tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu, KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG của VAN điều KHIỂN TRONG hệ THỐNG điều KHIỂN QUÁ TRÌNH

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƯƠNG THỊ THANH XUÂN
NGHIÊN CỨU, KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG
CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN QUÁ TRÌNH
Chuyên ngành: Tự Động Hóa
Mã số:
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2011
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh
Phản biện 1 : TS. Bùi Chính Minh
Phản biện 2 : TS. Phạm Hữu Đức Dục
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số , trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào giờ phút ngày tháng năm 2011.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
2
MỞ ĐẦU
Điều khiển tự động đã được biết đến trong Công nghệ Điều khiển Quá trình
(Process Control). Van Điều Khiển là phần tử chấp hành trong hệ thống điều khiển
và đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điều khiển.
Nội dung nghiên cứu:
Phần mở đầu
Chương 1. VAI TRÒ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH

1.1. Vai trò của van điều khiển
1.2. Cấu tạo, phân loại van điều khiển
1.3. Đặc tính của van điều khiển
1.4. Lựa chọn van điều khiển
Chương 2. NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG PHI TUYẾN CỦA VAN ĐIỀU
KHIỂN
2.1. Hiện tượng Stiction
2.2. Quan sát ảnh hưởng hiện tượng Stiction trong thực tế
2.3. Mô hình vật lý của ma sát van
2.4. Mô hình Stiction van điều khiển bằng dữ liệu
Chương 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG VÀ KHẮC PHỤC HIỆN TƯỢNG
STICTION ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN PH
3.1. Động học cơ bản của phản ứng hóa học
3.2. Lý thuyết về pH
3.3. Ảnh hưởng của đặc tính van tới điều khiển độ PH trong CSTR
3.4. Phương pháp bù ảnh hưởng của stiction valve
Chương 4. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
4.1. Tham số mô phỏng
3
4.2. Kết quả mô phỏng
Kết luận chung và kiến nghị
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Bùi Quốc
Khánh người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.

Tôi xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 12 tháng 10 năm 2011
Người thực hiện
Lương Thị Thanh Xuân
4
Chương 1. VAI TRÒ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH
1.1. Vai trò vị trí của van trong điều khiển quá trình
Van điều khiển chính là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến nhất trong
hệ thống điều khiển quá trình, cho phép điều chỉnh lưu lượng môi chất qua các
đường ống dẫn.
Hình 1.1. Vị trí thiết bị chấp hành trong hệ thống điều khiển
Van điều khiển đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điều khiển.
Nó là cơ cấu chấp hành điều khiển lưu lượng môi chất đi qua, để bù đắp lại ảnh
hưởng của nhiều và thay đổi giá trị biến điều khiển để có được đại lượng cần điều
khiển như mong muốn.
1.2. Cấu tạo, phân loại van điều khiển
1.2.1. Cấu tạo van điều khiển
Van điều khiển cấu tạo bao gồm thân van nối với một cơ chế chấp hành cùng
với các phụ kiện liên quan có khả năng thay đổi độ mở van theo tín hiệu từ bộ điều
khiển. Trên hình 1.5 là hình ảnh mặt cắt của một van cầu khí nén với cơ chế truyền
động màng rung lò xo.
Hình 1.5. Cấu tạo một van điều khiển điển hình
Hình 1.6. Ví dụ các bộ phận và phụ kiện van cầu
a. Thân van ( Control valve body)
b. Cơ cấu chấp hành (actuator)

Là một cơ cấu truyền động khí nén, thủy lực hoặc điện để định vị vị trí đóng
mở van, điều chỉnh van chính xác theo tín hiệu điều khiển. Truyền động lò xo và
màng khí nén phổ biến nhất do độ an toàn của nó và đơn giản khi thiết kế.

