Bài giảng Cơ sở điều khiển quá trình

MSMH: CH3031
GV: Bùi Ngọc Pha
F: 0909.878.662
E: buingocpha@hcmut.edu.vn
Bài giảng môn học
CƠ SỞ
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Ver 02
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
2Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 
Thời lượng: 30 tiết lý thuyết
Giáo trình – tài liệu tham khảo:
[1] D.E. Seborg, T.F. Edgar, D.A. Mellichamp, 
Process Dynamics and Control, 2nd Ed., John 
Wiley, 2004
[2] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều 
khiển quá trình, NXB Bách Khoa, Hà Nội, 2006
Phần mềm:
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
[Đánh giá môn học]
Bài tập
20%
Bài tập lớn
20%
Thi tự luận
60%
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Cảm ơn sự hợp tác của lớp học
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
5Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
[Mục tiêu môn học]
Mô tả và giải thích được các thành phần 
của một hệ thống điều khiển tự động
Sử dụng Matlab & Simulink để tính toán, 
phân tích một số quá trình đơn giản
Áp dụng kiến thức về lưu đồ P&ID
để biểu diễn sơ đồ kết nối của quá
trình công nghiệp có điều khiển
Phân loại và lựa chọn cấu trúc điều
khiển và chiến thuật điều khiển
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
6Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
[Vị trí môn học]
Điều khiển – Tự động hóa
Điều khiển học
(Cybernetics)
① Điều 
khiển quá 
trình
② Điều khiển 
máy (chuyển 
động, Robot)
Tự động 
hóa
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
7Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Đo 
mức
Bộ 
ĐK
Ví dụ bình chứa chất lỏng
Yêu cầu điều chỉnh 
mức nước h=H0
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Ví dụ bình chứa chất lỏng
 Cần hiểu biết về:
- Mục đích điều khiển
- Các cách điều khiển
- Bản chất quá trình
- Tác động điều khiển
- Công cụ mô phỏng Matlab&Simulink
PROCESS
PROCESSCONTROLLER
h
h
Fi
Fi
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
9Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Nội dung môn học
Chương 1
• Tổng quan về điều khiển quá trình
Chương 2
• Mô tả hệ thống điều khiển quá trình
Chương 4
• Điều khiển một số quá trình cơ bản
Chương 3
• Lý thuyết hệ thống điều khiển quá trình
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
10Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Chương 1:
Tổng quan về điều khiển quá trình
NỘI DUNG CHƯƠNG 1 Week
1.1. Điều khiển quá trình và Mục đích 
1.2. Khái niệm và định nghĩa
W1
1.3. Quá trình và các biến quá trình
W2
W31.4. Cấu trúc cơ bản của hệ thống
1.5. Lưu đồ P&ID
1.6. Các sách lược điều khiển cơ bản W4
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
11Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
1.2 Các khái niệm và định nghĩa
Điều khiển: điều khiển tự động, điều khiển thủ công 
Hệ thống điều khiển tự động
Điều chỉnh tự động
Vòng điều khiển: vòng kín vòng hở
Giá trị cài đặt
Sai lệch điều khiển
Quy luật điều khiển
1.1 Điều khiển quá trình và Mục đích điều khiển
Khái niệm điều khiển quá trình
Mục đích của điều khiển quá trình
• Nội dung bài hôm nayW1
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
12Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
• ĐKQT và mục đích của ĐKQT1.1
Điều khiển qúa trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển 
tự động để điều chỉnh, vận hành và giám sát các quá 
trình công nghệ hoạt động theo yêu cầu mong muốn.
Sơ đồ công nghệ nhà máy sản xuất, chế biến
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
13Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Yêu cầu của các quá trình chế biến là:
An Toàn (Safety):
• Con người, môi trường, thiết bị
 Lợi nhuận (Profit)
• Ổn định (Stability): giảm sự biến 
động
• Đáp ứng năng suất và chất lượng
• Giảm thiểu chất thải
• Giảm thiểu tác động môi trường
• Giảm thiểu sử dụng năng lượng
• Mục đích ĐKQT1.1
Nhiệm vụ của ĐKQT là đảm bảo đáp ứng các yêu cầu 
mong muốn đối với các quá trình chế biến
MỤC ĐÍCH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
14Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
 Điều khiển để đảm bảo an toàn
• Mục đích ĐKQT1.1
Các lớp bảo vệ an toàn: bắt đầu với việc kiểm soát quy
trình an toàn thiết kế, mở rộng tới các lớp phòng ngừa
bằng tay và tự động, và tiếp tục với các lớp để giảm nhẹ
hậu quả nếu sự kiện xảy ra.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
15Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
 Điều khiển để tăng lợi nhuận
Hiệu quả kinh tế phụ thuộc vào: điểm cài đặt và chất 
lượng điều khiển:
• Xu hướng phải điều khiển quá trình gần với các mức 
giới hạn trên hoặc dưới, trong vùng làm việc kinh tế.
• Khi quá trình được kiểm soát tốt, có thể thiết lập giá 
trị cài đặt trong vùng có lợi nhuận cao hơn
=> Cần đưa quá trình về trạng thái ổn định
Thời gian
CL
USL
CL
Trước điều khiển Sau điều khiển
V
ù
n
g
 v
ậ
n
 h
à
n
h
 k
in
h
 t
ế
LSL
Điểm cài đặt mới
• Mục đích ĐKQT1.1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
16Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
 Điều khiển là tác động có định hướng lên đối tượng 
điều khiển nhằm đảm bảo cho nó hoạt động theo yêu 
cầu mong muốn.
 Điều khiển bằng tay Điều khiển tự động
Người điều 
phối
Đối tượng 
ĐK
y
z
x Thiết bị 
điều khiển
Đối tượng 
ĐK
y
z
xu
Quá trình điều khiển không
cần sự tham gia trực tiếp của
con người
Con người thực hiện tác
động lên đối tượng điều khiển
• Khái niệm và định nghĩa1.2
[CÁC KHÁI NIỆM & ĐỊNH NGHĨA]
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
17Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Điều khiển bằng tay 
Mục đích điều khiển: Ổn định mức chất lỏng, khi có nhiễu tải LV
1) Đo: mắt thu thập thông tin 
2) So sánh: não xử lý thông tin
3) Điều chỉnh: tay chỉnh van vào
VÍ DỤ VỀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Bộ điều khiển trực tiếp
1) Phao = cảm biến mức
2) Vị trí phao
3) Cánh tay đòn điều chỉnh van
• Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
18Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Điều khiển bằng tay 
Mục đích điều khiển:
1) Đo:
2) So sánh: 
3) Điều chỉnh:
Điều khiển tự động
1) TT
2) TC
3) Adjust Valve
VÍ DỤ VỀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
• Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
19Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Các chức năng hệ thống điều khiển tự động:
Khởi động, điều chỉnh, dừng, bảo vệ, giám sát
Điều chỉnh là duy trì đại lượng đầu ra của đối tượng
gần với giá trị chủ đạo mong muốn (có thể cố định hoặc
biến đổi) bằng cách đưa vào đối tượng các tác động điều
khiển.
Giá trị chủ đạo cố định Giá trị chủ đạo biến đổi
=> điều chỉnh chỉ là một chức năng của điều khiển
SP
PV
SP
PV
• Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
20Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Ví dụ: Điều khiển - Điều chỉnh:
• Khái niệm và định nghĩa1.2
LC
LSHH
LAHLIT
Các chức năng của ĐIỀU KHIỂN bình chứa:
- Điều chỉnh mức chất lỏng LC
- Đo và hiển thị mức LIT
- Cảnh báo mức cao LAH
- Bảo vệ: chuyển sang chế độ dừng nhập liệu khi mức
vượt quá mức quá cao (mức an toàn) /Hi-Hi Level
Switch
SP
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
21Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Vòng điều khiển (control loop): là một chu trình 
thực hiện việc điều khiển.
Vòng điều khiển kín và hở 
Vòng điều khiển hở: là là một hệ
thống trong đó sự kiểm soát không
tuỳ thuộc vào đầu ra. Lệnh điều
khiển được đưa vào, bộ điều khiển
sẽ kiểm soát tiến trình xử lý sao cho
đối tượng được điều khiển đạt được
tiêu chuẩn định trước.
Mạch vòng kín: giá trị mong muốn và giá trị tức thời
được đưa và bộ điều khiển để so sánh, dựa vào sự
chênh lệch này bộ điều khiển đưa ra quyết định tác
động vào đối tượng điều khiển.
• Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
22Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Ví dụ điều khiển vòng hở (opened loop control):
Một máy nướng bánh có gắn timer để ấn định thời gian
tắt và mở máy. Đến thời điểm đã chọn trước, timer điều
khiển tắt bộ nung.
Hệ thống điều khiển vòng hở có độ tin cậy không cao..
Muốn đưa đáp ứng c đến trị giá tham khảo r, người dùng
phải qui chuẩn lại bằng cách chọn timer lại.
• Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
23Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Giải pháp về vòng kín
cho lò nướng là gì?
• Xác định độ chín của
bánh.
• Liên tục so sánh tình
trạng bánh với tiêu
chuẩn đã xác định.
• Đóng/mở mạch cấp
nhiệt.
Ví dụ điều khiển vòng kín (closed loop control): 
• Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
24Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
 3 tác vụ của một vòng điều khiển : 
- Đo lường
- Ra quyết định
- Thực hiện điều khiển
Ví dụ: bình chứa.
Mực nước được đo và
truyền tín hiệu đến bộ điều
khiển, bộ điều khiển so
sánh với giá trị đặt và đưa
ra quyết định điều khiển
được thực hiện bằng tác
động mở/đóng van.
• Khái niệm và định nghĩa1.2
SP
LT
LC
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
25Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Giá trị đặt (setpoint, SP): 
Sensor
Controller
Setpoint Error
Ví dụ: giá trị đặt mức nước trong bể chứa là Ho =1m.
Gía trị đặt cũng có thể là tối đa hoặc giá trị tối thiểu.
Ví dụ, mức trong bể không thể vượt quá 1,2m và không
thấp hơn 0,8m.
Là giá trị đầu ra của quá trình mà ta mong muốn đạt 
được, còn gọi là giá trị chủ đạo.
Setpoint
PV
• Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
26Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Sai lệch (Error, e): là sự khác biệt giữa giá trị đặt và
giá trị tức thời đo được của các biến quá trình, giá trị sai
lệch có thể là số dương hoặc số âm.
- Độ lớn 
- Thời gian tồn tại
- Vận tốc thay đổi
e = giá trị cài đặt – giá trị đo
e = 0,8m – 1,0 m = -0,2m ý nghĩa?
e = 373 K – 363 K = 10 K ý nghĩa?
Bộ điều khiển làm giảm thiểu hoặc 
loại bỏ sai lệch e
Ba thành phần của sai lệch: 
Sensor
Controller
Setpoint Error
• Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
27Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Quy luật điều khiển: là hàm số biểu diễn mối quan hệ
giữa giá trị đầu ra với giá trị đầu vào của bộ điều khiển
u = f(e)
u = f(e)
Setpoint Error u
Process
Bộ ĐK
• Khái niệm và định nghĩa1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
28Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
1.3 Khái niệm về quá trình và các biến quá trình
Quá trình công nghệ 
Biến đầu vào
Biến đầu ra
Biến điều khiển
Biến cần điều khiển
Biến được điều khiển
Biến nhiễu
• Nội dung bài hôm nayW2
1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển
 Đối tượng điều khiển
 Thiết bị điều khiển: 
 Thiết bị đo
 Bộ điều khiển
 Bộ phận chấp hành
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
29Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
[QUÁ TRÌNH VÀ CÁC BIẾN QUÁ TRÌNH]
Trình tự các diễn biến vật lý, hóa 
học, sinh học
Input Output
Năng lượng
Vật chất
Thông tin
Năng lượng
Vật chất
Thông tin
Quá trình phản ứng
(Biến đổi NVL)
Quá trình chưng cất
(Tinh chế)
Nhà máy sản xuất
(Biến đổi,Tinh chế)
Quá trình hóa học: là một trình tự các diễn biến vật lý,
hóa học, sinh học trong đó vật chất năng lượng hoặc
thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
• Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
30Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Biến quá trình là đại lượng, thông số đặc trưng cho quá
trình có ảnh hưởng đến quá trình hay hệ quả của quá
trình.
