Chương 1
1.1 Giải thích khái niệm điều khiển quá trình và nêu các lĩnh vực ứng dụng của
điều khiển quá trình. Phân biệt điều khiển quá trình với các lĩnh điều khiển vực
khác.
- Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động hóa 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 con người, máy móc và môi
trường.
- Các lĩnh vực ứng dụng của điều khiển quá trình: trong công nghiệp chế biến, khai
thác và năng lượng, cho phép sản xuất hàng loạt các sản phẩm phù hợp với các
quá trình liên tục hoạt động như lọc dầu, sản xuất giấy, hóa chất, nhà máy điện và
nhiều ngành khác.
- Phân biệt điều khiển quá trình với các lĩnh điều khiển vực khác:
Điều khiển quá trình được ngầm hiểu là điều khiển cho các quá trình công
nghệ
Điều khiển quá trình khác với điều khiển máy ở chỗ đối tượng điều khiển là
các quá trình công nghệ, không phải một thiết bị, máy móc.
Điều chỉnh là chức năng tiêu biểu và quan trọng nhất của điều khiển quá
trình, song một số hệ thống điều khiển quá trình có thể bao gồm các chức
năng khác như điều khiển rời rạc, điều khiển trình tự, thhu thập dũ liệu và
hiển thị.
1.2 Nêu các đặc thù của lĩnh vực điều khiển quá trình (về đối tượng điều khiển, về
yêu cầu kỹ thuật và về các yêu cầu công nghệ)
1
Giái bài tập các chương môn Điều khiển quá trình
- Đối tượng điều khiển: Quá trình công nghệ
Qui mô sản xuất thông thường vừa và lớn.
Yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng.
Các quá trình liên quan tới biến đổi năng lượng và vật chất:
Bài toán điều chỉnh là tiêu biểu.
Các đại lượng cần điều khiển: lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, nồng độ, thành
phần,...
Diễn biến tương đối chậm.
Mô hình khó xác định.
Khả năng điều khiển hạn chế.
Khó thay đổi thiết kế công nghệ.
1.3 Phân biệt các loại biến quá trình (biến vào/biến ra/ biến trạng thái, biến điều
khiển/ biến được điều khiển/ nhiễu) đưa ra một số ví dụ minh họa.
- Biến cần 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 mong
muốn hay giá trị đặt (set point, SP), hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu
(command variable/reference signal). Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng
tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Ví dụ:
Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất, nồng độ,…
- Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): là một biến vào của quá
trình, có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, tác động tới biến ra theo ý muốn.
- Nhiễu: Biến vào không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm
vi quá trình đang quan tâm. Gồm có 2 loại nhiễu:
Nhiễu quá trình (disturbance, process disturbance): là nhũng biến vào tác động
lên quá trình một cách cố hữu nhưng không can thiệp được. Ví dụ: lưu lượng
chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, trọng lượng cần nâng, …
oNhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số đầu vào (lưu
lượng, nhiệt độ hoặc thành phần nguyên liệu, nhiên liệu)
2
oNhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu
lượng dòng chảy, áp suất hơi nước, ...)
oNhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên
ngoài, ...
Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise): là nhiễu tác động lên phép đo,
gây ra sai số trong giá trị đo được.
- Ví dụ bình chứa chất lỏng:
1.4 Phân biệt bài toán điều chỉnh với bài toán điều khiển bám, đưa ra một số ví dụ
minh họa.
- Bài toán điều chỉnh: Nhiệm vụ điều chỉnh là thiết lập hoặc duy trì đầu ra tại một
giá trị đặt cho trước trong khi có tác động của nhiễu, trong khi yêu cầu của biến
điều khiển bám là đầu ra bám theo một tín hiệu chủ đạo liên tục thay đổi (biết
trước hoặc không biết trước). Trong điều khiển quá trình thì bài toán điều chỉnh
chiếm vai trò chủ yếu, bởi các giá trị đặt thường cố định hoặc ít thay đổi trong chế
độ vận hành bình thường. Các ví dụ cho bài toán điều chỉnh gồm: điều chỉnh nhiệt
độ, lưu lượng, áp suất, mức, nồng độ.
- Trong khi bài toán điều khiển bám được quan tâm nhiều hơn trong lĩnh vực điều
khiển máy móc, điều khiển chuyển động. Tuy nhiên, điều khiển bám cũng có
những vai trò nhất định trong các hệ thống điều khiển quá trình, ví dụ trong bài
toán khởi động/dừng hệ thống, thay đổi chế độ vận hành hoặc điều khiển quá trình
theo mẻ.
3
1.5 Nêu rõ các mục đích điều khiển và phân tích trên cơ sở một ví dụ minh họa, liên
hệ với các bài toán điều khiển.
a) Mục đích điều khiển quá trình:
- Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: giữ cho hệ thống hoạt động 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 chất lượng sản phẩm trong phạm
vi yêu cầu.
- Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng
như bảo vệ con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự
cố.
- Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải
độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm
tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu.
- Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong
khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu
cầu thay đổi của thị trường.
b) Phân tích trên cơ sở một ví dụ minh họa: điều khiển thiết bị khuấy trộn
- Hai dòng nguyên liệu có thành phần chất A lần lượt là x và x được đưa vào thiết bị
1 2
khuấy trộn, tạo ra một sản phẩm có thành phần x theo yêu cầu. Lưu lượng khối lượng của
các dòng nguyên liệu được ký hiệu là w và w , có thể điều chỉnh qua hai van cấp tương
1 2
ứng. Quá trình pha chế được hỗ trợ bởi một hệ thống khuấy trộn gắn động cơ. Dung dịch
sản phẩm được đưa tới quá trình tiếp theo với lưu lượng khối lượng w. Thiết bị khuấy
trộn có thể hoạt động theo chế độ liên tục hoặc theo mẻ, ở đây quan tâm tới chế độ vận
hành liên tục.
4
- Vận hành ổn định: Thể hiện ở việc duy trì mức trong thiết bị khuấy trộn cũng như
thành phần sản phẩm ở các giá trị cố định hoặc ít nhất là nằm trong một khoảng
giới hạn cho phép. Cả hai yêu cầu này xuất phát từ nguyên lý cân bằng vật chất
của hệ thống ở trạng thái xác lập. Nghĩa là khi hệ thống vận hành ổn định thì
lượng sản phẩm lấy ra đúng bằng tổng các thành phần đầu vào, lượng mỗi cấu tử
có mặt trong một sản phẩm đúng bằng tổng lượng cấu tử đó trong nguyên liệu.
- Năng suất và chất lượng sản phẩm: Chất lượng sản phẩm đòi hỏi thành phần ra
không những ổn định mà còn phải đảm bảo đúng theo một giá trị đặt trước, hoặc ít
ra là với một sai lệch nằm trong phạm vi cho phép.
- Vận hành an toàn: Ví dụ, dù hệ thống động cơ khuấy trộn có thể đạt tốc độ quay
rất cao thì yêu cầu an toàn của hệ thống cũng không cho phép đặt một tốc độ cao
tùy ý. Vì thế, việc khống chế tốc độ động cơ là điều cần thiết. Cũng như vậy, dù
múc trong bình không ảnh hưởng một cách quyết định tới chất lượng sản phẩm thì
yêu cầu an toàn cũng không cho phép giá trị mức quá cao hoặc quá thấp mà đồng
thời hệ thống động cơ khuấy đang hoạt động. Cho nên bài toán điều khiển mức ở
đây vừa đảm bảo nguyên lý cân bằng vật chất, vừa đảm bảo an toàn hệ thống.
- Bảo vệ môi trường: giảm năng lượng tiêu thụ cho cơ cấu khuấy trộn, giảm sử dụng
nước sạch.
- Hiệu quả kinh tế: chất lượng sản phẩm ổn định, giảm tiêu hao năng lượng cho cơ
cấu khuấy trộn và các van điều khiển, tác động điều khiển êm ả, chơn chu.
1.6 Phân loại và làm rõ các chức năng điều khiển quá trình, liên hệ với các mục
đích điều khiển.
Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp
xếp nhằm mục đích phục vụ mục đích cơ bản sau:
- Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: giữ cho hệ thống hoạt động ổn định
tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều
5