Luận văn Nghiên cứu các sách lược và chỉnh định tham số cho bộ PID trong điều khiển quá trình

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : H THÁI NGUYÊN 2009 *** – – ....................o0o.................. : : : CHK9 : : : 25/06/2008 : 25/02/2009 Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ngày nay với sự công ng . . ”. 4 chương: . . PID . . T , Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên . t . , T 02 năm 2009 : Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên : 10 năm 1978 - kh – – nguyên. ” .TS. . . 02 năm 2009 Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chương 1: NGHIÊN 1.1. 1.1.1 1.1.2 1.2. 1.2.1 1.2.2 Năng 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.5 1.5.6 1.5.7 1.6 1.6.1 1.6.2 &ID Chương 2: 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 Chương 3: 3.1 3.1.1 3.1.2 – 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 -le 3.2.4 Chương 4: 4.1 Chọn tham số cho bộ điều khiển PID 4.1.1 - 4.1.2 - hai 4.2 4.2.2 Mô Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.3 T Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐIỂU KHIỂN QUÁ TRÌNH Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại . Từ những năm nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các nghành công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng (gọi chung là công nghiệp chế biến , prrocess industry) như dầu khí, lọc dầu, hoá chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà máy điện. Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung, được xếp vào phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình (process control system, PCS). Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Hình 1-1 minh hoạ sơ lược cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình. Thiết bị điều khiển Đầu vào Đầu ra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quá trình công nghệ Thiết bị điều khiển Thiết bị đo Hệ thống vận hành và giám sát Tham số Trạng thái 1-1: Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Mục đích của chương mở đầu là cung cấp cho người đọc cái nhìn sơ lược về bản chất và mục đích của điều khiển quá trình, tổng quan và các chức năng và thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình. 1.1. Khái niệm điều khiển quá trình Trong nội dung luận văn này, khái niệm điề u khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm , hiệu quả sản xuất và an toàn cho người, máy móc và môi trường. Để làm rõ định nghĩa mày, những mục tiêu tiếp theo sẽ lần lượt cung cấp một số khái niệm cơ bản và phân tích những vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình. 1.1.1. Quá trình và các biến quá trình Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc sinh họ, trong đó vật chất, năng lượng được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhưng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin. Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc / và được can thiệp. Khi nói tới một qúa trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành. Sự phân biệt giữa hai khái niệm ‘quá trình kỹ thuật ’ và ‘quá trình công nghệ’ ở đây không phải là vấn đề từ ngữ, mà chỉ nhằm mục đích thuận tiện cho các nội dung trình bày sau này . Từ nay về sau, nếu không nhấn mạnh thì khái niệm ‘quá trình’ có thể hiểu là ‘quá trình công nghệ’ hoặc ‘quá trình kỹ thuật’ tuỳ theo ngữ cảnh của người sử dụng. Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình. Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh hoạ trên hình 1-2. Một biến vào là một đại lượng hoặc điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng mở của rơle sợi đốt,… Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao,… Nhìn từ quan điểm của lý thuyết hệ thống, các biến vào thể hiện. Nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả ( quan hệ nhân quả ). Bên cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái. Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức. Trong nhiều trường hợp, một biến trạng thái có thể coi là một biến ra. Ví dụ, mức nước trong bình chứa vừa có thể coi là một biến trạng thái, vừa có thể coi là một biến ra. Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để biến ra của nó thoả 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 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, một quá trình công nghệ thì không thể biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển. Biến cần 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 mong muốn Hình 1-2: Quá trình và phân loại biến quá trình QUÁ TRÌNH Biến điều khiển Nhiễu Biến vào Vật chất Năng lượng Thông tin Vật chất Năng lượng Thông tin Biến trạng thái Biến ra Biến không cần điều khiển Biến cần điều khiển Biến không cần điều khiển Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hay giá trị đặt (set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal). Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu chất lượng trong hệ thống điều khiển quá trình. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo hoặc ghi chép hoặc hiển thị. Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của quá trình sản xuất có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất. Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu. Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ nhiễu hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise). Nhiễu quá trình là nhiễu biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, v.v… Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số trong giá trị đo được. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lưu ý rằng cần phân biệt rạch ròi giữa các đầu vào/ra công nghệ và đầu vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống. Nhìn từ phía công nghệ thì các đầu vào và đầu ra có thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan điểm hệ thống thì ta chỉ quan tâm tới các thông tin thể hiện qua các biến quá trình. Hình 1-3 minh hoạ một hình chứa chất lỏng đơn giản cùng với các biến đặc trưng. Đây là một quá trình công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyển và lưu trữ. Mặc dù chất lỏng chảy vào và ra khỏi bình nhưng cả lưu lượng vào và ra đều được coi là các biến vào, trong khi mức chất lỏng h vừa có thể coi là một biến trạng thái hoặc một biến ra của quá trình .Bài toán điều khiển đặt ra là thông qua điều chỉnh độ mở van cấp, thay đổi lưu lượng vào Fi một cách hợp lý để duy trì mức trong bình h ổn định tại một giá trị mong muốn, không phụ thuộc vào lưu lượng ra Fo. Có thể dễ thấy mức chất lỏng h là biến cần điều khiển và lưu lượng vào Fi là biến điều khiển. Trong khi đó lưu lượng ra Fo phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của quá trình tiếp theo, không thể can thiệp được ở đây, vì vậy được coi là nhiễu quá trình hay nhiễu tải. Các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được. Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được. Tuy nhiên nếu phép đo một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp. Vì thế một biến cần điều khiển trong một số trường hợp chưa chắc sẽ là một biến được điều khiển. Trong nhiều bài toán thì việc nhận biết quá trình cũng như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ cũng a) Sơ đồ khối Hình 1-3: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình a) Sơ đồ công nghệ Fi Fo h BÌNH CHỨA Biến điều khiển Fi Biến cần điều khiển h Nhiễu Fo Biến vào Biến ra Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên dễ dàng. Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển mà ta sẽ bàn kỹ hơn trong các chương sau. 1.1.2 Phân loại quá trình Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau. Cách phân loại thứ nhất là dựa theo số lượng biến vào và biến ra. Một quá trình chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến còn nếu có nhiều biến ra thì gọi là quá trình đa biến . Một quá trình một vào - một ra được gọi tắt là SISO (Single-input single-output), quá trình nhiều vào - nhiều ra được gọi tắt là MIMO (multi – input multi - output). Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến. Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu) , ta cũng có thể phân loại xá qua trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc, quá trình mẻ. Trong một quá trình liên tục các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đã đạt được trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến tương tự , tức chúng có thể lấy các giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn. Quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng và chất khí là các quá trình liên tục tiêu biểu. Một quá trìn h gián đoạn (hay còn gọi là quá trình không liên tục) có bản chất giống như quá trình không liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định. Trong một quá trình rời rạc các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy các đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến số nguyên, trong một số trường hợp đặc biệt là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic). Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trình phục vụ, quá trình chế tạo , quá trình lắp ráp là các quá trình rời rạc tiêu biểu. Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp (hệ lai , hybrid system), nó có đặc trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động theo một trình tự thao tác (công thức, recipe) cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá trình mẻ. Các quá trình phản ứng hoá học, quá trình pha chế, quá trình lên men (bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu trong quá trình mẻ. Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các nghành công nghiệp chế biến trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các nghành công nghiệp chế tạo và lắp ráp. Do vậy trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trước hết tới các quá trình liên tục và quá trình mẻ. Tuy nhiên ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trình rời rạc, ví dụ quá trình nhập-xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, đóng chai, khởi động/dừng thiết bị v.v… 1.2. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình người kỹ sư phải tìm hiểu rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển bao giờ cũng bắt đầu từ việc tiến hành phân tích và cụ thể hoá các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là một cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình. Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây: 1. Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ của máy móc, thuận tiện trong vận hành. 2. Đảm bảo năng xuất và chất lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu. 3. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc và thiết bị và môi trường xung quanh trong trường hợp xảy ra sự cố. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4. Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng b và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu. 5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: đảm bảo năng xuất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi thị trường. Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ chức năng của điều khiển quá trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh hoạ trên hình 1-5. Hai dòng nguyên liệu có thành phần chất A lần lượt là x1 và x2 được đưa vào thiết bị khuấy trộn tạo ra một sản phẩm có thành phần x theo yêu cầu. Lưu lượng khối lượng của các dòng nguyên liệu được ký hiệu là w1 và w2, có thể điều chỉnh qua hai van cấp tương ứng. Quá trình pha chế được hỗ trợ bởi một hệ thống khuấy trộn gắn với động cơ . Dung dịch sản phẩm được đưa tới quá trình tiếp theo với lưu lượng khối lượng w. Thiết bị khuấy trộn có thể hoạt động theo chế độ liên tục hoặc theo mẻ, ở đây ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục. 1.2.1. Vận hành ổn định Để đảm bảo một nhà máy vận hành ổn định và trơn tru, yêu cầu trước tiên là từng tổ hợp công nghệ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự phối hợp giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru. Trong lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta đã có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của hệ thống và cách xác định tính ổn định bằng các công cụ toán học và đồ hoạ. Ở đây tính ổn định sẽ được diễn giải một cách thực tế, theo yêu cầu vận hành của quy trình công nghệ. Hình 1-4: Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản x1 h w1 w2 x2 x w Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tại sao việc vận hành ổn định một quá trình lại có vai trò quan trọng như vậy? Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng vật chất hoặc năng lượng, dẫn đến đảm bảo các yêu cầu về chế độ làm việc của các thiết bị công nghệ như tránh tràn hoặc tránh cạn bình chứa, tránh qua áp, quá nhiệt trong lò hơi,… Thứ hai, một hệ thống vận hành ổn định, trơn tru cũng đồng nghĩa với việc tín hiệu điều khiển cố định hoặc ít thay đổi. Cũng chính vì vậy các thiết bị chấp hành cũng ít phải thay đổi chế độ làm việc hơn, tuổi thọ thiết bị, máy móc sẽ được kéo dài. Trong chế độ vận hành ổn định và trơn tru các van điều khiển không phải tha y đổi góc mở một cách thường xuyên hoặc không phải thay đổi một cách đột ngột, các động cơ không phải thay đổi tốc độ một cách quá nhanh. Thứ ba hệ thống có vận hành ổn định thì mới có thể ổn định năng xuất và chất lượng sản phẩm theo yêu cầu. Hơn nữa hệ thống vận hành ổn định thì người vận hành cũng ít phải can thiệp và việc vận hành hệ thống trở nên thuận tiện và an toàn hơn. Trong thực tế không phải một hệ thống nào cũng phải ở chế độ vận hành bình thường, liên tục mà còn ở các giai đoạn khởi động hoặc dừng, điểm làm việc cũng có thể thay đổi do yêu cầu thay đổi giá trị hoặc do tác động của nhiễu và vì theo mẻ với các sản phẩm khác nhau, hoặc trong khi vận hành liên tục người ta có thể yêu cầu thay đổi lưu lượng hoặc nồng độ của sản phẩm ra. Bản thân nhiều quá trình không có tính tự cân bằng (không ổn định), vì thể chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của biến đầu vào cũng có thể đưa quá trình tới trạng thái mất ổn định. Bất kể đặc tính động học của quá trình ra sao, giá trị đặt thay đổi hoặc tác động của nhiễu thế nào nhiệm vụ điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng thái vận hành ổn định , có thể làm việc tại một điểm làm việc mới. Đó cũng chính là một nhiệm vụ thuộc phạm vi chức năng điều chỉnh, chức năng quan trọng nhất trong một hệ thống điều khiển quá trình. 1.2.2. Năng xuất và chất lượng sản phẩm Trong lĩnh vực công nghệ hoá học và thực phẩm, chất lượng sản phẩm hầu hết được thể hiện trực tiếp qua thành phần hoá học, nồng độ, mật độ và một số tính chất hoá học hoặc vật lý khác. Trong khi đó, năng xuất thường được thể hiện qua lưu lượng sản phẩm. Nhiệm vụ đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng xuất cũng thuộc về chức năng điều chỉnh. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản phẩm. Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn. Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại một giá trị bất kỳ, mà phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong phạm vi cho trước. Trong ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng sản phẩm đòi hỏi thành phần ra không những ổn định mà còn phải đảm bảo đúng theo một giá trị đặt trước, hoặc ít ra là với một sai lệch nằm trong một phạm vi cho phép. Như vậy sai lệch điều khiển hay nói đúng hơn diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng. 1.2.3. Vận hành an toàn Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo vận hành một hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ mọi người, các thiết bị máy móc va môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố. Chính vì tầm quan trọng của vấn đề an toàn cho máy móc, con người và môi trường xung quanh chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với một hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các chức năng điều khiển thuần tuý. Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ, áp suất nằm trong một phạm vi cho phép. Do đặc thù của mỗi quá trình công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng sản phẩm nhưng cũng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại gần một giá trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm vi nhất định. Ví dụ, dù hệ thống động cơ khuấy trộn có thể đạt tốc độ quay rất cao thì yêu cầu về an toàn của hệ thống cũng không cho phép đặt một tốc độ cao tuỳ ý. Vì thế việc khống chế tốc độ động cơ là điều cần thiết. Cũng như vậy, mặc dù mức trong bình không ảnh hưởng một cách quyết định tới chất lượng sản phẩm được pha chế thì yêu cầu an toàn cũng không cho phép giá trị mức quá cao, hoặc quá thấp mà đồng thời hệ thống động cơ khuấy đang hoạt động. Cho nên bài toán điều khiển mức ở đây vừa đảm bảo nguyên lý cân bằng vật chất, vừa đảm bảo an toàn hệ thống. Trong các ví dụ khác như nồi hơi hoặc thiết bị phản ứng thì việc điều chỉnh khống chế các giá trị mức, nhiệt độ, áp suất là các bài toán hết sức quan trọng. 1.2.4. Bảo vệ môi trường Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Một hệ thống vận hành an toàn không thể xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo vệ môi trường. Tuy nhiên vấn đề bảo vệ môi trường cần được chú trọng hơn thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước tải, hạn chế lượng bụi và khói. Dễ thấy mức độ ôi nhiễm môi trường của một nhà máy một phần liên quan tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng, như một phần không nhỏ thuộc trách nhiệm của hệ thống điều khiển. Việc giảm thiểu hoặc ít nhất là duy trì các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh đặt ra duy trì tỷ lệ giữa lượng nhiên liệu (bột than) và không khí ở một giá trị thích hợp tuỳ theo nồng độ ôxy trong không khí và chất lượng than. Việc giảm tiêu thụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng một mặt nâng cao chất lượng và nâng cao hiệu quả kinh tế, mặt khác góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Đây cũng là vấn đề thuộc trách nhiệm chung của nh ững nhà thiết kế công nghệ cùng những người thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển . Cần lưu ý rằng những dây chuyền công nghệ mới cho phép vận hành với hiệu quả cao, tiêu ít nhiên nguyên vật liệu thông qua chu trình kết hợp , chu trình khép kín và tái sử dụng năng lượng, nhưng lại là những quá trình rất khó điều khiển, điều kiện vận hành bị ràng buộc, đặt ra yêu cầu ngày càng cao hơn cho các chức năng điều khiển quá trình. 1.2.5. Hiệu quả kinh tế Để đạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, mà năng xuất phải thích ứng được với yêu cầu thị trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) cũng như tiêu hao ít nguyên nhiên liệu. Rõ ràng bài toán đặt ra là ta phải cân nhắc giữa chi phí cho tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm . Ví dụ để cải thiện chất lượng điều khiển ta cần các thuật toán tác động nhanh. Tuy nhiên tác động nhanh đồng nghĩa với tổn hao nhiều năng lượng cho các cơ cấu chấp hành (động cơ, máy bơm, van điều khiển), đồng thời tác động nhanh cũng thường dẫn tới giảm tuổi thọ cho các thiết bị. Cách giải quyết thông thường là xây dựng và giải quyết bài toán điều khiển tối ưu, trong đó chất lượng điều khiển và chi phí điều khiển được đặt chung với các trọng số khác nhau trong hàm mục tiêu cần cực tiểu (điều khiển tối ưu). 1.3. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Việc phân tích các mục đích điều khiển ở phần trên cũng đã làm rõ được các chức năng quan trọng của một hệ thống điều khiển quá trình. Theo quan niệm cổ điển, chức năng điều khiển quá trình bó hẹp trong bài toán điều chỉnh tự động cho các quá trình liên tục trong đó biến đầu ra được duy trì tại một giá trị đặt cố định. Đặc thù của các dây chuyền công nghệ này là các quá trình biến đổi về chất hoặc các quá trình biến đổi về năng lượng, chính vì vậy điều khiển tự động có vai trò quan trọng hàng đầu. Tuy nhiên trong nhiều dây chuyền sản xuất hiện đại các quá trình công nghệ diễn ra liên tục hoặc theo mẻ, các giá trị đặt có thể ít thay đổi hoặc thay đổi liên tục. Bên cạnh đó các yêu cầu về giảm tiêu thụ năng lượng khả năng vận hành hệ thống thuận tiện và an toàn cho con người, máy móc và môi trường cũng được đặt ra cao hơn. Mặc dù điều chỉnh là chức năng tiêu biểu nhất song để đạt được các mục đích điều khiển đã đặt ra như phân tích trên đây ta cũng cần quan tâm tới các bài toán khác như bài toán điều khiển khoá liên động, điều khiển trình tự, vận hành và giám sát, điều khiển chất lượng, tối ưu hoá quá trình sản xuất… Các chức năng điều khiển quá trình có thể được phân cấp theo nhiều cách khác nhau, ví dụ theo thiết bị thực hiện, theo mức độ tự động hoá hoặc theo tính chất nhiệm vụ. Hình 1-5 mô tả một cách phân cấp các chức năng điều khiển quá trình dựa theo tiêu chuẩn IEC 60050-351 với các thuật ngữ nguyên bản đưa ra trong các bảng chú thích bên dưới. Trong thực tế, các chức năng cũng có thể được xếp vào một trong bốn nhóm chính dựa theo tính chất nhiệm vụ là: giao diện quá trình, điều khiển cơ sở, điều khiển cao cấp và vận hành giám sát. Phần dưới đây sẽ làm rõ bốn chức năng này. 1.3.1. Giao diện quá trình Cấp giao diện quá trình bao gồm các chức năng đo lường, chuyển đổi/truyền tín hiệu cấp trường, hiển thị, ghi chép giá trị tại chỗ, đóng/cắt, truyền động và bảo vệ. Nếu so sánh với mô hình phân cấp tự động hoá thì giao diện quá trình tương ứng với cấp cảm biến-chấp hành hoặc một phần của cấp trường. Đây thực ra không phải là chức năng điều khiển, tuy nhiên không thể hiện được trong một hệ thống điều khiển quá trình. 1.3.2. Điều khiển cơ sở Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Theo tiêu chuẩn ANSI/ISA 88.01-1995, điều khiển cơ sở được định nghĩa là “điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của thiết bị hay quá trình”. Chức năng điều khiển có thể do các bộ điều khiển thực hiệ n một cách tự động (điều khiển tự động), hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm (điều khiển bằng tay). Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm điều chỉnh, điều khiển rời rạc và điều khiển trình tự. Chú thích A Người vận hành B Hệ thống điều khiển quá trình C Quá trình D Nhiễu từ bên ngoài E Giám sát, đánh giá, tối ưu hoá F Can thiệp của con người G Đo lường, đếm H Đánh giá, giám sát, điều khiển vòng hở, điều khiển vòng kín, tối ưu hoá, bảo vệ E F I H K G C A B D Giao diện quá trình Điều khiển cao cấp Điều khiển cơ sở Vận hành, giám sát L Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 1-5: Phân cấp chức năng điều khiển quá trình Cũng theo theo định nghĩa trong ANSI/ISA 88.01-1995, chức năng điều chỉnh được định nghĩa là “nhằm duy trì các biến đầu ra của một quá trình gần như có thể với các giá trị đặt tương ứng trong các điều kiện tác động nhiễu và giá trị đặt thay đổi”. Tất nhiên điều chỉnh tự động là chức năng quan trọng nhất mà một hệ thống điều khiển quá trình cung cấp. Điều chỉnh là bài toán đặc trưng tron g các lĩnh vực công nghiệp chế biến, song cũng là bài toán điều khiển phổ biến trong các lĩnh vực khác. Cũng vì thế điều chỉnh là một nội dung trọng tâm của lý thuyết điều khiển tự động. Bên cạnh điều chỉnh thì điều khiển rời rạc cũng là một chức năng điều khiển cơ sở không thể thiếu được trong một hệ thống điều khiển quá trình. Cũng theo định nghĩa trong ANSI/ISA 88.01-1995, điều khiển rời rạc là duy trì các trạng thái thiết bị quá trình tại một giá trị đích lựa chọn từ một tập các trạng thái ổn định biết trước”. Điều khiển thiết bị đơn lẻ đơn thuần là điều khiển khởi động, dừng hoặc chuyển chế độ cho các quá trình đơn lẻ, ví dụ băng tải, động cơ, máy đóng cắt. Điều khiển liên động bảo đảm chức năng bảo vệ, an toàn cho các máy móc và con người. Ví dụ người ta có thể trang bị một số cảm biến để phát hiện các trường hợp sự cố như quá áp, quá nhiệt, khí độc và sử dụng mạch lôgic để đưa ra các báo động cũng như thực hiện các I Chỉ thị, báo hiệu, ghi chép K Can thiệp, đóng cắt L Mệnh lệnh Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên biện pháp nhằm đưa hệ thống về trạng thái an toàn. Trong đa số các trường hợp các trạng thái biểu thị tính logíc như đóng/mở, chạy/dừng, vì thế khái niệm điều khiển lôgic cũng hay được sử dụng (ví dụ điều khiển hai trạng thái, điều khiển mờ), vì thế ta không nên coi điều khiển logic là một bài toán điều khiển, mà là một dạng thuật toán điều khiển. Điều khiển trình tự được định nghĩa là một lớp chức năng điều khiển quá trình công nghiệp với mục đích đưa quá trình kỹ thuật qua một trình tự các trạng thái riêng biệt. Điều khiển trình tự có vai trò đặc biệt quan trọng trong thực hiện khởi động hoặc dừng một nhóm thiết bị hoặc dừng cả hệ thống cũng như trong các bài toán điều khiển theo mẻ là các ứng dụng tiêu biểu khác của điều khiển trình tự. 1.3.3. Điều khiển vận hành và giám sát Một hệ thống điều khiển hiện đại không chỉ dừng lại ở mức độ điều khiển tự động mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát. Ví dụ người vận hành phải có khả năng khởi động hệ thống, dừng hệ thống, quán sát các đại lượng quá trình cần điều khiển và thay đổi giá trị đặt cho chúng, thay đổi chế độ vận hành, chỉnh định lại tham số cho các bộ điều khiển… Đó chính là các nhiệm vụ thuộc về điều khiển vận hành và giám sát. Khác với điều khiển tự động, điều khiển vận hành và giám sát có sự tham gia can thiệp trực tiếp của con người để thực hiện việc vận hành hệ thống được hiệu quả cao hơn. Các chức năng điều khiển giám sát tiêu biểu là giao diện người-máy, lưu trữ dữ liệu, hệ thống quản lý sự kiện và báo động và lập tức báo cáo tự động. Trong các hệ thống điều khiển giám sát thì giao diện người -máy là chức năng quan trọng nhất. Giao diện người-máy cung cấp màn hình hiển thị hình ảnh chuẩn về hệ thống và thiết bị, các hình ảnh đồ hoạ tự do, lưu đồ công nghệ, đồ thị thời gian thực và đồ thị quá khứ, các tham số điều khiển, tình trạng các động cơ, các bảng tóm tắt báo động. Giao diện người-máy hỗ trợ thao tác vận hành thông qua các phương tiện chuẩn như phím điều khiển, chuột, màn hình tiếp xúc. Giá trị của các biến quá trình cũng như các biến trạng thái máy móc được thực hiện thu thập, lưu trữ và quản lý trong một hệ thống cơ sở dữ liệu. Trong một số ứng dụng, các dữ liệu vận hành cũng liên tục được vận hành để tiện theo dõi về sau. Hệ thống cơ sở dữ liệu quá trình là thành phần trung tâm của phần mềm điều khiển giám sát. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.3.4. Điều khiển cao cấp Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là một chức năng điều khiển tự động nhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với các tín hiệu vào/ra của quá trình. Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo ra giá trị đặt hoặc can thiệp vào các tham số điều khiển cơ sở. Thông thường chức năng điều khiển cao cấp được đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành và giám sát. Một hệ thống điều khiển quá trình có thể được cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp như điều khiển công thức và quản lý mới mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển chất lượng và tối ưu hoá thời gian thực. 1.4. Các thành phần cơ bản của hệ thống Tuỳ theo mức độ ứng dụng và mức độ tự động hoá các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản tương đối phức tạp , nhưng chúng đều dựa trên b a thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển. Chức năng mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một cách trực quan với sơ đồ khối trên Hình 1-6. Thuật ngữ: Giắ trị đặt Set Point (SP), Set Value (SV) Tín hiệu điều khiển Control Signal, Control Output (CO) Biến điều khiển Control Variable, Manipulated Variable (MV) Biến được điều khiển Controlled Variable (CV) Đại lượng đo Measured Variable, Process Vulue (PV) Tín hiệu đo Measured Signal, Process Measurement (PM) Hình 1-6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình Bộ điều khiển Thiết bị chấp hành Quá trình công nghệ Thiết bị đo Tín hiệu đo (PM) (PV) Đại lượng đo Biến cần điều khiển (CV) Biến điều khiển (MV) (CO) (SP) Tín hiệu điều khiển Giá trị đặt Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Để thấy một cách sơ lược chức năng của từng thành phần trong hệ thống và quan hệ giữa chúng, trước hết ta xét một ví dụ điều khiển nhiệt độ minh hoạ trên hình 1-7. Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi bình (T) được đo bằng cảm biến cặp nhiệt, tín hiệu điện áp ra được một bộ chuyển đổi đo chuẩn chuyển sang tín hiệu chuẩn dòng 4-20mA và đưa tới bộ điều khiển DCS. DCS là giải pháp điều khiển số tích hợp có cấu trúc phân tán được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển quá trình. Tín hiệu đo tương tự 4-20 mA trước hết phải được chuyển đổi sang dạng số ( khâu biến đổi A/B ) trước khi được xử lý tiếp trong máy tính số. Giá trị nhiệt độ mong muốn (TSP) được người vận hành hành hoặc do một chương trình điều khiển cao cấp trên trạm . Qua so sánh giữa giá trị đo với giá trị đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính toán giá trị biến điều khiển theo một thuật toán đã được cài đặt. Ví dụ với thuật toán tỷ lệ, giá trị biến điều khiển tỷ lệ thuận với sai lệch. Giá trị này được khâu biến đổi số- tương tự (khâu D/A) chuyển thành tín hiệu điều khiển theo chuẩn dòng 4-20 mA để đưa tới van điều khiển (thiết bị chấp hành). Cuối xùng tín hiệu điều khiển được chuyển qua khâu I/P thành dạng tín tiệu khí nén 0.2-1Bar để thay đổi độ mở van cấp dòng nóng. Lưu lượng dòng nóng F1 được thay đổi và thông qua đó điều chỉnh nhiệt độ ra T với giá trị đặt TSP. Hình 1-7: Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ T Thiết bị đo F1 T1 I/P D/A Bộ điều khiển DCS A/D Trạm vận hành Tsp Bộ chuyển đổi đo Tín hiệu cặp nhiệt (mV) F2 T2 0.2-1bar Khí nén PM (4-20mA) Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.4.1. Thiết bị đo Chức năng của một thiết bị đo và cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến và chuyển đổi đo. Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. Để có thể truyền xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuyếch đại, điều hoà và chuyển sang một dạng thích hợp. Một bộ chuyển đổi đo chuẩn là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0- 20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu Bus trường…). Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế. Lưu ý rằng các thuật ngữ ‘Transmister’ hoặc ‘Transduser’ đôi khi cũng được dùng để chỉ thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả Sensor. 1.4.2. Thiết bị điều khiển Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển 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. Mặc dù các thuật ngữ ‘thiết bị điều khiển’ và ‘bộ điều khiển’ trong thực tế được sử dụng với ý nghĩa tương đồng, ở đây ta cũng cần làm rõ sự khác biệt nhỏ. Tuỳ theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (một trạm PLC- DCS). Trong phạm vi của luận văn này, khi nói về giải pháp hệ thống thì ‘thiết bị điều khiển’ và ‘bộ điều khiển’ được hiểu với nghĩa tương đương, còn khi đề cập tới các vấn đề khác thuộ toán điều khiển ta sẽ chỉ sử dụng ‘bộ điều khiển’. 1.4.3. Thiết bị chấp hành Một hệ thống thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp với biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió. Thông qua các thiết bị chấp hành mà Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. Ví dụ, tuỳ theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh được độ mở van và có thể thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh được mức độ chất lỏng trong bình. Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng. 1.5. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phân tích, thiết kế, lập trình chỉ định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ phát triển hệ thống. Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát triển hệ thống điều khiển được minh hoạ trên hình 1-8. 1.5.1. Phân tích chức năng hệ thống Quy trình thiêt kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm hiểu yêu cầu công nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa trên cơ sở phân tích các mục đích điều khiển cơ bản . Đây là một nhiệm vụ h ết sức cơ bản, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa người làm điều khiển với các nhà công nghệ. Người kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên quan mô tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trọng nhất. Công việc của người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán điều khiển, bổ sung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên các bản vẽ lưu đồ chức năng hay lưu đồ P&ID sơ lược. Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công nghệ cho mỗi bài toán điều khiển cần được cụ thể hoá thông qua các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khển cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động…. Bên cạnh đó, các điều kiện vận hành như điểm làm việc, các điều kiện biên, các chế độ vận hành và các yêu cầu về an toàn hệ thống cũng cần được làm rõ. Các biểu đồ trình tự cũng được sử dụng để biểu diễn các yêu cầu về trình tự vận hành công nghệ. u Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.5.2. Xây dựng mô hình quá trình Thiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu của người kỹ sư. Mô hình giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ, giúp ta trừu tượng hoá vấn đề và vì thế đơn giản hoá cách giải quyết. Hơn nữa mô hình quá trình không chỉ quan trọng với công việc thiết kế mà còn phục vụ việc mô phỏng và đào tạo vận hành. Việc xây dựng mô hình còn được gọi là mô hình hoá. Mô hình hoá có thể tiến hành ở nhiều mức và với nhiều hình thức khác nhau. Trong khuôn khổ của đề tài ta chỉ quan tâm tới phương pháp xây dựng mô hình toán học của quá trình tiêu biểu. Dựa trên các định luật vật lý và hoá học cơ bản hoặc dựa trên các số liệu vận hành thực nghiệm, ta tiến hành xây dựng mô hình quá trình để có được các phương trình toán học mô tả đặc tính động và đặc tính tĩnh của quá trình. Với mô hình toán học nhận được, ta cần sử dụng các công cụ phân tích và mô phỏng để tìm ra tính chất quan trọng của quá trình như mức độ tương tác nội, tính ổn định và tính điều khiển được. Đó là cơ sở của các bước thiết kế cấu trúc, sách lược và thuật toán điều chỉnh kế tiếp. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.5.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển). Thiết kế cấu trúc điều khiển chưa đi vào thuật toán điều khiển mà nhằm mục đích làm rõ về mặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống. Đây là công việc hết sức quan trọng, đòi hỏi không những nắm vững kiến thức vững chắc lý thuyết về điều khiển mà còn cả nhiều kinh nghiệm thực tế. Về mặt cấu trúc điều khiển cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập trung, cấu trúc phi tập trung hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp). Tiếp theo, ta cần lựa chọn các biến điều khiển tương ứng và các biến nhiễu và liên kết chúng lại với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điều khiển cụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ…Kết quả của công việc thiết kế sách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên cơ sở lưu đồ P&ID chi tiết. Kết quả của thiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ biểu đồ logic, trong khi kết quả của thiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đồ trình tự. Những công cụ toán học và công cụ máy tính trong lý thuyết điều khiển tự động giúp ta phân tích và đánh giá thích hợp của các sách lược điều khiển. 1.5.4. Thiết kế thuật toán điều khiển Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là v toán và các công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước: lựa chọn kiểu bộ điều khiển hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không thể tách rời bài toán phân tích hệ thống. Đặc biệt ở đây các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các công cụ máy tính có vai trò hết sức quan trọng. Song để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ thể về dạng chuẩn quen thuộc. Bên cạnh thuật toán điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệt quan tâm tới các thuậ t toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự. Kết quả của thiết kê thuật toán điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc phương trình logic , trong khi kết quả của thiết kế điều khiển trình tự là các bản vẽ Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên biểu đồ chức năng trình tự chi tiết. Vì khuôn khổ hạn chế những vấn đề này sẽ không được đề cập chi tiết hơn trong nội dung của . 1.5.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm cấu trúc giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, lựa chọn các t hiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các yêu cầu của quy trình công nghệ. C có một cái nhìn tổng quan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong phương pháp đánh giá tính năng củ a các giải pháp khác nhau. Hơn nữa trong nền tảng lý thuyết của điều khiển quá trình không thay đổi đáng kể so với cách đây 30 năm, thì công nghệ hệ thống điều khiển lại thay đổi rất nhanh chóng trong những năm gần đây. 1.5.6. Phát triển phần mềm ứng dụng Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, là phần hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần mềm có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu và thiết kế giao diện người máy. Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, công việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn hình vận hành – giám sát mới được tiến hành. Các chương trình ứng dụng được thử nghiệm từng phần trên cấu hình phần cứng thực với các đối t nghiệm ghép nối. Không quan trọng là xuất phát từ kỹ sư công nghệ, kỹ sư điều khiển, kỹ sư tự động hoá hay kỹ sư phần mềm, ở đây nhóm chuyên viên phần mềm phải nắm vững những kiến thức nền tảng của công nghệ phần mềm công nghiệp. Công nghệ phần mềm cho các hệ thống điều khiển tự động hoá cũng có thể được coi thuộc lĩnh vực công nghệ hệ thống điều khiển. Bạn đọc quan tâm sâu hơn về mảng vấn đề này có thể tham khảo. 1.5.7. Chỉ định và đưa vào vận hành Bước cuối cùng trong công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện trường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của bộ điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, từng tổ hợp công nghệ chạy thử từng phân Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên đoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy. Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đối toàn diện, kinh nghiệm dự án và sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động hoá trong nhóm chuyên gia hiện trường. Mục đích của đề tài không chỉ giúp cho các kỹ sư công nghệ cũng như các kỹ sư đo lường, điều khiển và tự động hoá nắm được những vấn đề cơ bản cho việc làm chủ các hệ thống đã được xây dựng mà còn cung cấp cho những người kỹ sư những kiến thức nền tảng để có thể tham gia cùng thực hiện các nhiệm vụ phát triển và tích hợp hệ thống mới. Phần còn lại của cuốn sách được cấu trúc phù hợp với những bước thực hiện cơ bản trong các nhiệm vụ phát triển đã phân tích trên đây. 1.6. Mô tả chức năng hệ thống Là một công việc không thể thiếu được trong thiết kế, xây dựng và phát triển một hệ thống điều khiển quá trình. Qua các tài liệu mô tả chức năng hệ thống các kỹ sư điều khiển và các nhà công nghệ có một ngôn ngữ chung để bàn bạc, trao đổi trước khi tiến hành triển khai một dự án. Cũng qua việc mô tả hệ thống, bản thân các kỹ sư điều khiển cũng đã xây dựng được các tài liệu kỹ thuật chi tiết cho việc thiết kế cấu hình phần cứng, phát triển ứng dụng điều khiển và giao diện người máy. 1.6.1. Các tài liệu mô tả đồ hoạ Các tài liệu mô tả đồ hoạ sau đây được xem như quan trọng nhất trong mỗi tập thiết kế hệ thống điều khiển quá trình: - Lưu đồ công nghệ - Lưu đồ ống dẫn và thiết bị - Sơ đồ khoá liên động - Biểu đồ trình tự Trong phạm vi luận văn này, lưu đồ P&ID được sử dụng rất nhiều cho việc mô tả các chức năng và sách lược điều khiển, vì vậy sẽ được giới thiệu sơ lược trong phần tiếp theo. Các dạng mô tả khác liên quan tới bài toán điều khiển rời rạc hoặc bài toán điều khiển trình tự. Vì khuôn khổ hạn hẹp nên không được giới thiệu trong đề tài này. 1.6.2. Lưu đồ P&ID Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lưu đồ P&ID có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc đặc tả các chức năng và thiết bị của một hệ thống điều khiển quá trình, là cơ sở cho việc phân tích và thiết kế hệ thống. Các biểu tượng lưu đồ P&ID được sử dụng tương đối thống nhất trên toàn thế giới. Hầu hết đều dựa trên hoặc giống nhiều như chuẩn DIN 19227-3 của Đức hoặc ANSI/ISA S5.1 và S5.3 của Mỹ. Giữa chuẩn DIN và chuẩn ANSI/ISA cũng không có nhiều khác biệt, ngoài một số chữ cái viết tắt và chuẩn DINcho phép sử dụng biểu tượng hình oval bên cạnh hình tròn. Chuẩn S5.1 quy định thống nhất các biểu tượng cho thiết bị, các ký hiệu cho chức năng đo lường, điều khiển và giám sát cùng các đường lối được sử dụng trong lưu đồ P&ID. Chuẩn S5.3 mở rộng S5.1 cho các chức năng trong một hệ thống điều khiển phân tán thực ra, S5.3 vẫn giữ nguyên tập hợp các biểu tượng như mở rộng và các chi tiết hoá ý nghĩa của một số biểu tượng. Nội dung cơ bản của hai chuẩn này được giới thiệu tóm tắt trong các phụ lục, phần dưới đây chỉ đưa ra một số ví dụ minh hoạ. Mỗi thiết bị hoặc chức năng của hệ thống điều khiển được biểu diễn trên lưu đồ thông qua một biểu tượng cùng với ký hiệu nhãn (tag). Một nhãn có thể bao gồm thành phần chữ biểu diễn chức năng và phần mã số phân biệt vòng kín (loop) . Trên hình 1-9 là diễn giải tóm tắt ý nghĩa các phần chữ và phần số của nhãn thiết bị qua một vài ví dụ đơn giản. Phần biểu diễn chức năng bắt đầu bằng một chữ cái ký hiệu đại lượng đo hoặc một biến khởi tạo, sau đến chữ cái ký hiệu chức năng hiển thị hoặc chức năng bị động. Tiếp nữa là các chữ cái thể hiện chức năng đầu ra theo một thứ tự tuỳ ý, trừ trường hợp chữ C phải đứng trước chữ V. Các chữ cái phụ nếu có sử dụng ngay đằng sau một chữ cái chính để thay đổi ý nghĩa chức năng, ví dụ PD biểu diễn chênh lệch áp suất, TAH biểu diễn mức cảnh báo cao của nhiệt độ. Để tránh nhầm lẫn, một chữ cái phụ cho chữ đầu không được sử dụng để biểu diễn chức năng chỉ thị, chức năng bị động hoặc chức năng đầu ra. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ví dụ chữ cái D không được sử dụng để biểu diễn bất cứ một chức năng chỉ thị, chức năng bị động hoặc chức năng đầu ra nào. Trên hình 1-10 là lưu đồ P&ID đơn giản cho ví dụ điều khiển mức chất lỏng trong bình chứa. Ký hiệu LT trong đường tròn biểu diễn chức năng đo và truyền giá trị mức, ký hiệu LIC chỉ bộ điều khiển và hiển thị mức. Hai ký hiệu LAH và LAL nằm trong hai đường tròn dính nhau chỉ chức năng cảnh báo vượt ngưỡng trên và ngưỡng dưới được thực hiện trong cùng một thiết bị. Bộ điều khiển mức nhận giá trị đo, so sánh với giá trị đặt (SP), tự động tính toán và đưa tín hiệu điều chỉnh van cấp. Tín hiệu đo mức cũng được đưa tới thiết bị cảnh báo. Đường có nét gạch chéo chỉ dạng tín hiệu chưa được đặc tả, có thể là điện, khí nén, thuỷ lực,… Hình 1-9: Diễn dải ý nghĩa nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các lưu đồ P&ID trong thực tế có thể phức tạp hoặc đơn giản tuỳ theo yêu cầu và mục đích đặt ra. Thông thường, để mô tả yêu cầu chức năng ta cần nhận dạng lưu đồ đơn giản nhất với các biểu tượng thiết bị, không cần các đường tín hiệu. Để mô tả các sách lược điều khiển ta cần dạng lưu đồ chi tiết hơn với các đường tín hiệu ghép nối giữa các thành phần chức năng. Nếu mục đích đặt ra là lựa chọn thiết bị, phát triển phần mềm, cài đặt và đưa vào vận hành thì ta sẽ cần bản lưu đồ chi tiết nhất. Hình 1-11 minh hoạ một ví dụ quá trình trao đổi nhiệt . Các chức năng hệ thống và chi tiết thực hiện đặc tả trên hình 1-11 bao gồm: - Đo và ghi lại lưu lượng dầu, sử dụng một thiết bị đo lưu lượng (FT -1), một bộ biến đổi nén-khí nén (FY-1) và một máy ghi (FR-1). - Đo và ghi lại áp suất dầu đầu vào, sử dụng một thiết bị đo áp suất (PT-2) và một máy ghi (PR-2). - Điều khiển và ghi lại nhiệt độ dầu ra khỏi thiết bị thông qua điều chỉnh dòng hơi nóng (TRC-3), sử dụng giá trị đo từ cảm biến nhiệt điện trở (RTD). - Cảnh giới trường hợp nhiệt độ dầu ra quá thấp, sử dụng cảm biến chuyển mạch (TSL-3) và cơ chế báo động (TAL-3). Hình 1-10: Lưu đồ P&ID cho điều khiển mức bình chứa Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chương 2 CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CƠ SỞ Công việc thiết kế điều khiển được tiến hành theo hai bước cơ bản là thiết kế cấu trúc điều khiển và thiết kế bộ điều khiển. Cấu trúc điều khiển hay còn gọi là sách lược điều khiển thể hiện quan hệ về vặt cấu trúc giữa các biến chủ đạo (giá trị đặt), biến đo và biến điều khiển thông qua các bộ điều khiển và các phần tử cấu hình hệ thống khác ( ví dụ các khâu tính toán, lựa chọn, bù trễ, tách kênh,…). Kết quả của công việc thiết kế cấu trúc điều khiển là bản vẽ mô tả chi tiết cấu trúc (một phần) hệ Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thống điều khiển sử dụng lưu đồ P&ID hoặc sơ đồ khối. Trên cơ sở cấu trúc điều khiển đã được thiết kế, ta mới có thể lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển và xác định các tham số của bộ điều khiển. Chương này giới thiệu các sách lược điều khiển quan trọng nhất cho mỗi hệ thống điều khiển quá trình. Hầu hết các sách lược điều khiển này đều dựa trên sự kết hợp hoặc mở rộng của hai nguyên lý điều khiển cơ bản, đó là điều khiển phản hồi và điều khiển truyền thẳng. Đặc điểm, vai trò và ứng dụng của mỗi sách lược sẽ được phân tích và làm rõ. 2.1. Điều khiển truyền thẳng 2.1.1. Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước Xét ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng hơi nước minh hoạ trên hình 2-1. Biến cần điều khiển là nhiệt độ T2 của dòng quá trình sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt. Lưu lượng hơi nước Sω là biến điều khiển, có thể thay đổi thông qua van cấp. Lưu lượng Pω và nhiệt độ vào T1 của dòng quá trình được coi là nhiễu. Nhiệt lượng sinh ra bởi qúa trình ngưng tụ hơi nước lớn hơn nhiều so với nhiệt lượng giải phóng bởi chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nước vào và nước sau khi ngưng tụ. Do đó, ở trạng thái xác lập ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng: SPP TTC λωω −− )( 12 (2.1) Trong đó CP là nhiệt dung riêng của dòng quá trình và λ là hệ số nhiệt ẩn của nước. Ta cũng có thể viết: )( 12 TT CP PS −= λ ωω (2.2) Ở trạng thái xác lập ta muốn nhiệt độ ra T2 bằng giá trị đặt trước TSP, vì thế có thể sử dụng một thuật toán điều khiển đơn giản là: Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên )( 1TT C SP P PS −= λ ωω (2.3) Ý tưởng trên đây thể hiện trong sách lược điều khiển truyền thẳng minh hoạ trên hình 2-2. Lưu lượng và nhiệt độ đầu vào được các thiết bị đo (FT, TT) đưa tới bộ điều khiển nhiệt độ (TC). Dựa vào các giá trị đo này, bộ điều khiển thiết bị gia nhiệt lại tỷ lệ với độ mở van và vì thế sẽ có tác dụng điều chỉnh lại nhiệt độ ra của dòng quá trình tới gần giá trị với mong muốn. Trong ví dụ này bộ điều khiển mới còn có khả năng bù tĩnh, có nghĩa là chỉ bù ở trạng thái xác lập. Khi lưu lượng đầu vào, nhiệt độ đầu vào hoặc giá trị đặt thay đổi, nhiệt độ đầu ra chưa thể bám theo giá trị đặt ngay tức khắc. Giá trị biến điều khiển (lưu lượng hơi nước) được tính toán dựa vào các biến nhiễu (lưu lượng và nhiệt độ vào của dòng quá trình), vì thế sách lược điều khiển ở đây còn được gọi là bù nhiễu. Ta biệt rằng quá trình trao đổi nhiệt độ có quán tính rất lớn nên mỗi sự thay đổi lưu lượng hoặc nhiệt độ vào của dòng quá trình sẽ được phản ánh chậm trong thay đổi nhiệt độ ra. Vì thế, một ưu điểm quan trọng của sách lược bù nhiễu là ảnh hưởng của nhiễu quá trình được bù trước khi nó tác động tới biến cần điều khiển. Hình 2-1: Bài toán điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước TC T Nước ngưng tụ T2 Dòng quá trình wp , T1 Hơi nước ws Bộ ĐK Bộ gia nhiệt T1 T2 ws Tsp wp T T2 Hơi nước ws Dòng quá trình wp , T1 FT FT TC Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.2. Cấu trúc cơ bản và bộ điều khiển lý tưởng Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng được minh hoạ trên hình 2-3. Hai cấu hình thực hiện cụ thể được minh hoạ qua sơ đồ trên hình 2-4, trong các mô hình thông thường được đưa ra dưới dạng hàm truyền đạt. Về mặt lý thuyết, hai cấu hình có thể được coi là tương đương. Đối với cấu hình song song (Hình 2-4a), luật điều khiển được biểu diễn trên miền Laplace là: u = Kr + Kdd (2.4) Bộ điều khiển truyền thẳng Quá trình nhiễu quá trình biến cần điều khiển biến điều khiển biến chủ đạo (giá trị đặt) Hình 2-3: Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ký hiệu r biến chủ đạo, giá trị đặt G mô hình đối tượng y biến được điều khiển Gd mô hình nhiễu u biến điều khiển K khâu truyền thẳng d nhiễu quá trình Kd khâu bù nhiễu Hình 2-4: Hai cấu hình điều khiển truyền thẳng Ta có thể nhận thấy một điều thú vị là sự đối xứng giữa mô hình quá trình và bộ điều khiển. Tương ứng với hai thành phần G và Gd của mô hình quá trình bộ điều khiển truyền thẳng cũng bao gồm hai khâu là khâu truyền thẳng K và khâu bù nhiễu Gd. Khâu truyền thẳng có nhiệm vụ tạo sự cân bằng giữa hai biến cần đi ều khiển y và giá trị đặt r cho trường hợp không có nhiễu, trong khi khâu bù nhiễu có nhiệm vụ loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu quá trình đo được. Dễ thấy, để có đáp ứng lý tưởng y= r, bộ điều khiển phải có:     −= = − − )()()( )()( 1 1 sGsGsK sGsK dd (2.5) Thật vậy, giả sử hàm truyền đạt K(s)=G-1(s) khả thi, hệ thống sẽ cho đáp ứng: y = Gu+Gdd=G(Kr+Kdd)+Gdd=G(G-1r-G-1Gdd)+Gdd=r (2.6) K Gd Gd u y + + d + - G r Bộ điều khiển Quá trình a) Cấu hình song song K Kd G Gd u + + y + + d Bộ điều khiển Quá trình b) Cấu hình nối tiếp Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phần chung của khâu truyền thẳng và khâu bù nhiễu cũng chính là nghịch đảo của mô hình đối tượng. Một điều khá thú vị là mỗi bộ điều khiển lý tưởng (bộ điều khiển truyền thẳng cũng như bộ điều khiển phản hồi) thường chứa bên trong nó nghịch đảo của mô hình đối tượng. Như vậy, khi K(s)=G-1(s) tồn tại và khả thi, cấu hình thứ hai hoàn toàn tương đương với cấu hình thứ nhất. Son g nói chung cấu hình thứ nhất tổng quát hơn và dễ thực thi hơn. 2.1.3. Các tính chất của điều khiển truyền thẳng Ưu điểm quan trọng nhất của điều khiển truyền thẳng là khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu tới quá trình. Song nhược điểm lớn nhất của điều khiển truyền thẳng là cần phải biết rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu. Như ta đã thấy, khi mô hình quá trình hoàn toàn chính xác và hàm truyền đạt G-1(s) khả thi, bộ điều khiển truyền thẳng lý tưởng sẽ cho biến ra cần điều khiển y bám chặt biến chủ đạo r. Tuy nhiên mô hình đối tượng và mô hình nhiễu không bao giờ chính xác, không phải nhiễu nào cũng đo được, nên sai lệch tĩnh bao giờ cũng tồn tại. Thực tế bộ điều khiển lý tưởng bao giờ có tính khả thi. Quan trọng hơn nữa, một bộ điều khiển truyền thẳng không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định. Những vấn đề này sẽ được làm rõ dưới đây. Sai lệch mô hình Bộ điều khiển truyền thẳng bao giờ cũng được tính toán dựa trên mô hình quá trình. Một mô hình quá trình dù chi tiết và chính xác đến đâu cùng lắm cũng chỉ là xấp xỉ của đối tượng thực. Giả sử hàm truyền đạt thực của đối tượng là G* = G + ∆G, trong đó ∆G là sai lệch mô hình. Sử dụng bộ điều khiển trưyền thẳng lý tưởng, đáp ứng ra của quá trình với biến chủ đạo (giả thiết d= 0) nay trở thành: y = G*u = (G +∆G)G-1r = r + ∆G.G-1r (2.7) Sai lệch điều khiển e = ∆G.G-1r tỷ lệ với giá trị đặt và sai lệch mô hình. Tương tự như vậy, giả sử hàm truyền đạt thực từ nhiễu tới đầu ra là: Gd* = Gd+∆Gd đáp ứng ra của quá trình sẽ là: y = GG-1 (r-Gdd)+(Gd+∆Gd)d = r + ∆Gdd (2.8) Nhiễu không được đo Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong bất kỳ một quá trình nào cũng tồn tại nhiều nguồn nhiễu. Ngay trong lúc xây dựng mô hình ta đã thường đưa ra một số giả thiết đơn giản hoá. Những yếu tố đã bỏ qua cùng với sai số của các phép đo đều được coi là nhiễu không đo được.Ví dụ trong bài toán điều khiển thiết bị gia nhiệt, các yếu tố đã được bổ qua bao gồm tổn thất nhiệt ra bên ngoài, nhiệt độ quá nhiệt của hơi nước và nhiệt độ của nước ngưng tụ; phép đo lưu lượng và đo nhiệt độ cũng được coi là không có sai số. Ngay cả khi tất cả những biến nhiễu được xét tới thì không phải mỗi biến nhiễu được đo hay không bởi vấn đề chi phí thiết bị. Ánh hưởng của chúng có thể thấy rõ qua đáp ứng đầu ra như sau: y = Gu + Gdd + Gd2d2 = r +Gd2d2 (2.9) Trong đó d2 là nhiễu không được đo; Gd2 là hàm truyền đạt từ d2 tới y. Như vậy, sai lệch điều khiển sẽ luôn luôn tồn tại ngay cả khi G và Gd đều là chính xác. Tồi tệ hơn nữa, nếu Gd2 không ổn định thì toàn hệ thống cũng sẽ mất ổn định. Tính chất này cũng là tổng quát cho mọi bộ điều khiển truyền thẳng chứ không phải cho riêng dạng lý tưởng. Tính khả thi của bộ điều khiển lý tưởng Đối với các quá trình thực, hàm truyền đạt lý tưởng K(s)=G-1(s) sẽ không có tính nhân-quả vì hai lý do sau đây: - Quá trình chứa thành phần trễ (trong thực tế khó tránh khỏi) - G(s) luôn là một hàm truyền đạt hợp thức chặt, tức bấc đa thức tử số nhó hơn đa thức mẫu số. Ví dụ, với mô hình đối tượng se ss ssG − +− + = 21 1)( Bộ điều khiển lý tưởng sẽ chứa khâu phi nhân-quả se s sssK + +− = 1 1)( 2 buộc ta phải sử dụng một thuật toán xấp xỉ mới có thể thực thi. Phương pháp đơn giản nhất là chọn K= G-1(0), bộ điều khiển sẽ trở thành một khâu bù tĩnh. Khi đó ta chỉ có thể quan tâm tới quan hệ giữa các đại lượng ở trạng thái xác lập, hay nói cách khác là chỉ xét tới đặc tính tĩnh mà bỏ qua đặc tính quá độ của quá trình. Trong ví dụ trên K sẽ được chọn bằng 1. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Một cách giải quyết hay hơn là khi tiến hành xấp xỉ, ta biểu diễn bộ điều khiển truyền thẳng dưới dạng song song như trên hình 2-4a : U= G-1r – G-1Gdd (2.10) Trong đó: ur=G-1r , ud=G-1Gdd Luật điều khiển được chia thành hai thành phần: Bù giá tri dặt ur và bù nhiễu ud. Như vậy, mặc dù G-1 không có tính nhân quả, rất có thể G-1Gdd lại có tính nhân quả và không cần xấp xỉ. Khi đó ta có một khâu bù nhiễu động thực sự, với điều kiện trong phép nhân G-1Gdd không xảy ra triệt tiêu các điểm cực k việc thực hiện xấp xỉ G-1Gdd ở đây cũng mang lại độ chính xác cao hơn cho thành phần bù nhiễu. Riêng với thành phần bù giá trị đặt, ngay cả khi G-1 không có tính nhân quả thì thuật toán vẫn có thể cài đặt trên máy tính nếu quỹ đạo đặt r biết trước. Trong trường hợp tổng quát quỹ đạo đặt r chưa thể biết trước thì việc xấp xỉ G-1 thành mộ thành phần bù giá trị đặt. Tính ổn định của bộ điều khiển lý tưởng Một trường hợp ta cần đặc biệt lưu tâm là khi đối tượng có đặc tính đáp ứng ngược, tức là khi G có điểm không nằm bên phải trục ảo. Những điểm không này sẽ trở thành điểm cực không ổn định của khâu nghịch đảo G-1. Khi đó bộ điều khiển lý tưởng ngay cả thực thi được thì tính ổn định nội của hệ thông không còn được đảm bảo. Để biến cần điều khiển bám theo gia trị đặt, tín hiệu điều khiển sẽ phải liên tục tăng hoặc giảm không có giới hạn, không thể chấp nhận được trong thực tế. Nhưng nếu sử dụng một khâu hạn chế tín hiệu điều khiển thì bộ điều khiển thực ra không còn là lý tưởng và chất lượng cũng sẽ hoàn toàn không như mong đợi. Cách khắc phục duy nhất ở đây là xấp xỉ bộ điều khiển về một khâu ổn định, ví dụ một khâu bù tĩnh như đã nói ở trên. Ví dụ 2-1: Cho hàm truyền đạt của đối tượng s ssG + − = 1 1)( (2.11) ta sẽ có s ssGsK − + = − 1 1)()( 1 (2.12) Trên hình 2-5 là đồ thị đặc tính điều khiển với thay đổi giá trị đặt t= 5s cho trường hợp: i) Sử dụng bộ điều khiển không ổn định (5.12), ii) Sử dụng bộ điều khiển (5.12) nhưng với khâu hạn chế [ -1 1] và iii)sử dụng khâu bù tĩnh Gr= 1. Có thể thấy , chỉ Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên khâu bù tĩnh tạm chấp nhận được. Đường đặc tính tín hiệu điều khiển cho đã mất ổn định nội ngay cả khi sử dụng một khâu hạn chế tín hiệu cho bộ điều khiển không ổn định, giá trị biến cần điều khiển thậm chí hoàn toàn ngược dấu với giá trị đặt. Đối tượng không ổn định Một bộ điều khiển truyền thẳng không có khả năng ổn định một quả trình không ổn định. Ngay cả khi tồn tại bộ điều khiển lý tưởng với hàm truyền đạt G-1(s) khả thi thì cũng chỉ có tác dụng triệt tiêu điểm cực không ổn định của G(s), nhưng không vì thế mà đảm bảo được tính ổn định nội của hệ thống. Chỉ cần nhiễu đầu vào là du rất nhỏ cũng đủ làm đáp ứng đầu ra tiến tới vô cùng: y = G(u+du) + Gdd = Gdu (2.13) Ta xét tiếp ví dụ điều khiển bình mức minh hoạ trên hình 2 -6. Thoạt đầu có thể thấy rằng chỉ cần duy trì lưu lượng vào đúng bằng lưu lượng ra thì mức chất lỏng sẽ được giữ cố định trong bình. Tuy nhiên, tác động của nhiễu có thể sẽ làm cho sách lược này không đạt được mục đích như mong muốn. Ví dụ, chỉ cần bất cứ một nguyên nhân nào sau đây như cảm biến đo lưu lượng ra có sai số dù nhỏ, van điều chỉnh lưu lượng vào không có đặc tính lý tưởng hay áp suất dòng chảy vào thay đổi đều dẫn đến việc tràn bình hoặc cạn bình sau một thời gian ngắn. Bản chất của vấn đề ở đây nằm ở chỗ, quá trình bình mức là một khâu tích phân (không có tính tự cân bằng), trong khi điều khiển truyền thẳng không làm thay đổi tính ổn định của hệ thống. Một sai lêch nhỏ trong mô Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hình hoặc một tác động nhỏ của nhiễu không những gây mất cân bằng. 2.2. Điều khiển phản hồi Điều khiển phản hồi (feedback control) dựa trên nguyên tắc liên tục đo ( hoặc quan sát) giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển. Vì cấu trúc khép kín này, sách lược điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín ( closed-loop control). Trong các sách lược điều khiển, điều khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng hàng đầu. Điều khiển phản hồi được sử dụng gần như trong tất cả các hệ thống điều khiển tự động. 2.2.1. Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước Hình 2-7 minh hoạ sách lược điều khiển phản hồi cho thiết bị gia nhiệt hơi nước trên lưu đồ P&ID (a) và trên sơ đồ khối (b). Nhiệt độ ra của dòng qúa trình được thiết bị đo và chuyển đổi TT (temperature transmitter) đưa tới bộ điều khiển nhiệt độ TC (temperature controlled). Dựa vào sai lệch giữa giá trị đặt (SP) và nhiệt độ đo được, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu điều chỉnh độ mở van cấp hơi nước, qua đó điều chỉnh lại nhiệt độ ra. Nguyên lý điều khiển phản hồi được giải thích một cách sơ lược như sau. Giả sử vì một lý do nào đó mà nhiệt độ ra đo được nhỏ hơn giá trị đặt, ví dụ do giá trị đặt hoặc lưu lượng dòng quá trình tăng lên, bộ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển Hình 2-10: Điều khiển mức với sách lược truyền thẳng (bù nhiễu) SP LC FT Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2-7: Điều khiển phản hồi thiết bị gia nhiệt hơi nước T T2 Dòng quá trình wp , T1 Hơi nước ws T TC a) Lưu đồ P&ID Bộ ĐK Bộ gia nhiệt T1 T2 ws Tsp b) Sơ đồ khối wp tăng lưu lượng hơi nước. Thuật toán điều khiển đơn giản nhất là đưa ra tác động điều khiển tỉ lệ với sai lệch quan sát được: ws = kc(TSP – T2) (2.14) Tất nhiên, giá trị lưu lượng cần bù thêm sẽ được biểu diễn qua tín hiệu điều khiển đưa xuống van. Nhiệt độ chênh lệch càng lớn, tín hiệu điều khiển cũng càng lớn, van điều khiển mở càng nhiều và lưu lượng hơi nước sẽ càng được tăng cường. Chừng nào càng tồn tại sai lệch điều khiển thì lưu lượng hơi nước còn được thay đổi. Nhờ vậy, sau một thời gian nhiệt độ dầu ra T được đưa tới gần với giá trị đặt TSP. Trường hợp ngược lại, khi nhiệt độ dầu ra lớn hơn giá trị đặt cũng được xử lý với cùng thuật toán, không cần phân biệt. 2.2.2. Cấu trúc cơ bản Cấu trúc tổng quát của một hệ thống điều khiển phản hồi được minh hoạ trên hình 2-8. Có thể nói, hầu hết cấu hình điều khiển đều có thể đưa về dạng này, kể cả điều khiển phản hồi trạng thái, điều khiển thích nghi và điều khiển dự báo theo mô hình. Hai cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng được minh họa trên hình 2-9. G K z w u y Ký hiệu G mô hình quá trình tổng quát K bộ điều khiển tổng quát w các đầu vào quá trình ( gồm cả nhiễu đo) z các đầu ra cần được kiểm soát y các đầu vào bộ biến đổi u các tín hiệu điều khiển Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong cấu hình điều khiển một bậc tự do, bộ điều khiển thực hiện luật điều khiển dựa trên sai lệch giữa giá trị quan sát được của biến được điều khiển với giá trị đặt. Ví dụ, luật tỉ lệ trong thuật toán PID đưa ra giá trị biến tỉ lệ với sai lệch điều khiển, luật tích phân dựa trên giá trị tích phân và luật vi phân dựa trên đạo hàm của sai lệch điều khiển. Bộ điều khiển chỉ tính toán sai lệch đầu ra của nó dựa theo sai lệch, không phân biệt sai lệch đó là do nhiễu quá trình hay do giá trị đặt gây ra. Nói cách khác, tronh hầu hết trường hợp ta khó có thể chỉnh định bộ điều khiển để thoả mãn đồng thời yêu cầu đáp ứng bám giá trị đặt và đáp ứng loại bỏ nhiễu. Vấn đề này sẽ được phân tích sâu hơn sau này. Với cấu hình hai bậc tự do, bộ điều khiển chứa hai khâu tương ứng với hai đầu vào, có thể chỉnh định một cách độc lập để đưa ra đáp ứng các yêu cầu riêng về bám Quá trình Quá trình ym ym Ký hiệu r biến chủ đạo, giá trị đặt G mô hình đối tượng y biến được điều khiển Gd mô hình nhiễu u biến điều khiển K khâu điều chỉnh d nhiễu quá trình Kd khâu truyền thẳng n nhiễu đo ym giá trị đo được Hình 2-9: Hai cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên giá trị đặt cũng như loại bỏ nhiễu. Về bản chất, cấu hình điều khiển hai bậc tự do chính là một sự kết hợp của điều khiển phản hồi với điều khiển truyền thẳng, như ta sẽ có dịp đề cập kỹ hơn trong những phần sau. Đại đa số các bộ điều khiển công nghiệp đều cho phép lựa chọn cấu hình hai bậc tự do. 2.2.3 Vai trò của điều khiển phản hồi Một câu hỏi được đặt ra thường xuyên là điều khiển phản hồi có vai trò quan trọng như thế nào trong các hệ thống điều khiển quá trình nói riêng và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung. Có thể trả lời ngay rằng điều khiển phản hồi là sách lược điều khiển cơ bản nhất, không thể thay thế trong hầu hết các hệ thống điều khiển. Những lý luận dưới đây ta sẽ làm rõ điều này. Để đơn giản, ta xét cấu hình điều khiển một bậc tự do minh hoạ trên hình 2-9a. Đáp ứng đầu ra của hệ được biểu diễn trên miền Laplace như sau: y(s) = G(s)u(s) + Gd(s)d(s) = G(s)K(s)(r(s)-y(s)-n(s)) +Gd(s)d(s) hay là (1+G(s)K(s))y(s) = G(s)K(s)(r(s)-n(s)) + Gd(s)d(s) Bỏ qua ký hiệu biến phức s cho dễ nhìn, cuối cùng ta có thể viết dG GK GKnr GK GKy d+ +− + = 1 )( 1 (2.15) Biểu thức (2.15) thể hiện mối quan hệ quan trọng nhất trong mỗi hệ thống điều khiển phản hồi. Biểu thức này sẽ được sử dụng trong các phân tích dưới đây cũng như trong nhiều phân tích dưới này. Ổ định hệ kín Vai trò ổn định hệ kín của điều khiển phản hồi được minh hoạ một cách đơn giản nhất qua ví dụ điều khiển mức bình chứa ( hình 2-10). Thiết bị đo LT (Level transmitter) có nhiệm vụ đo mức trong bình chứa, chuyển thành một tín hiệu chuẩn và truyền về bộ điều khiển. Bộ điều khiển mức LC (Level controller) So sánh giá trị đo được với giá trị đặt mong muốn (hSP) và tính toán đầu ra tỉ lệ với trị sai lệch này. Tín hiệu điều khiển được đưa tới van điều khiển để thay đổi độ mở van tỉ lệ theo sai lệch. Nếu giá trị mức đo được thấp hơn giá trị đặt, van sẽ mở nhiều hơn và lưu lượng vào Fi tăng lên giúp mức trong bình tăng trở lại. Thông thường, giá trị mức mong muốn ít khi thay đổi. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nếu bộ điều khiển được thiết kế tốt thì giá trị mức trong bình sẽ được duy trì trong phạm vi theo ý muốn, ngay cả khi lưu lượng ra Fo thay đổi không biết trước. Một điểm rất đáng lưu ý là ở đây bộ điều khiển phản hồi chỉ cần sử dụng thuật toán tỉ lệ rất đơn giản cũng có thể ổn định mức trong bình mà không cần bất cứ thông tin nào cũng có thể làm được. Hơn nữa, việc ổn định mức trong bình cũng không bao giờ thực hiện được bằng tay, mà chỉ có thể nờ một bộ điều khiển tự động. Như ta đã biết từ cơ sở điều khiển tự động, điều khiển ổn định của một hệ tuyến tính là toàn bộ điểm cực ảo trên mặt phẳng phức, hay nói cách khác là có phần thực âm. Từ biểu thức (2.15) ta nhận thấy đa thức đặc tính của hệ kín được quyết định bởi biểu thức 1 + GK. Giả sử G và K là các phân thức hữu tỷ: , )( )()( sA sBsG = )( )( )( sA sB sK c c= Ta sẽ có: cBBA A GK + = + c c A A 1 1 (2.16) Đa thức mẫu số trong (2.16) chính là đa thức đặc tính của hệ kín. Như vậy nếu K được tính toán thích hợp sẽ có tác dụng rời toàn bộ các điểm cực không ổn định (nếu có) của G sang bên trái trục ảo và qua đó ổn định hệ kín. thật ra, điều khiển phản hồi là cách duy nhất để ổn định một quá trình không ổn định. Loại bỏ nhiễu bất định Fi Fo h LT LIT hSP Hình 2-10: Điều khiển mức với sách lược phản hồi Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Biểu thức (2.15) thể hiện rõ rằng, bộ điều khiển phản hồi có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của nhiễu d đi với hệ số (1+GK). Như vậy, chỉ cần K rất lớn thì ảnh hưởng của nhiễu quá trình sẽ trở nên không đáng kể, không phụ thuộc vào việc nhiễu quá trình có đo được hay không cũng như mô hình nhiễu Gd có biết trước hay không. Trong trường hợp tín hiệu đặt dạng bậc thang, muốn triệt tiêu sai lệch bám ở trạng thái xác lập ta chỉ cần đặc tính biên độ )()( ωω jKjG lớn vô cùng tại tần số ω =0. Bền vững với sai lệch mô hình Ký hiệu hàm truyền đạt của hệ kín là: GK GKT + = 1 Giả sử mô hình đối tượng G có sai lệch cộng G∆ dẫn tới sai lệch cộng của hàm truyền đạt hệ kín T∆ , ta có thể viết: SGKT G GK K dGT dTG GdG TdT GG TTLim G ∆ →∆ = + = + === ∆ ∆ 1 1. )1(/ / / / 20 (2.17) Biểu thức (2.17) nói lên rằng, chỉ cần S rất nhỏ thì sai lệch trong mô hình đối tượng sẽ ảnh hưởng rất ít tới hàm truyền đạt hệ kín. Nói cách khác, nếu được thiết kế tốt thì ngay cả tồn tại sai lệch mô hình ở một mức độ nào đó, bộ điều khiển phản hồi vẫn có khả năng triệt tiêu sai lệch điều khiển. Điều này hoàn toàn không thể có được với các sách lược điều khiển khác. Ví dụ 2 -2: Xét ví dụ điều khiển mức bình chứa (hình 2 -10). Ta biết rằng quá trình mức là một khâu tích phân, mô hình của nó được thể hiện qua phương trình vi phân: ).(1 0FFAdt dh i −= (2.18) Đặt các biến chênh lệch chuẩn hoá y = ( /)hh − hmax, u= )( ii FF − /Fmax, d= )( 00 FF − /Fmax Bỏ qua động học của thiết bị đo mức và của van điều khiển, ta có các hàm truyền đạt: G(s)= )( 1 )( )( ssu sy τ = Gd(s)= )()( )( sG sd sy −= (2.19) Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong đó: hằng số thời gian: τ = Ahmax/Fmax. Cho các số liệu: A = 1m2, hmax = 1m và Fmax = 1 l/s, Ta có: τ =1000 s. Quá trình mức có thể được ổn định bằng một điều khiển P đơn giản, u = kc(r-y) với mỗi hệ số khuyếch đại kc >0. Thật vậy, đa thức đặc tính của hệ kín xác định theo (2.16) là kc + τ s chỉ có một nghiệm âm khi kc>0. Nói một cách khác, bộ điều khiển phản hồi đã dịch điểm cực từ s = 0 sang bên trái trục ảo và làm hệ thống trở lên ổn định. Ngay cả khi không biết chính xác về mô hình quá trình, trong thực tế người ta vẫn thường chọn giá trị kp theo kinh nghiệm. Trên hình 2-11 là đồ thị kết quả mô phỏng đáp ứng với thay đổi giá trị đặt và đáp ứng nhiễu cho ba hệ số kc khác nhau (2, 5, 10). Tại thời điểm t = 0 giá trị đặt thay đổi từ 0 lên 50% và sau đó 5 phút lại giảm xuống 0. Như ta thấy, giá trị kc càng lớn thì sai lệch điều khiển càng nhỏ, đầu ra càng bám nhanh giá trị đặt cũng như ảnh hưởng của nhiễu càng nhanh chóng được loại bỏ. Tuy nhiên, trong thực tế ta cũng cần để ý tới giới hạn của tín hiệu điều khiển. Trong trường hợp mô hình đối tượng không chính xác, ví dụ hằng số thời gian T thực lớn gấp đôi giá trị tính toán, thì chất lượng điều khiển cũng chỉ xấu đi tương đương với trường hợp giảm hệ số khuyếch đại kc xuống còn một nửa (ví dụ từ 10 xuống 5). Tóm lại, ba lý do cơ bản dẫn đến vai trò không thể thiếu được của sách lược điều khiển phản hồi là: 1. Một quá trình không ổn định chỉ có thể ổn định (hoá) bằng điều khiển phản hồi nhằm dịch các điểm cực sang nửa bên trái của mặt phẳng phức. Hình 2-11: Mô phỏng điều khiển mức với các hệ số kc khác nhau ( kc = 2, kc = 5, kc = 10 ) Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2. Khi nhiễu không đo được hoặc mô hình nhiễu bất định thì ảnh hưởng của nó chỉ có thể triệt tiêu thông qua nguyên lý phản hồi. 3. Mô hình đối tượng không chính xác, do vậy việc hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển chỉ có thể thông qua quan sát diễn biến đầu ra. 2.2.4. Các vấn đề của điều khiển phản hồi Mặc dù là nền tảng của điều khiển quá trình điều khiển phản hồi không phải không có những hạn chế. Thứ nhất, ổn định hệ thống là vấn đề riêng của điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển phản hồi có thể ổn định một đối tượng không ổn định, song một vòng điều khiển kín chứa một đối tượng ổn định cũng có thể trở lên mất ổn định. Trong biểu thức dẫn dắt ở (2.16), đa thức đặc tính AAc + BBc rất có thể chứa nghiệm nằm trên hoặc bên phải trục ảo. Nếu bộ điều khiển không được thiết kế cẩn thận, nhất là khi mô hình quá trình kém chính xác hoặc bản thân đặc tính động học của quá trình thay đổi theo thời gian hệ thống dễ dàng đi tới mất ổn định. Thứ hai, để đạt được chất lượng điều khiển phản hồi tốt thì phép đo đại lượng phản hồi phải có độ chính xác cần thiết. Bản thân các cảm biến cũng chịu tác động của nhiễu đo. Một khi các giá trị đo có sai số lớn thì chất lượng điều khiển không còn được đảm bảo nếu như không có các thuật toán lọc nhiễu thích hợp. Từ đáp ứng ra trong (2.15), sai lệch điều khiển được xác định là: e = r – y = Sr - SGdd + Tn (2.20) Để đạt được chất lượng điều khiển hoàn hảo, ta muốn có e = 0 trong mọi trường hợp. Như vậy có nghĩa là cả S và T đều phải đồng thời thời xấp xỉ 0. Nhưng điều đó không bao giờ đạt được bởi quan hệ ràng buộc S + T = 1. May mắn là trong thực tế dải tần của tín hiệu nhiễu đo n thường cao hơn so với dải tần của biến chủ đạo r và nhiễu quá trình d. Vì vậy một trong những nguyên tắc cơ bản của thiết kế điều khiển phản hồi là làm cho 0)( ≈ωjS trong phạm vi tần số cao chịu ảnh hưởng của nhiễu đo và 0)( ≈ωjT trong phạm vi tần số thấp chịu ảnh hưởng của của biến chủ đạo và nhiễu quá trình. Tuy nhiên, việc lựa chọn các dải tần số phù hợp cho một ứng dụng cụ thể không phải bao giờ cũng hiển nhiên. Thứ ba, mặc dù điều khiển phản hồi đã dung sai với sai lệch mô hình ở một mức độ nào đó, nó không thể giải quyết hoàn toàn được vấn đề này. Thực ra khó mà có một bộ điều khiển tốt nếu không có một mô hình tốt, nhất là với những quá trình phức tạp. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong phần trên đây ta đã lấy một ví dụ điều khiển tương đối đơn giản là bình mức. Nhưng thật ra ngay cả trong ví dụ này một số yếu tố cũng đã bị bỏ qua, ví dụ động học của thiết bị đo và của van điều khiển. Thứ tư, bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phản ứng, có nghĩa là chỉ khi ảnh hưởng của nhiễu đã thể hiện rõ trong giá trị biến được điều khiển thì nó mới tác động trở lại. Nhiều quá trình có đặc tính động học chậm (ví dụ các quá trình nhiệt, quá trình chuyển khối hoặc quá trình phản ứng), ảnh hưởng của nhiễu chỉ sau một thời gian khá lớn mới có thể quan sát được. Như vậy, trước khi bộ điều khiển kịp đưa ra tác động điều chỉnh thì chất lượng sản phẩm đã bị ảnh hưởng rồi. Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách kết hợp điều khiển phản hồi với bù nhiễu. 2.2.5. Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng Điều khiển phản hồi và điều khiển truyền thẳng cũng có thể được phối hợp để tận dụng những ưu điểm và khắc phục những nhược điểm của mỗi sách lược. Các cấu hình điều khiển mức và điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng phương pháp kết hợp được minh hoạ trên hình 2-12. Ví dụ trong bài toán điều khiển mức, đầu ra của bộ điều khiển phản hồi LC được cộng với tín hiệu đo lưu lượng dòng ra, trước khi đưa xuống van điều chỉnh dòng cấp. Trong khi đầu ra từ bộ điều khiển phản hồi có vai trò ổn định hệ thống và triệt tiêu sai lệch tĩnh thì thành phần bù nhiễu giúp hệ đáp ứng nhanh hơn với lưu lượng dòng ra thay đổi. Trong cấu hình điều khiển thiết bị gia nhiệt, thành phần bù nhiễu có vai trò đặc biệt quan trọng bởi nhiễu quá trình (lưu lượng và nhiệt độ dầu vào) ảnh hưởng tới nhiệt độ dầu ra rất chậm, điều khiển phản hồi thuần tuý khó cho chất lượng tốt. T T2 Dòng quá trình wp , T1 Hơi ws FT TT TC Tsp TT + FT LT LC ∑ + Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng cũng có thể thực hiện dưới nhiều hình thức khác. Ví dụ trong điều khiển tầng (mục 2.4) bộ điều khiển vòng ngoài là một bộ điều khiển phản hồi, trong khi bộ điều khiển vòng trong có thể là một bộ điều khiển truyền thẳng. Cấu hình điều khiển phản hồi hai bậc tự do minh hoạ trên hình 2-9 cũng là một trường hợp ứng dụng kết hợp sách lược truyền thẳng, trong đó khâu truyền thẳng Kr có vai trò cải thiện tốc độ đáp ứng/ chất lượng đáp ứng của hệ thống với thay đổi giá trị đặt. 2.3. Điều khiển tỉ lệ Trong rất nhiểu ứng dụng điều khiển quá trình, giá trị của một biến cần điều khiển có quan hệ trực tiếp với tỉ lệ giữa các giá trị biến vào. Điều khiển tỷ lệ (ratio control) là duy trì tỉ lệ giữa hai biến tại một giá trị đặt nhằm gián tiếp điều khiển một biến thứ ba. Sách lược điều khiển tỉ lệ được áp dụng trong nhiều bài toán khác nhau. Ví dụ, để quá trình đốt cháy đạt được hiệu suất cao nhất, ta cần duy trì tỉ lệ giữa lưu lượng nhiên liệu và lưu lượng không khí ở một giá trị thích hợp. Cũng như vậy, nếu nhiệt độ của các dòng vào một thiết bị trao đổi nhiệt được coi là không thay đổi thì nhiệt độ ra ở trạng thái xác lập phụ thuộc chủ yếu vào tỉ lệ các lưu lượng vào. 2.3.1. Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hơi nước ở trạng thái xác lập (2.1) có thể viết lại thành: T2 = T1 + pp s Cw w λ (2.22) Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Có thể nhận thấy nhiệt độ ra phụ thuộc một cách tuyến tính vào tỉ lệ giữa biến lưu lượng. Như vậy, nếu nhiệt độ của dòng quá trình cố định thì ta có thể điều khiển tỉ lệ lưu lượng thay cho điều khiển trực tiếp biến nhiệt độ ra. Ý tưởng này được thể hiện với sách lược điều khiển tỉ lệ minh hoạ trên hình 2-14. Mục đích ở đây là duy trì tỉ lệ lương lượng hơi nước và dầu để giữ nhiệt độ dòng quá trình ra ở một giá trị mong muốn, khi nhiệt độ hơi nước đầu vào cũng như nhiệt độ dòng quá trình vào được coi là cố định và biết trước. Lưu lượng của cả hai dòng hơi nước và dòng quá trình được đo. Một giá trị được đưa tới bộ điều khiển lưu lượng (SC) và một giá trị được đưa tới bộ điều khiển tỉ lệ (RC). Bộ điều khiển RC ở đay thực chất chỉ là một khâu nhân, tính toán giá trị đặt lưu lượng cho bộ điều khiển FC bằng cách nhân lưu lượng đo được với tỉ lệ đặt mong muốn. Hai bộ điều khiển RC và FC nhiều khi cũng được ghép chung trong một khối FFC duy nhất, đặc biệt khi sử dụng các thiết bị điều khiển số (DCS, PLC, PC). 2.3.2. Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ Thông thường, trong các bài toán điều khiển tỉ lệ với hai dòng đầu vào thì một dòng được coi là nhiễu và dòng thứ hai có thể can thiệp được, nhưng lưu lượng của cả hai dòng đều được đo. Trong thực tế có thể có trường hợp cả hai dòng đều có thể kiểm a) Sơ đồ thực hiện chi tiết Hình 2-14: Điều khiển tỉ lệ thiết bị gia nhiệt hơi nước b) Sơ đồ ghép chung T T2 Dòng quá trình wp , T1 Hơi nước ws FT FT FFC Rsp T T2 Dòng quá trình wp , T1 Hơi nước ws FT FT RC Rsp SP FC Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên soát được, nhưng chắc chắn ta sẽ sử dụng một bậc tự do cho bài toán điều khiển khác, như vậy với bài toán điều khiển tỉ lệ thì một dòng vẫn được coi là nhiễu. Trên cơ sở đó, sách lược điều khiển tỉ lệ có thể thực hiện với hai cấu hình như minh hoạ trên hình 2-15. Trong cấu hình (a), tỉ lệ lưu lượng của hai dòng được tính toán và đưa tới bộ điều khiển tỉ lệ RC để điều chỉnh lại lưu lượng dòng thứ hai (dòng được can thiệp). Trong trường hợp này, bộ điều khiển đóng vai trò là một bộ điều khiển phản hồi, với giá trị phản là tỉ lệ thực quan sát được và giá trị đặt (SP) là tỉ lệ mong muốn. Tất nhiên, trong thực tế người ta cũng có thể kết hợp khâu chia với bộ điều khiển RC thành một bộ điều khiển tỉ lệ lưu lượng FFC duy nhất. Như vậy, biến được điều khiển ở đây là tỉ lệ lưu lượng R = u/d, trong đó u và d lần lượt là biến điều khiển (lưu lượng dòng được can thiệp) và nhiễu ( lưu lượng dòng không kiểm soát) tính bằng giá trị thực chứ không phải giá trị chênh lệch so với điểm làm việc. Có thể thấy nhược điểm của cấu hình này tính phi tuyến mạnh so với điểm làm việc. Có thể thấy nhược điểm của cấu hình này là tính phi tuyến mạnh trong quan hệ giữa biến điều khiển và biến được điều khiển. Cụ thể, hệ số khuyếch đại tĩnh của quá trình: k = du R 1 = ∂ ∂ (2.23) phụ thuộc vào giá trị nhiễu. Trong cấu hình (b), lưu lượng của dòng thứ nhất (dòng không kiểm soát) được nhân với tỉ lệ đặt mong muốn, kết quả là giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng của dòng thứ hai (dòng được can thiệp). Ở đây, biến được điều khiển và biến điều khiển cùng là lưu lượng của dòng đuợc can thiệp, vì thế ưu điểm của cấu hình này là tính tuyến tính của đối tượng. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tương tự cấu hình (a), ta cũng có thể kết hợp khâu nhân với bộ điều khiển lưu lượng thành một bộ điều khiển tỉ lệ lưu lượng FFC duy nhất. Tuy nhiên, khi đó sẽ không còn chi tiết để có thể phân biệt giữa hai trường hợp. Trong thực tế người ta chủ yếu sử dụng cấu hình tính giá trị đặt bởi việc chỉnh định các tham số cho bộ điều khiển lưu lượng là khá đơn giản. Khi cài đặt bộ điều khiển lưu lượng cho cấu hình này ta cần chọn chế độ “Giá trị đặt từ xa” (remote setpoint). Lưu ý rằng, trong cả hai cấu hình các biến điều khiển và nhiễu có giá trị thực chứ không phải giá trị chênh lệch hay giá trị đã chuẩn hoá. Vì thế, khi sử dụng các giá trị đo đã chuẩn hoá (um, dm) thì tỉ lệ dùng cho tính toán cũng phải được chỉnh thang tương ứng theo dải đo của hai lưu lượng kế. Có nghĩa là: Rm = uS . / / d SP d u m m SR Sd Su d u == (2.24) Trong đó RSP là tỉ lệ mong muốn và Sd, Su là các dải đo tương ứng với u và d. Xét về mặt nguyên lý, điều khiển tỉ lệ chính là một dạng đặc biệt của điều khiển truyền thẳng. Lưu lượng của dòng nhiễu được đo và đưa tới bộ điều khiển nhằm điều chỉnh lại lưu lượng dòng được can thiệp, thông qua đó gián tiếp duy trì chất lượng sản phẩm, hiệu suất cháy hoặc nhiệt độ đầu ra quá trình. Tuy nhiên, bài toán điều khiển đặt ra ở đây có thể khác. Trong ví dụ minh hoạ trên hình 2-14, giá trị đặt của bộ điều khiển RC là tỉ lệ mong muốn giữa hai giá trị lưu lượng chứ không phải nhiệt độ đầu ra mong a) Tính tỉ lệ thực Hình 2-15: Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ b) Tính giá trị đặt Dòng được can thiệp Rm FC 1-2 FT 1-1 RC 1 ÷ Dòng không kiểm soát um dm Tỉ lệ thực Tỉ lệ đặt Rsp Dòng được can thiệp FC 1-2 FT 1-1 RC 1 x Dòng không kiểm soát um Tỉ lệ đặt usp Rsp Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên muốn. Từ lưu đồ P&ID trên hình 2-14 ta không thể suy diễn một cách chắc chắn rằng mục đích điều khiển ở đây là nhiệt độ bởi không có bộ điều khiển nào có ký hiệu tương ứng. 2.3.3. Bản chất và ý nghĩa của điều khiển tỉ lệ Để nghiên cứu sâu hơn bản chất và ý nghĩa của sách lược điều khiển tỉ lệ, ta xét hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu minh hoạ trện hình 2-15a. Đây là một quá trình hai vào– hai ra với hai biến cần điều khiển là nhiệt độ ra T và lưu lượng ra w. Bài toán đặt ra ở đây là lựa chọn các vị trí đặt thiết bị đo và thiết kế sách lược điều khiển sao cho đơn giản và hợp lý nhất. Giả sử hai dòng chảy cùng chất (để coi nhiệt dung riêng giống nhau) và bỏ qua trễ vận chuyển, ta có các phương trình mô hình như sau: w = w1 + w2 wT = w1T1 + w2T2 (2.23) Mô hình thể hiện tính tương tác cao giữa các biến quá trình. Cụ thể, thay đổi w1 hoặc w2 đều ảnh hưởng tới cả w và T. Nếu chênh lệch giữa T1 và T2 so với T không khác nhau nhiều thì mức độ ảnh hưởng của w1 và w2 tới các biến ra cũng tương đương. Như vậy, nếu sử dụng cấu trúc điều khiển vòng đơn thì việc lựa chọn cặp đôi các biến vào– ra sẽ gặp khó khăn. Hơn nữa, phương trình thứ hai trong (2.23) thể hiện quan hệ phi tuyến mạnh, cấu trúc điều khiển phản hồi tuyến tính thông thường khó mang lại chất lượng cao. a) Bài toán điều khiển Hình 2-15: Điều khiển hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu b) Sách lược điều khiển w2 , T2 w1, T1 w,T wsp FT RC w2 , T2 FFC ∑ FT ysp w,T + - Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Một giải pháp đơn giản và hiệu quả là chọn một biến dẫn xuất là biến được điều khiển thay cho nhiệt độ T. Cụ thể, nếu ta chọn y = w1/w2, quan hệ giữa T và y sẽ là tuyến tính: T = yT1 + (1-y)T2 = T2 + y(T1 – T2) (2.24) Bài toán điều khiển nhiệt độ được chuyển thành bài toán điều khiển tỉ lệ (lưu lượng). Nếu coi T1 và T2 là cố định và biết trước (hoặc đo được), ta dễ dàng xác định giá trị đặt cho y với công thức: ysp = 21 2 TT TTsp − − (2.25) Các phương trình mô hình được viết lại như sau: w = w1 + w2 (2.26) y = w1/w (2.27) Bài toán điều khiển quá trình hai vào – hai ra nay được tách thành hai bài toán điều khiển quá trình đơn biến có mô hình (2.26) và (2.27). Bài toán thứ nhất là điều khiển lưu lượng với biến được điều khiển là w, biến điều khiển là w2, còn w1 được coi là nhiễu. Sách lược điều khiển phản hồi kết hợp bù nhiễu ở đay là hoàn toàn hợp lý. Bài toán thứ hai là điều khiển tỉ lệ lưu lượng, biến được điều khiển là y, biến điều khiển là w1 và nhiễu là w. Chỉ cần hai biến nhiễu đều được đo và bù hợp lý thì giữa hai vòng điều khiển không còn tương tác. Cấu trúc điều khiển cho toàn quá trình được minh hoạ trên hình 2-15b. Lưu ý rằng, bộ điều khiển tỉ lệ lưu lượng FFC là một bộ điều khiển chứa thành phần phi tuyến bên trong. Tóm lại, nếu nhìn nhận một cách tổng thể theo mục đích điều khiển thì điều khiển tỉ lệ là một trường hợp đặc biệt của điều khiển truyền thẳng, trong đó các biến nhiễu được đo và bù theo nguyên tắc tỉ lệ. Quan hệ giữa biến được điều khiển (tỉ lệ) và biến cần điều khiển (nhiệt độ, nồng độ...) thường là tuyến tính, ít nhất cũng tuyến tính ở trạng thái xác lập. Hai ý nghĩa quan trong của điều khiển tỉ lệ là: • Giúp giải quyết hiệu quả một lớp các bài toán phi tuyến, thay vì phải tuyến tính hoá xấp xỉ mô hình hoặc sử dụng các phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến phức tạp. Thực chất, mỗi bộ điều khiển tỉ lệ là một bộ điều khiển phi tuyến đơn giản Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên • Trong nhiều trường hợp, giúp cho việc thiết kế cấu trúc điều khiển đơn biến cho một quá trình đa biến được đơn giản hơn, trong đó sự tương tác chéo giữa các vòng điều khiển được giảm thiểu. Một bộ điều khiển tỉ lệ lưu lượng ghép chung (FFC) thực ra là một bộ điều khiển phi tuyến, bởi trong đó xuất hiện khâu nhân hoặc chia tín hiệu nhưng nếu chỉ phân tích bên trong một cấu hình điều khiển tỉ lệ ta lại tìm thấy nguyên lý phản hồi và bài toán điều khiển tỉ lệ cũng có thể lại được đưa về bài toán điều khiển lưu lượng. Cấu h ình tính tỉ lệ thực có ưu điểm là giá trị đặt (tỉ lệ) ít thay đổi, nhưng có nhược điểm là đối tượng vẫn phi tuyến. Cấu hình tính giá trị đặt (lưu lượng) có ưu điểm là đối tượng đơn giản, tuyến tính, nhưng cũng có nhược điểm là giá trị đặt thường thay đổi liên tục và không biết trước. 2.3.4. Điều khiển tỉ lệ kết hợp điều khiển phản hồi Trong hai cấu hình cơ bản của điều khiển tỉ lệ, thực ra ta cũng đã thấy vai trò của điều khiển phản hồi. Tuy nhiên nếu xét theo mục đích điều khiển chính thì điều khiển tỉ lệ vẫn chỉ là một dạng của điều khiển truyền thẳng. Trong tất cả các ví dụ đã phân tích, không có biến cần điều khiển nào (nhiệt độ, thành phần) được đo và so sánh với giá trị đặt. Các yếu tố nhiễu khác cũng không được xét tới. Vì thế, điều khiển tỉ lệ thuần tuý khó có thể cho chất lượng điều khiển cao. Ví dụ trong bài toán điều khiển thiết bị gia nhiệt, nếu nhiệt độ hơi quá nhiệt hoặc nhiệt độ dầu vào không cố định thì nhiệt độ dầu ra khỏi thiết bị gia nhiệt cũng sẽ không đạt được giá trị mong muốn. Hình 2-16: Điều khiển tỉ lệ kết hợp điều khiển phản hồi x1 w1 w2 x2 x xsp AT FFC FT AC FT Rsp Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Một giải pháp rất có ý nghĩa thực tế là giá trị đặt tỉ lệ được tính toán và điều chỉnh thường xuyên bởi một bộ điều khiển phản hồi. Hình 2-16 minh hoạ cấu hình kết hợp giữa điều khiển tỉ lệ và điều khiển phản hồi cho bài toán thiết bị khuấy trộn. Yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất tới chất lượng sản phẩm là tỉ lệ lưu lượng hai dòng nguyên liệu đã được bộ điều khiển FFC kiểm soát. Bộ điều khiển thành phần AC có vai trò điều chỉnh tỉ lệ đặt trong trường hợp thành phần các dòng nguyên liệu thay đổi làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Nếu ta chọn biến điều khiển cho vòng điều khiển thành phần là tỉ lệ w1/(w1+w2), mô hình đối tượng cho bộ điều khiển AC sẽ trở thành xác lập tuyến tính. Vì thế, ta có thể sử dụng các bộ điều khiển tuyến tính quen thuộc như PID cho vòng điều khiển thành phần. Thông thường, thành phần nguyên liệu nếu có thay đổi thì cũng khá chậm, nên bộ điều khiển AC cũng không cần đáp ứng nhanh và có thể chấp nhận quán tính lớn của thiết bị phân tích thành phần AT. Sách lược điều khiển này cũng chính là một dạng của điều khiển tầng sẽ được phân tích kỹ hơn trong phần sau. 2.4. Điều khiển tầng Một trong những vấn đề của điều khiển phản hồi đã được phân tích là nhiều khi ảnh hưởng của nhiễu quá trình tới biến đầu ra cần điều khiển chậm được phát hiện. Điều này có thể nằm ở bản chất của quá trình (như quá trình trao đổi nhiệt, quá trình phản ứng, quá trình bay hơi,...), nhưng cũng có thể do phép đo một số biến quá trình như đo nhiệt độ và đo nồng độ không thể thực hiện được nhanh. Ví dụ, trong một tháp chưng luyện thì việc thay đổi lưu lượng hoặc thành phần cấp liệu ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng sản phẩm chưng luyện, nhưng phải sau một thời gian khá dài thì ảnh hưởng này mới quan sát được. Vì thế, các vòng điều khiển phản hồi đơn khó đảm bảo tốc độ đáp ứng nhanh cũng như độ quá điều chỉnh nhỏ. Bên cạnh đó, thiết bị chấp hành cũng là một khâu trong hệ kín mà tốc độ can thiệp và độ chính xác của nó ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của vòng điều khiển. Ví dụ, một van điều khiển nhận được tín hiệu từ bộ điều khiển yêu cầu mở van 50% tương ứng với 50% lưu lượng chất lỏng qua đó nhưng thực sự van có mở được chính xác 50% hay không, hoặc ngay cả khi mở chính xác 50% thì lưu lượng qua đó có tỉ lệ tuyến tính với độ mở van hay không lại là một vấn đề khác. Luận văn thạc sĩ Học viên: Dương Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Điều khiển tầng (cascade control) Là một cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn, được sử dụng nhằm khắc phục những vấn đề nêu trên. Điều khiển tầng giúp loại bỏ ảnh hưởng của một số dạng nhiễu và cải thiện rõ rệt đặc tính động học của hệ thống. Tư tưởng chính của điều khiển tầng là phân cấp điều khiển nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi nó phát sinh. Phải nói rằng, hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình đều sử dụng cấu trúc điều khiển tầng. Trong rất nhiều trường hợp, cấu trúc điều khiển tầng cũng cho phép kết hợp sử dụng nhiều sách lược điều khiển khác nhau, ví dụ kết hợp điều khiển phản hồi và điều khiển tỉ lệ. 2.4.1. Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước Quay lại ví dụ điều khiển phản hồi thiết bị gia nhiệt hơi nước (xem hình 2-7). Bình thường độ mở van điều khiển lưu lượng hơi nước được quyết định bởi tín hiệu ra từ bộ điều khiển, nhưng cũng còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như đặc tính của cơ chế chấp