Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiển Độ lệch hay độ trôi là một thay đổi không mong muốn qua một khoảng thời gian làm việc quy định. Trôi điểm không là sự thay đổi tín hiệu đầu ra của thiết bị đo khi giá trị đại lượng đo được giữ cố định tại điểm không. Lệch độ nhạy là sự thay đổi độ nhạy của một thiết bị đo qua một khoảng thời gian quy định. Hiện tượng trôi điểm không dẫn tới đặc tính bị đẩy lên hoặc xuống, trong khi lệch độ nhạy làm thay đổi độ dốc của nó.
Điều kiện làm việc của một thiết bị đo bao gồm nhiệt độ và áp suất bên ngoài, áp suất dòng chảy, các trường điện từ, gia tốc, độ rung và vị trí lắp đặt. Giới hạn làm việc là phạm vi các điều kiện làm việc mà không gây ra hư hỏng thiết bị. Tác động của nhiệt độ có thể xét tới thông qua độ trôi điểm không hoặc lệch độ nhạy. Trôi điểm không do nhiệt là sự thay đổi tín hiệu ra tại giá trị không của một số thiết bị đo khi nhiệt độ xung quanh thay đổi.
Tương tự như vậy, lệch độ nhạy đo nhiệt là sự thay đổi độ nhạy của một thiết bị đo khi có thay đổi nhiệt độ môi trường. Đặc tính tĩnh của thiết bị đo liên quan tới độ chính xác của một thiết bị đo trong điều kiện phòng làm việc với đại lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm. Thực chất, thiết bị đo cũng là một khâu động học, vì vậy đặc tính tĩnh phản ánh quan hệ giữa đại lượng đo đầu vào và tín hiệu đầu ra ở trạng thái xác lập. Sai số đo là sai lệch giữa giá trị quan sát được với giá trị thực của đại lượng đo.
Sai số đo thường gồm hai thành phần là sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống. Sai số ngẫu nhiện có hể có nguyên nhân do đặc tính bất định của thiết bị hoặc do tác động của nhiễu tức thời. Sai số hệ thống có nguyên nhân từ các đặc tính vận hành (độ phân giải, trôi điểm không, lệch độ nhạy, điều kiện sử dụng khác điều kiện chuẩn) và tính phi tuyến của thiết bị. Độ chính xác là mức độ phù hợp của đầu ra của một thiết bị đo so với giá trị thực của đại lượng đo xác định bởi một số tiêu chuẩn.
Độ chính xác được đánh giá thông qua thử nghiệm thiết bị đo với một quy trình đặc biệt trong điều kiện quy chuẩn. Độ chính xác được biểu diễn dựa trên sai số âm và dương lớn nhất. Quy trình xác định độ chính xác của một thiết bị đo và thực hiện hiệu chuẩn cho phù hợp với ứng dụng và nếu cần thiết thực hiện bù trong thuật toán điều khiển được gọi là định chuẩn. Công việc định chuẩn bao gồm xác định mối quan hệ giữa các giá trị của đại 8 Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiển lượng đo và tín hiệu đo qua ba vòng thử nghiệm cho toàn bộ phạm vi đo theo cả hai chiều thay đổi của đại lượng đo, tính toán các giá trị trung bình, giá trị sai số và biểu diễn các số liệu định chuẩn dưới dạng bảng hoặc đồ họa.
Đồ thị định chuẩn còn được gọi là đặc quyền vào ra của thiết bị đo, mô rả đặc tính tĩnh của thiết bị. Dải chết của một thiết bị đo là thay đổi nhỏ nhất của đại lượng đo theo chiều ngược lại mà thiết bị đo có thể đáp ứng với tín hiệu đầu ra thay đổi. Dải chết còn được gọi là ngưỡng nhạy. Độ trễ là sự khác nhau trong đáp ứng ra với cùng thay đổi đầu vào nhưng theo hai chiều khác nhau.
Hiệu ứng dải chết và độ trễ tạo ra hai đường đặc tính khác nhau cho mỗi chiều thay đổi của đại lượng đo. Tính trung thực hay còn gọi là khả năng lặp lại của một thiết bị đo là độ lệch lớn nhất của các giá trị quan sát được sau nhiều lần lặp lại so với giá trị trung bình của một đại lượng đo. Tính trung thực cũng là một chỉ số cho sự tản mạn của phép đo. Một thiết bị đo có tính trung thực cao không nhất thiết sẽ chính xác, tuy nhiên một thiết bị có độ chính xác cao nhất thiết phải trung thực.2 Thiết bị điều khiển Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của thiết bị điều khiển Các thiết bị điều khiển là thành phần cốt lõi của hệ thống điều khiển.
Trên cơ sở tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo dạng tính hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, 9 Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiển một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển logic hoặc là thiết bị điều khiển số. Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp và loại tương tự. Một mạch logic rơ le là một thiết bị điều khiển logic.
Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic. Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các thành phần chuyển đổi tương tự - số như cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được thực hiện bằng máy tính số. Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhận nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc. Hiện nay, hầu hết các giải pháp điều khiển hiện đại đều là các hệ điều khiển số.
Một thiết bị điều khiển số thực chát là một máy tính số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển.3 Thiết bị chấp hành Thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới biến điều khiển theo tín hiệu đầu ra bộ điều khiển.3 Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành Thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển được gọi là phần tử điều khiển. Phần tử điều khiển được truyền năng lượng, truyền động từ cơ cấu chấp hành. Trong các hệ thống điều khiển quá trình, hầu hết biến điều khiển là lưu lượng, vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu và quan trọng nhất. Van điều khiển cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất qua đường ống dẫn tỷ lệ với tín hiệu điều khiển.
Một van điều khiển bao gồm thân van được ghép nối với một cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan. Phần thân van được gắn với đường ống, đóng vai trò là phần tử 10 Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiển điều khiển. Độ mở van và lưu lượng qua van được xác định bởi hình dạng và vị trí chốt van. Một số loại van được phân loại theo thiết kế và chuyển động của chốt van: Van cầu: Chốt trượt có đầu hình cầu hoặc hình nón, chuyển động lên xuống.
Van nút: Chốt xoay hình trụ (có đục các lỗ theo chiều ngang) hoặc một phần hình trụ. Van bi: Chốt xoay hình cầu (có đục lỗ theo chiều ngang) hoặc một phần hình cầu. Van bướm: Chốt xoay hình đĩa.4 Cấu trúc cơ bản của van điều khiển Cơ cấu chấp hành van có nhiệm vụ cung cấp năng lượng và tạo ra chuyển động cho chốt van thông qua cầu van (đối với chuyển động trượt) hoặc trụ van (chuyển động xoay).3 Tổng quan về xây dựng bộ điều khiển trong điều khiển quá trình: Thiết kế, xây dựng bộ điều khiển quá trình được tiến hành theo 02 bước cơ bản là thiết kế cấu trúc điều khiển và thiết kế bộ điều khiển. Cấu trúc điều khiển hay còn gọi là sách lược điều khiển thể hiện quan hệ về mặt cấu trúc giữa các biến chủ đạo hay giá trị đặt, biến đo và biến điều khiển thông qua các bộ điều khiển và các phần tử cấu hình hệ thống khác.
Kết quả của việc thiết kế cấu trúc điều khiển là bản vẽ mô tả chi tiết cấu trúc hệ 11 Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiển thống điều khiển. Trên cơ sở cấu trúc điều khiển đã được thiết kế sẽ lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển và xác định các tham số của bộ điều khiển. Các sách lược điều khiển thường được sử dụng trong điều khiển quá trình: 1.1 Điều khiển truyền thẳng: Hình 1.5: Cấu trúc điều khiển truyền thẳng Đây là cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng. Đặc điểm cơ bản của là biến nhiễu quá trình được đo và đưa tới bộ điều khiển.
Dựa trên các giá trị nhiễu đo được cùng với giá trị đặt, bộ điều khiển tính toán đưa ra giá trị cho biến điều khiển. Nếu đặc tính đáp ứng của quá trình điều khiển cũng như với nhiễu biết trước, bộ điều khiển có thể thực hiện thuật toán bù trước sao cho giá trị biến được điều khiển đúng bằng giá trị đặt.2 Điều khiển phản hồi: Hình 1.6: Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi Trong đó G: mô hình quá trình tổng quát; K; bộ điều khiển tổng quát; w: các đầu vào quá trình (gồm cả nhiễu đo); 12 Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và các phương án xây dựng bộ điều khiển z: các đầu ra cần được kiểm soát; y: các đầu vào bộ điều khiển; u: các tín hiệu điều khiển. Điều khiển phản hồi (feedback control) dựa trên nguyên tắc liên tục đo (hoặc quan sát) giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển. Do có cấu trúc khép kín, sách lược điều khiển phản hồi có thể đươc gọi là điều khiển vòng kín (closed-loop control).
Trong các sách lược điều khiển, điều khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng hàng đầu. Điều khiển phản hồi được sử dụng gần như trong tất cả các hệ thống điều khiển tự động.3 Điều khiển tỷ lệ: Điều khiển tỷ lệ là duy trì tỷ lệ giữa hai biến tại một giá trị đặt nhằm gián tiếp điều khiển một biến thứ ba.