Điều Khiển Quá Trình - Tài Liệu Text - 123doc

Tải bản đầy đủ (.pdf) (93 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Giáo án - Bài giảng
>>
3. Cao đẳng - Đại học

Điều khiển quá trình

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.37 MB, 93 trang )

MỞ ĐẦUMôn học Điều khiển quá trình được giảng dạy cho sinh viên năm cuối hệ đại học cho haichuyên ngành Tự động hóa và Đo lường& Điều khiển tự động trong trường Đại học SPKT HưngYên. Môn học đòi hòi có kiến thức của các môn LT ĐKTĐ, ngôn ngữ lập trình và các phươngpháp điều khiển hiện đại. Đề cương môn học gổm 5 chương và 2 phần phụ lục. Phụ lục 1 là lưuđồ công nghệ P&ID, các ký hiệu cơ bản và ký hiệu đường ống của môn học. Phụ lục 2 là phiếuthí nghiệm dành cho học phần thực hành ĐKQT. Hi vọng tập đề cương này cung cấp kiến thứccần thiết cho các bạn về môn học còn mới mẻ này. Mọi ý kiến trao đổi và thắc mắc xin gửi vềhòm thư: Tác giả xin chân thành cảm ơn!1CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH1.1 Mở đầu:Trong ngành điều khiển tự động có hai loại chính đó là điều khiển có khả năng đónghoặc mở và điều khiển quá trình. Điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quantrọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp chế biến (công nghiệp hóachất và năng lượng). Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối chặt chẽ nền tảnglý thuyết điều khiển tự động với các bài toán của quá trình công nghệ. Phạm vi của đềcương là các bài toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển chocác đối tượng quá trình công nghệ.Điều khiển quá trình là điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằmđảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc vàmôi trường. Chẳng hạn như nhà máy lọc dầu, dây chuyền xử lý nước sạch, dây chuyềnchưng cất tinh dầu…1.2. Bài toán điều khiển quá trìnhNhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuậtmột cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảmthiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh.Hơn nữa, các diễn biến của quá trình kỹ thuật cũng như các tham số, trạng thái hoạt độngcủa các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên,trong một quá trình kỹ thuật thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được vàkhông phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.Đại lượng được điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biếntrạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị đặt(setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal). Các đại lượng đượcđiều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chấtlượng sản phẩm. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình không được điều2khiển, nhưng có thể được ghi chép hoặc hiển thị. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ lànhững đại lượng được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình.Phạm vi của điều khiển quá trình tập trung vào các giải pháp ứng dụng trong lĩnhvực công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng. Vì vậy từ đây về sau khái niệm điềukhiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vậnhành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quảsản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.1.3. Hệ thống điều khiển quá trìnhTrong đại đa số các trường hợp, để có thể thực hiện tốt chức năng điều khiển và vậnhành hệ thống ta cần phải liên tục có thông tin về trạng thái hiện tại của quá trình kỹthuật. Thông thường thì đại lượng được điều khiển cũng là biến được đo, tuy nhiên trongnhiều trường hợp thì đại lượng được điều khiển không đo được trực tiếp mà phải quansát/ước lượng thông qua các đại lượng khác. Mặt khác, người ta cũng có thể thực hiện đomột số biến khác để điều khiển được tốt hơn. Tín hiệu ra từ thiết bị đo được gọi tín hiệuđo, đồng thời cũng là đầu vào của bộ điều khiển. Ví dụ, lưu lượng chất lỏng trong mộtđường ống được chuyển đổi thành tín hiệu dòng điện 4-20 mA tỉ lệ thuận với giá trị lưulượng, trạng thái đóng mở một tiếp điểm được chuyển thành tín hiệu điện áp 0/ 24 V.Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình.3Thành phần cốt lõi của một thiết bị đo là cảm biến (sensor) hay phần tử cảm biến(sensor element). Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quantâm của quá trình kỹ thuật (thường là đại lượng không điện) và cho đầu ra là một tín hiệuđiện tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với giá trị cần đo. Thông thường, tín hiệu từ cảm biến rấtnhỏ nên cần phải được khuếch đại và chuyển đổi sang một dạng thích hợp để có thểtruyền xa và xử lý tiếp một cách dễ dàng. Vì thế, một thiết bị đo công nghiệp thường cóthêm bộ chuyển đổi (transducer). Một bộ chuyển đổi có đầu ra là một tín hiệu chuẩn (0 –10 V, 0-20 mA, 4-20 mA, RS-485, tín hiệu bus trường) còn được gọi là một bộ truyền(transmitter).1.3.1.Thiết bị đoHình 1.2: Hệ thống thiết bị đo quá trìnhHệ thống thiết bị đo quá trình bao gồm: Cảm biến, điều hòa truyền phát tín hiệu và chỉbáo để biến đổi các đại lượng không điện (nhiệt độ, áp suất...) thành các đại lượng điện.- Measurement device: Thiết bị đo- Sensor: Cảm biến (ví dụ cặp nhiệt, ống venturi, siêu âm,..)- Sensor element: Cảm biến, phần tử cảm biến- Signal conditioning:Điều hòa tín hiệu, chuyển đổi đo4- Transmitter: Điều hòa tín hiệu + truyền phát tín hiệu chuẩn- Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng (ví dụ áp suất-dịch chuyển, dịch chuyểnđiện áp), có thể là sensor hoặc sensor + transmitter.Đặc tính thiết bị đo: Đặc tính vận hành, phạm vi đo và dải đo, độ phân giải, dải chết vàđộ nhạy, độ tin cậy, ảnh hưởng do tác động môi trường, sai số và độ chính xác, độ tuyếntính, đặc tính động học, đáp ứng bậc thang, đáp ứng tín hiệu dốc.Chúng ta cần quan tâm đến các chuẩn truyền của tín hiệu như sau:Tín hiệu tương tự:-Điện: 0-20 mA, 10-50 mA, 0-5V, 1-5V...-Khí nén: 0.2-1 bar (3-15 psig)Tín hiệu logic:-0-5VDC, 0-24 VDC, 110/120VAC, 220/230 VAC...Tín hiệu xung/số:-Tín hiệu điều chế độ rộng xung, tần số xung-Chuẩn bus trường: Foundation Fieldbus, Profibus –PA...-Chuẩn nối tiếp thông thường: RS-485, ...Các loại cảm biến thông dụng trong điều khiển quá trìnha. Cảm biến mức5Hình 1.3: Cảm biến báo mức và đo mứcMức chất lỏng trong một bình chứa luôn luôn là một đại lượng cần điều khiển. Trongrất nhiều trường hợp, người ta đòi hỏi vòng điều khiển mức rất nhanh để duy trì giá trịmức độ cố định nhằm giảm tương tác tới những vòng điều khiển khác chậm hơn. Tuynhiên, phép đo mức thường không đòi hỏi độ chính xác cao như áp suất, lưu lượng vànhiệt độ. Các phương pháp đo mức chất lỏng thông dụng có thể được phân loại như sau:- Phương pháp tiếp xúc bề mặt: Sử dụng phao, que dò và các phần tử cảm biến chuyển.- Phương pháp điện học: Dựa trên các hiện tượng thay đổi điện dung hoặc điện cảm.- Phương pháp chênh áp: Dựa trên phép đo chênh lệch áp suất giữa hai vị trí có độ cao khácnhau trong bình.- Phương pháp siêu âm: Sử dụng một cảm biến siêu âm đặt trên nắp bình chứa và xác địnhkhoảng cách giữa bề mặt chất lỏng và nắp.- Phương pháp đo khối lượng: Sử dụng cảm biến trọng lượng và tính toán ra độ cao chấtlỏng.61.3.2.Thiết bị chấp hành và van điều khiểnHình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hànhThiết bị chấp hành (actuator system, final control element) thay đổi các đạilượng điều khiển theo tín hiệu điều khiển, ví dụ van điều khiển, máy bơm, quạt gió,hệ thống băng tải.Phần tử điều khiển (control element): Can thiệp trực tiếp tới đại lượng điềukhiển, ví dụ van tỉ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải.Cơ cấu tác động, cơ cấu chấp hành (actuator, actuating element): Cơ cấu truyềnđộng, truyền năng cho phần tử chấp hành, ví dụ động cơ (điện), cuộn hút, cơ cấukhí nén.Cấu trúc cơ bản của một van điêu khiểnHình 1.5: Cấu trúc cơ bản của một van điêu khiển7Hình 1.6: Sơ đồ khối của một van điều khiển1.3.3. Các bộ điều khiển phản hồiCác bộ điều khiển phản hồi là thành phần cốt lõi của hệ thống điều khiển. Bộ điềukhiển có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điềukhiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bịchấp hành.Thiết bị điều khiển (control equipment) là một thiết bị tự động thực hiện chức năngđiều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp. Trong các vănphạm khoa học thiết bị điều khiển được gọi là bộ điều khiển (controller). Tùy theo ngữcảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điềukhiển nhiệt độ), một thành phần cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PIDtrong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ một trạmPLC/DCS). Trên cơ sở các tín hiệu đo và một Cấu trúc điều khiển được lựa chọn, bộ điềukhiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lạiquá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành.Thiết bị chấp hành8Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system) nhận tín hiệu từ bộ điều khiển vàthực hiện can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong côngnghiệp là van điều khiển, động cơ và máy bơm. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệthống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. Ví dụ tùy theo tínhiệu điều khiển mà một máy bơm có thể tăng hoặc giảm tốc độ hút chất lỏng để thay đổilưu lượng chất lỏng trong đường ống hay làm thay đổi mức bình chứa. Một tín hiệu điềukhiển có thể làm thay đổi nhiệt độ của bình gia nhiệt qua đó làm thay đổi nhiệt độ đầu ra.Cấu trúc cơ bản của các hệ thống hệ thống điều khiển quá trình được minh họa nhưsau:Hình 1.7: Hệ thống điều khiển quá trình.1.4. Các nhiệm vụ phát triển hệ thốngXây dựng mô hình toán họcXây dựng mô hình toán học cho một quá trình có hai phương pháp:Mô hình hóa bằng lý thuyết hay còn gọi là mô hình vật lý đi từ các định luật cơ bản củavật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhậnđược là các phương trình vi phân và phương trình đại số.9Mô hình hóa bằng thực nghiệm là dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tínhiệu vào-ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và cáctham số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp.Phương pháp mô hình hóa tốt nhất là kết hợp được giữa phân tích lý thuyết và nhận dạngquá trình. Phương pháp kết hợp dựa trên phân tích quá trình để tìm ra cấu trúc mô hình,sau đó tiến hành nhận dạng để xác định các tham số của mô hình. Phân tích lý thuyết giúpta có được cấu trúc mô hình cũng như cơ sở cho việc xác định Cấu trúc và lựa chọn bộđiều khiển.Xây dựng cấu trúc điều khiểnSau khi làm rõ chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá trình, bước tiếptheo là xác định cấu trúc điều khiển nhằm làm rõ cấu trúc liên kết giữa các phần tử tronghệ thống. Đây là công việc quan trong đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và kinhnghiệm thực tế để tránh nhầm lẫn. Tiếp theo là lựa chọn biến được điều khiển, các biếnđiều khiển tương ứng và các biến nhiễu và liên kết chúng thông qua sơ đồ để xây dựngcác Cấu trúc điều khiển cụ thể. Các cấu trúc điều khiển chia thành hai phần cấu trúc đơnbiến như Cấu trúc phản hồi, tỉ lệ… và cấu trúc đa biến như Cấu trúc điều khiển tập trungvà cấu trúc phi tập trung... Các cấu trúc điều khiển được thể hiện rõ nhất trên lưu đồ côngnghệ P&ID.Thiết kế/chỉnh định bộ điều khiểnThiết kế thuật toán điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tính toán và côngthức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển. Thiết kế bộ điều khiểngồm hai bước: lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộđiều khiển, công việc thiết kế gắn liền với việc phân tích hệ thống.Lựa chọn giải pháp hệ thốngLựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điềukhiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với yêucầu của qui trình công nghệ. Việc này đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải có cái nhìn tổng10thể về công nghệ hệ thống điều khiển cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trongphương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau.Phát triển phần mềm ứng dụngPhát triển phần mềm ứng dụng trong điều khiển quá trình là tạo chất xám là hồn của hệthống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết các kỹ sư phần mềm có thể bắt đầu thiết kếcác chương trình điều khiển, thiết kế cơ sở dữ liệu và giao diện người-máy.Chỉnh định và đưa vào vận hànhChỉnh định và đưa vào vận hành là bước cuối cùng của công việc phát triển hệ thốngđược thực hiện tại hiện trường, gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham sốcủa bộ điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp côngnghệ…Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đối toàn diện,kinh nghiệm thực tiễn và sự kết hợp chặt chẽ giữa nhóm kỹ sư công nghệ, đo lường, điềukhiển và tự động hóa trong nhóm chuyên gia hiện trường.11Hình 1.8: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống1.4. Mục đích và chức năng của ĐKQT-Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trơn tru: Giữ cho hệ thống ổn định tại điểm làmviệc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầucủa chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện.-Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kếhoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm.-Đảm bảo hệ thống vận hành an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng nhưbảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố.-Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độchại, giảm nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nguyênnhiên liệu.12-Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất chất lượng theo yêu cầu trong khigiảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu củathị trường.Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ các chức năng điều khiển quá trình, taxét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa trên hình 1.3. Hai dòng nguyên liệuthành phần chất A lần lượt là x1 và x2 được đưa vào thiết bị khuấy trộn, tạo ra một thiết bịcó thành phần x theo yêu cầu. Lưu lượng khối lượng của các dòng nguyên liệu được kýhiệu là ω1 và ω2, có thể điều chỉnh qua 2 van cấp tương ứng. Quá trình pha chế được hỗtrợ bởi một hệ thống khuấy trộn gắn động cơ. Dung dịch sản phẩm được đưa tới quá trìnhtiếp theo với lưu lượng khối lượng ω. Thiết bị khuấy trộn có thể hoạt động theo chế độliên tục hoặc chế độ mẻ.Hình 1.9: Bình trộn hai chất lỏng13CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝTHUYẾT&NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH2.1 Mô hình và mục đích mô hình hóaHầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học.Mục đích của phần này là giúp người đọc hiểu rõ hơn về vai trò của mô hình trong cácnhiệm vụ phát triển hệ thống nói chung và trong phân tích, thiết kế điều khiển nói riêng,đồng thời nắm được các nguyên tắc cơ bản tron g nhiệm vụ mô hình hóa quá trình, trướckhi đưa vào các nội dung chi tiết trong các phần sau.Mô hình là hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệthống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Phân tích và thiết kế trên cơ sở môhình là phương pháp không thể thiếu được của mỗi người kỹ sư. Mô hình không phải làmột ‘bản sao’ mà chỉ là ‘bản chụp’ của thế giới thực từ một góc nhìn nào đó, vì vậy môhình không cần thiết phản ánh đầy đủ các khía cạnh của hệ thống thực. Như người tathường nói”Không có mô hình nào chính xác, nhưng một số mô hình có ích”Mô hình phân chia làm hai loại mô hình trừu tượng và mô hình vật lý. Mô hình vật lýlà sự thu nhỏ đơn giản hóa hệ thống thực, xây dựng trên cơ sở Vật lý- Hóa học giống nhưcác quá trình và thiết bị thực. Mô hình Vật lý là một phương tiện hữu ích phục vụ đào tạocơ bản và nghiên cứu ứng dụng, phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển củangười kỹ sư ĐKQT.Mô hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao, nhằm mô tả mộtcách lô gic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của hệ thống. Việc xâydựng mô hình trừu tượng gọi là mô hình hóa. Mô hình hóa là quá trình trừu tượng hóa,trong đó thế giới thực được mô tả bằng một ngôn ngữ mô hình hóa.Phân loại mô hình trừu tượng.-Mô hình đồ họa với các ngôn ngữ mô hình hóa đồ họa như lưu đồ công nghệ, lưu đồP&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ SFC (sequence function chart)…Mô hình đồhọa biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thànhphần.14-Mô hình toán học với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân, phương trìnhđại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái. Mô hình toán học thích hợp cho mụcđích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của cácmối liên kết và tương tác.-Mô hình suy luận là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính về hệ thống thựcdưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao (gần với tư duy con người)như sơ đồ cây, lưu đồ thuật toán.-Mô hình máy tính là các chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thốngtheo những khía cạnh quan tâm. Mô hình máy tính được xây dựng với các ngôn ngữlập trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận.Trong bốn mô hình trên, các mô hình toán học có vai trò then chốt trong hầu hết nhiệmvụ phát triển hệ thống. Mô hình toán học giúp người kỹ sư điều khiển các mục đích sauđây:-Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành.-Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống-Thiết kế cấu trúc điều khiển-Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển-Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế-Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành*Các phương pháp xây dựng mô hình toán học:-Mô hình hóa bằng Vật lý thuyết hay còn gọi là mô hình vật lý đi từ các định luật cơbản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kếtquả nhận được là các phương trình vi phân (thường hoặc đạo hàm riêng) và phươngtrình đại số.-Mô hình hóa bằng thực nghiệm hay còn gọi là phương pháp hộp đen hay nhận dạngquá trình, dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào – ra thựcnghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và tham số mô hình từmột lớp các mô hình thích hợp.15-Phương pháp mô hình hóa tốt nhất là kết hợp giữa phân tích lý thuyết và nhận dạngquá trình. Phương pháp kết hợp dựa trên phân tích quá trình để tìm ra cấu trúc môhình cũng như cơ sở cho việc thiết kế sách lược và lựa chọn kiểu bộ điều khiển. Bướcnhận dạng tiếp theo sẽ cho ta một mô hình rất có ích trong tổng hợp bộ điều khiểncũng như mô phỏng thời gian thực nhằm đánh giá sơ bộ chất lượng điều khiển trướckhi đưa vào vận hành thực.*Phân loại mô hình toán học-Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến-Mô hình đơn biến và mô hình đa biến-Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên-Mô hình tham số tập trung và mô hình tham số rải-Mô hình liên tục và mô hình gián đoạnCác dạng mô hình liên tục gồm: phương trình vi phân, mô hình trạng thái, mô hình trạngthái tuyến tính, mô hình trạng thái phi tuyến, mô hình đáp ứng quá độ (đáp ứng xungimpulse, đáp ứng bậc thang step), mô hình hàm truyền đạt (hàm truyền đạt, ma trậntruyền đạt), mô hình đáp ứng tần số.Các dạng mô hình gián đoạn gồm: phương trình sai phân, mô hình trạng thái, mô hìnhđáp ứng quá độ (đáp ứng xung FIR Finite impulse response), đáp ứng bậc thang FSRFinite Step Response), các dạng mô hình đa thức và hàm truyền đạt xung, mô hình hàmtruyền đạt gián đoạn.2.2 Mô hình hóa lý thuyếtMục đích của phần này là giúp người đọc hiểu rõ những tư tưởng cơ bản trong xâydựng mô hình quá trình bằng phương pháp lý thuyết và nắm được các bước tiến hành cụthể.2.2.1 Trình tự mô hình hóa theo lý thuyếtXây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết hay còn gọi là mô hình hóacơ sở đi từ việc áp dụng các định luật cơ bản của vật lý, hóa học và sinh học kết hợp vớicác thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ để tìm ra quan hệ giữa các đại lượng đặc16trưng của quá trình. Mô hình hóa lý thuyết nhận được là phương trình vi phân và phươngtrình đại số. Phương trình vi phân biểu diễn đặc tính động học của quá trình trong khiphương trình đại số biểu diễn quan hệ phụ thuộc khác. Xây dựng mô hình hóa gồm cácbước:-Phân tích bài toán mô hình hóa: tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụngcủa mô hình, từ đó xác định mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng.Trên cơ sở mô tả công nghệ và mục đích mô hình hóa, tiến hành phân chia thành các quátrình con, nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình.-Xây dựng các phương trình mô hình: Nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống,viết các phương trình cân bằng và phương trình đại số dựa trên cơ sở các định luật bảotoàn, định luật nhiệt động học, vận chuyển, cân bằng pha… Đơn giản hóa mô hình bằngcách thay thế, rút gọn và đưa về dạng phương trình vi phân chuẩn tắc. Tính toán các thamsố của mô hình dựa trên các thông số công nghệ đã được đặc tả.-Kiểm chứng mô hình: Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng các biếnquá trình và số lượng các quan hệ phụ thuộc. Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp vớiyêu cầu dựa trên phân tích các tính chất của mô hình kết hợp mô phỏng máy tính.-Phát triển mô hình: Tùy theo mục đích sử dụng có thể chuyển mô hình về các dạngthích hợp như đã trình bày trong chương 2. Tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc nếucần thiết. Thực hiện chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thiếtkế điều khiển.