Bài giảng môn học Cơ sở điều khiển quá trình - Bùi Ngọc Pha

MSMH: CH3031 GV: Bùi Ngọc Pha F: 0909.878.662 E: buingocpha@hcmut.edu.vn Bài giảng mơn học CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Ver 02 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Thời lượng: 30 tiết lý thuyết Giáo trình – tài liệu tham khảo: [1] D.E. Seborg, T.F. Edgar, D.A. Mellichamp, Process Dynamics and Control, 2nd Ed., John Wiley, 2004 [2] Hồng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, NXB Bách Khoa, Hà Nội, 2006 Phần mềm: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK [Đánh giá mơn học] Bài tập 20% Bài tập lớn 20% Thi tự luận 60% CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 4Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Cảm ơn sự hợp tác của lớp học CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 5Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK [Mục tiêu mơn học] Mơ tả và giải thích được các thành phần của một hệ thống điều khiển tự động Sử dụng Matlab & Simulink để tính tốn, phân tích một số quá trình đơn giản Áp dụng kiến thức về lưu đồ P&ID để biểu diễn sơ đồ kết nối của quá trình cơng nghiệp cĩ điều khiển Phân loại và lựa chọn cấu trúc điều khiển và chiến thuật điều khiển CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 6Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK [Vị trí mơn học] Điều khiển – Tự động hĩa Điều khiển học (Cybernetics) ① Điều khiển quá trình ② Điều khiển máy (chuyển động, Robot) Tự động hĩa CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Đo mức Bộ ĐK Ví dụ bình chứa chất lỏng Yêu cầu điều chỉnh mức nước h=H0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ bình chứa chất lỏng Cần hiểu biết về: - Mục đích điều khiển - Các cách điều khiển - Bản chất quá trình - Tác động điều khiển - Cơng cụ mơ phỏng Matlab&Simulink PROCESS PROCESSCONTROLLER h h Fi Fi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Nội dung mơn học Chương 1 • Tổng quan về điều khiển quá trình Chương 2 • Mơ tả hệ thống điều khiển quá trình Chương 4 • Điều khiển một số quá trình cơ bản Chương 3 • Lý thuyết hệ thống điều khiển quá trình CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình NỘI DUNG CHƯƠNG 1 Week 1.1. Điều khiển quá trình và Mục đích 1.2. Khái niệm và định nghĩa W1 1.3. Quá trình và các biến quá trình W2 W31.4. Cấu trúc cơ bản của hệ thống 1.5. Lưu đồ P&ID 1.6. Các sách lược điều khiển cơ bản W4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 11Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 1.2 Các khái niệm và định nghĩa Điều khiển: điều khiển tự động, điều khiển thủ cơng Hệ thống điều khiển tự động Điều chỉnh tự động Vịng điều khiển: vịng kín vịng hở Giá trị cài đặt Sai lệch điều khiển Quy luật điều khiển 1.1 Điều khiển quá trình và Mục đích điều khiển Khái niệm điều khiển quá trình Mục đích của điều khiển quá trình • Nội dung bài hơm nayW1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 12Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK • ĐKQT và mục đích của ĐKQT1.1 Điều khiển qúa trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động để điều chỉnh, vận hành và giám sát các quá trình cơng nghệ hoạt động theo yêu cầu mong muốn. Sơ đồ cơng nghệ nhà máy sản xuất, chế biến CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 13Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Yêu cầu của các quá trình chế biến là: An Tồn (Safety): • Con người, mơi trường, thiết bị  Lợi nhuận (Profit) • Ổn định (Stability): giảm sự biến động • Đáp ứng năng suất và chất lượng • Giảm thiểu chất thải • Giảm thiểu tác động mơi trường • Giảm thiểu sử dụng năng lượng • Mục đích ĐKQT1.1 Nhiệm vụ của ĐKQT là đảm bảo đáp ứng các yêu cầu mong muốn đối với các quá trình chế biến MỤC ĐÍCH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 14Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK  Điều khiển để đảm bảo an tồn • Mục đích ĐKQT1.1 Các lớp bảo vệ an tồn: bắt đầu với việc kiểm sốt quy trình an tồn thiết kế, mở rộng tới các lớp phịng ngừa bằng tay và tự động, và tiếp tục với các lớp để giảm nhẹ hậu quả nếu sự kiện xảy ra. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 15Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK  Điều khiển để tăng lợi nhuận Hiệu quả kinh tế phụ thuộc vào: điểm cài đặt và chất lượng điều khiển: • Xu hướng phải điều khiển quá trình gần với các mức giới hạn trên hoặc dưới, trong vùng làm việc kinh tế. • Khi quá trình được kiểm sốt tốt, cĩ thể thiết lập giá trị cài đặt trong vùng cĩ lợi nhuận cao hơn => Cần đưa quá trình về trạng thái ổn định Thời gian CL USL CL Trước điều khiển Sau điều khiển V ù n g v ậ n h à n h k in h t ế LSL Điểm cài đặt mới • Mục đích ĐKQT1.1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 16Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK  Điều khiển là tác động cĩ định hướng lên đối tượng điều khiển nhằm đảm bảo cho nĩ hoạt động theo yêu cầu mong muốn.  Điều khiển bằng tay Điều khiển tự động Người điều phối Đối tượng ĐK y z x Thiết bị điều khiển Đối tượng ĐK y z xu Quá trình điều khiển khơng cần sự tham gia trực tiếp của con người Con người thực hiện tác động lên đối tượng điều khiển • Khái niệm và định nghĩa1.2 [CÁC KHÁI NIỆM & ĐỊNH NGHĨA] CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Điều khiển bằng tay Mục đích điều khiển: Ổn định mức chất lỏng, khi cĩ nhiễu tải LV 1) Đo: mắt thu thập thơng tin 2) So sánh: não xử lý thơng tin 3) Điều chỉnh: tay chỉnh van vào VÍ DỤ VỀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Bộ điều khiển trực tiếp 1) Phao = cảm biến mức 2) Vị trí phao 3) Cánh tay địn điều chỉnh van • Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 18Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Điều khiển bằng tay Mục đích điều khiển: 1) Đo: 2) So sánh: 3) Điều chỉnh: Điều khiển tự động 1) TT 2) TC 3) Adjust Valve VÍ DỤ VỀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG • Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 19Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Các chức năng hệ thống điều khiển tự động: Khởi động, điều chỉnh, dừng, bảo vệ, giám sát Điều chỉnh là duy trì đại lượng đầu ra của đối tượng gần với giá trị chủ đạo mong muốn (cĩ thể cố định hoặc biến đổi) bằng cách đưa vào đối tượng các tác động điều khiển. Giá trị chủ đạo cố định Giá trị chủ đạo biến đổi => điều chỉnh chỉ là một chức năng của điều khiển SP PV SP PV • Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 20Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ: Điều khiển - Điều chỉnh: • Khái niệm và định nghĩa1.2 LC LSHH LAHLIT Các chức năng của ĐIỀU KHIỂN bình chứa: - Điều chỉnh mức chất lỏng LC - Đo và hiển thị mức LIT - Cảnh báo mức cao LAH - Bảo vệ: chuyển sang chế độ dừng nhập liệu khi mức vượt quá mức quá cao (mức an tồn) /Hi-Hi Level Switch SP CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 21Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Vịng điều khiển (control loop): là một chu trình thực hiện việc điều khiển. Vịng điều khiển kín và hở Vịng điều khiển hở: là là một hệ thống trong đĩ sự kiểm sốt khơng tuỳ thuộc vào đầu ra. Lệnh điều khiển được đưa vào, bộ điều khiển sẽ kiểm sốt tiến trình xử lý sao cho đối tượng được điều khiển đạt được tiêu chuẩn định trước. Mạch vịng kín: giá trị mong muốn và giá trị tức thời được đưa và bộ điều khiển để so sánh, dựa vào sự chênh lệch này bộ điều khiển đưa ra quyết định tác động vào đối tượng điều khiển. • Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 22Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ điều khiển vịng hở (opened loop control): Một máy nướng bánh cĩ gắn timer để ấn định thời gian tắt và mở máy. Đến thời điểm đã chọn trước, timer điều khiển tắt bộ nung. Hệ thống điều khiển vịng hở cĩ độ tin cậy khơng cao.. Muốn đưa đáp ứng c đến trị giá tham khảo r, người dùng phải qui chuẩn lại bằng cách chọn timer lại. • Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 23Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Giải pháp về vịng kín cho lị nướng là gì? • Xác định độ chín của bánh. • Liên tục so sánh tình trạng bánh với tiêu chuẩn đã xác định. • Đĩng/mở mạch cấp nhiệt. Ví dụ điều khiển vịng kín (closed loop control): • Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 24Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK  3 tác vụ của một vịng điều khiển : - Đo lường - Ra quyết định - Thực hiện điều khiển Ví dụ: bình chứa. Mực nước được đo và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển, bộ điều khiển so sánh với giá trị đặt và đưa ra quyết định điều khiển được thực hiện bằng tác động mở/đĩng van. • Khái niệm và định nghĩa1.2 SP LT LC CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 25Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Giá trị đặt (setpoint, SP): Sensor Controller Setpoint Error Ví dụ: giá trị đặt mức nước trong bể chứa là Ho =1m. Gía trị đặt cũng cĩ thể là tối đa hoặc giá trị tối thiểu. Ví dụ, mức trong bể khơng thể vượt quá 1,2m và khơng thấp hơn 0,8m. Là giá trị đầu ra của quá trình mà ta mong muốn đạt được, cịn gọi là giá trị chủ đạo. Setpoint PV • Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 26Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Sai lệch (Error, e): là sự khác biệt giữa giá trị đặt và giá trị tức thời đo được của các biến quá trình, giá trị sai lệch cĩ thể là số dương hoặc số âm. - Độ lớn - Thời gian tồn tại - Vận tốc thay đổi e = giá trị cài đặt – giá trị đo e = 0,8m – 1,0 m = -0,2m ý nghĩa? e = 373 K – 363 K = 10 K ý nghĩa? Bộ điều khiển làm giảm thiểu hoặc loại bỏ sai lệch e Ba thành phần của sai lệch: Sensor Controller Setpoint Error • Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 27Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Quy luật điều khiển: là hàm số biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị đầu ra với giá trị đầu vào của bộ điều khiển u = f(e) u = f(e) Setpoint Error u Process Bộ ĐK • Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 28Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 1.3 Khái niệm về quá trình và các biến quá trình Quá trình cơng nghệ Biến đầu vào Biến đầu ra Biến điều khiển Biến cần điều khiển Biến được điều khiển Biến nhiễu • Nội dung bài hơm nayW2 1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển  Đối tượng điều khiển  Thiết bị điều khiển:  Thiết bị đo  Bộ điều khiển  Bộ phận chấp hành CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 29Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK [QUÁ TRÌNH VÀ CÁC BIẾN QUÁ TRÌNH] Trình tự các diễn biến vật lý, hĩa học, sinh học Input Output Năng lượng Vật chất Thơng tin Năng lượng Vật chất Thơng tin Quá trình phản ứng (Biến đổi NVL) Quá trình chưng cất (Tinh chế) Nhà máy sản xuất (Biến đổi,Tinh chế) Quá trình hĩa học: là một trình tự các diễn biến vật lý, hĩa học, sinh học trong đĩ vật chất năng lượng hoặc thơng tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. • Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 30Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Biến quá trình là đại lượng, thơng số đặc trưng cho quá trình cĩ ảnh hưởng đến quá trình hay hệ quả của quá trình. Các biến quá trình là đại lượng vật lý như: - Áp suất; - Lưu lượng; - Mức; - Nhiệt độ; - Tỷ trọng; - Nồng độ, độ pH; - Khối lượng; [CÁC BIẾN CỦA QUÁ TRÌNH CƠNG NGHỆ] • Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 31Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Biến vào và biến ra: Biến vào (input variable): là đại lượng, thơng số phản ánh tác động từ bên ngồi đến quá trình, là nguyên nhân làm quá trình biến động Biến ra (output variable): là đại lượng, thơng số thể hiện ảnh hưởng của quá trình ra bên ngồi. Input (x,z) Output (y) Biến ra, Tín hiệu ra Đáp ứng Kết quả Biến vào, Tín hiệu vào Tác động Nguyên nhân • Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 32Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Phân loại các biến quá trình: Quá trình