http://www.ebook.edu.vn
141
Utoptotal(s) = Utopfeedback (s)- Utopdecouple(s) (5.66)
Tín hiệu ra của bộ điều khiển phân ly đáy bồn cũng được tính tương tự theo công thức sau:
Ubottomdecouple(s) = [GBT(s)/GBB(s)]. Utopfeedback (s) = Dtop(s).Utopfeedback (s) (5.67)
Do đó để thực hiện bộ điều khiển phân ly ta cần 4 mô hình động với dạng FOPDT sau: Đối với
vòng đỉnh bồn: GTT(s) mô hình quá trình, GTB(s) mô hình nhiễu. Đối với vòng đáy bồn: GBB(s) mô hình
quá trình, GBT (s) mô hình nhiễu. Bộ điều khiển phân ly được tạo thành từ những mô hình trên bằng cách
lập trình trong máy tính điều khiển.
Bộ điều khiển phân ly đỉnh bồn: Dtop(s)= GTB(s)/GTT(s) (5.68)
Bộ điều khiển phân ly đáy bồn: Dbottom(s)= GBT(s)/GBB(s) (5.69)
5.6.3. Nghiên cứu về chưng cất với các mạch vòng ảnh hưởng lẫn nhau
Chúng ta tiến hành khảo sát về các bộ điều khiển phân ly thông qua hệ thống chưng cất trên hình
5.29. Ta đi sâu tìm hiểu sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các biến của các bộ điều khiển đỉnh và bộ điều khiển
đáy của bồn chưng cất khi chúng được thiết kế và vận hành là các vòng lặp độc lập.
Mục tiêu thiết kế là thiết kế và điều chỉnh bộ điều khiển PI có khả năng bám các giá trị đặt cho
mạch vòng đỉnh từ 92% đến 94% với điều kiện mạch vòng đáy không đổi ở mức 1.5%. Dung lượng thiết
kế của bồn chưng cất bao gồm tốc độ chảy vào bồn là 547kg/phút (lưu ý rằng đây không phải giá trị khởi
động mặc định) và những điều kiện hoạt động ổn định là:
Phía đỉnh: utop = 52% ytop = 92%
Phía đáy: ubottom = 48% ybottom = 1.5%
Trên hình 5.29 biểu diễn cột chưng cất theo các số liệu nêu trên với chế độ hoạt động tự động.
Trước khi điều chỉnh các mạch vòng, nhất thiết phải kiểm tra trạng thái động của bồn chưng cất bằng
cách thử nghiệm với các vòng lặp mở. Bộ điều khiển đỉnh có tín hiệu đặt nhảy bậc từ 52% lên 55%,
xuống 49% và trở lại 52%. Sau khi quá trình đó ổn định, thử nghiệm với bộ điều khiển đáy. Tín hiệu của
bộ điều khiển đáy nhảy bậc từ 48%, lên 51% và sau đó xuống 45% và trở lại 48%. Những phản hồi của
biến quá trình đối với những thử nghiệm này được thể hiện trên hình 5.32.
Hình 5.32. Kết quả thử nghiệm hệ hở với tín hiệu đặt nhảy bậc cho bộ điều khiển đỉnh và bộ điều khiển
http://www.ebook.edu.vn
142
đáy.
Hai đường cong đầu tiên trong hình 5.32 cho thấy biến quá trình của phần đỉnh nửa phi tuyến. Có
nghĩa là ytop(t) đáp ứng khác nhau khi thay đổi giá trị đặt utop(t) theo chiều tăng và giảm cùng một giá trị.
Mặt khác, vòng lặp phần đáy hoàn toàn phi tuyến. Cụ thể ybottom(t) tăng lên từ giá trị thiết kế vận
hành lớn gấp 3 lần so với khi ybottom(t) giảm. Theo hình 5.43, dù các phản hồi đang chịu tác động của
utop(t) hay ubottom(t) thì điều này luôn đúng.
Tính hoàn toàn phi tuyến này tạo ra nhiều thách thức vượt quá phạm vi vấn đề tương tác giữa các
vòng lặp trong qua trình điều khiển. Để giải quyết nó, cần thiết kế những thử nghiệm tính động rồi đi đến
mô hình hoá và hiệu chỉnh. Thay vì dùng các lưỡng cực thông thường, ta sẽ chỉ tác động mỗi biến theo
một hướng. Nên chọn hướng mà cho tham số đưa đến mô hình điều khiển ổn định nhất.
