Tài liệu Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ HỮU THÀNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Thái Nguyên - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ HỮU THÀNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢƠNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC KHOA CHUYÊN MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Bùi Quốc Khánh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Thái Nguyên - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự thực hiện tổng hợp và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Quốc Khánh. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả luận văn Lê Hữu Thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC MỤC LỤC …………………………………………………………………………… I DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................VII LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................... VIII CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN .......1 1.1. Tổng quan về điều khiển quá trình .......................................................................1 1.1.1. Khái niệm quá trình và các biến quá trình ........................................................ 1 1.1.2. Mục đích của điều khiển quá trình ...................................................................... 2 1.2. Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến. ...........................................4 1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình ................................9 1.3.1. Thiết bị đo ............................................................................................................ 9 1.3.2. Thiết bị chấp hành ............................................................................................. 10 1.3.3. Thiết bị điều khiển ............................................................................................. 12 CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN14 2.1. Giới thiệu về bàn thí nghiệm ................................................................................14 2.1.1. Các thiết bị chấp hành ....................................................................................... 14 2.1.2. Các thiết bị đo .................................................................................................... 16 2.1.3. Các thiết bị khác ................................................................................................ 18 2.1.4. Bộ điều khiển ..................................................................................................... 21 2.2. Giới thiệu phần mềm và thiết kế giao diện ...........................................................29 2.3. Cấu trúc điều khiển mô hình thí nghiệm ...........................................................38 2.3.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình thí nghiệm ..................................................... 38 2.3.2. Mô hình đối tượng điều khiển ........................................................................... 39 2.4. Các vòng điều khiển .............................................................................................44 CHƢƠNG 3. NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG .................................45 3.1. Nhận dạng hệ thống ..............................................................................................45 3.1.1. Nhận dạng tác động của dòng nóng đến nhiệt độ T3 (G11) ............................ 45 3.1.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến nhiệt độ T3 (G12) ............................. 46 3.1.3. Nhận dạng tác động của dòng nóng đến mức L (G21)..................................... 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.1.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến mức L (G22) ..................................... 48 3.2. Nghiên cứu tác động xen kênh của hệ thống......................................................50 3.2.1. Khi hệ thống chưa có bộ tách kênh De - Coupler............................................. 50 3.2.2. Khi hệ thống có bộ tách kênh De - Coupler ...................................................... 52 3.3. Phân tích ảnh hƣởng các tham số đến chất lƣợng hệ điều khiển .....................53 3.3.1. Xét ảnh hưởng của hệ số khuyếch đại xen kênh đến sự tương tác. .................. 53 3.3.2. Chỉnh định lại bộ điều khiển khi hệ số khuyếch đại tương tác nhỏ 0    1 . .. 54 3.3.3. Xét ảnh hưởng các tham số của mạch vòng tương tác tới tác động xen kênh. 55 3.3.4. Điều khiển phân ly hệ đa biến. ......................................................................... 56 3.3.5. Điều kiện điều khiển phân ly feedforward hệ đa biến. ..................................... 57 3.3.6. Ảnh hưởng của Kp đối với vòng điều khiển ....................................................... 58 3.3.7. Ảnh hưởng của hằng số thời gian τp tới vòng điều khiển ................................. 60 3.3.8. Ảnh hưởng của thời gian chết θp tới vòng điều khiển ...................................... 61 3.3.9. Ảnh hưởng của KP khi loại bỏ tác động xen kênh ............................................ 62 CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐA BIẾN .............................................................................................................................62 4.1. Tính toán bộ tách kênh ........................................................................................62 4.2. Thiết lập bộ điều khiển.........................................................................................63 4.2.1. Phương pháp điều khiển sử dụng tối ưu module .............................................. 63 4.2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS (Direct Synthesis) ..................................................................................................................... 66 4.2.3. Phương pháp điều khiển sử dụng mô hình nội IMC (InternalModel Control) 69 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..............................................................73 5.1. Hƣớng dẫn vận hành ............................................................................................73 5.2 Vận hành hệ thống.................................................................................................74 5.2.1. Quá trình khởi động .......................................................................................... 75 5.2.2 Thay đổi giá trị đặt của mức L ........................................................................... 76 5.2.3. Thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ T3.................................................................. 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................79 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................80 PHỤ LỤC .....................................................................................................................81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Minh họa quá trình và biến quá trình ............................................................. 1 Hình 1.2. Nguyên lý điều khiển pha trộn......................................................................... 5 Hình 1.3. Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến ............................................................ 6 Hình 1.4. Cấu trúc của hệ đa biến (MIMO) .................................................................... 7 Hình 1.5. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình. ........................... 9 Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo. ............................................................. 10 Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành. ................................................. 11 Hình 1.8. cấu tạo van điều khiển ................................................................................... 11 Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển. ................................................ 12 Hình 2.1. Hình ảnh thực tế của van điều khiển ............................................................. 14 Hình 2.2. Hình dáng của van từ trong thực tế .............................................................. 15 Hình 2.3. Hình ảnh của 5 rơ-le MY4N sử dụng trong bàn thí nghiệm.......................... 16 Hình 2.4. Hình ảnh cảm biến mức trong thực tế ........................................................... 16 Hình 2.5. Hình ảnh thực tế của cảm biến đo nhiệt sử dụng trong mô hình .................. 17 Hình 2.6. Hình ảnh của bộ Quick Disconnect trong thực tế ......................................... 17 Hình 2.7. Hình ảnh của thiết bị đo lưu lượng của OMEGA ......................................... 18 Hình 2.8. Hình ảnh thực tế của bình nóng lạnh ............................................................ 19 Hình 2.9. Hình ảnh bơm trong thực tế .......................................................................... 19 Hình 2.10. Hình ảnh của nguồn cấp một chiều SD823 trong thực tế ........................... 20 Hình 2.11. Hình ảnh của máy biến áp trong thực tế ..................................................... 20 Hình 2.12. Hình ảnh thực tế của bình chứa trong mô hình thí nghiệm ........................ 21 Hình 2.13. Hình ảnh bình trộn trong thực tế................................................................. 21 Hình 2.14. Hình ảnh về AC800 ..................................................................................... 22 Hình 2.15. Hình ảnh về các dạng kết nối I/O tới bộ điều khiển .................................... 23 Hình 2.16. Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển và I/O.................................................. 25 Hình 2.17. Hình ảnh của AI810 .................................................................................... 26 Hình 2.18. Hình ảnh của AO810 ................................................................................... 27 Hình 2.19. Hình ảnh của DO810 .................................................................................. 28 Hình 2.20. Hình ảnh tổng thể của mô hình sau khi lắp đặt .......................................... 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.21. Hình ảnh giao diện của Control Builder ..................................................... 29 Hình 2.22. Tạo thư viện và kết nối với các thư viện yêu cầu ........................................ 30 Hình 2.23. Tạo các dạng dữ liệu trong Control Builder M .......................................... 31 Hình 2.24. Tạo các khối Control Modules trong Control Builder M............................ 32 Hình 2.25. Cấu hình và kết nối đầu vào ra trong Control Builder M ........................... 33 Hình 2.26. Hình ảnh giao diện của My ePlant.............................................................. 34 Hình 2.27. Công cụ thiết kế giao diện Process Graphic Editor.................................... 34 Hình 2.28. Cài đặt thông số cho Trend Display trên Trend Template .......................... 35 Hình 2.29. Đồ thị xu hướng Trend Display ................................................................... 36 Hình 2.30. Màn hình giao diện của hệ thống ................................................................ 37 Hình 2.31. Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến ........................................................ 38 Hình 2.32. Cấu trúc tổng quan mô hình ........................................................................ 39 Hình 2.33. Xác định biến quá trình của đối tượng bình trộn. ....................................... 40 Hình 3.1. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới nhiệt độ T3 ..................................... 45 Hình 3.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới nhiệt độ T3 ...................................... 46 Hình 3.3. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới mức L ............................................. 47 Hình 3.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới mức L .............................................. 49 Hình 3.5. Mô phỏng quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh. ................................ 50 Hình 3.6. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh ......... 51 Hình 3.7. Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh De - Coupler.................... 52 Hình 3.8. Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh ......... 53 Hình 3.9. Cán thép dây xây dựng .................................................................................. 56 Hình 3.10. Điều khiển phân ly ..................................................................................... 56 Hình 3.11. Nguyên lý điều khiển feedforward có đo biến điều khiển .......................... 56 Hình 4.1. Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu ...... 64 Hình 4.2. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu ....... 64 Hình 4.3. Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu ............... 65 Hình 4.4. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu ................ 65 Hình 4.5. Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS ....................................................................................................................................... 67 Hình 4.6. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4.7. Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS........ 68 Hình 4.8. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS ......... 68 Hình 4.9. Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC ....................................................................................................................................... 70 Hình 4.10. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC ....................................................................................................................................... 70 Hình 4.11. Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC ... 71 Hình 4.12. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC ..... 71 Hình 5.1. Khởi động OPC Server Configuration .......................................................... 73 Hình 5.2. Thiết lập giá trị đặt cho biến quá trình ......................................................... 73 Hình 5.3. Bảng điều khiển bằng tay .............................................................................. 74 Hình 5.4. Bảng điều khiển PID ..................................................................................... 74 Hình 5.5. Quá trình khởi động khi chưa có bộ De-coupler .......................................... 75 Hình 5.6. Quá trình khởi động khi có bộ De-Coupler .................................................. 76 Hình 5.7. Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi chưa có De-coupler ............................... 76 Hình 5.8. Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi có De-coupler ........................................ 77 Hình 5.9. Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi chưa có De-coupler ........................ 77 Hình 5.10. Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi có De-coupler ............................... 77 Hình 5.11. Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi chưa có De-coupler ......................... 78 Hình 5.12. Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi có De-coupler .................................. 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển ......................................................24 Bảng 2.2. Bảng liệt kê thiết bị kết nối với bộ điều khiển ...............................................25 Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật của AI810.........................................................................26 Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của AO810 .......................................................................27 Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của AO810 .......................................................................28 Bảng 3.1. Tìm hiểu hệ số khuếch đại xen kênh – yếu tố thể hiện tác động qua lại của các vòng điều khiển .......................................................................................................59 Bảng 5.1. Bảng ký hiệu màu ..........................................................................................74 Bảng P3. Bảng đấu nối các kênh cho khối đầu ra tương tự DO810 .............................84 Bảng P4. Bảng đấu nối của AI810 trong tủ ..................................................................86 Bảng P5. Bảng đấu nối của các van từ trong tủ ...........................................................87 Bảng P6. Bảng đấu nối của DO810 ..............................................................................88 Bảng P8. Bảng đấu nối của các bơm trong mô hình.....................................................89 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt MV Manual Valve Van tay CV Control Valve Van điều khiển PV Proportioning Valve Van tỉ lệ SV Solenoid Valve Van từ LT Level Transmitter Thiết bị đo mức TT Temperature Transmitter Thiết bị đo nhiệt FT Flow Transmitter Thiết bị đo lưu lượng PI Pump In Bơm đầu vào PO Pump Out Bơm đầu ra DS Driect Synthesis Tổng hợp trực tiếp Internal Model Control Điều khiển mô hình nội IMC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 lƣợng 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. Phƣơng pháp nghiên cứu: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 …. Mô phỏng : - Thiết kế hệ điều khiển, mô hình hóa mô phỏng trên phần mềm Matlab Thực nghiệm: - Ứng dụng phương pháp điều khiển trên mô hình thí nghiệm điều khiển mức và nhiệt độ để kiểm chứng 5. Những vấn đề cần nghiên cứu 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chƣơng 1. LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN Tổng quan về điều khiển quá trình 1.1. 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. 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. Hình 1.1. Minh họa quá trình và biến quá trình Quá trình và phân loại các biến quá trình.  Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình: 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 … Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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. 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. Nhiễu là 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. 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 hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu,… - Nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được. 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. 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. Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình. 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. Việc vận hành ổn định một quá trình có vai trò quan trọng là do nhiều nguyên nhân. Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng vật chất hoặc năng lượng, dẫn đến đảm bảo các yêu cầu về chế độ làm việc của các thiết bị đông nghệ như tránh tràn hoặc tránh cạn bình chứa, quá nhiệt, quá áp… Thứ hai, một hệ thông vận hành ổn định, trơn tru cũng đồng nghĩa với việc tín hiệu điều khiển được giữ cố định hoặc ít thay đổi. Cũng chính vì vậy, các thiết bị chấp hành ít phải làm việc hơn hoặc ít phải thay đổi chế độ làm việc hơn, tuổi thọ máy móc, thiết bị sẽ 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 cũng ít phải can thiệp và việc vận hành hệ thông trở nên thuận tiện và an toàn hơn Trong thực tế không phải một hệ lúc nào cũng ở chế độ vận hành bình thường, liên tục mà còn có các giai đoạn khởi động hoặc dừng, điểm làm việc cũng có thể thay đổi do yêu cầu thay đổi giá trị đặt hoặc do tác động của nhiễu và vì thế có các quá trình quá độ. Bên cạnh đó nhiều quá trình không có tính tự cân bằng, chỉ một thay đổi nhỏ biến đầu vào cũng có thể đưa quá trình tới trạng thái mất ổn định. Bất kể đặc tính động học của quá trình ra sao, giá trị đặt thay đổi hay tác động nhiễu thế nào, nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ về trạng thái vận hành ổn định. Đó cũng chính là một nhiệm vụ thuộc phạm vi chức năng điều chỉnh, chức năng quan trọng nhất trong một hệ thống điều khiển quá trình. - 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản phẩm. Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn. 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. Như vậy sai lệch điều khiển, hay nói đúng hơn, diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng. - Vận hành hệ thống an toàn: Nhằm 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. Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghệ nào cũng phải đảm bảo được mục đích này. Chính vì tầm quan trọng của vấn đề an toàn máy móc, con người và môi trường, chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các chức năng điều khiển thuần túy. nhiên và môi trường. Đây khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm. Cách giải quyết thông thường là đảm bảo chất lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm chi phí cho các tác động điều khiển. Một cách giải quyết khác là xây dựng và giải quyết bài toán điều khiển tối ưu, trong đó chất lượng điều khiển và chi phí điều khiển được đặt chung với các trọng số khác nhau trong một hàm mục tiêu cần cực tiểu (điều khiển tối ưu). 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. Một trong những vai trò quan trọng của điều khiển là làm sao duy trì được chất lượng sản phẩm thật ổn định và đạt vừa đủ yêu cầu để người vận hành có thể đưa các giá trị đặt đến gần sát với ngưỡng cho phép. Như vậy 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. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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). Lý thuyết hệ đa biến đã được đề cập với lý thuyết điều khiển tự động. Trong phần này ta nghiên cứu phân tích phục vụ thiết kế chỉnh định lại hệ đa biến trong thực tế. Thí dụ 1: Hệ đa biến trong điều khiển pha trộn. Trên hình 1.1 trình bày nguyên lý điều khiển pha trộn. X AC m1 F1 y1 AT F m2 F2 FT y2 FC F Hình 1.2. Nguyên lý điều khiển pha trộn Ta có hai biến cần điều khiển y1 là nồng độ X biến điều khiển f1  m1 , biến điều khiển y2 là lưu lượng tổng f biến điều khiển m2  f 2 . F  F1  F2 = hằng số X  y1  F1 .100% F Khi thay đổi m1 thì y1 thay đổi đồng thời kéo theo y2 cũng thay đổi . Ngược lại khi thay đổi m2 thì y2 thay đổi đồng thời kéo theo y1 cũng thay đổi. Nếu thiết kế theo nguyên lý đơn biến hệ khó ổn định và chất lượng không đảm bảo. Vậy phải xét nó trên góc độ hệ đa biến để thiết kế điều khiển. Cấu trúc hệ điều khiển hai biến tổng quát trình bày trên hình 1.2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Y1sp m1 GC1 G11 y1 G21 G21 Y2sp GC 2 m2 G22 y2 Hình 1.3. Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến Các định nghĩa cơ bản: GC1 và GC 2 là hàm truyền bộ điều khiển 1,2; G11 , G22 là hàm truyền quá trình kênh 1 và 2, G12 hàm truyền tác động xen kênh từ 1 tác động sang 2, G21 ngược lại từ 2 tác động sang 1 GC1 (kC1 , gC1 ) , GC 2 (kC 2 , gC 2 ) , G11 (k11 , g11 ) , G22 (k22 , g 22 ) , G21 (k21 , g 21 ) , G12 (k12 , g12 ) Hệ số khuyếch đại xen kênh tổng quát kênh thứ j đến thứ i gọi là ij được tính: yi )m mi ij  y ( j )y m j ( (1.1) Áp dụng cho hệ hai biến hình 1.2 ta có: yi ) |m  k11 g11 mi (1.2) yi k21 g 21k12 g12 ) | y  k11 g11  1 mi k22 g 22  kC 2 g C 2 (1.3) ( ( Xét hệ khi xác lập ta có hệ số khuyếch đại xen kênh ij  k11k22 1  k11k22  k12 k21 1  k21k12 k11k22 (1.4)  Quá trình đa biến 2x2 với 2 biến vào CO1, CO2 và 2 biến ra PV1, PV2. Trong đó: - CO1 tác động trực tiếp tới PV1 thông qua hàm truyền G11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - CO2 tác động trực tiếp tới PV2 thông qua hàm truyền G22 - CO1 tác động xen kênh ( cross – loop) tới PV2 thông qua hàm truyền G21 - CO2 tác động xen kênh ( cross – loop) tới PV1 thông qua hàm truyền G12 G11 CO1 PV1 G12 G21 CO2 PV2 G22 Hình 1.4. Cấu trúc của hệ đa biến (MIMO) Hệ số khuếch đại xen kênh (Relative Gain) Đại lượng đo thể hiện tác động qua lại của các vòng quá trình Để nghiên cứu về quá trình điều khiển đa biến , người ta đưa ra một khái niệm là hệ số khuếch đại xen kênh λ (Relative Gain), khái niệm này được sử dụng nhiều bởi: - Nó thể hiện được tác động giữa các vòng quá trình - Dễ tính - Không có thứ nguyên nên không bị rang buộc bởi đơn vị của các giá trị các biến Công thức tính: λ = Trong đó Kij là hệ số khuếch đại của các hàm truyền tương ứng Có hai cách ghép đôi cặp biến vào ra: 1. CO1 điều chỉnh thiết bị F1 để điều khiển PV1 CO2 điều chỉnh thiết bị F2 để điều khiển PV2 2. CO1 điều chỉnh thiết bị F1 để điều khiển PV2 CO2 điều chỉnh thiết bị F2 để điều khiển PV1 Lưu ý: Các vòng điều khiển nên được ghép với nhau bất cứ khi nào có thể để giúp cho hệ số khuếch dại đạt giá trị dương, và khi đó các vòng điều khiển có thể coi như là 1 vòng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Khái quát cho hệ đa biến. m2 mj  11 12 . . . 21 22 . . . .. i1 i 2 . . . 1 1 ... 1 j 2 j 1 1 .. 1 m1 y1 . y2   .. yi  ij (1.5) 1 Người ta gọi (1.5) là hệ số khuyếch đại xen kênh sắp sếp dưới dạng ma trận (RGA: Relative gain array) có tính chất là tổng theo cột và tổng theo hàng bằng 1. Thí dụ xác định ma trận xen kênh theo cấu trúc điều khiển hình 1.2. Ta có gần đúng so với đơn vị tương đối. f1  f 2  m1  m2 f  m1  m2 x f1 m1  f f f 1 m1 m 2 f 1  m1 x x m 1   x 1 11 Ta có 1 f x Ta có hệ số ma trận khuyếch đại xen kênh m1 m2 y1 1  x x    y2  x 1  x   1  1 1 1 Khi xác định hệ số khuếch đại xen kênh theo (1.2) và (1.3) dựa trên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/