HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN QUÁ TRÌNH

 Chương I

 

KHÁI NIỆM VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 

 

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

 

 1.1.1. Các khái niệm chung

 

-    Quá trình điều khiển là quá trình tác động có mục đích lên đối tượng điều khiển (ĐTĐK), (các chữ viết tắt xin xem phần “Các thuật ngữ viêt tăt” tiêp ngay phần “Mở đầu”).

 

-   ĐTĐK là đối tượng được tác động có mục đích, ở đây là các quá trình đã được giới thiệu.

 

-   Điều khiển tự động (ĐKTĐ) là quá trình điều khiển được thực hiện không cần sự tác động trực tiếp của con người lên ĐTĐK. Sự tác động lên ĐTĐK trong ĐKTĐ được thực hiện nhờ thiết bị điều khiển (TBĐK).

 

-   Thiết bị điều khiển (TBĐK) là một phần cùa hệ thống điều khiển, trong đó tín hiệu vào là tín hiệu chủ đạo (tín hiệu của giá trị yêu câu), còn có thê thêm các đại lượng được điều khiển từ đối tượng điều khiển phản hôi; tín hiệu ra là đại lượng tác động, tác động lên ĐTĐK (ở đây là quá trình).

 

-   Hệ thống điều khiễn (HTĐK) là hệ thống thực hiện quá trình tác động của

 

ĐKTĐ được hình thành dần dần và đến ngày nay có nhiều dạng ĐKTĐ mà thông thường nhất có thể phân thành hai loại:

 

-            ĐKTĐ theo mạch hở (feedforward control - sơ đồ hình 1.2)

 

ĐKTĐ theo vòng lặp kín (feedback control - hìnhl.3, ở đây đề cập đến nguyên tắc điều khiển theo độ lệch).

Một số ví dụ về phần tử tự động hóa: https://intech-groupvn.blogspot.com/2020/10/mot-so-vi-du-ve-cac-phan-tu-va-he-thong.html

 

1.1.2. ĐKTĐ theo mạch hở và ĐKTĐ theo vòng lặp kín

 

ĐKTĐ theo mạch hở, biểu diễn bằng sơ đồ sau:

 

Trong sơ đồ hình 1.2 cần giải thích thêm :

 

CCĐK: Cơ cấu điều khiển hay gọi là bộ điều chỉnh (controller);

 

CCCH: Cơ cấu chấp hành;

 

w : Giá trị yêu cầu, chính là mục tiêu điều khiển và là tín hiệu chủ đạo

 

(cũng là giá trị đặt- SP: set point);

 

X:    Đại lượng được điều khiển, chính là giá trị thực của đại lượng ra từ ĐTĐK;

 

 

Z:   Đại lưọng nhiễu;

 

Y:   Đại lưọng tác động.

Trong sơ đồ hình 1.3 có thêm các ký hiệu cần được giải thích:

 

BĐC: bộ điều chỉnh;

 

CCĐL : cơ cấu đo lường;

 

X’: giá trị chuyển đổi tín hiệu của đại lượng ra qua cơ cấu đo lường;

 

Yr, Yh : giá trị của các đại lượng điều chỉnh (tự động hay bằng tay) tạo ra tín hiệu vào cơ cấu chấp hành ( CCCH ) rồi từ đó tạo ra tác động Y vào ĐTĐK;

 

 

Zi : nhiễu tác dụng vào CCCH;

 

Z2  : nhiễu tác dụng vào ĐTĐK;

-            Xd: giá trị hiệu của w và X (độ lệch) là tín hiệu ra từ phần tử so sánh (PTSS) đồng thời cũng là tín hiệu vào bộ điều chỉnh.

 

Các loại BĐC gồm các kiểu điều khiển p, I, D, PI, PD, PID

 

trong đó:

 

+   p : Điều khiển tỷ lệ (điều khiển nguyên hàm)

 

+   I : Điều khiển tích phân

 

+   D : Điều khiên đạo hàm

 

+   P I ; Điều khiển “tỷ lệ - tích phân”

 

+   PD: Điều khiển “tỷ lệ - đạo hàm”

 

+   PID: Điều khiển “tỷ lệ - tích phân - đạo hàm” ĐTĐK ở đây là các quá trình

w còn gọi là thông số đặt ban đầu, ký hiệu là SP (set point).

 

Y còn được gọi là thông số điều khiển (TSĐK) ký hiệu là c o , TSĐK do TBĐK tạo ra để tác động vào ĐTĐK

 

X là thông số thực của ĐTĐK, có thể đưa phản hồi ngay vào PTSS ở đầu vào, nhưng thông thưòng khi qua cơ cẩu đo lường (CCĐL) được khuếch đại (tín hiệu sau đó được ký hiệu là X’) rồi mới vào phần từ so sánh.

 

Giá trị kết quả qua cơ cấu so sánh Xd còn có thể ký hiệu là e, độ lệch

 

X d = w - X ’

(1.1)

 

Thiết bị điều khiển (TBĐK) là một phần của hệ thống điều khiển, trong đó tín hiệu vào là đại lượng được điều khiển X từ đối tượng điều khiển (quá trình) và tín hiệu chủ đạo w (tín hiệu của giá trị yêu cầu) từ thiết bị chủ đạo ; tín hiệu ra là đại lượng tác động Y, tác động lên ĐTĐK (quá trình điều khiển).

 

1.1.3. Phân loại bộ điều chỉnh

 

Có nhiều cách phân loại BĐC (còn gọi là cơ cấu điều chỉnh), bao gồm: phân loại theo dạng tín hiệu điều khiển, phân loại theo theo năng lượng sử dụng, phân loại theo đặc tính quá độ.

 

 

a. Theo tín hiệu :

 

-Cơ cấu điều chinh tín hiệu liên tục (tương tự)

 

-Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu gián đoạn, điển hình là cơ cấu điều chỉnh hai điểm và cơ cấu điều chỉnh 3 điểm

 

-Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu rời rạc (tín hiệu số, DDC-Direct Digital Control)

 

b. Theo năng lượng sử dụng:

 

-Cơ cấu điều chỉnh bằng khí nén (đại lượiig ra tiêu chuẩn áp suất p từ 0...1 bar)

-Cơ cấu điều chỉnh bàng thuỷ lực

 

-Cơ cấu điều chỉnh bằng điện, điện tử (đại lượng điện ra tiêu chuẩn dòng điện I từ 0 ...20 mA và điện áp u từ 0...10 V)

 

c. Theo đặc tính quá độ:

 

-Cơ cấu điều chỉnh tỷ lệ (nguyên hàm), được gọi là cơ cấu p

 

-Cơ cấu điều chỉnh tích phân (cơ cấu I)

 

-Tương tự có các loại cơ cấu đạo hàm (D), cơ cấu tỷ lệ-tích phân (PI), cơ cấu tỷ lệ- đạo hàm (PD), cơ cấu PID.

1.2. MINH HOẠ, GIẢI THÍCH CÁC ĐẠI LƯỢNG c ơ BẢN VÀ CÁC VÍ DỤ ĐKTĐ

 

 1.2.1. Đại lượng được điều khiển X (PV)

 

Giá trị thực của đại lượng được điều khiển (còn gọi là đại lượng ra). Trong hệ thống điều khiển quá trình, giá trị này được kí hiệu là PV (Process Value). Trong minh họa hình 1.4 là mức chất lỏng trong bể chứa (bể cao là bể được điều khiển mức) tại mỗi thời điểm.

Giá trị này được cơ cấu đo ghi lại (qua cảm biến mức) đưa về bộ điều khiển số công nghiệp (trong mô hình ví dụ ) cùng với giá trị yêu cầu ban đầu, cùng qua bộ so sánh vào bộ phận xử lý của bộ điều chỉnh.

1.2.2. Đại lượng tác động Y

 

Là đại lượng do cơ cấu điều khiển tạo ra để tác động vào đối tượng điều khiển làm cho thay đổi đại lượng được điều khiển X (sao cho X dần dần xấp xỉ với giá trị yêu cầu W).

Trong hệ thống điều khiển quá trinh còn kí hiệu đại lượng tác c / :g là CO. ở hinh 1.5, đại lượng tác động Y trong ví dụ trạm điều khiển mức là độ mở của van điều khiển, nếu mức đo được (giá trị PV) iớn hom giá trị yêu cầu thì độ mở của van giảm (thu nhỏ dòng cung cấp), ngược lại thì độ mờ của van tăng.

1.2.3. Giá trị yêu cầu hay mục tiều điều khiển w

Giá trị đưa vào ban đầu ( Set Point -- SP ), đó chính là mục tiêu điều khiển w chuyển tín hiệu chủ đạo vào TBĐK, trong điều khiển theo vòng lặp kín , cùng với tín hiệu chủ đạo w (SP) ở đầu vào còn có các tín hiệu hồi tiếp X (PV).

Tín hiệu hồi tiếp (X ) được so sánh với tín hiệu chủ đạo ( w ) qua phần tử so sánh để vào bộ phận xử lý tiếp trong TBĐK.

 

ở     ví dụ hình 1.6 giá trị yêu cầu SP ở trạm điều khiển mức là mức chất lỏng cần ổn định ở bể chứa (bể cao) được biểu diễn trên hình là vạch đậm ký hiệu SP.

1.2.4. Đại lượng nhiễu (z)

 

Đại lượng nhiễu trong quá trình điều khiển và điều chỉnh là các đại lượng tác động vào quá trình làm thay đổi hành vi của tác động (nhiễu ở cơ cấu chấp hành) hoặc đại lượng ra (nhiễu ở ĐTĐK) của hệ mà HTĐK không làm thay đổi chúng.

ở      ví dụ hình 1.7 van xả từ đáy của bể cao (bể được điều khiển mức) thay đổi lượng chất lỏng xả về bể nguồn (bể thấp) để mô phỏng nhiễu ở trạm điều khiển mức. Trong dây chuyền công nghệ đó vừa là lượng chất lỏng tiêu thụ thay đổi trong dây truyền công nghệ, vừa bao gồm cả những thât thoát do bay hơi, rò ri... ở ví dụ trên mô hinh thiết bị, thay đổi độ mở của van bằng tay để mô phỏng quá trình nhiễu.

1.2.5. Độ chênh lệch (e) giữa giá trị yêu cầu và giá trị đo hồi tiếp

 

Trong hình 1.8 đối tượng điều khiển là nước của bể chứa ( bể cao ). Khi đó độ chênh lệch giữa mức nước yêu cầu ( w ) và mức nước thực tế tại thời điểm đo (mức nước đo được) được ký hiệu là e:

 

e = w - x

(1.2)

Trong mô hình HTĐKQT của FESTO, đại lượng này kí hiệu là X(j; Đó chính là dữ liệu từ đầu ra của phần tử so sánh đi vào bộ phận xử lý tiếp của TBĐK.

 

1.2.6 Các ví dụ ĐKTĐ theo mạch hở và ĐKTĐ theo vòng lặp kín

 

 

Để minh hoạ và so sánh hai dạng điều khiển theo mạch hở và kín ta khảo sát ví dụ hai trường hợp điều khiển thiết bị sưởi sử dụng nước nóng để điêu khiển nhiệt độ ữong phòng tìieo yêu cầu.

 

+ Trường họp 1, điều khiển theo mạch hở (hình 1.9)

 

Trong hình 1.9 A:

 

1. Công tắc nhiệt kế;                                                                       4. Thiết bị sưởi;

 

2. Rơle;                                                                             5. Van cấp hod nước nóng.

 

3. Nam châm điện;

TI biểu diễn bằng 2 mũi tên chi 2 yếu tố đầu vào của cảm biến nhiệt độ A, đó là nhiệt độ bên ngoài và nhiệt độ yêu cầu (nhiệt độ mong muốn đạt được ở trong phòng)