Đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất phân đoạn đơn

nhiệt độ, áo suất và chỉ số hồi lưu. Đối với tháp chưng cất phân đoạn đơn được sử dụng như cột tách sơ bộ trong sơ đồ chưng cất ADC ở hình 1.2(chương 1) ,các thông số công nghệ của nó như sau: Nhiệt độ của nguyên liệu vào : nhiệt độ này đã được ổn định ở 205oC tại buồng gia nhiệt trước khi đưa vào cột tách sơ bộ, do chỉ nghiên cứu riêng cột tách sơ bộ nên ta không quan tâm đến thông số này mà coi như nó đã được ổn định rồi. Nhiệt độ đỉnh tháp duy trì ở 155oC, nếu nhiệt độ đỉnh tháp quá cao thì trong sản phẩm đỉnh sẽ chứa nhiều phần nặng lẫn trong đó và lượng sản phẩm đỉnh sẽ tăng lên nhưng kém tinh khiết hơn so với thiết kế và ngược lại. Nhiệt độ đáy tháp phải được duy trì ở 240oC, khi nhiệt độ đáy tháp quá thấp thì trong sản phẩm đáy sẽ chứa nhiều sản phẩm nhẹ hốn với thiết kế dẫn đến hiệu quả của cột tách sẽ kém. áp suất trong tháp phải được khống chế ở 0,5Mpa, nếu áp suất trong tháp tăng lên thì nhiệt độ sôi của chất lỏng cũng tăng lên và do đó trong các sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy sẽ chứa nhiều thành phần nhẹ hơn và ngược lại. Chỉ số hồi lưu được xác định phụ thuộc vào thành thành phần của dầu đầu vào và mức độ tinh khiết của sản phẩm ra. Đối với cột tách sơ bộ thì cần phải điều khiển lượng hồi lưu ddinhr theo lượng dầu cung cấp hoặc theo thành phần của dầu cung cấp. Lượng chất lỏng chứa trong bình ngưng phải được duy trì ở một mức nhất định, khi bình ngưng chứa nhiều chất lỏngquá so với quy định thì lượng chất lỏng đó phải được tháo bớt ra ngôằịhc tưới trở lại tháp qua cửa hồi lưu đỉnh. Lượng chất lỏng ở đáy tháp cũng phải được duy trì ở một mức nhất định, khi lượng chất lỏng này lớn hơn quy định thì cũng phải tháo ra ngoài hay tưới trở lại hồi lưu đáy. 2.3. Các sơ đồ công nghệ của hệ thống điều khiển tháp chưng cất phân đoạn đơn. Dựa theo các thông số công nghệ như trên, ta có thể lựa chọn một trong số các sơ đồ công nghệ được đánh số sau: 2.3.1. Sơ đồ công nghệ 1. Sơ đồ được trình bày trên hình 2.1. Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ 1. Phân tích chức năng của các mạch điều khiển : Điều khiển nhiệt độ của đỉnh tháp : Nhiệt độ của đỉnh tháp được điều khiển thông qua lượng hồi lưu đỉnh. Khi nhiệt độ đỉnh tháp cao hơn nhiệt độ đặt (setpoin tăng trưởng) thì mạch hiệu chỉnh sẽ điều khiển van hồi lưu mở ra nhiều hơn để tăng lượng hồi lưu, do nhiệt độ của dầu hồi lưu thấp hơn nhiệt độ đỉnh tháp nên lượng tăng này của dầu hồi lưu sẽ làm giảm nhiệt độ của đỉnh tháp. Tương tự, khi nhiệt độ đỉnh tháp thấp hơn nhiệt độ đặt thài mạch hiệu chỉnh sẽ điều khiển đóng bớt van hồi lưu để giảm lượng dầu hồi lưu. Sơ đồ của mạch điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp trong sơ đồ công nghệ như (hình 2.2). Mức chất lỏng trong thiết bị ngưng tụ cũng được điều khiển bằng mạch này. Hình 2.2: Điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp. Điều khiển áp suất tại đỉnh tháp : áp suất tại đỉnh tháp thay đổi khi ta đóng mở van xả hơi dầu tại thiết bị ngưng tụ, khi áp suất đỉnh tháp cao hơn áp suất đặt thì van sẽ được mạch hiệu chỉnh áp suất làm cho mở thêm để làm giảm áp suất hơi trong