Bài giảng môn học Điều khiển quá trình - Bùi Ngọc Pha

à Nội, 2006 Phần mềm: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK [Đánh giá môn 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 môn học] Mô tả và giải thích được các thành phần của một hệ thống điều khiển tự động Sử dụng Matlab & Simulink để tính toán, 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 công nghiệp có 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 môn học] Điều khiển – Tự động hóa Điều khiển học (Cybernetics) ① Điều khiển quá trình ② Điều khiển máy (chuyển động, Robot) Tự động hóa 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 - Công cụ mô phỏng Matlab&Simulink PROCESS PROCESSCONTROLLER h h Fi Fi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Nội dung môn học Chương 1 • Tổng quan về điều khiển quá trình Chương 2 • Mô 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 công Hệ thống điều khiển tự động Điều chỉnh tự động Vòng điều khiển: vòng kín vòng 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 hôm 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 công nghệ hoạt động theo yêu cầu mong muốn. Sơ đồ công 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 Toàn (Safety): • Con người, môi 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 môi 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 toàn • Mục đích ĐKQT1.1 Các lớp bảo vệ an toàn: bắt đầu với việc kiểm soát quy trình an toàn thiết kế, mở rộng tới các lớp phòng 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 soát tốt, có thể thiết lập giá trị cài đặt trong vùng có 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 có định hướng lên đối tượng điều khiển nhằm đảm bảo cho nó 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 không 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 có nhiễu tải LV 1) Đo: mắt thu thập thông tin 2) So sánh: não xử lý thông 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 đòn 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 (có 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 toàn) /Hi-Hi Level Switch SP CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 21Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Vòng điều khiển (control loop): là một chu trình thực hiện việc điều khiển. Vòng điều khiển kín và hở Vòng điều khiển hở: là là một hệ thống trong đó sự kiểm soát không tuỳ thuộc vào đầu ra. Lệnh điều khiển được đưa vào, bộ điều khiển sẽ kiểm soát tiến trình xử lý sao cho đối tượng được điều khiển đạt được tiêu chuẩn định trước. Mạch vòng 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 vòng hở (opened loop control): Một máy nướng bánh có 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 vòng hở có độ tin cậy không 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 vòng kín cho lò nướng là gì? • Xác định độ chín của bánh. • Liên tục so sánh tình trạng bánh với tiêu chuẩn đã xác định. • Đóng/mở mạch cấp nhiệt. Ví dụ điều khiển vòng 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 vòng 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/đóng 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 có thể là tối đa hoặc giá trị tối thiểu. Ví dụ, mức trong bể không thể vượt quá 1,2m và không thấp hơn 0,8m. Là giá trị đầu ra của quá trình mà ta mong muốn đạt được, còn 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 có 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 công nghệ Biến đầu vào Biến đầu ra Biến điều khiển Biến cần điều khiển Biến được điều khiển Biến nhiễu • Nội dung bài hôm 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, hóa học, sinh học Input Output Năng lượng Vật chất Thông tin Năng lượng Vật chất Thông tin Quá trình phản ứng (Biến đổi NVL) Quá trình chưng cất (Tinh chế) Nhà máy sản xuất (Biến đổi,Tinh chế) Quá trình hóa học: là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học, sinh học trong đó vật chất năng lượng hoặc thông 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, thông số đặc trưng cho quá trình có 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 CÔNG 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, thông số phản ánh tác động từ bên ngoài đến quá trình, là nguyên nhân làm quá trình biến động Biến ra (output variable): là đại lượng, thông số thể hiện ảnh hưởng của quá trình ra bên ngoài. 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 có 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 không cần ĐK Biến cần điều khiển Biến đo được (được điều khiển) (CV) Biến không 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 đó nó có thể được đo và điều khiển gián tiếp thông 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 ngoài vào quá trình, qua đó 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 không can thiệp được trong phạm vi quá trình đang quan tâm. Nhiễu bao gồm nhiễu cơ bản và nhiễu không cơ bản. Ví dụ: như thành phần nhiên liệu, nhiệt độ dòng lạnh, áp suất hơi bão hòa, 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 toán ta có 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 công 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 công nghệ hoá học đối tượng điều khiển có thể là một phân xưởng, nhà máy hoá chất hoặc hệ thống thiết bị công 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 có chức năng điều khiển như van điện từ hay van có 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 toán (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 vòng 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 lò 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 hôm 