- Là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình cần thiết phải điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị cài đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo.. B
Trang 1Chương I: KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH:
1.1 Khái niệm Điều khiển quá trình:
Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường
1.2 Phân loại quá trình:
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau Các phân biệt thứ nhất là dựa trên 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 được gọi là quá trình đa biến Một quá trình một vào – một ra được gọi tắt là SISO, quá trình nhiều vào – nhiều ra được gọi tắt là MIMO Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến
Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu) ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ
2 MỤC ĐÍCH VÀ CHỨC NĂNG CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH:
- Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trơn tru: Giữ cho hệ thống ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện
- Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm
- Đảm bảo hệ thống vận hành an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố
- Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nguyên nhiên liệu
- Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu của thị trường
3 CÁC BIẾN QUÁ TRÌNH:
3.1 Biến cần điều khiển (Controlled variable)
Trang 2- Là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình cần thiết phải điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị cài đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo
- Liên quan đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống và chất lượng
3.2 Biến điều khiển (Control/ Manipulated variable)
- Là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài từ đó tác động tới biến ra (biến cần điều khiển hoặc biến được điều khiển) theo mong muốn
3.3 Biến nhiễu (Disturbance/ Noise/ Exogenous)
- Là những biến vào còn lại của quá trình không can thiệp được một cách trực tiếp
hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm
3.4 Biến vào:
- Là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài của quá trình
Ví dụ: lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi cấp nhiệt,…
3.5 Biến ra:
- Là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài
Ví dụ: nồng độ và lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hoặc quá cao
Hình 1 Sơ đồ tổng quát các biến quá trình.
VÍ DỤ:
Hình 2 Bình chứa lỏng và các biến quá trình
Giả sử mục đích giữa chiều cao mức lỏng ổn định
- Biến cần điều khiển : h
Trang 3- Biến điều khiển: Fi
- Biến nhiễu: F0
4 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH: 4.1 Thiết bị đo:
- Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào
đó với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm 2 thành phần 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 đi xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp
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 Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển được xếp loại
là thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển logic hoặc thiết bị điều khiển số
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 tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp
là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió Thông qua các thiết bị chấp hành
mà thiết bị điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật Một thiết
bị chấp hành công nghiệp bao gồm 2 thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động và phần tử điều khiển Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ 5 chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng, trong khi phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển
5 ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG:
5.1 Điều khiển tự động: Được hiểu là:
- Điều khiển để khởi động quá trình (máy, thiết bị hay hệ thống)
- Điều khiển để đối tượng hoạt động bình thường
- Điều khiển để ĐIỀU CHỈNH hoặc Điều khiển để KHÔNG ĐIỀU CHỈNH
- Điều khiển để cảnh báo
- Điều khiển để bảo vệ
5.2 Điều chỉnh tự động:
Trang 4- Điều chỉnh tự động là điều khiển tự động nhằm (để) duy trì một hoặc nhiều đặc tính (một đại lượng, một thông số nào đó) của quá trình ở một giá trị cố định (không đổi hằng số) hoặc dao động trong một miền giá trị nào đó mong muốn hoặc để nó biến thiên theo một quy luật nào đó, theo một chương trình định sẵn nào đó
6 SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH:
Sách lược điều khiển (Control Strategy): nguyên tắc về mặt cấu trúc trong sử dụng thông tin về cấc biến quá trình để đưa ra tác động điều khiển
Sách lược điều khiển:
- Điều khiển đơn biến hay đa biến?
- Phối hợp sử dụng các biến vào nào và như thế nào để điều khiển những biến ra nào?
Mục tiêu cụ thể của điều khiển:
• Ổn định hệ thống
• Tốc độ đáp ứng nhanh và chất lượng đáp ứng tốt
• Giá trị biến điều khiển thay đổi chậm hoặc thay đổi ít
• Bền vững: Ổn định bền vững và chất lượng bền vững
Các vấn đề:
Nhiều quá trình phức tạp, khó điều khiển (tương tác nhiều chiều, hệ pha không cực tiểu, giới hạn về giá trị và tốc độ thay đổi của biến điều khiển, giới hạn về phạm vi thay đổi cho phép của biến được điều khiển,…)
Mô hình khó xây dựng chính xác
Nhiễu khó đo, khó biết trước
Khả năng thực thi, cài đặt luật điều khiển có giới hạn
Trình độ hiểu biết của kỹ sư vận hành về lý thuyết điều khiển hạn chế
6.1 Sách lược điều khiển kiểu truyền thẳng (Feedforward control)
- Là sách lược mà ở đó một bộ điều khiển tiếp nhận tín hiệu của biến vào để điều khiển quá trình nhằm hy vọng đạt được biến ra nào đó cần điều khiển
Cấu trúc cơ bản:
Trang 5Hình 3: Cấu trúc cơ bản của sách lược điều khiển kiểu truyền thẳng
Ưu điểm:
- Đơn giản
- Tác động nhanh (bù nhiễu kịp thời trước khi ảnh hưởng tới đầu ra)
Hạn chế:
- Phải đặt thiết bị đo nhiễu
- Không loại trừ được ảnh hưởng của nhiễu không đo được
- Nhạy cảm với sai lệch mô hình
- Bộ điều khiển lý tưởng có thể không ổn định hoặc không thưc hiện được
- Không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định
Ứng dụng chủ yếu:
Các bài toán đơn giản, quá trình pha cực tiểu, yêu cầu chất lượng không cao Kết hợp với điều khiển phản hồi nhằm cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ kín
Trang 6Hình 4: Điều khiển quá trình trao đổi nhiệt
6.1.1 Sách lược điều khiển kiểu bù nhiễu:
- Là sách lược mà ở đó một bộ điều khiển tiếp nhận tín hiệu của những nhiễu cơ bản
để điều khiển quá trình nhằm hy vọng đạt được mục đích quá trình
- Là một dạng bản chất của điều khiển truyền thẳng
Hình 5 Sơ đồ mang tính nguyên tắc sách lược điều khiển kiểu bù nhiễu
- Mục đích: bù lại sự ảnh hưởng của nhiễu đến quá trình
6.1.2 Sách lược điều khiển kiểu tỉ lệ:
- Là một dạng đặc biệt của điều khiển truyền thẳng
Trang 7
Hình 6 Sơ đồ mang tính nguyên tắc sách lược điều khiển kiểu tỉ lệ.
6.2 Sách lược điều khiển kiểu phản hồi (Feedback control)
- Lấy tín hiệu biến ra để đưa về bộ điều khiển và không điều khiển biến nhiễu
Hình 7 Sơ đồ mang tính nguyên tắc sách lược điều khiển kiểu phản hồi.
- Ưu điểm: Chất lượng điều khiển là cao, chắn chắc đạt được chất lượng điều khiển theo mong muốn
- Nhươc điểm: tác động hơi chậm để cho nhiễu gây ảnh hưởng rồi lúc đó mới quay lại điều khiển
Trang 8
Hình 8: Điều khiển quá trình trao đổi nhiệt
• Nguyên lý điều khiển: Điều chỉnh lưu lượng hơi nóng (biến điều khiển) dựa trên sai lệch giữa nhiệt độ đầu ra (biến được điều khiển) và giá trị đặt (SP)
6.3 Sách lược điều khiển kiểu kết hợp:
Hình 9 Sơ đồ mang tính nguyên tắc sách lược điều khiển kiểu truyền thẳng
kết hợp điều khiển kiểu phản hồi.
- Ưu điểm: Chất lượng điều khiển là cao, chắn chắc đạt được chất lượng điều khiển theo mong muốn
- Nhược điểm: Thiết bị phức tạp, chi phí tốn kém