TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển quá trình là một mảng lớn trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa, với một loạt các ứng dụng quan trọng trong công nghiệp chế biến, hóa chất, năng lượng … Thêm vào đ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Luận văn được hoàn thành tại: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đai Học Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học:

PGS TS Bùi Quốc Khánh

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Như Hiển

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Văn Liễn

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Phòng 202 – A8 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào 9 giờ 00 phút ngày 19 tháng 04 năm 2014

LỜI NÓI ĐẦU

Điều khiển quá trình là một mảng lớn trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa, với một loạt các ứng dụng quan trọng trong công nghiệp chế biến, hóa chất, năng lượng … Thêm vào đó, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và các yêu cầu mới của quá trình sản xuất, điều khiển quá trình đang ngày càng được quan tâm và phát triển

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cấp cơ sở của điều khiển quá trình là gồm các mạch vòng đơn biến Tuy nhiên trong công nghiệp sản xuất có rất nhiều các biến cần điều khiển, các mạch vòng đơn biến lại có sự tác động liên quan đến nhau,

có sự sen kênh giữa các mạch vòng, gây khó khăn cho quá trình điều khiển, ảnh hưởng đến năng suất cũng như chất lượng sản phẩm Khi thiết kế thiết bị công nghệ điều khiển người ta cố gắng hạn chế sự sen kênh, nhưng có 1 số các mạch vòng không thể hạn chế được người ta chấp nhận điều khiển đa biến

Vì vậy vấn đề nghiên cứu dể nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến là hết sức cấp thiết Xuất phát từ những yêu cầu thực

tế trên và bản thân tác giả mong muốn thiết kế được mô hình thí nghiệm phục vụ việc dạy và học ở Trường Cao Đẳng Nghề Phú Thọ, nơi mà học viên đang công tác Vì vậy học viên mạnh dạn chọn đề tài:

“Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến”

Với mong muốn tìm hiểu nghiên cứu để nâng cao chất lượng điều khiển trong điều khiển quá trình đa biến

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kỹ thuật điều khiển feedforward để nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến

b Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết quả thu được ta khảo sát thiết kế và cài đặt hệ điều khiển đa biến trong công nghiệp

3 Mục đích nghiên cứu:

- Phân tích được các tính chất cơ bản của hệ điều khiển đa biến

- Ứng dụng của kỹ thuật điều khiển tách kênh feedforward để nâng cao chất lượng hệ điều khiển đa biến

- Thiết kế và cài đặt được hệ điều khiển đa biến trong thí nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết

- Tham khảo các sách giáo khoa, giáo trình tài liệu… về hệ điều khiển quá trình đa biến

- Tìm hiều nghiên cứu về mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình, các thiết bị điều khiển …

Chương 1 Lý thuyết chung điều khiển quá trình đa biến

Chương 2 Giới thiệu mô hình thí nghiệm điều khiển đa biến

Chương 3 Nhận dạng và điều khiển hệ thống

Chương 4 Thiết kế nâng cao chất lượng điều khiển hệ đa biến

Chương 5 Kết quả thực nghiệm

Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc

bộ môn Điều khiển tự động và bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công

nghiệp trường Đại học KTCN Thái Nguyên, đặc biệt là thầy giáo PGS

TS Bùi Quốc Khánh cùng các cán bộ nhân viên trong trung tâm ứng

dụng công nghệ cao - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm luận văn

Do thời gian và năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ dạy

và đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn học viên để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 14 tháng 12 năm 2013

Học viên

Lê Hữu Thành

Chương 1 LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

ĐA BIẾN 1.1 Tổng quan về điều khiển quá trình

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 Khái niệm quá trình và các biến 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

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

qua các biến quá trình:

1.1.2 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

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

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)

1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc

và môi trường

Hình 1.5 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

1.3.1 Thiết bị đo

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

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo

Trong tất cả các hệ thống tự động, thiết bị tiếp nhận thông tin

về diễn biến của môi trường và về diễn biến của các đại lượng vật lý

(PM)