chỉ cĩ 1 đầu vào và 1 đầu ra là quá trình đơn biến (SISO) Thực tế các quá trình thường là đa biến MIMO: nhiều biến vào, nhiều biến ra. Biến vào Biến ra Biến nhiễu (LV or DV) Biến điều khiển (MV) Biến khơng cần ĐK Biến cần điều khiển Biến đo được (được điều khiển) (CV) Biến khơng đo được • Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 33Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK - Biến cần điều khiển (Controlled Variable, CV) là biến ra hoặc biến trạng thái của quá trình được điều khiển sao cho gần với giá trị mong muốn hoặc bám theo một giá trị chủ đạo/tín hiệu mẫu. - Biến được điều khiển (Controlled Variable, CV) là một biến ra dùng gián tiếp để thay cho biến cần điều khiển trong một số trường hợp nếu phép đo trực tiếp biến cần điều khiển là quá chậm, quá thiếu chính xác hay quá tốn kém khi đĩ nĩ cĩ thể được đo và điều khiển gián tiếp thơng qua đại lượng khác. Ví dụ: cần điều khiển nồng độ sản phẩm đỉnh tháp chưng cất, biến được điều khiển là nhiệt độ đỉnh tháp thay vì nồng độ sản phẩm đỉnh. Các biến ra được chia thành: • Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 34Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK - Biến điều khiển (Manipulated Variable, MV) là những biến vào của quá trình dùng để can thiệp trực tiếp từ bên ngồi vào quá trình, qua đĩ tác động tới biến ra theo yêu cầu mong muốn. - Biến nhiễu (disturbance/Load variable, LV) là những biến vào của quá trình, tác động lên quá trình nhưng ta khơng can thiệp được trong phạm vi quá trình đang quan tâm. Nhiễu bao gồm nhiễu cơ bản và nhiễu khơng cơ bản. Ví dụ: như thành phần nhiên liệu, nhiệt độ dịng lạnh, áp suất hơi bão hịa, thời tiết Các biến vào được chia ra thành: • Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 35Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ: Xác định các biến quá trình Mục đích điều khiển : ổn định h = Ho Phân tích bài tốn ta cĩ các biến sau: • Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 36Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Các thành phần cơ bản của HTĐKQT: - Đối tượng điều khiển là quá trình cơng nghệ (Process) - Bộ điều khiển (the controller) - Dụng cụ đo/truyền tín hiệu (a sensor/ transmitter) - Bộ phận thừa hành (a final control element) Thiết bị điều khiển BĐK Process y(t) yht z nhiễu ysp e u Dụng cụ đo y(t) x BP thừa hành • Cấu trúc HTĐKQT1.4 [CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH] CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 37Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thí dụ: Điều chỉnh mực chất lỏng trong bình chứa: Mức chất lỏng được đo bằng mức kế (LT) với tín hiệu đầu ra đưa đến bộ điều khiển (LC). Giá trị SP được người điều hành đưa vào. Nếu mức chất lỏng lệch khỏi giá trị chủ đạo thì BĐK sẽ tác động lên BPTH là van để thay đổi lưu lượng vào bồn. • Cấu trúc HTĐKQT1.4 SP LT LC Đối tượng: bình chứa DCĐ: mức kế LT BĐK: LC BPTH: Van CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 38Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Đối tượng điều khiển (ĐTĐK): trong cơng nghệ hố học đối tượng điều khiển cĩ thể là một phân xưởng, nhà máy hố chất hoặc hệ thống thiết bị cơng nghệ.  Đối tượng điều khiển • Cấu trúc HTĐKQT1.4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 39Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK  Thiết bị đo lường • Cấu trúc HTĐKQT1.4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 40Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thiết bị chấp hành hầu hết là van cĩ chức năng điều khiển như van điện từ hay van cĩ chức năng điều khiển liên tục, bơm, quạt  Thiết bị chấp hành • Cấu trúc HTĐKQT1.4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 41Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Là thiết bị làm nhiệm vụ nhận giá trị đầu vào (như giá trị đo, giá trị cài đặt) và đưa ra tín hiệu điều khiển dựa trên một thuật tốn (luật điều khiển) cài đặt sẵn. Bộ điều khiển thường gồm 3 loại là: bộ điều khiển khí nén, điện tử và bộ điều khiển lập trình được  Bộ điều khiển • Cấu trúc HTĐKQT1.4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 42Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Sự tham gia của các biến quá trình trong sơ đồ cấu trúc một vịng điều khiển Controller PROCESS Controlled variable CV Feedback signal Disturbance DV Setpoint, SP Controller error Controller output signal CO Measurement sensor Final Control Element y ym z ysp e u Manipulated variable MV x • Cấu trúc HTĐKQT1.4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 43Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK PROCESS, P: QUÁ TRÌNH (đối tượng điều khiển) Control Objective: Mục đích điều khiển Measurement sensor: Thiết bị đo Controller: Bộ điều khiển Final control element, FCA: Thiết bị chấp hành Controlled variable, CV: y : biến được điều khiển, giá trị thực (Process Value, PV) Feedback signal: ym : tín hiệu hồi tiếp Setpoint, SP: ysp : giá trị đặt, giá trị chủ đạo (reference input), Controller error, e: e = ysp- ym : tín hiệu sai lệch, sai số (error) Controller output signal, CO u = f(e): tín hiệu điều khiển Manipulated variable, MV x : biến điều khiển Disturbance, DV z: biến nhiễu Chú thích • Cấu trúc HTĐKQT1.4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 44Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Sensor Controller Ví dụ: Hệ thống điều khiển bình chứa chất lỏng, nhiễu tải: PROCESS, P: Feedback signal: Control Objective: Setpoint, SP: Measurement sensor: Controller error, e: Controller: Controller output signal, CO Final control element, FCA: Manipulated variable, MV Controlled variable, CV: Disturbance, DV Controlled variable CV measurement Disturbance DV Setpoint, SP Controller error Controller output signal CO y ym z ysp e u Manipulated variable MV x • Cấu trúc HTĐKQT1.4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 45Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ: Hệ thống điều khiển lị sưởi gia đình PROCESS, P: Feedback signal: Control Objective: Setpoint, SP: Measurement sensor: Controller error, e: Controller: Controller output signal, CO Final control element, FCA: Manipulated variable, MV Controlled variable, CV: Disturbance, DV Thermostat Home heating Process Controlled variable CV House temp. measurement Disturbance DV – heat loss Setpoint, SP Controller error Controller output signal CO Temperature sensor Fuel valve y ym z ysp e u Manipulated variable MV x • Cấu trúc HTĐKQT1.4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 46Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thiết bị trao đổi nhiệt Biến vào: Biến ra:.. Biến điều khiển:... Biến cần điều khển:. Nhiễu:. • Quá trình & Biến quá trình1.3 Bài tập: Xác định biến quá trình và sơ đồ khối CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 47Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thiết bị khuấy trộn ĐÁP ÁN: Biến vào: Biến ra:.. Biến điều khiển:... Biến cần điều khển:. Nhiễu:. ĐÁP ÁN: Biến vào: Biến ra:.. Biến điều khiển:... Biến cần điều khển:. Nhiễu:. • Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 48Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 1.5 Lưu đồ đồ P&ID  Các ký hiệu thiết bị  Các ký hiệu đường dẫn  Các ký hiệu đại lượng và chức năng  Trích dẫn tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 • Nội dung bài hơm nayW3 • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 49Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK LƯU ĐỒ ỐNG DẪN VÀ THIẾT BỊ (P&ID) Lưu đồ P&ID (Pipe and Instrumentation Diagram) là tài liệu đồ hoạ mơ tả quá trình cơng nghệ kèm theo các chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình: lưu đồ cơng nghệ + các biểu tượng thiết bị điều khiển. Mỗi thiết bị được biểu diễn thơng qua một biểu tượng cùng với ký hiệu nhãn Quy ước trên lưu đồ bao gồm: — Dụng cụ và thiết bị điều khiển; — Ký hiệu đại lượng đo, nhãn, ký hiệu chức năng. — Đường ống dẫn và đường tín hiệu. • Lưu đồ P&ID1.5 P D I R C 123 PT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 50Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Biểu tượng dụng cụ và thiết bị điều khiển (Russia) Vị trí tại hiện trường: ống dẫn, thiết bị, Vị trí tại phịng điều khiển, trong tủ điều khiển Dụng cụ đo, thiết bị ĐK Cơ bản Cho phép Cơ bản Cho phép Thiết bị chấp hành Bơm Van ĐK khí nén: Van điện từ: Van tay: Van đk nĩi chung: • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 51Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ký hiệu quy ước các đại lượng cơ bản ĐẠI LƯỢNG CHÍNH 1. Nhiệt độ T 5. Thành phần, nồng độ A 2. Áp suất P 6. Tỷ trọng D 3. Lưu lượng F 7. Độ ẩm M 4. Mức L 8. Độ nhớt V • Lưu đồ P&ID1.5 Hiệu, giảm, chênh lệch D Tích phân, cộng Q Tỷ lệ, phần F ĐẠI LƯỢNG PHỤ BỔ SUNG CHO ĐẠI LƯỢNG CHÍNH PD : chênh lệch áp suất FF: tỷ lệ lưu lượng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 52Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ký hiệu quy ước các chức năng điều khiển CHỨC NĂNG CHÍNH/Thiết bị Chỉ thị I Báo hiệu A Ghi lại R Giới hạn đo trên H Điều chỉnh, điều khiển C Giới hạn đo dưới L Tắt / mở, đổi S CHỨC NĂNG PHỤ BỔ SUNG CHO ĐẠI LƯỢNG CHÍNH Cảm biến E Trạm điều khiển K Biến đổi đo, truyền tín hiệu T Bộ biến đổi tín hiệu, cơng cụ tính tốn Y • Lưu đồ P&ID1.5 PDC : điều khiển chênh lệch áp suất FFI: hiển thị tỷ lệ lưu lượng LAHH: bộ cảnh báo mức rất cao CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 53Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Các chữ xếp từ trái qua phải: Đại lượng chính P (áp suất) Đại lượng phụ D (hiệu) Chức năng Phần ký hiệu đại lượng điều khiển hay đo và đặc điểm chức năng của thiết bị. Phía dưới là số thứ tự vị trí của từng phần tử của vịng đo hoặc điều khiển. P D I R C I (chỉ thị) R (ghi chép) C (điều chỉnh) 123 • Lưu đồ P&ID1.5 Nguyên tắc chung CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 54Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ lưu đồ P&ID Bộ điều khiển và chỉ thị độ chênh áp suất tại vịng loop103: • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 55Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thiết bị đo và báo động quá nhiệt tại vịng loop 104 • Lưu đồ P&ID1.5 Ví dụ lưu đồ P&ID CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 56Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ và bài tập Biểu diễn các ký hiệu trong bảng Đại lượng Ký hiệu Chỉ thị Ghi chép Điều chỉnh Chỉ thị và điều chỉnh Ghi và điều chỉnh Lưu lượng Mức chất lỏng Áp suất Chất lượng, phân tích Nhiệt độ Độ ẩm Tính chất bất kỳ X Ký hiệu Rơle: RT : rơle nhiệt độ, RP : rơle AS, RL : rơle mức Rơle chênh lệch nhiệt độ, chênh lệch áp suất • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 57Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ và bài tập • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 58Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Đường tín hiệu và đường ống dẫn ① Đường lấy tín hiệu đo hay nối tới quá trình: ② Đường tín hiệu chưa được xác định: ③ Đường tín hiệu điện: ④ Đường tín hiệu khí nén: ⑤ Đường tín hiệu thuỷ lực: • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 59Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Trong hình thức khai triển, người ta sử dụng một số ký hiệu bổ sung phản ánh rõ hơn đặc điểm chức năng của bộ biến đổi tín hiệu hay cơng cụ tính tốn: - Dạng năng lượng của tín hiệu: điện áp: E;dịng điện I; khí nén: P, thủy lực: G. - Dạng tín hiệu: Liên tục A, rời rạc:D - Thuật tốn được thự hiện bởi cơng cụ tính tốn như cộng, tịch phân, nhân, đạo hàm, căn Ví dụ: E/P bộ chuyển đổi từ điện áp sang khí nén P/I chuyển đổi từ khí sang dịng điện A/D bộ chuyển đổi tương tự- số • Lưu đồ P&ID1.5 P&ID chi tiết CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 60Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ P&ID tháp chưng cất Mục đích ĐK: nồng độ SP đỉnh Quá trình chưng cất D GhF L B Gnc Gh xD tF hD hB P Gh F tF tD thD ( nếu mục đích là sản phẩm đáy thì đk thế nao?) • Lưu đồ P&ID1.5 