Điều khiển Tầng (Cascade Control)

Một hệ thống điều khiển tầng cơ bản bao gồm hai vòng điều khiển lồng vào nhau, thường được gọi là vòng trong và vòng ngoài, với các thành phần chính sau:

Biến quá trình chính (Primary Process Variable – PV1): Đây là biến số cuối cùng cần được kiểm soát và duy trì ở giá trị mong muốn. Đây là biến số chính của toàn bộ hệ thống (ví dụ: nhiệt độ của lò phản ứng).
Bộ điều khiển chính (Primary/Master Controller): Thường là một bộ điều khiển PID, hoạt động trong vòng điều khiển ngoài (Outer Loop). Nó so sánh giá trị đặt chính (Master Setpoint) với giá trị đo được của biến quá trình chính (PV1) và tính toán một đầu ra. Đầu ra của bộ điều khiển này không tác động trực tiếp lên cơ cấu chấp hành mà sẽ trở thành giá trị đặt (Setpoint) cho bộ điều khiển phụ.
Biến quá trình phụ (Secondary Process Variable – PV2): Là một biến trung gian có ảnh hưởng trực tiếp và nhanh chóng đến biến quá trình chính. Việc chọn biến phụ phù hợp là rất quan trọng; nó phải đáp ứng nhanh hơn với những thay đổi của cơ cấu chấp hành so với biến chính và là nơi các nhiễu loạn chính thường tác động vào đầu tiên (ví dụ: lưu lượng dòng chất lỏng vào lò phản ứng).
Bộ điều khiển phụ (Secondary/Slave Controller): Hoạt động trong vòng điều khiển trong (Inner Loop). Nó nhận giá trị đặt từ đầu ra của bộ điều khiển chính, so sánh nó với giá trị đo được của biến quá trình phụ (PV2) và tạo ra tín hiệu điều khiển trực tiếp tới cơ cấu chấp hành.
Phần tử điều khiển cuối (Final Control Element): Thiết bị thực hiện hành động điều khiển vật lý như van, máy bơm, bộ gia nhiệt. Nó được điều khiển bởi bộ điều khiển phụ.

Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động

Luồng tín hiệu trong hệ thống điều khiển tầng hoạt động như sau: Bộ điều khiển chính (vòng ngoài) xác định xem cần bao nhiêu giá trị của biến phụ để giữ cho biến chính ở điểm đặt. Nó gửi yêu cầu này dưới dạng một điểm đặt tới bộ điều khiển phụ. Bộ điều khiển phụ (vòng trong) sau đó điều khiển cơ cấu chấp hành để đảm bảo biến phụ đạt được điểm đặt mà bộ điều khiển chính yêu cầu. Vòng trong hoạt động nhanh hơn nhiều so với vòng ngoài, cho phép nó xử lý các nhiễu loạn ảnh hưởng đến biến phụ một cách nhanh chóng trước khi chúng có thể gây ra sai lệch đáng kể cho biến chính.

Ví dụ: Điều khiển nhiệt độ lò phản ứng

Xét một hệ thống điều khiển nhiệt độ cho một lò phản ứng hóa học được gia nhiệt bằng hơi nước:

Biến quá trình chính (PV1): Nhiệt độ của sản phẩm bên trong lò phản ứng.
Bộ điều khiển chính: Bộ điều khiển nhiệt độ (vòng ngoài), đặt ra yêu cầu về lưu lượng hơi cần thiết.
Biến quá trình phụ (PV2): Lưu lượng hơi nước vào vỏ gia nhiệt của lò.
Bộ điều khiển phụ: Bộ điều khiển lưu lượng (vòng trong), điều chỉnh độ mở của van hơi.
Phần tử điều khiển cuối: Van điều khiển trên đường ống cấp hơi.

Trong ví dụ này, nếu áp suất của nguồn cung cấp hơi (một nhiễu loạn phổ biến) đột ngột giảm, nó sẽ ngay lập tức làm giảm lưu lượng hơi vào lò. Bộ điều khiển lưu lượng (phụ) sẽ phát hiện sự thay đổi này và nhanh chóng mở van thêm để bù lại, duy trì lưu lượng hơi theo yêu cầu của bộ điều khiển nhiệt độ (chính). Nhờ đó, nhiễu loạn về áp suất hơi được xử lý ở vòng trong trước khi nó kịp gây ra sự sụt giảm đáng kể về nhiệt độ trong lò, giúp hệ thống hoạt động ổn định và chính xác hơn nhiều so với việc chỉ sử dụng một vòng điều khiển nhiệt độ duy nhất.

Tóm tắt về Điều khiển Tầng

Điều khiển tầng (Cascade Control) là một kỹ thuật điều khiển nâng cao sử dụng hai hoặc nhiều vòng điều khiển lồng vào nhau để cải thiện chất lượng điều khiển. Đầu ra của bộ điều khiển chính (master) được sử dụng làm giá trị đặt (setpoint) cho bộ điều khiển phụ (slave). Điều này cho phép hệ thống phản ứng nhanh hơn với nhiễu và cải thiện đáp ứng với các thay đổi giá trị đặt.

Điểm mấu chốt là bộ điều khiển phụ xử lý các nhiễu tác động vào vòng trong (inner loop) trước khi chúng ảnh hưởng đến biến quá trình chính. Điều này giảm thiểu độ vọt lố, thời gian xác lập và tăng cường độ ổn định của hệ thống. Vòng điều khiển phụ phải nhanh hơn đáng kể so với vòng điều khiển chính; thường thì hằng số thời gian của vòng phụ phải nhỏ hơn ít nhất 1/4 so với vòng chính.

Việc lựa chọn biến quá trình phụ rất quan trọng. Biến này phải có mối quan hệ trực tiếp và nhanh chóng với biến quá trình chính và bị ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiễu. Điều chỉnh (tuning) bộ điều khiển thường bắt đầu từ bộ điều khiển phụ, sau đó mới đến bộ điều khiển chính. Mặc dù phức tạp hơn so với điều khiển vòng đơn, điều khiển tầng mang lại hiệu suất vượt trội trong các ứng dụng có nhiễu đáng kể và yêu cầu độ chính xác cao.

Tài liệu tham khảo:

Bequette, B. W. (2003). Process Control: Modeling, Design, and Simulation. Prentice Hall.
Ogunnaike, B. A., & Ray, W. H. (1994). Process Dynamics, Modeling, and Control. Oxford University Press.
Seborg, D. E., Edgar, T. F., Mellichamp, D. A., & Doyle III, F. J. (2016). Process Dynamics and Control. John Wiley & Sons.
Luyben, W. L. (1990). Process Modeling, Simulation, and Control for Chemical Engineers. McGraw-Hill.
Stephanopoulos, G. (1984). Chemical Process Control: An Introduction to Theory and Practice. Prentice Hall.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu hỏi: Làm thế nào để xác định được biến quá trình phụ (secondary process variable) phù hợp trong một hệ thống điều khiển tầng?Trả lời: Biến quá trình phụ phải thỏa mãn các tiêu chí sau: (1) Có mối quan hệ động học trực tiếp và nhanh chóng với biến quá trình chính (primary process variable). Nghĩa là, sự thay đổi của biến phụ sẽ gây ra sự thay đổi nhanh chóng và có thể dự đoán được của biến chính. (2) Biến phụ phải bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các nhiễu mà ta muốn loại bỏ. (3) Việc đo lường biến phụ phải khả thi và tin cậy. (4) Thời gian trễ và hằng số thời gian của vòng điều khiển phụ phải nhỏ hơn đáng kể so với vòng điều khiển chính.
Câu hỏi: Nếu nhiễu tác động trực tiếp vào biến quá trình chính (primary process variable) chứ không phải biến quá trình phụ, liệu điều khiển tầng có còn hiệu quả không?Trả lời: Trong trường hợp này, hiệu quả của điều khiển tầng sẽ giảm đi đáng kể. Mục đích chính của điều khiển tầng là để bộ điều khiển phụ xử lý nhiễu trước khi nó ảnh hưởng đến biến quá trình chính. Nếu nhiễu tác động trực tiếp vào biến chính, bộ điều khiển phụ sẽ không có cơ hội “sửa chữa” trước. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, điều khiển tầng vẫn có thể mang lại một số lợi ích nhất định (ví dụ: cải thiện đáp ứng với thay đổi giá trị đặt), nhưng không hiệu quả bằng so với trường hợp nhiễu tác động vào biến phụ.
Câu hỏi: Sự khác biệt chính giữa điều khiển tầng (cascade control) và điều khiển tỉ lệ (ratio control) là gì?Trả lời: Điều khiển tầng và điều khiển tỉ lệ đều sử dụng hai bộ điều khiển, nhưng mục đích và cấu trúc khác nhau. Trong điều khiển tầng, đầu ra của bộ điều khiển chính được dùng làm giá trị đặt cho bộ điều khiển phụ. Mục đích là để cải thiện chất lượng điều khiển của biến quá trình chính. Trong điều khiển tỉ lệ, đầu ra của một bộ điều khiển (hoặc một tín hiệu đo lường) được nhân với một hệ số tỉ lệ (ratio), và kết quả được dùng làm giá trị đặt cho bộ điều khiển khác. Mục đích là để duy trì tỉ lệ giữa hai biến (ví dụ: tỉ lệ giữa hai dòng chất lỏng).
Câu hỏi: Làm thế nào để điều chỉnh (tune) các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển tầng?Trả lời: Việc điều chỉnh thường được thực hiện theo trình tự: (1) Điều chỉnh bộ điều khiển phụ trước. Bắt đầu bằng việc tắt bộ điều khiển chính (chuyển sang chế độ manual) và điều chỉnh bộ điều khiển phụ như một vòng điều khiển đơn. Có thể sử dụng các phương pháp như Ziegler-Nichols. (2) Điều chỉnh bộ điều khiển chính. Sau khi bộ điều khiển phụ đã hoạt động tốt, bật bộ điều khiển chính (chuyển sang chế độ cascade) và điều chỉnh. Thường thì hằng số thời gian của bộ điều khiển chính phải lớn hơn đáng kể so với bộ điều khiển phụ. (3) Kiểm tra và tinh chỉnh. Theo dõi đáp ứng của hệ thống và tinh chỉnh các thông số nếu cần.
Câu hỏi: Phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các biến trong hệ điều khiển hai tầng, sử dụng 2 bộ điều khiển PID lần lượt là (u_m(t)) và (u_s(t)) sẽ như thế nào (xét trên miền thời gian t)?Trả Lời:
- Bộ điều khiển chính (PID): ( um(t) = K{p,m}em(t) + K{i,m} int_0^t em(tau)dtau + K{d,m} frac{de_m(t)}{dt} )
Trong đó:
- (u_m(t)): Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển chính tại thời điểm t.
- (e_m(t)): Sai lệch giữa giá trị đặt của biến quá trình chính và giá trị đo được của biến quá trình chính tại thời điểm t. ( e_m(t) = SP_m(t) – PV_m(t)).
- (K{p,m}, K{i,m}, K_{d,m}): Các hệ số tỉ lệ, tích phân và vi phân của bộ điều khiển chính.
- Bộ điều khiển phụ (PID): (us(t) = K{p,s}es(t) + K{i,s} int_0^t es(tau)dtau + K{d,s} frac{de_s(t)}{dt})
Trong đó:
- (u_s(t)): Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển phụ (tín hiệu điều khiển cuối cùng) tại thời điểm t.
- (e_s(t)): Sai lệch giữa giá trị đặt của biến quá trình phụ và giá trị đo được của biến quá trình phụ tại thời điểm t. Quan trọng: Giá trị đặt của biến quá trình phụ chính là đầu ra của bộ điều khiển chính: (e_s(t) = u_m(t) – PV_s(t)).
- (K{p,s}, K{i,s}, K_{d,s}): Các hệ số tỉ lệ, tích phân, và vi phân của bộ điều khiển phụ.
Mối quan hệ được thể hiện qua việc (u_m(t)) (đầu ra bộ điều khiển chính) trở thành giá trị đặt cho bộ điều khiển phụ.

