Tuning of Industrial Control Systems, 3rd Ed. by Armando B. Corripio & Michael Newell

• Tác giả: Armando B. Corripio
• Chuyên ngành: Điều khiển công nghiệp
• Đề tài: Tinh chỉnh hệ thống điều khiển công nghiệp, Phiên bản thứ ba
• Loại tài liệu: Sách tham khảo
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Research Triangle Park

Tóm tắt

I. Tổng quan về Tuning of Industrial Control Systems ấn bản thứ ba

Cuốn sách Tuning of Industrial Control Systems ấn bản thứ ba do Armando B. Corripio và Michael Newell biên soạn là tài liệu hướng dẫn chuyên sâu về kỹ thuật tinh chỉnh hệ thống điều khiển công nghiệp. Ấn bản này được xuất bản năm 2015 bởi International Society of Automation, đánh dấu sự cải tiến đáng kể so với các phiên bản trước. Nội dung sách được đơn giản hóa nhằm phù hợp hơn với ngôn ngữ kỹ thuật thực tế mà các kỹ thuật viên sử dụng hàng ngày. Các thuật ngữ toán học phức tạp như mô hình bậc một và bậc hai đã được loại bỏ để tăng tính tiếp cận. Cuốn sách tập trung vào phương pháp tinh chỉnh tỷ lệ suy giảm phần tư kết hợp với quy tắc Điều khiển Mô hình Nội tại. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho kỹ sư tự động hóa và kỹ thuật viên vận hành hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại. Sách cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc về bộ điều khiển PID và các kỹ thuật tối ưu hóa hiệu suất vòng điều khiển hồi tiếp.

1.1. Mục tiêu và phạm vi của cuốn sách

Cuốn sách Tuning of Industrial Control Systems hướng đến mục tiêu cung cấp kiến thức thực tiễn về kỹ thuật tinh chỉnh hệ thống điều khiển. Phạm vi bao gồm các loại bộ điều khiển PID phổ biến trong công nghiệp. Ấn bản thứ ba đã lược bỏ sự phân biệt giữa bộ điều khiển nối tiếp và song song do hầu hết cài đặt hiện đại sử dụng phiên bản nối tiếp. Nội dung sách được thiết kế để phục vụ cả kỹ sư mới vào nghề lẫn chuyên gia giàu kinh nghiệm. Tài liệu tập trung vào ứng dụng thực tế thay vì lý thuyết thuần túy toán học.

1.2. Đội ngũ tác giả và nhà xuất bản

Armando B. Corripio là chuyên gia kỹ thuật hóa học từ Đại học Louisiana State, mang đến kiến thức chuyên sâu về quá trình công nghiệp. Michael Newell là kỹ sư thiết kế tự động hóa tại Polaris Engineering, đóng góp kinh nghiệm thực tiễn trong triển khai hệ thống điều khiển. Cả hai tác giả kết hợp lý thuyết và thực hành để tạo nên nội dung cân bằng. International Society of Automation là nhà xuất bản uy tín trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Tổ chức này chịu trách nhiệm xuất bản và phân phối cuốn sách trên toàn cầu từ trụ sở tại Research Triangle Park, Bắc Carolina.

II. Phân tích vấn đề tinh chỉnh bộ điều khiển PID công nghiệp

Vấn đề cốt lõi trong tinh chỉnh bộ điều khiển PID là đạt được sự cân bằng giữa tốc độ đáp ứng và độ ổn định hệ thống. Khi bộ điều khiển được tinh chỉnh quá chặt, hệ thống trở nên không ổn định và tạo ra dao động liên tục. Hiện tượng này xảy ra do bộ điều khiển điều chỉnh quá mức cho sai số, dẫn đến các đợt hiệu chỉnh ngược chiều không mong muốn. Độ trễ và độ trễ thời gian xung quanh vòng lặp khiến bộ điều khiển không phát hiện kịp thời các điều chỉnh quá mức này. Kết quả là sai số ngày càng lớn theo hướng ngược lại, tạo thành chu kỳ dao động tăng dần. Nếu quá trình này tiếp tục, đầu ra bộ điều khiển sẽ dao động giữa giới hạn trên và dưới. Nguyên nhân phổ biến bao gồm độ lợi quá cao, thời gian tích phân quá ngắn hoặc thời gian vi phân quá dài. Việc hiểu rõ bản chất vật lý của quá trình là bước đầu tiên để khắc phục các vấn đề này.

