Bài tập chương 1-6 sách Cơ sở điều khiển quá trình

− Các lĩnh vựcứng dụng: Công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng.− Phân biệtđiều khiển quá trình với các lĩnh vực điều khiển khác: Điều khiển quá trình hầu như hạn chế ở ở bài toán

BÀI T ẬP MÔN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

− Các lĩnh vựcứng dụng: Công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng.

− Phân biệtđiều khiển quá trình với các lĩnh vực điều khiển khác:

Điều khiển quá trình hầu như hạn chế ở ở bài toán điều chỉnh cho các quá trình côngnghệ, không đềcập tới điều khiển bằng tay và các chức năng khác

Như vậy, khái niệm điều khiển quá trình được phân biệt với các bài toán điều khiển cónhững đặc thù khác hẳn trong tựđộng hoá xí nghiệp như điều khiển các quá trình gia công, lắpráp, điều khiển chuyển động và điều khiển công lưu Các nhà máy thuộc lĩnh vực công nghiệpkhai thác, chếbiến và năng lượng đều có quy mô sản xuất lớn và thịtrường sản phẩm rất rộng,chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất phụthuộc rất nhiều vào mực độtự động hoá, chính

vì vậy điều khiển quá trình đóng vai trò rất quan trọng

Câu 1.2 : Nêu các đặc thù của lĩnh vực điều khiển quá trình.

− Qui mô sản xuất thông thường vừa và lớn

− Yêu cầu rất cao vềđộtin cậy và tính sẵn sàng

− Các quá trình liên quan tới biến đổi năng lượng và vật chất:

 Bài toán điều chỉnh là tiêu biểu

 Các đại lượng cần điều khiển: lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, nồng độ, thành phần,

 Diễn biến tương đối chậm

 Mô hình khó xác định

 Khảnăng điều khiển hạn chế

 Khó thay đổi thiết kếcông nghệ

3

Câu 1.5 : Nêu rõ các m ục đích điều khiển và phân tích trên ví d ụ c ụ th ể:

− Đảm bảo hệthống vận hànhổn định, trơn tru: đảm bảo các điều kiện vận hànhbình thường, kéo dài tuổi thọmáy móc, vận hành thuận tiện

− Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độsản xuất theo ýmuốn, giữcác thông sốchất lượng sản phẩm biến động trong giới hạn qui định

− Đảm bảo vận hành an toàn: nhằm mục đích bảo vệcon người, máy móc, thiết bị

và môi trường

Câu 1.4 :Phân bi ệt bài toán bám và bài toán điều chỉnh:

Bài toán điều chỉnh: thiết lập hoặc duy trì đầu ra tại một giá trịđặt cho trước trong khi có tácđộng của nhiễu Sửdụng cho các điều chỉnh như: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất,…

Bài toán điều khiểm bám: bám sát theo một tín hiệu chủđạo thay đổi liên tục( biết trước hoặcchưa biết trước) Sửdụng cho các bài toán thay đổi trangthái của hệthống, thay đổi chếđộ

− Bảo vệ môi trường: Giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu

− Nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân công, nguyên liệu

và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường

− Các yêu cầu về ổn định liên quan tới:

 Nguyên lý cân bằng vật chất (trong ví dụ)

 Nguyên lý cân bằng năng lượng

 Nguyên lý cân bằng pha

 Nguyên lý cân bằng phản ứng hóa học

 Các nguyên lý động lực học của hệ thống ở trạng thái xác lập

 Chất lượng sản phẩm:

− Nồng độ của A trong sản phẩm ko chỉ cần giữ ổn định nhưng mà phải gần với chất lượng yêu cầu

5

− Đảm bảo chất lượng sản phẩm:

 Đápứng với thay đổi giá trịđặt (đápứng quá độ)

 Đápứng với tác động của nhiễu (đápứng loại nhiễu)

 Bảo vệmôi trường:

− Các dây chuyền công nghệngày nay được thiết kế với nhiều yêu cầu giảm ô nhiễm môitrường:

 Giảm nhiên liệu tiêu thụ

 Giảmsửdụng nước sạch

− Các thiết kế"recycling" tạo tính phi tuyến cao và tương tác lớn trong hệthống

− Yêu cầu cao hơn trong các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tếvềxửlý nước thải và khí thải

 Hiệu quả kinh tế:

− Các yêu cầu cụthể:

 Chất lượngổn định(nồng độA trong sản phẩm)

