Nghiên cứu phân tích hệ điều khiển quá trình đa biến( Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG KIM THOA

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH ĐA BIẾN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và
nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã
nêu trong phần tài liệu tham khảo.
Tác giả luận văn

HOÀNG KIM THOA

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

LỜI NÓI ĐẦU
Trong giai đoạn phát triển ngày nay, điều khiển quá trình đã và đang giữ một vị trí
quan trọng trong các ngành công nghiệp dầu khí, 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.

Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp
đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm bảo đảm các yêu cầu của quá
trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu suất sản
xuất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Như vậy việc nghiên cứu
và thực nghiệm về điều khiển quá trình là rất cần thiết. Tuy nhiên, các hệ điều
khiển quá trình thường rất tốn kém nên việc thực nghiệm gặp nhiều khó khăn.
Trong phạm vi luận văn với đề tài: “ Nghiên cứu phân tích hệ điều khiển
quá trình đa biến” tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề cơ bản của quá trình đa
biến điều khiển mức và nhiệt độ.
Sau thời gian nghiên cứu được sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS BÙI
QUỐC KHÁNH, cùng các cán bộ nhân viên trong trung tâm ứng dụng công
nghệ cao, đề tài của tôi đã được hoàn thiện. Do thời gian nghiên cứu nghắn và
khả năng còn hạn chế, đề tài của tôi còn nhiều thiếu sót rất mong được sự đóng
góp của các thầy cô và các bạn học viên.

Thái nguyên, ngày

tháng

năm 2014

Ngƣời thực hiện

Hoàng Kim Thoa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... i
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................iii
PHẦN MỞ ĐẦU ..............................................................................................................xii
MỤC LỤC .........................................................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................................xi
Chƣơng 1: LÝ THUYẾT CHUNG CỦA HỆ ĐA BIẾN ................................................ 1
1.1. Điều khiển quá trình là gì? .................................................................................... 1
1.1.1. Các khái niệm trong điều khiển quá trình ......................................................... 1
1.1.2. Phân loại quá trình............................................................................................. 2
1.1.3. Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình..................................................... 3
1.1.4. Mục đích của điều khiển quá trình ................................................................... 4
1.2. Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến. ........................................ 6
Chƣơng 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN .................................. 10
2.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển quá trình............................................. 10
2.2. Thiết bị đo ............................................................................................................. 10
2.3. Thiết bị chấp hành................................................................................................ 11
2.4. Thiết bị điều khiển................................................................................................ 13
2.5. Mô hình toán học các đối tƣợng.......................................................................... 14
2.5.1. Đối tượng bình trộn........................................................................................ 14
2.5.2. Các đối tượng khác ......................................................................................... 17
2.6. Các vòng điều khiển ............................................................................................. 18
2.7. Lý thuyết bộ tách kênh ........................................................................................ 18

Chƣơng 3: GIỚI THIỆU BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH .......... 22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3.1. Cấu trúc phần cứng.............................................................................................. 22
3.1.1. Cấu trúc mô hình ............................................................................................ 22
3.1.2. Thiết bị chấp hành.......................................................................................... 23
3.1.3. Thiết bị đo........................................................................................................ 25
3.1.4. Bộ điều khiển AC800M.................................................................................... 28
3.1.5. Các thiết bị khác.............................................................................................. 34
3.1.6. Phân cổng vào/ra. Bảng đấu dây và sơ đồ đấu dây........................................ 35
3.1.7. Hình ảnh tổng quan mô hình thí nghiệm......................................................... 43
3.2. Phần mềm và thiết kế giao diện .......................................................................... 44
3.2.1. Giới thiệu chung .............................................................................................. 44
3.2.2. Thiết kế giao diện ............................................................................................ 50
3.3. Nhận dạng đối tƣợng của điều khiển quá trình................................................. 52
Chƣơng 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỀN BẰNG PHẦN MỀM
MATLAP.......................................................................................................................... 56
4.1. Tính toán bộ điều khiển cho các vòng điều khiển đa biến................................ 56
4.1.1. Mô phỏng hệ thống khi chưa có bộ tách kênh ................................................ 56
4.1.2. Tính toán bộ tách kênh .................................................................................... 61
4.1.3. Mô phỏng hệ thống khi đã có bộ tách kênh .................................................... 62
CHƢƠNG 5: THÍ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ ĐỂ KIỂM CHỨNG ........................ 67
5.1. Quá trình khởi động............................................................................................. 67
5.2. Thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ T3 ................................................................... 68
5.3. Thay đổi giá trị đặt của mức Level ..................................................................... 69
5.4. Thay đổi giá trị đặt của van CV3........................................................................ 70
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 74

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Quá trình và phân loại các biến quá trình. ................................................ 1
Hình 1.2: Nguyên lý điều khiển pha trộn.................................................................. 6
Hình 1.3: Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến...................................................... 7
Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình........................................... 10
Hình 2.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình. .................... 10
Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo. ....................................................... 11
Hình 2.4:Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành.............................................. 12
Hình 2.5: Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành............................................. 12
Hình 2.6: Một số hình ảnh về van điều khiển trong công nghiệp.......................... 13
Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển. .......................................... 13
Hình 2.8: Xác định biến quá trình của đối tượng bình trộn. ................................... 14
Hình 2.9: Xây dựng mô hình toán học của bình trộn trên Matlab. ......................... 16
Hình 2.10: Mô hình hệ đa biến MIMO 2 đầu vào, 2 đầu ra.................................... 19
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý bộ tách kênh. .............................................................. 19
Hình 3.1. Cấu trúc tổng quan mô hình .................................................................... 22
Hình 3.2. Hình dáng và cấu trúc bên trong của van điều khiển ECV–250B–4X. .. 23
Hình 3.3. Hình ảnh thực tế của van từ. ................................................................... 24
Hình 3.4. Hình ảnh thực tế về Rơle MY4N của hãng OMRON............................. 25
Hình 3.5. Hình ảnh và kích thước của cảm biến mức............................................. 26
Hình 3.6. Sơ đồ đấu nối các dây của cảm biến với bộ điều khiển. ......................... 26
Hình 3.7. Hình ảnh thiết bị đo nhiệt........................................................................ 27
Hình 3.8. Hình ảnh lưu lượng kế FLR6302D của hãng OMEGA. ......................... 27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 3.9. Sơ đồ chức năng các chân của thiết bị đo mức. ...................................... 28
Hình 3.10. Các thành phần của bộ điều khiển AC800M. ....................................... 29
Hình 3.11. Hình ảnh của khối đầu ra số DO810. .................................................... 31
Hình 3.12. Hình ảnh của khối đầu ra tương tự AO801........................................... 32
Hình 3.13. Hình ảnh của khối đầu vào tương tự AO810. ....................................... 33
Hình 3.14. Hình ảnh tổng thể của bộ điều khiển ghép nối với các khối vào ra. ..... 33
Hình 3.27. Hình ảnh và kích thước của khối nguồn SD823. .................................. 34
Hình 3.28. Sơ đồ đấu dây trong mô hình thí nghiệm. ............................................. 39
Hình 3.29. Tổng quan mô hình thí nghiệm thực tế. ................................................ 43
Hình 3.15. Cách tạo một Project mới trên Control Builder M................................ 45
Hình 3.16. Giao diện của phần mềm Control Builder M........................................ 46
Hình 3.18. Cấu trúc lập trình cho bộ điều khiển. .................................................... 47
Hình 3.19. Cài đặt thông số cho Trend Display trên Trend Template.................... 48
Hình 3.20. Đồ thị xu hướng Trend Display. ........................................................... 49
Hình 3.21. Giao diện của phần mềm Eplant. .......................................................... 50
Hình 3.22. Giao diện của phần mềm Visual Basic ................................................. 51
Hình 3.23. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới mức L ..................................... 52
Hình 3.24. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới mức L ...................................... 53
Hình 3.25. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới nhiệt độ T3 .............................. 54
Hình 3.26. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới nhiệt độ T3 ............................. 55
Hình 4.1. Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử dụng phương
pháp tối ưu. ............................................................................................. 56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 4.2. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh
sử dụng phương pháp tối ưu ................................................................... 57

Hình 4.3. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử
dụng phương pháp tối ưu........................................................................ 57
Hình 4.4. Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử dụng phương
pháp tổng hợp trực tiếp ........................................................................... 58
Hình 4.5. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh
sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS.......................................... 58
Hình 4.6. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử
dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS .............................................. 59
Hình 4.7. Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử dụng phương pháp
IMC ......................................................................................................... 59
Hình 4.8. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử
dụng phương pháp IMC ........................................................................... 60
Hình 4.9. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử dụng
phương pháp IMC .................................................................................... 60
Hình 4.10. Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp
tối ưu........................................................................................................ 62
Hình 4.11. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng
phương pháp tối ưu .................................................................................. 63
Hình 4.12. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng
phương pháp tối ưu .................................................................................. 63
Hình 4.13. Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương
pháp tổng hợp trực tiếp DS..................................................................... 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 4.14. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử
dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS .............................................. 64
Hình 4.15. Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng

phương pháp tổng hợp trực tiếp DS ....................................................... 65
Hình 4.16. Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương
pháp IMC ................................................................................................ 65
Hình 4.17. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử
dụng phương pháp IMC.......................................................................... 66
Hình 4.18.Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng
phương pháp IMC................................................................................... 66
Hình 5.1. Quá trình khởi động khi chưa có bộ tách kênh. ...................................... 67
Hình 5.2. Quá trình khởi động khi đã có bộ tách kênh. .......................................... 68
Hình 5.3. Thay đổi giá trị lượng đặt T3 khi chưa có bộ tách kênh. ........................ 68
Hình 5.4. Thay đổi giá trị lượng đặt T3 khi có bộ tách kênh.................................. 69
Hình 5.5. Thay đổi giá trị lượng đặt mức L khi chưa có bộ tách kênh. .................. 69
Hình 5.6. Thay đổi giá trị lượng đặt mức L khi đã có bộ tách kênh....................... 70
Hình 5.7.Thay đổi giá trị lượng đặt lưu lượng đầu ra khi chưa có bộ tách kênh.... 70
Hình 5.8. Thay đổi giá trị lượng đặt lưu lượng đầu ra khi đã có bộ tách kênh....... 71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Chức năng của các dây trong van điều khiển..................................................... 24
Bảng 3.2. Các thông số kỹ thuật của bộ nguồn SD823. .................................................... 29
Bảng 3.3. Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển. ......................................................... 30
Bảng 3.4. Bảng thống kê số lượng đầu vào/ra của bộ điều khiển. .................................... 30
Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật của modul DO810. .............................................................. 31
Bảng 3.6. Thông số kỹ thuật của AO801 .......................................................................... 32
Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật khối đầu vào tương tự AI810. ............................................. 33
Bảng 3.8. Bảng phân cổng vào ra cho các tín hiệu. .......................................................... 35
Bảng 3.9. Bảng đấu dây cho các cầu nối........................................................................... 36

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tên Tiếng Anh

Tên Tiếng Việt

MV

Manual Valve

Van tay

CV

Control Valve

Van điều khiển

PV

Proportioning Valve

Van tỉ lệ

SV

Solenoid Valve

Van từ

LT

Level Transmister

Thiết bị đo mức

TT

Temperature Transmister

Thiết bị đo nhiệt

FT

Flow Transmister

Thiết bị đo lưu lượng

PI

Pump In

Bơm đầu vào

PO

Pump Out

Bơm đầu ra

DS

Driect Synthesis

Tổng hợp trực tiếp

IMC

Internal Model Control

Điều khiển mô hình nội

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Điều khiển mức và nhiệt độ đã được biết đến trong công nghệ Điều khiển Quá
trình đa biến.VD như: lưu lương mức- nhiệt độ,mức- nồng độ,
Trong công nghiệp có rất nhiều quá trình đa biến khi thiết kế hệ điều khiển ta
thiết lập các mạch vòng điều khiển và coi các mạch vòng đó độc lập với nhau gọi là hệ
nhiều mạch vòng đơn biến. Tuy nhiên trong thực tế các mạch vòng lại tác đông qua lại
với nhau gây ảnh hưởng đến quá trình điều khiển ảnh hưởng đến năng suất cũng như

chất lượng sản phẩm.
Vì vậy vấn đề nghiên cứu phân tích hệ điều khiển quá trình đa biến để chỉnh định
lại hệ đa biến trong thực tế là hết sức cấp thiết
Trong chương trình khoá học Cao học chuyên ngành Tự động hoá tại trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường
và PGS-TS Bùi Quốc Khánh, tôi đã lựa chọn đề tài của mình là :
“Nghiên cứu phân tích hệ điều khiển quá trình đa biến”
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
a. Ý nghĩa khoa học:
- Đưa ra các thuật toán điều khiển phù hợp, để đạt được chất lượng điều khiển
như mong muốn.
- Xây dựng đưa mô hình điều khiển từ lý thuyết đến thực tế hệ đa biến.
- Thiết kế hệ điều khiển tách kênh đua vào ứng dụng điều khiển trên.
b. Ý nghĩa thực tiễn:
- Làm rõ được trong thực tế hệ đa biến mức
- Cho phương pháp thực
Kết quả nghiên cứu được ứng dụng cho điều khiển quá trình đa biến trong công
nghiệp hóa chất, giấy... nhằm nâng cao chất lượng để điều khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3. Mục đích nghiên cứu
Xác định được mô hình của quá trình đa biến điều khiển mức và nhiệt độ. Từ đó
đề xuất ra các giải pháp và thuật điều khiển để nâng cao chất lượng hệ điều khiển.

Nội dung nghiên cứu:
Phần mở đầu
Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG CỦA HỆ ĐA BIẾN
Chương 2. XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN

Chương 3. GIỚI THIỆU BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Chương 4. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM MATLAP
Chương 5. THÍ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ ĐỂ KIỂM CHỨNG
Kết luận và kiến nghị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Chƣơng 1
LÝ THUYẾT CHUNG CỦA HỆ ĐA BIẾN
1.1. Điều khiển quá trình là gì?
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận
hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các
yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường.
1.1.1. Các khái niệm trong điều khiển 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.
Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo và được can
thiệp,được hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và
thiết bị chấp hành.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình:
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…

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

1


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 của sản phẩm ra…
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,…
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.
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 vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong
phạm vi quá trình đang quan tâm thì được gọi 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 hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành
phần nhiên liệu,…
- 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.
Cách phân loại thứ nhất là 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. Một quá trình một vào-một ra được gọi tắt là SISO (Single-Input Single-Output), quá
trình nhiều vào-nhiều ra được gọi là MIMO (Multi-Input Multi-Output). Có thể nói hầu hết
quá trình công nghệ đều là đa biến.
Dựa trên đặc tình 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 và quá trình mẻ:
- Quá trình liên tục: Các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc
biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đã đạt được trạng thái xác lập,
bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành. Các đại lượng đặc trưng của

2


một quá trình liên tục là các biến tương tự. Quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá
trình vận chuyển chất lỏng là các ví dụ quá trình lien tục tiêu biểu
- Quá trình gián đoạn (hay còn gọi là quá trình không liên tục) có bản chất giống
như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián
đoạn nhất định.
- Quá trình rời rạc: các đại lượng đặc trung chỉ thay đổi giá trí tại một số thời điểm
nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái
rời rạc của quá trình. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu
diễn bằng các biến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc
biến logic (cho các trạng thái logic).
- Quá trình mẻ: là một quá trình hỗn hợp, có đặc trung của cả quá trình liên tục và
quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác cho trước và tồn tại
trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ. Các đại lượng đặc trưng
của một quá trình mẻ bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt yếu tố thời gian
và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá trình mẻ.Các phản ứng hóa
học,quá trình pha chế,lên men (bia, rượu) là các ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ.
1.1.3. Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình

- Qui mô ứng dụng: Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá
trình có quy mô vừa và lớn, có thể hiểu theo hai hướng, đó là quy mô về phạm vi chức năng
điều khiển cần thực hiện về mặt tổ chức sản xuất. Hệ thống điều khiển phải được thiết kế
tương ứng với cấu trúc của nhà máy, với việc phân chia khu vực một cách hợp lý và điều
khiển phối hợp các quá trình tương tác với rất nhiều điểm vào ra đặt ra yêu cầu rất cao cho
chưc năng quản lý dữ liệu và vận hành giám sát.
- Độ tin cậy và tính sẵn sàng: Bên cạnh quy mô sản xuâtc lớn các nhà máy trong
nghành hóa chất hoặc năng lượng đều yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ
thống điều khiển, bởi sự ngưng trệ sản xuất trong ít giờ hoặc ít ngày có thể dẫn tới thiệt hại
nghiêm trọng về mặt kinh tế. Tuy nhiên yêu cầu về độ tin cậy cao lạ làm tăng chi phí cho
giải pháp điều khiển.
- Chức năng điều khiển: trong hệ thống điều khiển quá trình, bài toán điều chỉnh là
chức năng tiêu biểu và quan trọng nhất trong một hệ điều khiển quá trình . 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 thời gian thực hệ thống. Tuy nhiên, phần lớn các đại lượng đặc trưng của
quá trình công nghệ diễn biến tương đối chậm, vì thế tính năng thời gian thực ít ngặt nghèo
hơn. Các phương pháp điều khiển được áp dụng ở đây có thể không phải xuất phát từ các lý
thuyết tiên tiến nhất, nhưng là các phương pháp rất tin cậy và đã được kiểm chứng nhiều
trong thực tế.

3


- Khả năng vận hành và điều khiển quá trình: liên quan tới các thiết kế công nghệ và
các ràng buộc liên quan. Giới hạn vật lý của các trang thiết bị cũng như những quan hệ phụ
thuộc giữa các đại lượng là những trở ngại không nhỏ trong việc thực hiện giải pháp điều
khiển. Điều này gây khó khăn lớn cho người kỹ sư điều khiển, bởi hầu hết các phương pháp
điều khiển hiện nay không đưa các điều kiện ràng buộc trực tiếp vào trong bài toán thực tế.
- Mô hình không chính xác: Việc xây dựng mô hình toán học của các quá trình công
nghệ thường gặp rất nhiều khó khăn do chúng đều là các đối tượng MIMO, chứa đựng nhiều

quan hệ vật lý, hóa học hoặc sinh học rất phức tạp. Do vậy, các mô hình toán học có được
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 của điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả
và kinh tế quá trình công nghệ. 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. Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp
điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các
mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các
chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình.
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.
Việc vận hành ổn định một quá trình có vai trò quan trọng là do nhiều nguyên nhân.
Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng vật chất hoặc năng lượng,
dẫn đến đảm bảo các yêu cầu về chế độ làm việc của các thiết bị đông nghệ như tránh tràn
hoặc tránh cạn bình chứa, quá nhiệt, quá áp… Thứ hai, một hệ thông vận hành ổn định, trơn
tru cũng đồng nghĩa với việc tín hiệu điều khiển được giữ cố định hoặc ít thay đổi. Cũng
chính vì vậy, các thiết bị chấp hành ít phải làm việc hơn hoặc ít phải thay đổi chế độ làm
việc hơn, tuổi thọ máy móc, thiết bị sẽ 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 cũng ít phải can thiệp và việc vận hành hệ thông trở nên
thuận tiện và an toàn hơn
Trong thực tế không phải một hệ lúc nào cũng ở chế độ vận hành bình thường, liên
tục mà còn có các giai đoạn khởi động hoặc dừng, điểm làm việc cũng có thể thay đổi do
yêu cầu thay đổi giá trị đặt hoặc do tác động của nhiễu và vì thế có các quá trình quá độ.
Bên cạnh đó nhiều quá trình không có tính tự cân bằng, chỉ một thay đổi nhỏ biến đầu vào
cũng có thể đưa quá trình tới trạng thái mất ổn định. Bất kể đặc tính động học của quá trình

4


ra sao, giá trị đặt thay đổi hay tác động nhiễu thế nào, nhiệm vụ của điều khiển là nhanh
chóng đưa hệ về trạng thái vận hành ổn định. Đó cũng chính là một nhiệm vụ thuộc phạm vi
chức năng điều chỉnh, chức năng quan trọng nhất trong một hệ thống điều khiển quá trình.
- 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. Yêu
cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn. 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. Như
vậy sai lệch điều khiển, hay nói đúng hơn, diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là
một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng.
- Vận hành hệ thống an toàn: Nhằm 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. Bất cứ một
giải pháp điều khiển quá trình công nghệ nào cũng phải đảm bảo được mục đích này. Chính
vì tầm quan trọng của vấn đề an toàn máy móc, con người và môi trường, chi phí cho đảm
bảo chức năng này đối với hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các chức năng điều
khiển thuần túy.
Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ, áp suất
nằm trong 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 để đảm bảo giới hạn an toàn cho phép như mức, nhiệt độ, áp suất. 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.
- 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.
Việc giảm tiêu thụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng một mặt nâng cao hiệu quả kinh
tế, mặt khác cũng góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Đây cũng là một
vấn đề thuộc trách nhiệm của những nhà thiết kế công nghệ cùng những người thiết kế sách
lược và thuật toán điều khiển.

5


- 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.
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. Bài toán đặt ra là ta cần phải cân nhắc giữa chi
phí cho các tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm.
Cách giải quyết thông thường là đảm bảo chất lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi
giảm chi phí cho các tác động điều khiển. Một cách giải quyết khác là xây dựng và giải
quyết bài toán điều khiển tối ưu, trong đó chất lượng điều khiển và chi phí điều khiển được
đặt chung với các trọng số khác nhau trong một hàm mục tiêu cần cực tiểu.
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. Một trong những vai trò quan
trọng của điều khiển là làm sao duy trì được chất lượng sản phẩm thật ổn định và đạt vừa đủ
yêu cầu để người vận hành có thể đưa các giá trị đặt đến gần sát với ngưỡng cho phép. Như
vậy 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.

1.2. Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến.
Trong sản xuất công nghiệp các quá trình công nghệ thường bao gồm rất nhiều biến quá
trình. Khi thiết kế hệ điều khiển ta xác định được các biến cần điều khiển, biến điều khiển,
biến nhiễu …Từ đó thiết lập các mạch vòng điều khiển và coi các mạch vòng đó độc lập với
nhau, gọi đó là hệ có nhiều mạch vòng đơn biến (một vào một ra SISO). Tuy nhiên có một
số mach vòng có cấu trúc qua lại với nhau. Lúc đó điều khiển SISO không mang lại hiệu
quả. Chúng ta phải xét chúng là hệ đa biến (nhiều vào nhiều ra MIMO). Lý thuyết hệ đa
biến đã được đề cập với lý thuyết điều khiển tự động. Trong phần này ta nghiên cứu phân
tích phục vụ thiết kế chỉnh định lại hệ đa biến trong thực tế.
Thí dụ 1: Hệ đa biến trong điều khiển pha trộn. Trên hình 1.2 trình bày nguyên lý điều
khiển pha trộn.
X

AC
m1

F1

y1
AT

F

m2

F2
FT

y2
FC

F

Hình 1.2: Nguyên lý điều khiển pha trộn
6


Ta có hai biến cần điều khiển
là lưu lượng tổng

là nồng độ X biến điều khiển

biến điều khiển

, biến điều khiển

.

= hằng số

Khi thay đổi
thay đổi

thì

thì

thay đổi đồng thời kéo theo

thay đổi đồng thời kéo theo

cũng thay đổi . Ngược lại khi

cũng thay đổi. Nếu thiết kế theo nguyên

lý đơn biến hệ khó ổn định và chất lượng không đảm bảo. Vậy phải xét nó trên góc độ hệ đa
biến để thiết kế điều khiển.
Cấu trúc hệ điều khiển hai biến tổng quát trình bày trên hình 1.2
Y1sp

m1

GC1

y1

G11
G21
G21

Y2sp

GC 2

y2

G22

m2

Hình 1.3: Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến
Các định nghĩa cơ bản:
và

là hàm truyền bộ điều khiển 1,2; G11 , G22 là hàm truyền quá trình kênh 1

và 2, G12 hàm truyền tác động xen kênh từ 1 tác động sang 2, G21 ngược lại từ 2 tác động
sang 1.
, G11 (k11 , g11 ) ,

,

,

Hệ số khuyếch đại xen kênh tổng quát kênh thứ j đến thứ i gọi là
yi
)m
mi
y
( j )y
mj

,
được tính:

(
ij

(1.1)

Áp dụng cho hệ hai biến hình 1.2 ta có:
(1.2)

7


(

yi
) | y k11 g11
mi

k21 g 21k12 g12
1
k22 g 22
kC 2 gC 2

(1.3)

Xét hệ khi xác lập ta có hệ số khuyếch đại xen kênh

k11k22
k11k22 k12 k21

ij

1
k k
1 21 12
k11k22

(1.4)

Khái quát cho hệ đa biến.

y1
.
y2
..
yi

mj

m1

m2

11

12

...

1j

.. 21

22

...

2j

i1

i2

1

1

. . . ij
... 1

1
1
..
1

(1.5)

Người ta gọi (5) là hệ số khuyếch đại xen kênh sắp sếp dưới dạng ma trận (RGA: Relative
gain array) có tính chất là tổng theo cột và tổng theo hàng bằng 1.
Thí dụ xác định ma trận xen kênh theo cấu trúc điều khiển 5.61
Ta có gần đúng so với đơn vị tương đối.

Ta có
Ta có hệ số ma trận khuyếch đại xen kênh
y1
y2

m1
m2
1 x
x
x 1 x
1

1

8

1
1


Khi xác định hệ số khuếch đại xen kênh theo (2) và (3) dựa trên.
(1.6)
Người ta gọi là hệ số khuếch đại xen kênh mạch vòng hở.
Đối với mạch vòng kín ta có:
(1.7)
Trong đó:
(1.8)
và kij có mối quan hệ:
(1.9)
Vì vậy đối với mạch vòng kín ta có:
(1.10)

9

Chƣơng 2
XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN
2.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển quá trình:
Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển quá trình được trình bầy như sau:

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của hệ 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 đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều phải dựa trên
các thành phần cơ bản là: thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển.

Hình 2.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình.

2.2. Thiết bị đo
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa
nào đó. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo
(tranducer).

10


Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo.
Một cảm biến (Sensor) 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 xa và sử dụng được
trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại,
điều hòa và chuyển đổi 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,…). Trong các hệ thống điều khiển quá
trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất:

Gm (s)=
Hoặc một khâu quán tính bậc hai ổn định:

Gm (s)=
Nếu hằng số thời gian rất nhỏ so vói hằng số thời gian của quá trình công nghệ,tucs
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 so với 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.
Với một thiết bị đo, đặc tính đáp ứng quá độ được coi là quan trọng nhất. .

2.3. 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 và quạt gió. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống
điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật.

11


Hình 2.4:Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành.
Một thiết bị chấp hành bao gồm 2 thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay cơ cấu
dẫn động (Actuator) và phần tử điều khiển(Control element):

Hình 2.5: Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành.
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ
năng hoặc nhiệt năng), trong khi phần tử chấp hành tác động can thiệp trực tiếp vào
biến điều khiển.
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 nhất và quan trọng nhất.
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.
Mô hình động học của van điều khiển có thể đưa về một khâu quán tính bậc nhất:

Một số hình ảnh về van điều khiển trong thực tế được thể hiện trong hình 2.6

12