2.1. Hiện tượng mất ổn định trong vòng điều khiển hồi tiếp

Mất ổn định là vấn đề nghiêm trọng nhất trong hệ thống điều khiển công nghiệp. Khi bộ điều khiển có độ lợi quá cao, hệ thống bắt đầu dao động với biên độ tăng dần theo thời gian. Loại mất ổn định dao động này do bộ điều khiển điều chỉnh quá mức dẫn đến sai số ngược chiều liên tục. Các yếu tố như độ trễ thời gian vận chuyển và hằng số thời gian của quá trình làm trầm trọng thêm vấn đề. Nếu không được kiểm soát, hiện tượng này có thể gây hư hỏng thiết bị và ngừng sản xuất. Việc nhận diện sớm dấu hiệu mất ổn định là kỹ năng quan trọng đối với kỹ thuật viên vận hành hệ thống điều khiển công nghiệp.

2.2. Tác động của đặc tính quá trình đến hiệu suất điều khiển

Đặc tính vật lý của quá trình có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất bộ điều khiển. Độ trễ thời gian chết xảy ra khi biến số quá trình được vận chuyển từ điểm này sang điểm khác, tạo ra độ trễ vận chuyển. Điện áp và dòng điện truyền với vận tốc ánh sáng, trong khi dòng chất lỏng và khí có vận tốc chậm hơn nhiều. Hệ số dẫn của van điều khiển thay đổi tùy thuộc vào chế độ dòng chảy siêu临界 hay dưới临界. Áp suất chênh lệch qua van ảnh hưởng đến lưu lượng và mật độ chất khí. Việc hiểu rõ các đặc tính vật lý này giúp kỹ sư lựa chọn phương pháp tinh chỉnh phù hợp và dự đoán chính xác hành vi của hệ thống điều khiển.

III. Phương pháp tinh chỉnh bộ điều khiển bằng Gain và Chu kỳ Cực hạn

Phương pháp tinh chỉnh dựa trên Gain và Chu kỳ Cực hạn là kỹ thuật đầu tiên được công bố để đặc trưng hóa quá trình cho mục đích tinh chỉnh bộ điều khiển. Phương pháp này yêu cầu xác định gain cực hạn và chu kỳ dao động của vòng điều khiển. Gain cực hạn là giá trị độ lợi của bộ điều khiển tỷ lệ tại đó vòng lặp dao động với biên độ không đổi. Kỹ thuật viên thực hiện bằng cách tăng dần độ lợi của bộ điều khiển tỷ lệ cho đến khi hệ thống bắt đầu dao động liên tục. Giá trị độ lợi tại thời điểm này chính là gain cực hạn, còn chu kỳ dao động là chu kỳ cực hạn. Từ hai thông số này, các công thức tính toán sẽ cho ra các tham số tinh chỉnh tối ưu cho bộ điều khiển PID đầy đủ. Phương pháp này đã được cải tiến kết hợp với quy tắc IMC để xử lý các đặc tính quá trình đặc biệt như độ trễ thời gian lớn và thời gian tích phân dài.

3.1. Quy trình xác định Gain cực hạn và Chu kỳ dao động

Quy trình xác định gain cực hạn bắt đầu bằng việc thiết lập bộ điều khiển ở chế độ tỷ lệ thuần túy. Kỹ thuật viên từ từ tăng độ lợi cho đến khi quan sát thấy dao động biên độ không đổi trong biến quá trình. Giá trị độ lợi tại điểm này được ghi nhận là gain Ku. Chu kỳ thời gian của một dao động hoàn chỉnh được đo và gọi là chu kỳ Tu. Quá trình này đòi hỏi sự cẩn thận và theo dõi liên tục để tránh gây mất ổn định nghiêm trọng cho hệ thống thực. Các biện pháp an toàn phải được chuẩn bị sẵn sàng trước khi tiến hành thử nghiệm trên hệ thống sản xuất.

