Bài giảng Điện khiển quá trình - Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống

©2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
C
h
ư
ơ
n
g
1
C
h
ư
ơ
n
g
2
C
h
ư
ơ
n
g
3
Chương 4: Đặc tính các thành phần 
 cơ bản của hệ thống
Điều khiển quá trình
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
2©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Nội dung chương 4
4.1 Thiết bị đo quá trình
- Cấu trúc cơ bản
- Các đặc tính của thiết bị đo
4.2 Thiết bị chấp hành và van điều khiển
- Cấu trúc cơ bản
- Các đặc tính của van điều khiển
- Bộ định vị van
4.3 Thiết bị điều khiển
- Sơ lược các thiết bị điều khiển công nghiệp
- Bộ điều khiển hai vị trí
- Các bộ điều khiển P/PI/PID
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Cấu trúc cơ bản của các HTĐKQT
THIẾT 
BỊ ĐO
THIẾT BỊ
CHẤP HÀNH
Tham số Trạng thái
Đầu vào Đầu ra
HỆ THỐNG VẬN HÀNH 
& GIÁM SÁT
QUÁ TRÌNH KỸ THUẬT
THIẾT BỊ ĐIỀU 
KHIỂN
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Ví dụ hệ thống ₫iều khiển nhiệt ₫ộ
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
5©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Các thành phần cơ bản của hệ thống
Giá trị đặt Set Point (SP), Set Value (SV)
Tín hiệu điều khiển Control Signal, Controller Output (CO)
Biến điều khiển Control Variable, Manipulated Variable (MV)
Biến được điều khiển Controlled Variable (CV) 
Đại lượng đo Measured Variable, Process Value (PV)
Tín hiệu đo Measured Signal, Process Measurement (PM)
Thiết bị
đo
Quá trìnhThiết bị điều khiển
Thiết bị
chấp hành
Tín hiệu 
điều khiển
(CO)
Biến
điều khiển
(MV)
Tín hiệu đo
(PM)
Biến được 
điều khiển
(CV)
Đại lượng đo
Giá trị đặt 
(SP)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
6©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Chuẩn tín hiệu
ƒ Tín hiệu tương tự:
— Điện: 0-20mA, 4-20mA, 10-50mA, 0-5V, 1-5V, ... 
— Khí nén: 0.2-1bar (3-15 psig)
ƒ Tín hiệu logic:
— 0-5 VDC, 0-24 VDC, 110/120 VAC, 220/230 VAC,...
ƒ Tín hiệu xung/số:
— Tín hiệu điều chế độ rộng xung, tần số xung
— Chuẩn bus trường: Foundation Fieldbus, Profibus-PA,...
— Chuẩn nối tiếp thông thường: RS-485, RS-422
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
7©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
4.1 Thiết bị ₫o quá trình
ƒ Measurement device: Thiết bị đo
ƒ Sensor: Cảm biến (vd cặp nhiệt, ống venturi, siêu âm,..)
ƒ Sensor element: Cảm biến, phần tử cảm biến
ƒ Signal conditioning: Điều hòa tín hiệu
ƒ Transmitter: Bộ chuyển đổi đo chuẩn (điều hòa + truyền tín hiệu) 
ƒ Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng (vd áp suất-dịch chuyển, 
dịch chuyển-điện áp), có thể là sensor hoặc sensor + transmitter
Thiết bị đo
Tín hiệu chuẩn
(4-20mA, 0-10V,...)
Tín hiệu bus
Đại lượng đo
(Nhiệt độ, áp suất, 
mức, lưu lượng,..)