c. Các phụ kiện van
+ Khâu chuyển đổi (transducer)
+ Bộ định vị (positioner)
+ Rơ le tăng áp (booster relay)
+ Cảm biến giới hạn (limit switches)
1.2.2. Phân loại van điều khiển
a. Phân loại theo chức năng
Van đóng cắt (on- off)
Dùng để đóng mở không liên tục, sử dụng để bắt đầu hoặc ngăn chặn dòng
chảy của môi chất thông qua quá trình đóng mở van, cho phép dòng môi chất di
chuyển thẳng qua thân van với yếu tố đóng cửa van hoàn toàn mà sự suy giảm áp
lực là ít hoặc không có.
- Van tỷ lệ
Độ mở van cho phép thay đổi từ 0 – 100%, van tỷ lệ thường được sử dụng
điều khiển tải lớn trong hệ thống thủy lực. Quan hệ giữa độ mở van và lưu lượng là
tuyến tính.
- Van servo
Được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thủy lực, điều khiển bởi một tín
hiệu điện.
b. Phân loại theo tính chất chuyển động cơ học
- Van trượt (linear valve)
- Van xoay (rotary valve)
c. Phân loại theo thiết kế chốt van
- Van cầu (globe valve)
- Van bướm (butterfly valve)

- Van nút (plug valve)
- Van bi (ball valve)
d. Phân loại dựa theo năng lượng truyền động
- Van khí nén

- Van điện
- Van thủy lực
- Van từ
1.3. Đặc tính của van điều khiển
1.3.1. Kiểu tác động của van
- Van đóng an toàn (fail-closed, FC hoặc air-to-open, AO)
- Van mở an toàn (fail-open, FO hoặc air-to-close, AC)
- Dự phòng an toàn (fail – safe)
1.3.2. Đặc tính thời gian của van
a. Hiện tượng dải chết (Deadband) của van
Deadband là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự dư thừa của biến quá trình. Các
nguyên nhân gây ra hiện tượng Deadband là: ma sát , khe hở, dải chết,
Hình 1.19. Hiện tượng deadband
b. Thời gian đáp ứng của van (Valve respostion time)

1.3.3. Đặc tính lưu lượng của các loại van
Đặc tính lưu lượng của van điều khiển là mối quan hệ giữa lưu lượng tương
đối của môi chất đi qua van điều chỉnh và độ mở tương đối của cửa van, tức là:
ax axm m
F L
f
F L
 
=
 ÷
 
* Van tuyến tính ( linear vavle)
* Van mở nhanh ( Quick open vavle: QO)
* Van phần trăm đều ( Equal percentage vavle: EP)
1.3.4. Đặc tính động học của van

Là đặc tính giữa tín hiệu điều khiển u vào van và đầu ra là lưu lượng F
- Đặc tính tĩnh của van phụ thuộc chủ yếu vào kích cỡ van và thiết kế chốt van
- Đặc tính động học của van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp hành van
1.4. Lựa chọn van điều khiển
Quá trình chọn lựa valve
* Xác định các biến như:
* Lựa chọn chốt van
* Chọn kích cỡ thân van và chốt van
* Chọn vật liệu chốt
* Các tùy chọn
Kết luận chương 1:
Trong nội dung chương 1, luận văn đã nghiên cứu về vai trò vị trí của van điều
khiển trong điều khiển quá trình. Đồng thời đã nghiên cứu được cấu tạo và đặc tính
của van điều khiển. Từ đó đưa ra cách lựa chọn và các thông số, các biều thức tính
toán để lựa chọn và sử dụng van trong các trường hợp cụ thể.

Chương 2. NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG PHI TUYẾN CỦA VAN ĐIỀU
KHIỂN
2.1. Hiện tượng Stiction
2.1.1. Giới thiệu chung
2.1.2. Đề suất định nghĩa mới về Stiction
a. Bàn về hiện tượng Stiction
* Backlash (khe hở, độ dơ) Quá trình đo cho thấy Backlash là chuyển động
tương đối giữa các phần tử cơ học, kết quả là sự trùng xuống khi các chuyển động
bị đảo chiều.
* Hysteresis ( Độ trễ) :Sự khác nhau trong đáp ứng ra với cùng thay đổi đầu
vào theo hai chiều khác nhau. Độ trễ được xác định bằng sai lệch lớn nhất giữa 2
giá trị đầu ra với cùng giá trị đầu vào ( loại trừ có dải chết)
* Deadband (Dải chết): là khoảng giá trị đầu vào mà không có sự thay đổi giá
trị đầu ra theo hai chiều thuận ngược. Tuy nhiên giá trị của đầu ra là khác nhau

