Nghiên cứu điều khiển quá trình (Sách chuyên khảo dùng cho kỹ sư, học viên cao học và sinh viên các ngành kỹ thuật): Phần 2

Nối tiếp phần 1, phần 2 cuốn sách "Điều khiển quá trình (Sách chuyên khảo dùng cho kỹ sư, học viên cao học và sinh viên các ngành kỹ thuật)" tiếp tục cung cấp tới người học những nội dung chính sau đây: giới thiệu khái quát chung về điều khiển phán hồi; điều khiển quá trình nhiều mạch vòng; trình bày vấn đề thiết kế hệ điều khiển quá trình;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu điều khiển quá trình (Sách chuyên khảo dùng cho kỹ sư, học viên cao học và sinh viên các ngành kỹ thuật): Phần 2 183 Chương 4. Lý thuyết chung về các bộ điều khiển Trong sản xuất công nghiệp hệ điều khiển quá trình được xây dựng chủ yếu trên cấu trúc điều khiển phản hồi, trong đó sư dụng điều khiển phản hồi tuyến tính dùng bộ điều khiển PID là phổ biến, v ề cơ bản bộ điều khiển PID đáp ứng được các yêu cầu chung về điều khiển các quá trình. Vì vậy hầu như tất cả các hệ điều khiển PCS, DCS hoặc các bộ điêu khiên đơn lé được sử dụng trong sản xuất đều là bộ điều khiển PID làm nền tảng trong chức năng điều khiển. Để nâng cao chất lượng điều khiển người ta ứng dụng cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng như điều khiển Cascade, điều khiển thích nghi. Để bù giảm thiểu ảnh hường nhiễu tải, trong thực tế thường sử dụng điều khiển bù nhiễu Feedforward. Trong các trường họp yêu cầu chất lượng không cao, với đối tượng quán tính lớn (như điều khiển nhiệt độ) các bộ điều khiển sử dụng là ON-OFF. Điều khiển mờ, điều khiển nơron được các nhà sản xuất đưa vào ứng dụng nhung chủ yếu trong hệ điều khiển tối ưu hóa. Trong thời gian gần đây, m ột số hãng đã đưa điều khiển mô hình dự báo (Mode! Predictive Control M PC) trong các sản phẩm của mình. Nội dung chương 4 sẽ tập trung nghiên cứu các phần điều khiển cơ bản của bộ điều khiển PID và điều khiển ON-OFF. 4.1 B ộ đ iề u k h iể n O N - O F F Điều khiển O N -O FF thường được ứng dụng phần lớn cho quá trình nhiệt trong các lò nung, tôi với các phần tử gia nhiệt dùng các thanh điện trở. Đối tượng này có quán tính lớn. Các bộ điều khiển đưọc dùng đơn lẻ chủ yếu là các bộ điều khiển nhiệt độ. Khối đầu ra điều khiển là rơle điện từ hoặc solid State. C ơ cấu chấp hành là các công tắc tơ hay thyristor, triac v.v... Ngoài ra có một số cơ cấu chấp hành khác như van điện từ hoặc khí nén đóng ON/OFF. Bộ điều khiển ON/OFF thưòng dùng loại hai vị trí có đặc tính trễ được trình bày trên Hình 4-1 Hình 4-1. Cấu trúc bộ điều khiển ON/OFF hai vị trí Do đổi tượng là khâu quán tính lớn nên có thể xấp xỉ đối tượng khảo sát là khâu tích phân có trễ G = — — e ~fís.Vì vậy đáp ứng đầu ra có dạng đường thẳng. Hoạt động của bộ điều khiển 'r s được mô tả qua phưcmg trình (4.1): í ON kh i y < y v - A u=ị p (4.1) \OFF khi y > y s + A A là dải chết (dead band). 184 Lý thuyết chung về các bộ đỉéu khiên Khi đầu ra điều khiển ở trạng thái ON, y tăng theo phương trình: H Ị-ụ í m I — d / 0 p (4.2) Khi đầu ra điều khiển ở trạng thái OFF, y giảm theo phương trình: tl mữ- d y (4.3) Trong đó: /W /, m o là giá trị max, min cùa biến điều khiển; Xp là hằng sổ thời gian tích phàn quá trình Đáp ứng của hệ được trình bày trên Hình 4-2. Do đối tượng có thành phần trễ nên mặc dù khi tín hiệu điều khiển OFF giá trị y(t) vẫn tiếp tục tăng lớn hơn giá trị y X p+d và đạt tới giá trị y max sau đó mới aiàm xuống.T ương tự neược lại trong trường hợp giá trị y(t) giám đến giá trị y mm. Ta có đáp ứng đầu ra là dao độno hình tam giác có biên độ: 4 = ± 'V ,ạx — - m — - ,n Í4 4) 2 'T r Nổu nhiễu tải d không nằm chính xác giữa hai trạnơ thái của biến điều khiển m thi chu k\ dao đ ộ n g k h ô n g đ ê u , t ô c đ ộ t ă n g và a i à m của đ ạ i 1ƯỌTI2 cân đ i ê u k h i ê n c ũ n a sẽ k h á c nhau. Tu\ vậy. biên độ và clm kỳ dao độne T 0 \ ẫn giữ nguvên: L ý th u y ê t c h u n g v ề c á c b ộ đ iể u k h iể n 185 1 1 Tg — 2A .Tp (4.5) m. ■d - d) Khi giảm A thì tần số đóng cắt sẽ tăng đến mức nào đó sẽ vưọt tần số đóng cắt cho phép cùa thiết bị chấp hành. N hưng nếu để A lớn thì độ chính xác lại giảm. Tùy thuộc vào chất lượng yêu cầu ta chọn thiết bị đóng cắt cùa bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành sao cho phù họp. Thường chọn thiết bị đóng cắt điện tử công suất như solid State, thyristor, triac... có tần số đóng cắt lớn, tuổi thọ cao. Để khấc phục hiện tượng không làm chủ đưọc tần số đóng cắt, người ta dùng bộ điều khiển ON-OFF theo nguyên lý thời gian tỷ lệ. Bản chất của phương pháp này là: Khi y< ysp-A bộ điêu khiển ON. Khi y>yS A thì bộ điều khiển OFF. Khi y nằm trong dải chết À thì bộ điều khiển sẽ p+ đóng cắt theo chu kỳ định trước. Tùy thuộc vào sai lệch, bộ điều khiển sẽ có thòi gian đóng cắt theo kiểu biến điệu độ rộng xung. N hư vậy tăng được độ chính xác và làm chủ đưọc tần số đó ...