Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển đa biến đối tượng công nghiệp

Các đại lượng cần quan tâm trong một quá trình công nghệ trước hết là các biến liên tục và tương tự, đặt ra các yêu cầu đặc trưng cho khả năng chuyển đổi và xử lý tín hiệu của các thiết

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ VĂN LINH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN

ĐA BIẾN ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành : Điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS Nguyễn Huy Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu thực sự của tôi Ngoài các tài liệu đã liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo, tôi đảm bảo không sao chép các công trình hoặc thiết kế của người khác

Hà Nội, ngày…… tháng…… năm 2015 Người thực hiện

Vũ Văn Linh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 1

LỜI NÓI ĐẦU 4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 5

1.1 Các khái niệm cơ bản trong điều khiển quá trình 5

1.1.1 Quá trình và các biến quá trình 5

1.1.2 Phân loại quá trình 6

1.1.3 Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình 7

1.1.4 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 8

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

1.2.1 Thiết bị đo 11

1.2.2 Thiết bị chấp hành 16

1.2.3 Thiết bị điều khiển 20

Chương 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIỂN 21

2.1 Mục đích và ý nghĩa của việc xây dựng mô hình thí nghiệm 21

2.2 Mô hình hóa đối tượng 22

Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN 28

3.1 Cách sách lược điều khiển đơn biến 29

3.1.1 Sách lược điều khiển truyền thẳng 29

3.1.2 Sách lược điều khiển tầng 31

3.1.3 Sách lược điều khiển phản hồi 32

3.1.4 Sách lược điều khiển tỉ lệ 34

3.2 Điều khiển đa biến 34

3.2.1 Bộ điều khiển tập trung 35

3.2.2 Bộ điều khiển phi tập trung 42

3.3 Tính toán bộ điều khiển đa biến phi tập trung 43

3.3.1.Ma trận hệ số tương tác(RGA) 43

3.3.2 Điều khiển tách kênh 47

Chương 4: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN 51

KẾT LUẬN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 11

Hình 3.7 Cấu trúc bộ điều khiển đa biến phi tập trung 43

Hình 4.5 Đáp ứng quá độ đầu vào V đến đầu ra XB 60

Hình 4.18 Đáp ứng của XB, XD khi có khâu bù nhiễu 73

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, những ngành công nghiệp như năng lượng và hóa chất là những ngành cần được ưu tiên chú trọng đầu tư và phát triển cả về trang thiết bị và công nghệ Và với xu thế tất yếu đó, lĩnh vực điều khiển quá trình đã và đang chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp Việc học tập và thực nghiệm về điều khiển quá trình thực sự là rất cần thiết đối với các kỹ sư ngành điện - tự động hóa Tuy nhiên, các hệ thống điều khiển quá trình thường rất phức tạp và tốn kém, nên việc điều khiển các quá trình công nghiệp thường gặp nhiều khó khăn Từ nhu cầu thực nghiệm đó, tôi đã tìm hiểu và thực hiện đề tài này

Trong luận văn , tôi đã đi sâu tìm hiểu về điều khiển quá trình và thực hiện

đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển đa biến đối tượng công nghiệp” Nội

dung luận văn chia làm 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

Chương 2: Mô tả toán học một hệ thống điều khiển quá trình đa biến Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển đa biến

Chương 4: Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến

Để hoàn thành được luận văn trên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến

thầy giáo TS Nguyễn Huy Phương, người luôn tận tình hướng dẫn chỉ bảo tôi

trong quá trình làm luận văn Tuy nhiên do còn hạn chế của bản thân nên chắc chắn luận văn của tôi còn nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp của thầy

cô để luận văn được hoàn chỉnh

Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Người thực hiện

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1.1 Các khái niệm cơ bản trong điều khiển quá trình

Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

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

qua các biến quá trình

Hình 1.1 Quá trình và phân loại các biến quá trình

Một 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,…

Một 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 sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao

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 Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị.„

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 thiên vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay

gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi 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 cần nâng, thành phần nhiên liệu,… Còn

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:

 Phân loại 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 Hầu hết quá trình công nghệ đều đa biến

 Phân loại dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình

thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc, quá trình

mẻ

1.1.3 Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình

 Quy mô ứng dụng: Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá trình có quy mô vừa và lớn Quy mô ở đây có thể được hiểu theo hai nghĩa, quy mô về phạm vi chức năng điều khiển cần thực hiện và quy mô về mặt tổ chức sản xuất

 Chức năng điều khiển: Bài toán điều chỉnh là chức năng tiêu biểu và quan trọng nhất trong một hệ thống điều khiển quá trình Các đại lượng cần quan tâm trong một quá trình công nghệ trước hết là các biến liên tục

và tương tự, đặt ra các yêu cầu đặc trưng cho khả năng chuyển đổi và xử

lý tín hiệu của các thiết bị đo, điều khiển và chấp hành 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 tính thời gian thực của hệ thống Phần lớn các đại lượng đặc trưng của quá trình công nghệ diễn biến tương đối chậm nên các phương pháp điều khiển không cần yêu cầu cao

về thời gian thực nhưng phải là các phương pháp rất tin cậy và đã được kiểm chứng nhiều trong thực tế

 Yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng Yêu cầu cao về độ tin cậy làm tăng chi phí đầu tư cho giải pháp điều khiển, mặc dù vậy chi phí này chỉ chiếm một phần nhỏ so với cả hệ thống thiết bị cơ - điện và thiết bị công nghệ

 Khả năng vận hành và điều khiển của quá trình: Khả năng vận hành của một quá trình công nghệ liên quan tới thiết kế công nghệ và các điều kiện 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 Đặc biệt, các quá trình công nghệ hiện đại thường được thiết kế tối ưu về mặt an toàn, tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư, nhưng lại gây khó khăn cho việc thiết kế điều khiển

 Mô hình không chính xác: Các quá trình công nghệ đều là các đối tượng MIMO, chứa đựng nhiều quan hệ vật lý, hóa học hoặc sinh học rất phức tạp nên việc xây dựng mô hình toán học gặp rất nhiều khó khăn Việc tiến hành thực nghiệm cũng không phải dễ dàng do liên quan tới vận hành hệ thống lớn và chi phí rất tốn kém Do vậy các mô hình toán học nếu có được thì 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 và chức năng điều khiển quá trình

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 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

Tại sao việc vận hành ổn định một quá trình lại có vai trò quan trọng như vậy?

Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng vật chất hoặc năng lượng, dẫn đến đảm bảo yêu cầu về chế độ làm việc của các thiết bị Thứ hai, hệ thống vận hành ổn định đồng nghĩa với tín hiệu điều khển được giữ cố định hoặc ít thay đổi Vì vậy, các thiết bị chấp hành ít phải làm việc hoặc ít phải thay đổi chế độ làm việc, tuổi thọ máy móc

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 ít phải can thiệp và việc vận hành hệ thống trở nên thuận tiện, an toàn hơn

 Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự

cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp sự cố

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 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

 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 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 Theo đó, diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng

 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 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 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

 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

1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa nhưng chúng đều dựa

trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển:

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

1.2.1 Thiết bị đo

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

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo

Một cảm biến (sensor) có chức năng chuyển đổi một đại lượng vật lý (ví dụ

như nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, nồng độ) sang một tín hiệu khác, thông

thường là điện hoặc khí nén… Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là một bộ

chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn ví dụ như 1-10V, 0-20mA, 20mA, RS485, tín hiệu bus trường…, trong số đó tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế

4-Hình 1.4 Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp

Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào các yếu

tố đặc tính vận hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học:

 Đặc tính vận hành bao gồm các chi tiết về khả năng đo, chi tiết vận hành

và tác động môi trường

 Đặc tính tĩnh liên quan tới độ chính xác của một thiết bị đo trong điều

kiện phòng làm việc với đại lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm Thực chất, thiết bị đo cũng là một khâu động học, vì vậy đặc tính tĩnh phản ánh quan hệ giữa đại lượng đo đầu vào và tín hiệu đầu ra ở trạng thái xác lập

 Đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào và tín hiệu

ra theo thời gian, liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay đổi nhanh

a Đặc tính vận hành

 Phạm vi đo và dải đo:

Phạm vi đo (range) là phạm vi giá trị danh định của đại lượng đo mà một thiết bị đo được sử dụng theo quy định, được xác định bởi giới hạn trên

và giới hạn dưới Giới hạn dưới còn được gọi là điểm không

Dải đo (span) là khoảng cách giữa giới hạn trên và giới hạn dưới của phạm vi đo

 Độ phân giải (resolution):

Khi giá trị của một biến đo biến thiên liên tục trong phạm vi đo, một số thiết bị đo cho tín hiệu ra thay đổi một cách rời rạc thay vì liên tục Khi

đó một bước thay đổi của tín hiệu ra chính là độ phân giải của thiết bị

đo Khi kích cỡ các bước thay đổi không cố định thì bước thay đổi lớn

nhất được gọi là độ phân giải cực đại

 Độ tin cậy:

Độ tin cậy (reliability) của một thiết bị đo là xác suất mà thiết bị hoạt động tốt qua một khoảng thời gian trong một số điều kiện quy định chuẩn Các điều kiện tin cậy bao gồm giới hạn môi trường làm việc, độ vượt phạm vi và độ lệch đầu ra cho phép Giới hạn quá phạm vi là độ quá phạm vi tối đa một thiết bị đo chịu đựng được mà không dẫn tới hư hỏng hoặc thay đổi đặc tính đo một cách vĩnh viễn

 Tác động của môi trường:

Điều kiện làm việc của một thiết bị đo bao gồm nhiệt độ và áp suất bên ngoài, áp suất dòng chảy, cá trường điện từ, gia tốc, độ rung và vị trí lắp đặt

Giới hạn làm việc là phạm vi các điều kiện làm việc mà không gây ra hư hỏng thiết bị

b Đặc tính tĩnh

 Sai số và độ chính xác:

Sai số đo là sai lệch giữa giá trị quan sát được với giá trị thực của đại lượng đo Sai số đo thường gồm hai thành phần là sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống Sai số ngẫu nhiên do đặc tính bất định của thiết bị hoặc

do tác động của nhiễu tức thời Sai số hệ thống có nguyên nhân từ các đặc tính vận hành và tính phi tuyến của thiết bị

Độ chính xác là mức độ phù hợp của đầu ra của một thiết bị đo với giá trị thực của đại lượng đo xác định bởi một số tiêu chuẩn, đước đánh giá thông qua thử nghiệm với một quy trình đặc biệt trong điều kiện quy chuẩn

