Luận văn Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP
LIÊN TỤC
ĐỖ THỊ HƢƠNG
THÁI NGUYÊN 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP
LIÊN TỤC
Học viên:
Đỗ Thị Hương
Người HD Khoa Học: PGS.TS Lại Khắc Lãi
THÁI NGUYÊN 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
***
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
---------------o0o---------------
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP
LIÊN TỤC
Học viên: Đỗ Thị Hương
Lớp: CHK10
Chuyên ngành: Tự động hoá
Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS Lại Khắc Lãi
Ngày giao đề tài: 05/02/2009
Ngày hoàn thành: 30/07/2009
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
PGS.TS Lại Khắc Lãi
HỌC VIÊN
Đỗ Thị Hƣơng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
LuËn v¶n th¹c sÜ
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hꢀnh 1-1: Hệ thố ng điều khiển quá trình
Hình 1-2: Quá trꢀnh và phân loại biến quá trꢀnh
Hình 1-3: Bꢀnh chứa chất lỏng và các biến quá trꢀnh
Hꢀnh 1.4: Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản
Hꢀnh 1.5. Phân cấp chức năng điều khiển quá trꢀnh
Hꢀnh 1.6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trꢀnh
Hꢀnh 2.1. Sơ đồ cung cấp khí nén vào lò
Hꢀnh 1.7: Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ
Hꢀnh 1.8. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
Hꢀnh 1. 9: Diễn dải ý nghĩa nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng
Hꢀnh 1.10: Lưu đồ P&ID cho điều khiển mức bꢀnh chứa
Hꢀnh 1.11: Lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt
Hꢀnh 1.12: (a) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo
(b) Chiến lược điều khiển dự báo
Hꢀnh 1.13. Thuật toán
Hꢀnh 1.14. Cấu trúc cơ bản của MPC
Hꢀnh 1.15: Mô hꢀnh tổng quát bộ điều khiển dự báo
Hꢀnh 1.16: Chiến lược điều khiển RHC
Hình 1.17: Mô hình vào ra (IO)
Hꢀnh 1.19: Mô hꢀnh đa thức
Hꢀnh 1.18: Mô hꢀnh IO sử dụng biến trạng thái
Hình 1.20.a
Hình 1.20.b
Hꢀnh 1.21: Bộ ước lượng không lệch trong mô hꢀnh có nhiễu
Hꢀnh 1.22. Điều khiển nhiệt độ của bꢀnh
Hꢀnh 1.23. Mô hꢀnh dự báo Smith dựa trên cấu trúc bộ điều khiển
Hꢀnh 1.24. Phạm vi dự báo
Hꢀnh 2.2. Sơ đồ cấp dầu FO vào lò
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
LuËn v¶n th¹c sÜ
Hình 2.3. Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt
Hꢀnh 3.1. Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép
Hꢀnh 3.2. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ
Hꢀnh 3.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống khi chưa có tín hiệu
Hꢀnh 3.4. Sơ đồ mô phỏng điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục dùng bộ
điều khiển dự báo
Hꢀnh 3.5. Dữ liệu đầu vào và đầu ra của đối tượng khi nhận dạng
Hꢀnh 3.6. Dữ liệu huấn luyện vào / ra của đối tượng, dữ liệu huấn luyện đầu ra của
mạng và sai số
Hꢀnh 3.7. Tập dữ liệu kiểm tra
Hꢀnh 3.8. Tập dữ liệu chấp nhận
Hꢀnh 3.9. Tín hiệu ra của hệ thống khi chưa có nhiễu và điện áp đặt đầu vào là 2v
Hꢀnh 3.10. Tín hiệu ra của hệ thống khi chưa có nhiễu và điện áp đặt đầu vào là 4v
Hꢀnh 3.11. Tín hiệu ra của hệ thống khi có 1 nhiễu đầu vào và điện áp đặt đầu vào là
2v
Hình 3.12. Tín hiệu ra của hệ thống khi có 1 nhiễu đầu vào và điện áp đặt đầu vào là
4v
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
LuËn v¶n th¹c sÜ
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
I. Danh mục các ký hiệu
- e(k) là nhiễu trắng có trung bình bằng zero
- Fi là lưu lượng vào
- Fo là lưu lượng ra
- Go(q): mô hình hệ thống.
- h là mức chất lỏng
- Hp là tầm dự báo
- Hc là tầm điều khiển
- r(k) là tín hiệu tham chiếu của mô hình tại thời điểm k và chính là trạng thái ngõ ra
mong muốn của đối tượng điều khiển
- xss là trạng thái xác lập của hệ thống
- x (k) là trạng thái của hệ thống
-
P
q
1 p1q1 ... pnpqnp là một đa thức với các cực vòng kín mong muốn.
- q: toán tử dịch chuyển, q-1y(k) = y(k-1)
- y(k) là tín hiệu ngõ ra của hệ thống thực
- yM(k) là ngõ ra của mô hình
- u(k) là tín hiệu điều khiển đối tượng tại thời điểm k
ˆ
-
-
x
là trạng thái dự báo
ˆ ˆ
u, y
là tín hiệu điều khiển dự báo và ngõ ra dự báo tương lai tương ứng của hệ
thống dựa trên cơ sở mô hình.
là các thông tin biết trước về hệ thống trong đó bao gồm phân bố nhiễu
- v(k) là các tín hiệu ngõ vào hệ thống
-
k
-
-
-
J
,k
Hàm mục tiêu
ˆ
z
k
:
:
vector các tín hiệu có thể xác định trong hệ thống
j
ma trận lựa chọn chéo (diagonal selection matrix) với các giá tri zero và 1
trên đường chéo.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
LuËn v¶n th¹c sÜ
-
là trọng số trên tín hiệu điều khiển
- Fo(q): mô hình phân bố nhiễu (disturbance).
- Ho(q): mô hình nhiễu (noise).
- u(k): tín hiệu vào.
- do(k): tín hiệu phân bố nhiễu đã biết.
II. Danh mục các chữ viết tắt
1. DCS: hệ thống điều khiển phân tán
2. PCS: ( Process Control System)
3. Model Prediction Control (MPC)
4. Thuật toán MPC (MPC stragegy)
5. Receding horizon control (RHC)
6. Input Output Models (IOM)
7. Direct Input Output models (IO)
8. Increment Input Output models (IIO)
9. Dynamical Matrix Control (DMC)
10. Generalized Predictive Control (GPC)
11. Neural Network (NN)
12. Điều khiển dự báo (ĐKDB)
13. Tagaki-Sugeno (TS)
14. Quadratic Programing (QP)
15. Long-Range Predictive Control (LRPC)
16. Linear programming (LP)
17. Branch and Bound (BB)
18. MIMO
19. SISO
20. Universal Dynamic Approximator_UDA
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
LuËn v¶n th¹c sÜ
LỜI NÓI ĐẦU
Điều khiển dự báo đã ra đời cách đây vài thập niên nhưng trong những năm gần
đây phát triển mạnh mẽ và có nhiều thành công trong công nghiệp. Điều khiển dự
báo theo mô hình (Model Predictive Control MPC) là một trong những kỹ thuật
điều khiển tiên tiến được nhiều người ưa chuộng nhất trong công nghiệp, có được
điều này là do khả năng triển khai các điều kiện ràng buộc vào thuật toán điều khiển
một cách dễ dàng mà ở các phương pháp điều khiển kinh điển khác không có được.
Điều khiển dự báo là chiến lược điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong điều
khiển quá trình vì công thức MPC bao gồm cả điều khiển tối ưu, điều khiển các quá
trình ngẫu nhiên, điều khiển các quá trình có thời gian trễ, điều khiển khi biết trước
quỹ đạo đặt. Một ưu điểm khác của MPC là có thể điều khiển các quá trình có tín
hiệu điều khiển bị chặn, có các điều kiện ràng buộc, nói chung là các quá trình phi
tuyến mà ta thường gặp trong công nghiệp, đặc biệt là quá trình phi tuyến phức tạp.
Việc nghiên cứu và ứng dụng điều khiển dự báo trong công nghiệp luyện kim là
một giải pháp quan trọng, có ý nghĩa thực tiễn, kỹ thuật và kinh tế.
Cùng với sự phát triển của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật như điện tử, công
nghệ tin học, công nghệ vật liệu cho phép tạo ra các thiết bị điều khiển có độ chính
xác cao, đáp ứng được các luật điều khiển yêu cầu. Tuy nhiên ngoài thiết bị điều
khiển thì luật điều khiển là một phần rất quan trọng để hệ thống đáp ứng các chỉ tiêu
chất lượng đề ra. Vì thế việc nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển thông
minh vào thực tế với mục đích giải phóng sức lao động, tăng năng suất và hạ giá
thành sản phẩm là việc làm cần thiết của mỗi quốc gia trên thế giới.
Một trong những lý thuyết mà các nhà khoa học trên thế giới đang quan tâm
nghiên cứu và ứng dụng vào trong thực tế đó là mạng nơron. Đây là vấn đề khoa
học đã có từ vài thập niên nhưng việc ứng dụng nó vào các ngành khoa học khác
nhau vẫn đang là lĩnh vực khoa học cần quan tâm và nghiên cứu trên thế giới cũng
như ở nước ta.
Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo PGS.TS Lại
Khắc Lãi em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
LuËn v¶n th¹c sÜ
điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục” trong đó sử dụng mạng nơron để
nhận dạng đối tượng .
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc
Lãi và một số đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù
đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi một số thiếu
sót nhất định. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn
đồng nghiệp để cho luận văn hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
LuËn v¶n th¹c sÜ
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Trang 1
Lời nói đầu
Lời cam đoan
Mục lục
1
2
4
Danh sách các kí hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
6
8
Mở đầu
8
1.Tính cấp thiết của đề tài
8
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3. Phương pháp nghiên cứu
9
9
4. Nội dung nghiên cứu
10
10
11
16
21
25
28
32
36
38
48
72
78
Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình và điều khiển dự báo
1.1. Điều khiển quá trình
1.1.1. Khái niệm điều khiển quá trình
1.1.2. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình
1.1.3. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
1.1.4. Các thành phần cơ bản của hệ thống
1.1.5. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
1.1.6. Mô tả chức năng hệ thống
1.2. Điều khiển dự báo
1.2.1. Tổng quan về điều khiển dự báo
1.2.2. Mô hình trong điều khiển dự báo
1.2.3. Giải bài toán điều khiển dự báo
1.2.4. Kết luận
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
LuËn v¶n th¹c sÜ
82
Chương 2. Tìm hiểu công nghệ nung phôi trong dây truyền cán
thép liên tục
82
83
83
88
90
2.1. Giới thiệu chung về nhà máy cán thép Lưu Xá
2. 2. Công nghệ lò nung cán thép liên tục
2.2.1. Sơ lược về lò nung
2.2.2. Cấu tạo của lò nung
2.2.3. Thiết bị của lò nung
97
98
2.2.4. Nguyên lý hoạt động của lò nung
2.2.5. Hệ thống cung cấp điện và đo lường điều khiển
Chương 3. Xây dựng hệ điều khiển dự báo điều khiển nhiệt độ lò
nung .
