NGHIÊN cứu hệ THỐNG ổn ĐỊNH NHIỆT độ làm mát KEO TRONG dây CHUYỀN sản XUẤT KEO NHŨ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THANH HIỆP
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÀM MÁT
KEO TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên - 2014
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà
Phản biện 1: TS. Nguyễn Duy Cương
Phản biện 2: GS. TS. Phan Xuân Minh
Luận văn được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại: Hội trường
202 - A8, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, ĐH Thái Nguyên.
Vào hồi 15 giờ 30 ngày 17 tháng 8 năm 2014.
Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
và Thư viện: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Điều khiển quá trình là gì?
Khái niệm 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 và môi trường.
1.2. Mục đích và chức năng 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 cần làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần
thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó.
1.3. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
Các chức nang điều khiển quá trình có thể được phân cấp theo
nhiều cách khác nhau, ví dụ theo thiết bị thực hiện, theo mức độ tự
động hóa hoặc theo tính chất nhiệm vụ.
1.4. Các thành phần cơ bản của hệ thống
Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ
thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến phức tạp
nhưng chúng đều dựa trên 3 thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị
điều khiển và thiết bị chấp hành.
1.5. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
Việc xây dựng một hệ thống điều khiển bao gồm nhiều bước
như phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta
gọi chung là các nhiệm vụ phát triển hệ thống.
1.6. Mô tả chức năng hệ thống
Mô tả chức năng hệ thống là công việc không thể thiếu trong
thiết kế, xây dựng và phát triển một hệ thống điều khiển quá trình.
1
CHƯƠNG 2.
PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH
QUÁ TRÌNH LÀM MÁT
2.1. Phân tích bài toán công nghệ
2.1.1. Giải pháp công nghệ hiện tại
Dây chuyền sản xuất keo nhũ trong các nhà máy có sơ đồ công
nghệ như sau:
Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất keo nhũ
Công nghệ sản xuất keo nhũ bao gồm các quá trình gia nhiệt,
trộn và làm mát các dung dịch A, B, C với tỉ lệ dung dịch và nhiệt độ
cho từ loại sản phẩm.

Chất hòa tan A, B và C sau khi được nghiền sẽ được hòa tan và
gia nhiệt tới nhiệt độ yêu cầu và được chứa trong các bể chứa có thể
tích đủ lớn để đảm bảo cho ca sản xuất. Dung dịch A và B có nhiệt
độ ~ 100
0
C sau khi được trộn bởi máy trộn 1 sẽ được đưa vào máy
làm mát 1 bằng bơm đẩy 1. Hỗn hợp A và B sau khi được trộn đều
và làm mát sẽ được trộn với dung dịch C bởi máy trộn 2. Hỗn hợp
các dung dịch A, B, C được đưa tới máy làm mát 2 để tiếp tục làm
mát và đưa tới hệ thống đóng gói.
Chất lượng của sản phẩm phụ thuộc vào tỉ lệ các thành phần
dung dịch A, B, C trong sản phẩm và nhiệt độ của sản phẩm trong
2
từng khâu của quá trình công nghệ. Đặc biệt, nhiệt độ của hỗn hợp
A-B ở đầu ra của máy làm mát 1.
Hiện tại, việc ổn định nhiệt độ sử dụng máy bơm nước và các
van đóng mở bằng tay để điều khiển nhiệt độ keo. Phương pháp điều
chỉnh nhiệt độ đơn giản này thường gây ra sai số nhiệt độ sản phẩm
đầu ra rất lớn, ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm và an toàn,
tuổi thọ của thiết bị.
2.1.2. Giải pháp khắc phục tồn tại
Để giữ ổn định chất lượng sản phẩm, giảm thiểu nguy cơ mất an
toàn cần cải tạo hệ thống trên theo hướng nhằm ổn định nhiệt độ đầu
ra các máy làm mát. Do nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát 2 ít ảnh
hưởng đến chất lượng sản phẩm cũng như nguy cơ mất an toàn nên
ta chỉ cần thực hiện ổn định nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát 1 như
sau:
Hình 2.2 Sơ đồ cải tiến công nghệ làm mát keo nhũ
Để ổn định nhiệt độ dòng keo nhũ này cần sử dụng biến tần điều
khiển máy bơm nước để thay đổi lưu lượng làm mát đáp ứng với sự

3
thay đổi của các tham số như: nhiệt độ dòng keo nhũ đầu vào, lưu
lượng dòng keo nhũ đầu vào, nhiệt độ nước làm mát,… đảm bảo
nhiệt độ dòng keo nhũ đầu ra ổn định ở nhiệt độ đặt.
2.2. Xây dựng mô hình quá trình làm mát
2.2.1. Mô hình hóa lý thuyết
Sơ đồ công nghệ của quá trình làm mát được minh họa đơn giản
như sau:
Hình 2.4 Các biến quá trình
Dòng quá trình nóng được làm mát với một dòng nước. Nhiệt
độ dòng quá trình trước khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi
nhiệt được ký hiệu lần lượt là T
H1
và T
H2
, nhiệt độ dòng làm mát vào
và ra được ký hiệu là T
C1
và T
C2
. Lưu lượng khối lượng của hai dòng
được ký hiệu lần lượt là w
H
và w
C
.
Xét theo quan hệ nhân quả, ta có thể nhận ra trong quá trình gia
nhiệt có 2 biến ra là T
H2
và T

C2
. Tuy nhiên, từ yêu cầu công nghệ ta
4
có thể thấy ngay biến ra duy nhất cần điều khiển là T
H2
. Nhiệt độ ra
của dòng làm mát T
C2
có thể đo và phản hồi về để sử dụng trong
thuật toán điều khiển, nhưng không có lý do gì phải điều khiển.
Bốn biến và được xác định là T
C1
, w
C,
T
H1
, w
H
, trong đó có thể dễ
dàng nhận ra biến điều khiển tiềm năng là lưu lượng dòng làm mát
w
C
và các đại lượng còn lại là nhiễu quá trình. Lưu lượng dòng quá
trình w
H
phụ thuộc và yêu cầu công nghệ của công đoạn phía sau, ở
đây ta không can thiệp được vì vậy phải được coi là nhiễu tải. Trong
phạm vi của quá trình làm mát ta cũng không thể can thiệp tới nhiệt
độ đầu vào nước làm mát một các dễ dàng và nhanh chóng, do vậy
chỉ còn lưu lượng dòng nước làm mát w

C
có thể được chọn là biến
điều khiển tiềm năng.
Việc mô hình hóa bằng lý thuyết sử dụng các phương trình cân
bằng, định luật, công thức và biến đổi toán học để xây dựng mối
quan hệ giữa các tín hiệu của hệ thống. Tuy nhiên, trong hệ thống
còn có các phần tử khác: đường ống, van, thiết bị đo. Vì vậy, để xác
định hàm truyền của hệ thống cần có mô hình hàm truyền của các
thiết bị này. Trong phạm vi luận văn sẽ xác định hàm truyền của đối
tượng theo phương pháp nhận dạng vòng hở.
2.2.2. Mô hình hóa bằng thực nghiệm dựa trên đáp ứng quá độ.
Quá trình thực tế nào cũng phi tuyến, vì vậy việc tiến hành thực
nghiệm được thực hiện xung quanh điểm làm việc.
Giữ ổn định nhiệt độ, lưu lượng đầu vào của dòng quá trình và
nhiệt độ, lưu lượng đầu vào nước làm mát, chờ đến khi nhiệt độ đầu
ra của dòng quá trình T
H2
ổn định ở 67,1
0
C. Thay đổi lưu lượng dòng
nước làm mát từ 0,3 l/s lên 0,9 l/s nhiệt độ dòng nóng giảm dần và
tiến tới ổn định ở 65,2
0
C.
Từ số liệu thực nghiệm ta xây dựng được đồ thị đáp ứng quá độ
của thiết bị làm mát như sau hình 2.6.
5
Hình 2.6 Đáp ứng quá độ
Quá trình trao đổi nhiệt có đáp ứng nhanh quá độ tắt dần hình
chữ S. Thực ra, một mô hình quá tính bậc cao là phù hợp nhất với

đường cong đáp ứng này. Tuy nhiên, một mô hình bậc cao thường
gây khó khăn cho việc thiết kế luật điều khiển đơn giản như PID. Để
giải quyết vấn đề này, ta có thể thực hiện phép xấp xỉ để đưa về mô
hình quán tính bậc một kết hợp với một khâu trễ [5]. Mô hình của
thiết bị làm mát có hàm truyền đạt:
( )
1
s
ke
G s
s
θ
τ
−
=
+
(2.7)
6
Áp dụng phương pháp hai điểm quy chiếu ta xác định được:
1.9
3.2
0.6
y
k
u
∞
∆
= = =
∆
(

0
C.s/lít)
( ) ( )
2 1
1.5 1.5 277 157 180t t
τ
= − = − =
(s)
2
277 180 97t
θ τ
= − = − =
(s)
Vậy ta có:
( )
97
3.2
1 180
s
e
G s
s
−
∗
=
+


Hình 2.7 Nhận dạng mô hình từ đáp ứng quá độ theo phương pháp 2
điểm quy chiếu

7
CHƯƠNG 3.
THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
3.1.1. Điều khiển phản hồi
Điều khiển phản hồi (feedback control) dựa trên nguyên tắc
liên tục đo (hoặc quan sát) giá trị biến được điều khiển và phản hồi
thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển.
Vì cấu trúc khép kín này sách lược điều khiển phản hồi còn được gọi
là điều khiển vòng kín (close – loop control) trong các sách lược
điều khiển.
Một câu hỏi được đặt ra thường xuyên là điều khiển phản hồi có
vai trò quan trọng như thế nào trong các hệ thống điều khiển quá
trình nói riêng và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung.
Có thể trả lới ngay rằng điều khiển phản hồi là sách lược điều khiển
cơ bản nhất. không thể thay thế trong hầu hết các hệ thống điều
khiển.
Mặc dù là nền tảng của điều khiển quá trình, điều khiển phản
hồi không phải không có những hạn chế.
Thứ nhất, ổn định hệ thống là vấn đề riêng của điều khiển phản
hồi. Một bộ điều khiển phản hồi có thể ổn định cũng có thể trở nên
mất ổn định.
Thứ hai, để đạt được chất lượng điều khiển phản hồi tốt nhất thì
phép đo đại lượng phản hồi cần phải có độ chính xác cần thiết.
Thứ ba, mặc dù điều khiển phản hồi đã dung sai với sai lệch mô
hình ở một góc độ nào đó nó không thể giải quyết hoàn toàn được
vấn đề này.
Thứ tư, bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phản
ứng có nghĩa là chỉ khi ảnh hưởng của nhiễu đã thể hiện rõ trong giá
trị biến được điều khiển thì nó mới tác động trở lại.
3.1.2. Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward)

