Thiết kế xây dựng mô hình thí nghiệm điều khiển mức nước và lưu lượng ứng dụng các thuật toán điều khiển quá trình nâng cao

..

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

VŨ VĂN QUANG

THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÍ NGHIÊM
ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG ỨNG DỤNG
CÁC THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO

Chun ngành: Điều khiển và Tự động hoá

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN HUY PHƯƠNG

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
khoa học của TS. Nguyễn Huy Phương. Các số liệu, tính tốn, mơ phỏng trong luận
văn hồn tồn trung thực và là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Học viên

Vũ Văn Quang

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
MỤC LỤC .................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ........................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ...................................................................... vi
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ................................... 1
1.2 Khái qt về điều khiển q trình........................................................................... 1
1.2.1 Tính cấp thiết của điều khiển quá trình ............................................................... 1
1.2.2 Khái niệm điều khiển q trình [1]...................................................................... 2
1.2.3 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình ...................................................... 5
1.2.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình .................................. 6
1.2.5 Đặc điểm của đối tượng điều khiển quá trình ..................................................... 7
1.2.5.1 Đối tượng điều khiển đa biến ........................................................................... 7
1.2.5.2 Đối tượng có tham số biến thiên ...................................................................... 9
1.2.5.3 Đối tượng phi tuyến .......................................................................................... 9
1.2.5.4 Thời gian chết lớn ........................................................................................... 11
1.4. Mạch vòng phản hồi ............................................................................................ 12
1.5. Chọn chế độ hoạt động cho bộ điều khiển .......................................................... 16
1.6 Xây dựng các phương trình mơ hình .................................................................... 17
1.6.1 Phương trình cân bằng vật chất ......................................................................... 17
1.6.2 Phương trình cân bằng năng lượng ................................................................... 18
1.7 Một số hệ thống điều khiển mức trong các dây truyền sản xuất .......................... 20
Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 25
CHƯƠNG 2: ............................................................................................................... 26
TÍNH TỐN, THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ............................................... 26
2.1 Mơ hình vật lý hệ thống điều khiển quá trình ...................................................... 26

2.1.2 Sơ đồ khối Hệ thống điều khiển mức ............................................................... 27
2.1.1 Sơ đồ cấu trúc mơ hình vật lý điều khiển mức chất lỏng .................................. 27
2.1.3. Yêu cầu công nghệ của hệ thống ...................................................................... 29
ii


2.2 Các thiết bị trong Bàn thí nghiệm điều khiển quá trình ....................................... 29
2.2.1 Van tay ............................................................................................................... 29
2.2.2 Lưu lượng kế ..................................................................................................... 29
2.2.3. Van tuyến tính .................................................................................................. 30
2.2.4 Valve xoay chiều: .............................................................................................. 32
2.2.5.Bơm xoay chiều. ................................................................................................ 32
2.2.6. Cảm biến mức ................................................................................................... 33
2.2.7.Cảm biến đo lưu lượng. ..................................................................................... 34
2.2.8 Bộ điều khiển ..................................................................................................... 37
2.2 Ghép nối phần cứng .............................................................................................. 38
2.2.1 Thiết kế tủ điều khiển ........................................................................................ 38
2.2.2 Thiết kế mạch động lực ..................................................................................... 41
2.2.3 Thiết kế mạch điều khiển .................................................................................. 44
2.2.4 Tủ điều khiển và hệ thống sau khi thiết kế xong. .............................................. 49
Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 49
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO QUÁ TRÌNH ............................. 50
MỨC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG ............................................................................... 50
3.1. Cơ sở lý thuyết để thiết kế bộ điều khiển ............................................................ 51
3.1.1.Hàm truyền đạt, hàm trọng lượng, hàm q độ. ................................................ 51
3.1.2.Xây dựng mơ hình toán học của các khâu động học cơ bản bằng thực nghiệm.52
3.2. Thiết kế bộ điều khiển. ........................................................................................ 59
3.2.1. Chọn tham số cho bộ điều khiển PID. .............................................................. 59
3.3. Xây dựng mơ hình tốn học mơ tả hệ thống ....................................................... 66
3.3.1 Mơ hình bình chứa lỏng .................................................................................... 66

3.3.2. Xây dựng mơ hình van. .................................................................................... 68
3.3.3. Mối quan hệ giữa lưu lượng Q và mức L. ........................................................ 69
3.4. Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng mức – lưu lượng : .................................... 69
3.4.5. Giới thiệu về module mềm trong Step7. .......................................................... 71
3.5. Lưu đồ điều khiển. ............................................................................................... 78
.................................................................................................................................... 82
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG ...................................... 84
iii


4.1 Lập trìnhPLC ........................................................................................................ 84
4.1.1 Kỹ thuật lập trình cấu trúc ................................................................................. 84
4.1.2 Phần mềm Simatic Step7 ................................................................................... 85
4.1.2.1 SIMATIC Manager ........................................................................................ 85
4.1.2.2 Dự án và thư viện ........................................................................................... 85
4.1.2.3 Soạn thảo một dự án ....................................................................................... 86
4.1.2.4 Chương trình điều khiển ................................................................................. 91
4.2 Thiết kế HMI ........................................................................................................ 91
4.2.1 Phần mềm Simatic Wincc Flexible ................................................................... 91
4.2.2 Thiết kế giao diện .............................................................................................. 93
4.2.2.1 Giao diện chính............................................................................................... 93
4.2.2.2 Giao diện cài đặt tham số ............................................................................... 94
4.2.2.2 Giao diện trend ............................................................................................ 94
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 97
Phụ lục ........................................................................................................................ 98

