Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi, ứng dụng nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.54 MB, 90 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-------------------------------------------------
HOÀNG THỊ HẢI YẾN
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI, ỨNG DỤNG
NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Chuyên nghành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số
: 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN VĂN VỲ
THÁI NGUYÊN – NĂM 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
i
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Hoàng Thị Hải Yến
Sinh ngày: 16 tháng 8 năm 1989
Học viên lớp cao học khóa 15 - ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động
hóa - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái nguyên – Đại học Thái
nguyên
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định
hƣớng của giáo viên hƣớng dẫn, không sao chép của ngƣời khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm
Học viên
Hoàng Thị Hải Yến
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
ii
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn tới nhà trƣờng, các cô
giáo, thầy giáo khoa Điện, bộ môn Tự động hóa và Kỹ thuật điều khiển, khoa
sau Đại học trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo
tại trung tâm thí nghiệm của trƣờng đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt
khóa học và hoàn thành luận văn.
Để thực hiện thành công luận văn là sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình của
thầy giáo cán bộ hƣớng dẫn khoa học TS. Nguyễn Văn Vỵ , ngƣời đã giúp đỡ
tận tình, góp ý và cung cấp ý tƣởng cũng nhƣ chỉ dẫn tài liệu trong suốt quá
trình làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy, cùng các
thầy cô giáo trong trƣờng .
Tuy nhiên, do kiến thức và kinh nghiệm có hạn nên luận văn sẽ không
tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong muốn nhận đƣợc sự chỉ bảo của
các thầy giáo, cô giáo và những góp ý của các bạn đồng nghiệp để tác giả tiếp
tục hoàn thiện hơn sản phẩm của mình
Thái Nguyên ngày … tháng 11 năm 2014
Hoàng Thị Hải Yến
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
iii
MỤC LỤC
Lời cam đoan ...................................................................................................... i
Lời cảm ơn ........................................................................................................ ii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt............................................................. v
Danh mục các bảng biểu .................................................................................. vi
Danh mục các hình vẽ đồ thị ............................................................................ vi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 ...................................................................................................... 4
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH .............................................. 4
1.1 VAI TRÒ VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH .............. 5
1.1.1 Khái niệm về quá trình và điều khiển quá trình ................................ 5
1.1.2 Vai trò của điều khiển quá trình trong công nghiệp. ......................... 5
1.1.3 Nhiệm vụ của điều khiển quá trình trong công nghiệp ..................... 6
1.2 HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ............................................................. 7
1.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển quá trình ....................................... 7
1.2.2 Các phần tử trong hệ điều khiển quá trình ........................................ 8
1.2.2.1 Thiết bị điều khiển ...................................................................... 8
1.2.2.2 Thiết bị đo ................................................................................... 9
1.2.2.3 Thiết bị chấp hành..................................................................... 13
1.3 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ........... 15
1.3.1 Bộ điều khiển PID tƣơng tự ( PID kinh điển). ................................ 15
1.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ P.................................................................. 15
1.3.1.2 Bộ điều chỉnh tích phân I. ......................................................... 16
1.3.1.3 Bộ điều chỉnh vi phân D. .......................................................... 18
1.3.1.4 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân PI ............................................. 18
1.3.1.5 Bộ điều khiển PID..................................................................... 20
1.3.2 Bộ điều khiển PID số ...................................................................... 22
1.3.3 Bộ điều khiển PID thích nghi. ......................................................... 25
1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ...................................................................... 27
CHƢƠNG 2 .................................................................................................... 28
THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ......................................... 28
2.1 LỰA CHỌN VÀ MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO QUÁ TRÌNH ................ 29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
iv
2.1.1 Lựa chọn đối tƣợng điều khiển ....................................................... 29
2.1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bình bao hơi. ........................ 31
2.1.3 Mô tả toán học cho đối tƣợng ......................................................... 32
2.1.4 Xây dựng hàm truyền cho các thành phần của hệ thống ................ 34
2.1.4.1 Thiết bị đo ................................................................................. 34
2.1.4.2 Thiết bị chấp hành..................................................................... 37
2.1.4.3 Bình bao hơi .............................................................................. 42
2.1.5 Hàm truyền của hệ thống ................................................................ 44
2.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ..................................................... 45
2.2.1 Các phƣơng pháp tổng hợp PID ...................................................... 46
2.2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)................. 46
2.2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID ở miền tần số .............................. 48
2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển áp suất bao hơi ......................................... 51
2.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG BẰNG MÔ PHỎNG ............................. 52
2.3.1 Sơ đồ mô phỏng bằng Matlab – Simulink ...................................... 52
2.3.2 Các kết quả mô phỏng ..................................................................... 52
2.4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG BẰNG THỰC NGHIỆM ....................... 55
2.4.1 Cấu hình thực nghiệm về điều khiển áp suất .................................. 55
2.4.2 Giới thiệu về mô hình thực nghiệm ................................................ 57
2.4.3 Các kết quả thực nghiệm ................................................................. 60
2.4.4 So sánh với kết quả mô phỏng ........................................................ 61
2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ..................................................................... 62
CHƢƠNG 3 .................................................................................................... 64
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI ........................................ 64
3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................... 64
3.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI ............................. 67
3.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển PID thích nghi ............................ 68
3.2.2 Tính toán tham số của bộ điều khiển .............................................. 68
3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ........................................... 73
3.3.1 Mô phỏng hệ thống ........................................................................ 73
3.3.2 Kết quả mô phỏng .......................................................................... 74
3.3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng ............................................................ 79
3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ...................................................................... 79
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
v
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 80
Tài liệu tham khảo........................................................................................... 81
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT Ký hiệu
Diễn giải nội dung đầy đủ
1
X(t)
Tín hiệu vào của hệ thống còn gọi là tín hiệu đặt
2
Y(t)
Tín hiệu đầu ra của hệ thống
3
U(t)
Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tƣợng
4
C(t)
Tín hiệu phản hồi
5
S
Đối tƣợng
6
I
Khâu nhận dạng
7
TT
Thiết bị tính toán
8
A
Cơ cấu thích nghi
9
SISO
Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra
10
QT
Quá trình đƣợc điều khiển
11
CH
Cơ cấu chấp hành
12
ĐK
Thiết bị điều khiển
13
TBĐ
Thiết bị đo
14
SP
Giá trị đặt
15
CO
Tín hiệu điều khiển
16
MV
Biến điều khiển
17
CV
Biến đƣợc điều khiển
18
PM
Tín hiệu đo
19
KP
Hệ số khuyếch đại
20
KI
Hệ số tích phân
21
KD
Hệ số vi phân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
vi
Các chữ viết tắt
STT
Ký hiệu
Diễn giải nội dung đầy đủ
1
FC
Fail- closed- van đóng an toàn
2
AO
Air-to-open- van đóng an toàn
3
FO
Fail-open- van mở an toàn
4
AC
Air-to-close- van mở an toàn
5
PID
Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân
6
Measurementdevice
Thiết bị đo
7
Sensor
Cảm biến
8
Sensor element
Phần tử cảm biến, đầu đo
9
Singnal conditioning
Điều hòa tín hiệu
10
Transmitter
Bộ chuyển đổi đo chuẩn
11
Transducer
Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu
Nội dung bảng biểu
Trang
Bảng 1.1
Thang đo nhiệt độ
10
Bảng 2.1
Danh mục các thiết bị thực nghiệm
56
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu
Nội dung
Trang
Hình 1.1
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quá trình
7
Hình 1.2
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình
9
Hình 1.3
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
14
Hình 1.4
Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tỉ lệ
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
vii
Hình 1.5
Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tích phân
16
Hình 1.6
Sơ đồ khối bộ điều chỉnh vi phân
17
Hình 1.7
Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỉ lệ tích phân
19
Hình 1.8
Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID tƣơng tự
20
Hình 1.9
Sơ đồ khối bộ điều khiển số
24
Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID thích nghi
26
Hình 2.1
Sơ đồ khối một vòng của hệ điều khiển quá trình
31
Hình 2.2
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình
34
Hình 2.3
Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp
35
Hình 2.4
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
37
Hình 2.5
Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén
38
Hình 2.6
Biểu tƣợng và ký hiệu cho kiểu tác động của van điều 39
khiển
Hình 2.7
Bao hơi nhà máy nhiệt điện
42
Hình 2.8
Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống
44
Hình 2.9
Đồ thị quá độ
46
Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển
48
Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bao hơi nhà 50
máy nhiệt điện
Hình 2.12 Cấu trúc mô phỏng điều khiển áp suất bao hơi
51
Hình 2.13 Áp suất hệ thống bao hơi với bộ điều khiển PID (áp 52
suất 1,7at)
Hình 2.14 Áp suất hệ thống bao hơi với bộ điều khiển PID (áp 53
suất 1,7at xuống 1,2at)
Hình 2.15 Cấu trúc thí nghiệm điều khiển áp suất bao hơi
54
Hình 2.16 Bình mức trong thí nghiệm điều khiển áp suất
54
Hình 2.17 Giao diện trong thí nghiệm điều khiển áp suất bao hơi
55
Hình 2.18 Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển áp suất bao 55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
viii
hơi
Hình 2.19 Kết quả thí nghiệm điều khiển áp suất với
59
K P 100; K I 20; K D 0,5
Hình 2.20 Kết quả thí nghiệm điều khiển áp suất với
60
K P 10; K I 20; K D 0,5
Hình 3.1
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển
64
Hình 3.2
Cấu trúc hệ thống điều khiển PID
65
Hình 3.3
Cấu trúc hệ thống điều khiển PID thích nghi
66
Hình 3.4
Sơ đồ mô phỏng
72
Hình 3.5
Lƣợng ra của hệ và lƣợng ra của mô hình mẫu
73
Hình 3.6
Sai lệch giữa đầu ra của đối tƣợng và đầu ra của mô
73
hình mẫu
Hình 3.7
Quá trình thích nghi của các tham số k1, k 2 , k F
74
Hình 3.8
Lƣợng ra của hệ và lƣợng ra của mô hình mẫu
74
Hình 3.9
Sai lệch giữa đầu ra của đối tƣợng và đầu ra của mô
75
hình mẫu
Hình 3.10 Quá trình thích nghi của các tham số k1, k 2 , k F
75
Hình 3.11 Đáp ứng ra của hệ khi lƣợng đặt là hằng số
76
Hình 3.12 Đáp ứng ra của hệ khi lƣợng đặt là thay đổi
76
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Điều khiển quá trình đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình
sản xuất, nó quyết định năng suất, chất lƣợng cũng nhƣ giá thành sản phẩm.
Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp
đo lƣờng, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của
quá trình công nghệ.
Trong thực tế thì điều khiển quá trình thƣờng đƣợc xem nhƣ điều khiển
các thông số nhƣ : nhiệt độ (t 0 ) , áp suất (p), lƣu lƣợng (F), mức (L), nồng độ
(pH) thậm chí cả điều khiển phản ứng…việc điều khiển các đại lƣợng này
thƣờng gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có một số đặc điểm:
- Thời gian chết của quá trình: đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi
trong tín hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển của quá trình và đáp ứng của
tín hiệu. Hiện tƣợng này không phân biệt dạng của tín hiệu đƣợc dùng.
- Trễ quá trình: vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng
lƣợng một cách liên tục. Qua đó ta có trễ bậc một hoặc bậc cao
- Hệ số khuyếch đại của quá trình: hệ số khuyếch đại của quá trình đƣợc
xác định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi của đầu vào.
- Nhiễu quá trình: là những thay đổi không mong muốn xẩy ra trong quá
trình, nó có xu hƣớng ảnh hƣởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển.
Do đó vấn đề về điều khiển quá trình cần thiết, cần đƣợc nghiên cứu
Đối với các phƣơng pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và
bền vững nên các bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng phổ biến trong các hệ điều
khiển công nghiệp.Trong nhiều báo cáo đƣa ra con số thống kê : hơn 90% bài
toán điều khiển công nghiệp đƣợc giải quyết bằng bộ điều khiển PID. Tuy
nhiên với phƣơng pháp điều khiển kinh điển ta phải biết chính xác về tham số
của đối tƣợng hoặc mô hình hóa tƣơng đối chi tiết của đối tƣợng cho nên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
2
trong quá trình làm việc, nếu tham số đối tƣợng thay đổi thì hệ thống có thể
mất ổn định hoặc chất lƣợng điều khiển không còn đáp ứng đƣợc yêu cầu.
Vì vậy, việc nghiên cứu “Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi, ứng
dụng nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển quá trình” là cần thiết và cần đƣợc
tập trung nghiên cứu để đáp ứng tốt chất lƣợng điều khiển các quá trình
2. Mục tiêu
Nâng cao chất lƣợng của hệ điều khiển quá trình bằng bộ điều khiển PID
thích nghi.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu là mô hình vật lý lò hơi tại Trung tâm Thí
nghiệm trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
- Phạm vi nghiên cứu là điều khiển và ổn định áp suất của lò hơi.
4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
4.1 Ý nghĩa khoa học
Đề xuất đƣợc giải pháp cụ thể là sử dụng PID thích nghi nâng cao chất
lƣợng hệ điều khiển quá trình. Kết quả nghiên cứu đã mở rộng khả năng ứng
dụng của bộ điều khiển PID
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Ứng dụng đƣợc bộ điều khiển vào điều khiển các quá trình sản xuất
trong công nghiệp, đảm bảo hệ làm việc ổn định và đáp ứng đƣợc các yêu cầu
đặt ra.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm :
- Nghiên cứu các tài liệu các công trình đã công bố liên quan đến điều
khiển quá trình và điều khiển thích nghi
- Đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển PID :
+ Dùng phần mền MATLAB- SIMULINK
+ Tiến hành thực nghiệm tại phòng thí nghiệm khoa Điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
3
6. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu tập trung giải quyết các vấn đề sau:
- Nghiên cứu tổng quan về điều khiển quá trình.
- Tổng hợp bộ điều khiển PID cho mô hình vật lý tại phòng thí nghiêm
tiến hành đánh giá kết quả phƣơng pháp điều khiển
- Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi để nâng cao chất lƣợng của hệ
điều khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
5
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1 VAI TRÒ VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1.1 Khái niệm về quá trình và điều khiển quá trình
- Quá trình.
Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học,
trong đó vật chất, năng lƣợng hoặc thông tin đƣợc biến đổi, vận chuyển hoặc
lƣu trữ.
- Quá trình công nghệ.
Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận hành
hoặc lƣu trữ vật chất và năng lƣợng, nằm trong một dây chuyền công nghệ
hoặc một nhà máy sản xuất. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản nhƣ
quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhƣng cũng có thể phức tạp
hơn nhƣ một tổ hợp lò phản ứng, tháp chƣng luyện.
- Đặc điểm của các quá trình.
Đặc điểm cơ bản của các quá trình là các thông số đặc trƣng cho các quá
trình là những đại lƣợng biến thiên chậm, liên tục, có quán tính lớn và diễn ra
trong thời gian dài (nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, mức…).
Các quá trình thƣờng là những hệ phi tuyến có cấu trúc phức tạp, khó
mô hình hoá hoặc có phần không thể mô hình hoá đƣợc và trong quá trình
làm việc tham số đặc trƣng cho quá trình thay đổi và hệ chịu nhiễu tác động.
- Điều khiển quá trình.
Điều khiển quá trình là việc thu thập, xử lý các thông tin để điều khiển,
vận hành và giám sát các quá trình, nhằm đảm bảo chất lƣợng ra của quá trình
đáp ứng các yêu cầu đặt trƣớc.
1.1.2 Vai trò của điều khiển quá trình trong công nghiệp.
Điều khiển quá trình đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình
sản xuất, nó quyết định chất lƣợng, năng suất và giá thành sản phẩm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
6
Mục đích của hệ thống điều khiển quá trình là làm sao để hệ hoạt động
mang tính logic và tin cậy. Trong thực tế quá trình diễn ra ở nhiều lĩnh vực
khác nhau nhƣ kỹ thuật, xã hội, đời sống, quản lý … Con ngƣời đã điều khiển
các quá trình trên bằng bằng nhiều quy luật khác nhau tuỳ thuộc từng lĩnh
vực. Trong xã hội và đời sống các quá trình đƣợc điều khiển bằng bằng các
luật, các quy định. Trong sản xuất công nghiệp ngƣời ta điều khiển bằng các
thiết bị điều khiển nhƣ khí nén, thuỷ lực, điện tử … với những quy luật điều
khiển phù hợp nhƣ PID, Điều khiển mờ, Điều khiển thích nghi …
Luật điều khiển PID đƣợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển quá trình
công nghệ. Thiết bị điều khiển PID là phần tử quan trọng nhất trong các hệ
thống tự động hoá quá trình sản xuất, trong điều khiển các quá trình sản xuất
trong công nghiệp. Trong thực tế điều khiển các quá trình công nghệ thƣờng
đƣợc xem là điều khiển các thông số nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, mức,
nồng độ, định lƣợng …. đảm bảo các yêu cầu đặt ra.
1.1.3 Nhiệm vụ của điều khiển quá trình trong công nghiệp
Điều khiển quá trình là thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển các thông
số của quá trình với nhiệm vụ :
- Điều khiển các biến vào của quá trình một cách hợp lý để biến ra của
quá trình thỏa mãn các chỉ tiêu cho trƣớc. Các chỉ tiêu này đƣợc xác định từ
yêu cầu công của quá trình.
- Nâng cao chất lƣợng của sản phẩm, năng suất sản xuất và giảm giá
thành sản phẩm.
- Theo dõi và giám sát chặt chẽ các diễn biến của quá trình cũng nhƣ
các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống.
- Hạn chế việc tham gia trực tiếp của con ngƣời vào quá trình điều
khiển, cải thiện điều kiện làm việc cho ngƣời lao động.
- Giảm thiểu đƣợc những ảnh hƣởng xấu của quá trình công nghệ đối
với con ngƣời và môi trƣờng xung quanh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
7
1.2 HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển quá trình
Tùy theo yêu cầu của quá trình cần điều khiển và mức độ tự động hóa,
các hệ điều khiển quá trình công nghệ có thể đơn giản hoặc phức tạp, nhƣng
chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và
thiết bị điều khiển.
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình trên hình 1.1
X(t)
U(t)
BỘ ĐIỀU
KHIỂN
CƠ CẤU
CHẤP HÀNH
Y(t)
QUÁ TRÌNH
C(t)
THIẾT BỊ
ĐO
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quá trình
Trong đó :
X(t): là tín hiệu vào của hệ thống - còn gọi là tín hiệu đặt hay lƣợng chủ
đạo để xác định điểm làm việc của hệ thống.
U(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tƣợng qua cơ cấu chấp hành.
Y(t): Tín hiệu đầu ra của hệ thống, là đại lƣợng đƣợc điều chỉnh.
C(t): Tín hiệu phản hồi
Thiết bị điều khiển là thành phần quan trọng nhất duy trì chế độ làm việc
cho cả hệ thống điều khiển.
Quá trình là đối tƣợng cần điều khiển theo các chỉ tiêu đặt trƣớc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
8
1.2.2 Các phần tử trong hệ điều khiển quá trình
1.2.2.1 Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là bộ phận thực hiện chức năng
tạo ra tín hiệu điều khiển u(t) tác động vào đối tƣợng, nhằm điều khiển đƣợc
lƣợng ra của đối tƣợng thoả mãn theo yêu cầu. Mặc dù các thuật ngữ “thiết bị
điều khiển” và “bộ điều khiển” trong thực tế đƣợc sử dụng với nghĩa tƣơng
đồng. Tuy nhiên tùy theo nghĩa cảnh, một bộ điều khiển có thể đƣợc 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 (khối điều khiển PID trong một trạm
PLC/DCS) hoặc cả một hệ thống thiết bị (một trạm PLC, DCS).
Trên cơ sở sử dụng các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển đƣợc lựa
chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đƣa ra các tín hiệu điều
khiển để can thiệp vào đối tƣợng thông qua các thiệt bị chấp hành. Tuy theo
dạng tín hiệu vào ra và phƣơng pháp điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể
đƣợc xếp loại là thiết bị điều khiển tƣơng tự, thiết bị điều khiển logic hoặc
thiết bị điều khiển số. Các thiết bị điều khiển cơ, khí nén hoặc điện tử đƣợc
xếp vào loại tƣơng tự. Một mạch logic là một thiết bị điều khiển logic theo
đúng nghĩa của nó. Một thiết bị điều khiển số đƣợc xây dựng trên nền tảng
máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tƣơng tự
hoặc thiết bị điều khiển logic. Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các
tín hiệu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tƣơng tự và tích hợp các phần chyển
đổi tƣơng tự - số cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng đƣợc
thực hiện bằng máy tính. Một thiết bị điều khiển số không những cho chất
lƣợng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều
khiển, tính toán hiển thị cùng một lúc.
Có thể nói rằng tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS,
PAS) đều là các hệ điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số thực chất là một
máy tính số đƣợc trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
9
khiển. Vì vậy khi ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao hàm khối xử lý
trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch.
Còn thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển là bao hàm cả máy tính và các
thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra và module chức năng khác.
1.2.2.2 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 lƣợng đo. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là
phần tử cảm biến (sensor) và cơ cấu chuyển đổi đo (transducer).
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình trên hình 1.2
Đại lƣợng đo
(P, V, x)
Thiết bị đo
Cảm
biến
Tín hiệu đo
(P, M, y)
Bộ chuyển đổi
Chỉ báo
Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình
Chất lƣợng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào
nhiều yếu tố mà ta khái quát là đặc tính thiết bị đo, bao gồm đặc tính vận
hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học. Đặc tính vận hành bao gồm các chi
tiết về khả năng đo chi tiết vận hành và tác động môi trƣờng. Đặc tính tĩnh
biểu diễn quan hệ giữa đại lƣợng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra của thiết bị
đo ở trạng thái xác lập, trong khi đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa
biến thiên đầu vào và tín hiệu ra theo thời gian.
a. Cảm biến
Cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lƣợng cần quan
tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. Ví dụ cảm biến thực
hiện chức năng biến đổi đại lƣợng nhiệt độ, áp suất, mức, lƣu lƣợng, nồng độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
10
sang một tín hiệu điện để cung cấp cho bộ điều khiển. Một cảm biến có thể
bao gồm một hoặc vài phần tử cảm biến, trong đó mỗi phần tử cảm biến lại là
một bộ chuyển đổi từ đại lƣợng này sang một đại lƣợng khác dễ xử lý hơn.
Một số cảm biến thông dụng :
- Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ là phần tử có nhiệm vụ biến đổi nhiệt độ thành tín
hiệu điện để cung cấp tín hiệu cho bộ điều khiển quá trình nhiệt.
Đa số các phƣơng pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp dựa trên hiện
tƣợng truyền nhiệt do tiếp xúc hoặc không tiếp xúc. Nhiệt đƣợc truyền từ đối
tƣợng sang đầu đo gây ra các hiệu ứng cơ học, dựa vào đó các cảm biến có
thể chuyển đổi và cho tín hiệu điện. Thực chất nhiệt độ đo đƣợc là nhiệt độ
của đầu đo sau khi đã diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa đối tƣợng, đầu đo và môi
trƣờng xung quanh. Vì thế độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào nhiều yếu
tố, cần đặc biệt lƣu ý trong việc điều hòa tín hiệu và xử lý tín hiệu sau này.
Ba loại thang đo nhiệt độ thông dụng là thang Kelvin (K), thang Celsius
( 0 C ) và thang Fahrenheit ( 0 F ) trong đó thang Kelvin gọi là thang nhiệt độ
tuyệt đối. Trị số đo của ba thang đo đƣợc so sánh trong bảng sau :
Bảng 1.1 Thang đo nhiệt độ
Kelvin (K)
Celsius ( 0 C )
Fahrenheit ( 0 F )
Điểm sôi của nƣớc
373.19
100
212
Điểm đông của nƣớc
273.19
0
32
Điểm không tuyệt đối
0
-273.19
-459.61
Cảm biến nhiệt độ thông dụng có thể chia làm ba loại dựa trên tính chất
vật lí cơ bản nhƣ sau:
Các nhiệt kế giãn nở: giãn nở một chất theo nhiệt độ làm thay đổi chiều
dài, thể tích hoặc áp suất (ví dụ nhiệt kế thủy ngân và nhiệt kế lƣỡng kim)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
11
Các nhiệt kế điện trở: Điện trở thay đổi theo nhiệt độ, sử dụng trong
nhiệt điện trở kim loại hoặc nhiệt điện trở bán dẫn
Cặp nhiệt : Điện thế thay theo nhiệt độ tại điểm tiếp xúc giữa hai kim
loại khác nhau nhƣ niken và crom, niken và đồng
- Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất là phần tử có nhiệm vụ biến đổi áp suất thành tín hiệu
điện để cung cấp cho bộ điều khiển.
Cảm biến áp suất có vai trò quan trọng trong các hệ thống chất lỏng và
chất khí. Bên cạnh mục đích đo trực tiếp áp suất trong bình hoặc trong đƣờng
ống, các cảm biến áp suất còn đƣợc dùng để gián tiếp đo lƣu lƣợng và mức
của các chất lỏng và chất khí.
Đơn vị đo chuẩn của áp suất theo hệ thống SI là Newton trên mét vuông
( N / m 2 ) hay Pascal (Pa), tuy nhiên đơn vị kPa đƣợc sử dụng nhiều hơn vì
trong thực tế một Pa là quá bé.
Các cảm biến đo áp suất công nghiệp có thể đƣợc phân loại nhƣ sau :
+ Các cảm biến đàn hồi hai phần tử: Phần tử sơ cấp biến đổi áp suất
thành dịch chuyển dựa trên tính chất lí đàn hồi, phần tử thứ cấp là một cảm
biến dịch chuyển, chuyển đổi độ dịch chuyển thành một tín hiệu điện ví dụ
chiết áp, cảm biến cảm ứng, cảm biến tụ điện
+ Các cảm biến piezo: Sử dụng các phần tử cảm biến sơ cấp là tinh thể
thạch anh có hiệu ứng áp trở hoặc áp điện. Khi tác động một lực lên tinh thể
thạch anh trong khi hiệu ứng áp điện gây lên tích điện khác dấu trên hai bề
mặt tinh thể thạch anh
+ Cảm biến chân không: thƣờng thực hiện các phép đo gián tiếp dựa trên
nguyên lý truyền nhiệt hoặc ion hóa chất khí.
- Cảm biến lƣu lƣợng
Cảm biến lƣu lƣợng là phần tử có nhiệm vụ biến đổi lƣu lƣợng thành tín
hiệu cung cấp cho bộ điều khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
12
Lƣu lƣợng của một chất là lƣợng chất lỏng hoặc một chất khí đi qua một
vị trí của đƣờng ống dẫn kín trong một đơn vị thời gian. Lƣu lƣợng của một
chất rắn đƣợc tính bằng một đơn vị khối lƣợng vận chuyển tới trong một đơn
vị thời gian.
Lƣu lƣợng chính là đại lƣợng điều khiển đƣợc sử dụng nhiều nhất để tác
động tới diễn biến của quá trình kỹ thuật. Phép đo lƣu lƣợng là phần không
thể thiếu trong mỗi hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp. Trong thực tế
các cảm biến lƣu lƣợng hầu nhƣ bao giờ cũng đƣợc gắn kèm bộ chuyển đổi
đo trong một thiết bị đo gọi là lƣu lƣợng kế. Một vài lƣu lƣợng kế tiêu biểu :
Lƣu lƣợng kế chênh áp: Đo gián tiếp thông qua phép đo chênh áp dựa
trên quan hệ giữa lƣu lƣợng dòng chảy và độ chênh áp suất qua một cơ cấu
thu hẹp đƣờng ống ví dụ ống Pitot, venture
Lƣu lƣợng kế turbin: Đo gián tiếp thông qua tốc độ quay dựa trênquan
hệ giữa lƣu lƣợng dòng chảy và tốc độ quay của turbin
Lƣu lƣợng kế điện từ: Đo một đại lƣợng dựa trên thay đổi điện dung
hoặc điện cảm khi lƣu lƣợng dòng chảy thay đổi.
- Cảm biến mức.
Mức chất lỏng trong các bình chứa luôn luôn là một đại lƣợng cần điều
khiển. Trong rất nhiều trƣờng hợp ngƣời ta đòi hỏi vòng điều khiển mức phản
ứng rất nhanh để duy trì giá trị mức cố định nhằm giảm tƣơng tác tới những
vòng điều khiển khác chậm hơn. Tuy nhiên phép đo mức thƣờng không đòi
hỏi độ chính xác cao nhƣ áp suất, nhiệt độ, lƣu lƣợng. Các phƣơng pháp đo
mức chất lỏng thông dụng có thể đƣợc phân loại nhƣ sau:
- Phƣơng pháp tiếp xúc bề mặt: sử dụng phao, que dò và các phần tử cảm
biến chuyển
- Phƣơng pháp điện học: Dựa trên các hiện tƣợng thay đổi điện dung hoặc
điện cảm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
13
- Phƣơng pháp chênh áp: Dựa trên phép đo chênh lệch áp suất giữa hai vị
trí có cao độ khác nhau trong bình
b. Bộ chuyển đổi
Tín hiệu ra từ cảm biến thƣờng rất nhỏ, chƣa truyền đƣợc xa, chứa sai số
do chịu ảnh hƣởng của nhiễu hoặc do độ nhạy kém của cảm biến, phi tuyến
với đại lƣợng đo. Vì thế sau phần tử cảm biến ngƣời ta cần các khâu khuếch
đại chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và tuyến tính hóa.
Những chức năng đó đƣợc thực hiện trong một chuyển đổi đo chuẩn. Một bộ
chuyển đổi đo chuẩn là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu
chuẩn. Một bộ chuyển đổi đo chuẩn đóng vai trò là một khâu điều hòa tín
hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ một cảm biến và cho đầu ra là một tín hiệu
chuẩn để có thể truyền xa và thích hợp với đầu vào của bộ điều khiển. Trong
thực tế nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn đƣợc tích hợp luôn cả phần tử cảm biến.
Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là
thông dụng nhất, song xu hƣớng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ
bus trƣờng ngày càng chiếm ƣu thế.
1.2.2.3 Thiết bị chấp hành
Thiết bị chấp hành là phần tử nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực
hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển. Thành phần can thiệp trực tiếp tới
biến điều khiển đƣợc gọi là phần tử điều khiển.
Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển,
động cơ, máy bơm và quạt gió. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống
điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. Ví dụ tùy
theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh độ mở van
thay đổi lƣu lƣợng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình. Một máy
bơm có thể điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng
chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lƣu lƣợng. Trong các hệ thống
điều khiển quá trình hầu hết biến điều khiển là lƣu lƣợng, vì thế van điều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
14
khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan trọng nhất. Van điều khiển
cho phép điều chỉnh lƣu lƣợng của một lƣu chất qua đƣờng ống dẫn tỉ lệ với
tín hiệu điều khiển.
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ
cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động và phần tử điều khiển. Cơ cấu chấp hành
có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lƣợng (cơ hoặc nhiệt),
phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển.
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành trên hình 1.3 :
Đầu ra của bộ
điều khiển
Thiết bị chấp hành
Cơ cấu chấp
hành
Phần tử tác
động
Biến cần điều
khiển
Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
Một van điều khiển bao gồm thân van đƣợc ghép nối với một cơ chế
chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan. Phần than van cùng các phụ kiện
đƣợc gắn với đƣờng ống, đóng vai trò là phần tử điều khiển. Độ mở của van
là lƣu lƣợng qua van đƣợc xác định bởi hình dạng và vị trí chốt van. Ta có thể
phân loại van dựa theo thiết kế và kiểu chuyển động của chốt van nhƣ sau.
- Van cầu: Chốt trƣợt có đầu hình cầu hoặc nón, chuyển động lên xuống
- Van nút: Chốt xoay hình trụ hoặc một phần hình trụ
- Van bi: Chốt xoay hình cầu hoặc một phần hình cầu
- Van bƣớm: chốt xoay hình đĩa
Cơ cấu chấp hành van có nhiệm vụ cung cấp năng lƣợng và tạo ra
chuyển động cho chốt van thông qua cầu van hoặc trục van. Phần lớn van
điều khiển công nghiệp đƣợc cấp nguồn khí nén, song một số nguồn năng
lƣợng khác nhƣ điện, điện từ hoặc thủy lực cũng đƣợc sử dụng. Ta có thể
phân loại van điều khiển dựa theo cơ chế truyền động nhƣ sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
15
- Van khí nén: Loại phổ biến nhất, truyền động khí nén sử dụng màng
chắn/lò xo hoặc piston. Tín hiệu đầu vào có thể là khí nén, dòng điện hoặc tín
hiệu số. Nếu tín hiệu điều khiển là dòng điện ta cần bộ chuyển đổi dòng điện
khí nén (I/P) tích hợp trong hoặc tách riêng bên ngoài
- Van điện: Cơ chế chấp hành sử dụng động cơ servo hoặc động cơ bƣớc,
đƣợc điều khiển trực tiếp từ tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển, thoog thƣờng là
dòng điện tƣơng tự 4-20mA hoặc tín hiệu số. Van điện đƣợc sử dụng trong
những ứng dụng công suất nhỏ đòi hỏi độ chính xác cao.
- Van thủy lực: Cơ chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp
màng chắn hoặc piston, bơm dầu đƣợc điều khiển bởi tín hiệu ra từ bộ điều
khiển. Van thủy lực đƣợc sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn.
- Van từ: Cơ chế chấp hành cuộn hút kết hợp lò xo, lực nén yếu.
1.3 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.3.1 Bộ điều khiển PID tƣơng tự ( PID kinh điển).
Bộ điều khiển PID (proportional integral derivative controller) tƣơng tự
là bộ điều khiển sử dụng luật điều khiển tỷ lệ (P) - tích phân (I) - vi phân (D)
và các tín hiệu vào/ra của bộ điều khiển là tín hiệu tƣơng tự (analog). Bộ điều
khiển PID đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Bộ
điều khiển này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn và trong
các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp. Bộ điều khiển PID
tƣơng tự đã và đang đƣợc sử dụng để điều khiển các đối tƣợng SISO bởi vì
tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc.
Bộ điều khiển PID tƣơng tự là cầu trúc ghép song song của ba điều
khiển : điều khiển tỷ lệ (P) - tích phân (I) - vi phân (D)
1.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ P
Bộ điều chỉnh tỉ lệ là thiết bị tạo tín hiệu điều khiển u P (t ) tỉ lệ với tín
hiệu sai lệch e(t).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
16
e(t)
u(t)
KP
Hình 1.4 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tỉ lệ
e(t) : tín hiệu đầu vào (phản ánh sai lệch về tín hiệu điều khiển).
u(t) : tín hiệu ra, tác động lên đối tƣợng điều khiển
Phƣơng trình vi phân mô tả quan hệ vào/ra
u P (t ) K P .e(t )
Trong đó K P gọi là hệ số khuếch đại
Hàm truyền trong miền Laplace
GP ( s) K P
- Hàm truyền tần số của nó là : W(jω) = K.
- Đặc tính pha tần số : φ(ω) = 0
Từ các đặc tính trên ta thấy quy luật tỷ lệ phản ứng nhƣ nhau đối với tín
hiệu ở mọi tần số. Góc lệch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào bằng không.
Vì vậy, tín hiệu điều khiển sẽ xuất hiện ngay khi có tín hiệu sai lệch. Giá trị và
tốc độ thay đổi của tín hiệu điều khiển U tỷ lệ với giá trị và tốc độ thay đổi
của tín hiệu vào
Ƣu điểm cơ bản của quy luật tỷ lệ là tốc độ tác động nhanh. Hệ thống
điều chỉnh sử dụng quy luật P có tính ổn định cao, thời gian điều chỉnh ngắn.
Nhƣợc điểm cơ bản của quy luật tỷ lệ là không có khả năng triệt tiêu sai
lệch tĩnh
1.3.1.2 Bộ điều chỉnh tích phân I.
Bộ điều chỉnh tích phân tạo tín hiệu điều khiển u I (t ) tỉ lệ với tích phân
của tín hiệu sai lệch e(t)
e(t)
KI
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
u(t)
/>
