BÙI QUÓC KHÁNH - PHẠM QUANG ĐĂNG
NGUYỄN HUY PHƯƠNG - v ũ THỤY NGUYÊN

Đ IÈ U K H IỂ N Q U Á T R ÌN H
(Sách ch u yên kh ả o d ù n g cho kỹ sư, học viên cao học và sin h viên cá c ng à n h k ỹ thuật)

U L J
NHÀ XUẤT BẢN KHOA MỌC VÀ KỸ THUẬT
Hà N ộ i -2014



Lời nói đ ầ u
Điều khiển q trình là mơn klioa học nghiên cứu về tĩnh và động học cùa sự biến đổi lý hóa
trong các q trình cơng nghệ của sản xuất công nghiệp, phục vụ cho việc thiết ke các thiết bị
công nghệ và hệ điêu khiển các q trình cơng nghệ đó. Do vậy điêu khiên q trình là cơt lõi
của hệ tự động hóa q trình cơng nghệ. Nghiên cứu hệ điều khiển q trình có hai hưóng tiêp
cận: Hướng thứ nhất thuộc về các nhà cơng nghệ nghiên cứu điều khiển q trình phục vụ khâu
thiết kế dây chuyền thiết bị công nghệ và đề xuất nhiệm vụ điều khiển q trình cơng nghệ.
Hướng thứ hai là các nhà nghiên cứu về điều khiển và tự động hóa nehiên cứu điều khiên q
trình để thiết kế, lắp đặt, chỉnh định và vận hành hệ điều khiển và tự động hóa q trình cơng
nghệ.
Sách “Điều khiển q u á t r ì n h ” được biên soạn với mục đích làm tài liệu tham khảo cho các
kỹ sư thuộc lĩnh vực điều khiển và tự động hóa, đồng thịi có thể làm tài liệu phục vụ học tập
nghiên cứu cho học viên cao học và sinh viên trong các trường đại học kỹ thuật.
Nội dung tài liệu cung cấp cho người đọc phưong pháp luận nghiên cứu điều khiển quá trình
như biết cách xây dựng động lực học các q trình trong cơng nghiệp, phân tích và xác định các
biến cần điều khiển, biến tác động, các loại biến nhiễu từ đó thiết kế câu trúc điêu khiên từ đơn
giản đến phức tạp,thiết kế chinh định các mạch vòng điều khiển cơ sờ, đến thiết kế hệ điều

khiển cho dây chuyền công nghệ. Đồng thời tài liệu cũng đề cập một cách CO' bản và đầy đủ các
thiết bị đo lường, CO' cấu chấp hành thường được sử dụng trong cơng 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 đưọc biên
soạn trong sáu chương :
Chương 1 trình bày “Khái qt chung về điều khiển q trình” trong đó trình bày các khái
niệm . định nghĩa cũng như phân loại điều khiển quá trình. Các đặc điêm cùa các biên q trình
chính và các u cầu điều khiển của từng loại mạch vòng cơ bản trong hệ điều khiên quá trình.
Trình bày các phương pháp xây dựng các phương trình cân băng cua q trình.
Chương 2 nói về “Đặc tính thiết bị đo và cơ cấu chấp hành” trình bày khái quát các nguyên
lý, đặc tính cơ bản của thiết bị đo và cơ cấu châp 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 quá trình
cơ bản như đường ống, mạch vịng điều khiển lưu lượng, các khâu tích lũy thể lỏng, thê khí, thê
rắn. động lực học các thiết bị truyền nhiệt, diều khiển pha trộn, điều khiên pH, động lực học lò
phàn ứng hóa học, tháp chưng c ấ t .
Chưong 4 giới thiệu “Khái quát chung về điều khiển phán hồi” ứng dụng trong điều khiển
q trình. Chương này tóm lược lý thuyết về bộ điều khiển P1D, các phương pháp thiết kê chinh
định bộ điều khiển P1D và phương pháp đánh giá hệ điều khiên.
Chương 5 nói về vấn đề “Điều khiển q trình nhiều mạch v ịn g’ trong đó tập trung vào
nghiên cứu các phương pháp và cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng đê nâng cao chất lượng
điều khiên và đáp ứng yêu cầu riêng cùa công nghệ. Nội duns chỉ nghiên cứu các phương pháp
và cấu trúc được áp dụng trong sản xuất công nghiêp như: Hệ điều khiển nối cấp (Cascade), hệ
điều khiển vưọt trước (Feedforward), hệ điều khiển nhiều đầu ra. hệ điều khiển tỷ lệ. hệ điều
khiển lựa chọn, hệ điều khiên đa biến, hệ điều khiến suy luận và hệ điều khiển mè. Chương 5


4

cũng trình bày khái niệm chung vể điều khiển cấp trên như điều khiển tối ưu hóa vả điểu khién
giám sát.

Chng 6 trình bày vấn đề “Thiết kế hệ điều khiển quá trình” . Chư ơn a này đề cặp tới quy
trình thiết kê hệ điều khiên quá trình, hướng dẫn chi tiết các bước tiến hanh tron2 qu% trinh.
Phương pháp lựa chon phần cứng bộ điều khiển cũng như cách xây dựng phần mềm.
Sách "Điều khiển quá trình” do cán bộ Trung tâm Công nghệ cao (nay là Viện kỷ thuật điều
khiển và Tự động hồa) kết hợp với cán bộ bộ môn Tự động hoa XNCN biên soạn. PGS.TS. Bùi
Ọuôc Khánh chủ biên và biên soạn chương 1, 2, 3, 5. TS. Phạm Ọuang Đăng biên soạn chương
6 và tham gia biên soạn chương 1, 2. TS. Nguyễn Huy Phương biên soạn chương 4. tham gia
biên soạn chương 5. Ths. Vũ Thụy Nguyên tham gia biên soạn chương 3 và cùng với Ths.
Nguyễn Ọuang Huy thực hiện chế bản điện tử.
Trong quá trình biên soạn tập thể tác giả đã được sự quan tâm đóng góp của các thảy cơ
trong bộ mịn Tự động hóa. các cán bộ Viện Kỳ thuật Điều khiên và Tự động hóa. đặc biệt được
sự giúp đõ' cùa các cán bộ công nghệ và kỹ thuật ỏ' các nhà máy xi măng, nhiệt điện. giây, hóa
chất, chế biến tliực phẩm,...
Nội dung cuốn sách bao gồm nhiều vấn đề liên quan đến kiến thức công nghệ cùa nhiều
ngành và chẳc chan không tránh khỏi thiếu sót. Mong được sự góp ý để cuốn sách được hồn
thiện hon.
Thư góp ý gửi về: Viện Kỳ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nhà cơng nghệ cao - Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội hoặc Bộ môn Tự động hóa XNCN - Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội hoặc Nhà xuất bàn Khoa học & Kỹ thuật 70 Trần Hưng Đạo - Hà Nội.
Xin chân thành cảm ơn.
Các tác giả


5

MỤC LỤC
■

■


LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................................................................................... 3
MỤC LỤC............................................................................................................................................................................. 5
CHƯƠNG 1.

KHÁI QUÁT CHUNG v ầ ĐIEU KHIEN

q u á t r ìn h

..........................................................................9

1 .1

Kh á i NIỆM Cơ BẢN..................................................................................................................................................................................9

1 .2

Ph â n

Phân loợi theo công nghệ sản x u ấ t ................................................................................................ 9
Phân loọi theo tính chát sởn x u ấ t .................................................................................................... 9
Phân loợi ĐKQT theo quan điếm điều khiển .................................................................................10

1.2.1
1.2.2
1.2.3
1 .3

lo ạ i đ iê u k h iế n q u á t r ì n h ....................................................................................................................................................9

ĐẶC ĐIẾM CÚA MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIẾN cơ S Ớ ......................................................................................................................... 12


cấu trúc của mạch vịng điều khiến cơ s ở .................................................................................... 12
Tính chót cùa các mọch vịng điều khiển cơ s ở ........................................................................... 13

1.3.1
1.3.2
1 .4

CÁC

1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.4.4
1.4.5

p h ư ơ n g t r ) n h c â n b ằ n g .......................................................................................................................................................15

Cân bằng khối lượng, cân bằng thành phân hóa học, cân bồng nâng lư ợ n g .......................... 15
Khái q u á t chung về nhiệt động h ọ c .............................................................................................. 16
Xây dựng phương trình bảo tồn khối lượng .............................................................................. 19
Xây dựng phương trình cân bằng năng lượng cho hệ có th ế tích c ố đ ịn h ............................... 19
Phương trình cân bồng thành phân hóa học cho phản ứng ....................................................... 21

1 .5

BẬC Tự DO CỦA QUÁ TRÌNH..............................................................................................................................................................2 3

1.6


T ín h

t o á n bậc t ự d o đ iề u k h iể n đ ư ợ c .................................................................................................................................... 23

CHƯƠNG 2.

ĐẶC TÍNH c ơ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO VÀ c ơ CẤU CHẤP HÀNH TRONG HỆ ĐIỀU KHIEN

QUÁ TRÌNH

25

2 .1

CẤU TRÚC cơ BẢN CỦA THIẾT B| ĐO CÁC ĐAI LƯỢNG Q TRÌNH TRONG CƠNG NGHIỆP.................................................2 5

2 .2

ĐĂC TÍNH VẬN HÀNH CỦA THIẾT B! ĐO ..........................................................................................................................................2 6

2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2 .3

CÀM BIẾN THÔNG M IN H .....................................................................................................................................................................29


2.3.1
2.3.2
2.3.3
2 .4

đ o áp s u ấ t v à m ứ c .......................................................................................................................................................... 4 0

Thiết bị đ o áp s u ấ t ...........................................................................................................................40
Thiết bị đo mức chất lỏng ............................................................................................................... 46

T h iế t B! 0 0 LƯU LƯỢNG................................................................................................................................................................... 52

2.6.1
2.6.2
2.6.3
2 .7

Giới thiệu c h u n g .............................................................................................................................. 31
Các thiết bị đo nhiệt độ dùng trong công nghiệp ........................................................................ 32

T h iế t B|

2.5.1
2.5.2
2 .6

Khái niệm vê cảm biến thông m in h .............................................................................................. 29
Các ưu điếm của cảm biến thông m inh ........................................................................................ 30
Câu trúc chung của m ộ t cảm biến thông minh ............................................................................ 30


T h iế t B! ĐO NHIỆT ĐỘ.........................................................................................................................................................................3 1

2.4.1
2.4.2
2 .5

Phạm vi đo và dải đ o ...................................................................................................................... 26
Độ phân giải của thiết bị đ o .......................................................................................................... 27
Dải chết và đặc tính t r ễ ..................................................................................................................27
Độ n h ạ y ............................................................................................................................................27
Cap chinh xác và sai s ố ...................................................................................................................27
Các ánh hưởng của môi trường và thời g i a n .............................................................................. 28

Giới thiệu c h u n g ..............................................................................................................................52
Các phương pháp đo lưu lượng chát lỏng và chât khí ................................................................52
Thiết bị đo lưu lượng chất rắn ....................................................................................................... 66

V a n ĐIỀU KHIẾN...................................................................................................................................................................................6 9


6
Phân loại van điều k h iể n .................................................
Các thông s ố cơ bản cúa van điều chỉnh ............................

.................. 69
........................... 72
Xét ảnh hướng sụt áp trên van lén đ ặ c tỉnh lưu lư ợ n g ......
.................................... 76
Servo v a n ...........................................................................................................................................78
Khái q u á t chung v'ê chọn van điều khiến .......................................................................................79

Hiện tượng stiction của van điều chỉnh ......................................................................................... 81

2.7.1
2.7.2
2.7.3
2.7.4
2.7.5
2.7.6
2 .8

ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT B| BƠ M ............................................................................................................................................................. 8 7

Phân loại b ơ m .................................................................................................................................. 87
Các thông s ố c ơ bản của b ơ m ........................................................................................................ 87

2.8.1
2.8.2

2.8.3 Bơm ly t â m ....................................................................................................................................... 88
2.9
ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT B| QUẠT............................................................................................................................................................9 0
2.9.1 Quạt ly tâ m ....................................................................................................................................... 90
2.9.2 Quạt hướng trục ............................................................................................................................... 92
2.9.3 vân đề điêu khiển qu ạt và b ơ m ..................................................................................................... 93
CHƯƠNG 3.
3 .1

ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH c ơ BẢNTRONG ĐIỀU KHIEN

Đ ộng


3 .2

Đ ộng

3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3 .3

3 .4

3 .5

h ọ c k h â u c ó t h ờ i g ia n c h ế t .......................................................................................................................................... 9 5
h ọ c c ủ a m ạ c h v ò n g đ iề u

k h iế n lư u l ư ợ n g ............................................................................................................ 9 7

h ọ c các q u á t r ìn h t íc h l ũ y ........................................................................................................................................ 1 2 2

Động học khâu tích lũy chất lỏng trong bình khơng trao đổi n h iệ t ...........................................122
Động lực khâu tích lũy chất khi với nhiệt độ khơng đ ổ i ......................................................... 123
Động học khâu tích lũy chât khí có trao đổi n h iệ t .............................................................. 125
Khâu tích lũy chứa mơi chất khí và lỏng có trao đổi n h i ệ t ....................................................... 126
Động học khâu tích lũy nước và hơi n ư ớ c ............................................................................... 128
Động học khâu tích lũy th ể rốn ................................................................................................ 132


Đ ộng

3.4.1
3.4.2

............................ 95

Động học đư ờn g ống dẫn môi c h ấ t ............................................................................................... 98
Điều khiến lưu lượng dung dịch qua van .....................................................................................109
Điêu khiển lưu lượng chất khí qua van ........................................................................................ 117
Điều khiển lưu lượng bằng thay đổi tốc độ b ơ m ........................................................................ 119
Động học mạch vòng lưu lư ợ n g ................................................................................................... 121

Đ ộng

3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6

q u á t r ìn h

h ọ c q u á t r ìn h p h a t r ộ n ..............................................................................................................................................1 3 4

Động học quá trình pha trộn hai c h ấ t ......................................................................................... 134
Động học q trình điều khiển trung hịa p H ............................................................................. 137

Phân


tíc h đ ộ n g h ọ c q u á t r ìn h tr a o đ ổ i n h i ệ t ..............................................................................................................1 4 1

3.5.1 Phân tích động học thiết bị trao đổi nhiệt có thơng s ố khơng đ ổ i ........................................1 4 2
3.5.2
Phân tích động học truyền nhiệt qua vách ngànị Lò phản ứng J a k e t) .................................. 1 4 3
3.5.3 Phân tích động học trao đổi nhiệt thay đôi p h a ...................................................................... 1 4 4
3.5.4 Trao đổi nhiệt hai chất lỏng gián tiếp không thay đôi p ha .................................................... 245
3.5.5 Trao đổi nhiệt có thơng số d ả i ................................................................................................. I 4 ỹ
3 .6

ĐỘNG HỌC Cơ BẢN PHẢN ỨNG HĨA HỌC...........................................................................................................................

3.6.1
3.6.2
3.6.3
3.6.4
3 .7

ĐỘNG HỌC VÀ ĐÍÊU KHIỂN THÁP CHƯNG C Ấ T ........................................................................................................................ 2 6 4

3.7.1
3.7.2
3.7.3
C H Ư Ơ N G 4.