 Dải chết và độ trễ:

Dải chết của một thiết bị đo là thay đổi nhỏ nhất của đại lượng đo theo chiều ngược lại mà thiết bị đo có thể đáp ứng với tín hiệu đầu ra thay đổi Dải chết còn được gọi là ngưỡng nhạy

Độ trễ là sự khác nhau trong đáp ứng ra với cùng thay đổi đầu vào nhưng theo hai chiều khác nhau

 Tính trung thực và khả năng tái tạo:

Tính trung thực hay còn gọi là khả năng lặp lại của một thiết bị đo là độ lệch lớn nhất của giá trị quan sát được sau nhiều lần lặp lại so với giá trị trung bình của một đại lượng đo

Khả năng tái tạo được xác định là khoảng cách lớn nhất giữa các đầu ra cho cùng một đầu vào, thử nghiệm trong một khoảng thời gian dài với các giá trị đo biến thiên theo cả hai chiều Khả năng tái tạo bao hàm khả năng lặp lại, dải chết, độ trễ và độ trôi

 Độ tuyến tính:

Một thiết bị đo lý tưởng cho tín hiệu ra tuyến tính với đại lượng đo đầu vào, tức độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị đại lượng đo và chiều tăng giảm của đại lượng đo cho toàn phạm vi đo Quan hệ vào-ra của một thiết bị đo tuyến tính được thể hiện qua phương trình đặc tuyến:

y = km (x- xmin) + ymin = kmx + yo (1.1)

Trong đó:

ymin : Điểm không của tín hiệu đo

Độ nhạy hay hệ số khuếch đại tĩnh của một thiết bị đo tại một giá trị đo

là tỉ lệ giữa thay đổi tín hiệu ra và thay đổi đại lượng đầu vào tương ứng

ở trạng thái xác lập

Thực tế, bất cứ một thiết bị đo nào cũng là phi tuyến Các hiện tượng phi tuyến bao gồm độ nhạy biến thiên, độ trễ và dải chết Tuy nhiên ở một chừng mực nào đó, trong một dải làm việc nào đó người ta có thể coi đặc tính của một thiết bị đo là tuyến tính Mức độ gần với đặc tính tuyến tính

lý tưởng được gọi là độ tuyến tính

c Đặc tính động học

Khi giá trị đại lượng đo ít thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tín hiệu đo chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu vào và ta chỉ cần quan tâm tới đặc tính tĩnh của thiết bị đo Tuy nhiên, tín hiệu đầu ra sẽ không thể đáp ứng ngay với sự thay đổi tương đối nhanh của đại lượng đo Quan hệ phụ thuộc của tín hiệu đầu ra vào cả đại lượng đo

và biến thiên thời gian được gọi là đặc tính động học của thiết bị đo

Đặc tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể biểu diễn bằng một khâu quán tính bậc nhất:

( )1

m m

là nhiễu đo

Hình 1.5 Đáp ứng quá độ tiêu biểu của một thiết bị đo

Thời gian đáp ứng của thiết bị đo là thời gian mà tín hiệu ra của đáp ứng quá

độ lần đầu tiên đạt được một tỷ lệ phần trăm theo quy định so với giá trị xác lập, thông thường là 95%-98% Thời gian đáp ứng càng nhỏ, động học của thiết bị càng nhanh và sai số động của phép đo càng nhỏ

1.2.2 Thiết bị chấp hành

Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) có chức năng can thiệp tới biến điều khiển theo tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển được gọi là phần tử điều khiển (control element) Phần tử điều khiển được truyền năng lượng, truyền động từ cơ cấu chấp hành (actuator) Thông qua thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật 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 và quan trọng nhất

a Cấu trúc cơ bản của van điều khiển

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

Hình 1.6 Cấu trúc của một thiết bị chấp hành

Phần thân van cùng với các phụ kiện được gắn vào đường ống, đóng vai trò

là phần tử điều khiển Độ mở van và lưu lượng qua van được xác định bởi hình dạng và vị trí chốt van

Phần lớn van điều khiển trong công nghiệp được cấp nguồn khí nén, song một số nguồn năng lượng khác như điện, điện tử hoặc thủy lực cũng có thể được sử dụng

Hình 1.7 Một số hình ảnh van điều khiển công nghiệp

b Đặc tính dòng chảy

Đặc tính dòng chảy của van là quan hệ giữa lưu lượng qua van và độ mở van

ở trạng thái xác lập khi xét độ mở van thay đổi từ 0 đến 100% giá trị danh định, bao gồm đặc tính dòng chảy cố hữu và đặc tính dòng chảy lắp đặt

Đặc tính dòng chảy cố hữu của van là quan hệ tĩnh giữa lưu lượng qua van và độ

mở van trong điều kiện áp suất sụt qua van không đổi Đặc tính cố hữu của van chỉ phụ thuộc vào kích cỡ van và thiết kế chốt van Đối với chất lỏng ở chế độ chảy dòng ta có công thức:

F : Lưu lượng thể tích của chất lỏng qua van

P

 : Áp suất sụt qua van

C v : Hệ số cỡ van

g s : Trọng lượng riêng của chất lỏng

f(p) : Phần lưu lượng ở độ mở van p so với lưu lượng tối đa

Dựa vào hàm f(p) người ta phân biệt các loại đặc tính dòng chảy sau:

