Đề tài Xây dựng giao diện và mô hình hóa mô phỏng hệ điều khiển khói gió nhà máy nhiệt điện Na Dương

anufacturing Execution System) thông qua hệ quản lý thông tin của MES. Cấp chấp hành – cảm biến Cấp chấp hành cảm biến bao gồm các bộ phần vào/ra ghép nối với các sensor, các cơ cấu chấp hành, cấp này có chức năng kết nối với các tín hiệu vào/ra, xử lý sơ bộ trước khi chuyển lên cấp điều khiển. Cấp chấp hành – cảm biến bao gồm các sensor đo lường, các PLC hoặc các máy tính công nghiệp điều khiển máy sản xuất hoặc công đoạn sản xuất độc lập. Cấp chấp hành bao gồm các giao diện sau: Giao diện kết nối trực tiếp với các tín hiệu vào ra tương tự như: áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, … và các tín hiệu vào ra số, như các tín hiệu rơ-le, các tín hiệu liên động, … Giao diện bus trường: cho phép cấp trao đổi tín hiệu trực tiếp với các bộ điều khiển trên một đường truyền thông số duy nhất. Giao diện kết nối với PLC: PLC có thể được nối vào hệ DCS thông qua các card truyền thông. Các PLC được nối vào hệ DCS được gọi là các Subsystem. Cấp điều khiển Cấp điều khiển bao gồm các bộ điều khiển FCS, là nơi thực hiện các chức năng điều khiển của một nhà máy. Cấp điều khiển cũng cung cấp các chức năng truyền thông, cho phép giao tiếp với cả cấp chấp hành - cảm biến và cấp vận hành – giám sát chỉ huy. Tín hiệu đo được từ cấp chấp hành – cảm biến sau khi được xử lý sẽ được truyền lên cấp điều khiển. Cấp điều khiển thực hiện các thuật toán điều khiển, sau đó truyền tín hiệu về các cơ cấu chấp hành thuộc cấp chấp hành – cảm biến. Cấp điều khiển cũng có thể giao tiếp với các cấp điều khiển khác và giao tiếp với cấp giám sát – chỉ huy. Cấp vận hành – giám sát chỉ huy Cấp vận hành, giám sát, chỉ huy bao gồm các trạm vận hành HIS (Human Interface System). Cấp này cung cấp các giao diện vận hành cho người vận hành, cho phép điều khiển, thay đổi các thông số của các cấp dưới. Các đồ họa được xây dựng trực quan, sát với quá trình công nghệ, thuận lợi cho quá trình điều khiển. Cấp quản lý thông tin Hệ thống quản lý thông tin là một phần trong cấp điều hành và quản lý sản xuất. Hệ thống này bao gồm các OPC, các OPC này thực hiện các chức năng OPC Data Access: Cho phép trao đổi dữ dữ liệu thời gian thực từ DCS, các bộ điều khiển và các trạm PLC OPC Alarms & Events: Cho phép thực hiện các thông báo, các cảnh báo và các báo động. OPC Batch: Các quá trình ứng dụng cụ thể có tính chất mẻ. OPC Data eXchange: Cho phép trao đổi giữa các máy chủ với nhau, chức năng này cho phép trao đổi thông tin giữa các máy chủ của các hãng khác nhau. Chức năng này cũng mở ra khả năng điều khiển, quản lý hệ thống từ xa. Data Historical Data Acces: Chức năng này cho phép truy cập dữ liệu của nhà máy đã được lưu trữ từ trước. OPC Security: Chức năng này cho phép phân quyền giữa các máy trạm khi truy cập vào máy chủ OPC. Chức năng này cần rất quan trọng trong việc bảo mật dữ liệu nhà máy, đảm bảo dữ liệu được sử dụng đúng mục đích. Chức năng của hệ DCS Chức năng của DCS được chia làm hai chức năng chính là chức năng điều khiển và chức năng giám sát. Chức năng điều khiển Chức năng điều