:
Coi khối lượng riêng của nước nóng và nước lạnh là như nhau. Ta có phương trình
cân bằng khối lượng :
1 2 3
dV
=F +F -F
dt
(2.1)
Vì mô hình sử dụng bình trộn có dạng hình trụ nên V=A.L nên ta có:
1 2 3
dL
A =F +F -F
dt
(2.2)
Trong đó : V : thể tích nước trong bình trộn
A : diện tích đáy bể
- Phương trình cân bằng nhiệt độ trong bình trộn:
3

1 1 2 2 3 3
3
3 1 1 2 2 3 3
3
3 1 1 2 2 3 3
d(L.T )
A. =FT +F T -F T
dt
dT dL
A L. +T =FT +F T -F T
dt dt
dT dL
AL. AT FT +F T -F T
dt dt
 
⇒
 ÷
 
⇒ + =
(2.3)
Từ hai phương trình (2.2) và (2.3) ta thu được phương trình sau:
20
Chương 2. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
[ ]
3
3 1 2 3 1 1 2 2 3 3
3
1 1 2 2 3 3 3 1 2 3
3
1 1 2 2 3 1 2

dT
A.L. +T .(F +F -F )=F.T +F .T -F .T
dt
dT
A.L. =F .T +F .T -F .T -T .(F +F -F )
dt
dT
1
= . F.T +F .T -T .(F +F ) = (2.4)
dt A.L
⇒
⇒
f
Sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc, viết lại phương trình
(2.2) với lượng biến thiên nhỏ ta có:
( )
1 2 3
1
L F F F
A
•
∆ = ∆ + ∆ − ∆
(2.5)
Tiến hành Laplace phương trình trên ta được:
( )
( )
1 2 3
1 2 3
1
s L(s) F(s) F (s) F (s)

A
1
L(s) F(s) F (s) F (s)
As
∆ = ∆ + ∆ − ∆
⇒ ∆ = ∆ + ∆ − ∆
Đặt
L
1
K
A
=
ta thu được
( )
L
1 2 3
K
L(s) F (s) F (s) F (s)
s
∆ = ∆ + ∆ − ∆

(2.6)
Thực hiện khai triển chuỗi Taylor đối với phương trình (3.3):
3
3 1 2 1 2
3 1 2 1 2
T ( .ΔL . T . F . F . T . T )
L T F F T T
•
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂

∆ ≈ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
f f f f f f
Tại điểm cân bằng ta được:
3
1 1 2 2 3 1 2 1 2 3
2
1 3 1 2 3 2 1 1 2 2
1 1
ΔT [F.T +F .T T (F +F )].ΔL - (F +F ).ΔT
A.L A.L
1 1 1 1
(T T ).ΔF (T T ).ΔF .F. T .F . T
A.L A.L A.L A.L
•
= − − +
− + − + ∆ + ∆
(dấu gạch ngang trên biến biểu thị giá trị biến ở trạng thái cân bằng)
Mặt khác ta có:
1 1 2 2 3 1 2
F.T +F .T T (F +F ) = 0
−
và
1 2 3
F +F = F
nên
3 3 3 1 3 1 2 3 2 1 1 2 2
1
ΔT ( F .ΔT (T T ).ΔF (T T ).ΔF F. T F . T )
A.L

•
= − + − + − + ∆ + ∆
21
Chương 2. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
Biến đổi Laplace:
3 3 3 1 3 1 2 3 2 1 1 2 2
1
s.ΔT (s) [ F .ΔT (s) (T T ).ΔF (s) (T T ).ΔF (s) F . T (s) F . T (s)]
A.L
= − + − + − + ∆ + ∆
Đặt
1 2 1 2
1 3 2 3
1 2
f f T T
3 3 3 3 3
T -T T -T
F F A.L
K = ;K = ; K = ; K = ;τ=
F F F F F
Ta thu được phương trình:
1 2 1 2
f f T T
3 1 2 1 2
K K K K
ΔT (s)= .ΔF (s)+ .ΔF (s)+ .ΔT (s)+ .ΔT (s)
τ.s+1 τ.s+1 τ.s+1 τ.s+1
(2.7)
Từ hai phương trình (2.6) và (2.7) ta xây dựng được mô hình bình trộn như sau:
Hình 2.2. Sơ đồ khối của bình trộn nhiệt

• Xác định điểm làm việc và chuẩn hóa của mô hình
Với đối tượng bình trộn, chọn điểm làm việc như sau:
o
3
T =50 C
L=20mm



Các thông số khác được chọn như sau:
22
Chương 2. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
o
1
o
2
3
T =80 C
T =30 C
F =120ml/s





Thực hiện chuẩn hóa đưa các đại lượng về dạng phần trăm (%):
• Đối với nhiệt độ: Coi nhiệt độ nước lạnh tại 30˚C là 0%, nhiệt độ nước nóng tại
80˚C là 100%. Tính toán giá trị chuẩn hóa tại điểm làm việc:
3 ch
50-30

