Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng trong điều khiển quá trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Thu Diệp
Vũ Thu Diệp

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỀU
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỀU
TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT TRÊN CƠ SỞ CHỈ SỐ
TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT TRÊN CƠ SỞ CHỈ
DAO ĐỘNG MỀM
SỐ DAO ĐỘNG MỀM
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã số: 62520115
Mã số: 62520115

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH. Nguyễn Văn Mạnh
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH. Nguyễn Văn Mạnh

Hà Nội – 2016
Hà Nội – 2016


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Đối tƣợng (quá trình) nhiệt tồn tại phổ biến trong các hệ thống Ďiều khiển công
nghiệp. Đặc Ďiểm của lớp Ďối tƣợng này là thƣờng có quán tính lớn, có trễ vận tải
và thƣờng xuyên thay Ďổi bất thƣờng theo phụ tải. Ngoài ra trong quá trình Ďiều
khiển thƣờng xuất hiện các loại nhiễu ảnh hƣởng khá mạnh Ďến thông số công nghệ
Ďầu ra.
Lò hơi trong nhà máy nhiệt Ďiện là một loại Ďối tƣợng nhiệt Ďiển hình trong Ďó có
nhiều hệ thống Ďiều khiển nhƣ Ďiều khiển nhiệt Ďộ, Ďiều khiển mức nƣớc, Ďiều khiển
áp suất. Các quá trình nhiệt trong lò hơi là những quá trình rất phức tạp, chịu ảnh
hƣởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Ví dụ khi thay Ďổi công suất lò hơi bằng cách
thay Ďổi lƣu lƣợng nhiên liệu cấp vào buồng Ďốt, sẽ Ďồng thời kéo theo sự thay Ďổi
của nhiệt Ďộ hơi ra và áp suất trong buồng Ďốt. Tác Ďộng Ďiều khiển lƣu lƣợng
không khí cấp vào buồng Ďốt sẽ làm thay Ďổi trực tiếp áp suất trong buồng Ďốt. Một
số hệ thống Ďiều khiển chính của lò hơi là hệ thống Ďiều khiển mức nƣớc trong bao
hơi, hệ thống Ďiều khiển nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt, hệ thống Ďiều khiển Ďộ kinh tế quá
trình cháy. Với các hệ thống này luôn cần phải có cơ cấu chấp hành Ďó là các van
Ďiều khiển. Trong quá trình hoạt Ďộng, có nhiều nguồn nhiễu ảnh hƣởng Ďến van và
do Ďặc tính của chính bản thân van là phi tuyến và bất Ďịnh. Do vậy giải pháp sử
dụng cấu trúc Ďiều khiển tầng là phù hợp Ďối với các hệ thống Ďiều khiển trên bởi vì
ƣu Ďiểm nổi bật của Ďiều khiển tầng là cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ cũng
nhƣ khử tính phi tuyến và bất Ďịnh của Ďối tƣợng vòng trong.
Các phƣơng pháp chỉnh Ďịnh Ďã biết trƣớc Ďây áp dụng cho các hệ thống Ďiều
khiển quá trình trong nhà máy nhiệt Ďiện còn khó khăn và/hoặc chƣa Ďạt hiệu quả
cao. Ví dụ phƣơng pháp chỉnh Ďịnh Zigler – Nichols [65] dễ áp dụng nhƣng dẫn Ďến
hệ thống có Ďộ dao Ďộng lớn. Phƣơng pháp mô hình nội (IMC) [41] cho chất lƣợng
Ďáp ứng giá trị Ďặt rất tốt nhƣng khử nhiễu quá trình lại kém. Phƣơng pháp ổn Ďịnh
bền vững [69] cho chất lƣợng hệ thống tốt cả với giá trị Ďặt và nhiễu nhƣng bộ Ďiều
khiển có cấu trúc phức tạp, khó thực thi. Vì vậy ở các nhà máy nhiệt Ďiện ngƣời ta
thƣờng chỉnh Ďịnh hệ thống phần lớn dựa vào kiến thức chuyên gia và kinh nghiệm.
Trên thế giới Ďã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ Ďiều khiển nhiều tầng (hệ

tầng), trong Ďó hầu hết tập trung vào việc giải quyết bài toán tổng hợp các bộ Ďiều
chỉnh theo mục Ďích bám giá trị Ďặt và có lƣu ý Ďến khử nhiễu. Bên cạnh Ďó, bài
toán khảo sát về tính ổn Ďịnh cũng nhƣ dự trữ ổn Ďịnh của hệ tầng còn ít Ďƣợc quan
tâm nghiên cứu.
-1-


Các khái niệm ―chỉ số dao Ďộng mềm‖, ―Ďặc tính mềm‖, ―Ďƣờng biên mềm‖ [67]
Ďƣợc áp dụng hiệu quả Ďể khảo sát tính ổn Ďịnh của hệ thống Ďiều khiển một vòng
cho các Ďối tƣợng có trễ vận tải. Thêm vào Ďó, việc kết hợp với quan Ďiểm―Ďiều
khiển bền vững chất lƣợng cao‖ [69] Ďã Ďơn giản hóa bài toán chỉnh Ďịnh hệ một
vòng. Tuy vậy việc áp dụng các khái niệm và quan Ďiểm trên vẫn chƣa Ďƣợc xét Ďến
cho hệ tầng kể cả vấn Ďề Ďánh giá Ďộng học mà cụ thể là Ďánh giá Ďộ dự trữ ổn Ďịnh
của hệ nhiều tầng cũng nhƣ bài toán tổng hợp và chỉnh Ďịnh các bộ Ďiều khiển trong
hệ tầng.
Thực tiễn nêu trên Ďã Ďịnh hƣớng tác giả lựa chọn nội dung nghiên cứu của luận
án: ―Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng trong điều khiển quá
trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm‖.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục Ďích của luận án là phát triển lý thuyết hệ Ďiều khiển nhiều tầng về các vấn
Ďề Ďánh giá Ďộng học và chỉnh Ďịnh các bộ Ďiều khiển trong hệ tầng.
Đối tƣợng mà luận án áp dụng Ďể nghiên cứu là các Ďối tƣợng nhiệt với Ďặc Ďiểm
là có quán tính và có trễ.
Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án nghiên cứu phát triển lý thuyết cho các
hệ Ďiều khiển tầng tổng quát (hệ nhiều tầng nói chung), sau Ďó áp dụng Ďể Ďiều
khiển Ďối tƣợng nhiệt.
3. Ý nghĩa khoa học của luận án
Luận án nêu ra phƣơng pháp Ďánh giá dự trữ ổn Ďịnh của hệ thống Ďiều khiển
tầng, Ďóng góp thêm phần lý thuyết mới về tổng hợp các bộ Ďiều khiển trong hệ
tầng và chỉnh Ďịnh (hay lựa chọn) tham số cho chúng. Độ tin cậy của kết quả nghiên

cứu Ďƣợc Ďánh giá thông qua so sánh chất lƣợng Ďiều khiển của hệ thống khi sử
dụng kết quả nghiên cứu này với khi sử dụng các phƣơng pháp nghiên khác (thể
hiện trong mục 3.7 ở chƣơng 3 của luận án) và Ďƣợc chứng minh bằng thực nghiệm.
Mặt khác, khi lựa chọn các tham số bộ Ďiều khiển, các tham số này Ďƣợc lựa
chọn có phụ thuộc vào tham số trễ của Ďối tƣợng (thể hiện ở công thức (3.63)) nên
kết quả của luận án có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu Ďiều khiển tầng cho các
Ďối tƣợng có trễ, Ďặc biệt là Ďối với các Ďối tƣợng nhiệt.
Các kết quả của luận án làm cơ sở cho các nghiên cứu về sau Ďể phát triển hoàn
thiện lý thuyết về hệ Ďiều khiển tầng trong vấn Ďề chỉnh Ďịnh hệ thống.

