Điều khiển quá trình bình mức mô phỏng trên matlab

LỜI NÓI ĐẦU
Chuyên đề nghiên cứu : Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng bình mức (Thiết kế
hệ thống điều khiển quá trình điều khiển mức lưu lượng trong bình đơn ) .
Chuyên đề được xây dựng dưới dạng một bài tập tổng hợp . Giúp ta biết cách vận
dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học vào một bài tốn cụ thể hồn chỉnh
Trong thời gian nghiên cứu và làm chuyên đề dựa vào kiến thức đã được học ở
trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của cơ
giáo Hồng Thị Thương nên đề tài của chúng em đã hồn thành. Trong q trình thực
hiện đề tài, mặc dù chúng em đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai xót. Vì vậy
chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy cơ và các bạn để giúp đề tài phát triển
thêm
Sinh viên thực hiện :
Trần Hoàng Nam


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển, vận hành và giám sát các
quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an tồn
cho con người, máy móc và con người.
1.2. Quá trình và các biến quá trình
a. Quá trình
Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh
học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thơng tin dưoc biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ
và được phân biệt như sau :
+ Q trình cơng nghệ là những q trình liên quan tới 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. Một quá trình cơng nghệ có thể chỉ đơn giản như q 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 hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin.
+ Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc và

được can thiệp. Khi nói tới một q trình kỹ thuật, ta hiểu là q trình cơng nghệ cùng
với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành.
b. Biến quá trình
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá
trình và được thể hiện trong sơ đồ sau :


Hình 1.1 Phân loại biến quá trình
-

Nhìn trong sơ đồ ta có thể phân loại ra các biến chính của quá trình điều khiển
như sau:
+ 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 ( tín hiệu mẫu ) .
+ 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 .
+ Biến vào : là điều kiện phản ánh sự tác động từ bên ngồi vào q trình
+ Biến ra : là đại lượng thơng số thể hiện sự ảnh hưởng của q trình ra
bên ngoài
+ Biến điều khiển : là đại những biến vào của q trình có thể được can
thiệp trực tiếp từ bên ngồi vào q trình, để tác động tới biến ra theo
yêu cầu mong muốn
+ Biến nhiễu : là những biến vào của quá trình tác động lên quá trình
nhưng ta khơng can thiệp được trong phạm vi q trình đang quan tâm.
Nhiễu bao gồm:
-

Nhiễu quá trình : + Nhiễu đầu vào
+ Nhiễu tải
+ Nhiễu ngoại sinh
- Nhiễu đo , nhiễu tạp : nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trong giá trị đo
được .
Ví dụ về xác định biến quá trình của bình chứa chất lỏng :


Hình 1.2 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình
1.3. Phân loại q trình
Các cơng nghệ được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau và được chia ra
như sau:
-

-

Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Một q
trình chỉ có một biến ra được gọi là q trình đơn biến, cịn nếu có nhiều biến
ra thì được gọi là q đa biến. Có thể nói, hầu hết các cơng nghệ đều là đa
biến.
Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái
tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các q trình thành q trình liên tục, quá
trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ.

Trong một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị 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. Cũng vì vậy, các đại lượng đặc trưng của một quá
trình rời rạc thường được biếu biễn bằng các biến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các
biến kí tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic). Q trình đóng
bao, đóng chai, q trình phục vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ q

trình rời rạc tiêu biểu.
Một q trình mẻ là một quá trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), có đặc trưng
của cả q trình liên tục và q trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình
thao tác (cơng thức, recipe) 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 các biến
tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt, yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trị qua


trọng trong một quá trình mẻ. Các quá trình phản ứng hóa học, q trình pha chế, q
trình lên men (bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ.
Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế
biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế tạo và lắp
ráp. Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trước hết tới các quá trình
liên tục và quá trình mẻ. Tuy nhiên, ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại
một số q trình rời rạc, ví dụ q trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, khởi động
và dừng thiết bị,...
1.4. Mục đích và chức năng 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 cho q trình cơng 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 để đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài tốn và đi đến xây dựng
một giải pháp điều khiển quá 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 q 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:
1. Bảo đảm hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại
điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu
cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy, vận hành thuận tiện.
2. Bảo đảm năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế

hoạch sản xuất và duy trì các thơng số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu
cầu.
3. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như
bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và mơi trường trong trường hợp xảy ra sự cố.
4. 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.
5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất 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
của thị trường.


Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ các chức năng điều khiển q
trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa trên Hình 1.3. Hai dịng ngun
liệu có thành phần chất A lần lượt là và được đưa vào thiết bị khuấy trộn, tạo ra một sản
phẩm có thành phần x theo yêu cầu. Lưu lượng khối lượng của các dòng nguyên liệu
được kí hiệu là và , có thể điều chỉnh qua hai van cấp tương ứng. Quá trình pha chế được
hỗ trợ bởi một hệ thống khuấy trộn gắn động cơ. Dung dịch sản phẩm được đưa tới quá
trình tiếp theo với lưu lượng khối lượng w. Thiết bị khuấy trộn có thể hoạt động theo chế
độ liên tục hoặc theo mẻ, ở đây ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục.

Hình 1.3 Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản
1.5. Các thành phần của hệ thống
Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển q
trình cơng nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dự trên 3
thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển. Chức năng của
mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một các trực quan với sơ đồ
khối trên Hình 1.4

Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

Trong đó:
- Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV)


- Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO)
- Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated 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)
1.5.1.Thiết bị đo

Hình 1.5 : Một số thiết bị đo
Chức năng của một thiết bị đo là : cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó
với đại lượng đo.
Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi
(transducer):
- Cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận địa lượng quan tâm của
quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu.
- Bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi do mà cho đầu
ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus
trường,..). 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 hịa và chuyển
đổi sang một dạng thích hợp ( Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền
thống thì tín hiệu 4-20mA là thơng dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy
việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế ).
Lưu ý rằng các thuật ngữ “transmitter” hoặc “transducer” đôi khi cũng được dùng
để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”.

1.5.2. Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển (controller) :
là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ
thống điều khiển công nghiệp
Tùy theo ngữ 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
chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ
(ví dụ một trạm PLC DCS)./
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển được
lựa chọn : bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển
để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thơng qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo dạng tín
hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được
xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic
controller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller). Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí
nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự. Một mạch logic rơ-le (cơ - điện hoặc điện
tử) 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 một thiết bị điều khiển logic. Một thiết bị điều khiển số có thể chấp
nhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các thành phần
chuyển đổi tương tự - số như cầu thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được
thực hiện bằng máy tính số. Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độ
tin cậy cao hơn, mà cịn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính tốn và 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 hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thành
phần tích hợp trên bo mạch. Còn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển
bao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra và
module chức năng khác.

1.5.3. Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) 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.
Thơng qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến
của quá trình kỹ thuật.


Hình 1.6 : Cơ cấu chấp hành
Ví dụ : tùy theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh độ
mở van và thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình. Một máy
bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc
dịng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp
hành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển (control element). Cơ cấu
chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhiệt),
trong khi phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển.
1.6. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phân
tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ
phát triển hệ thống. Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát triển hệ thống điều
khiển quá trình được minh họa trên Hình 1.6.
1.6.1. Phân tích chức năng hệ thống
Quy trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm hiểu
các yêu cầu công nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa trên cơ sở
phân tích các mục đích điều khiển cơ bản. Đây là một nhiệm vụ hiết sức quan trong, cần
có sự hợp tác chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà công nghệ . Người
kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên quan mơ tả quy trình
cơng nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trọng nhất. Công việc của người kỹ
sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán điều khiển, bổ sung các chức

năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên các bản vẽ và lưu đồ chức năng
hay lưu là P&ID sơ lược. Tiếp theo, các yêu cầu về mặt cơng nghệ cho mỗi bài tốn điều
khiển cần được cụ thể hóa thơng qua của các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiển
cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động,... Bên cạnh đó, các điều kiện vận hành như
điểm làm việc, các điều kiểu biên, các chế độ vận hành và các yêu cầu về an toàn hệ
thống cũng cần được làm rõ. Các biểu đồ trình tự cũng được sử dụng để biểu diễn các u
cầu về trình tư vận hành cơng nghệ.


Hình 1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển q trình
1.6.2. Xây dựng mơ hình q trình
Thiết kế hệ thống trên cơ sở mơ hình là phương pháp khơng thể thiếu của người kỹ
sư. Mơ hình giúp ta hiểu rõ hơn về q trình cơng nghệ, giúp ta trừu tượng hóa vấn đề và
vì thế đơn giản hóa cách giải quyết. Hơn nữa, mơ hình q trình khơng chỉ quan trọng đối
với cơng việc thiết kế mà cịn phục vụ việc mô phỏng và đảo tạo vận hành. Việc xây dựng
mơ hình cịn được gọi là mơ hình hóa. Mơ hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức và với
nhiều phương pháp khác nhau.
1.6.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển
Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mơ hình tốn học của quá
trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển). Thiết kế
cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể vào thuật toán điều khiển, mà nhằm mục đích làm rõ
về mặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống. Đây là cơng việc hết sức quan
trọng, địi hỏi khơng những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều khiển mà cả nhiều kinh
nghiệm thực tế. Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập
trung, cấu trúc phi tập trung hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp). Tiếp theo, ta
cần lựa chọn các biến được điều khiển, các biển điều khiển tương ứng, các biến nhiều và
liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điều
khiển tụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ,... Kết quả của công việc thiết kế