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 mô tả quá trình công nghệ kèm theo các chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình: lưu đồ công nghệ + các biểu tượng thiết bị điều khiển. Mỗi thiết bị được biểu diễn thông 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 phòng 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 nói 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, công cụ tính toán 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 vòng 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 vòng 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 vòng 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 công cụ tính toán: - Dạng năng lượng của tín hiệu: điện áp: E;dòng điện I; khí nén: P, thủy lực: G. - Dạng tín hiệu: Liên tục A, rời rạc:D - Thuật toán được thự hiện bởi công cụ tính toán 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 dòng 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 toàn: Các chức năng tính toán: 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 không 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 toàn 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 có tiếp nhận tín hiệu của biến cần điều khiển (hay được điều khiển) – tín hiệu phản hồi yht. Hệ kín có loại một vòng hồi tiếp và nhiều vòng hồi tiếp. Hệ hở: Không dùng mạch hồi tiếp (vận dụng sách lược kiểu truyền thẳng) => chỉ phù hợp với các ứng dụng không đòi 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): Công thức bộ điều khiển PID u0: giá trị đầu khi e=0 Tuỳ theo đối tượng điều khiển mà ta phải chọn các thông 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 có 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 soát Giá trị chủ đạo không biết trước mà phị thuộc yếu tố môi trường bên ngoài. Áp dụng để điều chỉnh một thông số công nghệ phụ thuộc vào giá trị chủa một thông số công 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 mô tả toán học Hệ liên tục và hệ rời rạc: Hệ liên tục Tín hiệu truyền trong hệ là hàm số liên tục theo tgian => Mô tả bằng phương trình vi phân Hệ rời rạc: Tín hiệu truyền trong hệ là dạng chuỗi xung / mã số => Mô 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) =>Mô tả bằng phương trình vi phân/sai phân tuyến tính. =>Áp dụng được nguyên lý xếp chồng đáp ứng: Nếu có 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 mô tả toán học(tt) Hệ phi tuyến: Các hệ thống thực tế đều là phi tuyến => Có thể tuyến tính hoá 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 thông số của hệ là hằng số theo thời gian => Mô tả bằng phương trình vi phân/sai phân hệ số hằng. => Đáp ứng của hệ không phụ thuộc thời điểm tác... 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): có 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 gió, 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 có khả năng thay đổi độ mở van theo tín hiệu từ bộ điều khiển. Thân van gắn với đường ống, đóng vai trò 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 đóng an toàn (fail-closed, FC hoặc air-to-open, AO): trong trường hợp khi không có tín hiệu điều khiển thì van ở trạng thái đóng hoàn toàn b) Van mở an toàn (fail-open, FO hoặc air-to-close, AC): trong trường hợp khi không có tín hiệu điều khiển thì van ở trạng thái mở hoàn toàn Lựa chọn kiểu tác động của van phụ thuộc vào yêu cầu an toàn 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 toán điều khiển e= ysp-ym u=f(e) Bộ điều khiển • Nội dung bài hôm 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 có và không có nguồn năng lượng phụ. Trong bộ điều khiển không có nguồn năng lượng phụ, năng lượng của môi trường điều chỉnh được sử dụng để dịch chuyển cơ quan điều chỉnh. Bộ điều chỉnh này có cấu trúc đơn gian, tin cậy khi làm việc, sử dụng khi không cần lực tác động lớn, chất lượng quá độ không 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 công nghiệp, trong khí nén sử dụng năng lượng không 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 toán 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 không 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 đó. 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 không có tính năng chuyển mạch vì thế không có 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 có 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 có 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 công 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, còn 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 có 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 có thể vận hành chậm. Để đc hết phần sai lệc thật nhanh ta có 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 môn 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 hòa d) Quá trình dao động tăng dần e) Quá trình quán tính tăng dần Ôn 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 có quá trình quá độ tắt dần a, b là ổn định, tăng dần (cd) là không ổn định. Dao động điều hòa c coi là ổn định nếu biên độ dao động nằm trong giới hạn theo yêu cầu công 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 có phần thực âm - Hệ thống sẽ ở biên giới ổn định nếu phương trình đặc tính có ít nhất một nghiệm có phần thực bằng 0, còn tất cả các nghiệm khác là nghiệm thực âm hoặc nghiệm phức có phần thực âm - Hệ thống sẽ không ổn định nếu phương trình đặc tính có ít nhất một nghiệm có 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 có ổn định hay không? 