Giáo trình Điều khiển quá trình công nghệ

CỤC HẢNG HẢI VIỆT NAM

TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I

GIÁO TRÌNH

MÔN HỌC/MÔ ĐUN: ĐIỀU KHIỂN

QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ

NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Ban hànhkèmtheoQuyếtđịnhsố:

/QĐ-… ngày…….tháng….năm .........

…………........... của……………………………….

Hải Phòng, năm 2017

1

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được

phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh

doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

2

LỜI GIỚI THIỆU

Môn học Điều khiển quá trình là một trong những môn học chuyên môn mang

tính đặc trưng cao thuộc nghề Điện công nghiệp.

Giáo trình này được thiết kế theo môn học thuộc hệ thống mô đun/ môn học

của chương trình đào tạo nghề Điện công nghiệp ở cấp trình độ Cao đẳng nghề và

được dùng làm giáo trình cho học viên trong các khóa đào tạo, sau khi học tập

xong môn học này, học viên có đủ kiến thức để học tập tiếp các môn học, mô đun

đun khác của nghề.

Môn học này được thiết kế gồm 3 chương :

Bài mở đầu: Tổng quát về điều khiển quá trình

Chương 1. Mô hình quá trình

Chương 2. Mô hình hóa lý thuyết quá trình

Chương 3. Nhận dạng quá trình

Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng sai sót là khó tránh. Tác giả rất mong nhận

được các ý kiến phê bình, nhận xét của bạn đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn.

Hải Phòng, ngày tháng năm 2017

Tham gia biên soạn

1. Đặng Thị Thu Huyền: Chủ biên

2. Pham Thị Dung

3. Hà Hồng Thúy

3

MỤC LỤC

TT

1

Trang

3

Lời giới thiệu

Mục lục

2

4

3

Danh mục bảng, biểu, hình ảnh

Nội dung

5

4

12

21

35

46

59

Bài mở đầu

Chương I: Mô hình quá trình

Chương II: Mô hình hóa lý thuyết quá trình

Chương III: Nhận dạng quá trình

Tài liệu tham khảo

5

4

Danh mục bảng

Tt

Tên bảng

Trang

15

1 Bảng 1.1. Biểu diễn các thiết bị trên lưu đồ P&ID

2 Bảng 1.2. Biểu tượng các đường nối tín hiệu

16

3 Bảng 1.3. Ký các chữ cái phân biệt chức năng, phần biểu diễn chức 18

năng

4

34

Bảng 2.1: Đặc tả biến quá trình

Danh mục hình vẽ

tt

Tên hình vẽ

Trang

11

1 Hình 1.1. Quá trình và các loại biến quá trình

2

12

Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá

trình

3

4

14

15

22

24

26

28

32

36

37

Hình 1.3. Ý nghĩa thiết bị và ký hiệu chức năng.

Hình 1.4. Lưu đồ P&ID cho quá trình điều khiển mức

Hình 1.5. Các bước mô hình hoá quá trình

5

6

Hình 1.6. Sơ đồ công nghệ trưng cất hoá chất

Hình 1.7. Minh hoạ nguyên lý xếp chồng

7

8

Hình 1.8. Mô hình đơn biến và mô hình đa biến.

Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống điều khiển số

9

10

11

12

Hình 1.10. Mô hình trạng thái liên tục minh hoạ bằng sơ đồ khối.

Hình 2.1: Bình chứa chất lỏng

Hình 2.2: Hai ví dụ điều klhiển thiết bị khuấy trộn.

5

13

14

15

16

17

18

19

20

38

39

41

43

46

48

49

50

Hình 2.3. Ví dụ bài toán điều khiển thiết bị gia nhiệt.

Hình 2.4. Ví dụ bài toán điều khiển tháp chưng luyện hai cấu tử.

Hình 2.5. Ví dụ thiết bị khuấy trộn liên tục

Hình 2.6. Nồi hơi đơn giản với một bậc tự do.

Hình 3.1. Nhận dạng vòng kín và nhận dạng vòng hở.

Hình 3.2. Một số đáp ứng quá độ tiêu biểu

Hình 3.3. Phương pháp kẻ tiếp tuyến trên đồ thi đáp ứng quá độ.

Hình 3.4.Phương pháp đồ thị đáp ứng sử dụng hai điểm quy

chiếu.

