Do đó, có thể nói van điều khiển chính làthiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến nhất trong hệ thống điều khiển quá trình, chophép điều chỉnh lưu lượng môi chất qua các đường ống dẫn..
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-NGHIÊM THỊ HƯNG
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MẠCH VÒNG
ĐIỀU CHỈNH LƯU LƯỢNG
Chuyên ngành: Tự Động Hóa
Mã số:
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2011
Trang 2Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp TháiNguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS Bùi Quốc Khánh
Phản biện 1 : TS Nguyễn Văn Vỵ
Phản biện 2 : TS Nguyễn Duy Cương
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng caohọc số 2, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Vào 14 giờ 30 phút ngày 25 tháng 10 năm 2011
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên vàThư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Trang 3LỜI MỞ ĐẦU
Trong hệ thống điều khiển quá trình, phần tử cuối cùng chính là các thiết bị chấphành xác định bởi đầu ra của bộ điều khiển Các phần tử này có thể là van điều khiển,thiết bị chuyển đổi on - off, nhưng được dùng phổ biến trong hầu hết các vòng điềukhiển công nghiệp chính là van điều khiển Van điều khiển vẫn là bộ phận quyết địnhcác hoạt động điều khiển có chính xác không Do đó, có thể nói van điều khiển chính làthiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến nhất trong hệ thống điều khiển quá trình, chophép điều chỉnh lưu lượng môi chất qua các đường ống dẫn Thực tế, đã có nhiềunghiên cứu về van điều khiển nhưng đi sâu giải quyết hiện tượng ma sát tĩnh của van
(Stiction valve) thì còn rất hạn chế Trong phạm vi luận văn với đề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng mạch vòng điều chỉnh lưu lượng” tập trung nghiên cứu các vấn
đề cơ bản của van điều khiển, hiện tượng Stiction của van và đưa ra các giải pháp nhằmnâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình Toàn bộ luận văn được trình bày làm 4chương:
Chương 1 Vai trò điều khiển lưu lượng trong hệ điều khiển quá trình Chương 2 Vấn đề cơ bản của điều chỉnh lưu lượng
Chương 3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mạch vòng điều chỉnh lưu lượng và giải pháp nâng cao chất lượng.
Chương 4 Mô phỏng đặc tính van điều chỉnh trong hệ điều khiển quá trình
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Bùi Quốc
Khánh người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹthuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoànthành luận văn
Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn BanGiám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợinhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011
Học viên
Nghiêm Thị Hưng
Trang 4Chương 1 VAI TRÒ CỦA ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG
TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Khái quát chung
Điều khiển lưu lượng được sử dụng phổ biến trong sản xuất như điều khiển lưulượng nhiên liệu trong các lò đốt, điều khiển các dung dịch để pha trộn lượngchất Trong các hệ điều khiển quá trình, lưu lượng đóng vai trò có thể là đại lượngđiều khiển hoặc là biến điều khiển
1.2 Vai trò của điều khiển lưu lượng:
Trong điều khiển lưu lượng, thiết bị chấp hành có thể là van điều khiển, thiết
