Bài giảng Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 8 Điều khiển quá trình

 C.B. Pham 7-1 Ch 8: Điều khiển quá trình Quá trình công nghiệp có thể phân thành 2 loại: • Quá trình rời rạc: là một nhóm các công đoạn rời rạc có điều kiện bắt đầu (từng công đoạn) rõ ràng. Khi các nhóm công đoạn có điểm bắt đầu, điểm kết thúc và hình thức điều khiển xác định, thì quá trình này được gọi là quá trình có trình tự. • Quá trình liên tục: là quá trình có tín hiệu vào / ra liên tục (không bị ngắt quãng). Có ít nhất một tín hiệu vào (bộ điều khiển) được thay đổi sao cho để duy trì một tín hiệu ra mong muốn. Tín hiệu ra được xác định bởi một/nhiều chế độ điều khiển.  C.B. Pham 7-2 8.1. Điều khiển quá trình rời rạc  C.B. Pham 7-3 Hầu hết các quá trình rời rạc mang tính tuần tự 8.1. Điều khiển quá trình rời rạc  C.B. Pham 7-4 Hình thức mô tả quá trình Để mô tả hoạt động của một quá trình rời rạc, ta có thể dùng: • Danh sách mệnh lệnh (statement list) • Biểu đồ thời gian (timing diagram)  Bước 1: Cho vắt mì, bột nêm và dầu vào tô  Bước 2: Chế khoảng 400cc nước sôi vào, đậy nắp lại trong 3 phút  Bước 3: Sau đó dùng được ngay  C.B. Pham 7-5 Hình thức mô tả quá trình • Lưu đồ tuần tự chức năng (sequential function chart)  C.B. Pham 7-6 Hình thức mô tả quá trình • Lưu đồ trạng thái (state chart) Step No. Sol. A Sol. B Sol. C Sol. D Motor 0 1  2   3    4    5  6   7   C.B. Pham 7-7 Hình thức mô tả quá trình • Mạch điện sơ đồ bậc thang (ladder diagram circuit)  C.B. Pham 7-8 Rơle trong mạch điều khiển logic  C.B. Pham 7-9 Rơle có thể được cấu tạo để tạo nên nhiều cặp tiếp điểm. Rơle trong mạch điều khiển logic  C.B. Pham 7-10 Rơle có thể thực hiện những chức năng logic. Rơle trong mạch điều khiển logic  C.B. Pham 7-11 Thí dụ: Trong một ngân hàng, có 3 nhân viên chịu trách nhiệm mở két sắt. Mỗi người giữ một chìa khóa duy nhất (tức là 3 chìa khóa không giống nhau). Theo quy định của ngân hàng, 2 trong 3 nhân viên phải có mặt để có thể mở được két sắt. Vẽ sơ đồ mạch điện bậc thang dùng để mở cửa két sắt và làm sáng một bóng đèn khi có 2 trong số 3 chìa khóa được sử dụng. Rơle trong mạch điều khiển logic  C.B. Pham 7-12 Thiết kế mạch điều khiển trình tự Ý tưởng cơ bản đối với việc thiết kế là: • Dùng một rơle điều khiển cho mỗi buớc của quá trình. • Khi quá trình đang làm việc ở bước nào đó, thì chỉ có rơle điều khiển gắn liền với bước đó sẽ được kích hoạt. • Số bước của quá trình sẽ tương ứng 1-1 với số trạng thái của bộ điều khiển. Mỗi trạng thái của bộ điều khiển được biểu diễn là một nhánh trong mạch điều khiển bậc thang. Giả sử quá trình có 3 bước liền kế nhau là bước i, bước j, và buớc k. Nhánh thứ j trong mạch điều khiển có dạng tổng quát như sau:  C.B. Pham 7-13 Quá trình thiết kế thông thường bao gồm các bước sau: • Bước 1: định nghĩa quá trình (dùng sơ đồ động / sơ đồ thiết bị) • Bước 2: định nghĩa các bước (trạng thái) (dùng biểu đồ tuần tự chức năng / lưu đồ trạng thái) • Bước 3: xác định trạng thái của tín hiệu vào / tín hiệu ra (dùng biểu đồ thời gian) • Bước 4: xác định các điều kiện chuyển tiếp (dùng biểu đồ thời gian) • Bước 5: xác định hàm của tín hiệu ra (dùng công cụ đại số Boolean) • Bước 6: xây dựng mạch điều khiển bậc thang • Bước 7: xây dựng sơ đồ bậc thang tín hiệu ra • Bước 8: lập hồ sơ thiết kế Thiết kế mạch điều khiển trình tự  C.B. Pham 7-14 Hệ thống máy khoan tự động • Bước 1: Định nghĩa quá trình  C.B. Pham 7-15 • Bước 2: định nghĩa các bước Hệ thống máy khoan tự động  C.B. Pham 7-16 • Bước 3: xác định trạng thái của tín hiệu vào / tín hiệu ra Hệ thống máy khoan tự động  C.B. Pham 7-17 • Bước 4: xác định các điều kiện chuyển