 Đặc tính tuyến tính (Linear, f = p): Khi P cố định, lưu lượng qua van tỉ

lệ tuyến tính với độ mở van

 Đặc tính mở nhanh (Quick Opening, f  p ): Khi P cố định, lưu lượng qua van tỉ lệ tuyến tính với căn bậc hai của độ mở van

 Đặc tính phần trăm bằng nhau (Equal Percentage, p 1

f   ): Khi P cố định, độ mở van tăng lên cùng một lượng thì lưu lượng qua van tăng lên với một tỉ lệ phần trăm bằng nhau so với giá trị hiện tại thông thường α

có giá trị từ 20 đến 50

Hệ số khuếch đại cố hữu của van là tỉ lệ giữa lưu lượng qua van và độ mở van khi

áp suất qua van không đổi Khi độ mở van tăng lên thì hệ số khuếch đại cố hữu của van mở nhanh giảm dần, van phần trăm bằng nhau tăng dần và của van tuyến tính không thay đổi

Hình 1.8 Các đặc tính dòng chảy cố hữu

Đặc tính dòng chảy lắp đặt là đặc tính thực tế khi van được lắp đặt, nghĩa là còn

phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác gây thay đổi sụt áp qua van

v v

Việc xác định hệ số khuếch đại kv và hằng số thời gian τv của van có thể tiến hành

từ thực nghiệm Hằng số thời gian τv của van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp hành, thông thường τv có giá trị khoảng một vài giây, đối với van cỡ lớn có thể tới 10-15 giây Nếu van được định cỡ tốt thì ta có thể coi kv là hằng số trong toàn dải làm việc Tuy nhiên, trong trường hợp bản thân quá trình có tính phi tuyến mạnh ta

có thể tính toán sao cho tính phi tuyến của van bù lại tính phi tuyến của quá trình,

có nghĩa là tích hệ số khuếch đại của van và hệ số khuếch đại của quá trình gần như không đổi

1.2.3 Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp

Hình 1.9 Cấu trúc cơ bản của 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, các thiết bị điều khiển có thể chia làm 3 loại: thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển số

và thiết bị điều khiển logic

Chương 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

QUÁ TRÌNH ĐA BIỂN

2.1 Mục đích và ý nghĩa của việc xây dựng mô hình thí nghiệm

Ngày nay, điều khiển quá trình đã và đang giữ một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp 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 Do đó việc học tập và thực nghiệm về điều khiển quá trình trong nhà trường là rất cần thiết Tuy nhiên, các hệ thống điều khiển quá trình thường rất lớn, phức tạp và tốn kém, việc thực nghiệm trong nhà trường thường gặp nhiều khó khăn Việc xây dựng

ra mô hình bàn thí nghiệm sẽ giúp cho người thiêt kế có điều kiện được thực hành, kiểm nghiệm lại các lý thuyết đã được học

Với mô hình bàn thí nghiệm, chúng ta có cơ hội được thấy và tìm hiểu các thiết bị trong thực tế như cảm biến, van điều khiển, van động cơ… cũng như hiểu được nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển và sự kết nối trong toàn hệ thống Đồng thời mô hình thí nghiệm giúp cho ta nắm được các bước tiến hành trong quá trình thực nghiệm tương ứng với quá trình làm việc trong thực tế sản xuất như: khảo sát đặc tính thực nghiệm của đối tượng điều khiển từ đó lựa chọn các phương pháp điều khiển và hiệu chỉnh các tham số bộ điều khiển

Trong thực tế, các quá trình thường tồn tại với dạng mô hình đa biến (MIMO), có nghĩa là có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra Khi đó, vấn đề nảy sinh là việc thay đổi một đầu vào sẽ có thể ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ các đầu ra khiến cho việc điều khiển gặp rất nhiều khó khăn Để hạn chế những ảnh hưởng đó (còn gọi là sự xen kênh), ta cần nghiên cứu một sách lược điều khiển mới, có tác dụng làm giảm sự xen kênh khiến cho việc điều khiển đa biến trở nên dễ dàng hơn Đó chính là sách lược điều khiển sử dụng bộ decoupler (bộ tách kênh) Với mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình đa biến, chúng ta có điều kiện để nghiên cứu các quá trình phức tạp, tìm hiểu và áp dụng các thuật toán tách kênh mới

2.2 Mô hình hóa đối tượng

Đối tượng nghiên cứu của chúng ta là bình trộn với các biến vào ra được thể hiện như hình vẽ :

Hình 2.1 Các biến quá trình của đối tượng bình trộn

Từ mô hình trên ta thấy, đối tượng bình trộn có các biến quá trình như sau: Biến điều khiển:

 F1: lưu lượng nước nóng chảy vào bình (ml/s)

 F2: lưu lượng nước lạnh chảy vào bình (ml/s)

Biến cần điều khiển:

 T3: nhiệt độ nước ấm ra khỏi bình (oC)

 h: mức nước trong bình trộn (cm)

Nhiễu quá trình:

 T1: nhiệt độ nước nóng từ bình nóng lạnh (oC)

 T2: nhiệt độ nước lạnh từ nguồn nước ( nhiệt độ môi trường ) (oC)

 F3: lưu lượng nước ấm ra khỏi bình trộn (ml/s)

