Nghiên cứu phân tích hệ điều khiển quá trình đa biến

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 bảo đảm các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chấ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG KIM THOA

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

HOÀNG KIM THOA

LỜI NÓI ĐẦU

Trong giai đoạn phát triển ngày nay, điều khiển quá trình đã và đang giữ một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp dầu khí, hóa chất, công nghệ thực phẩm… quyết định đến việc đảm bảo cho các dây chuyền sản xuất đạt được năng suất và chất lượng mong muốn

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 bảo đảm các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu suất sản xuất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường Như vậy việc nghiên cứu

và thực nghiệm về điều khiển quá trình là rất cần thiết Tuy nhiên, các hệ điều khiển quá trình thường rất tốn kém nên việc thực nghiệm gặp nhiều khó khăn

Trong phạm vi luận văn với đề tài: “ Nghiên cứu phân tích hệ điều khiển

quá trình đa biến” tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề cơ bản của quá trình đa

biến điều khiển mức và nhiệt độ

Sau thời gian nghiên cứu được sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS BÙI

QUỐC KHÁNH, cùng các cán bộ nhân viên trong trung tâm ứng dụng công

nghệ cao, đề tài của tôi đã được hoàn thiện Do thời gian nghiên cứu nghắn và khả năng còn hạn chế, đề tài của tôi còn nhiều thiếu sót rất mong được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn học viên

Thái nguyên, ngày tháng năm 2014

Người thực hiện

Hoàng Kim Thoa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI NÓI ĐẦU iii

PHẦN MỞ ĐẦU xii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi

Chương 1: LÝ THUYẾT CHUNG CỦA HỆ ĐA BIẾN 1

1.1 Điều khiển quá trình là gì? 1

1.1.1 Các khái niệm trong điều khiển quá trình 1

1.1.2 Phân loại quá trình 2

1.1.3 Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình 3

1.1.4 Mục đích của điều khiển quá trình 4

1.2 Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến 6

Chương 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN 10

2.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển quá trình 10

2.2 Thiết bị đo 10

2.3 Thiết bị chấp hành 11

2.4 Thiết bị điều khiển 13

2.5 Mô hình toán học các đối tượng 14

2.5.1 Đối tượng bình trộn 14

2.5.2 Các đối tượng khác 17

2.6 Các vòng điều khiển 18

2.7 Lý thuyết bộ tách kênh 18

Chương 3: GIỚI THIỆU BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 22

3.1 Cấu trúc phần cứng 22

3.1.1 Cấu trúc mô hình 22

3.1.2 Thiết bị chấp hành 23

3.1.3 Thiết bị đo 25

3.1.4 Bộ điều khiển AC800M 28

3.1.5 Các thiết bị khác 34

3.1.6 Phân cổng vào/ra Bảng đấu dây và sơ đồ đấu dây 35

3.1.7 Hình ảnh tổng quan mô hình thí nghiệm 43

3.2 Phần mềm và thiết kế giao diện 44

3.2.1 Giới thiệu chung 44

3.2.2 Thiết kế giao diện 50

3.3 Nhận dạng đối tượng của điều khiển quá trình 52

Chương 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỀN BẰNG PHẦN MỀM MATLAP 56

4.1 Tính toán bộ điều khiển cho các vòng điều khiển đa biến 56

4.1.1 Mô phỏng hệ thống khi chưa có bộ tách kênh 56

4.1.2 Tính toán bộ tách kênh 61

4.1.3 Mô phỏng hệ thống khi đã có bộ tách kênh 62

CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ ĐỂ KIỂM CHỨNG 67

5.1 Quá trình khởi động 67

5.2 Thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ T3 68

5.3 Thay đổi giá trị đặt của mức Level 69

5.4 Thay đổi giá trị đặt của van CV3 70

PHỤ LỤC 74

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quá trình và phân loại các biến quá trình 1

Hình 1.2: Nguyên lý điều khiển pha trộn 6

Hình 1.3: Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến 7

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình 10

Hình 2.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 10

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo 11

Hình 2.4:Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành 12

Hình 2.5: Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành 12

Hình 2.6: Một số hình ảnh về van điều khiển trong công nghiệp 13

Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển 13

Hình 2.8: Xác định biến quá trình của đối tượng bình trộn 14

Hình 2.9: Xây dựng mô hình toán học của bình trộn trên Matlab 16

Hình 2.10: Mô hình hệ đa biến MIMO 2 đầu vào, 2 đầu ra 19

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý bộ tách kênh 19

Hình 3.1 Cấu trúc tổng quan mô hình 22

Hình 3.2 Hình dáng và cấu trúc bên trong của van điều khiển ECV–250B–4X 23

Hình 3.3 Hình ảnh thực tế của van từ 24

Hình 3.4 Hình ảnh thực tế về Rơle MY4N của hãng OMRON 25

Hình 3.5 Hình ảnh và kích thước của cảm biến mức 26

Hình 3.6 Sơ đồ đấu nối các dây của cảm biến với bộ điều khiển 26

Hình 3.7 Hình ảnh thiết bị đo nhiệt 27

Hình 3.8 Hình ảnh lưu lượng kế FLR6302D của hãng OMEGA 27

Hình 3.9 Sơ đồ chức năng các chân của thiết bị đo mức 28

Hình 3.10 Các thành phần của bộ điều khiển AC800M 29

Hình 3.11 Hình ảnh của khối đầu ra số DO810 31

Hình 3.12 Hình ảnh của khối đầu ra tương tự AO801 32

Hình 3.13 Hình ảnh của khối đầu vào tương tự AO810 33

Hình 3.14 Hình ảnh tổng thể của bộ điều khiển ghép nối với các khối vào ra 33

Hình 3.27 Hình ảnh và kích thước của khối nguồn SD823 34

Hình 3.28 Sơ đồ đấu dây trong mô hình thí nghiệm 39

Hình 3.29 Tổng quan mô hình thí nghiệm thực tế 43

Hình 3.15 Cách tạo một Project mới trên Control Builder M 45

Hình 3.16 Giao diện của phần mềm Control Builder M 46

Hình 3.18 Cấu trúc lập trình cho bộ điều khiển 47

Hình 3.19 Cài đặt thông số cho Trend Display trên Trend Template 48

Hình 3.20 Đồ thị xu hướng Trend Display 49

Hình 3.21 Giao diện của phần mềm Eplant 50

Hình 3.22 Giao diện của phần mềm Visual Basic 51

Hình 3.23 Nhận dạng tác động của dòng nóng tới mức L 52

Hình 3.24 Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới mức L 53

Hình 3.25 Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới nhiệt độ T3 54

Hình 3.26 Nhận dạng tác động của dòng nóng tới nhiệt độ T3 55

Hình 4.1 Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tối ưu 56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 4.2 Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh

sử dụng phương pháp tối ưu 57 Hình 4.3 Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử

dụng phương pháp tối ưu 57 Hình 4.4 Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử dụng phương

pháp tổng hợp trực tiếp 58 Hình 4.5 Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh

sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS 58 Hình 4.6 Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử

dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS 59 Hình 4.7 Mô phỏng quá trình đa biến chưa có bộ tách kênh sử dụng phương pháp

IMC 59 Hình 4.8 Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử

dụng phương pháp IMC 60 Hình 4.9 Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh sử dụng

phương pháp IMC 60 Hình 4.10 Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp

tối ưu 62 Hình 4.11 Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng

phương pháp tối ưu 63 Hình 4.12 Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng

phương pháp tối ưu 63 Hình 4.13 Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương

pháp tổng hợp trực tiếp DS 64

Hình 4.14 Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử

dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS 64

Hình 4.15 Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS 65

Hình 4.16 Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp IMC 65

Hình 4.17 Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp IMC 66

Hình 4.18.Đáp ứng mức L của quá trình đa biến khi có bộ tách kênh sử dụng phương pháp IMC 66

Hình 5.1 Quá trình khởi động khi chưa có bộ tách kênh 67

Hình 5.2 Quá trình khởi động khi đã có bộ tách kênh 68

Hình 5.3 Thay đổi giá trị lượng đặt T3 khi chưa có bộ tách kênh 68

Hình 5.4 Thay đổi giá trị lượng đặt T3 khi có bộ tách kênh 69

Hình 5.5 Thay đổi giá trị lượng đặt mức L khi chưa có bộ tách kênh 69

Hình 5.6 Thay đổi giá trị lượng đặt mức L khi đã có bộ tách kênh 70

Hình 5.7.Thay đổi giá trị lượng đặt lưu lượng đầu ra khi chưa có bộ tách kênh 70

Hình 5.8 Thay đổi giá trị lượng đặt lưu lượng đầu ra khi đã có bộ tách kênh 71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Chức năng của các dây trong van điều khiển 24

Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật của bộ nguồn SD823 29

Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển 30

Bảng 3.4 Bảng thống kê số lượng đầu vào/ra của bộ điều khiển 30

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của modul DO810 31

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật của AO801 32

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật khối đầu vào tương tự AI810 33

Bảng 3.8 Bảng phân cổng vào ra cho các tín hiệu 35

Bảng 3.9 Bảng đấu dây cho các cầu nối 36

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt

TT Temperature Transmister Thiết bị đo nhiệt

IMC Internal Model Control Điều khiển mô hình nội

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Điều khiển mức và nhiệt độ đã được biết đến trong công nghệ Điều khiển Quá trình đa biến.VD như: lưu lương mức- nhiệt độ,mức- nồng độ,

Trong công nghiệp có rất nhiều quá trình đa biến khi thiết kế hệ điều khiển ta thiết lập các mạch vòng điều khiển và coi các mạch vòng đó độc lập với nhau gọi là hệ nhiều mạch vòng đơn biến Tuy nhiên trong thực tế các mạch vòng lại tác đông qua lại với nhau gây ảnh hưởng đến quá trình điều khiển ảnh hưởng đến năng suất cũng như chất lượng sản phẩm

Vì vậy vấn đề nghiên cứu phân tích hệ điều khiển quá trình đa biến để chỉnh định lại hệ đa biến trong thực tế là hết sức cấp thiết

Trong chương trình khoá học Cao học chuyên ngành Tự động hoá tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường

và PGS-TS Bùi Quốc Khánh, tôi đã lựa chọn đề tài của mình là :

“Nghiên cứu phân tích hệ điều khiển quá trình đa biến”

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

a Ý nghĩa khoa học:

- Đưa ra các thuật toán điều khiển phù hợp, để đạt được chất lượng điều khiển như mong muốn

- Xây dựng đưa mô hình điều khiển từ lý thuyết đến thực tế hệ đa biến

- Thiết kế hệ điều khiển tách kênh đua vào ứng dụng điều khiển trên

3 Mục đích nghiên cứu

Xác định được mô hình của quá trình đa biến điều khiển mức và nhiệt độ Từ đó

đề xuất ra các giải pháp và thuật điều khiển để nâng cao chất lượng hệ điều khiển

Nội dung nghiên cứu:

Phần mở đầu

Chương 1 LÝ THUYẾT CHUNG CỦA HỆ ĐA BIẾN

Kết luận và kiến nghị

Chương 1

LÝ THUYẾT CHUNG CỦA HỆ ĐA BIẾN

1.1 Điều khiển quá trình là gì?

Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường

1.1.1 Các khái niệm trong điều khiển quá trình

Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học, trong đó vật

chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biển đổi, vận chuyển hoặc lưu

trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng

Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo và được can

thiệp,được hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình:

Biến vào là một đại lượng hoặc một 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…

Hình 1.1: Quá trình và phân loại các biến quá trình

Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên

ngoài ví dụ: nồng độ hoặc lưu lượng của sản phẩm ra…

Biến vào là một đại lượng hoặc một 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 rơ-le sợi đốt,…

Biến cần điều khiển (controlled variable) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của

quá trình điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt (set point) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal) Các biến điều khiển liên quan hệ trọng đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc của chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình

Biến điều khiển (manipulated variable) là một biến vào của quá trình 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 thì được gọi là nhiễu Nhiễu tác động lên quá trình một

cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ 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 những 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,…

- Nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được

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 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 (Single-Input Single-Output), quá trình nhiều vào-nhiều ra được gọi là MIMO (Multi-Input Multi-Output) Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến

Dựa trên đặc tình 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:

- 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 Quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng là các ví dụ quá trình lien tục tiêu biểu

- Quá trình gián đoạn (hay còn gọi là quá trình không liên tục) có bản chất giống

như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định

- Quá trình rời rạc: các đại lượng đặc trung chỉ thay đổi giá trí 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 Các đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic)

- Quá trình mẻ: là một quá trình hỗn hợp, có đặc trung của cả quá trình liên tục và

quá trình rời rạc Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm 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 phản ứng hóa học,quá trình pha chế,lên men (bia, rượu) là các ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ

1.1.3 Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình

- Qui mô ứng dụng: Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá

trình có quy mô vừa và lớn, có thể hiểu theo hai hướng, đó là quy mô về phạm vi chức năng điều khiển cần thực hiện về mặt tổ chức sản xuất Hệ thống điều khiển phải được thiết kế tương ứng với cấu trúc của nhà máy, với việc phân chia khu vực một cách hợp lý và điều khiển phối hợp các quá trình tương tác với rất nhiều điểm vào ra đặt ra yêu cầu rất cao cho chưc năng quản lý dữ liệu và vận hành giám sát

- Độ tin cậy và tính sẵn sàng: Bên cạnh quy mô sản xuâtc lớn các nhà máy trong

nghành hóa chất hoặc năng lượng đều yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống điều khiển, bởi sự ngưng trệ sản xuất trong ít giờ hoặc ít ngày có thể dẫn tới thiệt hại nghiêm trọng về mặt kinh tế Tuy nhiên yêu cầu về độ tin cậy cao lạ làm tăng chi phí cho giải pháp điều khiển

- Chức năng điều khiển: trong hệ thống điều khiển quá trình, bài toán điều chỉnh là

chức năng tiêu biểu và quan trọng nhất trong một hệ điều khiển quá trình Việc thực thi đồng thời nhiều vòng điều chỉnh cùng các chức năng điều khiển khác đặt ra các yêu cầu về khả năng đáp ứng thời gian thực hệ thống Tuy nhiên, phần lớn các đại lượng đặc trưng của quá trình công nghệ diễn biến tương đối chậm, vì thế tính năng thời gian thực ít ngặt nghèo hơn Các phương pháp điều khiển được áp dụng ở đây có thể không phải xuất phát từ các lý thuyết tiên tiến nhất, nhưng là các phương pháp rất tin cậy và đã được kiểm chứng nhiều trong thực tế

- Khả năng vận hành và điều khiển quá trình: liên quan tới các thiết kế công nghệ và

các ràng buộc liên quan Giới hạn vật lý của các trang thiết bị cũng như những quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng là những trở ngại không nhỏ trong việc thực hiện giải pháp điều khiển Điều này gây khó khăn lớn cho người kỹ sư điều khiển, bởi hầu hết các phương pháp điều khiển hiện nay không đưa các điều kiện ràng buộc trực tiếp vào trong bài toán thực tế

- Mô hình không chính xác: Việc xây dựng mô hình toán học của các quá trình công

nghệ thường gặp rất nhiều khó khăn do chúng đều là các đối tượng MIMO, chứa đựng nhiều quan hệ vật lý, hóa học hoặc sinh học rất phức tạp Do vậy, các mô hình toán học có được thường chỉ là gần đúng vì đã bỏ qua rất nhiều yếu tố động học và các yếu tố khác

1.1.4 Mục đích của 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 quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển 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:

- 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 của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện

Việc vận hành ổn định một quá trình có vai trò quan trọng là do nhiều nguyên nhân 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 đông nghệ như tránh tràn hoặc tránh cạn bình chứa, quá nhiệt, quá áp… Thứ hai, một hệ thông vận hành ổn định, trơn tru cũng đồng nghĩa với việc tín hiệu điều khiển được giữ cố định hoặc ít thay đổi Cũng chính vì vậy, các thiết bị chấp hành ít phải làm việc hơn hoặc ít phải thay đổi chế độ làm việc hơn, tuổi thọ máy móc, thiết bị sẽ được kéo dài Thứ ba, hệ thống có vận hành ổn định mới có thể ổn định năng suất 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 thông trở nên thuận tiện và an toàn hơn

Trong thực tế không phải một hệ lúc nào cũng ở chế độ vận hành bình thường, liên tục mà còn có các giai đoạn khởi động hoặc dừng, điểm làm việc cũng có thể thay đổi do yêu cầu thay đổi giá trị đặt hoặc do tác động của nhiễu và vì thế có các quá trình quá độ Bên cạnh đó nhiều quá trình không có tính tự cân bằng, chỉ một thay đổi nhỏ biến đầu vào

ra sao, giá trị đặt thay đổi hay tác động nhiễu thế nào, nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ về trạng thái vận hành ổn định 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

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

hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu

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, các biến quá trình không những phải được duy trì ổn định tại một giá trị bất kỳ mà còn phải được điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong một phạm vi cho trước 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

- Vận hành hệ thống an toàn: Nhằm 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 sự cố Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghệ nào cũng phải đảm bảo được mục đích này Chính

vì tầm quan trọng của vấn đề an toàn máy móc, con người và môi trường, chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các chức năng điều khiển thuần túy

Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ, áp suất nằm trong một giới hạn an toàn cho phép Do đặc thù của mỗi quá trình công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp đến chất lượng sản phẩm nhưng cũng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại một giá trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm

vi nhất định để đảm bảo giới hạn an toàn cho phép như mức, nhiệt độ, áp suất Tuy nhiên nguy cơ xảy ra lỗi ngay cả ở những hệ thống thiết bị tự động tối tân nhất không phải không

có nên vai trò theo dõi, giám sát trạng thái hoạt động hệ thống thiết bị của con người một cách thường xuyên là rất quan trọng

- Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc

hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu

và nguyên liệu

Mức độ ô nhiễm môi trường của một nhà máy một phần liên quan tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng nhưng một phần không nhỏ thuộc trách nhiệm của hệ thống điều khiển Việc giảm thiểu hoặc ít nhất duy trì các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh và chức năng vận hành

Việc giảm tiêu thụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng một mặt nâng cao hiệu quả kinh

tế, mặt khác cũng góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường Đây cũng là một vấn đề thuộc trách nhiệm của những nhà thiết kế công nghệ cùng những người thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển

- Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất 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 của thị trường

Mục đích cuối cùng của việc ứng dụng điều khiển tự động các quá trình công nghệ vẫn là nâng cao hiệu quả kinh tế về lâu dài Bài toán đặt ra là ta cần phải cân nhắc giữa chi phí cho các tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm Cách giải quyết thông thường là đảm bảo chất lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm chi phí cho các tác động điều khiển Một cách giải quyết khác 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 một hàm mục tiêu cần cực tiểu

Thông thường, hệ thống vận hành càng gần với các điều kiện ràng buộc thì chi phí vận hành càng nhỏ và lợi nhuận giành được sẽ là cao nhất Một trong những vai trò quan trọng của điều khiển là làm sao duy trì được chất lượng sản phẩm thật ổn định và đạt vừa đủ yêu cầu để người vận hành có thể đưa các giá trị đặt đến gần sát với ngưỡng cho phép Như vậy cùng với việc lựa chọn điểm làm việc tối ưu thì chất lượng điều khiển tốt nhất sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất

1.2 Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến

Trong sản xuất công nghiệp các quá trình công nghệ thường bao gồm rất nhiều biến quá trình Khi thiết kế hệ điều khiển ta xác định được các biến cần điều khiển, biến điều khiển, biến nhiễu …Từ đó thiết lập các mạch vòng điều khiển và coi các mạch vòng đó độc lập với nhau, gọi đó là hệ có nhiều mạch vòng đơn biến (một vào một ra SISO) Tuy nhiên có một

số mach vòng có cấu trúc qua lại với nhau Lúc đó điều khiển SISO không mang lại hiệu quả Chúng ta phải xét chúng là hệ đa biến (nhiều vào nhiều ra MIMO) Lý thuyết hệ đa biến đã được đề cập với lý thuyết điều khiển tự động Trong phần này ta nghiên cứu phân tích phục vụ thiết kế chỉnh định lại hệ đa biến trong thực tế

Thí dụ 1: Hệ đa biến trong điều khiển pha trộn Trên hình 1.2 trình bày nguyên lý điều

khiển pha trộn

AT AC

FC FT

F2

y1

y2

Ta có hai biến cần điều khiển y1 là nồng độ X biến điều khiển f1 m1, biến điều khiển

Khi thay đổi m1 thì y1 thay đổi đồng thời kéo theo y2 cũng thay đổi Ngược lại khi

thay đổi m2 thì y2 thay đổi đồng thời kéo theo y1 cũng thay đổi Nếu thiết kế theo nguyên

lý đơn biến hệ khó ổn định và chất lượng không đảm bảo Vậy phải xét nó trên góc độ hệ đa biến để thiết kế điều khiển

Cấu trúc hệ điều khiển hai biến tổng quát trình bày trên hình 1.2

G và GC2là hàm truyền bộ điều khiển 1,2; G G11, 22 là hàm truyền quá trình kênh 1

và 2, G12 hàm truyền tác động xen kênh từ 1 tác động sang 2, G21 ngược lại từ 2 tác động

j

y m m y y m

(1.1)

Áp dụng cho hệ hai biến hình 1.2 ta có:

11 11( i ) |

m i

y

k g

21 12

11 22 12 21

11 22

1 1

i y

111

1 1 1

(1.5)

Người ta gọi (5) là hệ số khuyếch đại xen kênh sắp sếp dưới dạng ma trận (RGA: Relative gain array) có tính chất là tổng theo cột và tổng theo hàng bằng 1

Thí dụ xác định ma trận xen kênh theo cấu trúc điều khiển 5.61

Ta có gần đúng so với đơn vị tương đối

1 1

m x f x

Ta có hệ số ma trận khuyếch đại xen kênh

1

y y

Khi xác định hệ số khuếch đại xen kênh theo (2) và (3) dựa trên

Chương 2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN

2.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển quá trình:

Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển quá trình được trình bầy như sau:

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình

Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ Tự động hóa, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều phải dựa trên các thành phần cơ bản là: thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển

Hình 2.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

2.2 Thiết bị đo

Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo (tranducer)

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo

Một cảm biến (Sensor) 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 khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp

Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (Transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA,…) Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất:

Gm (s)=

Hoặc một khâu quán tính bậc hai ổn định:

Gm (s)=

Nếu hằng số thời gian rất nhỏ so vói hằng số thời gian của quá trình công nghệ,tucs

là phép đo có động học nhanh hơn nhiều so với động học của quá trình, ta có thể bỏ qua quán tính của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo như một khâu khuếch đại thuần túy Ngược lại nếu hằng số thời gian này không nhỏ hơn nhiều so với hằng số thời gian của quá trình thì phải đưa mô hình động học của thiết bị đo vào mô hình quá trình hoặc vẫn chỉ sử dụng mô hình tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gây ra là nhiễu đo

Với một thiết bị đo, đặc tính đáp ứng quá độ được coi là quan trọng nhất

2.3 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 hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật

Hình 2.4:Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành

Một thiết bị chấp hành bao gồm 2 thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động (Actuator) và phần tử điều khiển(Control element):

Hình 2.5: Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ năng hoặc nhiệt năng), trong khi phần tử chấp hành tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển

Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan trọng nhất

Van điều khiển là thiết bị chấp hành cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất qua đường ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển Một van điều khiển bao gồm thân van được ghép nối với một cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan

Mô hình động học của van điều khiển có thể đưa về một khâu quán tính bậc nhất:

Một số hình ảnh về van điều khiển trong thực tế được thể hiện trong hình 2.6

Hình 2.6: Một số hình ảnh về van điều khiển trong công nghiệp

Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển (controller) là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp Tùy trường hợp mà một bộ điều khiển có thể là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ trạm PLC/DCS)

Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển

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 có thể được xếp loại thành: thiết

bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển số và thiết bị điều khiển logic (logic controller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller) Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén được xếp vào loại tương tự Một mạch logic rơ-le (cơ điện hoặc diện tử ) là một thiết

bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể

đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và điều khiển cùng một lúc Các giải pháp điều khiển hiện tại (PLC,DCS,PAC) đều là các hệ điều khiển số

2.5 Mô hình toán học các đối tƣợng

2.5.1: Đối tượng bình trộn

với bài toán của mô hình thí nghiệm, yêu cầu đặt ra là điều khiển để giữ ổn định nhiệt

độ và mức nước trong quá trình Phương pháp được lựa chọn là thông qua điều khiển độ mở các van điều khiển CV1, CV2 để điều chỉnh lưu lượng dòng nước nóng và dòng nước lạnh qua bình trộn Từ đó ta có thể xác định các biến quá trình của bài toán điều khiển như sau:

Biến điều khiển:

- Lưu lượng nước nóng chảy vào bình : F1 (ml/s)

- Lưu lượng nước lạnh chảy vào bình : F2 (ml/s)

Nhiễu quá trình:

- Nhiệt độ nước lạnh từ thùng chứa : T2 (oC)

- Nhiệt độ nước nóng từ bình nóng lạnh : T1 (oC)

- Lưu lượng nước ấm ra khỏi bình trộn : F3 (ml/s)

Biến cần điều khiển:

- Nhiệt độ nước trong bình trộn : T3(oC)

Hình 2.8: Xác định biến quá trình của đối tượng bình trộn

Bình trộn có dạng hình trụ Đặt diện tích đáy bình là A (cm2)

Áp dụng các phương trình cân bằng:

- Phương trình cân bằng khối lượng trong bình trộn:

Coi khối lượng riêng của nước nóng và nước lạnh là như nhau Từ phương trình cân bằng khối lượng ta có thể chuyển về dạng lưu lượng như sau

(2.1)

Sử dụng các giá trị biến thiên, phương trình (3.1) được viết lại như sau:

Qua biến đổi ta thu được hai phương trình sau :

(2.7)

Trong đó:

Nếu viết dưới dạng vecto, đặt:

Viết dưới dạng thu gọn:

Trong đó:

Từ hệ phương trình trên ta có thể xây dựng được mô hình bình trộn trên Matlab, việc làm này khiến cho mô hình toán học của bình trộn trở nên trực quan hơn:

Hình 2.9: Xây dựng mô hình toán học của bình trộn trên Matlab

Trên thực tế các hàm truyền trên đây đều có độ trễ, vấn đề này sẽ được quan tâm ở

phần sau của luận văn

Xác định điểm làm việc và chuẩn hóa mô hình:

Với đối tượng bình trộn, chọn điểm làm việc như sau:

Thực hiện chuẩn hóa đưa các đại lượng về dạng phần trăm (%), mất thứ nguyên:

- Đối với nhiệt độ: Coi nhiệt độ nước lạnh tại 30oC là 0%, nhiệt độ nước nóng tại 80oC là 100% Tính toán giá trị chuẩn hóa tại điểm làm việc:

- Đối với mức: Chiều cao của bình trộn là Lmax = 400mm Tính toán chuẩn hóa tại điểm làm việc:

- Đối với lưu lượng: Lưu lượng đầu ra cực đại của van điều khiển là Fmax = 200ml/s Tính toán chuẩn hóa cho lưu lượng đầu ra:

2.5.2 Các đối tượng khác

Trong mô hình thí nghiệm còn có nhiều thiết bị khác Chúng cũng tác động đến quá trình trong quá trình hoạt động, ảnh hưởng tới chất lượng và thời gian đáp ứng của bộ điều

khiển Do đó, việc tìm hiểu đặc tính và hàm truyền đạt của chúng cũng là rất quan trọng:

- Hàm truyền van điều khiển (được tính bằng tỷ số giữa biến thiên lưu lượng đầu ra và biến thiên điện áp điều khiển đầu vào):

(2.10) Trong đó:

o Tv : Hằng số thời gian của van

o θv : Độ trễ của van

- Hàm truyền ống:

(2.11) Trong đó:

o KFT : Hệ số khuếch đại tĩnh của thiết bị đo mức

o TFT : Hằng số thời gian của thiết bị đo mức

o θFT : Độ trễ của thiết bị đo mức

- Hàm truyền thiết bị đo nhiệt:

(2.13)

Trong đó:

nhiệt

o TTT : Hằng số thời gian của thiết bị đo nhiệt

o θTT : Độ trễ của thiết bị đo nhiệt

- Vòng điều khiển mức L: điều khiển và giữ ổn định mức của nước trong bình trộn Vòng điều khiển này được thực hiện nhờ việc điều khiển lưu lượng dòng nước nóng F2 thông qua điều khiển độ mở của van điều khiển CV2

Dựa vào mô hình toán học của bình trộn (được thể hiện ở phần 3.1.1) ta có thể thấy rằng có tác động xen kênh giữa 2 vòng điều khiển Trên thực tế, khi một đầu vào của quá trình thay đổi thì không chỉ có đầu ra của yếu tố đó thay đổi mà cả đầu ra của yếu tố còn lại cũng thay đổi Điều này khiến cho quá trình điều khiển trở nên rắc rối và khó thực hiện, đồng thời thời gian quá độ của cả hệ thống cũng tăng lên Đây thực sự là điều không mong muốn với bất kể quá trình nào nói chung và đối với mô hình bàn thí nghiệm nói riêng

Để khắc phục yếu tố bất lợi này, yêu cầu cần thiết là thực hiện tách quá trình thành các vòng điều khiển đơn, riêng biệt Điều này sẽ được thực hiện khi chúng ta thiết lập và thêm vào hệ thống một bộ tách kênh (Decoupler) nhằm hạn chế ảnh hưởng của các tác động xen kênh Lúc này, hệ thống được xem như chỉ bao gồm các vòng điều khiển đơn biến, việc điều khiển

sẽ trở nên dễ thực hiện hơn

2.7 Lý thuyết bộ tách kênh

Từ mô hình bình trộn có thể thấy mô hình thí nghiệm được xem như là một hệ MIMO (Multi-Input Multi-Output) với 2 đầu vào, 2 đầu ra và có ảnh hưởng của tác động

Hình 2.10: Mô hình hệ đa biến MIMO 2 đầu vào, 2 đầu ra

Trong mô hình trên:

- là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa và

- là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa và

- là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa và

- là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa và

Từ hình 3.3, ta có hàm ma trận biến vào ra như sau:

Như vậy hàm truyền thể hiện sự xen kênh giữa nhánh 2 với nhánh 1 và thể hiện sự xen kênh giữa nhánh 1 với nhánh 2 Nhiệm vụ của ta là phải loại bỏ sự xen kênh này Chính vì vậy ta thêm vào cấu trúc của hệ ma trận D của bộ tách kênh như sau:

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý bộ tách kênh

(Đây là sơ đồ nguyên lý bộ tách kênh dựa theo lý thuyết được đưa ra bởi Luyben vào năm 1970)

Từ sơ đồ nguyên lý vủa bộ tách kênh ta có:

(2.15) Thay phương trình (3.13) vào phương trình (3.12):

Theo lý thuyết tách kênh của Luyben (1970), sau khi thực hiện tách kênh thì Y1 chỉ phụ thuộc W1 theo hàm truyền G11 và Y2 chỉ phụ thuộc W2 theo hàm truyền G22 Suy ra:

Từ phương trình (3.15) viết dưới dạng đại:

Giải hệ phương trình ta được:

Nhận xét:

Khi sử dụng phương pháp thiết lập bộ tách kênh này thì hàm truyền đạt ban đầu của

hệ thống vẫn được giữ nguyên trong khi ảnh hưởng của các tác động xen kênh bị loại bỏ Đây là một ưu điểm rất lớn của phương pháp vì sau khi thêm bộ tách kênh ta không cần phải tính toán lại hàm truyền đạt cho đối tượng mới như những phương pháp tách kênh khác Do đó, bộ điều khiển tính toán cho đối tượng ban đầu vẫn có thể áp dụng một cách hiệu quả cho đối tượng sau khi đã thêm bộ tách kênh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Chương 3 GIỚI THIỆU BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

3.1 Cấu trúc phần cứng

3.1.1 Cấu trúc mô hình

Trước khi đi xây dựng, ta phải xác định được cấu trúc tổng quan của mô hình từ

đó xác định được số lượng thiết bị cần sử dụng và lựa chọn các thiết bị:

Hình 3.1 Cấu trúc tổng quan mô hình

Từ cấu trúc tổng quan của hệ thống ta thấy sơ đồ sử dụng 1 bình nước nóng, 1thùng chứa nước lạnh, 1 bình trộn, 1 cảm biến đo mức, 4 van tay, 3 van từ, 3 van điều khiển, 3 cảm biến đo mức và 3 cảm biến đo nhiệt độ Các thiết bị được bố trí như sau:

- OUT PUMP : bơm nước bình trộn ra

- IN PUMP : bơm nước lạnh tới bình trộn và tới bình nước nóng

- MV1 : Van tay đóng mở bằng tay dòng nước nóng

- SV1 : Van từ đóng mở tự động dòng nước nóng

- FT1 : Thiết bị đo lưu lượng dòng nước nóng

- CV1 : Van điều khiển điều chỉnh dòng nước nóng

- TT1 : Thiết bị đo nhiệt độ dòng nước nóng

- MV2 : Van tay đóng mở bằng tay dòng nước lạnh

- SV2 : Van từ đóng mở tự động dòng nước lạnh

- FT2 : Thiết bị đo lưu lượng dòng nước lạnh

- CV2 : Van điều khiển điều chỉnh dòng nước lạnh

- TT2 : Thiết bị đo nhiệt độ dòng nước lạnh

- MV3 : Van tay đóng mở bằng tay dòng nước ra

- SV3 : Van từ đóng mở tự động dòng nước ra

- FT3 : Thiết bị đo lưu lượng dòng nước ra

- CV3 : Van điều khiển điều chỉnh dòng nước ra

- TT3 : Thiết bị đo nhiệt độ trong bình trộn

- MV4 : Van tay đóng mở bằng tay dòng nước trước khi vào bình nước nóng

Từ mô hình tổng quan ta có thể xác định được số lượng thiết bị cần sử dụng và lựa chọn các thiết bị như sau:

3.1.2 Thiết bị chấp hành

a) Van điều khiển (Control Valve)

Trong mô hình thí nghiệm ta sử dụng 3 van điều khiển Van điều khiển dùng trong

mô hình thí nghiệm là van điện có chốt xoay hình trụ ECV–250B–4X của hãng OMEGA

Hình 3.2 Hình dáng và cấu trúc bên trong của van điều khiển ECV–250B–4X

Thông số kỹ thuật của van:

- Kích thước van : ¼ inches (6,35 mm)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

- Kích thước ống : ½ NPT

- Áp suất lớn nhất : 120 psi

- Lưu lượng qua van lớn nhất (ở áp suất 50 psi): 4 gal/min

- Nhiệt độ làm việc cho phép: -22oC đến 120o

C

- Tín hiệu điều khiển : 4-20mA hoặc 1-5VDC (cho phép người dùng có thể lựa chọn)

- Nguồn cấp yêu cầu : 12-24 VDC; 1,5A

- Công suất tiêu thụ lớn nhất: 23W

- Cơ cấu chấp hành: Động cơ bước 200 bước/vòng, tốc độ 45 vòng/phút

Bảng 3.1 Chức năng của các dây trong van điều khiển

b) Van từ SV (Solenoid Valve)

Mô hình này ta dùng 3 van từ Chọn van từ SV6003 của hãng OMEGA

Hình 3.3 Hình ảnh thực tế của van từ

Thông số kỹ thuật:

- Nguồn cấp cho cuộn hút: 110–120 VAC/50Hz

- Công suất cuộn hút : 8W

Để điều khiển hoạt động đóng mở của van từ và các bơm ta sử dụng 5 rơle điều khiển MY4N của hãng OMRON

Thông số kỹ thuật của rơle:

- Có 4 cặp tiếp điểm thường đóng, 4 cặp thường mở

Hình 3.4 Hình ảnh thực tế về Rơle MY4N của hãng OMRON

3.1.3 Thiết bị đo

a) Thiết bị đo mức (LT – Level Transmister)

Mô hình sử dụng cảm biến đo mức theo phương pháp siêu âm LVU-90 của hãng OMEGA

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 3.5 Hình ảnh và kích thước của cảm biến mức

Thông số kỹ thuật:

- Phạm vi đo : 3,6 inches – 72 inches (tương đương từ 9cm đến 183cm)

- Dải đo : 68,4 inches (174cm)

- Độ phân giải : 0,125 inches (3mm)

- Độ chính xác : ± 0,25% dải đo

- Tín hiệu ra : 4-20 mA, 12-36 VDC

- Nhiệt độ làm việc: từ -40oC đến 60o

C

Sơ đồ đấu nối cảm biến với thiết bị điều khiển trên hình 2.5

Hình 3.6 Sơ đồ đấu nối các dây của cảm biến với bộ điều khiển

Nối chân (+) của LVU-90 với đầu (+) nguồn 1 chiều, chân (-) của LVU-90 với đầu vào analog input của bộ điều khiển

b) Thiết bị đo nhiệt (TT – Temperature Transmister)

Mô hình sử dụng thiết bị đo nhiệt là loại nhiệt kế điện trở CF-000-RTD-4-60-2 của hãng OMEGA

- Que đo dạng thẳng, có kèm bộ Quick Disconnect

- Kích thước que đo 4 inches (10cm), chiều dài cáp 60 inches (1,5m)

Đầu dây (+) của cảm biến đấu với đầu ra nguồn 24VDC từ bộ điều khiển, đầu (-) của cảm biến đấu với đầu vào 20mA Analog input của bộ điều khiển Đầu GND là dây nối đất bảo vệ

c) Thiết bị đo lưu lượng (FT – Flow Transmister)

Mô hình sử dụng lưu lượng kế kiểu phao FLR6302D của hãng OMEGA

Hình 3.8 Hình ảnh lưu lượng kế FLR6302D của hãng OMEGA

Quick Disconnect

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Thông số kỹ thuật:

- Phạm vi đo : 0,2 đến 2 gallon/phút

- Dải đo : 1,8 gallon/phút

- Độ phân giải : 0,02 gallon/phút

- Độ chính xác: ± 2% dải đo

- Nguồn cấp yêu cầu: 10-30 VDC - 0,75W

- Tín hiệu ra có thể chọn một trong các chuẩn sau:

4-20 mA, 10-30 VDC (khoảng cách truyền giới hạn bởi điện trở cáp)

0-5VDC hoặc O-10VDC (truyền xa tối đa 300m)

- Nhiệt độ làm việc: -29oC đến 116o

C

Hình 3.9 Sơ đồ chức năng các chân của thiết bị đo mức

Đầu (+) 4-20 mA được nối với chân cấp nguồn 24VDC cho cảm biến của bộ điều khiển, còn đầu (-) 4-20 mA được nối với đầu vào tương tự của bộ điều khiển

3.1.4 Bộ điều khiển AC800M

Bộ điều khiển AC800M gồm các đơn vị phần cứng sau:

- Khối xử lý CPU unit (với một số loại như PM856, PM860, PM861 …), ngoài ra

có thể gắn thêm các khối CPU unit dự phòng để đảm bảo độ tin cậy cho quá trình khi gặp sự cố hay sửa chữa đối với khối CPU chính Trong luận văn này sử dụng khối xử lý PM856

- Khối giao diện truyền thông cho các giao thức khác nhau (CI851, CI852 …) Do phạm vi hoạt động của mô hình là nhỏ, không sử dụng tới các giao tiếp truyền thông, do đó trong luận văn này ta không sử dụng khối truyền thông này

- Khối nguồn cấp các mức điện áp khác nhau (với các loại như SD821, SD823 …), trong mô hình này ta sử dụng nguồn SD823 cấp nguồn 24V chuẩn cho bộ điều khiển