khiển là chức năng chính của hệ DCS, chức năng điều khiển được thực hiện tại các bộ điều khiển đặt tại các phòng điều khiển trung tâm hoặc tại các trạm điều khiển. Chức năng điều khiển có thể chia thành hai: một là chức năng điều khiển cơ bản, thực hiện các thuật toán điều chỉnh tự động, điều khiển tuần tự, điều khiển liên động hay các thuật toán điều chỉnh phức tạp khác, hai là chức năng truyền thông, trao đổi thông tin với các hệ thống phụ Subsystem. Chức năng vận hành và giám sát hệ thống DCS cho phép biểu diễn toàn bộ các quá trình công nghệ của nhà máy cùng với các thông số thời gian thực trên các giao diện vận hành và giám sát. DCS cũng cho phép biểu diễn các biến trên đồ thị Trend theo biến thời gian. Ngoài ra còn các chức năng về cảnh báo nguy cơ, báo lỗi, báo động. HỆ THỐNG DCS CS 3000 CỦA YOKOGAWA Hệ DCS Centum CS 3000 của Yokogawa được cấu trúc như sau: Cấp quản lý nhà máy Cấp quản lý nhà máy thực hiện quản lý giám sát toàn bộ nhà máy, được thực hiện bởi các máy tính sau: Supervisors PC Thực hiện giám sát chung Historian Là các máy tính có dung lượng lớn dùng để lưu trữ các thông tin vận hành của nhà máy. Dữ liệu của Historian được cập nhật từ các FCS thông qua các máy chủ OPC. Thông thường các máy Historian sử dụng các phần mềm quản lý dữ liệu PI (Plant Information: thông tin nhà máy). OPC Server Là các máy chủ sử dụng chuẩn OPC (OLE for Process Control). Hoạt động của các OPC Server cho phép các chương trình ứng dụng chạy trên các máy chủ các HIS hoặc các FCS truy cập nhiều loại dữ liệu khác nhau. Khi truy cập dữ liệu theo chuẩn OPC, các chương trình yêu cầu dữ liệu gọi là các OPC Client (OPC khách hàng), các chương trình cung cấp dữ liệu gọi là các OPC server (OPC chủ). Thông qua OPC interface, có thể từ một HIS truy cập đến dữ liệu ở các FCS hoặc tại các HIS khác, đồng thời cũng có thể gửi các thông báo khi xảy ra một trạng thái báo động ở FCS nào đó. Hình 2.6: Trạm giám sát, vận hành HIS Hệ thống máy chủ OPC bao gồm các loại máy chủ sau: Data Access server (DA server): Đọc (thu thập), ghi (cài đặt) các thông số điều khiển hiện thời sử dụng ID của thông tin. Alarm and Event Server (A&E server): Gửi các thông báo, báo động khi xảy ra sự kiện nào đó tại các khu vực điều khiển. EWS (Engineering WorkStation) Trạm thực hiện các công việc kĩ thuật như: Phân quyền cho các trạm Lập chương trình, sửa đổi chương trình cho các trạm điều khiển khu vực FCS. Lưu trữ và phục hồi Cấp giám sát - chỉ huy Cấp giám sát – chỉ huy được thực hiện bởi các trạm giao diện người máy HIS (Human Interface System). Các trạm HIS là các máy tính công nghiệp, có hệ thống màn hình kép, bàn phím thiết kế riêng cho cho điều khiển. Trên các HIS có thể cài các hệ điều hành Windows NT hoặc Windows 2000 Server, trên nền hệ điều hành đó cài phần mềm Centum CS 3000 của YOKOGAWA. Trên các màn hình của HIS có các giao diện đồ họa mô tả quá trình công nghệ. HIS hiển thị tất cả các biến quá trình, các thông số điều khiển và các báo động trên các giao diện đồ họa tại các vị trí tương ứng như trong thực tế. Thông qua hoạt động của trạm HIS ta sẽ nhanh chóng biết được trạng thái hoạt