21

22

23

53

54

Hình 3.5: Minh hoạ hệ số khuyếch đại và đặc tính tần số

Hình 3.6: Cấu trúc hệ thống phản hồi rơle

Hình 3.7. Sở đồ hệ kín sử dụng bộ điều khiển P

6

CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC

Tên môn học: Điều khiển quá trình công nghệ

Mã số của môn học: MH 17

Thời gian của môn học: 30 giờ; (Lý thuyết 28 giờ; Thực hành, thí nghiệm. thảo

luận, bài tập: 0 giờ; Kiểm tra: 02 giờ)

Vị trí, tính chất ý nghĩa và vai trò của môn học:

- Vị trí: Môn học được bố trí sau khi học xong môn học lý thuyết điều khiển

tự động và mạng truyền thông công nghiệp.

- Tính chất: Môn học này giới thiệu cho người học lý thuyết tổng quan về:

Các hệ thống điều khiển quá trình, giới thiệu một số phương pháp mô hình và nhận

dạng quá trình công nghiệp. Cung cấp kiến thức về một số quá trình tiêu biểu trong

công nghiệp, giúp người học nắm bắt được phương pháp mô hình hoá, nhận dạng

các quá trình công nghiệp.

- Ý nghĩa, vai trò môn học: Học phần này giới thiệu cho người học lý thuyết

tổng quan về: Các hệ thống điều khiển quá trình, giới thiệu một số phương pháp

mô hình và nhận dạng quá trình công nghiệp. Cung cấp kiến thức về một số quá

trình tiêu biểu trong công nghiệp, giúp người học nắm bắt được phương pháp mô

hình hoá, nhận dạng các quá trình công nghiệp.

Mục tiêu môn học:

- Về kiến thức: Trình bày được lý thuyết tổng quan về các hệ thống điều

khiển quá trình, mô hình quá trình;

- Về kỹ năng: Xây dựng được các phương trình mô hình, phân tích và nhận

dạng được quá trình;

- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện ý thức, tính cẩn thận, tỉ mỉ,

chính xác.

Nội dung môn học:

CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH

MH 6510305.17.01

Giới thiệu:

Do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử và công nghệ chế tạo cơ

khí chính xác, các thiết bị đo lường và điều khiển các quá trình công nghệ càng

được ưa chuộng và chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy chính xác. Mô hình hoá là một

hình thức biểu diễn các quá trình thực dưới dạng các phương trình toán học,

phương trình đại số hay các mô hình đơn giản hơn nhằm mục đích giúp người kỹ

7

sư nắm bắt tốt hơn về hệ thống, thực hiện thử nghiệm được các sách lược điều

khiển trước khi áp dụng vào mô hình thực.

Điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở toán học. Mục đích của chương này

nhằm giúp người học nắm rõ về vai trò của của mô hình trong nhiệm vụ phát triển

hệ thống về phân tích, thiết kế hệ thống. Đồng thời nắm được những nguyên tắc cơ

bản trong nhiệm vụ mô hình hoá quá trình.

Mục tiêu:

- Trình bày được các nhiệm vụ của bài toán mô hình hoá.

- Nêu được nguyên tắc chung xây dựng những mô hình toán học cho các quá

trình công nghệ.

- Từ nhiệm vụ mô hình hoá tạo nên cái nhìn tổng quát về các quá trình công

nghệ, rút ngắn thời gian phân tích và thiết kế hệ thống.

- Rèn phương pháp học tư duy và nghiêm túc trong công việc

Nội dung chính

1. Khái quát chung

1.1. Các khái niệm

Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng các 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.

Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc chuyển đổi sinh

học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc

lưu trữ.

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi vận chuyển

hoặc lưu trữ vật chất, năng lượng, nằng trong một dây chuyền công nghệ nhà máy

sản xuất.

Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng đo được hoặc/và can

thiệp được. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật ta hiểu là quá trình công nghệ cùng

với các phương tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo, thiết bị

chấp hành.

Một cách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp

vào các biến điều khiển một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu

cho trước đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình đến môi trường và con

người xung quanh. Mô hình tổng quát của một quá trình như hình 1.1.

8

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các

biến quá trình. Các biến quá trình bao gồm biến vào và biến ra.

Biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài

vào quá trình, ví dụ như dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái

đóng/mở của rơle sợi đốt…

Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra

bên ngoài, ví dụ nồng độ sản phẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí

thải…

Biến trạng thái là các biến mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình,

ví dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi, mức chất lỏng… trong nhiều trường hợp biến

quá trình có thể coi là biến ra.