Các biến quá trình và kênh điều khiển: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 61Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 của Mỹ • Lưu đồ P&ID1.5 Các biểu tượng thiết bị đo và điều khiển: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 62Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 của Mỹ • Lưu đồ P&ID1.5 Các biểu tượng bộ phận thừa hành: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 63Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 của Mỹ • Lưu đồ P&ID1.5 Các biểu van điều chỉnh và van an tồn: Các chức năng tính tốn: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 64Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Chuẩn ISA Instruments Identification Letters • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 65Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Các ký hiệu đường cấp năng lượng (ISA) • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 66Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Các ký hiệu đường cấp năng lượng • AS (Air supply): đường cấp khơng khí • ES (Electric supply):đường cấp điện • GS (Gas supply): cấp khí • HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực • NS (Nitrogen supply): cấp nitơ • SS (Stream supply): cấp hơi • WS (water supply): đường cấp nước • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 67Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ ISA • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 68Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Example of P&ID FT101 is a field-mounted flow transmitter connected via electrical signals (dotted line) to flow indicating controller FIC 101 located in a shared control/display device Square root extraction of the input signal is part of FIC 101’s functionality. The output of FIC 101 is an electrical signal to TY 101 located in an inaccessible or behind-the-panel-board location. The output signal from TY 101 is a pneumatic signal (line with double forward slash marks) making TY 101 an I/P (current to pneumatic transducer) TT 101 and TIC 101 are similar to FT 101 and FIC 101 but are measuring, indicating, and controlling temperature TIC 101’s output is connected via an internal software or data link (line with bubbles) to the setpoint (SP) of FIC 101 to form a cascade control strategy • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 69Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK [PHÂN LOẠI HTĐKQT] – phần tự học 1. Phân loại theo mục đích điều khiển: Điều khiển để điều chỉnh: ví dụ ĐK nhiệt độ, điều khiển lưu lượng Điều khiển để: khởi động, báo hiệu,báo động, bảo vệ: dừng hệ thống Ví dụ: van an tồn Rơle nhiệt trong tủ lạnh • Phân loại HT ĐKQT1.6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 70Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2. Phân loại theo mạch điều khiển: Hệ kín (hệ hồi tiếp): Sử dụng mạch hồi tiếp cĩ tiếp nhận tín hiệu của biến cần điều khiển (hay được điều khiển) – tín hiệu phản hồi yht. Hệ kín cĩ loại một vịng hồi tiếp và nhiều vịng hồi tiếp. Hệ hở: Khơng dùng mạch hồi tiếp (vận dụng sách lược kiểu truyền thẳng) => chỉ phù hợp với các ứng dụng khơng địi hỏi đáp ứng chất lượng cao • Phân loại HT ĐKQT1.6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 71Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 3. Phân loại theo phương pháp điều khiển: Điều khiển liên tục Điều khiển kiểu gián đoạn: - ĐK theo 2 vị trí - ĐK hoạt động theo chu kỳ - ĐK nhẩy cấp • Phân loại HT ĐKQT1.6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 72Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4. Phân loại căn cứ vào quy luật điều khiển: mối quan hệ giữa biến sai lệch e = ysp - y và tác động điều khiển u = f(e): Cơng thức bộ điều khiển PID u0: giá trị đầu khi e=0 Tuỳ theo đối tượng điều khiển mà ta phải chọn các thơng số K của bộ điều khiển cho phù hợp: P,I,PI,PD,PID BĐK e=ysp-y u=f(e) 0 . dP I D de u u K e K e t K dt     • Phân loại HT ĐKQT1.6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 73Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 5. Phân loại theo phương pháp điều khiển: Điều khiển để giữ ổn định (phổ biến nhất) Duy trì đáp ứng y= hằng số định trước - Điều khiển bù nhiễu - Điều khiển san bằng sai lệch - Điều khiển phối hợp Điều khiển theo chương trình Giá trị chủ đạo cĩ đặc tính thời gian định trước (chương trình=hàm số theo thời gian). Áp dụng với QTCNHH hoạt động theo chu kỳ. Điều khiển theo dõi kiểm sốt Giá trị chủ đạo khơng biết trước mà phị thuộc yếu tố mơi trường bên ngồi. Áp dụng để điều chỉnh một thơng số cơng nghệ phụ thuộc vào giá trị chủa một thơng số cơng nghệ khác. • Phân loại HT ĐKQT1.6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 74Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 6. Phân loại theo đặc điểm mơ tả tốn học Hệ liên tục và hệ rời rạc: Hệ liên tục Tín hiệu truyền trong hệ là hàm số liên tục theo tgian => Mơ tả bằng phương trình vi phân Hệ rời rạc: Tín hiệu truyền trong hệ là dạng chuỗi xung / mã số => Mơ tả bằng phương trình sai phân Hệ tuyến tính và hệ phi tuyến Hệ tuyến tính: Đặc tính tĩnh của các phần tử là tuyến tính (tín hiệu ra ở xác lập tỉ lệ với tín hiệu vào) =>Mơ tả bằng phương trình vi phân/sai phân tuyến tính. =>Áp dụng được nguyên lý xếp chồng đáp ứng: Nếu cĩ nhiều tín hiệu vào đồng thời: r1, r2,, rn thì tín hiệu ra: y = y1 + y2 ++ yn • Phân loại HT ĐKQT1.6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 75Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 7. Phân loại theo đặc điểm mơ tả tốn học(tt) Hệ phi tuyến: Các hệ thống thực tế đều là phi tuyến => Cĩ thể tuyến tính hố nếu giá trị các biến chỉ thay đổi trong phạm vi nhỏ (thường là xung quanh điểm làm việc). Hệ bất biến và hệ biến đổi theo thời gian Hệ bất biến (hệ dừng): Các thơng số của hệ là hằng số theo thời gian => Mơ tả bằng phương trình vi phân/sai phân hệ số hằng. => Đáp ứng của hệ khơng phụ thuộc thời điểm tác động tín hiệu vào. Hệ biến đổi theo thời gian (hệ khơng dừng) Ví dụ : tên lửa cĩ khối lượng m= m(t) • Phân loại HT ĐKQT1.6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 76Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 8. Phân loại theo năng lượng: Điều khiển bằng điện;Điều khiển bằng khí nén; Điều khiển bằng cách khác. 9. Phân loại theo đối tượng điều khiển: Cho một thiết bị hay một quá trình nào đĩ; cho vài quá trình hay 1 cụm thiết bị nào đĩ; cho cả hệ thống. 10. Phân loại theo số biến quá trình: Quá trình đơn biến SISO-một vào một ra hay quá trình đa biến MIMO 11. Phân loại theo sách lược điều khiển. (xem trong sách lược điều khiển) • Phân loại HT ĐKQT1.6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 77Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 1.7 Các sách lược điều khiển cơ bản  Điều khiển phản hồi  Điều khiển truyền thẳng  Điều khiển kết hợp FF/FB  Điều khiển tỷ lệ  Điều khiển kết hợp tỷ lệ với phản hồi • Nội dung bài hơm nayW4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 78Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK [SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN] Bài tốn điều khiển quá trình: duy trì y ≈ ysp trong khi:  thay đổi giá trị đặt ysp , r  cĩ tác động của nhiễu z, d • Sách lược điều khiển1.7 Sách lược điều khiển là gì? CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 79Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK  Điều khiển phản hồi (Feedback control)  Điều khiển truyền thẳng (Feedforward control)  Điều khiển tỷ lệ (Ratio control)  Điều khiển tầng (Cascade control) Sách lược/cấu trúc điều khiển (control strategy/ structure): thể hiện nguyên tắc về mặt cấu trúc trong việc sử dụng thơng tin về các biến quá trình để đưa ra tác động điều khiển. Tùy theo quan hệ giữa biến chủ đạo, biến đo được, và biến điều khiển mà cĩ các Sách lược điều khiển cơ bản sau: • Sách lược điều khiển1.7 KHÁI NIỆM CHUNG CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 80Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Điều khiển phản hồi (Feedback control) Điều khiển phản hồi: dựa trên nguyên tắc đo giá trị biến được điều khiển và phản hồi thơng tin về bộ điều khiển để bộ điều khiển tính tốn lại giá trị của biến điều khiển Do cấu trúc khép kín nên sách lược này cũng gọi là sách lược điều khiển vịng kín (closed loop control). • Sách lược điều khiển1.7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 81Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi: Quá trình • Sách lược điều khiển1.7 Đặc điểm: - u(t) được hình thành dựa trên độ sai lệch vào-ra (SP-CV). - Cĩ thể làm triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu khơng biết trước/ khơng đo được - Cĩ khả năng tạo đáp ứng chính xác. - Quá trình hiệu chỉnh chậm hơn bù nhiễu (sai -> sửa sai). CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 82Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ: điều khiển phản hồi cho thiết bị trao đổi nhiệt Mục đích ĐK: điều khiển nhiệt độ dầu ở đầu ra T2= SP Nguyên lý: đo biến cần điều khiển T2, điều khiển lưu lượng hơi nĩng theo chênh lệch e Chiều tác động: Nếu e>0 tăng độ mở van Nếu e<0 giảm độ mở van • Sách lược điều khiển1.7 C P M y ym z ysp e u CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 83Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Điều khiển truyền thẳng (Feedforward control) Điều khiển truyền thẳng: dựa trên nguyên tắc đo giá trị biến nhiễu, bộ điều khiển dựa trên thơng tin này tính tốn giá trị của biến điều khiển Sách lược điều khiển này cịn được gọi là sách lược điều khiển bù nhiễu và vịng điều khiển là mạch hở (opened loop control) • Sách lược điều khiển1.7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 84Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Quá trình • Sách lược điều khiển1.7 Đặc điểm: - u(t) được hình thành dựa trên giá trị đo được của nhiễu, biến cần điều khiển khơng được đo; - Tác động nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của nhiễu (nhiễu đo được); - Khơng triệt tiêu được nhiễu khơng biết trước/ khơng đo được) - Đáp ứng kém chính xác, khơng cho chất lượng cao. Sơ đồ khối tổng quát điều khiển truyền thẳng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 85Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ: điều khiển truyên thẳng thiết bị gia nhiệt • Sách lược điều khiển1.7 C P M y z ysp u CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 86Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Đặc điểm: Kết hợp mạch truyền thẳng và mạch phản hồi để tận dụng những ưu điểm và khắc phục các nhược điểm của từng sách lược điều khiển: - Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ trước ảnh hưởng của các nhiễu đo được. - Mạch hồi tiếp sẽ tiếp tục hiệu chỉnh để triệt tiêu sai số tạo ra bởi các nhiễu khơng đo được và ổn định hệ thống. Điều khiển kết hợp truyền thẳng và phản hồi Quá trình • Sách lược điều khiển1.7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 87Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Khâu truyền thẳng: bù nhiễu Khâu phản hồi: ổn định hệ thống và nâng cao chất lượng Sơ đồ điều khiển Sơ đồ khối Ví dụ: điều khiển kết hợp • Sách lược điều khiển1.7 TT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 88Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK => thực chất là 1 loại của điều khiển truyền thẳng: giá trị cài đặt R là tỷ lệ giữa 2 biến, bộ điều khiển chỉ thực hiện phép nhân Điều khiển tỷ lệ (Ratio control) Duy trì tỷ lệ giữa 2 biến tại một giá trị đặt R nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3. Ví dụ: duy trì tỷ lệ lưu lượng nhiên liệu và lưu lượng khơng khí ở một giá trị thích hợp để quá trình đốt cháy đạt hiệu quả cao nhất Quá trình R BĐK tỷ lệ • Sách lược điều khiển1.7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 89Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK VÍ DỤ: TB gia nhiệt nếu coi nhiệt độ 2 dịng vào khơng đổi thì nhiệt độ ra ở trạng thái xác lập chỉ cịn phụ thuộc tỷ lệ lưulượng. PTCB NL: (Qtt=0) Qs=rs.Gs=G1C1(T2-T1)=Q1=Q T2 = rs/C1.