Các phương trình cân bằng:

 Phương trình cân bằng khối lượng:

Với A là diện tích đáy bình (cm2)

(3.2) Đối tượng thực tế trong mô hình là rất phức tạp nên để đơn giản trong đồ án này ta dùng phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

Phương trình (3.1) được viết dưới dạng sau :

̇ Biến đổi Laplace:

̇ (

) Tại điểm cân bằng thì

̇

̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅

Tại điểm cân bằng ta có ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ và ̅ ̅ ̅nên

̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ Chia 2 vế cho ̅ ta được:

( ̅ ̅ ) ( ̅ ̅

̅ ) ( ̅ ̅

̅ ) ̅

̅ ̅

̅

Với :

̅ ̅ ̅

̅ ̅ ̅

̅ ̅

̅ ̅

̅ ̅ Tổng kết lại ta thu được hai phương trình như sau:

Nếu viết dưới dạng vecto, ta đặt:

[ ] [ ] [

] Viết dưới dạng với:

Hình 2.2 Mô hình bình trộn

b Các đối tượng khác

Ngoài đối tượng chính là bình trộn, mô hình thí nghiệm còn có các đối tượng khác như : thiết bị đo, van điều khiển, đường ống nước Ta xấp xỉ hàm truyền các đối tượng này về dạng khâu quán tính bậc nhất có trễ :

 Hàm truyền của thiết bị đo nhiệt:

Với

* K t3 là hệ số khuếch đại tĩnh của thiết bị đo nhiệt

* T t3 là hằng số thời gian của thiết bị đo nhiệt

* θ t3 là độ trễ của thiết bị đo nhiệt

 Hàm truyền thiết bị đo mức:

Với

* K muc là hệ số khuếch đại tĩnh của thiết bị đo mức

* T muc là hằng số thời gian của thiết bị đo mức

* θ muc là độ trễ của thiết bị đo mức

 Hàm truyền van điều khiển:

Với

* K v là hệ số khuếch đại tĩnh của van

* T v là hằng số thời gian của van

* θ v là độ trễ của van

 Hàm truyền ống:

Với

* K o là hệ số khuếch đại của ống

* T o là hằng số thời gian của ống

* θ o là độ trễ của ống

Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN

Một hệ thống công nghiệp thông thường gồm nhiều biến đầu vào, nhiều biến đầu ra gọi là hệ thống đa biến Đặc trưng quan trọng nhất của hệ thống đa biến là khả năng ảnh hưởng lẫn nhau giữa các biến hay sự tương tác lẫn nhau giữa các biến Một biến đầu vào ( biến điều khiển) có thể tác động đến nhiều biến đầu ra ( biến cần điều khiển) hoặc ngược lại một biến đầu ra có thể chịu tác động của nhiều biến đầu vào Vì vậy ta có thể coi một hệ thống đa biến là tập hợp nhiều hệ SISO nếu như không có được sự tác động qua lại lẫn nhau giữa các biến

Phân tích một mô hình bình trộn ở chương II

Để đảm bảo hệ thống ổn định nghĩa là ta phải ổn định các biến đầu ra của quá trình Cụ thể ở mô hình trên là ổn định nhiệt độ nước và mức nước trong bình trộn Ta nhận thấy cả hai biến đầu ra của quá trình (nhiệt độ và mức nước) đều bị ảnh hưởng lớn từ các biến đầu vào Lưu lượng nước nóng tăng hay giảm đều ảnh hưởng mạnh đến nhiệt độ và mức nước ở trong bình trộn, và tương tự như vậy đối với lưu lượng nước lạnh Đây là một bài toán điều khiển đa biến điển hình với sự tác động qua lại xen kẽ giữa các biến

Sau khi đã xác định được các biến điều khiển, các biến đầu vào, công việc tiếp theo là ta phải lựa chọn được những cấu trúc và sách lược điều khiển cụ thể Mỗi đối tượng cụ thể cần có một cấu trúc điều khiển phù hợp nhất và cấu trúc đó là một hoặc nhiều sách lược cơ bản kết hợp với nhau Một số sách lược cơ bản là :

chỉ có một đầu ra nhưng có thể có một hoặc nhiều biến đầu vào và dùng để điều khiển một biến quá trình Vấn đề quan trọng của cấu hình điều khiển đơn biến là sự tác động qua lại giữa các vòng điều khiển Cấu hình đơn biến được sử dụng ở hầu hết các giải pháp điều khiển quá trình bởi hai lý do :

- Điều khiển đơn biến cho phép sử dụng tối đa các hiểu biết về quá trình công nghệ và đưa ra sách lược điều khiển hợp lý

- Điều khiển đơn biến khá đơn giản và đã được kiểm chứng trong nhiều ứng dụng thực tế Nếu cấu hình này thỏa mãn các mục tiêu đặt ra về tính năng kỹ thuật và hiệu quả kinh tế thì không có lý do gì để ta thay đổi hướng giải quyết vấn đề

3.1 Cách sách lược điều khiển đơn biến

3.1.1 Sách lược điều khiển truyền thẳng

Tư tưởng của điều khiển truyền thẳng

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển truyền thẳng

Ta thấy giá trị biến điều khiển được tính toán thông qua các biến nhiễu Nếu như nhiễu đo được với đáp ứng của đối tượng với đầu vào cũng như nhiễu đã biết trước, bộ điều khiển chỉ cần thực hiện thuật toán bù sao cho giá trị biến cần điều

Đặc điểm cơ bản của bộ điều khiển truyền thẳng là số biến nhiễu quá trình được đo và đưa đến bộ điều khiển Dựa vào các giá trị đo được cùng với giá trị đặt

bộ điều khiển sẽ tính toán đưa ra giá trị cho biến điều khiển mà không cần phải đo giá trị đầu ra

Đo nhiễu quá trình d, tính toán u sao cho y ≈ r mà không cần đo y

Nhược điểm của điều khiển truyền thẳng :

- Phải đặt thiết bị đo nhiễu

- Với những loại nhiễu không đo được thì không loại trừ được

- Bộ điều khiển truyền thẳng khá nhạy cảm với sai lệch mô hình Nó không làm giảm ảnh hưởng của sai lệch mô hình đối tượng cũng như sai lệch nhiễu đến chất lượng điều khiển

- Không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định

- Bộ điều khiển lý tưởng có thể không ổn định được hoặc không thực hiện được

Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng: Mặc dù có nhiều nhược điểm nhưng điều khiển truyền thẳng vẫn được sử dụng rộng rãi vì có tác động nhanh, cho phép loại bỏ đáng kể ảnh hưởng của nhiễu cũng như không để nhiễu tác động xấu đến quá trình điều khiển Nó rất thích hợp với các bài toán đơn giản, yêu cầu chất lượng điều khiển không cao Thông thường điều khiển truyền thẳng thường

sử dụng kết hợp với điều khiển phản hồi để cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ kín :

Bù nhiễu đo được (chủ yếu là bù tĩnh), lọc trước tín hiệu chủ đạo

3.1.2 Sách lược điều khiển tầng

Đây là hệ điều khiển có khả năng loại bỏ nhiễu cấu trúc, nó được ứng dụng

để điều khiển các công đoạn trong sản xuất công nghiệp Các công đoạn cần thiết phải điều chỉnh đồng thời các tham số như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm,… Trong từng giai đoạn tạo thành sản phẩm thường chọn biến quá trình quyết định tới chất lượng sản phẩm Biến quá trình chính thường bị ảnh hưởng bởi các biến quá trình phụ (được coi là nhiễu) Cấu trúc điều khiển tầng nhằm loải bỏ các nhiễu ảnh hưởng lên biến quá trình chính

Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển tầng

Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển tầng

Trong cấu trúc, ta thấy có 2 nhiễu trong đó giá trị nhiễu 1 ảnh hưởng trực tiếp đến biến quá trình chính, giá trị nhiễu 2 không loại trừ được nên không xét đến ( thông thường xuất hiện trong các công đoạn cuối của chu trình)

Cấu trúc phân tầng yêu cầu phải biết biến quá trình phụ (vòng trong) Yêu cầu của biến quá trình phụ là phải đo được bằng sensor, phần tử điều khiển cuối cùng được sử dụng để điều khiển quá trình chính cũng phải điều khiển biến quá trình phụ Các nhiễu ảnh hưởng đến biến quá trình chính cũng phải ảnh hưởng đến các biến quá trình phụ

Biến quá trình phụ phải nằm trong biến cơ sở trong cấu trúc điều khiển Vòng điều khiển phụ là một cấu trúc phản hối truyền thống

Trong điều khiển tầng ta cần chú ý:

- Bắt đầu cả hai bộ điều khiển chính và bộ điều khiển phụ phải được điều khiển bằng tay

- Chọn bộ điều khiển tỷ lệ cho vòng lặp trong ( chính) hoạt động theo nguyên tắc tích phân để tăng thời gian ổn định và điều khiển bù hiệu quả không cao đối với biến quá trình

- Bộ điều khiển tỷ lệ phụ sử dụng giá trị điểm đặt chuẩn, nhiệm vụ chính của nó là phản hồi lại lệnh điểm đặt từ bộ điều khiển sơ cấp Kiểm tra để chắc chắn thực hiện từ điểm đặt

- Để bộ điều khiển phụ tự động, nó trở thành một phần của quá trình chính Chọn

bộ điều khiển với hoạt động kết hợp cho mạch vòng sơ cấp ( thường sử dụng bộ điều khiển PI hoặc PID) Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế lọc bỏ nhiễu như là một công việc chính của bộ điều khiển sơ cấp

Với hai bộ điều khiển hoạt động tự động, việc điều khiển tầng đã hoàn thành

3.1.3 Sách lược điều khiển phản hồi

Điều khiển phản hồi dựa trên nguyên tắc đo liên tục biến được điều khiển rồi cho phản hồi thông tin lại cho bộ điều khiển để tính toán lại các giá trị của biến điều khiển dựa trên giá trị sai lệch của giá trị đặt và giá trị đo được phản hồi về Một vấn đề rất quan trọng của người thiết kế khi sử dụng sách lược điều khiển phản hồi là phải xác định được chiều tác động :

- Tác động thuận : Đầu ra của bộ điều khiển tăng khi khi biến được điều khiển tăng và ngược lại

- Tác động nghịch : Đầu ra của bộ điều khiển tăng khi khi biến được điều khiển giảm và ngược lại

Sự lựa chọn của chiều tác động phụ thuộc vào : Đặc điểm của quá trình ( quan

hệ của biến được điều khiển và biến điều khiển ), kiểu tác động của van điều khiển ( chiều van điều khiển )

Cấu hình của sách lược điều khiển phản hồi:

Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển phản hồi 1

Cấu hình trên đáp ứng với giá trị đặt và đáp ứng với nhiễu có rằng buộc với nhau, vì vậy không thể thiết kế bộ điều khiển độc lập hoàn toàn theo mong muốn Cấu hình thứ hai của điều khiển phản hồi

Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển phản hồi 2

Cấu hình trên đã cải thiện đáp ứng với việc thay đổi giá trị đặt bằng việc thiết kế thêm bộ điều khiển Kr(s)

Vai trò của điều khiển phản hồi

- Có thể làm ổn định một hệ thống không ổn định

- Khi nhiễu không đo được hoặc nhiễu bất định có thể được triệt tiêu nhờ nguyên

lý điều khiển phản hồi

- Mô hình đối tượng không chính xác, nên việc hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển chỉ

có thể thông qua việc quan sát diễn biến đầu ra

Nhược điểm của sách lược điều khiển phản hồi

- Một vòng điều khiển kín chứa một đối tượng không ổn định cũng có thể trở nên mất ổn đinh

- Để có chất lượng phản hồi tốt thì phép đo các đại lượng phản hồi phải đạt được

độ chính xác cần thiết Vì vậy bắt buộc phải bổ xung các cảm biến đo Thêm nữa sai số của các phép đo lớn thì chất lượng điều khiển cũng không đảm bảo nếu không có các thuật toán lọc nhiễu xác định

- Rất khó có thể có xây dựng được một bộ điều khiển phản hồi nếu không xây dựng được mô hình chính xác với quá trình

- Bộ điều khiển phản hồi đáp ứng chậm với nhiễu tải và khi thay đổi giá trị đặt

3.1.4 Sách lược điều khiển tỉ lệ

Sách lược điều khiển tỉ lệ thực chất là việc duy trì tỉ lệ giữa hai biến để điều khiển gián tiếp một biến thứ ba Thực chất đây là một dạng điều khiển truyền thẳng Sách lược điều khiển tỉ lệ được áp dụng rất nhiều trong các bài toán khác nhau

Điều khiển tỉ lệ là trường hợp đặc biệt của điều khiển truyền thẳng với các nhiễu đo được và bù theo nguyên tắc tỉ lệ Quan hệ giữa biến cần điều khiển và biến điều khiển thường là quan hệ tuyến tính Điều khiển tỉ lệ giúp cho việc thiết kế cấu trúc điều khiển đơn biến cho quá trình đa biến được đơn giản hơn, giảm tối thiểu sự tương quan chéo giữa các vòng điều khiển Thông thường ta thường kết bộ điều khiển tỉ lệ và điều khiển phản hồi Kết quá là giác trị đặt tỉ lệ được tính toán và điều chỉnh thường xuyên bởi một bộ điều chỉnh phản hồi

3.2 Điều khiển đa biến

Một hệ đa biến bao gồm nhiều biến vào, biến ra Như vậy một cấu hình điều khiển đa biến là phải giải quyết được rất nhiều bài toán tương tác giữa các vòng điều khiển Trên thực tế có hai phương pháp thực hiện là loại bỏ qua các quan hệ

tương tác hoặc tìm cách triệt tiêu sự tương tác giữa các vòng điều khiển bằng các khâu bù tách kênh Nếu bỏ qua các quan hệ tương tác giữa các vòng điều khiển, ta bắt buộc phải xác định được các cặp biến vào ra có quan hệ lấn áp, đưa bài toán điều khiển đa biến thành các bài toán điều khiển đơn biến, đây là phương pháp điều khiển phi tập trung Còn không bắt buộc ta phải xây dựng được các khâu tách kênh dựa trên hiểu biết về quá trình hoặc thông thường ta dựa vào các tính toán trên mô hình toán học

Cấu hình đa biến có nhiều ưu điểm như sau :

- Loại bỏ được một số biến trung gian ( nhiễu tải ) mà đáng nhẽ phải có trong quá trình đơn biến

- Quan hệ tương tác giữa các biến quá trình được thể hiện trong mô hình thiết

kế Vì thế ta không cần quan tâm đến cặp đôi tín hiệu vào ra cũng như thiết

kế các khâu tách kênh

Trong thực tế, có hai giải pháp để xây dựng bộ điều khiển đa biến Giải pháp thứ nhất là chỉ sử dụng một bộ điều khiển duy nhất (bộ điều khiển tập trung) Giải pháp thứ hai là sử dụng nhiều bộ điều khiển đơn ( bộ điều khiển không tập trung ) Sau đây ta sẽ lần lượt nghiên cứu hai giải pháp trên

3.2.1 Bộ điều khiển tập trung

Như ta đã nói ở trên, ta sẽ giải quyết quá trình đa biến chỉ bằng một bộ điều khiển duy nhất Đầu vào của bộ điều khiển bao gồm các giá trị đặt và các tín hiệu đo được ( bao gồm cả các nhiễu ) , đầu ra của bộ điều khiển là các tín hiệu điều khiển Dưới đây là cấu trúc điều khiển đa biến tập trung

Hình 3.5 Cấu trúc bộ điều khiển đa biến tập trung

Ưu điểm của bộ điều khiển tập trung :