động của nhà máy, thông qua giao diện trên HIS ta cũng có thể tiến hành các thao tác điều khiển như: chỉnh định thông số của các bộ điều khiển, chuyển đổi chế độ hoạt động của các bộ điều khiển (Auto/Manual/Cascade), hay can thiệp vào hoạt động của các cơ cấu chấp hành. Trạm HIS cũng cung cấp các giao diện mở, nhờ đó các máy tính giám sát có thể truy cập các dữ liệu dạng đồ thị Trend, các thông báo, và các dữ liệu khác của quá trình. Cấp điều khiển Toàn bộ các chức năng điều khiển của hệ DCS được thực hiện ở các FCS. FCS là các hệ điều khiển được thiết kế để thực hiện các chức năng hiệu chỉnh hoặc điều khiển tuần tự. Về cấu tạo, FCS bao gồm các card và các khối chức năng sau: Card chuyển đổi: Biến đổi tín hiệu từ các thiết bị trường về tín hiệu mà FCS có thể xử lý được Processor Card (Hay FCU: Field Control Unit) thực hiện các tính toán điều khiển Các khối nguồn Hệ thống BUS: ESB bus (Extended Serial Backboard bus) là bus thực hiện truyền thông giữa các nút được đặt trong cùng hộp với FCU. Các bus này có thể là bus đơn hoặc kép tùy thuộc ứng dụng, chiều dài tối đa của bus này là 10m. ER bus (Enhanced Remote bus) thực hiện giao tiếp với các nút đặt xa FCU, khi sử dụng ER bus, các nut có thể đặt trong cùng hộp vời FCU, hoặc cũng có thể đặt tại trạm xa vị trí FCU. Độ dài tối đa của bus này là 185m, 500m tùy thuộc vào loại cable sử dụng, nếu sử dụng bộ lặp quang, độ dài của bus có thể lên tới 2km. Hình 2.7: Cấu trúc mạng kết nối FCS với thiết bị trường Hệ thống mạng của CS 3000 Do yêu cầu về tốc độ và dung lượng truyền khác nhau nên mỗi cấp trong sơ đồ phân cấp chức năng có yêu cầu khác nhau về mạng truyền thông. Càng ở các cấp cao yêu cầu về tính thời gian thực càng giảm, yêu cầu về dung lượng càng lớn. Ngược lại, ở các cấp thấp yêu cầu về tính thời gian thực cao trong khi yêu cầu về dung lượng truyền thấp. Vì vậy, hệ thống truyền thông trong DCS được thực hiện bởi 2 hệ thống mạng: Mạng Ethernet với giao thức TCP/IP và mạng Vnet với cấu trúc bus, giao thức Token passing. Mạng Ethernet: Là hệ thống mạng thực hiện truyền thông giữa các thiết bị của cấp giám sát và cấp giao diện vận hành. Các hệ thống điều khiển PLC cũng được nối với hệ thống DCS thông qua mạng Ethernet sử dụng cáp đồng trục hoặc cáp quang. Mạng Vnet: Được sử dụng để kết nối giữa các trạm điều khiển FCS với nhau và giữa các FCS với các trạm giao diện vận hành HIS. Hình 2.8: Cấu trúc hệ thống CS 3000 Exaquantum Database Server Exaquantum Clients LAN V net OPC Server KFCS PFCD FIO Nodes APCS CS3000HIS HIS/ENG Ethernet I/O Serial Ethernet Hardwired PRM Server PRM Clients PRM EWS ProSafe-PLC MULCOM M-NET IO-BUS Remote I/O Remote Monitoring Exa packages CS Batch Advanced Operation CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Điều khiển quá trình Quá trình được định nghĩa là một trình tự các biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc, môi trường. Trạng thái của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình bao gồm: Đại lượng cần điều khiển (Controlled variable – CV): Là biến ra, thể hiện trạng thái của quá trình, đại lượng cần điều khiển quyết định tới sự vận hành