-2–


4. Nội dung của luận án
Chƣơng 1 giới thiệu khái niệm, ý nghĩa của hệ thống Ďiều khiển tầng, trình bày
một số ứng dụng Ďiển hình trong lĩnh vực công nghệ nhiệt, Ďặc Ďiểm và mô hình Ďối
tƣợng quá trình nhiệt. Tiếp theo, tổng quan và phân tích phƣơng pháp Ďánh giá dự
trữ ổn Ďịnh cũng nhƣ tổng hợp hệ thống Ďiều khiển tầng trên thế giới.
Chƣơng 2 trình bày phƣơng pháp nghiên cứu Ďộng học hệ tầng. Trên cơ sở khái
niệm ―chỉ số dao Ďộng mềm‖, ―Ďặc tính mềm‖, ―Ďƣờng biên mềm‖ của hệ thống và
các tiêu chuẩn dự trữ ổn Ďịnh mềm, tiêu chuẩn Parabol, luận án Ďã phân tích, Ďánh
giá và nêu ra phƣơng pháp Ďánh giá dự trữ ổn Ďịnh của hệ nhiều tầng trong công
nghiệp nói chung và quá trình nhiệt nói riêng. Chƣơng 2 cũng trình bày phƣơng
pháp xác Ďịnh nghiệm Ďặc tính của hệ tầng dựa trên Ďặc tính mềm bằng phƣơng
pháp Ďồ thị.
Chƣơng 3 xây dựng phƣơng pháp chỉnh Ďịnh hệ Ďiều khiển quá trình nhiệt nhiều
tầng dựa trên ―chỉ số dao Ďộng mềm‖ và ―cấu trúc bền vững chất lƣợng cao của hệ
thống‖. Dựa trên nền tảng lý thuyết, chƣơng này trình bày phƣơng pháp tổng hợp
các bộ Ďiều khiển trong hệ tầng Ďể Ďƣa ra công thức các bộ Ďiều khiển bền vững,
sau Ďó thực thi chúng. Trong chƣơng này, luận án cũng rút ra phƣơng pháp và quy

trình chỉnh Ďịnh các bộ Ďiều khiển trong hệ thống tầng nói chung và hệ hai tầng nói
riêng. Đánh giá và so sánh chất lƣợng của một hệ thống quá trình nhiệt Ďƣợc chỉnh
Ďịnh theo phƣơng pháp Ďề xuất với một số phƣơng pháp chỉnh Ďịnh khác.
Chƣơng 4 trình bày hệ thống thử nghiệm kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý
thuyết thu Ďƣợc. Hệ thực nghiệm xây dựng theo cấu trúc hai vòng Ďiều khiển mức
nƣớc trong thùng chứa có dòng chảy liên tục, bao gồm hai bộ Ďiều khiển PID Ďƣợc
chỉnh Ďịnh theo phƣơng pháp Ďã Ďề xuất trong luận án.
5. Những kết quả khoa học chủ yếu của luận án
- Dựa trên khái niệm về chỉ số dao Ďộng mềm, Ďặc tính mềm, luận án rút ra công
thức Ďặc tính mềm của hệ Ďiều khiển nhiều tầng có trễ vận tải trong công nghệ
nhiệt. Chứng minh Ďặc tính mềm này hội tụ. Điều Ďó cho phép áp dụng tiêu
chuẩn dự trữ ổn Ďịnh mềm và tiêu chuẩn Parabol Ďể Ďánh giá dự trữ ổn Ďịnh của
hệ tầng.
- Dựa trên khái niệm về chỉ số dao Ďộng mềm và quan Ďiểm về Ďiều khiển bền
vững chất lƣợng cao, luận án rút ra cấu trúc của các bộ Ďiều khiển trong hệ tầng.
- Luận án Ďề xuất phƣơng pháp lựa chọn tham số các bộ Ďiều khiển hệ nhiều tầng

dựa vào chỉ số dao Ďộng mềm tại tần số cắt và thời gian trễ của Ďối tƣợng.

-3-


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ thống điều khiển tầng
Trên thực tế Ďã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ Ďiều khiển (ĐK) nhiều tầng
(hay hệ tầng), tuy nhiên vẫn chƣa có sự Ďồng nhất giữa các nhà nghiên cứu trên thế
giới về khái niệm cấu trúc hệ tầng.
Doug Cooper [15] và J. Love [27] Ďịnh nghĩa cấu trúc Ďiều khiển tầng có hai bộ
Ďiều khiển, Ďầu ra của bộ Ďiều khiển vòng ngoài Ďƣợc sử dụng Ďể Ďiều khiển giá trị

Ďặt của bộ Ďiều khiển vòng trong. Cấu trúc của hệ thống này gồm hai vòng Ďiều
khiển (hình 1.1). Vòng trong bao gồm bộ Ďiều khiển vòng trong R2, Ďối tƣợng vòng
trong O2. Vòng ngoài bao gồm vòng trong, bộ Ďiều khiển vòng ngoài R1, Ďối tƣợng
vòng ngoài O1. Ngoài ra có hai nguồn nhiễu tác Ďộng: nguồn nhiễu thứ nhất tác
Ďộng vào vòng trong d2 có hàm truyền là B2, nguồn nhiễu thứ hai tác Ďộng vào vòng
ngoài d1 (có hàm truyền là B2) và có ảnh hƣởng trực tiếp Ďến biến cần Ďiều khiển y1.

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển hai tầng
Điều khiển tầng Ďƣợc Astrom và Hagglund [31] Ďịnh nghĩa nhƣ sau: Ďiều khiển
tầng Ďƣợc sử dụng khi có nhiều tín hiệu Ďo và một biến Ďiều khiển. Điều khiển tầng
Ďƣợc xây dựng bằng các vòng phản hồi Ďiều khiển, ví dụ hệ thống hai vòng nhƣ
hình 1.1. Vòng bên trong Ďƣợc gọi là vòng trực thuộc tƣơng ứng với bộ Ďiều khiển
R2 và Ďối tƣợng O2, vòng bên ngoài gọi là vòng chính tƣơng ứng với bộ Ďiều khiển
R1 và Ďối tƣợng O1. Điều khiển tầng cũng có thể có nhiều vòng. Điều Ďó phụ thuộc
vào số lƣợng tín hiệu Ďo, có thể lên Ďến một giới hạn nào Ďó. Nếu tất cả các biến

-4–


trạng thái Ďƣợc Ďo, không cần phải Ďƣa vào những biến Ďo khác. Trong trƣờng hợp
nhƣ vậy, bộ Ďiều khiển tầng giống nhƣ phản hồi trạng thái.
Tác giả Lipták [12] trình bày về hệ tầng nhƣ sau: Ďiều khiển tầng có cấu trúc hai
vòng, ở Ďó Ďầu ra của bộ Ďiều khiển vòng ngoài (hay bộ Ďiều khiển chính) là giá trị
Ďặt của bộ Ďiều khiển vòng trong (hay bộ Ďiều khiển trực thuộc). Trong cấu hình
tầng, quá trình Ďƣợc chia làm hai phần và vì thế có hai bộ Ďiều khiển Ďƣợc sử dụng
(hình 1.2), bộ Ďiều khiển vòng ngoài duy trì biến chính y1 ở giá trị Ďặt bằng cách
Ďiều chỉnh giá trị Ďặt của bộ Ďiều khiển vòng trong . Bộ Ďiều khiển vòng trong Ďáp
ứng cả giá trị Ďặt và biến Ďiều khiển vòng trong. Trong quá trình Ďiều khiển, nhiễu
cũng ảnh hƣởng tới quá trình vòng ngoài y1. Sơ Ďồ khối chi tiết của hệ thống Ďiều
khiển tầng nhƣ hình 1.1. Trong Ďó bộ Ďiều khiển vòng ngoài R1 phát ra giá trị Ďặt

cho bộ Ďiều khiển vòng trong R2, bộ Ďiều khiển vòng trong phát tín hiệu Ďiều khiển
u tới quá trình vòng trong O2, quá trình vòng trong nối tới quá trình vòng ngoài O1
qua biến y2 và do Ďó nó cũng ảnh hƣởng tới biến Ďiều khiển vòng ngoài y1. Hai
nguồn nhiễu tác Ďộng vào hệ thống là d1 và d2.
Nhiễu

Quá trình
vòng trong

Quá trình vòng
ngoài

y2
Bộ Ďiều khiển
vòng trong

y1
Bộ Ďiều khiển
vòng ngoài

Hình 1.2. Hệ thống điều khiển tầng chia quá trình thành hai phần theo Lipták
Weidong Zhang [60] Ďƣa ra Ďặc trƣng của Ďiều khiển tầng (hình 1.1) nhƣ sau:
 Bộ Ďiều khiển Ďƣợc thiết lập trong quá trình vận hành là bộ Ďiều khiển chính
R1. Bộ Ďiều khiển còn lại là bộ Ďiều khiển trực thuộc R2. Tín hiệu ra của bộ
Ďiều khiển R1 có liên quan tới bộ Ďiều khiển R2.
 Hai vòng hồi tiếp lồng nhau, với vòng trực thuộc (tƣơng ứng với Ďối tƣợng O2)
ở trong vòng chính (tƣơng ứng với Ďối tƣợng O1).
Hầu hết các tác giả nêu trên chỉ xét hệ Ďiều khiển tầng là hệ có hai vòng kín với
hai bộ Ďiều khiển mà chƣa Ďƣa ra Ďƣợc Ďịnh nghĩa rõ ràng, tổng quát và nhất quán
về hệ tầng nói chung.