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT
PCS: Process control system,
DCS: Distributed control system
MIMO: Multiple inputs multiple output
FOPDT : First order plus dead time
PLC: Program logic controller
LIC: Level Indecator Conrol
LAH: Level Alarm Hight
LAL: Level Alarm Low
SP: Set Point
F: Flow
HMI: Human-machine interface
API: Application Program Interface
PID: Proportional- Integal- Derivative Controller

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hệ thống điều khiển quá trình ..........................................................................2
Hình 1.2 Quá trình và các loại biến quá trình .................................................................3
Hình 1.3 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình .......................................................4
Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình ..............................6
Hình 1.5 Các thành phần cơ bản trong hệ thống điều khiển nhiệt độ .............................7
Hình 1.6 Hệ thống bồn chưng cất ....................................................................................8
Hình 1.7 Thiết bị khuấy trộn liên tục ............................................................................10
Hình 1.8 Quá trình vận chuyển bằng băng tải ...............................................................12
Hình 1.9.: Bài tốn điều chỉnh (a) và bài tốn bám (b) .................................................13
Hình 1.10. Mạch vịng điều khiển phản hồi đơn giản. ..................................................14
Hình 1.11. Van kết nối trực tiếp với bộ điều khiển .......................................................15

Hình 1.12 Sơ đồ lị hơi BZK-220-100-10C ...................................................................22
Hình 1.13 Sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi .............................................................23
Hình 1.14 Sơ đồ tháp trưng luyện với cấu trúc điều khiển mức ...................................23
Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống điều khiển mức cho các bể, két chứa ..................................24
Hình 2.1 Sơ đồ mơ tả các thiết bị của bàn thí nghiệm..................................................26
Hinh 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của bàn thí nghiệm điều khiển mức ......................27
Hình 2. 3 Mơ hình điều khiển mức chất lỏng bình ........................................................28
Hình 2. 4 Van tay ...........................................................................................................29
Hình 2. 5 Lưu lượng kế .................................................................................................30
Hình 2.6 Van tuyến tính ................................................................................................30
Hình 2.7. Đặc tính của Valve tỉ lệ. ................................................................................31
Hình 2.8. Valve điện xoay chiều. ..................................................................................32
Hình 2.9 .Bơm xoay chiều. ............................................................................................33
Hình 2.10. Cảm biến áp suất PSA-01 ............................................................................34
Hình 2.12. Cấu tạo của cảm biến đo lưu lượng. ............................................................34
Hình 2.13 CPU 314C -2DP ...........................................................................................37
Hình 2.14 Khai báo phần cứng của CPU ......................................................................37
Hình 2.15 Panel mặt trong cánh tủ ...............................................................................38
Hình 2.16 Panel mặt ngồi cánh tủ ...............................................................................39
vi


Hình 2.17 Panel mặt trong tủ điều khiển ......................................................................40
Hình 2.18 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho hệ thống ...........................................................41
Hình 2.19 Mạch động lực của Valve, động cơ ..............................................................42
Hình 2.20 Sơ đồ mạch cấp nguồn PLC .........................................................................43
Hình 2.23. Sơ đồ mạch điều khiển tự động và bằng tay ...............................................46
Hình 2.24. Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến ....................................................................47
Hình 2. 25 Sơ đồ mạch đèn báo.....................................................................................48
Hình 3.1. Đặc tính q độ của khâu qn tính bậc nhất. ...............................................53

Hình 3.2. Đặc tính q độ của khâu tích p hân – quán tính bậc nhất. ...........................54
Hình 3.3. Đặc tính q độ của khâu tích phân- qn tính bậc n....................................55
Hình 3.4. Đặc tính q độ của khâu qn tính bậc hai .................................................56
Hình 3..5.a. Đặc tính q độ của khâu Lead/ Lag. ........................................................57
Hình 3.5.b. Đặc tính q độ của khâu Lead/ Lag. .........................................................58
Hình 3.6. Đặc tính quá độ của khâu dao động bậc hai. .................................................59
Hình 3.7. Điều khiển đối tượng với bộ điều khiển PID. ...............................................60
Hình 3.8. a. Đặc tính quá độ theo phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất. .................62
Hình 3.8.b. Đặc tính q độ theo phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất. ..................62
Hình 3.9. Sơ đồ khối của phương pháp. ........................................................................63
Hình 3.10.Đặc tính q độ theo phương pháp Chien- Hrones- Reswich. .....................64
Hình 3.11: Điều khiển Cascade. ....................................................................................65
Hình 3.12 Mơ hình bình chứa B1 ...................................................................................67
Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển phản hổi PID kinh điển ................................................70
Hình 3.14. Ý nghĩa thiết bị và ký hiệu chức năng. ........................................................79
Hình 4.1 : Thực hiện lệnh gọi khối FC10 ......................................................................84
Hình 4.2 Giao diện chính..............................................................................................93
Hình 4.4 Giao diện trend ...............................................................................................95

vii


MỞ ĐẦU
Ngày nay hầu như trong ngành kinh tế kỹ thuật nào cũng đều đã áp dụng kỹ thuật
tự động hóa nhằm làm tăng sản lượng, chất lượng sản phẩm với mục tiêu hướng tới việc
nâng cao chất lượng đời sống con người. Việc áp dụng kỹ thuật tự động hóa đã làm thay
đổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ. Nhất là trong lĩnh vực sản xuất công
nghiệp. Ngày nay trên thế giới đã có khơng ít những nhà máy khơng có con người, văn
phịng khơng có giấy, mà chỉ có máy móc thơng minh thiết bị thơng minh v.v. Nói như
vậy để thấy rằng, tự động hóa là một nhu cầu cao trong xã hội hiện đại. Các hệ thống

này nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng xuất lao động, giảm
chi phí sản xuất, giải phóng người lao động khỏi những vị trí làm việc độc hại .v.v.
Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình cơng
nghệ thơng qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra. Các hệ thống tự động hoá
thực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển tồn bộ
q trình cơng nghệ hoặc tồn bộ xí nghiệp nói chung.
Để phát triển sản xuất, ngồi việc nghiên cứu hồn thiện các q trình cơng nghệ
hoặc ứng dụng cơng nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng là
nâng cao mức độ tự động hố các q trình cơng nghệ. Điều khiển quá trình hiện nay đã
và đang phát triển một cách mạnh mẽ trong các nhà máy công nghiệp như hóa chất, xi
măng, luyện kim... Tuy nhiên, việc nghiên cứu về điều khiển quá trình ở Việt Nam thì
chỉ ở giai đoạn khởi đầu.
Với ý tưởng tạo ra một mô hình thí nghiệm với nhiều bài tốn điều khiển q
trình và điều khiển quá trình nâng cao khác nhau trên mơ hình thức tế để kiểm chứng lý
thuyết, đề tài thực hiện mong muốn điều khiển được giá trị mức chính xác và ổn định
cho các đối tượng tham số hằng hay tham số biến thiên cả trong phịng thí nghiệm cũng
như trong môi trường công nghiệp.
Nội dung luận văn gồm 4 chương:
Chương 1 : Tổng quan về điều khiển quá trình, thiết lập cái nhìn sơ lược về bản
chất và mục đích của điều khiển q trình cũng các chức năng và thành phần cơ bản
của hệ thống điều khiển quá trình. Với một số quá trình trong thực tế và các khó
khăn trong việc thiết kế các bộ điều khiển

1


Chương 2: Tính tốn, thiết kế xây dựng hệ thống, thiết kế một hệ thống điều
khiển quá trình với đối tượng bình mức, tính tốn lựa chọn thiết bị và thiết kế phần cứng
cho hệ thống
Chương 3 :Tthiết kế bộ điều khiển cho quá trình mức nước và lưu lượng, trình

bày về mơ hình tốn học mơ tả hệ thống bằng lý thuyết và thực nghiệm. Thuật toán điều
khiển PID và ghép tầng PID
Chương 4 : Điều khiển và giám sát hệ thống, lập trình PLC điều khiển giám sát
HMI, các kết quả đạt được, độ ổn định của mô hình
Để hồn thành luận văn này tơi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình trong suốt thời
gian qua của TS. Nguyễn Huy Phương. Do khả năng cũng như các nguồn tài liệu
tham khảo còn hạn chế nên kết quả luận văn này vẫn cịn nhiều thiếu sót. Tơi mong
nhận được nhiều ý kiến đóng góp hữu ích từ các thầy, cơ cùng các đồng nghiệp để có
thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến
kết quả hoàn thiện hơn

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Điều khiển quá trình hiện nay đã và đang phát triển một cách mạnh mẽ trong
các nhà máy cơng nghiệp như hóa chất, xi măng, luyện kim... Tuy nhiên, việc nghiên
cứu về điều khiển quá trình ở Việt Nam thì chỉ ở giai đoạn khởi đầu. Với mục đích
nâng cao chất lượng điều khiển và đảm bảo hoạt động an toàn cho hệ thống thì việc
tìm hiểu về các q trình cơng nghệ và các phương pháp điều khiển hiện đại cho các
vấn đề phức tạp của điều khiển quá trình là rất quan trọng. Phần đầu tiên của luận văn
là các khái quát về một hệ thống điều khiển quá trình và các khó khăn thường gặp khi
điều khiển các hệ thống này.
1.1 Khái qt về điều khiển q trình
1.1.1 Tính cấp thiết của điều khiển quá trình
Ngày nay tất cả các nhà máy và xí nghiệp cơng nghiệp đều được trang bị các hệ
thống tự động hoá ở mức cao. Các hệ thống này nhằm mục đích nâng cao chất lượng
sản phẩm, nâng cao năng xuất lao động, giảm chi phí sản xuất, giải phóng người lao
động khỏi những vị trí làm việc độc hại .v.v.
Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình cơng

nghệ thơng qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra. Các hệ thống tự động hoá
thực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển tồn bộ
q trình cơng nghệ hoặc tồn bộ xí nghiệp nói chung. Hệ thống tự động hố đảm bảo
cho q trình cơng nghệ xảy ra trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuất
mong muốn của từng cơng đoạn trong q trình công nghệ. Chất lượng của sản phẩm
và năng suất lao động của các phân xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc rất
lớn vào chất lượng làm việc của các hệ thống tự động hoá này.
Để phát triển sản xuất, ngồi việc nghiên cứu hồn thiện các q trình cơng nghệ
hoặc ứng dụng cơng nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng
là nâng cao mức độ tự động hố các q trình cơng nghệ. Do sự phát triển mạnh mẽ
của công nghệ vi điện tử và cơng nghệ chế tạo cơ khí chính xác, các thiết bị đo lường
và điều khiển các q trình cơng nghệ càng được chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy và
chính xác [ 2].

1


Hình 1.1 Hệ thống điều khiển quá trình
Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà
máy công nghiệp hiện đại. Từ những năm nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay điều khiển
tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công nghiệp khai thác,
chế biến và năng lượng như dầu khí, lọc dầu, hố chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà
máy điện. Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó
có một số đặc thù chung, được xếp vào phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình
(process control system, PCS). Một hệ thống điều khiển q trình chứa đựng trong đó
tồn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các
yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu
quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc và mơi trường. Hình 1.1 minh hoạ sơ
lược cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình. Trong cấu
trúc này, các quá trình đều được điều khiển nhờ các bộ điều khiển riêng dựa trên các

tín hiệu đầu vào và đầu ra tới hệ thống q trình. Trong đó, máy tính đóng vai trò như
một thiết bị tham gia trực tiếp hay gián tiếp vào quá trình điều khiển, thể hiện các
trạng thái quá trình hay giao tiếp với người vận hành.
1.1.2 Khái niệm điều khiển quá trình
Trong nội dung luận văn này, khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng
dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình
2


công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an tồn cho
người, máy móc và môi trường.
Để làm rõ định nghĩa này, những mục tiêu tiếp theo sẽ lần lượt cung cấp một số
khái niệm cơ bản và phân tích những vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình.
Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc chuyển đổi sinh
học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thơng tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu
trữ.
Q trình cơng nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi vận chuyển hoặc lưu
trữ vật chất, năng lượng, nằm trong một dây chuyền cơng nghệ nhà máy sản xuất.
Q trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng đo được hoặc/và can thiệp
được. Khi nói tới một q trình kỹ thuật ta hiểu là q trình cơng nghệ cùng với các phương
tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo, thiết bị chấp hành.
Một cách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp vào
các biến điều khiển một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu cho trước
đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của q trình đến mơi trường và con người xung
quanh. Mơ hình tổng qt của một q trình như hình 1.6.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biến
quá trình. Các biến quá trình bao gồm biến vào và biến ra. Biến vào là một đại lượng
hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngồi vào q trình, ví dụ như dòng
nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt… Biến ra là một đại lượng hoặc một điều
kiện thể hiện tác động của q trình ra bên ngồi, ví dụ nồng độ sản phẩm hoặc lưu

lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải…

Hình 1.2 Q trình và các loại biến quá trình
3


Biến trạng thái là các biến mang thông tin về trạng thái bên trong q trình, ví dụ
nhiệt độ lị, áp suất hơi, mức chất lỏng… trong nhiều trường hợp biến q trình có thể
coi là biến ra.
Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái của một quá trình
điều khiển, điều chỉnh ổn định ở giá trị đặt hoặc bám theo tín hiệu chủ đạo.
Biến điều khiển là một biến có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngồi, qua đó tác
động tới biến ra theo ý muốn.
Những biến cịn lại khơng can thiệp một cách trực tiếp hoặc gián tiếp trong
phạm vi quá trình quan tâm thì được coi là nhiễu.
Hình 1.3 minh hoạ một hình chứa chất lỏng đơn giản cùng với các biến đặc
trưng. Đây là một q trình cơng nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyển và lưu trữ.
Mặc dù chất lỏng chảy vào và ra khỏi bình nhưng cả lưu lượng vào và ra đều được coi
là các biến vào, trong khi mức chất lỏng h vừa có thể coi là một biến trạng thái hoặc
một biến ra của q trình. Bài tốn điều khiển đặt ra là thơng qua điều chỉnh độ mở
van cấp, thay đổi lưu lượng vào Fi một cách hợp lý để duy trì mức trong bình h ổn
định tại một giá trị mong muốn, khơng phụ thuộc vào lưu lượng ra Fo. Có thể dễ thấy
mức chất lỏng h là biến cần điều khiển và lưu lượng vào Fi là biến điều khiển. Trong
khi đó lưu lượng ra Fo phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của q trình tiếp theo, khơng
thể can thiệp được ở đây, vì vậy được coi là nhiễu quá trình hay nhiễu tải.

Hình 1.3 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình
Trong điều khiển quá trình các biến q trình có thể đo được hoặc khơng đo
được. Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được.
Tuy nhiên nếu phép đo một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc q tốn

kém, nó có thể được quan sát, tính tốn hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại
lượng khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp. Vì thế một biến cần điều khiển trong
4


một số trường hợp chưa chắc sẽ là một biến được điều khiển. Trong nhiều bài tốn thì
việc nhận biết quá trình cũng như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điều
khiển không phải bao giờ cũng dễ dàng. Đây cũng là một trong những nhiệm vụ quan
trọng trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển.
1.1.3 Mục đích và chức năng điều khiển q trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu
quả và kinh tế cho quá trình cơng nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ
thống điều khiển quá trình người kỹ sư phải tìm hiểu rõ các mục đích điều khiển và
chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài tốn
và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển bao giờ cũng bắt đầu từ việc tiến hành
phân tích và cụ thể hố các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là một
cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển
quá trình.
Tồn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển q 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 chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ của máy móc, thuận tiện trong vận
hành.
Đảm bảo năng xuất và chất lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì
các thơng số liên quan đến 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 và thiết bị và mơi trường xung quanh trong
trường hợp xảy ra sự cố.
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 và khói, giảm tiêu
thụ nhiên liệu và nguyên liệu.
Nâng cao hiệu quả kinh tế: đảm bảo năng xuất và chất lượng theo yêu cầu trong
khi giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu
thay đổi thị trường.

5


1.1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Tuỳ theo mức độ ứng dụng và mức độ tự động hố các hệ thống điều khiển q
trình cơng nghiệp có thể đơn giản 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.

Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Thuật ngữ:
Giá trị đặt

Set Point (SP), Set Value (SV)

Tín hiệu điều khiển

Control Signal, Controller Output (CO)

Biến điều khiển

Control Variable, Manipulate Variable (MV)

Biến được điều khiển

Controlled Variable (CV)

Đại lượng đo

Measured Variable, Process Value (PV)

Tín hiệu đo

Measured Signal, Process Measurement (PM)

Để thấy một cách sơ lược chức năng của từng thành phần trong hệ thống và
quan hệ giữa chúng, trước hết ta xét một ví dụ điều khiển nhiệt độ minh hoạ trên hình
1.5. Mục đích của hệ thống là pha trộn hai dòng vào F1 và F2 có nhiệt độ T1, T2 để thu
được sản phẩm có nhiệt độ T cấp cho quá trình đứng sau. Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi
bình (T) được đo bằng cảm biến cặp nhiệt, tín hiệu điện áp ra được một bộ chuyển đổi
đo chuẩn chuyển sang tín hiệu chuẩn dịng 4-20mA và đưa tới bộ điều khiển DCS.
DCS là giải pháp điều khiển số tích hợp cấu trúc phân tán được sử dụng rất rộng rãi
trong các hệ thống điều khiển quá trình.

6


Hình 1.5 Các thành phần cơ bản trong hệ thống điều khiển nhiệt độ
Tín hiệu đo tương tự 4-20 mA trước hết phải được chuyển đổi sang dạng số
(khâu biến đổi A/D) trước khi được xử lý tiếp trong máy tính số. Giá trị nhiệt độ mong
muốn (TSP) được người vận hành đặt từ trạm vân hành hoặc do một chương trình điều
khiển cao cấp trên trạm vân hành tính toán và đưa xuống. Qua so sánh giữa giá trị đo
với giá trị đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính tốn giá trị biến điều khiển
theo một thuật tốn đã được cài đặt. Ví dụ với thuật tốn tỷ lệ, giá trị biến điều khiển
tỷ lệ thuận với sai lệch. Giá trị này được khâu biến đổi số - tương tự (khâu D/A)

chuyển thành tín hiệu điều khiển theo chuẩn dòng 4-20 mA để đưa tới van điều khiển
(thiết bị chấp hành). Cuối xùng tín hiệu điều khiển được chuyển qua khâu chuyển đổi
điện/khí nén I/P thành dạng tín tiệu khí nén 0.2-1Bar để thay đổi độ mở van cấp dịng
nóng. Lưu lượng dịng nóng F1 được thay đổi và thơng qua đó điều chỉnh nhiệt độ ra T
với giá trị đặt TSP.
1.2 Đặc điểm của đối tượng điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là một trong các lĩnh vực phức tạp và phổ biến trong rất
nhiều lĩnh vực từ sản xuất, may mặc đến hóa chất, thực phẩm. Việc điều khiển một
quá trình thường gặp rất nhiều khó khăn do các đặc điểm của hệ gây ra.
1.2.1 Đối tượng điều khiển đa biến
Một quá trình trong thực tế thông thường sẽ là một hệ đa biến với nhiều biến
vào và biến ra có tác động qua lại lẫn nhau. Một hệ đa biến điển hình với tác động qua
lại là hệ thống bồn chưng cất như hình 1.6.
7


Bồn chưng cất có 2 đầu thốt ra cho 2 loại sản phẩm. Trong ví dụ này, tháp
trưng cất có nhiệm vụ tách hỗn hợp benzene và toluence. Lối thoát ở đỉnh tháp là sản
phẩm toluence và lối thoát ra ở đáy tháp là sản phẩm benzen. Để đạt được sự phân tách
benzen - toluene như mong muốn, bộ điều khiển ở đỉnh tháp phải điều khiển lưu lượng
ngược để điều chỉnh thành phần ở chất thoát ra ở đỉnh. Bộ điều chỉnh ở đáy điều chỉnh lưu
lượng hơi nước đến nồi chưng để điều chỉnh thành phần chất thoát ra ở đáy. Bất cứ sự thay
đổi nào ở nguồn cấp cho bồn được coi như 1 nhiễu quá trình. Với 2 biến phải điều khiển và
2 biến đo được từ q trình như trên ta có hệ MIMO có 2 đầu vào 2 đầu ra [1].

Hình 1.6 Hệ thống bồn chưng cất
Để minh hoạ sự tương tác trong quá trình MIMO, giả sử thành phần toluence
của chất thốt ra từ đỉnh tháp thấp hơn điểm đặt. Bộ điều khiển sẽ phản ứng bằng cách
tăng lưu lượng của dòng lạnh (chảy ngược) vào trong tháp. Điều này sẽ làm tăng độ
tinh khiết của toluence thoát ra từ đỉnh. Tuy nhiên, chất lỏng lạnh được thêm vào sẽ

ảnh hưởng xuôi xuống đáy tháp, bắt đầu làm lạnh từ trên đỉnh xuống đáy và kết quả là
độ tinh khiết của benzen thoát ra từ chất ở đáy tháp giảm đi. Khi thành phần benzen
thoát ra từ đáy tháp thấp hơn điểm đặt, bộ điều khiển sẽ tăng dòng hơi vào buồng
8


chưng cất lại để làm nóng đáy tháp. Nhưng hơi nóng sẽ tác động lên trên và dẫn đến
đỉnh tháp cũng được làm nóng. Khi đó độ tinh khiết của toluence ở đỉnh giảm, bộ điều
khiển đỉnh lại thêm vào tác động điều khiển. Quá trình cứ liên tục diễn ra như vậy do
sự tác động lẫn nhau giữa các biến vào của một hệ đa biến. Từ đây ta thấy rõ có một sự
tương tác trong q trình điều khiển các biến.
1.2.2 Đối tượng có tham số biến thiên
Khó khăn thứ 2 trong điều khiển các q trình cơng nghiệp là hệ có tham số
biến thiên. Một đối tượng khơng có sự thay đổi tham số theo thời gian hoặc sự thay đổi
của tham số theo thời gian không đáng kể được gọi là mơ hình tham số hằng. Ngược
lại đối tượng cần quan tâm có tham số phụ thuộc thời gian được gọi là mơ hình tham
số biến thiên.
Các quá trình điều khiển mức với tham số biến thiên thường là các quá trình
pha trộn, phản ứng, trưng cất. Với mong muốn để có thể thực hiện tốt với u cầu chất
lượng sản phẩm thì thơng thường người ta mong muốn thể tích V của đối tượng là
khơng đổi. Trong thực tế, thể tích cơng chất trong bình chứa được điều khiển bằng một
vòng điều khiển độc lập nhằm duy trì ln là hằng số. Tuy nhiên, do sự thay đổi của
diện tích đáy, hay do sự khơng chính xác của vịng điều khiển thể tích V mà làm tham
số này biến thiên. Điều này dẫn đến sự biến đổi tham số trong mơ hình tốn của đối
tượng điều khiển [ 2].
Với các quá trình nhiệt, pha trộn thì do tính dẫn nhiệt hay khơng đồng nhất của
q trình dẫn đến sự biến thiên tham số theo vị trí đặt của thiết bị đo. Khi vị trí của
cảm biến đặt càng gần với nguồn nhiệt hay nguồn vào cơng chất pha trộn thì càng thể
hiện rõ sự ảnh hưởng này.
1.2.3 Đối tượng phi tuyến

Đối tượng phi tuyến là các đối tượng không thỏa mãn nguyên lý xếp chồng. Khi
đối tượng là phi tuyến thì việc điều khiển khơng thể thực hiện trực tiếp bằng lý thuyết
điều khiển cổ điển mà phải thơng qua tuyến tính hóa hay các phép biến đổi gần đúng
để tuyến tính đối tượng phi tuyến về dạng tuyến tính xung quanh điểm làm việc cân
bằng. Chính điều này gây nên sai số và giảm chất lượng điều khiển cho hệ thống.
Trong lĩnh vực điều khiển quá trình đối tượng cần điều khiển là phi tuyến do 2
yếu tố chính sau:
9


Thiết bị điều khiển là phi tuyến: Với thiết bị chấp hành thông thường cho các hệ
thống điều khiển quá trình là van, bơm, động cơ, thiết bị gia nhiệt... để điều khiển các
biến như nhiệt độ, lưu lượng, áp suất... Chính các thiết bị chấp hành này cũng là các
thiết bị phi tuyến dẫn đến sự phi tuyến của đối tượng điều khiển.
Mơ hình tốn của đối tượng là phi tuyến: điều này được minh họa như thiết bị
khuấy trộn liên tục trên hình 1.7. Sản phẩm được pha chế từ hai dịng ngun liệu có
nồng độ chất A khác nhau. u cầu cơng nghệ là duy trì thành phần sản phẩm ra theo
theo khối lượng của chất A như mong muốn, trong điều kiện thành phần của hai dịng
vào có thể thay đổi nhẹ.

Hình 1.7 Thiết bị khuấy trộn liên tục
ω1 và ω2 – lưu lượng khối lượng của hai dòng nguyên liệu (kg/s hoặc kg/phút);
x1, x2 – Thành phần hai dòng nguyên liệu (phần khối lượng của A);
ω – lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm ra (kg/s);
x – thành phần của sản phẩm ra (phần khối lượng của A);
h – mức chất lỏng trong bình tính bằng (m).
Trong ví dụ này, mơ hình tốn của hệ được hình thành bởi phương trình cân
bằng vật chất tồn phần và phương trình cân bằng vật chất riêng phần:
ρ

dV
= ω1 + ω 2 − ω
dt

(1.1)

ρ

d (Vx)
= ω1 x1 + ω 2 x 2 − ωx
dt

(1.2)

Khai triển đạo hàm vế trái của (1.2) theo x và V:

10


ρV

dx
dV
+ ρx
= ω1 x1 + ω 2 x 2 − ωx
dt
dt

(1.3)

Thay thế vế trái của (1.1) vào (1.3) và giản ước ta nhận được:
ρV

dx
= ω1 x1 + ω 2 x 2 − (ω1 + ω 2 ) x
dt

(1.4)

Thay V = Ah và đưa các phương trình vi phân về dạng chuẩn, cuối cùng ta có
1
 dh
=
(ω + ω 2 − ω )

 dt ρA 1
 dx
1
1
 =
(ω1 x1 + ω 2 x 2 ) −
(ω1 + ω 2 ) x

ρAh
 dt ρAh

(1.5)

Trong phương trình (1.5) ta thấy nồng độ sản phẩm ra x là một biến phụ thuộc
vào x, ω1, ω2, h, ρ và là một hàm phi tuyến. Biến x phi tuyến theo cả 2 biến vào ω1, ω2,

và biến ra h. Thiết bị khuấy trộn là khá đơn giản, điển chỉnh cho hệ thống điều khiển
quá trình nhưng các phương trình mơ hình đã thể hiện phần nào sự phức tạp đặt ra cho
bài toán điều khiển.
1.2.4 Thời gian chết lớn
Thời gian chết sinh ra là do đặc điểm của q trình thực, nó làm cho tác động
điều khiển của bộ điều khiển đến quá trình bị chậm lại. Thời gian chết là khoảng thời
gian từ khi có tác động của bộ điều khiển đến khi có đáp ứng của hệ thống theo tín
hiệu điều khiển này. Các quá trình như trên thường gặp trong điều khiển nhiệt độ, lưu
lượng, áp suất , phản ứng hố học… Nó được đặc trưng bởi hàm truyền có dạng bậc
một hay bậc cao hơn với thời gian chết như hàm FP=

K .e −θ P s
(FOPDT – First order
TP s + 1

plus dead time – khâu qn tính bậc một có thêm thời gian chết), trong đó TP hằng số
thời gian của quá trình, θP thời gian chết của quá trình [2 ].
Một trong những ví dụ dễ thấy trong thực tế của thời gian chết là băng tải. Thời
gian chết là thời gian mà vật liệu được vận chuyển trên băng tải, nó phụ thuộc vào
chiều dài và tốc độ của băng. Thời gian chết gây ra nhiều khó khăn trong việc điều
khiển q trình, nó làm mất tính ổn định của hệ thống, suy giảm đặc tính, gây khó
khăn trong việc tính tốn và lựa chọn phương pháp điều khiển cũng như các bộ điều
khiển. Trong thực tế, các hệ thống đều có thời gian chết, do đó các bộ điều khiển tốt
phải có khả năng giải quyết thời gian chết của q trình mà nó điều khiển.
11


Hình 1.8 Quá trình vận chuyển bằng băng tải
Đối với các hệ thống có thời gian chết, khi sử dụng bộ điều khiển phản hồi kín
trong những trường hợp này thì tín hiệu phản hồi giá trị của q trình không quan sát

ngay được do tác động của thời gian chết. Do đó tác động của bộ điều khiển quá trình
bị trễ là điều khơng thể tránh khỏi. Thời gian chết làm bất kỳ tín hiệu nào cũng bị trễ
lại trong khoảng thời gian đó. Cần chú ý là đối với các tín hiệu hình sin, thời gian chết
làm thay đổi góc pha giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra. Vì thế thời gian chết
được coi là một trong các yếu tố khó khăn nhất của điều khiển q trình.
1.3 Mạch vịng phản hồi
Mục đích của hệ thống điều khiển là duy trì sự cân bằng giữa nguồn cung cấp
đầu vào và yêu cầu đặt ra trong suốt thời gian làm việc. Để đạt được điều này người ta
phải sử dụng bộ điều khiển vịng kín. Điều khiển là phương pháp điều khiển dựa trên
sai lệch giữa tín hiệu đo được từ q trình với tín hiệu đặt để đưa ra tác động điều
khiển phù hợp và chính xác. Bộ điều khiển vịng kín được sử dụng cho hầu hết tất cả
các q trình cơng nghiệp [2 ].

12


Hình 1.9.: Bài tốn điều chỉnh (a) và bài tốn bám (b)
Ta có hai bài tốn điều khiển khác nhau là điều khiển bám và bài toán điều
chỉnh.
- Điều khiển bám (tracking problem): có nhiệm vụ điều khiển biến ra của q trình
bám theo giá trị đầu vào tín hiệu đặt. Bài toán điều khiển bám được dùng nhiều trong
điều khiển máy móc, điều khiển chuyển động, trong điều khiển q trình điều khiển
bám được dùng như trong bài tốn khởi động/dừng hệ thống, thay đổi chế độ vận hành
hoặc điều khiển theo mẻ.
- Bài toán điều chỉnh (regulation problem): có nhiệm vụ duy trì đầu ra của q trình
ổn định tại giá trị làm viêc mong muốn khi có tác động của nhiễu. Trong điều khiển
q trình bài tốn điều chỉnh đóng vai trị chủ yếu bởi các giá trị đặt thường ít thay đổi
trong chế độ vận hành bình thường. Các ví dụ cho bài tốn điều chỉnh như điều chỉnh
nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, nồng độ.
Hình 1.9 minh sự khác nhau giữa hai bài toán này.

Quan điểm cơ bản của mạch vòng điều khiển phản hồi được hiểu một cách dễ
dàng nhất khi ta hình dung rằng người vận hành sẽ phải làm điều này nếu việc điều
khiển tự động khơng tồn tại.
Ta xét ví dụ bình chuyển nhiệt sử dụng nguồn nhiệt để làm nóng nước lạnh.
Trong quá trình vận hành bằng tay thì lượng nhiệt (lượng hơi nước) đi vào bình phụ
góc mở van. Để điều khiển nhiệt độ bằng tay, người vận hành quan sát nhiệt độ hiển
thị và so sánh nó với nhiệt độ yêu cầu, rồi sau đó sẽ mở hoặc đóng van để nhận thêm
hoặc hạn chế nguồn nhiệt. Khi nhiệt độ đã đạt đến giá trị mong muốn, người vận hành
sẽ giữ cố định đầu ra của van để giữ nhiệt độ không đổi.
13


Bằng điều khiển tự động bộ điều khiển nhiệt độ cũng thực hiện chức năng như
vậy. Tín hiệu đo được đưa tới bộ điều khiển từ cảm biến nhiệt và so sánh với tín hiệu
đặt sau đó đưa vào bộ điều khiển. Dựa trên kết quả so sánh hai tín hiệu bộ điều khiển
sẽ tự động xác định được tín hiệu đo trên hoặc bên dưới điểm đặt và thay đổi lượng
mở của van sao cho phù hợp tới khi kết quả đo đạt tới giá trị cuối cùng.
Mạch vòng điều khiển phản hồi đơn giản được biểu hiện trong hình 1.9. Qua
hình vẽ minh họa bốn phần tử chính của mạch vịng điều khiển phản hồi. Đó là thiết bị
đo, bộ điều khiển tự động, thiết bị điều chỉnh và q trình thực hiện.

Hình 1.10 Mạch vịng điều khiển phản hồi đơn giản.
Một vấn đề được coi là cơ bản đối với điều khiển phản hồi đó là mạch vịng
điều khiển tự động phải được khép kín. Điều này có nghĩa là thơng tin phải được
truyền liên tục trong mạch vịng. Bộ điều khiển phải có thể thay đổi được lượng mở
của van để van có thể tác động đến phép đo và tín hiệu đo phải được đưa đến bộ điều
khiển.
Nếu đường dẫn này bị đứt ở bất kì điểm nào thì mạch vịng được gọi là hệ hở.
Ví dụ khi bộ điều khiển đặt ở chế độ điều khiển bằng tay thì phần tử tự động trong bộ
điều khiển không thể thay đổi được lượng mở của van. Vì vậy đáp ứng của bộ điều

khiển từ những thay đổi mà thiết bị đo đo được không tác động đến van, lúc này điều
khiển tự động không tồn tại. Điều này đồng nghĩa với việc sự có mặt của bộ điều khiển
sẽ khơng có tác dụng gì khi mạch vịng bị hở.
Trong q trình thực hiện chức năng điều khiển, bộ điều khiển tự động sử dụng
sự khác nhau giữa giá trị điểm đặt và giá trị đo được để đưa ra tín hiệu điều khiển van.
14


Tính chính xác và tính đáp ứng của những tín hiệu này là điều kiện cơ bản để bộ điều
khiển thực hiện điều khiển chính xác. Nếu cảm biến khơng gửi tín hiệu chính xác hoặc
là có sự trễ trong tín hiệu đo thì khả năng bộ điều khiển điều khiển quá trình sẽ bị sai
lệch. Tại cùng thời điểm đó bộ điều khiển phải nhận được giá trị điểm đặt chính xác.
Nếu bộ điều khiển sử dụng khí nén hoặc điện thì những giá trị điểm đặt đưa tới bộ điều
khiển phải được đo chính xác nếu khơng sẽ xuất hiện sai số giá trị đặt. Lúc đó khả
năng bộ điều khiển điều khiển vị trí van chính xác là không dễ dàng. Nếu xét đến ma
sát trong van thì bộ điều khiển khơng thể đóng mở van chính xác để đưa ra lưu lượng
như yêu cầu và sẽ xuất hiện sự khác biệt giữa giá trị đo và giá trị đặt. Chính vì lẽ đó ta
phải thực hiện việc trên nhiều lần để xác định chính xác vị trí của van. Hoặc là nếu bộ
điều khiển chỉ có thể đóng mở van rất chậm thì khả năng bộ điều khiển điều khiển q
trình sẽ bị sai lệch. Có một cách để tăng tính đáp ứng của van điều khiển là sử dụng
van vị trí. Van vị trí hoạt động như bộ điều khiển phản hồi điều khiển vị trí của van
chính xác tương ứng với tín hiệu ra từ bộ điều khiển. Tuy nhiên van vị trí khơng nên
sử dụng trong các mạch vòng đáp ứng nhanh như là tốc độ lưu lượng và áp suất chất
lỏng.

Hình 1.11. Van kết nối trực tiếp với bộ điều khiển
15