an toàn, ổn định hoặc chất lượng sản phẩm, cần được duy trì tại một giá trị đặt, hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo. Đại lượng điều khiển (control variable, manipulated variable – MV): là biến vào, can thiệp được theo ý muốn, đại lượng điều khiển là giá trị tác động vào quá trình để thay đổi đại lượng cần điều khiển. Đại lượng nhiễu bao gồm: nhiễu quá trình, nhiễu đo, nhiễu tạp. Nhiễu quá trình là nhiễu đầu vào (sự biến thiên của các thông số đầu vào), nhiễu tải (thay đổi theo các yêu cầu sử dụng) và nhiễu ngoại sinh (nhiễu của các yếu tố môi trường ảnh hưởng lên quá trình). Xét hệ thống làm mát dầu sử dụng hơi Cấu tạo: Hệ thống gồm một bình chứa dầu nhận dầu từ 2 nguồn: dầu nóng (thường xuyên), dầu ấm (không thường xuyên). Bình chứa được bao quanh bởi hệ thống ống nước làm mát. Nhiệm vụ của bộ điều khiển là duy trì nhiệt độ của dầu ra khỏi bình chứa. Hoạt động: Hệ điều khiển đo nhiệt độ của dầu ra khỏi bình, dựa vào giá trị đó để điều chỉnh lưu lượng nước làm mát cấp vào hệ thống. Trong hệ thống này: Đại lượng cần điều khiển (CV) là nhiệt độ của dầu ra khỏi bình, đại lượng điều khiển (MV) là lưu lượng nước làm mát cấp vào hệ thống. Đại lượng nhiễu là lưu lượng dầu ấm cấp vào bình. Các đặc trưng của quá trình Thời gian trễ vận chuyển – Dead Time Thời gian trễ vận chuyển là một đặc tính của một hệ vật lý, đặc tính này làm tín hiệu ra của hệ chậm so với tín hiệu vào một khoảng thời gian. Thời gian trễ vận chuyển xảy ra khi trong hệ có sự vận chuyển vật chất hoặc năng lượng. Thời gian trễ không phụ thuộc vào tín hiệu tác động, chỉ phụ thuộc vào đặc tính vật lý của hệ là quãng đường vận chuyển và tốc độ vận chuyển. Xét về góc độ điều khiển, thời gian trễ vận chuyển không làm thay đổi hệ số khuyếch đại của quá trình mà làm dịch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào. Xét hệ thống cấp than vào buồng đốt trong nhà máy nhiệt điện: Hệ thống gồm một xilô chứa than, một băng tải vận chuyển than đến các vít cấp than và hệ thống cân định lượng đặt ở cuối băng tải. Lượng than cấp vào lò được điều chỉnh bởi tốc độ của van quay đặt dưới xilô. Hiện tượng trễ vận chuyển có thể nhận thấy khi hệ thống điều khiển nhà máy ra quyết định tăng lượng than cấp vào lò. Tuy nhiên, sau một thời gian nhất định hệ thống cân định lượng mới nhận biết được có sự thay đổi đó. Hình 3.2: Đồ thị mô tả thời gian trễ vận chuyển Hình 3.3: Quá trình xảy ra thời gian trễ vận chuyển Yếu tố dung tích – Capacity Yếu tố dung tích là đặc điểm của một hệ vật lý có khả năng tích trữ vật chất, năng lượng. Yếu tố dung tích xuất hiện dưới rất nhiều hình thức: đối với hệ thống điều khiển có đối tượng là chất lỏng, yếu tố dung tích thể hiện ở các bình chứa; khi đối tượng là các phần tử điện, yếu tố dung tích thể hiện ở các tụ điện; đối với các hệ cơ khí, yếu tố dung tích thể hiện ở yếu tố quán tính. Hình 3.4: Hệ có yếu tố dung tích Xét một bình chứa nước có lưu lượng nước chảy vào được điều chỉnh bằng van tay, nước trong bình được bơm ra ngoài nhờ một bơm có tốc độ không đổi. Do đó, lưu lượng nước vào bình có thể thay đổi được, lưu lượng nước ra khỏi bình luôn luôn