-5-


Theo tác giả Nguyễn Văn Mạnh [69], một hệ thống Ďiều khiển tầng là hệ thống
gồm nhiều vòng Ďiều chỉnh lồng nhau, trong Ďó nhiệm vụ chủ yếu của mỗi bộ Ďiều
khiển là Ďiều khiển Ďối tƣợng thuộc cùng vòng. Sơ Ďồ cấu trúc của hệ tầng nhƣ
hình 1.3.

Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tầng theo Nguyễn Văn Mạnh
Trong Ďó:
z là tín hiệu giá trị Ďặt
u là tín hiệu Ďiều khiển của bộ Ďiều khiển vòng trong cùng
d1, d2, ..., dn là các tín hiệu nhiễu tác Ďộng quy về Ďầu ra của các Ďối tƣợng
Fi , Ri , Oi, Bi lần lƣợt là hàm truyền của khâu phản hồi, của các bộ Ďiều khiển,
của các Ďối tƣợng, của các nhiễu trong hệ thống
Hệ thống Ďiều khiển tầng Ďƣợc ứng dụng rộng rãi nhờ các ƣu Ďiểm [1, 10, 11, 12,
31, 40, 43, 45, 59] sau:
- Tăng Ďộ ổn Ďịnh của hệ thống nói chung so với hệ một vòng
- Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ
- Giảm sự phi tuyến và tính bất Ďịnh của Ďối tƣợng vòng trong Ďặc biệt do cơ
cấu chấp hành (các van Ďiều chỉnh) gây ra

1.2 Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt nhiều tầng
Hệ thống Ďiều khiển tầng Ďƣợc ứng dụng nhiều trong công nghiệp, Ďặc biệt là
trong các hệ thống Ďiều khiển quá trình nhiệt ví dụ trong lò hơi nhà máy nhiệt Ďiện
có hệ thống Ďiều khiển Ďộ kinh tế quá trình cháy, hệ thống Ďiều khiển nhiệt Ďộ hơi
quá nhiệt, hệ thống Ďiều khiển mức nƣớc bao hơi ...

-6–

Xét theo quan Ďiểm Ďiều khiển, lò hơi trong nhà máy nhiệt Ďiện là loại Ďối tƣợng
Ďa liên kết khá phức tạp, trong Ďó các Ďại lƣợng Ďiều chỉnh tác Ďộng tƣơng hỗ lẫn
nhau. Ví dụ khi thay Ďổi lƣợng than cấp vào lò làm cho áp suất hơi thay Ďổi nhƣng
cũng dẫn Ďến làm thay Ďổi lƣợng oxy thừa trong khói thải, thay Ďổi lƣu lƣợng hơi
quá nhiệt và thay Ďổi nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt. Mô hình Ďiều khiển Ďối tƣợng lò hơi
thể hiện trên hình 1.4.

Hình 1.4. Mô hình điều khiển đối tượng lò hơi
Trong Ďó:

Vkhói thải TH là lƣu lƣợng khói tái tuần hoàn
Vkhói là lƣu lƣợng khói
Vkhông khí là lƣu lƣợng không khí
B là khối lƣợng nhiên liệu
Pbl là áp suất buồng lửa
Wgo là lƣu lƣợng nƣớc giảm ôn
Wnc là lƣu lƣợng nƣớc cấp
-7-


Wxả là lƣu lƣợng nƣớc xả
% NOx là phần trăm lƣợng khí NO, NO2 trong khói
% O2 là phần trăm lƣợng oxy trong khói thải
Pqn, Dqn, tqn lần lƣợt là áp suất, lƣu lƣợng và nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt
Hbh là mức nƣớc bao hơi
NaCl là muối Natri Clorua
Các kênh tác Ďộng chính là các kênh Ďiều khiển chính còn các kênh tác Ďộng
chéo Ďƣợc coi là nhiễu.

Hình 1.4 chỉ thể hiện Ďƣợc những ảnh hƣởng cơ bản trong lò hơi, ngoài ra còn có
những ảnh hƣởng khác tới Ďầu ra Ďối tƣợng chƣa kể tới nhƣ áp suất buồng lửa P bl
ảnh hƣởng tới nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt tqn, hay áp suất hơi quá nhiệt Pqn cũng ảnh
hƣởng tới mức nƣớc bao hơi Hbh.... Các ảnh hƣởng này Ďƣợc coi là nhiễu.
Đối tƣợng lò hơi thuộc loại Ďối tƣợng nhiều Ďầu vào nhiều Ďầu ra (hệ MIMO) và
tác Ďộng chéo lẫn nhau rất phức tạp, nếu dùng hệ phƣơng trình trạng thái Ďể mô tả
hệ thống sẽ rất phức tạp, phi tuyến và có kích thƣớc lớn. Từ giữa thế kỷ trƣớc, lý
thuyết Ďiều khiển quá trình nhiệt Ďã Ďi theo con Ďƣờng phân rã thành nhiều hệ một
Ďầu vào một Ďầu ra (hệ SISO) nhƣng có liên hệ Ďộng với nhau [16, 20, 31, 48, 71]
và hình thành các hệ Ďiều khiển tầng trong nó.
Luận án trình bày ba hệ thống Ďiều khiển chính của lò hơi có sử dụng cấu trúc
Ďiều khiển tầng Ďó là hệ thống Ďiều khiển mức nƣớc bao hơi, hệ thống Ďiều khiển
nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt và hệ thống Ďiều khiển Ďộ kinh tế quá trình cháy.
1.2.1 Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi
a. Phân tích hệ thống
Nhiệm vụ của hệ thống này là cung cấp vừa Ďủ lƣợng nƣớc thỏa mãn nhu cầu hơi
từ các hộ trong Ďó chủ yếu là từ tuabin.
Mục Ďích của việc Ďiều khiển mức nƣớc bao hơi là giữ cho mức nƣớc trong bao
hơi Ďạt tới giá trị Ďặt mong muốn trong dải sai số cho phép (giá trị xác lập).
Nếu mức nƣớc thấp làm mặt nƣớc gần với miệng của ống xả muối trong bao hơi
làm cho khả năng xả muối bị kém Ďi dẫn tới làm xấu chất lƣợng nƣớc trong bao hơi
vì nồng Ďộ muối tăng lên. Nếu mức nƣớc giảm quá sâu, thì sẽ tạo ra phễu xoáy, cản
trở dòng nƣớc Ďi vào ống xuống, có thể làm ngƣng vòng tuần hoàn của nƣớc, tạo
nên những vùng ống khô (toàn hơi) làm cho ống bị Ďốt nóng.
Nếu mức nƣớc cao thì khả năng lọc hơi của các syclon bị kém. Nếu mức cao quá,
hơi ẩm tấn công vào bộ quá nhiệt làm ảnh hƣởng Ďến bộ quá nhiệt và tăng Ďộ ẩm
-8–


của hơi sau bộ quá nhiệt. Trầm trọng hơn, hơi ẩm sẽ vào các tầng cánh tuabin gây

ăn mòn các tầng cánh của tuabin.
Có hai nguyên nhân chính làm thay Ďổi mức nƣớc trong bao hơi: thứ nhất là do
cân bằng vật chất giữa lƣợng hơi sản xuất ra khỏi bao hơi và lƣợng nƣớc cấp tới bao
hơi bị phá hủy, thứ hai là thay Ďổi thành phần hơi trong hỗn hợp hơi và nƣớc trong
dàn ống sinh hơi do thay Ďổi áp suất bao hơi, nhiệt Ďộ nƣớc cấp và thay Ďổi hấp thụ
nhiệt của bề mặt gia nhiệt (phụ tải nhiệt) v.v...
Sự thay Ďổi mức do mất cân bằng vật chất Ďƣợc mô tả:
'

''

F (   )

dH
dt

 W nc - D qn  W xa

Trong Ďó:
H là mức nƣớc trong bao hơi.
Wnc là lƣu lƣợng nƣớc cấp vào bao hơi
Dqn là lƣu lƣợng hơi quá nhiệt, lƣu lƣợng hơi này phụ thuộc vào phụ tải.
Wxa là lƣu lƣợng nƣớc xả.
F là diện tích mặt gƣơng bốc hơi.
ρ’ và ρ’’ là khối lƣợng riêng của nƣớc và hơi bão hòa trong vòng tuần hoàn của lò.
Phƣơng trình trên luôn cân bằng và mức nƣớc trong bao hơi Ďạt tới giá trị xác
lập. Tuy nhiên trong thực tế, lƣu lƣợng hơi quá nhiệt (Dqn) luôn thay Ďổi theo phụ
tải dẫn Ďến lƣu lƣợng nƣớc cấp vào bao hơi cũng phải thay Ďổi theo Ďể Ďảm bảo
mức nƣớc trong bao hơi không Ďổi. Lƣu lƣợng nƣớc xả Wxa thƣờng Ďƣợc Ďặt theo tỷ
lệ với phụ tải trong quá trình hoạt Ďộng của lò hơi.

Nhƣ vậy, Ďiều chỉnh mức nƣớc trong bao hơi là Ďiều chỉnh lƣu lƣợng nƣớc cấp
vào bao hơi. Lƣu lƣợng hơi quá nhiệt và lƣu lƣợng nƣớc xả là các tín hiệu nhiễu.
Ngoài ra Ďể cải thiện chất lƣợng Ďiều khiển do hiện tƣợng mức nƣớc giả trong bao
hơi (hiện tƣợng sôi bồng) gây ra thì bộ Ďiều khiển cần phải lấy thêm thông tin về áp
suất và lƣu lƣợng hơi quá nhiệt.
b. Cấu trúc điều khiển
Trong hệ thống này, cơ cấu chấp hành chính là van Ďiều khiển nƣớc cấp. Trong
quá trình vận hành xảy ra trƣờng hợp là áp suất trƣớc van thay Ďổi Ďột ngột không
biết trƣớc do một tác Ďộng nào Ďó ví dụ do áp suất Ďầu Ďẩy của hệ thống bơm nƣớc
cấp biến Ďộng, và sự thay Ďổi này chính là một nguồn nhiễu ảnh hƣởng tới van Ďiều
khiển làm cho lƣu lƣợng nƣớc cấp vào bao hơi bị biến Ďộng. Mặt khác Ďặc tính van
luôn luôn thay Ďổi do bản chất phi tuyến và luôn bất Ďịnh (do tải thay Ďổi liên tục).

-9-


Nhƣ vậy, tính chất Ďộng học của hệ thống sẽ thay Ďổi thƣờng xuyên trong quá trình
làm việc.
Sơ Ďồ khối công nghệ hệ thống Ďiều khiển mức nƣớc trong bao hơi sử dụng cấu
trúc Ďiều khiển hai tầng Ďƣợc xây dựng nhƣ trên hình 1.5.

Hình 1.5. Sơ đồ khối điều khiển hai tầng trong hệ thống điều khiển mức nước bao
hơi của lò hơi
Hoạt Ďộng của hệ thống nhƣ sau: Giá trị thực tế của mức nƣớc Ďƣợc Ďo và
chuyển Ďổi thành tín hiệu Ďiện thông qua bộ cảm biến mức nƣớc H. Tín hiệu từ bộ
cảm biến mức nƣớc và giá trị Ďặt cho mức nƣớc Ďƣợc Ďƣa vào bộ Ďiều khiển vòng
ngoài. Tại Ďây bộ Ďiều khiển tính toán và phát ra tín hiệu là giá trị Ďặt cho bộ Ďiều
khiển vòng trong. Lƣu lƣợng nƣớc cấp Ďƣợc Ďo và chuyển Ďổi thành tín hiệu Ďiện
bằng bộ cảm biến lƣu lƣợng nƣớc cấp Wnc. Tín hiệu từ bộ cảm biến lƣu lƣợng nƣớc
cấp Ďƣợc Ďƣa vào bộ Ďiều khiển vòng trong. Lƣu lƣợng hơi quá nhiệt Ďƣợc Ďo và

chuyển Ďổi thành tín hiệu Ďiện bằng cảm biến lƣu lƣợng hơi Dqn. Tín hiệu từ bộ cảm
biến lƣu lƣợng hơi quá nhiệt Ďƣợc Ďƣa tới bộ Ďiều khiển vòng trong. Bộ Ďiều khiển
vòng trong tính toán và Ďƣa ra tín hiệu Ďiều khiển van Ďiều khiển nƣớc cấp.
- 10 –


Nhƣ vậy nếu có nhiễu từ sự thay Ďổi áp suất trƣớc van dẫn Ďến lƣu lƣợng nƣớc
cấp thay Ďổi, cảm biến lƣu lƣợng sẽ truyền tín hiệu nhanh về bộ Ďiều khiển vòng
trong và bộ Ďiều khiển này sẽ phát tín hiệu ngay Ďể Ďiều chỉnh góc mở của van Ďiều
khiển nƣớc cấp với một lƣợng phù hợp do Ďó giữ ổn Ďịnh Ďƣợc lƣợng nƣớc cấp vào
bao hơi.
Hình 1.6 là sơ Ďồ cấu trúc của hệ thống Ďiều khiển mức nƣớc bao hơi với cấu trúc
Ďiều khiển hai tầng có hai vòng Ďiều khiển. Với sơ Ďồ cấu trúc này: vòng Ďiều khiển
bên trong bao gồm bộ Ďiều khiển vòng trong R2, Ďối tƣợng vòng trong O2 là van
Ďiều khiển nƣớc cấp và cảm biến lƣu lƣợng. Vòng Ďiều khiển bên ngoài bao gồm bộ
Ďiều khiển vòng ngoài R1, Ďối tƣợng vòng ngoài O1 là bao hơi và cảm biến mức.

Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hai tầng của hệ thống điều khiển mức nước bao
hơi của lò hơi
Ngoài ra sơ Ďồ cấu trúc trên hình 1.6 thể hiện hai nguồn nhiễu tác Ďộng vào hệ
thống: nhiễu trong là nhiễu từ sự thay Ďổi áp suất trƣớc van P v với hàm truyền của
nó là B2, nhiễu này sẽ tự bị triệt tiêu trong quá trình hoạt Ďộng của hệ thống; nhiễu
ngoài là nhiễu từ sự thay Ďổi lƣu lƣợng hơi quá nhiệt Dqn với hàm truyền nhiễu là B1
nhiễu này cần phải có bộ khử riêng C Ďể Ďƣa thông tin của nó vào Ďiều khiển.
1.2.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt
a. Phân tích hệ thống
Nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt (tqn) là một trong những chỉ tiêu rất quan trọng của lò hơi.
Những sự thay Ďổi nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt này nếu không Ďƣợc Ďiều chỉnh thì sẽ ảnh
hƣởng lớn Ďến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của chu trình nhiệt. Việc giảm nhiệt Ďộ hơi
quá nhiệt không những làm giảm hiệu suất toàn chu trình nhiệt mà còn ảnh hƣởng

xấu tới Ďiều kiện làm việc của tuabin do Ďộ ẩm của hơi ở các tầng cuối tăng lên.
- 11 -


Việc tăng nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt quá trị số cho phép sẽ làm giảm tuổi thọ của kim
loại ống thậm chí gây sự cố nổ ống của các bộ quá nhiệt. Thông thƣờng, hệ thống
Ďiều khiển phải giữ sao cho Ďộ sai lệch cực Ďại của nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt nhỏ hơn
1% so với nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt Ďịnh mức.
Các nguyên nhân cơ bản làm thay Ďổi nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt là:
- Thay Ďổi nhiệt hàm của hơi ở Ďầu vào bộ quá nhiệt do thay Ďổi Ďộ ẩm hoặc
nhiệt Ďộ.
- Thay Ďổi lƣợng nhiệt do bộ quá nhiệt hấp thụ từ phía khói.
- Thay Ďổi lƣu lƣợng hơi Ďi qua bộ quá nhiệt.
Để Ďiều khiển nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt chỉ có thể tác Ďộng vào hai nguyên nhân
Ďầu, còn lƣu lƣợng hơi qua bộ quá nhiệt do thiết bị yêu cầu. Bộ quá nhiệt Ďƣợc tính
toán sao cho trong Ďiều kiện vận hành bình thƣờng, lƣợng nhiệt mà nó hấp thụ bao
giờ cũng lớn hơn lƣợng nhiệt cần thiết Ďể nâng nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt Ďến nhiệt Ďộ
yêu cầu. Do vậy, Ďiều khiển nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt là giảm nhiệt Ďộ của nó tới giá trị
yêu cầu.
Phƣơng pháp Ďiều khiển nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt bằng thay Ďổi nhiệt hàm của hơi
khi qua bộ quá nhiệt phụ thuộc vào các bộ giảm ôn. Có hai kiểu bộ giảm ôn Ďó là bộ
giảm ôn kiểu bề mặt và bộ giảm ôn kiểu phun.
Với việc sử dụng bộ giảm ôn kiểu phun, nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt Ďƣợc Ďiều khiển
bằng cách phun thẳng nƣớc cấp trích từ Ďầu Ďẩy của bơm cấp hoặc nƣớc ngƣng
riêng biệt Ďƣợc tạo ra từ hơi bão hòa của bao hơi.
b. Cấu trúc điều khiển
Để Ďiều chỉnh lƣu lƣợng nƣớc phun giảm ôn, buộc phải tác Ďộng vào cơ cấu chấp
hành là van Ďiều khiển. Nếu nhƣ trong quá trình Ďiều khiển, có tác Ďộng nào Ďó làm
áp suất trƣớc van thay Ďổi Ďột ngột thì Ďây chính là một nguồn nhiễu bên trong ảnh
hƣởng tới van Ďiều khiển. Mặt khác Ďặc tính van luôn luôn thay Ďổi do bản chất phi

tuyến và luôn bất Ďịnh (do tải thay Ďổi liên tục). Nhƣ vậy, tính chất Ďộng học của hệ
thống sẽ thay Ďổi thƣờng xuyên trong quá trình làm việc.
Từ sự phân tích trên cho thấy sử dụng giải pháp Ďiều khiển tầng là hợp lý với hệ
thống này. Trong thực tế ngƣời ta thƣờng kết hợp bộ vi phân với một bộ Ďiều khiển
tạo thành cấu trúc tầng và sơ Ďồ khối hệ thống Ďiều khiển nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt của
lò nhƣ trên hình 1.7.

- 12 –


Hình 1.7. Sơ đồ khối điều khiển dùng bộ vi phân trong hệ thống khiển nhiệt độ hơi
quá nhiệt của lò hơi
Hoạt Ďộng của hệ thống nhƣ sau: Tín hiệu Ďo (ttg) từ bộ cảm biến nhiệt Ďộ 2 Ďƣa
vào bộ vi phân và bộ vi phân phát tín hiệu tới bộ Ďiều khiển (BĐK). Các tín hiệu từ
các nguồn nhiễu ảnh hƣởng tới hệ thống nhƣ lƣu lƣợng không khí (Vkk), lƣu lƣợng
khói (Vkh), nhiệt Ďộ khói (tkh) ... cũng Ďƣợc Ďƣa vào bộ Ďiều khiển. Giá trị Ďặt của
nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt (tqn) Ďƣa vào bộ Ďiều khiển (BĐK). Tại Ďây bộ Ďiều khiển
vòng ngoài tính toán và phát tín hiệu Ďiều khiển van phun nƣớc giảm ôn.
Hình 1.8 là sơ Ďồ cấu trúc Ďiều khiển của hệ thống Ďiều khiển nhiệt Ďộ hơi quá
nhiệt.

- 13 -


Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc điều khiển dùng bộ vi phân của hệ thống điều khiển nhiệt
độ hơi quá nhiệt của lò hơi
Trên sơ Ďồ này, hệ thống Ďiều khiển bao gồm hai vòng. Vòng bên trong bao gồm
bộ Ďiều khiển R, Ďối tƣợng vòng trong O2 là van phun nƣớc giảm ôn và cảm biến
nhiệt Ďộ Ďể Ďo nhiệt Ďộ trung gian, bộ vi phân D. Vòng ngoài có Ďối tƣợng vòng O1
là bộ quá nhiệt cấp 2 và cảm biến nhiệt Ďộ Ďể Ďo nhiệt Ďộ hơi quá nhiệt . Nhiễu từ sự

thay Ďổi áp suất trƣớc van Pv là nhiễu vòng trong của hệ thống với hàm truyền nhiễu
là B2. Nhiễu lƣu lƣợng khói Vkh ảnh hƣởng Ďến nhiệt Ďộ quá nhiệt trung gian ttg có
hàm truyền B1, và nhiễu này cũng Ďƣợc Ďƣa vào bộ khử C Ďể cho tín hiệu phù hợp
vào bộ Ďiều khiển R.
Thực chất sơ Ďồ hình 1.8 có thể biến Ďổi thành sơ Ďồ dạng chuẩn của hệ hai tầng
nhƣ hình 1.9. Ở Ďó bộ Ďiều khiển R1 là nghịch Ďảo của bộ vi phân D và bộ Ďiều
khiển R2 là bộ vi phân D mắc nối tiếp với bộ Ďiều khiển R.

Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hai tầng dạng chuẩn của hệ thống điều khiển
nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi
- 14 –


1.2.3 Hệ thống điều khiển cấp không khí
a. Phân tích hệ thống
Trong lò hơi nhà máy nhiệt Ďiện Ďốt than, Ďể quá trình cháy xảy ra buộc phải có
oxy, quá trình cháy không hoàn toàn nếu lƣợng oxy không dƣ thừa. Do vậy lƣợng
oxy phải Ďƣa vào lò hơi trong thực tế buộc phải lớn hơn lƣợng oxy tính toán theo lý
thuyết hay lƣợng không khí Ďƣa vào lò hơi thực tế phải lớn hơn lƣợng không khí
tính toán theo lý thuyết.
Hàm lƣợng không khí Ďƣợc Ďƣa vào lò hơi trong thực tế Ďƣợc Ďánh giá thông qua
hệ số không khí thừa (α). Hệ số không khí thừa Ďƣợc xác Ďịnh theo công thức sau:
 

V kk
V k k lt

Trong quá trình tính toán, hệ số không khí thừa Ďƣợc xác Ďịnh gần Ďúng thông
qua công thức sau:

Trong Ďó :
RO2max là thành phần khí ba nguyên tử trong khói thải (SO2, CO2) khi nhiên liệu
cháy hoàn toàn theo lý thuyết.
RO2 là thành phần khí ba nguyên tử trong khói thải (SO2, CO2) khi nhiên liệu
cháy hoàn toàn theo thể tích không khí thực tế.
Trong công thức trên, coi các thành phần khí khác là rất nhỏ và phần trăm khí
oxy là 21%.
Nhƣ vậy có thể xác Ďịnh hệ số không khí thừa thông qua Ďo nồng Ďộ khí CO2 và
khí oxy.
Hiệu suất nhiệt của lò hơi Ďƣợc tính nhƣ sau:
  q1  1  ( q 2  q 3  q 4  q 5  q 6 )

Với q1 là phần trăm nhiệt lƣợng hữu ích, q2 là phần trăm tổn thất nhiệt do khói
thải mang Ďi, q3 là phần trăm tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hoá học, q4
là phần trăm tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về cơ học, q5 là phần trăm tổn
thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài, q6 là phần trăm tổn thất nhiệt do tro mang ra ngoài.
Thực tế tổn thất chính của lò hơi là các tổn thất q2, q3, q4. Các tổn thất này Ďều
phụ thuộc nhiều nhất vào hệ số không khí thừa. Hiệu suất lò cực Ďại tƣơng ứng với
hệ số không khí thừa tối ƣu α0pt.

- 15 -


Vậy, cần phải Ďiều chỉnh hệ số không khí thừa hay Ďiều chỉnh hàm lƣợng oxy
trong khói thải của lò hơi bằng cách Ďiều chỉnh lƣu lƣợng không khí cấp vào lò hiệu
suất lò Ďạt cao nhất có thể.
Bởi vì trong lò hơi nhà máy nhiệt Ďiện Ďốt than, khi vận hành ở công suất thấp thì
hệ số không khí thừa cao còn khi vận hành ở tải cao hơn thì hệ số này giảm Ďi. Mặt
khác giá trị không khí thừa phải xác lập theo giá trị yêu cầu của tải. Vì vậy trong hệ
thống Ďiều khiển lƣu lƣợng không khí cấp vào lò hơi cần phải có thêm thông tin về

lƣu lƣợng không khí quy Ďổi từ nhiên liệu tƣơng ứng. Để Ďƣa Ďƣợc thông tin này có
hai cách thực hiện:
- Cách thứ nhất là lấy trực tiếp thông tin từ bộ Ďiều khiển nhiên liệu.
- Cách thứ hai là lấy thông qua thông tin về phụ tải nhiệt (Dq)
Trong nhà máy nhiệt Ďiện Ďốt than, thông thƣờng sử dụng cách thứ hai.
Phụ tải nhiệt Ďƣợc tính nhƣ sau:
d Pb h

Dq  C

dt

 D bh

Trong Ďó:
C là hệ số
Pbh là áp suất hơi bão hòa
Dbh là lƣu lƣợng hơi bão hòa
Không khí vào lò hơi thông qua hệ thống quạt gió. Để Ďiều khiển lƣu lƣợng
không khí thƣờng sử dụng phƣơng pháp thay Ďổi tốc Ďộ quay và cánh hƣớng quạt
gió.
b. Cấu trúc điều khiển
Trong quá trình Ďiều khiển, nếu lƣu lƣợng không khí vào buồng lửa thay Ďổi thì
nó ảnh hƣởng ngay Ďến lƣợng oxy trong khói thải. Nhƣng Ďáp ứng tín hiệu ra của hệ
thống (tín hiệu oxy) lại rất chậm, vì vậy cần phải Ďiều chỉnh lƣợng không khí thông
qua việc Ďiều khiển quạt trƣớc khi nó ảnh hƣởng tới Ďầu ra hệ thống.
Mặt khác, trong thực tế, môi trƣờng bên ngoài dễ biến Ďộng dẫn Ďến áp suất
không khí vào quạt thay Ďổi không lƣờng trƣớc làm tính chất Ďộng học của hệ thống
sẽ thay Ďổi thƣờng xuyên trong quá trình làm việc.
Từ sự phân tích trên ta thấy sử dụng cấu trúc Ďiều khiển hai tầng cho hệ thống

Ďiều khiển cấp không khí là rất phù hợp.
Sơ Ďồ khối công nghệ hệ thống Ďiều khiển hàm lƣợng oxy trong khói thải của lò
hơi sử dụng cấu trúc Ďiều khiển hai tầng Ďƣợc xây dựng nhƣ trên hình 1.10.

- 16 –


Hình 1.10.

Sơ đồ khối điều khiển hai tầng của hệ thống điều khiển cấp không khí
của lò hơi

Trong Ďó: Ďo lƣu lƣợng không khí thông qua Ďo giáng ΔP giữa 2 bộ sấy không khí
(bộ sấy KKC1 và bộ sấy KKC2).
Thông tin về phụ tải nhiệt Ďƣợc Ďo bằng cách: thông tin về áp suất hơi bão hòa
(Pbh) thông qua cảm biến áp suất Ďƣợc Ďƣa tới bộ vi phân(d/dt) và Ďƣợc tiếp tục Ďƣa
tới bộ tính toán f(x), thông tin Ďo lƣu lƣợng hơi bão hòa ( Dbh) từ bộ cảm biến lƣu
lƣợng Ďƣợc Ďƣa tới bộ tính toán f(x).
Hệ thống Ďiều khiển hoạt Ďộng nhƣ sau:
Giá trị Ďặt và giá trị Ďo Ďƣợc thực tế của hàm lƣợng oxy Ďƣợc Ďƣa tới bộ Ďiều
khiển vòng ngoài (BĐK vòng ngoài). Tại Ďây bộ Ďiều khiển vòng ngoài tính toán và
phát tín hiệu tới giá trị Ďặt của bộ Ďiều khiển vòng trong. Tín hiệu lƣu lƣợng không
khí có Ďƣợc từ thiết bị Ďo chênh áp ΔP Ďƣợc Ďƣa tới bộ Ďiều khiển vòng trong (BĐK
vòng trong). Bộ tính toán f(x) tính toán và phát ra tín hiệu về phụ tải nhiệt tới bộ
Ďiều khiển vòng trong. Tại Ďây bộ Ďiều khiển vòng trong tính toán và phát tín hiệu
tới Ďiều khiển quạt gió.

- 17 -

Nếu lƣu lƣợng không khí cấp vào thay Ďổi Ďột ngột, tín hiệu Ďo từ cảm biến Ďo
lƣu lƣợng gió sẽ nhạy cảm và Ďƣa tín hiệu về bộ Ďiều khiển vòng trong, bộ vòng
trong sẽ phát tín hiệu ngay Ďể Ďiều chỉnh lƣu lƣợng gió cho phù hợp.
Hình 1.11 là sơ Ďồ cấu trúc của hệ thống Ďiều khiển cấp không khí của lò hơi nhà
máy nhiệt Ďiện.

Hình 1.11.

Sơ đồ cấu trúc điều khiển hai tầng của hệ thống điều khiển cấp không
khí của lò hơi

Trên sơ Ďồ này, hệ thống Ďiều khiển bao gồm hai vòng Ďiều chỉnh. Vòng Ďiều
chỉnh bên trong bao gồm bộ Ďiều khiển vòng trong R2, Ďối tƣợng vòng trong O2 là
công Ďoạn từ quạt gió tới bộ sấy không khí và cảm biến lƣu lƣợng không khí . Vòng
Ďiều khiển bên ngoài gồm có bộ Ďiều khiển vòng ngoài R1, Ďối tƣợng vòng ngoài O1
là công Ďoạn từ buồng Ďốt tới các bộ gia nhiệt và cảm biến Ďo nồng Ďộ oxy. Nhiễu
áp suất trƣớc quạt Pkk là nhiễu vòng trong của hệ thống với hàm truyền của nó là B2.
Thông tin từ phụ tải nhiệt Dq qua bộ khử Ďể Ďƣa vào bộ Ďiều khiển R2. Phụ tải nhiệt
Dq cũng là nhiễu tác Ďộng tới vòng ngoài của hệ thống.

1.3 Đặc tính và mô hình đối tƣợng quá trình nhiệt
Đặc tính Ďộng học của Ďối tƣợng Ďƣợc thể hiện trên Ďặc tính tần số hoặc Ďặc tính
thời gian, trong Ďó, Ďặc tính quá Ďộ (Ďáp ứng Ďối với xung bậc thang) phản ánh Ďầy
Ďủ và trực quan các Ďặc Ďiểm Ďộng học của Ďối tƣợng.
Điểm Ďặc trƣng của các Ďối tƣợng nhiệt là có trễ vận tải và có quán tính lớn. Do
có quán tính lớn và trễ vận tải nên hầu hết các Ďối tƣợng nhiệt cũng nhƣ hệ thống
Ďiều khiển tƣơng ứng là những bộ lọc tần số thấp [2].
Theo tính chất Ďộng học, tồn tại phổ biến hai lớp Ďối tƣợng Ďiều chỉnh công
nghiệp: lớp Ďối tƣợng tĩnh và lớp Ďối tƣợng phi tĩnh.
Đối tƣợng tĩnh có Ďặc tính quá Ďộ tiến tới giá trị hữu hạn, tức Ďặc tính quá Ďộ có

- 18 –


tiệm cận ngang Ďƣợc thể hiện trên hình 1.12-a. Khi triệt bỏ xung Ďầu vào, thì Ďại
lƣợng ra của nó quay trở về giá trị ban Ďầu.
Đối tƣợng phi tĩnh có Ďặc tính quá Ďộ tiến tới vô hạn và thƣờng có tiệm cận xiên
thể hiện trên hình 1.12-b, thể hiện qũi Ďạo tích phân. Khi triệt bỏ xung Ďầu vào, thì
Ďại lƣợng ra của nó dừng ở giá trị cuối cùng và không thể quay trở về giá trị ban
Ďầu.

Hình 1.12.

Dạng đặc tính quá độ đặc trưng của các đối tượng nhiệt

Trên hình 1.12, u0 thể hiện là xung tác Ďộng vào Ďầu vào Ďối tƣợng; y(t) là Ďáp
ứng ra của Ďối tƣợng theo thời gian t.
Trong thực tế, các Ďối tƣợng tĩnh có khả năng thiết lập trạng thái cân bằng tƣơng
ứng với Ďộ lớn của xung Ďầu vào, nên có tên gọi là Ďối tƣợng ―có tự cân bằng‖. Các
Ďối tƣợng Ďiều chỉnh nhiệt Ďộ, áp suất, lƣu lƣợng, v.v… là có tự cân bằng [2].
Các Ďối tƣợng phi tĩnh không có khả năng tự thiết lập trạng thái cân bằng (vì Ďáp
ứng quá Ďộ của nó tiến tới vô hạn) nên có tên gọi là Ďối tƣợng "không có tự cân
bằng". Ví dụ, các Ďối tƣợng Ďiều chỉnh mức chất lỏng thƣờng là những Ďối tƣợng
không có tự cân bằng [2]. Các Ďối tƣợng không có tự cân bằng thƣờng thể hiện trội
tính chất tích phân nên cũng thƣờng gọi là Ďối tƣợng tích phân. Các Ďối tƣợng nhiệt
có tự cân bằng có dạng phổ biến Ďƣợc thể hiện trên hình 1.13 [2].

Hình 1.13.

Các dạng đặc tính quá độ phổ biến của đối tượng nhiệt có tự cân
bằng

- 19 -


Trên hình 1.13-a, Ďƣờng cong quá Ďộ thể hiện Ďặc Ďiểm của Ďối tƣợng quán tính
bậc nhất có trễ, tạo bởi khâu quán tính bậc nhất mắc nối tiếp với khâu trễ.
Trên hình 1.13-b, Ďƣờng cong quá Ďộ có một Ďiểm uốn tại tu (Ďiểm dốc nhất) và
có hình dáng chữ S, nằm dịch về bên phải một khoảng , kể từ gốc toạ Ďộ. Đó là Ďặc
tính quá Ďộ của Ďối tƣợng quán tính bậc cao có trễ (thời gian trễ là , Ďƣợc hình
thành bởi mạch mắc nối tiếp một số khâu quán tính bậc nhất và một khâu trễ.
Vậy, Ďối tƣợng có tự cân bằng với các Ďặc tính quá Ďộ trên hình 1.13, có thể biểu
diễn bởi một khâu quán tính bậc n mắc nối tiếp với một khâu trễ. Hàm truyền của
chúng có dạng:
O cb ( s ) 

K
(1  T 1 s )( 1  T 2 s )...( 1  T n s )

e

 s

(1.1)

Trong Ďó:
K là hệ số truyền; τ là thời gian trễ
T1,T2,…,Tn là các hằng số quán tính, tƣơng ứng với các khâu quán tính bậc nhất
n là bậc quán tính, bằng số khâu quán tính bậc nhất hợp thành
Một số dạng Ďơn giản thƣờng dùng của mô hình công thức (1.1), nhƣ sau:
O cb ( s ) 

O cb ( s ) 

K
( T s  1)

n

e

 s

là khâu quán tính Ďồng nhất bậc n, có trễ

K
( T1 s  1) ( T 2 s  1)

e

 s

là khâu quán tính bậc 2, có trễ

Các Ďối tƣợng nhiệt không có tự cân bằng có dạng Ďặc tính quá Ďộ phổ biến thể
hiện trên hình 1.14.

Hình 1.14.

Các dạng đặc tính quá độ phổ biến của đối tượng nhiệt không có tự
cân bằng

Trên hình 1.14-a, Ďặc tính quá Ďộ bắt Ďầu thay Ďổi theo một Ďƣờng thẳng sau một
thời gian  nhất Ďịnh, kể từ thời Ďiểm xuất hiện xung Ďầu vào. Điều Ďó chứng tỏ Ďối
- 20 –


tƣợng là một khâu tích phân có trễ, tạo bởi khâu tích phân nối tiếp với khâu trễ.
Trên hình 1.14-b, Ďặc tính quá Ďộ bắt Ďầu thay Ďổi với tốc Ďộ tăng dần từ thời
Ďiểm xuất hiện xung Ďầu vào tới vô hạn, dịch về bên phải một khoảng  kể từ thời
Ďiểm xuất hiện xung Ďầu vào, tiến tới một Ďƣờng tiệm cận xiên. Đó là thể hiện của
Ďối tƣợng tích phân có quán tính.
Vậy, các Ďối tƣợng nhiệt không có tự cân bằng là một khâu tích phân có quán
tính và có trễ, có thể mô tả bởi mô hình:
Ot (s) 

K
s

q

1
(1  T1 s ) (1  T 2 s ) ...(1  T n s )

e

 s

(1.2)

Trong Ďó:
K là hệ số truyền

T1, T2,…, Tn là các hằng số quán tính
q là bậc tích phân (bậc phi tĩnh) của Ďối tƣợng, trong thực tế phổ biến trƣờng hợp
q=1
Mô hình (1.1) là trƣờng hợp riêng của (1.2) khi q = 0.
Vậy, có thể coi (1.2) là mô hình Ďặc trƣng của các Ďối tƣợng nhiệt [2]. Nó cho
phép mô tả cả ba Ďặc Ďiểm cơ bản của các Ďối tƣợng nhiệt bao gồm trễ vận tải, tính
chất quán tính và tính chất tích phân.

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu hệ điều khiển tầng
1.4.1 Dự trữ ổn định hệ thống điều khiển tầng
Để Ďơn giản hoá việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống Ďiều khiển thƣờng phải
chấp nhận hàng loạt các giải pháp xấp xỉ và tuyến tính hoá. Trong các mô hình xấp
xỉ tuyến tính thì các tham số, nhƣ hệ số khuyếch Ďại, hằng số quán tính, thời gian
trễ, v.v... của các khâu thƣờng có sai số cả về phƣơng pháp và kết quả Ďo Ďạc thực
tế. Mặt khác, các tính toán khảo sát thƣờng chỉ thực hiện Ďối với một số trƣờng hợp
Ďiển hình, bỏ qua sự thay Ďổi theo thời gian hoặc những sự thay Ďổi khác không
lƣờng trƣớc Ďƣợc. Vì vậy, mặc dù xác Ďịnh Ďƣợc rằng hệ tuyến tính hóa nhận Ďƣợc
là hệ ổn Ďịnh, ta chƣa thể tin tƣởng hoàn toàn rằng nó sẽ ổn Ďịnh khi Ďƣa vào hoạt
Ďộng, tức chƣa chắc chắn hệ sẽ nằm trong vùng ổn Ďịnh thực sự của nó. Việc xác
Ďịnh miền ổn Ďịnh thực của hệ thống theo mô hình chính xác nói chung là vấn Ďề rất
phức tạp, nhiều khi không thể thực hiện Ďƣợc. Do Ďó, trƣớc hết thƣờng tính toán
theo mô hình xấp xỉ tuyến tính, sau Ďó hiệu chỉnh lại lời giải trong một giới hạn hẹp
hơn trên cơ sở chỉnh lý theo một Ďại lƣợng dự phòng nhất Ďịnh gọi là dự trữ ổn
Ďịnh.
- 21 -


Dự trữ ổn Ďịnh của một hệ thống Ďiều khiển là khái niệm phản ánh mức Ďộ dự
phòng nhằm Ďảm bảo cho hệ thống ổn Ďịnh chắc chắn. Về mặt toán học, dự trữ ổn
Ďịnh là một Ďại lƣợng Ďảm bảo cho các nghiệm Ďặc tính của hệ thống nằm lùi về bên

trái trục ảo một khoảng nhất Ďịnh. Đại lƣợng dự trữ ổn Ďịnh có thể xác Ďịnh theo
nhiều cách khác nhau, phụ thuộc vào tiêu chuẩn ổn Ďịnh nào Ďƣợc sử dụng.
Một số tiêu chuẩn dự trữ ổn Ďịnh Ďƣợc sử dụng Ďể Ďánh giá dự trữ ổn Ďịnh của hệ
thống tầng Ďó là: Dự trữ ổn Ďịnh Pha và Biên Ďộ theo Ďƣờng cong Nyquist, dự trữ
ổn Ďịnh theo tiêu chuẩn Parabol, dự trữ ổn Ďịnh theo chỉ số dao Ďộng mềm.
1.4.1.1

Dự trữ ổn định pha và biên độ theo đường cong Nyquist

Theo tiêu chuẩn Nyquist [42], hệ kín sẽ có dự trữ ổn Ďịnh nếu Ďặc tính tần số
biên Ďộ pha của hệ hở (H(j)) không bao và nằm cách xa Ďiểm tới hạn một khoảng
nhất Ďịnh. Trên cơ sở kết luận Ďó, có khái niệm dự trữ ổn Ďịnh theo pha và theo biên
Ďộ (hình 1.15).
jQ

1

a

1

A



O

P

B

H(j)

Hình 1.15.

Ví dụ cách xác định dự trữ ổn định của hệ thống theo pha và biên độ

Giả sử Ďƣờng cong H(j) của hệ hở cắt trục thực tại A và cắt vòng tròn Ďơn vị tại
B. Khoảng cách từ Ďiểm (-1,j0) Ďến A càng lớn, nếu H(j) nằm càng lùi về bên
phải, do Ďó dự trữ ổn Ďinh của hệ kín càng tăng. Từ Ďó, a gọi là dự trữ biên Ďộ.
Góc pha  tạo bởi tia

OB

với phần âm trục thực (tính ngƣợc chiều kim Ďồng hồ)

càng lớn, nếu nếu H(j) nằm càng xa Ďiểm (-1,j0) về bên dƣới, do Ďó dự trữ ổn Ďinh
của hệ kín càng tăng. Từ Ďó,  gọi là dự trữ pha.
Khái niệm dự trữ pha và dự trữ biên Ďộ khá Ďơn giản và áp dụng có hiệu quả khi
Ďặc tính tần số của hệ hở có dáng Ďiệu uốn cong Ďều theo chiều kim Ďồng hồ hoặc
có sự uốn ngƣợc nhƣng không quá mạnh. Trong các trƣờng hợp phức tạp, các Ďại
lƣợng Ďánh giá trên có thể phản ánh sai về Ďộ dự trữ ổn Ďịnh của hệ thống.
- 22 –


1.4.1.2

Tiêu chuẩn dự trữ ổn định hệ thống theo chỉ số dao động mềm

tương ứng với miền đảm bảo chỉ số dao động mềm
Giả sử hệ hở có q nghiệm Ďặc tính nằm bên phải và n-q nghiệm nằm bên trái

Ďƣờng biên mềm Ďã cho. Tiêu chuẩn dự trữ ổn Ďịnh mềm [67] phát biểu nhƣ sau:
Điều kiện cần và đủ để hệ thống có dự trữ ổn định mềm cho trước, là đặc tính
mềm của hệ hở tương ứng bao điểm tới hạn (-1,j0) ngược chiều kim đồng hồ q/2
lần, khi =0.
Nếu hệ hở có dự trữ ổn Ďịnh mềm cho trƣớc có hệ quả sau:
Điều kiện cần và đủ để hệ kín bảo toàn độ dự trữ ổn định mềm của hệ hở là đặc
tính mềm của hệ hở không bao điểm (-1,j0) , khi  =0.
Ta thấy, qui tắc bao của Ďặc tính mềm xung quanh Ďiểm tới hạn hoàn toàn tƣơng
tự qui tắc bao của Ďặc tính tần số thông thƣờng xung quanh Ďiểm Ďó.
Ƣu Ďiểm của tiêu chuẩn dự trữ ổn Ďịnh theo chỉ số dao Ďộng mềm là có thể áp
dụng hiệu quả cho cả trƣờng hợp hệ có trễ vận tải, vì Ďặc tính mềm của hệ hở luôn
luôn hội tụ.
1.4.1.3

Dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol

Thuật toán kiểm tra sự bao của Ďƣờng cong quanh Ďiểm (1;j0) của tiêu chuẩn dự
trữ ổn Ďịnh mềm và dự trữ ổn Ďịnh theo phƣơng pháp Pha và Biên Ďộ theo Ďƣờng
cong Nyquist rất khó lập trình Ďể thực hiện tự Ďộng trên máy tính. Tiêu chuẩn dự trữ
ổn Ďịnh Parabol [68] có thể khắc phục nhƣợc Ďiểm Ďó.
Dự trữ ổn Ďịnh theo tiêu chuẩn Parabol có thể xét theo tung Ďộ của Ďiểm cắt giữa
Ďặc tính tần số biên Ďộ pha của hệ hở với Ďƣờng cong parabol P = Q21.
Giả sử hệ hở có q nghiệm Ďặc tính nằm bên phải và n-q nghiệm nằm bên trái
Ďƣờng biên mềm Ďã cho. Tiêu chuẩn dự trữ Parabol: Điều kiện cần và đủ để hệ kín
có độ dự trữ ổn định mềm cho trước là đặc tính mềm của hệ hở tương ứng cắt nửa
dương parabol với số điểm “cắt ra” lớn hơn số điểm “cắt vào” là q/2.
Hệ quả của tiêu chuẩn Parabol: Điều kiện cần và đủ để hệ kín bảo toàn độ dự trữ
ổn định mềm của hệ hở là số điểm “cắt ra” và số điểm “cắt vào” giữa đặc tính
mềm hệ hở và nhánh parabol dương, bằng nhau.
Điều kiện Ďủ của tiêu chuẩn dự trữ ổn Ďịnh parabol, nhƣ sau: Điều kiện đủ để hệ

kín có các nghiệm đặc tính nằm bên trái đường biên mềm cho trước (cũng như hệ
hở) là tung độ điểm “cắt vào” cao nhất giữa đặc tính mềm của hệ hở và parabol (P
= Q2 – 1) nhỏ hơn hoặc bằng không.

- 23 -


1.4.2 Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiều tầng
Những công trình nghiên cứu về hệ Ďiều khiển tầng Ďầu tiên nhƣ [43] Ďã Ďƣợc Ďề
cập từ năm 1990, và số lƣợng tăng nhanh trên các xuất bản khoa học ISI. Do tính
hữu dụng của nó trong các vấn Ďề Ďiều khiển, cấu trúc tầng cũng Ďƣợc nghiên cứu
một cách tổng quát, theo quan Ďiểm phƣơng pháp luận. Có hai cách tiếp cận tổng
quát hóa trong các nghiên cứu này. Mức tổng quát thấp, xử lí một vài kiểu ứng dụng
hay công nghệ cụ thể và nhằm tổng quát hóa trong tình huống của bài toán tƣơng
ứng, tiếp cận ở mức cao hơn nhằm Ďƣa ra lý thuyết chung có thể áp dụng cho mọi
ứng dụng hay công nghệ.
Tiếp cận tổng quát mức thấp hơn có thể phân loại nhƣ sau: Một là dạng Ďối
tƣợng cần Ďƣợc Ďiều khiển: ví dụ liên quan Ďến Ďối tƣợng nhiệt trong [5,33], liên
quan Ďến chƣng cất ví dụ [9, 18] ... Hƣớng khác gồm mảng thiết bị, ví dụ bình phản
ứng hóa học trong [26]. Thứ ba là các công nghệ cụ thể sử dụng Ďể thực thi hệ
thống Ďiều khiển ví dụ [15].
Tiếp cận tổng quát mức cao là sử dụng các phƣơng pháp Ďã Ďƣợc thừa nhận rộng
rãi Ďể tổng hợp các bộ Ďiều khiển:
 Cách tiếp cận theo cách chọn cấu trúc bộ Ďiều khiển dạng PID sau Ďó chọn
tham số.
 Cách tiếp cận dựa theo cấu trúc mô hình nội (IMC).
 Cách tiếp cận dựa trên Ďiều kiện ổn Ďịnh bền vững cho tất cả các vòng.
 Một số cách tiếp cận khác.
1.4.2.1

Cách tiếp cận theo cách chọn cấu trúc bộ điều khiển dạng PID

sau đó chọn tham số
Một trong những nghiên cứu theo hƣớng tiếp cận này là phƣơng pháp của
Ziegler-Nichols (ZN-2) [65]. Phƣơng pháp này của Ziegler-Nichols dựa trên cơ sở
các tham số Ďặc tính dao Ďộng tới hạn của hệ kín (Ďặc tính tần số) xác Ďịnh qua thực
nghiệm. Điều chỉnh hệ số khuếch Ďại của hệ thống Ďể Ďƣa vòng kín tới trạng thái
dao Ďộng xác lập.
Ƣu Ďiểm của phƣơng pháp dựa trên dao Ďộng tới hạn là các tham số Ďặc tính của
quá trình Ďƣợc xác Ďịnh trong vòng kín, nên có thể áp dụng Ďƣợc cho một dải rộng
quá trình công nghiệp, kể cả một số quá trình không ổn Ďịnh. Nhƣợc Ďiểm chính của
phƣơng pháp này bao gồm:

- 24 –