8
Đặc điểm cơ bản của điều khiển truyền thẳng là biến quá trình
được đo và đưa tới bộ điều khiển. Dựa trên các giá trị đo được cùng
với giá trị đặt, bộ điều khiển tính toán đưa ra giá trị cho biến điều
khiển. Nếu đặc tính đáp ứng của quá trình với biến điều khiển cũng
như với nhiễu biết trước, bộ điều khiển có thể thực hiện thuật toán bù
trước sao cho giá trị được điều khiển đúng bằng giá trị đặt.
Ưu điểm quan trọng nhất của điều khiển truyền thẳng là khả
năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu tới quá trình.
Song, nhược điểm lớn nhất của điều khiển truyền thẳng là cần phải
biến rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu.
3.1.3. Điều khiển tỉ lệ
Trong rất nhiều ứng dụng điều khiển quá trình, giá trị của một
biến cần điều khiển có quan hệ trực tiếp với tỉ lệ giữa các giá trị biến
vào. Điều khiển tỉ lệ (ratio control) là duy trì tỉ lệ giữa hai biến tại
một giá trị đặt nhằm gián tiếp điều khiển một biến thứ 3. Sách lược
điều khiển tỉ lệ được áp dụng trong nhiều bài toán khác nhau.
3.1.4. Điều khiển tầng
Một trong những vấn đề của điều khiển phản hồi đã được phân
tích là nhiều khi ảnh hưởng của nhiễu quá trình tới biến đầu ra cần
điều khiển chậm được phát hiện. Điều này có thể nằm ở bản chất của
quá trình (như quá trình trao đổi nhiệt, quá trình phản ứng, quá trình
bay hơi,…), nhưng cũng có thể do phép đo nếu số biến quá trình như
đo nhiệt độ và đo nồng độ không thể thực hiện được nhanh. Vì thế,
các vòng điều khiển phản hồi đơn khó đảm bảo tốc độ đáp ứng
nhanh cũng như độ quá điều chỉnh nhỏ. Bên cạnh đó, thiết bị chấp
hành cũng là một khâu trong hệ kín mà tốc độ can thiệp và độ chính
xác của nó ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của vòng điều khiển. Ví
dụ, một van điều khiển nhận được tín hiệu từ bộ điều khiển yêu cầu
mở van 50% tương ứng với 50% lưu lượng chất lỏng qua đó, nhưng

thực sự van có mở được chính xác 50% hay không, hoặc ngay cả khi
9
mở chính xác 50% thì lưu lượng qua đó có tỉ lệ tuyến tính với độ mở
van hay không lại là một vấn đề khác.
3.1.5. Điều khiển suy diễn
Trong nhiều bài toán, biến cần điều khiển chưa chắc đã dễ điều
khiển trực tiếp bởi một trong các lý do:
- Quan hệ giữa biến điều khiển và biến cần điều khiển có tính
phi tuyến mạnh.
- Phép đo biến cần điều khiển không chính xác hoặc rất chậm so
với động học của quá trình.
- Bản thân động học của trình rất chậm, ảnh hưởng của nhiễu
chậm được phản ánh trong biến cần điều khiển.
Một số vấn đề trên có thể được khắc phục với các sách lược bù
nhiễu, điều khiển tỉ lệ và điều khiển tầng như đã đề cập.
3.1.6. Điều khiển lựa chọn
Đối với các bài toán điều khiển thông thường, để dễ điều khiển
được biến ra ta phải có khả năng can thiệp ít nhất vào 1 biến vào.
Tuy nhiên vì nhiều lý do khác nhau mà trong một số trường hợp số
biến cần điều khiển vượt quá số biến điều khiển có sẵn. Một hệ có số
biến điều khiển ít hơn số biến cần điều khiển được gọi là hệ hụt cơ
cấu chấp hành (underactuated system). Khả năng điều khiển được
của một hệ hụt cơ cấu chấp hành rất bị hạn chế bởi 1 biến điều khiển
không thể can thiệp một cách độc lập với nhiều biến ra cùng một lúc.
Một giải pháp thông dụng trong các hệ thống điều khiển quá trình là
lựa chọn đầu ra quan trọng nhất tùy theo tình huống để chia sẻ sử
dụng biến điều khiển một cách hợp lý. Cách sách lược điều khiển có
sử dụng khâu chọn tín hiệu được gọi là điều khiển lựa chọn
(selective control
3.2. Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống

Mỗi cấu trúc điều khiển đều có những ưu điểm, nhược điểm, tuy
nhiên với bài toán truyền nhiệt do cần ổn định nhiệt độ đầu ra và loại
10
nhiễu trong quá trình làm việc nên hai cấu trúc điều khiển phản hồi
và điều khiển truyền thẳng (Feed-Forward) được tác giả lựa chọn để
điều khiển hệ thống nhằm giúp ổn định nhiệt độ đầu ra của dòng keo
nhũ (T
H2
= 70°C), ở đây ta thấy rõ do quá trình có nhiễu, cho nên
việc áp dụng điều khiển truyền thẳng (Feed-Forward) trong trường
hợp này là rất phù hợp. Bộ điều khiển sẽ được tác giả lựa chọn là
“Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng (Feed
Forward)”.
Với công nghệ hiện tại, nhiệt độ và lưu lượng dòng quá trình
(nóng) đã được giữa ổn định nên trong quá trình sản xuất ít có sự
biến đổi. Nhiệt độ nước làm mát sẽ thay đổi nhiều theo từng thời
điểm trong ngày, mùa nên ta cần sử dụng sách lược bù nhiễu với biến
nhiễu này.
Hình 3.9 Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng
3.3. Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển
nhiệt độ và mô phỏng
3.3.1. Mô hình toán học cho hệ thống
Ta có sơ đồ khối:
11
Hình 3.11 Cấu trúc hàm truyền đối tượng
Trong đó:
W1: Hàm truyền bộ chuyển đổi U/I
W2: Hàm truyền của hệ biến tần động cơ máy bơm
W3: Hàm truyền của đối tượng điều khiển
W4: Hàm truyền của khâu đo lường

3.3.1.1. Hàm truyền của bộ chuyển đổi U/I
Bộ chuyển đổi điện áp/dòng điện có tín hiệu đầu vào là điện áp từ 0V
- 5V và tín hiệu đầu ra là dòng điện 4mA đến 20mA. Thiết bị này là
một khâu khuếch đại với hệ số khuếch đại được xác định như sau:
max
1
max
20 4
W 3, 2( / )
5 0
I
K mA V
U
∆
−
= = = =
∆ −
3.3.1.2. Hàm truyền của biến tần – động cơ – máy bơm
Xây dựng mô hình toán học cho hệ biến tần động cơ là điều rất
phức tạp nếu xét về nguyên lý cũng như các tính chất vật lý xảy ra.
Tuy nhiên ta thấy trong quá trình làm việc, khi nhiệt độ dòng keo
nhũ đầu ra mà tăng thì động cơ có xu hướng tăng tốc để bơm thêm
nước làm mát, và ngược lại khi nhiệt độ dòng keo nhũ giảm thì động
cơ giảm tốc để giảm bớt lượng nước làm mát. Do vậy ta có thể coi
hàm truyền của biến tần - động cơ – máy bơm là một khâu quán tính
12
bậc nhất, do mỗi lần cần thay đổi tốc độ thì cần phải mất một khoảng
thời gian cần thiết :
2
2

2
W ( )
(1 )
K
s
T s
=
+
Trong đó:
K
2
: Hệ số khuếch đại của hệ biến tần, động cơ, máy bơm
T
2
: là thời gian của biến tần – động cơ – máy bơm; lấy T
2
= 3s
Khi tín hiệu điều khiển biến tần thay đổi từ 4 – 20 mA thì lưu
lượng nước được bơm thay đổi từ 0 – 1 lít/s nên:
2
1 0
0.0625
20 0
K
−
= =
−
Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tín hiệu
vào là dòng điện và tín hiệu ra là lưu lượng nước làm mát:
2

2
2
0.0625
W ( )
1 1 3 .
k kg
s
T s s mA s
 
= =
 ÷
+ +
 
3.3.1.3. Hàm truyền của đối tượng điều khiển
Từ mục 2.2.2 ta xác định được:
97
3
3.2
W ( )
1 180
s
e
s
s
−
∗
=
+
3.3.1.4. Hàm truyền của khâu đo lường
Thiết bị đo nhiệt độ là cảm biến nhiệt độ có dải đo nhiệt độ 0

0
C
– 150
0
C và tín hiệu ra là điện áp 0V - 10 V. Như vậy, thiết bị này có
hàm truyền là một khâu quán tính bậc nhất:
4
W (s)
1
K
Ts
=
+

Trong đó:
K: Hệ số khuếch đại của thiết bị đo, được xác định như sau:
13
max
0
max
10 0
0.067
150 0
U
V
K
T c
∆
−
 

= = =
 
∆ −
 
T: Thời gian lấy trễ của thiết bị đo, thường lấy T = 10 (s)
4
0
0,067
W (s)
1 10
V
s c
 
=
 ÷
+
 
Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống được thể hiện
dưới dạng mô hình Simulink như hình 3.12. Trong đó tín hiệu vào
là điện áp thông qua khâu chuyển đổi tín hiệu thành dòng điện điều
khiển Biến tần động cơ cấp nước làm mát, điều khiển nhiệt độ dòng
keo nhũ đầu ra ổn định ở 70°C, thiết bị đo lường biến đổi tín hiệu
nhiệt độ thành điện áp để so sánh với tín hiệu đặt.
Hình 3.12 Cấu trúc hệ thống bằng Simulink
3.3.2. Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển
phản hồi
Hàm truyền của hệ thống hở như sau:
0.2
(3 1)(180 1)(97 1)
HT

W
s s s
=
+ + +

Ta có:
2 2
1
W
2 2 1
K
s s
τ τ
=
+ +

W W
W
W W
1 W W W W W
C H
K
K C
C H H H K
= → =
+ −

14
Thay giá trị vào ta có được hàm truyền bộ điều khiển W
C

như sau:
2
(10 1)(3 1)(180 1)(97 1)
W
0.043(2 2 )
C
s s s s
s s
+ + + +
=
+

Lưu lượng dòng keo nhũ và nhiệt độ nước làm mát thường
không ổn định, tuy nhiên nhiễu thành phần nhiệt độ nước làm mát
trong thực tế là lớn hơn do vậy tác giả đưa thêm cả thành phần nhiễu
này trong quá trình mô phỏng và xem xét đáp ứng của hệ thống như
thế nào nếu dùng duy nhất bộ điều khiển phản hồi cho trường hợp
này. Sơ đồ cấu trúc toàn hệ thống như sau:
Hình 3.14 Cấu trúc cả hệ thống có thành phần nhiễu
Ở sơ đồ trên, sau khi tính toán được bộ điều khiển phản hồi kết
quả mô phỏng như sau:
Hình 3.15 Kết quả mô phỏng khi có bộ điều khiển phản hồi
15
3.3.3. Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển
PID kết hợp Feed-Forward
Trong phần 3.2.2, tác giả đã mô phỏng hệ thống với bộ điều
khiển phản hồi, tuy nhiên khi có nhiễu tác động hệ thống phản ứng
rất chậm và không lọc tốt nhiễu, để giải quyết tốt vấn đề này, tác giả
đề xuất kết hợp Bộ điều khiển phản hồi với Bộ điều khiển truyền
thẳng Feed Forward. Với việc kết hợp này hy vọng sẽ làm giá trị sai

lệch giảm và loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu tác động vào hệ thống.
Theo như phần 3.1.2, ta có:
Hàm truyền đối tượng:
97
3.2 3.2
W( )
180 1 (180 1)(97 1)
t
e
p
s s s
−
= =
+ + +

Hàm truyền khâu nhiễu:
1
W
100 1
d
s
=
+
Hàm truyền bộ điều khiển truyền thẳng:
(180 1)(97 1)
( ) 3.2*(100 1)
d
FF
G
s s

G
G p s
−
− + +
= =
+
Sơ đồ cấu trúc mô phỏng hệ thống như sau:
Hình 3.16 Cấu trúc hệ thống với Bộ điều khiển phản hồi
kết hợp truyền thẳng F-F
Kết quả mô phỏng hệ thống như sau:
16
Hình 3.17 Kết quả mô phỏng với Bộ điều khiển phản hồi
kết hợp Feed - Forward
Qua kết quả mô phỏng ta thấy, chất lượng giữ ổn định hệ thống
tốt hơn khi có nhiễu tác động.
3.4. Xét ổn định hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển phản hồi
Hàm truyền đạt của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển phản hồi:
W =
HTC
HTC
WWW
WW
.1
.
4
+
=
156,0
)110(325,2
2

++
+
ss
s
Phương trình đặc tính: s
2
+ s + 0,156 có 2 nghiệm thực âm nên
hệ thống ổn định.
17
CHƯƠNG 4
THỰC NGHIỆM TRÊN DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO
NHŨ TẠI NHÀ MÁY Z131
4.1. Giới thiệu dây chuyền sản xuất keo nhũ
Dây chuyền sản xuất keo nhũ thực hiện việc gia nhiệt, pha
trộn và làm mát các dung dịch A, B, C với tỉ lệ nhất định cho từ loại
sản phẩm. Hỗn hợp dung dịch A và B được pha trộn với tỉ lệ và lưu
lượng cố định (sử dụng hệ thống máy bơm và biến tần kết hợp với bộ
điều khiển AI808 để ổn định lưu lượng) sẽ tạo ra dòng keo có nhiệt
độ và lưu lượng ổn định để đưa vào máy làm mát keo nhũ.
Máy làm mát keo nhũ thực hiện việc làm mát keo xuống
nhiệt độ ~ 70
0
C theo cách điều chỉnh bằng tay độ mở của van để
thay đổi lưu lượng nước làm mát. Dải nhiệt độ cho phép là 68 – 73
0
C. Trước khi bơm keo vào máy làm mát, thiết bị sẽ được gia nhiệt
tới nhiệt độ ~ 70
0
C.
Hệ thống điều khiển có sử dụng bộ điều khiển logic khả lập

trình S7-200 để điều khiển việc khởi động, dừng máy, cảnh báo và
khống chế hoạt động của dây chuyền khi xảy ra quá áp suất, quá
nhiệt, quá dòng điện, mức bể cao hoặc thấp…
4.2. Khảo sát đáp ứng của hệ thống với bài toán ổn định nhiệt độ
đầu ra máy làm mát keo nhũ.
4.2.1. Phương án thực nghiệm
Xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ keo nhũ ở đầu ra máy làm
mát sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ TZ4M của Autonics với thuật
toán điều khiển PID kết hợp với máy bơm nước và máy biến tần.
4.2.2. Cài đặt thông số PID cho bộ điều khiển
Hàm truyền đạt của hệ biến tần – động cơ – máy bơm nước:
2
2
2
0.0625
W ( )
1 1 3 .
k kg
s
T s s mA s
 
= =
 ÷
+ +
 
18
Hàm truyền của đối tượng điều khiển:
97
3
3.2

W ( )
1 180
s
e
s
s
−
∗
=
+
Coi hàm truyền đạt của hệ thống biến tần – động cơ - máy
bơm nước – thiết bị làm xấp xỉ là một khâu quán tính bậc nhất có
trễ với thời gian quán tính và trễ tương đương với thời gian trễ và
quán tính của thiết bị làm mát. Hàm truyền đạt của hệ thống này là:
W
23
(s) = 0,0625.W
3
(s)
Áp dụng phương pháp chỉnh định bộ điều khiển theo luật
chỉnh định Ziegler – Nichols thứ nhất ta có:
θ/τ = 97/180 = 0,54 nằm trong phạm vi 0,1 – 0,6 nên có thể
áp dụng luật chỉnh định này.
a = k.θ/τ = 0,0625.3,2.97/180 = 0,1; k
c
= 1,2/a = 12
τ
i
= 2.θ = 196 (s); τ
d

= 0,5.θ = 48,5 (s)
4.2.3. Kết quả thực nghiệm
Sau khi cài đặt các thông số cho bộ điều khiển, máy biến tần
ta tiến hành khởi động dây chuyền sản xuất vào thời điểm 17 giờ 37
phút 12 giây với giá trị đặt nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát là SV
= 70
0
C và thu được kết quả như sau:
Hình 4.6 Đồ thị dung dịch pha A, B và nhiệt độ keo ở đầu ra máy
làm mát sau khi khởi động dây chuyền sản xuất 7 phút
19
Ta nhận thấy, lưu lượng dung dịch pha A và B nhanh chóng
được ổn định với sai lệch không đáng kể, nhiệt độ keo ở đầu ra máy
làm mát được giữ ổn định ở 70 ± 0,5
0
sau ~ 7 phút.
Hình 4.9 Đồ thị dung dịch pha A, B và nhiệt độ keo ở đầu ra máy
làm mát sau khi khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút
Ta nhận thấy, nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát được giữ
ổn định ở 70 ± 0,8
0
sau 22 phút. Sai lệch này là không đáng kể và
đáp ứng được yêu cầu công nghệ là (68 – 73)
0
C.
20
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA ĐỀ TÀI
1. Kết luận
Nội dung cơ bản trong luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng
dụng các phương pháp điều khiển nhiệt độ. Nhiệm vụ cụ thể là

“Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo trong dây
chuyền sản xuất keo nhũ”
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn đã hoàn thành các
Chương sau:
Chương 1: Tổng quan về lý thuyết điều khiển quá trình
Chương 2: Phân tích công nghệ, xây dựng mô hình quá trình
làm mát
Chương 3: Thiết kế cấu trúc thuật toán điều khiển
Chương 4: Thực nghiệm trên dây chuyền sản xuất keo nhũ tại
nhà máy Z131
Kết quả luận văn đã đạt được là: Thiết kế được bộ điều khiển
phản hồi kết hợp truyền thẳng để điều khiển và ổn định nhiệt độ làm
mát keo. Tính toán, lựa chọn các thông số để cài đặt cho bộ điều
khiển đảm bảo giữ ổn định chất lượng sản phẩm. Kết quả mô phỏng
và thực nghiệm đã chứng minh bộ điều khiển đã thiết kế đáp ứng
được yêu cầu công nghệ điều khiển và ổn định nhiệt độ làm mát keo
trong dây chuyền sản xuất keo nhũ.
2. Kiến nghị
Với việc nghiên cứu độc lập một đại lượng nhiệt độ thì bộ điều
khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng đã đảm bảo được quá trình làm
việc của đối tượng điều khiển. Tuy nhiên trong hệ thống này có sự
tác động lẫn nhau giữa áp suất, nhiệt độ và lưu lượng. Nên bộ điều
khiển thực tế cần phải quan tâm và tính toán đến các yếu tố này.
21
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb
Khoa học & Kỹ thuật – 2009.
[2] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển nâng cao, Nxb
Khoa học & Kỹ thuật – 2005.

[3] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư
điều khiển tự động, NXB Khoa học & Kỹ thuật – 2008.
[4] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình,
Nxb Bách Khoa Hà Nội – 2009.
Tiếng Anh
[5] Aizerman, M. A. and Gantmacher, F. R. , Absolute
Stability of Regulator Systems, Holden-Day, San Francisco, CA –
1964.
[6] Anderson, B. D. O. and Moore, J. B., Linear Optimal
Control, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ – 1971.
[7] Manmohan. A, Sanjay. K. S, Praveen. K. A,
“Modelling and Temperature Control of Heat Exchanger
Process”, ICETT 2014].
22