-Nhận biết các biến quá trình (biến cần điều khiển, biến điều khiển và nhiễu)Xây dựng mô hình lý thuyết tức là tìm cách mô tả đặc tính của quá trình thông quaquan hệ toán học giữa các biến quá trình với sự hỗ trợ của các tham số quá trình (tham sốcông nghệ).Nhìn từ quá trình công nghệ, hầu hết các biến quá trình có thể được xếp vào một tronghai loại biến dòng chảy (với nghĩa tổng quát) hoặc biến trạng thái.Một biến dòng chảy mô tả sự thay đổi, vận chuyển, trao đổi vật chất hoặc năng lượngtrong một khu vực, giữa các địa điểm, giữa các vật hoặc giữa các pha. Một biến trạng thái17mô tả trạng thái vật chất hoặc năng lượng của quá trình trong từng pha. Một biến dòng cóthể thuộc phạm trù “lượng” hoặc “dòng” (khối lượng, thể tích, lưu lượng, nhiệt lượng…),trong khi một biến trạng thái thường thuộc phạm trù “thế” (nhiệt độ, áp suất, nồng độ).Các tham số quá trình cũng được phân chia thành tham số hiện tượng và các kích thướchình học. Các hệ số hiện tượng phản ánh tính chất của vật chất trong hiện tượng vật lýhóa học, ví dụ hệ số tốc độ phản ứng, hệ số nhớt, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng… Cáckích thước hình học liên quan tới thiết kế hình học của các thiết bị công nghệ như tiếtdiện đường ống, thể tích bình chứa, diện tích tiếp xúc… Trước khi bắt tay vào xây dựngcác phương trình mô hình, các biến và tham số quá trình cần được thống kê và đặc tảcùng với những tính chất quan trọng của chúng, như bảng đặc tả các biến quá trình:Tên biếnKý hiệu Đơn vịLưu lượng cấp F1Phụ thuộcGiới hạnGiá trị danh địnhl/sThời gianMax.20.5Kg/m3Thời gian, vị 20-40321NồngđộA CAtrong bình 1trí…Việc xác định các biến quá trình xuất phát từ mục đích điều khiển và yêu cầu côngnghệ. Trước hết cần xác định biến ra, các biến ra cần điều khiển với các biến vào (biếnđiều khiển và nhiễu). Biến điều khiển là một biến có thể can thiệp được theo ý muốn đểtác động tới biến cần điều khiển. Ngoài ra còn có nhiễu, các biến quá trình không thể canthiệp được, không thể kiểm soát được vì một lý do nào đó, nhiễu được chia làm nhiễuquá trình (Process disturbance) hay một trường hợp đặc biệt hơn là nhiễu tải (Loaddisturbance). Ngoài ra còn có một loại nhiễu khác là nhiễu đo (measurement noise) lànhững sai lệch trong quá trình đo, có thể tác động từ bên ngoài, do đặc điểm của quá trìnhkỹ thuật hoặc do chính thiết bị gây ra. Ví dụ: trong thí nghiệm bình mức dung dịch trongbình có chứa sai số lớn bởi mặt nước không ổn định, do thiết bị đo có sai số hoặc cănchỉnh chưa đúng.18Ví dụ bình chứa chất lỏng: Bình chứa là một đối tượng rất quan trọng và thông dụngtrong các hệ thống ĐKQT. Bài toán đặt ra là duy trì trữ lượng chất lỏng trong bình tạimột giá trị hoặc một phạm vi mong muốn. Đại lượng cần quan tâm đối với hệ thống bìnhchứa chất lỏng (tank) là giá trị mức hoặc thể tích. Trong thực tế bình chứa có những chứcnăng về mặt công nghệ như sau:-Bình chứa quá trình: tạo không gian và thời gian thực hiện các quá trình công nghệ(phản ứng hóa học, quá trình trộn, ...).-Bình chứa trung gian: Giảm tương tác giữa các quá trình kế tiếp nhau (ví dụ biến racủa quá trình này là biến vào của quá trình kế tiếp), giảm thiểu sự biến thiên các đạilượng đầu vào (lưu lượng, nhiệt độ hoặc các thành phần nguyên liệu), giúp quá trìnhvận hành trơn tru, trong khi một số dòng chảy thay đổi hoặc ngắt quãng nhất thời.-Bình chứa cấp chất lỏng: đảm bảo hoạt động bình thường cho các bơm cấp.Hình 2.1: Bình chứa chất lỏngXét bình chứa chất lỏng minh họa trên hình. Chất lỏng trong bình có thể tích V (m3)và khối lượng riêng ρ (kg/m3). Giả thiết bình chứa được trang bị một hệ thống khuấy lýtưởng, như vậy có thể coi chất lỏng đồng nhất tại mọi vị trí trong bình. Dòng vào có lưulượng thể tích F0 (m3/s) và khối lượng riêng ρ=ρ0Được coi là một tham số quá trình. Dựa vào quan hệ nhân- quả ta dễ dàng nhận ra thểtích V là một biến ra, trong khi F và F0 là các biến vào. Phân tích tiếp mục đích điềukhiển, ta cũng xác định được biến cần điều khiển là V.192.2.2. Các phương trình cân bằnga.Phương trình cân bằng vật chấtĐịnh luật bào toàn vật chất áp dụng cho hệ động học được áp dụng cho một hệ độnghọc thể hiện qua một phương trình cân bằng toàn phầndM tích luydt=dM vao dM ra=dtdtåwi vào -åwi raMtích lũy là lượng tích lũy bên trong hệ thống,wi vào là lưu lượng các dòng vàowi ra là lưu lượng các dòng ra khỏi hệ thống.Phương trình cân bằng toàn