Cơ sở điều khiển tự độngFundamentals of Control System

Control

Level 1 - Fundamental Training

Cơ sở điều khiển tự động
Fundamentals of Control System

1

Contents
Topics:
• Một số thuật ngữ cơ bản
• Nguyên lý điều chỉnh tự động
• Các mạch điều khiển cơ bản
• Các mạch điều khiển nâng cao
• Thuật tốn điều khiển
• Hệ thống điều khiển

Power Point Presentation Handouts

2


Control

Level 1 - Fundamental Training

Ví dụ về tự động điều chỉnh

3

• Tự động điều chỉnh mức nước bầu nồi (nồi hơi)

Ví dụ về tự động điều chỉnh
• Tự động điều chỉnh vòng quay steam turbine

Power Point Presentation Handouts

4


Control

Level 1 - Fundamental Training

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology
5
Đối tượng điều chỉnh – PROCESS/OBJECT
Là thiết bị/hệ thống diễn ra quá trình cần điều chỉnh - Any operation or
sequence of operations involving a change in the
substance being treated.
Examples:
Bầu hơi của nồi hơi
Steam turbine
A change of energy state

-

A change of composition
A change of dimension

-

Sự thay đổi mức nước
Sự thay đổi vòng quay
hot to cold, liquid to
gas
a chemical reaction
grinding coal

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology6
Thông số được điều chỉnh – Process Controlled Variable
• Là thơng số của đối tượng cần duy trì khơng đổi
hoặc thay đổi theo qui luật nhất định
controlled variables - these are the variables which
quantify the performance or quality of the final product,
which are also called output variables.
– Ví dụ: Mức nước trong bầu hơi; Vòng quay steam turbine

Types of PROCESS CONTROLLED VARIABLE:
Pressure
Flow
Level
Temperature
Liquid Interface

Specific Gravity of liquid
Density
Mass
Conductivity
Composition

Moles

Power Point Presentation Handouts


Level 1 - Fundamental Training

Control

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology7
Thơng số điều chỉnh – Manipulated Variable
• Là thơng số (đại lượng) cần thay đổi để duy trì thông
số được điều chỉnh như mong muốn
manipulated variables - these input variables are adjusted
dynamically to keep the controlled variables at their set-points.

• Manipulated variables thường là các thơng số đầu
vào của đối tượng:
– Ví dụ: Lưu lượng nước cấp vào bầu nồi; Lưu lượng hơi cấp
vào steam turbine

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology8
Tác động nhiễu – Disturbance Variable
• Là các tác động từ mơi trường làm thay đổi thông số
điều chỉnh
disturbance variables - these are also called "load" variables
and represent input variables that can cause the controlled
variables to deviate from their respective set points.
– Ví dụ: Mức tiêu thụ hơi từ bầu hơi; Tải trên trục steam
turbine

Types of Disturbance

Power Point Presentation Handouts


Control

Level 1 - Fundamental Training

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology
9
Điều khiển mạch kín - CLOSED LOOP
A combination of instruments or functions that are
interconnected to measure and control a process
variable with feedback.
input

PROCESS

FINALCONTROL
ELEMENT

A System
with
Feedback

output

MEASUREMENT

CONTROLLER

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology
10
Bộ điều chỉnh - CONTROLLER
• Là tập hợp các thiết bị tạo nên tác động điều chỉnh đến
đối tượng nhằm duy trì thơng số điều chỉnh ở giá trị cần
thiết (set point).
• Bộ điều chỉnh có thể theo nguyên lý mạch kín (Closed
loop/Feedback) hay mạch hở (Open loop control)
• Difference: Open loop control has no feedback
– Control Modes

•
•
•
•

ON/OFF (Binary)
Proportional (P) – Tỷ lệ
Proportional-plus-Integral (PI) – Tỷ lệ tích phân
Proportional-plus-Integral-plus-Derivative (PID) –
Tỷ lệ-tích phân-vi phân

Power Point Presentation Handouts


Level 1 - Fundamental Training

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology
11
What is a SIGNAL ?
•

Hệ thống tự động điều chỉnh sử dụng các tín hiệu (signal), là các
thơng số được đo đạc, vận chuyển và xử lý trong hệ thống