Ưu điểm của bộ điều khiển đa biến tập trung là sự tương tác giữa các biến quá trình đã được quan tâm trong phương pháp thiết kế bộ điều khiển, loại bỏ các biến trung gian mà bình thường là nhiễu trong cấu trúc bộ điều khiển phi tập trung Tuy nhiên bộ điều khiển tập trung còn có nhiều hạn chế Thứ nhất là công việc xây dựng mô hình thường rất phức tạp và tốn nhiều thời gian, đồng thời mô hình quá trình yêu cầu phải tương đối chính xác Thứ hai độ tin cậy và chất lượng điều khiển không cao bởi vì không những nó phụ thuộc vào một bộ điều khiển duy nhất và còn phụ thuộc vào tính sẵn sàng của tất cả các tín hiệu đo và tín hiệu điều khiển Nếu trong quá trình thiết kế bộ điều khiển tập trung có sự cố hoặc nếu bất cứ tín hiệu truyền nào bị gián đoạn ( ví dụ tín hiệu phản hồi, nhiễu, ) thì tính toàn vẹn của cấu trúc điều khiển tập trung bị phá vỡ, độ tin cậy và chất lượng điều khiển của bộ điều khiển tập trung toàn hệ thống cũng không được đảm bảo Thứ ba, do gộp tất cả các sách lược điều khiển vào một bộ điều khiển duy nhất nên ta khó có thể tận dụng triệt để các yếu tố đặc thù của quá trình công nghệ Mỗi vòng điều khiển đơn cũng

có đặc điểm riêng và yêu cầu riêng về chất lượng điều khiển mà không đơn giản để

đưa chúng vào chung một bộ điều khiển tổng Thứ tư bộ điều khiển đa biến tập trung thực hiện trên nền tính toán số, cơ sở tính toán cho bộ điều khiển tập trung đa

số dựa trên một chu kỳ chích mẫu cố định, trong khi đó các biến quá trình lại có sự thay đổi trạng thái nhanh chậm khác nhau, chính vì vậy ta bắt buộc phải chọn chu

kỳ chích mẫu nhỏ nhất ứng với vòng điều khiển nhanh nhất, dẫn đến tình trạng phải tăng số lượng tính toán lên trong một khoảng thời gian ngắn mà chưa chắc đã hiệu quả và có chất lượng tốt hơn các vòng điều khiển chậm hơn Và nhược điểm cuối cùng của bộ điều khiển tập trung là sau khi đã thiết kế được bộ điều khiển, công việc hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển là cực kỳ khó khăn, bởi vì quan hệ giữa các tham số của bộ điều khiển để đạt được một chỉ tiêu chất lượng nào đó là không hề hiển nhiên Vì vậy khi ta muốn cải thiện chất lượng điều khiển theo một tiêu chí nào khác ( khi thiết kế bộ điều khiển) thì bắt buộc phải thiết kế lại toàn bộ

bộ điều khiển, thậm chí phải xây dựng lại mô hình tính toán

Một ví dụ cho bộ điều khiển tập trung là phương pháp điều khiển dự đoán sử dụng ma trận DMC

Hệ điều khiển ma trận DMC

Điều khiển đa biến phổ biến nhất là điều khiển mở rộng của điều khiển ma trận động Chúng ta phát triển DMC từ hệ vòng đơn và dùng máy tính để giải quyết tính toán trực tiếp bình phương nhỏ nhất giá trị tiên đoán của biến điều khiển được cực tiểu Phương pháp có thể mở rộng cho trường hợp nhiều biến Có thể mở rộng ma trận A thành các ma trận độc lập có quan hệ với tất cả các đầu vào và đầu ra Thông

số thực hiện có thể mở rộng bao gồm sai lệch trong tất cả các biến được điều khiển cộng với gia trọng di chuyển trong tất cả các biến điều khiển

Phương pháp DMC sử dụng toán thống kê và chuẩn bình phương nhỏ nhất để xác định giá trị tốt nhất của tham số Trong phương pháp DMC ta có NP điểm đáp ứng đầu ra tương lai kết hợp với một vài đường cong tối ưu bằng cách tìm ra giá trị tốt nhất của NC thay đổi về sau trong biến điều khiển

Hình 3.6 Cấu trúc hệ điều khiển ma trận DMC

Đó là cơ sở của vấn đề bình phương nhỏ nhất, điều chỉnh dữ liệu NP với hệ

số NC

Giả sử ta có NP dữ liệu điểm là giá trị của biến đo được x với giá trị coi như

đã biết của hai biến a1 và a2 Ta muốn giá trị của hai tham số m1 và m2 trong công thức

x(a1,a2)=(m1)a1 + (m2)a2 (3.2)

Thích hợp điểm dữ liệu nhất giá trị của x được tính từ công thức x Chỉ số hiệu suất là tổng bình phương sự khác biệt giữa NP điểm dữ liệu thực tế x1 và giá trị được tính toán từ công thức x i



  (3.4) Tại mỗi điể dữ liệu NP, giá trị của x, a1, a2 đã biết Vì vậy ta phải tìm các giá trị của

m1 và m2 để thõa mãn công thức (3.2)

Thế (3.3) vào (3.4) và lấy vi phân từng phần với hai giá trị tham số chưa biết là m1

và m2 sau đó đặt phương trình vi phân bằng 0 ta có :

+