Đề cương bài giảng Điều khiển quá trình

1 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GV Biên soạn: Phạm Đức Hùng, Trần Thị Thường 2 MỞ ĐẦU Học phần Điều khiển quá trình được giảng dạy cho sinh viên năm cuối hệ đại học cho hai chuyên ngành Tự động hóa và Đo lường Điều khiển tự động trong trường Đại học SPKT Hưng Yên. Học phần đòi hỏi có kiến thức của các môn Lý thuyết ĐKTĐ, ngôn ngữ lập trình, các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm. Hi vọng tập đề cương này cung cấp kiến thức cần thiết cho các bạn về môn học còn mới mẻ này. Mọi ý kiến trao đổi và thắc mắc xin gửi về hòm thư: phamduchunghp@gmail.com. hoặc thuonghd12@gmail.com. Tác giả xin chân thành cảm ơn! 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 2 TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN ................................................................................................. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ................................... 6 1.1.Mở đầu .............................................................................................................. 6 1.1.1.Khái niệm Điều khiển quá trình ................................................................. 6 1.1.2. Mục đích và chức năng của ĐKQT .......................................................... 6 1.1.3.Tầm quan trọng của điều khiển quá trình .................................................. 7 1.2. Nhiệm vụ của điều khiển quá trình ................................................................. 7 1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình .............................. 8 1.3.1. Thiết bị đo ................................................................................................. 8 1.3.2 Thiết bị chấp hành .................................................................................... 11 1.3.3 Các bộ điều khiển phản hồi ...................................................................... 11 1.4. Trình tự phát triển hệ thống ........................................................................... 12 1.4.1. Phân tích chức năng hệ thống ................................................................. 12 1.4.2. Xây dựng mô hình toán học .................................................................... 12 1.4.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển ................................................................. 13 1.4.4. Thiết kế bộ điều khiển ............................................................................. 13 1.4.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống ................................................................... 13 1.4.6. Phát triển phần mềm ứng dụng ............................................................... 14 1.4.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành ............................................................. 14 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝ THUYẾT&NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH................................................................................................................ 16 2.1 Mô hình và mục đích mô hình hóa ................................................................. 16 2.2 Mô hình hóa lý thuyết..................................................................................... 18 2.2.1 Trình tự mô hình hóa theo lý thuyết ........................................................ 19 2.2.2. Các phương trình cân bằng ..................................................................... 26 4 2.2.3.Tuyến tính hóa mô hình hàm truyền đạt .................................................. 32 2.3 Nhận dạng hệ thống ........................................................................................ 42 2.3.1 Các bước nhận dạng ................................................................................. 42 2.3.2 Các phương pháp nhận dạng .................................................................... 43 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ....................................................................... 48 3.1. Khảo sát đặc tính quá độ của bình mức chất lỏng ......................................... 48 3.2 Các phương pháp dựa trên đặc tính đáp ứng .................................................. 51 3.2.1 Phương pháp dựa trên đáp ứng bậc thang ................................................ 51 3.2.2 Phương pháp dựa trên đáp ứng dao động tới hạn .................................... 52 3.2.3 Các phương pháp dựa trên mô hình mẫu ................................................. 52 3.3. Mô phỏng trên Matlab- Simulink các phương pháp thiết kế bộ điều khiển . 54 CHƯƠNG 4:THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ................... 59 4.1. Mở đầu ........................................................................................................... 59 4.2. Mô hình tháp của hệ thống điều khiển và quản lý sản xuất .......................... 63 4.3. Thiết bị thu thập dữ liệu ................................................................................ 64 4.3.1 Nhiệm vụ của thiết bị thu thập dữ liệu ..................................................... 64 4.3.2 Thiết kế và xây dựng bộ thu thập dữ liệu cho hệ thống cô đặc ............... 65 CHƯƠNG 5:ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 5.1 Xây dựng hệ thống thiết bị cô đặc dịch thực phẩm kém chịu nhiệt70 5.2 Kiểm soát và điều khiển quá trình cô đặc dịch thực phẩm kém chịu nhiệt..81 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................... 86 5 TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN Điều khiển quá trình là môn khoa học nghiên cứu về tĩnh và động học của sự biến đổi lý hóa trong các quá trình công nghệ của sản xuất công nghiệp, phục vụ cho thiết kế thiết bị công nghệ và hệ điều khiển các quá trình công nghệ đó. Do vậy điều khiển quá trình là cốt lõi của hệ tự đông hóa quá trình công nghệ. Nghiên cứu ĐKQT có hai hướng tiếp cận: Hướng thứ nhất thuộc về các nhà công nghệ nghiên cứu DKQT phục vụ khâu thiết kế dây chuyền thiết bị công nghệ và đề xuất nhiệm vụ điều khiển quá trình công nghệ. Hướng thứ hai là các nhà nghiên cứu về điều khiển và tự đông hóa nghiên cứu điều khiển quá trình để thiết kế, lắp đặt, chỉnh định và vận hành điều khiển và tự động hóa quá trình công nghệ. CHƯƠNG 1 trình bày các khái niệm, định nghĩa cũng như phân loại điều khiển quá trình. Các đặc điểm của các biến quá trình chính và yêu cầu điều khiển của từng mạch vòng cơ bản trong hệ điều khiển quá trình. Trình bày các phương pháp xây dựng phương trình cân bằng của quá trình. CHƯƠNG 2 nói về đặc tính thiết bị đo và cơ cấu chấp hành“ trình bày khía quát các nguyên lý, đặc tính cơ bản của thiết bị đo và cơ cấu chấp hành trong các quá trình phục vụ cho việc ứng dụng vào hệ điều khiển trong công nghiệp. CHƯƠNG 3 mô tả động học các quá trình cơ bản , tập trung nghiên cứu động học các quá trình cơ bản như đường ống, mạch vòng điều khiển lưu lượng, động lực học các quá trình sấy, động học các quá trình cô đặc. CHƯƠNG 4 giới thiệu khái quát chung về điều khiển phản hồi ứng dụng trong điều khiển quá trình. Chương này tóm lược lý thuyết về bộ điều khiển PID, các phương pháp thiết kế chỉnh định bộ PID và phương pháp đánh giá hệ điều khiển. 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1.Mở đầu Điều khiển tự động phát triển theo hai hướng là lý thuyết và ứng dụng, hướng lý thuyết phát triển theo hướng tìm ra các bộ điều khiển thông minh (mờ, nơron, thích nghi), còn hướng ứng dụng là tìm ra các giải pháp vận hành, điều khiển các quá trình công nghệ cụ thể trong thực tiễn. Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào trong các ngành công nghiệp chế biến (công nghệ hóa học, sinh học và thực phẩm), là sự kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động với qui trình công nghệ của các quá trình sản xuất. Để học được môn học này sinh viên cần có kiến thức của các môn học: Hóa học, Vật lý, Đo lường cảm biến và LT ĐKTĐ và thực tế quan sát được các dây chuyền công nghệ sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp khi được đi thực tập ở ngoài doanh nghiệp. 1.1.1.Khái niệm Điều khiển quá trình Điều khiển quá trình là 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 toàn cho con người, máy móc và môi trường. 1.1.2. Mục đích và chức năng của ĐKQT - Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trơn tru: Giữ cho hệ thống ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện. - Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm. - Đảm bảo hệ thống vận hành an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố. 7 - Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nguyên nhiên liệu. - Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu của thị trường. 1.1.3.Tầm quan trọng của điều khiển quá trình - ĐKQT ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và tính tin cậy của một quá trình. - ĐKQT quyết định chất lượng sản phẩm của quá trình sản xuất - ĐKQT ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành của quá trình. 1.2. Nhiệm vụ của điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình kỹ thuật cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình kỹ thuật thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển. Đại lượng được điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal). Các đại lượng được điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình không được điều khiển, nhưng có thể được ghi chép hoặc hiển thị. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những đại lượng được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. 8 1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình. 1.3.1. Thiết bị đo Hình 1.2: Hệ thống thiết bị đo quá trình Hệ thống thiết bị đo quá trình bao gồm: Cảm biến, điều hòa truyền phát tín hiệu và chỉ báo để biến đổi các đại lượng không điện (nhiệt độ, áp suất...) thành các đại lượng điện. - Measurement device: Thiết bị đo - Sensor: Cảm biến (ví dụ cặp nhiệt, ống venturi, siêu âm,..) 