Tài liệu Bài giảng điều khiển quá trình

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GV Biên soạn: Phạm Đức Hùng, Trần Thị Thường 1 MỞ ĐẦU Học phần Điều khiển quá trình được giảng dạy cho sinh viên năm cuối hệ đại học cho hai chuyên ngành Tự động hóa và Đo lường Điều khiển tự động trong trường Đại học SPKT Hưng Yên. Học phần đòi hỏi có kiến thức của các môn Lý thuyết ĐKTĐ, ngôn ngữ lập trình, các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm. Hi vọng tập đề cương này cung cấp kiến thức cần thiết cho các bạn về môn học còn mới mẻ này. Mọi ý kiến trao đổi và thắc mắc xin gửi về hòm thư: [email protected]. hoặc [email protected]. chân thành cảm ơn! 2 Tác giả xin MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 2 TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN ................................................................................................. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ................................... 6 1.1.Mở đầu ..............................................................................................................6 1.1.1.Khái niệm Điều khiển quá trình .................................................................6 1.1.2. Mục đích và chức năng của ĐKQT ..........................................................6 1.1.3.Tầm quan trọng của điều khiển quá trình ..................................................7 1.2. Nhiệm vụ của điều khiển quá trình .................................................................7 1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình..............................8 1.3.1. Thiết bị đo .................................................................................................8 1.3.2 Thiết bị chấp hành ....................................................................................11 1.3.3 Các bộ điều khiển phản hồi ......................................................................11 1.4. Trình tự phát triển hệ thống ...........................................................................12 1.4.1. Phân tích chức năng hệ thống .................................................................12 1.4.2. Xây dựng mô hình toán học ....................................................................12 1.4.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển .................................................................13 1.4.4. Thiết kế bộ điều khiển.............................................................................13 1.4.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống ...................................................................13 1.4.6. Phát triển phần mềm ứng dụng ...............................................................14 1.4.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành.............................................................14 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝ THUYẾT&NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH................................................................................................................ 16 2.1 Mô hình và mục đích mô hình hóa .................................................................16 2.2 Mô hình hóa lý thuyết.....................................................................................18 2.2.1 Trình tự mô hình hóa theo lý thuyết ........................................................19 2.2.2. Các phương trình cân bằng .....................................................................26 3 2.2.3.Tuyến tính hóa mô hình hàm truyền đạt ..................................................32 2.3 Nhận dạng hệ thống ........................................................................................42 2.3.1 Các bước nhận dạng .................................................................................42 2.3.2 Các phương pháp nhận dạng ....................................................................43 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN....................................................................... 48 3.1. Khảo sát đặc tính quá độ của bình mức chất lỏng .........................................48 3.2 Các phương pháp dựa trên đặc tính đáp ứng ..................................................51 3.2.1 Phương pháp dựa trên đáp ứng bậc thang................................................51 3.2.2 Phương pháp dựa trên đáp ứng dao động tới hạn ....................................52 3.2.3 Các phương pháp dựa trên mô hình mẫu .................................................52 3.3. Mô phỏng trên Matlab- Simulink các phương pháp thiết kế bộ điều khiển .54 CHƯƠNG 4:THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ................... 