Chỉ báo
Indicator
Sensor Transmitter
Cảm biến
Bộ chuyển đổi 
tín hiệu đo 
Transducer
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Bộ chuyển đổi đo 
chuẩn (transmitter)
Cảm biến bên 
trong
Cảm biến bên 
trong
Lưu lượng kế
Thiết bị đo 
áp suất
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
9©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
4.1.1 Đặc tính vận hành
ƒ Phạm vi đo và dải đo
ƒ Độ phân giải, dải chết và độ nhạy
ƒ Độ tin cậy
ƒ Ảnh hưởng do tác động môi trường
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
10
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Phạm vi ₫o (range) và dải ₫o (span)
T [oC]
100
Tm [mA]
4
16
Dải đo = 300oC
0
8
12
20
0 200 300 400
Ngưỡng dưới
(Điểm không)
Ngưỡng trên
D
ả i
 t í
n 
h i
ệ u
 r a
 =
 1
6 m
A
VÍ DỤ
Phạm vi đo (phạm vi đầu vào): 100-400oC
Dải đo (dải đầu vào): 300oC
Phạm vi đầu ra: 4-20mA
Dải tín hiệu ra (dải đầu ra) 16m 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
11
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
4.1.2 Đặc tính tĩnh
ƒ Sai số và độ chính xác
ƒ Dải chết và độ trễ
ƒ Tính trung thực và khả năng tái tạo
ƒ Độ tuyến tính
ƒ Độ nhạy
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
12
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Sai số ₫o, ₫ộ chính xác và ₫ộ phân giải
ƒ Sai số đo: sai lệch giữa giá trị quan sát được và
giá trị lý tưởng của đại lượng đo
— Sai số hệ thống
— Sai số ngẫu nhiên
ƒ Độ chính xác, cấp chính xác: mức độ phù hợp 
của đầu ra của một thiết bị đo so với giá trị thực 
(lý tưởng) của đại lượng đo xác định bởi một số
tiêu chuẩn
— Theo đại lượng đo, ví dụ +1˚C/-2˚C
— Tỉ lệ phần trăm của dải đo, ví dụ ±0.5% dải đo
— Tỉ lệ phần trăm của đầu ra, ví dụ ±1% đầu ra.
ƒ Định chuẩn (calibration): Qui trình xác định độ
chính xác của một thiết bị đo và thực hiện hiệu 
chuẩn cho phù hợp với ứng dụng
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
13
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Đồ thị ₫ịnh chuẩn
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
1
0
2
0
3
0
4
0
5
0
6
0
7
0
8
0
9
0
1
0
0
§Çu vµo [%]
§
Ç
u
r
a
[
%
]
Độ trễ + 
dải chết
y
v
Dải chết (deadband): biến thiên nhỏ nhất của giá trị đo mà thiết bị 
đo có thể đáp ứng với tín hiệu đầu ra thay đổi
Độ trễ (hysteresis): Sự khác nhau trong đáp ứng với thay đổi đầu 
vào theo hai chiều khác nhau
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
14
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Tính trung thực, khả năng lặp lại
Kém trung thực 
Kém chính xác
Trung thực 
Kém chính xác
Trung thực 
Chính xác
x
G
i
á
t
r
ị
q
u
a
n
s
á
t
xx
x
x x
x
x
x
x
x
Giá trị thực
x
xx
x
xx
x
x
x
x
x
Giá trị thực Giá trị thực
x
xx
x
xx
x
x
x
x
G
i
á
t
r
ị
q
u
a
n
s
á
t
G
i
á
t
r
ị
q
u
a
n
s
á
t
Tính trung thực hay khả năng lặp lại (repeatability): Độ lệch lớn nhất 
của các giá trị quan sát được sau nhiều lần lặp lại so với giá trị trung 
bình của một đại lượng đo
Tính trung thực ≠ Độ chính xác
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
15
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Độ tuyến tính
ƒ Đặc tính tuyến tính
0 0
1( ) 2m m cv k y y v k y v= − + = +
y — đại lượng đo (đầu vào)
y0 — điểm không đầu vào
v — tín hiệu đo (đầu ra)
v0 — điểm không đầu ra
km — độ nhạy
Ví dụ: Một cảm biến điện trở thay đổi điện trở R của nó một 
cách tuyến tính từ 100 đến 180 khi nhiệt độ T thay đổi từ 20o
tới 120oC. Phương trình đặc tuyến vào-ra là:
80 ( 20) 100 0.8 84