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology
12
Cơ cấu thực hiện - CONTROL ELEMENT/ACTUATOR
• Là cơ cấu trực tiếp thực hiện việc điều chỉnh thông
số đầu vào để duy trì thơng số của đối tượng.
– Ví dụ: Van cấp nước vào bầu hơi; Van cấp hơi vào steam
turbine
– Van điều khiển - Control Valves
» modulates flow rate
» operated by actuator
– Các cửa gió, bướm gió - Louvers and Dampers
» operated by pneumatic actuators
– Điều chỉnh tốc độ - Variable Speed Drives
» operated by electronic control signals
♦

4 - 20 mA

Power Point Presentation Handouts

Control

Control

Level 1 - Fundamental Training

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology
13
Sơ đồ chức năng – Block Function Diagram
• Là sơ đồ khối biểu thị tương tác giữa đối tượng điều
chỉnh và bộ điều chỉnh, bao gồm:
– Bộ điều chỉnh, Đối tượng điều chỉnh;
– Tín hiệu (signals) và quan hệ giữa các tín hiệu trong hệ
thống.

Nhận dạng hệ thống TĐ ĐC

14

1. Van cấp nước;
2. Cơ cấu van phao-tay đòn;
3. Két nước

1. Van cấp hơi;
2. Cơ cấu cảm biến vòng
quay, tay đòn;
3. Steam turbine
Question: Hãy nhận dạng:
1. Đối tượng điều chỉnh;
2. Bộ điều chỉnh;
3. Thông số được điều chỉnh;

4. Cơ cấu, thông số điều chỉnh

Power Point Presentation Handouts


Control

Level 1 - Fundamental Training

Bài tập về nhà

15

Sơ đồ chức năng – Block Function Diagram
• Hãy tìm một ví dụ về hệ thống tự động điều chỉnh mà
bạn biết trong thực tế, vẽ sơ đồ chức năng và nhận
dạng hệ thống:
– Đối tượng điều chỉnh (Controlled Object);
– Thông số được điều chỉnh (Controlled Variable);
– Bộ điều chỉnh (Controller);
– Cơ cấu điều chỉnh/Thông số điều chỉnh
(Actuator/Manipulated Variable);
– Định trị (thông số đặt) (Set Point).

Nguyên lý điều chỉnh - Control Principle

Power Point Presentation Handouts

16

Control

Level 1 - Fundamental Training

Check Point

17

Cho các hệ thống tự động như dưới đây, hãy:
- Hãy vẽ sơ đồ chức năng của hệ thống tự
động;
- Nhận dạng các yếu tố: controlled variable;
manipulated variable; nguyên lý điều chỉnh
(ON/OFF, P, PI, PID).
1. Hệ thống tự động bơm nước lên nhà cao tầng;
2. Hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ hâm nước
(water heater) trong các gia đình;
3. Hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ buồng lạnh
(tủ lạnh).

Control Principle

18

FEED

PRODUCT

PROCESS

CORRECTING
UNIT

MEASURING
UNIT

PV
SP

O/P CONTROLLING
UNIT

OPERATOR

Mục tiêu: Duy trì thơng số đo được (Process Value-PV)
bằng giá trị u cầu (Set Point-SP).
A controller implements a Control Algorithm so that an output
signal (O/P) activates a correcting unit. The ratio of output signal
(O) to input signals (I) is Gain (K).
Proportional band 1 % =
K

Power Point Presentation Handouts

100 %
Gain

=

I

O

x 100%


Control

Level 1 - Fundamental Training

Control Principle

19

• Thơng số cần điều chỉnh - Process Variable (PV)
– the actual measurement of the state of the process

• Giá trị đặt - Set Point (SP)

– the desired state of the process variable

• Thuật tốn điều khiển - Control Algorithm

– the predefined response of the controller to PV-SP

• Tín hiệu ra của Bộ điều chỉnh - Controller
Output (O/P)
– a signal determined by the control algorithm

• Độ lệch (sai số) điều chỉnh - Offset

– the value of PV-SP when the system is in equilibrium

• Diretct Acting Controllers

– as the value of the measured variable increases, the
output of the controller increases.

• Reverse Acting Controllers

– as the value of the measured variable increases, the
output of the controller decreases.

