Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi, ứng dụng nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.75 MB, 144 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-------------------------------------------------
HOÀNG THỊ HẢI YẾN
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI, ỨNG DỤNG
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Chuyên nghành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số
: 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN VĂN VỲ
THÁI NGUYÊN – NĂM 2015
i
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Hoàng Thị Hải Yến
Sinh ngày: 16 tháng 8 năm 1989
Học viên lớp cao học khóa 15 - ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động
hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái nguyên – Đại học Thái
nguyên
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định
hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm
Học viên
Hoàng Thị Hải Yến
ii
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn tới nhà trường, các cô
giáo, thầy giáo khoa Điện, bộ môn Tự động hóa và Kỹ thuật điều khiển, khoa
sau Đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo
tại trung tâm thí nghiệm của trường đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt
khóa học và hoàn thành luận văn.
Để thực hiện thành công luận văn là sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của
thầy giáo cán bộ hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Văn Vỵ , người đã giúp đỡ
tận tình, góp ý và cung cấp ý tưởng cũng như chỉ dẫn tài liệu trong suốt quá
trình làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy, cùng các
thầy cô giáo trong trường .
Tuy nhiên, do kiến thức và kinh nghiệm có hạn nên luận văn sẽ không
tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong muốn nhận được sự chỉ bảo của
các thầy giáo, cô giáo và những góp ý của các bạn đồng nghiệp để tác giả tiếp
tục hoàn thiện hơn sản phẩm của mình
Thái Nguyên ngày … tháng 11 năm 2014
Hoàng Thị Hải Yến
3
MỤC LỤC
Lời cam đoan...................................................................................................... i
Lời cảm ơn ........................................................................................................ ii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt............................................................. v
Danh mục các bảng biểu .................................................................................. vi
Danh mục các hình vẽ đồ thị............................................................................ vi
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 ...................................................................................................... 4
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH.............................................. 4
1.1 VAI TRÒ VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ..............
5
1.1.1 Khái niệm về quá trình và điều khiển quá trình ................................ 5
1.1.2 Vai trò của điều khiển quá trình trong công nghiệp. ......................... 5
1.1.3 Nhiệm vụ của điều khiển quá trình trong công nghiệp ..................... 6
1.2 HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ............................................................. 7
1.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển quá trình ....................................... 7
1.2.2 Các phần tử trong hệ điều khiển quá trình ........................................ 8
1.2.2.1 Thiết bị điều khiển ...................................................................... 8
1.2.2.2 Thiết bị đo ................................................................................... 9
1.2.2.3 Thiết bị chấp hành..................................................................... 13
1.3 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH........... 15
1.3.1 Bộ điều khiển PID tương tự ( PID kinh điển). ................................ 15
1.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ P.................................................................. 15
1.3.1.2 Bộ điều chỉnh tích phân I. ......................................................... 16
1.3.1.3 Bộ điều chỉnh vi phân D. .......................................................... 18
1.3.1.4 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân PI ............................................. 18
1.3.1.5 Bộ điều khiển PID..................................................................... 20
1.3.2 Bộ điều khiển PID số ...................................................................... 22
1.3.3 Bộ điều khiển PID thích nghi. ......................................................... 25
1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...................................................................... 27
CHƯƠNG 2 .................................................................................................... 28
THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH .........................................
28
4
2.1 LỰA CHỌN VÀ MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO QUÁ TRÌNH ................ 29
5
2.1.1 Lựa chọn đối tượng điều khiển ....................................................... 29
2.1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bình bao hơi. ........................ 31
2.1.3 Mô tả toán học cho đối tượng ......................................................... 32
2.1.4 Xây dựng hàm truyền cho các thành phần của hệ thống ................ 34
2.1.4.1 Thiết bị đo ................................................................................. 34
2.1.4.2 Thiết bị chấp hành..................................................................... 37
2.1.4.3 Bình bao hơi.............................................................................. 42
2.1.5 Hàm truyền của hệ thống ................................................................ 44
2.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ..................................................... 45
2.2.1 Các phương pháp tổng hợp PID ...................................................... 46
2.2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)................. 46
2.2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID ở miền tần số .............................. 48
2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển áp suất bao hơi ......................................... 51
2.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BẰNG MÔ PHỎNG ............................. 52
2.3.1 Sơ đồ mô phỏng bằng Matlab – Simulink ...................................... 52
2.3.2 Các kết quả mô phỏng ..................................................................... 52
2.4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BẰNG THỰC NGHIỆM ....................... 55
2.4.1 Cấu hình thực nghiệm về điều khiển áp suất .................................. 55
2.4.2 Giới thiệu về mô hình thực nghiệm ................................................ 57
2.4.3 Các kết quả thực nghiệm ................................................................. 60
2.4.4 So sánh với kết quả mô phỏng ........................................................ 61
2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..................................................................... 62
CHƯƠNG 3 .................................................................................................... 64
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI ........................................ 64
3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................... 64
3.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI ............................. 67
3.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển PID thích nghi ............................ 68
3.2.2 Tính toán tham số của bộ điều khiển .............................................. 68
3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ........................................... 73
3.3.1 Mô phỏng hệ thống ........................................................................ 73
3.3.2 Kết quả mô phỏng .......................................................................... 74
3.3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng ............................................................ 79
3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ...................................................................... 79
6
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 80
Tài liệu tham khảo........................................................................................... 81
7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT Ký hiệu
Diễn giải nội dung đầy đủ
1
X(t)
Tín hiệu vào của hệ thống còn gọi là tín hiệu đặt
2
Y(t)
Tín hiệu đầu ra của hệ thống
3
U(t)
Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng
4
C(t)
Tín hiệu phản hồi
5
S
Đối tượng
6
I
Khâu nhận dạng
7
TT
Thiết bị tính toán
8
A
Cơ cấu thích nghi
9
SISO
Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra
10
QT
Quá trình được điều khiển
11
CH
Cơ cấu chấp hành
12
ĐK
Thiết bị điều khiển
13
TBĐ
Thiết bị đo
14
SP
Giá trị đặt
15
CO
Tín hiệu điều khiển
16
MV
Biến điều khiển
17
CV
Biến được điều khiển
18
PM
Tín hiệu đo
19
KP
Hệ số khuyếch đại
20
KI
Hệ số tích phân
21
KD
Hệ số vi phân
8
Các chữ viết tắt
STT
Ký hiệu
Diễn giải nội dung đầy đủ
1
FC
Fail- closed- van đóng an toàn
2
AO
Air-to-open- van đóng an toàn
3
FO
Fail-open- van mở an toàn
4
AC
Air-to-close- van mở an toàn
5
PID
Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân
6
Measurementdevice
Thiết bị đo
7
Sensor
Cảm biến
8
Sensor element
Phần tử cảm biến, đầu đo
9
Singnal conditioning
Điều hòa tín hiệu
10
Transmitter
Bộ chuyển đổi đo chuẩn
11
Transducer
Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng
Số hiệu
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Nội dung bảng biểu
Trang
Bảng 1.1
Thang đo nhiệt độ
10
Bảng 2.1
Danh mục các thiết bị thực nghiệm
56
Số hiệu
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Nội dung
Trang
Hình 1.1
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quá trình
7
Hình 1.2
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình
9
Hình 1.3
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
14
Hình 1.4
Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tỉ lệ
15
vii
Hình 1.5
Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tích phân
16
Hình 1.6
Sơ đồ khối bộ điều chỉnh vi phân
17
Hình 1.7
Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỉ lệ tích phân
19
Hình 1.8
Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID tương tự
20
Hình 1.9
Sơ đồ khối bộ điều khiển số
24
Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID thích nghi
26
Hình 2.1
Sơ đồ khối một vòng của hệ điều khiển quá trình
31
Hình 2.2
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình
34
Hình 2.3
Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp
35
Hình 2.4
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
37
Hình 2.5
Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén
38
Hình 2.6
Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tác động của van điều 39
khiển
Hình 2.7
Bao hơi nhà máy nhiệt điện
42
Hình 2.8
Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống
44
Hình 2.9
Đồ thị quá độ
46
Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển
48
Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bao hơi nhà 50
máy nhiệt điện
Hình 2.12 Cấu trúc mô phỏng điều khiển áp suất bao hơi
51
Hình 2.13 Áp suất hệ thống bao hơi với bộ điều khiển PID (áp 52
suất 1,7at)
Hình 2.14 Áp suất hệ thống bao hơi với bộ điều khiển PID (áp 53
suất 1,7at xuống 1,2at)
Hình 2.15 Cấu trúc thí nghiệm điều khiển áp suất bao hơi
54
Hình 2.16 Bình mức trong thí nghiệm điều khiển áp suất
54
Hình 2.17 Giao diện trong thí nghiệm điều khiển áp suất bao hơi
55
Hình 2.18 Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển áp suất bao 55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
viii
hơi
Hình 2.19 Kết quả thí nghiệm điều khiển áp suất với
59
K P 100; K I 20; K D 0,5
Hình 2.20 Kết quả thí nghiệm điều khiển áp suất với
60
K P 10; K I 20; K D 0,5
Hình 3.1
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển
64
Hình 3.2
Cấu trúc hệ thống điều khiển PID
65
Hình 3.3
Cấu trúc hệ thống điều khiển PID thích nghi
66
Hình 3.4
Sơ đồ mô phỏng
72
Hình 3.5
Lượng ra của hệ và lượng ra của mô hình mẫu
73
Hình 3.6
Sai lệch giữa đầu ra của đối tượng và đầu ra của mô
73
hình mẫu
Hình 3.7
Quá trình thích nghi của các tham số k1,k 2 ,k F
74
Hình 3.8
Lượng ra của hệ và lượng ra của mô hình mẫu
74
Hình 3.9
Sai lệch giữa đầu ra của đối tượng và đầu ra của mô
75
hình mẫu
Hình 3.10 Quá trình thích nghi của các tham số k1,k 2 ,k F
75
Hình 3.11 Đáp ứng ra của hệ khi lượng đặt là hằng số
76
Hình 3.12 Đáp ứng ra của hệ khi lượng đặt là thay đổi
76
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>
1
2
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Điều khiển quá trình đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình
sản xuất, nó quyết định năng suất, chất lượng cũng như giá thành sản phẩm.
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 đảm bảo các yêu cầu của
quá trình công nghệ.
Trong thực tế thì điều khiển quá trình thường được xem như điều khiển
các thông số như : nhiệt độ (t 0 ) , áp suất (p), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ
(pH) thậm chí cả điều khiển phản ứng…việc điều khiển các đại lượng này
thường gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có một số đặc điểm:
- Thời gian chết của quá trình: đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi
trong tín hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển của quá trình và đáp ứng của
tín hiệu. Hiện tượng này không phân biệt dạng của tín hiệu được dùng.
- Trễ quá trình: vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng
lượng một cách liên tục. Qua đó ta có trễ bậc một hoặc bậc cao
- Hệ số khuyếch đại của quá trình: hệ số khuyếch đại của quá trình được
xác định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi của đầu vào.
- Nhiễu quá trình: là những thay đổi không mong muốn xẩy ra trong quá
trình, nó có xu hướng ảnh hưởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển.
Do đó vấn đề về điều khiển quá trình cần thiết, cần được nghiên cứu
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và
bền vững nên các bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến trong các hệ điều
khiển công nghiệp.Trong nhiều báo cáo đưa ra con số thống kê : hơn 90% bài
toán điều khiển công nghiệp được giải quyết bằng bộ điều khiển PID. Tuy
nhiên với phương pháp điều khiển kinh điển ta phải biết chính xác về tham số
của đối tượng hoặc mô hình hóa tương đối chi tiết của đối tượng cho nên
trong quá trình làm việc, nếu tham số đối tượng thay đổi thì hệ thống có thể
mất ổn định hoặc chất lượng điều khiển không còn đáp ứng được yêu cầu.
Vì vậy, việc nghiên cứu “Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi, ứng
dụng nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình” là cần thiết và cần được
tập trung nghiên cứu để đáp ứng tốt chất lượng điều khiển các quá trình
2. Mục tiêu
Nâng cao chất lượng của hệ điều khiển quá trình bằng bộ điều khiển PID
thích nghi.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là mô hình vật lý lò hơi tại Trung tâm Thí
nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
- Phạm vi nghiên cứu là điều khiển và ổn định áp suất của lò hơi.
4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
4.1 Ý nghĩa khoa học
Đề xuất được giải pháp cụ thể là sử dụng PID thích nghi nâng cao chất
lượng hệ điều khiển quá trình. Kết quả nghiên cứu đã mở rộng khả năng ứng
dụng của bộ điều khiển PID
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Ứng dụng được bộ điều khiển vào điều khiển các quá trình sản xuất
trong công nghiệp, đảm bảo hệ làm việc ổn định và đáp ứng được các yêu cầu
đặt ra.
5. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm :
- Nghiên cứu các tài liệu các công trình đã công bố liên quan đến điều
khiển quá trình và điều khiển thích nghi
- Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển PID :
+ Dùng phần mền MATLAB- SIMULINK
+ Tiến hành thực nghiệm tại phòng thí nghiệm khoa Điện.
6. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu tập trung giải quyết các vấn đề sau:
- Nghiên cứu tổng quan về điều khiển quá trình.
- Tổng hợp bộ điều khiển PID cho mô hình vật lý tại phòng thí nghiêm
tiến hành đánh giá kết quả phương pháp điều khiển
- Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi để nâng cao chất lượng của hệ
điều khiển.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1 VAI TRÒ VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1.1 Khái niệm về quá trình và điều khiển quá trình
- 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.
Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận hành
hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ
hoặc một nhà máy sản xuất. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như
quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhưng cũng có thể phức tạp
hơn như một tổ hợp lò phản ứng, tháp chưng luyện.
- Đặc điểm của các quá trình.
Đặc điểm cơ bản của các quá trình là các thông số đặc trưng cho các quá
trình là những đại lượng biến thiên chậm, liên tục, có quán tính lớn và diễn ra
trong thời gian dài (như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức…).
Các quá trình thường là những hệ phi tuyến có cấu trúc phức tạp, khó
mô hình hoá hoặc có phần không thể mô hình hoá được và trong quá trình
làm việc tham số đặc trưng cho quá trình thay đổi và hệ chịu nhiễu tác động.
- Điều khiển quá trình.
Điều khiển quá trình là việc thu thập, xử lý các thông tin để điều khiển,
vận hành và giám sát các quá trình, nhằm đảm bảo chất lượng ra của quá trình
đáp ứng các yêu cầu đặt trước.
1.1.2 Vai trò của điều khiển quá trình trong công nghiệp.
Điều khiển quá trình đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình
sản xuất, nó quyết định chất lượng, năng suất và giá thành sản phẩm.
Mục đích của hệ thống điều khiển quá trình là làm sao để hệ hoạt động
mang tính logic và tin cậy. Trong thực tế quá trình diễn ra ở nhiều lĩnh vực
khác nhau như kỹ thuật, xã hội, đời sống, quản lý … Con người đã điều khiển
các quá trình trên bằng bằng nhiều quy luật khác nhau tuỳ thuộc từng lĩnh
vực. Trong xã hội và đời sống các quá trình được điều khiển bằng bằng các
luật, các quy định. Trong sản xuất công nghiệp người ta điều khiển bằng các
thiết bị điều khiển như khí nén, thuỷ lực, điện tử … với những quy luật điều
khiển phù hợp như PID, Điều khiển mờ, Điều khiển thích nghi …
Luật điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong điều khiển quá trình
công nghệ. Thiết bị điều khiển PID là phần tử quan trọng nhất trong các hệ
thống tự động hoá quá trình sản xuất, trong điều khiển các quá trình sản xuất
trong công nghiệp. Trong thực tế điều khiển các quá trình công nghệ thường
được xem là điều khiển các thông số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức,
nồng độ, định lượng …. đảm bảo các yêu cầu đặt ra.
1.1.3 Nhiệm vụ của điều khiển quá trình trong công nghiệp
Điều khiển quá trình là thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển các thông
số của quá trình với nhiệm vụ :
- Điều khiển các biến vào của quá trình một cách hợp lý để biến ra của
quá trình thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước. Các chỉ tiêu này được xác định từ
yêu cầu công của quá trình.
- Nâng cao chất lượng của sản phẩm, năng suất sản xuất và giảm giá
thành sản phẩm.
- Theo dõi và giám sát chặt chẽ các diễn biến của quá trình cũng như
các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống.
- Hạn chế việc tham gia trực tiếp của con người vào quá trình điều
khiển, cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động.
- Giảm thiểu được những ảnh hưởng xấu của quá trình công nghệ đối
với con người và môi trường xung quanh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN
/
1.2 HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển quá trình
Tùy theo yêu cầu của quá trình cần điều khiển và mức độ tự động hóa,
các hệ điều khiển quá trình công nghệ có thể đơn giản hoặc 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.
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình trên hình 1.1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN
/
X(t)
U(t)
BỘ ĐIỀU
KHIỂN
Y(t)
CƠ CẤU
CHẤP HÀNH
QUÁ TRÌNH
C(t)
THIẾT BỊ
ĐO
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quá trình
Trong đó :
X(t): là tín hiệu vào của hệ thống - còn gọi là tín hiệu đặt hay lượng chủ
đạo để xác định điểm làm việc của hệ thống.
U(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng qua cơ cấu chấp hành.
Y(t): Tín hiệu đầu ra của hệ thống, là đại lượng được điều chỉnh.
C(t): Tín hiệu phản hồi
Thiết bị điều khiển là thành phần quan trọng nhất duy trì chế độ làm việc
cho cả hệ thống điều khiển.
Quá trình là đối tượng cần điều khiển theo các chỉ tiêu đặt trước.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN
/
1.2.2 Các phần tử trong hệ điều khiển quá trình
1.2.2.1 Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là bộ phận thực hiện chức năng
tạo ra tín hiệu điều khiển u(t) tác động vào đối tượng, nhằm điều khiển được
lượng ra của đối tượng thoả mãn theo yêu cầu. Mặc dù các thuật ngữ “thiết bị
điều khiển” và “bộ điều khiển” trong thực tế được sử dụng với nghĩa tương
đồng. Tuy nhiên tùy theo nghĩa cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là
một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần
mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển (khối điều khiển PID trong một trạm
PLC/DCS) hoặc cả một hệ thống thiết bị (một trạm PLC, DCS).
Trên cơ sở sử dụng 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 vào đối tượng thông qua các thiệt bị chấp hành. Tuy theo
dạng tín hiệu vào ra và phương pháp 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. Các thiết bị điều khiển cơ, khí nén hoặc điện tử được
xếp vào loại tương tự. Một mạch logic là một thiết bị điều khiển logic theo
đúng nghĩa của nó. Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng
máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự
hoặc thiết bị điều khiển logic. Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các
tín hiệu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các phần chyển
đổi tương tự - số cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được
thực hiện bằng máy tính. Một thiết bị điều khiển số không những cho chất
lượng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều
khiển, tính toán hiển thị cùng một lúc.
Có thể nói rằng tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS,
PAS) đều là các hệ điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số thực chất là một
máy tính số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều
khiển. Vì vậy khi ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao hàm khối xử lý
trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch.
Còn thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển là bao hàm cả máy tính và các
thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra và module chức năng khác.
1.2.2.2 Thiết bị đo
Chức năng của thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỷ lệ theo một
nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là
phần tử cảm biến (sensor) và cơ cấu chuyển đổi đo (transducer).
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình trên hình 1.2
Đại lượng đo
(P, V, x)
Thiết bị đo
Cảm
biến
Tín hiệu đo
(P, M, y)
Bộ chuyển đổi
Chỉ báo
Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình
Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào
nhiều yếu tố mà ta khái quát là đặc tính thiết bị đo, bao gồm 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
biểu diễn quan hệ giữa đại lượng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra của thiết bị
đo ở trạng thái xác lập, trong khi đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa
biến thiên đầu vào và tín hiệu ra theo thời gian.
a. Cảm biến
Cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng cần quan
tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. Ví dụ cảm biến thực
hiện chức năng biến đổi đại lượng nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, nồng độ
sang một tín hiệu điện để cung cấp cho bộ điều khiển. Một cảm biến có thể
bao gồm một hoặc vài phần tử cảm biến, trong đó mỗi phần tử cảm biến lại là
một bộ chuyển đổi từ đại lượng này sang một đại lượng khác dễ xử lý hơn.
Một số cảm biến thông dụng :
- Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ là phần tử có nhiệm vụ biến đổi nhiệt độ thành tín
hiệu điện để cung cấp tín hiệu cho bộ điều khiển quá trình nhiệt.
Đa số các phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp dựa trên hiện
tượng truyền nhiệt do tiếp xúc hoặc không tiếp xúc. Nhiệt được truyền từ đối
tượng sang đầu đo gây ra các hiệu ứng cơ học, dựa vào đó các cảm biến có
thể chuyển đổi và cho tín hiệu điện. Thực chất nhiệt độ đo được là nhiệt độ
của đầu đo sau khi đã diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa đối tượng, đầu đo và môi
trường xung quanh. Vì thế độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào nhiều yếu
tố, cần đặc biệt lưu ý trong việc điều hòa tín hiệu và xử lý tín hiệu sau này.
Ba loại thang đo nhiệt độ thông dụng là thang Kelvin (K), thang Celsius
( 0 C ) và thang Fahrenheit ( 0 F ) trong đó thang Kelvin gọi là thang nhiệt
độ tuyệt đối. Trị số đo của ba thang đo được so sánh trong bảng sau :
Bảng 1.1 Thang đo nhiệt độ
Kelvin (K)
Celsius ( 0 C )
Fahrenheit ( 0 F )
Điểm sôi của nước
373.19
100
212
Điểm đông của nước
273.19
0
32
Điểm không tuyệt đối
0
-273.19
-459.61
Cảm biến nhiệt độ thông dụng có thể chia làm ba loại dựa trên tính chất
vật lí cơ bản như sau:
Các nhiệt kế giãn nở: giãn nở một chất theo nhiệt độ làm thay đổi chiều
dài, thể tích hoặc áp suất (ví dụ nhiệt kế thủy ngân và nhiệt kế lưỡng kim)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN
/
Các nhiệt kế điện trở: Điện trở thay đổi theo nhiệt độ, sử dụng trong
nhiệt điện trở kim loại hoặc nhiệt điện trở bán dẫn
Cặp nhiệt : Điện thế thay theo nhiệt độ tại điểm tiếp xúc giữa hai kim
loại khác nhau như niken và crom, niken và đồng
- Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất là phần tử có nhiệm vụ biến đổi áp suất thành tín hiệu
điện để cung cấp cho bộ điều khiển.
Cảm biến áp suất có vai trò quan trọng trong các hệ thống chất lỏng và
chất khí. Bên cạnh mục đích đo trực tiếp áp suất trong bình hoặc trong đường
ống, các cảm biến áp suất còn được dùng để gián tiếp đo lưu lượng và mức
của các chất lỏng và chất khí.
Đơn vị đo chuẩn của áp suất theo hệ thống SI là Newton trên mét vuông
( N / m 2 ) hay Pascal (Pa), tuy nhiên đơn vị kPa được sử dụng nhiều hơn vì
trong thực tế một Pa là quá bé.
Các cảm biến đo áp suất công nghiệp có thể được phân loại như sau :
+ Các cảm biến đàn hồi hai phần tử: Phần tử sơ cấp biến đổi áp suất
thành dịch chuyển dựa trên tính chất lí đàn hồi, phần tử thứ cấp là một cảm
biến dịch chuyển, chuyển đổi độ dịch chuyển thành một tín hiệu điện ví dụ
chiết áp, cảm biến cảm ứng, cảm biến tụ điện
+ Các cảm biến piezo: Sử dụng các phần tử cảm biến sơ cấp là tinh thể
thạch anh có hiệu ứng áp trở hoặc áp điện. Khi tác động một lực lên tinh thể
thạch anh trong khi hiệu ứng áp điện gây lên tích điện khác dấu trên hai bề
mặt tinh thể thạch anh
+ Cảm biến chân không: thường thực hiện các phép đo gián tiếp dựa trên
nguyên lý truyền nhiệt hoặc ion hóa chất khí.
- Cảm biến lưu lượng
Cảm biến lưu lượng là phần tử có nhiệm vụ biến đổi lưu lượng thành tín
hiệu cung cấp cho bộ điều khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN
/