4.1

150


Các khái niệm cơ bản về phản ứng hóa h ọ c ............................................................................. ...
Xây dựng động học cho lị phản ứng liên tục có khy t r ộ n ...............................
.... 255
Ồn định nhiệt độ cho lò phán ứng p h át n h iệ t .......................................................................... 158
Điêu khiến nhiệt đ ộ lò phản ứng theo m ẻ ................................................................................ 16Q
Giới thiệu c h u n g .......................................................................................................................... .....
Các phương trình quan hệ tĩnh trong quá trình trưng c â t ...................................................
Động học tháp chưng cất hai thành p hâ n .......................................................................... . 1 77
LÝ TH U Y Ế T C H U N G VỀ CÁC BỘ Đ IỀ U K H lỂ N .................................................................................... 183

Bộ ĐIÊU KHIẾN ON-OFF...................................................................................................................................

1JJ1


7

4 .2

ĐẶC TÍNH cơ BẢN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN P I D ............................................................................................................................... 1 8 5

4 .3

CÁC

4 .4

d ạ n g b iế n t h ế c ú a bộ đ iê u k h iể n

P I D ...........................................................................................................................1 8 8


Bộ điều khiến PID có hợn c h ế độ g iậ t ..........................................................................................188
Bộ điều khiến Pl có hợn c h ế tích phân (HCTP) ........................................................................... 189

4.3.1
4.3.2

N h i Ẹm

v ụ v à c ác g iả i p h á p khi t h iế t kế bộ đ iề u k h iể n

4 .5

Kh á i

4 .6

Ph ư ơ n g

4 .7

T h iế t

4. 7.1

Pl D ........................................................................................... 1 9 0

q u á t các p h ư ơ n g p h á p đ ơ n g iả n h ó a m ô h ìn h q u á t r ìn h ...............................................................................1 9 1
p h á p n h ậ n d ạ n g m ơ h ìn h t h e o tá c đ ộ n g h à m n h ả y c ấ p .......................................................................... 1 9 3


kế v à c h ín h đ ịn h bộ đ iề u k h iể n

P ID ............................................................................................................................1 9 5

Tống hợp trực tiếp bộ điêu khiến (DS-PID).................................................................................. 195
Cấu trúc điều khiển theo mơ hình nội ....................................................................................... 199
Phương pháp thiết k ể bộ điều khiển PID theo mơ hình nội IMC-PID.................................... 200
Hồn thiện phương pháp tồng hợp IMC-PIDcủa Skogesfad (SIMC-PID) ................................. 203

4.7.2
4.7.3
4.7.4
4 .8

C h ỉn h

4 .9

ĐÁNH GIÁ HỆ SAU KHI CHINH Đ ỊN H .......................................................................................................................................... 2 0 6

4 .1 0

đ á n h g iá v à c h ìn h đ ịn h cá c v ò n g đ iề u c h ín h

đ in h

P ID

th eo p h ư ơ n g pháp


N ic h o ls -Z igler ( N & Z - P ID ) .............................................................................. 2 0 4

PID

t r o n g c ô n g n g h iệ p .............................................................2 0 8

Tổng q u a n .................................................................................................................................. 208
Giải pháp khốc phục ................................................................................................................. 210
Đánh giá các vịng điều chỉnh PID........................................................................................... 211

4.10.1
4.10.2
4.10.3
CHƯƠNG 5.

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NHIỀU MẠCH VÒ NG ...................................................................... 221

5 .1

ĐlỀU KHIỂN PHẢN HỒI NỐI TẦNG...............................................................................................................................................2 2 1

5 .2

Đ iê u

5 .3

Ph â n

5 .4


HỆ ĐIỀU KHIẾN PHẢN HỒI NHIỀU ĐẦU R A ............................................................................................................................... 2 2 9

5 .5

Đl'ÊU

VƯỢT TRƯỚC (F e e d f o r w a r d ) .................................................................................................................. 2 2 2

t íc h đ iê u k h iể n

C asc a d e

và

Fe e d f o r w a r d

c h o m ứ c n ư ớ c bao h ơ i lò h ơ i n h iệ t đ i ệ n

....................2 2 4

K H IẾ N L Ự A C H Ọ N .................................................................................................................................................................2 3 0

Điều khiến lựa chọn mạch vòng điều khiển ............................................................................... 230
Điều khiến lựa chọn giá tri đại lượng cần điều khiến ................................................................. 231
Điều khiển lựa chọn cơ câu chấp hành ....................................................................................... 231

5.5.1
5.5.2
5.5.3

5 .6

k h iế n bù

HỆ ĐIÊU KHIỂN TỶ LỆ..................................................................................................................................................................... 2 3 3

Nguyên lý điều khiến tỷ lệ ............................................................................................................. 233

5.6.1
5 .7

Đ iề u

5 .8

HỆ ĐIÊU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN......................................................................................................................................... 2 3 6

Lý thuyết ch u n g ............................................................................................................................. 236
Xét ảnh hưởng của hệ s ố khuyểch đại xen kênh đến sự tương tá c .........................................242
Chình định lại bộ điều khiển khi hệ s ố khuyếch đại tương tác n h ỏ ..........................................242
Điều khiển phân ly hệ đ a b i ế n ...................................................................................................... 243
Điều kiện điều khiến phân ly hệ đa biến ...................................................................................... 244
Khảo sá t ảnh hưởng các tham s ố lên đáp ứng của h ệ .............................................................. 245

5.8.1
5.8.2
5.8.3
5.8.4
5.8.5
5.8.6

5 .9

Đ iề u

k h iể n t h e o p h ư ơ n g p h á p suy l u ậ n c h o lò sấy h ạ t l i ệ u ................................................................................ 2 5 5

Khái q u á t chung về đặc tính cơ bản q trình sây khơ hạt liệu................................................ 255
Thiết k ế điều khiển suy luận cho lò sây tâng sôi hạt liệu ........................................................... 258

5.9.1
5.9.2
5 .1 0

HỆ ĐIỀU KHIẾN QUÁ TRÌNH THEO MẺ - Ba t c h C o n t r o l ................................................................................................. 2 5 9

5.10.1
5.10.2
5.10.3
5.10.4
5.10.5
5.10.6
5 .1 1

k h iể n t ỉ lệ v à lự a c h ọ n c h o q u á t r ìn h c h á y .......................................................................................................2 3 4

Khái quát chung vê quá trình sản xuât theo m ẻ ................................................................... 259
Các chức năng hệ điều khiển theo m ẻ .................................................................................... 261
Điều khiên trình tự sán xuất mẻ và điều khiển logic .......................................................... 261
Điều khiển quá trình trong sởn xuất m ẻ ............................................................................... 262
Điều khiến Run-To- Run (RtR controller) .............................................................................. 263

Điều khiên quản lý và giám sá t sản xuât m ẻ ...................................................................... 264

Đ iê u KHIẾN TỐI ư u HÓA.............................................................................................................................................................. 2 6 5

5.11.1
5.11.2

Những yêu cau cơ bản của điêu khiển tối ưu hóa ................................................................. 266
Câu trúc và giải pháp xây dựng điều khiển tối ưu hóa ......................................................... 268


8

5 .1 2

CÁC vấ n

(P rocess M o n it o r in g - P M ) .................................................. 2 6 9

Kiểm s o á t giới hợn (Limit Checking) ................................
.................................... 269
Kiếm s o á t sai lệch vộn hành .................................................................................................... 27 0

5.12.1
5.12.2
CHƯƠNG 6.
6 .1

đề cơ bản cúa đ iề u khiến g iá m sát


THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIEN QUÁ TRÌNH......................................................................................... 271

K h á i QUÁT CHUNG............................................................................................................................................................................ 2 7 1

Khái niệm thiết kế. ......................................................................................................................... 271
Độc điếm của thiết k ể hệ điều khiến quá trình .......................................................................... 272

6.1.1
6.1.2
6 .2

XÁC ĐỊNH NHIỆM v ụ THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIẾN QUÁ TRÌNH..................................................................................................... 2 7 4

Xác định vấn đ ề thiết k ế ............................................................................................................... 274
Nhiệm vụ thiết k ế hệ điều khiển quá trình ................................................................................. 274