(Gs/G1)+T1 T2 =f(Gs/G1) T2=const thì R=Gs/G1 =const (vd, T2ss=70 độ khi T1=25 độ rs =1, c1= 2 thì R=?) khi đo gtrị tức thời G1 sẽ tính được Gs Hình Sơ đồ chi tiết và sơ đồ gộp: • Sách lược điều khiển1.7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 90Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK VÍ DỤ: TB gia nhiệt nếu coi nhiệt độ: 2 cấu hình (vd: T1=25 độ => R=4) • Sách lược điều khiển1.7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 91Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Điều khiển tỷ lệ kết hợp phản hồi (RC/FB) Điều khiển tỷ lệ thuần túy khĩ cĩ cĩ thể cho chất lượng điều khiển cao. Trong thực tế người ta kết hợp điều khiển tỷ lệ với điều khiển phản hồi bằng cách lấy giá trị đặt tỷ lệ R được tính tốn và điều chỉnh thường xuyên từ BĐK phản hồi, giá trị này được làm giá trị đặt cho BĐK tỷ lệ Quá trìnhRC FB • Sách lược điều khiển1.7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 92Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ: Điều khiển tỷ lệ kết hợp phản hồi (RC/FB) • Sách lược điều khiển1.7 TT TC Tsp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 93Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Vấn đề: -Tác động của nhiễu tới các quá trình chậm hoặc cĩ độ trễ lớn => các vịng điều chỉnh phản hồi đơn khĩ đảm bảo tốc độ đáp ứng nhanh cũng như độ quá đc nhỏ. VD: ảnh hưởng của thành phần và lưu lượng nhập liệu tháp chưng cất đến đầu ra sản phẩm -Thiết bị chấp hành cũng ảnh hưởng đến tốc độ can thiệp. => ĐK tầng là cấu trúc mở rộng của đk phản hồi đơn. Ý tưởng chính là phân cấp đk để loại bỏ nhiễu ngay tại nơi nĩ phát sinh. Điều khiển tầng (Cascade control) • Sách lược điều khiển1.7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 94Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK VD: Thiết bị trao đổi nhiệt Vấn đề: với cùng độ mở van nhưng lưu lượng qua van phụ thuộc vào độ chênh áp. Giải pháp: triệt tiêu sớm nhiễu bằng cách sử dụng thêm 1 vịng điều khiển trong, sử dụng thêm 1 đại lượng đo. • Sách lược điều khiển1.7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 95Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Điều khiển tầng (Cascade control) Ứng dụng: - Khi vịng đk đơn khơng đáp ứng chất lượng - Dễ dàng đo được và điều khiển được biến thứ hai - Cĩ quan hệ nhân quả giữa biến điều khiển và biến được điều khiển thứ 2 - Biến thứ 2 tác động lên biến cần điều khiển nhanh hơn biến thứ nhất • Sách lược điều khiển1.7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 96Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK NỘI DUNG CHƯƠNG 2 Week 2.1. Mơ tả tốn học hệ thống điều khiển QT W5 W6 2.2. Đối tượng điều khiển quá trình W7 2.3. Thiết bị điều khiển quá trình 2.3.1 Thiết bị đo 2.3.2 Thiết bị chấp hành 2.3.3 Bộ điều khiển W8 W9 Chương 2 • Mơ tả hệ thống điều khiển quá trình CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 97Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK -Bài tập ứng dụng Matlab & Simulink 2.1. Mơ tả tốn học hệ thống điều khiển quá trình 2.1.1 Đặc tính của hệ thống điều khiển quá trình  Đặc tính tĩnh (Phương trình tĩnh)  Đặc tính động (Phương trình động) 2.1.2 Mơ hình hệ thống điều khiển quá trình  Phương trình vi phân  Hàm truyền  Phép biến đổi Laplace 2.1.3 Sơ đồ khối mơ tả hệ thống điều khiển quá trình  Các thành phần trong sơ đồ khối  Biểu diễn và tính tốn hàm truyền trên sơ đồ khối  Hàm truyền hệ mắc nối tiếp, song song, hệ hồi tiếp • Nội dung bài hơm nayW5-6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 98Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Trạng thái cân bằng: x,y,z cố định theo thời gian. Diễn biến của hệ thống trong trạng thái cân bằng được mơ tả bằng phương trình tĩnh hay cịn gọi là đặc tính tĩnh HTĐKQT Các biến ra y Các biến nhiễu z Các biến vào x 2.1.1 Đặc tính của hệ thống ĐKQT Đặc tính tĩnh (cân bằng) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 99Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.1 Đặc tính của hệ thống ĐKQT Đặc tính tĩnh (cân bằng) - Phương trình tĩnh thường là phương trình đại số cĩ dạng: y = f(x) - Đối với hệ tuyến tính thì đặc tính tĩnh là đường thẳng: y = K.x +b (với K=const là hệ số khuếch đại, hay độ lợi tĩnh) - Đối với hệ phi tuyến K khác const, Phương trình tĩnh là đường cong Yss Xss HTĐKQT Yss Xss CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 100Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Trạng thái mất cân bằng: khi vận hành do tác động nhiễu, trạng thái cân bằng bị phá vỡ, các đại lượng x,z,y biến đổi theo thời gian. Hệ thống trong trạng thái này gọi là trạng thái mất cân bằng hay hệ thống ở trong quá trình quá độ Quá trình quá độ: là quá trình biến đổi theo thời gian của đại lượng đầu ra từ thời điểm bắt đầu cĩ tác động của nhiễu cho đến khi hệ đạt trạng thái ổn định. 2.1.1 Đặc tính của hệ thống ĐKQT Đặc tính động (trạng thái mất cân bằng) HTĐKQT Các biến ra y Các biến nhiễu z Các biến vào x CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 101Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Diễn biến của hệ thống ở trạng thái mất cân bằng mơ tả bằng phương trình động hay gọi là đặc tính động Đặc tính động là mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống trong quá trình quá độ Phương trình động y = f(x,t), thường là các phương trình vi phân mơ tả quan hệ vào-ra theo thời gian ở quá trình quá độ. 2.1.1 Đặc tính của hệ thống ĐKQT Đặc tính động (mất cân bằng) )( )( ... )( )( )( ... )( 0101 txb dt tdx b dt txd btya dt tdy a dt tyd a m m mn n n  ai , bi : thơng số của hệ thống; x(t) : tín hiệu vào theo thời gian; y(t) : tín hiệu ra theo thời gian; n: là bậc của hệ thống CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 102Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Hai dạng mơ hình tuyến tính đơn giản sau đây được đặc biệt quan tâm trong ĐKQT: 1) Quán tính bậc nhất 2) Tuyến tính bậc 2 Hệ thống liên tục tuyến tính bất biến x(t) y(t) Trong đĩ: K là đội lợi tĩnh, hệ số khuếch đại; τ là hằng số thời gian; ξ hệ số tắt dần ( ) ( ) ( ) dy t y t Kx t dt    2 2 2 ( ) ( ) 2 ( ) ( ) d y t dy t y t Kx t dt dt     2.1.2 Mơ hình hệ thống ĐKQT Phương trình vi phân tuyến tính CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 103Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Các hệ thực tế đều cĩ tính phi tuyến và được biểu diễn bới phương trình vi phân phi tuyến, ví dụ: 𝑑𝑦 𝑑𝑡 = 𝑎 𝑑𝑥 𝑑𝑡 + exp 𝑥 + 𝑥. 𝑦 + 𝑦 𝑥 + 3 𝑦 Dấu hiệu phi tuyến: trong biểu thức cĩ chứa hàm mũ, căn, phép nhân, chia giữa 2 các biến Việc giải phương trình này rất phức tạp cho nên người ta thường tuyến tính hĩa thành phương trình tuyến tính Thơng thường ta sẽ tuyến tính hĩa xung quanh điểm làm việc cũng là điểm cân bằng. 2.1.2 Mơ hình hệ thống ĐKQT Phương trình vi phân phi tuyến CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 104Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hình hệ thống ĐKQT Tuyến tính hố xung quanh điểm làm việc Tại sao cần tuyến tính hĩa?  Tất cả quá trình thực tế đều là phi tuyến  Các mơ hình tuyến tính dễ sử dụng (thỏa mãn nguyên lý xếp chồng)  Phần lớn lý thuyết điều khiển tự động sử dụng mơ hình tuyến tính (ví dụ hàm truyền đạt cần 2 điều kiện là tuyến tính và điều kiện đầu bằng 0) Tại sao tuyến tính hĩa xung quanh điểm làm việc?  Quá trình thường được vận hành trong một phạm vi xung quanh điểm làm việc  Tuyến tính hĩa trong một phạm vi nhỏ giúp giảm sai lệch mơ hình  Cho phép sử dụng biến chênh lệch, đảm bảo điều kiện áp dụng phép biến đổi Laplace (sơ kiện bằng 0). CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 105Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Các bước thực hiện: dh/dt =f(h,Fi) +b (1) B1: Tại điểm cân bằng A(H0,Fi0) dh/dt = 0 = f(H0,Fi0) +b (2) B2: Lấy (1)-(2): dh/dt = f(h,Fi) - f(H0,Fi0) B3: triển khai Taylor f(h,Fi): B4: đặt gọi là các biến chênh lệch giữa giá trị tức thời và giá trị cân bằng. hay h Fi 2.1.2 Mơ hình hệ thống ĐKQT Tuyến tính hố xung quanh điểm làm việc A H0 Fi0 0 0 0 0( ) ( ) A A dh df df f h H Fi Fi f dt dh dFi       0 0( ) ; ( )h H h Fi Fi Fi      A A d h df df Fi h dt dFi dh      A A dy df df x y dt dFi dh   CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 106Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hình hệ thống ĐKQT Biến đổi LAPLACE Phương trình vi phân mơ tả hệ thống trong miền thời gian=> khĩ khăn trong việc phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển. Việc mơ tả hệ thống trong miền laplace “s” cho phép tránh các phương trình vi phân và thay vào đĩ biểu diễn một hệ tuyến tính bằng các phương trình đại số biến phức. Với Trong đó: s - biến phức (biến Laplace); L- toán tử biến đổi Laplace; F(s) - biến đổi Laplace hay ảnh Laplace của hàm f(t). CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 107Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hình hệ thống ĐKQT Hàm truyền , G(s) X(s) Ys) n n m m sasasaa sbsbsbb sX sY sG    ... ... )( )( )( 2 210 2 210 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 108Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hình hệ thống ĐKQT Hàm truyền , Systemx(t) y(t) 2 2 1 0 1 02 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) d y t dy t dx t a a a y t b b x t dt dt dt     Với điều kiện ban đầu tại t=0 thì x0=y0=0 và dy/dt =0 Nếu thay x(t), y(t) bằng các biến Laplace X(s) và Y(s) Thì: Thay vào ta được: Hay hàm truyền: s 0 0 ( ) ( ) ... . ( ) . ( )t dx t dx t e dt s X s x s X s dt dt       2 2 s 2 ' 2 0 02 2 0 ( ) ( ) ... . ( ) . . ( )t d y t d y t e dt s Y s s y y s Y s dt dt        2 2 1 0 1 0( ) ( ) ( ) ( ) ( )a s Y s a sY s a Y s b sX s b X s    1 0 2 2 1 0 ( ) ( ) b s bY s G X s a s a s a      CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 109Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hình hệ thống ĐKQT Hàm truyền , 3s2Y(s) + 4sY(s) + Y(s) = 2sX(s) + 4X(s) hay Y(s)*(3s2 + 4s + 1) = X(s)*(2s + 4) 143 42 )( )( )( 2    ss s sX sY sG x dt dx y dt dy dt yd 4243 2 2  VD: Xét hệ thống được mơ tả bới PT vi phân Hệ thống liên tục tuyến tính bất biến x(t) y(t) Biến đổi Laplace 2 vế với đk đầu bằng 0 ta được: Hàm truyền của hệ thống: Nhận xét: hàm truyền chỉ phụ thuộc vào thơng số và bậc của hệ thống, khơng phụ thuộc vào loại và giá trị của tín hiệu vào, ra. Điều kiện đầu bằng 0 cho phép nghiên cứu hệ trong quá trình quá độ (động học của hệ thống) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 110Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hình hệ thống ĐKQT Tính chất biến đổi Laplace CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 111Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hình hệ thống ĐKQT Tính chất biến đổi Laplace CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 112Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hình Biến đổi Laplace một số hàm cơ bản CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 113Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hình HTĐKQT Biến đổi Laplace một số hàm cơ bản (phần tự đọc) H(t) t. H (t ) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 114Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hìnhHTĐKQT VÍ DỤ x dt dx y dt dy dt yd 12265 2 2  Quá trình cơng nghệ x(t) y(t) Xét đối tượng ĐK là QTCN được mơ tả bằng PT vi phân: Trong đĩ y là biến ra cần điều khiển, x là biến điều khiển. Biết rằng biến điều khiển là hàm nấc đơn vị x(t)=1(t). 1) Xác định bậc của hệ thống? Hàm truyền 2) Hãy tính y(0+), y(+∞) theo định lý gtrị đầu và cuối 3) Tìm biểu thức y(t)? 