Control Principle
Ngun lý tự chỉnh
• Một hệ thống có khả năng tự chỉnh
khi khơng có bộ điều chỉnh mà vẫn
phục hồi được trạng thái cân bằng
sau khi có tác động nhiễu.
– Ví dụ: Két ở trạng thái cân bằng với lưu
lượng dòng vào, ra, mức nước ổn định;
– Mở to van ra chút ít;
– Lưu lượng dịng ra tăng, áp suất dòng
ra giảm do mức nước giảm. Hệ thống
dần đạt trạng thái cân bằng với mức
nước thấp hơn và lưu lượng dòng ra
ổn định và bằng dòng vào;
– Hệ thống từ chỉnh sang trạng thái ổn
định mới khi có tác động nhiễu (mở to
van ra).

Power Point Presentation Handouts

20


Control

Level 1 - Fundamental Training

Control Principle

21

Một số ký hiệu (P&ID) – Tham khảo ISA5.1 2009
Example Instruments
TT

I/P Current-to-Pressure
Transducer

Temperature Transmitter

FIC Flow Indicating Controller

PT Pressure Transmitter

TE Temperature Element
(Thermocouple, RTD)

P/P Pressure-to-Pressure

Transducer

Instrument Location
Local
Mounting

Panel Front
Mounting

Panel Rear,
or Rack Mounting

Control Principle

22

Instrument Symbols
Letter Designations

A
C
D
F
I
L
P
Q
R
T
V

First Letter
Measured or Modifier
Initiating
Variable
Analysis
User's Choice
User's Choice Differential
Flow Rate
Ratio
(Fraction)
Current
(Electrical)
Level
Pressure,
Vacuum
Quantity
Integrate,
Totalize
Radiation
Temperature
Vibration

Succeeding Letters
Readout or
Output
Passive
Function
Function
Alarm

Control

Indicate
Light
Point (Test
Connection)
Record
Valve, Damper,
Louver

Power Point Presentation Handouts

Transmit


Control

Level 1 - Fundamental Training

Control Principle

23

Quy định trong các hệ thống P&ID - Signal Types (ISA)

Connection to Process,
Instrument Supply,
or Direct Mechanical Link

Pneumatic Signal

Electric Signal

Control Principle
Các dạng bộ điều chỉnh - Controller
Types
• Khí nén - Pneumatic
• Tương tự - Analog
• Số - Digital
– Điều khiển phản hồi (mạch kín) - Single Loop
Controllers
– Distributed Control System
– Fieldbus Control System

Power Point Presentation Handouts

24


Control

Level 1 - Fundamental Training

Điều khiển phản hồi - Basic Control Loop

25

Mạch điều chỉnh áp suất - Pressure Control Loop
I/P

PIC

• Pressure Loop Issues:
– May be a Fast Process
» Liquid
» Small Volume
– May Require Fast Equipment

PT

Basic Control Loop

26

Mạch điều chỉnh nhiệt độ - Temperature Control Loop
• Temperature Loop Issues:
–

Fluid response slowly to change in input heat
– Requires advanced control strategies
» Feedforward Control
Load
Disturbance
TIC

Cold
Water

I/P
TT

Steam

Hot
Water

Power Point Presentation Handouts


Control

Level 1 - Fundamental Training

Basic Control Loop

27

Mạch điều chỉnh lưu lượng - Flow Control Loop
• Flow Loop Issues:
– May be a Very Fast Process
» “Noise” in Measurement Signal
• May Require Filtering
» May Require Fast-Responding Equipment
– Typically Requires Temperature Compensation
I/P

FIC

FT

TT

Basic Control Loop

28

Mạch điều chỉnh mức - Level Control Loop (Inflow)
I/P

LIC

• Level Loop Issues:
– Control At Inflow or Outflow
– Non-Self Regulating

LT

Power Point Presentation Handouts


Control

Level 1 - Fundamental Training

Basic Control Loop

29

Mạch điều chỉnh mức - Level Control Loop (Outflow)

LIC

I/P

LT

Điều khiển bậc cao - Advance Control Loop
Điều khiển tầng - CASCADE CONTROL
Bao gồm bộ điều chỉnh chính (primary/master) để giữ cho thơng số
được điều chỉnh không đổi và bộ điều chỉnh thứ cấp
(secondary/slave) dùng để điều chỉnh một thơng số phụ khác mà có
thể tác động đến thơng số chính. Đầu ra của BĐC chính sẽ tác động
vào điểm đặt (set point) của BĐC thứ cấp.

r1

Primary
controller
FBC

c1

r2

Secondary
controller
FBC

Multi-Variable Control
m

c2

Power Point Presentation Handouts

Disturbance
Secondary
Process

Primary
Process

30


Control

Level 1 - Fundamental Training

Điều khiển bậc cao - Advance Control Loop

31

Điều khiển tầng - CASCADE CONTROL
Bao gồm bộ điều chỉnh chính (primary/master) để giữ cho thơng
số được điều chỉnh không đổi và bộ điều chỉnh thứ cấp
(secondary/slave) dùng để điều chỉnh một thơng số phụ khác mà
có thể tác động đến thơng số chính. Đầu ra của BĐC chính sẽ tác
động vào điểm đặt (set point) của BĐC thứ cấp.

