http://www.ebook.edu.vn
119
a. Cấu trúc Cascade
Như trong phần nghiên cứu vòng lặp đơn, mục tiêu điều khiển là loại bỏ nhiễu vì vậy phải xem xét
cấu trúc Cascade như thế nào cho hợp lý. Biến số chính vẫn là giữ nhiệt độ cho ống thoát ra của lò phản
ứng.
Hình 5.13. Sơ đồ cấu trúc điều khiển Cascade lò phản ứng
Để thiết kế Cascade, ta cần xác định một biến phụ. Như hình 5.12, trạm điều khiển dùng nhiệt độ
ra làm lạnh jacket. Các yêu cầu thiết kế Cascade:
- Nhiệt độ làm lạnh đo được bằng một cảm biến.
- Cùng một van để đo nhiệt độ ống thoát ra của lò phản ứng (biến chính) và nhiệt độ ra
làm lạnh jacket.
- Sự thay đổi nhiệt độ vào làm lạnh jacket làm nhiễu loạn nhiệt độ ống thoát của lò phản
ứng sẽ tác động nhiệt độ ra làm lạnh jacket.
- Nhiệt độ ra làm lạnh jacket nằm ngoài nhiệt độ ống thoát của lò phản ứng trong đó nó sẽ
có phản ứng đầu tiên với những thay đổi về vị trí van và thay đổi nhiệt độ làm lạnh
jacket.
Sơ đồ thực hiện điều khiển Cascade cho lò phản ứng với mô hình trên hình 5.12, có cấu trúc biểu
diễn trên hình 5.13, nó cũng giống như mọi Cascade gồm 2 hệ đo, hai bộ điều khiển, và một phần tử kiểm
soát cuối cùng như trong thực hiện vòng lặp đơn.
Quá trình chính là phản ứng và biến chính là nhiệt độ của ống thoát của lò phản ứng. Đầu ra của
bộ điều khiển chính là điểm đặt của bộ điều khiển phụ. Quá trình phụ là làm lạnh jacket. Biến của vòng
lặp phụ là tốc độ chảy làm lạnh jacket và biến phụ là nhiệt độ ra làm lạnh jacket.
b. Bộ điều khiển phụ P-Only (Secondary P-Only Controller)
Để thực hiện một hệ thống điều khiển Cascade, bộ điều khiển phụ được điều chỉnh, trong khi bộ
điều khiển chính được điều khiển bằng tay. Điều kiện vận hành thiết kế giống như điều kiện cho vòng lặp
http://www.ebook.edu.vn
120
đơn với bộ điều khiển PI. Đó là với nhiệt độ vào làm lạnh jacket là 460C và đầu ra bộ điều khiển có giá trị
50%, nhiệt độ chất lỏng ra ở ống thoát ổn định bằng 860C. Chúng ta lưu ý điều kiện thiết kế là nhiệt độ ra
làm lạnh jacket, biến phụ, ổn định ở 690C. Vì vậy đối với bộ điều khiển phụ:
y set Point = 690C
Xu thế là giá trị đầu ra của bộ điều khiển trong vòng lặp hở làm biến số ổn định ở điều kiện thiết
kế khi nhiễu đạt đến điều kiện thiết kế. Vì thế đối với bộ điều khiển phụ P-Only:
u bias = 50%
Ban đầu ở trạng thái ổn định theo thiết kế, hai đầu đo được dùng để ghi kại đầu ra bộ điều khiển,
dữ liệu của biến số trình bày trên hình 5.14:
Hình 5.14. Mô hình quá trình dạng FOPDT khi cho đầu ra của bộ điều khiển phụ thay đổi và phản ứng
của biến quá trình phụ
Đầu ra bộ điều khiển giảm từ giá trị thiết kế 50% tăng lên 55%, sau đó xuống 45% rồi trở về 50%.
Sự hoạt động của biến phụ được kiểm soát. Mô hình động FOPDT khớp với dữ liệu được chỉ ra trong
hình 3.23, với giới hạn mô hình kiểm soát vòng lặp phụ:
Hệ số khuyếch đại quá trình KP = - 0.370C/%
Hằng số thời gian P = 1.9 min
Thời gian chết P = 0.25 min
Mặc dù loại nhiễu là một mục tiêu tổng quát, mục đích vòng lặp phụ là bám sát sự thay đổi điểm
đặt mà bộ điều khiển chính tính toán. Sử dụng những giới hạn mô hình FOPDT này trong ITAE để điều
khiển tương quan lượng điều chỉnh (set point tracking correlation). Giả định rằng tương quan IMC không
dùng cho bộ điều khiển P-Only cho giới hạn điều chỉnh sau:
Hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển KC = - 6.4%/0C
Sự hoạt động bám sát điểm đặt của P – Only thể hiện trong hình 5.15. Vòng lặp chính vẫn ở chế độ điều
http://www.ebook.edu.vn
121
khiển bằng tay tại điểm đặt. Kỳ vọng cho một bộ điều khiển P-Only tồn tại khi điểm đặt không đạt giá trị
thiết kế. Biến phụ phản hồi nhanh và ổn định khi có sự thay đổi điểm đặt vì thế ta coi thiết kế vòng lặp
phụ đã hoàn thành. Vòng lặp phụ ở chế độ tự động và trở thành một phần vòng lặp chính. Bây giờ tiến
hành điều chỉnh bộ điều khiển chính.
Hình 5.15a. Khả năng điều chỉnh của bộ điều khiển P – Only với khả năng bám điểm đặt của biến quá
trình phụ và biến quá trình chính
c. Kiểm soát vòng lặp chính (Primary Loop Control)
Trên hình 5.14, chúng ta thấy rằng khi tín hiệu đặt cho bộ điều khiển biến phụ có giá trị nhảy bậc
thì đầu ra của bộ điều khiển là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển biến chính. Trong thiết kế bộ điều khiển cần
thiết phải tạo tín hiệu điều khiển nhảy bậc để tổng hợp bộ điều khiển cho biến chính.
Kết quả thử nghiệm bộ điều khiển biến chính thể hiện trên hình 5.15, bộ điều khiển P–Only tín
hiệu đặt thay đổi nhảy bậc với giá trị thiết kế là 690C, nhảy lên 720C sau đó xuống 660C rồi trở về giá trị
690C.
Từ kết quả trên hình 5.15a chúng ta thấy rằng biến quá trính chính bám giá trị đặt chứng tỏ khả
năng loại bỏ nhiễu của bộ điều khiển. Thông qua thử nghiệm mô hình bằng mô phỏng dữ liệu thiết kế hệ
thống được xác định như sau:
Hệ số khuyếch đại quá trình:
KP = 0,70 (0C của hơi đầu ra/0C đầu ra nước làm mát)
Hằng số thời gian:
P = 0,55 phút
Thời gian chết:
http://www.ebook.edu.vn
122
P = 0,71 phút
Hình 5.15b. Kết quả thiết kế bộ điều khiển biến quá trình chính với bộ điều khiển
P–Only.
Các đặc tính thu được trên hình 5.15b, được thực hiện cho hệ thống điều khiển Cascade với bộ
điều khiển cho biến phụ có dạng PI còn bộ điều khiển cho biến chính là P–Only. Kết quả thu được được
so sánh với hệ thống điều khiển mạch vòng đơn. Khi có nhiễu nhiệt độ làm lạnh hệ thống điều khiển nối
tầng sai lệch nhiệt độ là 10C còn hệ thống điều khiển lò phản ứng theo mạch vòng đơn là 2,50C. Như vậy
hệ thống điều khiển Cascade đã được thiết kế hoàn tất.
Hình 5.16. Khả năng loại bỏ nhiễu của hệ điều khiển Cascade khi sử dụng bộ điều khiển P – Only
và bộ điều khiển PI.
http://www.ebook.edu.vn
123
d. So sánh điều khiển hệ thống theo mạch vòng đơn và Cascade
a) Bộ điều khiển PI b) Bộ điều khiển cascade
Hình 5.17. So sánh việc bám giá trị đặt của bộ điều khiển vòng lặp đơn với hoạt động đó của cascade.
Cấu trúc điều khiển Cascade không có nhiều ưu điểm trong việc bám sát những thay đổi của giá
trị đặt jacketed của lò phản ứng và điều này được thể hiện trên hình 5.17. Đồ thị ở bên trái cho thấy hoạt
động bám giá trị đặt của vòng lặp đơn bộ điều khiển PI trong khi đồ thị bên phải chỉ ra hoạt động đó của
cascade. Đường cong phía dưới là tín hiệu ra bộ điều khiển truyền tới van nằm trên jacket làm lạnh ống
thoát hơi.
Hoạt động của bộ điều khiển vòng lặp đơn ở đồ thị bên trái được xem là tốt hơn hoạt động của
cascade trong đồ thị bên phải. Tuy nhiên, không nên quên rằng bộ điều khiển vòng lặp đơn PI đã được
điều chỉnh để sử dụng IMC bám giá trị đặt và loại trừ nhiễu. Vòng lặp chính của cascade đã được chỉnh
định, sử dụng ITAE để loại nhiễu. Điều này nói chung sẽ tạo ra nhiều giá trị điều chỉnh hệ số khuếch đại
hơn.
Ví dụ này là không đủ để chứng minh một nhận định rằng một cấu trúc hoạt động hiệu quả hơn
cấu trúc khác trong việc bám giá trị đặt. Tuy thế, chúng ta kết thúc chương này và vẫn nhấn mạnh một lần
nữa rằng trước khi xem xét một cấu trúc cascade, phải chác chắn rằng mục tiêu thiết kế của bộ điều khiển
là loại bỏ nhiễu.
5.5. Điều khiển phản hồi trước FEED FORWARD CONTROL
5.5.1. Một số đặc điểm của mô hình điều khiển quá trình Feed Forward
Trong phần trước chúng ta đã đưa ra và nghiên cứu cấu trúc điều khiển nối tầng (Cascade control),
mô hình điều khiển này cho phép loại bỏ nhiễu tác động lên quá trình. Tuy nhiên để loại bỏ được nhiễu
với điều kiện biến phụ là nhiễu tác động trực tiếp lên biến điều khiển chính. Mạch vòng kín của hệ thống
điều khiển theo cấu trúc kiểu nối tầng vì vậy mà được thiết kế thống nhất với hai mạch vòng điều khiển
để thực hiện cùng một mục tiệu. Tuy vậy còn tồn tại các nhiễu khác xuất hiện trong gia đoạn cuối của quá
trình thì việc điều khiển nối tầng dạng vòng lặp đơn không loại bỏ được.
Mặt khác trong điều khiển quá trình việc xác định các biến phụ không phải lúc nào cũng thực hiện