6.2.1
6.2.2
6 .3

CÁC

q u y ế t đ ịn h c ầ n đ ư a ra t r o n g t h iế t kế đ iề u k h iế n q u á t r ì n h

.......................................................................... 2 7 5

Đo lường ......................................................................................................................................... 275
Các phàn tử chấp hành ................................................................................................................. 27 7
Khò năng vận hành của quá trình ............................................................................................... 278


6.3.1
6.3.2
6.3.3
6 .4

M Ố I QUAN HỆ THIẾT KẾ THIẾT B| CÔNG NGHỆ VÀ HỆ ĐIỀU KHIẾN.........................................................................................2 7 9

6 .5

Tó m

6 .6

Ph â n

6.6.1
6.6.2
6.6.3
6.6.4
6.6.5
6.6.6
6.6.7
6.6.8
6 .7

t ẳ t các b ư ớ c t h iế t kế hệ đ iê u k h iế n q u á t r ì n h

Mục tiêu điều khiển .......................................................................................................................282
Xác định bộc tự do điều khiển ..................................................................................................... 283
Xác định biến cần điều khiển ....................................................................................................... 284

Xác định bộc tự do điều khiển ..................................................................................................... 284
Xác định biển điều khiển ............................................................................................................... 284
Xác định cặp đôi biến điều khiến-biến cần điều khiến ................................................................284
Thiết kê mạch vòng điều khiển cơ b ả n ....................................................................................... 286
Xác định tác động xen k ê n h ........................................................................................................ 28 7

N hững

6.7.1
6.7.2
6.7.3
6.7.4

.....................................................................................................2 8 0

tíc h t h iế t kế c ấ u t r ú c đ iề u k h iế n t h á p c h ư n g c ấ t ............................................................................................. 2 8 2

v ấ n đề c ơ bả n khi t h iế t kế hệ đ iề u k h iế n

LOGIC................................................................................................. 2 8 8

Khái quát chung về điều khiển logic trong hệ điêu khiến quá tr ìn h ........................................ 288
Những vân đề cơ bàn của hệ điều khiến logic ........................................................................... 289
Tố chức hệ điều khiển lo g ic ..........................................................................................................289
Các cảnh báo quá trình................................................................................................................. 290

PHỤ L Ụ C ................................................................................................................................................................................................ 2 9 7

TÀI LIỆU THAM K H Ả O ............................................................................................................................................................... 321


Equation

Chapter

Section

3


Chương 1.

1.1

Khái quát chung về điều khiển quá trình

Khái niệm c ơ bản

Ọ trình trong sản xuất cơng nghiệp được hiểu là sự biến đổi lý hóa trong dây chuyền thiết
bị cơng nghệ, của dịng ngun vật liệu đầu vào để tạo ra dòng sản phẩm đầu ra.
Điều khiển quá trình là điều khiển biến đổi lý hóa thơng qua các thông số công nghệ sao cho
đảm bảo sản xuất ổn định, chất lượng sản phẩm đầu ra đáp ứng yêu cầu với điều kiện an toàn
cho người vận hành và thiết bị công nghệ, đặc biệt là phải đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu an tồn
về mơi trưịĩig.
Điều khiển q trình ln được nghiên cứu phát triển hưóng tới mục tiêu hiệu suất cao, chi
phí sản xuất thấp để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.
Điều khiển quá trình có quan hệ chặt chẽ khơng tách rời với cơng nghệ và thiết bị cơng nghệ.
Mặc dù nó chiếm tỷ trọng 2 h- 5% tổng vốn đầu tư cho dây chuyền sản xuất, nhưng lại quyết định
toàn bộ việc vận hành ổn định và chất lượng sản phẩm. Vì vậy nó có ý nghĩa cực kỳ quan trọng.

1.2


P h â n loại đ i ề u k h i ể n q u á t rì n h

Do tính phổ biến và đa dạng cùa điều khiển quá trình (ĐKQT) nên khó có thể phân loại một
cách rõ ràng điều khiển quá trinh. Tuy nhiên đứng trên các quan điểm nghiên cứu về điều khiển
và ứng dụng ta có thể phân loại ĐK ỌT như sau:
Phân loại theo công nghệ sản xuất
Phân loại theo tính chất sản xuất
Phân loại theo quy mơ và tính chất điều khiển.

1.2.1

Phân loại theo côn g nghệ sản xuất

ĐK.ỌT là phần không tách với cơng nghệ, vì vậy
mồi một cơng nghệ sản xuất đều có sự
nghiên cứu chuyên sâu riêng về ĐK.ỌT. Mặc dù tổ chức phần cứng cùa các hệ điều khiển đều có
thê giống nhau, nhưng phần mềm điều khiển lại có sự khác biệt. Cho nên mỗi cơng nehệ sản
xuất có loại hình hệ điều khiển khác nhau. Ta có thể phân các hệ ĐK ỌT theo lĩnh vực sau:
Quá trình nhiệt: lò hơi nhiệt điện, nhiệt lạnh, trao đổi nhiệt, sấy, nung....
Ọ trình hóa học: lọc hóa dầu, sản xuất hóa chất CO' bản, hóa dược. san xuất giấy, khai
khống,...
Vật liệu xây dựng: xi măng, gốm sứ, thủy tinh, gạ ch,...
Chế biến thực phẩm: rượu bia, nưóc uống, đường sữa, chế biến nơng hải san....

1.2.2

Phân loại theo tính chất sản xuất

Theo tính chât sản xt có thê phân loại ra làm hai loại: Sản xuất liên tục và sàn xuất theo


San xuât liên tục : Các quá trình sản xuất liên tục với đầu vào là các nguyên liệu và đằu ra là
sán phâm. Đặc điêm quá trình sản xuất loại này là cơng nuhệ có độ phức tạp cao. số lượng các


10

Khái quát chung vể diếu khiến quá trinh

thiết bị và tín hiệu phục vụ điều khiển lớn. Ọ trình khới động hay dừn° được thực hiện cho cá
nhà máy. Nêu một khâu nào đó dừng sẽ dân đên phải dừng cả nhà máv hoặc khi một khâu náo
đó mất ổn định cũng dẫn đến tồn bộ q trình mất ổn định, sản phẩm ra không đảm bao chất
lưọng. Các quá trình sản xuất tiêu biểu có thể kể ra như q trình sản xuất trong nhà má> nhiệt
điện, lọc hóa dâu, lò nung clinker v.v... Các nhà máy loại này chỉ dừng khi bị sự cố hoặc dừng
theo kê hoạch sản xt đê bảo trì, bảo dường. Ngưịi ta thường tính cho sự hoạt động là so eiờ
vận hành định mức trong năm 4000h, 6000h hoặc 7000h/năm. Đặc điểm cùa hệ điều khiến loại
hình này là số lượng tham số đo và điều khiển rất lớn. các tham số này lại có quan hệ chặt chẽ.
tác động đa chiều, biến đổi phức tạp. Hệ điều khiển có nhiều mạch vịng, đa thông số nhiêu đâu
vào ra (I/O), tham số biến đổi và phi tuyến. Tuy nhiên do công suất hoạt động của các nhà máv
ít thay đổi, do vậy các đại lượng hóa lý và thơng số điều khiển biến đồi trong dải hoạt độn 2 ở
xung quanh điểm làm việc cân bằng, nên có thể áp đụng điều khiển tuyến tính hóa xung quanh
điểm làm việc và điều khiển phân ly cho các đối tượng đa biến. Tùy theo tình trạng thiết bị cỏna
nghệ nguyên vật liệu đầu vào, người ta sử dụng thuật điều khiển tối ưu hóa với mục đích sản
xuất có lợi nhuận cao, sản lượng lớn.

Sàn xuất theo mẻ: Thông thường quy mô sản xuất theo mẻ là dây chuyền thuộc phân xưởng
có nhiều cơng đoạn như: xưởng bột giấy, phân xưởng nấu bia, gia nhiệt... Tính chất sán xuất
theo chu kỳ: nạp liệu, khởi động, làm việc ổn định, dừng tháo liệu, vận chuyển thành phẩm bán
thành phẩm từ khâu này sang khâu khác của dây chuyền. Mỗi chu kỳ làm việc được tính số
giờ/lmẻ.

Hệ điều khiển theo mẻ có quy mơ khơng lớn, nhưng điều khiển hệ rất khó khăn. Iượno đặt
của hệ điều khiển biến đồi từ 0% + 100% sau đó lại giảm từ 100% về 0%. Đây là hệ điều khiển
phi tuyến và có nhiều thơng số biến đổi trong dải rộng. Đối với hệ điều khiển quá trình thườno
dùng hệ điều khiển thích nghi, phi tuyến .... Ngồi ra để đàm bảo năng suất, sán lưọng và chất
lượng sản phẩm cần có hệ điều khiển trình tự. logic, an toàn quản lý sản xuất với đặc thù riêns.

1.2.3

Phân loại Đ K Q T theo quan điểm điều khiển

Hệ điều khiển quá trình trone những năm gần đây phát triển vưọt bậc. đó là do ba yếu tố:
Sự phát triển công nghệ và thiết bị công nghệ thúc đâv Đ K Ọ T cần phải đáp ứng;
Sự phát triển lý thuyết điều khiên và tự động hóa dần dần được áp dụng vào thực tế sàn
xuât;
Sự phát triển cùa công nghiệp điện tử, công cụ phần mềm đã san xuất ra các bô điều
khiển và các hệ điều khiển, đáp ứng đầy đù yêu cầu công nghệ đặt ra.
Để phân loại ĐK.ỌT theo quan điểm điều khiển có nhiều cách tiếp cận khác nhau. Trono
phạm vi người ứng dụng ta có thể phân loại theo hai hướng: quy mơ điều khiển và chức nãnơ
điều khiên, v ề quy mô điều khiên có thê chia ra ba thể loại:

Quy mỏ đơn lẻ-. ĐKỌT chỉ là một vấn đề phụ đon lẻ trong dây chuyền sản xuất. Đe đáp ứn 2
cho ứng dụng này ta có các bộ điều khiên số cho một đại lượng cụ the như bộ điều khiến nhiẹt
độ (phổ biến nhất) bộ diều khiên mức, áp suất, lưu lượng, nồng độ pH. v.v... Các bộ điều khiên
này có tù một đến hai mạch vịng.
Ọity mơ dày chuyền hoặc nhà máy có nhiều cơng đoạn tươn2 đổi độc lập với nhau: Với qu>
mơ hộ điêu khiên có vài nghìn đèn vạn điẽm cân quàn lý và vài chục các mạch vònẹ như các
nhà máy giây, đường sữa, xi măng v.v... Người ta sư dụng các hệ điều khiển quá trình (PCS)
Mịi tliièt bị điêu khiên quan lý tói 2000 điêm vào/ra. có thẻ thiết lập vài chục các mạch vori'.r
diêu khiên.



11

Khái qt chung về điều khiến q trình

Quy mơ hệ thống ỉớn với nhà máy có vài chục vạn điếm đo và điều khiển, vài trăm mạch
vòng như các nhà máy nhiệt điện, lọc hóa dầu, v.v... Tính chất của đối tượng điều khiển trong
trường hợp này là các hệ nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (hệ MIMO), chiến lược điều khiển áp
dụng cho các đối tượng điều khiển này phải là chiến lược điều khiến đa biến (multi-variable
control). Trong trường hợp này ta phải sử dụng các hệ điều khiển phân tán (DCS). Tùy theo tính
chât và yêu cầu của mồi đối tượng cụ thể có thể phải sử dụng tới thiết bị điều khiển lớn với khả
năng quản lý tới 10.000 điểm vào/ra và vài trăm mạch vòng điều khiển như thiết bị điều khiển
trong hệ điều khiển Centum cs 3000 (YOKOGAWA), Advance Control AC400 ( A B B ) , ...
Với hệ PCS và DCS có cấu trúc hệ thống trình bày trên Hình 1-1.

Hình 1-1. Tỗ

c h ứ c h ệ th ố n g

ĐKQT (DCS và PCS)

Chức năng điều khiển: Neu phân theo chức năng điều khiển ta có ba chức năng: Giám sát
vận hành, điều khiển tối ưu hóa,điều khiển CO' sở. Trên Hì nh 1-2 trinh bày phân cấp chức năng
điều khiển:
Cấp 1 là cấp điều khiển CO' sở, gồm hai loại ứng dụng điều khiển là: 1) điểu khiến đ iề u c h in h (regulation c o n tro l) thực hiện điều khiển tự động các đại lưọng lý hóa thơng

qua các mạch vịng điều khiển (control loop) hoặc điều khiến đa biến (multi-variable
control): 2) Điều khiển logic thực hiện điều khiển an toàn, khởi động, vận hành, bào vệ;
Câp 2: Điều khiển tối ưu hóa thời gian thực nhằm xác định điểm vận hành hiệu quả cùa
dâv chuyền.

Cấp3: Điều kliiển giám sát vận hành.


12

Khái quát chung về điếu khiến quá trinh

Cấp 3: Điều khiển giám sát vận hành
Cấp 2: Điều khiển tối ưu hóa thời gian thực
Cấp1:Điều khiển c ơ s ờ
Điều khiẻn - điều chỉnh

Điều khiển logic
Điều khiển logic

Điều khiển logic

Điều khiển

an tồn

bảo vệ

logic khởi

Điều khiển đa biến

Điều khiẻn các
mạch vịng


động,vận hành
Hình 1-2. Phân cấp c hức năng hệ điều khiển quá trinh.

Điều khiến giám sát vận hành'. Hiển thị trạng thái tồn bộ nhà máy, hiển thị các biến q
trình dưới dạng đồ thị, lập các giao diện cảnh báo, lập các báo cáo và giao diện vận hành thao
tác hệ thống.Tính tốn thống kê nhằm nâng cao chất lượng .
Cấp điều khiển tối ira hóa\ Từ số liệu thống kê các thông số vận hành, đánh giá hệ thôns
theo một số chi tiêu, từ đó tính tốn tìm được điểm vận hành tối ưu, sao cho đạt lợi nhuận cao
nhất. Kết quả tính tốn đưa ra giá trị lượng đặt xuống cấp điều khiển cơ sở. Điều khiển tối ưu
hóa địi hỏi ngưịi vận hành có kinh nghiệm và khơng phải hãng nào cũng đưa ra cấp điều khiên
này và ngưọc lại không phải nhà máy nào cũng chấp nhận vận hành điều khiển tối ưu hóa. Tuy
nhiên do giá thành nguyên, nhiên liệu ngàv càng cao vì vậy xu thế sử dụng điều khiên tối ưu hóa
ngày càng nhiều.
Cấp điều khiên cơ sở gồm hai loại ứng dụng điêu khiên: Điều khiển - điều chinh và điều
khiến logic. Úng dụng điểu khiên - điểu chinh thực hiện điều khiên tự động các đại lượna lý.
hóa có thể đa mạch vịng đon biến hay điều khiên đa biến. Trong lóp điều khiển đa mạch vòng
thường sử dụng điều khiển phàn hồi với bộ điều khiển PID. Tuy nhiên để nâng cao chất lượng
có thê ứng dụng các thuật điều khiên nhiều mạch vịng với feedforward, thích n ghi....và các
thuật điều khiển đa biến hiện đại như điều khiển mơ hình dự báo MPC mờ, nơron,...
Điểu khiến logic: Khỏi động, vận hành, bao vệ được tích hợp trong các bộ điều khiển chuns
với điều khiển các mạch vòng của hệ thống có nhiệm vụ đảm bào q trình khỏi động dừnơ và
vận hành hệ thống. Điều khiển lơgic an tồn là hệ thiết kế độc lập đảm bào an toàn thiết bị.
người vận hành và môi trường.
Trong một số dây chuyền sàn xuất cịn có hệ điều khiển độc lập hoặc gắn với điều khiển quá
trình là điều khiển chất lượng ọ c s (Quality Control System).