Biến cần điều khiển (controlled variable) là một biến ra hoặc một biến trạng

thái của một quá trình điều khiển, điều chỉnh ổn định ở giá trị đặt hoặc bám theo

tín hiệu chủ đạo (tín hiệu mẫu).

Hình 1.1: Quá trình và các loại biến quá trình

Biến điều khiển (manipulated variable) là một biến có thể can thiệp trực tiếp

từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn.

Những biến còn lại không can thiệp một cách trực tiếp hoặc gián tiếp trong

phạm vi quá trình quan tâm thì được coi là nhiễu.

Các quá trình được điều khiển bằng các bộ điều khiển quá trình. Bộ điều

khiển chính xác phải giữ cân bằng yếu tố năng lượng hoặc nguyên liệu chống lại

những sai lệch xuất hiện trong quá trình. Hầu hết những bộ điều khiển quá trình

trong thực tế là bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển dựa vào giá trị đo được của

9

biến cần biến điều khiển, so sánh với giá trị định mức (giá trị đặt) và sử dụng sai

lệch để có tác động hiệu chỉnh theo mong muốn.

1.2. Phân loại

Các quá trình công nghệ được phân loại theo nhiều cách khác nhau.

1.2.1 Theo số biến vào ra thì quá trình được chia thành:

- Quá trình đơn biến: quá trình chỉ có một biến vào và một biến ra, single –

input single – output (SISO).

- Quá trình đa biến: quá trình có nhiều biến vào và nhiều biến ra, Multi-input

Multi-ouutput (MIMO).

1.2.2 Theo đặc tính của các đại lượng đặc trưng

- Quá trình liên tục: là quá trình mà năng lượng hoặc nguyên liệu đầu vào được

biến đổi một cách liên tục.

- Quá trình rời rạc.

- Quá trình mẻ (hệ lai) (hybrid system).

1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống

Các quá trình trong công nghiệp từ đơn giản đến phức tạp đều bao gồm 3

thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị điều khiển và thiết bị chấp hành có cấu

trúc cơ bản như hình 2.

Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

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, Controller Output (CO)

Control Variable, Manipulate Variable (MV)

Controlled Variable (CV)

Measured Variable, Process Value (PV)

Tín hiệu đo

Measured Signal, Process Measurement (PM)

10

1.3.1. Thiết bị đo

Thiết bị đo là cơ sở cho điều khiển phản hồi, chức năng của một thiết bị đo là

cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị

đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo (transducer).

Cảm biến thực hiện chức năng cảm nhận đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật

và biến đổi thành một tín hiệu. Để thuận tiện trong điều khiển cũng như truyền đi

xa và thuận tiện trong việc sử dụng các thiết bị điều khiển, chỉ báo, tín hiệu từ cảm

biến được biến đổi thành dạng tín hiệu điện, tín hiệu khí nén… bởi bộ chuyển đổi

trước khi truyền về phân tử điều khiển.

1.3.2.Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là phần cốt lõi của một hệ thống điều

khiển quá trình trong công nghiệp. Một bộ điều khiển có thể là một thiết bị điều

khiển đơn lẻ, một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ bộ

PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị chia sẻ (cả một trạm

PLC/DCS).

Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một

thiết bị điều khiển có thể được phân thành thiết bị tương tự, thiết bị điều khiển

logic, thiết bị điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên cơ sở

máy tính số có khả năng thay thế cả thiết bị điều khiển tương tự và điều khiển

logic. Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng điều khiển cao, tin

cậy mà còn cho phép thực hiện nhiều chức năng cùng một lúc. Có thể nói rằng tất

cả các giải pháp hiện đại (PLC, DCS) đều là một hệ thống điều khiển số.

1.3.3. Thiết bị chấp hành

Một hệ thống/thiết bị chấp hành có chức năng nhận tín hiệu từ bộ điều khiển

và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu

là động cơ, van, bơm, quạt gió. Thông qua thiết bị chấp hành mà hệ thống điều

khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình công nghệ.

2. Mô tả chức năng hệ thống.

Các hệ thống điều khiển quá trình có thể được mô tả bằng các phương pháp

sau:

- Lưu đồ công nghệ (process flow diagram): miêu tả quá trình công nghệ,

không chứa thông tin chi tiết về các thiết bị đo lường và điều khiển.