59 4.1. Mở đầu ...........................................................................................................59 4.2. Mô hình tháp của hệ thống điều khiển và quản lý sản xuất ..........................63 4.3. Thiết bị thu thập dữ liệu ................................................................................64 4.3.1 Nhiệm vụ của thiết bị thu thập dữ liệu.....................................................64 4.3.2 Thiết kế và xây dựng bộ thu thập dữ liệu cho hệ thống cô đặc ...............65 CHƯƠNG 5:ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 5.1 Xây dựng hệ thống thiết bị cô đặc dịch thực phẩm kém chịu nhiệt…………70 5.2 Kiểm soát và điều khiển quá trình cô đặc dịch thực phẩm kém chịu nhiệt..81 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................... 86 4 TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN Điều khiển quá trình là môn khoa học nghiên cứu về tĩnh và động học của sự biến đổi lý hóa trong các quá trình công nghệ của sản xuất công nghiệp, phục vụ cho thiết kế thiết bị công nghệ và hệ điều khiển các quá trình công nghệ đó. Do vậy điều khiển quá trình là cốt lõi của hệ tự đông hóa quá trình công nghệ. Nghiên cứu ĐKQT có hai hướng tiếp cận: Hướng thứ nhất thuộc về các nhà công nghệ nghiên cứu DKQT phục vụ khâu thiết kế dây chuyền thiết bị công nghệ và đề xuất nhiệm vụ điều khiển quá trình công nghệ. Hướng thứ hai là các nhà nghiên cứu về điều khiển và tự đông hóa nghiên cứu điều khiển quá trình để thiết kế, lắp đặt, chỉnh định và vận hành điều khiển và tự động hóa quá trình công nghệ. CHƯƠNG 1 trình bày các khái niệm, định nghĩa cũng như phân loại điều khiển quá trình. Các đặc điểm của các biến quá trình chính và yêu cầu điều khiển của từng mạch vòng cơ bản trong hệ điều khiển quá trình. Trình bày các phương pháp xây dựng phương trình cân bằng của quá trình. CHƯƠNG 2 nói về đặc tính thiết bị đo và cơ cấu chấp hành“ trình bày khía quát các nguyên lý, đặc tính cơ bản của thiết bị đo và cơ cấu chấp hành trong các quá trình phục vụ cho việc ứng dụng vào hệ điều khiển trong công nghiệp. CHƯƠNG 3 mô tả động học các quá trình cơ bản , tập trung nghiên cứu động học các quá trình cơ bản như đường ống, mạch vòng điều khiển lưu lượng, động lực học các quá trình sấy, động học các quá trình cô đặc. CHƯƠNG 4 giới thiệu khái quát chung về điều khiển phản hồi ứng dụng trong điều khiển quá trình. Chương này tóm lược lý thuyết về bộ điều khiển PID, các phương pháp thiết kế chỉnh định bộ PID và phương pháp đánh giá hệ điều khiển. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1.Mở đầu Điều khiển tự động phát triển theo hai hướng là lý thuyết và ứng dụng, hướng lý thuyết phát triển theo hướng tìm ra các bộ điều khiển thông minh (mờ, nơron, thích nghi…), còn hướng ứng dụng là tìm ra các giải pháp vận hành, điều khiển các quá trình công nghệ cụ thể trong thực tiễn. Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào trong các ngành công nghiệp chế biến (công nghệ hóa học, sinh học và thực phẩm), là sự kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động với qui trình công nghệ của các quá trình sản xuất. Để học được môn học này sinh viên cần có kiến thức của các môn học: Hóa học, Vật lý, Đo lường cảm biến và LT ĐKTĐ và thực tế quan sát được các dây chuyền công nghệ sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp khi được đi thực tập ở ngoài doanh nghiệp. 1.1.1.Khái niệm Điều khiển quá trình Điều khiển quá trình là 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 và môi trường. 1.1.2. 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 làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của 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 kế hoạch 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 như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố. 6 - Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nguyên nhiên liệu. - Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu của thị trường. 1.1.3.Tầm quan trọng của điều khiển quá trình - ĐKQT ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và tính tin cậy của một quá trình. - ĐKQT quyết định chất lượng sản phẩm của quá trình sản xuất - ĐKQT ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành của quá trình. 1.2. Nhiệm vụ của điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa 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 kỹ thuật cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của 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 và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển. Đại lượng được 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 đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal). Các đại lượng được điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình không được điều khiển, nhưng có thể được ghi chép hoặc hiển thị. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những đại lượng được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. 7 1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình. 1.3.1. Thiết bị đo Hình 1.2: Hệ thống thiết bị đo quá trình Hệ thống thiết bị đo quá trình bao gồm: Cảm biến, điều hòa truyền phát tín hiệu và chỉ báo 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,..) 8 - Sensor element: Cảm biến, phần tử cảm biến - Signal conditioning:Điều hòa tín hiệu, chuyển đổi đo - 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 và độ nhạy, độ tin cậy, ảnh hưởng do tác động môi trường, sai số và độ chính xác, độ tuyến tính, 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 trình a. Cảm biến mức 9 Hình 1.3: Cảm biến báo mức và đo mức Mức chất lỏng trong một bình chứa luôn luôn là một đại lượng cần điều khiển. Trong rất nhiều trường hợp, người ta đòi hỏi vòng điều khiển mức rất nhanh để duy trì giá trị mức độ cố định nhằm giảm tương tác tới những vòng điều khiển khác chậm hơn. Tuy nhiên, phép đo mức thường không đòi hỏi độ chính xác cao như áp suất, lưu lượng và nhiệt 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 khác nhau trong bình. - Phương pháp siêu âm: Sử dụng một cảm biến siêu âm đặt trên nắp bình chứa và xác định khoảng 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 chất 10 lỏng. Thiết bị đo là các cảm biến, cảm biến gồm đầu đo và bộ phận chuyển đổi đo. Ví dụ: đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện trở PT100 thường gọi là can nhiệt. Đo mức (chiều cao) của chất lỏng trong bình kín dùng cảm biến siêu âm. 1.3.2 Thiết bị chấp hành Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành Thiết bị chấp hành (actuator) thay đổi các đại lượng 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 điều khiển, 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) như: Cơ cấu truyền động, truyền năng cho phần tử chấp hành, ví dụ động cơ (điện), cuộn hút, cơ cấu khí nén. 1.3.3 Các bộ điều khiển phản hồi Các bộ điều khiển phản hồi là thành phần cốt lõi của hệ thống điều khiển. Bộ điều khiển có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bị chấp hành. Thiết bị điều khiển (control equipment) là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp. Trong các văn phạm khoa học thiết bị điều khiển được gọi là bộ điều khiển (controller). Tùy theo ngữ 11 cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một thành phần cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ một trạm PLC/DCS). Trên cơ sở các tín hiệu đo và một Cấu trúc điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system) nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và thực hiện can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ và máy bơm. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. Ví dụ tùy theo tín hiệu điều khiển mà một máy bơm có thể tăng hoặc giảm tốc độ hút chất lỏng để thay đổi lưu lượng chất lỏng trong đường ống hay làm thay đổi mức bình chứa. Một tín hiệu điều khiển có thể làm thay đổi nhiệt độ của bình gia nhiệt qua đó làm thay đổi nhiệt độ đầu ra. 1.4. Trình tự phát triển hệ thống Có 7 bước phát triển hệ thống hệ thống ĐKQT: 1.4.1. Phân tích chức năng hệ thống Đây là bước vô cùng quan trọng, muốn điều khiển được ta cần hiểu kỹ về đối tượng ở trạng thái tĩnh cũng như trạng thái động, khi phân tích kỹ từng thành phần cụ thể cụ hệ thống ta sẽ hình dung được sơ đồ khối của hệ thống gồm các đầu vào, đầu ra và nhiễu, cũng như tương tác của các đại lượng và các tham số trong hệ thống để có thể mô tả chính xác được hệ thống. 1.4.2. Xây dựng mô hình toán học Xây 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 của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là các phương trình vi phân và phương trình đại số. 12 Mô hình hóa bằng thực nghiệm là dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào-ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và các tham 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 dạng quá trình. 