T = .100%=40%
80-30
• Đối với mức: Chiều cao của bình trộn là L
max
=400mm. Tính toán giá trị chuẩn hóa
tại điểm làm việc:
ch
200
= .100%=50%
400
L
• Đối với lưu lượng: Lưu lượng đầu ra cực đại của van điều khiển là F
max
=200ml/s.
Tính toán giá trị chuẩn hóa cho giá trị lưu lượng đầu ra:
3 ch
120
= .100%=60%
200
F
2.2.2. Mô hình của các đối tượng khác trong bàn thí nghiệm
Trong bàn thí nghiệm còn có nhiều thiết bị khác. Chúng cũng tác động đến quá
trình trong quá trình hoạt động, ảnh hưởng tới chất lượng và thời gian đáp ứng của bộ
điều khiển. Do đó việc tìm hiểu đặc tính và hàm truyền đạt của chúng cũng rất quan
trọng.
- Hàm truyền van điều khiển (được tính bằng tỷ số giữa biến thiên lưu lượng đầu ra và
biến thiên điện áp/dòng điện điều khiển đầu vào) có dạng một khâu quán tính bậc nhất:
v
s
v

v
v
K
G .e
T s 1
−θ
=
+
(2.8)
Trong đó :
• K
v
: Hệ số khuếch đại tĩnh của van
• T
v
: Hằng số thời gian của van
• θ
v
: Thời gian trễ của van
- Hàm truyền ống :
23
Chương 2. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
o
-θ s
o
o
o
K
G = .e
T s+1

(2.9)
Trong đó :
• K
o
: Hệ số khuếch đại của đường ống.K
o
=1.
• T
v
: Hằng số thời gian của ống.
• θ
v
: Thời gian trễ của ống.
- Hàm truyền thiết bị đo mức :
LT
-θ s
LT
FT
LT
K
G = e
T s+1
(2.10)
Trong đó :
• K
LT
: Hệ số khuếch đại của thiết bị đo mức
• T
LT
: Hằng số thời gian của thiết bị đo mức

• θ
LT
: Thời gian trễ của thiết bị đo mức
- Hàm truyền thiết bị đo nhiệt độ :
TT
-θ s
TT
FT
TT
K
G = e
T s+1
(2.11)
Trong đó :
• K
LT
: Hệ số khuếch đại của thiết bị đo nhiệt độ
• T
LT
: Hằng số thời gian của thiết bị đo nhiệt độ
• θ
LT
: Thời gian trễ của thiết bị đo nhiệt độ
2.3. Các vòng điều khiển và giải pháp cho hệ thống
2.3.1. Các vòng điều khiển
Từ mô hình thí nghiệm ta có thể thấy 2 vòng điều khiển đơn:
• Vòng điều khiển nhiệt độ T
3
: điều khiển và giữ ổn định nhiệt độ của nước trong
bình trộn. Vòng điều khiển này được thực hiện nhờ việc điều khiển lưu lượng

dòng nước nóng F
1
thông qua điều khiển độ mở của van điều khiển CV
1
.
24
Chương 2. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
• Vòng điều khiển mức L: điều khiển và giữ ổn định mức nước trong bình trộn.
Vòng điều khiển này được thực hiện nhờ việc điều khiển lưu lượng dòng nước
nóng F
2
thông qua điều khiển độ mở của van điều khiển CV
2.
Theo phương trình(2.6) và (2.7), ta có thể thấy sự tác động xem kênh giữa 2 vòng
điều khiển. Khi một đầu vào của quá trình thay đổi thì không chỉ có đầu ra của yếu tố đó
thay đổi mà cả đầu ra của yếu tố còn lại cũng thay đổi. Điều này khiến cho quá trình điều
khiển trở nên khó khăn. Yêu cầu cần đặt ra là thực hiện tách quá trình thành các vòng
điều đơn, riêng biệt và hạn chế ảnh hưởng của tác động xen kênh. Khi đó, hệ thống được
xem như chỉ có các vòng điều khiển đơn biến việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn.
2.3.2. Giải pháp điều khiển
Để giải quyết được vấn đề tác động xen kênh giữa 2 vòng điều khiển, chúng ta sử
dụng lý thuyết De-coupler để làm giải pháp.
Từ mô hình bình trộn, với 2 đầu vào, 2 đầu ra , ta biểu diễn dưới dạng mô hình
hàm truyền đạt như sau:
Hình 2.3.Mô hình hệ MIMO 2 đầu vào, 2 đầu ra
Trong đó:
- G
11
là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa U
1

và Y
1
.
- G
12
là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa U
1
và Y
2
.
- G
21
là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa U
2
và Y
1
.
- G
22
là hàm truyền thẻ hiện quan hệ giữa U
2
và Y
2
.
25