- Lưu đồ ống dẫn và thiết bị (piping and istrumetation diagram, P&ID): miêu

tả chi tiết quá trình công nghệ kèm theo các chức năng tiêu biểu của một hệ thống

điều khiển quá trình cùng các đường liên hệ thành phần. Đây là tài liệu quan trộng

nhất với việc thiết kế toàn bộ hệ thống điều khiển.

11

- Sơ đồ khoá liên động (interlock diagram): sử dụng các biểu đồ logic để

miêu tả các thuật toán logic phục vụ điều khiển khoá liên động.

- Biểu đồ trình tự (sequence diagram / sequential function chart): biểu diễn

các chức năng của quy trình công nghệ.

2.1. Lưu đồ P&ID.

Lưu đồ P&ID có ý nghĩa quan trọng trong việc đặc tả chức năng và thiết bị

của một hệ thống điều khiển quá trình, là cơ sở cho việc phân tích và thiết kế hệ

thống. Các biểu tượng lưu đồ P&ID được sử dụng thống nhất trên toàn thế giới

theo tiêu chuẩn DIN 19227-3 của Đức hoặc ANSI/ISA và S5.3 của Mỹ.

Mỗi thiết bị biểu diễn trên lưu đồ thông qua một biểu tượng cùng kỹ hiệu

nhãn (tag). Một nhãn bao gồm phần chữ biểu diễn chức năng và phần mã số phân

biệt vòng kín (loop). Trên hình 3 biểu diễn tóm tắt ý nghĩa của phần chữ và số của

một vài thiết bị đơn giản.

Hình 3. Ý nghĩa thiết bị và ký hiệu chức năng.

Phần biểu diễn chức năng bắt đầu bằng một chữ cái ký hiệu đại lượng đo

được hoặc biến khởi tạo, sau là ký hiệu chức năng chỉ thị hoặc chức năng bị động.

Tiếp đó là các chữ cái biểu diễn chức năng đầu ra theo một thứ tự tuỳ ý, trừ trương

hợp chữ C (control) phải đứng trước chữ V (value).

Các chữ cái phụ nếu có thể đứng sau chữ cái chính để thay đổi ý nghĩa chức

năng, ví dụ PD biểu diễn chênh lệch áp suất (P: pressure, D: difference), TAH biểu

diễn mức cảnh báo nhiệt độ (T: temperature, A: alarm, H: hight). Để tránh nhầm

lẫn, một chữ cái phụ cho chữ cái đầu không được sử dụng để biểu thị chức năng

chỉ thị, chức năng bị động hoặc chức năng đầu ra.

12

Trên hình 1. 4 là lưu đồ P&ID đơn giản cho ví dụ điều khiển mức chất lỏng

bình

chứa. Ký hiệu LT trong đường tròn biểu diễn chức năng đo và truyền giá trị (Level

Transmit), LIC chỉ bộ điều khiển và hiển thị (Level Indecator Conrol), LAH (Level

Alarm Hight) và LAL (Level Alarm Low) chỉ chức năng cảnh báo ngưỡng cao và

thấp của mức nước. Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ giá trị đặt SP (Set Point), tính

toán tự động và đưa tín hiệu điều chỉnh van cấp.

Hình 1.4. Lưu đồ P&ID cho quá trình điều khiển mức

2.2. Tóm tắt tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1

2.2.1 Biểu tượng thiết bị

Bảng A1-1 liệt kê các thiết bị trên lưu đồ P&ID. Cần lưu ý là biểu tượng có

thể biểu diễn một thiết bị hoặc một chức năng trong thiết bị chia sẻ (ví dụ một thiết

bị điều khiển hoặc một màn hình chia sẻ). Tùy theo mục đích mà lưu đồ có thể

chứa chi tiết biểu tượng cho từng thiết bị/chức năng hoặc bỏ qua một số trong

những trường hợp đối tượng hiển nhiên.

Phòng điều khiển Vị trí mở rộng Hiện trường (local)

trung tâm (remote) (Auxillary

Location)

Thiết bị phần

cứng đơn lẻ

Thiết bị phần

cứng chia sẻ

13

Phần mềm chức

năng, máy tính

Logic chia sẻ

ĐK logic khả

trình

Thiết bị hai

biến hoặc một

biến với nhiều

chức năng

Bảng 1.1. Biểu diễn các thiết bị trên lưu đồ P&ID

Trong trường hợp các thiết bị/chức năng được đặt sau bảng, hoặc người vận

hành không được phép can thiệp thì đường gạch giữa các biểu tượng được vẽ bằng

nét đứt.

2.2.2 Biểu tượng các đường nối tín hiệu

Để phân biệt rõ ràng các đường ống dẫn, tất cả các đường tín hiệu và đường

nối khác cần được vẽ nét thanh. Các đường nối được thể hiện bằng các biểu tượng

trong bảng 1.2

Tín hiệu không định nghĩa

Đường nối tới quá trình kỹ thuật, hoặc đường

cấp năng lượng cho thiết bị.

Tín hiệu khí nén

Tín hiệu điện

Tín hiệu thuỷ lực

Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (có dẫn định)^*

Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (không dẫn

định)^*

Đường nội bộ hệ thống (liên kết phần mềm

hoặc dữ liệu)

Đường nối cơ học

Ống mao dẫn

*

Các hiện tường điện từ bao gồm cả nhiệt,

sóng điện từ, sóng vô tuyến, phóng xạ nguyên

14

tử và ánh sáng.

Thông thường các mũi tên được sử dụng để bổ xung làm rõ chiều của luồng

thông tin. Các chữ viết tắt dưới đây được dùng để ký hiệu các đường cấp năng

lượng:

AS (Air Supply): cấp không khí

ES (Electrich Supply): cấp điện

GS (Gas Supply): cấp khí

HS (Hydraulic Supply): cấp thuỷ lực

NS (Nitrogen Supply): cấp Nitơ

SS (Steam Supply): cấp hơi nước

WS (Water Supply): cấp nước

Mức tín hiệu có thể ghi kèm theo các ký hiệu đường cấp, ví dụ ES 24VDC

nghĩa là đường cấp nguồn 24V một chiều.

2.2.3 Nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng

Chữ cái đầu

Biến đo hoặc Bổ nghĩa cho Chức năng xử lý Bổ nghĩa cho chữ

biến đầu vào chữ cái đứng (hiển thị, báo cái đứng trước

Các chữ cái đứng sau

trước

động, đầu ra)

A Phân tích

Báo

động

(Alnalysis)

(Alarm)

B Đốt cháy (Burn)

C Tuỳ sử dụng

Tuỳ sử dung

Tuỳ sử dụng

Điều

(Control)

chỉnh

biến

D Tuỳ sử dụng

Chênh

(Difference)

lêch

E Điện áp

Cảm

(Electric)

(Sensor)

F Lưu Lượng

Tỉ lệ (Fraction)

(Flow)

G tuỳ sử dụng

H Bằng tay

Kính

quan sát

(Glass),

Cao (Hight)

15

(Hand)

I

Dòng điên

Chỉ thị (Indicate)

(Current)

J

Công suất

Quét

K Thời gian

Tuần suất thay Trạm điều khiển

đổi

L Mức (Level)

M Tuỳ sử dụng

Ánh sáng (Light) Thấp (Low)

Nhất

thời

Trung

bình

(Momentary)

(Middle)

N Tuỳ sử dụng

O Tùy sử duụn

Tuỳ sử dụng

Hạn chế (Orifice)

Điểm thử (Point)

P Áp suất

(Pressure)

Q Số lượng

Tính phân, tổng

(Quantity)

R Bức xạ, Phóng

xạ

Ghi

(Record)

chép

S Tốc độ (Speed) An toàn (Satety) Chuyển

mạch

(Switch)

T Nhiệt độ

(Temperature)

Truyền phát

(Transmite)

U Đa biến

V Độ rung

Đa chức năng

Van điều khiển

(Vibration)

(Valve)

Phân tích cơ

Giảm chấn

học

W Trọng lượng

Bao

(Weight)

X

Trục X

Trục Y

Y Trạng thái

Rơle, tính toán,

biến đổi

Z Vị trí, kích

Trục Z

Truyền

động,

16

thước

chấp hành

Bảng trên đã liệt kê các chữ cái phân biệt chức năng, phần biểu diễn chức

năng bắt đầu bằng một chữ cái ký hiệu biến đo hoặc một biến đầu vào, sau đó đến

các ký hiệu chức năng chỉ thị hoặc bị động. Tiếp đến là các chữ cái ký hiệu chức

năng đầu ra theo một thứ tự tuỳ ý.

3. Điều khiển quá trình

3.1. Mô hình và mục đích mô hình hoá

Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu

của một hệ thống thực. Nghiên cứu thiết kế các hệ thống điều khiển không phải

trên mô hình chạy thực, mà trên cơ sở mô hình là một phương pháp làm việc

không thể thiếu của người kỹ sư.

Mô hình giúp cho việc phân tích, kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp

kỹ thuật thuận tiện và ít tốn kém trước khi đưa giải pháp vào triển khai. Nó cho

phép ta thực hiện một số nhiệm vụ phát triển hệ thống mà không cần sự có mặt của

hệ thống thực.

Một mô hình không bao giờ và cũng không cần phản ánh đầy đủ các khía

cạnh của hệ thống thực. Một mô hình tốt cần đơn giản nhưng thâu tóm được các

đặc tính thiết yếu cần quan tâm của mô hình thực trong phạm vi yêu cầu.

Mô hình được hiểu gồm hai phạm trù: Mô hình vật lý và mô hình trừu tượng.

Mô hình vật lý là sự thu nhỏ và đơn giản hoá hệ thống thực. Mô hình vật lý là

phương tiện tốt nhất phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu. Mô hình trừu tượng

thường mô tả bằng các ngôn ngữ bậc cao nhằm mô tả một cách logíc quan hệ của

các mặt của một quá trình. Trong kỹ thuật mô hình hoá có bốn dạng mô

hình trừu tượng sau:

- Mô hình đồ hoạ: Dùng các ngôn ngữ đồ hoạ như lưu đồ công nghệ, lưu đồ

P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ SFC... Mô hình hoá phù hợp cho 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 toán học như phương trình vi phân, phương

trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái. Mô hình toán học phục vụ

mục đích nghiên cứu sâu sắc đặc tính, các mối liên kết và các tương tác.

- Mô hình suy luận: Mô tả bằng thông tin và đặc tính hệ thống thực dưới dạng

suy diễn theo tư duy con người.

- Mô hình máy tính: là các chương trình phần mềm mô tả hệ thống, biểu thị

các mặt cần quan tâm. Các phần mềm được xây dựng trên cơ sở mô hình toán học

kết hợp với mô hình suy luận.

17

Mô hình toán học được xếp vào loại mô hình định lượng, trong khi đó mô

hình đồ hoạ biểu diễn một cách định tính. Mô hình định tính thường quan tâm tới

cấu trúc và mối liên quan giữa các thành phần hệ thống về mặt định tính. Trong khi

mô hình định lượng cho phép thực hiện các phép tính để xác định rõ hơn về mặt

định lượng giữa các thành phần bên trong hệ thống và của hệ thống với bên ngoài.

Người ta thường sử dụng mô hình toán học như một khâu then chốt trong nghiên

cứu và thiết kế điều khiển. Nó giúp cho kỹ sư:

- Hiểu rõ về quá trình cần được điều khiển và vận hành.

- Tối ưu hoá thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành.

- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển.

- Lựa chọn bộ điều khiển và tham số cho bộ điều khiển.

- Phân tích và kiểm chứng kết quả thiết kế.

- Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo và vận hành.

Mô hình hoá là vấn đề hết sức cần thiết cho vấn đề lựa chọn mô hình, cấu trúc

điều khiển và đơn giản hoá vận hành.

3.2. Nguyên tắc chung của mô hình quá trình

Mô hình hoá là công việc để phát triển hệ thống. Mô hình hoá được xây

dựng trên phương pháp xử lý thông tin có từ hệ thống thực. Cần lưu ý rằng, mô

hình nhận được từ hệ thống thực cũng là một hệ thống đúng nghĩa của nó, một hệ

thống lý tưởng đại diện cho hệ thống thực, quá trình thực đang được quan tâm.

Toàn bộ công việc tìm ra tham số của bộ điều khiển cho hệ thống thực trên cơ sở

của hệ thống lý tưởng này.

Các quá trình trong công nghiệp thường rất phức tạp vì vậy mô hình được

đưa ra là mô hình xấp xỉ các đặc tính của quá trình. Mặt khác nếu xây dựng mô

hình quá phức tạp thì các đặc tính mô hình chưa chắc đã chính xác.

Một mô hình quá phức tạp sẽ gây khó khăn cho việc phân tích hệ thống, còn

mô hình đơn giản thì khó có thể biểu diễn hết quan hệ giữa các thành phần trong hệ

thống. Vì vậy mô hình tốt nhất là mô hình đơn giản nhất đáp ứng được các yêu cầu

cho hệ thống thực đạt các yêu cầu về tính trung thực theo mục đích sử dụng nhất

định. Việc cân nhắc mô hình hoá theo ba yếu tố sau:

- Yêu cầu mục đích sử dụng của mô hình.

- Công sức và chi phí mô hình hoá

- Độ tin cậy thông tin có được về quá trình.

3.3 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học

18

Về nguyên tắc, có hai phương pháp xây dựng mô hình toán học cho một quá

trình.

3.3.1 Mô hình hoá bằng lý thuyết

Còn gọi là mô hình hoá vật lý đi từ định luật cơ bản của vật lý và hoá học kết hợp

với các thông số kỹ thuật của công nghệ kết quả nhận được là các phương trình vi

phân (phương trình đạo hàm riêng) và phương trình đại số.

Phương pháp này có ưu điểm là cho ta hiểu biết sâu sắc về các quan hệ bên

trong của quá trình, xác định được tương đối chính xác cấu trúc của mô hình.Tuy

nhiên phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống thực, đòi hỏi rất nhiều

kinh nghiệm, thời gian, công sức và sự chính xác lại phụ thuộc vào mức độ chi tiết

của mô hình. Bên cạnh đó với các giả thiết không thực tế về điều kiện vận hành,

thành phần nguyên liệu, đặc tính dòng chảy, tốc độ phản ứng… là những yếu tố

gây sai số cho mô hình.

3.3.2 Mô hình hoá bằng thực nghiệm

Còn gọi là phương pháp hộp đen hay nhận dạng quá trình. Dựa trên thông tin có

được từ quá trình, quan sát tín hiệu vào ra thực nghiệm và phân tích số liệu thu

thập được để xác định cấu trúc và tham số mô hình từ một lớp các mô hình thích

hợp.

Phương pháp này cho phép xác định tương đối chính xác các tham số của

mô hình và có nhiều phần mềm rất mạnh hỗ trợ nhận dàng trực tuyến. Tuy nhiên

chất lượng phụ thuộc rất nhiều vào sự chính xác của thiết bị đo.

Phương pháp tốt nhất là phương pháp kết hợp, đó là sự kết hợp của mô hình

bằng lý thuyết và thực nghiệm. Phương pháp này giải quyết tốt quan hệ giữa các

thành phần quá trình cũng như các tham số đối với quá trình. Phân tích lý thuyết

giúp ta thiết kế sách lược và lựa chọn bộ điều khiển. Tiếp đó nhận dạng mô hình

cho phép ta một mô hình giúp ta tổng hợp bộ điều khiển, mô phỏng thời gian thực

cũng như đánh giá chất lượng bộ điều khiển trước khi đưa vào sử dụng.

4. Tổng quan về quy trình mô hình hoá

Mô hình hoá là một quá trình tương đối phức tạp, vừa mang tính khoa học

vừa mang tính mỹ thuật. Bên cạnh những nguyên tắc và phương pháp cơ bản, để

có mô hình tốt cần sáng tạo và có nhiều kinh nghiệm. Các bước mô hình hoá cần

tuân theo trình tự sau:

19

Hình 1. 5. Các bước mô hình hoá quá trình

4.1. Đặt bài toán mô hình hoá

Đây là bước đầu tiên của quá trình mô hình hoá, bao gồm việc tìm hiểu lưu

đồ công nghệ, xác định rõ mục đích sử dụng của mô hình, tóm tắt các thông số

công nghệ cũng như giả thiết quan trọng về tham số và biến quá trình. Trên cơ sở

đó ta làm rõ các yêu cầu về mức độ chi tiết và mức độ chính xác của mô hình.

Trong đó việc làm rõ mục đích sử dụng của mô hình là rất quan trọng, nó quyết

định mức độ chính xác và chi tiết của mô hình. Ví dụ để phục vụ sách lược điều

khiển ta không cần mô hình quá phức tạp và chính xác, nhưng để tính toán các

tham số bộ điều khiển thì mức độ chính xác của mô hình sẽ ảnh hưởng rất lớn đến

chất lượng điều khiển.

20

Giáo trình Điều khiển quá trình công nghệ - Ngành/nghề: Điện