Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất phân đoạn đơn

ơn hay nhỏ hơn mức đặt thì mạch điều khiển sẽ điều khiển van xả bớt sản phẩm đỉnh mở hay đóng bớt lại.Sơ đồ của mạch điều khiển mức chất lỏng tại thiêt bị ngưng tụ giống như sơ đồ hình 2.5 nhưng cảm biến đo mức đặt ở thiết bị ngưng tụ và tín hiệu điều khiển của mạch tác độnh lên van xả sản phẩm đỉnh. Hình 2.9: Điều khiển mức chất lỏng trong bình ngưng. Hai sơ đồ công nghệ trên khác nhau chủ yếu là nguyên lý điều khiển lượng dầu hồi lưu đỉnh. ậ sơ đồ công nghệ 1, lượng dầu hồi lưu đỉnh được điều khiển thông qua phân tích thành phần của đầu vào, do đó có thể điều khiển lượng hồi lưu tuỳ thuộc vào loại dầu vào, với mỗi loại dầu vào khác nhau có thành phần khác nhau thì lượng hồi lưu cũng khác nhau và sản phẩm đỉnh có độ tinh khiết như nhau, tuy nhiên thiết bị phân tích thành phần lại phức tạp và giá thành cao. Đối với sơ đồ công nghệ 2 thì lượng dầu hồi lưu bằng một số % đặt trước so với lượng dầu vào, số % này không đổi với những loại dầu khác nhau có thành phần khác nhau, do đó độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh cũng khác nhau đối với từng loại dầu, bù lại thiết bị lại đơn giản và giá thành thấp. Đối với cột chưng cất sơ bộ, nhiệm vụ của nó là tách các phân đoạn nhẹ (nhiệt độ sôi 155oC) và dùng chúng cho quá trình chưng cất AD và VD tiếp theo, độ tinh khiết của các sản phẩm không đòi hỏi cao lắm nên để đảm bảo chỉ tiêu kinh tế, ta lựa chọn sơ đồ công nghệ 2. Việc thiết kế các bộ điều khiển trong sơ đồ công nghệ 2 sẽ được trình bày ở phần tiếp theo đồ án này. Chương 3. Cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế hệ thống điều khiển tháp chưng cất phân đoạn đơn. 3.1. Đặt vấn đề. Như chương 2 đã trình bày về các sơ đồ công nghệ, phân tích ưu nhược điểmcủa từng sơ đồ, ta đã chọn sơ đồ công nghệ 2 (hình 2.7). Để có thể thiết kế được các bộ điều khiển cho từng mạch điều khiển của sơ đồ, trước hết phải xác định được đối tượng của từng mạch điều khiển, hàm truyền của chúng để chọn bộ điều khiển phù hợp. Xác định đối tượng và mô hình của đối tượng. Đối với hệ thống điều khiển quá trình công nghệ, đối tượng điều khiển chính là quá trình công nghệ. Có nhiều phương pháp xác định hàm truyền của đối tượng nhưng đều quy về hai phương pháp: Phương pháp lý thuyết: Phương pháp lý thuyết hay còn gọi là phương pháp giải tích được áp dụng cho các đối tượng đơn giản, phương pháp này bao gồm các bước: Nghiên cứu các quá trình động học xảy ra trong đối tượng. Viết phương trình động học mô tả các quá trình đó. Xây dựng phương trình vi phân mô tả mối liên hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào. Phương pháp thực nghiệm: Đối với các đối tượng phức tạp, là đặc trưng của các đối tượng công nghiệp , việc xác định mô tả toán học của nó phải tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Đặc tính động học của các đối tượng này được biểu diễn dưới dạng các đặc tính thời gian. Cho tác động lên đầu vào của đối tượng như: hàm bậc thang, hàm xung, hàm điều hoà…và ghi lại phản ứng đầu ra của đối tưọng ta sẽ nhận được đặc tính thời gian hoặc đặc tính tần số của đối tượng, từ đó xây dựng được hàm truyền của đối tượng. Đối với hệ thống điều khiển tháp chưng cất phân đoạn đơn, việc xác định hàm truyền của đối tượng bằng phương pháp lý thuyết là không thể vì các quá trình vật lý xảy ra trong tháp rất phức tạp, do vậy ta có thể sử dụng phương pháp thực nghiệm. Vì điều kiện khách quan nên không trực tiếp tiến hành thức nghiêm mà sẽ sử dụng hàm truyền đã được xây dựng sẵn trong các tài liệu tham khảo của Mỹ. Trong sơ đồ công nghệ hình 2.7 có 5 mạch điều khiển, phải xác định đối tượng và hàm truyền của đối tượng đối với từng hệ thống điều khiển. Cụ thể như sau: Hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp và lưu lượng hồi lưu đỉnh. Từ sơ đồ công nghệ xây dựng được sơ đồ khối của hệ thống như sau: Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp. Đây là hệ thống điều khiển hai vào hai ra. Trong đó: SP to : Nhiệt độ đặt (155oC). Lưu lượng vào: Lưu lượng đầu vào được đo ở đường ống dẫn dầu vào. P %: % dầu hồi lưu so với dầu vào đặt trước (60% hay 0,6). Các hàm truyền: W11; W12; W21; W22. WĐK1: Bộ điều khiển lưu lượng hồi lưu được chọn là bộ PID. WĐK2: Bộ điều khiển nhiệt độ đỉnh được chọn là bộ PID. Hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp. Hệ thống này gồm có hai vòng điều khiển: Vòng trong là vòng điều khiển lưu lượng hồi lưu. Vòng ngoài là vòng điều khiển nhiệt độ. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp như sau: Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp. Trong đó: SP to: nhiệt độ đặt (240oC). WĐKT: bộ điều khiển nhiệt độ, chọn là bộ PI. WĐKF: bộ điều khiển lưu lượng hơi quá nhiệt, chọn là bộ PI. WĐTF: là một đối tượng lưu lượng, đối tượng của bộ điều khiển lưu lượng, gồm có van và đường ống dẫn hơi. Hàm truyền: WĐTF = . WĐTT: là một đối tượng nhiệt, gồm có buồng trao đổi nhiệt và khay cuối cùng của tháp. Hàm truyền: WĐTT = . Hệ thống điều khiển áp suất trong tháp. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển áp suất trong tháp có sơ đồ khối như hình 3.3. Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển áp suất trong tháp. Trong đó: WĐTP: Là đối tượng của hệ thống điều khiển áp suất, gồm có van, hệ thống các đường ống và bình ngưng. Bình ngưng là một đối tượng tích phân, hệ thống đường ống là một đối tượng bậc nhất có trễ. Hàm truyền của WĐTP là: WĐTP = . WĐKP: Là bộ điều khiển áp suất, vì đối tượng đã có một khâu tích phân, do đó chỉ nên chọn bộ điều khiển áp suất là bộ điều khiển P. Hệ thống điều khiển mức chất lỏng. Trong hệ thống điều khiển các thông số công nghệ của tháp chưng cất phân đoạn đơn có hai hệ thống điều khiển mức chất lỏng, do tính tương tự của hai hệ thống này nên chỉ thiết kế một trong hai hệ thống đó. Sau đây trình bày hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bình ngưng. Sơ đồ của hệ thống như hình 3.4. Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bình ngưng. Trong đó: WĐTL: là bình ngưng, đối tượng này là một đối tượng có thành phần tích phân, hàm truyền của bình ngưng là: WĐTL = . WĐKL: Bộ điều khiển mức chất lỏng trong bình ngưng, chọn bộ điều khiển P vì đối tượng của bộ điều khiển này đã có đặc tính tích phân. Hàm truyền của bộ điều khiển P là: WP = KP, với KP là hệ số khuyếch đại. Chỉnh định các tham số của bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID thức sự là bộ điều khiển động mà việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển có khả năng làm thay đổi đặc tính động và tĩnh của hệ thống điều khiển tự động. Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiển được mô tả bằng phương trình sau: Trong đó e(t) là tín hiệu vào, U(tăng trưởng) là tín hiệu ra của bộ điều khiển, kp là hệ số khuyếch đại của luật điều khiển tỉ lệ, Ti là hằng số thời gian tích phân, Td là hằng số thời gian vi phân. Hình 3.5. Biểu diễn dưới dạng hàm truyền đạt như sau: Dưới đây là các phương pháp xác định các tham số cho bộ điều khiển PID Phương pháp Reinisch. Phương pháp thiết kế thuật toán điều khiển của Reinisch dựa trên cơ sở toán học của đối tượng đã xác định một cách tường minh. Mô hình động học của đối tượng được đưa về hai dạng cở bản sau: Dạng nguyên hàm với mô hình đặc trưng: Dạng khâu động học có thành phần tích phân: Điều kiện hạn chế đối với cả hai dạng: Ti là một số thực thoả mãn T1³T2³…³Tn³0 và Ti là một số hữu hạn không âm. Nếu 0ÊbÊT3 thì bộ điều khiển thích hợp sẽ là P hoặc PI. Trong trường hợp 0ÊbÊT4 thì thường chọn bộ điều khiển PD hoặc PID. Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống cho đối tượng dạng 1 và đối tượng dang 2, Reinisch đề nghị đưa hàm truyền phải có của hệ thống hở về dạng gần đúng sau: với 2 trường hợp phân biệt c2=0 hoặc c2ạ0. Tham số T được tính bởi: 1 ớ KDTki cho đối tượng dạng 1 KiDT cho đối tượng dạng 2 (1) T Và c1 được xác định từ các tham số của đối tượng như sau: Tham số ki của bộ điều khiển PID sẽ được xác định từ T theo (1) và các tham số Td1=T1, Td2=T2. Điều khiển đối tượng dạng 1. Xác định tham số ki, Td1, Td2 của bộ điều khiển cho đối tượng dạng 1 theo thuật toán sau (phân biệt hai trường hợp của (1): c2=0 và c2ạ0). Nếu c2=0: Xác định: Tính: T = c1a. ị Tính: TĐ1=T1; TĐ2=T2. Nếu c2ạ0: Tính các giá trị trung gian c1=a1-b+T1; c1’=c1-T1; c1’’=c1-T1-T2; (3) c2=a2+(T1-b)(a1-b)+T12/2; c2’=c2-T1c1’; c2’’= c2-T1c1’-T2c1’’; (4) Tính hằng số g theo (3) và (4) tuỳ từng bộ điều khiển: + g=c2/c12 nếu bộ điều khiển được sử dụng là I. +g=c2’/c1’2 nếu bộ điều khiển được sử dụng là P hoặc PI. +g=c2”/c1’’2 nếu bộ điều khiển được sử dụng là PD hoặc PID. Tính a=a+cg với avà c xác định từ smax theo bảng smax(%) 0 5 10 15 20 30 40 50 60 a 0 1.9 1.4 1.1 0.83 0.51 0.31 0.18 0.11 c 0 0 1 1 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 Tính: T = c1a. ị Tính: TĐ1=T1; TĐ2=T2. Những điều kiện hạn chế đối với bộ điều khiển đối tượng dạng 1 như sau: Luật P: T/c1’a >10 và b<T3. Luật I: b<T2. Luật PI: b<T3. Luật PD: T/c1’a >10 và b<T4. Luật PID: b<T4. Điều khiển đối tượng dạng 2. Đối với đối tượng 2, Reinisch đề xuất sử dụng bộ điều khiển Pi hoặc PD (không có I). Công thức hàm truyền đạt của bộ điều khiển là: với 2 tham số cần xác định là kD và TD. Để xác định kD và TD ta sử dụng thuật toán sau: Tính a=a+cg với a và c xác định từ smax theo bảng. Xác định các giá trị trung gian c1, c1’, c1”, c2, c2’, c2” theo các công thức (2) và (3). Tính g theo các cách: 1) nếu bộ điều khiển được sử dụng là P. 2) nếu bộ điều khiển được sử dụng là PD. Tính: 1) cho bộ điều khiển P. 2) và TD=T1 cho bộ điều khiển PD. Những điều kiện hạn chế đối với bộ điều khiển đối tượng dạng 2: Luật P: b<T2. Luật PD: b<T3. Phương pháp thực nghiệm. Trong trường hợp không hề xây dựng mô hình cho đối tượng thì phương pháp thiết kế thích hợp là phương pháp thực nghiệm. Tuy nhiên, phương pháp thực nghiệm chỉ có thể tiến hành nếu hệ thống đảm bảo điều kiện là khi đưa trạng thía làm việc của hệ đến biên giới ổn định thì mọi giá trị của các tín hiệu trong hệ thống đều phải nằm trong giá trị cho phép. Phương pháp Ziegler-Nichols. Để chỉnh định tham số của bộ điều khiển PID, Ziegler và Nichols dưa ra hai phương pháp thực nghiệm như sau: Phương pháp thứ 1: Trong phương pháp này ta xem phản ứng đầu ra của đối tượng khi đầu vào là hàm 1(t). Nếu dường đặc tính của đối tượng có dạng chữ S như hình 3.6, khi đó ta xác định được hai thông số là thời gian trễ L và hằng số thời gian T. L và T được xác định bởi đường tiếp tuyến kẻ tại điểm uốn trên đồ thị đầu ra, cắt với trục thời gian và dường thẳng y(t)=K. Hình 3.6: Đặc tính của đối tượng. Phương trình hàm truyền được lấy xấp xỉ như sau: Các thông số Kp, Ti và Td trong bộ điều khiển PID chọn được như sau: Luật điều khiển Kp Ti Td P T/L Ơ 0 PI 0.9T/L T/0.3 0 PD 1.2T/L 2L 0.5L Từ đó phương trình sẽ là: Bộ điều khiển PID này sẽ có điểm cực nằm trên gốc toạ độ và điểm không là s=-1/L. Phương pháp thứ 2: Nếu không thể xác định các tham số Kp, Ti, TD cho bộ điều khiển PID theo phương pháp thứ nhất thì ta sử dụng phương pháp thứ hai được trình bày sau đây. Lắp đặt hệ thống theo sơ đồ hình 2.1. Thực nghiệm được tiến hành theo các bước: Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Điều khiển đối tượng theo luật P ( cho TDđ0 và TiđƠ). Tăng hệ số khuyếch đại kp của luật điều khiển P cho đến khi hệ thống ở biên giới ổn định. Xác định kpth và chu kỳ dao động tới hạn Tth. Chọn luật điều khiển và tính toán tham số từ kpth và Tth theo bảng sau: Luật điều khiển kp/kpth Tp/Tth TD/Tth Luật P 0.5 Luật PI 0.45 0.8 Luật PID 0.6 0.5 0.12 Phương pháp Jassen-Offerein. Phương pháp này được sử dụng trong trường hợp việc xác định chu kỳ dao động riêng gặp khó khăn và không đảm bảo độ chính xác nếu sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols. Thực nghiệm theo phương pháp Jassen-Offerein được tiến hành theo các bước: Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Điều khiển đối tượng theo luật P (cho TDđ0 và TIđƠ). Xác định hệ số kpth. Chọn tham số cho luật PI. Cho hệ làm việc với luật PI và với hệ số kp=0.45kpth, TI tuỳ chọn. Giảm hằng số thời gian tích phân TIcho đến khi hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Xác định hằng số thời gian tích phân TIth ở chế độ này. Chọn TI=3TIth. Chọn luật điều khiển PID. Cho hệ thống làm việc theo luật PID với kP=kpth-x (x đủ nhỏ), TD và TI tuỳ chọn. Tăng hằng số thời gian vi phân cho đến khi hệ thống đạt được độ quá điều chỉnh cực đại lớn nhất smaxđmax. Xác định TDmax. Chọn TD=1/3TDmax và TI=4,5TD. Giảm kP cho đến khi hệ thống đạt được đặc tính động học mong muốn. Điều khiển Cascade (điều khiển