4) Lặp lại các câu hỏi trên khi x là hàm xung? 0tdt dy CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 115Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hìnhHTĐKQT VD x dt dx y dt dy dt yd 12265 2 2  s2Y + 5sY + 6Y = 2sX + 12X Với X=1/s ta cĩ: Y(s3 + 5s2 + 6s) = 2s + 12 s6s5s 12s2 Y 23    Bài giải 2) 3) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 116Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.2 Mơ hình HTĐKQT (tự học) Biến đổi Laplace ngược (TH1) 1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 117Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2 2.1.2 Mơ hinh HTĐKQT (tự học) Biến đổi Laplace ngược (TH2) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 118Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 3 s 2.1.2 Mơ hình HTĐKQT (tự học) Biến đổi Laplace ngược (TH3) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 120Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.3 Sơ đồ khối mơ tả HTĐKQT Biểu diễn hàm truyền trên sơ đồ khối Hệ thống input output Hệ thống cĩ hàm truyền: ( ) ( ) ( ) ( ). ( ) ( ) Output Y s G s Y s G s X s Input X s     2 0 1 2 2 0 1 2 ... ( ) ... m m n n b b s b s b s G s a a s a s a s          G(s) X(s) Y(s) Biểu diễn trên sơ đồ khối: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 121Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.3 Sơ đồ khối mơ tả HTĐKQT Biểu diễn hàm truyền trên sơ đồ khối Các thành phần chính: ① Khối chức năng: là các các ơ hình chữ nhật X Y với quan hệ: Y=G.X ② Điểm rẽ nhánh: X Y với quan hệ X=Y=Z z ③ Bộ tổng: X Y với tính chất Y=X-Z Z BĐK ĐTĐK y(t) yht(t) z nhiễu ysp e u Thiết bị đo TB chấp hành CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 122Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.3 Sơ đồ khối mơ tả HTĐKQT Hàm truyền của hệ thống các phần tử Mắc nối tiếp: Mắc song song: Mắc kết hợp: Mắc phản hồi: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 123Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.1.3 Sơ đồ khối mơ tả HTĐKQT Hàm truyền của hệ thống các phần tử Hàm truyền tổng là: Gc Gp Y Ym R E U Gm X Y Gv GOL = ? Y Ym R E Gm Y GCL=? R Y CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 124Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Bài tập ứng dụng Ví dụ quá trình trao đổi nhiệt Ứng dụng Matlab & Simulink mơ phỏng đối tượng điều khiển Một số mơ hình chuẩn trong cơng nghệ hĩa học  Mơ hình quá trình cĩ trễ  Mơ hình quán tính bậc 1  Mơ hình quán tính bậc 2  Mơ hình tuyến tính bậc 2 2.2. Đối tượng điều khiển quá trình Các Phương pháp thiết lập mơ hình quá trình  Mơ hình hĩa lý thuyết  Mơ hình hĩa thực nghiệm Phân tích bậc tự do của hệ thống • Nội dung bài hơm nayW7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 125Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK ĐTĐK: là quá trình cơng nghệ trong phân xưởng, nhà máy hố chất, ĐTĐK cũng cĩ thể chỉ là thiết bị riêng lẻ hay hệ thống thiết bị. Đầu ra y phản ánh diễn biến của quá trình. Giá trị tức thời của y phản ánh diễn biến quá trình ở hiện tại. Nĩ thay đổi theo thời gian theo tác động của nhiễu và tác động điều chỉnh ĐTĐK Các biến điều khiển x Các biến ra y Các biến nhiễu z Biến vào 2.2. Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 126Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Đa số các quá trình CNHH khi cĩ thay đổi ở đầu vào thì ảnh hưởng của thay đổi đĩ ở đầu ra khơng phải ngay lập tức mà phải mất một thời gian teta nhất định nào đĩ. Khoảng thời gian này được gọi là thời gian trễ (ꝋ - dead time) Miền “t”: f(t) => f(t- ꝋ) Miền “s”: F(s)=> 𝒆−ꝋ𝒔.F(s) 2.2.1 Các đạng mơ hình chuẩn mơ tả quá trình CNHH Mơ hình quá trình cĩ thời gian trễ f(t) t0 t0 f(t-e) P e(t) u(t) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 127Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK P e(t) f(t) Mơ hình quá trình quán tính bậc 1 Phương trình QT bậc 1 Quán tính bậc 1 cĩ trễ 2.2.1.1 Các đạng mơ hình chuẩn mơ tả quá trình CNHH ( ) ( ) ( ) dy t y t Kx t dt    ( ) ( ) ( ) dy t y t Kx t dt     CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 128Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK P e(t) f(t) Mơ hình quá trình quán tính bậc 2 2.2.1.1 Các đạng mơ hình chuẩn mơ tả quá trình CNHH 1 1 2 2 1 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) . dy t y t K x t dt dy t y t K x t dt G G G        CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 129Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK P e(t) f(t) Mơ hình quá trình dao động bậc 2 2.2.1.1 Các đạng mơ hình chuẩn mơ tả quá trình CNHH 2 2 2 ( ) ( ) 2 ( ) ( ) d y t dy t y t Kx t dt dt     Đồ thị của quá trình này là đường cong như hình bên, tùy thuộc và hệ số tắt dần zeta CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 130Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Phương pháp lý thuyết: dựa trên nền tảng các định luật vật lý, hố học Phương pháp thực nghiệm: ước lượng mơ hình dựa trên quan sát số liệu vào-ra bằng thí nghiệm đặc thù. Thí nghiệmBiến vào Biến ra Mơ hình tốn Biến ra 2.2.2 Các phương pháp thiết lập mơ hình đối tượng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 131Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Mơ hình hĩa lý thuyết: dựa trên nền tảng các định luật vật lý, hố học Biến thiênntích lũy = lượng vào-lượng ra+sinh ra-mất đi 2.2.2 Các phương pháp thiết lập mơ hình đối tượng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 132Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Phương pháp thực nghiệm: Dựa trên việc thu thập dữ liệu vào – ra bằng thực nghiệm, xác định được cầu trúc và tham số của mơ hình 2.2.2 Các phương pháp thiết lập mơ hình đối tượng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 133Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Số bậc tự do được hiểu là số vịng điều khiển đơn tối đa cĩ thể được sử dụng. Số bậc tự do cũng là số lượng tối đa các biến đầu vào cĩ thể can thiệp độc lập để tác động tới biến đầu ra F=Fv-Fe F, Fv, Fe là bậc tự do, số biến mơ tả hệ, số Phương trình quan hệ giữa các biến 2.2.2 Phân tích bậc tự do CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 134Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.2 Phần cứng của hệ thống ĐKQT Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) Matlab & Simulink CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 135Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.2 Phần cứng của hệ thống ĐKQT Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) Matlab & Simulink CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 136Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.2 Phần cứng của hệ thống ĐKQT Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) Matlab & Simulink CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 137Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.2 Phần cứng của hệ thống ĐKQT Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) Matlab & Simulink CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 138Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.2 Phần cứng của hệ thống ĐKQT Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) Matlab & Simulink CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 139Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK •5 4.2 Nhắc lại một số khái niệm tốn học Cách tìm hàm truyền ví dụ van điều khiển khí nén m : khối lượng, [kg] b : hệ số ma sát nhớt, [N.s/m] k : độ cứng lo xo, [N/m] Tín hiệu vào: lực tác dụng F(t), [N] Tín hiệu ra: lượng di động y(t), [m] Dạng chuẩn: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 140Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2.2 Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) Matlab & Simulink CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 141Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ứng dụng Matlab & Simulink biểu diễn thiết bị điều khiển Thiết bị đo  Khái niệm chung  Tín hiệu chuẩn  Một số thiết bị đo thơng dụng  Động học thiết bị đo 2.3. Thiết bị điều khiển quá trình Thiết bị chấp hành  Khái niệm chung  Van điều khiển  Van an tồn  Động học van điều khiển Bộ điều khiển  Bộ điều khiển tác động gián đoạn  Bộ điều khiển tác động liên tục  Bộ điều khiển số • Nội dung bài hơm nayW8 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 142Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thiết bị điều khiển quá trình Thiết bị điều khiển BĐK ĐTĐK CV Tín hiệu đo (PM) LV sp e CO Thiết bị đo Đại lượng đo TB chấp hành MV Tín hiệu chuẩn  Tín hiệu chuẩn khí nén: khí nén áp suất từ 3-15 psi  Tín hiệu analog: dịng điện 0-20mA, 4-20mA hay điện áp 0-10V, 1-10V,  Tín hiệu số: biểu diễn các giá trị đo tại các thời điểm rời rạc. Ví dụ tín hiệu bus trường, protocol, profobus Chuyển đổi giữa các tín hiệu: dung bộ converter như A/D, I/P CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 143Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thiết bị đo lường Measurement device: Thiết bị đo Sensor: Cảm biến Transmitter: Bộ chugển đổi đo chuẩn Transducer: Thiết bị chuyển đổi một tín hiệu cơ khí thành điện Convertor: Thiết bị chuyển đổi một tín hiệu chuẩn dạng này thành tín hiệu chuẩn dạng khác Chức năng cung cấp thơng tin cho thiết bị điều khiển, giám sát. Hai thành phần chính là cảm biến và bộ chuyển đổi đo chuẩn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 144Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Bằng cách ứng dụng các nguyên tắc vật lý khác nhau, đại lượng vật lý được thu nhận và biến đổi thành: Thu nhận Xuất Nhiệt độ Áp suất Lưu lượng Mức Nồng độ Độ ẩm Khoảng cách Vận tốc Khối lượng Thời gian ĐL Vật Lý Điện áp Năng lượng Điện trở Điện dung Điện trường ĐL ĐIỆNXỬ LÝ Cảm biến/Chuyển đổi sơ cấp (Sensor/primary elements): Một số chuyển đổi sơ cấp gồm: màng nhạy áp suất, chuyển đổi lực căng, chuyển đổi điện dung, nhiệt điện trở, cặp nhiệt, ống venture.. Thiết bị đo lường Transmitter cĩ nhiệm vụ chuyển một tín hiệu từ sensor thành một tín hiệu chuẩn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 145Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Một số cảm biến cơng nghiệp Đại lượng đo Thiết bị đo Lưu ý lắp đặt Nhiệt độ Cặp nhiệt (Thermocouple, TC); nhiệt điện trở kim loại (RTD) hoặc nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor); hỏa kế bức xạ Pyrometer) Cĩ thể lắp trong ống hay ngồi ống dẫn Áp suất Cảm biến đàn hồi, áp kế biến trở, áp kế điện trở Tenzo, Áp kế piezo Lắp tiếp xúc trực tiếp với lưu chất Lưu lượng Lưu lượng kế chênh áp, turbin, điện từ, siêu âm Mức Cảm biến siêu âm, phao, chênh áp Nồng độ Ghi sắc ký (gas-ligquid chromatography, GLC), phép đo phổ và hấp thụ bức xạ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 146Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Cảm biến cặp nhiệt điện (Thermocouple) Nguyên lý hoạt động: Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau được nối chung ở hai đầu . Một đầu được coi là điểm lạnh ( điểm tham chiếu). Và một đầu được coi là điểm nĩng điểm đo. Khi hai đầu cĩ nhiệt độ khác nhau – một điện áp được gọi là thế điện động được hình thành trong mạch đo hai dây kim loại tạo nên - điện thế hiệu ứng Seebeck. điện thế hiệu ứng này tỉ lệ với khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối. Một số cảm biến cơng nghiệp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 147Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Cấu tạo của cặp nhiệt điện 1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện 5) Bộ phận lắp đặt 6)Vít nối dây 7) Dây nối 8) đầu nối dây Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao. Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy khơng cao. Thường dùng: Lị nhiệt, mơi trường khắc nghiệt, đo nhiệt độ nhớt máy nén. Tầm đo: -100 oC đến 1400 oC Một số cảm biến cơng nghiệp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 148Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Một số cảm biến cơng nghiệp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 149Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Các loại RTDs Phổ biến nhất là loại cảm biến Pt được làm từ Platium, do cĩ điên trở xuất cao, chống oxy hố, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường cĩ loại 100, 200,1000 ohm tại 0 oC Ưu điểm Chính xác và ổn định Dải nhiệt độ rộng -200 đến +650 DC Ổn định theo thời gian (sai lệch 0,1DC/năm) Điện áp ra lớn hơn TC Nhược điểm: Cĩ kết cấu khá phức tạp. Quán tính nhiệt khá cao. Phải sử dụng nguồn điện một chiều. Nhiệt kế điện trở thường dùng để đo nhiệt độ các loại nước, khí than trong các đường ống, các lị phản ứng hố hoặc nồi hơi, khơng khí trong phịng Một số cảm biến cơng nghiệp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 150Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thiết bị chấp hành Phần tử điều khiển (control element): Can thiệp trực tiếp tới đại lượng điều khiển, ví dụ van tỉ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải. Cơ cấu chấp hành (actuator, actuating element): cơ cấu truyền động, truyền năng lượng cho phần tử điều khiển, ví dụ động cơ (điện), cuộn hút, cơ cấu khí nén, thủy lực. Thiết bị chấp hành (actuator system, final control lement): cĩ chức năng can thiệp vào đại lượng điều khiển làm thay đổi đại lượng điều khiển theo tín hiệu điều khiển, ví dụ van điều khiển, máy bơm, quạt giĩ, hệ thống băng tải. Hai thành phần chính của thiết bị chấp hành là Cơ cấu chấp hành và Phần tử điều khiển CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 151Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Van điều khiển (control valve): trong các hệ thống ĐKQT hầu hết biến điều khiển là lưu lượng vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến nhất trong hệ thống điều khiển quá trình, cho phép điều chỉnh lưu lượng lưu chất qua các đường ống dẫn tỷ lệ với biến điều khiển Van điều khiển bao gồm thân van nối với cơ cấu chấp hành cĩ khả năng thay đổi độ mở van theo tín hiệu từ bộ điều khiển. Thân van gắn với đường ống, đĩng vai trị là phần tử điều khiển Thiết bị chấp hành CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 152Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Kiểu tác động của van: a) Van đĩng an tồn (fail-closed, FC hoặc air-to-open, AO): trong trường hợp khi khơng cĩ tín hiệu điều khiển thì van ở trạng thái đĩng hồn tồn b) Van mở an tồn (fail-open, FO hoặc air-to-close, AC): trong trường hợp khi khơng cĩ tín hiệu điều khiển thì van ở trạng thái mở hồn tồn Lựa chọn kiểu tác động của van phụ thuộc vào yêu cầu an tồn hệ thống. Thiết bị chấp hành CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 153Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Đặc tính động học của van Thiết bị chấp hành CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 154Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Chức năng bộ điều chỉnh là đưa đại lượng cần điều chỉnh tới giá trị cài đặt. Thuật tốn điều khiển e= ysp-ym u=f(e) Bộ điều khiển • Nội dung bài hơm nayW9 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 155Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Phân loại bộ điều khiển: Theo sự tồn tại của năng lượng phụ, bộ điều chỉnh được chia thành loại cĩ và khơng cĩ nguồn năng lượng phụ. Trong bộ điều khiển khơng cĩ nguồn năng lượng phụ, năng lượng của mơi trường điều chỉnh được sử dụng để dịch chuyển cơ quan điều chỉnh. Bộ điều chỉnh này cĩ cấu trúc đơn gian, tin cậy khi làm việc, sử dụng khi khơng cần lực tác động lớn, chất lượng quá độ khơng cao. Theo dạng năng lượng sử dụng: bộ điều khiển được chia là loại thuỷ lực, khí nén và điện. Trong bộ đc thuỷ lực, để dịch chuyển cơ quan điều chỉnh, sử dụng năng lượng chất lỏng ( thường là dầu biến thế). Trong điện sử dụng năng lượng điện tần số cơng nghiệp, trong khí nén sử dụng năng lượng khơng khí nén. Trong điều khiển quá trình CNHH, bộ điều chỉnh khí nén được sử dụng phổ biến nhất do đảm bảo chống cháy nổ, làm việc tin cậy. Theo tác động bộ điều chỉnh được chia ra thành những loại như bộ đk tác động gián đoạn, bộ đk tác động liên tục và bộ đk số. Bộ điều khiển CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 156Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Bộ điều chỉnh tác động gián đoạn Thuật tốn điều khiển chỉ đưa ra 1 trong 2 giá trị của tín hiệu điều khiển umax hoặc umin tùy thuộc vào sai lệch điều khiển. Ưu điểm: đơn giản, làm việc tin cậy, chi phí thấp cho cả BĐK và van. Nhược điểm: chất lượng khơng cao, tín hiệu đk thường xuyên thay đổi giữa 2 giá trị dẫn tới phá hỏng thiết bị chấp hành. Bộ đk thực tế kiểu Rơle: để khắc phục hiện tượng liên tục chuyển đổi giữa 2 vị trí trong thực tế người ta sử dụng vùng chết kiểu tác động role, chấp nhận một sai lệch nằm trong phạm vi giải chết đĩ. Hoặc bộ đk kiểu 3 vị trí: umax, min, 0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 157Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Bộ ĐK Phương trình Đầu ra Biểu tượng Lý tưởng 𝑢 = 2 vị trí 𝑢 = 3 vị trí Bộ điều chỉnh tác động gián đoạn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 158Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Bộ đk tác động liên tục khơng cĩ tính năng chuyển mạch vì thế khơng cĩ dải chết, mỗi thay đổi của độ sai lệch điều chỉnh gây ra một thay đổi của đại lượng tác động. Bộ điều chỉnh loại này cĩ các thành phần tác động như sau P : (proportional) => Thành phần tác động tỷ lệ P I : (integrative) => Thành phần tác động tích phân I D : (derivative) => Thành phần tác động vi phân D Bộ điều khiển P: chỉ cĩ thành phần P Bộ điều khiển PI : Phối hợp của thành phần P và I Bộ điều khiển PD : Phối hợp của thành phần P và D Bộ điều khiển PID : Phối hợp của thành phần P , I và D Trong cơng nghiệp thường sử dụng các bộ điều khiển sau Thành phần tỷ lệ P liên quan đến sai lệch e ở thời điển hiện tại, tphần tích phân I liên quan đến e trong quá khứ, cịn thành phần vi phân D liên quan đến e trong tương lai Bộ điều chỉnh tác động liên tục CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 159Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thành phần tác động P: 𝑢 = 𝑘𝑐. 𝑒(𝑡) 𝑘𝑐 gọi là hệ số khuếch đại của bộ điều khiển P Đồ thị minh họa tín hiệu vào là bước nhảy M, tín hiệu ra ra là 𝑘𝑃.M Hàm truyền của thành phần tỷ lệ: 𝐺𝑃(𝑠) = 𝑘𝑐 kc e(t) t0 t0 u(t) M kc.M Biểu tượng Simulink: P e(t) u(t) Bộ điều chỉnh tác động liên tục CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 160Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thành phần tác động I: 𝑢 = 𝑘𝑖 𝑒𝑑𝑡 = 1 𝜏𝑖 𝑒𝑑𝑡 𝜏𝑖 thời gian tích phân 𝑘𝑖 hệ số tích phân Hàm truyền của thành phần tích phân 𝐺𝐼 = 𝑘𝑖 𝑠 I e(t) u(t) e(t) t0 t0 u(t) M 𝑘𝐼 𝑠 Bộ điều chỉnh tác động liên tục Biểu tượng Simulink: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 161Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thành phần tác động D: 𝑢 = 𝑘𝑑 𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 𝑘𝑑 Hệ số vi phân Hàm truyền của thành phần vi phân 𝐺𝐷 = 𝑘𝑑. 𝑠 Biểu tượng Simulink: e(t) t0 t0 u(t) M e(t) t0 t0 u(t) M 𝑑𝑒 𝑑𝑡 Bộ điều chỉnh tác động liên tục D e(t) u(t) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 162Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK ĐK Phương trình Biểu tượng Simulink P 𝑢 = 𝑘𝑝. 𝑒 𝐺𝑃 = 𝑘𝑝 PI 𝑢 = 𝑘𝑐 . 𝑒 + 𝑘𝑖 𝑒𝑑𝑡 𝐺𝑃𝐼 = 𝑘𝑐 + 𝑘𝐼 𝑠 PID 𝑢 = 𝑘𝑐. 𝑒 + 𝑘𝐼 𝑒d𝑡 + 𝑘𝐷 𝑑𝑒 𝑑𝑡 𝐺𝑃𝐼𝐷 = 𝑘𝑐 + 𝑘𝐼 𝑠 + 𝑘𝐷. 𝑠 Bộ điều chỉnh tác động liên tục P, P, PID ĐTĐK y z nhiễu ysp e=ysp-y u=f(e) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 163Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Luật P và PD cĩ nhược điểm là gây ra độ sai lệch điều khiển, P càng tăng thì sai số càng nhỏ Vdụ (Simulink) Gp =2 Gcl= Cho Ysp=M/s Y= y(∞)= Bộ điều chỉnh tác động liên tục Gpid 5/(2s+1) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 164Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Vấn đề của độ sai lệch điều chỉnh được giải quyết bằng thành phần I trong bộ PI Gi = 1/s Bộ đc PI cĩ thể vận hành chậm. Để đc hết phần sai lệc thật nhanh ta cĩ thể cho thêm phần D vào. Bộ điều chỉnh tác động liên tục CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH (Bài 10-11-12) 3.1 Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển 3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID 3.1.3 Đáp ứng của các hệ cơ bản  Đáp ứng hệ quán tính bậc nhất  Đáp ứng hệ tuyến tính bậc 2  Hệ bậc cao, phương pháp xấp xỉ hệ bậc cao 3.1.2 Các chỉ số chất lượng  Sai số xác lập  Độ vọt lố  Thời gian xác lập 3.1.1 Tính ổn định  Khái niệm ổn định  Điều kiện ổn định  Tiêu chuẩn ổn định đại số Routh Bài giảng mơn học CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Ver 02 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 166Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 3.1.1 Ổn định Khái niệm Ví dụ một số dạng quá trình quá độ dưới tác động của nhiễu dạng xung (t) a) Quá trình quán tính tắt dần b) Quá trình dao động tắt dần c) Quá trình dao động điều hịa d) Quá trình dao động tăng dần e) Quá trình quán tính tăng dần Ơn định: là tính chất của hệ tự quay về trạng thái cân bằng sau khi loại bỏ nhiễu đã phá vỡ cân bằng của hệ. Hệ cĩ quá trình quá độ tắt dần a, b là ổn định, tăng dần (cd) là khơng ổn định. Dao động điều hịa c coi là ổn định nếu biên độ dao động nằm trong giới hạn theo yêu cầu cơng nghệ y(t) t t t t t a b c d e CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 167Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ổn định Điều kiện ổn định Hàm truyền của hệ kín Phương trình đặc tính: là mẫu số của hàm truyền A=0, hay: C Cht R E H R C G 1 . CL G G G H C R    1 . 0G H  - Hệ thống sẽ ổn định khi và chỉ khi tất cả các nghiệm của phương trình đặc tính cĩ phần thực âm - Hệ thống sẽ ở biên giới ổn định nếu phương trình đặc tính cĩ ít nhất một nghiệm cĩ phần thực bằng 0, cịn tất cả các nghiệm khác là nghiệm thực âm hoặc nghiệm phức cĩ phần thực âm - Hệ thống sẽ khơng ổn định nếu phương trình đặc tính cĩ ít nhất một nghiệm cĩ phần thực dương. GCL CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 168Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ổn định Tiêu chuẩn ổn định đại số Điều kiện cần: để hệ thống ổn định thì tất cả các hệ số của phương trình đặc trưng phải khác 0 và cùng dấu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 169Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ổn định Tiêu chuẩn ổn định đại số - tiêu chuẩn Routh Phát biểu tiêu chuẩn: " Điều kiện cần và đủ để cho hệ thống tuyến tính ổn định là tất cả các số hạng trong cột thứ nhất của bảng Routh dương ". CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 170Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ổn định Tiêu chuẩn ổn định đại số - tiêu chuẩn Routh Cách thành lập bảng Routh : Giả sử cho phương trình đặc tính sau: a0s n + a1s n-1 + a2s n-2 + a3 s n-3 + + an-1s + an = 0 1 . 0G H  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 171Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ổn định CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 172Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Vdụ Gp=0.2/(-s+1) Hàm truyền của một quá trình trình được cho : Hệ hở trên cĩ ổn định hay khơng? Nếu Gv=Gm=1, xác định hàm truyền bộ điều khiển tỷ lệ Gc để hệ kín ổn định C Cht R Gm GpGvGc CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 173Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 3.1.2 Các chỉ số chất lượng Chất lượng điều khiển thể hiện qua một số tiêu chí chính sau: 1) Độ vọt lố (POT%) 2) Thời gian xác lập (txl) 3) Sai số xác lập (exl) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 174Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 1) Độ vọt lố Hiện tượng vọt lố: trong qt quá độ giá trị của y cĩ thể vượt quá giá trị xác lập mà nĩ đạt được ở trạng thái xác lập Độ vọt lố: (percent of overshoot – POT) là đại lượng đánh giá mức độ vọt lố cuar hệ thống, tính bằng: ax xl xl 100%m y ya POT b y    Y Ym Ysp E Gm G Các chỉ số chất lượng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 175Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2) Sai số xác lập: Sai số động: là sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp trong quá trình quá độ Sai số xác lập: sai lệch giữa tín hiệu đặt và hồi tiếp ở trạng thái xác lập ( cũng là sai số khi thời gian tiến tới vơ cùng) Gc Gp Y Ym Ysp E Gm Gv Y Ym Ysp E Gm G Các chỉ số chất lượng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 176Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2) Sai số xác lập: Biểu thức sai số xác lập . . sp m sp E Y Y Y E G Gm   0 0 s.R ( ) lim lim 1 . xl s s e t sE G H     Y Ym Ysp E Gm G 1 . 1 . . . 1 sp sp sp Y Y Y E G Gm Gc Gv Gp Gm Gol      C Cht R E H G Các chỉ số chất lượng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 177Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 3)Thời gian xác lập (thời gian quá độ) txl: thời gian tính từ lúc hệ thống bắt đầu dao động cho tới lúc hệ đạt ổn định hoặc nằm trong giới hạn cho phép ε=/- giá trị xác lập (thường ε= 2% hay 5%) Các chỉ số chất lượng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 178Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Qúa trình quá độ của hệ thống ĐKQT phụ thuộc vào: 1) Phương trình động của hệ 2) Trạng thái ban đầu của hệ 3) Kiểu tác động của đầu vào Đặc tính động học của hệ thống: mơ tả sự thay đổi đầu ra của hệ thống theo thời gian khi cĩ tác động của đầu vào. Nghĩa là với một hệ thống cĩ hàm truyền đã biết thì đáp ứng đầu ra sẽ như thế nào khi đầu vào thay đổi. 3.1.3. Động học một số quá trình cơ bản CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 179Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Các loại tín hiệu đầu vào cơ bản: а) hàm bước nhảy b) Hàm xung Dirac c) hàm dốc d) hàm sin   khi t 0 ( ) 0 khi t < 0 ( ) M u t M L u t s      u(t) M 𝛿(t) r(t) r(t)   khi t = 0 ( ) 0 khi t 0 ( ) M t L t M          2 khi t 0 ( ) 0 khi t = 0 ( ) / Mt r t L r t M s      Động học một số quá trình cơ bản CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 180Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 1) Xác định hàm truyền G(s) 2) Cho đầu vào R(s) là là các hàm khác nhau: • Với đầu vào là hàm nấc ta cĩ đầu ra là: • Với đầu vào là hàm xung ta cĩ đầu ra là: • Với đầu vào là hàm dốc ta cĩ đầu ra là: 3) Xác định đáp ứng theo thời gian y(t), bằng cách biến đổi laplace ngược ta sẽ được hàm quá độ, hàm trọng lượng hay đáp ứng hàm dốc tương ứng. G(s) R (s) Y (s) ( ) ( ) M Y s G s S  ( ) ( )Y s MG s 2 ( ) ( ) M Y s G s S  Các bước thực hiện khảo sát: Động học một số quá trình cơ bản CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 181Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK . dy y K x dt    1 0 0. dy a a y b x dt   Đáp ứng quá độ hệ quán tính bậc nhất /( ) . .(1 )ty t K M e   1 K G s   Y(s) = G.R1 K G s  R=M/s Step input outputHệ quán tính bậc nhất r(t) t0 t0 y(t) M K.M 𝐾 = 𝑏0 𝑎0 𝜏 = 𝑎1 𝑎0 Laplace . ( 1) K M G s s   M/s L-1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 182Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Thời gian (t) Tín hiệu ra y(t) 0 0 𝜏 0.63KM 3𝜏 0.95KM 5𝜏 0.99KM Đáp ứng động học hệ quán tính bậc nhất y(t) 𝜏  Hằng số thời gian 𝜏: là thời gian hệ đạt 63% giá trị xác lập. Hằng số thời gian càng nhỏ hệ đáp ứng càng nhanh s 0 lim ( ) lim . . . 1 s t s K M y y t s K M s s           Theo định lý giá trị cuối, giá trị xác lập là:  Hệ đạt 95% giá trị xác lập sau khoảng thời gian 3𝜏  Trong thực hành cĩ thể coi hệ ổn định (đạt 100% giá trị xác lập) sau khảng thời gian 5𝜏 /( ) . .(1 )ty t K M e    Hệ bậc 1 khơng cĩ vọt lố POT=0 s 1 lnst          CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 183Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Đáp ứng xung hệ quán tính bậc nhất /.( ) t K M y t e    1 K G s   Y(s) = G.R1 K G s  R=M Impulse outputHệ quán tính bậc nhất t0 y(t) . ( 1) K M G s   M L-1 t0 𝛿(t) 𝐾.𝑀 𝜏  Hàm trọng lượng là hàm mũ suy giảm về 0  Hằng số thời gian càng nhỏ hệ đáp ứng càng nhanh CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 184Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Đáp ứng động học hệ quán tính bậc nhất VD: Động học của một qúa trình phản ứng được mơ tả bằng hàm truyền bậc 1: C’ =C-Cxl là chênh lệch nồng độ đầu ra so với nồng độ ra ở trạng thái xác lập mol/lit, (biến chênh lệch), ký hiệu Y C’F= C’F -C’Fxl là là chênh lệch nồng độ đầu vào so với nồng độ vào ở trạng thái xác lập mol/lit, ký hiệu X Xác định: 1) Độ lợi tĩnh, hằng số thời gian, nêu ý nghĩa? (chương 2) 2) Đơn vị của độ lợi tĩnh. (chương 2) 3) Nếu nồng độ đầu vào tăng 2mol/lit so với trạng thái xác lập ban đầu thì nồng độ đầu ra là bao nhiêu. Biết nồng độ đầu ra ở trạng thái xác lập ban đầu là 3mol/lit (chương 2) 4) Xác định biểu thức của C’(t) theo thời gian (đáp ứng quá độ)? 4a) Sau bao lâu thì hệ đạt được 63%, 99% trạng thái xác lập? 4b) Sau thời gian t=T, nồng độ đầu ra là bao nhiêu? 5) biểu thức C’(t) theo thời gian khi đầu vào là hàm xung? 25 2 ' '   sC C X Y G F G(s) C’C’F CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 185Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 2 2 1 0 02 . d y dy a a a y b x dt dt    𝐾 = 𝑏0 𝑎0 Laplace M/s Step input output Hệ bậc 2 r(t) t0 t0 y(t) M K.M 2 2 2 2 d y dy y Kx dt dt     2 1 1 02 / /a a a a     2 2 2 2 2 ( ) 2 1 2 n n n KK G s s s s s            K : là đội lợi tĩnh, hay hệ số khuếch đại; : là hằng số thời gian; ξ : là hệ số suy giảm(zeta) ωn = 1/T: là tần số gĩc riêng 𝜏 ( ) . ( ) M Y s G s s  ( )y t L-1 Đáp ứng động học hệ tuyến tính bậc 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 186Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Step input output Hệ bậc 2 2 22 0n ns s    Nếu 𝜁 < 0 hệ thống mất ổn định (điều kiện cần để hệ ổn định là các hệ số của PT đặc trưngphải cùng dấu). Nếu 𝜻 = 𝟎 nghiệm phức của PTĐT s=0+/- j𝜔𝑛cĩ phần thực bằng 0, hệ thống dao động điều hịa. Nếu 𝜁 > 0 hệ thống ổn định (tiêu chuẩn Routh). Ảnh hưởng của hệ số suy giảm ξ đến sự ổn định Phương trình đặc trưng: 2 2 2 ( ) 2 n n n K G s s s       t 0 y(t) 0 t t 𝜁 < 0 𝜁 = 0 𝜁 > 0 Đáp ứng động học hệ tuyến tính bậc 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 187Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Trường hợp Nếu 𝜁 ≥ 1 PTĐT cĩ 2 nghiệm thực, hàm truyền của hệ thống cĩ dạng: C(s) R(s) R(s) 1) Kết hợp 2 khâu bậc 1 nối tiếp nhau (hệ quán tính bậc 2) 2) Hàm truyền tổng của hệ thống điều khiển: bao gồm cả thiết bị điều khiển và đối tượng điều khiển. 3) Mơ tả một hệ cơ học hay một sensor. 𝜁 càng lớn hệ đáp ứng càng chậm 1 2 1 2 1 2 ( ) ( )( ) 1 1 K KK G s s s s s s s         Đáp ứng động học hệ tuyến tính bậc 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 188Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Đồ thị đáp ứng quá độ Trường hợp Nếu 0 < 𝜁 ≤ 1 PTĐT cĩ 2 nghiệm phức: Y(s) = G.R 2 2 22 n n n K s s    R=M/s Step input outputDao động bậc 2 Đáp ứng quá độ: Nhận xét: 1) hệ dao động với biên độ giảm dần 2) hệ số suy giảm 𝜁 càng nhỏ hệ dao động càng mạnh Đáp ứng động học hệ tuyến tính bậc 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 189Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ví dụ: Một quá trình mà quan hệ biến vào và biến ra được mơ tả bởi phương trình vi phân sau đây: xy dt dy a dt yd  412 2 Trong đĩ y(t) và x(t) là các biến chênh lệch xung quanh điển điểm cân bằng ban đầu; y(t) là biến được điều khiển và x(t) là biến điều khiển. 1) Hàm truyền của hệ thống, bậc của hệ? 2) Giá trị của độ lợi tĩnh, hệ số dao động zeta? 3) Tìm giá trị của a1 để hệ thống ổn định, dao động điều hồ, mất ổn định? Đáp ứng động học hệ tuyến tính bậc 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 190Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Nhận xét hệ dao động bậc 2 (𝟎 < 𝜁 < 1) 2 exp .100% 1 a POT b           * Đáp ứng quá độ của hệ đao động bậc 2 cĩ vọt lố, ξ càng nhỏ POT càng lớn 2 2 DR exp 1 c a           * Decay ratio (tỷ lệ tắt dần) * Chu kỳ dao động P 2 2 1 T     C Cht R E H T G Đáp ứng động học hệ tuyến tính bậc 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 191Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Nhận xét(tt): Đáp ứng động học hệ tuyến tính bậc 2 Tiêu chuẩn 1%: 5 s T t   Tiêu chuẩn 5%: 3 s T t   Tiêu chuẩn 2%: 4 s T t   21 p T t     * Thời gian đạt đỉnh cao nhất: * Thời gian quá độ: T CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 192Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Đáp ứng hệ thống bậc cao Xấp xỉ mơ hình bậc cao – Phương pháp Skogestad (luật chia đơi) Hệ bậc 1 cĩ trễ Hệ bậc 2 cĩ trễ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 193Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 3.2.1 Chọn bộ điều khiển và chỉnh định tham số bộ điều khiển • Phương pháp Ziegler - Nichol 1 (Z-N 1) • Phương pháp Ziegler - Nichol 2 (Z-N 2) • Phương pháp tổng hợp trực tiếp (DS) 3.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID 3.2.2 Mơ phỏng và phân tích một số quá trình cơ bản • Mơ phỏng bộ điều khiển PID cho hệ lị nhiệt • Mơ phỏng bộ điều khiển PID cho hệ bồn nước • Mơ phỏng bộ điều khiển PID cho hệ bình khuấy trộn • Nội dung bài hơm nayW12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 194Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID Hàm truyền hệ thống điều khiển hồi tiếp: Gc GP YYsp E U Hàm truyền của đối tượng là Gp(s), được giả thiết là đã biết. Hàm truyền đạt của hệ khi đĩ sẽ là: . ( ) 1 . c p c p G G G s G G   Trong thực tế người ta thường chọn cấu trúc của bộ điều khiển Gc sao cho hàm truyền tổng G(s) cĩ quán tính bậc nhất cĩ hoặc dạng bậc hai như sau: 2 0 2 2 0 0 ( ) 2 G s s s       1 ( ) 1 G s s   CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 195Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số bộ đk PID Thành phần tỷ lệ: Khơng triệt tiêu exl trong mọi trường hợp •Nếu KP tăng thì exl giảm •Tăng tiếp Kp: nếu chưa cĩ vọt lố thì txl giảm  nếu cĩ vọt lố thì txl tăng •Kp quá lớn => hệ mất ổn định Thành phần tích phân -Giúp triệt tiêu sai số xác lập, chừng nào cịn sai số thì cịn tín hiệu điều khiển u do thành phần tích phân tạo nên. -Khi KI tăng hệ xuất hiện vọt lố và cĩ thể làm hệ thống mất ổn định. Thành phần vi phân: KD lớn hệ chậm hơn nhưng ổn định hơn, KD làm hệ giảm vọt lố. Gc Gp YYsp D 1 c p cG K K K s s    CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 196Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Xác định thơng số của bộ điều khiển Phương pháp Ziegler- Nichols 1: Dựa trên đồ thị đáp ứng quá độ, cho hệ số tắt dần≈ 1/4, độ quá điều chỉnh≈25% Thực hiện: Cho đầu vào của đối tượng điều khiển thay đổi theo hàm bước, ghi nhận số liệu đầu ra thay đổi theo thời gian, vẽ đồ thị. Nếu đối tượng điều khiển cĩ đáp ứng quá độ dạng hình chữ s thì cĩ thể chọn bộ điều khiển P, PI, PID theo bảng sau Bộ điều khiển: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 197Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Tổng hợp bộ ĐK Bộ điều chỉnh Xác định thơng số của bộ điều khiển Phương pháp Ziegler- Nichols 1: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 198Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Xác định thơng số của bộ điều khiển Phương pháp Ziegler- Nichols 2: Dựa trên đặc tính dao động tới hạn, cho chất lượng tương đương ZN-1. Thực hiện: Cho ki, kd =0, thay đổi kp sao cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định (dao động điều hịa), khi đĩ lấy kp = Kgh và tín hiệu ra y cĩ dạng dao động với chu kỳ Tgh Bộ điều khiển: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 199Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Direct synthesis, DS: là phương pháp tính tốn bộ ĐK trực tiếp từ mơ hình quá trình và mơ hình hàm truyền mong muốn của hệ kín. Xét cấu hình điều khiển như sơ đồ khối, ký hiệu hàm truyền mong muốn của hệ kín kà Gk, ta cĩ: Phương pháp tổng hợp trực tiếp: Gc G YYsp E 1 . 1 1 c cl cl c sp c cl G G GY G G Y G G G G       Trong đĩ teta bằng thời gian trễ của quá trình và tc là hằng số thời gian của hệ kín theo yêu cầu chất lượng điều khiển. Tc càng nhỏ thời gian điều khiển càng nhanh, nhưng lại làm cho tín hiệu điều khiển thay đổi mạnh hơn và kém bền vững với sai số của mơ hình Chọn mơ hình mẫu của hệ kín là khâu quán tính bậc nhất cĩ trễ: 1. 1 s cl cl e G s      t0 y(t) 1 1 . 