 Năng suất thíchứng với yêu cầu thịtrường (liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra)

 Tiêu hao năng lượng thấp (cho động cơ khuấy và cho các van điều khiển)

 Tác động điều khiển êmả, trơn tru

− Các yêu cầu cụthểcó thểmâu thuẫnnên ta có 2phương án giải quyết:

 Sửdụng các tiêu chuẩn hòa đồng => điều khiển tối ưu

 Đápứng vừa đủcác yêu cầu thiết yếu, sau đó tập trung vào các yêu cầu còn lại: ví

dụcho phép chất lượng dao động trong một phạm vi chấp nhận được đểtránh thayđổi liên tục tác động điều khiển

6

Câu 1.7 : Nêu rõ các thành phần cơ bản của một hệ điều khiển quá trình và mối liên hệ

gi ữa các thành phần với nhau:

Sơ đồ:

Câu 1.6 : Phân tích và làm rõ các ch ức năng điều khiển quá trình:

Toàn bộcác chức năng của một hệthống điều khiển quá trình có thểphân loại và sắpxếp nhằm phục vụnăm mục đích cơ bản sau đây:

- Đảm bảo vận hành hệthốngổnđịnh, trơn tru: Giữcho hệthống hoạt độngổnđịnh tại điểm làm việc cũng như chuyển chếđộmột cách trơn tru, đảm bảo cácđiều kiện theo yêu cầu của chếđộvận hành, kéo dài tuổi thọmáy móc, vận hànhthuận tiện

- Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm:Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo

kếhoạch sản xuất và duy trì các thông sốliên quan chất lượng sản phẩm trong

- Nâng cao hiệu quảkinh tế:Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trongkhi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thíchứng nhanh với yêucầu thay đổi của thịtrường

7

Thiết bịđo quá trình:

− Measurement device: Thiết bịđo, vd đo nhiệt độ, áp suất, nồng độ

− Transducer: Bộchuyển đổi theo nghĩa rộng, ví dụáp suất-dịch chuyển, dịch điện áp

chuyển-− Sensor: Cảm biến, cũng là một dạng chuyểnđổi, vd cặp nhiệt,ống venturi, siêu âm,

− Sensor element: Cảm biến, phần tửcảm biến

− Signal conditioning: Điều hòa tín hiệu

− Transmitter: Chuyển đổi tín hiệu + truyền phát tín hiệu chuẩn

Thiết bịđiều khiển:

− Control equipment: Thiết bịđiều khiển, vd PLC, IPC, Digital Controller, DCSController,

− Controller: Bộđiều khiển, có thểhiểu là:

 Cảthiết bịđiều khiển, hoặc

 Chỉriêng khối tính toán điều khiển, vd PI, PID, FLC, ON/OFF,

Câu 1.8 : Giải thích các ký hiệu trong lưu đồ:

Level transmitter Thiết bị đo giá trị mức

Flow rate transmitter Thiết bị đo giá trị lưu lượng Pressure transmitter

Thiết bị đo giá trị áp suất

Analysis transmitter Thiết bị đo trị phân tích Temperature transmitter

Thiết bị đo giá trị nhiệt độ

Flow rate convert

Bộ biến đổi lưu lượng Position switch

Công tắc hành trình

Hand switch Công tắc tay

Level indicate control

Bộ điều khiển và hiển thị

102

Bộ điều khiển nhiệt độ

vòng 102

Analysis control loop 102

Bộ điều khiển phân tích vòng

102

Ratio control loop 102

Bộ điều khiển tỉ lệ vòng

102

Quantity control loop 102

Bộ điều khiển số lượng vòng

102 Indicator

Bộ chỉ thị

Programme Indicator

Bộ chỉ thị khả trình Flow rate - Pressure

record

Bộ ghi giá trị lưu lượng và

Temperature alarm low-high

Bộ cảnh báo nhiệt độ cao –

thấp

áp suất Phần mềm máy tính điều khiển phân tích

Câu 1.9 : Vẽ phác các sơ đồ PID cho các yêu cầu:

a Điều khiển mức sử dụng tín hiệu vào/ra 4-20mA, bộ điều khiển DCS với giá trị đặt từ máy tính vận hành:

b Điều khiển và hiển thị chênh áp với tín hiệu vào ra khí nén với 1 thiết bị điều khiển đơn lẻ, ghi chép giá trị áp suất bằng 1 thiết bị riêng:

c Điều khiển và hiển thị nhiệt độ với đầu vào RTD điều ra 4-20mA đưa tới van nén khsi qua

bộ biến đổi I/P:

d Cảnh báo quá nhiệt vưới cản biến chuyển mạch tín hiệu ra logic đưa tới thiết bị báo động:

Chương 2 : Mô hình quá trình

Câu 2.1 : Nêu rõ và phân tích các m ục đích của mô hình hoá trong lĩnh vực điều khiển quá trình.

