Xem mẫu
ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG
HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
GV Biên soạn: Phạm Đức Hùng, Trần Thị Thường
1
MỞ ĐẦU
Học phần Điều khiển quá trình được giảng dạy cho sinh viên năm cuối hệ
đại học cho hai chuyên ngành Tự động hóa và Đo lường Điều khiển tự động trong
trường Đại học SPKT Hưng Yên. Học phần đòi hỏi có kiến thức của các môn Lý
thuyết ĐKTĐ, ngôn ngữ lập trình, các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa
chất và thực phẩm. Hi vọng tập đề cương này cung cấp kiến thức cần thiết cho các
bạn về môn học còn mới mẻ này. Mọi ý kiến trao đổi và thắc mắc xin gửi về hòm
thư: phamduchunghp@gmail.com. hoặc thuonghd12@gmail.com.
chân thành cảm ơn!
2
Tác giả xin
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 2
TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN ................................................................................................. 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ................................... 6
1.1.Mở đầu ..............................................................................................................6
1.1.1.Khái niệm Điều khiển quá trình .................................................................6
1.1.2. Mục đích và chức năng của ĐKQT ..........................................................6
1.1.3.Tầm quan trọng của điều khiển quá trình ..................................................7
1.2. Nhiệm vụ của điều khiển quá trình .................................................................7
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình..............................8
1.3.1. Thiết bị đo .................................................................................................8
1.3.2 Thiết bị chấp hành ....................................................................................11
1.3.3 Các bộ điều khiển phản hồi ......................................................................11
1.4. Trình tự phát triển hệ thống ...........................................................................12
1.4.1. Phân tích chức năng hệ thống .................................................................12
1.4.2. Xây dựng mô hình toán học ....................................................................12
1.4.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển .................................................................13
1.4.4. Thiết kế bộ điều khiển.............................................................................13
1.4.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống ...................................................................13
1.4.6. Phát triển phần mềm ứng dụng ...............................................................14
1.4.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành.............................................................14
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝ THUYẾT&NHẬN
DẠNG QUÁ TRÌNH................................................................................................................ 16
2.1 Mô hình và mục đích mô hình hóa .................................................................16
2.2 Mô hình hóa lý thuyết.....................................................................................18
2.2.1 Trình tự mô hình hóa theo lý thuyết ........................................................19
2.2.2. Các phương trình cân bằng .....................................................................26
3
2.2.3.Tuyến tính hóa mô hình hàm truyền đạt ..................................................32
2.3 Nhận dạng hệ thống ........................................................................................42
2.3.1 Các bước nhận dạng .................................................................................42
2.3.2 Các phương pháp nhận dạng ....................................................................43
CHƯƠNG 3:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN....................................................................... 48
3.1. Khảo sát đặc tính quá độ của bình mức chất lỏng .........................................48
3.2 Các phương pháp dựa trên đặc tính đáp ứng ..................................................51
3.2.1 Phương pháp dựa trên đáp ứng bậc thang................................................51
3.2.2 Phương pháp dựa trên đáp ứng dao động tới hạn ....................................52
3.2.3 Các phương pháp dựa trên mô hình mẫu .................................................52
3.3. Mô phỏng trên Matlab- Simulink các phương pháp thiết kế bộ điều khiển .54
CHƯƠNG 4:THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ................... 59
4.1. Mở đầu ...........................................................................................................59
4.2. Mô hình tháp của hệ thống điều khiển và quản lý sản xuất ..........................63
4.3. Thiết bị thu thập dữ liệu ................................................................................64
4.3.1 Nhiệm vụ của thiết bị thu thập dữ liệu.....................................................64
4.3.2 Thiết kế và xây dựng bộ thu thập dữ liệu cho hệ thống cô đặc ...............65
CHƯƠNG 5:ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN
5.1 Xây dựng hệ thống thiết bị cô đặc dịch thực phẩm kém chịu nhiệt…………70
5.2 Kiểm soát và điều khiển quá trình cô đặc dịch thực phẩm kém chịu nhiệt..81
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................... 86
4
TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN
Điều khiển quá trình là môn khoa học nghiên cứu về tĩnh và động học của sự biến đổi
lý hóa trong các quá trình công nghệ của sản xuất công nghiệp, phục vụ cho thiết kế thiết
bị công nghệ và hệ điều khiển các quá trình công nghệ đó. Do vậy điều khiển quá trình là
cốt lõi của hệ tự đông hóa quá trình công nghệ. Nghiên cứu ĐKQT có hai hướng tiếp cận:
Hướng thứ nhất thuộc về các nhà công nghệ nghiên cứu DKQT phục vụ khâu thiết kế dây
chuyền thiết bị công nghệ và đề xuất nhiệm vụ điều khiển quá trình công nghệ. Hướng
thứ hai là các nhà nghiên cứu về điều khiển và tự đông hóa nghiên cứu điều khiển quá
trình để thiết kế, lắp đặt, chỉnh định và vận hành điều khiển và tự động hóa quá trình
công nghệ.