Multi-Variable Control

Điều khiển bậc cao - Advance Control Loop
Ví dụ CASCADE CONTROL
Nhiệt độ của chất lỏng trong két được duy trì bằng cách điều
chỉnh lưu lượng hơi hâm trong áo sơ mi bao phía ngồi két.
Temperature
transmitter
IN

Temperature
controller

Measurement
Output
Measurement
Jacket

OUT

Valve

SINGLE-LOOP CONTROL

Pressure
transmitter

Pressure
controller

Steam

Cascade Control Loop

Power Point Presentation Handouts

32


Control

Level 1 - Fundamental Training

Điều khiển bậc cao - Advance Control Loop

33

Cascade Control
Cold
Water

Steam
Header

TIC

RSP

_

FC

I/P

Major Load B:
Steam Header
Pressure

TT
FT

Steam
Major Load A:
Outflow Rate
Hot
Water (Demand)

Condensate

Load B
(Header Pressure)
SP

TIC

_

RSP

FC

_

Load A
(Demand)

Steam Flow
Process

Temperature
Process

FT
TT

Điều khiển bậc cao - Advance Control Loop
Điều khiển mạch thẳng - FEED FORWARD CONTROL
Ở bộ điều khiển mạch thẳng một thơng số tải của q
trình (load) được đo và sử dụng để tính tốn tác động
điều khiển sao cho thơng số ra của q trình khơng đổi.

Power Point Presentation Handouts

34


Control

Level 1 - Fundamental Training

Điều khiển bậc cao - Advance Control Loop

35

Ví dụ bộ điều chỉnh mức nước nồi hơi - FEED
FORWARD CONTROL
Tải hơi của nồi hơi được cảm ứng và dùng để tác động đến BĐC
lưu lượng nước cấp. Tín hiệu mức nước và lưu lượng nước dùng
để hiệu chỉnh các BĐC. Nhờ đó hệ thống hoạt động ổn định và duy
trì mức nước tốt hơn.
Steam
Feedwater

FT
LT

FT

Flow
controller
PV
O/P

Boiler

SP

Level
indicating
controller

Advance Control Loop

Feedforward
Loop

Summing
Junction

FFD
Feedback
Loop

Load
Disturbance

Feed
forward

36

Feedforward Control
Feedforward
Equations

SP

FT
TIC

Cold
Water
I/P

TT
Steam
Hot
Water

Power Point Presentation Handouts


Control

Level 1 - Fundamental Training

Điều khiển bậc cao - Advance Control Loop

37

Điều khiển tỷ lệ - RATIO CONTROL
Điều khiển tỷ lệ bao gồm một bộ điều chỉnh phản hồi mà giá trị đặt của
nó tỷ lệ với một thơng số khơng điều chỉnh khác nhằm duy trì tỷ lệ giữa
hai thông số. Chỉ số tỷ lệ được đặt bởi rơ le (ratio relay) hoặc bộ nhân
(multiplying unit). Lưu lượng chất B được điều chỉnh theo một tỷ lệ
nhất định với lưu lượng chất A.

Multi-Variable Control
Controlled
flow, B

Wild
flow, A

Ratio Output = A x ratio
relay

SP

Remote set
controller

Controlled
flow, B
Wild flow, A

Output

SP

Ratio
controller

Output

Điều khiển bậc cao - Advance Control Loop

38

Điều khiển tỷ lệ - RATIO CONTROL
Điều khiển tỷ lệ được sử dụng phổ biến trong công nghiệp khi cần cấp

2 chất với tỷ lệ nhất định. Ví dụ: Hịa trộn 2 loại nhiên liệu, tỷ lệ khơng
khí và nhiên liệu cho quá trình cháy, tỷ lệ các chất trong công nghiệp
pha chế.