tiếp Hệ thống máy khoan tự động C0.1 Reset C1.2 Start C2.3 LS4 C3.4 LS2 C4.5 LS1 C5.6 LS3 C6.7 LS6 • Bước 5: xác định hàm của tín hiệu ra Sol. A Step 3 Sol. B Step 4 Sol. C Step 2 OR Step 3 OR Step 4 Sol. D Step 6 Motors 1  C.B. Pham 7-18 Hệ thống máy khoan tự động  C.B. Pham 7-19 Hệ thống máy khoan tự động • Bước 6:  C.B. Pham 7-20 Hệ thống máy khoan tự động • Bước 7: xây dựng sơ đồ bậc thang tín hiệu ra  C.B. Pham 7-21 Hệ thống pick-and-place robot  C.B. Pham 7-22 Hệ thống pick-and-place robot  C.B. Pham 7-23 Hệ thống quay chi tiết  C.B. Pham 7-24 Hệ thống uốn cong chi tiết  C.B. Pham 7-25 Hệ thống định vị chi tiết  C.B. Pham 7-26 Bộ điều khiển lập trình - Programmable Logic Controller PLC được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle. Nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản. Ngoài ra, PLC còn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thì, đếm  C.B. Pham 7-27 Bộ điều khiển lập trình - Programmable Logic Controller  C.B. Pham 7-28 Bộ điều khiển lập trình - Programmable Logic Controller  C.B. Pham 7-29 PLC và thiết bị ngoại vi  C.B. Pham 7-30 Kết nối tín hiệu vào  C.B. Pham 7-31 Kết nối tín hiệu ra  C.B. Pham 7-32 Module xử lý tín hiệu tương tự  C.B. Pham 7-33 Lập trình PLC  C.B. Pham 7-34 7.2. Điều khiển quá trình liên tục Ba thao tác chính: - Đo lường - Ra quyết định - Tác động  C.B. Pham 7-35 8.2. Điều khiển quá trình liên tục Khi có sự thay đổi tải hoặc giá trị điều chỉnh, hệ thống điều khiển phải đảm bảo 3 mục tiêu sau: • Giảm thiểu giá trị sai lệch lớn nhất. • Giảm thiểu thời gian xác lập. • Giảm thiểu độ sai lệch dư. Giai đoạn chuyển tiếp Giai đoạn xác lập Giá trị sai lệch xác lập gây ra do ma sát, phụ tải, và độ chính xác của cảm biến phản hồi. Thực hiện chế độ điều khiển thích hợp  C.B. Pham 7-36 Chế độ điều khiển 2 vị trí Tùy thuộc vào tín hiệu sai lệch, tín hiệu ra của bộ điều khiển chỉ có hai giá trị. Chế độ điều khiển này chỉ phù hợp cho các quá trình có dung lượng tương đối lớn, thí dụ như: hệ thống sưởi, điều khiển mực nước, hệ thống điều hòa không khí.  C.B. Pham 7-37 Chế độ điều khiển 3 vị trí Tín hiệu ra của bộ điều khiển này có 3 trạng thái (up-off-down, hot-off-cold ) Chế độ điều khiển này sử dụng trong các hệ thống mà không có trạng thái ngừng cụ thể.  C.B. Pham 7-38 Chế độ điều khiển 3 vị trí Nếu hệ thống điều khiển không được thiết kế phù hợp, dao động của hệ thống sẽ trở nên tăng dần, dẩn đến hệ thống mất ổn định.  C.B. Pham 7-39 Chế độ điều khiển tỷ lệ P (Proportional) Với chế độ điều khiển P, tín hiệu ra ở bộ điều khiển tỉ lệ với tín hiệu sai lệch  C.B. Pham 7-40 Chế độ điều khiển tỷ lệ P Chế độ điều khiển P thì đơn giản và là cơ sở cho hầu hết các bộ điều khiển. Tuy nhiên chế độ này luôn có một vấn đề cơ bản: tồn tại giá trị sai số xác lập.  C.B. Pham 7-41 Chế độ điều khiển tích phân I (Integral) Với chế độ điều khiển I, tín hiệu ra ở bộ điều khiển tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch  C.B. Pham 7-42 Chế độ điều khiển tỉ lệ + tích phân (PI) Chế độ điều khiển I khắc phục sai số xác lập nhưng làm giảm tính ổn định và tốc độ đáp ứng của hệ thống  C.B. Pham 7-43 Chế độ điều khiển đạo hàm D (Derivative) Với chế độ điều khiển D, tín hiệu ra ở bộ điều khiển tỉ lệ với tốc độ thay đổi của tín hiệu sai lệch Chế độ điều khiển D tạo một xung lực ban đầu để hệ thống đáp ứng được nhanh hơn, sau đó tạo ra một lực hãm khi hệ thống tiếp cận đến vị trí mong muốn. Tín hiệu ra của chế độ D không phụ thuộc vào giá trị sai lệch  chế độ D không bao giờ được sử dụng riêng biệt.  C.B. Pham 7-44 Chế độ điều khiển PID Chế độ PID được sử dụng để kế hợp ưu điểm của từng chế độ