CHƯƠNG 1 trình bày các khái niệm, định nghĩa cũng như phân loại điều khiển quá trình.
Các đặc điểm của các biến quá trình chính và yêu cầu điều khiển của từng mạch vòng cơ
bản trong hệ điều khiển quá trình. Trình bày các phương pháp xây dựng phương trình cân
bằng của quá trình.
CHƯƠNG 2 nói về đặc tính thiết bị đo và cơ cấu chấp hành“ trình bày khía 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.
CHƯƠNG 3 mô tả động học các quá trình cơ bản , tập trung nghiên cứu động học các
quá trình cơ bản như đường ống, mạch vòng điều khiển lưu lượng, động lực học các quá
trình sấy, động học các quá trình cô đặc.
CHƯƠNG 4 giới thiệu khái quát chung về điều khiển phản hồi ứng dụng trong điều
khiển quá trình. Chương này tóm lược lý thuyết về bộ điều khiển PID, các phương pháp
thiết kế chỉnh định bộ PID và phương pháp đánh giá hệ điều khiển.
5
nguon tai.lieu . vn
HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
GV Biên soạn: Phạm Đức Hùng, Trần Thị Thường
1
MỞ ĐẦU
Học phần Điều khiển quá trình được giảng dạy cho sinh viên năm cuối hệ
đại học cho hai chuyên ngành Tự động hóa và Đo lường Điều khiển tự động trong
trường Đại học SPKT Hưng Yên. Học phần đòi hỏi có kiến thức của các môn Lý
thuyết ĐKTĐ, ngôn ngữ lập trình, các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa
chất và thực phẩm. Hi vọng tập đề cương này cung cấp kiến thức cần thiết cho các
bạn về môn học còn mới mẻ này. Mọi ý kiến trao đổi và thắc mắc xin gửi về hòm
thư: phamduchunghp@gmail.com. hoặc thuonghd12@gmail.com.
chân thành cảm ơn!
2
Tác giả xin
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 2
TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN ................................................................................................. 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ................................... 6
1.1.Mở đầu ..............................................................................................................6
1.1.1.Khái niệm Điều khiển quá trình .................................................................6
1.1.2. Mục đích và chức năng của ĐKQT ..........................................................6
1.1.3.Tầm quan trọng của điều khiển quá trình ..................................................7
1.2. Nhiệm vụ của điều khiển quá trình .................................................................7
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình..............................8
1.3.1. Thiết bị đo .................................................................................................8
1.3.2 Thiết bị chấp hành ....................................................................................11
1.3.3 Các bộ điều khiển phản hồi ......................................................................11
1.4. Trình tự phát triển hệ thống ...........................................................................12
1.4.1. Phân tích chức năng hệ thống .................................................................12
1.4.2. Xây dựng mô hình toán học ....................................................................12
1.4.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển .................................................................13
1.4.4. Thiết kế bộ điều khiển.............................................................................13
1.4.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống ...................................................................13
1.4.6. Phát triển phần mềm ứng dụng ...............................................................14
1.4.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành.............................................................14
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝ THUYẾT&NHẬN
DẠNG QUÁ TRÌNH................................................................................................................ 16
2.1 Mô hình và mục đích mô hình hóa .................................................................16
2.2 Mô hình hóa lý thuyết.....................................................................................18
2.2.1 Trình tự mô hình hóa theo lý thuyết ........................................................19
2.2.2. Các phương trình cân bằng .....................................................................26
3
2.2.3.Tuyến tính hóa mô hình hàm truyền đạt ..................................................32
2.3 Nhận dạng hệ thống ........................................................................................42
2.3.1 Các bước nhận dạng .................................................................................42
2.3.2 Các phương pháp nhận dạng ....................................................................43
CHƯƠNG 3:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN....................................................................... 48
3.1. Khảo sát đặc tính quá độ của bình mức chất lỏng .........................................48
3.2 Các phương pháp dựa trên đặc tính đáp ứng ..................................................51
3.2.1 Phương pháp dựa trên đáp ứng bậc thang................................................51
3.2.2 Phương pháp dựa trên đáp ứng dao động tới hạn ....................................52
3.2.3 Các phương pháp dựa trên mô hình mẫu .................................................52
3.3. Mô phỏng trên Matlab- Simulink các phương pháp thiết kế bộ điều khiển .54
CHƯƠNG 4:THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ................... 59
4.1. Mở đầu ...........................................................................................................59
4.2. Mô hình tháp của hệ thống điều khiển và quản lý sản xuất ..........................63
4.3. Thiết bị thu thập dữ liệu ................................................................................64
4.3.1 Nhiệm vụ của thiết bị thu thập dữ liệu.....................................................64
4.3.2 Thiết kế và xây dựng bộ thu thập dữ liệu cho hệ thống cô đặc ...............65
CHƯƠNG 5:ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN
5.1 Xây dựng hệ thống thiết bị cô đặc dịch thực phẩm kém chịu nhiệt…………70
5.2 Kiểm soát và điều khiển quá trình cô đặc dịch thực phẩm kém chịu nhiệt..81
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................... 86
4
TỔNG QUAN VỀ HỌC PHẦN
Điều khiển quá trình là môn khoa học nghiên cứu về tĩnh và động học của sự biến đổi
lý hóa trong các quá trình công nghệ của sản xuất công nghiệp, phục vụ cho thiết kế thiết
bị công nghệ và hệ điều khiển các quá trình công nghệ đó. Do vậy điều khiển quá trình là
cốt lõi của hệ tự đông hóa quá trình công nghệ. Nghiên cứu ĐKQT có hai hướng tiếp cận:
Hướng thứ nhất thuộc về các nhà công nghệ nghiên cứu DKQT phục vụ khâu thiết kế dây
chuyền thiết bị công nghệ và đề xuất nhiệm vụ điều khiển quá trình công nghệ. Hướng
thứ hai là các nhà nghiên cứu về điều khiển và tự đông hóa nghiên cứu điều khiển quá
trình để thiết kế, lắp đặt, chỉnh định và vận hành điều khiển và tự động hóa quá trình
công nghệ.
CHƯƠNG 1 trình bày các khái niệm, định nghĩa cũng như phân loại điều khiển quá trình.
Các đặc điểm của các biến quá trình chính và yêu cầu điều khiển của từng mạch vòng cơ
bản trong hệ điều khiển quá trình. Trình bày các phương pháp xây dựng phương trình cân
bằng của quá trình.
CHƯƠNG 2 nói về đặc tính thiết bị đo và cơ cấu chấp hành“ trình bày khía 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.
CHƯƠNG 3 mô tả động học các quá trình cơ bản , tập trung nghiên cứu động học các
quá trình cơ bản như đường ống, mạch vòng điều khiển lưu lượng, động lực học các quá
trình sấy, động học các quá trình cô đặc.
CHƯƠNG 4 giới thiệu khái quát chung về điều khiển phản hồi ứng dụng trong điều
khiển quá trình. Chương này tóm lược lý thuyết về bộ điều khiển PID, các phương pháp
thiết kế chỉnh định bộ PID và phương pháp đánh giá hệ điều khiển.
5