(CV) (CO)

bên trong hệ thống được gọi là cảm biến

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 (Transmitter) là một bộ chuyển đổi đo

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

4-1.3.2 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

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 1.7 Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành

1.3.3 Thiết bị điều khiển

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 1.9 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển

Chương 2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU

KHIỂN ĐA BIẾN 2.1 Giới thiệu về bàn thí nghiệm

2.1.1 Các thiết bị chấp hành

a) Van điều khiển CV (Control Valve)

Mô hình bàn thí nghiệm sử dụng 3 van điều khiển, là van điện

có chốt xoay hình trụ (ECV-250B-4X của hãng OMEGA)

b) Van từ (Solenoid Valve)

Mô hình thí nghiệm sử dụng 3 van từ SV6003 của hãng OMEGA

2.1.2 Các thiết bị đo

a) Thiết bị đo mức (LT- Level Transmitter)

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

b) Thiết bị đo nhiệt (TT- Temperature Transmitter)

Mô hình thí nghiệm sử dụng 3 nhiệt kế điện trở 4-60-2của hãng OMEGA

CF-000-RTD-c) Thiết bị đo lưu lượng

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

2.2 Giới thiệu phần mềm và thiết kế giao diện

Để lập trình cho bộ điều khiển, thiết kế giao diện cho người vận hành, kết nối bộ điều khiển với máy tính… ta cần sử dụng tới các phần mềm đi kèm với bộ điều khiển:

2.3 Cấu trúc điều khiển mô hình thí nghiệm

Mô hình là một hệ MIMO với 2 đầu vào là lưu lượng dòng nước nóng, nước lạnh và 2 đầu ra là nhiệt độ nước sau khi trộn và mức nước trong bình trộn

2.3.1 Cấu trúc tổng quan của mô hình thí nghiệm

2.3.2 Mô hình đối tượng điều khiển

a).Đối tượng bình trộn

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)

- Mức nước trong bình trộn : L (cm)

b).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

𝐺 𝑣 =∆𝐹

∆𝑢 = 𝐾𝑣

𝑇𝑣𝑠+1 𝑒 −𝜃𝑣.𝑠 (2.10) Trong đó:

 Kv: Hệ số khuếch đại tĩnh của van

 Tv: Hằng số thời gian của van

o Ko: Hệ số khuếch đại của ống Thường thì Ko =1

o To: Hằng số thời gian của ống

o θo: Độ trễ của ống

- Hàm truyền thiết bị đo mức:

𝐺𝐹𝑇 = 𝐾𝐹𝑇

𝑇𝐹𝑇𝑠+1 𝑒−𝜃𝐹𝑇 𝑠 (2.12) 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:

𝐺𝑇𝑇= 𝐾𝑇𝑇

𝑇𝑇𝑇𝑠+1 𝑒−𝜃𝑇𝑇 𝑠 (2.13) Trong đó:

o KTT : Hệ số khuếch đại tĩnh của thiết bị đo nhiệt

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

o θTT : Độ trễ của thiết bị đo nhiệt

2.4 Các vòng điều khiển

Từ mô hình thí nghiệm đã được xây dựng và yêu cầu của bài toán điều khiển, ta có thể thấy rằng trong mô hình có 2 vòng điều khiển đơn:

- Vòng điều khiển nhiệt độ T3: điều khiển và giữ ổn định nhiệt

độ của nước trong bình trộn Vòng điều khiển này được thực hiện nhờ việc điều khiển lưu lượng dòng nước nóng F1 thông qua điều khiển độ

mở của van điều khiển CV1

- 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

Chương 3 NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

3.1 Nhận dạng hệ thống

3.1.1 Nhận dạng tác động của dòng nóng đến nhiệt độ T3 (G11)

Thời gian chết (dead-time) : θ11 = 19(s)

Hằng số thời gian quán tính : T11 = 77.41(s)

Hệ số khuếch đại : K’11 = 37.94708

Vậy hệ số khuếch đại của hàm truyền G11 khi mở van CV1 từ 0% đến 50% là

Thời gian chết (dead-time) : θ12 = 24(s)

Hằng số thời gian quán tính : T12 = 50(s)

Vậy hệ số khuếch đại của hàm truyền G11 khi mở van CV1 từ 0% đến 40% là:

Hệ số khuếch đại :

22

0.10548

0.00263740

3.2 Nghiên cứu tác động xen kênh của hệ thống

3.2.1 Khi hệ thống chưa có bộ tách kênh De-coupler

Để thấy được ảnh hưởng của các tác động xen kênh, ta tiến hành mô phỏng hệ với các vòng điều khiển đa biến khi chưa có bộ tách kênh

3.2.2 Khi hệ thống có bộ tách kênh De-coupler

Ta xây dựng hệ thống dựa trên quá trình nhận dạng và đưa các tín hiệu điều khiển cho hệ thống để xem đáp ứng của hệ thống

3.3 Phân tích ảnh hưởng các tham số đến chất lượng hệ điều khiển

3.3.1 Xét ảnh hưởng của hệ số khuyếch đại xen kênh đến

sự tương tác

Ảnh hưởng qua lại của các mạch vòng được đặc trưng bởi hệ số khuyếch đại xen kênh Tuy nhiên mức độ tương tác giữa các mạch vòng còn phụ thuộc vào giá trị hệ số khuyếch đại này

3.3.2 Chỉnh định lại bộ điều khiển khi hệ số khuyếch đại tương tác nhỏ 0  1

Khi hệ số khuyếch đại tương tác nhỏ 0  1 người ta thường chấp nhận vận hành như hệ đơn biến bằng cách chỉnh định lại các bộ điều chỉnh

3.3.3 Xét ảnh hưởng các tham số của mạch vòng tương tác tới tác động xen kênh

Ngoài hệ số khuếch đại xen kênh  ảnh hưởng quyết định tới tác động xen kênh ta có các tham số khác của hàm truyền tương tác như hằng

số thời gian  21, 12 thời gian chết  12, 21 so với thời gian quá trình

11, 22

  và  11, 22

3.3.4 Điều khiển phân ly hệ đa biến

Khi hệ đa biến có tác động xen kênh lớn người ta dùng giải pháp điều khiển phân ly Tức là tách hệ đa biến n x n thành n hệ đơn biến độc lập với nhau Giải pháp điều khiển phân ly thường dùng là điều khiển feedforward Bản chất của giải pháp là coi các tín hiệu tác động xen kênh là nhiễu, ta quan sát được nhiễu đó tiên đoán tác động của nó

về thời điểm và mức độ để bù Có hai sơ đồ nguyên lý điều khiển phân

ly feedforward

3.3.5 Điều kiện điều khiển phân ly feedforward hệ đa biến

Điều kiện điều khiển phân ly feedforward hệ đa biến cũng tương tự như điều khiển feedforward nhiễu tải gồm:

- Quan sát ước lượng được tác động xen kênh

- Ứơc lượng được quá trình

- Thời gian chết của quá trình phải nhỏ hơn thời gian chết của tác động xen kênh

3.3.6 Ảnh hưởng của K p đối với vòng điều khiển

3.3.7 Ảnh hưởng của hằng số thời gian τ p tới vòng điều khiển 3.3.8 Ảnh hưởng của thời gian chết θp tới vòng điều khiển 3.3.9 Ảnh hưởng của KP khi loại bỏ tác động xen kênh

Kết luận: Có thể thấy rằng, khi có tác động của ảnh hưởng xen kênh

thì việc điều khiển trở nên rất khó khăn, đáp ứng đầu ra của quá trình

là không tốt với thời gian quá độ lớn 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 (De-coupler) 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 Do đó, việc thiết lập một bộ tách kênh để phân quá trình thành các vòng điều khiển đơn biến là một yêu cầu cần thiết

Chương 4 THIẾT KẾ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐA BIẾN

𝐺12𝐺21

𝐺11𝐺22=

−0,205835𝑠 + 1 𝑒−45𝑠

0,00155

𝑠 𝑒−21𝑠0,72

1(𝑇1+ 𝑇2)𝑠 + 1