sách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên các lưu đồ P&ID chi tiết. Kết quả của
thiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ biểu đồ logic, trong khi kết quả của
thiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đồ trình tự. Những cơng cụ tốn
học và cơng cụ máy tính trong lý thuyết điều khiển tự động giúp ta phân tích và đánh giá
tính thích hợp của các sách lược điều khiển.
1.6.4. Thiết kế thuật toán điều khiển
Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràng
các bước tính tốn và các cơng thức tính tốn cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều
khiển. Cơng việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước lựa chọn kiểu bộ điều khiển
hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển. Công
việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng khơng thể tách rời bài tốn phân tích hệ thống.
Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các cơng
cụ máy tính có vai trị hết sức quan trong. Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ thể
về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với các
thiết bị đo và thiết bị chấp hành cũng như đặc tính cơ bản của chúng.
Bên cạnh thuật toàn điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệt
quan tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự. Kết quả
của thiết kế thuật tốn điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc phương
trình logic, trong khi kết quả của thiết kế điều khiến trình tự là các bản vẽ biểu đồ chức
năng trình tự chi tiết.
1.6.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống
Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều
khiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các
yêu cầu của quy trình cơng nghệ. Cơng việc này địi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn tổng
quan về cơng nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong
phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau.
1.6.6. Phát triển phần mềm ứng dụng
Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, là
phần hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần mềm
có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu và

thiết kế giao diện người - máy. Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều khiển và giám
sát, cơng việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn hình vận hành,
giám sát mới được tiến hành. Các chương trình ứng dụng được thử nghiệm từng phần
trên cấu hình phần cứng thực với các đối tượng mơ phỏng và sau đó được thử nghiệm
ghép nối. Không quan trọng là xuất phát từ kỹ sự công nghệ, kỹ sư điều khiển, kỹ sư tự
động hóa hay kỹ sư phần mềm, ở đây nhóm chuyên viên phần mềm phải nắm vững


những kiến thức nền tảng của công nghệ phần mềm công nghiệp. Công nghệ phần mềm
cho các hệ thống điều khiển - tự động hóa cũng có thể được coi thuộc lĩnh vực công nghệ
hệ thống điều khiển.
1.6.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành
Bước cuối cùng trong công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện
trường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của điều khiển,
thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công nghệ, chạy thử từng phân
đoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy. Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, địi
hỏi kiến thức tương đối tồn diện, kinh nghiệm dự án và sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa
các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động hóa trong nhóm
chuyên gia hiện trường.


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN VÀ LƯU
ĐỒ P&ID
2.1. Sách lược điều khiển
Thể hiện nguyên tắc về mặt cấu trúc trong việc sử dụng thông tin về các biến quá
trình để đưa ra tác động điều khiển .
Tùy theo quan hệ giữa biến chủ đạo , biến đo được mà ta phân thành các loại hya
được sử dụng như sau :
- Sách lược điều khiển phản hồi
- Sách lược điều khiển truyền thẳng ( vòng hở / bù nhiễu)

- Sách lược điều khiển tỉ lệ
- Sách lược điều khiển kết hợp truyền thẳng và phản hồi.
2.1.1. Sách lược điều khiển phản hồi (Feedback control)
-

Dựa trên nguyên tắc đo giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về
bộ điều khiển để bộ điều khiển tính tốn lại giá trị của biến điều khiển .
- Do cấu trúc khép kín nên cũng sách lược này cũng được gọi là sách lược điều
khiển vịng kín (closed loop control).
Sơ đồ cầu trúc hệ điều khiển phản hồi:

Hình 2.1 : Feedback control
Đặc điểm:
- u(t) được hình thành dựa trên độ sai lệch vào-ra
(SP-CV).
- Có thể làm triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu không


biết trước/ khơng đo được
- Có khả năng tạo đáp ứng chính xác.
- Q trình hiệu chỉnh chậm hơn bù nhiễu (sai ->sửa
sai).
2.1.2. Sách lược điều khiển truyền thẳng ( Feedforward control )
- Dựa trên nguyên tắc đo giá trị biến nhiễu , bộ điều khiển dựa trên thông tin này
tính tốn giá trị của biến điều khiển . Sách lược này còn được gọi là sách lược điều khiển
bù nhiễu và vòng điều khiển là mạch hở ( opened loop control ).
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền thẳng :

Hình 2.2 : Feedforward control
Đặc điểm:

- u(t) được hình thành dựa trên giá trị đo được của
nhiễu, biến cần điều khiển không được đo;
- Tác động nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của
nhiễu (nhiễu đo được);
- Không triệt tiêu được nhiễu không biết trước/ không
đo được)
- Đáp ứng kém chính xác, khơng cho chất lượng cao
2.1.3. Sách lược điều khiển tỷ lệ ( Ratio control )
- Duy trì tỷ lệ giữa hai biến tại một giá trị đặt R nhằm điểu khiển gián tiếp bên thứ
3 . Đây thực chất là 1 loại của điều khiển truyền thẳng : Giá trị cài đặt R là tỉ lệ giữa 2
biến , bộ điều khiển chỉ thực hiện phép nhân.
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tỷ lệ :


Hình 2.3 : Ratio control
2.1.4. Sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi
Đặc điểm: Kết hợp mạch truyền thẳng và mạch phản hồi
để tận dụng những ưu điểm và khắc phục các nhược điểm
của từng sách lược điều khiển:
- Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ trước ảnh
hưởng của các nhiễu đo được.
- Mạch hồi tiếp sẽ tiếp tục hiệu chỉnh để triệt tiêu sai số tạo
ra bởi các nhiễu không đo được và ổn định hệ thống.

Hình 2.4 : Sách lược điều khiển kết hợp giữa truyền thẳng và phản hồi
Ví dụ về sự kết hợp giữa hai bộ điều khiển :
-

Khâu truyền thẳng : bù nhiễu
Khâu phản hồi : ổn định hệ thống và nâng cao chất lượng

Hình 2.5 : Sự kết hợp giữa hai bộ điều khiển

2.2. Lưu đồ P&ID
2.1.1 Lưu đồ P&ID thường
Lưu đồ P&ID (Pipe and Instrumentation Diagram) là tài liệu đồ hoạ mô tả q
trình cơng nghệ kèm theo các chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển q trình: lưu đồ
cơng nghệ + các biểu tượng thiết bị điều khiển
Mỗi thiết bị được biểu diễn thông qua một biểu tượng cùng với ký hiệu nhãn.

Hình 2.6 : Thiết bị được biểu diễn trong lưu đồ P&ID
Quy ước trên lưu đồ bao gồm:
-

Dụng cụ và thiết bị điều khiển.
Ký hiệu đại lượng đo, nhãn, ký hiệu chức năng.
Đường ống dẫn và đường tín hiệu.

a. Dụng cụ và thiết bị điều khiển


Bảng 2.1 : Bảng dụng cụ và thiết bị điều khiển cơ bản

b. Kí hiệu các đại lượng đo , nhãn , ký hiệu chức năng
Bảng 2.2 : Bảng kí hiệu các đại lượng cơ bản

Bảng 2.3 : Bảng kí hiệu quy ước các chức năng điều khiển

c, Đường tín hiệu và đường ống dẫn


* Nguyên tắc chung để tạo lưu đồ P&ID :

Ví dụ : Bộ điều khiển và chỉ thị độ chênh áp suất tại vòng loop103:


2.1.2 Lưu đồ P&ID chi tiết
Trong hình thức khai triển, người ta sử dụng một số ký hiệu bổ sung phản ánh rõ hơn đặc
điểm chức năng của bộ biến đổi tín hiệu hay cơng cụ tính tốn:
- Dạng năng lượng của tín hiệu: điện áp: E , dịng điện I , khí nén: P , thủy lực: G.
- Dạng tín hiệu: Liên tục A , rời rạc : D
- Thuật tốn được thự hiện bởi cơng cụ tính tốn như cộng , tích phân ,vi phân,
đạo hàm, căn…
Ví dụ:
E/P bộ chuyển đổi từ điện áp sang khí nén
P/I chuyển đổi từ khí sang dịng điện
A/D bộ chuyển đổi tương tự
Sơ đồ P&ID tháp chưng cất có dạng như sau :

Hình 2.3 sơ đồ P&ID trưng cất
* Một số tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 của Mỹ :
Bảng 2.4 :Các biểu tượng đo và thiết bị điều khiển :


Bảng 2.5 : Các biểu tượng bộ phận thừa hành

Bảng 2.6 : Các van điều chỉnh và van an toàn

Bảng 2.7 Các chức năng tính tốn

* Các ký hiệu đường cấp năng lượng (ISA)

* Các ký hiệu đường cấp năng lượng :
• AS (Air supply): đường cấp khơng khí
• ES (Electric supply):đường cấp điện
• GS (Gas supply): cấp khí


• HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực
• NS (Nitrogen supply): cấp nitơ
• SS (Stream supply): cấp hơi
• WS (water supply): đường cấp nước
2.3 Các phương trình cân bằng
a, Phương trình cân bằng vật chất
Định luật bào toàn vật chất áp dụng cho hệ động học được áp dụng cho một hệ
động học thể hiện qua một phương trình cân bằng tồn phần
=- =∑-∑
là lượng tích lũy bên trong hệ thống
là lưu lượng các dòng vào
là lưu lượng các dòng ra khỏi hệ thống.
Phương trình cân bằng tồn phần có thể biểu diễn theo đơn vị khối lượng hoặc số
mol. Tại điểm làm việc (trạng thái cân bằng), lượng tích lũy bên trong hệ thống khơng
thay đổi, vì vậy ta có tổng lưu lượng vào đúng bằng lưu lượng ra ∑-∑ = 0
Ví dụ bình chứa chất lỏng với các giả thiết lý tưởng.
Các lưu lượng vào ra không phụ thuộc vào vị trí quan sát.
Khối lượng riêng chất lỏng tại mọi vị trí trong bình là như nhau.
Lưu lượng ra không phụ thuộc đáng kể vào chiểu cao chất lỏng trong bình.

Phương trình cân bằng vật chất tổng quát được cụ thể hóa như sau:
= – ρF
Trong thực tế ta có thể giả thiết thêm là khối lượng riêng của dịng vào khơng thay đổi
đáng kể, có nghĩa là = ρ =const
phương trình (1) trở thành = – F
b,Phương trình cân bằng năng lượng
Định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho một hệ động học, hay còn gọi là định
luật thứ nhất của nhiệt động học được diễn đạt như sau:
- Năng lượng toàn phần của một hệ động học bao gồm nội năng thế năng và động năng


= + +
Trong quá trình nhiệt, thế năng và động năng cũng như cơng sinh ra có thể coi là
khơng đáng kể so với nội năng và nhiệt lượng, vì thế có thể bỏ qua. Khi đó phương trình
có thể viết đơn giản thành:
=- +q
nội năng hệ thống
lưu lượng khối lượng dòng vào hệ thống (kg/s)
lưu lượng khối lượng dòng ra hệ thống (kg/s)
entanpy của dòng vào (J/kg)
entanpy của dòng ra (J/kg) bổ sung cho hệ thống
Q tổng lưu lượng nhiệt thông qua dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt thông qua dẫn nhiệt, bức xạ
nhiệt hoặc phản ứng hóa học (cơng suất cấp nhiệt) (J/s)
Entanpy trên một đơn vị khối lượng được định nghĩa là : h = u + P
U nội năng trên một đơn vị khối lượng (J/kg)
P áp suất thành ống (N)
thể tích riêng (nghịch đảo của khối lượng riêng /s)
Giả thiết entanpy không đổi tại một điểm quy chiếu ,
h - = (T - )
Trường hợp áp suất khơng thay đổi q lớn, ta có mối quan hệ đơn giản sau

h=T


CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
MỨC LƯU LƯỢNG TRONG BÌNH ĐƠN
3.1. Đặt bài tốn
Hệ thống bình mức được ứng dụng rất nhiều trong thực tế cũng như trong công
việc nghiên cứu của ngành điều khiển tự động. Trong cơng nghiệp bình mức chất lỏng
được ứng dụng rộng rãi trong:
- Hệ thống Bình chứa xăng dầu, hóa chất
- Trong hệ thống trao đổi chất lỏng
- Trong các hệ thống tháp chưng cất, các thiết bị phản ứng
- Hệ thống phản ứng
- Trong thiết bị y tế như: bình chứa cồn y tế, dây chuyền chế tạo dược phẩm
Vì thế, đề tài nghiên cứu về hệ thống bình mức cũng là một đề tài quan trọngvà có
khả năng ứng dụng cao có lợi rất nhiều cho sinh viên.

Hình 3.1 : Bình mức
Ta có :
V : thể tích trong bình đơn vị
ρ : Khối lượng riêng , đơn vị : kg/m3
Diện tích đáy bình: A = 30m2
F = 6m2/s