9 - Sensor element: Cảm biến, phần tử cảm biến - Signal conditioning:Điều hòa tín hiệu, chuyển đổi đo - Transmitter: Điều hòa tín hiệu + truyền phát tín hiệu chuẩn - Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng (ví dụ áp suất-dịch chuyển, dịch chuyển- điện áp), có thể là sensor hoặc sensor + transmitter. Đặc tính thiết bị đo: Đặc tính vận hành, phạm vi đo và dải đo, độ phân giải, dải chết và độ nhạy, độ tin cậy, ảnh hưởng do tác động môi trường, sai số và độ chính xác, độ tuyến tính, đặc tính động học, đáp ứng bậc thang, đáp ứng tín hiệu dốc. Chúng ta cần quan tâm đến các chuẩn truyền của tín hiệu như sau: Tín hiệu tương tự: Điện: 0-20 mA, 10-50 mA, 0-5V, 1-5V... Khí nén: 0.2-1 bar (3-15 psig) Tín hiệu logic: 0-5VDC, 0-24 VDC, 110/120VAC, 220/230 VAC... Tín hiệu xung/số: Tín hiệu điều chế độ rộng xung, tần số xung Chuẩn bus trường: Foundation Fieldbus, Profibus –PA... Chuẩn nối tiếp thông thường: RS-485, ... Các loại cảm biến thông dụng trong điều khiển quá trình a. Cảm biến mức 10 Hình 1.3: Cảm biến báo mức và đo mức Mức chất lỏng trong một bình chứa luôn luôn là một đại lượng cần điều khiển. Trong rất nhiều trường hợp, người ta đòi hỏi vòng điều khiển mức rất nhanh để duy trì giá trị mức độ cố định nhằm giảm tương tác tới những vòng điều khiển khác chậm hơn. Tuy nhiên, phép đo mức thường không đòi hỏi độ chính xác cao như áp suất, lưu lượng và nhiệt độ. Các phương pháp đo mức chất lỏng thông dụng có thể được phân loại như sau: - Phương pháp tiếp xúc bề mặt: Sử dụng phao, que dò và các phần tử cảm biến chuyển. - Phương pháp điện học: Dựa trên các hiện tượng thay đổi điện dung hoặc điện cảm. - Phương pháp chênh áp: Dựa trên phép đo chênh lệch áp suất giữa hai vị trí có độ cao khác nhau trong bình. - Phương pháp siêu âm: Sử dụng một cảm biến siêu âm đặt trên nắp bình chứa và xác định khoảng cách giữa bề mặt chất lỏng và nắp. - Phương pháp đo khối lượng: Sử dụng cảm biến trọng lượng và tính toán ra độ cao chất 11 lỏng. Thiết bị đo là các cảm biến, cảm biến gồm đầu đo và bộ phận chuyển đổi đo. Ví dụ: đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện trở PT100 thường gọi là can nhiệt. Đo mức (chiều cao) của chất lỏng trong bình kín dùng cảm biến siêu âm. 1.3.2 Thiết bị chấp hành Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành Thiết bị chấp hành (actuator) thay đổi các đại lượng điều khiển theo tín hiệu điều khiển, ví dụ van điều khiển, máy bơm, quạt gió, hệ thống băng tải. Phần tử điều khiển (control element): Can thiệp trực tiếp tới đại lượng điều khiển, ví dụ van tỉ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải. Cơ cấu tác động, cơ cấu chấp hành (actuator, actuating element) như: Cơ cấu truyền động, truyền năng cho phần tử chấp hành, ví dụ động cơ (điện), cuộn hút, cơ cấu khí nén. 1.3.3 Các bộ điều khiển phản hồi Các bộ điều khiển phản hồi là thành phần cốt lõi của hệ thống điều khiển. Bộ điều khiển có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bị chấp hành. Thiết bị điều khiển (control equipment) 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. Trong các văn phạm khoa học thiết bị điều khiển được gọi là bộ điều khiển (controller). Tùy theo ngữ 12 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 thành phần 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 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 thông qua các thiết bị chấp hành. Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system) nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và thực hiện can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ và máy bơm. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. Ví dụ tùy theo tín hiệu điều khiển mà một máy bơm có thể tăng hoặc giảm tốc độ hút chất lỏng để thay đổi lưu lượng chất lỏng trong đường ống hay làm thay đổi mức bình chứa. Một tín hiệu điều khiển có thể làm thay đổi nhiệt độ của bình gia nhiệt qua đó làm thay đổi nhiệt độ đầu ra. 1.4. Trình tự phát triển hệ thống Có 7 bước phát triển hệ thống hệ thống ĐKQT: 1.4.1. Phân tích chức năng hệ thống Đây là bước vô cùng quan trọng, muốn điều khiển được ta cần hiểu kỹ về đối tượng ở trạng thái tĩnh cũng như trạng thái động, khi phân tích kỹ từng thành phần cụ thể cụ hệ thống ta sẽ hình dung được sơ đồ khối của hệ thống gồm các đầu vào, đầu ra và nhiễu, cũng như tương tác của các đại lượng và các tham số trong hệ thống để có thể mô tả chính xác được hệ thống. 1.4.2. Xây dựng mô hình toán học Xây dựng mô hình toán học cho một quá trình có hai phương pháp: Mô hình hóa bằng lý thuyết hay còn gọi là mô hình vật lý đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là các phương trình vi phân và phương trình đại số. 13 Mô hình hóa bằng thực nghiệm là dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào-ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và các tham số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp. Phương pháp mô hình hóa tốt nhất là kết hợp được giữa phân tích lý thuyết và nhận dạng quá trình. 1.4.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển Sau khi làm rõ chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển nhằm làm rõ cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống. Đây là công việc quan trong đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và kinh nghiệm thực tế để tránh nhầm lẫn. Tiếp theo là lựa chọn biến được điều khiển, các biến điều khiển tương ứng và các biến nhiễu và liên kết chúng thông qua sơ đồ để xây dựng các Cấu trúc điều khiển cụ thể. Các cấu trúc điều khiển chia thành hai phần cấu trúc đơn biến như Cấu trúc phản hồi, tỉ lệ và cấu trúc đa biến như Cấu trúc điều khiển tập trung và cấu trúc phi tập trung... Các cấu trúc điều khiển được thể hiện rõ nhất trên lưu đồ công nghệ P&ID. 1.4.4. Thiết kế bộ điều khiển Thiết kế thuật toán điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tính toán và công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển gồm hai bước: lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển, công việc thiết kế gắn liền với việc phân tích hệ thống. 1.4.5. 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 yêu cầu của qui trình công nghệ. Việc này đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải có cái nhìn tổng thể về công nghệ hệ thống điều khiển cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau. 14 1.4.6. Phát triển phần mềm ứng dụng Phát triển phần mềm ứng dụng trong điều khiển quá trình là tạo chất xám là hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết các kỹ sư phần mềm có thể bắt đầu thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế cơ sở dữ liệu và giao diện người-máy. 1.4.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành Chỉnh định và đưa vào vận hành là bước cuối cùng của công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện trường, gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của bộ điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công nghệĐây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đối toàn diện, kinh nghiệm thực tiễn và sự kết hợp chặt chẽ giữa nhóm kỹ sư công nghệ, đo lường, điều khiển và tự động hóa trong nhóm chuyên gia hiện trường. 15 Hình 1.4: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 16 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝ THUYẾT&NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH 2.1 Mô hình và mục đích mô hình hóa Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học. Mục đích của phần này là giúp người đọc hiểu rõ hơn về vai trò của mô hình trong các nhiệm vụ phát triển hệ thống nói chung và trong phân tích, thiết kế điều khiển nói riêng, đồng thời nắm được các nguyên tắc cơ bản trong nhiệm vụ mô hình hóa quá trình, trước khi đưa vào các nội dung chi tiết trong các phần sau. Mô hình là hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Phân tích và thiết kế trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu được của mỗi người kỹ sư. Mô hình không phải là một ‘bản sao’ mà chỉ là ‘bản chụp’ của thế giới thực từ một góc nhìn nào đó, vì vậy mô hình không cần thiết phản ánh đầy đủ các khía cạnh của hệ thống thực. Như người ta thường nói”Không có mô hình nào chính xác, nhưng một số mô hình có ích” Mô hình phân chia làm hai loại mô hình trừu tượng và mô hình vật lý. Mô hình vật lý là sự thu nhỏ đơn giản hóa hệ thống thực, xây dựng trên cơ sở Vật lý- Hóa học giống như các quá trình và thiết bị thực. Mô hình Vật lý là một phương tiện hữu ích phục vụ đào tạo cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển của người kỹ sư ĐKQT. Mô hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao, nhằm mô tả một cách lô gic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của hệ thống. Việc xây dựng mô hình trừu tượng gọi là mô hình hóa. Mô hình hóa là quá trình trừu tượng hóa, trong đó thế giới thực được mô tả bằng một ngôn ngữ mô hình hóa. Phân loại mô hình trừu tượng. - Mô hình đồ họa với các ngôn ngữ mô hình hóa đồ họa như lưu đồ công nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ SFC (sequence function chart)Mô hình đồ 17 họa biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành phần. - Mô hình toán học với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái. Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác. - Mô hình suy luận là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính về hệ thống thực dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao (gần với tư duy con người) như sơ đồ cây, lưu đồ thuật toán. - Mô hình máy tính là các chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thống theo những khía cạnh quan tâm. Mô hình máy tính được xây dựng với các ngôn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận. Trong bốn mô hình trên, các mô hình toán học có vai trò then chốt trong hầu hết nhiệm vụ phát triển hệ thống. Mô hình toán học giúp người kỹ sư điều khiển các mục đích sau đây: - Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành. - Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống - Thiết kế cấu trúc điều khiển - Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển - Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế - Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành *Các phương pháp xây dựng mô hình toán học: - Mô hình hóa bằng lý thuyết hay còn gọi là mô hình vật lý đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là các phương trình vi phân (thường hoặc đạo hàm riêng) và phương trình đại số. - Mô hình hóa bằng thực nghiệm hay còn gọi là phương pháp hộp đen hay nhận dạng quá trình, dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào – ra thực 18 nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và tham số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp. - Phương pháp mô hình hóa tốt nhất là kết hợp giữa phân tích lý thuyết và nhận dạng quá trình. Phương pháp kết hợp dựa trên phân tích quá trình để tìm ra cấu trúc mô hình cũng như cơ sở cho việc thiết kế sách lược và lựa chọn kiểu bộ điều khiển. Bước nhận dạng tiếp theo sẽ cho ta một mô hình rất có ích trong tổng hợp bộ điều khiển cũng như mô phỏng thời gian thực nhằm đánh giá sơ bộ chất lượng điều khiển trước khi đưa vào vận hành thực. *Phân loại mô hình toán học - Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến - Mô hình đơn biến và mô hình đa biến - Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên - Mô hình tham số tập trung và mô hình tham số rải - Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn Các dạng mô hình liên tục gồm: phương trình vi phân, mô hình trạng thái, mô hình trạng thái tuyến tính, mô hình trạng thái phi tuyến, mô hình đáp ứng quá độ (đáp ứng xung impulse, đáp ứng bậc thang step), mô hình hàm truyền đạt (hàm truyền đạt, ma trận truyền đạt), mô hình đáp ứng tần số. Các dạng mô hình gián đoạn gồm: phương trình sai phân, mô hình trạng thái, mô hình đáp ứng quá độ (đáp ứng xung FIR Finite impulse response), đáp ứng bậc thang FSR Finite Step Response), các dạng mô hình đa thức và hàm truyền đạt xung, mô hình hàm truyền đạt gián đoạn. 2.2 Mô hình hóa lý thuyết Mục đích của phần này là giúp người đọc hiểu rõ những tư tưởng cơ bản trong xây dựng mô hình quá trình bằng phương pháp lý thuyết và nắm được các bước tiến hành cụ thể. 19 2.2.1 Trình tự mô hình hóa theo lý thuyết Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết hay còn gọi là mô hình hóa cơ sở đi từ việc áp dụng các định luật cơ bản của vật lý, hóa học và sinh học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ để tìm ra quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng của quá trình. Mô hình hóa lý thuyết nhận được là phương trình vi phân và phương trình đại số. Phương trình vi phân biểu diễn đặc tính động học của quá trình trong khi phương trình đại số biểu diễn quan hệ phụ thuộc khác. Xây dựng mô hình hóa gồm các bước: -Phân tích bài toán mô hình hóa: tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mô hình, từ đó xác định mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng. Trên cơ sở mô tả công nghệ và mục đích mô hình hóa, tiến hành phân chia thành các quá trình con, nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình. -Xây dựng các phương trình mô hình: Nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống, viết các phương trình cân bằng và phương trình đại số dựa trên cơ sở các định luật bảo toàn, định luật nhiệt động học, vận chuyển, cân bằng pha Đơn giản hóa mô hình bằng cách thay thế, rút gọn và đưa về dạng phương trình vi phân chuẩn tắc. Tính toán các tham số của mô hình dựa trên các thông số công nghệ đã được đặc tả. -Kiểm chứng mô hình: Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng các biến quá trình và số lượng các quan hệ phụ thuộc. Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các tính chất của mô hình kết hợp mô phỏng máy tính. -Phát triển mô hình: Tùy theo mục đích sử dụng có thể chuyển mô hình về các dạng thích hợp như đã trình bày trong chương 2. Tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc nếu cần thiết. Thực hiện chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thiết kế điều khiển. -Nhận biết các biến quá trình (biến cần điều khiển, biến điều khiển và nhiễu) Xây dựng mô hình lý thuyết tức là tìm cách mô tả đặc tính của quá trình thông qua quan hệ toán học giữa các biến quá trình với sự hỗ trợ của các tham số quá trình (tham số công nghệ). 20 Nhìn từ quá trình công nghệ, hầu hết các biến quá trình có thể được xếp vào một trong hai loại biến dòng chảy (với nghĩa tổng quát) hoặc biến trạng thái. Một biến dòng chảy mô tả sự thay đổi, vận chuyển, trao đổi vật chất hoặc năng lượng trong một khu vực, giữa các địa điểm, giữa các vật hoặc giữa các pha. Một biến trạng thái mô tả trạng thái vật chất hoặc năng lượng của quá trình trong từng pha. Một biến dòng có thể thuộc phạm trù “lượng” hoặc “dòng” (khối lượng, thể tích, lưu lượng, nhiệt lượng), trong khi một biến trạng thái thường thuộc phạm trù “thế” (nhiệt độ, áp suất, nồng độ). Các tham số quá trình cũng được phân chia thành tham số hiện tượng và các kích thước hình học. Các hệ số hiện tượng phản ánh tính chất của vật chất trong hiện tượng vật lý- hóa học, ví dụ hệ số tốc độ phản ứng, hệ số nhớt, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng Các kích thước hình học liên quan tới thiết kế hình học của các thiết bị công nghệ như tiết diện đường ống, thể tích bình chứa, diện tích tiếp xúc Trước khi bắt tay vào xây dựng các phương trình mô hình, các biến và tham số quá trình cần được thống kê và đặc tả cùng với những tính chất quan trọng của chúng, như bảng đặc tả các biến quá trình: Tên biến Ký hiệu Đơn vị Phụ thuộc Giới hạn Giá trị danh định Lưu lượng cấp 1 F1 l/s Thời gian Max.2 0.5 Nồng độ A trong bình 1 CA Kg/m 3 Thời gian, vị trí 20-40 32 Việc xác định các biến quá trình xuất phát từ mục đích điều khiển và yêu cầu công nghệ. Trước hết cần xác định biến ra, các biến ra cần điều khiển với các biến vào (biến điều khiển và nhiễu). Biến điều khiển là một biến có thể can thiệp được theo ý muốn để tác động tới biến cần điều khiển. Ngoài ra còn có nhiễu, các biến quá trình không thể can thiệp được, không thể kiểm soát được vì một lý do nào đó, nhiễu được chia làm nhiễu quá trình (Process disturbance) hay một trường hợp đặc biệt hơn là nhiễu tải (Load disturbance). Ngoài ra còn có một loại nhiễu khác là nhiễu đo (measurement noise) là 21 những sai lệch trong quá trình đo, có thể tác động từ bên ngoài, do đặc điểm của quá trình kỹ thuật hoặc do chính thiết bị gây ra. Ví dụ: trong thí nghiệm bình mức dung dịch trong bình có chứa sai số lớn bởi mặt nước không ổn định, do thiết bị đo có sai số hoặc căn chỉnh chưa đúng. Ví dụ bình chứa chất lỏng: Bình chứa là một đối tượng rất quan trọng và thông dụng trong các hệ thống ĐKQT. Bài toán đặt ra là duy trì trữ lượng chất lỏng trong bình tại một giá trị hoặc một phạm vi mong muốn. Đại lượng cần quan tâm đối với hệ thống bình chứa chất lỏng (tank) là giá trị mức hoặc thể tích. Trong thực tế bình chứa có những chức năng về mặt công nghệ như sau: - Bình chứa quá trình: tạo không gian và thời gian thực hiện các quá trình công nghệ (phản ứng hóa học, quá trình trộn, ...). - Bình chứa trung gian: Giảm tương tác giữa các quá trình kế tiếp nhau (ví dụ biến ra của quá trình này là biến vào của quá trình kế tiếp), giảm thiểu sự biến thiên các đại lượng đầu vào (lưu lượng, nhiệt độ hoặc các thành phần nguyên liệu), giúp quá trình vận hành trơn tru, trong khi một số dòng chảy thay đổi hoặc ngắt quãng nhất thời. - Bình chứa cấp chất lỏng: đảm bảo hoạt động bình thường cho các bơm cấp. Hình 2.1: Bình chứa chất lỏng Xét bình chứa chất lỏng minh họa trên hình. Chất lỏng trong bình có thể tích V (m3) và khối lượng riêng ρ (kg/m3). Giả thiết bình chứa được trang bị một hệ thống khuấy lý 22 tưởng, như vậy có thể coi chất lỏng đồng nhất tại mọi vị trí trong bình. Dòng vào có lưu lượng thể tích F0 (m 3/s) và khối lượng riêng ρ=ρ0 Được coi là một tham số quá trình. Dựa vào quan hệ nhân- quả ta dễ dàng nhận ra thể tích V là một biến ra, trong khi F và F0 là các biến vào. Phân tích tiếp mục đích điều khiển, ta cũng xác định được biến cần điều khiển là V. Sơ đồ thu gọn đối tượng trên như sau: Bình chứa F F0 V Mô hình hóa đối tượng bình trộn chất lỏng a. Mô hình thí nghiệm bình mức chất lỏng kết nối với máy tính của hãng Lucas-Nulle b. Đối tượng điều khiển 23 c. Sơ đồ P&ID mô hình thí nghiệm F1- lưu lượng vào F2- lưu lượng ra F3- lưu lượng xả đáy V1, V2, V3 là các van tỉ lệ thay đổi bằng tay FT- flow transmit- truyền lưu lượng LT- level transmit- truyển mức Hình 2.1: Sơ đồ thí nghiệm bình mức chất lỏng Bình chứa (reservoir ) Bình chứa kín (closed tank) Bộ đo mức chất lỏng trong bình LT 2 FT 1 Bộ đo lưu lượng đường ống Van tay V -5 Van tay thường đóng E-4Bơm hút nước Hình 2.2: Ký hiệu thiết bị trong lưu đồ công nghệ bình mức. 24 Với bình mức chất lỏng ta coi thành bình là đồng đều nhau trong bình, và mức chất lỏng trong bình có dung môi là nước tinh khiết nghĩa lý tưởng có khối lượng riêng  = 1 (g/cm3). Chúng ta đơn giản hệ thống theo cách biểu diễn quan hệ giữa các biến vào là lưu lượng chất lỏng vào F1 thay đổi tốc độ theo độ mở của van bằng tay V1 đóng vai trò biến được điều khiển. Lưu lượng chất lỏng ra từ bình thí nghiệm xuống bình chứa qua van điều khiển bằng tay V2 là biến nhiễu. Ngoài ra độ mở van phần trăm (0 ÷ 100%) của van V1 nên F1 cũng là nhiễu của quá trình. Hình 2.3: Sơ đồ khối bình mức chất lỏng. Theo định luật bảo toàn năng lượng ta thành lập được phương trình cân bằng lưu lượng: 1 2 dh F F A dt   (2.1) A: Diện tích đáy bình mức (A = const) h: Chiều cao cột chất lỏng trong bình Lưu lượng ra của bình mức phụ thuộc vào mức theo phương trình: 2 2F a gh (2.2) h - mức nước a: Diện tích lỗ thủng ở đáy bình mức g: gia tốc trọng trường (g = 9,82) 25 Thiết bị phản ứng liên tục Hình 4.5: Thiết bị phản ứng liên tục Xét thiết bị phản ứng liên tục minh họa trên hình . Giả sử dung dịch vào chứa A nguyên chất, trong bình xảy ra phản ứng một chiều A B tạo ra sản phẩm là hỗn hợp của A và B. Tốc độ phản ứng riêng được ký hiệu là k( s-1) Nồng độ ở đây có đơn vị là mol/m3 ( số mol trên một đơn vị thể tích) và được ký hiệu là c. Ngoài các giả thiết được đưa ra tương tự ở trong bình chứa chất lỏng , ta coi tốc độ phản ứng tỉ lệ với thuận trực tiếp với nồng độ của A trong bình( phản ứng bậc nhất). Như vậy, số mol của A mất đi do phản ứng trên một đơn vị thời gian là –VkcA. Ta có thể sử dụng phương trình cân bằng vật chất toàn phần như sau: 0 dV F F dt    Các phương trình cân bằng thành phần do cấu tử A và B được viết thành: 0 0 ( ) – ( ) A A A A B B A d VC F c Fc Vkc dt d VC Fc Vkc dt      Trong ba phương trình cân bằng vật chất trên đây thì chỉ có hai phương trình là độc lập với nhau. Thông thường ta sử dụng 2 phương trình(4.8 ) và (4.9) Khai triển phương trình đạo hàm 2 vế ta có: 0 0 – A A A A A dCdV C V F c Fc Vkc dt dt    (4.7) (4.8) (4.9) (4.10) 26 Thay thế đạo hàm của thể tích từ phương trình và rút gọn, ta nhận được phương trình vi phân chỉ còn chứa đạo hàm của biến nồng độ: 0 0 0( ) A A A F FdC k c c dt V V     Mô hình quá trình bao gồm hai phương trình vi phân 2.2.2. 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 toàn phần à ích luy v o ra t i ivao ra dM dM dM w w dt dt dt      Mtích lũy là lượng tích lũy bên trong hệ thống, àv o iw là lưu lượng các dòng vào ra iw là lưu lượng các dòng ra khỏi hệ thống. Phương trình cân bằng toàn 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 không thay đổi, vì vậy ta có tổng lưu lượng vào đúng bằng lưu lượng ra àv o ra i iw w  =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: 0 0 ( )d V F F dt     (1) (4.11) 27 Trong thực tế ta có thể giả thiết thêm là khối lượng riêng của dòng vào không thay đổi đáng kể, có nghĩa là 0 onsc t   phương trình (1) trở thành 0 dV F F dt   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 họcU bao gồm nội năng IU thế năng PU và động năng KU I P KU U U U    Trong quá trình nhiệt, thế năng và động năng cũng như công sinh ra có thể coi là không 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 ào ào 1 1 n n I v v ra ra i i dU h h q dt         IU nội năng hệ thống àov lưu lượng khối lượng dòng vào hệ thống (kg/s) ra lưu lượng khối lượng dòng ra hệ thống (kg/s) àovh entanpy của dòng vào (J/kg) rah entanpy của dòng ra (J/kg)bổ sung cho hệ thống Công suất tiêu hao ra bên ngoài Biến thiên Năng lượng tích lũy Tổng dòng Năng lượng Đưa vào - Tổng dòng Năng lượng Đưa ra + Tổng công suất nhiệt hấp thụ - = 28 Q tổng lưu lượng nhiệt thông qua dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt thông qua dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt hoặc phản ứng hóa học (công suất cấp nhiệt) (J/s) Entanpy trên một đơn vị khối lượng được định nghĩa là h u PV    U nội năng trên một đơn vị khối lượng (J/kg) P áp suất thành ống (N) V  thể tích riêng (ngịch đảo của khối lượng riêng m3/s) Giả thiết entanpy không đổi tại một điểm quy chiếu Tref , href h- href= Cp(T- Tref) trường hợp áp suất không thay đổi quá lớn, ta có mối quan hệ đơn giản sau h = CpT Ví dụ thiết bị gia nhiệt ở trạng thái xác lập, nhiệt lượng dòng gia nhiệt tỏa ra đúng bằng nhiệt lượng dòng quá trình hấp thụ: 1 2 2 1( ) ( )H H H C C Ch h h h    sử dụng quan hệ giữa entanpy và nhiệt độ coi nhiệt dung riêng của từng dòng không đổi, phương trình cân bằng nhiệt ở trạng thái ổn định trở thành 1 2 2 1( ) ( )H pH H H C pC C CC T T C T T    c.Phương trình truyền nhiệt Hầu hết các quá trình công nghệ liên quan tới quá trình truyền nhiệt. Vì vậy bên cạnh các phương trình cân bằng nhiệt lượng thì các phương trình mô tả truyền nhiệt có vai trò hết sức quan trọng trong mô hình hóa quá trình. Hiện tượng truyền nhiệt được chia làm 3 loại dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ. Dẫn nhiệt Khi tồn tại nhiệt độ chênh lệch, một vật thể liên tục, nhiệt độ được truyền theo chiều giảm nhiệt độ. Đối lưu 29 Đối lưu là hình thức truyền nhiệt thông qua chuyển động của các dòng chảy vĩ mô (một chiều hoặc luân chuyển), ví dụ từ bề mặt nóng tới một dòng chảy vĩ mô (một chiều hoặc luân chuyển), ví dụ từ một bề mặt nóng tới một dòng chảy hoặc giữa hai dòng chảy ngược chiều. Trường hợp truyền nhiệt đối lưu giữa một bề mặt (tường, lớp chất lỏng, hạt rắn) với một dòng chảy đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong các quá trình công nghệ. Công suất truyền nhiệt qua một bề mặt theo công thức Newton: ( )s f q k T T A   Ts: nhiệt độ lớp bề mặt Tf: nhiệt độ trung bình của dòng chảy K: hệ số truyền nhiệt đối lưu (phụ thuộc vào đặc tính dòng chảy và đặc tính nhiệt của lưu chất) Bức xạ Bức xạ là hiện tượng truyền năng lượng qua không gian thông qua sóng điện từ. Tới một bề mặt, năng lượng đó có thể được hấp thụ, được phản xạ hoặc được truyền tiếp. Khi phần năng lượng đó được hấp thụ sẽ chuyển sang nhiệt lượng. Gọi hệ số hấp thụ là α, hệ số phản xạ là β và hệ số truyền là γ, ta có quan hệ α+ β+ γ=1 Một “vật đen” được coi là vật có khả năng hấp thụ mạnh nhất, tức là co α =1. Ngược lại, một vật