bị chuyển đổi on - off, nhưng trên thực tế ta thấy có đến hơn 80% được dùng phổbiến trong hầu hết các vòng điều khiển công nghiệp chính là van điều khiển Nó làthiết bị chấp hành quan trọng nhất trong lĩnh vực điều khiển quá trình Van điềukhiển được ứng dụng trong các bài toán điều khiển mức, nồng độ, nhiệt độ và áp suất
1.3 Cấu trúc chung của điều khiển quá trình:
Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV)
Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO)
Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated Variable (MV) Biến được điều khiển: Controlled Variable (CV)
Đại lượng đo: Measured Variable, Process Value (PV)
Tín hiệu đo: Measured Signal, Process Measurement (PM)Một hệ thống / thiết bị chấp hành nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và thực hiệntác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong côngnghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió Thông qua thiết bị chấphành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình công nghệ
Kết luận chương 1
Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển quá trình
(PV)
Trang 5Chương 2 VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA ĐIỀU CHỈNH LƯU LƯỢNG
2.1 Khái quát chung
2.2 Cơ học chất lỏng
2.3 Động học đường ống
Trong thực tế sản xuất, các quá trình công nghiệp rất phong phú đa dạng, hơnnữa các đặc tính động học của chúng thường rất phức tạp do tính phi tuyến mạnh, cócấu trúc và tham số biến đổi Để có thể thiết kế được bộ điều khiển quá trình đảmbảo yêu cầu về chất lượng, tính ổn định thì việc xác định đặc tính làm việc của cácphần tử cũng như các quá trình là điều kiện mẫu chốt, trên cơ sở đó ta mới có chiếnlược tổng hợp xây dựng được những thuật điều khiển hợp lý
2.3.1 Sơ đồ đường ống
2.3.2 Mô tả toán học của hệ thống
Động học mạch vòng điều chỉnh lưu lượng gồm:
- Động học đường ống dẫn: Gp
- Động học cơ cấu chấp hành: Gv
- Động học cơ cấu đo lường: GT
Động học đường ống dẫn môi chất: lưu lượng môi chất chảy ổn định trongđường ống được tính thông qua vận tốc dòng chảy
Trong đó: F: lưu lượng (m3/s); ω: tốc độ dòng chảy (m/s)
A: diện tích mặt ống (m2)Vận tốc dòng chảy được tính
Trong đó: M: Khối lượng môi chất (Kg)
: Khối lượng riêng môi chất (kg/m3)Khi dòng chảy môi chất ổn định, ta có phương trình cân bằng lực được tínhqua áp lực: P p = P + P g + P m + P TT (2-31)
Trong đó: - P: là áp lực được tính theo đơn vị N/m2
Trang 6- P : Áp suất cần có để duy trì dòng chảy ổn định theo chiều ngang
- Pg: Áp suất cần có để thắng trọng lực của môi chất
- Pm: Áp suất cần có để khắc phục ma sát
- PTT : Áp suất tổn thất do các đường ống uốn gấp khúc gây nên
- Áp suất cần có để duy trì dòng chảy ổn định theo chiều ngang:
Trong đó: Pc là áp suất cản xác định
Trang 7Phương trình (2-41) là phương trình phi tuyến
Viết dưới dạng hàm truyền:
2.4.3 Van điều khiển:
Van điều khiển là một phần thiết yếu của mạch vòng điều khiển Nó là phầnquan trọng nhất trong mạch vòng, mạch vòng điều khiển như là một chuỗi các thiết
bị, toàn bộ chuỗi như là một liên kết
2.4.3.1 Định nghĩa và cấu tạo của van:
2.4.3.2 Phân loại van điều khiển
2.4.3.3 Đặc tính của van điều khiển
a Kiểu tác động của van
b Đặc tính thời gian của van
Trang 8 Hiện tượng dải chết (Deadband) của van
Thời gian đáp ứng của van (Valve respostion time)
Thời gian đáp ứng của van được đo bởi tham số T63
Thời gian đáp ứng của van bị ảnh hưởng bởi những khâu thiết kế bộ định vị,
cơ cấu truyền động và các yếu tố phụ khác, do đó để nâng cao tốc độ đáp ứng củavan thì phải nâng cao tốc độ đáp ứng ở những khâu trên
- Đặc tính thời gian của van T63: là hằng số thời gian τν của van Là một thước đo đáp ứngcủa thiết bị T63 được đo từ khi bắt đầu có tín hiệu vào van đến khi van đạt 63% giá trị xác lập
- Thời gian chết Td của van ( Deadtime): Là một trong những đặc tính của hệthống vật lý, không phụ thuộc đặc tính tín hiệu vào Do ma sát của van, phụ thuộc cơcấu chấp hành của van Là khoảng thời gian không nhận được đáp ứng từ van khi đã
có tín hiệu vào, nó cũng chính là sai số của van, thường từ 0,25 % đến 5%
c Đặc tính lưu lượng của van điều chỉnh
Trong trường hợp sụt áp trên van là không đổi
* Đặc tính lưu lượng lý tưởng
* Đặc tính lưu lượng tính tới ảnh hưởng sụt áp trên van (Đặc tính lưu lượng thực tế)
Hệ số khuếch đại của van
Van là cơ cấu chấp hành trong hệ điều khiển quá trình Điều chỉnh góc mởcủa van, ta điều chỉnh được lưu lượng của môi chất qua van Vì vậy hệ số khuếch đạicủa van là tỷ số giữa lưu lượng cực đại đầu ra và % góc mở lớn nhất của van:
Hệ số khuếch đại của van: được ký hiệu là Kv, Kv là tỷ số giữa phần trăm lưulượng đầu ra trên phần trăm độ mở của van:
Trang 92.4.3.5 Các thông số của van điều khiển
2.4.3.6 Bộ định vị van - Servo van (van tác động liên tục có bộ định vị)
2.4.3.7 Servo van nâng cao chất lượng điều khiển quá trình
Kết luận chương 2
Trang 10Chương 3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG
MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG 3.1 Giới thiệu chung:
3.2 Ảnh hưởng của thiết bị đo lưu lượng tới chất lượng mạch vòng điều chỉnh lưu lượng
3.2.1 Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy
3.2.2 Các lưu lượng kế kiểu xoáy (Vortex Flow Metter) hay gặp trong công nghiệp.
3.2.3 Phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ.
3.2.4 Phương pháp đo lưu lượng bằng nghẽn tiêu chuẩn (hay nguyên lý thay đổi độ giảm áp suất)
a Nguyên lý đo
Lý thuyết cơ bản: Một trong những nguyên tắc phổ biến để đo lưu lượng chất
lỏng, khí và hơi là nguyên tắc thay đổi giảm áp suất qua ống thu hẹp Ta có thể thấytrong hình vẽ dưới đây, nếu một thiết bị chảy qua sẽ có sự chênh áp suất trước và sau
lỗ thu hẹp Độ chênh áp suất này phụ thuộc vào lưu lượng chảy qua ống
Năng lượng của một đơn vị khối lượng lưu chất tại bất kỳ thời điểm nào cũngbằng tổng của các thành phần sau:
Đây là phương trình cơ bản của lưu lượng kế chênh áp
b Dòng chảy rối và hệ số Reynolds
c Đo theo chênh lệch áp suất
d Kỹ thuật đo độ chênh áp
3.3 Ảnh hưởng của van điều khiển tới chất lượng mạch vòng điều chỉnh
Van điều khiển chính là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến nhất trong
hệ thống điều khiển quá trình Trong thực tế, do ảnh hưởng của nhiều hiện tượng nhưDeadband, Hysteresis, Backlash, đặc biệt là Stiction gây ảnh hưởng đến tối ưu hóaquá trình cũng như chất lượng của van điều khiển Chính vì vậy khi nghiên cứu về
Hình 3-12 Lưu lượng kế chênh áp do Q1=Q2, vận tốc dòng chảy phải tăng tại
A2 và gây ra sự chênh áp giữa P1 và P2.
Trang 11van điều khiển, hiện tượng Stiction để từ đó tìm ra cách khắc phục, đưa quá trình đạtchất lượng cao nhất có thể.
3.3.1 Hiện tượng Stiction của van điều khiển
3.3.1.1 Giới thiệu chung
Hiện tượng phi tuyến trong van là một trong những nguồn chính cho sự xuốngcấp trong quá trình điều khiển và kết quả phi tuyến này là do:
Sụt áp trên van
Hệ số khuếch đại thay đổi
Do cơ cấu truyền động van Tính phi tuyến do cơ cấu biểu hiện qua một số hiện tượng phổ biến nhưStiction, Deadband, Deadzone, Hysteresis – chúng đều có bản chất từ hiện tượng masát Giữa những hiện tượng gây phi thuyến trên thì Stiction là vấn đề phổ biến nhấttrong van kiểu màng- lò xo mà được sử dụng rộng rãi trong các quá trình côngnghiệp Nó ngăn cản chất lượng của quá trình điều khiển cũng như chất lượng củavan điều khiển
3.3.1.2 Đề suất định nghĩa mới về Stiction
Định nghĩa mới của Stiction là đề xuất của các tác giả dựa trên những dữliệu điều tra cẩn thận từ quá trình thực Quan sát quan hệ giữa đầu vào và ra vanđiều khiển cho thấy hiện tượng Stiction được mô tả giống như hình vẽ dưới đây
Stiction bao gồm bốn thành phần: dãy chết (Deadband), dải giữ (stickband), trượtnhảy (Slip jump) và giai đoạn chuyển động (moving phase) Dãy chết và dải giữ đại diệncho hành vi của van khi nó không di chuyển mặc dù đầu vào van tiếp tục thay đổi
Khi van di chuyển và thay đổi hướng tại điểm A Do hiện tượng dải chết, van sẽdính vào trụ đỡ Sau khi tín hiệu điều khiển vào van khắc phục được dải chết (AB), dải giữ(BC) của van, van nhảy đến một vị trí mới D và tiếp tục di chuyển Do vậntốc rất thấp hoặc bằng không, van có thể trượt bám từ điểm D đến E như trong hình
Hình 3-19 Hiện tượng Stiction van
Trang 12Trượt nhảy (Slip jump) là do sự giải phóng thế năng được dự trữ trong khoảng masát tĩnh còn lớn giữ van không di chuyển gây ra sự thay đổi đột ngột giá trị đầu ra van.
Tại điểm E, do ảnh hưởng của dải chết van lại bị dính chặt một lần nữa
Ở giai đoạn này, ma sát động thấp hơn rất nhiều so với ma sát tĩnh
Trong công nghiệp, trường hợp deadband = 0 và chỉ có stickband thì sẽ không xuấthiện van giữ ở giữa D và E vì van thường giữ di chuyển khi đầu vào đang thay đổi Sự dichuyển của van dừng lại khi đầu vào thay đổi hay đảo phương chuyển động
Định nghĩa: Sự xuất hiện của Stiction giảm sự di chuyển chính xác của van,
ví dụ: cần van có thể không đáp ứng tín hiệu đầu ra từ bộ điều khiển hoặc bộ định vịvan Sự di chuyển trơn của van trong đáp ứng với đầu vào biến thiên từ bộ điềukhiển hoặc bộ định vị van bị được đứng trước bởi dải giữ và sự nhảy đột được nêulên như sự trượt-nhảy Nguồn gốc của nó trong hệ thống cơ khí là ma sát tĩnh, nó
vượt thành ma sát động trong suốt quá trình di chuyển trơn của van
3.3.2 Quan sát ảnh hưởng hiện tượng Stiction trong thực tế
3.4 Nâng cao chất lượng mạch vòng điều chỉnh bằng phương pháp bù ảnh hưởng
3.4.1 Khái quát chung
3.4.2 Cấu trúc điều khiển lưu lượng:
3.4.3 Nâng cao chất lượng mạch vòng điều chỉnh
Trong hệ điều khiển quá trình chúng ta quan sát thấy van được sử dụng nhiềutrong sản xuất và trong quá trình làm việc hiện tượng Stiction valve thường xảy ra do
+ Flow Rate
Set Point
+
Controller Output
Valve Poistion
Disturbance
Controller Valve
Stiction Model
Set Point+
Controller Output
Valve Poistion
Disturbance
Controller Valve
Stiction Model
Flow Dynamics
Trang 13sụt áp trên van, hệ số khuếch đại thay đổi Stiction ngăn cản chất lượng của quátrình điều khiển cũng như chất lượng của van điều khiển Ảnh hưởng của hiện tượngnày đến hệ điều khiển quá trình được đưa ra bởi hình (3-28) Như vậy, vấn đề đặt ra
là nâng cao chất lượng mạch vòng điều chỉnh thì ta phải giảm tối đa ảnh hưởng củaStiction đến van
Hình 3-29 Ảnh hưởng của hiện tượng stiction đến hệ điều khiển quá trình [13] 3.4.3.1 Phương pháp knocker
Phương pháp của Hagglund (2002) đề xuất cộng thêm một xung ngắn(knocker) bù thêm vào tín hiệu điều khiển
Hình 3-30 Cấu trúc phương pháp Knocker [10]
Trang 14Stictionvalve process
PI
uc(t)
)
1 1(
s T
Hình 3-32 Cấu trúc của phương pháp bù
Nhiệm vụ của phương pháp: Dùng bộ điều khiển PI để khử các nhiễu tácđộng, để tín hiệu điều khiển thực tế đạt được như mong muốn: ucr = uc(t)
Kết luận chương 3
Trang 15Chương 4 MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH VAN ĐIỀU CHỈNH TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Sự có mặt của tính phi tuyến như Stiction, dải chết và khe hở trong van điềukhiển làm giới hạn chất lượng của mạch vòng điều khiển Stiction là vấn đề phổ biếnnhất trong van kiểu màng - lò xo mà được sử dụng rộng rãi trong quá trình côngnghiệp Do đó, nội dung trình bày dưới đây đưa ra các sơ đồ cấu trúc, mô hình môphỏng và kết quả mô phỏng đặc tính của van và đưa ra phương pháp tăng hiệu suấtquá trình cũng như chất lượng của van
4.1 Tham số mô phỏng
Tham số bộ điều chỉnh được đưa ra để điều khiển lưu lượng và điều khiểnmức được mô phỏng trên Matlab-Simulink:
Tham số bộ điều chỉnh:
Hệ số tỷ lệ Kp Thời gian tích phân Ti (phút)
4.2 Kết quả mô phỏng
4.2.1 Mô phỏng đặc tính Stiction valve điều khiển
Do ảnh hưởng của hiện tượng Stiction nên quan hệ giữa đầu vào và đầu raqua cơ cấu chấp hành là phi tuyến Stiction gây ra hiện tượng struct, stickband vàslip-jump khi đầu vào thay đổi
Mô phỏng đặc tính Stiction valve điều khiển bằng dữ liệu
Hình 4-2 Mô hình mô phỏng stiction valve
Kết quả mô phỏng
Trang 16Hình 4-3 Mô phỏng hiện tượng Stiction valve [8]
Từ kết quả mô phỏng trên, ta thấy hiện tượng dải chết (deadband) cộng vớidải giữ (Stickband) và trượt nhảy (Slip-jump) thể hiện rõ ràng Sự xuất hiện củachúng làm giảm sự di chuyển chính xác của van, ví dụ: cần van có thể không đápứng tín hiệu đầu ra từ bộ điều khiển hoặc bộ định vị van Deadband và stickband giữgiá trị đầu ra không thay đổi trong một khoảng của đầu vào cho đến khi đầu vào đạtmột giá trị nhất định thì sẽ gây đột biến lớn ở giá trị đầu ra (slip-jump)
4.2.2 Mô phỏng hệ điều khiển quá trình với mô hình van lý tưởng
Đặc tính lưu lượng lý tưởng là đặc tính lưu lượng có được với điều kiện độchênh áp suất trước và sau van điều chỉnh không đổi khi lưu lượng thay đổi
Hình 4-4 Sơ đồ khối mô phỏng matlab/ Simulink điều chỉnh lưu lượng
Hình 4-5 Sơ đồ khối mô phỏng matlab/ Simulink điều chỉnh mức