bình ngưng, thông qua đó làm giảm áp suất đỉnh tháp. Ngược lại, khi áp suất đỉnh tháp thấp hơn áp suất đặt thì van này sẽ được đóng bớt lại. Hình 2.3 là sơ đồ của mạch điều khiển áp suất đỉnh tháp. Hình 2.3: Điều khiển áp suất đỉnh tháp. Điều khiển nhiệt độ đáy tháp: Nhiệt độ đáy tháp thay đổi khi ta thay đổi nhiệt độ của dầu hồi lưu đáy bằng cách thay đổi lượng hơi quá nhiệt cung cấp cho buồng trao đổi nhiệt. Nhiệt độ đáy tháp được đo sau đó so sánh với nhiệt độ đặt, nếu cao hơn nhiệt độ đặt thì mạch điều khiển nhiệt độ đáy tháp sẽ điều khiển van đóng bớt lại, lượng hơi quá nhiệt cung cấp cho buồng trao đổi nhiệt giảm đi làm cho nhiệt độ của dầu hồi lưu giảm. Ngược lại, khi nhiệt độ đáy tháp thấp hơn nhiệt độ đặt mạch điều khiển sẽ điều khiển van mở thêm ra để tăng lượng hơi quá nhiệt cung cấp cho buồng trao đổi nhiệt. Mạch điều khiển nhiệt độ đáy tháp như trong hình 2.4. Hình 2.4: Điều khiển nhiệt độ đáy tháp. Mạch điều khiển mức chất lỏng ở đáy tháp: Mạch điều khiển này điều khiển đóng bớt lại hay mở thêm van xả sản phẩm đáy, làm cho mức dầu ở đáy tháp luôn giữ ở mức nhất định đã đặt trước. Mạch điều khiển này như hình 2.5. Hình 2.5: Điều khiển mức chất lỏng ở đáy tháp. Mạch điều khiển lượng hồi lưu đỉnh: Tại cửa cung cấp nguyên liệu dầu thô vào tháp, dòng chất lỏng được đo lưu lượng và phân tích thành phần. Đối với cột tách sơ bộ thì dầu vào sẽ được phân tích % của các phân đoạn nhẹ có nhiệt độ sôi dưới 155oC, lưu lượng dầu vào và % của các phân đoạn nhẹ sẽ bay hơi khỏi đỉnh tháp sau khi được làm lạnh cũng sẽ được phân tích và so sánh với lượng đã được phân tích ở đầu vào, nếu lượng này thấp hơn, có nghĩa là trong sản phẩm ra lẫn nhiều các phân đoạn nặng, thì mạch điều khiển sẽ đóng bớt van xả cản sản phẩm đỉnh để tăng lượng hồi lưu đỉnh. Mạch điều khiển lượng hồi lưu như hình 2.6. Hình 2.6: Điều khiển lượng hồi lưu đỉnh. 2.3.2. Sơ đồ công nghệ 2. Sơ đồ công nghệ được trình bày trên hình 2.7. Hình 2.7: Sơ đồ công nghệ 2. Phân tích chức năng của mạch điều khiển : Điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp và lượng hồi lưu đỉnh: Sơ đồ của mạch điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp như trong hình 2.8. lượng dầu hồi lưu đỉnh được điều khiển tỷ lệ % đặt trước so với lượng dầu vào thông qua van hồi lưu. Nhiệt độ đỉnh tháp được so sánh với nhiệt độ đặt cà được điều khiển qua van hồi lưu. Mạch điều khiển này là mạch điều khiển tầng thực hiện chức năng điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp và lượng dầu hồi lưu. Hình 2.8: Điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp và lượng hồi lưu đỉnh. Điều khiển áp suất đỉnh tháp: giống như hình 2.3. Hoạt động của mạch như trong sơ đồ công nghệ 1. Điều khiển nhiệt độ đáy tháp: giống như trong hình 2.4. Hoạt động của mạch như trong sơ đồ công nghệ 1. Điều khiển mức chất lỏng tại đáy tháp: giống như hình 2.5. Hoạt động của mạch như trong sơ đồ công nghệ 1. Điều khiển mức chất lỏng trong thiết bị ngưng tụ; mức chất lỏng trong thiết bị ngưng tụ được đo bằng cảm biến đo mức và so sánh với điểm đặt, nếu mức này lớn hơn hay nhỏ hơn mức đặt thì mạch điều khiển sẽ điều khiển van xả bớt sản phẩm đỉnh mở hay đóng bớt lại.Sơ đồ của mạch điều khiển mức chất lỏng tại thiêt bị ngưng tụ giống như sơ đồ hình 2.5 nhưng cảm biến đo mức đặt ở thiết bị ngưng tụ và tín hiệu điều khiển của mạch tác độnh lên van xả sản phẩm đỉnh. Hình 2.9: Điều khiển mức chất lỏng trong bình ngưng. Hai sơ đồ công nghệ trên khác nhau chủ yếu là nguyên lý điều khiển lượng dầu hồi lưu đỉnh. ậ sơ đồ công nghệ 1, lượng dầu hồi lưu đỉnh được điều khiển thông qua phân tích thành phần của đầu vào, do đó có thể điều khiển lượng hồi lưu tuỳ thuộc vào loại dầu vào, với mỗi loại dầu vào khác nhau có thành phần khác nhau thì lượng hồi lưu cũng khác nhau và sản phẩm đỉnh có độ tinh khiết như nhau, tuy nhiên thiết bị phân tích thành phần lại phức tạp và giá thành cao. Đối với sơ đồ công nghệ 2 thì lượng dầu hồi lưu bằng một số % đặt trước so với lượng dầu vào, số % này không đổi với những loại dầu khác nhau có thành phần khác nhau, do đó độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh cũng khác nhau đối với từng loại dầu, bù lại thiết bị lại đơn giản và giá thành thấp. Đối với cột chưng cất sơ bộ, nhiệm vụ của nó là tách các phân đoạn nhẹ (nhiệt độ sôi 155oC) và dùng chúng cho quá trình chưng cất AD và VD tiếp theo, độ tinh khiết của các sản phẩm không đòi hỏi cao lắm nên để đảm bảo chỉ tiêu kinh tế, ta lựa chọn sơ đồ công nghệ 2. Việc thiết kế các bộ điều khiển trong sơ đồ công nghệ 2 sẽ được trình bày ở phần tiếp theo đồ án này. Chương 3. Cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế hệ thống điều khiển tháp chưng cất phân đoạn đơn. 3.1. Đặt vấn đề. Như chương 2 đã trình bày về các sơ đồ công nghệ, phân tích ưu nhược điểmcủa từng sơ đồ, ta đã chọn sơ đồ công nghệ 2 (hình 2.7). Để có thể thiết kế được các bộ điều khiển cho từng mạch điều khiển của sơ đồ, trước hết phải xác định được đối tượng của từng mạch điều khiển, hàm truyền của chúng để chọn bộ điều khiển phù hợp. Xác định đối tượng và mô hình của đối tượng. Đối với hệ thống điều khiển quá trình công nghệ, đối tượng điều khiển chính là quá trình công nghệ. Có nhiều phương pháp xác định hàm truyền của đối tượng nhưng đều quy về hai phương pháp: Phương pháp lý thuyết: Phương pháp lý thuyết hay còn gọi là phương pháp giải tích được áp dụng cho các đối tượng đơn giản, phương pháp này bao gồm các bước: Nghiên cứu các quá trình động học xảy ra trong đối tượng. Viết phương trình động học mô tả các quá trình đó. Xây dựng phương trình vi phân mô tả mối liên hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào. Phương pháp thực nghiệm: Đối với các đối tượng phức tạp, là đặc trưng của các đối tượng công nghiệp , việc xác định mô tả toán học của nó phải tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Đặc tính động học của các đối tượng này được biểu diễn dưới dạng các đặc tính thời gian. Cho tác động lên đầu vào của đối tượng như: hàm bậc thang, hàm xung, hàm điều hoà…và ghi lại phản ứng đầu ra của đối tưọng ta sẽ nhận được đặc tính thời gian hoặc đặc tính tần số của đối tượng, từ đó xây dựng được hàm truyền của đối tượng. Đối với hệ thống điều khiển tháp chưng cất phân đoạn đơn, việc xác định hàm truyền của đối tượng bằng phương pháp lý thuyết là không thể vì các quá trình vật lý xảy ra trong tháp rất phức tạp, do vậy ta có thể sử dụng phương pháp thực nghiệm. Vì điều kiện khách quan nên không trực tiếp tiến hành thức nghiêm mà sẽ sử dụng hàm truyền đã được xây dựng sẵn trong các tài liệu tham khảo của Mỹ. Trong sơ đồ công nghệ hình 2.7 có 5 mạch điều khiển, phải xác định đối tượng và hàm truyền của đối tượng đối với từng hệ thống điều khiển. Cụ thể như sau: Hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp và lưu lượng hồi lưu đỉnh. Từ sơ đồ công nghệ xây dựng được sơ đồ khối của hệ thống như sau: Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp. Đây là hệ thống điều khiển hai vào hai ra. Trong đó: SP to : Nhiệt độ đặt (155oC). Lưu lượng vào: Lưu lượng đầu vào được đo ở đường ống dẫn dầu vào. P %: % dầu hồi lưu so với dầu vào đặt trước (60% hay 0,6). Các hàm truyền: W11; W12; W21; W22. WĐK1: Bộ điều khiển lưu lượng hồi lưu được chọn là bộ PID. WĐK2: Bộ điều khiển nhiệt độ đỉnh được chọn là bộ PID. Hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp. Hệ thống này gồm có hai vòng điều khiển: Vòng trong là vòng điều khiển lưu lượng hồi lưu. Vòng ngoài là vòng điều khiển nhiệt độ. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp như sau: Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp. Trong đó: SP to: nhiệt độ đặt (240oC). WĐKT: bộ điều khiển nhiệt độ, chọn là bộ PI. WĐKF: bộ điều khiển lưu lượng hơi quá nhiệt, chọn là bộ PI. WĐTF: là một đối tượng lưu lượng, đối tượng của bộ điều khiển lưu lượng, gồm có van và đường ống dẫn hơi. Hàm truyền: WĐTF = . WĐTT: là một đối tượng nhiệt, gồm có buồng trao đổi nhiệt và khay cuối cùng của tháp. Hàm truyền: WĐTT = . Hệ thống điều khiển áp suất trong tháp. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển áp suất trong tháp có sơ đồ khối như hình 3.3. Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển áp suất trong tháp. Trong đó: WĐTP: Là đối tượng của hệ thống điều khiển áp suất, gồm có van, hệ thống các đường ống và bình ngưng. Bình ngưng là một đối tượng tích phân, hệ thống đường ống là một đối tượng bậc nhất có trễ. Hàm truyền của WĐTP là: WĐTP = . WĐKP: Là bộ điều khiển áp suất, vì đối tượng đã có một khâu tích phân, do đó chỉ nên chọn bộ điều khiển áp suất là bộ điều khiển P. Hệ thống điều khiển mức chất lỏng. Trong hệ thống điều khiển các thông số công nghệ của tháp chưng cất phân đoạn đơn có hai hệ thống điều khiển mức chất lỏng, do tính tương tự của hai hệ thống này nên chỉ thiết kế một trong hai hệ thống đó. Sau đây trình bày hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bình ngưng. Sơ đồ của hệ thống như hình 3.4. Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bình ngưng. Trong đó: WĐTL: là bình ngưng, đối tượng này là một đối tượng có thành phần tích phân, hàm truyền của bình ngưng là: WĐTL = . WĐKL: Bộ điều khiển mức chất lỏng trong bình ngưng, chọn bộ điều khiển P vì đối tượng của bộ điều khiển này đã có đặc tính tích phân. Hàm truyền của bộ điều khiển P là: WP = KP, với KP là hệ số khuyếch đại. Chỉnh định các tham số của bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID thức sự là bộ điều khiển động mà việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển có khả năng làm thay đổi đặc tính động và tĩnh của hệ thống điều khiển tự động. Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiển được mô tả bằng phương trình sau: Trong đó e(t) là tín hiệu vào, U(tăng trưởng) là tín hiệu ra của bộ điều khiển, kp là hệ số khuyếch đại của luật điều khiển tỉ lệ, Ti là hằng số thời gian tích phân, Td là hằng số thời gian vi phân. Hình 3.5. Biểu diễn dưới dạng hàm truyền đạt như sau: Dưới đây là các phương pháp xác định các tham số cho bộ điều khiển PID Phương pháp Reinisch. Phương pháp thiết kế thuật toán điều khiển của Reinisch dựa trên cơ sở toán học của đối tượng đã xác định một cách tường minh. Mô hình động học của đối tượng được đưa về hai dạng cở bản sau: Dạng nguyên hàm với mô hình đặc trưng: Dạng khâu động học có thành phần tích phân: Điều kiện hạn chế đối với cả hai dạng: Ti là một số thực thoả mãn T1³T2³…³Tn³0 và Ti là một số hữu hạn không âm. Nếu 0ÊbÊT3 thì bộ điều khiển thích hợp sẽ là P hoặc PI. Trong trường hợp 0ÊbÊT4 thì thường chọn bộ điều khiển PD hoặc PID. Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống cho đối tượng dạng 1 và đối tượng dang 2, Reinisch đề nghị đưa hàm truyền phải có của hệ thống hở về dạng gần đúng sau: với 2 trường hợp phân biệt c2=0 hoặc c2ạ0. Tham số T được tính bởi: 1 ớ KDTki cho đối tượng dạng 1 KiDT cho đối tượng dạng 2 (1) T Và c1 được xác định từ các tham số của đối tượng như sau: Tham số ki của bộ điều khiển PID sẽ được xác định từ T theo (1) và các tham số Td1=T1, Td2=T2. Điều khiển đối tượng dạng 1. Xác định tham số ki, Td1, Td2 của bộ điều khiển cho đối tượng dạng 1 theo thuật toán sau (phân biệt hai trường hợp của (1): c2=0 và c2ạ0). Nếu c2=0: Xác định: Tính: T = c1a. ị Tính: TĐ1=T1; TĐ2=T2. Nếu c2ạ0: Tính các giá trị trung gian c1=a1-b+T1; c1’=c1-T1; c1’’=c1-T1-T2; (3) c2=a2+(T1-b)(a1-b)+T12/2; c2’=c2-T1c1’; c2’’= c2-T1c1’-T2c1’’; (4) Tính hằng số g theo (3) và (4) tuỳ từng bộ điều khiển: + g=c2/c12 nếu bộ điều khiển được sử dụng là I. +g=c2’/c1’2 nếu bộ điều khiển được sử dụng là P hoặc PI. +g=c2”/c1’’2 nếu bộ điều khiển được sử dụng là PD hoặc PID. Tính a=a+cg với avà c xác định từ smax theo bảng smax(%) 0 5 10 15 20 30 40 50 60 a 0 1.9 1.4 1.1 0.83 0.51 0.31 0.18 0.11 c 0 0 1 1 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 Tính: T = c1a. ị Tính: TĐ1=T1; TĐ2=T2. Những điều kiện hạn chế đối với bộ điều khiển đối tượng dạng 1 như sau: Luật P: T/c1’a >10 và b<T3. Luật I: b<T2. Luật PI: b<T3. Luật PD: T/c1’a >10 và b<T4. Luật PID: b<T4. Điều khiển đối tượng dạng 2. Đối với đối tượng 2, Reinisch đề xuất sử dụng bộ điều khiển Pi hoặc PD (không có I). Công thức hàm truyền đạt của bộ điều khiển là: với 2 tham số cần xác định là kD và TD. Để xác định kD và TD ta sử dụng thuật toán sau: Tính a=a+cg với a và c xác định từ smax theo bảng. Xác định các giá trị trung gian c1, c1’, c1”, c2, c2’, c2” theo các công thức (2) và (3). Tính g theo các cách: 1) nếu bộ điều khiển được sử dụng là P. 2) nếu bộ điều khiển được sử dụng là PD. Tính: 1) cho bộ điều khiển P. 2) và TD=T1 cho bộ điều khiển PD. Những điều kiện hạn chế đối với bộ điều khiển đối tượng dạng 2: Luật P: b<T2. Luật PD: b<T3. Phương pháp thực nghiệm. Trong trường hợp không hề xây dựng mô hình cho đối tượng thì phương pháp thiết kế thích hợp là phương pháp thực nghiệm. Tuy nhiên, phương pháp thực nghiệm chỉ có thể tiến hành nếu hệ thống đảm bảo điều kiện là khi đưa trạng thía làm việc của hệ đến biên giới ổn định thì mọi giá trị của các tín hiệu trong hệ thống đều phải nằm trong giá trị cho phép. Phương pháp Ziegler-Nichols. Để chỉnh định tham số của bộ điều khiển PID, Ziegler và Nichols dưa ra hai phương pháp thực nghiệm như sau: Phương pháp thứ 1: Trong phương pháp này ta xem phản ứng đầu ra của đối tượng khi đầu vào là hàm 1(t). Nếu dường đặc tính của đối tượng có dạng chữ S như hình 3.6, khi đó ta xác định được hai thông số là thời gian trễ L và hằng số thời gian T. L và T được xác định bởi đường tiếp tuyến kẻ tại điểm uốn trên đồ thị đầu ra, cắt với trục thời gian và dường thẳng y(t)=K. Hình 3.6: Đặc tính của đối tượng. Phương trình hàm truyền được lấy xấp xỉ như sau: Các thông số Kp, Ti và Td trong bộ điều khiển PID chọn được như sau: Luật điều khiển Kp Ti Td P T/L Ơ 0 PI 0.9T/L T/0.3 0 PD 1.2T/L 2L 0.5L Từ đó phương trình sẽ là: Bộ điều khiển PID này sẽ có điểm cực nằm trên gốc toạ độ và điểm không là s=-1/L. Phương pháp thứ 2: Nếu không thể xác định các tham số Kp, Ti, TD cho bộ điều khiển PID theo phương pháp thứ nhất thì ta sử dụng phương pháp thứ hai được trình bày sau đây. Lắp đặt hệ thống theo sơ đồ hình 2.1. Thực nghiệm được tiến hành theo các bước: Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Điều khiển đối tượng theo luật P ( cho TDđ0 và TiđƠ). Tăng hệ số khuyếch đại kp của luật điều khiển P cho đến khi hệ thống ở biên giới ổn định. Xác định kpth và chu kỳ dao động tới hạn Tth. Chọn luật điều khiển và tính toán tham số từ kpth và Tth theo bảng sau: Luật điều khiển kp/kpth Tp/Tth TD/Tth Luật P 0.5 Luật PI 0.45 0.8 Luật PID 0.6 0.5 0.12 Phương pháp Jassen-Offerein. Phương pháp này được sử dụng trong trường hợp việc xác định chu kỳ dao động riêng gặp khó khăn và không đảm bảo độ chính xác nếu sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols. Thực nghiệm theo phương pháp Jassen-Offerein được tiến hành theo các bước: Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Điều khiển đối tượng theo luật P (cho TDđ0 và TIđƠ). Xác định hệ số kpth. Chọn tham số cho luật PI. Cho hệ làm việc với luật PI và với hệ số kp=0.45kpth, TI tuỳ chọn. Giảm hằng số thời gian tích phân TIcho đến khi hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Xác định hằng số thời gian tích phân TIth ở chế độ này. Chọn TI=3TIth. Chọn luật điều khiển PID. Cho hệ thống làm việc theo luật PID với kP=kpth-x (x đủ nhỏ), TD và TI tuỳ chọn. Tăng hằng số thời gian vi phân cho đến khi hệ thống đạt được độ quá điều chỉnh cực đại lớn nhất smaxđmax. Xác định TDmax. Chọn TD=1/3TDmax và TI=4,5TD. Giảm kP cho đến khi hệ thống đạt được đặc tính động học mong muốn. Điều khiển Cascade (điều khiển tầng). `Hệ thống điều khiển CASCADE là hệ thống điều khiển tầng, nghĩa là hệ thống bao gồm nhiều mạch vòng điều chỉnh nối cấp. Xét một hệ thống có cấu trúc như hình: Hệ thống có n thông số X có bộ điều chỉnh R(p) của n đối tượng S(p) và trên hệ thống có n nhiễu loạn chính p1,p2,….,pn. Từ sơ đồ thì tín hiệu ra của bộ điều chỉnh Ri là tín hiệu điều khiển của mạch vòng điều chỉnh cấp i – 1. Các đại lượng điều chỉnh x1,…,xn tương ứng với các giá trị đặt x1d,…,xnd. Số lượng bộ điều chỉnh đúng bằng số đại lượng điều chỉnh. Cho đến nay, phương pháp chung tổng hợp các bộ điều chỉnh trong cấu trúc nối cấp chưa thật hoàn thiện, chủ yếu là chọn thông số tối ưu cho các bộ điều chỉnh. Đối với hệ thống trên ta giả thiết các mạch điều chỉnh của mỗi đại lượng trong một phần có các hằng số thời gian lớn. Trong trường hợp chung hàm truyền của đối tượng có dạng: Trong đó: TD là hằng số thời gian của khâu trễ, trong hàm truyền có thể chứa các khâu bậc hai. Việc tổng hợp các bộ điều chỉnh sẽ được tiến hành sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian tương đối lớn Tk, bằng cách đó ta đã làm giảm cấp cho mạch hở, các khâu có hằng số thời gian tương đối nhỏ Ts sẽ không được bù. Ưu điểm của cấu trúc nối cấp các bộ điều chỉnh là mỗi gái trị của lượng đặt Xdi được hạn chế bởi đoạn bão hoà của đặc tính của bộ điều chỉnh Ri+1, giá trị hạn chế này có thể là hằng số hoặc là thay đổi được. Mỗi một vòng điều chỉnh có một bộ điều chỉnh và hệ thống được điều chỉnh bao gồm đối tượng điều chỉnh S0 và mạch vòng phụ, VD: F02(p)=S02(p)F1(p) F0i(p)=S0i(p)F1-1(p) Việc tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện theo tổng mạch vòng, từ mạch vòng đầu tiên đén mạch vòng thứ n.Thường sử dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu để tổng hợp thông số điều chỉnh cho các mạch vòng. Sử dụng tiêu chuẩn tối ưu modul. Đối với một hệ thống kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì modul của các đặc tính tần số – biên độ phải tiến đến không. Vì thế đối với dải tần thấp, hàm tr1uyền phải đạt được điều kiện: Hình 3.8. Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn modul tối ưu là hàm có dạng: (1) Tiêu chuẩn modul tối ưu hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng tần số thấp và trung bình và không đảm bảo trước được tính ổn định của hệ thống. Do đó sau khi ứng dụng tiêu chuẩn modul tối ưu cần phải kiểm tra sự ổn định của hệ. Trưòng hợp hệ hữu sai có hàm truyền. Trong đó T2>T1 Hình 3.9. Để hệ kín có hàm truyền F(p)=FMC(p) thì: Nếu chọn bộ điều chỉnh kiểu PI : Thì ta chỉ bù được hằng số thời gian lớn : 1+Tp=1+T2p. Hàm truyền hệ hở bây giờ sẽ là: Hàm truyền kín là: Để F(p)=FMC(p) thì KT0=2T1K1 Có nghĩa là nếu hệ thống như (*) thì theo tiêu chuẩn modul tối ưu và nếu bộ điều chỉnh có cấu trúc PI thì hàm truyền của nó sẽ có dạng: Quá trình quá độ của hệ sẽ có các thông số đặc trưng như hình vẽ: Hình 3.10. Trường hợp hệ có hàm truyền. Trong đó: Ts toàn là các hằng số thời gian nhỏ, theo như trên ta tìm được bộ điều chỉnh có cấu trúc tích phân. Trong đó: Nếu hàm truyền của hệ có dạng. Tức là hàm truyền có dạng là tích của hàm truyền của hai trường hợp trên, ta có hệ điều chỉnh PID. Nếu hàm truyền của hệ có dạng. thì có hệ điều chỉnh tỉ lệ Nếu có hàm truyền dạng. Tuỳ thuộc vào hàm S0(p) của hệ hở (đối tượng) mà bằng các bộ điều chỉnh R(p) ta được hệ có hàm truyền dạng (1). Trong các trường hợp trên, giá trị hằng số Ts là nhỏ, nên gần đúng có thể coi hệ kết quả có hàm truyền dạng quán tính: Quá trình quá độ ứng với hàm quán tính gần đúng này là đường nét đứt trên hình vẽ trên. Sử dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thường áp dụng để tổng hợp các bộ điều chỉnh trong mạch có yêu cầu vô sai cấp cao, nó cũng được áp dụng có hiệu quả để tổng hợp các bộ điều chỉnh theo quan điểm nhiễu loạn. Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng: đặc tính quá độ như đường 1 trên hình vẽ: Hình 3.11. Xét hệ thống S0(p) có dạng vô sai cấp 1 nhưng lại dùng bộ điều chỉnh PI: Trong đó: Ts có thể là tổng của các hằng số thời gian nhỏ áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta tìm được các hệ số: ; T0=4Ts. Khi này hàm truyền của hệ sẽ là: Là hàm truyền dạng tối ưu đối xứng (2) với ts = Ts. Trong trường hợp hàm truyền của đối tượng có chứa khâu quán tính bậc hai với hằng số thời gian lớnT2. áp dụng cách tìm bộ điều chỉnh R(p) với hàm chuẩn là tối ưu đối xứng ta tìm được bộ điều chỉnh có dạng PID. Tương tự nếu đối tượng có dạng vô sai cấp 2 thì dễ dàng tìm được bộ điều chỉnh là khâu tỉ lệ. Trong trường hợp đối tượng là hệ hữu sai có khâu quán tính lớn T1>Ts thì có thể làm gần đúng để đưa về dạng (3). Vì ở vùng tần số trung bình nên làm như vậy mà không phạm sai số lớn. Độ quá điều chỉnh của đặc tính quá độ là lớn (43%). Vì vậy thường thêm một khâu quán tính với hằng số thời gian là 4Ts. Đặc tính quá độ có dạng hình vẽ với độ quá điều chỉnh là 8,1%. Hình 3.12. Hàm truyền của mạch điều chỉnh sẽ là: Chương 4 Thiết kế các hệ thống điều khiển các tham số công nghệ 4.1. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp. Hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp có nhiệm vụ điều khiển đồng thời cả lưu lượng dầu hồi lưu và nhiệt độ đỉnh tháp. Lưu lượng dầu hồi lưu đối với cột tách sơ bộ được khống chế ở một giá trị bằng 60% của lưu lượng dầu vào, nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế ở nhiệt độ 1550C. Cả lưu lượng dầu hồi lưu và nhiệt độ đỉnh tháp đều được điều khiển bằng cách thay đổi % độ mở của van hồi lưu, sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp như sau: Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp Các hàm truyền : Thiết kế các bộ điều khiển WĐK1, WĐK2 là các bộ PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols, công cụ MATLAB và Simulink. Theo tinh thần của phương pháp Ziegler-Nichols, tìm hệ số khuyếch đại Kgh để hệ thống kín ở biên giới ổn định và chu kỳ dao động giới hạn khi hệ thống ở biên giới ổn định. Trên cửa sổ MATLAB, sử dụng các dòng lệnh: ằ [ts11,ms11]=pade(2,3); ằ W11=tf(0.9,[70 1])*tf(ts11,ms11); ằ W11 Transfer function: -0.9 s^3 + 5.4 s^2 - 13.5 s + 13.5 ----------------------------------------- 70 s^4 + 421 s^3 + 1056 s^2 + 1065 s + 15 ằ [ts12,ms12]=pade(2,3); ằ W12=tf(0.2,[60 1])*tf(ts12,ms12); ằ W12 Transfer function: -0.2 s^3 + 1.2 s^2 - 3 s + 3 --------------------------------------- 60 s^4 + 361 s^3 + 906 s^2 + 915 s + 15 ằ [ts21,ms21]=pade(1,3); ằ W21=tf(1.2,[30 1])*tf(ts21,ms21); ằ W21 Transfer function: -1.2 s^3 + 14.4 s^2 - 72 s + 144 ------------------------------------------ 30 s^4 + 361 s^3 + 1812 s^2 + 3660 s + 120 ằ W22=tf(1.0,[20 1]); ằ W22 Transfer function: 1 -------- 20 s + 1 ằ W=tf({[-0.9 5.4 -13.5 1