tầng). `Hệ thống điều khiển CASCADE là hệ thống điều khiển tầng, nghĩa là hệ thống bao gồm nhiều mạch vòng điều chỉnh nối cấp. Xét một hệ thống có cấu trúc như hình: Hệ thống có n thông số X có bộ điều chỉnh R(p) của n đối tượng S(p) và trên hệ thống có n nhiễu loạn chính p1,p2,….,pn. Từ sơ đồ thì tín hiệu ra của bộ điều chỉnh Ri là tín hiệu điều khiển của mạch vòng điều chỉnh cấp i – 1. Các đại lượng điều chỉnh x1,…,xn tương ứng với các giá trị đặt x1d,…,xnd. Số lượng bộ điều chỉnh đúng bằng số đại lượng điều chỉnh. Cho đến nay, phương pháp chung tổng hợp các bộ điều chỉnh trong cấu trúc nối cấp chưa thật hoàn thiện, chủ yếu là chọn thông số tối ưu cho các bộ điều chỉnh. Đối với hệ thống trên ta giả thiết các mạch điều chỉnh của mỗi đại lượng trong một phần có các hằng số thời gian lớn. Trong trường hợp chung hàm truyền của đối tượng có dạng: Trong đó: TD là hằng số thời gian của khâu trễ, trong hàm truyền có thể chứa các khâu bậc hai. Việc tổng hợp các bộ điều chỉnh sẽ được tiến hành sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian tương đối lớn Tk, bằng cách đó ta đã làm giảm cấp cho mạch hở, các khâu có hằng số thời gian tương đối nhỏ Ts sẽ không được bù. Ưu điểm của cấu trúc nối cấp các bộ điều chỉnh là mỗi gái trị của lượng đặt Xdi được hạn chế bởi đoạn bão hoà của đặc tính của bộ điều chỉnh Ri+1, giá trị hạn chế này có thể là hằng số hoặc là thay đổi được. Mỗi một vòng điều chỉnh có một bộ điều chỉnh và hệ thống được điều chỉnh bao gồm đối tượng điều chỉnh S0 và mạch vòng phụ, VD: F02(p)=S02(p)F1(p) F0i(p)=S0i(p)F1-1(p) Việc tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện theo tổng mạch vòng, từ mạch vòng đầu tiên đén mạch vòng thứ n.Thường sử dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu để tổng hợp thông số điều chỉnh cho các mạch vòng. Sử dụng tiêu chuẩn tối ưu modul. Đối với một hệ thống kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì modul của các đặc tính tần số – biên độ phải tiến đến không. Vì thế đối với dải tần thấp, hàm tr1uyền phải đạt được điều kiện: Hình 3.8. Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn modul tối ưu là hàm có dạng: (1) Tiêu chuẩn modul tối ưu hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng tần số thấp và trung bình và không đảm bảo trước được tính ổn định của hệ thống. Do đó sau khi ứng dụng tiêu chuẩn modul tối ưu cần phải kiểm tra sự ổn định của hệ. Trưòng hợp hệ hữu sai có hàm truyền. Trong đó T2>T1 Hình 3.9. Để hệ kín có hàm truyền F(p)=FMC(p) thì: Nếu chọn bộ điều chỉnh kiểu PI : Thì ta chỉ bù được hằng số thời gian lớn : 1+Tp=1+T2p. Hàm truyền hệ hở bây giờ sẽ là: Hàm truyền kín là: Để F(p)=FMC(p) thì KT0=2T1K1 Có nghĩa là nếu hệ thống như (*) thì theo tiêu chuẩn modul tối ưu và nếu bộ điều chỉnh có cấu trúc PI thì hàm truyền của nó sẽ có dạng: Quá trình quá độ của hệ sẽ có các thông số đặc trưng như hình vẽ: Hình 3.10. Trường hợp hệ có hàm truyền. Trong đó: Ts toàn là các hằng số thời gian nhỏ, theo như trên ta tìm được bộ điều chỉnh có cấu trúc tích phân. Trong đó: Nếu hàm truyền của hệ có dạng. Tức là hàm truyền có dạng là tích của hàm truyền của hai trường hợp trên, ta có hệ điều chỉnh PID. Nếu hàm truyền của hệ có dạng. thì có hệ điều chỉnh tỉ lệ Nếu có hàm truyền dạng. Tuỳ thuộc vào hàm S0(p) của hệ hở (đối tượng) mà bằng các bộ điều chỉnh R(p) ta được hệ có hàm truyền dạng (1). Trong các trường hợp trên, giá trị hằng số Ts là nhỏ, nên gần đúng có thể coi hệ kết quả có hàm truyền dạng quán tính: Quá trình quá độ ứng với hàm quán tính gần đúng này là đường nét đứt trên hình vẽ trên. Sử dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thường áp dụng để tổng hợp các bộ điều chỉnh trong mạch có yêu cầu vô sai cấp cao, nó cũng được áp dụng có hiệu quả để tổng hợp các bộ điều chỉnh theo quan điểm nhiễu loạn. Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng: đặc tính quá độ như đường 1 trên hình vẽ: Hình 3.11. Xét hệ thống S0(p) có dạng vô sai cấp 1 nhưng lại dùng bộ điều chỉnh PI: Trong đó: Ts có thể là tổng của các hằng số thời gian nhỏ áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta tìm được các hệ số: ; T0=4Ts. Khi này hàm truyền của hệ sẽ là: Là hàm truyền dạng tối ưu đối xứng (2) với ts = Ts. Trong trường hợp hàm truyền của đối tượng có chứa khâu quán tính bậc hai với hằng số thời gian lớnT2. áp dụng cách tìm bộ điều chỉnh R(p) với hàm chuẩn là tối ưu đối xứng ta tìm được bộ điều chỉnh có dạng PID. Tương tự nếu đối tượng có dạng vô sai cấp 2 thì dễ dàng tìm được bộ điều chỉnh là khâu tỉ lệ. Trong trường hợp đối tượng là hệ hữu sai có khâu quán tính lớn T1>Ts thì có thể làm gần đúng để đưa về dạng (3). Vì ở vùng tần số trung bình nên làm như vậy mà không phạm sai số lớn. Độ quá điều chỉnh của đặc tính quá độ là lớn (43%). Vì vậy thường thêm một khâu quán tính với hằng số thời gian là 4Ts. Đặc tính quá độ có dạng hình vẽ với độ quá điều chỉnh là 8,1%. Hình 3.12. Hàm truyền của mạch điều chỉnh sẽ là: Chương 4 Thiết kế các hệ thống điều khiển các tham số công nghệ 4.1. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp. Hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp có nhiệm vụ điều khiển đồng thời cả lưu lượng dầu hồi lưu và nhiệt độ đỉnh tháp. Lưu lượng dầu hồi lưu đối với cột tách sơ bộ được khống chế ở một giá trị bằng 60% của lưu lượng dầu vào, nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế ở nhiệt độ 1550C. Cả lưu lượng dầu hồi lưu và nhiệt độ đỉnh tháp đều được điều khiển bằng cách thay đổi % độ mở của van hồi lưu, sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp như sau: Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp Các hàm truyền : Thiết kế các bộ điều khiển WĐK1, WĐK2 là các bộ PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols, công cụ MATLAB và Simulink. Theo tinh thần của phương pháp Ziegler-Nichols, tìm hệ số khuyếch đại Kgh để hệ thống kín ở biên giới ổn định và chu kỳ dao động giới hạn khi hệ thống ở biên giới ổn định. Trên cửa sổ MATLAB, sử dụng các dòng lệnh: ằ [ts11,ms11]=pade(2,3); ằ W11=tf(0.9,[70 1])*tf(ts11,ms11); ằ W11 Transfer function: -0.9 s^3 + 5.4 s^2 - 13.5 s + 13.5 ----------------------------------------- 70 s^4 + 421 s^3 + 1056 s^2 + 1065 s + 15 ằ [ts12,ms12]=pade(2,3); ằ W12=tf(0.2,[60 1])*tf(ts12,ms12); ằ W12 Transfer function: -0.2 s^3 + 1.2 s^2 - 3 s + 3 --------------------------------------- 60 s^4 + 361 s^3 + 906 s^2 + 915 s + 15 ằ [ts21,ms21]=pade(1,3); ằ W21=tf(1.2,[30 1])*tf(ts21,ms21); ằ W21 Transfer function: -1.2 s^3 + 14.4 s^2 - 72 s + 144 ------------------------------------------ 30 s^4 + 361 s^3 + 1812 s^2 + 3660 s + 120 ằ W22=tf(1.0,[20 1]); ằ W22 Transfer function: 1 -------- 20 s + 1 ằ W=tf({[-0.9 5.4 -13.5 13.5] [-0.2 1.2 -3 3]; [-1.2 14.4 -72 144] 1},{[70 421 1056 1065 15] [60 361 906 915 15];[30 361 1812 3660 120] [20 1]}); ằ W Transfer function from input 1 to output... -0.9 s^3 + 5.4 s^2 - 13.5 s + 13.5 #1: ----------------------------------------- 70 s^4 + 421 s^3 + 1056 s^2 + 1065 s + 15 -1.2 s^3 + 14.4 s^2 - 72 s + 144 #2: ------------------------------------------ 30 s^4 + 361 s^3 + 1812 s^2 + 3660 s + 120 Transfer function from input 2 to output... -0.2 s^3 + 1.2 s^2 - 3 s + 3 #1: --------------------------------------- 60 s^4 + 361 s^3 + 906 s^2 + 915 s + 15 1 #2: -------- 20 s + 1 ằ W11+W12 Transfer function: -68 s^7 - 1.1 s^6 + 408 s^5 + 6.6 s^4 - 3060 s^3 - 49.5 s^2 + 15300 s + 247.5 -------------------------------------------------------------------------------- 4200 s^8 + 50530 s^7 + 278761 s^6 + 890592 s^5 + 1.728e006 s^4 + 1.943e006 s^3 + 1.004e006 s^2 + 29700 s + 225 ằ rlocus(W11+W12) ằ rlocfind(W11+W12) Select a point in the graphics window selected_point = 0.0645 ans = 5.5712 Hình 4.2: Quỹ đạo nghiệm của W11+W12. Hệ số khuyếch đại ứng với điểm cực được chọn là Kgh=5.5712. Với hệ số khuyếch đại này, hãy thử đặc tính quá độ của hệ kín (Hình 4.3). ằ t=0:.01:20; ằ step(feedback( 5.5712*(W11+W12),1),t) Hình 4.3. Với Kgh=5.5712 thì hệ kín chưa ở biên giới ổn định, với kgh=49.3712 ta có đặc tính quá độ của hệ kín có dạng dao động điều hoà như sau (Hình 4.4). ằ step(feedback( 49.3712*(W11+W12),1),t) Hình 4.4. Như vậy với kgh=49.3712 thì hệ kín ở biên giới ổn định với chu kỳ dao động Tgh=7.5123 (sec). ằ W21+W22 Transfer function: 6 s^4 + 647.8 s^3 + 386.4 s^2 + 6468 s + 264 --------------------------------------------------------- 600 s^5 + 7250 s^4 + 36601 s^3 + 75012 s^2 + 6060 s + 120 ằ rlocus(W21+W22) ằ rlocfind(W21+W22) Select a point in the graphics window selected_point = -1.4009 - 0.8772i ans = 8.1965 Hình 4.5: Quỹ đạo nghiệm của W21+W22. Hệ số khuyếch đại ứng với điểm cực được chọn là Kgh=8.1965. Với hệ số khuyếch đại này, hãy thử đặc tính quá độ của hệ kín (Hình 4.6). ằ t=0:.01:20; ằ step(feedback(8.1965*(W21+W22),1),t) Hình 4.6 Với Kgh=8.1965 thì hệ kín đã ở biên giới ổn định với chu kỳ dao động Tgh rất lớn. %He W11+W12 co Kgh=49.3712;Tgh=7.5123; %Kp1=.6*49.3712;Ki1=Kp1/.5/7.5123;Kd1=Kp1*.125*7.5123; %He W21+W22 co Kgh=8.1965;Tgh rat lon; %Kp2=.6*8.1965;Ki2=0;Kd2 rat lon; ằ Wm=tf({[Kd1 Kp1 Ki1];[Kd2 Kp2 Ki2]},{[1 0];[1 0]}); ằ Wh=series(Wm,W); ằ Wh Transfer function from input to output... -1.4e009 s^10 - 2e007 s^9 + 8.4e009 s^8 + 1.2e008 s^7 - 6.3e010 s^6 - 9.001e008 s^5 + 3.15e011 s^4 + 4.5e009 s^3 + 1.02e005 s^2 + 1597 s #1: -------------------------------------------------------------------------- 4200 s^10 + 50530 s^9 + 278761 s^8 + 890592 s^7 + 1.728e006 s^6 + 1.943e006 s^5 + 1.004e006 s^4 + 29700 s^3 + 225 s^2 3e009 s^7 + 3.61e010 s^6 + 1.812e011 s^5 + 3.66e011 s^4 + 1.2e010 s^3 + 2.7e004 s^2 + 1136 s #2: -------------------------------------------------------------------------- 600 s^7 + 7250 s^6 + 36601 s^5 + 75012 s^4 + 6060 s^3 + 120 s^2 ằ Wm1=tf([Kd1 Kp1 Ki1],[1 0]); ằ Wh1=series(Wm1,W(1,1)+W(1,2),1,1); ằ step(feedback(Wh1,1)) Hình 4.7. ằ Wm2=tf([Kd2 Kp2 Kp2],[1 0]); ằ Wh2=series(Wm2,W(2,2)+W(1,2),1,1); ằ step(feedback(Wh2,1)) Hình 4.8. Khảo sát tính ổn định và chất lượng của hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp bằng Simulink. Hình 4.9: Mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp. Các đặc tính quá độ của hệ thống như sau: Nhiệt độ tại đỉnh tháp: Hình 4.10: Đặc tính của nhiệt độ đỉnh tháp. Lưu lượng hồi lưu: Hình 4.11: Đặc tính của lưu lượng hồi lưu. Qua hai đường đặc tính trên, nhận xét thấy rằng hệ thống với các bộ PID điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp và lưu lượng hồi lưu đã ổn định. 4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp. Hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp có nhiệm vụ khống chế nhiệt độ ở đáy của tháp ở một giá trị đặt trước, nhiệt độ ở đáy tháp rất quan trọng trong sự bay hơi của các thành phần của dầu từ đáy tháp lên các phần trên của tháp, nhiệt độ này được điều khiển bởi dòng bay hơi quá nhiệt cung cấp cho buồng trao đổi nhiệt, dòng hơi quá nhiệt cung cấp cho buồng trao đổi nhiệt thay đổi thì nhiệt độ của dầu hồi lưu đáy cũng thay đổi và qua đó nhiệt độ đáy tháp cũng thay đổi. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp như hình 3.2. Để thiết kế hệ thống này, tương tự nhưthiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp, phải thiết kế từ trong ra ngoài, nghĩa là thiết kế bộ điều khiển cho vòng trong trước. 4.2.1. Thiết kế bộ PI cho vòng điều khiển lưu lượng hơi quá nhiệt như sau: Từ hình 3.2, sơ đồ khối của vòng điều khiển lưu lượng hơi quá nhiệt như sau: Hình 4.12: Vòng điều khiển lưu lượng hơi quá nhiệt. Thiết kế bộ PI cho vòng điều khiển này cũng bằng phương pháp Ziegler-Nichols, dùng MATLAB, Simulink. Hệ số khuyếch đại giới hạn được tìm bằng chương trình MATLAB: ằ [num,den]=pade(0.6,3); ằ Wc1=tf(num,den); ằ Wdt1=tf(1.2,[2 1])*Wc1; ằ rlocus(Wdt1) ằ rlocfind(Wdt1) ans = 4.9036 Hệ số khuyếch đại giới hạn được tìm là: Kgh=4.9036. Với giá trị này thì đặc tính quá độ của hệ thống: Hình 4.13: Biên giới ổn định của vòng trong. Tại biên giới ổn định xác định thêm được chu kỳ dao động giới hạn Tgh=2.17 (sec). Theo Ziegler-Nichols thì bộ PI được chọn có các tham số là: Kp=0.45Kgh=2.21; Ti=0.8Tgh=1.74 (sec). Với các tham số này, khảo sát tính ổn định và chất lượng cua vòng trong bằng Simulink. Sơ đồ Simulink như hình 4.14. Hình 4.14: Sơ đồ mô phỏng vòng điều khiển lưu lượng hơi quá nhiệt Các tham số của Steam Flow Controller là p3, I3. Ban đầu thì các tham số này được nạp từ cửa sổ MATLAB: ằ P3=2.21;I3=2.21/1.74; Đặc tính quá độ của lưu lượng hơi quá nhiệt là: Hình 4.15. Hệ thống ổn định nhưng độ quá điều chỉnh cỡ 35% và thời gian quá độ khoảng 6 giây. Sử dụng NCD output để tối ưu hoá các tham số. Hệ thống ổn định với thời gian quá độ là 2 giây, thời gian này là chấp nhận được. Khi đó, các tham số của bộ PI là: P3=1.5433; I3=0.6902. đ Kp=1.54; Ti=1.5433/0.6902=2.24. Bộ PI được thiết kế cho vòng điều khiển lưu lượng hơi quá nhiệt có hàm truyền: 4.2.2. Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ đáy tháp. Với bộ PI cho vòng điều khiển phía trong đã thiết kế, việc tiếp theo là thiết kế bộ PI cho vòng điều khiển phía ngoài (bộ PI điều khiển nhiệt độ). Đối tượng của bộ PI điều khiển nhiệt độ là WĐT=WV1*WĐTT, với WV1 là hàm truyền của vòng điều khiển lưu lượng. Cũng bằng phương pháp Ziegler-Nichols và công cụ MATLAB, Simulink, việc thiết kế bộ PI điều khiển nhiệt độ như sau: Xác định hệ số khuyếch đại giới hạn Kgh bằng MATLAB: ằ [num1,den1]=pade(0.6,3); ằ Wc1=tf(num1,den1); ằ Wdt1=tf(1.2,[2 1])*Wc1; ằ Wdk1=tf([1.54 0.69],[1 0]); ằ Wv1=feedback(Wdt1*Wdk1,1); ằ [num2,den2]=pade(80,3); ằ Wc2=tf(num2,den2); ằ Wdtt=tf(4,[270 1])*Wc2; ằ Wdt=Wv1*Wdtt; ằ rlocus(Wdt) ằ rlocfind(Wdt) ans = 1.3981 Với chương trình trên tìm được Kgh = 1.3981. Đặc tính quá độ của hệ thống: Hình 4.16. Hệ thống chưa ở biên giới ổn định, do đó phải tinh chỉnh lại Kgh đã tìm được, với Kgh=1.47 thì đặc tính quá độ của hệ thống như sau: Hình 4.17. Như vậy, hệ thống ở biên giới ổn định với Kgh=1.47 và chu kỳ dao động giới hạn Tgh=293.5 (sec). Bộ PI có các thông số: Kp=0.45Kgh=0.6615; Ti=0.8Tgh=234.8 Với các tham số này, khảo sát tính ổn định và chất lượng của hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp bằng Simulink. Sơ đồ như hình 4.18: Hình 4.18: Mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp. Nhập các tham số P4, I4 cho bộ điều khiển nhiệt độ (Temp Controller) từ cửa sổ MATLAB: ằ P4=0.6615; I4=0.6615/234.8; Các đặc tính quá độ của hệ thống như sau: Nhiệt độ đáy tháp: Hình 4.19. Lưu lượng hơi quá nhiệt: … Hệ thống ổn định nhưng các chỉ tiêu chất lượng chưa đảm bảo (thời gian quá độ cỡ 600 giây, độ quá điều chỉnh của nhiệt độ 35%). Do đó phải tối ưu hoá các tham số của bộ PI điều khiển nhiệt độ bằng cách áp đặt các chỉ tiêu chất lượng trong khối NCD outport. Hệ thống sau khi chỉnh lại các tham số của bộ PI điều khiển nhiệt độ như sau: Nhiệt độ đáy tháp: …. Lưu lượng hơi quá nhiệt: …. Quan sát trên đường đặc tính của nhiệt độ đáy tháp thấy rằng thời gian quá độ chỉ là 250 giây, thời gian này là chấp nhận được, ứng với các đường đặc tính này thì các tham số của bộ PI điều khiển nhiệt độ là: P4=0.4824;I4=0.0015. đ Kp=P4=0.4824; Ti=Kp/I4=0.4824/0.0015=321.6. Bộ PI điều khiển nhiệt độ đáy tháp có hàm truyền: Như vậy đã thiết kế xong các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ đáy tháp ở hình 4.20. Hàm truyền của các bộ điều khiển là: 4.3. Thiết kế hệ thống điều khiển áp suất trong tháp. Hệ thống điều khiển áp suất trong tháp có nhiệm vụ ổn định áp suất trong tháp ở một giá trị đặt trước, giá trị này là 0,5 Mpa. Sơ đồ khối của hệ thống như hình 3.3. Vấn đề đẩt là với đối tượng WĐTP như trên,phải thiết kế bộ điều khiển P sao cho hệ thống ổn định và đạt chỉ tiêu chất lượng tốt. Giải quyết bài toán đặt ra bằng phương pháp Ziegler-Nichols và các công cụ MATLAB, Simulink. Đầu tiên là phải tìm được hệ số khuyếch đại giới hạn mà tại đó hệ thống ở biên giới ổn định. Chương trình trong MATLAB: ằ [num,den]=pade(5,3); ằ Wc=tf(num,den); ằ Wdtp=tf(2,[20 1 0])*Wc; ằ rlocus(Wdtp) ằ rlocfind(Wdtp) selected_point = -0.0010 + 0.927i ans = 0.0967 Tìm được hệ số khuyếch đại K = 0.0967. Với hệ số khuyếch đại này thì đặc tính quá độ của hệ thống như sau: Hình 4.23. Hệ thống chưa ở biên giới ổn định, do đó phải tinh chỉnh lại K để hệ thống ở biên giới ổn định, với K=0.104 thì đặc tính quá độ của hệ thống như hình 4.24. Hình 4.25. Hệ thống ở biên giới ổn định, do đó chọn Kgh=0.104, với chu kỳ dao động giới hạn là Tgh=65.53 (sec). Theo phương pháp Ziegler-Nichols thì bộ điều khiển P cần thiết kế có hệ số khuyếch đại Kp=0.5Kgh=0.052. Kiểm nghiệm tính ổn định và chất lượng của hệ thống bằng MATLAB và Simulink, sơ đồ mô phỏng hệ thống trong Simulink như hình 4.26. Hình 4.26: Mô phỏng hệ thống điều khiển áp suất trong tháp. Đặc tính quá độ của áp suất trong tháp như sau: Hình 4.27: Đặc tính quá độcủa áp suất trong tháp khi Kp=0.052. Thấy rằng các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ứng với tham số Kp=0.052 của bộ điều khiển P là kém, độ quá điều chỉnh lên đến 80% và thời gian quá độ rất lớn. Nguyên nhân là do hệ số khuyếch đại Kp của bộ điều khiển P lớn, do đó để tăng chất lượng của hệ thống thì phải giảm Kp, sau đây là đặc tính quá độ của hệ thống khi Kp=0.01. Hình 4.28: Đặc tính quá độ của áp suất trong tháp khi Kp=0.01. Nhận xét: Chất lượng của hệ thống rất tốt, thời gian quá độ nhỏ (khoảng 100sec). Như vậy có thể chọn bộ điều khiển áp suất là bộ điều khiển P có hệ số khuyếch đại Kp=0.01, nói cách khác thì hàm truyền của bộ điều khiển áp suất là: WĐKP=0.01 4.4. Thiết kế hệ thống điều khiển mức chất lỏng. Sơ đồ hệ thống như hình 3.4. Nhiệm vụ là phải xác định hệ số khuyếch đại KP để hệ thống ổn định và đạt chỉ tiêu chất lượng tốt. Giải quyết vấn đề bằng phương pháp Ziegler-Nỵchols và các công cụ MATLAB, Simulink. Xác định hệ số khuyếch đại mà tại đó hệ ở biên giới ổn định, dùng MATLAB: ằ [num,den]=pade(10,3); ằ Wc=tf(num,den); ằ Wdtp=tf(8,[1 0])*Wc; ằ rlocus(Wdt1) ằ rlocfind(Wdt1) selected_point = -0.0027 + 0.1548i ans = 0.0188 Tìm được hệ số khuyếch đại K = 0.0188. Đặc tính quá độ của hệ thống với giá trị K này như hình 4.29. Hình 4.29. Hệ thống chưa ở biên giới ổn định nên phải tinh chỉnh lại giá trị K. Với K=0.0197 thì đặc tính quá độ của hệ thống như sau: Hình 4.30. Chọn Kgh = 0.0197, theo phương pháp Ziegler-Nichols thì bộ điều khiển P có hệ số khuyếch đại KP=0.5Kghằ0.01. Khảo sát tính ổn định và chất lượng của hệ thống bằng Simulink. Sơ đồ mô phỏng như sau: Hình 4.31: Đặc tính quá độ của mức chất lỏng với Kp=0.01. Các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống chưa đảm bảo,do đó phải chỉnh lại hệ số khuyếch đại KP của bộ điều khiển. Chọn KP=0.006, đặc tính quá độ của mức chất lỏng trong bình ngưng như hình 4.32. Hình 4.32: Đặc tính quá độ của mức chất lỏng với Kp=0.006. Với KP=0.006 thì hệ thống có chất lượng rất tốt, thời gian quá độ chỉ là 40 sec và độ quá điều chỉnh không đáng kể. Như vậy có thể chọn bộ điều khiển mức chất lỏng trong bình ngưng có hàm truyền: WĐKP=0.006 Qua quá trình thiết kế bốn hệ thống điều khiển các thông số công nghệ của tháp chưng cất phân đoạn đơn bằng công cụ MATLAB và Simulink, ta thấy được thế mạnh của phương pháp Ziegler-Nichols trong việc thiết kế các bộ điều khiển PID điều khiển các quá trình công nghệ. Đồng thời khẳng định vai trò hỗ trợ rất lớn của máy tính, phần mềm MATLAB trong điều khiển tự động. Chương tiếp theo sẽ đề cập đến vấn đề điều khiển thời gian thực của các bộ điều khiển đã thiết kế để điều khiển đối tượng thực bằng công cu Realtime Toolbox. Chương 5 Điều khiển thời gian thực bằng máy tính 5.1. Đặt vấn đề. Điều khiển thời gian thực có sử dụng máy tính như một thiết bị điều khiển và giám sát có nhiều ưu điểm như dễ dàng điều khiển và giám sát các quá trình công nghệ, dễ dàng tích hợp các thuật toán điều khiển bằng các phần mềm điều khiển … Hệ thống điều khiển tháp chưng cất phân đoạn đơn là một hệ thống điều khiển mà các thông số công nghệ đòi hỏi phải được điều khiển chính xác và phải được giám sát một cách chặt chẽ. Trên cơ sở quá trình mô phỏng hệ thống đã trình bày trong chương 4, vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào để có thể sử dụng các bộ điều khiển đã thiết kế để điều khiển các thông số công nghệ theo thời gian thực. Để giải quyết được vấn đề này thì cần phải có các thiết bị thu phát tín hiệu, các thiết bị chuyển đổi, các thiết bị chấp hành và một thiết bị quan trọng là máy tính với phần mềm điều khiển thời gian thực. Sơ đồ của hệ thống điều khiển tháp chưng cất phân đoạn đơn bằng máy tính như hình 5.1. 5.2. Các thiết bị chính. 5.2.1. Máy tính. Ta có thể dùng máy tính PC thông dụng trong hệ điều khiển với việc sử dụng các phần mềm có chương trình Real Time Toolbox (Điều khiển theo thời gian thực). ở đây chúng ta có thể sử dụng phần mềm Matlab. 5.2.2. Các thiết bị ghép nối. Để máy tính có khả năng điều khiển được đối tượng thì điều quan trọng trước hết là phải thiết kế được một giao diện giữa chúng. Giao diện này cho phép máy tính và các thiết bị khác trao đổi và sử dụng thông tin của nhau, trong hệ điều khiển này, giao diện giúp cho máy tính có thể thu nhập được số liệu từ các khối đo phản hồi, lưu trữ, xử lý số liệu nhận được theo chương trình đã định và gửi các tín hiệu thích hợp đến đối tượng điều khiển để thực hiện quá trình điều khiển. ở đây ta có thể sử dụng giao diện là thiết bị thu thập số liệu DAS (Data Acquisition System) do Mỹ sản xuất. 5.2.2.1. Đặc điểm của hệ thống thu thập số liệu DAS – 1600/1400. DAS – 1600/1400 là các board cá chức năng vào/ra số hoặc analog cho máy tính IBM PC/XT,PC,AT, và các máy tính tương thích. DAS – 1601 và DAS – 1401 là các board có hệ số khuyếch đại lớn, còn DAS – 1602 và DAS – 1402 là các board có hệ số khuyếch đại nhỏ. Sau đây là một số đặc tính chủ yếu của DAS – 1600 và DAS – 1400: Trên board có cấu hình chuyển mạch để lựa chọn giữa 16 kênh tín hiệu vào analog đơn (single – ended) hoặc 8 kênh tín hiệu vào analog vi sai (differential). Đầu vào analog có cấu hình chuyển mạch để lựa chọn các tín hiệu vào đơn cực (0 – 10 V) hoặc lưỡng cực (±10 V). Các kênh đầu vào analog có hệ số khuyếch đại độc lập có thể lập trình được. Hệ số khuyếch đại có thể lập trình được của DAS – 1601/1401 là 1, 10, 100, 500. Còn hệ số khuyếch đại có thể lập trình được của DAS – 1602/1402 là 1, 2, 4, 8. Tốc độ lấy mẫu lớn nhất với các đầu vào analog là 105 mẫu/s với độ phân giải 12 bit. Các kênh địa chỉ vào/ra cơ bản và các địa chỉ bộ nhớ trực tiếp (DMA) có cấu hình chuyển mạch cứng trên board, còn mức ngắt (interrup levels) có cấu hình chuyển mạch mềm). Sự chuyển đổi analog/số (A/D) có thể được khởi đầu bằng một trong ba phương pháp sau: Bằng lệnh phần mềm. Bằng đồng hồ nhịp trên board. Bằng đồng hồ nhịp bên ngoài. Việc truyền số liệu có thể thực hiện bằng một trong ba phương pháp sau: Bằng sự điều khiển của chương trình. Bằng vòng lặp phục vụ ngắt. Bằng DMA. Board thực hiện truyền dữ liệu 8 bit trên bus ISA. Board có 4 đầu vào và 4 đầu ra số một chiều. Ngoài ra DAS – 1600 còn có một số đặc điểm sau: Có 2 kênh chuyển đổi digital/analog (DAC) 12 bit. Đầu ra của các kênh này có cấu hình chuyển mạch lựa chọn giữa các mức 0 – 5V, 0 – 10 V, ±5V, ±10 V. Chúng ta có thể sử dụng một điện áp chuẩn từ bên ngoài để tạo một đầu ra analog trong các khoảng đo khác nhau hoặc sử dụng DAC như một bộ suy giảm lập trình được. Có thêm 24 bit vào/ra digital qua giắc cắm PIO.24 bit này được định hình thành hai cổng 8 bit và hai cổng 4 bit. Chúng có thể được dùng như các cổng vào hoặc ra độc lập. 5.2.2.2. Chức năng của DAS – 1600/1400. Vì mạch có nhiều chức năng cũng như nhiều cách lựa chọn nên phần này ta sẽ tìm hiểu chúng để việc sử dụng chúng là thích hợp nhất. Đặc điểm đầu vào analog. Phần đầu vào analog của DAS – 1600/1400 bao gồm tất cả các kênh đầu vào tích cực (lên đến 16 kênh đơn hoặc 8 kênh vi sai), chuyển đổi DAC lấy mẫu 12 bit. Như vậy chức năng của đầu vào analog là lựa chọn cấu hình đầu vào, lựa chọn chế độ làm việc, lựa chọn hệ số khuyếch đại, mode chuyển đổi, chế độ kích hoạt và mode truyền số liệu. Chúng được mô tả cụ thể như sau: + Lựa chọn cấu hình: DAS – 1600/1400 cho phép lựa chọn cấu hình đầu vào đơn hoặc vi sai bằng công tắc cấu hình.Các đầu vào vi sai đo hiệu số giữa hai tín hiệu còn các đầu vào đơn thì so sánh tín hiệu với đất. Hệ thống DAS – 1600 có 16 đầu vào analog từ ch0 – ch15. trong hệ thống điều khiển ch4 được sử dụng làm đầu vào đơn. + Lựa chọn cấu hình. Sử dụng khoá chuyển mạch ta có thể lựa chọn giữa hai mode đầu vào đơn cực và lưỡng cực. Tín hiệu đơn cực là tín hiệu luôn dương (0 – 10V), tín hiệu lưỡng cực là tín hiệu có cả âm lẫn dương (-10 đến 10 V). DAS – 1600/1400 sử dụng mã binary để ghi dữ liệu vào nên với cùng một tín hiệu điện áp dương thì mode đơn cực có độ phân giải lớn hơn. + Lựa chọn hệ số khuyếch đại. Hệ số khuyếch đại của DAS – 1600 có thể lập trình được là 1, 10, 100, 500. + Lựa chọn mode chuyển đổi. Mode từng bước: Từng bước là mode chuyển đổi mặc định và là mode phù hợp nhất dùng cho các vòng quét liên tục của các kênh kép theo một tỷ lệ nhất định. Trong mode này tốc độ chuyển đổi bằng tốc độ của đồng hồ tạo nhịp, còn tốc độ lấy mẫu,tức tốc độ mà một kênh đơn lấy mẫu bằng tốc độ tạo nhịp chia cho số các kênh được lấy mẫu. Mode tràn: Trong mode này, mỗi xung từ đồng hồ tạo nhịp đều khởi đầu một vòng quét của các kênh đã được lựa chọn. Tốc độ lấy mẫu của một kênh đơn bằng tốc độ của đồng hồ tạo nhịp. Phần mềm DAScho phép lập trình đồng hồ tạo nhịp để làm phù hợp với khoảng cách giữa các vòng quétcuẩ mode tràn đồng thời cũng cho phép điều chỉnh tốc độ chuyển đổi của mode tràn. Tần số đồng hồ chuyển đổi của mode tràn có thể thay đổi trong phạm vi từ 3,94 kHz đến 100 kHz. Có 4 mode truyền số liệu giữa DAS – 1600/1400 và máy tính: + Mode đơn: Trong mode này board thu thập số liệu có thể xử lý một mẫu đơn được lấy tử một kênh đơn, sau khi xử lý xong thì các hoạt động khác mới được thực hiện. + Mode ngắt: Board thu thập số liệu được lập trình, sau đó DAS phát một ngắt khi số liệu đã sẵn sàng để truyền. Khi sử dụng mode này dữ liệu được truyền đi bởi một vòng lặp phục vụ ngắt. Trong khi mode ngắt đang được sử dụng, vẫn có thể thi hành các hoạt động khác. Mode ngắt có cấu hình mềm. Tuy nhiên ngắt không biết trước tiềm ẩn trong môi trường windows có xu hướng làm giảm tốc độ truyền của board. Vì vậy trong môi trường windows nên sử dụng mode DMA. + Mode DMA: mode này cho phép truyền số liệu trực tiếp giữa các thiết bị ngoại vi và bộ nhớ máy tính mà không làm gián đoạn hoạt động của CPU, do đó tốc độ truyền rất cao. Với máy tính IBM, DMA được điều khiển trực tiếp bởi DMA controller và tiến hành một cách độc lập trong khi CPU đang thực hiện các lệnh khác. Chính vì các lý do trên mà node DMA rất hay được sử dụng trong hệ thống thu thập dữ liệu. DAS – 1600/1400 có thể dùng kênh 1 hoặc 3 để thực hiện truyền số liệu của bộ chuyển đổi A/D theo mode DMA chu kỳ đơn từ board đến bộ nhớ. + Lựa chọn mode kích hoạt: DAS – 1600/1400 cho phép lựa chọn một trong các nguồn kích hoạt sau đây để khởi động hoạt động của đầu vào analog: Kích hoạt nội bộ: Việc chuyển đổi A/D được thực hiện ngay sau khi đầu vào analog dược phép hoạt động. Kích hoạt analog từ bên ngoài: Trong khi một trigger analog không phải là một bộ phận trên board của DAS – 1600/1400 thì có thể lập trình một trigger analog dùng một trong các kênh đầu vào tương tự như kênh kích hoạt. Kích hoạt digital từ bên ngoài: Trong khi một trigger không phải là trên board của DAS – 1600/1400 thì có thể lập trình một trigger analog dùng một trong các đầu vào digital như trên kênh kích hoạt. Chú ý: Khi sử dụng kích hoạt analog hay số từ bên ngoài, phải bảo đảm rằng đó là trigger phù hợp với DAS – 1600, nếu không máy tính sẽ bị treo trong lúc DAS đợi một trigger. Đặc điểm đầu ra analog (chỉ riêng DAS – 1600 mới có). Đầu ra analog của DAS – 1600 bao gồm hai bộ chuyển đổi số analog (DAC) có độ phân giải 12 bit và một nguồn điện áp chính xác. Cả hai DAC đều có cấu hình chuyển mạch với các khoảng đo đầu ra 0 – 5V; ±5V; ±10V. Ngoài ra có thể sử dụng một nguồn điện áp chuẩn từ bên ngoài để tạo một đầu ra analog với các khoảng đo với nhau. Hai DAC đều có tải dung lên đến 100mF và dòng đầu lên đến ±5 mA. Các đầu ra có thể tạo được nhịp bằng cách dùng ngắt nhờ một đồng hồ trên board khi các đầu vào analog không làm việc. Khi sử dụng mode đồng thời hoặc mode đơn, có thể viết một giá trị đơn cho DAC. Còn nếu muốn viết giá trị kép ta có thể sử dụng mode đồng thời hoặc mode ngắt. DAS – 1601 còn cung cấp một nguồn điện áp chuẩn 5V (±0,5V) được lấy từ điện áp chuẩn của DAC. 5.2.2.3. Lập trình cho DAS. DAS – 1600/1400 được lập trình ở mức thanh ghi bởi các lệnh vào ra. Trong ngôn ngữ BASIC thì các lệnh vào ra là INP(X), OUT X,Y. Trong ngôn ngữ assemblerb và hầu hết các ngôn ngữ cấp thấp khác thì lệnh vào ra có hơi khác một chút. DAS – 1600/1400 có 32 địa chỉ vào/ra. 16 địa chỉ đầu có địa chỉ cơ sở trong không gian vào/ra của máy tính, 8 địa chỉ tiếp theo có địa chỉ cơ sở là 400h, 8 địa chỉ còn lại hiện tại chưa có địa chỉ cơ sở và chức năng cụ thể. 5.2.3. Thiết bị đo nhiệt độ. Để đo nhiệt độ gió, hơi quá nhiệt… ta chỉ dùng các cặp nhiệt điện (XA,Platin,Rodi…) hoặc nhiệt kế điện trở để đo. 5.2.3.1. Nguyên lý cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện là cảm biến đo nhiệt độ, chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp dựa trên hiện tượng nhiệt điện. Sơ đồ nguyên lý như hình 5.2 eAB(t0) A B eAB(t0) Hình 5.2 Hai dây dẫn A, B có bản chất kim loại khác nhau, được gắn lại với nhau. Khi đốt nóng một đầu dây dẫn (đầu t) thì trong vòng dây A, B sẽ xuất hiện một sức điện động. Theo định luật Kiếc-hốp sức điện động trong vòng dây được xác định là: E = eAB(t) – aAB(t0). Như vậy sức điện động sinh ra trong vòng dây tỷ lệ với nhiệt độ ở hai đầu dây. nghĩa là thông qua giá trị sức điện động E đo được sẽ biết nhiệt độ của đầu t (đầu t0 giữ ở nhiệt độ cố định). Cặp nhiệt điện được dùng là loại Chromel-Constan với nhiệt độ đo trong giới hạn 0oC đến 800oC, điện áp ra từ 0 đến 60mV. 5.2.3.2. Nguyên lý nhiệt kế điện trở. Nhiệt kế điện trở là cảm biến đo nhiệt độ. Nguyên lý làm việc dựa vào sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn hay bán dẫn vào nhiệt độ của nó theo công thức: Rt = f(R0,t). Trong đó : R0 là điện trở ở 0oC. Rt là điện trở ở toC. Như vậy dựa theo nguyên lý trên mà người ta có thể xác định được nhiệt độ của môi trường cần đo. Trong công nghiệp để thuận lợi cho việc sử dụng, người ta đã chế tạo ra các can nhiệt điện trở ( hình H5.3). Hình 5.3: Sơ đồ cấu tạo của nhiệt điện trở công nghiệp. 1. Dây điện trở; 2. Tấm mica; 3. Vỏ nhôm bảo vệ; 4. Hai dây nối bằng bạc; 5. ống cách điện; 6. Vỏ bảo vệ bằng kim loại; 7. Tấm lót cách điện; 8. Cốt đấu dây ra ngoài; 9. Đầu nối; 10. Lắp đâỵ; 5.2.4. Thiết bị đo áp suất. Cảm biến đo áp suất dùng cho hệ thống là các cảm biến đàn hồi. Nguyên lý làm việc của nó là dựa vào tính chất của các vật thể đàn hồi. Dưới tác động của áp suất các vật thể đàn hồi biến dạng sinh ra lực đàn hồi chống lại tác động của lực áp suất. Khi hai lực cân bằng thì quá trình biến dạng kết thúc hình thành mối liên hệ giữa độ biến dạng l của vật thể đàn hồi và áp suất tác động lên nó. Đây là một trong những đặc trưng cơ bản của cảm biến đàn hồi. Các cảm biến đàn hồi thường được sử dụng là : lò xo ống một vòng, lò xo ống nhiều vòng, màng hộp đàn hồi, màng hộp nhiều tầng, xiphon. 5.2.5. Thiết bị đo lưu lượng. Để đo lưu lượng của dầu, hơi thường sử dụng các thiết bị đo làm việc theo nguyên lý chênh áp. Hình 5.4: Sơ đồ dòng chảy và phân bố áp suất trên thành ống. Nguyên lý này như sau: Trên đường chảy của dịch thể chất khí và hơi quá nhiệt ta đặt một thiết bị thu hẹp. Thiết bị này đóng vai trò cảm biến đo, tạo nên điểm thắt cục bộ trong đường ống dẫn. Tại vị trí đăt thiết bị thu hẹp động năng của dòng chảy tăng và thế năng giảm xuống. Tại đó hiện tượng chuyển đổi thế năng sang động năng của dòng chảy. Hai bên thiết bị thu hẹp sẽ xuất hiện áp suất DP phụ thuộc vào lưu lượng của dòng chảy. Giá trị DP = PI – PII được gọi là hiệu áp suất thiết bị thu hẹp tạo ra. Các thiết bị đo lưu lượng tiêu chuẩn: tấm lỗ tiêu chuẩn, ổ phun tiêu chuẩn, ống venturi tiêu chuẩn. Sơ đồ cấu trúc một hệ đo lưu lượng theo kiểu chênh áp: Hình 5.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo lưu lượng. Cấu trúc bao gồm: Cảm biến đo là thiết bị thu hẹp chuyển tín hiệu lưu lượng quá trình sang hiệu áp suất DP. Thiết bị chuyển đổi II chuyển tín hiệu áp suất DP sang tín hiệu điện áp một chiều (0 á 5 mA; 0 á 20 mA; 4 á 20 mA). Bộ xử lý tín hiệu III thực hiện chức năng đầu tiên là chuyển tín hiệu dòng nhận được sang tín hiệu áp chuẩn (0 á 5V hoặc 0 á 10V một chiều). Bước thứ hai là xác định giá trị lưu lượng tức thời trên cơ sở điện áp U và các thông số của công thức tính lưu lượng, đồng thời cũng có tính tổng lượng vật chất chảy qua đường ống theo công thức tích phân. 5.2.6. Thiết bị đo mức. Để đo mức dịch ta có thể sử dụng các hiệu áp kế kiểu màng đàn hồi với chuyển đổi đo kiểu biến áp vi sai. Phép đo ở đây thực tế làđo hiệu áp suất của chất lỏng tại đáy và bề mặt chất lỏng trong bình chứa. Hình 5.6: Sơ đồ thiết bị đo mức chất lỏng. Giá trị mà hiệu áp kế đo được là hiệu cột áp H – hệ thống theo công thức: DP = (H – hệ thống).(r’ - r”).g Trong đó : r’, r” khối lượng riêng của chất lỏng và hơi bão hoà ở áp suất Pm. Khi mức chất lỏng trong thiết bị chứa đạt cực đại (h = H) thì DP = 0, còn khi mức nước đạt cực tiểu (h = 0) thì: DP = H.( r’ - r”).g Như vậy giá trị mức cực đại tương ứng với điểm đầu của thang chia độ trên thiết bị chỉ thị đo áp suất, còn khi mức đạt cực tiểu thì tương ứng với giới hạn trên của thang chia độ áp suất. 5.3. Điều khiển theo thời gian thực. Điều khiển theo thời gian thực dùng phần mềm Realtime Toolbox. Realtime Toolbox là một module trong phần mềm MATLAB và có quan hệ chặt chẽ với MATLAB và SIMULINK trong việc thiết kế hệ thống điều khiển thực. Realtime Toolbox gồm các khâu vào (RT in), ra (RT out)… và một thư viện các card chuyển đổi như AD512, DAS 1600/1400… Việc lập sơ đồ điều khiển thời gian thực được thực hiện trong Simulink, sử dụng các khối cơ bản trong Simulink, nhưng khác với việc lập sơ đồ mô phỏng, lập sơ đồ điều khiển thực phải dùng các khối chức năng của Realtime Toolbox để giao tiếp với các thiết bị. Để có thể thiết kế và vận hành được một hệ thống điều khiển thời gian thực dùng Realtime Toolbox thì trước hết phải có một thiết bị biến đổi AD và DA để máy tính có thể trao đổi thông tin với các thiết bị đo và các thiết bị chấp hành, thiết bị chuyển đổi AD và DA được chọn là Card DAS 1600/1400, tiếp theo là phải có các thiết bị đo lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, mức. Các thiết bị này đã được trình bày chi tiết ở mục 5.2. Card DAS 1600/1400 ghép nối với máy tính như một card mở rộng với cả hai chức năng: biến đổi tín hiệu đo analog sang tín hiệu digital và biến đổi tín hiệu điều khiển dạng digital sang dạng analog để điều khiển độ mở van. Tín hiệu đo từ các thiết bị đo (đã được chuyển sang dạng điện áp hoặc dòng điện chuẩn) được nối vào đầu vào analog của Card DAS 1600/1400 và được chuyển thành tín hiệu digital, tín hiệu này được đưa vào khối ‘RT in’ của sơ đồ điều khiển thời gian thực. Tín hiệu điều khiển từ PID được qua khối ‘RT out’ để đưa ra DAS 1600/1400, tín hiệu điều khiển được lấy ra ở đầu ra analog để điều khiển van. Do không có đối tượng thực nên sau đây chỉ trình bày các sơ đồ điều khiển thời gian thực các tham số công nghệ của tháp chưng cất phân đoạn đơn. 5.3.1. Sơ đồ điều khiển thời gian thực nhiệt độ đỉnh tháp. Sơ đồ như hình 5.7. Hình 5.7: Sơ đồ điều khiển thời gian thực nhiệt độ đỉnh. 5.3.2. Sơ đồ điều khiển thời gian thực nhiệt độ đáy tháp. 5.3.3. Sơ đồ điều khiển thời gian thực áp suất trong tháp. Hình 5.9: Điều khiển thời gian thực áp suất trong tháp. 5.3.4. Sơ đồ điều khiển thời gian thực mức dầu. Hình 5.10: Sơ đồ điều khiển thực mức dầu. Kết luận Sau gần 4 tháng, được sự dạy bảo tận tình của thầy giáo Nguyễn Quý Hùng cùng với sự giúp đỡ, tạo điều kiện của các thầy cô giáo trong bộ môn Điều khiển tự động, em đã hoàn thành đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất phân đoạn đơn”. Trong đề tài này, em đã nghiên cứu và tìm hiểu về dầu khí, công nghệ chế biến dầu mỏ hiện nay tại các nhà máy lọc dầu trên thế giới và ở Việt Nam. Một khâu quan trọng và cơ bản trong công nghệ chế biến dầu mỏ chính là tháp chưng cất phân đoạn đơn. Chính vì vậy thiết kế hệ thống điều khiển để điều khiển các thông số công nghệ của tháp chưng cất phân đoạn đơn chẳng hạn như các thông số nhiệt độ, lưu lượng, áp suất cũng là tạo ra cơ sở để thiết kế hệ thống điều khiển cho toàn bộ nhà máy lọc dầu. Đối với tháp chưng cất phân đoạn đơn, chúng em đã mô phỏng và thiết kế các hệ thống điều khiển nhiệt độ, lưu lượng, mức dầu bằng phần mềm Matlab, Simulink, chọn ra các bộ điều khiển, lựa chọn các thiết bị đo lường, thu phát tín hiệu. Nhưng đề tài này, em chỉ mới dừng ở bước nghiên cứu chưa được tiếp xúc thực tế. Nhưng trong suốt quá trình làm đề tài này em đã học thêm cho mình được rất nhiều kiến thức, đã sử dụng rất nhiều những kiến thức đã học trong những năm qua. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, xong em chắc chắn là đề tài này vẫn có rất nhiều hạn chế và thiếu sót, vì vậy em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để đề tài này được hoàn thiện hơn. Tài liệu tham khảo Công nghệ chế biến dầu mỏ-Lê Văn Hiếu, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2001. Lý thuyết điều khiển tuyến tính-Nguyễn Doãn Phước, Đại học bách khoa Hà Nội. Chemical Process Control, An Introduction to Theory and Practice-George Stephanopoulos (Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology). Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 07632. Design of Distillation Columm Control Systems-Page S.Buckley, William L.luyben, Joseph P.Shunta.