TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ HỮU THÀNH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH ĐA BIẾN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và
tự động hóa
Mã số: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2014


Luận văn được hoàn thành tại: Trường Đại Học Kỹ
Thuật Công Nghiệp – Đai Học Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. Bùi Quốc Khánh
Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Như Hiển
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Văn Liễn
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận
văn họp tại: Phịng 202 – A8 Trường Đại học Kỹ thuật
Cơng nghiệp Thái Nguyên.
Vào 9 giờ 00 phút ngày 19 tháng 04 năm 2014.


1
LỜI NĨI ĐẦU

Điều khiển q trình là một mảng lớn trong lĩnh vực điều khiển tự
động hóa, với một loạt các ứng dụng quan trọng trong cơng nghiệp chế
biến, hóa chất, năng lượng … Thêm vào đó, cùng với sự phát triển của
khoa học công nghệ và các yêu cầu mới của quá trình sản xuất, điều
khiển quá trình đang ngày càng được quan tâm và phát triển.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cấp cơ sở của điều khiển quá trình là gồm các mạch vịng đơn biến.
Tuy nhiên trong cơng nghiệp sản xuất có rất nhiều các biến cần điều
khiển, các mạch vịng đơn biến lại có sự tác động liên quan đến nhau,
có sự sen kênh giữa các mạch vịng, gây khó khăn cho q trình điều
khiển, ảnh hưởng đến năng suất cũng như chất lượng sản phẩm. Khi
thiết kế thiết bị công nghệ điều khiển người ta cố gắng hạn chế sự sen
kênh, nhưng có 1 số các mạch vịng khơng thể hạn chế được người ta
chấp nhận điều khiển đa biến.
Vì vậy vấn đề nghiên cứu dể nâng cao chất lượng hệ điều khiển
quá trình đa biến là hết sức cấp thiết. Xuất phát từ những yêu cầu thực
tế trên và bản thân tác giả mong muốn thiết kế được mơ hình thí
nghiệm phục vụ việc dạy và học ở Trường Cao Đẳng Nghề Phú Thọ,
nơi mà học viên đang cơng tác. Vì vậy học viên mạnh dạn chọn đề tài:
“Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến”.
Với mong muốn tìm hiểu nghiên cứu để nâng cao chất lượng điều
khiển trong điều khiển quá trình đa biến.


2
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
a. Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kỹ thuật điều khiển feedforward để
nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến
b. Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết quả thu được ta khảo sát thiết kế và cài
đặt hệ điều khiển đa biến trong cơng nghiệp

3. Mục đích nghiên cứu:
-

Phân tích được các tính chất cơ bản của hệ điều khiển đa biến

-

Ứng dụng của kỹ thuật điều khiển tách kênh feedforward để nâng
cao chất lượng hệ điều khiển đa biến.

-

Thiết kế và cài đặt được hệ điều khiển đa biến trong thí nghiệm
4. Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết

-

Tham khảo các sách giáo khoa, giáo trình tài liệu…. về hệ điều
khiển quá trình đa biến.

-

Tìm hiều nghiên cứu về mơ hình thí nghiệm điều khiển q trình,
các thiết bị điều khiển ….
Mô phỏng :

-

Thiết kế hệ điều khiển, mơ hình hóa mơ phỏng trên phần mềm

Matlab
Thực nghiệm:

-

Ứng dụng phương pháp điều khiển trên mơ hình thí nghiệm điều
khiển mức và nhiệt độ để kiểm chứng
5. Những vấn đề cần nghiên cứu
Chương 1. Lý thuyết chung điều khiển q trình đa biến
Chương 2. Giới thiệu mơ hình thí nghiệm điều khiển đa biến


3
Chương 3. Nhận dạng và điều khiển hệ thống
Chương 4. Thiết kế nâng cao chất lượng điều khiển hệ đa biến
Chương 5. Kết quả thực nghiệm
Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc
bộ môn Điều khiển tự động và bộ mơn Tự động hóa xí nghiệp cơng
nghiệp trường Đại học KTCN Thái Ngun, đặc biệt là thầy giáo PGS.
TS. Bùi Quốc Khánh cùng các cán bộ nhân viên trong trung tâm ứng
dụng công nghệ cao - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm luận văn.
Do thời gian và năng lực bản thân cịn hạn chế nên luận văn
của tơi chắc chắn cịn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ dạy
và đóng góp ý kiến của các thầy cơ và các bạn học viên để luận văn
của tơi được hồn thiện hơn
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 14 tháng 12 năm 2013
Học viên

Lê Hữu Thành


4
Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
ĐA BIẾN
1.1.

Tổng quan về điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong
điều khiển, vận hành và giám sát các q trình cơng nghệ nhằm nâng
cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các u cầu về bảo vệ con người,
máy móc và mơi trường.
1.1.1.

Khái niệm 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.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện
qua các biến q trình:
1.1.2. Mục đích 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 q trình cơng nghệ
Mục đích cuối cùng của việc ứng dụng điều khiển tự động các q
trình cơng nghệ vẫn là nâng cao hiệu quả kinh tế về lâu dài.
1.2.

Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến.

Trong sản xuất cơng nghiệp các q trình cơng nghệ thường bao gồm
rất nhiều biến quá trình. Khi thiết kế hệ điều khiển ta xác định được
các biến cần điều khiển, biến điều khiển, biến nhiễu … Từ đó thiết lập
các mạch vòng điều khiển và coi các mạch vịng đó độc lập với nhau,
gọi đó là hệ có nhiều mạch vòng đơn biến (một vào một ra SISO). Tuy
nhiên có một số mach vịng có cấu trúc qua lại với nhau. Lúc đó điều


5
khiển SISO không mang lại hiệu quả. Chúng ta phải xét chúng là hệ
đa biến (nhiều vào nhiều ra MIMO)..
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó tồn bộ
các u cầu của q trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản
phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc
và mơi trường.

(SP)

(CO)

(MV)

(PM)

(CV)

Hình 1.5.

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình.
1.3.1. Thiết bị đo
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ
theo một nghĩa nào đó. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là
cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo (tranducer).

Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo.
Trong tất cả các hệ thống tự động, thiết bị tiếp nhận thông tin
về diễn biến của môi trường và về diễn biến của các đại lượng vật lý


6
bên trong hệ thống được gọi là cảm biến.
Một cảm biến (Sensor) 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 hịa
và chuyển đổi sang một dạng thích hợp.
Một bộ chuyển đổi đo (Transmitter) là một bộ chuyển đổi đo
mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 420mA,…). Trong các hệ thống điều khiển q trình truyền thống thì
tín hiệu 4-20mA là thơng dụng nhất.
1.3.2. Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều
khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị
chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ máy
bơm và quạt gió. Thơng qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều
khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật.
Một thiết bị chấp hành bao gồm 2 thành phần cơ bản là cơ cấu
chấp hành hay cơ cấu dẫn động (Actuator) và phần tử điều

khiển(Control element):


7
Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành.
1.3.3. 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, thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp.
Tùy trường hợp mà một bộ điều khiển có thể là một thiết bị điều khiển
đơn lẻ (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 trạm PLC/DCS).

Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển.

Chương 2. GIỚI THIỆU MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU
KHIỂN ĐA BIẾN
2.1. Giới thiệu về bàn thí nghiệm
2.1.1. Các thiết bị chấp hành
a) Van điều khiển CV (Control Valve)
Mô hình bàn thí nghiệm sử dụng 3 van điều khiển, là van điện


8
có chốt xoay hình trụ (ECV-250B-4X của hãng OMEGA).
b) Van từ (Solenoid Valve)
Mơ hình thí nghiệm sử dụng 3 van từ SV6003 của hãng OMEGA
2.1.2. Các thiết bị đo
a) Thiết bị đo mức (LT- Level Transmitter)

Mơ hình thí nghiệm sử dụng cảm biến đo mức LVU-90 dựa
theo phương pháp siêu âm của hãng OMEGA.
b) Thiết bị đo nhiệt (TT- Temperature Transmitter)
Mơ hình thí nghiệm sử dụng 3 nhiệt kế điện trở CF-000-RTD4-60-2của hãng OMEGA
c) Thiết bị đo lưu lượng
Mơ hình thí nghiệm sử dụng lưu lượng kiểu phao FLR6302D của
hãng OMEGA.
2.1.3. Các thiết bị khác
a) Bình nóng lạnh (HEATER)
b) Bơm (Pump)
c) Nguồn cấp
d) Thùng chứa (COOLER)
e) Bình trộn (WORKING TANK)
2.1.4. Bộ điều khiển
Trong mơ hình thí nghiệm sử dụng bộ điều khiển AC800M của hãng
ABB.
2.2. Giới thiệu phần mềm và thiết kế giao diện
Để lập trình cho bộ điều khiển, thiết kế giao diện cho người
vận hành, kết nối bộ điều khiển với máy tính… ta cần sử dụng tới các
phần mềm đi kèm với bộ điều khiển:


9
2.3. Cấu trúc điều khiển mơ hình thí nghiệm
Mơ hình là một hệ MIMO với 2 đầu vào là lưu lượng dịng
nước nóng, nước lạnh và 2 đầu ra là nhiệt độ nước sau khi trộn và mức
nước trong bình trộn
2.3.1. Cấu trúc tổng quan của mơ hình thí nghiệm

2.3.2. Mơ hình đối tượng điều khiển

a).Đối tượng bình trộn
Biến điều khiển:
-

Lưu lượng nước nóng chảy vào bình

: F1 (ml/s).

-

Lưu lượng nước lạnh chảy vào bình

: F2 (ml/s).


10
Nhiễu quá trình:
-

Nhiệt độ nước lạnh từ thùng chứa

: T2 (oC).

-

Nhiệt độ nước nóng từ bình nóng lạnh

: T1 (oC).

-

Lưu lượng nước ấm ra khỏi bình trộn

: F3 (ml/s).

Biến cần điều khiển:
-

Nhiệt độ nước trong bình trộn

: T3(oC).

-

Mức nước trong bình trộn

: L (cm).

b).Các đối tượng khác
Trong mơ hình thí nghiệm cịn 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 là rất quan trọng:
-

Hàm truyền van điều khiển
𝐺𝑣 =

∆𝐹
∆𝑢

=

𝐾𝑣
𝑇 𝑣 𝑠+1

. 𝑒 −𝜃 𝑣.𝑠

(2.10)

Trong đó:



Tv: Hằng số thời gian của van.


-

Kv: Hệ số khuếch đại tĩnh của van.
θv: Độ trễ của van.
Hàm truyền ống:
𝐺𝑜 =

𝐾𝑜
𝑇 𝑜 𝑠+1

. 𝑒 −𝜃 𝑜 .𝑠

(2.11)

Trong đó:
o

Ko: Hệ số khuếch đại của ống. Thường thì Ko =1.

o

To: Hằng số thời gian của ống.

o

θo: Độ trễ của ống.

-

Hàm truyền thiết bị đo mức:
𝐾
𝐺 𝐹𝑇 = 𝑇 𝐹𝑇 . 𝑒 −𝜃 𝐹𝑇 .𝑠
𝑠+1
𝐹𝑇

Trong đó:

(2.12)


11
o

KFT

: Hệ số khuếch đại tĩnh của thiết bị đo mức

o

TFT

: Hằng số thời gian của thiết bị đo mức

o

θFT

: Độ trễ của thiết bị đo mức.

-

Hàm truyền thiết bị đo nhiệt:
𝐾 𝑇𝑇
𝐺 𝑇𝑇 =
. 𝑒 −𝜃 𝑇𝑇 .𝑠

(2.13)

𝑇 𝑇𝑇 𝑠+1

Trong đó:
o

KTT : Hệ số khuếch đại tĩnh của thiết bị đo nhiệt.

o

TTT : Hằng số thời gian của thiết bị đo nhiệt.

o

θTT : Độ trễ của thiết bị đo nhiệt.

2.4. Các vịng điều khiển
Từ mơ hình thí nghiệm đã được xây dựng và yêu cầu của bài
toán điều khiển, ta có thể thấy rằng trong mơ hình có 2 vòng điều khiển
đơn:
- Vòng điều khiển nhiệt độ T3: 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 dịng nước nóng F1 thơng qua điều khiển độ
mở của van điều khiển CV1.
-

Vòng điều khiển mức L: điều khiển và giữ ổn định mức của

nước trong bình trộn. Vịng điều khiển này được thực hiện nhờ việc
điều khiển lưu lượng dịng nước nóng F2 thơng qua điều khiển độ mở
của van điều khiển CV2.
Chương 3. NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
3.1. Nhận dạng hệ thống
3.1.1. Nhận dạng tác động của dịng nóng đến nhiệt độ T3 (G11)
Thời gian chết (dead-time)
: θ11 = 19(s).

Hằng số thời gian quán tính
Hệ số khuếch đại

: T11 = 77.41(s).
: K’11 = 37.94708


12
Vậy hệ số khuếch đại của hàm truyền G11 khi mở van CV1 từ 0% đến
50% là
37.94708
K11 
 0.7589
50
0.7589 -19s
e
Khi đó hàm truyền : G11=
(77.41s+1)

3.1.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến nhiệt độ T3 (G12)
Thời gian chết (dead-time)
: θ12 = 24(s).
Hằng số thời gian quán tính

: T12 = 50(s).

Hệ số khuếch đại
: K’12 = -15,8256
Vậy hệ số khuếch đại của hàm truyền G11 khi mở van CV1 từ 0% đến
50% là:

K12 =

-15.8156
=-0.3163
50

Hàm truyền : G12 =

-0.3163 -24s
e
50s+1

3.1.3. Nhận dạng tác động của dịng nóng đến mức L (G21)
Thời gian chết (dead-time)

: θ21 = 16(s).

Hệ số khuếch đại

: K’12 = 0.13298

Vậy hệ số khuếch đại của hàm truyền G11 khi mở van CV1 từ 0% đến
40% là:
Hệ số khuếch đại:

0.13298
 0.0033245
40
0.0033245 16 s

.e
Hàm truyền : G21 
s
K21 

3.1.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến mức L (G22)

Thời gian chết (dead-time)

: θ22 = 16(s).

Hệ số khuếch đại

: K’12 = 0.10548


13
Vậy hệ số khuếch đại của hàm truyền G11 khi mở van CV1 từ 0% đến
40% là:
Hệ số khuếch đại :
K22 

0.10548
 0.002637
40

Hàm truyền :

G22 

0.002637 16 s
e
s

3.2. Nghiên cứu tác động xen kênh của hệ thống
3.2.1. Khi hệ thống chưa có bộ tách kênh De-coupler
Để thấy được ảnh hưởng của các tác động xen kênh, ta tiến hành mô
phỏng hệ với các vòng điều khiển đa biến khi chưa có bộ tách kênh

3.2.2. Khi hệ thống có bộ tách kênh De-coupler
Ta xây dựng hệ thống dựa trên quá trình nhận dạng và đưa các tín hiệu
điều khiển cho hệ thống để xem đáp ứng của hệ thống.


14
3.3. Phân tích ảnh hưởng các tham số đến chất lượng hệ điều khiển
3.3.1. Xét ảnh hưởng của hệ số khuyếch đại xen kênh đến
sự tương tác.
Ảnh hưởng qua lại của các mạch vòng được đặc trưng bởi hệ số
khuyếch đại xen kênh. Tuy nhiên mức độ tương tác giữa các mạch
vòng còn phụ thuộc vào giá trị hệ số khuyếch đại này.
3.3.2. Chỉnh định lại bộ điều khiển khi hệ số khuyếch đại
tương tác nhỏ 0    1.
Khi hệ số khuyếch đại tương tác nhỏ 0    1 người ta
thường chấp nhận vận hành như hệ đơn biến bằng cách chỉnh định lại
các bộ điều chỉnh.
3.3.3. Xét ảnh hưởng các tham số của mạch vòng tương tác tới
tác động xen kênh.
Ngoài hệ số khuếch đại xen kênh  ảnh hưởng quyết định tới tác động
xen kênh ta có các tham số khác của hàm truyền tương tác như hằng

 21,12
11,22

số thời gian

11, 22

và

thời gian chết

12 ,21

so với thời gian quá trình

3.3.4. Điều khiển phân ly hệ đa biến.
Khi hệ đa biến có tác động xen kênh lớn người ta dùng giải pháp
điều khiển phân ly. Tức là tách hệ đa biến n x n thành n hệ đơn biến
độc lập với nhau. Giải pháp điều khiển phân ly thường dùng là điều
khiển feedforward. Bản chất của giải pháp là coi các tín hiệu tác động
xen kênh là nhiễu, ta quan sát được nhiễu đó tiên đốn tác động của nó
về thời điểm và mức độ để bù. Có hai sơ đồ nguyên lý điều khiển phân
ly feedforward


15
3.3.5. Điều kiện điều khiển phân ly feedforward hệ đa biến.
Điều kiện điều khiển phân ly feedforward hệ đa biến cũng tương tự
như điều khiển feedforward nhiễu tải gồm:

-

Quan sát ước lượng được tác động xen kênh.

-

Ứơc lượng được quá trình.

-

Thời gian chết của quá trình phải nhỏ hơn thời gian chết của tác

động xen kênh.
3.3.6. Ảnh hưởng của Kp đối với vòng điều khiển
3.3.7. Ảnh hưởng của hằng số thời gian τp tới vòng điều khiển
3.3.8. Ảnh hưởng của thời gian chết θp tới vòng điều khiển
3.3.9. Ảnh hưởng của KP khi loại bỏ tác động xen kênh
Kết luận: Có thể thấy rằng, khi có tác động của ảnh hưởng xen kênh
thì việc điều khiển trở nên rất khó khăn, đáp ứng đầu ra của q trình
là khơng tốt với thời gian quá độ lớn. Trên thực tế, khi một đầu vào
của q trình thay đổi thì khơng 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 rắc rối và khó thực hiện, đồng thời thời gian
quá độ của cả hệ thống cũng tăng lên. Đây thực sự là điều khơng mong
muốn với bất kể q trình nào nói chung và đối với mơ hình bàn thí
nghiệm nói riêng.
Để khắc phục yếu tố bất lợi này, yêu cầu cần thiết là thực hiện
tách q trình thành các vịng điều khiển đơn, riêng biệt. Điều này sẽ
được thực hiện khi chúng ta thiết lập và thêm vào hệ thống một bộ tách
kênh (De-coupler) nhằm hạn chế ảnh hưởng của các tác động xen kênh.

Lúc này, hệ thống được xem như chỉ bao gồm các vòng điều khiển
đơn biến, việc điều khiển sẽ trở nên dễ thực hiện hơn. Do đó, việc thiết
lập một bộ tách kênh để phân quá trình thành các vịng điều khiển đơn
biến là một u cầu cần thiết


16
Chương 4. THIẾT KẾ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU
KHIỂN HỆ ĐA BIẾN
4.1. Tính tốn bộ tách kênh
Ta có ma trận hàm truyền bộ tách kênh được tính tốn như
sau:

𝐷=

𝐺11 𝐺22
𝐺22 − 𝐺12 𝐺21

1

−

𝐺12
𝐺11

𝐺21
−
1
[ 𝐺22
]

Sử dụng các phép biến đổi ta có:
𝐺11 𝐺22
1
=
𝐺 𝐺
𝐺11 𝐺22 − 𝐺12 𝐺21
1 − 𝐺12 𝐺21
11 22
Trong đó:
−0,2058 −45𝑠 0,00155 −21𝑠
𝑒
.
𝑒
𝐺12 𝐺21
𝑠
= 35𝑠 + 1
0,72
𝐺11 𝐺22
−30𝑠 . 0,0033 𝑒 −10𝑠
117𝑠 + 1 𝑒
𝑠
−0,134255( 117𝑠 + 1) −26𝑠
=
𝑒
35𝑠 + 1
𝐺11

Áp dụng công thức xấp xỉ: 𝑒 −26𝑠 ≈

1

26𝑠+1

Ta được:
𝐺12 𝐺21
−0,134255( 117𝑠 + 1) −26𝑠 −0,134255( 117𝑠 + 1)
=
𝑒
≈
(35𝑠 + 1)(26𝑠 + 1)
𝐺11 𝐺22
35𝑠 + 1
Do đó ta có :
𝐺11 𝐺22
1
=
0,134255( 117𝑠 + 1)
𝐺11 𝐺22 − 𝐺12 𝐺21
1+
(35𝑠 + 1)(26𝑠 + 1)
Áp dụng công thức xấp xỉ:
1
1
≈
(𝑇1 𝑠 + 1)(𝑇2 𝑠 + 1) (𝑇1 + 𝑇2 )𝑠 + 1


17
Khi đó:
𝐺11

𝐺11 𝐺22
=
𝐺22 − 𝐺12 𝐺21

1
0,134255( 117𝑠 + 1)
1+
(35𝑠 + 1)(26𝑠 + 1)
1
≈
0,134255( 117𝑠 + 1)
1+
61𝑠 + 1

Suy ra:
𝐺11 𝐺22
61𝑠 + 1
=
𝐺11 𝐺22 − 𝐺12 𝐺21 76,7078𝑠 + 1,134255
Tính tốn các thành phần tiếp theo:
0,2058 −45𝑠
𝑒
𝐺12
0,2858(117𝑠 + 1)
35𝑠 + 1
−
=
=
0,72
𝐺11

50𝑠 + 1
−30𝑠
117𝑠 + 1 𝑒
0,00155 −21𝑠
𝑒
𝐺21 −
−0,4697
𝑠
−
=
=
0,0033 −10𝑠
𝐺22
11𝑠 + 1
𝑒
𝑠
𝐷11 = 𝐷22 =

-

4.2. Thiết lập bộ điều khiển
4.2.1. Phương pháp điều khiển sử dụng tối ưu module
Ta tiến hành xây dựng bộ điều khiển cho các vòng riêng rẽ
-

Vòng điều khiển nhiệt độ T3:
Hàm truyền đạt ảnh hưởng của dòng nóng đến nhiệt độ T3
𝐺11 =

𝐾11

𝑇11 𝑆+1

0,7589

0.7589

= 77,4𝑠+1 . 𝑒 −19𝑠 ≈ (77,41𝑆+1)(19𝑆+1) = (𝑇

11

𝐾11
′
𝑆+1)(𝑇11 𝑆+1)

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module, ta được bộ điều khiển PI:
𝑇11
77,41
𝐾 𝑅11 =
= 2,684
′ =
2𝐾11 𝑇11 2.0,7589.19
{
𝑇 ′ 𝑅11 = 𝑇11 = 77,41(𝑆)
-

Vòng điều khiển mức L:


18
𝐺22 =

𝐾22 −𝜃 𝑠 0,002637 −16𝑠
0.002637
. 𝑒 22 =
. 𝑒
≈
𝑆
𝑠
𝑆(16𝑆 + 1)
=

𝐾22
𝑆 + 1)

′
𝑆(𝑇22

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng được bộ điều khiển PI:
1
1
𝐾 𝑅22 =
=
= 8,388
′
{
√8𝐾22 𝑇22 √8. 0,002637
𝑇 𝑅11 = 8𝑇′22 = 8.16 = 128(𝑆)
4.2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng phương pháp tổng hợp

-

trực tiếp DS (Direct Synthesis)
Ta tiến hành xây dựng bộ điều khiển cho các vòng riêng rẽ
Vòng điều khiển nhiệt độ T3:
Hàm truyền đạt ảnh hưởng của dịng nóng đến nhiệt độ T3 :
𝐾 𝑝11
𝐾11
0,7589
𝐺11 =
=
. 𝑒 −19𝑠 =
. 𝑒 −𝜃 𝑝11 𝑠
𝑇11 𝑆 + 1 77,4𝑠 + 1
𝜏 𝑝11 𝑠 + 1
Áp dụng tiêu chuẩn của phương pháp tổng hợp trực tiếp DS, ta được
bộ điều khiển PI cho vòng điều khiển nhiệt độ với việc chọn 𝜏 𝑐11 =
𝜃 𝑝11 = 19(𝑠)
𝜏 𝑝11
77,41
𝐾 𝑅11 =
=
= 2,684
𝐾 𝑝11 (𝜏 𝑐11 + 𝜃 𝑝11 ) 0,7589(19 + 19)
{
𝜏11 = 𝜏 𝑝11 = 77,41(𝑆)
Vòng điều khiển mức L:
Hàm truyền đạt ảnh hưởng của dịng nóng đến nhiệt độ L :
𝐾 𝑝22 −𝜃
𝐾22 −𝜃 𝑠 0,002637 −16𝑠
𝐺22 =

. 𝑒 22 =
. 𝑒
=
. 𝑒 𝑝22
𝑆
𝑠
𝑆
Áp dụng tiêu chuẩn của phương pháp tối ưu đối xứng được bộ điều
khiển PI:
1
1
𝐾 𝑅22 =
=
= 8,388
′
{
√8𝐾22 𝑇22 √8. 0,002637
𝑇 𝑅11 = 8𝑇′22 = 8.16 = 128(𝑆)
Vòng điều khiển mức L:


19
Hàm truyền đạt ảnh hưởng của phương pháp tổng hợp trực tiếp DS ta
được bộ điều khiển P cho vòng điều khiển mức với việc chọn 𝜏 𝑐22 =
20(𝑠)
𝐾 𝐶2 =

1
𝐾 𝑝22 (𝜏 𝑐22 + 𝜏 𝑝22 )

=

1
= 10,53
0,002637(20 + 16)

4.2.3. Phương pháp điều khiển sử dụng mơ hình nội IMC
(InternalModel Control)
Ta tiến hành xây dựng bộ điều khiển cho các vòng riêng rẽ
Vòng điều khiển nhiệt độ T3:
Hàm truyền đạt ảnh hưởng của dịng nóng đến nhiệt độ T3:
𝐺11 =

𝐾 𝑝11
𝐾11
0,7589
. 𝑒 −𝜃 𝑝11 𝑠 =
. 𝑒 −19𝑠 =
. 𝑒 −𝜃 𝑝11 𝑠
𝑇11 𝑆 + 1
77,4𝑠 + 1
𝜏 𝑝11 𝑠 + 1

Áp dụng tiêu chuẩn của phương pháp sử dụng mơ hình nội, ta được bộ
điều khiển PI cho vòng điều khiển nhiệt độ với việc chọn

𝜏 𝑐11 =

0,5. 𝜏 𝑝11 = 0,5.77,44 = 38,705(𝑠)
{

-

𝐾 𝑐1 =

𝐾11

77,41
≈ 1,77
𝐾 𝑝11 (𝜏 𝑐11 + 𝜃 𝑝11 ) 0,7589(38,705 + 19)
𝜏11 = 𝜏 𝑝11 = 77,41(𝑆)
=

Vòng điều khiển mức L:
Hàm truyền đạt ảnh hưởng của dịng nóng đến nhiệt độ L :

𝐺22 =

𝐾 𝑝22 −𝜃
𝐾22 −𝜃 𝑠 0,002637 −16𝑠
. 𝑒 22 =
. 𝑒
=
. 𝑒 𝑝22
𝑆
𝑠
𝑆

Với việc chọn 𝜏 𝑐22 = 𝜃 𝑝22 √10 = 16√10 ≈ 50,6 (𝑠)
Áp dụng tiêu chuẩn của phương pháp sử dụng mơ hình được bộ điều
khiển PI cho vòng điều khiển mức:

20
{

𝐾 𝑐1 =

1

.

2𝜏 𝑐22 + 𝜃 𝑝22
2

=

1
2.50,6 + 16
.
≈ 10
0,002637 (50,6 + 16)2

𝐾 𝑃22 (𝜏 + 𝜃 )
𝑐22
𝑝22
𝜏I1 = 2𝜏 𝐶22 + 𝜏 𝑃22 = 2.50,6 + 16 = 117,2(𝑆)

KẾT LUẬN:
Ở đây chúng ta sử dụng 3 phương pháp điều khiển: Điều
khiển tối ưu, điều khiển theo phương pháp tổng hợp trực tiếp (DS),

điều khiển theo phương pháp mơ hình nội (IMC). Các kết quả mô
phỏng cho thấy, khi hệ thống khơng sử dụng bộ De-coupler, đặc tính
của hệ thống khá xấu, dao động khá mạnh, mức độ xen kênh giữa các
biến quá trình khá cao. Khi hệ thống sử dụng bộ De-coupler, đặc tính
của hệ thống trở về trạng thái ổn định, tác động xen kênh là khá nhỏ,
ta có thể bỏ qua. Tuy nhiên với 2 phương pháp điều khiển theo phương
pháp tối ưu và IMC, độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ của mức
khi giảm độ mở van CV2 20% khá lớn, điều này dẫn đến chất lượng
điều khiển chưa được tốt.
Từ các kết quả mơ phỏng có được ta có thể thấy:
Sau khi thêm bộ tách kênh vào trong quá trình, thì đáp ứng đầu ra đã
được cải thiện rất nhiều. Chỉ trong trường hợp sử dụng phương pháp
tiêu chuẩn tối ưu thì đáp ứng đầu ra mới có độ q điều chỉnh, cịn lại
thì đều có dạng khâu qn tính bậc nhất, bám lượng đặt và khơng có
độ q điều chỉnh. Thời gian quá độ của quá trình sau khi thêm bộ tách
kênh cũng đã giảm đi đáng kể. Những kết quả thu được đó cho thấy
rằng bộ tách kênh là hiệu quả trong việc giảm ảnh hưởng của các tác
động xen kênh.


21
Chương 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Sau khi có kết quả mô phỏng, ta tiến hành áp dụng các bộ
điều khiển đã tính tốn vào thực tế. Các kết quả mơ phỏng cho thấy
với việc áp dụng bộ điều khiển sử dụng phương pháp DS cho kết quả
khá tốt. Nên trong phần thực nghiệm, ta sẽ áp dụng bộ điều khiển sử
dụng phương pháp DS kết hợp với chỉnh định. Kết quả chạy với mơ
hình thực nghiệm được quan sát trên đồ thị Trend.
5.1. Hướng dẫn vận hành
Khời động OPC Server, nhập địa chỉ IP của bộ điều khiển AC800M và

kết nối

Hình 5.1. Khởi động OPC Server Configuration
Khởi động phần mềm My ePlant, chọn phần khởi động Operator.
Trong giao diện vận hành Operator, ta thiết lập các giá trị đặt cho
nhiệt độ, mức và độ mở van làm việc của CV3.


22

Hình 5.2. Thiết lập giá trị đặt cho biến quá trình
Chọn chế độ vận hành cho hệ thống là AUTO hay MANUAL bằng
cách ấn vào nút bấm .

Nếu chọn chế độ vận hành bằng tay ta phải thiết lập chế độ vận hành
thông qua bảng điều khiển MANUAL cho phép bật tắt các thiết bị van
từ, bơm hoặc điều khiển các van điều khiển thơng

Hình 5.3. Bảng điều khiển bằng tay
Khi muốn tùy chỉnh các thông số PID ta ấn vào nút


23
Hình 5.4. Bảng điều khiển PID
Khi muốn giám sát diễn biến quá trình ta ấn vào nút
5.2 Vận hành hệ thống
Bảng 5.1. Bảng ký hiệu màu
Lượng đặt độ mở van CV3(%) (Lưu lượng ra)
Lượng đặt cho mức (%)
Lượng đặt cho nhiệt độ (%)

Mức nước đo về (%)
Nhiệt độ đo về (%)
5.2.1. Quá trình khởi động
Lần lượt thiết lập lượng đặt làm việc cho 3 thơng số mức,
nhiệt độ trong bình và độ mở van CV3. Trong đó:
Lượng đặt cho mức : 50%.
Lượng đặt cho nhiệt độ: 40%.
Lượng đặt cho độ mở van CV3: 60%
Thực hiện quá trình khởi động với mơ hình chưa sử dụng
De-coupler và có sử dụng De-coupler cho ta các kết quả sau:
Hình 5.5. Quá trình khởi động khi chưa có bộ De-coupler