3.2. Công thức tính toán tham số tinh chỉnh QDR IMC

Phương pháp tỷ lệ suy giảm phần tư kết hợp quy tắc Điều khiển Mô hình Nội tại cung cấp công thức tính toán trực tiếp từ gain và chu kỳ cực hạn. Công thức QDR gốc được điều chỉnh để phù hợp với các đặc tính quá trình cụ thể như thời gian chết lớn. Đối với hệ thống có tỷ lệ thời gian chết trên thời gian quá trình cao, quy tắc IMC được áp dụng để cải thiện độ ổn định. Các hệ số điều chỉnh bổ sung giúp tối ưu hóa đáp ứng quá độ và giảm sai số trạng thái dừng. Kết quả là bộ thông số tinh chỉnh cân bằng giữa tốc độ đáp ứng và độ bền vững của hệ thống điều khiển công nghiệp.

IV. Ứng dụng và kết luận về kỹ thuật tinh chỉnh hệ thống điều khiển

Kỹ thuật tinh chỉnh hệ thống điều khiển công nghiệp có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất. Các nhà máy hóa chất, lọc dầu, xử lý nước và sản xuất thực phẩm đều sử dụng bộ điều khiển PID cần được tinh chỉnh đúng cách. Cuốn sách Tuning of Industrial Control Systems cung cấp phương pháp luận có hệ thống để giải quyết các thách thức thực tế trong vận hành nhà máy. Kết quả áp dụng thành công bao gồm cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm tiêu hao năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị. Kiến thức từ cuốn sách giúp kỹ thuật viên đưa ra quyết định tinh chỉnh dựa trên cơ sở khoa học thay vì phỏng đoán. Ấn bản thứ ba với ngôn ngữ đơn giản hóa đã mở rộng đối tượng độc giả đến nhiều kỹ thuật viên hơn. Cuốn sách tiếp tục là tài liệu tham khảo chuẩn trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp quốc tế.

4.1. Ứng dụng thực tế trong các ngành công nghiệp

Các kỹ thuật tinh chỉnh từ cuốn sách được áp dụng trong điều khiển nhiệt độ lò phản ứng hóa học, điều khiển lưu lượng đường ống dẫn và điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa. Ngành chế biến thực phẩm sử dụng phương pháp này để kiểm soát nhiệt độ pasteurization và tỷ lệ trộn nguyên liệu. Nhà máy điện áp dụng kỹ thuật tinh chỉnh để tối ưu hóa điều khiển áp suất hơi nước và nhiệt độ nồi hơi. Ngành giấy và bột giấy sử dụng để kiểm soát độ pH và nồng độ hóa chất trong quy trình sản xuất. Mỗi ứng dụng đòi hỏi điều chỉnh phương pháp tinh chỉnh phù hợp với đặc trưng riêng của quá trình.

4.2. Giá trị của cuốn sách đối với đào tạo kỹ thuật viên

Cuốn sách đóng vai trò quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ thuật viên tự động hóa công nghiệp. Nội dung được thiết kế với ngôn ngữ thực tiễn giúp học viên dễ dàng tiếp thu và áp dụng kiến thức. Các ví dụ minh họa cụ thể từ thực tế sản xuất giúp xây dựng kỹ năng giải quyết vấn đề. Ấn bản thứ ba với sự đơn giản hóa đã trở thành công cụ đào tạo hiệu quả cho cả chương trình ngắn hạn và dài hạn. Kỹ thuật viên sau đào tạo có khả năng tinh chỉnh bộ điều khiển một cách có hệ thống và khoa học, giảm thời gian thử nghiệm sai sót và nâng cao hiệu suất vận hành hệ thống sản xuất công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Tuning of Industrial Control Systems Third Edition By Armando B. Chemical Engineering Louisiana State University and Michael Newell Automation Designer Polaris Engineering Notice The information presented in this publication is for the general education of the reader. Because neither the author nor the publisher has any control over the use of the information by the reader, both the author and the publisher disclaim any and all liability of any kind arising out of such use. The reader is expected to exercise sound professional judgment in using any of the information presented in a particular application. Additionally, neither the author nor the publisher has investigated or considered the effect of any patents on the ability of the reader to use any of the information in a particular application. The reader is responsible for reviewing any possible patents that may affect any particular use of the information presented. Any references to commercial products in the work are cited as examples only. Neither the author nor the publisher endorses any referenced commercial product. Any trademarks or tradenames referenced belong to the respective owner of the mark or name. Neither the author nor the publisher makes any representation regarding the availability of any referenced commercial product at any time. The manufacturer’s instructions on the use of any commercial product must be followed at all times, even if in conflict with the information in this publication. Copyright © 2015 International Society of Automation (ISA) All rights reserved. Printed in the United States of America. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 ISBN: 978-0-87664-034-0 No part of this work may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior written permission of the publisher. ISA 67 Alexander Drive P. Box 12277 Research Triangle Park, NC 27709 Library of Congress Cataloging-in-Publication Data in process Preface to the Third Edition This third edition of Tuning of Industrial Control Systems has been significantly simplified from the second edition with the goal of having the discussion more in line with modern control systems and with language that is less aca- demic and more in tune with the vocabulary of the technicians who do the actual tuning of control systems in industry. For example, we have eliminated any references to first- and second-order models since these terms are highly mathematical and may discourage some from appreciating the usefulness of the models. We have also eliminated the distinction between series and paral- lel PID controllers since most modern installations use the series version and there is not much difference between the tuning of the two versions. We have reduced the tuning strategies to just one; the quarter-decay-ratio (QDR) formulas slightly modified by the Internal Model Control (IMC) rules for certain process characteristics. All the tuning strategies are intended for responses to disturbances with a discussion on how to modify these responses to avoid sudden excessive changes of the controller output on set point changes when such changes are undesirable. Chapter 10 is new and deals with the auto-tuning feature that has become standard on current process control systems. We have successfully used the auto-tuning feature in our tuning work on oil refineries as a reference to guide our selection of the final tuning parameters for the controllers. We have kept the previous edition’s discussions on the problems of process nonlinearities and reset windup, and how to compensate for them. All of the tuning strategies are demonstrated with computer simulation examples. ix Contents Preface to the Third Edition . The Goal of Tuning . Other Control Strategies . Organization of the Book . 8 2 – The Feedback Controller . The PID Control Algorithm . Stability of the Feedback Loop . PID Controller Tuning by the Ultimate Gain and Period Method . The Need for Alternatives to Ultimate Gain Tuning . 30 3 – Open-loop Characterization of Process Dynamics . Open-loop Testing—Why and How . Process Parameters from the Open-loop Test . Physical Significance of the Time Constant . Physical Significance of Dead Time . Effect of Process Nonlinearities . 54 v vi Tuning of Industrial Control Systems, Third Edition 4 – How to Tune Feedback Controllers . Tuning from Open-loop Test Parameters . Practical Controller Tuning Tips . Processes with Inverse Response . Effect of Nonlinearities . 76 5 – Mode Selection and Tuning of Common Feedback Loops . Deciding on the Control Objective. Level and Pressure Control. 92 6 – Tuning Sampled-Data Control Loops . The Discrete PID Control Algorithm . Tuning Sampled-data Feedback Controllers . Selection of the Sampling Frequency. Compensation for Dead Time. 118 7 – Tuning Cascade Control Systems. When to Apply Cascade Control . Selection of Controller Modes for Cascade Control . Tuning of Cascade Control Systems . Reset Windup in Cascade Control Systems . 140 8 – Feedforward and Ratio Control . Why Feedforward Control? . Design of Linear Feedforward Controllers. Tuning of Linear Feedforward Controllers . Nonlinear Feedforward Compensation . 166 9 – Multivariable Control Systems . What is Loop Interaction?. Pairing of Controlled and Manipulated Variables . Design and Tuning of Decouplers. Tuning of Multivariable Control Systems . Model Reference Control . 199 10 – The Auto-tuner Application . Features and Settings. 213 Appendix A – Suggested Reading and Study Materials . 215 Appendix B – Answers to Study Questions. 233 1 Introduction Automation is essential for the operation of chemical, petrochemical, and refining processes. It is required to maintain process variables within safe operating limits while maintaining product purity and optimum operating conditions. Because all processes are different in their speed of response and sensitivity to control adjustments and disturbances, the parameters of the automatic controllers must be adjusted to match the process characteristics. This procedure is known as tuning. The purpose of this book is to provide you, the reader, with an understanding of the most commonly used and suc- cessful tuning techniques for the various control strategies used in industry. This first chapter presents a general discussion of the goal of tuning, a descrip- tion of feedback control—the most common strategy—and a brief introduc- tion to other common control strategies. Learning Objectives — When you have completed this chapter, you should be able to A. Define the main goal of tuning a control system. Understand the feedback control strategy. Identify the various components of a feedback control loop. 1 2 Tuning of Industrial Control Systems, Third Edition 1-1. The Goal of Tuning The goal of tuning is to produce a smoothly operating process. One common misconception is that every process variable should be brought to its desired value as quickly as possible and closely maintained at that value. When a con- troller is “tightly” tuned to maintain close control of a process variable, it must make large, fast changes in its output, which usually causes disturbances to other variables in the process. As the controllers of these other variables take action they, in turn, cause further disturbances that affect other variables. Before long the entire process is in a state of continuous change, which is undesirable and may be unsafe in some occasions. The situation worsens when the controllers cause oscillatory process responses, because then the process variables will be continuously changing. The following heuristics (“rules of thumb”) may prove helpful to those just starting in the tuning of processes: • The variability of the controller output should not be excessive; how- ever, keeping the output variability low must be balanced against the precision with which the process variable is to be controlled. • Some variables do not have to be maintained at their desired values. The most common example of this is liquid levels, which usually only need to be kept within a safe range. • The controller cannot move the process variable faster than the process can respond, so the controller speed must be matched to the speed of response of the process. Some processes respond in a matter of min- utes, while others may take close to an hour or longer to respond. Not many processes respond in a matter of seconds. One more item to keep in mind is that there is no such thing as fine-tuning a controller, particularly a feedback controller. In most cases the tuning parame- ters need only be adjusted to one, or at most, two significant digits. There are two reasons for this. One is that feedback controllers are not that sensitive to variations in the third digit of their tuning parameters. The other is that the characteristics of most processes—that is, speed of response and sensitivity to changes in controller output—vary with operating conditions, sometimes slightly and other times not so slightly. This means that the controller tuning Introduction 3 parameters are usually compromises selected to work in the range of operat- ing conditions, and so their values are not precise. Understanding this simplifies the task of tuning because it reduces the num- ber of values of the tuning parameters to be tried. For example, it is a lot easier to decide between gain values of 1.5 than to try to find out whether the gain should be 1. In practice, all three of these values will work about the same. Armed with these heuristics and basic concepts, we are now ready to look at the feedback control strategy. Feedback Control Feedback control is the basic strategy for the control of industrial processes. It consists of measuring the process variable to be controlled (the controlled variable), comparing the measurement with its desired value or set point, and taking action based on the difference between them to reduce or eliminate the difference—that is, to bring the controlled variable to its desired value. The action taken results in the adjustment of a process flow, such as the steam flow to a heater, which has a direct effect on the controlled variable, such as the outlet process temperature. The three instrumentation components required for feedback control are: • A sensor/transmitter to measure the process variable and send its value to the controller (Measurement) • A controller to compare the value of the process variable to its desired value, determine the required control action and send it to the final control element (Decision) • A final control element, usually a control valve or variable speed drive, to vary the manipulated process flow (Action). A fourth element of the loop is the process itself, through which the manipu- lated flow affects the controlled variable. The controlled variable is also known as the process variable (PV), its desired value is the set point (SP), and the signal from the controller to the final control element is the controller output (OP). 4 Tuning of Industrial Control Systems, Third Edition It is important to realize that a feedback controller does not use a model of the process to compute its output. It takes action by trial and error. Tuning the controller is the procedure of adjusting the controller parameters to ensure that the controller output converges quickly to its correct value. In order to better understand the concept of feedback control, consider as an example the process heater sketched in Figure 1-1. The process fluid flows inside the tubes of the heater and is heated by steam condensing on the out- side of the tubes. The objective is to control the outlet temperature T of the process fluid in the presence of variations in process fluid flow (throughput or load) F and in its inlet temperature Ti. This is accomplished by manipulating or adjusting the steam flow to the heater Fs and with it the rate at which heat is transferred into the process fluid, thus affecting its outlet temperature.