Giáo trình điều khiển các quá trình công nghệ

Điều khiển quá trình công nghệ là lĩnh vực ứng dụng lý thuyết và kỹ thuật điều khiển cho các bài toán của quá trình công nghệ, điển hình đó là các công nghệ chế biến, trong đó liên quan đến các vấn đề biến đổi tính chất hóa lý của nguyên nhiên liệu để tạo ra sản phẩm. Điều khiển quá trình công nghệ là bài toán kiểm soát sự biến đổi khối lượng năng lượng và thành phần của nguyên nhiên liệu để tạo thành sản phẩm. Ngày nay điều khiển các quá trình công nghệ sản xuất đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc nâng cao năng suất, chất lượng và giảm thiểu sử dụng nhân công lao động, bất cứ một nhà máy sản xuất công nghiệp nào cũng sẽ không thể hoạt động được nếu thiếu hệ thống điều khiển bên trong nó.

Để giúp cho sinh viên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa nắm được các kiến thức quan trọng của một bài toán điều khiển quá trình giáo trình này đề cập đến các vấn đề quan trọng như: Các phần tử cơ bản, sơ đồ chức năng lưu đồ công nghệ của hệ thống điều khiển quá trình công nghệ; Các mô hình của một số quá trình cơ bản được xây dựng trên các định luật bảo toàn khối lượng, năng lượng và thành phần; Cách xây dựng mô hình tuyến tính tại điểm làm việc của một quá trình phục vụ cho bài toán thiết kế hệ thống điều khiển. Từ đó đi đến áp dụng các sách lược điều khiển cần thiết cho hệ thống như: điều khiển phản hồi, điều khiển truyền thẳng, điều khiển tỷ lệ, điều khiển tầng, điều khiển lấn át và lựa chọn cũng như và cách thiết kế các bộ điều khiển phục vụ cho các sách lược điều khiển đó. Để dễ dàng tiếp cận hơn, giáo trình giới thiệu điều khiển quá trình cho một số bài toán điển hình như: điều khiển quá trình nồi hơi, điều khiển quá trình sản xuất giấy, điều khiển quá trình gia công đầu mỏ và điều khiển quá trình sản xuất xi măng. Đối với mỗi một quá trình, giáo trình lựa chọn một số bài toán điều khiển tiêu biểu để áp dụng, từ xây dựng mô hình phi tuyến dựa trên các định luật bảo toàn, tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc cân bằng và sau đó là lựa chọn sách lược điều khiển và thiết kế các bộ điều khiển. Các bài toán thiết kế trên được minh họa bằng rất nhiều ví dụ, các ví dụ được thực hiện mô phỏng bằng Matlab/Simulink bằng các đoạn code, sinh viên có thể tự thực hiện lại được khi làm các bài tập cuối mỗi chương và khi tự học, các công cụ thiết kế có sẵn trong Matlab cũng được giới thiệu giúp sinh viên thuận tiện hơn trong

quá trình thiết kế và mô phỏng. Với các nội dung như trên giáo trình bố cục gồm 07 chương đó là

Chương 1 trình bày khái niệm về điều khiển tự động quá trình công nghệ, về mô tả chức năng hệ thống bằng lưu đồ công nghệ, lưu đồ P&ID và sơ đồ chức năng của hệ thống.

Chương 2 có nội dung về xây dựng mô hình của quá trình từ thiết lập mô hình dựa trên các định luật vật lý, các định luật bảo toàn. Cách tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc để nhận được mô hình tuyến tính của quá trình nhằm phục vụ cho bài toán thiết kế sách lược điều khiển và bộ điều khiển(đây là vẫn đề sinh viên khá lúng túng khi thực hiện). Cuối chương là một số mô hình cơ bản bao gồm mô hình của quá trình bồn chứa, mô hình truyền nhiệt, mô hình khuấy trộn v.v. Các mô hình này đều được xây dựng từ mô hình vi phân đến mô hình tuyến tính thông qua các ví dụ và các kết quả thực hiện bằng cách viết code trên Matlab và Simulink.

Chương 3 nói về một số sách lược điều khiển cơ bản như điều khiển phản hồi, điều khiển truyền thẳng, điều khiển tỷ lệ, điều khiển tầng điều khiển phân vùng điều khiển lấn át và lựa chọn. Mỗi sách lược điều khiển đều có ví dụ minh họa.

Chương 4 trình bày về điều khiển quá trình nồi hơi, từ xây dựng mô hình đến các bài toán điều khiển tiêu biểu như điều khiển áp suất lò, điều khiển áp suất và mức trong bao hơi, điều khiển lưu lượng nhiên liệu và không khí.

Nội dung chương 5 là về điều khiển quá trình sản xuất giấy trong đó bài toán tiêu biểu là điều khiển độ ẩm của giấy thông qua các bài toán điều khiển áp suất hơi trong lò sấy và điều khiển lượng khí thổi vào buồng sấy.

Chương 6 có nội dung tập trung về các bài toán xây dựng mô hình và điều khiển cho tháp chưng cất bao gồm: điều khiển áp suất trong tháp, điều khiển mức trong tháp và điều khiển cho dòng nạp nguyên liệu vào tháp. Sách lược điều khiển hệ MIMO được áp dụng thông qua bài toán điều khiển tách kênh cho mô hình tháp chưng cất.

Chương 7 trình bày về một số bài toán điều khiển điển hình trong quá trình sản xuất xi măng đó là bài toán điều khiển tỷ lệ phối liệu và tổng liệu, điều khiển quá trình nghiên nguyên liệu và điều khiển lò nung Clinke.

Trong quá trình biên soạn giáo trình tác giả nhận được nhiều sự đóng góp và giúp đỡ từ phía Bộ môn Đo lường Điều khiển, Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và gia đình, tác giả xin gửi tới họ lời cảm ơn chân thành. Giáo trình vẫn sẽ có những hạn chế nhất định về mặt nội dung cũng như hình thức trong lần xuất bản này, tác giả mong muốn nhận được sự góp ý của các bạn đồng nghiệp và sinh viên để tiếp tục bổ sung và hoàn thiện.

Mọi góp ý xin được gửi tới:

TS. Nguyễn Văn Chí

Bộ môn Đo lường Điều khiển, Khoa Điện tử

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Email: [email protected]

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2016