100
R T T= − + = +
ƒ Độ tuyến tính: Mức độ gần với đặc tính tuyến tính
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
16
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Độ nhạy
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
1
0
2
0
3
0
4
0
5
0
6
0
7
0
8
0
9
0
1
0
0
§Çu vµo [%]
§
Ç
u
r
a
[
%
]
s
s
m
sy
v v vk y y y
Δ −= =Δ −
y
v
yΔ
vΔ
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
17
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Chuẩn hóa tín hiệu ₫o
ƒ Thông thường về % của dải đầu ra hoặc chuẩn hóa đơn vị
ƒ Ví dụ: Một thiết bị đo áp suất có đặc tính tuyến tính, phạm 
vi đo từ 20 đến 220 psig và phạm vi tín hiệu ra từ 4 đến 20 
mA. Phương trình đặc tuyến vào-ra cho tín hiệu đo chưa 
chuẩn hóa là:
ƒ Chuẩn hóa tín hiệu đo theo phần trăm của dải tín hiệu ra:
ƒ Chuẩn hóa đơn vị:
16[mA] ( 20 ) 4 0.08 5.6200
( 0.08 [mA/psig])m
y P P
k
= − + = +
=
100[%] ( 20) 0.5 10200
0.5 [%/psig]m
y P P
k
= − = −
=
-10.005 [psig ]mk =
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
18
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Tuyến tính hóa ₫ặc tính tĩnh
ƒ Tuyến tính hóa từng đoạn: Đường cong định 
chuẩn được xấp xỉ bằng một đường gấp khúc.
ƒ Tuyến tính hóa độc lập: Đường cong định chuẩn 
được xấp xỉ bằng một đường thẳng sao cho giá trị
tuyệt đối của sai số lớn nhất được cực tiểu hóa. 
ƒ Tuyến tính hóa theo điểm không: Đường xấp xỉ
tuyến tính đi qua điểm đầu của đường cong định 
chuẩn (điểm không) và có độ dốc sao cho giá trị
tuyệt đối của sai số lớn nhất được cực tiểu hóa.
ƒ Tuyến tính hóa theo điểm đầu-cuối: Đường xấp xỉ
tuyến tính đi qua điểm đầu và điểm cuối của 
đường cong định chuẩn.
ƒ Tuyến tính hóa bình phương cực tiểu: Đường xấp xỉ
tuyến tính được xác định sao cho tổng bình 
phương các sai số là cực tiểu.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
19
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
0
50
100
0 50 100
§Çu vµo [%] 
§
Ç
u
r
a
[
%
]
TuyÕn tÝnh 
hãa tõng ®o¹n
TuyÕn tÝnh 
hãa ®éc lËp 
0 
50 
100 
0 50 100 
§Çu vµo [%] 
§
Ç
u
r
a
[
%
]
TuyÕn tÝnh hãa 
theo ®iÓm kh«ng
TuyÕn tÝnh hãa theo 
®iÓm ®Çu-cuèi 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
20
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
4.1.3 Đặc tính ₫ộng học
ƒ Đặc tính động học của hầu hết các thiết bị đo có
thể biểu diễn bằng một khâu quán tính bậc nhất
hoặc một khâu bậc hai ổn định
ƒ Nếu đặc tính động học của thiết bị đo không thể
bỏ qua: 
— đưa vào mô hình đối tượng điều khiển, hoặc
— Vẫn sử dụng mô hình tĩnh của thiết bị đo, coi sai số đo 
(động) là nhiễu đo
( ) 1
m
m
kG s sτ= +
0
2 2 2 2
0
( ) , 0
2 2
m m
m
k kG s
s s s s
ω ζω ζ τ τζ= = >+ + + +
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
21
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Đáp ứng bậc thang
sai số 
động
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
22
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Đáp ứng tín hiệu dốc
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
23
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
4.1.4 Các loại cảm biến quá trình tiêu biểu
ƒ Các tiêu chuẩn lựa chọn:
— Các đặc tính vận hành: phạm vi đo, dải đo, độ tin cậy 
vận hành, dải chết, độ nhạy
— Các đặc tính tĩnh: Độ chính xác, tính trung thực, độ
tuyến tính 
— Các đặc tính động: Độ trễ, tốc độ đáp ứng, đặc tính tần 
số...
— Vật liệu chế tạo: phù hợp với môi trường làm việc (nhiệt 
độ, áp suất, xâm thực, ăn mòn, ...)
