Chương 1. LÝ THUYẾT CHUNG CỦA HỆ ĐA BIẾN Chương 2. XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN Chương 3. GIỚI THIỆU BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Chương 4.
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM MATLAP Chương 5. THÍ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ ĐỂ KIỂM CHỨNG Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ Chƣơng 1 LÝ THUYẾT CHUNG CỦA HỆ ĐA BIẾN 1. Điều khiển quá trình là gì? 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. Các khái niệm trong điều khiển 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. Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo và được can thiệp,được hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành. 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… Hình 1.1: Quá trình và phân loại các biến quá trình. 1 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 của sản phẩm ra… 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,… 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.
Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm thì được gọi 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 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.
Phân loại quá trình Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau. Cách phân loại thứ nhất là 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. Một quá trình một vào-một ra được gọi tắt là SISO (Single-Input Single-Output), quá trình nhiều vào-nhiều ra được gọi là MIMO (Multi-Input Multi-Output).
Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến. Dựa trên đặc tình 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 và quá trình mẻ: - Quá trình liên tục: Các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đã đạt được trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành. Các đại lượng đặc trưng của 2 một quá trình liên tục là các biến tương tự.
Quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng là các ví dụ quá trình lien tục tiêu biểu - Quá trình gián đoạn (hay còn gọi là quá trình không liên tục) có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định. - Quá trình rời rạc: các đại lượng đặc trung chỉ thay đổi giá trí tại một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic). - Quá trình mẻ: là một quá trình hỗn hợp, có đặc trung của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc.
Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá trình mẻ.Các phản ứng hóa học,quá trình pha chế,lên men (bia, rượu) là các ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ. Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình - Qui mô ứng dụng: Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá trình có quy mô vừa và lớn, có thể hiểu theo hai hướng, đó là quy mô về phạm vi chức năng điều khiển cần thực hiện về mặt tổ chức sản xuất.
Hệ thống điều khiển phải được thiết kế tương ứng với cấu trúc của nhà máy, với việc phân chia khu vực một cách hợp lý và điều khiển phối hợp các quá trình tương tác với rất nhiều điểm vào ra đặt ra yêu cầu rất cao cho chưc năng quản lý dữ liệu và vận hành giám sát. - Độ tin cậy và tính sẵn sàng: Bên cạnh quy mô sản xuâtc lớn các nhà máy trong nghành hóa chất hoặc năng lượng đều yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống điều khiển, bởi sự ngưng trệ sản xuất trong ít giờ hoặc ít ngày có thể dẫn tới thiệt hại nghiêm trọng về mặt kinh tế. Tuy nhiên yêu cầu về độ tin cậy cao lạ làm tăng chi phí cho giải pháp điều khiển. - Chức năng điều khiển: trong hệ thống điều khiển quá trình, bài toán điều chỉnh là chức năng tiêu biểu và quan trọng nhất trong một hệ điều khiển quá trình.
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 thời gian thực hệ thống. Tuy nhiên, phần lớn các đại lượng đặc trưng của quá trình công nghệ diễn biến tương đối chậm, vì thế tính năng thời gian thực ít ngặt nghèo hơn. Các phương pháp điều khiển được áp dụng ở đây có thể không phải xuất phát từ các lý thuyết tiên tiến nhất, nhưng là các phương pháp rất tin cậy và đã được kiểm chứng nhiều trong thực tế. 3 - Khả năng vận hành và điều khiển quá trình: liên quan tới các thiết kế công nghệ và các 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. Điều này gây khó khăn lớn cho người kỹ sư điều khiển, bởi hầu hết các phương pháp điều khiển hiện nay không đưa các điều kiện ràng buộc trực tiếp vào trong bài toán thực tế. - Mô hình không chính xác: Việc xây dựng mô hình toán học của các quá trình công nghệ thường gặp rất nhiều khó khăn do chúng đều là các đối tượng MIMO, chứa đựng nhiều quan hệ vật lý, hóa học hoặc sinh học rất phức tạp. Do vậy, các mô hình toán học có được thường chỉ là gần đúng vì đã bỏ qua rất nhiều yếu tố động học và các yếu tố khác.
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 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.