Giả sử hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển KC tỷ lệ nghịch với hệ số khuyếch đại của quá trình
KP. Trong thiết kế thông thường, để đạt giá trị KC nhỏ thì dùng giá trị KP lớn. Để có được giá trị KP lớn
nhất, giảm giá trị utop(t) hay ubottom(t) khi lập dữ liệu thử nghiệm.
Trên hình 3.43, biểu diễn kết quả thử nghiệm với biên độ xung lớn hơn đặt vào bộ điều khiển
đỉnh, trong khi bộ điều khiển đáy hoạt động ở chế độ điều khiển bằng tay.
Hình 5.33. Đáp ứng quá trình của bộ điều khiển đỉnh bồn chưng cất.
Trong thử nghiệm giá trị utop(t) thay đổi từ 52% lên 54% và quay trở lại 52%. Bộ điều khiển đáy
hoạt động ở chế độ điều khiển bằng tay. Mô hình quá trình có dạng FOPDT các dữ liệu quá trình thể hiện
trên hình 5.33.
Mô hình FOPDT tạo ra những ước lượng sát với số liệu của quá trình. Do đó hàm truyền GTT(s)
có các thông số sau:
Hệ số khuyếch đai quá trình: KP, TT = 1.1
Hằng số thời gian của toàn hệ thống: P, TT = 62 phút
http://www.ebook.edu.vn
143
Thời gian chết cụ thể: P, TT = 24 phút
Để có được khả năng dự báo sớm cho việc hiệu chỉnh của bộ điều khiển PI sử dụng các thông số
mô hình FOPDT. Giả sử trong cấu trúc điều khiển theo mô hình nội IMC, các hằng số thời gian của hệ
kín được chọn có giá trị lớn hơn 0,1P hoặc 0,8P khi đó bộ điều khiển được thiết kế với thông số tính
như sau:
Hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển: KC, top = 1,3
Hằng số thời gian: I,top = 62 phút
Đối với hệ thống điều khiển bồn chưng cất, bộ điều khiển sử dụng là PID và nhập vào giá trị hiệu
chỉnh này. Kết quả thu được trên hình 5.34.
Bộ điều khiển được thử nghiệm về bám giá trị đặt trong phạm vi từ 92% đến 94%. Mạch vòng đáy
được duy trì chế độ điều khiển bằng tay trong suốt quá trình đánh giá. Mạch vòng đỉnh thực hiện quá
trình bám tín hiệu đặt mong muốn. Thời gian đáp ứng quá trình nhanh, độ quá chỉnh nhỏ và suy giảm
nhanh.
Hình 5.34. Khả năng bám của mạch vòng đỉnh khi dùng bộ điều khiển PI với mạch vòng đáy sử dụng chế
độ điều khiển bằng tay.
Như vậy trong toàn bộ hệ thống điều khiển bồn chưng cất đối với mạch vòng đáy cũng cần thiết
phải được thực hiện trình tự thiết kế một bộ điều khiển tương tự như mạch vòng đỉnh.
3.6.4. Điều khiển đáy với sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các mạch vòng
Bộ điều khiển cho mạch vòng điều khiển đáy được thiết kế có dạng PI tương tự như bộ điều khiển
trong mạch vòng điều khiển đỉnh. Trên hình 5.35, đáp ứng quá trình thu được khi tín hiệu điều khiển của
bộ điều khiển đáy nhảy bậc từ giá trị 48% nhảy xuống 46% và ngược lại. Bộ điều khiển đỉnh có chế độ
làm việc bằng tay trong quá trình thử nghiệm. Mô hình thiết kế có dạng FOPDT tương ứng với các dữ
http://www.ebook.edu.vn
144
liệu trên hình 5.35.
Mô hình động học có dạng FOPDT có dạng gần đúng với dữ liệu quá trình quá trình. Hàm truyền
GBB(s) của bộ điều khiển đáy có các thông số kỹ thuật như sau:
Hệ số khuyếch đại quá trình: KP,BB = - 0,22
Hằng số thời gia của hệ thống: P, BB = 53 phút
Thời gian chết : P, BB = 14 phút
Để có được khả năng dự báo sớm cho việc hiệu chỉnh của bộ điều khiển PI với mô hình FOPDT
trong điều chỉnh tương quan sử dụng cấu trúc mô hình nội IMC. Trong cấu trúc điều khiển theo mô hình
nội IMC các hệ số thời gian được chọn trong hệ kín có giá trị lớn hơn 0,1P hoặc 0,8P khi đó bộ điều
khiển được thiết kế với thông số tính như sau:
Hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển: KC, top = -9,7
Hằng số thời gian: I,top = 53 phut
Hình 5.35. Đáp ứng quá trình của bộ điều khiển đáy
Ta thấy rằng đặc tính điều chỉnh của bộ điều khiển đáy khi tín hiệu đặt nhảy bậc, với hệ thống
điều khiển đỉnh hoạt động ở chế độ điều khiển bằng tay. Đáp ứng của quá trình bám tín hiệu đặt theo
mong muốn. Như vậy cả hai mạch vòng đỉnh và mạch vòng đáy làm việc riêng rẽ có chất lượng tốt khi đã
sứ dụng bộ điều khiển phân ly của mạch này lần lượt tác động lên mạch vòng kia.
Trên hình 5.36 biểu diễn sự ảnh hưởng lẫn nhau của của hai mạch vòng điều khiển đỉnh và điều
khiển đáy. Các bộ điều khiển có dạng PI, các thông số đã được lựa chọn trong chế độ hoạt động độc lập.
Trong thí nghiệm bộ điều khiển đỉnh trên hình 5.34 có thông số không thay đổi hoạt động ổn định
trong thời gian 200 phút và hoàn toàn có khả năng cho đáp ứng quá trình ổn định. Kết quả thể hiện trên
http://www.ebook.edu.vn
145
hình 5.36 cho thấy sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa hai bộ điều khiển của hai mạch vòng đều ở chế độ hoạt
động tự động. Đáp ứng của tổ hợp mạch vòng đáy làm việc ổn định trong thời gian 1500 phút. Lý do đáp
ứng chậm được chứng minh là do mạch vòng đỉnh cho đáp ứng như trên hình 5.36.
Hình 5.36. Sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa hai mạch vòng
Cũng cần chú ý rằng sự biến đổi của cả hai utop và ubôttm tăng liên tục trong thời gian ngắn mỗi khi
bộ điều khiển cố gắng bù lại sự tác động của bộ kia. Nghĩa là khi bộ điều khiển đưa càng nhiều dòng lạnh
ngược xuống phía đáy của bồn chưng cất để tăng thêm độ tinh khiết của tổ hợp đáy, bộ điều khiển đáy
đáp lại bằng cách đưa thêm càng nhiều hơi nóng lên phía đỉnh của bồn chưng cất để cố gắng duy trì tổ
hợp đáy bằng giá trị đặt. Như vậy, một bộ cố gắng làm mát và bộ kia cố gắng làm nóng lên. Hai bộ điều
khiển này có mục địch đối lập nhau, nhưng lại tác động lẫn nhau làm cho mục tiêu điều khiển của cả hai
bị ảnh hưởng. Kết quả là đặc tính của đáp ứng quá trình không tốt.
3.6.5. Nghiên cứu điều khiển bồn chưng cất với các mạch vòng điều khiển phân ly
Như kết quả nghiên cứu trên đây đối với mạch vòng đỉnh bồn chưng cất, các bộ điều khiển phân
ly là phần tử feed forward đã hạn chế ảnh hưởng lẫn nhau giữa các mạch vòng. Nhưng nếu thiết kế thêm
cho mỗi mạch vòng một hàm truyền đảm bảo điều khiển phân ly khi kể đến tác động của nhiễu.
Với các hàm truyền của quá trình chọn mô hình FOPDT, bộ điều khiển có dạng PI kết quả khảo
sát như trên hình 5.33 và hình 5.35. Các hàm truyền phân ly điều khiển khi có nhiễu được đưa vào các
mạch vòng.
Không nhất thiết phải thiết kế lại các mạch vòng cho hệ thống điều khiển bồn chưng cất đỉnh và
đáy khi đã thử nghiệm điều khiển một mạch bằng tay. Do vậy những dữ liệu về thông tin, cách thức thực
hiện khi mà bộ điều khiển đỉnh tương tác với bộ điều khiển đáy cũng như khi bộ điều khiển đáy tương tác
với bộ điều khiển đỉnh được giữ nguyên. Trên hình 5.37 chỉ rõ phản ứng của đáp ứng quá trình với tín