trong hai khoảng đó. Dải chết gây ra sự trễ pha giữa đầu vào và đầu ra.
* Deadzone(Vùng chết): là vùng mà đầu ra không thay đổi giá trị mặc dù có sự
thay đổi của đầu vào theo hai chiều thuận ngược.
b. Đề suất định nghĩa mới về Stiction
Sự xuất hiện của Stiction giảm sự di chuyển chính xác của van, ví dụ: cần van
có thể không đáp ứng tín hiệu đầu ra từ bộ điều khiển hoặc bộ định vị van. Sự di
chuyển trơn của van trong đáp ứng với đầu vào biến thiên từ bộ điều khiển hoặc bộ
định vị van thể hiện bởi dải giữ và sự nhảy đột được nêu lên như sự trượt-nhảy.
2.2. Quan sát ảnh hưởng hiện tượng Stiction trong thực tế
2.3. Mô hình vật lý của ma sát van
Khi trục van trượt theo định luật II Newton ta co phương trình cân bằng lực:
(2.1)

2.3.1. Mô hình ma sát
2.3.2. Mô phỏng van
Mục đích của mô phỏng của van là xác định ảnh hưởng của tính phi tuyến
trong mô hình. Các mô hình phi tuyến có thể tạo ra giới hạn chu kỳ dao động trong
vòng điều khiển phản hồi, và mục đích là để hiểu được ảnh hưởng của phi tuyến
đến đặc tính và hình dạng của chu kỳ giới hạn.
2.4. Mô hình Stiction van điều khiển bằng dữ liệu
Mô hình chỉ có cần :
* Tín hiệu ra từ bộ điều khiển
* Tổng deadband, stickband S và slip-jump J
Kết luận chương 2:
* Hiện tượng phi tuyến trong van là một trong những nguồn chính cho sự
xuống cấp trong quá trình điều khiển và kết quả phi tuyến này là do:
- Sụt áp trên van
- Hệ số khuếch đại thay đổi
- Do cơ cấu truyền động van
* Sự xuất hiện của Stiction giảm sự di chuyển chính xác của van, ví dụ: cần

van có thể không đáp ứng tín hiệu đầu ra từ bộ điều khiển hoặc bộ định vị van. Sự
di chuyển trơn của van trong đáp ứng với đầu vào biến thiên từ bộ điều khiển hoặc
bộ định vị van thể hiện bởi dải giữ và sự nhảy đột được nêu lên như sự trượt-nhảy.
Nguồn gốc của nó trong hệ thống cơ khí là ma sát tĩnh, nó vượt thành ma sát động
trong suốt quá trình di chuyển trơn của van.
* Từ những định nghĩa về hiện tượng stiction valve, luận văn đã khảo sát
những ảnh hưởng của hiện tượng này trong thực tế.

Chương 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG VÀ KHẮC PHỤC HIỆN TƯỢNG
STICTION ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN PH
3.1. Động học cơ bản của phản ứng hóa học
Phản ứng hoá học là quá trình biến đổi các chất này thành các chất khác.
Trong phản ứng hoá học tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng
khối lượng các chất tạo thành sau phản ứng.
3.1.1. Cân bằng hóa học
3.1.2. Tốc độ phản ứng
3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học và tốc độ phản
ứng
3.2. Lý thuyết về pH
3.2.1. Quá trình pH
Công thức để tính pH là:
(3.8)
3.2.2. Đường cong chuẩn độ
Hình 3.1. Đường cong chuẩn độ

a) axit mạnh/bazo mạnh.
b)axit yếu/bazo mạnh.
c) axit mạnh/ bazo yếu.
d)axit yếu/ bazo yếu
3.2.3. Ý nghĩa quá trình trung hòa pH

Các thiết kế của quá trình trung hòa phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố như:
- Kích thước bể phản ứng, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trung hòa (ví dụ
như một bình lớn được yêu cầu khi thuốc thử có độ hòa tan thấp như canxi vôi).
Thời gian lưu giữ cần được giảm thiểu.
- Trộn và khuấy trộn đều để loại bỏ hoàn toàn thuốc thử phản ứng. Kết quả
của việc trộn không đều gây ảnh hưởng đến điều khiển pH
- Các vị trí tương đối của các đầu vào, đầu ra bình, và địa điểm đặt cảm biến
đo cho đáp ứng tốc độ tối đa.
- Hệ thống thuốc thử và điểm bổ sung thuốc thử cho việc điều khiển pH
3.3. Ảnh hưởng của đặc tính van tới điều khiển độ PH trong CSTR
3.3.1. Mô tả chung
Hình 3.2. Bình khuấy trộn liên tục CSTR [10].
3.3.2. Quá trình xảy ra trong bình CSTR
Nói về ảnh hưởng của stiction đến điều khiển quá trình, kết quả mô phỏng như
hình 3.4

3.4. Phương pháp bù ảnh hưởng của stiction valve
3.4.1. Phương pháp knocker
* Giới thiệu về phương pháp:
Hình 3.5. Cấu trúc phương pháp Knocker
- Phương pháp của Hagglund (2002) đề xuất cộng thêm một xung ngắn bù
thêm vào tín hiệu điều khiển knocker

h
k
a
τ
3.4. Ảnh hưởng của hiện tượng stiction đến hệ điều khiển quá trình
3.4.2. Phương pháp bù: bổ xung thêm mạch vòng bù ảnh hưởng hiện
tượng Stiction valve

* Mục tiêu của phương pháp: là để điều chỉnh tín hiệu đưa vào cơ cấu chấp
hành bám theo tín hiệu mong muốn của bộ điều chỉnh cung cấp, có nghĩa là khử
hiện tượng stiction của van.
Nhiệm vụ của phương pháp: Dùng bộ điều khiển PI để khử các nhiễu tác
động, để tín hiệu điều khiển thực tế đạt được như mong muốn:
u
cr
= u
c
Kết luận chương 3:
* Trong chương này, luận văn nghiên cứu về ảnh hưởng của hiện tượng
stiction đến chất lượng điều khiển nồng độ PH, có 3 yếu tố cơ bản: Nồng độ,
Áp suất, Nhiệt độ.
* Tứ đó luận văn lựa chọn các phương pháp bù ảnh hưởng của hiện tượng
stiction valve:
- Phương pháp knocker
Phương pháp của Hagglund (2002) đề xuất cộng thêm một xung ngắn bù
thêm vào tín hiệu điều khiển knocker

Mô hình
Stiction
valve
Process
PI









+
sT
K
i
p
1
1
Controller
Y
sp
u
c
y
u
cr
Hình 3.7. Cấu trúc của phương pháp bù
- Phương pháp bù: bổ xung thêm mạch vòng bù ảnh hưởng hiện
tượng Stiction valve: là để điều chỉnh tín hiệu đưa vào cơ cấu chấp hành
bám theo tín hiệu mong muốn của bộ điều chỉnh cung cấp, có nghĩa là khử hiện
tượng stiction của van.
Nhiệm vụ của phương pháp: Dùng bộ điều khiển PI để khử các nhiễu tác
động, để tín hiệu điều khiển thực tế đạt được như mong muốn:
u
cr
= u
c
Chương 4. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

4.1. Tham số mô phỏng
4.2. Kết quả mô phỏng
4.2.1. Mô phỏng đặc stiction valve
a. Mô hình mô phỏng
Hình 4.1. Mô hình mô phỏng stiction

Kết quả mô phỏng
Dưới đây là kết quả mô phỏng hiện tượng Stiction
Hình 4.2. Mô phỏng hiện tượng Stiction của van
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng trên, ta thấy hiện tượng dải chết (deadband)
cộng với dải giữ (Stickband) và trượt nhảy (Slip-jump) thể hiện rõ ràng. Sự xuất
hiện của chúng làm giảm sự di chuyển chính xác của van, ví dụ: cần van có thể
không đáp ứng tín hiệu đầu ra từ bộ điều khiển hoặc bộ định vị van. Deadband và
stickband giữ giá trị đầu ra không thay đổi trong một khoảng của đầu vào cho đến

khi đầu vào đạt một giá trị nhất định thì sẽ gây đột biến lớn ở giá trị đầu ra (slip
-jump).
4.2.2. Hệ điều khiển quá trình với valve lý tưởng
a. Mô hình mô phỏng
Tham số mô phỏng
Hệ số khuếch đại k
p
0,001
Thời gian tích phân
Ti(s)
120s
linear valve
f(u)
van Ep
FbOut1

Subsystem2
FbOut1
Subsystem1
Step2
Step1
Scope7
Scope6 Scope5
Scope4
Scope3 Scope2
Scope1
Scope
Saturation2
Saturation1
Product2
Product1
PID
PID Controller2
PID
PID Controller1
log10
Math
Function2
log10
Math
Function1
-1
Constant2
-1
Constant1
Hình 4.3. Cấu trúc mô phỏng điều khiển nồng độ PH

b. Kết quả mô phỏng


Hình 4.4. Lượng đặt và tín hiệu ra van tuyến tính
Hình 4.5. Lượng đặt và tín hiệu ra van phần trăm đều

Hình 4.6. Tín hiệu điều khiển van tuyến tính
Hình 4.7. Tín hiệu điều khiển van phần trăm đều

Hình 4.9. Nồng độ PH ban đầu
Hình 4.8. Lưu lượng dòng chảy H
2
SO
4
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng ta thấy rằng, nồng độ PH đã được bám theo
giá trị đặt trong cả 2 trường hợp van tuyến tính và van phần trăm đều. Kể cả trong
trường hợp có nhiễu tác động như hình 4.8 thì tín hiệu vẫn được đảm bảo.
4.2.3. Mô phỏng ảnh hưởng của hệ điều khiển với đặc điểm stiction
valve
a. Ảnh hưởng của stiction lên van tuyến tính
van tuyen tinh
Fb Out1
Subsystem1
In1Out1
Stiction1
Step1
Scope9
Scope8 Scope7
Scope6
Scope10

Saturation1
Product1
PID
PID Controller1
log10
Math
Function1
-1
Constant2
Hình 4.10 . Mô hình mô phỏng điều chỉnh độ pH khi chưa có stiction
Kết quả mô phỏng

Hình 4.11. Tín hiệu trước và sau khối stiction
Hình 4.12. Độ pH và lượng đặt
Ảnh hưởng của stiction lên van phần trăm đều (Ep)
Hình 4.13 . Mô hình van phần trăm đều chịu ảnh hưởng của Stiction
Kết quả mô phỏng:

Hình 4.14. Tín hiệu trước và sau khối stiction
Hình 4.15 . Ảnh hưởng của stiction lên điều chỉnh độ pH

Nhận xét: Thực tế khi van chịu ảnh hưởng từ hiện tượng Stiction, ảnh hưởng
rất nhiều đến quá trình trung hòa pH, như ta thấy ở kết quả trên, pH trong CSTR sẽ
không ổn định ở pH=7. Như vậy thực tế hiện tượng Stiction ảnh hưởng rất lớn đến
quá trình điều khiển pH
4.2.4. Khắc phục ảnh hưởng Stiction đến quá trình điều khiển pH
a. Van tuyến tính
Như vậy, vấn đề đặt ra là phải giảm tối đa ảnh hưởng của Stiction đến van.
Điều này tương đương với làm giảm tính phi tuyến trong van, đưa van về gần lý
tưởng nhất. Để đạt được điều này, ta sẽ thiết kế một bộ điều khiển PI dành riêng cho

van Ep như sau:
F b O ut1
S u b syste m 1
In1 O u t1
S ti c tio n
S te p 1
S c o pe 1
S co pe
S a tu ra ti o n 1
P ro d u ct1
P ID
P I1
P ID
P I
l o g 1 0
M a th
Fu n ctio n 1
-1
Co n sta n t2
Hình 4.16 . Mô hình có khâu điều chỉnh hiện tượng stiction (van tuyến tính)
Một vòng điều khiển phản hồi được gắn vào điều khiển van như hình vẽ.
Tham số bộ điều chỉnh bù ảnh hưởng van
Hệ số tỷ lệ Kp Thời gian tích phân
Ti(s)
Tham số 15 7,5
Kết quả mô phỏng