Có 4 dạng mô hình trừu tượng trong kỹthuật điều khiển:

Mặc dù cả 4 dạng mô hình nói trên đều có cai tròng quan trọng nhất định trong lĩnh vựcĐKQT, có mô hình toán học đóng vai trò then chốt trong hầu hết các nhiệm vụphát triển hệthống Trong các bước thực hiện nhiệm vụphát triển, mô hình toán học giúp các kỹsư côngnghệcũng như kỹsư điều khiển cho các mục đích:

- Hiểu rõ hơn về quátrình sẽcần phải điều khiển và vận hành

- Tối ưu hoá thiết kếcông nghệvà điều khiển vận hành hệthống

- Thiết kếsách lược và cấu trúc điều khiển

- Lựa chọn bộđiều khiển và xác định các tham sốcho bộđiều khiển

- Phân tích và kiểm chứng các kết quảthiếtkế

-Câu 2.2 : Nêu các d ạng mô tả toán h ọc thông dụng của các quá trình công nghệ.

Các mô hình toán học có thểchia làm 2 loại: mô hình liên tục và mô hình gián đoạn

− Với các mô hình liên tục: theo phương trình vi phân

 Mô hình trạng thái

 Mô hình đápứng quá độ

 Mô hình hàm truyền đạt

 Mô hình đa thức và hàm truyền đạt xung

 Mô hình hàm truyền đạt gián đoạn

- Nhược điểm: Cách thức tiến hành phụthuộc rất nhiều vào QT cụ thể Vì vậy công việcnày đòi hỏi rất nhiều kinh nghiệm, công sức và thời gian Các tham sốcủa mô hình khó

có thểxác định chính xác Khó áp dụng cho xác định mô hình nhiễu, đb là nhiễu k đođược

• PP thực nghiệm: Dựatrên thông tin ban đầu vềQT, quan sát tín hiệu vào ra thựcnghiệm và phân tích các sốliệu thu được đểxác định cấu trúc và các tham sốmô hình

và các mô hình thích hợp

- Ưu điểm: Cho phép xác định tương đối các mô hình trong trường hợp cấu trúc mô hìnhđược biết trước Có các công cụphần mềm hiện đại hỗtrợ rất mạnh chức năng nhậndạng trực tuyến cũng như ngoại tuyến

- Nhược điểm: Chất lượng mô hình phụthuộc nhiều vào độtin cậy của phép đo

• Phương pháp kết hợp: Kết hợp giữa phân tích lý thuyết (mô hìnhhóa lý thuyết) và nhậndạng quá trình (mô hình hóa thực nghiệm)

- Mô hình hóa lý thuyết đểxác định cấu trúc mô hình

- Mô hình hóa thực nghiệm đểước lượng các tham sốmô hình

o Giúp hiểu rõ quá trình công nghệ

o Cơ sởcho thiết kế sách lược điều chỉnh

o Cơ sởcho lựa chọn luật điều chỉnh

o Phục vụtính toán toán tham sốcủa bộđiều khiển

o Mô phỏng quá trình

o Chỉnh định trực tuyến các tham sốcủa bộđiều khiểnLựa chọnphương pháp xây dựng mô hình phù hợp, nếu mục đích sửdụng của mô hình là:

 Giúp hiểu rõ quá trình công nghệ:Phương pháp lý thuyết.Phương pháp lý thuyết giúp

ta hiểu sâu sắc các quan hệbên trong của quá trình liên quan trực tiếp tới các hiện tượngvật lýhóa học hoặc sinh học Là nền tảng giúp hiểu rõ quá trình công nghệ

 Cơ sởcho thiết kếsách lược điều chỉnh:Phương pháp lý thuyết.Một mô hình lý thuyếtnếu được tiến hành chi tiết cho ta xác định được tương đối chính xác cấu trúc mô hình,

đó là cơ sởđểthiết kếsách lược điều chỉnh

 Cơ sởcho lựa chọn luật điều chỉnh:Phương pháp lý thuyết.Một mô hình lý thuyết nếuđược tiến hành chi tiết cho ta xác định được tương đối chính xác cấu trúc mô hình, đó là

cơ sởđể lựa chọn luật điều chỉnh

 Phục vụtính toán toán tham sốcủa bộđiều khiển:Phương pháp kết hợp Từphươngpháp lý thuyết ta sẽthu được cấu trúc mô hình Từđó kết hợp với phần thực nghiệm sẽtính toán được các tham sốcủa mô hình

 Mô phỏng quá trình:Phương pháp thực nghiệm.Với cấu trúcmô hình đã biết trước ta

có thểmô phỏng qua các công cụphần mềm hiện đại đểlấy được các sốliệu vào/ra.Qua đó xác định được các tham sốcủa bộđiều khiển

 Chỉnh định trực tuyến các tham sốcủa bộđiều khiển:Phương pháp thực nghiệm.Ưuđiểm lớn tiếp theo của pp là các công cụphần mềm hiện đại hỗ trợrất mạnh chức năngnhận dạng trực tuyến cũng như ngoại tuyến

− Mô hình hóa bằng lý thuyết hay còn gọi là mô hình hóa vật lý đi từcác định luật cơ bản của

vật lý và hóa học kết hợp với các thông sốkỹthuật của thiết bịcông nghệ, kết quảnhậnđược là các phương trình vi phân (thường hoặc đạo hàm riêng) và phương trình đại số

− Cách thức tiến hành xây dựng 1 môhình lý thuyết phụthuộc rất nhiều vào quá trình cụthể,khó có thểtuân theo một bài bản thống nhất Vì vậy, công việc này đòi hỏi rất nhiều kinhnghiệm, công sức và thời gian Các bước tiến hành:

 Xác định toán mô hình hóa

−2𝛿 𝜏

Câu 2.10 : Phân bi ệt toán tử d ịch tiến q và biến phức z (trong phép biến đổi Z), phân biệt

gi ữa hàm truyền đạt xung và hàm truyền đạt gián đoạn.

 Phân biệt toán tửdịch tiến q và biến phức z:

− Đối với các mô hình gián đoạn ta có phương pháp mô tảtrên miền thời gian với toán

tửdịch tiến q

− Với 1 tín hiệu gián đoạn f(t), trong đó t có giá trịnguyên và đơn vịthời gian là chu

kỳtrích mẫu T, toán tửdịch tiến q được định nghĩa:

▪ q*f(t) = f(t+1)

− Các mô hình truyền đạt gián đoạn được định nghĩa với biến phức z Phép biến đổi Zcho mô hình gián đoạn cũng tương tựphép biến đổi Laplace cho mô hình liên tục,cho phép ta phân tích và thiết kế hệgián đoạn trên cơ sởhàm phức

− Cho 1 tín hiệu gián đoạn f(kT) với k= 0,1,2,… và T là chu kì trích mẫu tín hiệu ,ảnh

Z của nó là 1 hàm theo biến phức z và biểu diễn như sau:

Ta có hàm truyền đạt gián đoạn:

- Hai hàm truyền có sựgiống nhau đem lại cảmặt tốt và mặt xấu:

 Mặt tốt là khi có G(z) ta chỉcần thay thếq thay cho z là có được G(q) và ngược lại

 Mặt không tốt là sự giống nhau vềhình thức gây ra sự nhầm lẫn về bản chất Thựcchất, z là 1 bi ến ph ức còn q là 1 toán tử, A(z) và B(z) là những đa thức v ới bi ến

ph ức z, còn A(q) và B(q) là các toán t ử vi ết dưới dạng đa thức theo q.

𝐴𝑑ℎ𝑑𝑡 = 𝐹1 − 𝐶𝑣 𝑝 √ℎ

F1

Quá trình

Chương 3 : Mô hình hóa lý thuy ết

Câu 3.1 : Cơ sở c ủa phương pháp lý thuyết trong xây dựng mô hình toán học là gì? Nêu các bước ti ến hành.

Cơ sởcủa phương pháp lý thuyết trong xây dựng mô hình toán học là dựa trên các định

luật vật lý, hóa học cơ bản, phù hợp nhất cho các mục tiêu đảm bảo hệthống vận hànhổn định,trơn tru, đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm và nâng cao hiệu quảkinh tế, tăng lợinhuận

Các bước thực hiện:

− Phân tích bài toán mô hình hóa

− Xây dựng các phương trình mô hình

− Phát triển mô hình

Câu 3.2 :Cho h ệ th ống bình chứa minh họa dưới đây

a Phân bi ệt các biến quá trình và viết phương trình vi phân biểu diễn động học của hệ

th ống.

-Biến vào: F1, p Trong đó F1là nhiễu, và p là biến điều khiển

-Biến ra : h, đồng thời là biến cần điều khiển

𝐻𝑎𝑦 𝑑ℎ𝑑𝑡 =𝐴1(𝐹1 − 𝐶𝑣 𝑝 √ℎ) = 𝑓(𝐹1, 𝑝, ℎ) (3.2.2)

Đây chính là phương trình vi phân biểu diễn động học của hệ thống

b Tại điểm làm việc

c Mô phỏng Matlab với hàm truyền đạt

Câu 3.3 : Xét một thiết bị gia nhiệt trên hình vẽ

Thể tích chất lỏng V = const Lưu lượng khối w1 = w2 =w Nhiệt độ T1 và T2 Nhiệt cấp từ sợi đốt là q Sau khi đơn giản hoá ta nhận được mô hình động học của hệ:

VρCdT

dt = wC(T1- T2) + q

a Để có được mô hình đơn giản hoá trên đây, ta phải đặt ra các giả thiết:

− Công tiêu hao ra bên ngoài bằng 0

− Nhiệt dung riêng của dòng vào và dòng ra là như nhau C1 =C2 =C

− Áp suất và thành phần của dòng vào và dòng ra không thay đổi quá lớn

c Phân biệt các tham số mô hình và các biến quá trình:

-Là các đại lượng đặc trưng của quá trình

-Sự thay đổi của chúng phản ánh thực trạng

diễn biến của quá trình

-Chúng không thay đổi trong một quá trình

và thiết bị công nghệ hoặc sự thay đổi đó không phản ánh diễn biến của quá trình

Các biến điều khiển: q

Các biến cần điều khiển: T2

Các biến nhiễu : T1

Có thể coi 𝑑𝑇𝑑𝑡 =𝑑𝑇2𝑑𝑡 => không còn biến T

Như vậy hệ thống có 3 biến quá trình T1,T2 và q; một mối quan hệ độc lập giữa các biến => số bậc tự do của hệ là 2 = số biến vào Như vậy hệ có tính nhất quán (có khả năng điều khiển được)

b Các giả thiết đơn giản hóa cần thiết:

-Khối lượng riêng không đổi tại mọi điểm

-Tiết diện bình là đều

-Nhiệt dung riêng không thay đổi

-Bỏ qua các dạng năng lượng khác so với công suất nhiệt và bỏ qua tổn thất nhiệt ra bên ngoài Xác định số bậc tự do

-Biến cần điều khiển: Mức nước trong bình h, Nhiệt độ dòng ra T2

-Biến điều khiển: Nhiệt cung cấp từ sợi đốt q, Lưu lượng dòng ra w2

-Biến nhiễu: Nhiệt độ dòng vào T1, Lưu lượng dòng vào w1

Câu 3.5 3.5:

a Nhận biết các biến quá trình:

-Biến điều khiển: w2

-Biến cần điều khiển: T2, T3

a Làm rõ mục đích điều khiển và phân biệt các biến quá trình

Từ hình vẽ, có thể coi các bình chứa đóng vai trò bình chứa trung gian nhằm giảm tương tác giữa các quá trình kế tiếp nhau.Như vậy mục đích điều khiển là:

-Mức bình 1 và 2 phải giữ cố định ở một mức đảm bảo an toàn (không cạn cũng không tràn) -F2 lấy ra theo nhu cầu

Biến ra F2,h1,h2

Thay các phương trình (3.6.5) và (3.6.6) vào các phương trình (3.6.1) và (3.6.2).Ta có: 𝑆1𝑑ℎ1𝑑𝑡 = F1 - F2 - 𝐶𝑣3p3 (3.6.7)

𝑆2𝑑ℎ2𝑑𝑡 = Cv3p3 - 𝐶𝑣4p4 (3.6.8)

c Dẫn giải các hàm truyền đạt để biểu diễn quan hệ giữa các biến quá trình

Từ các phương trình (3.6.7) và (3.6.8) Ta cần tuyến tính hoá các phương trình này tại điểm cân bằng:

d Cho các số liệu tại điểm làm việc Hãy thay số vào hàm truyền đạt và mô phỏng trên Matlab

Câu 3.7 Cho sơ đồ công nghệ hệ thống hai bình thông nhau:

a Viết phương trình mô hình dạng động học của hệ thống

b Phân tích sô bậc tự do của mô hình

c Dẫn giải các hàm truyền đạt để biểu diễn mối quan hệ giữa các biến quá trình

Mục đích điều khiển : Hệ thống bình thông nhau nên h1=h2=h khi hệ ổn định

a Phân biệt biến quá trình:

Biến điều khiển: F2,F3 Nhiễu: F1

Biến ra cần điều khiển: h1,h2

b Phương trình vi phân

Phuong trình bảo toàn vật chất bình 1:

A1.f.(dh1/dt) = F1.f – F2.f ( với f là khối lượng riêng của chất lỏng)

 A1.(dh1/dt) = F1 – F2 Phương trình vật chất bình 2:

A2.f.(dh2/dt) = F2.f – F3.f

 A2.(dh2/dt) = F2 –F3

c Bậc tự do: Nof = 5 -2 = 3 = số biến vào

Câu 3.8 : Cho sơ đồ công nghệ hệ thống hai bình chứa nhiệt trên hình 3-39 Cả hai bình đều có cơ chế tự tràn, nên thể tích chất lỏng trong mỗi bình coi như không thay đổi Các

bi ến lưu lượng Fi(i=1,2,3,4) có đơn vị là thể tích/ thời gian

a Nhận biết các biến quá trình

b Xây dựng các phương trình mô hình Đưa ra các giả thiết đơn giản hóa cần thiết

c Phân tích số bậc tự do của mô hình và đánh giá khả năng điều khiển được

d Tuyến tính hóa mô hình và đưa về dạng hàm truyền đạt

e Vẽ sơ đồ khối của hệ thống sử dụng các hàm truyền đạt cho từng thành phần của hệ

thống

a Các biến quá trình bao gồm: F1, F2, F3, F4,T1,T2,T3,T4,V1,V2

Trong đó:

- Các biến vào gồm có: F1, F2, F3, T1,T2,T3 trong đó F3 là biến điều khiển

- Các biến ra gồm có: F4,T4,V1,V2 Trong đó V1,V2 là được xem là hằng số do cơ chế tự tràn

* Phương trình cân bằng nhiệt

Xét trong một đơn vị thời gian:

Biến thiên năng lượng (NL) của chất lỏng= NL vào – NL ra+ NL cấp –NL tỏa ra Biểu diễn với Enthalpy , ta có:

- Đối với bình chứa nhiệt thứ nhất:

Trong đó, Enthalpy là một đại lượng phụthuộc vào thành phần, nhiệt độvà áp suất:ℏ

=f(P,T,x) Với những giảthiết lý tưởng hóa, áp suất và khối lượng riêng của dòng quá trìnhtrước và sau khi khuấy trộn được coi là không thay đổi đáng kể, nênℏ=f(T) Lúc đó, ta có mộtquan hệđơn giản giữa enthalpy và nhiệt độ:ℏ =Cp.T Ta xem rằng Cp thay đổi không đáng kểtrước và sau khi khuấy trộn Lúc đó phương trình trên được viết lại:

Xây d ựng các phương trình mô hình

* Phương trình cân bằng vật chất toàn phần

-Đối với bình chứa nhiệtthứnhất:

28

Từ đó:

𝑉1𝑑𝑇𝑑𝑡2 = 𝐹1 (𝑇1− 𝑇2) Tương tự với bình 2, ta có:

Phân tích các biến vào từmô hình của hệthống ta có thểthấy rằng các biến T1,T2,T3 là nhiệt

độcủa các dòng vào, không thểđiều khiển được, và chắc chắn là nhiễu Các bình chứa nhiệthoạt động theo cơ chếtựtràn, nghĩa là F1=F2, mặt khác F1 là dòng lưu lượng từ quá trình từquá trình trước đưa đến, do đó nó là nhiễu Điều đó đồng nghĩa với việc F2 cũng được xem lànhiễu, không thểđiều khiển được Như vậy trong 6 biến vào chỉ có F3 là biến điều khiển.Phân tích các biến ra, ta thấyởđấy chúng ta có 4 biến ra F4,T4,V1,V2 trong đó V1,V2 là cáchằng sốvà không cần phải điều khiển, chỉcòn lại 2 biến F4,T4 là những biến cần điều khiển

tiềm năng Cần chú ý rằngởđây chúng ta chỉ có 1 biến điều khiển là F3 nên chỉcó thểđiềukhiển độc lập được một trong 2 biến F4 hoặc T4 Tùy theo mục đích điều khiển mà ta có thểchọn một trong 2 biến này Biến F4 đại diện cho năng suất, còn biến T4 đại diện cho chất

29

𝑥1(𝑠) = 1 + 𝑡1 𝑠𝐾𝑑11 𝑑1(𝑠) +1 + 𝑡1 𝑠𝐾𝑑21 𝑑2(𝑠) Tương tự, ta có phương trình:

b Xây dựng các phương trình mô hình:

- Phương trình bảo toàn năng lượng cho bình 1

1w1 1 w5 5 w2 2

Coi lưu lượng chảy là ổn định, áp uất trong bình thay đổi không đáng kể:

 Nhiệt dung riêng: C= h|

c Phân tích bậc tự do

− Đối với bình 1:

Nof = 6 – 1 = 5 = số biến vào

 Đủ biến điều khiển, phương trình vi phân giải được

Có thể tạo một vòng điều khiển phản hồi => điều khiển hệ thống

− Đối với bình 2:

Nof = 6 – 1 = 5 = số biến vào

 Đủ khả năng điều khiển như với bình 1

d Tuyến tính hóa, đưa về hàm truyền:

Cả 2 phương trình (1) và (2) đều chưa tuyến tính

Ta tuyến tính hóa bằng cách: thay thế biến thực bằng điểm làm việc cộng biến chênh lệch; áp dụng khai triển Taylor:

 𝑑∆𝑇4

𝑑𝑡 + 𝐹̅̅̅4

𝑉2 Δ𝑇4 = 1

𝑉2.( 𝑇̅ Δ𝐹3 3 + 𝑇̅ Δ𝐹2 2 + 𝐹̅ Δ𝑇2 2 – 𝑇̅ Δ𝐹4 4 + 𝐹̅ Δ𝑇3 3) Laplace 2 vế, ta được:

Câu 3.10 : Tuyến tính hóa mô hình thiết bị phản ứng thu nhiệt sợi đốt:

 Coi 𝜌0 = 𝜌 (khối lượng riêng)

Nhận biết biến quá trình:

Các phương trình động học của quá trình:

 Phương trình cân bằng năng lượng:

=> Phương trình đã tuyến tính hóa từ phương trình (2) và (3) là:

(2):

𝑑Δ 𝐶𝐴

𝐹̅0𝑉̅ + 𝑘) Δ𝐶𝐴 = (

Câu 4.1 : Phương pháp nhận d ạng xấp xỉ v ề m ột khâu quán tính bậc nhất có trễ có th ể áp

d ụng cho các quá trình nào?

Phương pháp nhận dạng xấp xỉvềmột khâu quán tính bậc nhất có trễcó thểáp dụng chocác quá trình có đáp ứng quá độnhanh tắt dần hình chữS Thực ra, một mô hình quántính bậc cao là phù hợp nhất với đường cong đápứng này Tuy nhiên một mô hình bậccao thường gây khó khăn trong việc thiết kế các luật điều khiển đơn giản như PID Đểgiải quyết vấn đềnày người ta có thể thực hiện phép xấp xỉđưa về mô hình quán tính bậcmột kết hợp với một khâu trễ

Câu 4.2 : Đối với phương pháp nhận dạng nói chung, các yếu tố nào ảnh hưởng đến chất lượng (độ chính xác) c ủa mô hình nhận được.

o Sốliệu vào/ra thực nghiệm: Quá trình thực tếnào cũng phi tuyến, vì vậy tiến hành thựcnghiệm cần tiến hành xung quanh điểm làm việc quy định Các sốliệu thu thập cần dựatrên các giá trịchênh lệch so với trạng thái xác lập, chứkhông phải giá trịvào-ra thực

o Ảnh hưởng của nhiễu: nếu ảnh hưởng của nhiễu đo là đáng kể, cần tiến hành thực nghiệmnhiều lần và sau đó lấy giá trịtrung bình Nếu cần thiết có thểtiến hành các biện pháp lọcnhiễu trước khi xửlý

Câu 4.3 : So sánh và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp nhận dạng mô hình quán tính b ậc nhất có trễ d ựa trên đáp ứng quá độ.

❖ Phươngpháp kẻtiếp tuyến: là phương pháp thiếu chính xác

o Nhiễu quá trình và nhiễu đo có thểgây sai lệch lớn trong kếtquả

❖ Phương pháp hai điểm quy chiếu: khắc phục một phần nhược điểm của phương pháp kẻtiếp tuyến

o Dễthực hiện trên máy tính

o Sai lệch nhỏhơn đáng kểso với phương pháp tiếp tuyến

Câu 4.5 : Các phương pháp nhận dạng dựa trên đặc tính tần số d ựa trên nguyên tắc chung nào? Nh ững phương pháp này phù hợp cho mục đích sử d ụng mô hình như thế nào?

Các phương pháp nhận dạng dựa trên đặc tính tần sốdựa trên nguyên tắc chung là: Nhậndạng dựa trên sốliệu đặc tính tần sốtrước hết có thểphục vụcác phương pháp thiết kếđiều khiển trực tiếp trên miền tần số, hoặc phục vụước lượng gián tiếp mô hình liên tục

từcác sốliệu thực nghiệmchủđộng

Những phương pháp này phù hợp cho mục đích sử dụng mô hình đápứng tần số

o Thời gian trễđược ước lượng hơi quá mức gây ra sai lệch đặc tính tần sốlớn hơnxung quanh w -π

❖ Phương pháp diện tích: hai phương pháp trên ta ít quan tâm đếnảnh hưởng của nhiễu một vấn đềkhông thểtránh khỏi trong thực tế Phương pháp này đã khắc phục được hạnchếcủa hai phương pháp trên

o Giảmmột cách hiệu quảảnh hưởng của nhiễu đo tới kết quảước lượng tham số

o Thực hiện được trên máy tính

o Cho kết quảkhá chính xác

o Buộc phải xửlý lọc nhiễu

o Khối lượng tính toán xấp xỉtích phân lớn

o Kết quảtính toán các tham sốthời gian phụthuộc một cách tương đối nhạy cảm vàogiá trịước lượng cho hệsốkhuếch đại tĩnh k

Một thực tếlà, hầu hết các bộđiều khiển quá trình được chỉnh định tại chỗvà trực tuyến,chứít khi được thiết kếtrước khi đưa vào vận hành Hơn nữa, có nhiều hệthống đã đi vàohoạt động một thời gian và cần được chỉnh định lại nhằm nâng cao chất lượng điều khiển,nhưng không cho phép giánđoạn sản xuất đểcó thểtiến hành nhận dạng theo các phươngpháp vòng hởthông thường Đó là lý do mà việc nhận dạng vòng hởkhông phải bao giờcũng khảthi.

Câu 4.7 : Liên h ệ s ự phân bi ệt giữa nhận dạng trong vòng kín/nhận dạng vòng hở vành ận

d ạng chủ động/bị động.

Một phương pháp nhận dạng được gọi là chủđộng nếu tín hiệu vào được chủđộng lựachọn và kích thích Nhận dạng chủđộng có thểkhông khảthi đối với các hệthống đangvận hànhổn định, bởi quá trình không cho phép bất cứmột sựcan thiệp nào làmảnhhưởng tới chất lượng sản phẩm, khi đó người ta sẽ sửdụng phương pháp nhận dạng bịđộng

Mô hình của một quá trình có thểxác định một cách trực tiếp trên cơ sởtiến hành thựcnghiệm và tính toán với các tín hiệu vào/ra của nó gọi là nhận dạng vòng hở.Tuy nhiên,đối với nhiều quá trình công nghiệp điều này gặp nhiều trởngại bởi việc chủ động đưa tínhiệu vào trực tiếp với biên độlớn có thểlàm cho các thông sốquá trình vượt ra khỏiphạm vi làm việc cho phép vàảnh hưởng trực tiếp tói chất lượng sảnphẩm Hầu hết các

bộđiều khiển quá trình được chỉnh định tại chỗvà trực tuyến, chứít khi được thiết kếtrước khi đưa vào vận hành Hơn nữa, có nhiều hệthống đã đi vào hoạt động một thờigian và cần được chỉnh định lại nhằm nâng cao chất lượng điều khiển, nhưng không chophép gián đoạn sản xuất để có thểtiến hành nhận dạng theo các phương pháp vòng hởthông thường Trong trường hợp đó ta sẽ sửdụng nhận dạng vòng kín