— Kinh nghiệm sử dụng
— Đặc tính điện-cơ: mức độ an toàn cháy nổ, cấp bảo vệ
(IP), vỏ bọc
— Mức độ can thiệp ngược trở lại quá trình (làm giảm độ
chính xác) 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
24
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Cảm biến nhiệt ₫ộ
ƒ Các nhiệt kế giãn nở: Giãn nở một chất theo nhiệt 
độ làm thay đổi chiều dài, thể tích hoặc áp suất, 
ví dụ trong nhiệt kế thủy ngân và nhiệt kế lưỡng 
kim
ƒ Điện trở thay đổi theo nhiệt độ, sử dụng trong 
nhiệt điện trở kim loại (RTD) hoặc nhiệt điện trở
bán dẫn (Thermistor)
ƒ Điện thế thay theo nhiệt độ tại điểm tiếp xúc giữa 
hai kim loại khác nhau, áp dụng trong cặp nhiệt 
(Thermocouple, TC)
ƒ Nhiệt bức xạ, bước sóng nhiệt bức xạ thay đổi 
theo nhiệt độ, ví dụ hỏa kế bức xạ (Pyrometer) áp 
dụng cho đo nhiệt độ cao (quá trình đốt cháy)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
25
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Các loại cảm biến áp suất thông dụng
ƒ Các phần tử cảm biến đàn hồi: Ống Bourdon, 
màng mỏng
ƒ Các phần tử cảm biến dịch chuyển: 
— Thay đổi điện trở (cảm biến sức căng, chiết áp)
— Thay đổi điện dung (cảm biến tụ điện)
— Thay đổi điện cảm (cảm biến cảm ứng)
— Thay đổi từ thông (biến áp vi sai, LVTD)
ƒ Cảm biến piezo:
— Áp điện (piezo-electric): hiệu ứng tích điện khác dấu trên 
hai bề mặt tinh thể thạnh anh khi chịu một lực tác động
— Áp trở: hiện tượng thay đổi điện trở của tinh thể thạch 
anh dưới tác động của một lực lên bề mặt
ƒ Cảm biến đo chân không
— Chân không kế Pirani (Pirani gauge)
— Chân không kế ion hóa (Ionisation gauge)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
26
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Cảm biến lưu lượng
ƒ Lưu lượng kế chênh áp
ƒ Lưu lượng kế turbin
ƒ Lưu lượng kế biến diện
ƒ Lưu lượng kế che luồng xoáy
ƒ Lưu lượng kế điện từ
ƒ Lưu lượng kế siêu âm
ƒ Lưu lượng kế khối
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
27
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Cảm biến mức
ƒ Phương pháp tiếp xúc bề mặt: phao, que dò, dịch 
chuyển
ƒ Phương pháp điện học: Điện trở, điện dung
ƒ Phương pháp chênh áp
ƒ Phương pháp siêu âm
ƒ Phương pháp quang học
ƒ Phương pháp đo khối lượng
ƒ ...
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
28
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Cảm biến ₫o nồng ₫ộ, thành phần 
ƒ Phép đo phức tạp nhất, tốn kém nhất, thời gian 
trễ cũng lớn nhất, độ tin cậy thấp có thể ảnh 
hưởng rất xấu tới chất lượng điều khiển
ƒ Rất nhiều phương pháp đo khác nhau: Ghi sắc ký 
(gas-ligquid chromatography, GLC), phép đo phổ
và hấp thụ bức xạ (cực tím, siêu âm, ánh sáng 
thường ) là các phương pháp thông dụng nhất
ƒ Lựa chọn phương pháp đo phụ thuộc rất nhiều 
vào đặc điểm riêng của lưu chất
ƒ Nhiều phép đo phân tích cần sự phối hợp của 
nhiều phương pháp khác nhau 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
29
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
4.2 Thiết bị chấp hành
ƒ Thiết bị chấp hành (actuator system, final control element): 
thay đổi đại lượng điều khiển theo tín hiệu điều khiển, ví
dụ van điều khiển, máy bơm, quạt gió, hệ thống băng tải 
ƒ Phần tử điều khiển (control elemen ...  phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Bộ ₫ịnh vị van (Valve Positioner)
ƒ Vấn đề: van điều khiển thông thường có độ chính 
xác không cao (có thể sai số vị trí tới 5%) do:
— Dải chết (Deadband), độ trễ (Hysteresis)
— Ma sát thay đổi do bụi bẩn, thiếu bôi trơn và han gỉ
— Áp suất lưu chất thay đổi
— Đặc tính phi tuyến của cơ chế chấp hành
ƒ Bộ định vị: Sử dụng tín hiệu đo vị trí mở van thực 
và tác động tới cơ chế chấp hành để điều chỉnh độ
mở van chính xác hơn theo tín hiệu điều khiển
— Thực chất là một bộ điều khiển vòng trong, trong cấu trúc 
điều khiển tầng
— Thông thường chỉ sử dụng luật tỉ lệ với hệ số khuếch đại 
tương đối lớn (10-200)
— Có thể giảm sai số vị trí xuống tới 0.5%
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
53
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Khi nào nên sử dụng bộ ₫ịnh vị
ƒ Nên sử dụng khi:
— Cần độ chính xác cao hoặc tăng tốc độ tác động
— Động học của quá trình chậm hơn đáng kể so với của
van (hằng số thời gian lớn hơn 3 lần so với của van), ví
dụ quá trình phản ứng, quá trình nhiệt, quá trình trộn, 
...
ƒ Không nên sử dụng khi
— Quá trình tương đối nhanh (hằng số thời gian không lớn 
hơn 3 lần so với của van): bộ định vị có thể làm chậm và
giảm chất lượng điều khiển vòng ngoài
— Đã sử dụng một bộ điều khiển số tại chỗ (tích hợp với
van), bộ điều khiển số đã đóng vai trò định vị
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
54
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
4.3 Thiết bị ₫iều khiển
ƒ Control equipment: Thiết bị điều khiển, vd PLC, IPC, 
Digital Controller, DCS Controller,... 
ƒ Controller: Bộ điều khiển, có thể hiểu là
— Cả thiết bị điều khiển, hoặc 
— Chỉ riêng khối tính toán điều khiển, vd PI, PID, FLC, 
ON/OFF,...
Thiết bị điều khiển
X
ử
 l ý
 đ
ầ u
 v
à o
Thuật toán
điều khiển
Tín hiệu đo Tín hiệu 
điều khiển
Giá trị đặt/
Tín hiệu chủ đạo
X
ử
 l ý
 đ
ầ u
 r a
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
55
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
(Công nghiệp chế biến, khai thác)
ĐIỀU KHIỂN RỜI RẠC
(Công nghiệp chế tạo, lắp ráp)
Các bộ điều chỉnh cơ
Thiết bị điều chỉnh PID khí nén 
(1920-1930)
Điều khiển số trực tiếp 
(DDC, 1965-1975)
Bộ điều chỉnh số gọn
(CDC, 1980) 
Các thiết bị cơ khí
Thiết bị điều khiển 
khả trình (PLC, 1970)
Các mạch logic lập trình cứng 
(PLD, 1960)Thiết bị điều chỉnh PID điện tử
(1940-1950)
PC công nghiệp (IPC)
PC-104, CompactPCI, SBC
(PC-based Control)
Rơle điện – cơ,
(1920)
Hệ ĐKPT tích hợp
(DCS, 1975)
PLC mềm 
(Soft-PLC, 1996)
Hệ điều khiển lai
Hệ điều khiển trường (FCS, 2000) 
PC-based DCS
PLC-based DCS
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
56
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Cấu trúc các bộ ₫iều khiển phản hồi
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
57
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
4.3.1 Điều khiển hai vị trí
ƒ Còn gọi là điều khiển on/off, điều khiển “bang-bang”
ƒ Tín hiệu điều khiển chỉ có thể nhận một trong 2 giá trị
ƒ Là một bộ điều khiển phi tuyến tĩnh
0 e
u(t)
umin
umax min
max
, 0
( )
, 0
u e
u t
u e
<⎧⎪⎪= ⎨⎪ ≥⎪⎩
“ON”
“OFF”
Trường hợp lý tưởng
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
58
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Bộ ₫iều khiển hai vị trí thực
0 e
u(t)
umin
min
max
,
( ) ,
( ),
u e
u t u e
u t e
δ
δ
δ δ
⎧ +⎨⎪⎪⎪ − ≤ ≤ +⎪⎩
umax
ƒ Sử dụng dải chết (dead band) để khắc phục hiện
tượng “bang-bang”
ƒ Ưu điểm: Đơn giản, rẻ
ƒ Nhược điểm: Chất lượng thấp
dải chết
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
59
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
4.3.2 Bộ ₫iều khiển PID lý tưởng
ƒ Các luật điều chỉnh P, PI, PD và PID (gọi chung là 
PID) được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ
thống điều khiển quá trình
ƒ Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ
hiểu và dễ sử dụng đối với những người làm thực 
tế
ƒ Có rất nhiều phương pháp và công cụ mạnh hỗ
trợ chỉnh định các tham số của bộ điều chỉnh
ƒ Thuật toán PID thích hợp cho một phần lớn các 
quá trình công nghiệp.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
60
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Luật ₫iều chỉnh tỉ lệ (P)
ƒ Đơn giản, tác động nhanh
ƒ Khó tránh khỏi sai lệch tĩnh với đối tượng không có đặc tính
tích phân
ƒ Phù hợp nhất với các đối tượng quán tính-tích phân
umin
umax
e
u
e
u
Trường hợp lý tưởng Trường hợp thực tế
Khái niệm dải tỉ lệ
độ dịch (bias), giá
trị điều khiển tại
điểm làm việc
( ) ( )cu t u k e t= +
max min( )/ cPB u u k= −
u u
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
61
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Luật ₫iều chỉnh tỉ lệ-tích phân (PI)
ƒ Sử dụng phổ biến nhất (> 90%) trong các bộ PID
ƒ Tác động tích phân (thành phần I) giúp triệt tiêu sai lệch
tĩnh khi giá trị đặt thay đổi dạng bậc thang (tại sao? cho lớp
đối tượng nào?)
ƒ Thành phần tích phân làm xấu đi đặc tính động học của hệ
thống: tác động chậm, dễ dao động hơn và dễ mất ổn định
hơn (tại sao?)
ƒ Phù hợp nhất với các đối tượng quán tính (tại sao?)
0
1( ) ( ) ( )
t
c
i
u t u k e t e dτ ττ
⎞⎛ ⎟⎜= + + ⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠∫
( ) 1( ) 1( )PI c i
u sK s ke s sτ
⎛ ⎞⎟⎜= = + ⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
62
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Đặc tính tần số của khâu PI
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
63
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Luật tỉ lệ-vi tích phân (PID)
ƒ Thành phần D cải thiện tốc độ đáp ứng và giúp ổn định
một số quá trình dao động (không tắt dần)
ƒ Thành phần D nhạy cảm với nhiễu đo
ƒ Thành phần D nhạy cảm với thay đổi giá trị đặt
=> thuật toán cải tiến:
( )1( ) ( ) ( ) d
i
dy tu t K e t e t dt TT dt
⎞⎛ ⎟⎜= + − ⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠∫
0
1 ( )( ) ( ) ( )
t
c d
i
de tu t u k e t e d dtτ τ ττ
⎛ ⎞⎟⎜= + + + ⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠∫
( ) 1( ) 1( )PID c di
u sK s k se s s ττ
⎛ ⎞⎟⎜= = + + ⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
64
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Đặc tính tần số của khâu PID
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
65
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Ba dạng biểu diễn luật PID
ƒ Dạng chuẩn:
ƒ Dạng song song
ƒ Dạng nối tiếp