Power Point Presentation Handouts


Control

Level 1 - Fundamental Training

Advance Control Loop

39

Ví dụ - RATIO CONTROL
Pickling Process
Acid
supply

√
Set

Manual
water
regulator

FT Flow
transmitter

Flow A

Water

Measurement

FC

Magnetic
flowmeter
Flow B

Control valve

Pickle tank
Other Application :

Fuel/air ratio control system on
combustion equipment, e.g. boilers.

Advance Control Loop

40

SELECTIVE CONTROL
Cho phép lựa chọn giữa hai hay nhiều điều kiện (tự động chuyển
chế độ điều khiển

Multi-Variable Control
Low select

O/P
PIC

RS
Speed
Control
O/P

PV

Power Point Presentation Handouts

Pump

O/P
PIC
PV


Control

Level 1 - Fundamental Training

Advance Control Loop

41

SELECTIVE CONTROL
Bộ điều chỉnh tỷ lệ KHƠNG KHÍ/NHIÊN LIỆU cho nồi hơi với các
khóa lựa chọn

Thuật tốn điều khiển - Control Algorithm

• On/Off
• Multi-step
• Proportional
• Integral
• Derivative

Power Point Presentation Handouts

42


Control

Level 1 - Fundamental Training

Control Algorithm

43

On-Off Control
Là thuật toán điều khiển đơn giản, chỉ gồm 2 chế độ ON/OFF.
Thông số được điều khiển được cảm biến và so sánh với giá trị
đặt. Tín hiệu điều khiển đưa ra là tín hiệu dạng xung ON/OFF.
Ví dụ: Tự động điều chỉnh mức nước (két nước, nồi hơi), tự
động điều chỉnh nhiệt độ hâm (nước, dầu).

Measured

variable

differential

Controller
output
Time

Control Algorithm

44

Điều chỉnh bậc - Multi-Step Action
BĐC có nhiều chế độ tác động theo bậc. Ví dụ, tín hiệu ra của
BĐC tương ứng với nhiều chế độ mở van, tùy thuộc vào giá trị
của thông số đo được (input values).
Ví dụ: Điều khiển q trình cháy ở nồi hơi theo các chế độ:
STOP-LOW FLAME-HIGH FLAME.
8
5
8
0
7
5

Time

4
3
2

1

Multi-step action

Power Point Presentation Handouts

Time


Control

Level 1 - Fundamental Training

Control Algorithm

45

PID Action: (Closed Loop)

Control Algorithm

46

PID Action: (Closed Loop)
100
90
SP

80
70

60
PV

% 50

PID Output

40
30
20
10

0

1

2

3

4
5
Time

Power Point Presentation Handouts

6

7

8

9


Control

Level 1 - Fundamental Training

Control Algorithm

47

Điều chỉnh tỷ lệ - Proportional Action (P)
Bộ điều chỉnh tỷ lệ cho tín hiệu điều chỉnh (controller output - O/P)
tỷ lệ với hiệu giữa thông số được điều chỉnh của đối tượng
(Process Variable - PV) và giá trị đặt (Set Point - SP).
Process
Load
SP
PV
Controller
Output

- Thường sử dụng các
cơ cấu liên kết cơ khí
dạng cần nổi (floating
lever)
- Có sai số của thơng
số được điều chỉnh

(PV) gọi là sai số tĩnh

Open-loop response of proportional mode

Control Algorithm

48

O/P %
100

Proportional Action (P)
Thuật toán điều khiển:
- (PV - SP)
+ Constant
Proportional
Band
(Constant is normally 50% )

O/P =

50

θ

SP - PV
Tan θ = Gain = 100 / Proportional Band

Khi tải thay đổi làm thông số hệ
thống lệch khỏi giá trị đặt, hệ thống

điều chỉnh để đưa về giá trị ban
đầu. Sau khi kết thúc, luôn có sai
lệch (offset).

Power Point Presentation Handouts

PV
Time
Recovery time

Offset

SP
Time


Control

Level 1 - Fundamental Training

Control Algorithm

49

Low Proportional Gain: (Closed Loop)
100
90
80

SP

E0 E1

70

E2

E3

E4

60

PV

% 50
40
Output

30
20
10

0

1

2

3

prop

4 5
Time

6

7

8

9

Control Algorithm

50

High Proportional Gain: (Closed Loop)
100
90

PV

80

SP

70
60
% 50

40
30
20
Output

10

0

1

2

3

higain

Power Point Presentation Handouts

4
5
Time

6

7

8

9