1.4.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển Sau khi làm rõ chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển nhằm làm rõ cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống. Đây là công việc quan trong đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và kinh nghiệm thực tế để tránh nhầm lẫn. Tiếp theo là lựa chọn biến được điều khiển, các biến điều khiển tương ứng và các biến nhiễu và liên kết chúng thông qua sơ đồ để xây dựng các Cấu trúc điều khiển cụ thể. Các cấu trúc điều khiển chia thành hai phần cấu trúc đơn biến như Cấu trúc phản hồi, tỉ lệ… và cấu trúc đa biến như Cấu trúc điều khiển tập trung và cấu trúc phi tập trung... Các cấu trúc điều khiển được thể hiện rõ nhất trên lưu đồ công nghệ P&ID. 1.4.4. Thiết kế bộ điều khiển Thiết kế thuật toán điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tính toán và công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển gồm hai bước: lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển, công việc thiết kế gắn liền với việc phân tích hệ thống. 1.4.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với yêu cầu của qui trình công nghệ. Việc này đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải có cái nhìn tổng thể về công nghệ hệ thống điều khiển cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau. 13 1.4.6. Phát triển phần mềm ứng dụng Phát triển phần mềm ứng dụng trong điều khiển quá trình là tạo chất xám là hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết các kỹ sư phần mềm có thể bắt đầu thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế cơ sở dữ liệu và giao diện người-máy. 1.4.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành Chỉnh định và đưa vào vận hành là bước cuối cùng của công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện trường, gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của bộ điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công nghệ…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, điều khiển và tự động hóa trong nhóm chuyên gia hiện trường. 14 Hình 1.4: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 15 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝ THUYẾT&NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH 2.1 Mô hình và mục đích mô hình hóa Hầu 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 các nhiệm 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 trong nhiệm vụ mô hình hóa quá trình, trước khi 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 hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Phân tích và thiết kế trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu được của mỗi người kỹ sư. Mô hình không phải là một ‘bản sao’ mà chỉ là ‘bản chụp’ của thế giới thực từ một góc nhìn nào đó, vì vậy mô hình không cần thiết phản ánh đầy đủ các khía cạnh của hệ thống thực. Như người ta thường 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 lý là sự thu nhỏ đơn giản hóa hệ thống thực, xây dựng trên cơ sở Vật lý- Hóa học giống như các quá trình và thiết bị thực. Mô hình Vật lý là một phương tiện hữu ích phục vụ đào tạo cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển của người kỹ sư ĐKQT. Mô hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao, nhằm mô tả một cách lô gic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của hệ thống. Việc xây dựng 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 đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ SFC (sequence function chart)…Mô hình đồ 16 họa biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành phần. - Mô hình toán học với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái. Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác. - Mô hình suy luận là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính về hệ thống thực dưới 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 thống theo những khía cạnh quan tâm. Mô hình máy tính được xây dựng với các ngôn ngữ lập 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 nhiệm vụ phát triển hệ thống. Mô hình toán học giúp người kỹ sư điều khiển các mục đích sau đây: - 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 lý thuyết hay còn gọi là mô hình vật lý đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là các phương trình vi phân (thường hoặc đạo hàm riêng) và phương trình đại số. - Mô hình hóa bằng thực nghiệm hay còn gọi là phương pháp hộp đen hay nhận dạng quá trình, dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào – ra thực 17 nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và tham số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp. - Phương pháp mô hình hóa tốt nhất là kết hợp giữa phân tích lý thuyết và nhận dạng quá trình. Phương pháp kết hợp dựa trên phân tích quá trình để tìm ra cấu trúc mô hình cũng như cơ sở cho việc thiết kế sách lược và lựa chọn kiểu bộ điều khiển. Bước nhận dạng tiếp theo sẽ cho ta một mô hình rất có ích trong tổng hợp bộ điều khiển cũng như mô phỏng thời gian thực nhằm đánh giá sơ bộ chất lượng điều khiển trước khi 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 đoạn Các dạng mô hình liên tục gồm: phương trình vi phân, mô hình trạng thái, mô hình trạng thái tuyến tính, mô hình trạng thái phi tuyến, mô hình đáp ứng quá độ (đáp ứng xung impulse, đáp ứng bậc thang step), mô hình hàm truyền đạt (hàm truyền đạt, ma trận truyền đạt), mô hình đáp ứng tần số. Các dạng mô hình gián đoạn gồm: phương trình sai phân, mô hình trạng thái, mô hình đáp ứng quá độ (đáp ứng xung FIR Finite impulse response), đáp ứng bậc thang FSR Finite Step Response), các dạng mô hình đa thức và hàm truyền đạt xung, mô hình hàm truyền đạt gián đoạn. 2.2 Mô hình hóa lý thuyết Mục đích của phần này là giúp người đọc hiểu rõ những tư tưởng cơ bản trong xây dựng mô hình quá trình bằng phương pháp lý thuyết và nắm được các bước tiến hành cụ thể. 18 2.2.1 Trình tự mô hình hóa theo lý thuyết Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết hay còn gọi là mô hình hóa cơ sở đi từ việc áp dụng các định luật cơ bản của vật lý, hóa học và sinh học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ để tìm ra quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng của quá trình. Mô hình hóa lý thuyết nhận được là phương trình vi phân và phương trình đại số. Phương trình vi phân biểu diễn đặc tính động học của quá trình trong khi phương trình đại số biểu diễn quan hệ phụ thuộc khác. Xây dựng mô hình hóa gồm các bước: -Phân tích bài toán mô hình hóa: tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của 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 quá trình 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 bảo toàn, định luật nhiệt động học, vận chuyển, cân bằng pha… Đơn giản hóa mô hình bằng cách thay thế, rút gọn và đưa về dạng phương trình vi phân chuẩn tắc. Tính toán các tham số 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 biến quá trình và số lượng các quan hệ phụ thuộc. Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp với yêu 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 dạng thích hợp như đã trình bày trong chương 2. Tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc nếu cần thiết. Thực hiện chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thiết kế 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 qua quan hệ toán học giữa các biến quá trình với sự hỗ trợ của các tham số quá trình (tham số công nghệ). 19 Nhìn từ quá trình công nghệ, hầu hết các biến quá trình có thể được xếp vào một trong hai 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 lượng trong một khu vực, giữa các địa điểm, giữa các vật hoặc giữa các pha. Một biến trạng thái mô tả trạng thái vật chất hoặc năng lượng của quá trình trong từng pha. Một biến dòng có thể 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 thước hình 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… Các kích thước hình học liên quan tới thiết kế hình học của các thiết bị công nghệ như tiết diện đường ống, thể tích bình chứa, diện tích tiếp xúc… Trước khi bắt tay vào xây dựng các phương trình mô hình, các biến và tham số quá trình cần được thống kê và đặc tả cùng với những tính chất quan trọng của chúng, như bảng đặc tả các biến quá trình: Tên biến Ký hiệu Đơn vị Lưu lượng cấp F1 Phụ thuộc Giới hạn Giá trị danh định l/s Thời gian Max.2 0.5 Kg/m3 Thời gian, vị 20-40 32 1 Nồng độ trong bình 1 A CA trí … Việc xác định các biến quá trình xuất phát từ mục đích điều khiển và yêu cầu công nghệ. Trước hết cần xác định biến ra, các biến ra cần điều khiển với các biến vào (biến điều khiển và nhiễu). Biến điều khiển là một biến có thể can thiệp được theo ý muốn để tác động tới biến cần điều khiển. Ngoài ra còn có nhiễu, các biến quá trình không thể can thiệp được, không thể kiểm soát được vì một lý do nào đó, nhiễu được chia làm nhiễu quá trình (Process disturbance) hay một trường hợp đặc biệt hơn là nhiễu tải (Load disturbance). Ngoài ra còn có một loại nhiễu khác là nhiễu đo (measurement noise) là 20