Chương 1: Giới thiệu về điều khiển quá trình và giản đồ công nghệ cho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai; Chương 2: Mô tả toán học cho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai; Chương 3: Thiết kế điều khiểncho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai; Chương 4: Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho đối tƣợng tích phân quán tính bậc hai. Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 3 CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH VÀ GIẢN ĐỒ CÔNG NGHỆ CHO ĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂN QUÁN TÍNH BẬC HAI Ngày nay, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển tự động trong các ngành công nghiệp năng lƣợng và hóa chất. Điều khiển quá trình không phải lĩnh vực mới nhƣng luôn chiếm hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp. Giới thiệu chung Điều khiển quá trình là sự thao tác những điều kiện của quá trình để làm xảy ra những thay đổi mong muốn trong những đặc tính đầu ra của quá trình.
Trong thực tế thì điều khiển quá trình thƣờng đƣợc xem nhƣ điều khiển các thông số nhƣ: nhiệt độ (t0), áp suất (P), lƣu lƣợng (F), mức (L), nồng độ (pH), định lƣợng và thậm chí cả điều khiển phản ứng,. Việc điều khiển các đại lƣợng này thƣờng gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có những đặc tính: a. Thời gian chết quá trình: Đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi trong tín hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển quá trình và đáp ứng của tín hiệu. Hiện tƣợng này luôn luôn không phân biệt dạng của tín hiệu đƣợc dùng.
Ngoài ra nó còn đƣợc biết đến nhƣ: trễ thuần tuý, trễ vận tải, hoặc trễ khoảng cách - vận tốc. Trễ quá trình: Vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng lƣợng một cách liên tục. Qua đó ta có trễ bậc một hoặc trễ bậc cao. Hệ số khuyếch đại quá trình: Hệ số khuyếch đại của quá trình đƣợc xác định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi đầu vào.
Nhiễu quá trình: Là những sự thay đổi mong muốn xảy ra trong quá trình, nó có xu hƣớng ảnh hƣởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển. Khi nghiên cứu điều khiển quá trình thì việc tổng hợp mạch vòng điều khiển thƣờng gặp khó khăn vì: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 4 - Hệ thống có thông số rải. - Trong quá trình hoạt động, không những cấu trúc của hệ thay đổi (dẫn đến hàm truyền của hệ thay đổi) mà còn cả thông số của hệ cũng thay đổi. Trƣớc khi đi sâu vào đối tƣợng điều khiển, ta nêu lại một số khái niệm cơ bản sẽ sử dụng trong quá trình thiết kế luận văn nhƣ sau: 1.
Các khái niệm cơ bản - Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lƣợng hoặc thông tin đƣợc biến đổi, vận chuyển hoặc lƣu trữ (IEC60050-351[1], ANSI/ISA 88. - Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận hành hoặc lƣu trữ vật chất và năng lƣợng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lƣợng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản nhƣ quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhƣng cũng có thể phức tạp hơn nhƣ một tổ hợp lò phản ứng - tháp chƣng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi - turbin. - Quá trình kỹ thuậtlà một quá trình với các đại lƣợng kỹ thuật đƣợc đo hoặc/và đƣợc can thiệp.
Khi nói tới quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng các phƣơng tiện , nếu không nhấn m cảnh sử dụng. Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình. Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình đƣợc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 5 minh hoạ trên hình 1. Một biến vào là một đại lƣợng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lƣu lƣợng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nƣớc cấp nhiệt, trạng thái đóng mở của rơle, sợi đốt,.
Một biến ra là một đại lƣợng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lƣu lƣợng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thƣờng hay quá cao. Nhìn từ quan điểm của lý thuyết hệ thống, các biến vào thể - ). Bên cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái. Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất , vừa có thể Hình 1.1:Quá loại trình và phân biến quá trình coi là một biến ra.
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn các chỉ tiêu cho trƣớc, đồng thời giảm thiểu ảnh hƣởng xấu của quá trình kỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 6 thuật đối với con ngƣời và môi trƣờng xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng nhƣ các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần đƣợc theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp đƣợc và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển. Biến cần điều khiển (controller variable, CV (set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal).
Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lƣợng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, lƣu lƣợng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể đo, ghi chép hoặc hiển thị. Biến điều khiển (manipulated variable, MV) 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 lƣu lƣợng là biến điều khiển tiêu biểu nhất. Những biến vào còn lại không can thiệp đƣợc một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm đƣợc coi là nhiễu. Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hƣởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trƣng 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 nhƣng không can thiệp đƣợc, ví dụ trọng lƣợng hàng cần nâng, lƣu lƣợng chất lỏng ra,. Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong quá trình đo đƣợc. /ra công nghệ và đầu vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống. Nhìn từ phía công nghệ thì các đầu vào và đầu ra của một quá trình có thể là năng lƣợng hoặc vật chất, nhƣng từ quan điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới thông tin thể hiện qua các biến quá trình.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Mục đích và yêu cầu 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 cho quá trình công nghệ. Trƣớc khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, ngƣời kỹ sƣ phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt đƣợc các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hoá 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 xắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây: -. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 8 ảm bảo chất lƣợng sản phẩm: Giá trị đại lƣợng cần điều khiển càng gần với giá trị đặt càng tốt. Chất lƣợng sản phẩm đƣợc đánh giá thông qua một số chỉ tiêu chất lƣợng + Đáp ứng với thay đổi giá trị đặt (đáp ứng quá độ) + Đáp ứng với tác động của nhiễu (đáp ứng loại nhiễu) -.
* Lỗi thiết bị, đƣờng truyề ợc điều chỉnh thông thƣờng không đáp ứng đƣợc. * Khóa liên động nhằm: Tránh xảy ra các tình huống nguy hiểm (ví dụ động cơ chỉ đƣợc khởi động khi mức trong bình đạt một giá trị nào đó. Giảm thiểu tác hại khi sự cố xảy ra (bằng các biện pháp ngắt từng phần hoặc dừng khẩn cấp) - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Trong các dây chuyền công nghệ ngày nay đƣợc thiết kế với nhiều yêu cầu giảm ô nhiễm môi trƣờng: - Giảm nhiên liệu tiêu thụ - Giảm sử dụng nƣớc sạch Các thiết kế "recycling" tạo tính phi tuyến cao và tƣơng tác lớn trong hệ thố ủa các phƣơng pháp điều khiển hiện đại.
Yêu cầu cao hơn trong các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về xử lý nƣớc thải và khí thải. - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Các thành phần cơ bản của hệ thống ĐKQT 1. Cấu trúc cơ bản của một HT ĐKQT Tuỳ theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hoá, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tƣơng đối phức tạp, nhƣng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.
Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng đƣợc thể hiện một cách trực quan với sơ đồ trên hình 1. và trên hình 1.3 là cấu trúc điều khiển phản hồi của một vòng trong điều khiển quá trình.3 sẽ bao gồm các phần chính nhƣ sau: Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình Hình 1.3: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình 1. Các thành phần cơ bản của hệ điều khiển quá trình a. Thiết bị đo Chức năng của thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỷ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lƣợng đo (hình 1.
Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo (transducer).