không đổi. Giả sử tại thời điểm nào đó bình đang ở trạng thái ổn định, sau đó ta điều chỉnh độ mở của van một lượng, mức nước trong bình sẽ tăng lên cho đến khi tràn bình hoặc có thể cạn hết nước. Hình 3.5: Đáp ứng của hệ có yếu tố dung tích Đặc tính tự điều chỉnh – Self regulation Khả năng tự điều chỉnh là đặc tính tự ổn định của hệ. Khi tín hiệu vào thay đổi tín hiệu ra cũng sẽ thay đổi nhưng sẽ ổn định ở mức mới. Khi bỏ bơm ở ví dụ về yếu tố dung tích, để nước tự chảy, ta sẽ được hệ có đặc tính tự điều chỉnh. Về mặt điều khiển, quá trình có đặc tính tự điều chỉnh có hàm truyền là khâu trễ bậc một (First order lag). Hình 3.6: Đáp ứng của hệ tự điều chỉnh (Self-regulation) Phương pháp nhận dạng đối tượng Nhận dạng hệ thống hay mô hình hóa thực nghiệm là phương pháp xây dựng mô hình toán học của hệ thống trên cơ sở các số liệu vào ra thực tế. Mô hình toán học đó phải biểu diễn được các đặc tính động và đặc tính quá độ của hệ thống từ đáp ứng của nó với một tính hiệu đầu vào xác định (Ví dụ: hàm bậc thang, tín hiệu xung, …) Các phương pháp nhận dạng đối tượng Phương pháp đường cong đáp ứng Phương pháp được thực hiện trực tiếp trên đồ thị đáp ứng quá độ của đối tượng. Phương pháp này được áp dụng cho các quá trình có đáp ứng dạng chữ S (Các khâu quán tính có trễ). Hoặc có đường cong tốc độ đáp ứng bậc thang hình chữ S (Các khâu quán tính có chứa thành phần tích phân). Có thể thấy phương pháp này áp dụng cho hầu hết các quá trình trong sản xuất công nghiệp, như: đáp ứng về nhiệt độ, đáp ứng về mức, đáp ứng về áp suất,… Ưu điểm của phương pháp là trực quan, đơn giản trong quá trình thực hiện với các công cụ đồ họa trên máy vi tính. Nhược điểm của phương pháp là ở mức độ chính xác của mô hình thu được bởi : Phương pháp thường sử dụng các mô hình đơn giản có bậc thấp để xấp xỉ và không giải quyết được vấn đề nhiễu. Nước làm mát Vận tốc nước Đo nhiệt độ Nước nóng (Ra) Hình 3.7: Quá trình đun nước Ví dụ về quá trình điều khiển nhiệt độ của nước Nhiệt độ Thời gian Hình 3.8: Đáp ứng quá trình đun nước Đặc tính của quá trình thu được như sau: Phương pháp dựa trên đáp ứng tần số Phương pháp này phục vụ cho các phương pháp điều khiển trực tiếp trên miền tần số, ước lượng gián tiếp mô hình liên tục từ các số liệu thực nghiệm. Đặc tính đáp ứng tần số của quá trình được xác định tại những tần số quan tâm, thông qua việc thực nghiệm trực tiếp với tín hiệu kích thích hình sin hoặc các tín hiệu phù hợp khác. Phương pháp này trong thực tế ít khi được sử dụng. Phương pháp bình phương tối thiểu Phương pháp được áp dụng cho các quá trình phức tạp, những quá trình đòi hỏi cao về mặt chất lượng điều khiển. Thực chất, bài toán nhận dạng được đưa về bài toán tối ưu với hàm mục tiêu cần cực tiểu hóa là tổng bình phương sai lệch giữa các số liệu thực tế quan sát được và các giá trị tính toán ước lượng (Với một hệ số trọng lượng nào đó). Ưu điểm của phương pháp là độ chính xác của mô hình thu được so với đối tượng thực. Phương pháp áp dụng được cho cả hệ tuyến tính, phi tuyến, điều khiển trên miền thời gian và miền tần số. Nhược điểm của phương pháp là cần phải biết trước về bậc của mô hình (Bao gồm cả bậc tử số và mẫu số), khối lượng tính toán của phương pháp lớn, sử dụng thuật toán phức tạp, … Do mục đích của đồ án và đặc điểm của quá trình công nghệ trong nhà máy hầu hết là dao động nhanh tắt dần, có thể xấp xỉ được với mô hình có đáp ứng dạng chữ S, nên đồ án lựa chọn phương án nhận dạng đối tượng là phương pháp đường cong đáp ứng. Phương pháp đường cong đáp ứng Hầu hết các quá trình cần điều khiển trong nhà máy điều có đặc tính dạng chữ S, mô hình sử đáp ứng tốt nhất cho các quá trình này là các mô hình bậc cao. Tuy nhiên, các mô hình bậc cao sẽ gây khó khăn trong việc thiết kế hệ thống điều khiển, do đó, để đơn giản hóa ta sẽ xấp xỉ các quá trình với một khâu quán tính bậc nhất có trễ. Mô hình của một khâu quán tính bậc nhất có trễ có hàm truyền như sau: Trong đó: k – Hệ số khuyếch đại của đối tượng Ti – Hằng số thời gian q – Thời gian trễ Do vậy, bài toán nhận dạng đối tượng ở đây là xác định các hệ số k, Ti, q ở trên cho các quá trình của nhà máy. Các phương pháp để xác định các hệ số của mô hình quá trình bao gồm Phương pháp kẻ tiếp tuyến. Phương pháp hai điểm quy chiếu. Phương pháp diện tích. Ở đây, ta chọn phương pháp kẻ tiếp tuyến Phương pháp được thực hiện như sau: Trước hết, kẻ đường tiệm cận với đường cong tại trạng thái xác lập sẽ giúp tìm hệ số k. Tiếp theo, kẻ tiếp tuyến tại điểm mà đường cong có độ dốc lớn nhất (Là điểm xuất phát lên đối với khâu trễ bậc nhất), giao điểm của tiếp tuyến này với trục cho ta thời gian trễ q. Và cuối cùng, xác định điểm trên đường cong tương ứng với giá trị 0,632 , cho ta giá trị trên trục hoàn là Ti + q. SÁCH LƯỢC ĐIỀU CHỈNH Khái niệm về sách lược điều chỉnh Sách lược điều chỉnh hay cấu trúc điều khiển là nguyên tắc sử dụng các đại lượng liên quan đến quá trình để đưa ra tác động điều khiển. Như vậy, cấu trúc điều khiển thể hiện quan hệ về mặt cấu trúc giữa giá trị đặt (SV-Setpoint variable), biến đo (PV - Process Variable)và biến điều khiển (MV - Manipulated variable) thông qua bộ điều khiển và các phần tử khác của hệ thống (Như bộ lựa chọn, trễ, tính toán, …) Điều khiển phản hồi – Feedback Khái niệm điều khiển phản hồi Điều khiển phản hồi (Feedback control) dựa trên nguyên tắc liên tục đo (quan sát) giá trị biến được điều khiển (CV), hồi tiếp thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển. Điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín (Closed – loop control). Trong các sách lược điều chỉnh điều khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng, có mặt trong hầu hết các vòng điều khiển của hệ thống điều khiển tự động. Vai trò của điều khiển phản hồi Ổn định hệ kín: Một quá trình không ổn định chỉ có thể ổn định được bằng cách sử dụng điều khiển phản hồi. Sử dụng điều khiển phản hồi sẽ dịch các điểm cực sang trục ảo của mặt phẳng phức. Loại bỏ nhiễu bất định: Bộ điều khiển phản hồi có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển càng lớn, ảnh hưởng của nhiễu tới chất lượng điều khiển của hệ càng nhỏ. Triệt tiêu sai lệch tĩnh: Khi mô hình đối tượng không chính xác, việc loại bỏ sai lệch tĩnh chỉ có thể thực hiện được bằng cách quan sát