Một số điều thú vị về Điều khiển Tầng

Không phải lúc nào cũng chỉ có hai tầng: Mặc dù cấu trúc hai tầng là phổ biến nhất, hệ thống điều khiển tầng có thể có nhiều hơn hai tầng lồng vào nhau, tạo thành cấu trúc “kim tự tháp” điều khiển. Điều này thường thấy trong các quy trình công nghiệp rất phức tạp.
Điều khiển tầng có thể “ẩn”: Đôi khi, điều khiển tầng được tích hợp sẵn trong các thiết bị hoặc hệ thống điều khiển mà người dùng không hề hay biết. Ví dụ, một bộ điều khiển nhiệt độ có thể đã bao gồm vòng điều khiển lưu lượng bên trong để cải thiện hiệu suất.
Điều khiển tầng có từ rất sớm: Ý tưởng về điều khiển tầng đã xuất hiện từ những năm 1930, trước cả khi có máy tính và bộ điều khiển số. Các bộ điều khiển thời đó sử dụng cơ cấu khí nén hoặc cơ điện.
Điều khiển tầng không chỉ dùng trong công nghiệp: Mặc dù phổ biến trong các quy trình công nghiệp, nguyên tắc điều khiển tầng cũng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác, ví dụ như điều khiển động cơ, điều khiển robot, và thậm chí trong một số hệ thống sinh học (ví dụ: điều hòa thân nhiệt).
“Tầng” không có nghĩa là vật lý: Khái niệm “tầng” trong điều khiển tầng không nhất thiết liên quan đến vị trí vật lý. Nó chỉ mô tả mối quan hệ logic giữa các vòng điều khiển, trong đó đầu ra của vòng này là đầu vào của vòng kia.
Bộ điều khiển phụ thường đơn giản hơn: Trong nhiều trường hợp, bộ điều khiển phụ chỉ cần là bộ điều khiển tỉ lệ (P) hoặc tỉ lệ – tích phân (PI) là đủ, trong khi bộ điều khiển chính thường phức tạp hơn (ví dụ PID).
Điều khiển tầng đôi khi bị nhầm lẫn với các kỹ thuật khác: Đôi khi, người ta nhầm lẫn điều khiển tầng với các kỹ thuật điều khiển khác như điều khiển tỉ lệ (ratio control) hay điều khiển lựa chọn (override/selector control). Mặc dù có một số điểm tương đồng, đây là các kỹ thuật khác nhau.