1 s c s c e G G s e        1 . ( ) s c c e G G s       Kết hợp lại ta cĩ hàm truyền mơ hình của hệ kín, với phép xấp xỉ Taylor 𝑒−𝜃𝑠 = 1 − 𝜃𝑠 Xác định thơng số của bộ điều khiển CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 200Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Xét 2 trường hợp G là FOPDT và SOPDT Gc G YYsp E 1 (1 ) ( ) PI c i c c i G k s k K            1 2 . ( 1)( 1) sK e G s s        Gc cĩ dạng bộ điều khiển PI t0 y(t) 1 1) Trường hợp G là FOPDT 1 1 1 . (1 ) . ( ) ( ) ( ) 1 s c s c c c e s G K e s K s K s s                        2) Trường hợp G là SOPDT ta cĩ bộ điều khiển PID là: 1 2 1 2 1 2 1 2 1 (1 ) ( ) ; PI c d i c c i d G k s s k K                         Phương pháp tổng hợp trực tiếp (tt): Xác định thơng số của bộ điều khiển CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 201Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ứng dụng SIMULINK tổng hợp hệ thống Từ thực nghiệm thu được đáp ứng nhiệt độ của lị nhiệt khi cơng suất điện cấp cho nĩ là 100%: Kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn, ta xác định được giá trị các tham số cho mơ hình xấp xỉ L, T, K như hình vẽ. => Mơ hình xấp xỉ là một khâu quán tính bậc 1 cĩ trễ : G(s)= 0.632 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 202Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ứng dụng SIMULINK tổng hợp hệ thống Xác định các thơng số bộ diều khiển theo Ziegler-Nichols: => Kp = 0.114, KI = 0.0028, KD = 1.14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 203Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Ứng dụng SIMULINK tổng hợp hệ thống Bộ PID theo tính tốn Kp = 0.114, KI = 0.0028, KD = 1.14 Chỉnh định các thơng số của bộ PID ( độ quá điều chỉnh < 25%) Chọn Kp = 0.036, KI = 0.0004, KD = 0.54 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 204Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Gc G YYsp Ứng dụng SIMULINK tổng hợp hệ thống CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH CNHH CƠ BẢN Bài giảng mơn học CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Ver 02 Nội dung bài 13, bài 14: 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản -Hệ thống điều chỉnh lưu lượng -Hệ thống điều chỉnh mức lượng -Hệ thống điều chỉnh áp suất -Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ 4.2 Điều khiển các quá trình CNHH cơ bản -Điều khiển các quá trình cơ học -Điều khiển các quá trình truyền nhiệt -Điều khiển các quá trình truyền khối -Điều khiển các quá trình phản ứngCuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 206Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng Điều chỉnh lưu lượng được sử dụng để ổn định lưu lượng theo dịng vật chất và là một phần khơng tách rời của hệ thống ĐKQT Cĩ 3 phương pháp phổ biến điều khiển lưu lượng nĩi chung: 1) Dùng cơ cấu chấp hành là van cĩ chức năng điều khiển: tiết lưu dịng lưu chất đi qua cơ quan điều chỉnh bằng van, tấm chắn lắp trên ống dẫn. 2) Thay đổi cường độ bơm: thay đổi cột áp trong ống dẫn bằng cách điều chỉnh nguồn năng lượng (thay đổi tốc độ quay của động cơ máy bơm hoặc gĩc quay cánh quạt) 3) Sử dụng đường ống dẫn hồi lưu: nghĩa là chuyển phần dư của lưu chất từ ống dẫn chính sang đường vịng (bypass) Ngồi ra cĩ thể dùng nhiều bơm đồng thời hay từng bơm tuỳ theo yêu cầu lưu lượng cần đảm bảo. Để điều khiển lưu lượng theo yêu cầu khơng cĩ sai lệch tĩnh nên sử dụng bộ điều khiển PI. Thực tế thường khơng sử dụng PD hay PID vì khi tín hiệu lưu lượng thay đổi với tần số cao thì thành phần D sẽ làm hệ thống mất ổn định CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 207Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ Dùng van cĩ chức năng điều khiển: Một phần hệ thống điều khiển lưu lượng (1) đường ống dẫn, (2) màng chắn để đo lưu lượng, (3) van điều khiển CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 208Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ Dùng van cĩ chức năng điều khiển:  Để an tồn cho bơm khơng lắp màng chắn trên đường ống hút bơm ly tâm.  Khơng dùng cấu trúc (a) cho bơm piston mà bắt buộc dùng van bypass.  Nếu bơm chất lỏng lên cao thì phải dùng van 1 chiều tránh chất lỏng dội ngược lại khi dừng bơm làm hư bơm. (a) Bơm ly tâm, (b) Bơm piston (a) (b) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 209Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Câu hỏi Two flow control loops are shown in the drawing. Indicate whether each system is either a feedback or a feedforward control system. Justify your answer. It can be assumed that the distance between the flow transmitter (FT) and the control valve is quite small in each system. • Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 210Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ Điều khiển theo tỷ lệ lưu lượng: 3 trường hợp TH1: Tổng 2 dịng lưu lượng khơng yêu cầu diều khiển. Yêu cầu điều chỉnh theo tỷ lệ F2=nF1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 211Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ Điều khiển theo tỷ lệ lưu lượng: TH2: Yêu cầu tỷ lệ lưu lượng khơng đổi và dịng F1 khơng đổi. Điều chỉnh F1=F1sp và tỷ lệ n = const CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 212Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ Điều khiển theo tỷ lệ lưu lượng: TH3: Điều chỉnh theo tín hiệu thứ 3 (mức chất lỏng trong bình): giá trị tỷ lệ cài đặt thay đổi (trong giới hạn cho trước) theo mức Ở đây, vịng điều khiển trong của bộ điều khiển tầng cĩ thể sử dụng bộ điều khiển P CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 213Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ Điều khiển lượng vật liệu rời được thực hiện bằng cách thay đổi mức độ mở của bướm điều chỉnh ở đầu ra bồn chứa. 1 - Bồn chứa ; 2 - băng tải; 3 – bộ điều chỉnh; 4 – bướn điều chỉnh CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 214Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ Điều khiển lượng vật liệu rời được thực hiện bằng cách thay đổi tốc độ chuyển động của băng tải. 1 - Bồn chứa ; 2 - băng tải; 3 – bộ điều chỉnh; 5 - động cơ điện CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 215Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 2. Điều chỉnh mức Khi khơng cĩ chuyển pha trong thiết bị, mức được điều khiển bằng cách thay đổi lưu lượng vào hoặc ra Điều chỉnh mức bằng cách thay đổi lưu lượng vào bình chứa Điều chỉnh mức bằng cách thay đổi lưu lượng đầu ra Điều chỉnh mức theo tỷ lệ lưu lượng (điều khiển tầng) 𝐴 𝑑ℎ 𝑑𝑡 = 𝐹v – Fr CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 216Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 2. Điều chỉnh mức Khi cĩ chuyển pha trong thiết bị, ví dụ thiết bị bốc hơi: mức được điều khiển bằng cách điều chỉnh tác nhân nhiệt. Hơi Hơi Hơi nước Lỏng Ngưng tụ Hơi Thay đổi lưu lượng hơi cấp nhiệt làm cho dung mơi bay hơi nhiều hay ít ổn định được mực chất lỏng. Trong thực tế do chất lỏng sơi nên khĩ đo để biết chính xác mực chất lỏng, nên thường kết hợp kinh nghiệm để bù độ lệch của thiết bị đo. Trong trường hợp khơng cần độ chính xác cao dùng bộ điều khiển P. Trường hợp cần điều chỉnh với độ chính xác cao thì dùng bộ điều khiển PI. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 217Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 2. Điều chỉnh mức Khi khơng cần độ chính xác cao, điều khiển 2 vị trí được sử dụng để duy trì mực chất lỏng trong khoảng đủ rộng Lmax <= L<=Lmin Khi mức đạt đến độ cao Lmax, bộ điều chỉnh tự động chuyển hướng lưu chất sang kênh 2 bằng cách đống van 6 và mở van 7. Trong trường hợp điều chỉnh lưu lượng để giải nhiệt thì khơng sử dụng phương pháp này. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 218Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản Thơng thường áp suất trong hệ thống cơng nghệ được ổn định ở một thiết bị nào đĩ. Áp suất tỷ lệ với lưu lượng pha khí ở đầu vào và đầu ra thiết bị, nên áp suất được điều chỉnh bằng cách: a) Thay đổi lưu lượng khí khơng ngưng đi ra từ thiết bị b) Thay đổi lượng nước làm nguội trong thiết bị ngưng tụ trực tiếp (Baromet), hoặc thiết bị ngưng tụ gián tiếp c) Thay đổi lưu lượng trực tiếp bằng van điều chỉnh trên ống dẫn 3. Điều chỉnh áp suất CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 219Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản a) Thay đổi lưu lượng khí khơng ngưng đi ra từ thiết bị 3. Điều chỉnh áp suất Nươc làm mát Khí khơng ngưng Sản phẩm đỉnh Điều chỉnh áp suất trong tháp chưng cất khi cĩ xuất hiện khí khơng ngưng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 220Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản b) Thay đổi lượng nước làm nguội trong thiết bị Baromet Hệ thống cơ đặc 2 nồi liên tục 3. Điều chỉnh áp suất CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 221Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản c) Điều chỉnh áp suất bằng tác động trực tiếp: 3. Điều chỉnh áp suất 1- màng ngăn, 2- lị so, 3- trục, 4, 5 cơ cấu van CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 222Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản 4. Điều chỉnh nhiệt độ Điều chỉnh nhiệt độ dịng ra thiết bị trao đổi nhiệt bằng cách điều chỉnh lưu lượng dịng hơi tv dịng lỏng tR Fs nước ngưng tv dịng lỏng tR Fs nước ngưng Điều chỉnh nhiệt độ dịng ra thiết bị trao đổi nhiệt bằng cách điều chỉnh tầng: kết hợp phản hồi và tỷ lệ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 223Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.2 Điều khiển các quá trình cơng nghệ cơ bản Điều khiển các quá trình cơ lưu chất Các quá trình cơ lưu chất được điều khiển bao gồm quá trình phân riêng và làm sạch hệ thống khơng đồng nhất Trong cơng nghiệp hố chất: • Hệ lỏng được phân riêng trong các thiết bị lắng, máy lọc, máy ly tâm • Hệ khí được làm sạch trong Cyclone, máy lọc, máy rửa khí, máy lọc điện CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 224Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.2 Điều khiển các quá trình cơng nghệ cơ bản Hệ thống cơ đặc một nồi gián đoạn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 225Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.2 Điều khiển các quá trình cơng nghệ cơ bản Hệ thống cơ đặc 2 nồi liên tục CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 226Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.2 Điều khiển các quá trình cơng nghệ cơ bản Hệ thống chưng cất CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 227Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.2 Điều khiển các quá trình cơng nghệ cơ bản Hệ thống chưng đơn giản Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở chất lỏng cịn lại giảm dần nên thành phần hơi bay lên cũng giảm dần, do đĩ sản phẩm đỉnh cũng cĩ nồng độ giảm dần=> nhiệt độ sơi giảm dần. Chưng đến khi đạt nồng độ yêu cầu thì ngừng lại, nên thường tiến hành gián đoạn, cũng cĩ thể tiến hành liên tục. Thiết bị chưng đơn giản: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 228Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.2 Điều khiển các quá trình cơng nghệ cơ bản Chưng cất phương án điều khiển các thơng số riêng lẻ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 229Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.2 Điều khiển các quá trình cơng nghệ cơ bản Chưng cất phương án bù nhiễu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 230Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.2 Điều khiển các quá trình cơng nghệ cơ bản Chưng cất CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 231Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.2 Điều khiển các quá trình cơng nghệ cơ bản Chưng gián đoạn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 232Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.2 Điều khiển các quá trình cơng nghệ cơ bản Tháp đệm CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 233Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK VÍ DỤ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ -> tín hiệu cặp nhiệt ->tín hiệu chuẩn -> DCS -> tín hiệu chuẩn -> tín hiệu khí nén chuẩn -> độ mở van -> Lưu lượng Bộ biến đổi đo • Các thành phần hệ thống 1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt