Điều khiển quá trình hóa học phi tuyến MISO sử dụng thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình MPC

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.1, 2019<br /> <br /> 31<br /> <br /> ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH HÓA HỌC PHI TUYẾN MISO SỬ DỤNG<br /> THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THEO MÔ HÌNH MPC<br /> CONTROL THE MISO NONLINEAR CHEMICAL PROCESS USING MPC<br /> Nguyễn Quốc Định<br /> Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; nqdinh@dut.udn.vn<br /> Tóm tắt - Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu việc sử dụng thuật<br /> toán điều khiển dự báo mô hình MPC (Model Predictive Control)<br /> điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục (CSTR - Continuous<br /> Stirred-Tank Reactor) với cấu hình 2 ngõ vào - 1 ngõ ra, đây là hệ<br /> phi tuyến MISO (Muilti Inputs Single Output). Trong đó, 2 đầu vào là<br /> nồng độ chất hóa chất CA0 đầu vào và nhiệt độ cung cấp cho jacket<br /> Tj, còn 1 đầu ra là nồng độ hóa chất sau phản ứng CA. Bài báo đề<br /> xuất thuật toán điều khiển dự báo mô hình MPC phù hợp với đối<br /> tượng CSTR 2 vào – 1 ra được nghiên cứu, sau đó tiến hành viết<br /> mfile thể hiện thuật toán. Kết quả mô phỏng trên Matlab – Simulink<br /> chứng minh được tính ưu việt của bộ điều khiển dự báo mô hình<br /> MPC trong trường hợp này.<br /> <br /> Abstract - This paper presents research results of using Model<br /> Predictive Control(MPC) algorithm to control the Continuous<br /> Stirred-Tank Reactor (CSTR) with 2 inputs and 1 output. This is a<br /> nonlinear Multi-Input-Single-Output (MISO) system in which, the<br /> two inputs are the input chemical concentration CA0 and the<br /> jacket temperature Tj; the only one output is the output chemical<br /> concentration CA0. This paper also proposes a Model Predictive<br /> Control(MPC) algorithm which is suitable with the studied CSTR;<br /> after that, we code in mfile for Matlab software. The simulation<br /> results of using MATLAB – SIMULINK software have proved the<br /> advantages of the adaptive neural-fuzzy system in this case<br /> study.<br /> <br /> Từ khóa - Điều khiển dự báo mô hình; thiết bị phản ứng khuấy<br /> trộn liên tục; hệ nhiều vào – một ra MISO.<br /> <br /> Key words - Model Predictive ControlMPC; continuous StirredTank Reactor CSTR; Multi-Input-Single-Output (MISO) system.<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Hiện nay, lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa<br /> đã phát triển mạnh mẽ, các bộ điều khiển được xây dựng<br /> để điều khiển cho các đối tượng khác nhau, có thể đối<br /> tượng là tuyến tính, có thể là những quá trình phi tuyến,…<br /> Do đó, cần phải tìm kiếm các thuật toán điều khiển để đáp<br /> ứng nhu cầu thực tế này. Ngoài việc sử dụng các bộ điều<br /> khiển kinh điển như PID [4], các bộ điều khiển thông<br /> minh với sự trợ giúp của trí tuệ nhân tạo [5], thì việc sử<br /> dụng thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình MPC<br /> nhằm tạo ra một công cụ mạnh giải quyết các quá trình<br /> hóa học phi tuyến biến đổi chậm như quá trình phản ứng<br /> hóa học của lò phản ứng khuấy trộn liên tục, được xem là<br /> phương án khả thi trong trường hợp này [2], [3].<br /> <br /> CA và nhiệt độ T. Vỏ lò được gọi là jacket chứa môi chất<br /> gia nhiệt (làm lạnh đối với phản ứng phát nhiệt hoặc làm<br /> nóng đối với phản ứng thu nhiệt). Do đó ta cần điều khiển<br /> nhiệt độ trong jacket bằng cách thay đổi lưu lượng nhiệt<br /> bơm vào Jacket, tức là thay đổi năng lượng nhiệt Q.<br /> Thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục trên là một hệ phi<br /> tuyến MISO với 2 ngõ vào và 1 ngõ ra. Trong đó, 2 đầu vào<br /> là nồng độ chất hóa chất CA0 và nhiệt độ cung cấp cho jacket<br /> Tj. Nhiệt độ truyền trong quá trình là nhiệt độ lò T (có nhiệt<br /> độ lò thì sẽ có nồng độ hóa chất sau phản ứng CA).