Các biến quá trình là đại lượng vật lý như:
- Áp suất;
- Lưu lượng;
- Mức;
- Nhiệt độ;
- Tỷ trọng;
- Nồng độ, độ pH;
- Khối lượng;
[CÁC BIẾN CỦA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ]
• Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
31Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Biến vào và biến ra:
Biến vào (input variable): là đại lượng, thông số phản ánh
tác động từ bên ngoài đến quá trình, là nguyên nhân làm
quá trình biến động
Biến ra (output variable): là đại lượng, thông số thể hiện
ảnh hưởng của quá trình ra bên ngoài.
Input (x,z) Output (y)
Biến ra,
Tín hiệu ra
Đáp ứng
Kết quả
Biến vào,
Tín hiệu vào
Tác động
Nguyên nhân
• Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
32Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Phân loại các biến quá trình:
Quá trình chỉ có 1 đầu vào và 1 đầu ra là quá trình đơn 
biến (SISO)
Thực tế các quá trình thường là đa biến MIMO: nhiều 
biến vào, nhiều biến ra. 
Biến vào Biến ra
Biến nhiễu
(LV or DV)
Biến
điều khiển
(MV)
Biến 
không 
cần 
ĐK
Biến cần 
điều khiển
Biến đo được
(được điều khiển)
(CV)
Biến không
đo được
• Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
33Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
- Biến cần điều khiển (Controlled Variable, CV) là
biến ra hoặc biến trạng thái của quá trình được điều
khiển sao cho gần với giá trị mong muốn hoặc bám theo
một giá trị chủ đạo/tín hiệu mẫu.
- Biến được điều khiển (Controlled Variable, CV) là
một biến ra dùng gián tiếp để thay cho biến cần điều
khiển trong một số trường hợp nếu phép đo trực tiếp biến
cần điều khiển là quá chậm, quá thiếu chính xác hay quá
tốn kém khi đó nó có thể được đo và điều khiển gián tiếp
thông qua đại lượng khác.
Ví dụ: cần điều khiển nồng độ sản phẩm đỉnh tháp
chưng cất, biến được điều khiển là nhiệt độ
đỉnh tháp thay vì nồng độ sản phẩm đỉnh.
Các biến ra được chia thành:
• Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
34Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
- Biến điều khiển (Manipulated Variable, MV) là những
biến vào của quá trình dùng để can thiệp trực tiếp từ bên
ngoài vào quá trình, qua đó tác động tới biến ra theo yêu
cầu mong muốn.
- Biến nhiễu (disturbance/Load variable, LV) là những
biến vào của quá trình, tác động lên quá trình nhưng ta
không can thiệp được trong phạm vi quá trình đang quan
tâm.
Nhiễu bao gồm nhiễu cơ bản và nhiễu không cơ bản.
Ví dụ: như thành phần nhiên liệu, nhiệt độ dòng lạnh, áp
suất hơi bão hòa, thời tiết
Các biến vào được chia ra thành:
• Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
35Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Ví dụ: Xác định các biến quá trình
Mục đích điều khiển : ổn định h = Ho
Phân tích bài toán ta có các biến sau:
• Quá trình & Biến quá trình1.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
36Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Các thành phần cơ bản của HTĐKQT:
- Đối tượng điều khiển là quá trình công nghệ (Process)
- Bộ điều khiển (the controller)
- Dụng cụ đo/truyền tín hiệu (a sensor/ transmitter)
- Bộ phận thừa hành (a final control element)
Thiết bị điều khiển
BĐK Process
y(t)
yht
z nhiễu
ysp e u
Dụng cụ đo
y(t)
x
BP thừa hành
• Cấu trúc HTĐKQT1.4
[CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH]
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
37Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Thí dụ: Điều chỉnh mực chất lỏng trong bình chứa:
Mức chất lỏng được đo
bằng mức kế (LT) với tín
hiệu đầu ra đưa đến bộ
điều khiển (LC). Giá trị
SP được người điều hành
đưa vào. Nếu mức chất
lỏng lệch khỏi giá trị chủ
đạo thì BĐK sẽ tác động
lên BPTH là van  ... ong mọi trường hợp
•Nếu KP tăng thì exl giảm
•Tăng tiếp Kp: 
nếu chưa có vọt lố thì txl giảm
 nếu có vọt lố thì txl tăng
•Kp quá lớn => hệ mất ổn định
Thành phần tích phân
-Giúp triệt tiêu sai số xác lập, chừng nào
còn sai số thì còn tín hiệu điều khiển u do
thành phần tích phân tạo nên.
-Khi KI tăng hệ xuất hiện vọt lố và có thể
làm hệ thống mất ổn định.
Thành phần vi phân:
KD lớn hệ chậm hơn nhưng ổn định hơn,
KD làm hệ giảm vọt lố.
Gc Gp
YYsp
D
1
c p cG K K K s
s
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
196Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Xác định thông số của bộ điều khiển
Phương pháp Ziegler- Nichols 1:
Dựa trên đồ thị đáp ứng quá độ, cho hệ số
tắt dần≈ 1/4, độ quá điều chỉnh≈25%
Thực hiện: Cho đầu vào của đối tượng điều
khiển thay đổi theo hàm bước, ghi nhận số
liệu đầu ra thay đổi theo thời gian, vẽ đồ thị.
Nếu đối tượng điều khiển có đáp ứng quá độ
dạng hình chữ s thì có thể chọn bộ điều
khiển P, PI, PID theo bảng sau
Bộ điều khiển:
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
197Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Tổng hợp bộ ĐK
Bộ điều chỉnh Xác định thông số của bộ điều khiển
Phương pháp Ziegler- Nichols 1:
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
198Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Xác định thông số của bộ điều khiển
Phương pháp Ziegler- Nichols 2:
Dựa trên đặc tính dao động tới hạn, cho
chất lượng tương đương ZN-1.
Thực hiện: Cho ki, kd =0, thay đổi kp sao
cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định
(dao động điều hòa), khi đó lấy kp = Kgh
và tín hiệu ra y có dạng dao động với
chu kỳ Tgh
Bộ điều khiển:
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
199Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Direct synthesis, DS: là phương pháp tính toán bộ ĐK
trực tiếp từ mô hình quá trình và mô hình hàm truyền
mong muốn của hệ kín.
Xét cấu hình điều khiển như sơ đồ khối, ký hiệu hàm
truyền mong muốn của hệ kín kà Gk, ta có:
Phương pháp tổng hợp trực tiếp:
Gc G
YYsp E
1
.
1 1
c cl
cl c
sp c cl
G G GY
G G
Y G G G G
Trong đó teta bằng thời gian trễ của quá trình và tc là hằng số thời gian của hệ kín theo yêu cầu chất lượng
điều khiển. Tc càng nhỏ thời gian điều khiển càng nhanh, nhưng lại làm cho tín hiệu điều khiển thay đổi
mạnh hơn và kém bền vững với sai số của mô hình
Chọn mô hình mẫu của hệ kín là khâu quán tính bậc 
nhất có trễ:
1.
1
s
cl
cl
e
G
s


t0
y(t) 
1
1
.
1
s
c s
c
e
G
G s e


1
.
( )
s
c
c
e
G
G s

 
Kết hợp lại ta có hàm truyền mô hình của hệ kín, với phép xấp xỉ Taylor 𝑒−𝜃𝑠 = 1 − 𝜃𝑠
Xác định thông số của bộ điều khiển
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
200Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Xét 2 trường hợp G là FOPDT và SOPDT 
Gc G
YYsp E
1
(1 )
( )
PI c
i
c
c
i
G k
s
k
K


 
 
1 2
.
( 1)( 1)
sK e
G
s s

 
Gc có dạng bộ điều khiển PI
t0
y(t) 
1
1) Trường hợp G là FOPDT
1 1 1
. (1 )
. ( ) ( ) ( )
1
s
c s
c c c
e s
G
K e s K s K s
s


 
      

2) Trường hợp G là SOPDT
ta có bộ điều khiển PID là:
1 2
1 2
1 2
1 2
1
(1 )
( )
;
PI c d
i
c
c
i d
G k s
s
k
K


 
 
 
   
 
Phương pháp tổng hợp trực tiếp (tt):
Xác định thông số của bộ điều khiển
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
201Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Ứng dụng SIMULINK tổng hợp hệ thống
Từ thực nghiệm thu được đáp ứng nhiệt độ của lò nhiệt khi công 
suất điện cấp cho nó là 100%:
Kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn, ta xác định được giá trị các tham số cho mô hình 
xấp xỉ L, T, K như hình vẽ.
=> Mô hình xấp xỉ là một khâu quán tính bậc 1 có trễ : G(s)= 
0.632
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
202Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Ứng dụng SIMULINK tổng hợp hệ thống
Xác định các thông số bộ diều khiển theo Ziegler-Nichols:
=> Kp = 0.114, KI = 0.0028, KD = 1.14
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
203Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Ứng dụng SIMULINK tổng hợp hệ thống
Bộ PID theo tính toán
Kp = 0.114, KI = 0.0028, KD = 1.14
Chỉnh định các thông số của bộ PID 
( độ quá điều chỉnh < 25%)
Chọn Kp = 0.036, KI = 0.0004, KD = 0.54
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
204Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Gc G
YYsp
Ứng dụng SIMULINK tổng hợp hệ thống
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH CNHH CƠ BẢN
Bài giảng môn học
CƠ SỞ
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Ver 02
Nội dung bài 13, bài 14:
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
-Hệ thống điều chỉnh lưu lượng
-Hệ thống điều chỉnh mức lượng
-Hệ thống điều chỉnh áp suất
-Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ
4.2 Điều khiển các quá trình CNHH cơ bản
-Điều khiển các quá trình cơ học
-Điều khiển các quá trình truyền nhiệt
-Điều khiển các quá trình truyền khối
-Điều khiển các quá trình phản ứngCuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
206Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
1. Điều chỉnh lưu lượng
Điều chỉnh lưu lượng được sử dụng để ổn định lưu lượng theo dòng 
vật chất và là một phần không tách rời của hệ thống ĐKQT
Có 3 phương pháp phổ biến điều khiển lưu lượng nói chung:
1) Dùng cơ cấu chấp hành là van có chức năng điều khiển: tiết lưu 
dòng lưu chất đi qua cơ quan điều chỉnh bằng van, tấm chắn lắp 
trên ống dẫn.
2) Thay đổi cường độ bơm: thay đổi cột áp trong ống dẫn bằng cách 
điều chỉnh nguồn năng lượng (thay đổi tốc độ quay của động cơ 
máy bơm hoặc góc quay cánh quạt)
3) Sử dụng đường ống dẫn hồi lưu: nghĩa là chuyển phần dư của 
lưu chất từ ống dẫn chính sang đường vòng (bypass)
Ngoài ra có thể dùng nhiều bơm đồng thời hay từng bơm tuỳ theo 
yêu cầu lưu lượng cần đảm bảo.
Để điều khiển lưu lượng theo yêu cầu không có sai lệch tĩnh nên sử 
dụng bộ điều khiển PI.
Thực tế thường không sử dụng PD hay PID vì khi tín hiệu lưu lượng 
thay đổi với tần số cao thì thành phần D sẽ làm hệ thống mất ổn định
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
207Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ
Dùng van có chức năng điều khiển:
Một phần hệ thống điều khiển lưu lượng
(1) đường ống dẫn, (2) màng chắn để đo 
lưu lượng, (3) van điều khiển
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
208Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ
Dùng van có chức năng điều khiển:
 Để an toàn cho bơm không lắp màng chắn trên đường ống hút bơm ly tâm.
 Không dùng cấu trúc (a) cho bơm piston mà bắt buộc dùng van bypass.
 Nếu bơm chất lỏng lên cao thì phải dùng van 1 chiều tránh chất lỏng dội 
ngược lại khi dừng bơm làm hư bơm.
(a) Bơm ly tâm, (b) Bơm piston
(a) (b)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
209Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
Câu hỏi
Two flow control loops are shown in the drawing. Indicate whether each system is either a 
feedback or a feedforward control system. Justify your answer. It can be assumed
that the distance between the flow transmitter (FT) and the
control valve is quite small in each system.
• Lưu đồ P&ID1.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
210Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ
Điều khiển theo tỷ lệ lưu lượng: 3 trường hợp
TH1: Tổng 2 dòng lưu lượng không yêu cầu diều khiển.
Yêu cầu điều chỉnh theo tỷ lệ F2=nF1
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
211Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ
Điều khiển theo tỷ lệ lưu lượng:
TH2: Yêu cầu tỷ lệ lưu lượng không đổi và dòng F1 không đổi.
Điều chỉnh F1=F1sp và tỷ lệ n = const
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
212Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ
Điều khiển theo tỷ lệ lưu lượng:
TH3: Điều chỉnh theo tín hiệu thứ 3 (mức chất lỏng trong bình):
giá trị tỷ lệ cài đặt thay đổi (trong giới hạn cho trước) theo mức
Ở đây, vòng 
điều khiển 
trong của bộ 
điều khiển tầng 
có thể sử dụng 
bộ điều khiển P
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
213Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ
Điều khiển lượng vật liệu rời được thực hiện bằng cách thay đổi 
mức độ mở của bướm điều chỉnh ở đầu ra bồn chứa.
1 - Bồn chứa ; 2 - băng tải; 3 – bộ điều chỉnh; 4 – bướn điều chỉnh
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
214Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
1. Điều chỉnh lưu lượng một số ví dụ
Điều khiển lượng vật liệu rời được thực hiện bằng cách thay đổi 
tốc độ chuyển động của băng tải.
1 - Bồn chứa ; 2 - băng tải; 3 – bộ điều chỉnh; 5 - động cơ điện
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
215Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
2. Điều chỉnh mức
Khi không có chuyển pha trong thiết bị, mức được điều khiển 
bằng cách thay đổi lưu lượng vào hoặc ra
Điều chỉnh mức bằng 
cách thay đổi lưu lượng 
vào bình chứa
Điều chỉnh mức bằng 
cách thay đổi lưu lượng 
đầu ra
Điều chỉnh mức theo tỷ 
lệ lưu lượng
(điều khiển tầng)
𝐴
𝑑ℎ
𝑑𝑡
= 𝐹v – Fr
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
216Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
2. Điều chỉnh mức
Khi có chuyển pha trong thiết bị, ví dụ thiết bị bốc hơi: mức 
được điều khiển bằng cách điều chỉnh tác nhân nhiệt.
Hơi
Hơi
Hơi 
nước
Lỏng
Ngưng 
tụ
Hơi
Thay đổi lưu lượng hơi cấp
nhiệt làm cho dung môi bay hơi
nhiều hay ít ổn định được mực
chất lỏng.
Trong thực tế do chất lỏng sôi
nên khó đo để biết chính xác mực
chất lỏng, nên thường kết hợp
kinh nghiệm để bù độ lệch của
thiết bị đo.
Trong trường hợp không cần độ chính xác cao dùng bộ điều khiển P.
Trường hợp cần điều chỉnh với độ chính xác cao thì dùng bộ điều khiển PI.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
217Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
2. Điều chỉnh mức
Khi không cần độ chính xác cao, điều khiển 2 vị trí được sử 
dụng để duy trì mực chất lỏng trong khoảng đủ rộng
Lmax <= L<=Lmin
Khi mức đạt đến độ cao
Lmax, bộ điều chỉnh tự
động chuyển hướng lưu
chất sang kênh 2 bằng
cách đống van 6 và mở
van 7.
Trong trường hợp điều
chỉnh lưu lượng để giải
nhiệt thì không sử dụng
phương pháp này.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
218Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
Thông thường áp suất trong hệ thống công nghệ được ổn định 
ở một thiết bị nào đó. Áp suất tỷ lệ với lưu lượng pha khí ở đầu 
vào và đầu ra thiết bị, nên áp suất được điều chỉnh bằng cách:
a) Thay đổi lưu lượng khí không ngưng đi ra từ thiết bị
b) Thay đổi lượng nước làm nguội trong thiết bị ngưng tụ trực 
tiếp (Baromet), hoặc thiết bị ngưng tụ gián tiếp
c) Thay đổi lưu lượng trực tiếp bằng van điều chỉnh trên ống dẫn
3. Điều chỉnh áp suất
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
219Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
a) Thay đổi lưu lượng khí không ngưng đi ra từ thiết bị
3. Điều chỉnh áp suất
Nươc làm mát
Khí không 
ngưng
Sản phẩm 
đỉnh
Điều chỉnh áp suất trong tháp chưng cất khi có xuất hiện
khí không ngưng
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
220Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
b) Thay đổi lượng nước làm nguội trong thiết bị Baromet
Hệ thống cô đặc 2 nồi liên tục
3. Điều chỉnh áp suất
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
221Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
c) Điều chỉnh áp suất bằng tác động trực tiếp:
3. Điều chỉnh áp suất
1- màng ngăn, 2- lò so, 3- trục, 4, 5 cơ cấu van 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
222Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.1 Điều chỉnh các thông số công nghệ cơ bản
4. Điều chỉnh nhiệt độ
Điều chỉnh nhiệt độ dòng ra 
thiết bị trao đổi nhiệt bằng 
cách điều chỉnh lưu lượng 
dòng hơi
tv dòng lỏng
tR
Fs
nước 
ngưng
tv dòng lỏng
tR
Fs
nước 
ngưng
Điều chỉnh nhiệt độ dòng ra thiết bị trao 
đổi nhiệt bằng cách điều chỉnh tầng: 
kết hợp phản hồi và tỷ lệ
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
223Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.2 Điều khiển các quá trình công nghệ cơ bản
Điều khiển các quá trình cơ lưu chất
Các quá trình cơ lưu chất được điều khiển bao gồm quá trình 
phân riêng và làm sạch hệ thống không đồng nhất
Trong công nghiệp hoá chất:
• Hệ lỏng được phân riêng trong các thiết bị lắng, máy lọc, 
máy ly tâm
• Hệ khí được làm sạch trong Cyclone, máy lọc, máy rửa khí, 
máy lọc điện 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
224Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.2 Điều khiển các quá trình công nghệ cơ bản
Hệ thống cô đặc một nồi gián đoạn
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
225Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.2 Điều khiển các quá trình công nghệ cơ bản
Hệ thống cô đặc 2 nồi liên tục
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
226Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.2 Điều khiển các quá trình công nghệ cơ bản
Hệ thống chưng cất
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
227Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.2 Điều khiển các quá trình công nghệ cơ bản
Hệ thống chưng đơn giản
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở chất lỏng còn lại giảm dần nên thành phần hơi bay
lên cũng giảm dần, do đó sản phẩm đỉnh cũng có nồng độ giảm dần=> nhiệt độ
sôi giảm dần.
Chưng đến khi đạt nồng độ yêu cầu thì ngừng lại, nên thường tiến hành gián
đoạn, cũng có thể tiến hành liên tục.
Thiết bị chưng đơn giản:
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
228Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.2 Điều khiển các quá trình công nghệ cơ bản
Chưng cất phương án điều khiển các thông số riêng lẻ
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
229Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.2 Điều khiển các quá trình công nghệ cơ bản
Chưng cất phương án bù nhiễu
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
230Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.2 Điều khiển các quá trình công nghệ cơ bản
Chưng cất
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
231Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.2 Điều khiển các quá trình công nghệ cơ bản
Chưng gián đoạn
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
232Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
4.2 Điều khiển các quá trình công nghệ cơ bản
Tháp đệm
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
233Process Control @ B. N. Pha – ĐHBK
VÍ DỤ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ -> tín hiệu cặp nhiệt ->tín hiệu chuẩn -> DCS -> tín hiệu 
chuẩn -> tín hiệu khí nén chuẩn -> độ mở van -> Lưu lượng
Bộ biến
đổi đo
• Các thành phần hệ thống 1.2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt