cơ sở hệ thống điều khiển quá trình

H O À N G M IN H S Ơ N

Cff sứ HỆ THÔNG

Đ iều khiển
quá trình
THƯ VIỆN ĐH NHA TRANG

I

30C)0025314

N H À X U Ấ T B Ả N B Á C H K H O A HÀ NỘ I


H o à n g M in h S ơ n

cir
ĐiỀu

s. H‫ ؛‬THỐNG

khi Ển quá trình

(TÁ I BÂN l Ầ n 2 , c ó SỬA CHỮA VÀ B ổ s u n g )

ỉ.ệi íỉoi; fis٠Ẵỉ u،«&

ĨH Ư V l ệ í ĩ

I

I

ÕÕ.253 14
N H À X U Ấ T BẢN BÁ C H KHOA HÀ NỘI
- 2009 -


Lời nói dầu
Điều kliiổn quá trinh là một íĩnh vực ling diirig quan trqng cha. kỹ thuậ.t diều
khiến trong các nghnh cOng nghiỘỊ) nhng lượng vả liOa chất (gọi ctiung lầ cong
nghiệp chế bỉếU) process industry). Nội dung của lĩnh vực cìiều kliiển quá. trìnli
k(‫؛‬t nối cl١ặt c'hẽ nền tảng của lý th u ٧ết điều klìi^n tự động với cá.c l)ải toản c.ủa
q١
iả trìnli công nghệ. Phạm vi dề cập cụ thể ở da^' la cảc bải toán md hình liba,
pliâu tícli, th iế t kế vả thực thi liệ tliống diều kliiển cho cá.c dối tưỢĩỉg lầ, quá trinh
cdng nghệ.
k iề u kl)iển quố. trìnli khOng Ị)hả,i là một lĩnh vite mới, nhưng luOn cliiếm vị tri
qnau trọng hhng dầu troug tự dộng liOa công nghiệp. Khác vdi những ngành
cdng nghiệp cliế tạo, Iigầy nay bấ.t cứ một nha mảy xi mhng, một nlih máy diện
hay m()t nhà mầy lọc dầu nầ.o cUng khOng thế vận hành đưực nếu tliiếu hệ tlídng
diều kliiển tự dộng. Quá. trinh toà.n cầu liOa. gần dây tạo ra nhiều tliị triídng ticu
dhng mdi, đồng tlidi gia tăng sự cạ.nh tranh mạnli mẽ giữa nliiều tậ.Ị) đoàn sản
xuất. Cảc doanli ngliiệp buộc phả.1 nâng cao intíc độ tự dộng hOa dấ.y cliuyền sả.n
xuất dế tâng nang suất, chất lưựng sản phấm vả liạ gia tliành shn xuấ.t). Sihc ỏp
gi.'rm sử dụng nguyên liệu thồ (yêu cầu thi chế), giảĩu tiêu th ụ nhiên liệu vả khả
ruhng' tliích ứng nlianh với yêu cầu tli! tritOng Ị)UỘC các kỹ sư phải đưa I'a nlitíng
tliiết kế quả tidnli cOng ngliệ mdi thích hợp liOn, nhưng đồng tlidi chng dột 1'ạ
nliữưg vhu cầu cao lain cho hệ thống diều khi(٩n tự dộng và cho những ngưưi kỹ
su' tliiet kế diều kliiCn. Nhìn tir một gdc độ khẤc, 'uliững tiến bộ về cbng ngliệ

tlh(٩t bị diều khiển (DCJS, PLCVHMI, ‫()ﻟﻞ‬:, bus ti'ư(')ng,...) ngày cầ.ng t(ạo diều klộn
thiiận l(٠h hcUi clio vỉộc cài d ặt các shell 1іГ(;с và, tliuật toh.n diều kliiển tihn tiốỉi.
Một di(٩u dhng nói la trong kill cOng ngli(١shn xuht lioặ.c cbng ngh‫ ؛‬tlilết 1)Ị (liều
khiển dã, cO thể lạ,c hậu chĩ sa.u 10-15 nhm, co sd ỉ)hưong phảỊ) luậ,n cho thiht kế
li‫ '؛‬tliống diềi-i kliiển quả trinh vẫ.n gild ngu^'ên gia trị sau liầng ni'ïa thế kỷ - t:ất
nhiên ditqc bổ sung và phht triển lên một tầm (:ao indi.
٢-:ι.ιήη shch Cơ sở hệ thong Điều khỉển quá trinh la giho trinh mỗn liqc “Điều
kliỉến quh trìn li” cho sinh viên đại liqc ngầnli Kỹ tliuật Điều khiển vh Ti.í dộng
lida của trirOng Đại h(_)c Bhch klioa Hà Nội. Nội dimg chínli cila cuốn shell chng
(:ó tliể sir dpng Ihm thi liệu li(^c' tập clio sinli vihn chc ngành C(^ng nghệ liên quan
(Nhiệt, Hba, Sinh liqc-Thực pliẩm, M(/١)
i trirdng,...). Đổ Ihrn việc liiệu quh veji cuốn
shch. chc sinh viên cần diĩỢc trang l)ị ki(‫ ؛‬n thtíc c.(-t sở của lý thuyết diều kliiến tit
động. Đặc biệt, cu(‫ ؛‬n shell di,r(.lc trinh bhy theo một phong chcli diễn gih.1 kết li(?p
nliiều ví di-.i minti liqa cụ tliể١Ị)liù hỢp clio unie dícli tit ngliiên c.ứu cha m ột số


iv

nhóm l)ạii đọc. Tảc giả cũng hy vọng nhiều đồng nghiệp trong các trường clcii lỉọc
và viện nghiên cứu tìrn thấy trong cuốn sách những tư liệu tharn khảo bổ ích.
Cuốn sảch dược biên soạn dựa trên kinh nghiệm từ nhiều nâm giảng dạy шоп
hục ‘;Điều khiển quá trin h ” và một số môn liên quan tio n g trường dạ.i học, chng
như các khOa dào tạo nâng cao cho kỷ sư bên ngoà-i. Ngoài chương mở dầu, nội
d ‫ ا‬mg cuốn sảch bao gồm hai phần chinh la Cơ sở mô hình hóa (chương ٠2 dến
chương 4) và T h iế t kế diều khiển (chương 5 dến chương 9). Hầ.u hết CÁC ví dụ
minh họa dược thực hiện với sự hỗ trỢ của cOng cụ MATLAB.
Tảc gia bày tỏ lOng cảm ơn chân thànli tới các dồng nghiệp vả cảc Іэаіі sinli
viên - những người da giUp dỡ và hỗ trỢ nhiệt tinh cho sự ra dời cUa cuốn số.ch٠
PCS. TS P h an X uân ^4inh da cho nhiều lời khuyên cho thiết kế nội dung cuốn

sách. PCS. TS Nguyễn Doãn Phước la người da dọc phần lớn các chương và dưa
ra nhiều binh luận, góp ý quý báu. TS T rần T rung Kiên đã dọc và góp ý rấ t chi
tiết cho chương 3. Ths Nguyễn T hu Hà da dọc kỹ lưỡng và sửa lỗi nhiều diương
của bản thảo. NhOm sinh viên làm dồ án tố t nghiệp Κ46 dã dOng góp m ột sỗ tư
liệu và ví dụ cho nội dung chương 8. Những ý kiến phản hồi tư phía sinli viên
qua nhiều khOa học cUng da tác dộng quan trọng tới việc lựa chọn và hiệu clỉỉnh
các nội dung trinh bày.
Dể có thể hoàn thàn h cuốn sách, tác giả da nhận dược sự cảm tliOng S íiu sắc
từ những người th ân trong gia dinh, dặc biệt la từ người vỢ và con gải yêu (ịuý.
Họ la những người chịu th iệt thOi nhiều nhất, khi m à trong nhiều tháng không
dìrợc chia sẻ những “cuối tu ầ n ” và “buổi tố i”. Cuốn sách này tác giả rnuốn dành
tặng ii.ưỏc tiên cho hai người th ân yêu của minh, dù biết la không tliể bh đắp
сЬггя; sự liy sinli của họ.
'Prong quá trinh chỉnh sửa, bổ sung cho lần tái bản này, tảc gia da nhận dược
I)l)iều gÓỊ) ý, bìnli luận quý báu từ dồng nghiệp và bạn dọc, dặc biệt những chỉ
dẫn sai sót từ các bạ.n sinh viên. T ác giả chân thành cảm ơn và xin dưực: tiếp tục
tiếp nli,ận tliOng tin phan hồi theo dịa chỉ:
PC8.TS Hoang Minh Son
Độ môn Điền khiền tir dộng
Klioa Điện - Tníờng Đại học Bácli khoa Hà Nội

SỐ 1 Dại CỒ Việt, Hả Nội
Email: Ìu.vn

на. Nội,

MUa Thu 2()()‫و؛‬
HMS

M ue lue
٠

٠

C hương 1 M ơ
1.1

1.3

l .4

.1.5

1.6

1.7

1

Điều khieii quá ti.ình là g ì ? ............................................................................ 2
1.1.1
1.1.2

1.2

đ Ầư

Q uá tiìu h vả các l)iếu quá t r in h ................................................... 2
Phan loại quả trin h ............................................................................ 5

1.1.. 3 Bà,i toán áiều chỉnh và bài toản b á m ............................................ 6
1.1.4
Cầc vấn đề đặc thU của điều kliiển quá trìn li....................... 7
Mục rlích và chức nâng điều kliiển quả tr in h .......................................... 1(1
1.2.1
٧ận hảnh ổn ư ịn h ............................................................................. 11
1.2.2
Nấng suất và chất lượng sản p h ẩ m .............................................12
1.2.3
٧ận hành an to à n ............................................................................. 13
1.2.4
Bảo vệ môi trư ờ n g ............................................................................14.
1.2.5
ĩliệu quả. kinli t ế ............................................................................... 15
P h ân cấỊ) СІП-ІС nâng điều kliién quá trin h ................................................ IG
1.3.1
Giao ٢liện quả t r i n h ......................................................................... 17
1.3.2
Điều khiển cơ s ỏ ............................................................................... 17
1.3.3
Điều khiển vận hanh và giá.n٦s á t ................................................ 19
1.3.4
Điều kliiển cao c ấ Ị).......................................................................... 2(1
Cá,c thh.nli Ị)hần cơ bản cha hệ tl)ống.......................................................... 2(1
1.4.1
T hiết bị do.......................................................................................... 22
1.4.2
l ٦hiết bị diều klliểI‫ ا‬.......................................................................... 23
1.4.3

Tliiốt Ị)ị chap líhnli.......................................................................... 21
Cáe nlii‫؛‬:.m vụ phát triển hộ th ố n g ............................................................. 24
1.5.1
l)lihn tích chtíc na.ng hộ tliống...................................................... 24
1.5.2
Xây di-.ưig mb liìnli quả tr in h ........................................................ 25
1.5.3
4٦liiết kế cấu trúc rliều khiển..........................................................25
1.. 5.4 T hiết kế th u ậ t toản diều khiển...................................................... 27
1.5.5
I^tía chọn giải phhp hệ tliố n g ........................................................ 27
1.5.6
P h á t triển phần mềm ứng dụng....................................................27
1.5.7
G١
hínli d!nh VẰ dưa vào vận h à n h ................................................ 23
Mô tả chức nẵ-ng hệ th ố n g ............................................................................ 28
1.5.1
Cảc tải hệu mô ta dồ h(.)a.............................................................. 28
1.6.2
Lưu dồ P& ID .......................................................................29
Ghi cliU vả tài liêu tham k liả o .....................................................................32


V‫؛‬

Rail them về kliai niệiíi điều kỉiỉếii (]Iiá
1.7.1 ‫ اإااأ'ا ؛‬.................... .. 3.1
1.7 .‫ﻳﺈ‬
\ ‫ خ’ا‬tà ‫ ؛‬l ‫؛‬ộu tỉiaiii khao ............................................................. .......3‫ة‬

Câu hỏi v^ h à
1.8‫ ؛‬tậỊ ) .................................................................................. .... .. 39
C hương 2 MO HỈNH QƯẤ TRÌNH

41

Gl(31 tlilệu e liu iig
2.1...................................................................................... .... .. 42
Mô hìuli và IIIIIC đích
2.1.1 ‫ ةااا‬hliih ‫إةا؛‬:‫ ا‬......................................... 42
٩ uá 2.1.2
Ngu}(ẽii tắ.e chuug c.ủa. rrio liìiih hóa . 1',‫ إاا؛اا‬-‫ ا‬. .................. .. 44
Các Ị.)hưoug pháp xây di-.Pig rnô hlidi toáii học
2.1.3 ............. .... .. 45
Tổiig pua .11 về quy ti'liili mô hìidi h ó a
2.2....................................................... 47
Đặ.t bải toá,u mỗ hỉiiỉi
2.2.1 ‫؛‬l ó a ............................................................ 47
Phân chia hệ thống 2.2.2............................................................................‫ ة‬0
Xây dựng cốc 1110 hluh t 2.2.3‫؛‬ià
............................................ ‫ ة‬1
I(ết hỢp các mô hìiih thdnli p h ầ n
2.2.4............................................... 52
2.2.5
])‫؛‬lan tích và kiểm chlíiig mô h ‫؛‬n ‫؛‬i .............................................. 52
Plian loạỉ niO hlnh todii
2.3 ‫؛‬lọ c ...................................................................... .53
Mô
2.3.1 ‫؛‬linh tu^'én tinh và. 111(5 hình ‫)إ‬,‫ إا؛‬tu y ế n ........................... 53
Mô hìnli đoii

2.3.2 ‫؛‬3iếii và 111(5 ‫؛‬linh da h ‫؛‬ế n ....................................... .54
Mô hình tham số hằng vầ 111(5 hìnii tlia.ni số blén thiCn
2.3.3 .... .. 55
Mô
2.3.4 ‫؛‬lìiili th a .111 số tập t.ìuiig và nib hình tham số lải .... .... .. 55
hl(5 hình
5..3 ..2 11‫ ااج‬ti.ic vả niO hìnli g!án đo ạn ..................................... 5‫ة‬
Các (ỉạiig 111(5 h
2.4‫؛‬n ‫؛‬i ‫؛؛‬du tụ c ........................................................................ 57
Pliiíơiig tiìnli vi p h â n 2.4.1................................................................ .. 57
Mỏ hìnli t i
2.4.2‫؟‬.ng th á ‫ ؛‬.......................................................................... 58
Mò liìii
2.4.3‫( !؛‬ỉả[) itiig quá đ ộ ...................................................... ..... .. 53
Mô
2.4.4 ‫؛‬linh hàm tiuyíui d ạ t ...................................................... ..... .. 55
liìiih dảp iliig tầ.ii s ố
5)1^2.4.5.............................................. ..... .. 59
Các iiiO
2.5 ‫ ا؛ااأاا‬giciii (lo a n ......................................................................... ........ 7(.'‫إ‬
P
2.5.1‫؛‬iư(tng tiliih sa ‫ ؛‬p ‫؛‬ia.u ........................................................... . .. 79
Mô liìiili
2.5.2 ‫؛‬.lạiig t ‫؛‬iÁỈ.......................................................................... 71
liình đá]) Inig qu5, đ ộ
M(52.5.3............................................. ...... .. 74
Các niO hìiili da thtíc vả hd.ni ti'u.v^ii dạt, x u n g .
2.5.4............ ..... .. 75
Mô liĩnli lìảiii tiuyền (lạ.t glảii doạ,n 2.5.5............................................. 81
Clii chú VÀ tà

2.5‫ ؛‬llệii t ‫؛‬iaiii k ‫؛‬i ٨o ..................................................................... 84
Câu hỏ! và bàl tậ.j
2.7) .......................................................................................... 8
C hương 3 MO HỈNH HÓA LỶ
Tổng quan cảc bước t

thưy Ết

87

3.1‫؛‬ến h ần li .......................................................... 87

Nhận biết cảc biến cpiả t i ì n h
Ví dụ bìiih ciitía chất

3.2....................................................
3.2.1 ‫؛‬ỏ n g ............................................................. 91


v ii

3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.3

Xây dựng cảc phương trình mô h ìn h ....... .................................................. 95
3.3.1
Phương trình cân bằng vật c h ấ t.................................................. 96
3.3.2

3.3.3
3.3.4
3.3.5

3.4

3.5

3.6

3.7

Ví dụ thiết bị khuấy trộn liên t ụ c ...............................................92
Ví dụ thiết bị gia n h iệ t.......................................................
93
Ví dụ thảp chưng luyện hai cấu t ử ..............................................94

Phương
Phương
Phương
Phương

trình
trình
trình
trình

cân bằng năng lượng............................................101
truyền n h iệ t....................................
105

động học phản ứng hóa h ọ c .........................
108
cân bằng p h a .........................................................109

P hân tích bậc tự do của mô h ìn h ............................................................. 111
3.4.1
Bậc tự do của hệ th ố n g ................................................................ 111
3.4.2
Ví dụ thiết bị khuấy trộn liên t ụ c .............................................112
3.4.3
Ví dụ thiết bị gia n h iệ t................................................................. 113
3.4.4
Ví dụ nồi hơi bão h ò a ....................................................................114
T uyến tín h hóa và mô hình hàm truyền đ ạ t ......................................... 115
3.5.1
Biến chênh lệch và mô hình hàm truyền đ ạ t ......................... 115
3.5.2
Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm v iệ c ............................. 117
3.5.3
Độ phi tuyến của mô h ìn h ........................................................... 124
3.5.4
T uyến tính hóa với phép đối biến v ào -ra.................................126
Mô phỏng quá t r ìn h ......................................................................................12S
3.6.1
P hân loại các phương pháp mô p h ỏ n g ......................................129
3.6.2
Giải hệ phương trìn h vi phân (phi tu y ế n ) .............................. 132
3.6.3
Giải hệ phương trình vi phân tuyến tín h .................................134
3.6.4

Mô phỏng quá trình sử dụng M A T L A B .................................. 134

3.8

M ột số ví dụ quá trìn h tiêu b iể u ...............................................................142
3.7.1
Chuỗi ba th iết bị phản ứng liên tục đẳng n h iệ t.....................142
3.7.2
T hiết bị phản ứng th u nhiệt sợi đ ố t ......................................... 146
3.7.3
T hiết bị phản ứng liên tục tỏa n h iệ t....... ................................ 119
3.7.4
T háp chưng luyện hai cấu tử .................................
153
Ghi chú và tài liệu th am k h ả o ....................................................................163

3.9

Câu hỏi và bài t ậ p .................................................................................

C h ư ơn g 4 N hận
4.1

4.2

dạng quá t r ìn h

165
171

Khải niệm vả những nguyên tắc cơ b ả n .................. ...............................171
4.1.1
Cảc bước tiến h à n h .........................................................................171
4.1.2
P hân loại phương pháp nhận d ạ n g ............................................172
4.1.3
Đánh giá và kiểm chứng mô h ìn h .............................................. 174
Cảc phương pháp dựa trên đáp ứng quá đ ộ .......................................... 175
4.2.1
Mô hình quán tính bậc n hất có tr ễ ............................................177
4.2.2
Mô hình quán tính bậc hai có t r ễ .............................................. 184


v lll

4.3

4.4

4.3

4.0

4.7
4.8
4.9

4.2.3
Mò hình dao độiig bậc b a i............................................................ 186

4.2.4
Mỏ liìiih chứa thảnh Ị)hần tích p liâ ĩi....................................... 190
Các phư’(jng pháp dựa tìê n đáp ứng t.ần s ố .............................................. ‫ ا‬9 ‫)ا‬
4.3.1
Kí(4i thích t ì ١
ĩc tiếp tin hiện hình s i n ........................................191
4.3.2
Kích thícdi tin hiệu dạ.ng x u n g ..................................................... 196
4.3.. .1 IdiUOng Ị)háỊ3 phâ.n tích plìổ tin h iệ u .......................................... 19(1
Cốc ])hu٠
ờng phảỊ.) bìnli phương tối th iể u ...................................................193
4.4.1
Nguyên ІѴ bìnli phương tối th iể u ................................................ 193
4.4.2
U’ớc lượng tham số mô liình FIR...................................................200
4.4.3
l/ởc lượng tham số mô hình A R X ...............................................20‫اا‬
1.4.4
ưdc lượng tham số n٦ô hìnli hên tục SO PD T
200
N.ỉiậii d‫)؛‬,ng tiong ٧òng k i n ............................................................................ 212
-1.3.1
Nhận dạng trong vOng pliản hồi rơ-le........................................ 21‫إا‬
4.3.2
Nhận dạng trong vOng diều khiển Р /Р І ................................... 219
Sử diiiig M atlab Identification T o o lb o x ................................................... 221
4.0. 1 I3iểu diễn số liệu thực' nghiệm .......................................................22.2
4.0. 2 Dạng mô hình sử d ụ n g ...............................................................,...222
-'-1.0.3
Cảc th u ậ t toán nliận d ạ n g .............................................................22-3

-1.0.4
1 ( 1 0 ^‫ ا‬sát và kiểm chứng mO h ìn h ............................................ 229
IjU٠
a chon Ị)hưmig J)hảp nhận d ạ n g ............................................................. 232
0,1111 clíO vả. tài liệu tham k h ả o .................................................................... 23.3
Call lidi và. l)ài tậỊ.)........................................................................................... 23(1

C hương 3 C ác
3.1

5.2

3.3

sách lược d i Ềư k h i Ển cơ sơ

237

DiOu kliiển truyền t.hẳng............................................................................... 237
3.1.1
Ví dụ điều khiển t.hiết, bị gia nhiệt Ịiơi nư ớ c...................... 237
3.1.2
Cấu trúc cơ bản và bộ diều kliiến 1}^ti,rông ....................... 239
3.1. :1 Các tíiili cliấ.t cha rhều kliỉển truyền tliẳng .......................241
3.1.4
ư n g dpng cila diều khiển truyCn th ằ n g ....................................243
Dicu khiên phdn, h ồ i........................................................................................240
3.2.1,
Ví dụ diều khiển tliiết l)ị gia nhi‫ ؛‬t hơi m,ĩơc....................... 240
3.2.2

Cấu trhc cơ bẲ.n............................................................................... 247
3.2..3
Mai ti,'ồ của diều khiển Ị)hảri l.iồi.................................................. 249
-3.2.4
Скгс vấn dề của diều khiển phản h ồ i...........................................233
3.2.-3
Điều khiển phản hồi kết hợp truyềri tliẳ.ng........................'234
Dièu klii^n tỉ l ệ ................................................................................................ 2-3.3
-3.3.1
Ví dụ diều khiến thiết bị khuấ.y trộn liên ttic ....................23 3
3.3.2
Ví dụ diều khiển thiết bị gia nhiệt, hơi nríóc......................23 0
3.3.3
3.3.4

Hai cấu hình diều khiển tỉ l ệ ....................................................... 257
I3ả.n cliất vầ ý nglila của diều kliiển tỉ l ệ ................................... 239


lx

Điều khien
5.3.5 ‫؛‬:‫ آ‬lệ к ‫؛‘؛‬: 1‫( د]إ(ا‬11‫ ااغ‬кЬіГ١п plìản liồi ................ ..... 2‫ ة‬2
Diều kliien ta n g Г).4............................................................................................... 263
.Vi 5.4.1 (1‫ا‬.‫ ا‬điều kliieii thiet bi gia ĩiỊiiột hơi uư ớ c . ..................... 264

.liai cấu ti'Uc. điều kliiCu triiig
5.4.2...........................................
.Dièu khiểu vi t.j'i v a u
5.4.3 ................................................................. 2

.ư u g clung của. cliè١i kl)i
١u tầ n g )5.4.4 ................................................
.Điều khiori suy tliễĩ5.5').............................................................................................. 269
clii điều kỉiiển lcíu lu'c.tng k lií Ví5.5.1............................................ 270
Ví clụ điều khien tliiết bị gia nliiệt dcUi n b n g
5.5.2 .. ................. .. 271
Ví СІС.1 điều khiến nồ!)g clc) sail Ị^liấiĩi cluing lu y ện
5.5.3 .............. 273
Diều khiến lựa c h ợ n 5.6........................................................................................ 274
Điều kliiển lắn h t 5.6.1........................................................................274
Diều khiển gibi hạn 5.6.2 ................................................................... 276
Điều kliiển phản v tin g 5.7 .................................................................................... 277
Ghi chh và tài liệu thani klihc5.8^ .................................................................. 279
hỏi và l)ài t ậ p C âu 5.9................................................................................ 280
C hương 6 DẶC Τ‫ ؛‬ΝΗ CÁC THÀNH PHẦN HỆ THốNG

283

T h i 6.1(‫؛‬t !)‫ ؛‬clc^)....................................................................................................... 284
C ấu tìh c cơ b h n .
6.1 .............................................................................. 284
Dặc tinh vậ.n hhn h 6.1.2 .................................................................. .. 285
Đặc. thili tĩn h 6.1.3 .................................................................................. 288
Dặc tinh clộiig li(.)c6.1.4 : ...................................................................... 292
Kliáĩ Cịuát một sồ chin l)iến C:c5ng ngliiệp 6.1.5 ...................................... 295
٩n kliiCn)6.2
T liiết bị cliấỊ) hhnli vh van ch..................................................... 300
C ấu ti''Uc cơ bhn cha van clièu kliiCn 6.2.1........................................... 300
tác động c.ủa v an
Kiou 6.2.2 ........................................................... 303

Dặc: tínli clbng cli6.2.3 ‫؛‬٠y .i............................................................... 304

Dặc t-ínli động h(y6.2.4 ' .................................................................. 307
13Ộ clịnh vị v a n .6.2
٠
5............................................................................. 308
Che bộ C-liều khiển phhn
6.3 1)6,1...................................................................... 309
Chiều the đ ộ n g 6.3.1 ............................................................................. 310
điều khiển hai vị tri Bc)6.3.2 ........................................................... 312
Bộ điều khiển p 6.3.3 ..................................................................... 313
Bc) điều khiển B I 6.3.4 ..................................................................... 314
Bộ diều kliiển PIB lý titdng 6.3.5 ....................................................... 315
Bộ diều khiển PIB tlu.íc6.3.6 ^................................................................ 318
Glii clnl và tài liội.,1 tham k h h o 6.4..................................................................... 324
hỏi vầ bải t ậ p C âu 6.5................................................................................. 325


X

C hương 7 P hẳn
7.1

7.2

7.3

7.4
7.5

3.2

8.3

8.4

329

Bài tũảĩi c h u ẩ n .................................................................................................329
7.1.1
cấ.u hình c ỉiu ẳ n ...............................................................................329
7.1.2
Sơ đồ khối vồ inô hình hàm truyền đ ạ t ............................. 332
7.1.3
c ‫إ‬٦uẩn lióa rnô liìn h .........................................................................337
7.1.4
Bhảt hiểu hồl toan chuẩn và cảc ٩uan hệ cơ b ả n .............. 341
Tinh ổn đlnh c.ủa hệ điều khiển ỉ)hẳ.n hồi.................................................344
7.2.1
Kliái niệrn tíi')h ổn đ ịn h ................................................................ 345
7.2.2
T inh ổn định nội của hệ điều khiển pliản h ồ i.................... 350
7.2.3
Tiêu chuẩn N y q u ist....................................................................... 356
7.2.4
TiCu chuẳn B o d e ............................................................................ 362
7.2.5
Độ dự t)i١
ữ ổn đ ịn li..........................................................................363
7.2.6

Tínli ổn định dư ợ c..........................................................................366
C hất lưựng thều khiển Ị)hảii liồ i..................................................................367
7.3.1
Bả.nh giá chất IríỢng trên miền thời g ia n .................................367
7.3.2
Đảnh gia clìất lượng trẽn ĩniền tầ.n s ố ......................................371
7.3.3
Phân tích chất hrợiig diều khiển tầ n g .......................................330
Ghi chủ và tai hệu tham k h ả o ....................................................................334
Câu hỏi vầ bài tậ Ị ) ......................................................................................... 335

C hương 8 C hỉnh
8.1

t ‫ ؛‬ch hệ đi Ều khi Ển phản h Ồi

định bộ đi Ều khi Ển

PID

389

Cơ sở c liu n g ......................................................................................................390
3.1.1
Cảc dạng mô hìĩ)h quá trinh thông rlrii١g-...........................390
3.1.. 2 XấỊ) xỉ mO hình t^ậ.c cao - luật chia d ô i.....................................392
8.1.3
Các cấu hình diều kliiổn và kiểu hộ diều khiển .................393
8.1.4
Bặc tínli v(١

)ng điều kliiển sử dụng ỉ)ộ PID ........................394
3.1.. 5 Lira chợn luật diều k h iển ............................................................... 399
Các piiưcnig pỉiáp d ١
.i'a trhn dặc tinh dáp ứ ng........................................... 402
3.2.1
Phircíng pliẤp dira trên dảp ứng bậc than g ........................402
3.2.2
Idnrưng plìẲp d ‫ا‬ra
٠ trêíi dặc tinh dao động tới liạ n .............403
8.2.3
Phirơng phá,p ti.1 chỉnh phản hồi ĩ٠cj-le .......................................405
8.2.4
I)hi,rơng Ị)háp của T.yĩ٠
eus và L u y b en ........................................ 406
Các phirơng phảp dựa trCn mô hình m ẫu ..................................................410
3.3.1
Phirơng pháp H a alm an ................................................................ 4 0‫ذ‬
8.3.2
Phirơng Ị)hảp tổng hợp trực tiế p ................................................411
8.3.3
Ph١
-.rơng Ị)hảp tồng hợp trực tiếp ưu tiên kháng nhigu .......413
8.3.4
Pỉiương pháp IM C ..........................................................................416
8.3.5
Phirơng pháp IMC cho quá trinh không ổn d in h ...............421
8.3.6
Phương phảp xấ.p xỉ dặc tinh t ầ n .............................................. 426
Cảc Ị)hi.rơng Ị:)háp nắn dặc tinh t ầ n ........................................................... 430

XI

Pliitưiig Ị)liảỊ) tối
8.4.1 ‫ ااﺀﻻ‬đối x ١.١i!g ..................................................... 4.40
٤kaỊ)pa:taii 8.4.4
Phươĩig pháp ' ............................................................ 442
Phương ])lìá]) (hra trhii dự 1riì hidn-pha
8.4.4............................... 444
Điền kliicn
8.5 ‫ل)ل‬kết 0 ‫اﻹ‬.‫از‬.) ‫ ا'ادا‬ti.ễ .................................................................. 4.47
14ộ dir l;)áo Siíiitli1'.8.5 .............................................................................. 447
pộ dièu kliieii
8.5.2 [‫ل‬1 0 ‫ 'ﻻ‬Ị,)áo.............................................................. 440
Ghl chú vả tài hện thani k h a o
8.6................................................................... 44-1.
Câu hỏi VÌI hài t ậ p
8.7..................................................................................... 445
C hương 9 T hi Ết

k Ế c Ấư trúc di Ềư khi Ển cho qưá trỉnh da bi Ến

447

‫؛‬Giới thiộn c h u n g
.1.1............................................................................................ 44.
CẤu ti'úc điều kdiiển lả gì9.1.1? ........................................................... 447
9.1-.2
0‫ ل(ا‬.‫؟‬ờ tliiết kế cắn trúc di‫؛‬١u kliioii............................................ 452
‫؛‬Lựa clipn hiến quá ti

١
n d i'1.2..............................................................................

lộ t số chỉ (lẪn hra c liq n ^ 9.2.1................................................................ 454
Pỉiân tích gia trị suy h iến 9.2.2............................................................ 457
‫؛‬Điều khiển đa biỗ n /tập t r u n g
1.4..................................................
‫؟‬Diều kliiển dơn hiến
1.4/ ‫)ل‬1‫ ا‬tập tr u n g 1...........................................................
Cặp dôi cảc l^iẻn vh(.)-ra9.4.1.................................................................... 464
Tínli ổn (Ịịnli cha. liệ điều kỉiiổn9.4.2 ‫)ا‬1‫ اا‬tộ.Ị) tru n g ................... 466
‫؛‬Ghi clih và tài liệu tliain khả.o
1.5...............................................
P hụ

lục

A

469

A. 1 Tóm tắ t cliuaii A N SI/ĨS ،،\ 5.1...................................................................... 469
Tóm tắ t chuẳn AN8I/18A
A.2 5.2-.................................................................... 474
Tdiii tắ t ch A.4‫ ا‬lẩn AN81/18A 5 .4 .................................................................... 477
P hư Lực B

477

1‫ ؤ‬. Imẩ.n vector và ch ^) 1‫ ا‬ιắu ma trậ.i١................................................................. 477

B.2 c:huắn tin hiộu và. cỉiuắn liộ t-liống............................................................ 480
B.3
B.4

PliÓỊ) pliân tícli giá tri .suy liỉến (SVD ) .................................................... 484
Ma trậ.n klmếch dại tu'ơng dối (HCLA) ...................................................... 486


2

C hươn (; 1

Mở DAU

Mục đícli của cliiicjiig mở đầu Iiả.y là cuỉ١g cấ.Ị) clio ugcĩời đọc cải ỉiliìu sơ lu٠Ợc
về bản chất vả ĩuục đích của (:bèu khi‫؛؛‬u quá ti'iuh, ‫؛‬.ổng quan về các chlíc nang
và. t-ỉiành ơ‫؛‬iần cơ bản của một liệ ‫ ؛‬hống điều kliiến quá. tỉ',ình và cá.c nhiệin vụ
đặt ra cho người kỹ sư.

1.1

D iều khiển quá trinh là gì?

Trong nội dung cuốn sách nảy, khhi niệm diều khiển CỊuả trh ih đưỢc hiểu Ih. ling
diLug k^ th,iiộ,t diều kltieu t'ự dộĩig tiOug diều кіі.геи, Oậu ìiciuH 'ud giám sdt cdc gud
trinh cong ĩiqhệ, ĩihằrn đảm bão chất ìĩCỢng sản J)ham> h'iê'ii quả sản xuất ĩìà an
todu clio cou Tigitời, má\j mốc ca môt ‫؛‬..'riidug.
Đế làm rO địnli nghĩa này, những mục tiếư theo sẽ lần lượt cung cấp m ột số
khải niệm cơ bdn vả phân tícli nhtlng' vấn đề dặc tliU của diều khiển quá trinh.

1.1.1

Q uá trin h v à các b ỉến quá trin h

Quá trinh đưực định ngliĩa la một ‫؛‬.rinh ti.r các diễn biến vật lý, hóa liọc hoặc
sinh học, trong đố vật chất, nang liíỢng hoặc tliông ‫؛‬,in dược b.iến đổi, vận chuyển
hoặc lưu' trữ (IECbO()50-351 [1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 [4]). Quá trinh
cong nghệ la nhtíng quả trìnli liên quan tơi 1'iiến đổi, vận chuyến hoặc lưu triì vật
chất và nầng ItĩỢng, nằ.m trong một dây clmyền cOng ngh.ệ lioặc một nhà má,y sản
xuẤt ndng lượng. Một quá trinh cOng ngliệ có tliể chỉ đơn giả.n như quá trìnli (:ấp
liệu, trao đổi nhiệt, plia chế liỗn Ικίρ. nhirrig cUng có th,ể phức' tạỊ) hơn nhu' m ột
tổ hỢỊ) 10 phồ.n ứng'-tháp c:hưng lu.yộn hoặc một tổ hợp 10 hơi-turbin. Quấ trinh
kỹ thuật là một quả trìnli với CỐ.C' đại lư(.íng kỹ thuậ.t dược do hoặc/và dưỢc can
thiệp. Khi 11()І tới m ột quố. trìnli kỹ tliii(it, ta hỉểu lả qud trìidi cbng ngliệ chng
vơi các pỉiương tiộn kỹ tliuật nluí tliiết !:.)‫ ؛‬do và tliiết !)‫ ؛‬cliấỊi liànli. Sií ])hân l)iột
g'h~ía hai khhl nỉf١m ‘quh. ‫؛‬rinh kỹ thu?).t’ và ‘qud ‫؛‬rinh cc٨)ng’ ngl ١5١‫ ؛‬ỏ í1â،y khíhng
plidi là vấn. dè tií ngữ, rnà clh nhdm mi.ic dícli tliuận tiện cho CẤC nội dimg trhili
bà.y sau nồy.
na.y về sau, nếu khOng nliấ.n mạnli thi kliá.i niệm ‘quả trin h ’ СХ)
thể dược liiểu lả iqivk trìnli công ngh (١١ lioặ٠c ‘quá trinh kỹ th u ậ t’ t.ùy theo ngữ
cảnh sii dụng.
T rạng tlidi lioạt dộng vả di(٩n l)idn cha một quá trinh thể hiện qua cảc biến
quá trinh. Khái niệm qud trlnli chng với su. phdn loại cá.c l)iến quá trinh đitợc
minh họa trên ITmli 1-2. hlột bien vào là m()t đạỉ ỉĩủỢnq hoặc m ột đỉèu kỉện phản
ánh tá.c đội٠
ig từ bên ngoồ.i vào qud ‫ ؛‬rinh, ví dụ lưu lượng' dOng nguyên liệu, nhiệt
độ hơi nươc cấp nliiệt, trạng thdi dói-ig/mở của rơ-le sell dốt,... hlột bỉến ra là
m()t đạỉ ỈUỢng 1'ioặc m.ộ‫؛‬. đỉềvj kiệĩi tli.ể hiện tdc động của. quả trìnli. I'a bên ng(‫ر‬ài,
ví dụ nồng độ lioặc lưu lượng sdn pliẳ.m ra, nồng độ klií thải ở mức binh thưdng
hay quả ca.(),... Nliìn từ quan đ.lểm của l.ý thuyết hệ thống, cdc biến, vảo thế hiện

1.1

ĐiỀư khĩể: n qưá tỉùnh là g ì ‘.''
Diếu vào
I

Bién điều khiển

Nhiễu

Vật cliất
Năng lượng
Thông tin

Vật chất
Năng lượng
Thông tin

Biếri trạng thái
Biến không cần
điều khiên

Hình 1-2:

QưÁ

Biến ra

Biển cấn điều
khiên

Biến không cần
điều khiên

TRÌNH VÀ PHẨN LOẠI BlẾN QUÁ TRÌNH

nguyên nhân trong khi các biến ra tliể hiện kết quả (quan hệ nhân-quả). Bên
cạnh cảc biến vảo ra, nhiều khi ta cũng quan târri tới các biến trạng thấỉ. Các
biến trạng thải mang thông tin về trạng thải bên trong quả trình, ví dụ nhiệt độ
lò, áp su ất hơi hoặc rnức chất lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại
lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức.
T rong nhiều trường hỢp, m ột biến trạn g tliải cũng cỏ thể được coi lả m ột biến
ra. Ví dụ, mức nước trong một bình cliứa vừa có thể coi lả m ột biến trạng thái,
vừa có th ể coi là m ột biến ra.
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình lả can tliiệp
các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn cấc
chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thicu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ th u ật
đối với con ngưòi và môi trường xung CỊuanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá
trìn h cũng như cảc tham số, trạng thái hoạt dộng của cảc thành phần trong hệ
thống cần dược theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong rriột quá trình
công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải
biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
B iến cần điều khiển {controlled variable, CVJ là một biến ra hoặc m ột biến
trạn g thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với m ột giá trị
mong muốn hay giá trị đặt {set point, SP) hoặc bám theo m ột biến chủ dạo Ị tín
hiệu m ẫu {command variable/Inference signal). Cảc biến cần điều khiển liên quan
hệ trọng tới sự vận hành ổn định, aii toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản
phẩm . N hiệt độ, mức, lưu lượng, ảp suất vả nồng độ là những biến cần điều

khiển tiều biểu n h ất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Cảc biến ra hoặc
biến trạn g thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị.


4

Clỉl/ƠNG 1

Mờ ĐAU

B iến điều khỉển {manipulated variable, Μ \/) là, một biến vảo của quá trìuh có
thể can thiệp trực tiếp ti١ĩ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra tliGO ý muon.
Trong diều khiển quá trinh thi lưu lượng la biến diều khiển tiêu biểu nhất.
Những biến vào cồn lại khOng can thiệp dược một cảch trực tiếp hay gián tiếp
trong phạm vi quá trìnli dang quan tâm dược coi la nhiễu. Nhiễu tảc dộng tới
quá trinh m ột cảch không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ
hoặc ít nhất, la giảm thiểu ảnh hưởng của nó. c o thể phân biệt hai loại nliiễu có

\‫؟‬، \vk \\‫\\\ \\ ه‬лам \à иНгеи quá t ĩ i á ЦгзѣитЪаисе‫ ؛‬va иКгеи do (^uoiseV
Nhiễu quá trinh la những biến vào tác dộng lên quá trinh kỹ tliu ậ t một) cá.ch cố
hữu nhưng không can t.hiệp đưỢc, ví, dụ trọng lượng hảng cần nâ ٠ng, lưu lưqng
chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, Ѵ.Ѵ... Còn n.hiễu do hay nỉiỉễu ίοφ la nhiễu
tác dộng lên phép do, gây ra sai số trong giá trị do dược.
Lưu ý rằng, cần phân biệt rạ,ch ròi giữa cầc dầu v à o /ra cOng nghệ và ٢
lầu
v à o /ra nhìn từ lý thu y ết hệ thống. Nhìn từ phía công nghệ thi các dầu v٠
ao và
dầu ra của m ột quá trinh có thể la nâng lượng hoặc vật chất, nhưng từ q١ian
điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới tliOng tin thể hiện qua cảc biến quá trinh.
Hình 1-3 minh họa một bìiili chứa chất lỏng dơn giản eUng vối cảc biến dặc

trưng. Đây la một quả trìnli công nghệ, trong dó chất lỏng dược vận chuyển và
lưu trữ. Mặc dU chắt lỏng chảy vào vả ra khỏi binh, nhưng cả lưu lượng vào và
lưu lượng I'a đều dược coi la các biến vào, trong klii mức chất lỏng h vừa có thế
coi la m ột biến trạng thái hoặc la m ột biến ra của quả trinh. Bài toán điều khiển
dặt ra la thông qua diều chỉnli độ mở van cấp, thay dổi lưu lượng vào Fỉ m ột
cách hỢp lý để duy tri mức trong binh h ổn định, tại m ột giá trị mong ỉ.nuốn,
không' phụ thuộc vào lưu lượng ra F q. C ó thể dễ dàng thấy, mức cliất Ibng ÌI la.
biến cần diều klriển và lưu lượng vảo Fi la biến diều khiển. T rong khi đỏ, lưu
lượng ra Fo phụ thuộc vầo nhu cầu sử dụng' của quá trinh tiếp tlieo, khÔI‫ا‬g thể
can thiệp dược ở đây, vì vậy dược coi la nhiễu quá trinh liay nhiễu tcíi

Biếìi Όαο -

Biếìi diều
khiểĩi Fi

a) Sơ đồ cổĩig rigỉiệ
HÌNH 1-3:

Nìxilu Fo

BỈNtĩ CI-IỨA

Biấìi ra

Biến cần
diều khiẽĩi h

b) Sơ đồ khốỉ

BÌNH

CHỬA CHAT LỎNG VÀ CÁC BIẾ n q u a t r i n h


1.1

Đ lỀ u KHIỂN QUÁ TRÌNH LÀ GÌ?

5

Cảc biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được. Trong đa số cảc
trường hỢp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được. T uy nhiên nếu
phéỊ3 đo m ột đại lượng quá chậm, quả thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có
thế được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua m ột đại lượng
khảc th ay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp. Vì thế, một hiến cần điều khiển trong
một số trường hỢp chưa chắc sẽ là m ột biến được điều khiển. Ví dụ, đối với các
th áp chưng luyện thì biến cần điều khiển là thành phần sản phẩm ra. T uy nhiên,
phép đo th àn h phần hóa chất thường rất chậm và kém chính xác, hơn nữa ảnh
hưởng của nhiễu được phản ảnh rất chậm trong thay đổi th àn h phần sản phẩm
ra. Thực tế, người ta có thể chọn biến được điều khiển là nhiệt độ đỉnh tháp
cũng như nhiệt độ đáy tháp, với lý do thành phần sản phẩm có quan hệ chặt chẽ
với nhiệt độ, giá trị nhiệt độ dễ đo hơn và phản ánh nhanh hơn ảnh hưởng của
nhiễu.
T rong nhiều bài toán, việc nhận biết các biến quá trình cũng như lựa chọn
các biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ cũng dễ
dàng. Đây là m ột trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình th iết kế hệ
thống điều khiển m à ta sẽ bàn kỹ hơn trong các chương sau.

1 .1 .2

P h â n loại q uá trìn h

Các quá trìn h công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau.
Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Một quá trình
chỉ có m ột biến ra được gọi là quá trinh đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì
được gọi là quá trinh đa biến. Một quá trình một vào-một ra còn được gọi tắ t là
SISO (single-input single-output), quá trình nhiều vào-nhiều ra được gọi là
ΜΙΜΟ {m ulti-input m ultỉ-output). Có the nói, hầu hết quá trình công nghệ đều
lả đa biến.
Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến
trạn g thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình th àn h quả trinh liên
tục, quá trinh giấn đoạn, quá trinh rời rạc và quá trinh mẻ. T rong một quấ
trinh liên tục, các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc
biến đổi m ột cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đã đạt được trạng
thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành.
Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến tương tự, tức
chúng có thể lấy m ột giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn. Q uá trình trao đổi
nhiệt, quá trìn h bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng và chất khí là các ví dụ
quá trìn h liên tục tiêu biểu. Một quấ trinh gián đoạn (hay còn gọi là quá trinh
không liên tục) có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào
ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định.


6

C hương 1

Mở DAU

Trong m ột quá trình rời rạc, cảc đại lượng đặc trưng chỉ th ay đổi giá trị tại
một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong m ột tập hữu
hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy, cả(' clại
lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng cảc biến
số nguyên, trường hợp đặc biệt, lả các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến
logic (cho các trạng thải logic). Q uá trình đóng bao, đóng chai, quả trình Ị)hục
vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là cảc ví dụ quá trình rời rạc tiêu biểu.
Một quá trinh mẻ là một quả trình hỗn hỢp {hệ lai, hybrid system ), có đặc
trưng của cả quả trình liên tục và quá trình rời rạc. Q uá trìn h mẻ hoạt động
theo m ột quy trình thao tác {công thức, recipe) cho trước vả tồn tại trong một
khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với m ột mẻ. Các đại lượng đặc trưng
của một quá trình mẻ bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc bií)t,
yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá
trình mẻ. Các quá trình phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trìn h lên men
(bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ.
Q uá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp
chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của cảc ngành công nghiệp) chế
tạo và lắp ráp. Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trìn h ta quan tâm trước
hết tới các quá trình liên tục và quá trình mẻ. T uy nhiên, ngay cả trong những
nhà máy chế biến cũng tồn tại m ột số quá trình rời rạc, ví dụ quả trìn h nhậpxuất hàng, vận chuyển, đóng bao, đóng chai, khởi động/dừ ng th iết bị, v.v...

1.1.3

B ài to á n đ iều ch ỉn h và bài to á n b ám

Nhìn từ quan điểm của lý thuyết điều khiển, ta có thể phân biệt giữa bài toán
điều chỉnh {régulation problern) và bài toán bấm {tracking problem) hay cơ chế
servo {seruo mechanỉsm). Nhiệrn vụ điều chỉnh là thiết lập hoặc duy trì đầu ra
tại một giá trị đặt clio tnrôc trong khi có tảc động của nhiễu, trong khi yêu cầu
của điều khiển bám là (lầu ra bảm theo một tín hiệu chủ đạo liên tục thay dổi

(biết trước hoặc không biết trước). Hình 1-4 minh họa sự Jjhâri biệt hai bài toán
này. Trong điều khiển quá trình thì bải toản điều chỉnh chiếm vai trò chủ yốLi,
bởi cảc giá trị đ ặt thường cố dịnh hoặc ít thay đổi trong chế độ vận hành bình
thường. Các ví dụ tiêu biểu cho bài toản điều chỉnh bao gồm điều chính nliiệt (iộ,
lưu lượng, áp suất, mức và nồng độ. Trong khi đó, bài toán điều khiển bảm được
quan tâm nhiều hơn trong lĩnh vực điều khiển rriáy móc, điều khiển chuyển dộng.
Tuy nhiên, điều khiển bárri cũng có những vai trò n hất định trong các hệ thống
điều khiển quá trình, ví dụ trong bài toán khởi động/dừ ng hệ thống, thay đổi
chế độ vận hành hoặc điều khiển quả trình theo mẻ. Mặc dù có những điểm khác
nhau cần chú ý trong thiết kế, hầu hết những công cụ của lý thu y ết điều khiến
tự động đều áp dụng được cho cả hai loại bài toán này.


1٠ ]

Ỉ)IỀ ٧ KHIEN QUÁ TEÌNH LA GÌ?

а)

٠

b)

Hỉnh 1-4:
BÀI TOÁN Dièu c h In h (ti) VẢ BẢI TOẤN BẤM ( ‫)ة‬
ự v : biểu đaiỢc diều кКгеи, SP: giá trị dặt, ttu Kiệu cKU dạo ١١
Trong bàl toán điều chỉnh tự động ta chng cần phân biệt giữa yêu cầ.u điều
khiển loại bỏ nhiễu {disturbance rejection) với yêu cầu điều khiển bám giá tri
đặt {setpoint tracking). Điều khiển loại nhiễu cần duy tri biến dược diều khiểi'1 tại
một giả trị dặt cố định, tức là phải triệt tiêu hoặc giảm hẳn ảnh hưởng của.

nhiễu. Diều khiển bám gia trị dặt dưa quả trìnli tdi một điểm lảm việc mới,
tr()ng dó biến dược diếu khiển cần bá.m nhanh và chinh xác theo gia trị dặ.t dã
thay dối. Q ua m inh họa trên Hình l-4b ta có thể thấy rõ các đáp ứng hệ thống
khác ntiau giữa trrròng hợp thay dổi giá. trị đặt vdi tảc dộng nhiễu. Đối với các
quá trinh vận hành liên tục, giá trị đặt ít thay dổi lioặc thay dổi trơn tru nên
yêu cầu loạ,i bỏ nhiễu thực ra có vai trò qua.n trqng hơn.

1.1.4

C ác v ấ n đ ề đ ặc th ù của điều k h iển quá tr in h

Lĩnli virc ứng dụng diều khiển quá trìnli lả các ngdnli cbi'ig ngliỉệỊ-) chế biến, kliai
thdc và năng lượng. Để cO thể tliỉế.t kế chng nliư vận liành tố t chc hệ thống điều
khiển quá trinh, trước hết) ngươi kỹ sư diều khiổn cần liiểu rồ các vấn dề dặc thù
tr()ng lĩnli vực nà٠
y.
Q ui m ô ứ n g d ụ n g
Hầu hết cảc dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá trin h có ٢
ỉu.y
mb vừa và lớn, khác với diều khiển máy, diều khiển chuyển dộng hoặc diều khiển
các dây chuyền gia công, lắp ráp. Qui mô ở đâ.y có thể dưỢc hiểu theo hai nghĩa,
quy :nô về phạm vi chức nấng diều khiểi'1 cần thực hiện và quy mỗ về m ặt tổ
chtic sản xuất. Mỗi nh a máy hóa chất, nhầ máy lọc dầu, nhà máy xi m ãng hoặc
nha '.náy diện dều bao gồm nhiều khu vực và phan đoạn liên quan tới nhau. Ví
dụ, một nhà máy nhiệt diện bao gồm các khu vực 10 hơi, khu vực turbin-m áy


8

C hương 1

M ổ đẦu

phảt, hệ thống cấp than, hệ thống xử lý nước cấp và nước thải, trạm phân phối
và biến thế,... Trong mỗi khu vực hoặc phân đoạn bao gồm nhiều tổ hỢp thiết \)ị
và ٩uả trinh công nghệ (gọi la tổ hợp công nghệ). Mỗi tổ hợp cOng nghệ ở đây lạ.i
bao gồm các quá trinh nhiều vào-nhiều ra không dễ dàng diều khiển. Đưưng
nhiên hệ thống diều khiển cUng phải dược thiết kế tương ứng với cấu trUc của
nhà máy, song việc phân chia khu vực một cách hỢp ly, và diều khiển phOi liỢp
các quá trinh tương tác không phải la vấn dề dơn giản, số lượng điểm vào/ra có
thể từ vài trầm cho tới vài nghìn, thậm chi lên tơi vài chục nghìn, d ặ t ra các yêu
cầu rất cao cho chức nâng quản lý dữ liệu và vận hành-giám sát. Khoảng cảch
giữa các khu vực sản xuất, giữa các công đoạn trong dây chuyền có thể từ vài
trầm cho tới vài nghìn m ét, vì thế việc thiết kế cấu trUc hệ thống phân tán liên
quan tới nhiều yếu tố kỹ th u ật như khả nãng phối hỢp diều khiển, khả nẳng
giám sát vận hành, độ tin cậy và chi phi dầu tư.
Đ ộ tin c ậ y v à t ‫؛‬n h sẵ n sà n g
Bên cạnh quy mô sản x uất lớn, các nhà máy trong ngành hóa chất hoặc nấng
lượng dều có yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tinh sẵn sàng của hệ thống diều
khiển, bởi sự ngưng trệ sản xuất trong ít giờ hoặc ít ngày có thể dẫn tới thiệt hại
nghiêm trọng về m ặt kinh tế. Khác với các dây chuyền chế tạo và lắp ráp, các
quá trinh công nghệ chủ yếu dược vận hành liên tục (hoặc theo mẻ), bất cứ một
sự ngưng trệ nào không những làm giảm nãng suất, m à còn có thể làm hỏI‫ا‬g các
trang thiết bị công nghệ, dó la chưa nói tới các trường hợp sự cố có thể gây ra
liậu quẲ nghiêm trọng tới con người và môi trường xung quanh. Do dó việc dảm
bảo độ tin cậy và tinh sẵn sàng cao la một trong những chức nâng quan trqng
của hệ thống diều khiển quá trinh. Yêu cầu về độ tin cậy cao làm tâng clii phi
dầu tư cho giải pháp diều khiển, mặc dU vậy chi phi này chỉ chiếm m ột phần nliO
so với cả hệ thống thiết bị cơ-diện và thiết bị công nghệ.
C h ứ c n ã n g đ iề u k h iển

Như da dề cập, bầi toán điề‫ إا‬cliỉnh là cl)ức nầng tiêu biểu và quan trọng nliất
trong m ột hệ thống diều khiển quá trinh. Các dại lượng cần (luan tâm trong m ột
quá trinh cOng nghệ trước l)ết lầ, các bỉến liên tục và tương tự (lưu IríỢTig, áp
suất, mức, nhiệt độ, thành phần), dặt ra í.:ác yêu cầu dặc trưng cho khả nầng
chuyển dổi và xử lý tin hiệu của. các thiết bị do, diều khiển và chấp hành. Các
th u ật toán diều chỉnh liên quan tơi các số th^íc (dấ,u phảy dộng), vì thế hệ vi xử
lý của bộ diều khiển cUng phải có khả nang thiíc hiện các th u ậ t toán một cách
hiệu quả. Bên cạnh dó, các chttc nang kliác như diều khiển khóa liên dộng, điều
khiển trin h tự, thu th ập dữ liệu chng cần dược chú ý. Việc thực thi dồng thời
nhiều vOng diều chỉnh cùng các chức nằng diều khiển khác d ặ t ra các yêu cần về
khả nẵng dáp ứng tinh thời gian thực của hệ thống. Tuy nhiên, phần lớn các dại


1.1

ĐlỀu KHIEN QUÁ TRÌNH LA GÌ?

9

lượiig đặc trưng của quá trinh công ĩigliộ (liễn bien tương đối chậm nếu so với
tá c íỉại lượng của bài to ản điền khỉển chuyển rlộng trong cảc ứng dụng gia công
cơ klií, vì thế yêu cầu về tinh nấ.ng thời gian tliực ít ngặt nghèo hơn. Các phương
phả]) diều khiển dược áp dụng ‫ ؤ‬đây có thể khbng phải xuất phát từ các lý
thuyết t.iên tiến nhất, nhưng lả các phương pháp rất tin cậy và da dược kiểm
chứng nhiều tiong thực tế.
K h ả n a n g v ậ n h à n h v à đ iều k h iển của ٩ uá tr in h
Khả. nang vậ.n hành của một quả trinh công nghệ liên quan tới thiết kế công
nghệ và các diều kiện ràng buộc hên quan. Giới hạn vật lý của các trang thiết bị
cUng như những quan hệ phụ thuộc giữa các dại lượng là những trở ngại không
nliO troiìg việc thực hiện giải pháp diều khiển. Dặc biệt, cảc quá trinh công nghệ

hiện dại thương dưỢc th iế t kế tối ưu về mặt an toàn, tiết kiệm nâng lượng và chi
plií dầu tư, nhưng lại gây nhiều khó khầ.n cho việc tliiết kế diều khiển. Ví dụ, các
binh chứa nhò tiết kiệm dược chi phi và giảm thiểu nguy cơ rò rỉ hoặc cháy nổ
nliưng lại dặt ra m ột bài toán khó cho việc duy tri hệ thống vận hành ổn dinh
bởi sự tương tác m ạnh giữa các quá trinh kế tiếp nhau. Thực tế là người kỹ sư
tliiết kế diều khiển rấ t khó có thể ca.n thiệp vào việc thay dổi thiết kế cOng nghệ.
Ngay cả khi quá trin h cOng nghệ là một dối tượng dễ diều khiển về m ặt toán
hqc, tức la ta lioà.n to àn có thể dưa ra các luật diều khiển dể dạt các chỉ tiêu
cliất lượng m ột cácli lý tưởng, song chc luật diều khiển dó khOng thể thực hiện
dược do các diều kiện ràng buộc. ^íỗi thiết bị chấp hành chỉ có hiệu lực trong
‫ااا‬0 ‫'ا‬, phạm vi làm việc bởi sự ràng buộc về m ặt vật lý. Dặc tinh dộng học của
mỗi van điều khiển, mỗi dộng cơ l)oặc máy bưrn cUng chỉ có giới hạn, chtmg
kliOng thể tác dộng nhanh thy ý theo yêu cầu cha th u ậ t toán diều khiển. Bên
Cimh dó, do yẽu cầu về chế độ vận hcình, một số biến trạn g thái cUng như biến
ra cUng phải tliOa m ãn m ột số diều kiộn ràng buộc về giá trị và tốc độ biến
tliíCn. D ‫إ‬ều này gây ra khó khhn lớn cho ngư(١
íi kỹ sư diều khiển, bởi hầu hết, cảc
phương phÁỊ) dỉều khiển hiện nay khbng dưa các diều kiện ràng buộc trực tiếp
vào trong bài toán th iế t kế.
M ô h ìn h k h ô n g c h in h x á c
Gác phương pliáp diều khiển hiện dại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học của
dối tượng. Tuy nhiên, việc xây dựng mồ hình toán học của các quá trinh cOng
nghệ thường gặp rấ t nhiều khó khần do chUng dều la các dối tượng MIMO, chứa
dựng nliiều quan hệ v ậ t lý, hóa học hoặc sinh học rất phức tạp. Dặc biệt, việc
tiến liành thực nghiệm khOng phải dễ dàng do liên quan tới vận hành hệ thống
lứn và chi phi rấ t tốn kém. Do vậy, các mô hình toán học nếu có dược thi thường
chỉ la gần dUng vì da bỏ qua rất nhiều yếu tố dộng học và các yếu tố khác.


10

1.2

CnifONG 1

Mở ϋΛ ٧

M ục dlch và chức năng diều kh‫؛‬ển quá

Nhiệm vụ của điều k‫ر‬l‫إ‬ển ٩uả tiìiih lả đảm hảo (liều kiệu vận liảuh au I.OÀU, hiệu
quả và kinli l)ế cho quá trìuh chug ughệ. Ti.ưốc klii tim hiểu hoặc xây dựug m ột
hệ tliống' điều khiển quá trìuli, ugười kỹ sư phải làm ‫ ةاا‬các mục đích điều k.hiểu
và cliức nầ.ng hệ thống cần tliực hiệu nhằm dạt được các mục đích dó. Miệc d ặ t
bài toán và. di dến xây dựng một giải Ịiháp diều kliiển quá trinh bao giờ cUng b ắt
dầu với việc tiến hành phân tícli và. cụ thể hóa các mục đích điều khiển. P h a n
tích mục dích diều khiển là cơ sở quan trọng clio việc dặ.c tả các chức nầng cần
thực hiện của liệ thống diều khiển quá trinh.
Toàn bộ các cliức nầng của một, hệ thống điều kliiển quá trinh có thể Ị)hân
loại và sắp xếp nhằm phục vụ nầ.m mục dícli cơ bản sa.u dây:
1. Đ ảm bảo vận h àn h hệ thống ổn định, trơ n tru: Giữ clio hệ thống hoạt dộng
ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cá.ch trơn tru, dồ..m
bảo các diều kiện theo yêu cầu của chế độ vậ,n hành, kéo dầi tuổi thọ m áy
móc, vận hành th u ận tiện.
2. Đ ảm bảo nãng su ấ t và chất lượng sân phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩ.m
theo kế hoạch sản xuất và duy tri các tliOug số liên quan chất lượng sản
phẩm tio n g phạm vi yêu cầu.
3. Đ ảm bảo vận h à n h hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sư cố
cUng như bảo vệ clio con người, máy móc, tliiết bị và môi trường trong
trường hợp xảy ra sự cố.
4. Bẳo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi ti.ươug thbug qua giảm nồng độ khi

thải độc hại, giảm lượng nước SÍV dụng vả uươc thải, hạn cliế lượng bui v à
khOi, gỉảm tiêu th ụ nhiên liệu vầ nguyên li‫ ؛‬u.
5. N âng cao hiệu q u ẩ kinh tế: Đầni l)ảo nầng suất và. cliất lượng tlieo yêu cầu
trong khi gĩầm chi phi nhhn cOng, nguyên ji()ii VÀ nliien liệu, tbích ĩriig íihanh
với yêu cầu tliay dổi cha tli‫ ؛‬Irường.
Để phân tích cảc m^ic dích dỉều khi(٩n và làm ΓΟ các chtíc nhng diều kliiển qiiá
trinh, ta xét ví dụ diều khiển thiết ‫ إذا‬khuấy trộn minli liọa trbn Hình 1-3. Hai
dOng nguyên liệu có thàn h phần cliất A lần lượt, là Xì và Χ2 đưc٠
jc đưa vào thỉ(١t ‫إزا‬
khuấy trộn, tạo ra một sản pliẩm có thành phần X tlieo yeu cầu. Lưu lượng kh.ối
lượng của các dOng nguyên liệu dược ký hiệu la Wì và ν>2 ) có t,hể diều chỉiih qiia
hai van cấ.p t,ương irng. Q uá trinh pha chế dược liỗ trự b(٠
'h một hệ tliống kliuấy
trộn gắn dộng cơ. Dung dịch sản phẩm dưỢc dưa tới quả trinh tiếp theo với lưu
lượng khối lượng w. Tliiết b ‫ ؛‬khuấy ti'ộn cố thể hoạt dộng theo chế độ liên tiLic
hoặc theo mẻ, ỏ dây ta cjuan tâm trước hết tơi chế độ vận hà.nh liên tục.


1.2

M ục DÍCH VÀ CHỨC NANC ĐlỀu ΚΠΙΕΝ QUÁ THỈ،١١ỈH

H ÌN H

1.2.1

1- 5 :

11

V Í Dự THIET BỊ K ỉ ì u Ấ y ĨR Ộ N đ ơ n G ỉ ẢN

V â٠n h à n h ổn d inh
٠

I)ể đảm bảo m ột nhà máy vận hà.nh ổn định và trơn tru, yêu cầu trưốc tiên là.
từng tổ hợp công nghệ và từng ٩ uá t.rình ph.ảl vận hành ổn định cUng như sự
l)h^)l hợp giữa chting phải nhịp lĩhÀng, trơn tru. Trong lý tliuyết áiều khiển tự
(٩ộng, chúng ta đã có những định nghĩa chặt cliẽ tinh ổn áịnh của m ột hệ thống
và cácli xác định tinh ổn định bằng các công cụ toá.n học vầ đồ họa. ở đây tinh
ổn định sẽ được tliễn giải một cách thực tế, theo các yêu cầu vận hành của ٩ uy
trinh công nghệ.
CO thể nối, m ột ٩ uá trìnl) ốn định khi mà nó được duy tri ở trạn g thái xác
lậl) hay nói cáclỉ khác la ở trạng tl)ái cân bằng vật chấ ٠t và nầng lượng, cO nglila
la trạng thải m à lượng vật cliất l ‫ا‬oặc nâng lượng tícli lUy của nO khôĩig thay dổi.
rrrong ví dụ plia chế dung dịch, việc dảm bảo hệ thống vận hành ổn dịnli thể
hiện ‫ ق‬việc duy tri mức trong thiết bị khuấy trộn cUng như thànli phần sản
pluiin ờ các gia trị cố định lioặc ít nhất la nằm trong n٦ột klioảng giới hạn cho
phỏp. Cả hai yêu cầu nhy (lều xiifit ỉ)hảt ti'í nguyên lý cân bằng vật chất cUa hệ
l.liồng ở trạng thái xác lập. Có nghla là, kill hệ thống vận hành ổn định thi Irlựng
sản pliẩm lấy ra dilng bằng tổng các thành plỉần dầu vào, lượng mỗi cấu tử cO
m ặt trong một sản Ị)hẩm đúng bằ.ng tổng lưựng cấu tử dó trong nguyên liệu.
٢rro n g một số trương hỢp khác, các yêu cầu về tínl) ổn định cO thể xuất phảt từ
các nguyên lý cân bằng nâng lượng, cân bằng Ị)ha, cân bằng pliản ứng liOa học
lioặc cân bằng dộng lực học.
Tại sao việc v.ận hành ổn địnlr một ٩ uá tidnli lại có vai trò quan trọng như
vậy? T hứ nhất, vận hành ổn dinh đồng nghĩa vơi trạng thái cân bằng vật, cliất
lioặc nầng lượng, dẫn dến dảm bảo các yêu cầu về chế độ làm việc cUa các thiết
bị cOng ngliệ như trá n h tràn hoặc tránh cạn binh chứa, trán h quá áp, quá nhiệt
trong 10 liơi,... Tliứ hai, một liệ thống vận hành ổn định, trơn tru cUng dồng

C hương 1

12

M ở đ Ằu

nghĩa với việc tín hiệu điều khiển được giữ cố định hoặc ít thay đổi. Cũng chính
vì vậy, cảc thiết bị chấp hành ít phải lảrn việc hơn hoặc ít phải thay đổi chố clộ
làm việc hơn, tuổi thọ máy móc, thiết bị sẽ được kéo dài. T rong chế độ vận hành
ổn định và trơn tru, các van điều khiển không phải thay đổi độ mở m ột cách
thường xuyên hoặc không phải thay đổi một cách đột ngột, các động cơ không
phải thay đổi tốc độ một cách quá nhanh. T hứ ba, hệ thống có vận hành ổn
định mới có thể ổn định năng suất và chất lượng sản phẩm theo yêu cầu. Hơn
nữa, hệ thống vận hành ổn định thì người vận hành cũng ít phải can thiệỊ) và
việc vận hành hệ thống trở nên thuận tiện và an toàn hơn.
T rong thực tế không phải một hệ lúc nào cũng ở chế độ vận hành bình
thường, liên tục m ả còn các giai đoạn khởi động hoặc dừng, điểm làm việc cũng
có thể th ay đổi do yêu cầu thay đổi giá trị đặt hoặc do tác động của nhiễu và vì
thế có các quả trình quá độ. Ví dụ, nhiều thiết bị khuấy trộn có thể vận hành
theo mẻ với các sản phẩm khác nhau, hoặc trong khi vận hành liên tục người ta
có thể yêu cầu thay đổi lưu lượng hoặc nồng độ của sản phẩm ra. Bản thân
nhiều quá trình không có tính tự cân bằng (không ổn định), vì thế chỉ m ột thay
đổi nhỏ biến đầu vào cũng có thể đưa quá trình tới trạng thái m ất ổn định. Bất
kể đặc tín h động học của quá trình ra sao, giá trị đặt thay đổi hoặc tác động của
nhiễu thế nào, nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng
thái vận hành ổn định, có thể tại một điểm làm việc mới. Đó cũng chính lả một
nhiệm vụ thuộc phạm vi chức năng điều chỉnh, chức năng quan trọng nhất
trong m ột hệ thống điều khiển quá trình.

1.2.2

N ă n g su ấ t v à ch ấ t lượng sản phẩm

Trong lĩnh vực công nghệ hóa học và thực phẩm, chất lượng sản phẩm hầu hết
được thể hiện trực tiếp qua thành phần hóa học, nồng độ, m ật độ và m ột số tính
chất hóa học hoặc vật lý khác. Trong khi đó, năng suất thường được thế hiện
qua lưu lượng sản phẩm . Nhiệm vụ đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng suất
cũng thuộc về chức năng điều chỉnh.
T ính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản
phẩm. Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn. Để đảm bảo chắt
lượng sản phẩưi, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại
một giá trị bất kỳ, m à phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và
nằm trong một phạm vi cho trước. Trong ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng
sản phẩrn đòi hỏi thàn h phần ra không những ổn định m à còn phải đảm bảo
đúng theo m ột giá trị đặt trước, hoặc ít ra là với một sai lệch nằm trong phạm
vi cho phép. Như vậy sai lệch điều khiển, hay nói đúng hơn, diễn biến của sai
lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng
quan trọng.


1.2

Mục ĐÍCH VÀ CHỨC NẨNC DiỀu

k h i Ển q u á t r ìn h

13

c ầ n lưu ý rằng, chất lượng điều khiển cỏ vai trò quyết định tới, nhưng không
đồng nghĩa với chất lượng sản phẩm. Chất lượng điều khiển cao thì mới có thể
cải thiện chất lượng sản phẩm, tuy nhiên chất lượng sản phẩm còn phụ thuộc
nhiều yếu tố khác, ví dụ tính toán giá trị đặt. M ặt khác, mục đích của điều
khiển không phải là mang lại chất lượng sản phẩm cao nhất, m à chỉ cần duy trì
trẽn một ngưỡng yêu cầu nào đó. Tuy nhiên, như ta sẽ thấy, chất lượng điều
khiển tốt nhất luôn luôn là điều mong muốn.
Trong nhiều quá trình công nghệ, phép đo thành phần hóa học rất phức tạp
dẫn đến việc phân tích chất lượng sản phẩm không phải bao giờ cũng có thể
thực hiện được nhanh, thậm chí nhiều khi không thể thực hiện trực tuyến. Do
đó, việc điều khiển đảm bảo chất lượng chất lượng không thể dựa vào chức năng
điều chỉnh tự động m à phải đưỢc tiến hành ở một mức cao hơn. Chức năng điều
khiển cao cấp đó được gọi là điều khiển chất lượng {quality controĩ) và phần hệ
thống thực hiện chức náng đó được gọi là hệ thống điều khiển chất lượng {quality
control System, QCS). T rên cơ sở theo dõi chất lượng sản phẩm (trực tuyến hoặc
qua phân tích trong phòng thí nghiệm), điều khiển chất lượng đưa ra các quyết
định điều khiển vận hành (chọn chế độ điều khiển, thay đổi tham số bộ điều
khiển, tính toán các giá trị đặt) để đảm bảo chất lượng sản phẩm theo yêu cầu.
Một phạm trù các phương pháp điều khiển chất lượng dựa trên lý thuyết thống
kê được biết tới với cái tên điều khiển thong kê {statỉstical process control, SPỮ).
Điều khiển thống kê sử dụng cảc phương pháp đánh giá thống kê để xác định
mối liên quan giữa các biến quá trình với các thông số sản phẩm (chủ yếu liên
quan tới chất lượng), tìm ra các yếu tố ảnh hưởng tố t và xấu tới quá trình điều
khiển, từ đó đưa ra các biện pháp can thiệp thích hợp.

1 .2 .3

V ậ n h àn h an to à n

B ất cứ m ột giải pháp điều khiến quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo

vận hành hệ thống một cách an toản vả để bảo vệ con người, cảc thiết bị máy
móc và môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố. Chính vì tầm
quan trọng của vấn đề an toàn cho máy móc, con người và môi trường, chi phí
cho (lảm bảo chức năng này đối với một số hệ thống có thể vượt xa chi phí cho
thực hiện các chức năng điều khiển thuần túy.
Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ,
áp suất nằm trong m ột giới hạn an toàn cho phép. Do đặc th ù của mỗi quá trình
công nghệ, m ột số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng
sản phẩm, nhưng cũng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại gần một giả
trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm vi nhất định. Ví dụ, dù cho hệ thống
động cơ khuấy trộn có the đ ạt tốc độ quay rất cao thì yêu cầu an toàn của hệ
thống cũng không cho phép đặt m ột tốc độ cao tùy ý. Vì thế, việc khống chế tốc


14

C١HƯƠNG 1

MO ‫ا‬١Ầ‫! ا‬

độ động (:ơ là điều (:ần lliiết. Cữiig như vậ.y, mặc (lủ mức ti'()ng bìnli kiiỏiyg ỉirili
hưởng một cácli (luyết địnli tới chất lư(^ng sản phẩm (l(íỢc plia, chế thi vê١i cầu an
t()ản cũng khồng cho phẻỊ) giá, trị mirc quá cao, hoặc quả th ấp mà đồng tlìời hệ
th(‫ ؛‬ng động cơ kliuấy đang hoạ.t (lộng. Cli() nên bà.i t.oán điều khiển mứ'c ‫ ق‬dây
vừa đảm bảo nguyên lý cân l‫ﺧﺪ‬ng vật chất, vtía (lảm bảo an toàn hệ Ihèng.
Trong các ví dụ khác nliư nồi hơi hoặc thiết bị phản tíng thi việc diều (:hỉnh,
khống chế các gia trị rntíc, nhiệt độ, ảp suất là cảc bai toản hết sức quan tr(^ng.
Cliức nâng điều ctỉỉnh chỉ la, một l',i'ong liàng loạt biện Ị)háp cần tliiết bảo
đảiĩi vặn hành an toàn cho hệ tliống. c ầ n lưu ý 1'ằ.ng, m()t hệ tliống thiết bị tự
động tối tân nhất cUng vẫn có thể bị lỗi, ngay cả kld có cơ chế dự phOng thích

hỢp. Vì thế, con người cần phả.i liên tục theo dOi diễn biến của quá trin h và. giám
sát trạng thái lioạt động của. liệ tliống thiết bị. Chức nang ghi chép [recoiding),
hiển thị {indication) và, bấo động {alarm) giUp người vận hành theo dOi dư(.‫؛‬c các
tinh liuống bất thường của hệ th(‫ ؛‬ng điều khiển và của quả trin h kỹ th u ậ t, qua
dó có những thao tác can thiệp thích liỢp.
T uy nhiên, m ột người vậ.n hành có trinh (lộ ca.o vả giầu kinh nghiệm dến mấy
cũng không trán h khỏi mắc sai lầ.m. ^ lặ t khá.c, trong rất nliiều trường hỢp người
vận hành khOng thể phát hiện đầy đủ hoặc phát tiiện kịp thời nguy cơ sụ' cố
cUng như khOng tliể có pliương tiện can thiệp nhanh. Vì vậy, m ột hệ thống củng
phải có kliả nầng ngăn cản các thao tác vận liành sal cUng như khả nầ.ng tự
dộng phá.t hiện các tìiili huống nguy l)iểrn và tự động thực hiện các chức nang
bảo vệ {protection) như ngắt cá.cli ly hoặc dtnig khẩn cấp m à khOng cần cb sự
can thiệp của con người. Miệc tự dộng thực hiện các biện pháp dó dựa và() sách
lược điều khiển khóa lien động {interlock control) cUng vơi các trang th iết bị an
toàn, tliiết bị bảo vệ (cOng tắc an toàn, nút dhng kliẩn cấp, rơ-le an toàn,...).

1 .2 .4

B ả o v ệ m ôi trư ờ n g

^lộ t hệ tliống vận liành an toàn, klidng d ể xảy ra sir cố cUng dã, góp pliần bao V ()
môi trường. Tuy nliỉên, vấn đề bảo vệ 1'ìíbi trường c'ần dược chú trọng hơn th(5ng
qua giả.m nồng (ỉộ klií tliả.i độc hại, giảin ١
irợng nước sử dụng và nước thả.l, liạn
chế lượng bụi và kliOi. Dễ thấy, tnirc d() ‫ ة‬nhi(‫؟‬m môi trirdng cUa m ột nhà máy
m ột phần liên quan tơi cảc thiết bị quẤ trinh vả cbng nghệ á.p dụng, nhưng một
phần khOng nhỏ tliuộc trách nhiệm của liộ thống điều kliiển. Việc giảm tldểu
hoặc ít nhất la duy trì các dạỉ lirợng liên quan tơi ô nliiễm mOi trường ở mtrc cho
phép phụ thuộc vảo chức nãng diều clilnh và chức nầng vận hành. Ví dụ, dể
giảm thiểu lượng CO 2 và bụi than trong khi thải của 10 hơi dốt th an , bàj toán

diều chỉnh dặ.t ra là. duy tri t.ỉ lệ giữa lư‫؟‬íng٠nhiên liệu (bột tlian) và khOng khi ở
m ột giá, trị thícli hỢp tUy theo nồng độ oxy trong không khi vầ ch.ất lirợng than.


1.2

M ục ĐÍCH VÀ CHỨC NẤNC DlỀU KH]Ển

quá

T ĩ í ÌNÍI

15

Việc giảrri tiêu tliụ nguyên liệu và nhiẽn liệu sử dụng m ột rnặt nâng cao hiệu
quả kinh tế, m ặt khác cũng góp phần hảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi
trường. Đây cũng lả một vấn đề thuộc trách nhiệm chung của những nhà thiết
kế còng nghệ cùng những người thiết kế sảch lược và th u ậ t toán điều khiển, c ầ n
lưu ý rằng, nhừng dây chuyền công nghệ mới cho phép vận hành với hiệu suất
cao, tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu thông qua những chu trình kết hỢp,
chu trình khép kín và tái sử dụng năng lượng, nhưng lại thường là những quá
trinh rất khó điều khiển, điều kiện vận hành rất bị ràng buộc, đ ặt ra yêu cầu
ngày càng cao hơn cho cảc chức nàng điều khiển quá trình.

1 .2 .5

H iệu q u ả kinh tế

Để d ạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trìn h không những phải
đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, m à năng suất phải thích ứng được với yêu cầu

thị trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra)
cũng như tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu. Rõ ràng, bài toán đ ặt ra là ta
phải cân nhắc giữa chi phí cho các tác động điều khiển (náng lượng, độ hao mòn
th iết bị) với chất lượng sản phẩm. Ví dụ, để cải thiện chất lượng điều khiển
nhiều khi ta cần các thuật toán tác động nhanh. Tuy nhiên, tác động nhanh
thường đồng nghĩa với việc tốn hao nhiều năng lượng cho các cơ cấu chấp hành
(động cơ, máy bơm, van điều khiển), đồng thời tác động nhanh cũng thường dẫn
đến giảm tuổi thọ cho cảc thiết bị. Cách giải quyết thông thường là đảm bảo
chất lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm thiểu chi phí cho cảc tác
động điều khiển. M ột cách giải quyết khác là xây dựng và giải quyết bài toán
điều khiển tối ưu, trong dó chất lượng điều khiển và chi phí điều khiển được đặt
chung với các trọng số khác nhau trong một hàm mục tiêu cần cực tiểu {điều
khiển tối Uu).
Không phải bao giờ cảc mục đích điều khiển cũng có thể dễ dảng hòa đồng.
Việc nâng cao hiệu quả kiiili tế chưa chắc hòa đồng với mục đích bảo vệ môi
trường bởi chi phí bổ sung cho các hệ thống lọc bụi, xử lý khí thải vả nước thải.
Việc nâng cao chất lượng sản phẩm chưa chắc đã đồng nghĩa với nâng cao hiệu
q u ả kinh tế bởi yêu cầu chi phí vận hành lớn. Nhưng nếu để nồng độ các chất
độc hại trong khí th ải hoặc nước thải vượt quá một tiêu chuẩn cho phép thì có
khả năng nhà m áy sẽ bị đóng cửa, hoặc nếu chất lượng sản phẩm xuống th ấp
dưới m ột ngưỡng tiêu chuẩn nào đó thì khách hàng sẽ không chấp nhận và lợi
nhuận sẽ bị sụt giảm nặng nề. T h ật ra, mục đích cuối cùng của việc ứng dụng
điều khiển tự động các quá trình công nghệ vẫn là nâng cao hiệu quả kinh tế về
lâu dài. T hông thường, hệ thống vận hành càng gần với các điều kiện ràng buộc
thì chi phí vận hành càng nhỏ và lợi nhuận giành được sẽ là cao nhất. Một trong
những vai trò quan trọng của điều khiển là làm sao duy trì được chất lượng sản