phần có thể biểu diễn theo đơn vị khối lượng hoặc số mol.Tại điểm làm việc (trạng thái cân bằng), lượng tích lũy bên trong hệ thống không thayđổi, vì vậy ta có tổng lưu lượng vào đúng bằng lưu lượng raåwi vào -åwi ra =0Ví dụ bình chứa chất lỏng với các giả thiết lý tưởngi)Các lưu lượng vào ra không phụ thuộc vào vị trí quan sátii)Khối lượng riêng chất lỏng tại mọi vị trí trong bình là như nhauiii)Lưu lượng ra không phụ thuộc đáng kể vào chiểu cao chất lỏng trong bình.Phương trình cân bằng vật chất tổng quát được cụ thể hóa như sau:d (r V )= r 0 F0 - r Fdt(1)Trong thực tế ta có thể giả thiết thêm là khối lượng riêng của dòng vào không thay đổiđáng kể, có nghĩa là r 0 = r = constphương trình (1) trở thành dV = F0 - Fdt20b.Phương trình cân bằng năng lượngĐịnh luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho một hệ động học, hay còn gọi là định luậtthứ nhất của nhiệt động học được diễn đạt như sau:Năng lượng toàn phần của một hệ động học U S bao gồm nội năng U I thế năng U P vàđộng năng U KUS = U I + U P + U KBiến thiênTổng dòngTổng dòngNăng lượngNăng lượngNăng lượng=tích lũyĐưa vào-+Tổng côngCông suấtsuất nhiệttiêu haohấp thụ-Đưa rara bênngoàiTrong quá trình nhiệt, thế năng và động năng cũng như công sinh ra có thể coi làkhông đáng kể so với nội năng và nhiệt lượng, vì thế có thể bỏ qua. Khi đó phương trìnhcó thể viết đơn giản thànhdU I=dtnånwvào hvào -i= 1åwra hra + qi= 1U I nội năng hệ thốngwvào lưu lượng khối lượng dòng vào hệ thống (kg/s)wra lưu lượng khối lượng dòng ra hệ thống (kg/s)hvào entanpy của dòng vào (J/kg)hra entanpy của dòng ra (J/kg)bổ sung cho hệ thốngQ tổng lưu lượng nhiệt thông qua dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt thông qua dẫn nhiệt, bức xạnhiệt hoặc phản ứng hóa học (công suất cấp nhiệt) (J/s)Entanpy trên một đơn vị khối lượng được định nghĩa làLh = u + PV21U nội năng trên một đơn vị khối lượng (J/kg)P áp suất thành ống (N)L3V thể tích riêng (ngịch đảo của khối lượng riêng m /s)Giả thiết entanpy không đổi tại một điểm quy chiếu Tref , hrefh- href= Cp(T- Tref)trường hợp áp suất không thay đổi quá lớn, ta có mối quan hệ đơn giản sauh = Cp TVí dụ thiết bị gia nhiệt ở trạng thái xác lập, nhiệt lượng dòng gia nhiệt tỏa ra đúngbằng nhiệt lượng dòng quá trình hấp thụ:wH (hH 1 - hH 2 ) = wC (hC 2 - hC1 ) sử dụng quan hệ giữa entanpy và nhiệt độ coi nhiệt dungriêng của từng dòng không đổi, phương trình cân bằng nhiệt ở trạng thái ổn định trởthànhwH C pH (TH 1 - TH 2 ) = wC C pC (TC 2 - TC1 )c.Phương trình truyền nhiệtHầu hết các quá trình công nghệ liên quan tới quá trình truyền nhiệt. Vì vậy bên cạnhcác phương trình cân bằng nhiệt lượng thì các phương trình mô tả truyền nhiệt có vai tròhết sức quan trọng trong mô hình hóa quá trình. Hiện tượng truyền nhiệt được chia làm 3loại dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ.Dẫn nhiệtKhi tồn tại nhiệt độ chênh lệch, một vật thể liên tục, nhiệt độ được truyền theo chiềugiảm nhiệt độ.Đối lưuĐối lưu là hình thức truyền nhiệt thông qua chuyển động của các dòng chảy vĩ mô(một chiều hoặc luân chuyển), ví dụ từ bề mặt nóng tới một dòng chảy vĩ mô (một chiềuhoặc luân chuyển), ví dụ từ một bề mặt nóng tới một dòng chảy hoặc giữa hai dòng chảyngược chiều. Trường hợp truyền nhiệt đối lưu giữa một bề mặt (tường, lớp chất lỏng, hạtrắn) với một dòng chảy đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong các quá trình công nghệ.Công suất truyền nhiệt qua một bề mặt theo công thức Newton:22q= k (Ts - T f )ATs: nhiệt độ lớp bề mặtTf: nhiệt độ trung bình của dòng chảyK: hệ số truyền nhiệt đối lưu (phụ thuộc vào đặc tính dòng chảy và đặc tính nhiệt củalưu chất)Bức xạBức xạ là hiện tượng truyền năng lượng qua không gian thông qua sóng điện từ. Tớimột bề mặt, năng lượng đó có thể được hấp thụ, được phản xạ hoặc được truyền tiếp. Khiphần năng lượng đó được hấp thụ sẽ chuyển sang nhiệt lượng. Gọi hệ số hấp thụ là α, hệsố phản xạ là β và hệ số truyền là γ, ta có quan hệ α+ β+ γ=1Một “vật đen” được coi là vật có khả năng hấp thụ mạnh nhất, tức là co α =1. Ngược lại,một vật đen cũng có khả năng phát xạ mạnh nhất, tức là hệ số phát xạ ε=1. Năng lượngcủa vật đen tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ và được tính theo luật Stefan-BoltzmannWb=σT4Wb -công suất phát xạ trên một đơn vị diện tíchσ -hằng số Stefan-BoltzmannT -nhiệt độ tuyệt đốid.Phương trình động học phản ứng hóa họcTốc độ phản ứng riêng k là một tham số phụ thuộc nhiệt độ, thường được biểu diễntheo Arrhenius dưới dạng một hàm lũy thừa:k=k0e-E/RTk0 được coi là một hằng số, E năng lượng kích hoạt thể hiện mức độ phụ thuộc nhiệtđộ và R hằng số khí lý tưởng. Hai hằng số k0 và E cần được xác định từ thực nghiệm.Điểm cân bằng hóa họcĐiểm cân bằng hóa học của một hệ thống đạt được khincåvi mi = 0ivi- hệ số hóa học lượng pháp của cấu tử thứ i23mi- thế năng hóa học của cấu tử thứ ie.Phương trình cân bằng phaĐối với một hỗn hợp gồm 2 pha (ví dụ lỏng và hơi), cân bằng pha được định nghĩa làtrạng thái mà thế năng hóa học của mỗi cấu tử ở hai pha bằng nhau:mi I = mi IICác bài toán tiêu biểu đặt ra liên quan tới điểm cân bằng pha là tính toán điểm sôi,điểm sương hoặc điểm bốc cháy. Quan hệ mấu chốt ở đây là quan hệ giữa nhiệt độ, ápsuất và cấu tử hỗn hợp trong các pha. Trong thực tế người ta sử dụng phần mềm quan hệđơn giản hoặc phức tạp khác nhau phục vụ các tính toán này.Độ bay hơi tương đối:Trong một chất lỏng, độ bay hơi tương đối của một cấu tử I so với cấu tử j được địnhnghĩa là:a ij =yi / xiyj / xjĐộ bay hơi tương đối là một tham số ít thay đổi trong nhiều quá trình, vì vậy rất hayđược sử dụng. Ví dụ với một quá trình hai cấu tử, ta có độ bay hơi tương đối của cấu tửdễ bay hơi so với cấu tử khó bay hơi làa =y/x(1- y ) / (1- x )Biết α, ta dễ dàng xác định phần mol của cấu tử nhẹ trong thể hơi theo công thứcy=ax1 + (a - 1) xf.Phân tích bậc tự do của mô hìnhSau khi tất cả các phương trình được thiết lập, ta cần tiến hành một số phân tích đơngiản để kiểm chứng tính nhất quán và một số tính chất khác của mô hình. Trên cơ sở đó,ta có thể đưa ra phân tích và kiểm chứng sự lựa chọn các biến điều khiển và các biến điềukhiển thực.24Số bậc tự do của hệ thống được hiểu là số lượng tối đa các vòng điều khiển đơn tácđộng độc lập có thể sử dụng, hay nói cách khác là số lượng tối đa biến đầu vào có thể canthiệp độc lập tác động tới đầu ra. Số bậc tự do của hệ thống được định nghĩa làNf=Nv-NeNv số lượng biến quá trình mô tả hệ thống. Ne – số phương trình cân bằng trong hệthống.Số bậc tự do của mô hình đúng bằng số đầu ra thì mô hình mới nhất quán (hay nóicách khác là số biến đầu vào). Biết được số biến đầu vào mới giải được phương trình môhình.Ví dụ thiết bị gia nhiệt: có 4 biến đầu vào(wH ,TH1, wC ,TC1) và 2 biến ra (TH 2 ,TC2 ) . Đâylà quá trình truyền nhiệt nên ta có phương trình truyền nhiệt:q = UAD TmD Tm- chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai dòng bên trong thiết bị gia nhiệt, đượctính theo công thứcD Tm =(TH 1 - TC 2 ) - (TH 2 - TC1 )ln[(TH 1 - TC 2 ) / (TH 2 - TC1 )]Mô hình đầy đủ bao gồm 2 phương trình độc lập là:wH C pH (TH 1 - TH 2 ) = wC C pC (TC 2 - TC1 ) = UAD TmBậc tự do của mô hình là 6-2=4, đúng bằng số biến vào. Rõ ràng, nếu thiếu phương trìnhtruyền nhiệt ta không thể cùng lúc xác định nhiệt độ ra của hai dòng (TH 2 ,TC2 ) theo cácbiến vào, nghĩa là không thể mô phỏng.2.2.3.Tuyến tính hóa mô hình hàm truyền đạtBiến chênh lệch và mô hình hàm truyền đạtMô hình hàm truyền đạt là phần không thể thiếu được cho phân tích và thiết kế hệthống điều khiển. Để có được mô hình hàm truyền đạt ta cần lưu ý:25

Tài liệu liên quan

• Điều khiển quá trình - C1
  • 51
  • 1
  • 5
• Điều khiển quá trình - C3
  • 59
  • 828
  • 8
• Nghiên cứu các sách lược và chỉnh định tham số cho bộ PID trong điều khiển quá trình
  • 109
  • 1
  • 15
• Tài liệu Điều khiển quá trình - Chương 1: Mở đầu pptx
  • 51
  • 1
  • 6
• Tài liệu Điều khiển quá trình - Chương 2: Mô hình quá trình - phần pptx
  • 98
  • 1
  • 26
• Tài liệu Điều khiển quá trình - Chương 3: Các sách lược điều khiển doc
  • 59
  • 3
  • 45
• Tài liệu Điều khiển quá trình - Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống doc
  • 81
  • 1
  • 4
• Tài liệu Điều khiển quá trình - Chương 5: Phân tích hệ điều khiển phản hồi pptx
  • 31
  • 1
  • 7
• Tài liệu Điều khiển quá trình - Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID doc
  • 32
  • 2
  • 10
• Điều khiển quá trình - Chương 1 docx
  • 51
  • 539
  • 1

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(2.37 MB - 93 trang) - Điều khiển quá trình Tải bản đầy đủ ngay ×