Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển đa biến đối tượng công nghiệp

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

VŨ VĂN LINH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN
ĐA BIẾN ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành : Điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS Nguyễn Huy Phương

Hà Nội – 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu thực sự của tôi. Ngoài các tài liệu đã
liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo, tôi đảm bảo không sao chép các công
trình hoặc thiết kế của người khác.
Hà Nội, ngày…… tháng…… năm 2015
Người thực hiện

Vũ Văn Linh


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................4
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH .................................5
1.1. Các khái niệm cơ bản trong điều khiển quá trình .............................................5
1.1.1. Quá trình và các biến quá trình ..................................................................5
1.1.2. Phân loại quá trình ......................................................................................6
1.1.3. Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình ..............................................7
1.1.4. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình .............................................8
1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình .................................10
1.2.1. Thiết bị đo ................................................................................................11
1.2.2. Thiết bị chấp hành ....................................................................................16
1.2.3. Thiết bị điều khiển ....................................................................................20
Chương 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH ĐA BIỂN ....................................................................................................21
2.1. Mục đích và ý nghĩa của việc xây dựng mô hình thí nghiệm....................21
2.2. Mô hình hóa đối tượng .................................................................................22
Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ..........................................28
3.1. Cách sách lược điều khiển đơn biến ...............................................................29
3.1.1. Sách lược điều khiển truyền thẳng ...........................................................29
3.1.2. Sách lược điều khiển tầng ........................................................................31
3.1.3. Sách lược điều khiển phản hồi .................................................................32
3.1.4. Sách lược điều khiển tỉ lệ .........................................................................34
3.2. Điều khiển đa biến ..........................................................................................34
3.2.1. Bộ điều khiển tập trung. ...........................................................................35
3.2.2. Bộ điều khiển phi tập trung ......................................................................42
3.3. Tính toán bộ điều khiển đa biến phi tập trung ................................................43
3.3.1.Ma trận hệ số tương tác(RGA) ..................................................................43
3.3.2. Điều khiển tách kênh ................................................................................47
Chương 4: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ......................51

KẾT LUẬN ..............................................................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................79

1


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Quá trình và phân loại biến quá trình

5

Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

11

Hình 1.3. Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo

11

Hình 1.4. Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp

12

Hình 1.5. Đáp ứng quá độ tiêu biểu một thiết bị đo

16

Hình 1.6. Cấu trúc một thiết bị chấp hành

17

Hình 1.7. Một số hình ảnh van điều khiển công nghiệp

17

Hình 1.8. Các đặc tính của dòng chảy cố hữu

18

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

19

Hình 2.1. Các biến quá trình của đối tượng bình trộn

22

Hình 2.2. Mô hình bình trộn

26

Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển truyền thẳng

29

Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển tầng

31

Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển phản hồi 1

33

Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển phản hồi 2

33

Hình 3.5. Cấu trúc bộ điều khiển đa biến tập trung

36

Hình 3.6. Cấu trúc hệ điều khiển ma trận DMC

38

Hình 3.7. Cấu trúc bộ điều khiển đa biến phi tập trung

43

Hình 3.8. Mô hình đa biến 2 đầu vào 2 đầu ra

44

Hình 3.9. Mô hình đa biến 2 đầu vào 2 đầu ra

47

Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc tách kênh hoàn toàn

48

Hình 4.1. Đáp ứng quá độ đầu vào ra hệ thống

58

Hình 4.2. Đáp ứng quá độ đầu vào L đến đầu ra XB

58

Hình 4.3. Đáp ứng quá độ đầu vào V đến đầu ra XB

59

Hình 4.4. Đáp ứng quá độ đầu vào L đến đầu ra XD

59

2


Hình 4.5. Đáp ứng quá độ đầu vào V đến đầu ra XB

60

Hình 4.6. Đáp ứng của nhiễu

60

Hình 4.7. Đáp ứng đầu vào F đến đầu ra XB

61

Hình 4.8. Đáp ứng đầu vào ZF đến đầu ra XB

61

Hình 4.9. Đáp ứng đầu vào F đến đầu ra XD

62

Hình 4.10. Đáp ứng đầu vào ZF đến đầu ra XD

62

Hình 4.11. Quá độ XD theo L

67

Hình 4.12. Quá độ XB theo V

70

Hình 4.13. Sơ đồ mô phỏng trên Simulink

70

Hình 4.14. Đáp ứng đầu ra XD, XB không có nhiễu

71

Hình 4.15. Sơ đồ mô phỏng có nhiễu tại 3s

71

Hình 4.16. Đáp ứng của XD, XB khi có nhiễu

72

Hình 4.17. Sơ đồ mô phỏng khi có khâu bù nhiễu

72

Hình 4.18. Đáp ứng của XB, XD khi có khâu bù nhiễu

73

Hình 4.19. Đáp ứng của khối bù D

73

Hình 4.20. Đáp ứng của hệ thống trên Simulink

76

3


LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, những ngành
công nghiệp như năng lượng và hóa chất là những ngành cần được ưu tiên chú trọng

đầu tư và phát triển cả về trang thiết bị và công nghệ. Và với xu thế tất yếu đó, lĩnh
vực điều khiển quá trình đã và đang chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động
hóa công nghiệp. Việc học tập và thực nghiệm về điều khiển quá trình thực sự là rất
cần thiết đối với các kỹ sư ngành điện - tự động hóa. Tuy nhiên, các hệ thống điều
khiển quá trình thường rất phức tạp và tốn kém, nên việc điều khiển các quá trình
công nghiệp thường gặp nhiều khó khăn. Từ nhu cầu thực nghiệm đó, tôi đã tìm
hiểu và thực hiện đề tài này.
Trong luận văn , tôi đã đi sâu tìm hiểu về điều khiển quá trình và thực hiện
đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển đa biến đối tượng công nghiệp”. Nội
dung luận văn chia làm 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình
Chương 2: Mô tả toán học một hệ thống điều khiển quá trình đa biến
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển đa biến
Chương 4: Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến
Để hoàn thành được luận văn trên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
thầy giáo TS Nguyễn Huy Phương, người luôn tận tình hướng dẫn chỉ bảo tôi
trong quá trình làm luận văn. Tuy nhiên do còn hạn chế của bản thân nên chắc chắn
luận văn của tôi còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp của thầy
cô để luận văn được hoàn chỉnh.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Người thực hiện

4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Các khái niệm cơ bản trong điều khiển quá trình
Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự
động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm
bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và
môi trường.
1.1.1. Quá trình và các biến quá trình
Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học, trong
đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. Quá
trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biển đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ
vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy
sản xuất năng lượng. Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện
qua các biến quá trình.

Hình 1.1. Quá trình và phân loại các biến quá trình.

5


Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên
ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt,
trạng thái đóng/mở của rơ-le sợi đốt,…
Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá
trình ra bên ngoài. Ví dụ: nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở
mức bình thường hay quá cao.
Biến cần điều khiển (controlled variable) là một biến ra hoặc một biến trạng
thái của quá trình điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay
giá trị đặt (set point) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command
variable/reference signal). Các biến điều khiển liên quan hệ trọng đến sự vận hành

ổn định, an toàn của hệ thống hoặc của chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, lưu
lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ
thống điều khiển quá trình. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có
thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị.„
Biến điều khiển (manipulated variable) là một biến vào của quá trình có thể
can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong
điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất.
Những biến thiên vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay
gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu. Nhiễu tác động
lên quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ
hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc
trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise). Nhiễu quá
trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng
không can thiệp được, ví dụ trọng lượng cần nâng, thành phần nhiên liệu,… Còn
nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo
được.
1.1.2. Phân loại quá trình
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác
nhau:

6


 Phân loại dựa trên số lượng biến vào và biến ra : Một quá trình chỉ có
một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì
được gọi là quá trình đa biến. Hầu hết quá trình công nghệ đều đa biến.
 Phân loại dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra
hoặc biến trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình
thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc, quá trình
mẻ.

1.1.3. Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình
 Quy mô ứng dụng: Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực
điều khiển quá trình có quy mô vừa và lớn. Quy mô ở đây có thể được
hiểu theo hai nghĩa, quy mô về phạm vi chức năng điều khiển cần thực
hiện và quy mô về mặt tổ chức sản xuất.
 Chức năng điều khiển: Bài toán điều chỉnh là chức năng tiêu biểu và
quan trọng nhất trong một hệ thống điều khiển quá trình. Các đại lượng
cần quan tâm trong một quá trình công nghệ trước hết là các biến liên tục
và tương tự, đặt ra các yêu cầu đặc trưng cho khả năng chuyển đổi và xử
lý tín hiệu của các thiết bị đo, điều khiển và chấp hành. Việc thực thi
đồng thời nhiều vòng điều chỉnh cùng các chức năng điều khiển khác đặt
ra các yêu cầu về khả năng đáp ứng tính thời gian thực của hệ thống.
Phần lớn các đại lượng đặc trưng của quá trình công nghệ diễn biến
tương đối chậm nên các phương pháp điều khiển không cần yêu cầu cao
về thời gian thực nhưng phải là các phương pháp rất tin cậy và đã được
kiểm chứng nhiều trong thực tế.
 Yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng. Yêu cầu cao về độ tin cậy
làm tăng chi phí đầu tư cho giải pháp điều khiển, mặc dù vậy chi phí này
chỉ chiếm một phần nhỏ so với cả hệ thống thiết bị cơ - điện và thiết bị
công nghệ.
 Khả năng vận hành và điều khiển của quá trình: Khả năng vận hành của
một quá trình công nghệ liên quan tới thiết kế công nghệ và các điều kiện
ràng buộc liên quan. Giới hạn vật lý của các trang thiết bị cũng như

7


những quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng là những trở ngại không
nhỏ trong việc thực hiện giải pháp điều khiển. Đặc biệt, các quá trình
công nghệ hiện đại thường được thiết kế tối ưu về mặt an toàn, tiết kiệm

năng lượng và chi phí đầu tư, nhưng lại gây khó khăn cho việc thiết kế
điều khiển.
 Mô hình không chính xác: Các quá trình công nghệ đều là các đối tượng
MIMO, chứa đựng nhiều quan hệ vật lý, hóa học hoặc sinh học rất phức
tạp nên việc xây dựng mô hình toán học gặp rất nhiều khó khăn. Việc
tiến hành thực nghiệm cũng không phải dễ dàng do liên quan tới vận
hành hệ thống lớn và chi phí rất tốn kém. Do vậy các mô hình toán học
nếu có được thì thường chỉ là gần đúng vì đã bỏ qua rất nhiều yếu tố
động học và các yếu tố khác.
1.1.4. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình
Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người
kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện
nhằm đạt được các mục đích đó. Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều
khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau
đây:
 Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt
động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn
tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài
tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện.
Tại sao việc vận hành ổn định một quá trình lại có vai trò quan trọng như
vậy?
Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng vật chất
hoặc năng lượng, dẫn đến đảm bảo yêu cầu về chế độ làm việc của các
thiết bị. Thứ hai, hệ thống vận hành ổn định đồng nghĩa với tín hiệu điều
khển được giữ cố định hoặc ít thay đổi. Vì vậy, các thiết bị chấp hành ít
phải làm việc hoặc ít phải thay đổi chế độ làm việc, tuổi thọ máy móc

8

được kéo dài. Thứ 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 ít phải can thiệp và việc vận hành hệ
thống trở nên thuận tiện, an toàn hơn.
 Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự
cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường
trong trường hợp sự cố.
Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như: mức,
nhiệt độ, áp suất, nằm trong một giới hạn an toàn cho phép. Do đặc thù
của mỗi quá trình công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên
quan trực tiếp đến chất lượng sản phẩm nhưng cũng cần phải được khống
chế để giữ ổn định tại một giá trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm
vi nhất định. Tuy nhiên nguy cơ xảy ra lỗi ngay cả ở những hệ thống
thiết bị tự động tối tân nhất không phải không có nên vai trò theo dõi,
giám sát trạng thái hoạt động hệ thống thiết bị của con người một cách
thường xuyên là rất quan trọng.
 Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản
xuất theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng
sản phẩm trong phạm vi yêu cầu..
Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản
phẩm. Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, các biến quá trình không những
phải được duy trì ổn định tại một giá trị bất kỳ mà còn phải được điều
chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong một phạm vi cho
trước. Theo đó, diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một
trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng.
 Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu
cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích
ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường.

9

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. Thông 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. Cùng với việc lựa
chọn điểm làm việc tối ưu thì chất lượng điều khiển tốt nhất sẽ mang lại
hiệu quả kinh tế cao nhất.
 Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ
khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng
bụi khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu.
Mức độ ô nhiễm môi trường của một nhà máy một phần liên quan tới các
thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng nhưng một phần không nhỏ thuộc
trách nhiệm của hệ thống điều khiển. Việc giảm thiểu hoặc ít nhất duy trì
các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ
thuộc vào chức năng điều chỉnh và chức năng vận hành.
1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình
Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa nhưng chúng đều dựa
trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển:

10


Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình.
1.2.1. Thiết bị đo
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một
nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm
biến (sensor) và chuyển đổi đo (tranducer).

Hình 1.3. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo.

Một cảm biến (sensor) có chức năng chuyển đổi một đại lượng vật lý (ví dụ
như nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, nồng độ) sang một tín hiệu khác, thông

11


thường là điện hoặc khí nén… Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là một bộ
chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn ví dụ như 1-10V, 0-20mA, 420mA, RS485, tín hiệu bus trường…, trong số đó tín hiệu 4-20mA là thông dụng
nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày
càng chiếm ưu thế.

Hình 1.4. Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp.
Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào các yếu
tố đặc tính vận hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học:
 Đặc tính vận hành bao gồm các chi tiết về khả năng đo, chi tiết vận hành
và tác động môi trường.
 Đặc tính tĩnh liên quan tới độ chính xác của một thiết bị đo trong điều
kiện phòng làm việc với đại lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất
chậm. Thực chất, thiết bị đo cũng là một khâu động học, vì vậy đặc tính
tĩnh phản ánh quan hệ giữa đại lượng đo đầu vào và tín hiệu đầu ra ở
trạng thái xác lập.
 Đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào và tín hiệu
ra theo thời gian, liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại
lượng đo thay đổi nhanh.
a. Đặc tính vận hành
 Phạm vi đo và dải đo:

12

Phạm vi đo (range) là phạm vi giá trị danh định của đại lượng đo mà một
thiết bị đo được sử dụng theo quy định, được xác định bởi giới hạn trên
và giới hạn dưới. Giới hạn dưới còn được gọi là điểm không.
Dải đo (span) là khoảng cách giữa giới hạn trên và giới hạn dưới của
phạm vi đo.
 Độ phân giải (resolution):
Khi giá trị của một biến đo biến thiên liên tục trong phạm vi đo, một số
thiết bị đo cho tín hiệu ra thay đổi một cách rời rạc thay vì liên tục. Khi
đó một bước thay đổi của tín hiệu ra chính là độ phân giải của thiết bị
đo. Khi kích cỡ các bước thay đổi không cố định thì bước thay đổi lớn
nhất được gọi là độ phân giải cực đại.
 Độ tin cậy:
Độ tin cậy (reliability) của một thiết bị đo là xác suất mà thiết bị hoạt
động tốt qua một khoảng thời gian trong một số điều kiện quy định
chuẩn. Các điều kiện tin cậy bao gồm giới hạn môi trường làm việc, độ
vượt phạm vi và độ lệch đầu ra cho phép. Giới hạn quá phạm vi là độ quá
phạm vi tối đa một thiết bị đo chịu đựng được mà không dẫn tới hư hỏng
hoặc thay đổi đặc tính đo một cách vĩnh viễn.
 Tác động của môi trường:
Điều kiện làm việc của một thiết bị đo bao gồm nhiệt độ và áp suất bên
ngoài, áp suất dòng chảy, cá trường điện từ, gia tốc, độ rung và vị trí lắp
đặt.
Giới hạn làm việc là phạm vi các điều kiện làm việc mà không gây ra hư
hỏng thiết bị.
b. Đặc tính tĩnh
 Sai số và độ chính xác:
Sai số đo là sai lệch giữa giá trị quan sát được với giá trị thực của đại
lượng đo. Sai số đo thường gồm hai thành phần là sai số ngẫu nhiên và
sai số hệ thống. Sai số ngẫu nhiên do đặc tính bất định của thiết bị hoặc

13


do tác động của nhiễu tức thời. Sai số hệ thống có nguyên nhân từ các
đặc tính vận hành và tính phi tuyến của thiết bị.
Độ chính xác là mức độ phù hợp của đầu ra của một thiết bị đo với giá trị
thực của đại lượng đo xác định bởi một số tiêu chuẩn, đước đánh giá
thông qua thử nghiệm với một quy trình đặc biệt trong điều kiện quy
chuẩn.
 Dải chết và độ trễ:
Dải chết của một thiết bị đo là thay đổi nhỏ nhất của đại lượng đo theo
chiều ngược lại mà thiết bị đo có thể đáp ứng với tín hiệu đầu ra thay đổi.
Dải chết còn được gọi là ngưỡng nhạy.
Độ trễ là sự khác nhau trong đáp ứng ra với cùng thay đổi đầu vào nhưng
theo hai chiều khác nhau.
 Tính trung thực và khả năng tái tạo:
Tính trung thực hay còn gọi là khả năng lặp lại của một thiết bị đo là độ
lệch lớn nhất của giá trị quan sát được sau nhiều lần lặp lại so với giá trị
trung bình của một đại lượng đo.
Khả năng tái tạo được xác định là khoảng cách lớn nhất giữa các đầu ra
cho cùng một đầu vào, thử nghiệm trong một khoảng thời gian dài với
các giá trị đo biến thiên theo cả hai chiều. Khả năng tái tạo bao hàm khả
năng lặp lại, dải chết, độ trễ và độ trôi.
 Độ tuyến tính:
Một thiết bị đo lý tưởng cho tín hiệu ra tuyến tính với đại lượng đo đầu
vào, tức độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị đại lượng đo và chiều tăng
giảm của đại lượng đo cho toàn phạm vi đo. Quan hệ vào-ra của một
thiết bị đo tuyến tính được thể hiện qua phương trình đặc tuyến:
y = km (x - xmin) + ymin = kmx + yo

(1.1)

Trong đó:
x

: Đại lượng đo

y

: Tín hiệu đo

km

: Độ nhạy

xmin

: Điểm không

14


ymin

: Điểm không của tín hiệu đo

Độ nhạy hay hệ số khuếch đại tĩnh của một thiết bị đo tại một giá trị đo
là tỉ lệ giữa thay đổi tín hiệu ra và thay đổi đại lượng đầu vào tương ứng
ở trạng thái xác lập.
Thực tế, bất cứ một thiết bị đo nào cũng là phi tuyến. Các hiện tượng phi

tuyến bao gồm độ nhạy biến thiên, độ trễ và dải chết. Tuy nhiên ở một
chừng mực nào đó, trong một dải làm việc nào đó người ta có thể coi đặc
tính của một thiết bị đo là tuyến tính. Mức độ gần với đặc tính tuyến tính
lý tưởng được gọi là độ tuyến tính.
c. Đặc tính động học
Khi giá trị đại lượng đo ít thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tín hiệu đo chỉ
phụ thuộc vào giá trị đầu vào và ta chỉ cần quan tâm tới đặc tính tĩnh của thiết bị đo.
Tuy nhiên, tín hiệu đầu ra sẽ không thể đáp ứng ngay với sự thay đổi tương đối
nhanh của đại lượng đo. Quan hệ phụ thuộc của tín hiệu đầu ra vào cả đại lượng đo
và biến thiên thời gian được gọi là đặc tính động học của thiết bị đo.
Đặc tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể biểu diễn bằng một khâu
quán tính bậc nhất:
Gm ( s) 

km
1 s

(1.2)

Hoặc một khâu bậc hai ổn định:

Gm ( s) 

km
  2 s  s 2
2

(1.3)

Nếu hằng số thời gian τ rất nhỏ so với hằng số thời gian của quá trình công nghệ,

tức là phép đo có động học nhanh hơn nhiều so với động học của quá trình, ta có thể
bỏ qua quán tính của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo như một khâu khuếch
đại thuần túy. Ngược lại nếu hằng số thời gian này không nhỏ hơn nhiều hằng số
thời gian của quá trình thì phải đưa mô hình động học của thiết bị đo vào mô hình
quá trình hoặc vẫn chỉ sử dụng mô hình tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gây ra
là nhiễu đo.

15


Hình 1.5. Đáp ứng quá độ tiêu biểu của một thiết bị đo.
Thời gian đáp ứng của thiết bị đo là thời gian mà tín hiệu ra của đáp ứng quá
độ lần đầu tiên đạt được một tỷ lệ phần trăm theo quy định so với giá trị xác lập,
thông thường là 95%-98%. Thời gian đáp ứng càng nhỏ, động học của thiết bị càng
nhanh và sai số động của phép đo càng nhỏ.
1.2.2. Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) có
chức năng can thiệp tới biến điều khiển theo tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển.
Thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển được gọi là phần tử điều khiển
(control element). Phần tử điều khiển được truyền năng lượng, truyền động từ cơ
cấu chấp hành (actuator). Thông qua thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có
thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. Trong các hệ thống điều khiển
quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng vì thế van điều khiển là thiết bị
chấp hành tiêu biểu và quan trọng nhất.

16


a. Cấu trúc cơ bản của van điều khiển
Van điều khiển là thiết bị chấp hành cho phép điều chỉnh lưu lượng của một

lưu chất qua đường ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển. Một van điều khiển bao
gồm thân van được ghép nối với một cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên
quan.

Hình 1.6. Cấu trúc của một thiết bị chấp hành.
Phần thân van cùng với các phụ kiện được gắn vào đường ống, đóng vai trò
là phần tử điều khiển. Độ mở van và lưu lượng qua van được xác định bởi hình
dạng và vị trí chốt van.
Phần lớn van điều khiển trong công nghiệp được cấp nguồn khí nén, song
một số nguồn năng lượng khác như điện, điện tử hoặc thủy lực cũng có thể được sử
dụng.

Hình 1.7. Một số hình ảnh van điều khiển công nghiệp.

17


b. Đặc tính dòng chảy
Đặc tính dòng chảy của van là quan hệ giữa lưu lượng qua van và độ mở van
ở trạng thái xác lập khi xét độ mở van thay đổi từ 0 đến 100% giá trị danh định, bao
gồm đặc tính dòng chảy cố hữu và đặc tính dòng chảy lắp đặt.
Đặc tính dòng chảy cố hữu của van là quan hệ tĩnh giữa lưu lượng qua van và độ
mở van trong điều kiện áp suất sụt qua van không đổi. Đặc tính cố hữu của van chỉ
phụ thuộc vào kích cỡ van và thiết kế chốt van. Đối với chất lỏng ở chế độ chảy
dòng ta có công thức:
F  Cv f ( p)

P
, f ( p)  F / Fmax
gs

(1.4)

Trong đó:
F

: Lưu lượng thể tích của chất lỏng qua van

P

: Áp suất sụt qua van

Cv

: Hệ số cỡ van

gs

: Trọng lượng riêng của chất lỏng

f(p)

: Phần lưu lượng ở độ mở van p so với lưu lượng tối đa

Dựa vào hàm f(p) người ta phân biệt các loại đặc tính dòng chảy sau:
 Đặc tính tuyến tính (Linear, f = p): Khi P cố định, lưu lượng qua van tỉ
lệ tuyến tính với độ mở van.
 Đặc tính mở nhanh (Quick Opening, f 

p ): Khi P cố định, lưu

lượng qua van tỉ lệ tuyến tính với căn bậc hai của độ mở van.
 Đặc tính phần trăm bằng nhau (Equal Percentage, f   p1 ): Khi P cố
định, độ mở van tăng lên cùng một lượng thì lưu lượng qua van tăng lên
với một tỉ lệ phần trăm bằng nhau so với giá trị hiện tại. thông thường α
có giá trị từ 20 đến 50.
Hệ số khuếch đại cố hữu của van là tỉ lệ giữa lưu lượng qua van và độ mở van khi
áp suất qua van không đổi. Khi độ mở van tăng lên thì hệ số khuếch đại cố hữu của
van mở nhanh giảm dần, van phần trăm bằng nhau tăng dần và của van tuyến tính
không thay đổi.

18


Hình 1.8. Các đặc tính dòng chảy cố hữu.
Đặc tính dòng chảy lắp đặt là đặc tính thực tế khi van được lắp đặt, nghĩa là còn
phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác gây thay đổi sụt áp qua van.
c. Đặc tính động học
Mô hình động học của van điều khiển có thể đưa về một khâu quán tính bậc
nhất:

Gv ( s) 

k
F ( s)
 v
u ( s)  v s  1

(1.5)

Việc xác định hệ số khuếch đại kv và hằng số thời gian τv của van có thể tiến hành
từ thực nghiệm. Hằng số thời gian τv của van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp
hành, thông thường τv có giá trị khoảng một vài giây, đối với van cỡ lớn có thể tới
10-15 giây. Nếu van được định cỡ tốt thì ta có thể coi kv là hằng số trong toàn dải
làm việc. Tuy nhiên, trong trường hợp bản thân quá trình có tính phi tuyến mạnh ta
có thể tính toán sao cho tính phi tuyến của van bù lại tính phi tuyến của quá trình,
có nghĩa là tích hệ số khuếch đại của van và hệ số khuếch đại của quá trình gần như
không đổi.

19


1.2.3. Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là một thiết bị tự động thực hiện chức
năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp.

Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của thiết bị điều khiển.
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách lược điều khiển
được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu
điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành.
Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, các thiết bị
điều khiển có thể chia làm 3 loại: thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển số
và thiết bị điều khiển logic.

20


Chương 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
QUÁ TRÌNH ĐA BIỂN
2.1. Mục đích và ý nghĩa của việc xây dựng mô hình thí nghiệm

Ngày nay, điều khiển quá trình đã và đang giữ một vị trí quan trọng trong các
ngành công nghiệp hóa chất, công nghệ thực phẩm… quyết định đến việc đảm bảo
cho các dây chuyền sản xuất đạt được năng suất và chất lượng mong muốn. Do đó
việc học tập và thực nghiệm về điều khiển quá trình trong nhà trường là rất cần
thiết. Tuy nhiên, các hệ thống điều khiển quá trình thường rất lớn, phức tạp và tốn
kém, việc thực nghiệm trong nhà trường thường gặp nhiều khó khăn. Việc xây dựng
ra mô hình bàn thí nghiệm sẽ giúp cho người thiêt kế có điều kiện được thực hành,
kiểm nghiệm lại các lý thuyết đã được học .
Với mô hình bàn thí nghiệm, chúng ta có cơ hội được thấy và tìm hiểu các
thiết bị trong thực tế như cảm biến, van điều khiển, van động cơ… cũng như hiểu
được nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển và sự kết nối trong toàn hệ thống.
Đồng thời mô hình thí nghiệm giúp cho ta nắm được các bước tiến hành trong quá
trình thực nghiệm tương ứng với quá trình làm việc trong thực tế sản xuất như: khảo
sát đặc tính thực nghiệm của đối tượng điều khiển từ đó lựa chọn các phương pháp
điều khiển và hiệu chỉnh các tham số bộ điều khiển.
Trong thực tế, các quá trình thường tồn tại với dạng mô hình đa biến
(MIMO), có nghĩa là có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Khi đó, vấn đề nảy sinh là
việc thay đổi một đầu vào sẽ có thể ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ các đầu ra khiến
cho việc điều khiển gặp rất nhiều khó khăn. Để hạn chế những ảnh hưởng đó (còn
gọi là sự xen kênh), ta cần nghiên cứu một sách lược điều khiển mới, có tác dụng
làm giảm sự xen kênh khiến cho việc điều khiển đa biến trở nên dễ dàng hơn. Đó
chính là sách lược điều khiển sử dụng bộ decoupler (bộ tách kênh). Với mô hình thí
nghiệm điều khiển quá trình đa biến, chúng ta có điều kiện để nghiên cứu các quá
trình phức tạp, tìm hiểu và áp dụng các thuật toán tách kênh mới.

21


2.2. Mô hình hóa đối tượng
Đối tượng nghiên cứu của chúng ta là bình trộn với các biến vào ra được thể hiện

như hình vẽ :
Nhieu
T1

T2

F1

T3

Binh tron
F2

h (level)

Bien dieu
khien

Bien can
dieu khien
F3
Nhieu

Hình 2.1. Các biến quá trình của đối tượng bình trộn.
Từ mô hình trên ta thấy, đối tượng bình trộn có các biến quá trình như sau:
Biến điều khiển:


F1: lưu lượng nước nóng chảy vào bình (ml/s).



F2: lưu lượng nước lạnh chảy vào bình (ml/s).

Biến cần điều khiển:


T3: nhiệt độ nước ấm ra khỏi bình (oC).



h: mức nước trong bình trộn (cm).

Nhiễu quá trình:


T1: nhiệt độ nước nóng từ bình nóng lạnh (oC).



T2: nhiệt độ nước lạnh từ nguồn nước ( nhiệt độ môi trường ) (oC).



F3: lưu lượng nước ấm ra khỏi bình trộn (ml/s).

Các phương trình cân bằng:
 Phương trình cân bằng khối lượng:

22

(3.1)
2

Với A là diện tích đáy bình (cm )
 Phương trình cân bằng nhiệt:

Thế (3.1) vào phương trình trên ta có

(3.2)
Đối tượng thực tế trong mô hình là rất phức tạp nên để đơn giản trong đồ án
này ta dùng phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.
Phương trình (3.1) được viết dưới dạng sau :
̇
Biến đổi Laplace:

(3.3)

Từ phương trình (3.2) thực hiện khai triển chuỗi Taylor :

23