<br /> <br /> 2. Mô hình đối tượng CSTR được nghiên cứu<br /> <br /> 3. Xây dựng mô hình đối tượng trên Matlab-Simulink<br /> * Phương trình cân bằng mol:<br /> dC A<br /> V<br /> = F0C A0 − F2C A − VC A e− E / RT<br /> (2.1)<br /> dt<br /> * Phương trình cân bằng năng lượng:<br /> V Cr<br /> <br /> dT<br /> = Cr FT<br /> 1 i −  Cr F2T + ( −H RVk1 C A ) + KT (T − T j 2 )<br /> dt<br /> <br /> (2.2)<br /> <br /> * Phương trình cân bằng nhiệt jacket:<br /> V j  j Crj<br /> <br /> dT j<br /> dt<br /> <br /> =  j Crj Fj (T j1 − T j 2 ) − KT (T − T j 2 )<br /> <br /> (2.3)<br /> <br /> Từ 3 phương trình cân bằng trên, ta xây dựng mô hình<br /> Matlab - Simulink cho đối tượng điều khiển CSTR được<br /> nghiên cứu như Bảng 1, Hình 2.<br /> Bảng 1. Các thông số của CSTR nghiên cứu [1]<br /> Stt<br /> <br /> Các đại lượng<br /> <br /> Giá trị<br /> <br /> Hình 1. Lò phản ứng khuấy trộn liên tục<br /> <br /> 1<br /> <br /> Thể tích dung dịch phản ứng V<br /> <br /> Đại diện cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục như Hình 1<br /> bao gồm bình chứa dung dịch phản ứng có thể tích V,<br /> cánh khuấy dùng để khuấy trộn dung dịch phản ứng được<br /> truyền động bởi động cơ điện. Van điều khiển cung cấp<br /> lưu lượng dung dịch phản ứng F A cấp vào bình, CA0 là<br /> nồng độ dung dịch đầu vào với nhiệt độ T 0. Sau khi phản<br /> ứng sẽ cho sản phẩm ở đầu ra với lưu lượng ra F, nồng độ<br /> <br /> 2<br /> <br /> Diện tích đáy thiết bị S<br /> <br /> 0,00635 m2<br /> <br /> 3<br /> <br /> Nồng độ dung dịch của nguyên liệu<br /> (đầu vào) CA0<br /> <br /> 0,5 mol/l =<br /> 51 kg/m3<br /> <br /> 4<br /> <br /> Nồng độ dung dịch của sản phẩm<br /> (đầu ra) CA<br /> <br /> 0,047 mol/l =<br /> 4,794 kg/m3<br /> <br /> 5<br /> <br /> Hệ số tốc độ phản ứng tại nhiệt độ<br /> 313 0K là k<br /> <br /> 0,00791 s-1<br /> <br /> 0,508.10-3 m3<br /> <br /> Nguyễn Quốc Định<br /> <br /> 32<br /> <br /> 6<br /> <br /> Diện tích truyền nhiệt A<br /> <br /> 7<br /> <br /> Mức dung dịch trong thiết bị phản ứng H<br /> <br /> 8<br /> <br /> Năng lượng phản ứng E<br /> <br /> 9<br /> <br /> Hằng số chất khí lý tưởng R<br /> <br /> 0,029 m2<br /> 0,08 m<br /> 53408 J/mol<br /> 8,314 J/mol.K<br /> <br /> 10 Nhiệt của phản ứng H<br /> <br /> 142000 J/kg<br /> <br /> 11 Nhiệt dung riêng của chất phản ứng Cp<br /> <br /> 4200 J/kg.K<br /> <br /> 12 Khối lượng riêng môi chất phản ứng <br /> <br /> 1000 kg/m3<br /> <br /> 13 Nhiệt độ phản ứng T<br /> <br /> 313 0K<br /> <br /> 14 Nhiệt độ dung dịch đầu vào TA<br /> <br /> 278 0K<br /> <br /> 15 Nhiệt dung riêng dung dịch gia nhiệt Cpj<br /> 16 Thể tích dung dịch gia nhiệt Vj<br /> 17 Khối lượng riêng dung dịch gia nhiệt j<br /> <br /> tượng thường được xây dựng dựa trên cơ sở các định luật vật<br /> lý, rất phức tạp và thường là không chính xác. Do đó, việc<br /> đưa ra một phương pháp để nhận dạng hay xây dựng được<br /> chính xác mô hình đối tượng đang là vấn đề thu hút được rất<br /> nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu khoa học.<br /> Cấu trúc rút gọn của hệ thống điều khiển dự báo như sau:<br /> <br /> 4200 J/kg.K<br /> 2,5411.10-3 m3<br /> 1000kg/m3<br /> <br /> 18 Lưu lượng dung dịch đầu vào, đầu ra FA = F 4,169.10-7.10-3/s<br /> 19 Hệ số truyền nhiệt KT<br /> 20 Hệ số tỷ lệ hàm mũ phản ứng <br /> <br /> 220,69 W/m2K<br /> 6477839 s-1<br /> <br /> 21 Công suất truyền nhiệt Q<br /> <br /> 64W<br /> <br /> Hình 3. Cấu trúc rút gọn của hệ thống điều khiển dự báo<br /> <br /> 22 Nhiệt độ đầu vào dung dịch gia nhiệt Tj0<br /> <br /> 343K<br /> <br /> 23 Nhiệt độ đầu ra dung dịch gia nhiệt Tj<br /> <br /> 323K<br /> <br /> Cấu trúc bộ điều khiển bao gồm ba khối cơ bản:<br /> 1. Khối dự báo: Xác định tín hiệu ra tương lai