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 có thể vượt quá giá trị xác lập mà nó 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 vô 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: mô tả sự thay đổi đầu ra của hệ thống theo thời gian khi có tác động của đầu vào. Nghĩa là với một hệ thống có 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 có đầu ra là: • Với đầu vào là hàm xung ta có đầu ra là: • Với đầu vào là hàm dốc ta có 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 có 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 không có 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 mô 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 góc 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+/- j𝜔𝑛có phần thực bằng 0, hệ thống dao động điều hòa. 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 có 2 nghiệm thực, hàm truyền của hệ thống có 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) Mô 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 có 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 mô tả bởi phương trình vi phân sau đây: xy dt dy a dt yd  412 2 Trong đó 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 hoà, 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 có 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 mô hình bậc cao – Phương pháp Skogestad (luật chia đôi) Hệ bậc 1 có trễ Hệ bậc 2 có 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 Mô phỏng và phân tích một số quá trình cơ bản • Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ lò nhiệt • Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ bồn nước • Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ bình khuấy trộn • Nội dung bài hôm 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 đó 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) có quán tính bậc nhất có 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: Không triệt tiêu exl trong mọi trường hợp •Nếu KP tăng thì exl giảm •Tăng tiếp Kp: nếu chưa có vọt lố thì txl giảm  nếu có 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 còn sai số thì còn tín hiệu điều khiển u do thành phần tích phân tạo nên. -Khi KI tăng hệ xuất hiện vọt lố và có 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 thông 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 có đáp ứng quá độ dạng hình chữ s thì có 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 thông số của bộ điều khiển Phương pháp Ziegler- Nichols 1: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 198Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK Xác định thông 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 hòa), khi đó lấy kp = Kgh và tín hiệu ra y có 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 toán bộ ĐK trực tiếp từ mô hình quá trình và mô 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 có: 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 đó 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 mô hình Chọn mô hình mẫu của hệ kín là khâu quán tính bậc nhất có 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 có hàm truyền mô hình của hệ kín, với phép xấp xỉ Taylor 𝑒−𝜃𝑠 = 1 − 𝜃𝑠 Xác định thông 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 có 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 có 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 thông 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 lò nhiệt khi công suất điện cấp cho nó là 100%: Kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn, ta xác định được giá trị các tham số cho mô hình xấp xỉ L, T, K như hình vẽ. => Mô hình xấp xỉ là một khâu quán tính bậc 1 có 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 thông 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 toán Kp = 0.114, KI = 0.0028, KD = 1.14 Chỉnh định các thông 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 môn học CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Ver 02 Nội dung bài 13, bài 14: 4.1 Điều chỉnh các thông số công 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 thông số công nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng Điều chỉnh lưu lượng được sử dụng để ổn định lưu lượng theo dòng vật chất và là một phần không tách rời của hệ thống ĐKQT Có 3 phương pháp phổ biến điều khiển lưu lượng nói chung: 1) Dùng cơ cấu chấp hành là van có chức năng điều khiển: tiết lưu dòng 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 góc 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 vòng (bypass) Ngoài ra có 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 không có sai lệch tĩnh nên sử dụng bộ điều khiển PI. Thực tế thường không 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 thông số công nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ Dùng van có 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 thông số công nghệ cơ bản 1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ Dùng van có chức năng điều khiển:  Để an toàn cho bơm không lắp màng chắn trên đường ống hút bơm ly tâm.  Không 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 thông số công 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 dòng lưu lượng không 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 thông số công 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 không đổi và dòng F1 không 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 thông số công 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, vòng điều khiển trong của bộ điều khiển tầng có thể sử dụng bộ điều khiển P CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 213Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK 4.1 Điều chỉnh các thông số công 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 đi