1
BỘ CÔNG THƢƠNG
ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA ĐIỆN
Nguyễn Đức Dƣơng (chủ biên)
Võ Thu Hà, Trần Ngọc Sơn, Nguyễn Đức Điển, Nguyễn Hải Bình
TÀI LIỆU HỌC TẬP
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
(Lƣu hành nội bộ)
Số tín chỉ : 02
Đối tƣợng : Đại học
Ngành : Công nghệ kỹ thuật ĐK và Tự động
hóa
Dƣơng
Hà Nội – 2020
2
LỜI NÓI ĐẦU
Tài liệu học tập “Điều khiển quá trình”đƣợc biên soạn với mục đích làm tài liệu
tham khảo cho các kỹ sƣ thuộc lĩnh vực điều khiển và tự động hóa, đồng thời có thể
làm tài liệu phục vụ học tập nghiên cứu cho sinh viên trong các trƣờng đại học kỹ
thuật.
Nội dung tài liệu cung cấp cho ngƣời đọc phƣơng pháp luận nghiên cứu điều
khiển quá trình nhƣ biết cách xây dựng động lực học các quá trình trong công nghiệp,
phân tích và xác định các biến cần điều khiển, biến tác động, các loại biến nhiễu từ đó
thiết kế cấu trúc điều khiển từ đơn giản đến phức tạp, thiết kế chỉnh định các mạch
vòng điều khiển cơ sở. Đồng thời tài liệu cũng đề cập một cách cơ bản và đầy đủ các
thiết bị đo lƣờng, cơ cấu chấp hành thƣờng đƣợc sử dụng trong công nghiệp, các ví
dụ minh hoạ trong tài liệu bám sát các thiết bị quá trình ở thực tế sản xuất. Nội dung
tài liệu đƣợc biên soạn trong năm chƣơng :
Chƣơng 1 là “Các khái niệm cơ bản về điều khiển quá trình” trong đó trình bày
các khái niệm, định nghĩa cũng nhƣ phân loại điều khiển quá trình. Các đặc điểm của
các biến quá trình chính và các yêu cầu điều khiển của từng loại mạch vòng cơ bản
trong hệ điều khiển quá trình.
Chƣơng 2 mô tả “ Mô hình động học của các quá trình cơ bản trong điều khiển
quá trình”, tập trung nghiên cứu động học quá trình cơ bản nhƣ mạch vòng điều khiển
lƣu lƣợng, các khâu tích lũy thể lỏng, động lực học các thiết bị truyền nhiệt, điều
khiển pha trộn nồng độ.
Chƣơng 3 nói về “Đặc tính cơ bản của thiết bị đo và cơ cấu chấp hành trong hệ
điều khiển quá trình” trình bày khái 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.
Chƣơng 4 nói về “Thiết kế cấu trúc điều khiển trong hệ điều khiển quá trình”, tập
trung nghiên cứu sách lƣợc điều khiển phản hồi, điều khiển truyền thẳng, điều khiển
tầng, điều khiển tỷ lệ.
Chƣơng 5 nói về “ Thiết kế và chỉnh định tham số bộ điều khiển PID”. Chƣơng
này tóm lƣợc lý thuyết về bộ điều khiển PID, các phƣơng pháp thiết kế chỉnh định bộ
điều khiển PID và phƣơng pháp đánh giá hệ điều khiển.
Trong quá trình biên soạn tài liệu học tập, mặc dù các tác giả đã rất cố gắng,
nhƣng do trình độ và thời gian có hạn, tài liệu học tập không tránh khỏi những sai sót.
Chúng tôi mong nhận đƣợc góp ý và nhận xét của bạn đọc để cuốn tài liệu học tập
đƣợc hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau.
Các tác giả
3
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 2
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1 .................................................................................................................. 10
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH .................................. 10
1.1. Quá trình và điều khiển quá trình .......................................................................... 10
1.2. Mục đích điều khiển quá trình............................................................................... 14
1.3. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình ........................................ 16
1.4. Các chức năng điều khiển quá trình ...................................................................... 19
1.5. Đặc tả chức năng hệ thống .................................................................................... 20
1.6. Các bƣớc phát triển hệ thống ................................................................................ 26
Câu hỏi và bài tập ......................................................................................................... 26
CHƢƠNG 2 .................................................................................................................. 28
MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦ C C QU TRÌNH CƠ BẢN TRONG ĐIỀU KHIỂN
QU TRÌNH ................................................................................................................ 28
2.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................. 28
2.1.1. Mô hình và vai trò của mô hình ..................................................................... 28
2.1.2. Phân loại mô hình ........................................................................................... 28
2.1.3. Các phƣơng pháp xây dựng mô hình ............................................................. 28
2.1.4. Các dạng mô hình toán học ............................................................................ 29
2.2. Tổng quan các bƣớc tiến hành .............................................................................. 29
2.2.1. Tổng quan quy trình mô hình hóa .................................................................. 29
2.2.2. Các bƣớc xây dựng mô hình lý thuyết ........................................................... 30
2.2.3. Phân chia mô hình .......................................................................................... 31
2.3. Nhận biết các biến quá trình .................................................................................. 34
2.3.1. Nhận biết các biến vào-ra ............................................................................... 34
2.3.2. Xác định các biến trạng thái ........................................................................... 36
2.4. Các quan hệ cơ bản của quá trình ......................................................................... 37
2.4.1. Phƣơng trình cân bằng vật chất toàn phần ..................................................... 37
2.4.2. Phƣơng trình cân bằng thành phần hoá học ................................................... 37
2.4.3. Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng ................................................................ 38
4
2.5. Phân tích bậc tự do ................................................................................................ 39
2.6. Tuyến tính hóa mô hình ........................................................................................ 40
2.7. Một số ví dụ mô hình quá trính tiểu biểu .............................................................. 42
2.7.1. Bình chứa dung dịch thể lỏng ....................................................................... 42
2.7.2. Quá trình trộn nồng độ ................................................................................... 48
2.7.3. Quá trình trộn nhiệt độ ................................................................................... 50
2.7.4. Quá trình điều khiển lƣu lƣợng bằng thay đổi tốc độ bơm ............................ 51
Câu hỏi và bài tập ......................................................................................................... 54
CHƢƠNG 3 .................................................................................................................. 61
ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH TRONG HỆ
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ........................................................................................ 61
Mục tiêu của chƣơng .................................................................................................... 61
3.1. Thiết bị đo quá trình .............................................................................................. 62
3.1.1. Đặc tính thiết bị đo ........................................................................................ 63
3.1.2. Các loại cảm biến quá trình tiêu biểu ............................................................ 68
3.1.3. Transmitter ..................................................................................................... 76
3.2. Thiết bị chấp hành và van điều khiển .................................................................... 78
3.2.1. Cấu trúc chung của thiết bị chấp hành ........................................................... 78
3.2.3. Đặc tính dòng chảy của van điều khiển ......................................................... 84
3.2.4. Đặc tính động học của van điều khiển ........................................................... 88
3.3. Các bộ điều khiển cơ bản ...................................................................................... 89
3.3.1. Điều khiển hai vị trí ........................................................................................ 92
3.3.2. Bộ điều khiển chỉnh PID ................................................................................ 93
Câu hỏi và bài tập ......................................................................................................... 96
CHƢƠNG 4 .................................................................................................................. 97
THIẾT KẾ CẤU TRÖC ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN QU TRÌNH ... 97
Mục tiêu của chƣơng .................................................................................................... 97
4.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................. 97
4.2. Điều khiển phản hồi .............................................................................................. 98
4.2.1. Nguyên lý của điều khiển phản hồi ................................................................ 98
4.2.2. Cấu trúc cơ bản điều khiển phản hồi .............................................................. 99
5
4.2.3. Vai trò của điều khiển phản hồi ................................................................... 100
4.3. Điều khiển truyền thẳng ...................................................................................... 104
4.3.1. Cấu trúc cơ bản điều khiển truyền thẳng ...................................................... 104
4.3.2. Phân tích chất lƣợng điều khiển truyền thẳng .............................................. 105
4.3.3. Ví dụ điều khiển truyền thẳng ...................................................................... 107
4.4. Điều khiển tỉ lệ (ratio control) ............................................................................ 111
4.5. Điều khiển tầng (Cascade) .................................................................................. 112
Câu hỏi và bài tập ....................................................................................................... 115
CHƢƠNG 5 ............................................................................................................... 118
THIẾT KẾ VÀ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ........................ 118
5.1. Giới thiệu chung .................................................................................................. 118
5.1.1. Các tiêu chí đánh giá chất lƣợng điều khiển ................................................ 118
5.1.2. Lựa chọn luật điều khiển .............................................................................. 118
5.1.3. Phân loại các phƣơng pháp chỉnh định PID ................................................. 121
5.2. Các phƣơng pháp dựa trên đặc tính đáp ứng ....................................................... 122
5.2.1. Phƣơng pháp dựa trên đáp ứng bậc thang ................................................... 122
5.2.2. Phƣơng pháp dựa trên đặc tính dao động tới hạn ......................................... 123
5.3. Phƣơng pháp mô hình mẫu ................................................................................. 125
5.3.1 Phƣơng pháp Haalman .................................................................................. 125
5.3.2. Phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp .................................................................. 126
5.3.3. Phƣơng pháp tiêu chuẩn tối ƣu ..................................................................... 129
5.4 . Chỉnh định một số vòng điều khiển tiêu biểu .................................................... 129
5.4.1. Điều khiển mức chất lỏng ........................................................................... 129
5.4.2 . Điều khiển nồng độ ..................................................................................... 133
5.4.3 . Điều khiển nhiệt độ ..................................................................................... 137
Câu hỏi và bài tập ....................................................................................................... 139
CÁC BÀI THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ............................................ 144
BÀI 1 .......................................................................................................................... 144
TÌM HIỂU CẤU TRÚC TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG ..................................... 144
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ...................................................................................... 144
1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................... 144