1.3
1.3.1

Đ ặ c đ i ể m c ủ a m ạ c h v ò n g đ iề u k h iể n CO' sỏ

Cấu trúc của mạch vò n g điều khiển cơ sở

Mạch vòng điều khiển cơ sỏ' là phần cốt lõi cùa hệ ĐKỌT trong sản xuất. Nó có anh hưrrrv
mang tính quyết định đốn ồn định và chất lưọns hệ thống. Vì \ ậ \ nội dune nehiên cứu D k ' . ' l
được tập truns, chù yếu vào các mạch YÒne điều khiên cơ sớ sồm: nghiên cứu động học các qua


Khái quát chung về điểu khiến quá trình

13

trình cơ bản, các thiết bị đo và các cơ cấu chấp hành. Điều khiển phản hồi với cấu trúc mạch
vòng đơn biến (trên Hình 1 - 3 ) , là cấu trúc điều khiển nền tảng trong cơng nghiệp hiện nay.

Hình 1-3. Cấu trúc điều khiển phản hồi đơn vòng.

Các ký hiệu:
y

là lượng đặt, y sp là giá trị đặt;

y là đại lượng cần điều khiển c v (Controlled V a r i a b l e ) , ^ là giá trị thực;
u là tín hiệu điều khiển lấy từ đầu ra của bộ điều khiển (Control Output - CO);
G ch là hàm truyền CO' cấu chấp hành;
M V là biến điều khiển hay biến tác động (Manipulated Variable);
Gr là hàm truyền quá trình;
G, là hàm truyền thiết bị đo;
D là nhiễu tải (Load Variable);
Gn là hàm truyền của nhiễu.
Thiết bị chấp hành trong ĐK.ỌT rất phong phú như: Các loại van điều khiển, boTĩi. quạt,

damper, các vòi đốt, các phần tử gia nhiệt, băng tải cấp liệu, v.v... Đầu ra cơ cấu chấp hành là
các biến điều khiển như lưu lưọng, áp suất, dòng nhiệt năng, v.v... Ờ cấu trúc điều khiển cơ sở.
để nâng cao chất lượng có thể xây dựng các thuật điều khiển thích nghi, điều khiên tối ưu,
feedforward hoặc điều khiển phi tuyến, v.v... Ngoài ra người ta còn sử dụng cấu trúc điều khiển
nhiều mạch vịng (Xem chương 5).

1.3.2

Tính chất của các mạch vị n g điều khiển cơ sở

Mỗi một mạch vòng điều khiển cơ sờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn đại lượng cần
điều khiển kèm theo lượng đặt cho mạch vịng đó. Việc lựa chọn ra các mạch vịna điều khiển !à
nhiệm vụ của ngưịi thiết kế thiết bị cơng nghệ. Trong phần này ta phân tích đặc điêm cùa mạch
vòng điều khiển cơ sở. Ta xét ở hai loại hình sản xuất liên tục và sản xuất theo mẻ.

a) H ệ điều khiên các m ạch vòng cơ sở của nlìà m áy sán xu ấ t liên tục
Ờ nhà máy sàn xuất liên tục có hai loại lượng đặt lượng đặt theo côns suất vận hành và
lưọmg đặt theo điều kiện công nghệ.


14

Khái quát chung vé điều khiên quả trinh
o

Lượng đặt theo công suất vận hành nhà máy:

Người vận hành sẽ đặt giá trị duy nhất là % công suất vận hành, ta gọi đó là lượng đặt cap 1.
Từ lượng đặt câp 1 hệ điêu khiên sẽ tính tốn theo u câu công nghệ, thiết bị công nghệ \ a dựa
trên tính tốn các phương trình cân băng hệ thơng (xem H ì n h 1-4). Kết quà ta được lượng đặt

cho nhiệm vụ công nghệ ta gọi là lưọng đật cấp 2. Thí dụ đối với hệ điều khiển lị nung clinker,
người ta đặt % cơng st (nghìn tân/ngày). Từ đó hệ điêu khiên sẽ tính ra lượng câp liệu, lượng
cấp than, v.v...ta gọi là lượng đặt câp 2. Từ lượng đặt câp 2 tính tốn ra các lượng đặt cho các
mạch vòng điều khiển CO' sỏ' ta gọi lượng đặt cấp 3: tốc độ động cơ quay lò, tốc độ các băng tải,
cân băng, nghiền và cân than, vòi đốt và cấp gió,... Trên H ì n h 1-4 trình bày câu trúc tính tốn
lượng đặt theo cơng suất vận hành lò nung clinker .
Nhận xét:
Các lượng đặt cấp 1 ít thay đổi, thơng thưịng theo giị' hay ngày, thí dụ nhà máy phát
điện giờ cao điểm đặt 100% công suât giờ tliâp điêm với công suât đặt thâp hơn
Lượng đặt cấp 2 cũng ít thay đổi như cấp 1. Tuy nhiên ở phần này có tác động xen kênh
giữa các đại lượng cân điêu khiên. Do vậy ở khu vực này có thuật tốn tơi ưu hóa lựa
chọn cách vận hành và điểm vận hành, nên có thay đổi nhưng không nhiều.
Lượng đặt cấp 3: Trực tiếp cho các mạch vòng ,về lv thuyết theo lượng đặt câp 3 sẽ ít
thay đổi nhu cấp ] và cấp 2. Tuy nhiên do nhiễu đầu vào như chất lượng than, thành
phần nguyên liệu biến động nên một số lượng đặt được bổ sung tăng hoặc giảm theo
lượng nhiễu đầu vào. Việc thay đồi này không lớn, cõ' (5 -H O %) điểm làm việc và do
người vận hành tác động trực tiếp ờ trên màn hình giao diện vận hành hoặc do hệ tính
tốn tự động để bổ sung.
Cấu trúc mạch vịng điều khiển cơ sờ này u cầu chính là khử đirọc nhiễu tải, đáp ứns
nhanh và bám đưọc thay đổi cùa lưọng đặt. Vì các thơng số điều khiển sẽ biến thiên
xung quanh điểm làm việc, vi vậy thơng số cùa hệ có thê coi gần đúng là khơng đơi và
chấp nhận điều khiến tuyến tính.

o

Lượng đặt theo điểu kiện công nghệ:

Đẻ dây chuyền hoạt động đúng theo yêu cầu công nghệ cần phải đảm bảo thông số kỹ thuật
quy định. Các thông sổ kỹ thuất này không plụi thuộc nhiều vào cơng suất vận hành. Thí dụ
nồng độ oxy dư (khi đốt than đặt từ 3 - 5%); áp suất chân không buồng đốt là 5 -ỉ- 10 mmH-O,

nhiệt độ lị phản ứng thường duy trì khơng đôi. v.v... Các lượng đặt này không cho phép naười
vận hành thay đồi. Mạch vòng điều khiển chi cần thiết kế đáp ứng theo tiêu chuẩn khử nhieĩi và
có thể coi hệ là tuyến tính xung quanh điẻin làm việc.

b) H ệ điều khiển quả trìnlí sản xu ấ t theo m ẻ
Như ta đã phân tích ỏ' mục 1.2.2 hệ sản xuất theo mẻ gồm chu trình: nạp liệu, khởi độno
làm việc ổn định, dừng, chuyển bán thành phẩm và sàn phẩm .vệ sinh. Ta có lưọng đặt cho q
trình cùa hệ cho một cơng đoạn gơm nhiêu đoạn. Thí dụ nhiệt độ tơi. ram chi tiết trên Hình 1 5
lượng đặt theo từng bước gia, giảm nhiệt (Ramp) giữ nhiệt (Soak). Yêu cầu điều khién cua
mạch vòng là bám chính xác và nhanh đối với lượns đặt . đồna thời phải kháns nhiễu . do
lượng đặt biến thiên trên dài rộng, nên tham số hệ thống như hệ số khuếch đại. hảna số thơi
gian thay đôi, đại lượng đầu ra còn là hàm biến điều khiển, do vậ> hệ có tính phi tuyến .


15

Khái quát chung về điều khiển quá trình

Hình 1-4. c á u trúc tính tốn lượng đặt cho điều khiển lị nung clinker theo cơng suất vận hành

Hình 1-5. Lượng đặt điển hình cho quá trinh sản xuất theo mẻ

1.4

C á c p h u o n g trình cân băng

Hệ điều khiển quá trình thường vận hành đám bao cân bằng vào - ra tuân theo các định luật
bào tồn, thơng qua các phương trình cân bằng như: cân bàim khối lirợniĩ, cân bans nãna lượng,
cân bằng thành phần hóa học và cân bằng pha.


1.4.1

Cân b ần g khối lưọìig, cân bàng thành phần hóa học, cân bà ng nă ng lưọng

Cản bàniỉ khối lượng:

Lưu lư ợ n g kh ố i
đ ư a vằo hộ

Lưu lư ợ n g khối
ra kh ỏ i hệ

Sự b iến đối th eo th ờ i g ia n

khối lư ơ n g tr o n g hệ


Khái quát chung về điều khién quá rrơỉh

16

Cân bằng thành phần hóa học:

Lưu lư ợ n g m o l của
thành, phân i vào hệ

Lưu lư ợ n g m o l của
th à n h phan i ra kh ỏ i hệ

T ỷ lệ b iến đổi m o i của

th à n h p h a n i tr o n g phản
ứ n g hóa học của hệ

B iến th iê n m o l
của th à n h phấn i
tr o n g hệ

Cân bàng năng lượng:

D òng n ă n g ■
lư ợ n g đ ư a
vào hệ

1.4.2

D òng n ă n g
N h iệ t n ă n g
lư ợ n g ra +
đ ư a vầo hệ
kh ỏ i hệ
S ự b iẽn th iê n th ờ i
g ia n c ủ a tổ n g n ẵ n g
lư ợ n g tr o n g hệ

C ông n ẵ n g s in h
ra tr o n g hệ

Khái quát c h u n g về nhiệt độ n g học

a) Các biến trạng thái cơ bản của nhiệt động học:

Xét hệ chất lỏng đồng nhất có các giá trị áp suất p, nhiệt độ T và thể tích riêng
quan giũa chúng được mơ tả bị'i phương trình:

f( p ,T ,v )

V,

mối liên

(1.1)

Đối với chất khí phương trình (1.1) đưọc biểu diễn:

p v = Z. — .T = 0
vv

(1.2)

Trong đó, p là áp suất tính bằng Pascal (Pa), V là thể tích riêng tính bằng mVkg, z = z( p T ) là
hệ sơ nén, khi lý tường thì z = l \ R là hăng sô tông quát của chât khí R = 8314 J/(km olK ), T là
nhiệt độ tínhbăng độ Kelvin (K), w là phân từ lượng, = R/w (J/ kg K)
đặc trưng cho hàng số
chất khí.

b) N guyên lý th ử nhất cùa nhiệt động liọc:
Hàm nội năng ơ c ủ a hệ:
Biến thiên nội năng của hệ bằng nhiệt cùa hệ nhận được ( Q ) trừ đi côna mà hệ sinh ra (A)

AƯ = Ọ - A
Đối với q trình đẳng tích (V = const, d v =0 )


(1.3)


17

Khái quát chung về điều khiến quá trình

A, = ị PdV = 0
I'l

(1.4)

l& . = a u
Đối với quá trình đẳng áp (P = const và dP = ớ)

A,. =

ị p d v = p.(v2- v {)
(1.5)

Ỡ,, = A Ơ + 4 , = A ( Ơ + P F )
Định nghĩa:

H - U + p.v
là hàm năng lượng nhiệt cùa. hệ gọi là Enthalpy (tính bàng jule (y)) viết ở dạng riêng
(J/kg) như sau:

h - u + p.v


(1.6)
phần h
(1.7)

Trong đó: v = v ( p j ) , u = u ( p , T ) , h = h ( p , T )
, _ dv

õv

dv = — d p + —— d ĩ
õp
ÕT
ôu
du
du - — dp + —— d l
õp
ÕT

( 1.8)

,, _ õh
õh
dh = — ap + —— d ỉ
õp
ÕT

c) N hiệt dung cùa m ột chất:
Nhiệt dung riêng (C) của khối lượng vật chất đưọc định nghĩa:

c j_ ị


dT

(1.9)

Nhiệt dung riêng tính bằng J/kg K
Đối với q trình đẳng tích ta có:

Cr =
Đối với q trình đẳng áp:

du

~dĩ

( 1.10)


Khải quát chung về điều khiên quà trinh

18

dh\p = d ( u + p V ) \ p = ( d u + p d v ) | p
dhịp = dq\p
dh
Cn =

dT

Đối vói chất khí:


h - u + Z.RW.T
dh

—

du

= — + Z.RU

dT

( 1. 12 )

(1-13)

dT

Thay (1.10) và (1.11) vào (1.13) ta có:

c r =C( +z.Rk

(1.14)

Đối với chất khí gần lý tưỏng:

C ,= ^ R .
N ị, = 3 đối với khí monatomic, N /.-= 5
polyatomic. Thay vào (1.14) ta có:


c

đối với khí diatomic,

NỊ. — 6 đơi với khi

N
= (1 + — )zR K

Ta đ ặ t :
(1.15)

7 = c^, = 1-

là hệ sổ của nhiệt dung riêng chất khí đóng vai trị quan trọng trong q trình dẫn nhiệt và nén
cùa chất khí. 7 = 1.67 đối với khí monatomic (như helium hoặc argon), 7 = 1,4 đối với khí
diatomic (oxygen), 7 = 1,33 đối với khí polyatomic (hơi quá nhiệt) thòng thường thực tế eiá
trị 7 = 1 , 3 khí thực gần với giá trị hoi quá nhiệt.

d) Nguyên lý nhiệt động học th ứ hai - H àm Entropy :
Entropy là biến trạng thái cua nhiệt động học. Trong q trình thuận nghịch và đẳng nhiệt ta
có :

if

( 1. 16)
7.V

Ta định nghĩa hàm Entropy s như sau:
S _JQ

T

(l.n
/%

: : O i'r
Khi hệ biến thiên tù trạng thái 1 sang trạng thái 2 ta có:


19

Khái íỊt chung vể điểu khiển q trình

]ds = S , - S , = ] ^ ệ
7A'
I
I

(1.18)

Nếu ds = 0 thi hệ cân bàng .
Nếu ds Ỷ 0 hệ biến thiên đến trạng thái cân bàng khác, ,S(J/K.), ,v(J/kg K) là entropy riêng
phần :

s

1.4.3

=


õs ,
— dp
ơp

ơs
õs
H—

—

ƠT

dl

(1.19)

Xây d ự n g p h ư ơ n g trình bảo tồn khối lượng

Xét hệ trên Hình 1-6

Hình 1-6. Mơ hình hệ có thể tích cố định

Sự biến thiên khối lượng vật chất trong hệ th ế tích cố định sẽ bằng tồng đại số lưu lưọng khối
đầu ra và đầu vào:

—cỊt = L wvào
. - ỵ w 1ra
°

(ì .20)


Trong đó khối lượng A7?^gj,lưu lượng khối W(kg/s).

1.4.4

Xây d ự n g p h ư o n g trình cân bằng năng lượng cho hệ có thể tích cố định

Trên Hình 1-7 là q trình có thẻ tích khơng đồi.
Áp dụng định luật bào toàn năng lượng và nguyên lý nhiệt động học thứ nhất, ta có:

Biến thiên nâng h ạ m g cua hệ có thê tích cố định sẽ bằng nhiệt cấp đầu vào trừ đi cõng đầu ru.
cộng với cóng cua íiịiìỊỊ đau vào trừ đi cõng cua dịng đau ru. cộng với năng Imjfig dỏng đầu
vào dưa vào và trừ ổi năng luxmg dòng đầu ra mang đi.


20

Khái quát chung vế điếu khiên quá ỉrinh

Thể hiện biểu thức:

(

Ị

m

A E = O A / - P A t + P ị V ^ A t - p 2v2W2At + — W] m u ì + — ú)\ + m gz

m


x

At ( 1.2 1 )

-w ,

m 2
m u 2 + — ứ>2 + m g z2

m

Năng lượng E(J), 0 là công suất nhiệt đưa vào hệ ( W), côna suất cơ sinh ra trong hệ p (W)
w !, IV2 lưu lượng đầu vào, đầu ra (kg/s)

«/, Ih nội năng riêng dòng đầu vào, đầu ra (J/kg)
COỊ, a >2 tốc độ dòng chảy đầu vào, đầu ra (m/s)

2/, z2 cao độ đầu vào đầu ra (m)
Pi , P :

áp suất đầu vào, đầu ra (Pa)

Biến đổi (1.21) ta có:
A

= dt
1 "| + 2 ữV + # ri

/

ỈK

1 2
"ị
u2 + - 0)ị + g z 2 + fV,Pị V, - W l P ĩ \\
^
/
\

(1.22)

Thay h = u + pv, ta có:

dE

— = dt

1

\\\

(1.23)


21

Khái quát chung về điểu khiến quá trình

Năng lượng E = m u + - u j ị + g z

2

năng ta có

khi hệ cân bàng trong thể tích, cân bằng động năng và thế

2

2 * 2 + 8 * m = 0 và do vậy:
E = m.u

(1.24)

Biến đổi ta có:

dE

dm

du
,
ri ...
+ m — = $ - P + W.
dí
dt

— = u—

dt

1
h\

+

2 ^ 1

,

1
+

£ Z I

.2

2 + - ^ 2 + g Z2

(1.25)

dm

Khi hệ cân bằng khối lượng —— = WX—W2. Thay vào (1.25) biến đổi ta có:

dt
m _du = $, _ p _|_ W
dt

■w.

( 1.2 6 )

Giả thiết giá trị các đại lượng vật lý đầu ra bàng với giá trị trung bình Tị = T, u2 = u, v2 = v:

1

P i = p + — {z - z ĩ )
'
v
p 2V2 = p 2V = p v + g ( z - z 2)

(1.27)

Thay (1.27) vào (1.26), biến đổi ta có:

du
m — = (Ị> -P + W](hì - u ) - w 2 ( h - u )
dt

(1.28)

Biểu thức (1.28) được viết lại:

du
m—
dt

~ p + fVt (/ỉ, —u) — W2p v

(1.29)

_
du
du d T
, ,
,, ,
Thay — = — — vào (1.29) ta tính được nhiệt độ trung bình

dt

d T dt
CÌT _

p + Wị (h ị - u ) - W l p y

dt

m

du

(1.30)

dT

1.4.5

Ph ư ơ n g trình cân bà ng thành phần hóa học cho phản ứng

Xét lị phản ứng hóa học có thể tích khơng đổi.ta có phương trình cân bàng khối lượng:

(ẦM.
cỉí

1.3:


22

Khái quát chung vế điểu khiên quá frwh

M Khối lượng thành phần / (Kmol)
F] dòng lưu lượng đầu vào của thành phần thứ / (Kmol/s)
F2 dòng lưu lượng đầu ra của thành phần thứ / (Kmol/s)
a là hệ số tỷ lượng cua thành phần thứ i trong phản ứng7
r là tốc độ phản ứng th ứ j trong thể tích V (Xem chưong 3)
Phương trình cân bằng năng lượng cùa phản ứng hóa học:
(1.32

(1.33)
A

(1.34)

It\,,u i , : nội năng riêng cùa thành phần i đâu vào đâu ra (J/Kmol)
h ị,,h ĩ, hàm nhiệt riêng cùa thành phần i đau vào đầu ra (J/Kmol)
Thay (1.31), (1.33), (1.34) vào (1.32)

Ta gọi

(1.36)

là sụ thay đổi nội năniĩ riêng cua thành phần / troim phàn ứns j. Viết lại (] .35) ta có:

£

/ =l

A/( í ỉ i í l = O - / > + £ / • ; , Ơ7|.-Ml.
/ =]

/ =l

^
/= I

riA u i

,-1I . - I
,=

(1.37)

Trong đó vế trái là sự biến thiên năng lưọng tronsỉ phan ứn<í. vế phải lằn lưọt là nhiệt lượn2 đưa
vào 0 , còng sinh ra p, tơng đỏim năna lượna đầu vào. tồng dịng năne lượng đầu ra và sư tha%
đòi nội Iiãim tro nu plian írna.

dLi u11,I

i l
',
d u , LLỈT
— vào \ è trái cua (1.37) ta tinh được sự biến thiên nhiệt độ cua nhàn
ill
lit

Li I t I

I liay —— = ——

lit

ưnu:


23

Khái quát chung vẻ điều khiên quá trình

cTỈ^
A

~dt

1.5

(1.38)

B ậ c t ự d o c ủ a q u á t r ìn h

Khi phân tích dộng học các q trình thơng qua các phương trình cân bằng, ta được hệ các
phương trình vi phân và đại số. Để xây dụng mơ hình điều khiển, ta cần xác định các phương
trình độc lập tương ứng với các biến chưa biết. Nííưịi ta sử dụng định nghĩa bậc tự do q trình,
có ý nghĩa tương đương với các phưong trình độc lập:

Nh = N , - N ,

(1.39)

Trong đó: N i là tổng số biến quá trình, N/.; là tồng số phương trình độc lập.
Đe xác định bậc tự do quá trình ta cần thực hiện các bước sau:
Bưóc 1T h ố n g kê tất cả các đại lượng trona mơ hình là hằng số đã biết như áp suất nguồn hơi.
thể tích, nồng độ lưu lượng hợp chất cấp vào...;
Bưóc 2 : Xác định số phương trình độc lập N/. và thống kê tất cả các biến quá trình AV (khơng
kể các đại lượng bước 1);
Bước 3: Tính tốn bậc tư do quá trình N/.:
Bước 4 : Xác định các nghiệm của yV/ ta đưọc biến đầu ra;
Bước 5: Xác định N/. biến đầu vào, trong đó định dạn<í được các biến nhiễu (D), các
độnơ (MV).Từ đó tính chính xác và đầy đii bậc tự do quá trình.

1.6

biến tác

T í n h t o á n b â• c t ư• d o đ i ề u k h i ể n đirọc
•
Bậc tự do điều khiến được yV/r là số biến q trình có thể điều khiên độc lập:

(1.40)

Trons đó N» là biến nhiễu (khơng thể điều khiên được).
Bậc tự do điều khiên được, được xác định từ mơ hình q trình. Đối vói những q trình
phức tạp (có hàng trăm biến ,vài chục phương trình) rất khó xây dựng được mị hình q trinh
đầy đủ. vì vậy việc xác định bậc tự do q trình khơng cịn chính xác nữa. Nên sons son° với
V iệc xác đ ị n h N u - v ê l ý t h u y ê t , người t a còn dựa vào thực t ê đ è xác định. Tronsi thực tẻ N FC c ó
thể coi là những dịnsỉ Iiíĩun liệu hay dịng năng lượng được điêu khiên bời các cơ cấu chấp
hành (van, bơm, quạt, đ ộ n s cơ, cân định lượng, băng tai...) tác độtm lèn các biến đầu ra.
Equation Chapter (Next) Section 1