Cơ sở điều khiển tự độngFundamentals of Control System

Cơ sở điều khiển tự động Fundamentals of Control System1 Topics: • Một số thuật ngữ cơ bản • Nguyên lý điều chỉnh tự động • Các mạch điều khiển cơ bản • Các mạch điều khiển nâng cao • Th

Trang 1

Cơ sở điều khiển tự động Fundamentals of Control System

1

Topics:

• Một số thuật ngữ cơ bản

• Nguyên lý điều chỉnh tự động

• Các mạch điều khiển cơ bản

• Các mạch điều khiển nâng cao

• Thuật toán điều khiển

• Hệ thống điều khiển

Trang 3

Là thiết bị/hệ thống diễn ra quá trình cần điều chỉnh -Any operation or sequence of operations involving a change in the substance being treated.

Examples:

A change of energy state - hot to cold, liquid to

gas

A change of composition - a chemical reaction

A change of dimension - grinding coal

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology

5

Thuật ngữ về điều khiển - Process Control Terminology

Thông số được điều chỉnh – Process Controlled Variable

Types of PROCESS CONTROLLED VARIABLE:

Pressure Specific Gravity of liquid

– Ví dụ: Mức nước trong bầu hơi; Vòng quay steam turbine

controlled variables - these are the variables which quantify the performance or quality of the final product, which are also called output variables.

Trang 4

Thông số điều chỉnh – Manipulated Variable

7

• Là thông số (đại lượng) cần thay đổi để duy trì thông

số được điều chỉnh như mong muốn

• Manipulated variables thường là các thông số đầu vào của đối tượng:

– Ví dụ: Lưu lượng nước cấp vào bầu nồi; Lưu lượng hơi cấp vào steam turbine

manipulated variables - these input variables are adjusted dynamically to keep the controlled variables at their set-points.

Tác động nhiễu – Disturbance Variable

Trang 5

A combination of instruments or functions that are interconnected to measure and control a process variable with feedback.

PROCESS

A System with Feedback

FINALCONTROL ELEMENT

MEASUREMENT

CONTROLLER

9

• Là tập hợp các thiết bị tạo nên tác động điều chỉnh đến đối tượng nhằm duy trì thông số điều chỉnh ở giá trị cần thiết (set point).

• Bộ điều chỉnh có thể theo nguyên lý mạch kín (Closed

loop/Feedback) hay mạch hở (Open loop control)

• Difference: Open loop control has no feedback

Trang 6

What is a SIGNAL ?

• Hệ thống tự động điều chỉnh sử dụng các tín hiệu (signal), là các thông số được đo đạc, vận chuyển và xử lý trong hệ thống

11

• Là cơ cấu trực tiếp thực hiện việc điều chỉnh thông

số đầu vào để duy trì thông số của đối tượng.

– Ví dụ: Van cấp nước vào bầu hơi; Van cấp hơi vào steam

turbine

– Van điều khiển - Control Valves

» modulates flow rate

» operated by actuator

– Các cửa gió, bướm gió - Louvers and Dampers

» operated by pneumatic actuators

– Điều chỉnh tốc độ - Variable Speed Drives

» operated by electronic control signals

Trang 7

• Là sơ đồ khối biểu thị tương tác giữa đối tượng điều chỉnh và bộ điều chỉnh, bao gồm:

– Bộ điều chỉnh, Đối tượng điều chỉnh;

– Tín hiệu (signals) và quan hệ giữa các tín hiệu trong hệ thống

Sơ đồ chức năng – Block Function Diagram

1 Đối tượng điều chỉnh;

2 Bộ điều chỉnh;

3 Thông số được điều chỉnh;

Trang 8

• Hãy tìm một ví dụ về hệ thống tự động điều chỉnh mà bạn biết trong thực tế, vẽ sơ đồ chức năng và nhận dạng hệ thống:

– Đối tượng điều chỉnh (Controlled Object);

– Thông số được điều chỉnh (Controlled Variable);

– Bộ điều chỉnh (Controller);

– Cơ cấu điều chỉnh/Thông số điều chỉnh (Actuator/Manipulated Variable);

– Định trị (thông số đặt) (Set Point)

Sơ đồ chức năng – Block Function Diagram

15

Bài tập về nhà

Trang 9

Check Point 17

Cho các hệ thống tự động như dưới đây, hãy:

- Hãy vẽ sơ đồ chức năng của hệ thống tự

động;

- Nhận dạng các yếu tố: controlled variable;

manipulated variable; nguyên lý điều chỉnh (ON/OFF, P, PI, PID).

1 Hệ thống tự động bơm nước lên nhà cao tầng;

2 Hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ hâm nước (water heater) trong các gia đình;

3 Hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ buồng lạnh (tủ lạnh).

SPPV

CONTROLLING UNIT

MEASURING UNIT

18

Trang 10

Control Principle

• Thông số cần điều chỉnh - Process Variable (PV)

– the actual measurement of the state of the process

• Giá trị đặt - Set Point (SP)

– the desired state of the process variable

• Thuật toán điều khiển - Control Algorithm

– the predefined response of the controller to PV-SP

• Tín hiệu ra của Bộ điều chỉnh - Controller

Output (O/P)

– a signal determined by the control algorithm

• Độ lệch (sai số) điều chỉnh - Offset

– the value of PV-SP when the system is in equilibrium

• Diretct Acting Controllers

– as the value of the measured variable increases, the output of the controller increases

• Reverse Acting Controllers

– as the value of the measured variable increases, the output of the controller decreases

19

• Một hệ thống có khả năng tự chỉnh khi không có bộ điều chỉnh mà vẫn phục hồi được trạng thái cân bằng sau khi có tác động nhiễu.

– Ví dụ: Két ở trạng thái cân bằng với lưu lượng dòng vào, ra, mức nước ổn định;

– Mở to van ra chút ít;

– Lưu lượng dòng ra tăng, áp suất dòng

ra giảm do mức nước giảm Hệ thống dần đạt trạng thái cân bằng với mức nước thấp hơn và lưu lượng dòng ra

ổn định và bằng dòng vào;

– Hệ thống từ chỉnh sang trạng thái ổn định mới khi có tác động nhiễu (mở to van ra)

Nguyên lý tự chỉnh

Trang 11

Example Instruments TT

FIC TE

Temperature Transmitter

Flow Indicating Controller

Temperature Element(Thermocouple, RTD)

I/P Current-to-Pressure

TransducerPressure TransmitterPressure-to-PressureTransducer

PT P/P

LocalMounting

Panel FrontMounting

Modifier Readout or

Passive Function

Output Function

Trang 12

Connection to Process, Instrument Supply,

or Direct Mechanical Link

24

Trang 13

PT

PIC • Pressure Loop Issues:

– May be a Fast Process

» Liquid

» Small Volume

– May Require Fast Equipment

Đ iều khiển phản hồi - Basic Control Loop

Mạch điều chỉnh áp suất - Pressure Control Loop

25

Steam

Cold Water

Hot Water

Load Disturbance

Basic Control Loop

Mạch điều chỉnh nhiệt độ - Temperature Control Loop

•Temperature Loop Issues:

– Fluid response slowly to change in input heat

– Requires advanced control strategies

Trang 14

I/P FIC

TT FT

Mạch điều chỉnh lưu lượng - Flow Control Loop

• Flow Loop Issues:

– May be a Very Fast Process

» “Noise” in Measurement Signal

» May Require Fast-Responding Equipment

– Typically Requires Temperature Compensation

27

LT

Mạch điều chỉnh mức - Level Control Loop (Inflow)

•Level Loop Issues:

– Control At Inflow or Outflow – Non-Self Regulating

28

Trang 15

I/P LIC

LT

Mạch điều chỉnh mức - Level Control Loop (Outflow)

29

Đ iều khiển bậc cao - Advance Control Loop

Bao gồm bộ điều chỉnh chính (primary/master) để giữ cho thông số được điều chỉnh không đổi và bộ điều chỉnh thứ cấp

(secondary/slave) dùng để điều chỉnh một thông số phụ khác mà có thể tác động đến thông số chính Đầu ra của BĐC chính sẽ tác động vào điểm đặt (set point) của BĐC thứ cấp

Secondary

Secondary controller

Primary controller

Trang 16

Bao gồm bộ điều chỉnh chính (primary/master) để giữ cho thông

số được điều chỉnh không đổi và bộ điều chỉnh thứ cấp (secondary/slave) dùng để điều chỉnh một thông số phụ khác mà

có thể tác động đến thông số chính Đầu ra của BĐC chính sẽ tác động vào điểm đặt (set point) của BĐC thứ cấp

Jacket IN

OUTSINGLE-LOOP CONTROL

Pressure transmitter

Trang 17

Temperature Process

Steam Flow Process

Load A (Demand)

TIC

FT

TT FC

Load B (Header Pressure)

_ _

I/P

TT TIC

Steam

Cold Water

Hot Water Condensate

Major Load A:

Outflow Rate (Demand)

Major Load B:

Pressure

Steam Header

FT

FC RSP

_

Cascade Control

33

Ở bộ điều khiển mạch thẳng một thông số tải của quá trình (load) được đo và sử dụng để tính toán tác động điều khiển sao cho thông số ra của quá trình không đổi

34

Trang 18

Level indicating controller

Flow controller

Ví dụ bộ điều chỉnh mức nước nồi hơi - FEED FORWARD CONTROL

TIC

Steam

Cold Water

Hot Water

FT

FFD

Feedforward Equations

Summing Junction

Feedback Loop

Feedforward Control

36

Load Disturbance

Trang 19

Điều khiển tỷ lệ bao gồm một bộ điều chỉnh phản hồi mà giá trị đặt của

nó tỷ lệ với một thông số không điều chỉnh khác nhằm duy trì tỷ lệ giữa hai thông số Chỉ số tỷ lệ được đặt bởi rơ le (ratio relay) hoặc bộ nhân (multiplying unit) Lưu lượng chất B được điều chỉnh theo một tỷ lệ nhất định với lưu lượng chất A

Ratio relay

Wild

flow, A

Controlled flow, B

Remote set controller

Ratio controller

Output

Multi-Variable Control

SP

37

Điều khiển tỷ lệ được sử dụng phổ biến trong công nghiệp khi cần cấp

2 chất với tỷ lệ nhất định Ví dụ: Hòa trộn 2 loại nhiên liệu, tỷ lệ không khí và nhiên liệu cho quá trình cháy, tỷ lệ các chất trong công nghiệp pha chế

38

Trang 20

Advance Control Loop

Ví dụ - RATIO CONTROL

Other Application : Fuel/air ratio control system on

combustion equipment, e.g boilers.

Acid supply

Magnetic flowmeter

Pickle tank

Flow transmitter

Control valve

Flow B Flow A

Water

Manual water regulator

Measurement Set

RS Low select

PV Pump

O/P O/P

PV

Multi-Variable Control

40

Trang 21

Bộ điều chỉnh tỷ lệ KHÔNG KHÍ/NHIÊN LIỆU cho nồi hơi với các khóa lựa chọn

Advance Control Loop

Trang 22

Control Algorithm

Là thuật toán điều khiển đơn giản, chỉ gồm 2 chế độ ON/OFF

Thông số được điều khiển được cảm biến và so sánh với giá trị đặt Tín hiệu điều khiển đưa ra là tín hiệu dạng xung ON/OFF

Ví dụ: Tự động điều chỉnh mức nước (két nước, nồi hơi), tự động điều chỉnh nhiệt độ hâm (nước, dầu)

On-Off Control

differential

Measured variable

Controller output

Time

43

BĐC có nhiều chế độ tác động theo bậc Ví dụ, tín hiệu ra của BĐC tương ứng với nhiều chế độ mở van, tùy thuộc vào giá trị của thông số đo được (input values)

Ví dụ: Điều khiển quá trình cháy ở nồi hơi theo các chế độ:

STOP-LOW FLAME-HIGH FLAME

Đ iều chỉnh bậc - Multi-Step Action

Time

1 3

7 5

8 0

8 5

44

Trang 24

Bộ điều chỉnh tỷ lệ cho tín hiệu điều chỉnh (controller output - O/P)

tỷ lệ với hiệu giữa thông số được điều chỉnh của đối tượng (Process Variable - PV) và giá trị đặt (Set Point - SP)

Đ iều chỉnh tỷ lệ - Proportional Action (P)

Process Load

Controller Output

SP PV

Open-loop response of proportional mode

47

- Thường sử dụng các

cơ cấu liên kết cơ khí dạng cần nổi (floating lever)

- Có sai số của thông

số được điều chỉnh (PV) gọi là sai số tĩnh

Proportional Action (P)

Khi tải thay đổi làm thông số hệ thống lệch khỏi giá trị đặt, hệ thống điều chỉnh để đưa về giá trị ban đầu Sau khi kết thúc, luôn có sai

lệch (offset).

Thuật toán điều khiển:

O/P - (PV - SP)Proportional Band

PV

48

Trang 25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Time

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

%

SP PV

Output

higain

High Proportional Gain: (Closed Loop)

50

Trang 26

Hệ số Kp khác nhau

51

Khi giá trị đo PV = SP, Bộ điều chỉnh không có tín hiệu ra (O/P = 0) Khi

PV ≠ SP, Bộ điều chỉnh hoạt động để phục hồi giá trị PV

Tín hiệu ra của Bộ điều chỉnh thay đổi tỷ lệ với độ lệch (offset)

Integral Action (I)

Time

Set Point

% Measurement

% Output

Time

Set Point

52

Trang 27

Time

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

%

SP

PV

Proportional Plus Integral Output

Proportional Response

Integral Action: (Closed Loop)

53

As the PV changes, the controller resists the change

The controllers output is proportional to the rate at which the difference between the measured and desired value changes

The derivative time is an indication of this action It is the time that

the open-loop P+D response is ahead of the response due to P only.

Derivative Action (D)

Time

Set Point

% Measurement

% Output (I/D)

Derivative mode

Time

Set Point

D T

D T = Derivative Time (min)

Proportional plus Derivative mode

Open-loop response

Proportional + Derivative Proportional only

54

Trang 28

Proportional + Integral

55

I/P

PT PIC

Compressed Air Pipe

Converter

PID Controller

Pressure Transmitter

56

Trang 29

Controller Selection

Can offset be tolerated ?

Start

Use P-only

Yes

Use P+I

Yes

Is noise present ?

of measured variable

Capacity Dead Time

Control loop Proportional band Time constant Derivative

58

Trang 30

Là chiến lược điều khiển mà các bộ điều chỉnh được lập trình để tự đánh giá hiệu quả của quá trình điều chỉnh và tự điều chỉnh các tham

số của bộ điều chinhre để thích nghi với các điều kiện thay đổi ảnh hưởng đến thông số được điều chỉnh

Control System

Đ iều khiển thích nghi - Adaptive Control

Ex) Digital Controller

- Sensors are run to the computer’s input

- Servomechanisms are connected to the computer’s output.

- Future changes don’t require re-wiring.

- Changing control functions (P,I, and D) and configurations (between cascade mode and feedforward mode) will be made on the computer’s program and not necessarily to any hardware.

59

Control System

Là hệ thống điều khiển có hệ thống máy tính nhằm thu thập, xử lý

dữ liệu và tính toán các tín hiệu điều khiển đưa đến các bộ điều chỉnh tương tự truyền thống (conventional analog controllers)

Hệ thống này thường tích hợp các chức năng thu thập dữ liệu, xử lý

và điều khiển (Supervisory Control And Data Acquisition – SCADA)

Đ iều khiển giám sát - Supervisory Control

M.I.S Supervisory

Control

A

S Controller S

A Controller S

A Controller

Trang 31

HW and Software Filtering

Controller I/O Rack

Trang 32

Control System

Control room operator stations

Control systems (DCS or PLC)

Fieldbus là hệ thống truyền thông sử dụng tín hiệu số, 2 chiều,

đa điểm có khả năng tích hợp giữa các thiết bị hiện trường, các

bộ điều khiển, các hệ thống con (thông qua thiết bị kết nối trung gian) và máy chủ dữ liệu, trạm làm việc (Digital, two-way, multi-drop communication link, intelligent field devices and automation systems)

Fieldbus (Only Digital Signals)

Bridge H2

H1

124 Devices

Work Systems

H1 - 31.25 Kbit/s HSE - 100 M bit/s (Fast Ethernet)

(due to address limits) Total of approximately 35,000 devices

Fieldbus Control System

Controller

32 Devices

Trang 33

Fieldbus và kết nối dây truyền thống (Point-to-Point Wiring)

Trang 34

Fieldbus Overal Control System

Trang 35

1 Process temperature increases the measurable

69

Exercise

5 Device which adjusts the measured value of the

6 Element, flow transmitter, controller and correcting unit [ ]

8 A device changes an industry standard pneumatic signal to an industry standard hydraulic signal [ ]

70

Trang 36

A Cascade control F Gain

B Control algorithm G Offset

C Control valve H Proprietary Bus

D Feed-forward control I Smart Device

E Foundation Fieldbus

1 The predefined response of the controller to PV-SP [ ]

2 The value of PV-SP when the system is in equilibrium [ ]

4 It is a final control element operated by an actuator [ ]

72

Trang 37

7 A digital communication based control network

8 A digital communication based control network that

9 A device that provide both analog & communication

73

Câu hỏi

1 Hãy vẽ sơ đồ chức năng Basic Feedback Controller và mô tả hoạt động (sử dụng ký hiệu P&ID theo tiêu chuẩn ISA)?

2 Hãy phân biệt khái niệm nguyên lý điều chỉnh (control principle)

và thuật toán điều chỉnh (control algorithm)?

3 Hãy giải thích sơ đồ nguyên lý của các BĐC sau đây (trong Bài giảng Phần 1): Áp suất; Nhiệt độ; Lưu lượng; Mức

4 Điều khiển tầng (cascade control) là gì, hãy so sánh cascade controller và basic feedback controller?

5 Điều khiển mạch thẳng (Feed Forward control) là gì, hãy so sánh Feed Forward controller và basic feedback controller?

6 Điều khiển tầng (Ratio control) là gì, nêu đặc điểm và phạm vi ứng dụng của Ratio controller?

74

Định dạng
Số trang	38
Dung lượng	1,31 MB