tín hiệu ra. Nhược điểm của điều khiển phản hồi Điều khiển phản hồi yêu cầu bổ xung hệ thống đo lường phức tạp, chính xác. Với một số quá trình có tác động ngược hoặc có trễ, nếu không thiết kế cẩn thận bộ điều khiển phản hồi có thể làm đặc tính đáp ứng xấu hơn. Đặc điểm đặc trưng của bộ điều khiển phản hồi có đáp ứng chậm với nhiễu tải và sự thay đổi của giá trị đặt. Ví dụ về ứng dụng điều khiển phản hồi Xét hệ gồm một bình chứa nước, lưu lượng nước cấp vào bình được điều chỉnh bằng độ mở van, lưu lượng nước lấy từ bình tùy thuộc vào tải phía sau, không xác định trước. Để điều chỉnh duy trì mức nước trong bình ta thiết lập cấu trúc điều khiển phản hồi như gồm: Thiết bị đo mức nước trong bình (LT: Level Transmitter), bộ điều khiển LC (Level Control). Hoạt động điều chỉnh của hệ như sau: Giả sử yêu cầu lấy nước từ bình tăng lên, mức nước trong bình giảm đi. Thiết bị đo LT đo được mức nước giảm, gửi về bộ điều khiển LC, bộ điều khiển LC phát hiện ra sai lệch của mức nước trong bình so với giá trị đặt, đưa ra tín hiệu điều khiển mở rộng valve cấp nước vào bình. Điều khiển truyền thẳng – Feedforward Nguyên lý của điều khiển Feedforward là nhận biết nhiễu ảnh hưởng tới quá trình. Bộ điều khiển sẽ tính toán biến điều khiển để hạn chế tác động của nhiễu nếu nhận dạng được hàm tác động của nhiễu lên quá trình. Hình 3.11: Điều khiển FeedForward – Cấu trúc song song Hình 3.12: Điều khiển FeedForward – Cấu trúc nối tiếp Giả sử có thể đo được nhiễu r, mô hình đối tượng có thể xác định được Gd. Tín hiệu điều khiển: MV = Kr.(SV – Gd.r) (1) Hệ duy trì được CV khi CV = SV MV.G + Gd.r = MV (2) Hình 3.13: Điều khiển bộ hâm dầu sử dụng hơi - Cấu trúc Feedforward Kết hợp (1) và (2), ta được: Kr = Ưu điểm của điều khiển Feedforward Thực hiện đơn giản. Tác động nhanh, hệ bù nhiễu kịp thời trước khi nhiễu ảnh hưởng đến đối tượng. Nhược điểm của điều khiển Feedforward Hình 3.14: Cấu trúc Feedforward kết hợp điều khiển phản hồi Phải xác định được nguồn nhiễu, phải đo được chính xác nguồn nhiễu. Trong trường hợp nhận dạng sai mô hình đối tượng và mô hình nhiễu sẽ dẫn đến sai số. Không có khả năng ổn định những hệ không ổn định. Ví dụ về điều khiển Feedforward Trong hệ thống hâm dầu sử dụng hơi nhiệt độ của dầu ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi được điều chỉnh bằng van. Biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu ra khỏi hệ thống, giá trị điều khiển là độ mở van hơi, nhiễu là lưu lượng dầu đi vào hệ thống. Khi sử dụng cấu trúc điều khiển Feedforward, ta không đo nhiệt độ của dầu ra khỏi hệ thống để điều khiển mà đo lưu lượng dầu đi vào hệ thống để điều khiển. Khi lưu lượng dầu đến hệ thống tăng lên, van hơi sẽ tăng độ mở, nhiệt độ dầu do đó mà được duy trì. Hình 3.15: Hệ thống hâm dầu bằng hơi - Cấu trúc điều khiển phản hồi Với những ưu điểm tác động nhanh, bù nhiễu trước khi ảnh hưởng đến đối tượng, cấu trúc điều khiển Feedforward được sử dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên, do những nhược điểm như đã nêu ở trên, cấu trúc Feedforward thường được sử dụng kết hợp với cấu trúc điều khiển phản hồi (Feedforward-Plus-Feedback). Điều khiển tầng – Cascade Do nguyên lý thực hiện là quan sát tín hiệu cần điều khiển để đưa ra tín hiệu điều khiển nên cấu trúc điều khiển phản hồi chậm phát hiện ảnh hưởng của nhiễu quá trình, đặc biệt đối với những quá trình có hằng số thời gian lớn. Trong một số công nghệ, việc phát hiện chậm đó có thể ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm. Ví dụ trong hệ thống hâm dầu bằng hơi sử dụng cấu trúc điều khiển phản hồi. Quá trình điều khiển thực hiện bằng cách đo giá trị biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu, so sánh và đưa gia tín hiệu điều khiển là độ mở van. Trong trường hợp áp suất hơi sử dụng thay đổi, với cùng độ mở van như trước, nhưng lưư lượng hơi qua van đã thay đổi, do đó nhiệt độ của dầu thu được sẽ không như mong muốn. Tuy nhiên hệ chỉ có thể phát hiện ra sự thay đổi đó sau một khoảng thời gian. Để khắc phục nhược điểm đó, đối với các đối tượng yêu cầu chất lượng điều khiển cao, phải sử dụng cấu trúc điều khiên tầng. Cấu trúc điều khiển tầng là cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn. Điều khiển tầng giúp loại bỏ ảnh hưởng của một số dạng nhiễu, cải thiện đặc tính động học của hệ thống. Tư tưởng của điều khiển tầng là phân cấp điều khiển nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi phát sinh. Điều khiển tầng có 2 cấu trúc: cấu trúc nối tiếp và cấu trúc song song Hình 3.16: Điều khiển tầng – Cấu trúc nối tiếp Ưu điểm của hệ cấu trúc điều khiển tầng là: Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ. Giảm độ quá điều chỉnh. Cải thiện tính ổn định của toàn hệ thống kín. Nâng cao tính bền vững của hệ kín. Hình 3.17: Điều khiển tầng – Cấu trúc song song Với những ưu điểm nêu trên, cấu trúc điều khiển tầng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển quá trình. Tuy nhiên, cấu trúc chỉ có thể thực hiện được khi xác định được một biến quá trình thứ 2: Có thể đo, điều khiển được Có mối quan hệ nhân quả với biến được điều khiển Đặc tính động của biến thứ 2 phải nhanh hơn của biến cần điều khiển. Ví dụ về ứng dụng cấu trúc điêu khiển tầng Hệ thống hâm nóng dầu ở trên có: Biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu Biến điều khiển là độ mở van Để nâng cao đặc tính động học của hệ ở đây ta sử dụng thêm biến quá trình thứ hai là lưu lượng hơi cấp vào hệ thống. Đặc điểm của biến quá trình này là: Hình 3.18: Hệ thống hâm dầu bằng hơi sử dụng điều khiển tầng Có thể đo được bằng thiết bị đo lưu lượng, có thể điều khiển được bằng cách thay đổi đổ mở van. Lưu lương hơi có quan hệ tới biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu, khi lưu lượng hơi tăng lên, nhiệt độ dầu sẽ tăng và ngược lại. Việc điều chỉnh lưu lượng bao giờ cũng nhanh hơn sự biến đổi của quá trình nhiệt. Vậy, ta sẽ xây dựng cấu trúc điều khiển tầng cho hệ như sau: PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH Những người đầu tiên đưa ra các phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID là Ziegler và Nichols vào năm 1942, cho đến nay đã có rất nhiều phương pháp chỉnh định, các phương pháp đều có ưu điểm, nhược điểm riêng. Tuy nhiên, các phương pháp có thể phân loại thàn