0
1 ( )( ) ( ) ( )
t
c d
i
de tu t u k e t e d dtτ τ ττ
⎛ ⎞⎟⎜= + + + ⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠∫
( ) 1( ) 1( )PID c di
u sK s k se s s ττ
⎛ ⎞⎟⎜= = + + ⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠
0
( )( ) ( ) ( )
t
p i d
de tu t u k e t k e d k dtτ τ= + + +∫
2
( ) i p diPID p d
k k s k skK s k k ss s
+ +
= + + =
( )1( ) 1 1PID c d
i
K s k s
s
ττ
⎛ ⎞⎟⎜′ ′= + +⎟⎜ ⎟⎜ ′⎝ ⎠
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
66
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
67
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
4.3.3 Bộ ₫iều khiển PID thực
ƒ Thuật toán xấp xỉ khâu vi phân
ƒ Chống bão hòa tích phân
ƒ Bộ điều khiển hai bậc tự do
ƒ Thuật toán số
ƒ Chuyển chế độ Auto-Manual
ƒ Lọc nhiễu
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
68
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Xấp xỉ khâu vi phân
ƒ Khâu vi phân lý tưởng không thực hiện được bởi không có
tính nhân quả
ƒ Thuật toán xấp xỉ thông dụng
— N trở thành một tham số của bộ PID (N tăng sẽ làm tăng tác
động vi phân)
— Thông thường N được chọn trong khoảng từ 3 — 30
ƒ Sử dụng trọng số giá trị đặt (để tránh nhạy cảm với thay đổi 
giá trị đặt)
( ) ( ( ) ( ))
1
d
d c
d
su s k r s y ss
N
τ
τ= −+
( ) ( ( ) ( ))
1
d
d c
d
su s k cr s y ss
N
τ
τ= −+
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
69
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Hiện tượng bão hòa tích phân
(reset windup)
ƒ Hiện tượng đầu ra của bộ điều chỉnh vẫn tiếp tục tăng quá
mức giới hạn khi sai lệch điều khiển đã trở về không. 
ƒ Windup có thể xảy ra khi:
— bộ điều khiển có chứa thành phần tích phân và
— tín hiệu điều khiển bị hạn chế
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
70
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
71
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Các biện pháp khắc phục (Antiwindup)
1. Cắt bỏ thành phần tích phân khi giá trị được điều khiển
đạt tới giá trị đặt, loại trừ hoàn toàn hiện tượng windup.
2. Giảm hệ số khuếch đại để đầu ra của bộ điều chỉnh nằm
trong giới hạn cho phép, tránh việc xảy ra hiện tượng
windup.
3. Theo dõi giá trị thực của tín hiệu điều khiển bị giới hạn và
phản hồi về bộ điều chỉnh để giảm thành phần tích phân, 
hạn chế windup.
4. Đặt một khâu giới hạn tại đầu ra của bộ điều chỉnh PID để
mô phỏng đặc tính phi tuyến của phần tử chấp hành, sử
dụng thuật toán bù giống như trong phương pháp 3.
1+ ( )i c b
i t
du k e u udt τ τ= −
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
72
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Chống bão hòa tích phân
1+ ( )i c b
i t
du k e u udt τ τ= −
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
73
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Bộ ĐK 2 bậc tự do - trọng số giá trị ₫ặt
ƒ Bộ điều chỉnh hai
bậc tự do
ƒ b có vai trò làm
mềm quá trình quá
độ
1( 1) 1+ ( )1 /
1 ( ) ( )1 /
d
c c
i d
d
c
i d
su k b r k r ys s N
sk br y r y r ys s N
τ
τ τ
τ
τ τ
⎛ ⎞⎟⎜= − + + −⎟⎜ ⎟⎜⎝ + ⎠
⎛ ⎞⎟⎜= − + − + − ⎟⎜ ⎟⎜⎝ + ⎠
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
74
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Cấu trúc bộ PID thực theo chuẩn ISA
1 ( ) ( )1 /
d
c
i d
su k br y r y cr ys s N
τ
τ τ
⎛ ⎞⎟⎜= − + − + − ⎟⎜ ⎟⎜⎝ + ⎠
1( ) 1 1 /
d
c
i d
sK s k s s N
τ
τ τ
⎛ ⎞⎟⎜= + + ⎟⎜ ⎟⎜⎝ + ⎠
( )
( ) ( )
( ) ( )
2
2
1
1 1 1
i d i d
i d i d
b N s c b N sP s
N s N s
τ τ τ τ
τ τ τ τ
+ + + +
=
+ + + +
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
75
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Lưu ý về bộ PID theo chuẩn ISA
ƒ Cấu trúc theo chuẩn ISA tương đương với cấu trúc minh họa 
trên Hình 6-28 trong trường hợp c = 1.