đen cũng có khả năng phát xạ mạnh nhất, tức là hệ số phát xạ ε=1. Năng lượng của vật đen tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ và được tính theo luật Stefan-Boltzmann Wb=σT 4 Wb -công suất phát xạ trên một đơn vị diện tích σ -hằng số Stefan-Boltzmann T -nhiệt độ tuyệt đối d.Phương trình động học phản ứng hóa học Tốc độ phản ứng riêng k là một tham số phụ thuộc nhiệt độ, thường được biểu diễn theo Arrhenius dưới dạng một hàm lũy thừa: k=k0e -E/RT 30 k0 được coi là một hằng số, E năng lượng kích hoạt thể hiện mức độ phụ thuộc nhiệt độ và R hằng số khí lý tưởng. Hai hằng số k0 và E cần được xác định từ thực nghiệm. Điểm cân bằng hóa học Điểm cân bằng hóa học của một hệ thống đạt được khi 0 nc i i i v   iv - hệ số hóa học lượng pháp của cấu tử thứ i i - thế năng hóa học của cấu tử thứ i e.Phương trình cân bằng pha Đối với một hỗn hợp gồm 2 pha (ví dụ lỏng và hơi), cân bằng pha được định nghĩa là trạng thái mà thế năng hóa học của mỗi cấu tử ở hai pha bằng nhau: I II i i  Các bài toán tiêu biểu đặt ra liên quan tới điểm cân bằng pha là tính toán điểm sôi, điểm sương hoặc điểm bốc cháy. Quan hệ mấu chốt ở đây là quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và cấu tử hỗn hợp trong các pha. Trong thực tế người ta sử dụng phần mềm quan hệ đơn giản hoặc phức tạp khác nhau phục vụ các tính toán này. Độ bay hơi tương đối: Trong một chất lỏng, độ bay hơi tương đối của một cấu tử I so với cấu tử j được định nghĩa là: / / i i ij j j y x y x   Độ bay hơi tương đối là một tham số ít thay đổi trong nhiều quá trình, vì vậy rất hay được sử dụng. Ví dụ với một quá trình hai cấu tử, ta có độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi so với cấu tử khó bay hơi là / (1 ) / (1 ) y x y x     Biết α, ta dễ dàng xác định phần mol của cấu tử nhẹ trong thể hơi theo công thức 31 1 ( 1) x y x      f.Phân tích bậc tự do của mô hình Sau khi tất cả các phương trình được thiết lập, ta cần tiến hành một số phân tích đơn giản để kiểm chứng tính nhất quán và một số tính chất khác của mô hình. Trên cơ sở đó, ta có thể đưa ra phân tích và kiểm chứng sự lựa chọn các biến điều khiển và các biến điều khiển thực. Số bậc tự do của hệ thống được hiểu là số lượng tối đa các vòng điều khiển đơn tác động độc lập có thể sử dụng, hay nói cách khác là số lượng tối đa biến đầu vào có thể can thiệp độc lập tác động tới đầu ra. Số bậc tự do của hệ thống được định nghĩa là Nf=Nv-Ne Nv số lượng biến quá trình mô tả hệ thống. Ne – số phương trình cân bằng trong hệ thống. Số bậc tự do của mô hình đúng bằng số đầu ra thì mô hình mới nhất quán (hay nói cách khác là số biến đầu vào). Biết được số biến đầu vào mới giải được phương trình mô hình. Ví dụ thiết bị gia nhiệt: có 4 biến đầu vào 1 1 ( , , , )H H C CT T  và 2 biến ra 2 2 ( , )H CT T . Đây là quá trình truyền nhiệt nên ta có phương trình truyền nhiệt: mq UA T  mT - chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai dòng bên trong thiết bị gia nhiệt, được tính theo công thức 1 2 2 1 1 2 2 1 ( ) ( ) ln[( ) / ( )] H C H C m H C H C T T T T T T T T T        Mô hình đầy đủ bao gồm 2 phương trình độc lập là: 1 2 2 1( ) ( )H pH H H C pC C C mC T T C T T UA T      32 Bậc tự do của mô hình là 6-2=4, đúng bằng số biến vào. Rõ ràng, nếu thiếu phương trình truyền nhiệt ta không thể cùng lúc xác định nhiệt độ ra của hai dòng 2 2( , )H CT T theo các biến vào. 2.2.3.Tuyến tính hóa mô hình hàm truyền đạt Biến chênh lệch và mô hình hàm truyền đạt Mô hình hàm truyền đạt là phần không thể thiếu được cho phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển. Để có được mô hình hàm truyền đạt ta cần lưu ý: i)Mô hình hàm truyền chỉ áp dụng cho hệ tuyến tính và ii) giá trị khởi đầu của tất cả các biến liên quan (kể cả đạo hàm xuất hiện trong phương trình mô hình) đều bằng 0. Nếu mô hình ban đầu (phương trình vi phân- đại số) là phi tuyến, ta có thể tuyến tính theo phương pháp ở dưới đây. Để đảm bảo điều kiện thứ 2, ta sử dụng các biến chênh lệch so với điểm làm việc thay cho các biến quá trình thực. Tại điểm làm việc của hệ thống các biến quá trình không thay đổi giá trị , vì thế các biến chênh lệch cũng như đạo hàm của chúng bằng 0. Sau khi đã biến mô hình để thỏa mãn hai điều kiện trên, ta áp dụng biến đổi Laplace cho cả 2 vế của các phương trình mô hình và rút gọn đưa về dạng chuẩn là ham truyền hoặc không gian trạng thái. Ví dụ bình chứa chất lỏng , giả thiết lưu lượng không phụ thuộc vào độ cao của chất lỏng trong bình , phương trình cân bằng vật chất được viết thành: 0 dV dh A F F dt dt    h-mức chất lỏng, A-tiết diện cắt ngang của bình chứa. Phương trình trên đã tuyến tính nên ta chỉ cần thay biến chênh lệch vào vị trí các biến tương ứng, ta được phương trình ở trạng thái xác lập: 00 d h A F F dt       Trừ hai vế của cho nhau ta nhận được: 33 0 0 00; ; d h A F F dt h h h F F F F F F                  Đặt 0; ;y h u F d F   phương trình được viết gọn thành 1 ( ) dy y u dt A   Ở trạng thái ban đầu(điểm làm việc) , tất cả các biến chênh lệch y,u,d cũng như đạo hàm dy/dt đều bằng 0. Với các điều kiện này, ta có thể biến đổi Laplace cả 2 vế 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) sy s u s d s A A k k y s u s d s s s       là hằng số thời gian tích phân. Hầu hết mô hình toán học của các quá trình thực thực tế đều chứa phương trình vi phân phi tuyến. Nhưng thực tế các phương pháp thiết kế hiện nay đều dùng cho mô hình tuyến tính. Vì thế mô hình thực cần được tuyến tính hóa. Có 3 phương pháp tuyến tính hóa: -Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc (phải là một giá trị cân bằng) áp dụng phép khai triển Taylor, kết quả là một mô hình tuyến tính xấp xỉ có giá trị sử dụng tại lân cận điểm làm việc. -Tuyến tính hóa thông qua phép đổi biến, đơn thuần kết quả có thể là mô hình tuyến tính hoặc mô hình ít phi tuyến nhưng hoàn toàn tương đương với mô hình ban đầu. -Tuyến tính hóa chính xác sử dụng đàn hồi, kết quả là một mô hình mở rộng tuyến tính. Việc tuyến tính hóa sẽ đơn giản hơn nến tiến hành với từng phương trình mô hình. Phép tuyến tính hóa điểm làm việc cho ta mô hình biểu diễn với các biến chênh lệch. Vì thế, từ mô hình tuyến tính ta có thể dẫn xuất ngay mô hình hàm truyền đạt. 34 Ví dụ xây dựng các phương trình mô hình thiết bị khuấy trộn liên tục Hệ thống bình trộn chất lỏng là hệ thống điển hình ứng dụng điều khiển quá trình, qua hệ thống thiết bị khuấy trộn , bài toán điều khiển đặt ra là lưu lượng vào dòng thứ hai phụ thuộc vào quá trình dòng đứng trước, trong khi lưu lượng ra là đại lượng có thể can thiệp được. Đối với các quá trình liên quan tới điều khiển thành phần hoặc các quá trình liên quan tới chất khí, phương trình cân bằng vật chất tốt nhất được biểu diễn với biến lưu lượng khối lượng hoặc lưu lượng mol. Ta sử dụng các ký hiệu sau đây: 1 2, ,    – lưu lượng khối lượng(kg/s) của các dòng vào và dòng ra x – thành phần sẳn phẩm ra tính theo phần khối lượng (0-1)  - khối lượng riêng của chất lỏng trong thiết bị (kg/m3) A - tiết diện của bình chứa (m2, giả thiết là đều từ trên xuống dưới) Mục đích sử dụng đặt ra là xây dựng mộ hình phục vụ thiết kế sách lược điều chỉnh, vì thế mô hình không đòi hỏi quá chi tiết. Trước hết ta cũng đưa ra giả thiết là trễ vận chuyển có thể bỏ qua. Tiếp theo, quá trình khuấy trộn được giả thiết là lý tưởng, có nghĩa là chất lỏng đồng nhất tại mọi vị trí trong thiết bị. Khối lượng riêng của hỗn hợp trong thiết bị cũng được coi là không thay đổi đáng kể. 35 a) b) Hình 2.2:Thiết bị khuấy trộn và cách lựa chọn biến quá trình a) Không điều khiển lưu lượng đầu ra b) Điều khiển lưu lượng đầu ra Phân tích các mục đích điều khiển, ta xác định được 7 biến quá trình. Hai biến ra là mức chất lỏng trong bình h và thành phần x của sản phẩm , 5 biến vào bao gồm các lưu lượng vào - ra ( 1 2, ,    ) và thành phần của các dòng vào (x1, x2) . Trong số đó, hai biến ra cũng là các biến cần điều khiển của quá trình. Trong ví dụ bên cạnh các phương trình cân bằng vật chất toàn phần ta còn có một phương trình cân bằng vật chất thành phần: 1 2 1 1 2 2 + ( ) + x dV dt d V x x x dt             (2.1) (4.2) 36 Khai triển đạo hàm vế trái theo x và V: 1 1 2 2+ dx dV V x x x x dt dt        Thay thế vế trái của (4.1) và giản ước, ta nhận được: 1 1 2 2 1 2+ ( ) dx V x x x dt        Thay V=Ah và đưa các phương trình vi phân về dạng chuẩn, cuối cùng ta có:  1 2 1 1 1 2 2 1 2 2 1 ( ) , 1 1 ( + ) ( ) ( , )                        dh f x h dt A dx x x x f x h dt Ah Ah Phân tích các mục đích điều khiển, ta xác định được 7 biến quá trình. Hai biến ra là mức chất lỏng trong bình h và thành phần x của sản phẩm , 5 biến vào bao gồm các lưu lượng vào - ra ( 1 2, ,    ) và thành phần của các dòng vào (x1, x2) . Trong số đó, hai biến ra cũng là các biến cần điều khiển của quá trình. Trong ví dụ bên cạnh các phương trình cân bằng vật chất toàn phần ta còn có một phương trình cân bằng vật chất thành phần: 1 2 1 1 2 2 + ( ) + x dV dt d V x x x dt             (2.5) Khai triển đạo hàm vế trái theo x và V: 1 1 2 2+ dx dV V x x x x dt dt        (2.6) (2.2) (2.3) (2.4) (4.6) 37 Thay thế vế trái của (4.1) và giản ước, ta nhận được: 1 1 2 2 1 2+ ( ) dx V x x x dt        (2.7) Thay V=Ah và đưa các phương trình vi phân về dạng chuẩn, cuối cùng ta có: 1 2 1 1 2 2 1 2 1 ( ) 1 1 ( + ) ( ) dh dt A dx x x x dt Ah Ah                     (2.8) Ta thấy rằng, mặc dù hệ thống thiết bị khuấy trộn là khá đơn giản, các phương trình mô hình đã thể hiện phần nào sự phức tạp đặt ra cho bài toán điều khiển: i) tính phi tuyến ii) sự tương tác giữa các biến quá trình. Đây mới chỉ là các phương trình mô hình đầu tiên, sau này để phục vụ thiết kế các sách lược và thuật toán điều khiển ta cần tiến hành phân tích hoặc mô phỏng cụ thể để có thể phát triển mô hình theo yêu cầu. Phân tích bậc tự do của mô hình: Sau khi tất cả các phương trình mô hình được thiết lập, ta cần tiến hành một số phân tích đơn giản để kiểm chứng tính nhất quán và một số tính chất khác của mô hình. Một đại lượng hữu hiệu để biết được là số bậc tự do của hệ thống. Số bậc tự do được hiểu là số lượng vòng điều khiển đơn độc lập tối đa có thể sử dụng, hay nói cách khác là số lượng tối đa biến đầu vào có thể can thiệp độc lập để tác động tới đầu ra. Xác định được số bậc tối đa của mô hình cho phép kiểm chứng tính nhất quán, khả năng giải được và mô phỏng được của mô hình. Số bậc tự do của hệ thống được định nghĩa là: số biến quá trình trừ đi số phương trình cân bằng: Nf=Nv- Ne Nv: số lượng biến quá trình mô tả hệ thống Ne: số lượng mối quan hệ độc lập giữa các biến (chính là số phương trình cân bằng) 38 Ví dụ thiết bị khuấy trộn liên tục có 7 biến quá trình và 2 phương trình cân bằng độc lập nên số bậc tự do của mô hình là: Nf =7-2=5, đúng bằng số biến vào (2 biến điều khiển và 3 biến nhiễu). Như vậy mô hình nhận được đã đảm bảo tính nhất quán. Hai biến ra là mức h và nồng độ c cũng có thể điều khiển một cách độc lập. Về lý thuyết ta có thể điều chỉnh tối đa 5 vòng điều khiển đơn (2 vòng phản hồi và 3 vòng bù nhiễu). Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc Hầu hết mô hình toán học xây dựng bằng phương pháp lý thuyết cho các quá trình thực đều chứa các phương trình vi phân phi tuyến. Nhưng đa số các phương trình đều xây dựng trên mô hình tuyến tính nên cần tuyến tính hóa mô hình phi tuyến. Có ba phương pháp tuyến tính hóa cơ bản gồm: -Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc (không phải là điểm cân bằng) Biến điều khiển là mức h và thành phần x trở thành mô hình trạng thái phi tuyến của quá trình. Tại một điểm làm việc, đạo hàm của mọi biến trạng thái đều bằng 0, ta có các phương trình mô hình trạng thái xác lập: _ _ _ 1 2 _ _ _ _ _ _ _ 1 1 2 2 21 0 0 ( )x x x               (2.9) Ký hiệu ngang trên sử dụng để chỉ giá trị của một biến tại điểm làm việc, ký hiệu * biểu diễn biến chênh lệc so với giá trị tại điểm làm việc. . 1 2 1 ( )h A           (2.10) 1 2 1 ( ) ( W ( ) W ( ) W( ))s H s s s s A        1 2( ) ( W ( ) W ( ) W( )) 1 h h k H s s s s s k A           Khai triển Taylor bậc nhất: 39 _ 0 __ _ _ _ _ _ _ _ 1 1 2 2 2 1 21_ _ 2 1 __ _ . _. . ( - ) 2 2 2 2 2( ) 1 1 21 1 2 ( ) _ _ _ _ ( ) ( )1 2 1 22 1 2_ _ _ _ 1 1 ( ( ) 1 ( x x x f f f f f h x x x h x x x h x x x x x x x Ah Ah Ah Ah x x x AhAh x Ah                                                                   2 1 21 _ 1 2 1 2 _ _ _ __ _ _ _ 1 1 22 _ _ _ _ _ __ _ 2 1 1 1 _ _ _ ) )( ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )Ah s x x x x x x x x X s X s x x W s W s X s X s                                  (2.11) Đặt các tham số mô hình _ _ _ _ _ _ _ 1 2 1 2 1 2 1 2_ _ _ _ _ , , , ,x x x x x x Ah x x x x k k k k                  Mô hình hàm truyền đạt cho đáp ứng đầu ra thứ hai (thành phần x): 1 2 1 2 1 2 1 2 ( ) 1 1 1 1 ( ) ( ) ( ) ( )x x x x x x k k k k X s s s s s X s W s W s X s                   (2.12) Cho thuận tiện ta đặt lại các biến chênh lệch như sau: (2.13) Viết gọn hai phương trình trên: 2 1 1 2 , , h u d x x y x x                           40 1 2 1 2 ( ) ( ) ( ) , 0 ( ) ( ) ( ) 0 0 ( ) 1 1 1 1 d h h h d x x x x x p p x u s G s d s k k k s s s G s k k k k s y s G s G s s s s                                        (2.14) Kết hợp (2.10) và (2.11) ta cũng dễ dàng có được mô hình trạng thái tuyến tính: . x Ax Bu Ed y Cx     _ _ __ _ _ _ 1 _ _ _ _ _ _ 1 22 0 01 1 , 0 0 0 0 1 01 , 0 1 h h A B Ah Ah x x h E C Ah x x                                 Mô hình hàm truyền đạt xác định gián tiếp qua công thức: 1 1( ) ( ) , ( ) ( )dp G sG s C sI A B C sI A E     Với mô hình khuấy trộn: _ _ _ 1 _ 0 1 0 ( ) 10 0 s s sI A s s a a Ah Ah                                Sơ đồ minh họa trực quan: 41 Mô phỏng hệ thống trên MatLab Tóm lại các bước tuyến tính hóa một mô hình xung quanh điểm làm việc bao gồm: - Đơn giản hóa mô hình như có thể, nếu có thể thì tách thành nhiều mô hình con độc lập. - Xác định rõ điểm làm việc và giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc để có mô hình trạng thái xác lập. - Đối với các phương trình tuyến tính, thay thế các biến thực bằng các biến chênh lệch. - Tuyến tính hóa từng phương trình phi tuyến cùa mô hình tại điểm làm việc bằng phép khai triển Taylor, bắt đầu với các phương trình đại số và sau đó là với các phương trình vi phân. - Đặt lại ký hiệu cho các biến chênh lệch (sử dụng ký hiệu vector nếu cần) và viết gọn lại các phương trình mô hình. - Tính toán lại các tham số của mô hình dựa vào giá trị các biến quá trình tại điểm làm việc. - Chuyển mô hình tuyến tính về dạng mong muốn, ví dụ biểu diễn trong không gian trạng thái hoặc bằng hàm truyền đạt. Tuyến tính hóa với phép biến đổi vào-ra 42 Mặc dù đôi khi không được chỉ ra rõ ràng, phương pháp tuyến tính hóa sử dụng phép biến đổi đã được sử dụng khá rộng rãi trong thiết kế các hệ thống điều khiển, ví dụ điều khiển tỉ lệ, điều khiển công suất nhiệt, điều khiển tính toán moment Phép biến đổi ở đây được hiểu là thay đổi biến vào hoặc biến ra bằng một biến mới (biến dẫn xuất), làm cho quan hệ vào- ra trở thành tuyến tính hoặc ít ra là có độ phi tuyến nhỏ hơn so với mô hình ban đầu. Khâu tính toán biến dẫn xuất, làm cho quan hệ vào- ra trở thành tuyến tính. Ví dụ thiết bị khuấy trộn liên tục với phương trình cân bằng thành phần nếu đặt: 1 _ _ _ _ 1 2 R      Ta sẽ dưa phương trình về dạng _ _ _ _ _ 2 21( )x x x R x   Hệ số khuếch đại tĩnh của quan hệ vào ra R x : _ _ _ 1 2Rx d x k x x dR    không phụ thuộc vào R, nếu x1, x2 biết trước và thay đổi không đáng kể, quan hệ giữa R và x ở trạng thái xác lập trở thành tuyến tính. Phân tích trên gợi ý ta sử dụng dẫn xuất 1 1 2 R      là biến điều khiển thay vì chọn trực tiếp 1 khi đó phương trình cân bằng thành phần sẽ được viết dưới dạng 1 2 1 2 2( )(( ) ) dx Ah x x R x x dt        Đây là phương trình tuyến tính ngay cả khi giả thiết x1, x2 là hằng số. 2.3 Nhận dạng hệ thống Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các số liệu vào-ra thực nghiệm được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (system indetification) 2.3.1 Các bước nhận dạng - Thu thập khai thác thông tin ban đầu về quá trình 43 - Lựa chọn phương pháp nhận dạng - Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào-ra trên cở sở phương pháp nhận dạng đã chọn, xử lý các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị kém tin cậy. - Kết hợp yêu cầu về mục đích sử dụng mô hình và khả năng ứng dụng của phương pháp nhận dạng đã chọn, quyết định về dạng mô hình (tuyến tính/phi tuyến/liên tục/gián đoạn) đưa ra giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình (bậc tử/mẫu, tham số trễ của hàm truyển đạt). - Xác định tham số mô hình theo phương pháp/ thuật toán đã chọn. Nếu tiến hành theo từng mô hình con (ví dụ từng kênh vào/ra, từng khâu trong quá trình) thì sau đó cần kết hơp chúng lại thành một mô hình tổng thể. - Mô phỏng kiểm chứng và đánh giá mô hình nhận được theo các tiêu chuẩn đã lựa chọn, tốt nhất là trên nhiều cơ sở dữ liệu khác nhau. 2.3.2 Các phương pháp nhận dạng Nhận dạng dựa trên đáp ứng quá độ Xấp xỉ về mô hình đơn giản như sau: 44 - Đáp ứng quán tính(a): có thể xấp xỉ thành mô hình quán tính bậc nhất hoặc bậc hai có trễ - FOPDT( first order plus dead-time) quán tính bậc nhất có trễ - SOPDT(second order plus dead-time) quán tính bậc hai có trễ - Đáp ứng dao động tắt dần(c): có thể xấp xỉ thành mô hình dao động bậc hai (SOPDT). - Đáp ứng tích phân (d): cóthể đưa về xấp xỉ thành mô hình quán tính bậc nhất hoặc bậc hai có trễ cộng thêm thành phần tích phân. - Đáp ứng quán tính - ngược(b): mô hình có chứa điểm không nằm bên phải trục ảo => cần phương pháp chính xác hơn Phương pháp kẻ tiếp tuyến Ví dụ quá trình có mô hình lý tưởng 45 Mô hình ước lượng sẽ là: a) Đặc tính thời gian b) Đặc tính tần số Phương pháp hai điểm qui chiếu 46 Phương pháp diện tích Phương pháp phản hồi rơ le Cho tín hiệu đặt r=0 (hay nói cách khác là giữ giá trị đặt thực cố định ở điểm làm việc) ví dụ: xung step dùng thêm một khối rơ-le có biên độ là d. Sau một thời gian ngắn đầu ra của đối tượng sẽ đạt trạng thái dao động tới hạn với chu kỳ Tu. Hệ số khuếch đại tới hạn được tính xấp xỉ theo công thức: 47 4 /uk d a a: biên độ dao động đầu ra d: biên độ dao động dạng xung vuông của tín hiệu đầu vào u ku: hằng số dao động tới hạn Chú ý: giá trị d được lấy sao cho tín hiệu ra dao động điều hòa quanh trục ngang x=0 48 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Để đi đến thiết kế bộ điều khiển thì cần hiểu về đặc tính và bản chất của đối tượng, muốn vậy ta cần tiến hành khảo sát kỹ đặc tính của đối tượng. Phương pháp khảo sát đơn giản là ta đưa một tín hiệu kích thích là hàm bậc thang 1(t) đến đối tượng và xác định đặc tính đầu ra. Cần có sự kết hợp khảo sát đặc tính của đối tượng giữa lý thuyết và thực nghiệm. Mô hình lý thuyết giúp ta kiểm chứng mô hình thực nghiệm đã đúng dạng chưa. Mô hình thực nghiệm giúp việc xác định các tham số của mô hình chính xác và đạt độ tin cậy cao hơn. 3.1. Khảo sát đặc tính quá độ của bình mức chất lỏng Đặc tính quá độ của bình mức được khảo sát trên thiết bị minh họa trên hình 3.1. Hình 3.1: Đặc tính quá độ bình mức. Dùng phương pháp diện tích ta xác định được hàm truyền bình mức chất lỏng theo mô hình quán tính bậc nhất có trễ FOPDT (First-order plus dead-time). Ta quan tâm đến ảnh hưởng của nhiễu đo-một vấn đề không thể tránh khỏi trong thực tế. Để giảm một cach hiệu quả ảnh hưởng của nhiễu đo tới kết quả ước lượng tham số, một kỹ thuật rất hay được áp dụng là lấy tích phân thay cho từng giá trị 49 đơn lẻ. Trên đồ thị đáp ứng, tích phân của một hàm chính là diện tích nằm giữa đường cong đó và trục thời gian. Quan sát minh họa trên hình. Trước hết diện tích A0 được xác định. Tổng L    được tính theo công thức: 0 0 [ ( )] L t y y t dtA k u k u              Trong đó t là thời gian đủ lớn để quá trình xác lập. Tiếp theo, diện tích dưới đường cong tính tới thời điểm   được xác định. Hằng số thời gian  sẽ là: 01 L ydteA k u k u        Trong đó e là số tự nhiên (e=2.718). Với các số liệu thu thập gián đoạn, các phép tích phân cần được xấp xỉ bằng phép cộng, ví dụ với phương pháp hình thang. Giả sử chu kỳ lấy mẫu tín hiệu cố định là T, ta có xấp xỉ tích phân: 1 1 1 10 0 0 0 ( ) [y(t )+y(t )] [y(0)+y(t )]+ y(t ) 2 2 i i i it j j i j j j j T T y t dt T            Hoặc thep phương pháp truy hồi (t0=0): 0 1 0 1 10 0 0 ( ) 0 ( ) ( ) [y(t )+y(t )] 2 i i t it t i i j y t dt T y t dt y t dt               Chọn T=0.01 (s); u =1; k=0.92; A0=11.96; L=13;A1=3.09;   9.13;   2.83; Hàm truyền đạt bình mức: 2.830.92( ) 9.13 1 sW s e s   Đường đặc tính bình mức mô phỏng trên máy tính như hình: 50 Hình 3.2: Đặc tính bình mức mô phỏng trên máy tính Lựa chọn tham số cho bộ điều khiển đối tượng bình mức Theo [1] ta có các nhận xét sau: Vòng điều khiển lưu lượng: Quá trình và cảm biến lưu lượng đều khá nhanh và thời gian trễ rất nhỏ, đặc tính động học của đối tượng phụ thuộc chủ yếu vào van điều khiển. Vì thế, hầu như ta chỉ sử dụng luật PI. Phép đo lưu lượng chịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu cao tần, vì thế ta không nên sử dụng thành phần vi phân. Vòng điều khiển mức: Đặc tính động học của cảm biến và của thiết bị chấp hành rất nhanh so với quá trình. Quá trình có đặc tính tích phân, nên sử dụng luật P cho điều khiển lỏng và luật PI cho điều khiển chặt (Với thời gian tích phân tương đối lớn). Thành phần vi phân ít khi được sử dụng bởi thực sự không cần thiết, hơn nữa phép đo mức thường rất bị ảnh hưởng của nhiễu. Vòng điều khiển nhiệt độ: Đặc tính động học của quá trình và của cảm biến nhiệt độ thường chậm hơn của thiết bị chấp hành. Đối với một số bài toán, quá trình còn có thể có đặc tính dao động hoặc thậm chí không ổn định (ví dụ điều khiển nhiệt độ thiết bị phản ứng, nhiệt độ trong tháp chưng luyện). Phép đo nhiệt độ chậm nhưng thường ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. Vì thế, ta nên sử dụng luật PID để cải thiện tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn. 51 3.2 Các phương pháp dựa trên đặc tính đáp ứng 3.2.1 Phương pháp dựa trên đáp ứng bậc thang Phương pháp thứ nhất của Zigler-Nichols xác định các tham số cho bộ điều khiển PID dựa trên đường đặc tính đáp ứng quá độ của quá trình thu được từ thực nghiệm với giá trị đặt thay đổi dạng bậc thang. Đối tượng áp dụng được là các quá trình có đặc tính quán tính tích phân với thời gian trễ tương đối nhỏ. Xuất phát từ mô hình quán tính bậc nhất: ( ) 1 se G s k s      Hoặc đối tượng bậc nhất chứa thành phần tích phân ( ) (1 ) s v v e G s k s s      Bảng 3.1: Bảng Zigler-Nichol thứ nhất Bộ điều khiển kc i d P 1 a hoặc k   - - PI 0.9 a hoặc 0.9 k   3.3 - PID 1.2 a hoặc 1.2 k   2 0.5 52 3.2.2 Phương pháp dựa trên đáp ứng dao động tới hạn Bảng 3.2: Bảng Zigler-Nichol thứ hai Bộ điều khiển kc i d P 0.5 uk - - PI 0.45 uk 1.2 uT - PID 0.6 uk 2 uT 0.125 uT Bảng 3.3: Luật chỉnh định PI/PID theo Tyreus và Luyben: Bộ điều khiển kc i d PI 0.35 uk 2.2 uT - PID 0.45 uk 2.2 uT / 6.3uT 3.2.3 Các phương pháp dựa trên mô hình mẫu 3.2.3.1 Phương pháp Haalman Đối với mô hình FOPDT ta sử dụng thuật toán PI với các tham số 2 2.34, 9.13 3 c ik k         3.2.3.2 Phương pháp tổng hợp trực tiếp (Direct Synthesis, DS) 53 Là phương pháp tính toán bộ điều khiển trực tiếp từ hàm truyền đạt của quá trình và mô hình hàm truyền đạt mong muốn. Từ mô hình FOPDT có thể thiết kế được bộ điều khiển có hàm truyền Đó cũng chính là hàm truyền đạt của bộ điều khiển PI 1 0.72(1 ) 9.13 PIK s   Phương pháp tổng hợp trực tiếp ưu tiên kháng nhiễu DS-d (Direct synthesis with diturbance jerection preference) Hàm truyền bình mức là khâu FOPDT thuộc nhóm A Bảng 3.4: Tham số bộ điều khiển theo DS-d Mô hình kkc i d 1 ske s     i c    2 2( )c          - Ta xây dựng được bộ điều khiển PI: 1 0.77(1 ) 9.08 PIK s   3.2.3.3 Phương pháp IMC (Internal model control) hay điều khiển mô hình nội Bảng 3.5: Tham số bộ điều khiển theo IMC Mô hình kkc i d 1 ske s     c     - Ta xây dựng được bộ điều khiển PI: 1 0.78(1 ) 9.13 PIK s   54 3.3. Mô phỏng trên Matlab- Simulink các phương pháp thiết kế bộ điều khiển Phương pháp Zigler-Nichol thứ nhất (ZN 1): Bảng 3.6: Tham số điều khiển chỉnh định theo phương pháp ZN 1. Bộ điều khiển kc i d P 3.5 - - PI 3.15 9.34 - PID 4.2 5.66 1.42 Hình 3.3: Vòng điều khiển chỉnh định theo phương pháp ZN 1. Phương pháp Zigler-Nichol thứ hai (ZN 2): Ku=3.54; tu=11.89 Bảng 3.7: Tham số điều khiển chỉnh định theo phương pháp ZN 2. Bộ điều khiển kc i d P 1.77 - - PI 1.59 9.9 - PID 2.12 5.95 1.49 55 Hình 3.4: Vòng điều khiển chỉnh định theo phương pháp ZN 2. Phương pháp tự chỉnh phản hồi rơ-le (Astrom và Hagglund) Bảng 3.8: Tham số điều khiển chỉnh định theo phương pháp Astrom và Hagglund. Bộ điều khiển kc i d P 1.7550 - - PI 1.5795 8.825 - PID 2.11 5.295 1.323 Hình 3.5: Xác định các tham số tới hạn theo Astrom và Hagglund. d=4;a= 1.45; 4* *3.14 u d k a   3.51; 56 Hình 3.6: Đáp ứng của các vòng điều khiển theo phương pháp AH. Phương pháp Tyreous và Luyben Bảng 3.9: Tham số điều khiển chỉnh định theo phương pháp Tyreous và Luyben. Bộ điều khiển kc i d PI 1.23 23.2980 - PID 1.5795 23.2980 1.6810 Hình 3.7: Đáp ứng của các vòng điều khiển theo phương pháp TL. So sánh 4 phương pháp trên với nhau: 57 Hình 3.8: Đáp ứng của các vòng điều khiển PID theo ZN 1,2, AH, TL. Hình 3.9: Đáp ứng của các vòng điều khiển PID theo ZN 1,2, AH, TL có nhiễu. Đáp ứng quá độ của ba vòng điều khiển theo Zigler Nichols và tự chỉnh phản hồi rơ le AH phản ứng hơi quá mạnh với thay đổi giá trị đặt, nhưng đặc tính loại bỏ nhiễu khá tốt. Vòng điều khiển chỉnh định theo TL cho đặc tính bám giá trị đặt rất tốt, nhưng đáp ứng loại bỏ nhiễu chậm hơn so với ba vòng trên. Mô phỏng các vòng điều khiển kín theo các phương pháp dựa trên mô hình mẫu: 58 Hình 3.10: Đáp ứng của các vòng điều khiển PI theo Haalman, DS, DS-d, IMC. Hình 3.11: Đáp ứng của các vòng điều khiển PI theo Haalman, DS, DS-d, IMC có nhiễu. So sánh các kết quả trên hình 3.12 và 3.14, ta thấy đặc tính loại bỏ nhiễu của vòng chỉnh định theo một trong những phương pháp mô hình mẫu khá hơn đáng kể so với những phương pháp đơn giản của những phương pháp dựa trên đáp ứng của đối tượng. Ngoài ra ưu điểm của các phương pháp này là tính bền vững của hệ thống. 59 CHƯƠNG 4:THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 4.1. Mở đầu Trong khuôn khổ của giáo trình, hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu sẽ tập trung vào phân tích hệ thống thu thập dữ liệu cho các nhà máy sản xuất và chế biến trong công nghệ hóa – sinh – thực phẩm. Việc thu thập dữ liệu cũng có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với các quá trình công nghệ trong các nhà máy thuộc dạng này. Trong quá trình hoạt động của nhà máy, thông thường các điểm đặt xuất phát từ yêu cầu của chế độ công nghệ chuẩn thường ít biến đổi. Giá trị thực tế (biến quá trình) của các đại lượng tương ứng được ổn định thông qua hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động hay thủ công đều có một kỳ vọng là đạt được bằng giá trị điểm đặt được đưa ra từ chế độ công nghệ chuẩn. Việc vận hành thủ công bằng con người thường không đạt được hiệu quả cao trong sản xuất (do thao tác của công nhân vận hành chậm hơn máy móc), tính đồng đều của sản phẩm kém (do trình độ vận hành không đồng đều giữa những người công nhân) ... Xuất phát từ những nguyên nhân trên nên các hệ thống tự động hóa – đo lường – điều khiển tự động đã ra đời và thay thế dần vị trí của người công nhân trong nhiều khâu của sản xuất. 60 Hình 4.2. Khống chế quá trình công nghệ một cách thủ công được thay bằng thế bằng hệ thống tự động hóa – đo lường – điều khiển tự động Tuy nhiên trong quá trình hoạt động của nhà máy, xuất hiện rất nhiều các loại nhiễu công nghệ khác nhau. Các nhiễu này luôn làm cho hệ thống điều khiển tự động cần phản ứng kịp thời và loại bỏ nó để ổn định đáp ứng của quá trình công nghệ. Dù hệ thống sản xuất được trang bị rất hiện đại với mới mức độ tự động hóa cao, độ tin cậy của toàn bộ hệ thống cũng không phải là tuyệt đối. Việc giám sát liên tục các quá trình công nghệ nhằm phát hiện đồng thời giúp nhà sản xuất có biến pháp khắc phục các lỗi một cách kịp thời giúp ổn định chất lượng sản phẩm trước khi đưa ra thị trường hoặc loại bỏ hoàn toàn sản phẩm đó nếu cần thiết. Trong ngành chế biến thực phẩm, các chuyên gia về tiêu chuẩn chất lượng đưa ra hệ thống quản lý chất lượng đối với các nhà máy. Theo tiêu chuẩn này, một số điểm trên dây chuyền chế biến cần tuân thủ một cách nghiêm ngặt qui định về 61 giới hạn cho phép bao gồm giới hạn trên và giới hạn dưới của điểm làm việc. Nếu điểm làm việc có giá trị của tham số công nghệ vượt ngưỡng cho phép này, nhà sản xuất cần đưa ra biện pháp xử lý kịp thời đối với sản phẩm. Tại các vị trí này, việc sử dụng các thiết bị đo lường – kiểm tra các tham công nghệ là bắt buộc. Từ các thiết bị đo này, thông tin đo lường cũng cần được gửi về thiết bị thu thập dữ liệu nhằm gửi thông tin về tham số công nghệ về hệ thống thu thập dữ liệu. Việc này có ý nghĩa đặc biệt cho các hoạt động kiểm tra chất lượng sản phẩm. Hình 4.3. Giới hạn trên – dưới của các biến quá trình (đáp ứng quá trình công nghệ) Đối với một biến quá trình có lược đồ lưu trữ theo thời gian như hình trên, đáp ứng quá trình công nghệ hầu như nằm trong vùng cho phép trong toàn bộ thời gian hoạt động, tuy nhiên chỉ một khoảng thời gian nhỏ, giá trị này vượt giới hạn trên. Nếu hệ thống đo chỉ được trang bị tính năng chỉ thị thông thường thì việc phát hiện sai sót này là rất khó vì lỗi diện ra trong một khoảng thời gian ngắn và người vận hành có thể không phát hiện ra. Chính vì vậy hệ thống thu thập dữ liệu có tính năng lưu trữ giá trị đo từ các điểm đo do thiết bị thu thập gửi lên sẽ giúp các nhà Giới hạn trên Giới hạn dưới Điểm Thời gian Biến quá trình (đáp ứng quá trình công nghệ) Đại lượng Vượt ngưỡng 62 sản có thể dễ dàng phát hiện ra sai sót kỹ thuật này thông qua hệ thống cơ sở dữ liệu lưu trữ và hệ thống lọc thông tin. Qua các phân tích sơ bộ như trên, chúng ta một lần nữa thấy được vai trò cũng như sự cần thiết của việc thu thập dữ liệu cũng như vai trò quan trọng của sự tin cậy của các điểm đo cơ sở, việc đảm bảo tính trung thực của thông tin đo qua các thiết bị thu thập dữ liệu. Giao diện ghép nối truyền thông của các thiết bị cảm biến cấp trường rất đa dạng cũng như có rất nhiều đặc thù do sự đa dạng của các loại cảm biến và giao diện của chúng. Đối với các đại lượng khác nhau, các thiết bị đo lường là khác nhau về mặt bản chất cũng như cấu tạo thiết bị đo, mạch đo, cách căn chỉnh ... Ngày nay, các nhà công nghiệp cố gắng chuẩn hóa các thiết bị đo về mặt truyền tín hiệu. Một thiết bị đo hoàn chỉnh cần có thêm tính năng truyền thông tin đo đi xa qua các chuẩn truyền tín hiệu công nghiệp. Chúng ta có thể kể ra một số chuẩn truyền thông tin từ thiết bị đo lên thiết bị thu thập dữ liệu như sau:  Chuẩn truyền tín hiệu tương tự: o Chuẩn truyền tín hiệu điện áp: 0VDC – 5VDC, 1VDC – 5VDC, - 5VDC – 5VDC, 0 – 10VDC, 1VDC – 10VDC o Chuẩn truyền tín hiệu dòng điện: 0mA – 20mA, 4mA – 20mA  Chuẩn truyền tín hiệu số: Profieldbus DP, Profieldbus PA, CAN, HART ... Ngoài các thiết bị thu thập dữ liệu thực hiện việc thu nhận tín hiệu đo từ thiết bị đo theo chuẩn tín hiệu số và tín hiệu tương tự nêu trên, các thiết bị thu thập dữ liệu chuyên dụng còn thực hiện việc việc giao tiếp với các thiết bị trường, các cảm biến, các đầu đo theo các giao tiếp đặc trưng như thiết bị thu thập dữ liệu nhiệt độ trực tiếp từ các cặp nhiệt điện, các nhiệt điện trở kim loại, thiết bị nhiệt điện trở bán dẫn, các đâu đo áp suất theo nguyên tắc điện trở, các đầu đo khối lượng theo nguyên tắc điện trở ... Các thiết bị thu thập dữ liệu có thể là các RTU chuyên dụng hoặc có thể là các bộ điều khiển tại các trạm điều khiển. Yêu cầu chung của các thiết bị thu thập dữ liệu là phải thực hiện được việc truyền thông tin đã thu thập dữ liệu lên các thiết bị lưu trữ cấp trên, các máy tính tại các trạm giám sát – vận hành ở cấp trên. Tại các thiết bị thu thập dữ liệu, việc chuẩn hóa và các phép tính tỷ lệ được thực hiện trước khi tín hiệu được truyền lên cấp trên. 63 4.2. Mô hình tháp của hệ thống điều khiển và quản lý sản xuất Hệ thống điều khiển, điều hành và quản lý sản xuất một cách tự nhiên được phân chia thành nhiều cấp. Phù hợp với thực tế này, hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất cũng được phân chia thành nhiều cấp và điển hình của một hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất thường bao gồm 5 cấp như trên hình vẽ sau: Hình 4.4: Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất Cấp thứ nhất: là cấp cảm biến – chấp hành hay cấp trường. Nó thực hiện kết nối các bộ điều khiển, cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Cấp thứ hai: là cấp điều khiển (phân xưởng) thực hiện việc điều khiển các quá trình công nghệ và thực hiện việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển logic khả trình PLC, thiết bị điều khiển quá trình công nghệ trong máy điều khiển số CNC hoặc các máy tính PC công nghiệp. Cấp thứ ba: là cấp vận hành, giám sát chỉ huy và thực hiện chức năng vận hành giám sát và điều khiển chi huy cho quá trình công nghệ. Tại cấp thứ ba này thực hiện các chức năng giao diện người – máy, lưu trữ các số liệu liên quan tới sản xuất, ra các lệnh, thiết lập cấu hình và thay đổi chế độ làm việc cho quá trình công nghệ, máy sản xuất,... Thiết bị trong cấp thứ ba này là các máy trạm làm việc, các máy tính PC. Các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ. 64 Cấp thứ tư: là cấp quản lý nhà máy và thực hiện phối hợp nhiều nhiệm vụ quản lý khác nhau như quản lý kỹ thuật, quản lý sản xuất, quản lý nguồn lực,... Cấp thứ năm: là cấp quản lý công ty và nó thực hiện kết nối và phối hợp các hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và văn phòng công ty tại nhiều thành phố và quốc gia khác nhau. Trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất thì các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ và hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho các cấp này còn được gọi là hệ thống tự động hóa quá trình công nghệ còn các cấp thứ 4 và thứ 5 thực hiện chức năng quản lý và hệ thống tự động hóa áp dụng cho hai cấp này được gọi là hệ thống tự động hóa điều hành và quản lý sản xuất. Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều. Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều khiển và giám sát. Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) trên giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp. 4.3. Thiết bị thu thập dữ liệu 4.3.1 Nhiệm vụ của thiết bị thu thập dữ liệu Nhiệm vụ chính của các thiết bị thu thập dữ liệu là làm nhiệm vụ nhận thông tin gửi lên từ các thiết bị cảm biển cấp trường. Nội dung thông tin được gửi lên là giá trị đo được của các tham số của quá trình công nghệ như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, mức, pH, nồng độ ... đối với các nhà máy sản xuất công nghiệp, có thể là các giá trị về thông tin thời tiết như lượng mưa, độ ẩm, nhiệt độ, tốc độ gió, cường độ sáng ... đối với các trạm thu thập dữ liệu thông tin địa lý cho hệ thống khí tượng - thủy văn hoặc có thể là các giá trị điện áp, dòng điện, công suất, tần số, các trạng thái của máy biến áp... đối với trạm thu thập thông tin cho các hệ thống điều 65 khiển giám sát và thu thập dữ liệu cho các trạm biến áp, lưới điện. Thuật ngữ hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thường được dùng để chỉ các hệ thống giám sát cho diện rộng (có sự phân tán lớn về các điểm cần giám sát) vì thế những hệ thống lớn như lưới điện, hệ thống thu thập thông tin khí tượng - thủy văn hay hệ thống phân phối và cung cấp nước sạch chính là những hệ thống đầu tiên được trang bị hệ thống SCADA do tính cấp thiết và đặc thù cấp thiết. 4.3.2 Thiết kế và xây dựng bộ thu thập dữ liệu cho hệ thống cô đặc Hệ thống thu thập dữ liệu Data aquitition (DAQ) là chương trình phần mềm thu thập và lưu trữ dữ liệu đo trên máy tính. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phần mềm điều khiển giám sát như: WinCC (Siemens), LabView (National Instrument), RSView32 (Rockwell Automation) ... Các phần mềm này được ứng dụng rất nhiều trong các nhà máy công nghiệp. Để phù hợp với nhu cầu điều khiển giám sát trong các nhà máy, các kỹ sư phải được trang bị kiến thức về các phần mềm này. Để đáp ứng được yêu cầu mới từ phía các nhà tuyển dụng là các đơn vị hoạt động trong các lĩnh vực sản xuất khác nhau, các sinh viên cần được học về cách ứng dụng cũng như các phần mềm này trong quá trình đào tạo. Đối với tùy từng chuyên ngành việc giảg dạy các phần mềm này sẽ là khác nhau, với sinh viên trong ngành Đo lường – Điều khiển – Tự động hóa, Cơ khí, hoặc Điện tử công nghiệp sẽ có yêu cầu cao hơn đó là có thể thiết kế chương trình ứng dụng trên các phần mền này, còn sinh viên các ngành khác như ngành công nghệ hóa học, thực phẩm, sinh học, môi trường, dệt may mức độ có thể là nắm được cách sử dụng các chương trình ứng dụng trên. Với thiết bị cô đặc do nhóm chế tạo thì đại lượng cần đo và lưu trữ gồm: -Nhiệt độ và độ ẩm vào của không khí. - Nhiệt độ và độ ẩm ra của không khí. - Tốc độ không khí vào khi vận hành thiết bị. Nên bộ thu thập dữ liệu của nhóm chỉ dùng 02 đầu đo là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến đo tốc độ gió. Trong thời gian 10 tháng nhóm đã nghiên cứu và thực hiện 2 phương án thu thập dữ liệu: - Phương án thứ nhất là dùng PLC của Rockwell Automation kết nối với máy tính và thu thập dữ liệu trên phần mềm Rsview 32 của Rockwell Automation. Phần mềm này chỉ cài đặt và sử dụng trên hệ điều hành Windows XP hoặc hệ điều hành XP ảo (Vmware hoặc XP mode) hệ điều hành ảo là một phần mềm được cài đặt trên hệ 66 điều hành có sẵn của Microsoft như Windows 7, điều này gây khó khăn cho người lập trình cũng như người sử dụng. Phương án này có ưu và nhược điểm như sau. Ưu điểm:  Các thiết bị phần cứng và phần mềm của cùng một hãng sản xuất Rockwell Automation.  Không bị nhiễu trong công nghiệp vì sử dụng PLC Nhược điểm:  Chi phí thiết bị cao và ít tìm thấy ở Việt Nam.  Không dùng được cho các hệ điều hành máy tính hiện này (Windows 7 trở lên).  Kết nối với máy tính qua chuẩn RS232 hoặc DH485 nên cần có cable chuyển đổi sang cổng USB của máy tính và laptop. Nên nhóm đã xây dựng bộ DAQ theo phương án thứ 2 trên thiết bị của hãng National Instrument (NI) cũng của Hoa Kỳ phần cứng là một card thu thập dữ liệu NI myRIO kết nối với PC qua phần mềm Labview cũng của NI. Phương án này có ưu và nhược điểm như sau. Ưu điểm:  Chi phí cho thiết bị phần cứng thấp  Phần mềm tương thích với các hệ điều hành hiện nay  Phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm, giúp sinh viên dễ dàng tiếp cận khai thác và sử dụng  Kết nối với PC qua cổng USB mà không cần chuyển đổi  Labview là ngôn ngữ lập trình hình ảnh nên gần gũi và dễ tìm hiểu với những người chưa biết, đặc biệt là các em sinh viên. Nhược điểm:  Khó khăn khi chuyển sang chuyển sang qui mô công nghiệp.  Chưa có trạng thái báo động (Alarm): Với các cảnh báo loại này, người vận hành phải thực hiện một vài gợi ý hoặc can thiệp nhỏ nhằm đưa hệ thống ra 67 khỏi khu vực nguy hiểm. Khi ở mức báo động hệ thống vẫn có thể tiếp tục làm việc được trong một thời gian ngắn.  Chưa có trạng thái báo lỗi (Failure): Đây là tình trạng nguy hiểm, phải thực hiện ngay các tác động để ngăn các rủi ro và tổn thất cho hệ thống. Thông thường khi xảy ra lỗi, hệ thống cũng đã thực hiện trước một số action để ngăn chặn hiểm họa có thể xảy ra. Bằng cách tạo các điểm đo trên thân thiết bị như thể hiện trên hình vẽ. Các đầu đo nhiệt đô độ ẩm được gắn tại các điểm đo được đục lỗ và gắn thêm các nút khi cần đo ta mở nút và gắn cảm biến vào, còn khi không cần thì ta đậy nút đảm bảo kín không có không khí bên ngoài vào. Các vị trí gắn cảm biến đo - Nhiệt độ, độ ẩm vào của không khí được đo bởi cảm biến JUMO 907201/40. -Nhiệt độ, độ ẩm ra của không khí cũng được đo bởi cảm biến JUMO 907201/40. -Tốc độ gió vào được đo bởi cảm biến FST 200 – 2012111. -Tín hiệu đo từ các cảm biến này được nối về các đầu vào tương tự AI của PLC để xử lý số liệu. - Dữ liệu đo được lưu trữ theo thời gian thực trên một thực mục được người lập trình chọn để đảm bảo dễ tìm và không bị mất khi máy tính xảy ra sự cố. Ở đây 68 nhóm đã lưu vào thư mục khác ổ đĩa có hệ điều hành đó là “F:\HoSo Nghien cuu sinh\CODAC\codac\VBA”. Giao diện chương trình được xây dựng trên phần mềm Rsview 32 - Dữ liệu được lưu dưới dạng file Access nhưng với các phần mềm trong bộ office của Microsoft thì đều có thể đọc được và chuyển đổi sang được dạng dữ liệu khác như word hoặc exel. Nhóm đã chuyển dữ liệu từ file access sang file exel. Dữ liệu thu được xử lý trên phần mềm exel. Thoi gian Nhiet do vao Do am vao Nhiet do ra Do am ra 09/07/2015 13:36:44 43 27 32 72 09/07/2015 13:39:00 46 26 32 70 09/07/2015 13:42:00 44 28 33 69 09/07/2015 13:45:01 43 29 33 67 09/07/2015 13:48:00 43 29 33 63 09/07/2015 13:51:10 43 29 33 67 09/07/2015 13:54:00 43 29 33 67 09/07/2015 13:57:01 49 20 34 65 09/07/2015 14:00:01 51 21 35 64 09/07/2015 14:03:01 48 24 35 64 09/07/2015 14:06:01 47 25 34 64 09/07/2015 14:09:01 46 26 34 65 09/07/2015 14:12:00 45 26 34 65 09/07/2015 14:15:00 45 27 34 66 09/07/2015 14:18:00 45 27 34 68 69 09/07/2015 14:21:00 45 26 33 70 09/07/2015 14:24:00 46 26 33 69 09/07/2015 14:27:00 46 25 33 69 09/07/2015 14:30:01 46 25 34 70 09/07/2015 14:33:00 46 24 34 70 09/07/2015 14:36:00 47 24 34 69 Các dữ liệu đo này được sử dụng để xử lý số liệu phục phụ cho quá trình điều khiển tối ưu thiết bị sau này. - Để khảo sát thời gian tách ẩm của dịch ta cần thu thập theo thời gian thực để xác định khoảng thời gian cần thiết để dịch ra đạt được độ khô theo yêu cầu. Phần xây dựng chương trình DAQ được trình bày ở phụ lục cuối thuyết minh. 70 CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 5.1 Xây dựng hệ thống thiết bị cô đặc dịch thực phẩm kém chịu nhiệt 5.1.1 Bản chất kỹ thuật của phương pháp chảy màng Để tăng hiệu suất lấy ẩm từ dung dịch của không khí khô khi tiếp xúc pha, trong điều kiện nhiệt độ thấp (<45 oC) và áp suất thường. Nhóm nghiên cứu đã đề xuất giải pháp tạo dòng chảy của dung dịch ở dạng màng trên bề mặt vật dẫn hướng theo phương thẳng đứng nhờ lực trọng trường. Dịch được gia nhiệt gián tiếp bằng nước nóng đến nhiệt độ cho phép (ví dụ < 45 oC) trên thùng chứa nguyên liệu. Từ đáy khoang chứa dịch, dòng chảy màng của dịch được thiết lập bằng cách tạo các lỗ thủng ở đáy khoang chứa dịch và lắp các tấm bản dẫn hướng theo phương thẳng đứng vào giữa các lỗ thủng này để tạo các khe hở với độ rộng có thể chọn (từ 0,1 đến 2 mm). Dưới dạng màng trên bề mặt vật dẫn hướng, dịch nguyên liệu nhờ lực trọng trường tự chảy xuống khoang trao đổi ẩm, tách nước ở dưới khi tiếp xúc với không khí khô và nóng (< 45oC). Tiết diện của dòng chảy chính là khe hở giữa vật dẫn hướng và lỗ ở đáy khoang chứa dịch. Tùy theo độ nhớt của dịch nguyên liệu mà chọn khe hở cho hợp lý. 71 - Nguyên lý hệ thống Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống hạ thủy phần dịch thực phẩm kém chịu nhiệt 1 – Lọc và xử lý khí 2 – Bơm khí 3 – Calorifer 4 – Cảm biến vận tốc khí 5 – Cảm biến nhiệt độ khí vào 6 – Cảm biến độ ẩm khí vào 7 – Thùng chứa sản phẩm 8 – Bơm tuần hoàn dịch 9 – Thân thiết bị tách nước 10 – Khoang chứa liệu 11 – Cảm biến nhiệt độ khí ra 12 – Cảm biến độ ẩm khí ra 13 – Thùng chứa nguyên liệu 14 – Máy tính 15 – PLC 72 Thiết bị (9) bao gồm các tấm bản đặt thẳng đứng, song song với nhau, dịch thực phẩm từ thùng chứa nguyên liệu (13) được cấp vào khoang chứa nguyên liệu (10) phần trên của tháp. Đáy khoang chứa nguyên liệu có cơ cấu tạo khe hở để dịch dưới tác động của lực trọng trường chảy thành màng theo các tấm bản dẫn hướng xuống khoang trao đổi ẩm phía dưới. Tác nhân lấy ẩm là không khí khô và nóng chuyển động ngược chiều với màng dịch. Có thể dùng công nghệ bơm nhiệt để tạo không khí khô và nóng cho quá trình này. Do màng dịch có tốc độ chuyển dịch chậm hơn nhiều so với trạng thái rơi tự do làm tăng thời gian tiếp xúc 2 pha, điều đó làm tăng khả năng lấy ẩm của khí khô trong quá trình tiếp xúc pha. Độ ẩm của tác nhân lấy ẩm ở cửa ra sau một chu trình lấy ẩm từ các màng dịch tùy thuộc độ cao của khoang làm khô tách nước, có thể đạt từ 70 đến 95%. Từ khoang trao đổi ẩm, dịch đã được tách ẩm tự chảy xuống khoang chứa sản phẩm ở phía dưới và chảy về thùng chứa sản phẩm (7). Không khí khô được quạt hút (2) qua bộ lọc và xử lý không khí (1) đi qua calorifer (3) tạo thành không khí khô nóng sau đó qua cửa cấp gió đi dọc theo bề mặt tấm bản ngược chiều với dòng chảy màng của pha lỏng, trao đổi ẩm với màng dịch và thoát ra ngoài. Thông số nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân khí tại cửa vào khoang trao đổi ẩm được tự động đo bằng các cảm biến và truyền xa (5) và (6). Tương tự tại cửa khí ra nhiệt độ và độ ẩm của khí được đo tự động bằng cảm biến và truyền xa (11) và (12). Khi nồng độ của dịch trong thùng (7) còn thấp hơn yêu cầu, ta dùng bơm (8) bơm dịch bán thành phẩm từ thùng (7) lên thùng cao vị (13) để lặp lại chu trình tách nước. Thiết bị thí nghiệm được lắp hệ tự động điều khiển dùng PLC (15) của hãng Rockwell Automation USA. Các bộ biến đổi truyền xa nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân lấy ẩm ở cửa vào và cửa ra của thiết bị tách nước được kết 73 nối với PLC. PLC (15) được kết nối với máy tính PC (14), cho phép thu thập và xử lý dữ liệu thí nghiệm. Lưu lượng không khí vào thiết bị được điều chỉnh bằng tay và giá trị lưu lương được đo bằng cảm biến đo vận tốc (4). 5.1.2 Các thiết bị linh kiện điều khiển trong hệ thông cô đặc * Calorifer Ta chọn calorifer điện, vỏ hộp được làm bằng vật liệu inox, bên trong có thanh nhiệt. Không khí đi vào hộp calorifer, đi qua thanh nhiệt trở thành không khí khô nóng. Thanh gia nhiệt được điều khiển bằng PLC để duy trì giá trị nhiệt độ đặt. *Quạt gió Để vận chuyển tác nhân trong hệ thống thường dùng hai loại quạt: quạt ly tâm và quạt hướng trục. Chọn loại quạt nào, số hiệu bao nhiêu phụ thuộc vào đặc trưng của hệ thống sấy, trở lực mà quạt phải khắc phục ∆p, năng suất mà quạt cần tải V cũng như nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân. Khi chọn quạt, giá trị cần phải xác định là hiệu suất của quạt, số vòng quay của quạt. Quạt ly tâm chia làm ba loại theo tổng cột áp mà nó tạo ra ∆p:  Quạt hạ áp: ∆p < 100 mmH2O.  Quạt trung áp: ∆p = (100 ÷ 300) mmH2O.  Quạt cao áp: ∆p > (300 ÷ 1500) mmH2O. Căn cứ vào vòng quay riêng nN ta chia chúng thành các nhóm sau:  Quạt quay chậm : nN = 100 ÷ 200.  Quạt quay vừa : nN = 200 ÷ 600.  Quạt quay nhanh : nN = 600 ÷ 1200.  Quạt quay đặc biệt nhanh : nN = 1200 ÷ 4000. 74 Để tiện cho công việc lắp đặt theo yêu cầu sử dụng, người ta dùng quạt ly tâm có hai chiều quay với các giá trị gá đỡ khác nhau. Nếu roto của quạt quay theo chiều kim đồng hồ chúng ta có loại quạt quay phải và ngược lại ta có quạt quay trái. Quạt ly tâm có thể gắn trực tiếp với động cơ điện qua một bánh đai. *Bơm tuần hoàn Do yêu cầu công nghệ mà ta phải bơm tuần hoàn dịch Mật từ thùng chứa sản phẩm lên thùng chứa liệu ở trên đến khi Mật đạt nồng độ yêu cầu. Người ta chia máy bơm ra nhiều loại dựa vào những đặc điểm như: nguyên lý tác động của cánh bơm vào dòng nước, dạng năng lượng làm chạy máy bơm, kết cấu máy bơm, mục đích bơm, loại chất lỏng cần bơm ... Trong đó thường dùng đặc điểm thứ nhất để phân loại máy bơm. Theo đặc điểm này máy bơm được chia làm hai nhóm: bơm động học và bơm thể tích. Do Thực phẩm là loại dịch có độ nhớt cao nên ta sử dụng loại bơm là bơm bánh răng. Bơm bánh răng được chia ra làm hai loại: kiểu bánh răng ăn khớp ngoài và kiểu bánh răng ăn khớp trong Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của hai kiểu bánh răng ăn khớp ngoài và kiểu bánh răng ăn khớp trong được thể hiện dưới đây Hình 5.2: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài Bánh răng chủ động được nối với trục của bơm quay và kéo theo bánh răng bị động quay. Chất lỏng ở trong các rãnh răng theo chiều quay của các bánh răng vận 75 chuyển từ khoang hút đến khoang đẩy vòng theo vỏ bơm. Khoang hút và khoang đẩy được ngăn cách với nhau bởi những mặt tiếp xúc của các bánh răng ăn khớp và được xem là kín. Hình 5.3: Bánh răng ăn khớp trong Bánh chủ động và bánh bị động luôn đặt lệch tâm. Khi bánh chủ động quay kéo theo bánh bị động quay cùng chiều trong Stato. Chất lỏng ở trong các rãnh răng theo chiều quay của các bánh răng vận chuyển từ khoang hút đến khoang đẩy vòng theo vỏ bơm. Khoang hút và khoang đẩy được ngăn cách với nhau bởi lưới chắn. *Lọc không khí Trong công nghiệp, một thiết bị cần thiết đó là thiết bị lọc không khí trước khi vào hệ thống hạ thủy phần nhưng trong quy mô phòng thí nghiệm ta không đưa thiết bị lọc vào. Do không khí ngoài trời có nhiều bụi và có thể có một số chất khí độc hại, nếu không lọc thì khi khí tiếp xúc trực tiếp với màng dịch sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng Mật Ong. Lọc khí được chia làm ba cấp độ lọc cơ bản đó là lọc thô, lọc tinh rồi đến lọc HEPA. Mỗi cấp độ lọc đều có kích thước, cấp độ lọc và hiệu suất khác nhau nên tùy nhu cầu và điều kiện kinh tế mà chọn loại cấp độ lọc phù hợp.  Lọc thô: vật liệu lọc thường làm bằng bông sợi tổng hợp, được phân chia là bốn cấp độ lọc từ G1 – G4 76  G1: đạt hiệu suất lọc được 65% nhưng hạt bụi thô.  G2: đạt hiệu suất lọc từ 65 – 80%.  G3: đạt hiệu suất lọc từ 80 – 90%.  G4: đạt hiệu suất lọc trên 90% Ngoài ra có thể sử dụng tấm lọc cacbon với vật liệu lọc được làm từ giấy và than hoạt tính để loại bỏ các chất gây ô nhiễm, các mùi khói, mùi sơn, các loại khí độc hại hay khí mùi hôi thối.  Lọc tinh: trong dây chuyền lọc thường dùng túi lọc khí, loại này chia ra nhiều cấp độ lọc từ F5 – F8.  F5: có khả năng lọc từ 40 – 60% hạt bụi (với phổ bụơi từ 1 - 10μm)  F6: có khả năng lọc từ 60 – 80%.  F7: có khả năng lọc từ 80 – 90%.  F8: có khả năng lọc từ 90 – 95%.  Lọc HEPA: là lọc không khí hiệu năng cao và là một công nghệ được phát triển bởi Ủy ban năng lượng nguyên tử Mỹ trong suốt những năm 1940 với mục đích tạo ra một phương pháp lọc hiệu quả các hạt phóng xạ gây ô nhiễm. HEPA là một phương pháp lọc rất hiệu quả, cái mà các hạt được lấy bằng kính hiển vi từ không khí xung quanh khi nó đi qua bộ lọc HEPA. Vùng bộ lọc HEPA với nhiều hiệu quả phụ thuộc vào kích thước của các hạt. Lọc HEPA được phân chia từ cấp độ lọc H10 – H14 và U15 – U17.  H10: có khả năng lọc 95% hạt bụi (với hạt bụi 0,3 μm).  H11: có khả năng lọc ≥ 98%.  H12: có khả năng lọc ≥ 99,97%.  H13: có khả năng lọc ≥ 99,99%.  H14: có khả năng lọc ≥ 99,999%. 77  U15: có khả năng lọc ≥ 99,9995% hạt bụi (với hạt bụi 0,12μm).  U16: có khả năng lọc ≥ 99,99995%.  U17: có khả năng lọc ≥ 99,999995%. *Bộ điều khiển lập trình PLC và dụng cụ đo PLC PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller là bộ điều khiển Logic lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. PLC dụng để thay thế các mạch relay trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen – Bradley, Mitsubishi Electric, Delta, Omron và đặc biệt là thiết bị đo lường và điều khiển của National Instrument (NI), thiết bị của NI nhỏ gọn, giá thành vừa phải và tiện lợi khi sử dụng trong qui mô phòng thí nghiệm, thiết bị này kết nối với máy tinh qua phân mềm rất dễ sử dụng là LabView. LabVIEW là phần mềm lập trình theo hình ảnh nên thân thiện với người dùng và dễ dàng thay đổi theo ý người sử dụng. PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì khả năng mở rộng và chống nhiễu cao. *Cảm biến nhiệt ẩm Để đo nhiệt độ độ ẩm của không khí vào và ra khỏi thiết bị ta sử dụng cảm biến JUMO 907021/40 được sản xuất tại Đức. Cảm biến này tích hợp đo cả nhiệt độ và độ ẩm của không khí. Cảm biến nhiệt ẩm có 4 dây gồm: dây trắng, nâu, vàng, xanh lần lượt ứng với dây dương, dây âm, dây tín hiệu nhiệt độ và dây tín hiệu độ ẩm. 78 Hình 5.4: Cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm Cảm biến nhiệt ẩm JUMO 907021/40 có thông số kỹ thuật như sau: Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của cảm biến JUMO 907021/40 Nhiệt độ -40oC ≤ t ≤ 60oC Độ ẩm 0% ≤ φ ≤ 100% Dạng tín hiệu 0 – 10V Đường kính đầu đo 12 mm Chiều dài cam biến 84 mm Loại cảm biến PT1000 *Cảm biến đo vận tốc gió Sử dụng cảm biến đo tốc độ gió FST 200 – 2012111 Đặc tính:  Chống lại tác động, tình trạng quá tải, bị sốc và xói mòn.  Nhỏ gọn và tinh tế, dễ dàng mang theo và dễ lắp đặt  Làm bằng chất liệu hợp kim, thiết kế cấu trúc hợp lý và chất lượng tốt. 79  Cốc gió làm bằng thép không gỉ, tải trọng chống gió có thể đạt tới 70m/s.  Bắt đầu với vận tốc gió thấp.  Thiết kế bảo vệ khi biến động. Phạm vi áp dụng:  Làm việc trên cao để kiểm tra và kiểm soát.  Kỹ thuật kiểm tra máy và kiểm soát.  Trạm khí tượng và kiểm tra bảo vệ môi trường và kiểm soát.  Cảng và bến kiểm tra môi trường và kiểm soát.  Tự động hóa trong các ngành công nghiệp khác về tốc độ gió và thử nghiệm hướng và kiểm soát. Thông số kỹ thuật của cảm biến đo tốc độ gió được thể hiện trong bảng 2.2. Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của cảm biến đo tốc độ gió FST 200 – 2012111 Tham số Thông số Đầu ra Tín hiệu xung (hz), 0 – 5VDC, 4 – 20mA Điện áp làm việc 5VDC, 24VDC, 12 ~ 36VDC (phổ biến ở 24VDC) Phạm vi thử nghiệm 0,5m/s – 50 m/s Tốc độ gió bắt đầu ≤ 0,5 m/s Tính chính xác ± 0,1 m/s Môi trường làm việc Nhiệt độ -20oC ~ +85oC, độ ẩm ≤ 95% Giới giạn tốc độ gió Max: 70m/s trong 30 phút 80 Hình 5.5: Cảm biến đo tốc độ gió 81 5.2 Kiểm soát và điều khiển quá trình cô đặc dịch thực phẩm kém chịu nhiệt Thiết bị tách ẩm có 2 đầu vào (tác nhân không khí và nguyên liệu cần cần hạ thủy phần) và 2 đầu ra (không khí ra khỏi thiết bị và dịch bán thành phẩm ở bình chứa). Để điều khiển và kiểm soát được quá trình ta chuyển sơ đồ hệ thống hình 1.5 thành lưu đồ P&ID theo chuẩn ISA. FIC 1 M IC 1 T I C 1 F I C 2 TIC 2 MICSP SP SP SP SP Hình 5.6: Sơ đồ P&ID thiết bị tách ẩm dạng màng mỏng 5.2.1 các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ẩm Quá trình hạ thủy phần ở đây bản chất là quá trình trao đổi nhiệt ẩm trực tiếp giữa hai dòng lưu thể đó là không khí khô và màng mỏng dịch. Hai dòng lưu thể đó 82 có thể chuyển động ngược chiều hoặc xuôi chiều. Sau đây ta sẽ phân tích ưu nhược điểm của hai phương án trên:  Hai dòng lưu thể đi ngược chiều nhau (tức là không khí khô nóng vào thiết bị bằng cửa gió ở dưới di chuyển từ dưới lên trên thiết bị rồi thoát ra ở cửa gió trên, dòng dịch chảy màng từ trên xuống dưới): không khí nóng ban đầu có nhiệt độ cao và độ ẩm thấp tiếp xúc với dịch Mật khi đó có độ ẩm nhỏ nhất, dọc theo chiều cao thiết bị không khí nóng giảm dần nhiệt độ và độ ẩm tăng dần di chuyển lên về phía cửa ra tiếp xúc với dịch có độ ẩm cao nhất. Ưu điểm : dịch lúc ra khỏi thiết bị có độ ẩm thấp hơn, quá trình thoát ẩm ra ngoài môi trường nhanh hơn do không khí luôn có xu hướng bay lên trên nên trong phương án này quá trình thải ẩm ra ngoài gặp ít trở lực.  Hai dòng lưu thể chuyển động xuôi chiều (tức là cả dòng không khí khô nóng và dòng dịch đều di chuyển từ trên xuống): khi đó dịch ban đầu có độ ẩm lớn tiếp xúc với không khí khô ban đầu có nhiệt độ cao và độ ẩm nhỏ nên bốc hơi nhanh, nhưng khi không khí xuống dưới thiết bị lúc đó đã chứa nhiều ẩm nên khả năng lấy ẩm từ dịch sẽ khó khăn, lấy được ít ẩm hơn. -Nhược điểm: độ ẩm cuối của dịch cao hơn so với trường hợp hai dòng lưu thể đi ngược chiều, và do lực cản do xu hướng bay lên của không khí gây ra nên quá trình thoát ẩm ra ngoài môi trường chậm hơn. Qua phân tích ở trên thì ta thấy rõ ràng phương án hai dòng lưu thể chuyển động ngược chiều hiệu quả hơn so với chuyển động xuôi chiều. Do đó ta sẽ chọn phương án cho hai dòng lưu thể chuyển động ngược chiều nhau. Quá trình trao đổi ẩm của hai dòng lưu thể diễn ra như sau: Không khí khô nóng được cấp vào thiết bị qua cửa gió vào ở bên dưới thiết bị chuyển động ngược chiều với dòng dịch chảy màng từ trên xuống. Không khí khô nóng đi lướt qua bề mặt màng dịch, trong quá trình đó không khí truyền nhiệt cho màng dịch, màng 83 dịch nhận nhiệt sau đó bay hơi. Do sự chênh lệch áp suất giữa pha lỏng và khí nên ẩm trong dịch có xu hướng thoát ra khỏi bề mặt dịch, do vậy mà cường độ bay hơi của nước trong dịch càng cao. Không khí vào trong thiết bị liên tục lấy ẩm từ dịch cho tới khi bão hòa không chứa thêm được ẩm nữa thì thoát ra ngoài môi trường. Trong quá trình tách nước điều ta quan tâm là lượng ẩm mà không khí lấy được từ dịch trong một giờ. Để biết được lượng ẩm mà không khí đã lấy được thì dựa vào hàm lượng ẩm của không khí vào và ra khỏi thiết bị, nếu hàm lượng ẩm của không khí khi ra khỏi thiết bị cao hơn nhiều so với khi vào thiết bị thì chứng tỏ quá trình tách nước đạt hiệu suất cao và ngược lại nếu hàm lượng ẩm của không khí ra cao hơn ít so với khi vào thì quá trình tách nước đạt hiệu suất thấp. Ngoài yếu tố dịch và khí thì yếu tố thiết bị cũng ảnh hưởng đến hiệu suất tách ẩm của quá trình. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ẩm được thể hiện trên hình 13. 84 Hình 5.7: Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tách ẩm Trong quy trình công nghệ nào cũng vậy, để đạt hiệu quả cao thì đều cần tối ưu. Ở đây ta cần giải quyết hai bài toán tối ưu đó là tối ưu thiết bị và tối ưu công nghệ. Nhìn vào hình 13 ta thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới cường độ tách ẩm của dịch, nhưng không phải ta đều khảo sát tất cả các yếu tố ảnh hưởng để tìm tối ưu vì nếu khảo sát tất cả các yếu tố thì sẽ rất nhiều các thí nghiệm. Trong các yếu tố ảnh hưởng thì có yếu tố ảnh hưởng nhiều có yếu tố ảnh hưởng ít. Nên trước tiên ta sẽ phân tích xem các yếu tố nào ảnh hưởng nhiều, các yếu tố nào ảnh hưởng ít đến cường độ tách ẩm. Những yếu tố ảnh hưởng nhiều đến cường độ tách ẩm thì sẽ khảo sát để giải quyết bài toán tối ưu. Sau đây ta sẽ phân tích và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của thiết bị và quá trình công nghệ ảnh hưởng đến cường độ bốc ẩm. 5.2.2 Kiểm soát dòng không khí vào Dòng không khí trước khi vào hệ thống được đi qua thiết bị xử lý không khí (1) thiết bị lọc không khí này đã và đang sử dụng phổ biến trong các nhà máy thực phẩm, đặc biệt là trong bệnh viện. Calorife được dùng để tạo không khí khô là tác nhân trong quá trình tách ẩm. Tuy nhiên để có tác nhân sạch và tiết kiệm thì nên chọn giải pháp tuần hoàn khí trong thiết bị tạo thành một vòng cung cấp khí kín. Để có được điều này thì ta chọn bơm nhiệt thay thế cho calorife để công đoạn tách ẩm khỏi