Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP







HOÀNG HỒNG NGA



CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI










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

THÁI NGUYÊN-2015

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP






HOÀNG HỒNG NGA



CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI







Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC


TS. ĐẶNG DANH HOẰNG




THÁI NGUYÊN- 2015



CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

BÁO CÁO VỀ VIỆC TIẾP THU, BỔ SUNG, CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC
SĨ THEO NGHỊ QUYẾT CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Học viên: Hoàng Hồng Nga
Tên đề tài: “ Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều
khiển mờ lai”
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16
Người hướng dẫn: TS. Đặng Danh Hoằng
Căn cứ nội dung Nghị quyết, Biên bản chi tiết cuộc họp hội đồng chấm luận văn
thạc sĩ (HĐ) họp ngày 19 tháng 01 năm 2015, học viên đã nghiên cứu những nội dung

quyết nghị và kết luận của HĐ, đối chiếu với nội dung luận văn, tôi xin giải trình chi
tiết các nội dung sau:
Những nội dung luận văn đề nghị chỉnh sửa:
1. Chỉnh sửa lỗi chế bản, in ấn.
2. Cách tính toán thông số bộ điều khiển PID.
3. Chưa đề cập tới trễ trong điều khiển quá trình.
Tiếp thu ý kiến của HĐ, tác giả đã chỉnh sửa nội dung luận văn cụ thể như sau:
1. Đã chỉnh sửa lỗi chế bản, in ấn.
2. Đã đưa ra các căn cứ tính toán thông số bộ điều khiển PID.
3. Đã đề cập tới trễ trong điều khiển quá trình.
Trên đây là toàn bộ các giải trình và những vấn đề được bổ sung, sửa chữa trong
luận văn của học viên theo Nghị quyết và Biên bản họp HĐ.
Xin chân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)





XÁC NHẬN CỦA PHÒNG ĐÀO TẠO
(Ký và ghi rõ họ tên)


i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Hoàng Hồng Nga.
Sinh ngày 14 tháng 07 năm 1989.
Học viên lớp cao học khóa 15 - TĐH - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên.
Hiện đang công tác tại: .
Ngày giao đề tài: Ngày tháng năm 2014.
Ngày hoàn thành đề tài: Ngày 10 tháng 12 năm 2014.
Xin cam đoan luận văn “ Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến
bằng bộ điều khiển mờ lai” do thầy giáo TS. Đặng Danh Hoằng hướng dẫn là công
trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ
rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong
đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của
luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014
Học viên


Hoàng Hồng Nga





ii

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình
giúp đỡ của thầy giáo TS. Đặng Danh Hoằng, luận văn với đề tài “ Cải thiện chất
lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai” đã được hoàn
thành.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Đặng Danh Hoằng đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi
hoàn thành luận văn.
Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số
đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập để hoàn
thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế
của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014
Học viên


Hoàng Hồng Nga





iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii
MỞ ĐẦU 1
Chương 1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 4
1.1. Các khái niệm cơ bản về quá trình và điều khiển quá trình 4
1.1.1. Các khái niệm cơ bản 4
1.1.2. Mục đích và yêu cầu của điều khiển quá trình 6
1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 9
1.2.1. Cấu trúc cơ bản 10
1.2.2. Các thành phần cơ bản 10
1.2.2.1. Thiết bị đo 11
1.2.2.2. Thiết bị điều khiển 11
1.3. Các hệ điều khiển đa biến trong công nghiệp 13
1.3.1. Giới thiệu chung 13
1.3.2. Một số quá trình đa biến tiêu biểu 16
1.3.2.1. Mô hình tháp chưng cất hai thành phần 16
1.3.2.2. Lò hơi 16
1.3.2.3. Mô hình bể trộn dung dịch 18
1.4. Kết luận chương 1 18
Chương 2. MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA
BIẾN 19
2.1. Đặt vấn đề 19
2.2. Xây dựng mô hình quá trình 19

2.2.1. Các bước tiến hành 19
iv



2.2.2. Nhận biết các biến quá trình 20
2.3. Xây dựng các phương trình mô hình 22
2.3.1. Lựa chọn mô hình 22
2.3.2. Phương trình cân bằng vật chất: 23
2.3.3. Bậc tự do của hệ thống 26
2.3.4. Mô hình hàm truyền đạt 26
2.4. Mô hình toán của ĐKQT đa biến 29
2.4.1. Xây dựng bộ tách kênh phân ly 30
2.4.2. Xây dựng bộ tách kênh giữ nguyên hàm truyền đối tượng 31
2.5. Kết luận chương 2 34
Chương 3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN
VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 35
3.1. Đặt vấn đề 35
3.2. Tổng quan bộ điều khiển PID 35
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 36
3.2.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols 36
3.2.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 37
3.2.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. 38
3.2.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số 39
3.2.2.1. Nguyên tắc thiết kế 39
3.2.2.2. Phương pháp tối ưu modul 39
3.3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển đa biến 41
3.3.1. Điều khiển mức 41
3.4.2. Điều khiển nhiệt 42
3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink 43

3.4.1. Cấu trúc mô phỏng 43
3.4.2. Các kết quả mông phỏng 44
3.4.2.1. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển mức cho đối tượng đa biến 44
3.4.2.2. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển nhiệt độ cho đối tượng đa biến 44
3.5. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 45
v



3.5.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 45
3.5.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 46
3.5.3. Các kết quả thực nghiệm 48
3.6. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm: 49
3.7. Kết luận chương 3 49
Chương 4. CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC VÀ NHIỆT ĐỘ
CHO QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 50
4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 50
4.1.1. Hệ Logic mờ 50
4.1.1.1. Khái niệm về tập mờ 50
4.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 51
4.1.2. Bộ điều khiển mờ 58
4.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động 58
4.1.2.2. Điều khiển mờ lai 60
4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai 62
4.2.1. Đặt vấn đề 62
4.2.2. Mờ hoá 62
4.3. Mô phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế 63
4.4. Kết quả mô phỏng hệ thống 63
4.4.1. Sơ đồ mô phỏng 63
4.4.1.1. Điều khiển mức 64

4.4.1.2. Điều khiển nhiệt độ 65
4.4.2. Kết quả mô phỏng 66
4.4.2.1. Điều khiển mức 66
4.4.2.2. Điều khiển nhiệt độ 67
4.4.3. Đánh giá kết quả 67
4.5. Kết luận chương 4 67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69


vi



DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1. CO : Tín hiệu điều khiển
2. CV : Biến được điều khiển
3. F- PID : Hệ mờ lai
4. FLC : Điều khiển logic mờ
5. K : Hệ số khuếch đại đầu ra
6. MIMO : Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra
7. MISO : Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra
8. MV : Biến điều khiển
9. PID : Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân
10. PM : Tín hiệu đo
11. SISO : Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra
12. SIMO : Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra
13. WH : Hàm truyền đạt
14. Wdt : Hàm truyền đối tượng

vii



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Danh mục các thiết bị mô hình thực nghiệm 46


viii



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình 5
Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 10
Hình 1.3: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình 10
Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình 11
Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển 12
Hình 1.6: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành 13
Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc điều khiển đa biến 14
Hình 1.8: Mô hình tháp chưng cất hai thành phần 16
Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi 17
Hình 1.10: Giản đồ công nghệ thiết bị trộn quá trình 18
Hình 2.1: Tháp chưng cất hai thành phần 21
Hình 2.2: Mô hình bình trộn hai thành phần 22
Hình 2.3: Sơ đồ công nghệ của thiết bị mức – nhiệt độ 23

Hình 2.4: Mô hình hàm truyền đạt 29
Hình 2.5: Mô hình toán học của hệ có hai tín hiệu vào và hai tín hiệu ra 29
Hình 2.6: Mô hình điều khiển tách kênh phân ly của hệ có hai tín hiệu vào và hai tín
hiệu ra 30
Hình 2.7: Mô hình điều khiển tách kênh phân ly của hệ có hai tín hiệu vào và hai tín
hiệu ra khi đối tượng có thay đổi hàm số truyền 32
Hình 2.8: Mô hình điều khiển tách kênh phân ly của hệ có hai tín hiệu vào và hai tín
hiệu ra không làm thay đổi mô hình đối tượng 33
Hình 2.9: Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ 34
Hình 2.10: Sơ đồ điều chỉnh mức 34
Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) 35
ix



Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 36
Hình 3.3: Đồ thị quá độ 38
Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển 39
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức đối tượng đa biến 41
Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ đối tượng đa biến 42
Hình 3.7a: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển mức cho đối tượng đa biến 43
Hình 3.7b: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ cho đối tượng đa biến 43
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng hệ điều khiển mức cho đối tượng đa biến 44
Hình 3.9: Kết quả mô phỏng hệ điều khiển nhiệt độ cho đối tượng đa biến 44
Hình 3.10: Cấu trúc thí nghiệm hệ thống điều khiển cho đối tượng đa biến 45
Hình 3.11: Bình cấp nước trong thi nghiệm điều khiển mức nước cho quá trình đa biến
45
Hình 3.12: Giao diện màn hình trong thí nghiệm điều khiển mức và nhiệt độ cho đối
tượng đa biến 46
Hình 3.13: Kết quả thí nghiệm hệ thống điều khiển cho đối tượng đa biến 49

Hình 4.1: Hàm thuộc biến ngôn ngữ 51
Hình 4.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 51
Hình 4.3: Luật hợp thành. 52
Hình 4.4: Mờ hoá 53
Hình 4.5: Thực hiện phép suy diễn mờ 54
Hình 4.6: Thực hiện phép hợp mờ 55
Hình 4.7: Những nguyên lý giải mờ 57
Hình 4.8: Cấu trúc một hệ logic mờ 57
Hình 4.9: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 59
Hình 4.10: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI (1) 59
x



Hình 4.11: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI (2) 59
Hình 4.12: Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 60
Hình 4.13: Hệ mờ với bộ học mờ cho tín hiệu chủ đạo x 60
Hình 4.14: Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 61
Hình 4.15: Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ 61
Hình 4.16: Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào 62
Hình 4.17: Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra 63
Hình 4.18: Các luật điều khiển mờ 63
Hình 4.19: Sơ đồ mô phỏng theo phương pháp mờ lai 64
Hình 4.20: Sơ đồ mô phỏng so sánh phương pháp mờ lai và phương pháp PID 64
Hình 4.21: Sơ đồ mô phỏng theo phương pháp mờ lai 65
Hình 4.22: Sơ đồ mô phỏng so sánh phương pháp mờ lai và phương pháp PID 65
Hình 4.23: Đáp ứng mức nước với bộ điều khiển mờ lai và PID có nhảy cấp từ 80%
xuống 60% 66
Hình 4.24: Đáp ứng mức nước với bộ điều khiển mờ lai và PID khi tham số của đối
tượng thay đổi 66

Hình 4.25: Đáp ứng nhiệt độ với bộ điều khiển mờ lai và PID có nhảy cấp từ 90
0
C
xuống 70
0
C 67

1



MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, cùng với sự phát triển của đất nước, thì điều khiển và tự động hóa đóng
một vai trò quan trọng và ảnh hưởng không nhỏ đến nền kinh tế, chính trị xã hội của
mỗi quốc gia. Với nhu cầu tự động hóa ngày càng cao, thì việc thiết kế các bộ điều
khiển phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất đang được rất nhiều các nhà nghiên
cứu quan tâm.
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.
Các quá trình công nghệ hiện nay không đơn thuần chỉ là quá trình đơn biến (là
quá trình công nghệ có một biến ra) mà hầu hết là các quá trình đa biến (là quá trình
công nghệ có nhiều đầu ra). Do vậy, việc nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển cho
quá trình đa biến đang là vấn đề rất được lưu tâm hiện nay.
Vấn đề quan trọng của việc điều khiển quá trình đa biến là thiết kế bộ điều khiển
phù hợp. Trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một
giải pháp đa năng cho các ứng dụng trong quá trình công nghệ. Các nghiên cứu cho
thấy tầm quan trọng của bộ điều khiển thể hiện ở hơn 90% các bộ điều khiển đang
được sử dụng trong công nghiệp là bộ điều khiển PID [7]. Tuy nhiên, các bộ điều

khiển PID đang cung cấp trên thị trường hiện nay đã bộc lộ những hạn chế của nó như
không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn.
Việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là chỉ tiêu được quan
tâm đầu tiên của các nhà thiết kế. Xuất phát từ những chỉ tiêu đó nhiều lý thuyết điều
khiển hiện đại ra đời thay thế cho những lý thuyết cũ đã được nghiên cứu tương đối
hoàn chỉnh, không đủ khả năng áp dụng cho các đối tượng phức tạp, khó mô hình hóa
hoặc đối tượng phi tuyến có thông số thay đổi [6].
Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được phát
triển mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều khiển, đó là
điều khiển mờ. Điều khiển mờ đã giải quyết thành công nhiều bài toán điều khiển phức
tạp mà trước đây chưa giải quyết được [6].
2



Từ những điểm mạnh mà điều khiển mờ đem lại thì việc thiết kế bộ điều khiển
mờ cho quá trình đa biến là hoàn toàn cần thiết. Ở đây, tác giả xin mạnh dạn đề xuất
thiết kế bộ điều khiển mờ lai cho quá trình đa biến (điều khiển lưu lượng và nhiệt độ).
Ưu điểm của mờ lai đó chính là nó có đặc tính rất tốt ở vùng sai lệch lớn, ở đó với đặc
tính phi tuyến của nó có thể tạo ra phản ứng tác động nhanh [6]. Đề tài nghiên cứu tác
giả xin đề xuất là: “Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ
điều khiển mờ lai”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Thiết kế cấu trúc điều khiển đa biến cho hệ thống bình trộn dung dịch, điều
khiển mức và nhiệt độ.
- Thiết kế thuật toán tách kênh thành 2 hệ thống điều khiển riêng biệt đó là: Hệ
thống điều khiển mức và Hệ thống điều khiển nhiệt độ.
- Thiết kế 2 bộ điều khiển PID điều khiển 2 hệ thống độc lập mức và nhiệt độ.
- Thiết kế 2 bộ điều khiển mờ lai điều khiển 2 hệ thống độc lập mức và nhiệt độ.
- Đánh giá chất lượng bộ điều khiển mờ lai so với bộ điều khiển PID.

3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu
Đề xuất được giải pháp cụ thể là sử dụng bộ điều khiển mờ lai cải thiện chất
lượng hệ điều khiển quá trình. Kết quả nghiên cứu đã mở rộng khả năng ứng dụng của
bộ điều khiển PID.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ứng dụng được bộ điều khiển vào điều khiển các quá trình sản xuất trong công
nghiệp, đảm bảo hệ làm việc ổn định và đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Mô tả toán học cho cho bình trộn dung dịch, điều khiển lưu lượng và nhiệt độ
dưới dạng phương trình vi phân và hàm số truyền.
- Tổng hợp bộ điều khiển.
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng mô phỏng.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm tại trung tâm thí nghiệm của trường.
3



5. Nội dung luận văn
Chương 1: Hệ thống điều khiển quá trình đa biến.
Chương 2: Mô tả toán học hệ thống điều khiển quá trình đa biến.
Chương 3: Đánh giá chất lượng điều khiển quá trình đa biến với bộ điều khiển
PID bằng mô phỏng và thực nghiệm.
Chương 4: Cải thiện chất lượng điều khiển mức và nhiệt độ cho quá trình đa biến
bằng bộ điều khiển mờ lai.
Kết luận và kiến nghị.

4



Chương 1
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

1.1. Các khái niệm cơ bản về quá trình và điều khiển quá trình
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 lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ
(IEC60050-351[1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 [2]).
- Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận hành hoặc lưu
trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản
xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu,
trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản
ứng - tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi - turbine.

- Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc/và
được can thiệp. Khi nói tới quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng các
phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành. Sự phân biệt giữa hai khái
niệm “quá trình kỹ thuật” và “quá trình công nghệ” ở đây không phải là vấn đề từ ngữ,
mà chỉ nhằm mục đích thuận tiện trong các nội dung trình bày sau này. Do vậy, nếu
không nhấn mạnh thì khái niệm “quá trình” có thể được hiểu là quá trình công nghệ
hoặc‚ quá trình kỹ thuật tuỳ theo ngữ cảnh sử dụng.
- 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.
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 được minh hoạ trên
Hình 1.1. 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 rơle, 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 ở mức bình thường hay quá cao Nhìn từ quan điểm của lý thuyết hệ
5



thống, các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả (quan
hệ nhân - quả). 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 hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại
lượng đặc trưng khác, ví dụ như tốc độ biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức. Trong
nhiều trường hợp, một biến trạng thái cũng có thể được coi là một biến ra. Ví dụ như
mức nước trong một bình chứa vừa có thể coi là biến trạng thái, vừa có thể coi là một
biến ra.

Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình
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
trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và
môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng
thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được 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 được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
Biến cần điều khiển (controller variable, CV) là một biến ra hoặc một biến
trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong
muốn hay giá trị đặt (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 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
6



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 lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất.

Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp
trong phạm vi quá trình đang quan tâm được 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 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, Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động
lên phép đo, gây ra sai số trong quá trình đo được.
Lưu ý rằng, cần phân biệt rõ ràng giữa các đầu vào/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 lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan điểm hệ thống ta chỉ quan
tâm tới thông tin thể hiện qua các biến quá trình.
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. 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 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
sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:
- Vận hành ổn định
7



Để đảm bảo một nhà máy vận hành ổn định và trơn tru, yêu cầu trước tiên là từng
tổ hợp công nghệ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự phối hợp giữa

chúng phải nhịp nhàng, trơn tru. Trong lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta đã có
những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của một hệ thống và cách xác định tính ổn định
bằng các công cụ toán học và đồ hoạ. Ở đây tính ổn định sẽ được diễn giải một cách
thực tế, theo các yêu cầu vận hành của quy trình công nghệ.
- Năng suất và chất lượng sản phẩm
Trong lĩnh vực công nghệ hoá học và thực phẩm, chất lượng sản phẩm hầu hết
được thể hiện trực tiếp qua thành phần hoá học, nồng độ, mật độ và một số tính chất
hoá học hoặc vật lý khác. Trong khi đó, năng suất thường được thể hiện qua lưu lượng
sản phẩm. Nhiệm vụ đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng suất cũng thuộc về chức
năng điều chỉnh.
Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản phẩm.
Để đảm bảo chất lượng sản phẩm: Giá trị đại lượng cần điều khiển càng gần với
giá trị đặt càng tốt.
Chất lượng sản phẩm được đánh giá thông qua một số chỉ tiêu chất lượng
+ Đáp ứng với thay đổi giá trị đặt (đáp ứng quá độ)
+ Đáp ứng với tác động của nhiễu (đáp ứng loại nhiễu)
- Vận hành an toàn
Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo
vận hành hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ con người, các thiết bị máy móc và
môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố. Chính vì tầm quan trọng
của vấn đề an toàn cho máy móc, con người và môi trường, chi phí cho đảm bảo chức
năng này đối với một số hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các chức năng
điều khiển thuần tuý.
* Lỗi thiết bị, đường truyền thì bằng sách lược điều chỉnh thông thường không
đáp ứng được.
* Khóa liên động nhằm:
Tránh xảy ra các tình huống nguy hiểm (ví dụ động cơ chỉ được khởi động khi
mức trong bình đạt một giá trị nào đó.
8

Giảm thiểu tác hại khi sự cố xảy ra (bằng các biện pháp ngắt từng phần hoặc
dừng khẩn cấp)
- Bảo vệ môi trường
Một hệ thống vận hành an toàn, không để xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo vệ
môi trường. Tuy nhiên vấn đề bảo vệ môi trường cần được chú trọng hơn thông qua
giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải hạn, chế lượng
bụi và khói. Dễ thấy 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 là 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. Ví dụ để cải thiện CO
2
và bụi than trong khí thải của lò hơi đốt
than, bài toán điều chỉnh đặt ra là duy trì tỷ lệ giữa lượng nhiên liệu và không khí ở
một giá trị thích hợp tuỳ theo nồng độ oxy trong không khí và chất lượng than.
Việc giảm tiêu thụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng một mặt nâng cao hiệu quả
kinh tế, mặt khác cũng góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Đây
cũng là một vấn đề thuộc trách nhiệm chung của những thiết kế công nghệ cùng những
người thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển cần lưu ý, những dây chuyền công
nghệ mới cho phép vận hành với hiệu suất cao, tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu
thông qua những chu trình kết hợp, chu trình kép kín và tái sử dụng năng lượng, nhưng
lại thường là những quá trình rất khó điều khiển, điều kiện vận hành rất bị ràng buộc
đặt ra yêu cầu ngày càng cao hơn cho các chức năng điều khiển quá trình.
Trong các dây chuyền công nghệ ngày nay được thiết kế với nhiều yêu cầu giảm ô
nhiễm môi trường : - Giảm nhiên liệu tiêu thụ
- Giảm sử dụng nước sạch
Các thiết kế "recycling" tạo tính phi tuyến cao và tương tác lớn trong hệ thống
cần vai trò của các phương pháp điều khiển hiện đại.

Yêu cầu cao hơn trong các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về xử lý nước thải và
khí thải.
- Hiệu quả kinh tế
9



Để đạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải
đảm bảo chất lượng theo yêu cầu mà năng suất phải thích ứng được với yêu cầu thị
trường cũng như tiêu hao nhiên liệu và nguyên liệu ít. Rõ ràng bài toán đặt ra là ta phải
cân nhắc giữa chi phí cho các tác động điều khiển với chất lượng sản phẩm. Ví dụ, để
cải thiện chất lượng điều khiển nhiều khi ta cần các thuật toán tác động nhanh. Tuy
nhiên, tác động nhanh thường đồng nghĩa với việc tổn hao nhiều năng lượng cho các
cơ cấu chấp hành, đồng thời tác động nhanh cũng thường dẫn đến giảm tuổi thọ cho
các thiết bị. Cách giải quyết thông thường là đảm bảo chất lượng ở mức độ chấp nhận
được, trong khi giảm thiểu 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).
Không phải bao giờ các mục đích điều khiển cũng có thể dễ dàng hoà đồng. Việc
nâng cao hiệu quả kinh tế chưa chắc hoà đồng với mục đích bảo vệ môi trường bởi chi
phí bổ xung cho các hệ thống lọc bụi, sử lý khí thải và nước thải. Việc nâng cao chất
lượng sản phẩm chưa chắc đã đồng nghĩa với nâng cao hiệu quả kinh tế bởi yêu cầu
chi phí vận hành lớn.
Nhưng nếu để nồng độ các chất độc hại trong không khí thải hoặc nước thải vượt
quá một tiêu chuẩn cho phép thì có khả năng nhà máy sẽ bị đóng cửa, hoặc nếu chất
lượng sản phẩm xuống thấp dưới một ngưỡng tiêu chuẩn nào đó thì khách hàng sẽ
không chấp nhạn và lợi nhuận sẽ bị giảm sút nặng nề. Thật ra 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 hiệu quả dành 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 tối ưu thì chất lượng
điều khiển tốt nhất (không đồng nghĩa với chất lượng sản phẩm tốt nhất) sẽ mang lại
hiệu quả kinh tế cao nhất.
1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
10



1.2.1. Cấu trúc cơ bản
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 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. Chức
năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một cách trực
quan với sơ đồ trên
Cấu trúc điều khiển phản hồi của một vòng trong điều khiển quá trình được thể
hiện trên Hình 1.2 và Hình 1.3.

Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình
Cấu trúc hệ thống sẽ bao gồm các phần chính như Hình 1.3:






Hình 1.3: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình
1.2.2. Các thành phần cơ bản
11



1.2.2.1. 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 lượng 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 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 hoà và 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 (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường ).
Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông
dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày
càng chiếm ưu thế. Lưu ý rằng các thuật ngữ “transmitter“ hoặc “transducer” đôi khi
cũng được dùng để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”.

Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình
1.2.2.2. 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 được sử dụng với nghĩa tương đồng, ở đây ta cũng cần làm rõ sự
khác biệt nhỏ. Tuỳ theo nghĩa cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị
điều khiển đơn lẻ (ví dụ 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 một trạm PLC/DCS). Trong phạm vi chương trình, khi nói về giải
pháp hệ thống thì “thiết bị điều khiển” và “bộ điều khiển” được hiểu với nghĩa tương
12



đương, còn khi đề cập tới các vấn đề thuộc sách lược điều khiển hay thuật toán điều khiển
ta sẽ chỉ sử dụng “bộ điều khiển”.
Trên cơ sở sử dụng 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.
Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị
điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller),
thiết bị điều khiển logic (logic controller), hoặc thiết bị điều khiển số (digital
controller).

Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển
Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự. Một
mạch logic rơle (cơ-điện, điện tử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của
nó. Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế
chức năng của một thiết bị điều khiển tương 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 tương tự và
tích hợp các phần chuyển đổi tương tự-số cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao
giờ cũng được thực hiện bằng máy tính số. Một thiết bị điều khiển số không những cho
chất lượng 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 được trang bị