104
104
105
106
106
3.1. Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò nung
3.1.1. Hàm truyền đạt của thiết bị đo nhiệt độ
3.1.2. Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi điện áp / dòng điện
3.1.3. Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi dòng điện / khí nén
3.1.4. Hàm truyền đạt của van dầu
3.1.5. Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh
3.2. Xây dựng hệ thống điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò
nung cán thép liên tục.
106
107
108
3.3. Mạng nơ ron trong bài toán nhận dạng
3.4. Kết quả mô phỏng
108
109
115
116
117
3.5. Kết luận
Tóm tắt luận văn
Tài liệu tham khảo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
LuËn v¶n th¹c sÜ
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Điều khiển dự báo đã ra đời cách đây vài thập niên nhưng trong những năm gần
đây phát triển mạnh mẽ và có nhiều thành công trong công nghiệp. Điều khiển dự
báo theo mô hình (Model Predictive Control MPC) là một trong những kỹ thuật
điều khiển tiên tiến được nhiều người ưa chuộng nhất trong công nghiệp, có được
điều này là do khả năng triển khai các điều kiện ràng buộc vào thuật toán điều khiển
một cách dễ dàng mà ở các phương pháp điều khiển kinh điển khác không có được.
Điều khiển dự báo là chiến lược điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong điều
khiển quá trình vì công thức MPC bao gồm cả điều khiển tối ưu, điều khiển các quá
trình ngẫu nhiên, điều khiển các quá trình có thời gian trễ, điều khiển khi biết trước
quỹ đạo đặt. Một ưu điểm khác của MPC là có thể điều khiển các quá trình có tín
hiệu điều khiển bị chặn, có các điều kiện ràng buộc, nói chung là các quá trình phi
tuyến mà ta thường gặp trong công nghiệp, đặc biệt là quá trình phi tuyến phức tạp.
Việc nghiên cứu và ứng dụng điều khiển dự báo trong công nghiệp luyện kim là
một giải pháp quan trọng, có ý nghĩa thực tiễn, kỹ thuật và kinh tế.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc
CNH - HĐH đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói riêng, trong
khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường,
Khoa Sau Đại học và Phó Giáo Sư - Tiến sĩ Lại Khắc Lãi, tác giả đã lựa chọn đề
tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều
khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục”
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Đề tài có ý nghĩa quan trọng cả về khoa học và thực tiễn
Cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay nước ta đã và đang xây
dựng nhiều nhà máy cán thép dây truyền công nghệ hiện đại.Tuy nhiên các bộ điều
khiển nhiệt độ trong các lò nung cán liên tục vẫn sử dụng các bộ điều khiển kinh
điển nên chưa kể hết được các yếu tố tác động từ bên ngoài.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
LuËn v¶n th¹c sÜ
Xuất phát từ thực tiễn đó, việc áp dụng bộ điều khiển dự báo để điều khiển
nhiệt độ lò nung liên tục sẽ tiết kiệm được nhiên liệu, nâng cao chất lượng điều
khiển từ đó góp phần nâng cao hiệu suất sản phẩm.
3. Phương pháp nghiên cứu
+ Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các thuật toán điều khiển.
+ Mô hình hoá và mô phỏng để kiệm nghiệm kết quả nghiên cứu.
4. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết điều khiển quá trình và điều khiển dự báo
Chương 2: Tìm hiểu công nghệ nung phôi trong dây chuyền cán thép liên tục .
Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung .
Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã cố gắng hạn chế tối đa các khiếm
khuyết, song do trình độ và thời gian còn hạn chế nên luận văn hoàn thành chắc
chắn còn thiếu sót. Tác giả kính mong Hội đồng Khoa học và độc giả bổ sung đóng
góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn!
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
LuËn v¶n th¹c sÜ
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỂU KHIỂN QUÁ TRÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
1.1. Điều khiển quá trình
Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà
máy công nghiệp hiện đại. Từ những năm nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay điều
khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các nghành công nghiệp
khai thác, chế biến và năng lượng (gọi chung là công nghiệp chế biến, process
industry) như dầu khí, lọc dầu, hoá chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà máy điện. Các
hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số
đặc thù chung, được xếp vào phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình (process
control system, PCS). Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn
bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu
cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu
quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Hình 1.1 minh hoạ sơ
lược cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình.
Hệ thống vận hành
và giám sát
Tham số
Trạng thái
Thiết bị
Đầu ra
Đầu vào
điều khiển
Thiết bị
điều khiển
Thiết bị đo
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quá trình công nghệ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hình 1-1: Hệ thố ng điều khiển quá trình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
LuËn v¶n th¹c sÜ
Mục đích của chương mở đầu là cung cấp cho người đọc cái nhìn sơ lược về
bản chất và mục đích của điều khiển quá trình, tổng quan và các chức năng và thành
phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình.
1.1.1. Khái niệm điều khiển quá trình
Trong nội dung luận văn này, khái niệm điều khiển quá trình được hiểu 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 người, máy móc và môi trường.
Để làm rõ định nghĩa này, những mục tiêu tiếp theo sẽ lần lượt cung cấp một
số khái niệm cơ bản và phân tích những vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình.
1.1.1.1. Quá trình và các biến quá trình
Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc
sinh học, trong đó vật chất, năng lượng được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển hoặc
lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà
máy sản xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá
trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhưng có thể phức tạp hơn như một tổ
hợp lò phản ứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin. Quá trình kỹ
thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc được can thiệp. Khi
nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương
tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành. Sự phân biệt giữa hai khái niệm
„quá trình kỹ thuật‟ và „quá trình công nghệ‟ ở đây không phải là vấn đề từ ngữ, mà
chỉ nhằm mục đích thuận tiện cho các nội dung trình bày sau này. Từ nay về sau,
nếu không nhấn mạnh thì khái niệm „„quá trình‟‟ có thể hiểu là „„quá trình công
nghệ ‟ hoặc „quá trình kỹ thuật‟ tuỳ theo ngữ cảnh của người sử dụng.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá
trình. Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh hoạ
trên hình 1-2. Một biến vào là một đại lượng hoặc điều kiện phản ánh tác động từ
bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
LuËn v¶n th¹c sÜ
nhiệt, trạng thái đóng mở của rơle sợi đốt,… Một biến ra là một đại lượng hoặc một
điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng
sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao,… Nhìn từ quan
điểm của lý thuyết hệ thống, các biến vào thể hiện.
Biến vào
Biến điều khiển
Nhiễu
Vật chất
Vật chất
Năng lượng
Năng lượng
Thông tin
QUÁ TRÌNH
Thông tin
Biến trạng thái
Biến ra
Biến không cần
điều khiển
Biến cần
điều khiển
Biến không cần
điều khiển
Hình 1-2: Quá trình và phân loại biến quá trình
Nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả (quan hệ nhân quả). Bên
cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái. Các biến
trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất
hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng
khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức. Trong nhiều trường
hợp, một biến trạng thái có thể coi là một biến ra. Ví dụ, mức nước trong bình chứa
vừa có thể coi là một biến trạng thái, vừa có thể coi là một biến ra.
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp
các biến vào của quá trình một cách hợp lý để biến ra của nó thoả mãn các chỉ tiêu
cho trước, đồng thời giảm thiểu 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 cũng như các
tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
LuËn v¶n th¹c sÜ
và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, một quá trình công nghệ thì không thể biến vào
nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
Biến cần điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến
trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị
mong muốn hay giá trị đặt (set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu
mẫu (command variable/reference signal). Các biến cần điều khiển liên quan hệ
trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm.
Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu
chất lượng trong hệ thống điều khiển quá trình. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn
lại của quá trình có thể được đo hoặc ghi chép hoặc hiển thị.
Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của quá trình sản
xuất có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn.
Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất. Những
biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm
vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu. Nhiễu tác động tới quá trình một cách
không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ nhiễu hoặc ít nhất là giảm
thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau
là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise). Nhiễu quá trình là nhiễu biến
vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được, ví
dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, v.v…
Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số trong giá trị đo
được. Lưu ý rằng cần phân biệt rạch ròi giữa các đầu vào / ra công nghệ và đầu vào
/ ra nhìn từ lý thuyết hệ thống. Nhìn từ phía công nghệ thì các đầu vào và đầu ra có
thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan điểm hệ thống thì ta chỉ quan tâm
tới các thông tin thể hiện qua các biến quá trình. Hình 1-3 minh hoạ một hình chứa
chất lỏng đơn giản cùng với các biến đặc trưng. Đây là một quá trình công nghệ,
trong đó chất lỏng được vận chuyển và lưu trữ. Mặc dù chất lỏng chảy vào và ra
khỏi bình nhưng cả lưu lượng vào và ra đều được coi là các biến vào, trong khi mức
chất lỏng h vừa có thể coi là một biến trạng thái hoặc một biến ra của quá trình.Bài
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
LuËn v¶n th¹c sÜ
toán điều khiển đặt ra là thông qua điều chỉnh độ mở van cấp, thay đổi lưu lượng
vào Fi một cách hợp lý để duy trì mức trong bình h ổn định tại một giá trị mong
muốn, không phụ thuộc vào lưu lượng ra Fo. Có thể dễ thấy mức chất lỏng h là biến
cần điều khiển và lưu lượng vào Fi là biến điều khiển. Trong khi đó lưu lượng ra Fo
phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của quá trình tiếp theo, không thể can thiệp được ở
đây, vì vậy được coi là nhiễu quá trình hay nhiễu tải.
Fi
Biến vào
Nhiễu Fo
Biến ra
Biến cần
điều khiển h
Biến điều
khiển Fi
h
BÌNH CHỨA
Fo
a) Sơ đồ công nghệ
b) Sơ đồ khối
Hình 1-3: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình
Các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được. Trong đa số các
trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được. Tuy nhiên nếu phép
đo một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể được
quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng khác thay vì
đo hoặc điều khiển trực tiếp. Vì thế một biến cần điều khiển trong một số trường
hợp chưa chắc sẽ là một biến được điều khiển. Trong nhiều bài toán thì việc nhận
biết quá trình cũng như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điều khiển
không phải bao giờ cũng dễ dàng. Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng
trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển mà ta sẽ bàn kỹ hơn trong các chương
sau.
1.1.1.2 Phân loại quá trình
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác
nhau. Cách phân loại thứ nhất là dựa theo số lượng biến vào và biến ra. Một quá
trình chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến còn nếu có nhiều biến ra thì
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
LuËn v¶n th¹c sÜ
gọi là quá trình đa biến. Một quá trình một vào - một ra được gọi tắt là SISO
(Single-input single-output), quá trình nhiều vào - nhiều ra được gọi tắt là MIMO
(multi – input multi - output). Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến.
Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái
tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại xá qua trình thành quá trình liên tục, quá trình
gián đoạn, quá trình rời rạc, quá trình mẻ. Trong một quá trình liên tục các
nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên
tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đã đạt được trạng thái xác lập, bản chất của quá
trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành. Các đại lượng đặc trưng của một quá
trình liên tục là các biến tương tự, tức chúng có thể lấy các giá trị bất kỳ trong phạm
vi giới hạn. Quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất
lỏng và chất khí là các quá trình liên tục tiêu biểu. Một quá trình gián đoạn (hay còn
gọi là quá trình không liên tục) có bản chất giống như quá trình không liên tục, tuy
nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định.
Trong một quá trình rời rạc các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một
số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho
trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy các đại lượng đặc trưng
của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến số nguyên, trong một
số trường hợp đặc biệt là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các
trạng thái logic). Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trình phục vụ, quá trình chế
tạo, quá trình lắp ráp là các quá trình rời rạc tiêu biểu.
Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), nó có đặc
trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động theo một
trình tự thao tác (công thức, recipe) cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian
ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ
bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt yếu tố thời gian và yếu tố sự
kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá trình mẻ. Các quá trình phản ứng
hoá học, quá trình pha chế, quá trình lên men (bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu
trong quá trình mẻ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
LuËn v¶n th¹c sÜ
Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các nghành công nghiệp
chế biến trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các nghành công nghiệp chế tạo
và lắp ráp. Do vậy trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trước hết tới các
quá trình liên tục và quá trình mẻ. Tuy nhiên ngay cả trong những nhà máy chế biến
cũng tồn tại một số quá trình rời rạc, ví dụ quá trình nhập-xuất hàng, vận chuyển,
đóng bao, đóng chai, khởi động/dừng thiết bị v.v…
1.1.2. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn,
hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một
hệ thống điều khiển quá trình người kỹ sư phải tìm hiểu rõ các mục đích điều khiển
và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài
toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển bao giờ cũng bắt đầu từ việc tiến
hành phân tích và cụ thể hoá các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều
khiển là một cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ
thống điều khiển quá trình.
Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại
và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:
1. Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt
động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo
các điều kiện theo yêu cầu chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ của máy móc, thuận
tiện trong vận hành.
2. Đảm bảo năng xuất và chất lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và
duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu.
3. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự
cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc và thiết bị và môi trường xung quanh
trong trường hợp xảy ra sự cố.
4. Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ
khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụ i và khói,
giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
LuËn v¶n th¹c sÜ
5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: đảm bảo năng xuất và chất lượng theo yêu
cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh
với yêu cầu thay đổi thị trường.
Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ chức năng của điều khiển
quá trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh hoạ trên hình 1- 4. Hai
dòng nguyên liệu có thành phần chất A lần lượt là x1 và x2 được đưa vào thiết bị
khuấy trộn tạo ra một sản phẩm có thành phần x theo yêu cầu. Lưu lượng khối
lượng của các dòng nguyên liệu được ký hiệu là w1 và w2, có thể điều chỉnh qua hai
van cấp tương ứng. Quá trình pha chế được hỗ trợ bởi một hệ thống khuấy trộn gắn
với động cơ. Dung dịch sản phẩm được đưa tới quá trình tiếp theo với lưu lượng
x1
x2
w1
w2
h
x
w
Hình 1.4: Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản
khối lượng w. Thiết bị khuấy trộn có thể hoạt động theo chế độ liên tục hoặc theo
mẻ, ở đây ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục.
1.1.2.1. Vận hành ổn định
Để đảm bảo một nhà máy vận hành ổn định và trơn tru, yêu cầu trước tiên là
từng tổ hợp công nghệ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự phối
hợp giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru. Trong lý thuyết điều khiển tự động,
chúng ta đã có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của hệ thống và cách xác
định tính ổn định bằng các công cụ toán học và đồ hoạ. Ở đây tính ổn định sẽ được
diễn giải một cách thực tế, theo yêu cầu vận hành của quy trình công nghệ.
Tại sao việc vận hành ổn định một quá trình lại có vai trò quan trọng như vậy?
Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng vật chất hoặc năng
lượng, dẫn đến đảm bảo các yêu cầu về chế độ làm việc của các thiết bị công nghệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
LuËn v¶n th¹c sÜ
như tránh tràn hoặc tránh cạn bình chứa, tránh qua áp, quá nhiệt trong lò hơi,… Thứ
hai, một hệ thống vận hành ổn định, trơn tru cũng đồng nghĩa với việc tín hiệu điều
khiển cố định hoặc ít thay đổi. Cũng chính vì vậy các thiết bị chấp hành cũng ít phải
thay đổi chế độ làm việc hơn, tuổi thọ thiết bị, máy móc sẽ được kéo dài. Trong chế
độ vận hành ổn định và trơn tru các van điều khiển không phải thay đổi góc mở một
cách thường xuyên hoặc không phải thay đổi một cách đột ngột, các động cơ không
phải thay đổi tốc độ một cách quá nhanh. Thứ ba hệ thống có vận hành ổn định thì
mới có thể ổn định năng xuất và chất lượng sản phẩm theo yêu cầu. Hơn nữa hệ
thống vận hành ổn định thì người vận hành cũng ít phải can thiệp và việc vận hành
hệ thống trở nên thuận tiện và an toàn hơn.
Trong thực tế không phải một hệ thống nào cũng phải ở chế độ vận hành bình
thường, liên tục mà còn ở các giai đoạn khởi động hoặc dừng, điểm làm việc cũng
có thể thay đổi do yêu cầu thay đổi giá trị hoặc do tác động của nhiễu và vì theo mẻ
với các sản phẩm khác nhau, hoặc trong khi vận hành liên tục người ta có thể yêu
cầu thay đổi lưu lượng hoặc nồng độ của sản phẩm ra. Bản thân nhiều quá trình
không có tính tự cân bằng (không ổn định), vì thể chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của
biến đầu vào cũng có thể đưa quá trình tới trạng thái mất ổn định. Bất kể đặc tính
động học của quá trình ra sao, giá trị đặt thay đổi hoặc tác động của nhiễu thế nào
nhiệm vụ điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng thái vận hành ổn định,
có thể làm việc tại một điểm làm việc mới. Đó cũng chính là một nhiệm vụ thuộc
phạm vi chức năng điều chỉnh, chức năng quan trọng nhất trong một hệ thống điều
khiển quá trình.
1.1.2.2. Năng xuất và chất lượng sản phẩm
Trong lĩnh vực công nghệ hoá học và thực phẩm, chất lượng sản phẩm hầu hết
được thể hiện trực tiếp qua thành phần hoá học, nồng độ, mật độ và một số tính chất
hoá học hoặc vật lý khác. Trong khi đó, năng xuất thường được thể hiện qua lưu
lượng sản phẩm. Nhiệm vụ đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng xuất cũng thuộc
về chức năng điều chỉnh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
LuËn v¶n th¹c sÜ
Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản phẩm.
Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn. Để đảm bảo chất lượng sản
phẩm, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại một giá trị bất
kỳ, mà phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong phạm vi
cho trước. Trong ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng sản phẩm đòi hỏi thành phần
ra không những ổn định mà còn phải đảm bảo đúng theo một giá trị đặt trước, hoặc
ít ra là với một sai lệch nằm trong một phạm vi cho phép. Như vậy sai lệch điều
khiển hay nói đúng hơn diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong
những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng.
1.1.2.3. Vận hành an toàn
Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo
vận hành một hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ mọi người, các thiết bị máy
móc va môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố. Chính vì tầm
quan trọng của vấn đề an toàn cho máy móc, con người và môi trường xung quanh
chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với một hệ thống có thể vượt xa chi phí cho
thực hiện các chức năng điều khiển thuần tuý.
Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ,
áp suất nằm trong một phạm vi cho phép. Do đặc thù của mỗi quá trình công nghệ,
một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng sản phẩm
nhưng cũng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại gần một giá trị thích hợp
hoặc xê dịch trong một phạm vi nhất định. Ví dụ, dù hệ thống động cơ khuấy trộn
có thể đạt tốc độ quay rất cao thì yêu cầu về an toàn của hệ thống cũng không cho
phép đặt một tốc độ cao tuỳ ý. Vì thế việc khống chế tốc độ động cơ là điều cần
thiết. Cũng như vậy, mặc dù mức trong bình không ảnh hưởng một cách quyết định
tới chất lượng sản phẩm được pha chế thì yêu cầu an toàn cũng không cho phép giá
trị mức quá cao, hoặc quá thấp mà đồng thời hệ thống động cơ khuấy đang hoạt
động. Cho nên bài toán điều khiển mức ở đây vừa đảm bảo nguyên lý cân bằng vật
chất, vừa đảm bảo an toàn hệ thống. Trong các ví dụ khác như nồi hơi hoặc thiết bị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20
LuËn v¶n th¹c sÜ
phản ứng thì việc điều chỉnh khống chế các giá trị mức, nhiệt độ, áp suất là các bài
toán hết sức quan trọng.
1.1.2.4. Bảo vệ môi trường
Một hệ thống vận hành an toàn không thể xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo
vệ môi trường. Tuy nhiên vấn đề bảo vệ môi trường cần được chú trọng hơn thông
qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước tải, hạn chế
lượng bụi và khói. Dễ thấy mức độ ôi nhiễm môi trường của một nhà máy một phần
liên quan tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng, như một phần không nhỏ
thuộc trách nhiệm của hệ thống điều khiển. Việc giảm thiểu hoặc ít nhất là duy trì
các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ thuộc vào chức
năng điều chỉnh đặt ra duy trì tỷ lệ giữa lượng nhiên liệu (bột than) và không khí ở
một giá trị thích hợp tuỳ theo nồng độ ôxy trong không khí và chất lượng than.
Việc giảm tiêu thụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng một mặt nâng cao chất
lượng và nâng cao hiệu quả kinh tế, mặt khác góp phần bảo vệ tài nguyên thiên
nhiên và môi trường. Đây cũng là vấn đề thuộc trách nhiệm chung của những nhà
thiết kế công nghệ cùng những người thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển.
Cần lưu ý rằng những dây chuyền công nghệ mới cho phép vận hành với hiệu quả
cao, tiêu ít nhiên nguyên vật liệu thông qua chu trình kết hợp, chu trình khép kín và
tái sử dụng năng lượng, nhưng lại là những quá trình rất khó điều khiển, điều kiện
vận hành bị ràng buộc, đặt ra yêu cầu ngày càng cao hơn cho các chức năng điều
khiển quá trình.
1.1.2.5. Hiệu quả kinh tế
Để đạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải
đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, mà năng xuất phải thích ứng được với yêu cầu thị
trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) cũng như
tiêu hao ít nguyên nhiên liệu. Rõ ràng bài toán đặt ra là ta phải cân nhắc giữa chi phí
cho tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm.
Ví dụ để cải thiện chất lượng điều khiển ta cần các thuật toán tác động nhanh. Tuy
nhiên tác động nhanh đồng nghĩa với tổn hao nhiều năng lượng cho các cơ cấu chấp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
LuËn v¶n th¹c sÜ
hành (động cơ, máy bơm, van điều khiển), đồng thời tác động nhanh cũng thường
dẫn tới giảm tuổi thọ cho các thiết bị. Cách giải quyết thông thường là xây dựng và
giải quyết bài toán điều khiển tối ưu, trong đó chất lượng điều khiển và chi phí điều
khiển được đặt chung với các trọng số khác nhau trong hàm mục tiêu cần cực tiểu
(điều khiển tối ưu).
1.1.3. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
Việc phân tích các mục đích điều khiển ở phần trên cũng đã làm rõ được các
chức năng quan trọng của một hệ thống điều khiển quá trình. Theo quan niệm cổ
điển, chức năng điều khiển quá trình bó hẹp trong bài toán điều chỉnh tự động cho
các quá trình liên tục trong đó biến đầu ra được duy trì tại một giá trị đặt cố định.
Đặc thù của các dây chuyền công nghệ này là các quá trình biến đổi về chất hoặc
các quá trình biến đổi về năng lượng, chính vì vậy điều khiển tự động có vai trò
quan trọng hàng đầu. Tuy nhiên trong nhiều dây chuyền sản xuất hiện đại các quá
trình công nghệ diễn ra liên tục hoặc theo mẻ, các giá trị đặt có thể ít thay đổi hoặc
thay đổi liên tục. Bên cạnh đó các yêu cầu về giảm tiêu thụ năng lượng khả năng
vận hành hệ thống thuận tiện và an toàn cho con người, máy móc và môi trường
cũng được đặt ra cao hơn. Mặc dù điều chỉnh là chức năng tiêu biểu nhất song để
đạt được các mục đích điều khiển đã đặt ra như phân tích trên đây ta cũng cần quan
tâm tới các bài toán khác như bài toán điều khiển khoá liên động, điều khiển trình
tự, vận hành và giám sát, điều khiển chất lượng, tối ưu hoá quá trình sản xuất…
Các chức năng điều khiển quá trình có thể được phân cấp theo nhiều cách khác
nhau, ví dụ theo thiết bị thực hiện, theo mức độ tự động hoá hoặc theo tính chất
nhiệm vụ. Hình 1-5 mô tả một cách phân cấp các chức năng điều khiển quá trình
dựa theo tiêu chuẩn IEC 60050-351 với các thuật ngữ nguyên bản đưa ra trong các
bảng chú thích bên dưới. Trong thực tế, các chức năng cũng có thể được xếp vào
một trong bốn nhóm chính dựa theo tính chất nhiệm vụ là: giao diện quá trình, điều
khiển cơ sở, điều khiển cao cấp và vận hành giám sát. Phần dưới đây sẽ làm rõ bốn
chức năng này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
LuËn v¶n th¹c sÜ
L
E
Vận hành, giám sát
F
I
Điều khiển cao cấp
H
Giao diện quá trình
K
G
C
Chú thích
A
Người vận hành
Hệ thống điều khiển quá trình
Quá trình
B
C
D
E
F
Nhiễu từ bên ngoài
Giám sát, đánh giá, tối ưu hoá
Can thiệp của con người
Đo lường, đếm
G
Đánh giá, giám sát, điều khiển vòng hở,
điều khiển vòng kín, tối ưu hoá, bảo vệ
H
I
Chỉ thị, báo hiệu, ghi chép
Can thiệp, đóng cắt
Mệnh lệnh
K
L
Hình 1.5. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
LuËn v¶n th¹c sÜ
1.1.3.1. Giao diện quá trình
Cấp giao diện quá trình bao gồm các chức năng đo lường, chuyển đổi/truyền
tín hiệu cấp trường, hiển thị, ghi chép giá trị tại chỗ, đóng/cắt, truyền động và bảo
vệ. Nếu so sánh với mô hình phân cấp tự động hoá thì giao diện quá trình tương ứng
với cấp cảm biến-chấp hành hoặc một phần của cấp trường. Đây thực ra không phải
là chức năng điều khiển, tuy nhiên không thể hiện được trong một hệ thống điều
khiển quá trình.
1.1.3.2. Điều khiển cơ sở
Theo tiêu chuẩn ANSI/ISA 88.01-1995, điều khiển cơ sở được định nghĩa là
“điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của thiết bị
hay quá trình”. Chức năng điều khiển có thể do các bộ điều khiển thực hiện một
cách tự động (điều khiển tự động), hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm
(điều khiển bằng tay). Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống
điều khiển quá trình bao gồm điều chỉnh, điều khiển rời rạc và điều khiển trình tự.
Cũng theo theo định nghĩa trong ANSI/ISA 88.01-1995, chức năng điều chỉnh
được định nghĩa là “nhằm duy trì các biến đầu ra của một quá trình gần như có thể
với các giá trị đặt tương ứng trong các điều kiện tác động nhiễu và giá trị đặt thay
đổi”. Tất nhiên điều chỉnh tự động là chức năng quan trọng nhất mà một hệ thống
điều khiển quá trình cung cấp. Điều chỉnh là bài toán đặc trưng trong các lĩnh vực
công nghiệp chế biến, song cũng là bài toán điều khiển phổ biến trong các lĩnh vực
khác. Cũng vì thế điều chỉnh là một nội dung trọng tâm của lý thuyết điều khiển tự
động.
Bên cạnh điều chỉnh thì điều khiển rời rạc cũng là một chức năng điều khiển
cơ sở không thể thiếu được trong một hệ thống điều khiển quá trình. Cũng theo định
nghĩa trong ANSI/ISA 88.01-1995, điều khiển rời rạc là duy trì các trạng thái thiết
bị quá trình tại một giá trị đích lựa chọn từ một tập các trạng thái ổn định biết
trước”. Điều khiển thiết bị đơn lẻ đơn thuần là điều khiển khởi động, dừng hoặc
chuyển chế độ cho các quá trình đơn lẻ, ví dụ băng tải, động cơ, máy đóng cắt. Điều
khiển liên động bảo đảm chức năng bảo vệ, an toàn cho các máy móc và con người.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
24
LuËn v¶n th¹c sÜ
Ví dụ người ta có thể trang bị một số cảm biến để phát hiện các trường hợp sự cố
như quá áp, quá nhiệt, khí độc và sử dụng mạch lôgic để đưa ra các báo động cũng
như thực hiện các biện pháp nhằm đưa hệ thống về trạng thái an toàn. Trong đa số
các trường hợp các trạng thái biểu thị tính logíc như đóng/mở, chạy/dừng, vì thế
khái niệm điều khiển lôgic cũng hay được sử dụng (ví dụ điều khiển hai trạng thái,
điều khiển mờ), vì thế ta không nên coi điều khiển logic là một bài toán điều khiển,
mà là một dạng thuật toán điều khiển.
Điều khiển trình tự được định nghĩa là một lớp chức năng điều khiển quá trình
công nghiệp với mục đích đưa quá trình kỹ thuật qua một trình tự các trạng thái
riêng biệt. Điều khiển trình tự có vai trò đặc biệt quan trọng trong thực hiện khởi
động hoặc dừng một nhóm thiết bị hoặc dừng cả hệ thống cũng như trong các bài
toán điều khiển theo mẻ là các ứng dụng tiêu biểu khác của điều khiển trình tự.
1.1.3.3. Điều khiển vận hành và giám sát
Một hệ thống điều khiển hiện đại không chỉ dừng lại ở mức độ điều khiển tự
động mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát. Ví dụ người vận hành
phải có khả năng khởi động hệ thống, dừng hệ thống, quán sát các đại lượng quá
trình cần điều khiển và thay đổi giá trị đặt cho chúng, thay đổi chế độ vận hành,
chỉnh định lại tham số cho các bộ điều khiển… Đó chính là các nhiệm vụ thuộc về
điều khiển vận hành và giám sát. Khác với điều khiển tự động, điều khiển vận hành
và giám sát có sự tham gia can thiệp trực tiếp của con người để thực hiện việc vận
hành hệ thống được hiệu quả cao hơn. Các chức năng điều khiển giám sát tiêu biểu
là giao diện người-máy, lưu trữ dữ liệu, hệ thống quản lý sự kiện và báo động và
lập tức báo cáo tự động.
Trong các hệ thống điều khiển giám sát thì giao diện người-máy là chức năng
quan trọng nhất. Giao diện người-máy cung cấp màn hình hiển thị hình ảnh chuẩn
về hệ thống và thiết bị, các hình ảnh đồ hoạ tự do, lưu đồ công nghệ, đồ thị thời
gian thực và đồ thị quá khứ, các tham số điều khiển, tình trạng các động cơ, các
bảng tóm tắt báo động. Giao diện người-máy hỗ trợ thao tác vận hành thông qua các
phương tiện chuẩn như phím điều khiển, chuột, màn hình tiếp xúc. Giá trị của các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
25
LuËn v¶n th¹c sÜ
biến quá trình cũng như các biến trạng thái máy móc được thực hiện thu thập, lưu
trữ và quản lý trong một hệ thống cơ sở dữ liệu. Trong một số ứng dụng, các dữ
liệu vận hành cũng liên tục được vận hành để tiện theo dõi về sau. Hệ thống cơ sở
dữ liệu quá trình là thành phần trung tâm của phần mềm điều khiển giám sát.
1.1.3.4. Điều khiển cao cấp
Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là một chức năng điều khiển tự
động nhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với các tín
hiệu vào/ra của quá trình. Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo ra giá trị
đặt hoặc can thiệp vào các tham số điều khiển cơ sở. Thông thường chức năng điều
khiển cao cấp được đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành và giám sát. Một hệ
thống điều khiển quá trình có thể được cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp
như điều khiển công thức và quản lý mới mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển
chất lượng và tối ưu hoá thời gian thực.
1.1.4. Các thành phần cơ bản của hệ thống
Tuỳ theo mức độ ứng dụng và mức độ tự động hoá các hệ thống điều khiển
quá trình công nghiệp có thể đơn giản tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa
trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển.
Tín hiệu
điều
Biến điều
khiển
Biến cần
điều
Giá trị đặt
Bộ điều
khiển
Thiết bị
chấp
Quá trình
công nghệ
(SP)
(CO)
(MV)
(CV)
Tín hiệu đo
(PM)
Đại lượng đo
Thiết bị
đo
(PV)
Thuật ngữ:
Giá trị đặt
Set Point (SP), Set Value (SV)
Tín hiệu điều khiển
Biến điều khiển
Biến được điều khiển
Đại lượng đo
Control Signal, Control Output (CO)
Control Variable, Manipulated Variable (MV)
Controlled Variable (CV)
Measured Variable, Process Vulue (PV)
Measured Signal, Process Measurement (PM)
Tín hiệu đo
Hình 1.6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Tải về để xem bản đầy đủ
123 trang
22/08/2024
690
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_ung_dung_he_dieu_khien_du_bao_de_dieu_kh.pdf
