Xây dựng thư viện các mô hình đối tượng của quá trình công nghệ phục vụ nghiên cứu và giảng dạy

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

TÁC GIẢ
Nguyễn Ngọc Thắng

TÊN ĐỀ TÀI
Xây dưng thư viện các mô hình đối tượng của quá trình
xây dựng phục vụ nghiên cứu và giảng dạy

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Nguyễn Huy Phương

Hà Nội, năm 2011

-1-


Luận văn cao học

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ............................................................ 4
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH............. 11
1.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................... 11
1.1.1. Quá trình và quá trình kỹ thuật .......................................................... 11
1.1.2. Biến quá trình ...................................................................................... 12
1.1.3. Khái niệm điều khiển quá trình .......................................................... 12

1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình .......................... 13
1.2.1. Thiết bị đo ............................................................................................ 14
1.2.2. Thiết bị điều khiển ............................................................................... 14
1.2.3. Thiết bị chấp hành ............................................................................... 15
1.3. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình ............................................ 16
1.4. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình.................................................. 16
1.4.1. Giao diện quá trình .............................................................................. 17
1.4.2. Điều khiển cơ sở .................................................................................. 17
1.4.3. Điều khiển vận hành và giám sát ....................................................... 18
1.4.4. Điều khiển cao cấp .............................................................................. 18
1.5. Các bƣớc phát triển hệ thống ...................................................................... 18
CHƢƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC .......................................................... 21
2.1. Mô hình hóa lý thuyết .................................................................................. 21
2.1.1. Tổng quan các bước tiến hành ........................................................... 21
2.1.2. Nhận biết các biến quá trình ............................................................... 23
2.1.3. Những định luật cơ sở áp dụng cho việc mô hình hóa ...................... 23
2.1.4. Phân tích bậc tự do của mô hình ........................................................ 32
2.2. Mô hình hóa một số quá trình ..................................................................... 33
2.2.1. Các hệ thống tích trữ chất lỏng .......................................................... 33
2.2.1.1. Hệ thống một bình mức............................................................... 33
2.2.1.2. Hệ thống hai bình mức tương tác ................................................ 36
2.2.2. Các quá trình pha trộn ........................................................................ 37
2.2.3. Các quá trình truyền nhiệt .................................................................. 39
2.2.3.1. Truyền nhiệt thông qua cuộn gia nhiệt bằng hơi nước ............... 39
2.2.3.2. Truyền nhiệt thông qua jacket ...................................................... 41

1


Luận văn cao học

2.2.4. Các quá trình phản ứng hóa học ........................................................ 42
2.2.4.1. Phản ứng đẳng nhiệt ..................................................................... 43
2.2.4.2. Phản ứng cân bằng ....................................................................... 44
2.2.4.3. Chuỗi các phản ứng ....................................................................... 45
2.2.4.4. Phản ứng không đẳng nhiệt........................................................... 46
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG THƢ VIỆN MÔ HÌNH CÁC QUÁ TRÌNH ............. 49
3.1. Giới thiệu về S-Function .............................................................................. 49
3.1.1. Những phương pháp xây dựng S-Function ..................................... 50
3.1.2. Cấu trúc cơ bản của một chương trình viết bằng C-MEX
S- Function ............................................................................................. 51
3.1.3. Những phương thức gọi hàm S-Function.......................................... 54
3.2. Xây dựng thƣ viện ........................................................................................ 56
3.2.1. Các hệ thống tích trữ chất lỏng .......................................................... 56
3.2.1.1. Hệ thống một bình mức một đầu vào ........................................ 56
3.2.1.2. Hệ thống một bình mức hai đầu vào ......................................... 59
3.2.1.3. Hệ thống hai bình mức tương tác ............................................... 60
3.2.2. Các quá trình pha trộn ........................................................................ 63
3.2.3. Các quá trình truyền nhiệt .................................................................. 65
3.2.3.1. Truyền nhiệt thông qua cuộn gia nhiệt bằng hơi nước .............. 65
3.2.3.1.1. Thể tích bình không đổi ......................................................... 65
3.2.3.1.2. Thể tích bình thay đổi ............................................................. 66
3.2.3.2. Truyền nhiệt thông qua jacket ...................................................... 69
3.2.4. Các quá trình phản ứng hóa học ........................................................ 71
3.2.4.1. Phản ứng đẳng nhiệt ..................................................................... 71
3.2.4.2. Phản ứng cân bằng ........................................................................ 73
3.2.4.3. Chuỗi các phản ứng ....................................................................... 75
3.2.4.4. Phản ứng không đẳng nhiệt........................................................... 77
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, KIỂM NGHIỆM CÁC MÔ HÌNH
QUÁ TRÌNH ............................................................................................................. 81
4.1. Các hệ thống tích trữ chất lỏng ................................................................... 81

4.1.1. Hệ thống một bình mức một đầu vào ................................................. 81
4.1.2. Hệ thống hai bình mức tương tác ....................................................... 83
4.2. Các quá trình pha trộn ................................................................................. 86
4.3. Các quá trình truyền nhiệt .......................................................................... 88
4.4. Các quá trình phản ứng hóa học ................................................................. 91
4.4.1. Phản ứng đẳng nhiệt ........................................................................... 91

2


Luận văn cao học
4.4.2. Phản ứng cân bằng .............................................................................. 93
4.4.3. Chuỗi các phản ứng ............................................................................. 96
4.4.4. Phản ứng không đẳng nhiệt................................................................. 98
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 103
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 104

3


Luận văn cao học

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
Hình 1.1. Quá trình và phân loại biến quá trình .......................................................... 11
Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình ............................. 13
Hình 1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình .................. 13
Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo ............................................................ 14
Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển................................................ 14
Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành ................................................ 15

Hình 1.7. Sơ đồ phân cấp chức năng điều khiển quá trình ......................................... 16
Hình 1.8. Sơ đồ các bước phát triển hệ thống ............................................................. 19
Hình 2.1. Hệ thống một bình mức............................................................................... 33
Hình 2.2. Hệ thống hai bình mức tương tác ................................................................ 36
Hình 2.3. Hệ thống pha trộn được khuấy đều ............................................................. 37
Hình 2.4. Hệ thống gia nhiệt thông qua cuộn gia nhiệt bằng hơi nước ...................... 39
Hình 2.5. Hệ thống làm mát bằng bình jacket ............................................................ 41
Hình 2.6. Quá trình phản ứng đẳng nhiệt bậc nhất ..................................................... 43
Hình 3.1. Hệ thống một bình mức một đầu vào một đầu ra........................................ 57
Hình 3.2. Khối Simulink Single Tank ......................................................................... 57
Hình 3.3. Tham số khối Single Tank .......................................................................... 58
Hình 3.4. Hệ thống một bình mức hai đầu vào một đầu ra ......................................... 59
Hình 3.5. Khối Simulink Single Tank 2 ...................................................................... 59
Hình 3.6. Tham số khối Single Tank 2 ....................................................................... 60
Hình 3.7. Hệ thống hai bình mức ................................................................................ 61
Hình 3.8. Khối Simulink Two Tanks .......................................................................... 61
Hình 3.9. Tham số khối Two Tanks............................................................................ 62
Hình 3.10. Hệ thống pha trộn được khuấy đều ........................................................... 63

4


Luận văn cao học
Hình 3.11. Khối Simulink Blending Tank .................................................................. 63
Hình 3.12. Tham số khối Blending-Tank .................................................................. 64
Hình 3.13. Hệ thống gia nhiệt bằng hơi nước giữ V=const ........................................ 65
Hình 3.14. Khối Simulink Steam-Heating Tank V=const .......................................... 65
Hình 3.15. Tham số khối Steam-Heating Tank V=const ............................................ 66
Hình 3.16. Khối Simulink Steam-Heating Tank thể tích thay đổi .............................. 67
Hình 3.17. Tham số khối Steam-Heating Tank với thể tích thay đổi ......................... 68

Hình 3.18. Hệ thống làm mát bằng jacket giữ V=const .............................................. 69
Hình 3.19. Khối Simulink Cooling Jacket .................................................................. 69
Hình 3.20. Tham số khối Cooling Jacket .................................................................... 70
Hình 3.21. Quá trình phản ứng hóa học ...................................................................... 71
Hình 3.22. Khối Simulink Isothermal First-Order Reaction ....................................... 71
Hình 3.23. Tham số khối First-Order Reaction .......................................................... 72
Hình 3.24. Khối Simulink Equilibrium Reaction ....................................................... 73
Hình 3.25. Tham số khối Equilibrium Reaction ......................................................... 74
Hình 3.26. Khối Simulink Consecutive Reaction ....................................................... 75
Hình 3.27. Tham số khối Consecutive Reaction ......................................................... 76
Hình 3.28. Khối Simulink Non-Isothermal Reaction Cooling ................................... 77
Hình 3.29.Tham số khối Non-Isothermal Reaction Cooling ...................................... 78
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống một bình mức một đầu vào ............... 82
Hình 4.2. Đáp ứng mức nước h(m) ............................................................................. 82
Hình 4.3. Lưu lượng vào(m3/s)................................................................................... 82
Hình 4.4. Lưu lượng ra(m3/s) ..................................................................................... 83
Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống hai bình mức tương tác ..................... 84
Hình 4.6. Đáp ứng mức nước

(m) ........................................................................... 85

Hình 4.7. Đáp ứng mức nước

(m) ........................................................................... 85

5


Luận văn cao học
Hình 4.8. Lưu lượng vào

(m3/s).............................................................................. 85

Hình 4.9. Lưu lượng

(m3/s) .................................................................................... 85

Hình 4.10. Lưu lượng

(m3/s) .................................................................................. 85

Hình 4.11. Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình khuấy trộn ................................ 87
Hình 4.12. Thành phần chất sau khi pha trộn ............................................................. 87
Hình 4.13. Lưu lượng vào

(kg/s) ............................................................................ 88

Hình 4.14. Lưu lượng vào

(kg/s) ............................................................................ 88

Hình 4.15. Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình truyền nhiệt .............................. 90
Hình 4.16. Đáp ứng thể tích (m3) ............................................................................. 90
Hình 4.17. Đáp ứng nhiệt độ (K) .............................................................................. 90
Hình 4.18. Đáp ứng lưu lượng vào(m3/s) ................................................................... 91
Hình 4.19. Đáp ứng lưu lượng ra(m3/s) ...................................................................... 91
Hình 4.20. Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình phản ứng đẳng nhiệt................. 92
Hình 4.21. Nồng độ chất A(kg/m3) ............................................................................ 93
Hình 4.22. Nồng độ chất B(kg/m3)............................................................................. 93
Hình 4.23. Lưu lượng vào(m3/s)................................................................................. 93

Hình 4.24. Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình phản ứng cân bằng ................... 95
Hình 4.25. Nồng độ chất A(kg/m3) ............................................................................ 95
Hình 4.26. Nồng độ chất B(kg/m3)............................................................................. 95
Hình 4.27. Lưu lượng vào(m3/s)................................................................................. 95
Hình 4.28. Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình chuỗi các phản ứng .................. 97
Hình 4.29. Nồng độ chất A(kg/m3) ............................................................................ 98
Hình 4.30. Nồng độ chất B (kg/m3)............................................................................ 98
Hình 4.31. Nồng độ chất C (kg/m3)............................................................................ 98
Hình 4.32. Lưu lượng vào(m3/s)................................................................................. 98
Hình 4.33. Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình phản ứng không đẳng nhiệt.... 100

6


Luận văn cao học
Hình 4.34. Nồng độ chất A(kg/m3) .......................................................................... 100
Hình 4.35. Nhiệt độ dung dịch T(K) ......................................................................... 100
Hình 4.36. Lưu lượng vào(m3/s)............................................................................... 101
Bảng 3.1. Các phương thức gọi hàm ........................................................................... 54
Bảng 3.2. Thư viện mô hình các quá trình và các tham số của nó.............................. 79

7


Luận văn cao học

MỞ ĐẦU

1.

Tính cần thiết của đề tài
Điều khiển quá trình là một lĩnh vực mà áp dụng lý thuyết điều khiển tự động

một cách triệt để, giải quyết rất nhiều vấn đề đặt ra trong quá trình từ nguyên liệu
đầu vào tới sản phẩm đầu ra, liên quan tới chất lượng sản phẩm, an toàn cho người
và máy móc….Do đó điều khiển quá trình là một môn học không thể thiếu đối với
một kỹ sư làm việc liên quan tới quá trình công nghệ.
Trong khoảng 40 năm trở lại, thế giới đã chứng kiến sự phát triển nhảy vọt của
khoa học kĩ thuật. Từ những chiếc đèn bán dẫn thô sơ cồng kềnh đã biến thành
những con chíp bán dẫn tích hợp số lượng transitor vô cùng lớn với khả năng tính
toán ngày càng siêu việt.
Với khả năng tăng trưởng chóng mặt về mặt công nghệ cũng như năng lực tính
toán của các thiết bị điện tử tích hợp đã làm thay đổi khá nhiều về tư duy cũng như
mở ra nhiều hướng phát triển mới. Điều khiển tự động là ngành đã gắn chặt với xu
hướng phát triển này với rất nhiều các phương pháp mới được nghiên cứu và triển
khai dựa trên những thành tựu về công nghệ này.
Hiện nay trên thế giới đã và đang nghiên cứu và phát triển các lý thuyết điều
khiển mới mà không cần biết chính xác mô hình. Tuy nhiên, các sách lược điều
khiển dựa trên mô hình vẫn là đóng một vai trò vô cùng lớn và chưa thể thay thế
được do những ưu điểm của nó như tính minh bạch và nhất quán. Mô hình có thể
không hoàn toàn chính xác do rất nhiều yếu tố ngoại cảnh nhưng vẫn là một công cụ
quan trọng trong việc nghiên cứu, đào tạo vận hành….Chính vì vậy việc mô hình
hóa mô phỏng quá trình là rất quan trọng. Do đó đề tài “Xây dựng thư viện các mô
hình đối tượng của quá trình công nghệ phục vụ nghiên cứu và giảng dạy” là rất
cần thiết trong thực tiễn thiếu thốn điều kiện thí nghiệm quá trình như ở nước ta.

8


Luận văn cao học

Lịch sử nghiên cứu

2.

Việc xây dựng các mô hình đã được làm từ khá sớm với khá nhiều bộ phần
mềm thương mại. Tuy nhiên việc xây dựng một bộ toolbox trên Matlab thì vẫn còn
chưa nhiều hoặc chưa được phổ biến. Ở Việt Nam, toolbox này đã được anh
Nghiêm Xuân Trường xây dựng khá thành công với các mô hình về đối tượng bình
mức tại phòng thí nghiệm bộ môn Điều Khiển Tự Động-Đại học Bách Khoa Hà
Nội.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

3.

Mục tiêu của đề tài là tạo ra một bộ công cụ (toolbox) hay thư viện mô hình
các quá trình tiêu biểu và thường gặp nhất trong điều khiển quá trình. Luận văn
cũng là một nguồn tham khảo hữu ích cho việc phát triển tiếp thư viện với các
hướng và phương pháp nghiên cứu của tác giả. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
nhắm vào các quá trình cơ bản giúp sinh viên hiểu rõ bản chất của môn học. Có thể
liệt kê ra ở đây là các quá trình mức, truyền nhiệt, khuấy trộn và các dạng phản ứng
hóa học.
Nội dung chính của luận văn

4.

Để giải quyết nội dung của đề tài, luận văn gồm 4 chương:
-

Chƣơng 1:Tổng quan chung về điều khiển quá trình
Giới thiệu một cách tổng quát các khái niệm và cấu trúc một hệ thống điều

khiển quá trình

-

Chƣơng 2: Các mô hình toán học
Đề cập tới phương pháp mô hình hóa lý thuyết và xây dựng mô hình toán
học cho các quá trình được mô hình hóa

-

Chƣơng 3: Xây dựng thƣ viện các mô hình quá trình
Mô tả các khối đã được xây dựng

-

Chƣơng 4: Mô phỏng, tính toán,kiểm nghiệm các mô hình quá trình

9


Luận văn cao học
Tính toán, mô phỏng và kiểm nghiệm kết quả
Tác giả luận văn đã xây dựng được một thư viện khá đầy đủ các quá trình cơ
bản nhất trong môn học điều khiển quá trình. Điều này giúp sinh viên có thể nắm rõ
được môn học với việc áp dụng các sách lược điều khiển và tính toán bộ điều khiển
dựa trên mô hình.
5.

Phƣơng pháp nghiên cứu
Tác giả đã tham khảo một số tài liệu trong nước cũng như nước ngoài để có

cái nhìn tổng quan về điều khiển quá trình và tầm quan trọng của khâu mô hình hóa
trong điều khiển. Dựa trên các tài liệu tham khảo, tác giả đã chắt lọc được các quá
trình cơ bản nhất trong môn học điều khiển tự động giúp sinh viên dễ dàng nắm
được và hiểu rõ về quá trình. Việc xây dựng mô hình dựa trên các mô hình toán học
thu được, tham khảo toolbox đã được xây dựng của tác giả Nghiêm Xuân Trường
và nghiên cứu phần Developing S-Function trong phần help của bộ phần mềm
Matlab phiên bản 2010.

10


Luận văn cao học

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1.1.

Các khái niệm cơ bản

1.1.1. Quá trình và quá trình kỹ thuật

Hình 1.1. Quá trình và phân loại biến quá trình
 Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh 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 tới biến 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.

 Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo
hoặc được can thiệp. Khi nói tới quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình
công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị
chấp hành.

11


Luận văn cao học
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại dựa theo nhiều quan điểm khác
nhau:
 Dựa theo số lượng biến vào ra: Quá trình đơn biến với chỉ một biến ra và quá
trình đa biến với nhiều biến ra.
 Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng
thái tiêu biểu), ta có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá
trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ
1.1.2. Biến quá trình
 Biến cần điều khiển: Biến ra, đại lượng hệ trọng tới sự vận hành an toàn, ổn
định hoặc chất lượng sản phẩm, cần được duy trì tại một giá trị đặt, hoặc bám
theo một tín hiệu chủ đạo.
 Biến điều khiển: Biến vào can thiệp được theo ý muốn để tác động tới đại
lượng cần điều khiển
 Nhiễu: Biến vào không can thiệp được bao gồm:
o Nhiễu quá trình
 Nhiễu đầu vào: biến thiên các thông số đầu vào (lưu lượng,
nhiệt độ hoặc thành phần nguyên liệu, nhiên liệu)
 Nhiễu tải: thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng dòng
chảy, áp suất hơi nước,…)
 Nhiễu ngoại sinh: nhiệt độ, áp suất bên ngoài,…
o Nhiễu đo, nhiễu tạp

1.1.3. Khái niệm điều khiển quá trình
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.

12


Luận văn cao học

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, các hệ thống điều khiển

quá trình công nghiệp có thể đơn giản tới tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa
trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển.
Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một
cách trực quan với sơ đồ khối trên Hình 1.3

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

Hình 1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

13


Luận văn cao học
1.2.1. Thiết bị đo

Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo
Chức năng của 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 2 thành phần cơ bản là cảm biến (sensor)
và chuyển đổi đo (transducer). Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận
đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. Để có thể
truyền đi xa và sử dụng được trong các thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín
hiệu ra từ cảm biến phải cần được khuếch đại, điều hòa và chuyển sang một dạng
thích hợp. Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà
cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu
bus trường…). Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 420mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công
nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế.
1.2.2. Thiết bị điều khiển

Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển

14


Luận văn cao học
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.
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc 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, một
thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều
khiển logic hoặc thiết bị điều khiển số.
1.2.3. Thiết bị chấp hành

Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực
hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong
công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm, quạt gió. Thông qua các thiết bị
chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ
thuật.
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu
dẫn động và phần tử chấp hành. Cơ cấu dẫn động có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều
khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhiệt), trong khi phần tử chấp hành can thiệp trực
tiếp vào biến điều khiển.

15


Luận văn cao học

1.3.

Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

 Đảm bảo hệ thống vận hành 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.
 Đảm bảo năng suất và chất lƣợng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản
phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản
phẩm trong phạm vi yêu cầu
 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 xảy ra sự cố.

 Bảo vệ môi trƣờng: 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 và
khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu.
 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.
1.4.

Phân cấp chức năng điều khiển quá trình

Hình 1.7. Sơ đồ phân cấp chức năng điều khiển quá trình

16


Luận văn cao học
1.4.1. Giao diện quá trình
Cấp giao diện quá trình bao gồm các chức năng đo lường, chuyển đổi/truyền
tín hiệu cấp trường, hiện thị, ghi chép giá trị tại chỗ, đóng/cắt, truyền động và bảo
vệ. Nếu so sánh với mô hình phân cấp tự động hóa thì giao diện quá trình tương ứng
với cấp cảm biến-chấp hành hoặc một phần của cấp trường. Đây thực ra không là
những chức năng điều khiển, tuy nhiên không thể thiếu được trong hệ thống điều
khiển quá trình.
1.4.2. Điều khiển cơ sở
Điều khiển cơ sở là điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng
thái cụ thể của thiết bị hoặc quá trình. Chức năng điều khiển cơ sở có thể do các bộ
điều khiển thực hiện một cách tự động hoặc do người vận hành trực tiếp đảm
nhiệm. Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá
trình bao gồm điều chỉnh, điều khiển rời rạc và điều khiển trình tự:
 Điều chỉnh

o Điều chỉnh tự động
o Điều chỉnh bằng tay
 Điều khiển rời rạc
o Điều khiển thiết bị
o Điều khiển liên động
 Điều khiển trình tự
o Khởi động và dừng hệ thống
o Điều khiển phối hợp
o Điều khiển theo mẻ
 Điều khiển an toàn
o Khóa liên động an toàn

17


Luận văn cao học
1.4.3. Điều khiển vận hành và giám sát
Một hệ thống điều khiển hiện đại không chỉ dừng lại ở mức điều khiển tự động,
mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát. Khác với điều khiển tự
động, điều khiển vận hành và giám sát có sự tham gia, can thiệp trực tiếp của con
người để thực hiện việc vận hành hệ thống được hiệu quả hơn. Các chức năng điều
khiển giám sát tiêu biểu:
 Thu thập và quản lý dữ liệu
 Giao diện người máy HMI
 Cảnh báo và báo động
 Giám sát và chuẩn đoán
 Lập báo cáo tự động
1.4.4. Điều khiển cao cấp
Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là một chức năng điều khiển tự động
nhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với các tín hiệu

vào/ra quá trình. Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo giá trị đặt hoặc
can thiệp vào các tham số điều khiển cơ sở. Thông thường, chức năng điều khiển
cao cấp được đặt phía trên hoặc cùng cấp với chức năng vận hành, giám sát. Một hệ
thống điều khiển quá trình có thể cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp như:
 Điều khiển công thức và quản lý mẻ
 Điều khiển chất lượng, điều khiển thống kê
 Tối ưu hóa quá trình, điều khiển tối ưu hóa thời gian thực.
1.5.

Các bƣớc phát triển hệ thống

Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phân
tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành. Sơ đồ dưới đây miêu tả một
cách khái quát các bước phát triển hệ thống.

18


Luận văn cao học

Các mục đích điều
khiển cơ bản

1.Phân tích chức
năng hệ thống

Yêu cầu và mô tả
công nghệ

2.Xây dựng mô

hình quá trình

Dữ liệu vận hành
thực tế

Các định luật vật lý
và hóa học
Lý thuyết mô hình
hóa và mô phỏng

Lý thuyết điều
khiển tự động

3.Thiết kế cấu
trúc điều khiển

4.Thiết kế thuật
toán điều khiển

Công nghệ hệ
thống điều khiển

5.Lựa chọn giải
pháp hệ thống

Công nghệ phần
mềm công nghiệp

6.Phát triển phần
mềm ứng dụng

Kinh nghiệm từ các
dự án khác

Thông tin, hỗ trợ từ
nhà cung cấp

7.Chỉnh định và đưa
vào vận hành

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hình 1.8. Sơ đồ các bước phát triển hệ thống
Từ sơ đồ phát triển hệ thống ta nhận thấy việc thiết kế hệ thống dựa trên cơ
sở mô hình đóng một vai trò cực kỳ quan trọng. Các mô hình có thể được sử dụng:

19


Luận văn cao học
 Hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ: Các mô hình động học và mô phỏng
máy tính cho phép nghiên cứu các hành vi quá độ mà không có nhiễu quá
trình. Mô phỏng máy tính giúp ta thu được các thông tin giá trị về hành vi
động học và xác lập của quá trình trước khi xây dựng đối tượng.
 Đào tạo người vận hành: Những bộ phần mềm mô phỏng quá trình đóng
một vai trò cực kỳ quan trọng đối với việc đào tạo đội ngũ lao động vận hành
những đơn vị máy móc phức tạp và giải quyết các tình huống khẩn cấp. Bằng
cách giao diện một bộ phần mềm mô phỏng với thiết bị điều khiển quá trình
tiêu chuẩn, ta có thể tạo ra môi trường đào tạo mang tính thực hành.
 Triển khai một sách lược điều khiển cho một quá trình mới: Một mô hình

động học quá trình cho phép nhiều sách lược điều khiển có thể thực thi. Ví
dụ, một mô hình động học có thể giúp nhận diện các biến quá trình được
điều khiển và biến quá trình được thao tác. Việc điều khiển dựa trên mô hình
là một phần không thể thiếu trong các luật điều khiển.
 Tối ưu hóa điều kiện hoạt động quá trình: Một mô hình rất có ích để tính
toán lại các điều kiện hoạt động tối ưu theo chu kì sao cho tối đa lợi ích và
tối thiểu chi phí. Một mô hình trạng thái xác lập và các thông tin kinh tế
được sử dụng để xác định điều kiện hoạt động có lợi nhất.
Vì vậy, với nội dung yêu cầu của luận văn, chương hai ta sẽ tiến hành phân tích
và xây dựng mô hình toán học của một số quá trình dựa trên phương pháp mô hình
hóa lý thuyết.

20


Luận văn cao học

CHƢƠNG 2

CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC

Mô hình toán học với là dạng biểu diễn mô hình dưới ngôn ngữ của toán học như
phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái.
Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng
thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác. Các mô hình có
thể được phân loại vào ba nhóm dựa vào cách chúng thu được. Mô hình hóa lý
thuyết triển khai dựa trên các nguyên lý hóa học, vật lý và sinh học. Mô hình hóa
thực nghiệm thu được bằng cách gán mô hình phù hợp với dữ liệu thu được. Cuối
cùng là mô hình hóa bán thực nghiệm là sự kết hợp của hai phương pháp mô hình
hóa trên. Với yêu cầu của đề tài là xây dựng thư viện mô hình các quá trình, ta sẽ

tiến hành phân tích và xây dựng mô hình cho thư viện dựa trên phương pháp mô
hình hóa lý thuyết.
2.1.

Mô hình hóa lý thuyết

2.1.1. Tổng quan các bƣớc tiến hành
Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết hay còn học là mô
hình hóa cơ sở đi từ việc áp dụng các định luật cơ bản của vật lý, hóa học và sinh
học kết hợp với thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ để tìm ra quan hệ giữa các
đại lượng đặc trưng của quá trình. Mô hình lý thuyết nhận được là một hệ phương
trình vi phân (thường là đạo hàm riêng) và phương trình đại số. Phương trình vi
phân biểu diễn đặc tính động học của quá trình, trong khi các phương trình đại số
mô tả các quan hệ phụ thuộc khác. Từ các phương trình này ta có thể dẫn xuất các
dạng mô hình khác. Công việc xây dựng mô hình lý thuyết bao gồm các bước chính
sau:

21


Luận văn cao học
Phân tích bài toán mô hình hóa:
 Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mô hình, từ đó
xác định mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng.
 Phân chia thành các quá trình con
 Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hóa mô
hình.
 Nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình.
Xây dựng các phƣơng trình mô hình
 Nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống

 Viết các phương trình cân bằng và các phương trình đại số khác dựa trên cơ
sở các định luật bảo toàn, định luật nhiệt động học, vận chuyển, cân bằng
pha,…
 Đơn giản hóa mô hình bằng cách thay thế, rút gọn và đưa về dạng phương
trình vi phân chuẩn tắc.
 Tính toán các tham số của mô hình dựa trên các thông số công nghệ đã
được đặc tả.
Kiểm chứng mô hình
 Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng các biến quá trình và số
lượng các quan hệ phụ thuộc.
 Phân tích khả năng giải được của mô hình, khả năng điều khiển được
 Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các
tính chất của mô hình kết hợp mô phỏng máy tính.
Phát triển mô hình
 Phân tích các đặc tính của mô hình
 Chuyển đổi mô hình về các dạng thích hợp tùy theo mục đích sử dụng
 Mô phỏng, so sánh mô hình tuyến tính hóa với mô hình phi tuyến ban đầu

22


Luận văn cao học
 Thực hiện chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và
thiết kế điều khiển.
2.1.2. Nhận biết các biến quá trình
Các biến đặc trưng cho quá trình kỹ thuật hay gọi tắt là các biến quá trình
bao gồm biến cần điều khiển, biến điều khiển và nhiễu. Xây dựng mô hình lý
thuyết tức là tìm cách mô tả đặc tính của quá trình thông qua quan hệ toán học giữa
các biến quá trình với sự hỗ trợ của các tham số quá trình (tham số công nghệ).
Mặc dù cả biến quá trình và tham số quá trình đều xuất hiện trong các phương trình

mô hình, sự phân biệt giữa chúng là điều cần thiết. Khi ta nói tới biến quá trình tức
là ta nói tới những đại lượng đặc trưng của quá trình, sự thay đổi của chúng phản
ánh thực trạng diễn biến của quá trình. Trong khi đó, các tham số quá trình không
được thực sự coi là biến, bởi hoặc chúng không thay đổi trong một quá trình và thiết
bị công nghệ hoặc sự thay đổi không phản ánh trạng thái diễn biến của quá trình.
Các tham số của mô hình sau này được tính toán từ tham số quá trình. Do đó những
việc cần làm:
 Phân biệt giữa tham số công nghệ và biến quá trình
 Nhận biết các biến ra cần điều khiển theo mục đích điều khiển: thường là áp
suất, nồng độ, mức.
 Nhận biết các biến điều khiển tiềm năng: thường là lưu lượng, công suất
nhiệt (can thiệp được qua van điều khiển, qua thay đổi điện áp…)
 Các biến nhiễu quá trình.
2.1.3. Những định luật cơ sở áp dụng cho việc mô hình hóa
Phƣơng trình cân bằng vật chất
Định luật bảo toàn vật chất áp dụng cho một hệ động học được thể hiện qua
phương trình cân bằng toàn phần:
∑

23

∑


Luận văn cao học
trong đó

lượng tích lũy bên trong hệ thống.
lưu lượng các dòng vào hệ thống.
lưu lượng các dòng ra khỏi hệ thống.

Phương trình cân bằng thành phần (viết cho từng cấu tử j trong hỗn hợp):

Với một quá trình bao gồm n cấu tử, ta có thể viết tối n+1 phương trình cân bằng
vật chất nhưng chỉ có n phương trình độc lập với nhau.
Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng
Định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho một hệ nhiệt động học, hay còn
được gọi là định luật thứ nhất của hệ nhiệt động lực học được diễn đạt như sau:

{

}

{

}

{

}

{

Năng lượng toàn phần của một hệ nhiệt động học
thế năng

}

{

, bao gồm nội năng

}

,

, và động năng

Trong nhiều quá trình nhiệt, thế năng và động năng cũng như công sinh ra có
thể coi là không đáng kể so với nội năng và nhiệt lượng, vì thế có thể bỏ qua. Lúc
này phương trình (3.19) có thể viết đơn giản thành
∑

∑

trong đó:
UI
win
wout
hin

nội năng của hệ thống (J)
lưu lượng khối lượng dòng vào hệ thống (kg/s, hoặc kg/phút)
lưu lượng khối lượng dòng ra khỏi hệ thống (kg/s, hoặc kg/phút)
enthalpy của dòng vào (tính trên đơn vị khối lượng, J/kg)

24