ƒ K(s) là chính là hàm truyền đạt của bộ PID thực một bậc tự 
do. Do đó các tham số có thể được chỉnh định bằng nhiều 
phương pháp đã được nghiên cứu.
ƒ P(s) đóng vai trò như một khâu lọc trước giúp mềm hóa đáp 
ứng quá độ với giá trị đặt. 
— Nếu N đã được đặt cố định sau khi chỉnh định K(s) thì b và
c chỉ có thể thay đổi được các điểm không của P(s). 
— Khi K(s) đã được chỉnh định tốt cho mục đích ổn định hệ
thống và đáp ứng với nhiễu, ta có thể chỉnh định các tham 
số b và c để cải thiện chất lượng đáp ứng với giá trị đặt.
ƒ Khi b = 1 và c = 1, P(s) trở thành một khâu khuếch đại đơn vị.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
76
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Thuật toán PID số
ƒ Thành phần tỉ lệ: 
ƒ Xấp xỉ thành phần tích phân (T là chu kỳ trích mẫu)
Hoặc
ƒ Xấp xỉ thành phần vi phân đã cải tiến:
ƒ Thuật toán điều khiển: 
( ) ( ) ( )d u t u t e t T
dt T
− −≈
0
( ) ( ) ( ) ( )
tc c
i i
i i
k k Tu t e d u t T e tτ ττ τ= ≈ − +∫
( )( ) ( ) ( ) ( )2
c
i i
i
k Tu t u t T e t e t Tt≈ − + + −
d d
d c d
du dyu kN dt dt
τ τ+ = −
( ) ( ) ( ) ( )( )d c dd d
d d
k Nu t u t T y t y t TNT NT
τ τ
τ τ= − − − −+ +
( ) ( ) ( )( )p cu t k br t y t= −
( ) ( ) ( ) ( )p i du t u u t u t u t= + + +
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
77
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Chuyển chế ₫ộ AutoÙManual
ƒ Vấn đề: Khi chuyển từ chế độ bằng tay sang tự
động hoặc ngược lại, tín hiệu điều khiển thay
đổi lớn sẽ gây dao động mạnh
=> yêu cầu “bumpless transfer”
ƒ Trong khi vận hành bằng tay, cho bộ điều khiển 
PID làm việc nhưng ở chế độ bám (tracking 
mode), cập nhật trạng thái của bộ điều khiển
=> kết quả tính toán tự động sẽ xấp xỉ giá trị 
đưa bằng tay và chuyển từ chế độ M sang chế 
độ A sẽ diễn ra hoàn toàn trơn tru.
ƒ Trước khi chuyển từ chế độ A sang chế độ M, 
đặt giá trị đưa bằng tay đúng bằng tín hiệu điều 
khiển hiện tại.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
78
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Lọc nhiễu ₫o (lọc số)
ƒ Lọc nhiễu giảm ảnh hưởng của nhiễu đo bằng
cách lấy giá trị trung bình xấp xỉ
ƒ Đặc tính động học của khâu lọc nhiễu cần được
quan tâm trong vòng điều chỉnh
ƒ Sử dụng khâu lọc chỉ như cần thiết bằng cách
thay đổi hệ số f (0-1)
( ) ( ) (1 ) ( )f fy t f y t f y t h= + − −
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
79
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Minh họa ₫ặc tính ₫áp ứng của hệ hở với
khâu lọc
0 20 40 60 80 100
Time (seconds)
F
i
l
t
e
r
e
d
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
e
f=0.2
f=0.1
f=0.3
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
80
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Đặc tính ₫iều khiển khi không có khâu lọc
Time
Manipulated Variable
Product Temperature
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
81
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 4: Đặc tính các thành phần cơ bản của hệ thống © 2006 - HMS
Đặc tính ₫iều khiển khi có khâu lọc
Time
Manipulated Variable
Product Temperature
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt