Bài giảng kỹ thuật đo lường và tự động hóa

Trang 1

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

& TỰ ĐỘNG HÓA

3

Khái quát về điều khiển tự động

4

Khái niệm về điều khiển tự động

Thí dụ:

oLái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40km/h

Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ

• Thu thập thông tin

Bộ não điều khiển tăng tốc nếu v<40km/h, giảm tốc nếu v>40km/h

• Xử lý thông tin

Tay giảm ga hoặc tăng ga

• Tác động lên hệ thống

Kết quả của quá trình điều khiển là xe chạy với tốc độ “gần” bằng với 40km/h

Khái niệm về điều khiển tự động

Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước

Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có sự tác động của con người

Trang 2

Ứng dụng điều khiển tự động

Hiện nay, điều khiển và điều khiển tự động được ứng dụng trong hầu hết các ngành kỹ thuật, trong nghiên cứu khoa học, cũng như trong đời sống:

oHệ thống sản xuất: nhà máy xi măng, nhà máy đường, nhà máy giấy, nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát…

oQuá trình công nghiệp: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, tốc độ,…

oHệ cơ điện tử: robot di động, cánh tay máy, máy công cụ,…

oHệ thống thông tin: hệ thống phát thanh, truyền hình, tổng đài điện thoại

oHệ thống sản xuất và truyền tải năng lượng: nhà máy điện,…

oPhương tiện giao thông: xe hơi, tàu hỏa, máy bay, tàu vũ trụ,…

oThiết bị quân sự: điều khiển rada, tên lửa, pháo,…

oThiết bị điện tử dân dụng: máy điều hòa, ti vi, tủ lạnh, máy giặt, máy ảnh, nồi cơm điện,…

oThiết bị y tế,…

7

Các nguyên tắc chủ yếu khi tiến hành điều khiển tự động

8

Các nguyên tắc trong điều khiển tự động

Khi tiến hành điều khiển tự động, chúng ta thường hướng sự điều khiển theo một trong 2 nguyên tắc sau:

oNguyên tắc giữ ổn định, có nghĩa là giữ cho tín hiệu ra luôn là một hằng số

oNguyên tắc điều khiển theo chương trình, có nghĩa là giữ tín hiệu ra y=y(t) theo một chương trình đã được định sẵn

Nguyên tắc giữ ổn định

oTheo nguyên tắc này, chúng ta có 3 phương pháp để thực hiện

oPhương pháp điều khiển theo sai lệch (Feedback Control) hoặc phản hồi

Các tính năng chính của tất cả các vòng điều khiển phản hồi là giá trị đo được của biến kiểm soát được so sánh với điểm đặt và sự khác biệt này được sử dụng để xác định hành động điều khiển thực hiện

Trang 3

oPhương pháp điều khiển theo sai lệch (Feedback Control) hoặc phản hồi

Dung dịch vào

Hơi nước bão hòa

Van

Bộ hiển thị nhiệt độ

Thiết bị gia nhiệt

Dung dịch ra

Nhiệt độ mong muốn = T o

11

oPhương pháp bù tác động bên ngoài (Feedforward Control)

Theo phương pháp này, bộ phận đo lường sẽ đo các tín hiệu nhiễu tác động vào quá trình và so sánh với giá trị đặt, sự sai lệch sẽ tạo ra tín hiệu tác động điều khiển

Hơi nước bão hòa Dung dịch vào Van

Bộ hiển thị nhiệt độ

Thiết bị gia nhiệt

Dung dịch ra

12

oPhương pháp hỗn hợp

Nguyên tắc điều khiển theo chương trình

oĐể một tín hiệu ra nào đó thực hiện theo chương trình, cần phải sử dụng máy tính hay các thiết bị có lưu trữ chương trình Hai thiết bị thông dụng chứa chương trình điều khiển là:

PLC (Programmable Logic Controller)

CNC (Computerized Numerical Control)

Trang 4

Đặc điểm của nó và các vấn đề liên quan

15

Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa

Một nhà máy hóa bao gồm rất nhiều máy và thiết bị hoạt động: các thiết bị phản ứng, các thiết bị trao đổi nhiệt, bơm, các thiết bị chưng cất, hấp thu, cô đặc, các thùng chứa,… được tích hợp với nhau một cách có hệ thống và hợp lý

Nhiệm vụ chính của các nhà máy là chuyển hóa các nguyên liệu ban đầu thành các sản phẩm mong muốn sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau theo cách

ít tốn chi phí nhất

Trong suốt quá trình hoạt động, các nhà máy hóa phải đáp ứng một số yêu cầu được áp đặt bởi những nhà thiết kế và yêu cầu kỹ thuật chung, các điều kiện về kinh tế và xã hội mà luôn chịu ảnh hưởng của những biến động từ bên ngoài (nhiễu)

16

Cụ thể là các yêu cầu sau:

oAn toàn:

Sự hoạt động an toàn của các quá trình hóa học chính là yêu cầu chính yếu cho mọi người trong nhà máy và tiếp tục đóng góp vào sự phát triển kinh tế

Chính vì vậy, áp suất, nhiệt độ, nồng độ….các chất đang hoạt động phải luôn không được vượt quá giới hạn cho phép

Chẳng hạn như, nếu một thiết bị phản ứng được thiết kế để làm việc ở

áp suất tối đa 100psig (7at), chúng ta sẽ có một hệ thống điều khiển để duy trì áp suất hoạt động dưới áp suất này Một ví dụ khác, chúng ta nên tránh phát triển các hỗn hợp gây nổ trong hoạt động của nhà máy

oĐặc điểm kỹ thuật của sản phẩm:

Một nhà máy nên quan tâm đến số lượng và chất lượng của các sản phẩm mong muốn cuối cùng

Ví dụ, chúng ta yêu cầu sản xuất ra 2 tấn eylen/ngày, với độ tinh khiết 99,5%

Vì vậy, chúng ta cần một hệ thống điều khiển để chắc rằng mức sản xuất

và độ tinh khiết phải được đảm bảo

Trang 5

oCác quy định về môi trường:

Bộ luật ở các quốc gia và địa phương cho phép các giá trị nhiệt độ, nồng

độ hóa chất và lưu lượng của các chất thải từ nhà máy phải đảm bảo mức giới hạn

Chẳng hạn như nồng độ SO2mà nhà máy thải ra môi trường, tính chất của nước thải ra sông hoặc hồ chứa

19

oGiới hạn các quá trình:

Các loại thiết bị khác nhau được sử dụng trong nhà máy hóa có các giới hạn riêng cho các hoạt động của chúng

Chẳng hạn như các thùng chứa không được tràn ra ngoài hoặc bị tháo khô, các thiết bị chưng cất không nên bị ngập lụt, nhiệt độ trong các thiết bị phản ứng xúc tác không được vượt giới hạn trên mà xúc tác sẽ

bị phá hủy

Một hệ thống điều khiển là cần thiết để đảm bảo các giới hạn của các quá trình này

20

oKinh tế:

Hoạt động của một nhà máy phải phù hợp với điều kiện thị trường, mà

cụ thể là sự sẵn có của nguyên liệu và nhu cầu của các sản phẩm cuối cùng

Vì vậy, nó phải kinh tế nhất trong việc sử dụng nguyên liệu, năng lượng, vốn và lực lượng lao động

Vì vậy, nó đòi hỏi các điều kiện hoạt động được điều khiển ở mức tối ưu

về chi phí hoạt động thấp nhất, lợi nhuận tối đa,…

Tất cả các yêu cầu liệt kê ở trên cho thấy sự cần thiết phải giám sát liên tục các hoạt động của nhà máy hóa và sự can thiệp bên ngoài (điều khiển) để đảm bảo việc đáp ứng các mục tiêu hoạt động

Điều này được thực hiện thông qua việc sắp xếp hợp lý các thiết bị (các thiết bị

đo, các van, các bộ điều khiển, máy tính) và sự can thiệp của con người (những nhà thiết kế nhà máy, những người vận hành) mà được kết hợp với nhau tạo thành hệ thống điều khiển

Trang 6

Một hệ thống điều khiển cần đáp ứng 3 yêu cầu sau:

oLoại bỏ sự ảnh hưởng của các tác động nhiễu bên ngoài

oĐảm bảo sự hoạt động ổn định của một quá trình hóa học

oTối ưu hóa hiệu suất của một quá trình hóa học

23

Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài

Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài tác động lên quá trình nào đó là một trong những mục tiêu phổ biến nhất của quá trình điều khiển trong nhà máy hóa chất

Yếu tố nhiễu chính là những yếu tố của môi trường xung quanh tác động đến thiết bị phản ứng; thiết bị phân riêng, thiết bị trao đổi nhiệt; máy nén; máy thổi khí…

Những yếu tố nhiễu này ngoài tầm kiểm soát của người vận hành Do đó, bộ điều khiển sẽ làm thay đổi quá trình một cách chính xác để loại bỏ những tác động tiêu cực do yếu tố nhiễu gây ra cho quá trình

Đây chính là điều mong muốn đối với các quá trình vận hành nhà máy hóa trong thực tế cần phải đạt được

24

Ví dụ: Khảo sát hệ thống bình khuấy lý tưởng được gia nhiệt bởi dòng hơi

oDòng lưu chất đi vào bình khuấy với lưu lượng

Fi(lít/phút); nhiệt độ Ti(oC)

oBình khuấy được gia nhiệt bởi dòng hơi với lưu lượng

Fst(kg/phút) ở một áp suất xác định

oDòng lưu chất đi ra khỏi bình khuấy với lưu lượng F(lít/phút) và nhiệt độ là T(oC)

Mục tiêu vận hành hệ thống thiết bị này:

oDuy trì nhiệt độ T(oC) của dòng lưu chất đi ra bình khuấy đạt giá trị nhiệt độ mong muốn là Ts(oC)

oDuy trì thể tích lưu chất trong bình khuấy đạt giá trị mong muốn Vs(lít)

Trang 7

ngoài tác động vào hệ thống này có thể là:

o Sự thay đổi lưu lượng dòng vào bình khuấy:

Fi(lít/phút) thay đổi

o Sự thay đổi nhiệt độ của dòng vào bình khuấy: Ti(oC) thay đổi

27

không cần giám sát hay điều khiển.

cần thiết để làm giảm tác động của các yếu tố nhiễu và giữ cho T và V đạt được giá trị mong muốn.

28

Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài

Trong hình trên, chúng ta xét sự tác động điều khiển để nhiệt độ lưu chất trong bình khuấy đạt giá trị mong muốn khi nhiệt độ hoặc lưu lượng dòng lưu chất đi vào bình khuấy thay đổi

Trong hệ thống này, ta dùng cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ lưu chất bên trong bình khuấy, sau đó tiến hành so sánh giá trị nhiệt độ đo được với giá trị mong muốn Ts(giá trị nhiệt độ cài đặt)

Gọi= Ts– T: là độ chênh lệch nhiệt độ giữa giá trị đo với giá trị đặt

Độ lệchđược đưa đến bộ điều khiển, ở đó được xử lý để đưa ra tác động điều khiển lên van cung cấp hơi sao cho nhiệt độ T trở lại nhiệt độ mong muốn Ts

Trang 8

Nếu>0 nghĩa là giá trị đo nhỏ hơn giá trị đặt, khi đó bộ điều khiển sẽ đưa ra quyết định tăng độ mở van cấp dòng hơi

Trong trường hợp ngược lại thì giảm độ mở van cấp dòng hơi

Nếu= 0 thì bộ điều khiển không làm việc

Trong hệ thống điều khiển này, bộ điều khiển đo trực tiếp sự biến đổi đại lượng quan trọng nhất mà chúng ta quan tâm (nhiệt độ) sau khi chịu sự tác động của yếu tố gây nhiễu

Hệ thống điều khiển như vậy được gọi là hệ thống điều khiển feedback Giá trị nhiệt độ mong muốn Ts được gọi là giá trị đặt và được người vận hành cài đặt

31

Tương tự như vậy, nếu chúng ta muốn giữ thể tích của lưu chất trong bình khuấy ổn định nghĩa là ta phải giữ chiều cao mực chất lỏng trong bình khuấy không thay đổi ở giá trị đặt hskhi giá trị Fithay đổi

Trong trường hợp này, bộ điều khiển xác định chiều cao mực chất lỏng trong bình khuấy đồng thời tác động đóng hay mở van khóa dòng đầu ra để điều chỉnh lưu lượng dòng ra (F) hoặc dòng dầu vào Fi

Hệ thống điều khiển như vậy cũng được xem là điều hiển feedback nghĩa là chỉnh sửa lại sau khi bị ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu làm giảm chất lượng của quá trình

32

Điều khiển feedback theo lưu lượng dòng ra

Điều khiển feedback theo lưu lượng dòng vào

Trang 9

duy trì giá trị nhiệt độ của lưu chất trong bình khuấy đạt giá trị như mong muốn khi nhiệt độ của dòng đầu vào Ti thay đổi bằng cách xác định nhiệt độ của dòng đầu vào Ti sau đó sẽ quyết định đóng hay mở van cung cấp dòng hơi vào trong

hệ thống để cung cấp nhiệt nhiều hơn hoặc ít hơn, hệ thống điều khiển như vậy được xem là hệ thống điều khiển feedforward

Lưu ý rằng điều khiển feedforward không chờ đợi cho đến khi ảnh hưởng của yếu tố nhiễu làm giảm chất lượng quá trình mà sẽ tác động tương thích trước khi hệ thống chịu sự ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu bên ngoài, nghĩa là tiên đoán trước cái gì sẽ ảnh hưởng đến quá trình

35

Điều khiển feedforward

36

Để loại bỏ sự tác động của yếu tố nhiễu lên tính chất vận hành từng đơn vị quá trình là một trong những nguyên nhân sử dụng điều khiển trong nền công nghiệp hóa chất

Đảm bảo tính ổn định cho quá trình

Xem xét sự thay đổi của biến x được biểu diễn trong hình vẽ sau

Trang 10

Để ý rằng ở thời điểm t=togiá trị của x không đổi, hệ thống chịu sự tác động của nhiễu bởi một số yếu tố nhiễu bên ngoài, khi đó giá trị của x thay đổi nhưng theo thời gian giá trị của x quay trở lại giá trị ban đầu và ổn định ở giá trị này

Chúng ta nói rằng quá trình ổn định hay quá trình tự điều chỉnh và không cần

có một can thiệp nào từ bên ngoài để cho quá trình ổn định nghĩa là không cần

có cơ chế điều khiển nào cưỡng bức để x trở lại giá trị ban đầu

39

Ngược lại với hành vi của x được mô tả như trên, biến y trong hình sau không

tự quay lại giá trị ban đầu sau khi bị làm nhiễu bởi các yếu tố ảnh hưởng bên ngoài

40

Quá trình biểu diễn sự thay đổi của đại lượng nào đó như hình trên gọi là quá trình không ổn định và cần thiết phải có bộ điều khiển bên ngoài để ổn định lại

“hành vi” của đại lượng đó.

Ví dụ phản ứng nổ giữa nhiên liệu hydrocabon với không khí là một quá trình không ổn định

Hay lái xe đạp là một quá trình không ổn định và chúng ta phải cố gắng điều chỉnh bằng cách đạp, lái, nghiêng cơ thể bên trái bên phải để quá trình đạt được

ổn định

Trang 11

Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định

43

oTừ việc phân tích hệ thống phản ứng khuấy trộn liên tục, mối quan hệ nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng tỏa nhiệt là một hàm của nhiệt độ lưu chất bên trong thiết bị phản ứng, trong khi nhiệt lượng được lấy ra thông qua dòng lưu chất giải nhiệt là hàm tuyến tính theo nhiệt độ

44

oKhi hệ thống thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục ổn định nghĩa là không có

sự thay đổi trong quá trình khảo sát, nhiệt tạo ra từ phản ứng sẽ cân bằng với nhiệt lượng được lấy ra từ dòng lưu chất tỏa nhiệt

oGọi P1; P2; P3 là giao điểm giữa 2 đường A và B Trạng thái tại điểm P1 và P3 được gọi là ổn định còn P2 là điểm không ổn định

oGiả thiết rằng chúng ta có thể tiến hành phản ứng ở nhiệt độ T2 và nồng độ CA2 tương ứng với nhiệt độ T2, nếu nhiệt độ của dòng nhập liệu vào bình phản ứng Ti tăng, làm cho nhiệt độ của hỗn hợp bên trong bình phản ứng tăng lên T’2

oTại nhiệt độ T’2 nhiệt phát ra bởi phản ứng là Q’2 sẽ lớn hơn nhiệt lượng được lấy ra bởi dòng lưu chất làm mát (Q’’2) dẫn đến nhiệt độ trong bình phản ứng tăng và khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng, khi tốc độ phản ứng tăng thì nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng tỏa nhiệt càng lớn cứ như vậy nhiệt độ của lưu chất trong bình phản ứng càng tăng

Tiêu đề	Bài Giảng Kỹ Thuật Đo Lường & Tự Động Hóa
Trường học	Trường Đại Học Kỹ Thuật
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Đo Lường Và Tự Động Hóa
Thể loại	Bài Giảng
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	1,39 MB