Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển phản hồi đầu ra cho quá trình đa biến buồng sấy giấy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG __________________

TRẦN KIM QUYÊN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI ĐẦU RA CHO

QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BUỒNG SẤY GIẤY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ___________________

TRẦN KIM QUYÊN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI ĐẦU RA CHO QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BUỒNG SẤY GIẤY

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

ố: 62520216

Mã s

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS. TS. ĐOÀN QUANG VINH

PGS. TS. BÙI QU

ỐC KHÁNH

Đà Nẵng - Năm 2016

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, Tác gi ả xin g ửi lời cảm ơn chân thành nh ất đến Th ầy giáo PGS.TS. Bùi Quốc Khánh và Thầy giáo PGS.TS Đoàn Quang Vinh, các Thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, định hướng, động viên kịp thời trong suốt thời gian Tác giả thực hiện luận án.

Cảm ơn ban lãnh đạo cùng toàn thể cán bộ viên chức Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có những trao đổi về nội dung chuyên môn, c ũng như sự tạo điều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị để tôi có thể hoàn thành luận án đúng quy định.

Cảm ơn Ban lãnh đạo khoa Điện, bộ môn Điều khi ển và T ự động hóa Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh tham gia sinh ho ạt cùng bộ môn. Đặc biệt, tác gi ả xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo bộ môn Điều khiển và Tự động hóa Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã dành nhi ều thời gian để trao đổi, góp ý về nội dung của luận án cũng như phương pháp nghiên c ứu khoa học độc lập.

Cảm ơn Đảng ủy, Ban giám hi ệu Tr ường Cao đẳng Công nghi ệp Tuy Hòa, cùng bạn bè đồng nghiệp đã tạo điều kiện, hỗ trợ công vi ệc tại Trường trong suốt thời gian Tác giả thực hiện luận án.

Cuối cùng, Tác gi ả xin dành nh ững lời biết ơn chân thành nh ất, những tình cảm sâu s ắc nh ất để gửi đến gia đình. Có được kết qu ả nh ư ngày hôm nay, chính là sự động viên, chia sẻ và giúp đỡ của gia đình, đó cũng là nguồn sức mạnh, động lực giúp Tác gi ả vượt qua khó kh ăn, trở ngại trong su ốt quá trình thực hiện luận án.

Tác giả luận án

Trần Kim Quyên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học trình bày trong lu ận án này

là thành qu ả nghiên c ứu của bản thân tôi trong su ốt th ời gian (4 n ăm) làm

nghiên cứu sinh và ch ưa từng xuất hiện trong công b ố của các tác gi ả khác.

Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.

Tác giả luận án

Trần Kim Quyên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 Chương 1. ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ CÔNG NGHỆ SẤY TRONG DÂY CHUYỀN XEO ....................................................................................................... 4

1.1. Tóm tắt công nghệ sản xuất giấy ........................................................................ 4

1.1.1. Công đoạn xử lý nguyên liệu ....................................................................... 4

1.1.2. Công đoạn nấu bột ....................................................................................... 5

1.1.3. Công đoạn rửa sàng ...................................................................................... 5

1.1.4. Công đoạn tẩy trắng bột ............................................................................... 6

1.1.5. Xeo giấy ....................................................................................................... 6

1.1.6. Bộ phận ép .................................................................................................... 7

1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng ............................................................................... 7

1.1.8. Bộ phận ép quang ......................................................................................... 7

1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn ............................................................................ 8

1.1.10. Giấy thành phẩm ........................................................................................ 8

1.1.11. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm ............................................ 8

1.2. Vấn đề độ ẩm của giấy và quá trình sấy trong dây chuyền xeo .......................... 9

1.2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 9

1.2.2. Đo độ ẩm giấy ............................................................................................ 11

1.2.3. Cấu hình khâu sấy ...................................................................................... 12

1.3. Sấy hơi và hệ điều khiển sấy hơi ....................................................................... 12

1.3.1. Cấu tạo lô sấy ............................................................................................. 12

1.3.2. Nguyên lý điều khiển công suất sấy ........................................................... 13

1.4. Sấy đối lưu và điều khiển gió trong buồng sấy ................................................. 15

1.4.1. Phương pháp sấy đối lưu truyền thống ...................................................... 15

1.4.2. Phương pháp sấy đối lưu kết hợp thổi gió nóng lên mặt giấy ................... 16

1.4.3. Cơ chế sấy .................................................................................................. 18

1.4.4. Động học chung quá trình sấy gió ............................................................. 18

1.5. Các công trình nghiên cứu về hệ điều khiển sấy giấy ....................................... 22

1.5.1. Các công trình liên quan tới công nghệ sấy giấy ....................................... 22

1.5.2. Các công trình liên quan tới điều khiển quá trình sấy ............................... 22

1.6. Vấn đề cần nghiên cứu của luận án ................................................................... 23

Chương 2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY ............... 24

2.1. Động học quá trình sấy và điều khiển độ ẩm trong dây chuyền xeo giấy ........ 24

2.1.1. Cơ chế sấy .................................................................................................. 24

2.1.2. Động học quá trình sấy cho một lô ............................................................ 25

2.1.3. Cấu trúc điều khiển .................................................................................... 26

2.2. Động học quá trình cân bằng gió vào – ra (Zero level) .................................... 27

2.2.1. Mô hình xác định điểm không áp suất cho buồng sấy ............................... 27

2.2.2. Động học quá trình cân bằng gió vào-ra .................................................... 28

2.2.3. Cấu trúc điều khiển gió vào ra ................................................................... 31

2.3. Động học quá trình nhiệt độ điểm sương .......................................................... 32

2.3.1. Định nghĩa nhiệt độ điểm sương ................................................................ 32

2.3.2. Tính toán nhiệt độ điểm sương .................................................................. 33

2.3.3. Xây dựng động học nhiệt độ điểm sương .................................................. 33

2.3.4. Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương ................................ 38

2.4. Mô phỏng động học và điều khiển các quá trình trong buồng sấy ................... 38

2.4.1. Cấu trúc điều khiển và thông số để mô phỏng ........................................... 38

2.4.2. Mô phỏng động học và điều khiển độ ẩm .................................................. 39

2.4.3. Mô phỏng động học và điều khiển Zero level ........................................... 47

2.4.4. Mô phỏng động học và điều khiển nhiệt độ điểm sương ........................... 48

2.4.5. Kết luận chương 2 ...................................................................................... 52

Chương 3. HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN BUỒNG SẤY GIẤY .............................. 53

3.1. Khái quát cấu trúc điều khiển của các mạch vòng ............................................ 53

3.1.1. Mạch vòng điều khiển độ ẩm ..................................................................... 53

3.1.2. Mạch vòng cân bằng gió vào – ra (Zero Level) ......................................... 54

3.1.3. Mạch vòng nhiệt độ điểm sương của buồng sấy ........................................ 55

3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển đa biến ............................................................... 55

3.2.1. Khảo sát sự biến đổi của nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng sấy giấy ............................................................................................................. 58

3.2.2. Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 58

3.3. Thiết kế bộ điều khiển đa biến tách kênh .......................................................... 61

3.3.1. Hệ đa biến rút gọn ...................................................................................... 61

3.3.2. Kiểm tra động học của hệ đa biến rút gọn ................................................. 62

3.3.3. Hệ đa biến dạng chuẩn ............................................................................... 64

3.3.4. Kiểm tra và đánh giá hệ đa biến dạng chuẩn ............................................. 66

3.3.5. Thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ điều khiển buồng sấy giấy.............. 67

3.4. Kết luận ............................................................................................................. 74

Chương 4. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MPC CHO BUỒNG SẤY GIẤY ............. 75

4.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 75

4.2. MPC cho hệ tuyến tính ...................................................................................... 76

4.2.1. Nhiệm vụ điều khiển .................................................................................. 76

4.2.2. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPC ............................................. 76

4.2.3. Thuật toán điều khiển dự báo ..................................................................... 78

4.2.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển MPC ............................................................ 78

4.2.5. MPC có một số đặc điểm nổi bật ............................................................... 80

4.3. Các thuật toán MPC tuyến tính điển hình ......................................................... 81

4.3.1. Thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình (MAC) .................................. 81

4.3.2. Phương pháp ma trận động học điều khiển (DMC) ................................... 84

4.3.3. Phương pháp điều khiển dự báo tổng quát (GPC) ..................................... 86

4.3.4. Điều khiển dự báo trong không gian trạng thái ......................................... 91

4.4. Ứng dụng điều khiển dự báo GPC cho buồng sấy giấy theo [60] .................... 93

4.4.1. Kết quả mô phỏng buồng sấy giấy dùng bộ điều khiển MPC trong Toolbox Matlab Simulink, có tên gọi là bộ điều khiển GPC. .................................. 93

4.5. Điều khiển dự báo theo phương pháp tối ưu hóa từng đoạn trong miền thời gian ........................................................................................................................... 94

4.6. Ứng dụng điều khiển dự báo theo phương pháp tối ưu hóa từng đoạn cho buồng sấy giấy .............................................................................................................. 99

4.6.1. Xây dựng mô hình buồng sấy giấy trong miền thời gian thực................... 99

4.6.2. Mô phỏng cho bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy103

4.7. Kết luận ........................................................................................................... 104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. Chữ viết tắt Ý ngh ĩa

CD ệ điều khiển ngang máy (Cross Direction) H

DMC Điều khiển ma trận động (Dynamic Matrix control)

GMV ực ti ểu tương quan t ổng quát ( Generalized Minimum C

Variance)

GPC Điều khi ển dự báo t ổng quát (Generalized Predictive con-

trol)

HEU ộ trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Unit) B

HRU ộ thu hồi nhiệt (Heat Recycle Unit) B

LRQP Điều khiển dự báo kho ảng rộng toàn ph ương (Long range

quadratic progamming)

LRPC Điều khi ển dự báo thích nghi kho ảng rộng (Long range

model predictive control)

MAC Điều khiển dự báo theo mô hình (Model Algorithmic con-

trol)

MD ệ điều khiển dọc máy (Machine Direction) H

MIMO ệ đa biến (Multiple-input and multiple-output) H

MPC Điều khiển mô hình dự báo (Model Predictive Control)

MV ực tiểu tương quan ( Minimum Variance) C

NP Điểm áp suất không (Neutral Pressure)

NPP ặt phẳng áp suất không (Neutral Pressure Plane) M

QCS ệ thống điều khiển chất lượng ( Quality control System) H

SISO ệ đơn biến (Single-Input and Single-Output) H

ZL Cân b ằng gió (Zero level)

2. Các ký hiệu Đơn vị Ý ngh ĩa

m2 Di ện tích giấy Axy

s kJ/kg.K Nhi

Cp ệt dung riêng của hơi

Cv Độ dẫn cực đại của van

B ề rộng khổ giấy dy m

f(x) Hàm độ ẩm

g g/m Định lượng chuẩn của giấy

K m/s ệ số chuyển khối

Hệ số truyền nhiệt từ lô vào giấy KT1

H kW/m2.K 2.K Hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy KT2 kW/m

H ệ số tỷ lệ kn

m kg Kh ối lượng không khí trong buồng sấy

m% Độ mở của van điều chỉnh

ối lượng giấy mp kg Kh

ọng lượng phân tử nước Mw kg/mol Tr

n Ch ỉ số thể hiện nhóm sấy

ất đường hơi tổng PN pa Áp su

ất đầu vào lô sấy PL pa Áp su

ất tổng ptot pa Áp su

ất thành ph ần hơi nước trong không pv,a pa Áp su

khí

ất thành ph ần hơi nước trên b ề mặt pv,p pa Áp su

giấy

Áp suất khí quyển Pkq pa

Áp suất riêng phần của nước Pw pa

Áp suất riêng ph ần của nước khi không khí Psw pa

bão hòa

Q kW Công su ất nhiệt cấp cho lô sấy

Tốc độ bay hơi trên đơn vị diện tích qbh kg/m

kW Công su ất nhiệt tích lũy trong buồng sấy Qbuồng

kW Công su ất nhi ệt bức xạ do lô s ấy cấp vào Qbx

không khí trong buồng sấy

kW Công su ất nhiệt do chăn sấy truyền nhiệt lên Qchan

không khí trong buồng sấy

kW Công su ất nhiệt do giấy tiêu thụ Qp

kW Công su ất nhiệt thất thoát Qtt

kW Công su ất nhiệt gió nóng cấp vào buồng sấy Qwa1

kW Công su ất nhiệt gió hút ra khỏi buồng sấy Qwa2

kW Công su ất nhiệt do hơi nước bau ra từ giấy Qwbh

r Giá tr ị đặt từ bộ điều khiển độ ẩm

H ằng số khí Rg J/mol.K

RH% % Độ ẩm tương đối của không khí trong buồng sấy

SH kg/kg Độ ẩm tỉ lệ của không khí trong buồng sấy

T ệt độ không khí trong buồng sấy

ệt độ không khí thổi vào Ta1

0C Nhi 0C Nhi 0C Nhi 0C Nhi

ệt độ không khí hút ra khỏi buồng sấy Ta2

ệt độ điểm sương Td

ệt độ của gió TG K Nhi

0C Nhi

ệt độ bề mặt lô Tm K Nhi

ệt độ không khí trong buồng sấy Tn

ệt độ giấy Tp K Nhi

ệt độ bề mặt giấy lúc vào, ra buồng sấy Tp1,Tp2 K Nhi

ệt độ hơi Ts K Nhi

3 Th

V m ể tích lớp khảo sát

T ốc độ xeo giấy vx m/s

x kg k. ẩm/kg k.khô Bi ến tỉ lệ

kg/s Lưu lượng gió nóng thổi vào buồng sấy wa1

kg/s Lưu lượng không khí hút ra khỏi buồng sấy wa2

kg/s Lưu lượng nước bay hơi từ giấy vào không khí wbh

L ưu lượng giấy qua buồng sấy wp kg/s

L ưu lượng hơi Ws kg/s

kg/s L ưu lượng gió lạnh wkk

η Hi ệu suất truyền nhiệt từ lô vào giấy

ước/kg giấy Độ ẩm tỷ lệ của giấy vào và ra g1, g kg n

L ượng nhi ệt cần thi ết để nước bay h ơi từ ∆Hb kJ/kg

giấy vào không khí

ệt ẩn riêng của sự hóa hơi ∆Hbh kJ/kg Nhi

0C Bi

∆T ến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy

∆SH Bi ến thiên độ ẩm tỷ lệ không khí trong

buồng sấy

* L ượng đặt

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm ................................................ 8

Bảng 3-1. Bảng tổng kết các mạch vòng trong buồng sấy giấy .................................... 57

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ các công đoạn sản xuất giấy ................................................................. 4

Hình 1.2. Bãi nguyên liệu ............................................................................................... 4

Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất giấy ......................................................................................... 6

Hình 1.4. Cấu tạo hòm phun bột ..................................................................................... 7

Hình 1.5. Bộ phận ép quang ............................................................................................ 8

Hình 1.6. Khổ giấy được cuốn trên các trục thép ........................................................... 8

Hình 1.7. Quá trình sấy giấy ......................................................................................... 10

Hình 1.8. Phân bố các nhóm sấy trên dây chuyền xeo giấy .......................................... 10

Hình 1.9. Đường đo của máy Scanner .......................................................................... 11

Hình 1.10. Hệ sấy sử dụng một máy Scanner ............................................................... 11

Hình 1.11. Cấu tạo lô sấy giấy ...................................................................................... 13

Hình 1.12. Cấu trúc vỏ lô sấy ........................................................................................ 13

Hình 1.13. Cấu trúc điều khiển độ ẩm cho các nhốm lô sấy ......................................... 14

Hình 1.14. Chênh áp đặt cho các nhóm lô sấy .............................................................. 15

Hình 1.15. Nguyên lý buồng sấy đối lưu dùng gió ....................................................... 16

Hình 1.16. Vị trí của vòi phun không khí ..................................................................... 16

Hình 1.17. Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy gió theo phương pháp mới ... 17

Hình 1.19. Cân bằng khối lượng độ ẩm trên băng giấy ................................................ 18

Hình 1.20. Cân bằng năng lượng tổng quát của băng giấy ........................................... 20

Hình 2.1. Quá trình sấy cho một lô ............................................................................... 24

Hình 2.2. Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy ................................................................ 26

Hình 2.3. Áp suất không trong buồng ........................................................................... 27

Hình 2.4. Đặc tính của điểm không áp suất .................................................................. 28

Hình 2.5. Mô hình buồng sấy ........................................................................................ 29

Hình 2.6. Mô hình khe gió buồng sấy và thiết kế NPP ................................................ 29

Hình 2.7. Mô hình quá trình cân bằng gió vào-ra ......................................................... 31

Hình 2.8. Cấu trúc điều khiển Zero Level ..................................................................... 31

Hình 2.9. Lô sấy và bạt sấy ........................................................................................... 33

Hình 2.10. Cân bằng công suất nhiệt để tính nhiệt độ trong buồng sấy ....................... 34

Hình 2.11. Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy ............ 35

Hình 2.12. Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy ............ 35

Hình 2.13. Mô hình động học độ ẩm tỉ lệ của không khí.............................................. 36

Hình 2.14. Tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sương .................................................. 37

Hình 2.15. Cấu trúc điều khiển nhiệt độ điểm sương buồng sấy .................................. 38

Hình 2.16. Sơ đồ của buồng sấy giấy ............................................................................ 38

Hình 2.17. Mô hình mô phỏng độ ẩm của một lô ......................................................... 41

Hình 2.18. Nhiệt độ tức thời của giấy ........................................................................... 41

Hình 2.19. Nhiệt độ trung bình của giấy ....................................................................... 42

Hình 2.20. Độ ẩm tức thời của giấy .............................................................................. 42

Hình 2.21. Độ ẩm trung bình của giấy .......................................................................... 42

Hình 2.22. Đáp ứng của độ ẩm với công suất nhiệt sấy từ hơi ..................................... 43

Hình 2.23. Đáp ứng của độ ẩm với gió vào .................................................................. 44

Hình 2.24. Đáp ứng của độ ẩm với nhiễu độ ẩm đầu vào ............................................. 44

Hình 2.25. Sơ đồ khối hệ điều khiển độ ẩm xây dựng trên Matlab .............................. 46

Hình 2.26. Đáp ứng của hệ điều khiển độ ẩm ............................................................... 46

Hình 2.27. Sơ đồ khối hệ điều khiển Zero - level xây dựng trên Matlab ..................... 47

Hình 2.28. Đáp ứng của hệ điều khiển Zero level ........................................................ 48

Hình 2.29. Sự thay đổi của nhiệt độ điểm sương .......................................................... 49

Hình 2.30. Đồ thị đáp ứng với thay đổi lượng đặt ∆Td =±10% .................................... 50

Hình 2.31. Đồ thị đáp ứng với nhiễu Wa1 và Wbh .................................................... 51

Hình 3.1. Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy ................................................................ 53

Hình 3.2. Mạch vòng điều khiển cân bằng gió ZL ....................................................... 54

Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sương ................................... 55

Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển đa biến buồng sấy giấy ................................................. 56

Hình 3.5. Sơ đồ mô phỏng điều khiển đa biến buồng sấy sử dụng Matlab Simulink... 57

Hình 3.6. Đáp ứng của hệ khi thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương ∆Td =±10% ..... 59

Hình 3.7. Đáp ứng của hệ khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào của giấy ∆γ1=25% ........ 60

Hình 3.8. Cấu trúc điều khiển buồng sấy giấy với hai biến .......................................... 62

Hình 3.9. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển sấy hai biến ............................................. 63

Hình 3.10. Đáp ứng của hệ điều khiển hai biến khi tác động của nhiễu độ ẩm đầu vào

∆γ1=25% ........................................................................................................................ 63

Hình 3.11. Đáp ứng hệ điều khiển hai biến khi thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương

....................................................................................................................................... 64

∆Td = ±10% .................................................................................................................. 64

Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc hệ đa biến dạng chuẩn ......................................................... 65

Hình 3.13. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển đa biến dạng chuẩn ............................... 66

Hình 3.14. Đáp ứng của hệ đa biến dạng chuẩn khi tác động nhiễu ΔTd = ±10% ........ 66

Hình 3.15. Đáp ứng của mạch vòng  khi nhiễu tác động Δγ1=25% ............................ 67

Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển tách kênh cho hệ đa biến dạng chuẩn ......................... 68

Hình 3.17. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển tách kênh cho đa biến dạng chuẩn ........ 70

Hình 3.18. Đáp ứng của hệ có bộ tách kênh khi thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương

....................................................................................................................................... 70

Hình 3.19. Đáp ứng của hệ thống khi có bộ tách kênh với nhiễu là độ ẩm giấy đầu vào

....................................................................................................................................... 71

Hình 3.20. Sơ đồ khối hệ đa biến thực (3-3) với bộ điều khiển tách kênh xây dựng trên

Matlab............................................................................................................................ 72

Hình 3.22. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) có bộ tách kênh khi thay đổi nhiễu

∆Td=10% ....................................................................................................................... 73

Hình 3.23. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào

∆γ1=25% ........................................................................................................................ 73

Hình 4.1. Nhiệm vụ điều khiển ..................................................................................... 76

Hình 4.2. Cửa sổ dự báo MPC ...................................................................................... 76

Hình 4.3. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPC ................................................ 77

Hình 4.4. Nguyên tắc dịch theo trục t cùng thời điểm trích mẫu của cửa sổ dự báo .... 77

Hình 4.5. Thuật toán điều khiển MPC .......................................................................... 78

Hình 4.6. Cấu trúc hệ điều khiển dự báo....................................................................... 78

Hình 4.7. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC khi thay đổi nhiễu độ ẩm giấy đầu vào .... 93

Hình 4.8. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC khi thay đổi nhiệt độ điểm sương ............ 93

Hình 4.9. Mô hình buồng sấy giấy .............................................................................. 100

Hình 4.10. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy, khi

thay đổi nhiệt độ ẩm đầu vào 25% .............................................................................. 103

Hình 4.11. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy, khi

thay đổi nhiệt độ điểm sương ± 10% .......................................................................... 103

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của luận án

Độ ẩm giấy là một trong những chỉ tiêu quan trọng của chất lượng giấy, đảm

bảo độ ẩm của giấy do hệ thống sấy đảm nhận. Để đảm bảo độ ẩm giấy sau khi xeo,

người ta điều khiển hai thông số: Công suất nhiệt hơi bão hòa cấp cho lô để cấp

nhiệt cho giấy là chính (gọi là sấy tiếp xúc); Công suất nhiệt gió nóng phụ thêm cấp

cho buồng sấy (gọi là sấy đối lưu). Tuy nhiên nước chứa trong giấy bay hơi ra

không khí của buồng, ngoài nhu cầu cấp nhiệt (như trên đã nêu) còn bị ảnh hưởng

rất lớn của thông số môi trường trong buồng sấy. Ví dụ, cùng một giá trị công suất

cấp nhiệt của sấy tiếp xúc và sấy đối lưu, giấy có thể bị quá khô dễ bị cháy hoặc có

thế bị quá ướt (hiện tượng mưa trong buồng sấy).

Đặc trưng cho thông số môi trường trong buồng sấy là nhiệt độ điểm sương

(đảm bảo tốc độ bay hơi nước và khả năng ngưng tụ) và phân bố áp suất không khí

trong buồng sấy cân bằng gió vào ra (Zero Level). Như vậy đối tượng buồng sấy là

hệ nhiều biến, có biến cần điều khiển chính là độ ẩm, có hai biến tác động (hơi và

gió nóng).

Ngoài ra có hai biến phụ cần điều khiển quyết định tới khả năng bay hơi của

nước trong giấy là nhiệt độ điểm sương và điểm áp suất không (Zero level). Vì vậy,

điều khiển buồng sấy cần có bốn mạch vòng: Điều khiển độ ẩm, điều khiển nhiệt độ

điểm sương, điều khiển điểm áp suất không (Zero Level) và điều khiển gia nhiệt gió

nóng (Hình 1.4). Các mạch vòng này đều tác động xen kênh (trừ mạch vòng gia

nhiệt gió nóng ít ảnh hưởng). Hệ điều khiển buồng sấy là hệ đa biến tác động xen

kênh, tuy nhiên thực tế trong công nghiệp hiện nay người ta thiết kế là hệ điều khiển

nhiều mạch vòng đơn biến, dẫn đến khó đảm bảo chất lượng và hao phí năng lượng

lượng cao.

Các công trình nghiên cứu, ứng dụng trước đây tập trung nghiên cứu quá trình

sấy trực tiếp (sấy tiếp súc) là sự dụng nhiệt hơi bão hòa cấp cho lô, truyền nhiệt từ

[1],[2],[3],[15],[16],[18],[23],[24], [25],[30],[31], [34],[35]

lô sấy sang mặt băng giấy tiếp xúc với lô, điển hình là

Trong những năm gần đây người ta dùng sấy đối lưu gió theo công nghệ mới,

có hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển môi trường sấy đã tăng được hiệu

quả sấy, tiết kiệm đến 40% lượng hơi bão hòa và tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần [2],[3]

Nghiên cứu sấy gió hiện nay đã được triển khai, nhưng các công trình nghiên cứu

về điều khiển chưa nhiều, chủ yếu sử dụng cấu trúc đơn biến, trong khi hệ là đa biến

tác động xen kênh. Việc chỉnh định hệ điều khiển bằng thực nghiệm nên khi thay

đổi thông số vận hành hoặc có nhiễu tác động, hệ hoạt động không chính xác gây

khó khăn cho vận hành và ảnh hưởng đến chất lượng giấy [3]

Từ những lý do trên, nên nội dung luận án NCS tập trung nghiên cứu điều khiển

buồng sấy gió.

Nghiên cứu động học và điều khiển buồng sấy dùng gió để có hiểu biết về

điều khiển quá trình sấy. Giúp cho việc thiết kế hệ thống sấy như lựa chọn các thiết

bị chấp hành, thiết bị đo và thiết kế điều khiển. Định hướng cho việc chỉnh định hệ

điều khiển.

Nghiên cứu xây dựng động học và điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy để nâng

cao chất lượng điều khiển.

2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án

3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển buồng sấy trong dây chuyền xeo giấy.

* Phạm vi nghiên cứu: Động học và thiết kế điều khiển phản hồi đầu ra cho hệ

điều khiển đa biến buồng sấy giấy

* Phương pháp nghiên cứu:

- Khảo sát thực tế buồng sấy giấy tại Công ty giấy Bãi bằng.

- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến công nghệ sấy giấy.

- Nghiên cứu các công trình công bố tới sấy giấy

- Xây dựng động học và điều khiển cho hệ sấy giấy

- Ứng dụng điều khiển MPC với thuật điều khiển tối ưu hóa từng đoạn cho buồng

sấy giấy

- Mô hình hóa mô phỏng đánh giá chất lượng hệ điều khiển.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

4.1.Ý nghĩa khoa học:

Luận án đã xây dựng được động học và điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy

sấy và ứng dụng điều khiển dự báo theo thuật toán đề xuất tối ưu hóa từng đoạn cho hệ

sấy giấy.

4.2 Ý nghĩa thực tiễn:

- Phân tích được yêu cầu điều khiển hệ sấy trong buồng sấy, giúp người vận hành

hiểu rõ tác dụng của các đại lượng điều khiển các đại lượng nhiễu cũng như tính xen

kênh ảnh hưởng tới chất lượng sấy, từ đó chỉnh định tham số điều khiển để hệ ổn định

và đảm bảo chất lượng.

- Thiết kế được điều khiển đa biến MPC định hướng cho việc ứng dụng cho hệ

sấy giấy nhằm nâng cao chất lượng điều khiển.

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được trình bày trong bốn

chương:

5. Bố cục của luận án

Chương 1: Trình bày tổng quan hệ sấy giấy trong dây chuyền xeo giấy. Nội dung

chương này đi trình bày tóm tắt công nghệ sản xuất giấy, dây chuyền xeo giấy; Hệ điều

khiển sấy dùng hơi; Các công trình nghiên cứu sấy gió đối lưu và các vấn đề nghiên

cứu của luận án.

Chương 2: Nghiên cứu động học và điều khiển của các mạch vòng sấy giấy:

Điều khiển độ ẩm, điều khiển cân bằng gió vào-ra và điều khiển nhiệt độ điểm sương.

Chương 3: Nghiên cứu điều khiển đa biến cho hệ sấy giấy. Thiết kế điều khiển

đa biến với ba đầu vào và ba đầu ra. Thiết kế điều khiển đa biến với hai biến đầu vào,

hai biến đầu ra và hai nhiễu chính.

Chương 4: Thiết kế điều khiển dự báo cho hệ sấy giấy.

Chương 1. ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ CÔNG NGHỆ SẤY

TRONG DÂY CHUYỀN XEO

1.1. Tóm tắt công nghệ sản xuất giấy

Trên Hình 1.1 trình bày tóm tắt các công đoạn công nghệ sản xuất giấy

Hình 1.1. Sơ đồ các công đoạn sản xuất giấy

[1],[2],[10],[11],[12].

Hình 1.2. Bãi nguyên liệu

1.1.1. Công đoạn xử lý nguyên liệu

Nguyên liệu đầu vào chủ yếu là tre, nứa và gỗ. Tre nứa được đưa từ bãi chứa vào băng chuyền và được rửa sạch trước khi đưa vào máy chặt. Tại đây tre nứa được băm

thành các mảnh nhỏ có kích thước theo tiêu chuẩn. Các mảnh được đưa vào hệ thống rửa và qua băng tải đến sân chứa mảnh.

Gỗ được đưa đến bộ phận bóc vỏ bằng băng tải xích. Gỗ sau khi đã bóc vỏ được

rửa sạch rồi đi vào máy chặt mảnh. Mảnh gỗ sau khi chặt có kích thước theo tiêu

chuẩn. Mảnh gỗ được đưa qua sàng chọn và đưa ra sân chứa bằng băng tải.

Mảnh tre nứa và gỗ được đưa vào nồi nấu bởi hệ thống thổi mảnh. Tùy theo yêu

cầu đơn đặt hàng của khách mà có tỷ lệ tre nứa và gỗ khác nhau.

1.1.2. Công đoạn nấu bột

Bột được sản xuất theo phương pháp sunphat có thu hồi hóa chất. Nguyên liệu được nấu trong 3 nồi có hình trụ đứng. Thời gian để hoàn thành một chu kỳ nấu

khoảng 240 phút kể cả thời gian nạp mảnh. Bột sau khi nấu xong được chuyển sang bể

phóng. Từ đây bột được chuyển qua máy đánh tơi và được đưa đến bộ phận rửa. Năng

suất nấu bột khoảng 150 tấn/ngày.

1.1.3. Công đoạn rửa sàng

Sau khi được đánh tơi, bột được đưa tới 4 máy rửa lọc chân không. Hệ thống rửa

lọc chân không có cấu tạo lô hình trụ, được tạo chân không bởi sự chênh lệch áp suất.

Bên trong lô có hệ thống các đường ống dẫn nước. Trên bề mặt lô được chia làm nhiều

ngăn và có các ống dùng để dẫn dịch.

Quy trình hoạt động của hệ thống rửa như sau: Lô rửa được quay tròn đều. Trong

quá trình quay, nước dùng để rửa bột sẽ theo các ống dẫn được đưa vào trong lô. Do

trên bề mặt của lô có các lỗ nên sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất ở bên trong lô và bên

ngoài lô. Do đó, tạo ra chân không ở bên trong lô. Nhờ sự chênh lệch áp suất nên bột

sẽ bám dần trên bề mặt của lô. Sau đó, dùng nước để rửa. Sau khi rửa bột, bột sẽ rơi

xuống hệ thống xoắn vít tải. Từ đây, bột sẽ tới các bể chứa và từ các bể chứa này, bột

được đưa lên hệ thống rửa tiếp theo.

Hệ thống bao gồm 4 máy rửa và bột được đưa từ máy thứ nhất đến máy thứ 4.

Quá trình rửa ở các máy diễn ra như nhau. Trong quá trình rửa, nước dùng để rửa sẽ được dẫn từ máy rửa thứ 4 lần lượt quay trở lại máy thứ 3, 2 và 1 do nước còn sạch.

Bột đen sau khi đã rửa sạch được đưa qua hệ thống sàng gồm 2 sàng áp lực, 1

sàng thu và 3 giai đoạn lọc cát. Trong quá trình này, các mấu mắt tre, nứa hoặc bột sống sẽ được loại khỏi bột chín, dẫn xuống sàng cô đặc và xuống vít tải thải ra ngoài. Bột chín được đưa tới các bể chứa và chuẩn bị cho công đoạn tẩy trắng.

Sau khi được đánh tơi, bột được đưa tới 4 máy rửa lọc chân không. Hệ thống rửa

lọc chân không có cấu tạo lô hình trụ, được tạo chân không bởi sự chênh lệch áp suất. Lô có đường kính d = 3,5m có chiều dài là 4,5m. Bên trong lô có hệ thống các đường

ống dẫn nước. Trên bề mặt lô được chia làm nhiều ngăn và có các ống dùng để dẫn

dịch. Trong các ngăn có các tấm sàng và các lỗ mắt sàng.

1.1.4. Công đoạn tẩy trắng bột

Bột được Clo hóa bởi Cl2. Sau đó, bột được kiềm hóa để loại bỏ hợp chất màu Clorarlignin ra khỏi bột. Sau khi kiềm hóa, bột được tẩy tiếp bởi Nacl để đạt độ trắng

theo yêu cầu khoảng 74 - 78%. Để bột có độ trắng đồng đều theo yêu cầu phải thực

hiện quy trình tẩy trắng phức tạp, duy trì thích hợp các yếu tố nồng độ bột, mức tỉ lệ hóa chất tẩy, nhiệt độ, thời gian và độ pH. Bột sau khi tẩy trắng được đưa vào bể chứa

để chuẩn bị cho quá trình nghiền bột.

Sau khi nghiền, bột được pha trộn với các phụ gia như: cao lanh, nhựa thông,

phèn và một số hóa chất khác tùy theo yêu cầu của sản phẩm. Bột đã pha trộn phụ gia trong bể chứa sau đó được đưa qua hệ thống phụ trợ rồi đưa tới hòm phun bột bắt đầu

quá trình sản xuất giấy.

1.1.5. Xeo giấy

Xeo giấy tạo ra giấy từ bột, qua các công đoạn như Hình 1.3.

Trước khi vào máy xeo, bột giấy được đưa qua hệ thống nghiền côn để tăng diện

tích tiếp xúc, tăng khả năng liên kết giữa các sớ sợi với nhau. Sau khi nghiền, bột được

pha trộn với các phụ gia khác nhau tùy theo yêu cầu của sản phẩm. Bột đã pha trộn

phụ gia trong bể chứa sau đó được đưa qua hệ thống phụ trợ: Sàng áp lực, lọc cát và

các thành phần khác có ảnh hưởng đến tờ giấy rồi được đưa tới hòm phun bột, bắt đầu

Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất giấy

quá trình sản xuất giấy.

1.1.5.1. Hòm phun bột

Nhiệm vụ của hòm phun bột là phân phối một lưu lượng dung dịch có chứa bột giấy (nồng độ khoảng 1%), (Hình 1.4) đồng đều trên lưới với tốc độ xeo trên toàn bộ bề ngang của lưới và giữ cho dòng bột không bị xáo trộn để chống chảy xoáy làm phá

vỡ sự vón cục của dòng bột đã hình thành.

Hình 1.4. Cấu tạo hòm phun bột

1.1.5.2. Bộ phận lưới

Lưới có nhiệm vụ nhận bột từ hòm phun, hình thành lớp giấy trên mặt lưới, nhờ

bơm hút chân không nước được thoát ra. Giấy được hình thành và bắt sang khâu ép.

1.1.6. Bộ phận ép

Nhiệm vụ chính của bộ phận ép là tách nước ra khỏi giấy, tăng độ bền và độ nhẵn

của băng giấy; đồng thời bộ phận ép còn có nhiệm vụ dẫn băng giấy đến bộ phận sấy.

Băng giấy ướt được chuyển trực tiếp từ lưới tới trục ép hút chân không được bọc

chăn của tổ ép 1. Chức năng quan trọng của lưới ép là chống tạo vết trên băng giấy. Từ

tổ ép 1, băng giấy được chuyển tới bộ phận ép lưới ở tổ ép 2. Tổ ép 2 gồm lưới nhựa

giữa chăn ép và trục ép phía dưới nhằm giảm áp suất thủy tĩnh trong tuyến ép. Từ chăn

ép 2, băng giấy được chuyển tới tổ ép 3 qua một khoảng kéo hở. Tổ ép này không có

chăn nên không có nhiệm vụ tách nước mà chỉ làm cho băng giấy nhẵn và phẳng hơn.

1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng

Khi băng giấy rời bộ phận ép ướt có độ ẩm khoảng 50% và nhiệt độ từ 25-300C. Trong bộ phận sấy lượng nước còn lại được tách ra bằng phương pháp bay hơi. Sấy là

quá trình sử dụng nhiệt năng của hơi nước bão hòa trong lòng lô sấy để cấp nhiệt cho

giấy kết hợp với gió nóng thổi vào buồng sấy làm bay hơi nước có trong băng giấy.

Sau quá trình sấy trước, băng giấy được đưa qua bộ phận ép keo. Chức năng của khâu ép keo là phủ lớp keo lên bề mặt giấy, tăng độ bóng, độ dai, bịt các lỗ trên bề mặt

băng giấy. Sau khâu ép keo, băng giấy đi tới hệ thống sấy sau.

1.1.8. Bộ phận ép quang

Bộ phận ép quang gồm hai lô quay tiếp xúc với nhau. Máy ép quang sẽ đảm bảo độ đồng đều, độ nhẵn bóng bề mặt làm tăng độ bền kéo, độ chịu bục và thấm khí của tờ giấy.

Hình 1.5. Bộ phận ép quang

Hình 1.6. Khổ giấy được cuốn trên các trục thép

1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn

Băng giấy hình thành sau ép quang được cuộn lại vào lô cuốn kim loại Hình 1.6.

Các cuộn giấy được chuyển sang bộ phận máy cuộn và cắt thành những cuộn giấy

thành phẩm có khổ khác nhau tùy theo đơn đặt hàng.

1.1.10. Giấy thành phẩm

Từ các cuộn giấy lớn, giấy được chuyển sang phân xưởng hoàn thành để gia công

thành các sản phẩm theo đặt hàng: Giấy khổ A3, giấy RAM A4, vở học sinh…

Bảng 1-1. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm

1.1.11. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm

Phương Thứ STT Tên chỉ tiêu Mức chỉ tiêu pháp thử nguyên

52; 55; 58; 60; 70; 80 TCVN1270 g/m2 Định Định lượng

1 lượng chuẩn

58<701 Sai số cho phép g/m2 52581 701202

2 Độ chặt không nhỏ hơn kg/m3 660 TCVN3652

3 Độ ẩm (5-7) ± 1% TCVN1867 %

4 Độ trắng không nhỏ hơn % 84 TCVN1865

Độ hút nước không nhỏ 5 g/m2 30 TCVN6726 hơn

6 Độ đục không nhỏ hơn % 76 81 TCVN6728

Độ nhám trung bình không 7 ml/Ph 350 TCVN3226 lớn hơn

8 Độ tro không nhỏ hơn % 8 10 TCVN1864

Chỉ số bền kéo trung bình 9 Nm 33 TCVN1862 hai hướng không nhỏ hơn

10 Độ bụi không lớn hơn ppm 20 TCVN1868

11 Keo bề mặt (nếu có) % TCVN7069 23

1.2. Vấn đề độ ẩm của giấy và quá trình sấy trong dây chuyền xeo

1.2.1. Giới thiệu chung

Độ ẩm của giấy là tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong giấy và khối lượng giấy tính theo %. Quá trình sấy giấy là tách thành phần nước trong giấy, tức là cần cung cấp cho giấy một lượng nhiệt để nước trong giấy bay hơi vào không khí, đồng thời môi trường của buồng sấy phải đảm bảo thuận lợi cho quá trình bay hơi. Để sấy giấy ta

dùng nhiệt của hơi bão hòa, cấp vào trong lô sấy, mặt lô sấy nhận nhiệt từ hơi bão hòa truyền sang mặt giấy, người ta gọi là sấy tiếp xúc (hay gọi tắt là sấy hơi). Đồng thời, khi băng giấy chuyển động trong buồng sấy ta dùng gió nóng khô thổi vào tạo nên quá

trình bay hơi dễ dàng hơn, người ta gọi đó là sấy gió đối lưu (gọi tắt là sấy gió). Hệ thống sấy được chia làm ba buồng. Quá trình này được mô tả theo Hình 1.7.

Hình 1.7. Quá trình sấy giấy

Hệ thống sấy có hai cơ chế sấy cùng tác động để đảm bảo độ ẩm: Sấy dùng hơi bão hòa cấp cho lô sấy truyền nhiệt lên mặt giấy (sấy áp suất hơi); Sấy dùng gió thông

Hình 1.8. Phân bố các nhóm sấy trên dây chuyền xeo giấy

qua gió nóng thổi vào mặt giấy (sấy đối lưu), [2], [4],[13],[14],[15].

Nhiệm vụ chính của phân xưởng sấy giấy là sấy khô giấy hay nói cách khác là

thay đổi độ ẩm của giấy. Độ ẩm của giấy là một thông số quan trọng, quyết định chất

lượng của sản phẩm giấy. Mặt khác, nếu độ ẩm không được điều khiển một cách hợp

lý, giấy sẽ bị đứt làm quá trình sản xuất bị ngắt quãng, gây ảnh hưởng đến năng suất.

Giá trị độ ẩm của giấy được điều chỉnh trong khâu sấy giấy. Tính từ đầu xeo đến

cuối xeo thì độ ẩm của giấy giảm dần. Sau công đoạn hình thành tờ giấy, độ ẩm còn khoảng 80%. Tiếp đó tờ giấy đi qua công đoạn ép ướt, độ ẩm đạt khoảng 60%. Từ đây,

tờ giấy được đưa vào hệ thống sấy. Thông qua quá trình sấy, tờ giấy đạt được độ ẩm ổn định khoảng 5 – 7%. Sau đó, tờ giấy được đưa tới các công đoạn cuối cùng để tạo ra giấy thành phẩm. Vì vậy, công đoạn sấy đóng vai trò quan trọng nhất, quyết định đến độ ẩm của tờ giấy.

Nguyên lý cơ bản của quá trình sấy giấy là quá trình loại nước khỏi bột bằng việc ép, gia nhiệt. Tại phần đầu dây chuyền xeo, sau khi bột được phun lên lưới hình thành

bởi hệ thống vòi phun thì độ ẩm tới 99%, trong khi ở cuối dây chuyền độ ẩm của giấy

chỉ còn lại khoảng 5 – 7% trọng lượng của băng giấy. Như vậy có ba khâu chính trong

quá trình sản xuất giấy ở phân xưởng xeo: Khâu phun bột lên lưới để hình thành tờ

giấy với độ ẩm 80%, khâu ép ướt với độ ẩm khi ra khỏi khâu này là 50 – 60% và khâu sấy giấy. Sau khi ra khỏi khâu sấy, nước được loại bỏ từ độ ẩm 50% xuống khoảng 5-

7% Hình 1.8. Sau đó, giấy thành phẩm được đưa tới ép quang và cắt cuộn.

Hình 1.9. Đường đo của máy Scanner

1.2.2. Đo độ ẩm giấy

Trong quá trình sản xuất, độ ẩm của giấy được đo và giám sát online [2], Hình

1.9. Các sản phẩm sẽ được loại bỏ nếu vượt quá các giới hạn xác định. Độ ẩm của cuộn giấy có giá trị ổn định và đồng đều sẽ đảm bảo tỉ lệ phế phẩm ít và đạt năng suất

cao.

Hệ thống điều khiển chất lượng (QCS) được chia ra thành hai phần: Hệ điều

khiển dọc máy MD và hệ điều khiển ngang máy CD. Trên thực tế, để đo các tín hiệu

phục vụ cho điều khiển MD và CD, ta dùng các cảm biến đơn gắn trên thiết bị đo

(scaner platform). Mục đích của việc đo lường này là nhằm điều khiển các thông số.

Ngày nay, để điều khiển sự thay đổi độ ẩm dọc theo dây chuyền, ta sử dụng áp suất

Hình 1.10. Hệ sấy sử dụng một máy Scanner

hơi sấy.

Cấu hình như trên thường dùng một máy Scanner để phản hồi tín hiệu đầu ra.

Ngoài ra với các máy có chất lượng điều khiển cao bố trí tới hai máy Scanner để đảm

bảo chất lượng điều khiển (một máy đặt giữa các nhóm lô một máy đặt ở cuối quá

trình sấy).

Trong sản xuất, độ ẩm của giấy thường đạt từ 5 – 7%. Ở độ ẩm này, theo góc độ

kỹ thuật, tờ giấy sẽ đạt tiêu chuẩn để đảm bảo khi in, khi viết không bị nhòe hay loang

mực. Mặt khác, liên kết bề mặt của tờ giấy sẽ đảm bảo được độ bền và dai thích hợp. Nếu độ khô lớn hơn hoặc nhỏ hơn thì tờ giấy dễ đứt. Xét về mặt kinh tế thì khi hệ

thống làm việc ổn định, có thể nâng độ ẩm của tờ giấy lên tới giá trị mong muốn. Việc

này mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn thể hiện qua hai khía cạnh: Thứ nhất trong trường

hợp sản phẩm được bán theo khối lượng, việc tăng độ ẩm đồng nghĩa với việc nhà máy bán được nhiều sản phẩm hơn. Thứ hai là việc tăng độ ẩm sẽ tiết kiệm được năng

lượng hơi cung cấp cho quá trình sấy giấy.

1.2.3. Cấu hình khâu sấy

Khâu sấy là một buồng sấy dài cỡ hàng chục đến hàng trăm mét tùy thuộc vào

công suất yêu cầu của máy xeo giấy. Trong buồng sấy giấy chứa các lô sấy được sắp

xếp xen kẽ nhau, chia thành hai tầng: lô trên và lô dưới. Các lô sấy được phân thành

các nhóm sấy khác nhau tùy thuộc vào áp suất hơi đưa vào lô sấy trong quá trình làm

việc.

Khi hơi được đưa vào lô sấy, hơi truyền nhiệt năng tới thành lô để sấy giấy; đồng

thời chuyển thành nước ngưng bám trên bề mặt trong của lô. Nước ngưng sau đó được

thu hồi bởi các ống dẫn và đưa trở về nồi hơi. Việc thu hồi nước ngưng hiệu quả có vai

trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt của lô sấy. Vì vậy, một phần hơi quá nhiệt

đi qua các ống dẫn cùng với nước ngưng để tăng hiệu suất truyền nhiệt cũng như tăng

hiệu quả đẩy nước ngưng, khí ra khỏi các lô sấy.

Để hỗ trợ và đẩy tấm giấy di chuyển qua khu vực sấy, người ta sử dụng các cơ cấu làm khô để ép băng giấy vào bề mặt lô sấy làm tăng hiệu quả truyền nhiệt. Cơ cấu này được dệt bằng các sợi tổng hợp và không hấp thụ nước (còn được gọi là bạt tổng

hợp).

1.3. Sấy hơi và hệ điều khiển sấy hơi

1.3.1. Cấu tạo lô sấy

Tờ giấy được lưới sấy ép sát vào thành lô sấy, khi lưới sấy tiếp xúc với tờ giấy, lượng ẩm chuyển qua chăn một phần là nước phần còn lại là hơi bởi vì sự chênh lệch

áp suất hơi giữa lưới và giấy. Lưới sấy có nhiệt độ thấp hơn tờ giấy vì vậy nhiệt ngưng

tụ của hơi sấy tăng lên, làm nhiệt độ lưới tăng lên và một lượng hơi sẽ phân tán trực

tiếp qua lưới. Lưới sấy được ép sát vào lô sấy nhờ lô căng. Trong quá trình sấy, một

Hình 1.11. Cấu tạo lô sấy giấy

Hình 1.12. Cấu trúc vỏ lô sấy

phần nước được chuyển qua lưới, một phần thoát ra ở khoảng cách giữa các lô. Hình 1.12.

1.3.2. Nguyên lý điều khiển công suất sấy

Trong dây chuyền xeo, hệ thống sấy, người ta chia ra các nhóm lô sấy để cấp hơi.

Khi thiết kế, theo cân bằng năng lượng người ta tính toán được công suất nhiệt sấy cần cấp cho lô:

(1.1)

Trong đó: Q (kW): công suất nhiệt cấp cho lô,

Ws (kg/s): lưu lượng hơi, cấp cho lô,

Cps (kJ/kg.K): nhiệt dung riêng của hơi, cấp cho lô,

Ts (K): nhiệt độ hơi cấp cho lô.

Công suất nhiệt sấy được điều chỉnh bởi thông số lưu lượng hơi, thông qua điều

chỉnh độ mở của van [4], ta có:

(1.2)

Trong đó:

Cv là độ dẫn cực đại của van,

m% độ mở của van điều chỉnh,

∆P = PN- PL là chênh áp giữa áp suất tổng PN và áp suất đầu vào lô PL được điều

Hình 1.13. Cấu trúc điều khiển độ ẩm cho các nhốm lô sấy

khiển giữ không đổi theo lượng đặt.

Giả thiết áp suất hơi tổng PN, nhiệt dung riêng và nhiệt độ hơi cấp cho lô là không đổi. Điều chỉnh công suất sấy hơi bằng điều khiển lưu lượng thông qua mạch

vòng điều khiển chênh áp ∆P, có cơ cấu chấp hành là Van. Khi lượng đặt chênh áp nhỏ, lưu lượng lớn tức là công suất sấy lớn và ngược lại Hình 1.14.

Trên Hình 1.13 là cấu trúc điều khiển công suất sấy hơi. Ứng với từng nhóm lô ta đặt chênh áp tương ứng với giá trị đặt độ ẩm theo thứ tự các nhóm lô theo quan hệ hàm f(x) [2] (là quan hệ giữa độ ẩm và chênh áp được tính theo công thức):

mà (1.3)

Trong đó:

r: là giá trị đặt từ bộ điều khiển độ ẩm,

kn: là hệ số tỷ lệ,

n: là chỉ số thể hiện số nhóm sấy.

Trên Hình 1.14 biểu diễn lượng đặt chênh áp theo các nhóm lô. Khi giấy vào

đoạn đầu của buồng sấy, giấy có độ ẩm lớn, cần lưu lượng hơi vào lô nhiều nhất, hay

chênh áp giữa đường áp suất tổng với áp suất trong lô là nhỏ nhất. Cuối buồng sấy, độ

Hình 1.14. Chênh áp đặt cho các nhóm lô sấy

ẩm của giấy giảm, chênh áp lớn, giảm lưu lượng hơi cấp vào lô, công suất nhỏ.

1.4. Sấy đối lưu và điều khiển gió trong buồng sấy

Quá trình sấy trong dây chuyền xeo được thực hiện trong hai buồng sấy: Buồng

thứ nhất sau ép ướt độ ẩm vào buồng 50%, đầu ra có độ ẩm 5 - 7%, giấy chạy tiếp đến ép keo và vào buồng sấy thứ hai có độ ẩm khoảng 20% ra buồng sấy 5%, đến ép quang

được cuộn thành lô sản phẩm giấy.

1.4.1. Phương pháp sấy đối lưu truyền thống [1]

Trên Hình 1.15 mô tả nguyên lý buồng sấy trong đó sấy đối lưu dùng gió. Không khí khô được trộn với một phần gió thu hồi từ đầu ra của buồng để tận dụng nhiệt thải

tái sử dụng nhiệt lấy từ đầu ra buồng sấy. Với tác dụng của gió kết hợp với nhiệt sấy cấp từ lô, nước trong giấy sẽ bốc hơi nhanh hơn.

Hình 1.15. Nguyên lý buồng sấy đối lưu dùng gió

Nhược điểm của phương pháp này là tăng độ ẩm không khí sấy, làm tăng nhiệt

độ điểm sương trong buồng, hạn chế quá trình bay hơi; điều này đẫn đến tăng lượng

hơi tiêu thụ, hay nói cách khác, phương pháp này không kiểm soát được môi trường

sấy.

1.4.2. Phương pháp sấy đối lưu kết hợp thổi gió nóng lên mặt giấy

Hình 1.16. Vị trí của vòi phun không khí

1.4.2.1. Vị trí đặt các vòi phun gió:

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp sấy gió trước đây (phân tích như

trên) [2],[17],[18]. Người ta áp dụng phương pháp sấy đối lưu kết hợp với thổi gió nóng trực tiếp vào mặt giấy, như Hình 1.16.

Hình 1.17. Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy gió theo phương pháp mới

1.4.2.2. Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy đối lưu

Điều khiển nhiệt độ gió nóng, khô cấp cho buồng sấy: Gió lấy từ khí trời lưu lượng Wa1 được gia nhiệt một phần từ không khí thải qua bộ HRU (thu hồi nhiệt), sau đó gió được đưa sang thiết bị trao đổi nhiệt HEU gia nhiệt bằng hơi bão hòa, điều

khiển nhiệt độ gió sấy thông qua van điều khiển lưu lượng hơi. Gió nóng, khô được

thổi vào hai mặt giấy bằng vòi phun Hình 1.17. [18],[35],[36].

Điều khiển cân bằng khối lượng ZL (Zero Level): Để đảm bảo cân bằng khối

lượng gió vào và ra, hạn chế khí giả (gió lạnh) lọt vào buồng sấy từ ngoài. ZL tạo nên

phân bố áp suất khoảng nằm giữa hai lô (lô trên và lô dưới). Mạch vòng điều khiển ZL dùng đại lượng tác động là lưu lượng gió vào Wa1.

Điều khiển môi trường sấy thông qua nhiệt độ điểm sương. Khi nhiệt độ môi

trường càng lớn hơn nhiệt độ điểm sương, thì áp suất thành phần của hơi nước tăng lên và nước có thể bay hơi từ giấy càng nhiều vào không khí. Nhiệt độ điểm sương phụ thuộc nhiều vào độ ẩm và nhiệt độ không khí trong buồng sấy, khi nước trong giấy bay hơi càng nhiều thì nhiệt độ điểm sương càng tăng, điều khiển nhiệt độ điểm sương thông qua điều chỉnh lưu lượng gió ra Wa2, giữ nhiệt độ điểm sương khoảng thấp hơn nhiệt độ trung bình trong buồng 15 – 200C.

1.4.3. Cơ chế sấy

Hình 1.18. Cơ chế sấy cho một lô

Quá trình sấy được mô tả thành 4 giai đoạn Hình 1.18: [13],[14]

(2) Giấy được truyền nhiệt từ lô, nhưng lại được chăn (felt) bao nên nước gần

như không bay hơi. Giai đoạn này là giai đoạn giấy được gia nhiệt đến nhiệt độ cao

hơn, nhiệt độ của giấy lúc này sẽ tăng cao nhất do không có thất thoát nhiệt.

(1) và (3) Giấy ra khỏi lô có mặt thoáng nên bốc hơi, một lượng hơi nước nhỏ đi

ra ngoài không khí, nhiệt độ bắt đầu giảm, độ ẩm cũng theo đó giảm theo.

(4) Sấy đối lưu: tốc độ bay hơi của giấy lớn nhất, do diện tích của bề mặt giấy

tiếp xúc với không khí là lớn nhất.

1.4.4. Động học chung quá trình sấy gió

Để mô tả độ ẩm trong giấy, cần viết các phương trình cân bằng khối lượng và cân

bằng năng lượng cho băng giấy đi qua mặt lô.

1.4.4.1. Cân bằng khối lượng tổng quát

Xét băng giấy đi qua mặt lô trên Hình 1.19, ta có phương trình cân bằng khối

Hình 1.19. Cân bằng khối lượng độ ẩm trên băng giấy

lượng của độ ẩm trong băng giấy (1.4): [16],[19],[20]:

(1.4)

(1.5)

(1.6)

Trong đó:

: Độ ẩm tỷ lệ của giấy (kg nước/kg giấy) vào và ra; wp (kg/s): Lưu lượng giấy chạy qua buồng sấy; mp (kg): Khối lượng giấy; wbh (kg/s): Lưu lượng nước bay hơi từ giấy vào không khí; g (g/m2): Định lượng chuẩn của giấy; là bề rộng khổ giấy (m); là tốc độ xeo giấy (m/s); là diện tích giấy(m2); qbh (kg/m2s): là tốc độ bay hơi trên đơn vị diện tích; wpγ1=dyvxgγ1(kg/s); wpγ1=dyvxgγ(kg/s); Wp=vxg(kg/s); Dyvxg(kg/s); wbh=Axy.qbh(kg/s); mp=Axyg(kg).

Lưu lượng hơi nước bay ra từ giấy được tính, theo [19],[21] ta có:

, (1.7)

Trong đó:

Hệ số chuyển đổi khối; Trọng lượng phân tử nước; Áp suất tổng; Áp suất thành phần hơi nước trong không khí; Áp suất thành phần của hơi nước trên bề mặt giấy; Hằng số khí; Nhiệt độ giấy. K (m/s): Mw (kg /mol): ptot (pa): pv,a (pa): pv,p (pa): Rg (J/mol·K) Tp (K):

Các thành phần áp suất pv,a được xác định từ độ ẩm của không khí,

x: Biến tỷ lệ (kg khí ẩm/ kg khí khô)

Áp suất tổng được tính:

. (1.8)

Áp suất riêng của hơi nước tại bề mặt giấy: (1.9)

Trong đó: pv0 là áp suất riêng của hơi nước của nước tự do. Được cho bởi phương

trình Antoine:

(1.10)

Ta có biểu thức thực nghiệm cho giấy, cụ thể là:

1.4.4.2. Cân bằng năng lượng tổng quát

Cân bằng năng lượng tổng quát [19],[21] của băng giấy được mô tả như trên

Hình 1.20. Cân bằng năng lượng tổng quát của băng giấy Phương trình cân bằng năng lượng của băng giấy khi đi qua mặt lô, (1.11)

Hình 1.20.

(1.11)

Biến đổi:

(1.12)

Đạo hàm vế trái của (1.12), ta được

(1.13)

Giải kết hợp với (1.6) ta có:

(1.14)

Trong đó:

Qp(kW): Nhiệt cấp cho giấy khi sấy;

(kJ/kg): Lượng nhiệt cần thiết để nước bay hơi từ giấy vào không khí;

(kg): Khối lượng giấy có độ ẩm lúc vào;

(kg): Khối lượng giấy có độ ẩm lúc ra;

, (K): Nhiệt độ bề mặt giấy lúc vào và ra buồng sấy; (kJ/kg K): Nhiệt dung riêng quy đổi của giấy;

Nhiệt dung riêng quy đổi của giấy được xác định (1.15):

(1.15)

Trong đó: Cp, Cp,f và Cp,w (J/kg.K) là nhiệt dung của giấy, sợi giấy và nước trong

giấy.

Ta có: Cp, f = 1256 J/(kg.K)

Tương tự với các những vấn đề đã nêu về sự cân bằng khối lượng, nếu băng giấy

đủ ẩm thì năng lượng này tương đương với nhiệt ẩn của sự bốc hơi nước tự do. Nhiệt

năng hấp thụ bắt nguồn từ các đường đẳng nhiệt hấp thụ bởi lý thuyết nhiệt động học

[23],[25] và mối quan hệ này được gọi là quy luật Clausius-Clapeyron (1.16):

(1.16)

Thay (1.16) vào biểu thức thực nghiệm cho giấy (1.15), ta nhận được (1.17)

(1.17)

Năng lượng cần thiết để làm bay hơi nước từ bề mặt băng giấy được cho bởi

(1.18):

(1.18)

Trong đó: ΔHbh là nhiệt ẩn riêng của sự hóa hơi (2260kJ/kg, ở áp suất khí quyển).

1.4.4.3. Nhận xét:

Quá trình bay hơi của nước từ giấy phụ thuộc vào các yếu tố: Thông số vận hành, kích thước băng giấy, công suất nhiệt cấp cho giấy Qp, nhiệt độ của giấy và hệ số chuyển khối (K chính là hệ số tốc độ bay hơi). Hệ số tốc độ bay hơi phụ thuộc vào môi trường sấy tức là phụ thuộc vào hệ điều không trong buồng sấy. Điều này cho thấy môi

trường trong buồng sấy có vai trò rất lớn trong hệ thống sấy giấy. Như vậy hệ thống

sấy gồm hai hệ lớn: Điều khiển công suất hơi cấp cho lô và hệ điều khiển môi trường sấy (hệ điều không trong buồng sấy thường gọi là sấy đối lưu).

1.5. Các công trình nghiên cứu về hệ điều khiển sấy giấy

1.5.1. Các công trình liên quan tới công nghệ sấy giấy

Hệ điều khiển sấy giấy được thiết kế dựa trên nền tảng công nghệ và thiết bị công

nghệ sấy giấy. Có rất nhiều công trình đã nghiên cứu về công nghệ sấy giấy, được tập

hợp trong tài liệu sổ tay tra cứu và các tài liệu kỹ thuật [1],[2],[3],[10],[11],[12],[13],

trong đó đã nghiên cứu quá trình bay hơi và ngưng tụ khi sấy giấy - quá trình truyền

nhiệt khi sấy hơi, Cơ chế sấy giấy, thiết bị sấy giấy, thông số quá trình sấy. Để đảm bảo cơ lý tính của tờ giấy khi sấy các công trình [16],[24],[26],[29] nghiên cứu quá

trình vật lý bay hơi của nước trong các sợi của giấy thoát ra ngoài mặt giấy, kết cấu sợi

giấy trước và sau khi sấy, yêu cầu cấp nhiệt khi sấy…Các tài liệu này giúp người thiết

kế điều khiển xây dựng động học quá trình sấy cũng như thiết kế điều khiển hệ sấy

giấy.

1.5.2. Các công trình liên quan tới điều khiển quá trình sấy

Để phục vụ thiết kế điều khiển có các công trình nghiên cứu xây dựng động học

quá trình sấy. Điển hình ở các tài liệu [18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27],

[28],[29]. Trong đó:

- Động học đầy đủ quá trình truyền nhiệt từ hơi đến lô sấy. - Xây dựng hàm truyền đạt độ ẩm giấy và áp suất hơi dạng IPZ . - Động học quá trình của tấm giấy qua mặt lô sấy thể hiện ở hai phương trình cơ bản cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng [16],[19],[20],[21],[22],[26],[28], [29], dẫn ra từ các biểu thức (1.4) đến (1.14).

Về điều khiển hệ sấy giấy có trong các công trình [2],[3],[35],[36],[37],[38],

[39],[40],[41],[42], trong đó đề cập và giải quyết các vấn đề.

- Thiết kế điều khiển hơi cho một lô sấy dùng hệ điều khiển phản hồi PID và Feed-

forward.[15],[16],[19],[29],[30].

- Thiết kế điều khiển gió cho buồng sấy giấy [3],[17],[18],[27],[35],[36]. - Thiết kế điều khiển dự báo cho một nhóm lô với đề xuất thuật điều khiển khoảng

giữa Mid-Ranging Controller – MPC [19],[37],[42].

Các vấn đề điều khiển trong buồng (sấy đối lưu) có các công trình nghiên cứu về

quá trình bay hơi từ gió và ảnh hưởng của môi trường sấy đến độ ẩm [17],[18],[25],

[27], các công trình ở dạng tài liệu thiết kế [3],[35],[36]. Trong thời gian gần đây do

giá năng lượng tăng cao các hãng đã quan tâm thiết kế hệ điều khiển sấy đối lưu với mục đích tiết kiệm năng lượng (Điển hình hãng FORBES MARSHALL đã lắp đặt đây

chuyền sấy cho Giấy Bãi bằng 2013) có các tài liệu kỹ thuật vận hành. Hệ điều khiển

gió cho buồng sấy được thiết kế là hệ điều khiển phản hồi PID nhiều mạch vòng độc

lập.

1.6. Vấn đề cần nghiên cứu của luận án

Hệ điều khiển sấy gió đã được áp dụng trong sản xuất, tuy nhiên chưa có nghiên

cứu đầy đủ về động học quá trình gió trong buồng sấy. Hệ điều khiển sấy gió đang sử

dụng thiết kế phản hồi PID đơn biến riêng cho từng mạch vòng độc lập, chưa xét tính

xen kênh. Vì vậy hệ điều khiển khó chỉnh định và chất lượng chưa đảm bảo. Từ lý do

đó, luận án đặt vấn đề nghiên cứu các vấn đề sau:

1/ Xây dựng động học quá trình sấy giấy khi có hai đại lượng tác động của hơi và

gió trong buồng sấy có nhiều lô của dây chuyền xeo.

2/ Nghiên cứu động học quá trình gió và ảnh hưởng môi trường buồng sấy đến

khả năng bay hơi nước từ giấy.

3/ Nghiên cứu đặc tính xen kênh của hệ điều khiển quá trình sấy gió kết hợp với sấy hơi khi xét đầy đủ các yếu tố môi trường trong buồng sấy khi sử dụng hệ điều khiển phản hồi đơn biến theo mô hình hệ điều khiển buồng trong thực tế. 4/ Thiết kế điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy sử dụng thuật điều khiển

FeedForward để tách kênh.

5/ Ứng dụng điều khiển MPC cho hệ điều khiển buồng sấy.

Chương 2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY

Trong Chương 1 đã nêu công nghệ sấy giấy có hai hệ: Hệ sấy hơi và hệ sấy gió.

Trong chương 2 sẽ đi tập trung phân tích quá trình động học và điều khiển của hệ sấy

gió với giả thiết hệ sấy hơi đã hoàn chỉnh. Cấu trúc điều khiển buồng sấy được trình

bày trên Hình 1.17 [3], có ba mạch vòng điều khiển (gia nhiệt gió nóng, cân bằng gió vào – ra và nhiệt độ điểm sương) kết hợp với mạch vòng điều khiển độ ẩm ta có hệ

điều khiển sấy gồm bốn mạch vòng chính. Mạch vòng điều khiển gió nóng tương đối

độc lập, vì vậy giả thiết gió nóng cấp cho buồng sấy là ổn định. Nội dung chương này

sẽ tập trung nghiên cứu động học cho từng mạch vòng điều khiển: Độ ẩm, cân bằng

gió vào - ra và nhiệt độ điểm sương; Nghiên cứu điều khiển cho 3 mạch vòng độc lập, coi tác động xen kênh là nhiễu tác động.

2.1. Động học quá trình sấy và điều khiển độ ẩm trong dây chuyền xeo giấy

Hình 2.1. Quá trình sấy cho một lô

2.1.1. Cơ chế sấy [13],[14]

Quá trình sấy cho một lô gồm 4 giai đoạn như Hình 2.1:

Giai đoạn (2): Giấy được truyền nhiệt từ mặt lô, nhưng lại được chăn (felt) bao, nước trong giấy không có mặt thoáng nên gần như không bay hơi. Giai đoạn này là giai đoạn giấy được gia nhiệt đến nhiệt độ cao từ mặt lô (nhiệt năng của hơi cấp cho lô), nhiệt độ của giấy lúc này sẽ tăng cao nhất vì chăn có tác dụng lớn trong việc giữ nhiệt để truyền đến giấy.

Giai đoạn (1 và 3): Giấy ra khỏi chăn phủ có mặt thoáng nên nước trong giấy bắt

đầu bay hơi vào không khí trong buồng, nhiệt độ bắt đầu giảm, độ ẩm cũng theo đó

giảm theo.

Giai đoạn (4): Giấy được sấy từ gió: giấy được truyền nhiệt thêm từ gió nóng thổi với tốc độ gió không đổi kết hợp với nhiệt đã nhận từ lô, nước trong giấy sẽ bay

hơi nhiều. Tuy nhiên, trong giai đoạn này quá trình bay hơi của nước còn phụ thuộc

vào môi trường và phân bố áp suất trong buồng sấy. Nhiệt độ của giấy giảm, độ ẩm của giấy cũng giảm nhanh.

2.1.2. Động học quá trình sấy cho một lô

Để xây dựng động học quá trình sấy cho một lô sấy, ta dựa trên phương trình

động học tổng quát cho băng giấy chạy qua một lô, với cơ chế sấy 4 giai đoạn cho một lô mục (2.1.1). Ta sẽ đi xây dựng động học quá trình sấy cho từng đoạn và kết hợp ta

được động học cho quá trình sây một lô.

2.1.2.1. Phương trình động học cho đoạn (2)

Đặc điểm giấy được truyền nhiệt từ lô với công suất:[5],[16],[19].

(2.1)

Trong đó:

là hiệu suất truyền nhiệt từ lô vào giấy;

là diện tích truyền nhiệt từ lô vào giấy; là nhiệt độ mặt lô.  η:  KT1(kW/m2K):là hệ số truyền nhiệt từ lô vào giấy;  A1(m2):  Tm(K):

Giấy được phủ chăn nên gần không bay hơi (Wbh ≈ 0), , thay vào (1.14)

biến đổi ta có:

(2.2)

2.1.2.2. Phương trình động học cho đoạn (1&3)

Đặc điểm giấy được truyền nhiệt từ lô nhưng không bị chăn phủ nên có bốc hơi,

nhưng giấy vẫn nhận nhiệt từ lô sấy với công suất (2.1) ta có phương trình như (2.3):

(2.3)

Trong đó:

Wbh1: là lưu lượng hơi nước bay vào không khí

Hb1: là nhiệt tiêu thụ khi bay hơi nước trong giấy ở đoạn (1&3)

2.1.2.3. Phương trình động học cho đoạn (4)

Đặc điểm giấy ra khỏi lô không được nhận nhiệt từ lô mà nhận nhiệt từ gió

[4],[5],[17],[18], lúc đó ta có phương trình như (2.4):

(2.4)

Trong đó:

là nhiệt độ của gió;

là diện tích truyền nhiệt đoạn (4); TG (K): KT2(kW/m2K ): là hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy; A2(m2):

Wbh2,WHb2: là lưu lượng bốc hơi và nhiệt bốc hơi do gió.

Thay (2.4) vào phương trình (1.14), giải ra ta được (2.5)

(2.5)

Hình 2.2. Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy

2.1.3. Cấu trúc điều khiển

Cấu trúc điều khiển mạch vòng điều khiển độ ẩm Hình 2.2, đại lượng cần điều

khiển là độ ẩm giấy, đại lượng điều khiển chính là lưu lượng hơi cấp cho lô thông qua

lượng điều khiển áp suất hơi ∆P* (biến thiên áp suất rơi trên lô) tác động lên quá trình chính Gp1, lượng điều khiển thứ hai là lượng gió nóng ∆Wa1* (biến thiên lưu lượng gió nóng cấp cho buồng sấy) tác động lên quá trình Gp2. Nhiễu đầu vào là biến thiên độ ẩm đầu vào ∆γ1 (do ép keo) tác động lên GD1 và đại lượng xen kênh nhiệt độ điểm sương ∆Td, do ảnh hưởng tốc độ bay hơi K trong biểu thức (1.7) tác động thông qua GTdγ

[25]. Bộ điều khiển Gc1 là bộ điều khiển PID. Như vậy, mạch vòng điều khiển độ ẩm có hai lượng tác động (hơi và gió nóng) hai đại lượng nhiễu chính là γ1 (nhiễu đầu vào) và nhiễu tác động xen kênh Td (gây ra do ảnh hưởng môi trường sấy).

2.2. Động học quá trình cân bằng gió vào – ra (Zero level)

Điều khiển cân bằng gió để đảm bảo gió nóng cấp tập trung vào bề mặt giấy, hạn

chế không khí lạnh lọt vào vùng sấy là ít nhất, hiệu quả sấy gió sẽ cao [3],[35],[36].

Để đảm bảo mức cân bằng, người ta xác định lớp mặt phẳng có áp suất bằng áp suất khí quyển gọi là NP – Neutral Pressure, tạo nên màng ngăn gió lạnh. Chênh áp

của NP với áp suất khí quyển bằng không, nên thường gọi điều khiển cân bằng gió là

điều khiển Zero Level.

Zero Level là một khái niệm được dùng trong công nghệ sấy giấy để thể hiện sự

cân bằng gió vào - ra. Cân bằng được gió vào - ra, chúng ta có thể tiết kiệm được đáng

kể năng lượng khi sấy gió, đồng thời, ta có thể điều khiển các thông số khác của không

khí trong buồng sấy.

2.2.1. Mô hình xác định điểm không áp suất cho buồng sấy

2.2.1.1. Định nghĩa áp suất không trong buồng sấy (Zero level)

Hình 2.3. Áp suất không trong buồng

Để giải thích điểm áp suất không trong buồng sấy, ta xét sự lưu thông không khí trong buồng kín có không gian cố định. Trong đó: F1 là lưu lượng không khí thổi vào buồng, F2 là lưu lượng không khí thoát ra.[31],[32]

Lúc này trong buồng sẽ hình thành một mặt phẳng mà tại đó có áp suất không

(NP) bằng áp suất khí quyển (1atm). Phía trên NP ta có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển (chênh áp dương). Phía dưới NP ta có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chênh áp âm). Mặt phẳng này cách nền một khoảng là h1 và cách trần nhà một khoảng là h2. Độ cao h1 và h2 phụ thuộc vào lưu lượng không khí thổi vào F1 và lưu lượng không khí hút ra F2. Khi cân bằng, h1 và h2 phụ thuộc vào lưu lượng không khí vào F1 (2.6) và không khí ra F2, theo (2.6)

(2.6)

Khi F1 hoặc F2 thay đổi NP sẽ biến động (Hình 2.3)

2.2.1.2. Đặc tính gián đoạn nhiệt độ của Zero Level [32],[33]

Nếu nhiệt độ bên trong buồng sấy cao hơn nhiệt độ môi trường ngoài buồng sấy,

Hình 2.4. Đặc tính của điểm không áp suất

ở vùng áp suất âm gần với NP sẽ tồn tại một lớp nhiệt độ tăng đột biến, trên Hình 2.4 biểu diễn đặc tính áp suất là hàm của chiều cao và nhiệt độ. Phương trình (2.7) mô tả đặc tính chung, trong đó y là biến chiều cao, T là nhiệt độ buồng sấy, T0 nhiệt độ môi trường ngoài buồng sấy. Phương trình (2.8), mô tả đặc tính tại lớp đột biến nhiệt độ.

(2.7)

(2.8)

Trong một số tài liệu, người ta gọi lớp N-D là NPP (Neutral Pressure Plane).

2.2.2. Động học quá trình cân bằng gió vào-ra

Trên Hình 2.5 mô tả mô hình buồng sấy, trong đó có quạt cấp gió nóng và quạt

hút khí thải, do phía trên và dưới hai lô là các lô chăn, nên gió thoát ra chỉ theo hai khe bên cạnh.

Hình 2.5. Mô hình buồng sấy

Từ lý do đó, ta chọn khe gió cạnh buồng để thiết lập cơ cấu đo điểm không áp

suất. Mô hình khe gió dùng thiết lập điều khiển, cân bằng gió vào – ra được trình bày

trên Hình 2.6. Ta lấy điểm đặt NP tại mặt trên của lô dưới. Gọi điểm đặt NP là n có nhiệt độ Tn, phía trên ta có điểm n+1 có nhiệt độ Tn+1, phía dưới n-1 có nhiệt độ Tn-1 và điểm n-2 có nhiệt độ là Tn-2. Theo tính chất của NP, ta so sánh hiệu nhiệt độ ∆T1=Tn- Tn-1, ∆T 2= Tn+1 - Tn và ∆T3 = Tn-1 -Tn-2. Có ba trường hợp: ∆T1 cực đại thì điểm NP là n, ∆T2 cực đại thì NP là n+1 và ∆T3 cực đại thì NP là n-1. Với thiết kế như vậy ta có ba lớp NPP: Lớp giữa là lớp cần điều khiển duy trì tính từ n đến n-1, lớp

dưới tính từ n-1 đến n-2 là lớp gió nóng chạy xuống dưới, lớp trên tính từ n đến n+1

Hình 2.6. Mô hình khe gió buồng sấy và thiết kế NPP

lớp gió nóng chạy lên nên gió lạnh lùa vào vùng sấy.

Từ tính chất gián đoạn nhiệt nêu ở trên, ta có thể thiết kế mô hình đo NPP được

gọi là: Mô hình sensor (được nghiên cứu ứng dụng trong thực tế) [3].

Như ở (2.2.1) đã giả thiết, lấy điểm NP để tính cân bằng gió, vì vậy để xác định

động học quá trình cân bằng ta có giả thiết: Động học cân bằng chỉ quan tâm đến cân

bằng khối lượng, không quan tâm đến cân bằng năng lượng.

Từ giả thiết trên, động học quá trình cân bằng được xây dựng theo các bước sau:

- Xác định các thành phần lưu lượng gió. - Xây dựng động học cân bằng khối lượng. - Từ phương trình động học quá trình cân bằng, ta tính áp suất tại điểm đặt NP.

Lưu lượng gió vào NPP gồm ba thành phần:

- Gió nóng đưa vào buồng để sấy cộng với thành phần hơi nước bốc hơi trong

quá trình sấy, là Wa1 và Wbh.

- Thành phần thứ ba là gió lạnh lùa vào khe gió điểm đặt áp suất không Wkk, lưu lượng gió lạnh phụ thuộc vào chênh áp giữa điểm đặt áp suất không và áp suất khí quyển. Nếu tại điểm đặt áp suất không bằng áp suất khí quyển ta có (NP),Wkk =0, nếu tại điểm đặt áp suất không, áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển, điểm NP dịch lên trên. Wkk khác không giá trị của nó được tính theo giá trị chênh áp (2.9)

(2.9) Wkk=

Trong đó: a là hệ số lấy giá trị 1 khi NP dịch lên trên, lấy giá trị 0 khi NP đạt đúng giá trị đặt, Cv là độ dẫn khe hở (m2) được xác định theo thực tế cấu trúc của buồng sấy, v là thể tích riêng của phần không khí ở dưới( ), .

Lưu lượng gió ra là chỉ có một thành phần là Wa2.

Phương trình cân bằng khối lượng [6],[33] gió cho khe gió khảo sát:

(2.10)

Trong đó:

Wa1 (kg/s): là khí cấp vào;

Wa2 (kg/s): là khí được quạt đưa ra;

Wbh (kg/s): là lưu lượng nước bay hơi;

Wkk (kg/s): là lưu lượng không khí, tính theo (2.9).

Phương trình áp suất tại điểm khảo sát trong khe gió:

(2.11)

Trong đó:

là áp suất điểm khảo sát (Điểm đặt ZL);

p(kpa): V(m3): là thể tích lớp khảo sát;

R(8.314J/mol.K): là hằng số khí lý tưởng;

T(K): là nhiệt độ của khí tại lớp gián đoạn khảo sát;

M(kg/mol): là khối lượng mol của không khí (0,029).

Thay phương trình (2.10) vào (2.11) ta thu được (2.12):

(2.12)

Với:

Từ các phương trình động học ta xác định được mô hình quá trình cân bằng gió

Hình 2.7. Mô hình quá trình cân bằng gió vào-ra

vào-ra được trình bày trên Hình 2.7.

Trong đó đại lượng cần điều khiển là điểm áp suất không (Zerolevel), đại lượng tác động MV là lưu lượng gió nóng Wa1, cơ cấu chấp hành là quạt thổi, các đại lượng nhiễu làWa2,Wbh,và Wkk.

Hình 2.8. Cấu trúc điều khiển Zero Level

2.2.3. Cấu trúc điều khiển gió vào ra

Thiết lập cấu trúc điều khiển được trình bày trên Hình 2.8, trong đó hàm truyền quá trình được mô tả từ (2.12), Gwa1 là hàm truyền của cơ cấu chấp hành (quạt thổi gió nóng ), Gđo là hàm truyền thiết bị đo.

2.3. Động học quá trình nhiệt độ điểm sương

2.3.1. Định nghĩa nhiệt độ điểm sương

Điểm sương (Dewpoint) là điểm không khí trở nên bão hòa hay nói cách khác là

điểm chuyển trạng thái của hơi nước sang trạng thái lỏng trong điều kiện áp suất không khí không đổi. Khi nhiệt độ cao hơn điểm sương thì áp suất thành phần của hơi nước tăng lên và nước có thể bay hơi vào không khí. [28]

Nhiệt độ điểm sương là nhiệt độ của không khí ẩm đạt được khi làm lạnh đến

không khí bão hòa. Nhiệt độ điểm sương phụ thuộc vào 2 yếu tố. Nhiệt độ bầu khô và

độ ẩm có trong không khí.

Về mặt vật lý, việc ứng dụng điểm sương để điều khiển độ ẩm của giấy chính là

việc điều khiển khả năng bay hơi của nước trong giấy. Khi nhiệt độ điểm sương thấp

nghĩa là áp suất thành phần của hơi nước trong không khí thấp, dẫn tới sự khác biệt lớn giữa áp suất thành phần hơi nước trong giấy và không khí. Sự khác biệt này càng lớn

thì nước trong tấm giấy thoát ra càng mạnh. Như vậy, việc điều chỉnh điểm sương dẫn

tới điều chỉnh tốc độ bay hơi của nước trong băng giấy.

Nhiệt độ điểm sương là một yếu tố để đánh giá khả năng chứa thêm hơi nước của

không khí ẩm. Nhiệt độ điểm sương gần với nhiệt độ trong buồng thì chênh lệch áp

suất, khả năng hút ẩm của không khí càng thấp và ngược lại. Như vậy tham số nhiệt độ

điểm sương trong buồng sấy là đại lượng quan trọng nhất về hệ điều không buồng sấy.

Ví dụ, với công suất hơi đảm bảo kết hợp với gió nóng thổi vào mặt giấy có hai trường

hợp xảy ra: Nếu nhiệt độ điểm sương lên cao sát với nhiệt buồng sẽ làm cho hơi nước

trong giấy khó bay hơi và khi bay hơi vào không khí nó lại bị ngưng tụ thấm vào giấy (thậm chí tạo ra mưa trong buồng). Ngược lại, khi nhiệt độ điểm sương xuống quá thấp so với nhiệt độ không khí trong buồng dẫn đến nước trong giấy bay hơi gần hết dẫn đến giấy quá khô và gây ra cháy trong buồng sấy. Trong vận hành cần duy trì nhiệt độ điểm sương ở một nhiệt độ thấp hơn so với nhiệt độ trong buồng là (15-20)0C. Vì vậy, khi vận hành người ta thường phải thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương cho phù hợp và nhất thiết phải thiết lập mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương [3],[34], [35].

2.3.2. Tính toán nhiệt độ điểm sương

Theo [19],[25] Tính toán nhiệt độ điểm sương theo công thức Magnus (2.13).

(2.13)

Trong đó: a =17,27; b = 237,70C Td(0C): Nhiệt độ điểm sương. T(0C): Nhiệt độ không khí trong buồng sấy. 0 < T <160

RH(%): Độ ẩm tương đối của không khí trong buồng sấy. 1% < RH%<100%

2.3.3. Xây dựng động học nhiệt độ điểm sương

Nhiệt độ điểm sương được tính theo (2.13), cách tính toán từ nhiệt độ trung bình

và độ ẩm tương đối của không khí trong buồng, từ đó ta tính được nhiệt độ điểm

sương như sau:

2.3.3.1. Tính toán biến thiên nhiệt độ không khí trong buồng sấy

Trên Hình 2.9 mô tả buồng sấy với các lô sấy, các chăn, băng giấy. Phương trình

Hình 2.9. Lô sấy và bạt sấy

cân bằng công suất nhiệt được tính theo mô hình Hình 2.10.

Ta có: (2.14)

Trong đó:

Qp: công suất do giấy tiêu thụ; Qtt: công suất nhiệt thất thoát;

Hình 2.10. Cân bằng công suất nhiệt để tính nhiệt độ trong buồng sấy

QWa2: công suất do gió hút đưa ra; Qbx: công suất nhiệt bức xạ do lô sấy cấp vào không khí trong buồng sấy; Qchăn: công suất nhiệt do chăn sấy truyền nhiệt lên không khí trong buồng sấy; QWa1: công suất nhiệt do gió nóng cấp vào; QWbh: công suất nhiệt do hơi nước bay ra từ giấy; Qbuồng: công suất nhiệt tích lũy bên trong buồng sấy.

- Qp, Qchăn, Qbx , Qtt trong điều kiện làm việc ổn định rất ít khi thay đổi và ảnh hưởng của nó đến sự biến động nhiệt độ không khí trong buồng là không đáng kể. QWbh, QWa2, QWa1 là các yếu tố tham gia trực tiếp nên có ảnh hưởng mạnh đến sự biến đổi nhiệt độ không khí trong buồng sấy.

- Từ nhận xét trên, khi xây dựng động học quá trình nhiệt không khí trong buồng sấy ta bỏ qua ảnh hưởng của Qp, Qchăn, Qbx, Qtt đến biến thiên nhiệt độ không khí trong buồng sấy. Với giả thiết trên mô hình động học của biến thiên nhiệt độ buồng sấy được mô tả như Hình 2.11.

Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát trong buồng sấy:

(2.15)

Trong đó:

m(kg): là khối lượng không khí có trong buồng sấy;

C: nhiệt dung riêng của không khí (lấy đẳng trị tại độ ẩm tương đối nhất định);

Wa1 (kg/s): là lưu lượng không khí nóng thổi vào buồng sấy; Wa2(kg/s): là lưu lượng không khí hút ra khỏi buồng sấy; Wbh(kg/s): là lượng nước bốc hơi từ giấy; Cn: là nhiệt dung riêng của hơi nước bay hơi từ giấy.

Hình 2.11. Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy

Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc phương trình (2.15) ta được (2.16)

(2.16)

Giả thiết biến thiên khối lượng không khí trong buồng sấy đã được mạch vòng

cân bằng gió điều khiển Zero Level đáp ứng nhanh nên biến thiên ∆m không xét đến. Nhiệt độ không khí vào Ta1 được điều khiển ổn định, nhiệt độ Tn trong hệ thống gần như không đổi. Biến đổi ta thu được:

(2.17)

Mô hình động học của biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy được thể

Hình 2.12. Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy

hiện như Hình 2.12.

(2.18)

Trong đó:

Hình 2.13. Mô hình động học độ ẩm tỉ lệ của không khí

2.3.3.2. Động học quá trình độ ẩm tương đối không khí trong buồng sấy

Từ phương trình cân bằng khối lượng nước trong không khí của buồng sấy, ta có:

(2.19)

Trong đó:

SH: là độ ẩm tỷ lệ của không khí trong buồng (kg/kg);

0,001: là độ ẩm tỷ lệ không khí nóng thổi vào buồng.

Với giả thiết như 2.3.2.1, tuyến tính hóa quanh điểm làm việc và biến đổi phương

trình (2.19) ta được phương trình động học biến thiên độ ẩm tỷ lệ không khí trong

buồng ∆SH:

(2.20)

Biến đổi (2.20) ta có phương trình (2.21):

(2.21)

Với:

2.3.3.3. Tính toán độ ẩm tương đối trong buồng sấy

Độ ẩm tương đối %RH của không khí trong buồng là tỉ số giữa áp suất riêng

phần của hơi nước của không khí trong buồng với áp suất riêng phần của hơi nước tại

điểm bão hòa ở cùng một nhiệt độ xác định tính theo %.

Công thức tính độ ẩm tương đối như sau:[37]

Trong đó:

Pkq=101325 Pa: là áp suất khí quyển; Pw (Pa): là áp suất riêng phần của nước; Psw (Pa): là áp suất riêng phần của nước khi không khí bão hòa tại nhiệt độ xác định; T (0C): là nhiệt độ của không khí trong buồng;

SH(kg/kg): là độ ẩm tỉ lệ của không khí trong buồng sấy;

%RH(%): là độ ẩm tương đối của không khí trong buồng.

2.3.3.4. Mô hình tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sương

Nhiệt độ điểm sương tính toán từ công thức (2.18) và công thức (2.21) kết hợp

với phương trình biến thiên nhiệt độ, biến thiên độ ẩm, giả thiết phần 2.3.1 và 2.3.2 ta

Hình 2.14. Tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sương

xây dựng được mô hình để tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sương như Hình 2.14.

2.3.4. Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương

Hình 2.15. Cấu trúc điều khiển nhiệt độ điểm sương buồng sấy

Kết hợp 3 mô hình Hình 2.12, Hình 2.13, Hình 2.14 ta xây dựng mạch vòng nhiệt độ điểm sương trên Hình 2.15 trong đó: Biến tác động: ΔWa2; Cơ cấu chấp hành là quạt hút ΔWa2; Biến cần điều khiển: Td; Nhiễu chính là ΔWbh và ΔWa1.

2.4. Mô phỏng động học và điều khiển các quá trình trong buồng sấy

Hình 2.16. Sơ đồ của buồng sấy giấy

2.4.1. Cấu trúc điều khiển và thông số để mô phỏng

Cấu trúc và các thông số điều khiển như Hình 2.16 theo [3],[34],[35], đối tượng

nghiên cứu là buồng sấy 3 trong dây chuyền xeo, có 10 lô được điều khiển trực tiếp độ

ẩm.

Hệ thống gió trong buồng gồm một quạt hút không khí ẩm (gọi là quạt hút), quạt cung cấp khí nóng (gọi là quạt cấp), hệ thống các vòi phun gió (pocket ventilation),

thiết bị gia nhiệt hồi lưu HRU (Heat Recycle Unit), thiết bị gia nhiệt khí vào HEU

(Heat Exchanger Unit).

Điều khiển nhiệt độ gió nóng, khô cấp cho buồng sấy là mạch vòng tương đối

độc lập, như ở phần trên đã giả thiết mạch vòng này đảm bảo nhiệt độ gió nóng ổn

định và đủ lưu lượng gió cấp cho buồng sấy.

Điều khiển cân bằng khối lượng ZL (Zero Level): Để đảm bảo cân bằng khối lượng gió vào và ra, hạn chế khí giả (gió lạnh) lọt vào buồng sấy từ ngoài. ZL tạo nên

phân bố áp suất khoảng nằm giữa hai lô (lô trên và lô dưới). Mạch vòng điều khiển ZL dùng đại lượng tác động là lưu lượng gió vào Wa1 (điều khiển tốc độ quạt).

Điều khiển nhiệt độ điểm sương thông qua điều chỉnh lưu lượng gió ra Wa2 dùng quạt hút thải không khí ẩm trong buồng ra ngoài, giữ nhiệt độ điểm sương khoảng 600C (với nhiệt độ trung bình trong buồng sấy là 75oC), cơ cấu đo nhiệt độ điểm sương thông qua hai cảm biến (nhiệt độ và độ ẩm tỷ lệ trong buồng) và thiết bị tính toán

%RH.

Hệ điều khiển sấy giấy có nhiều mạch vòng điều khiển, nhưng chỉ có đại lượng

cần điều khiển duy nhất là độ ẩm giấy và là mục tiêu điều khiển. Tất cả các mạch vòng

điều khiển đều có ảnh hưởng tới độ ẩm giấy. Nên hệ điều khiển sấy là hệ nhiều biến,

trong phần này ta tiến hành khảo sát hệ có nhiều mạch vòng hoạt động độc lập, coi

xen kênh là nhiễu.

Các yếu tố cần được đảm bảo trong buồng sấy gồm có:

- Nhiệt độ khí đầu vào là 1100C với độ ẩm tỷ lệ u=0,001(kg/kg). - Cân bằng khí vào ra Zero Level. - Nhiệt độ điểm sương của buồng duy trì ở mức 600C, nhiệt độ trung bình không

khí trong buồng sấy là 750C.

2.4.2. Mô phỏng động học và điều khiển độ ẩm

2.4.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình sấy

a) Khái quát chung

Mục đích của xây dựng mô hình là xác định được đặc tính của độ ẩm giấy từ khi

vào cho đến khi ra khỏi buồng sấy, từ đó tìm đáp ứng của độ ẩm giấy với tác động

thay đổi áp suất hơi và thay đổi quá trình gió nóng, phục vụ cho việc thiết kế điều

khiển.

b) Những giả thiết và phương pháp xây dựng mô hình

- Các quá trình liên quan như: Gia nhiệt gió nóng ổn định, quá trình truyền nhiệt từ

hơi vào lô đã ổn định.

- Xét quá trình ổn định tại điểm làm việc cho đoạn giấy đi qua buồng.

- Mô hình được xây dựng cho từng lô (theo 4 đoạn), sau đó kết nối đồng bộ chuỗi 10

lô (trong buồng sấy thứ hai trong dây chuyền xeo Hình 2.16.

c) Số liệu mô hình

Theo số liệu vận hành thực tế của nhà máy và các số liệu thực nghiệm [1],[2],[3]

ta có:

Thông số Đơn vị tính Giá trị

Tốc độ xeo m/phút 600

Định lượng giấy g/m2 50

Bề rộng khổ giấy m 4

Đường kính lô m 1.5

Nhiệt độ gió nóng K 383

Độ ẩm tỷ lệ kg/kg 0.001

kg/s 6,51 Lưu lượng gió nóng ở điểm cân bằng

K 383 Nhiệt độ mặt lô

Hệ số truyền nhiệt từ lô vào giấy kW/kg.K KT1= 400 + 955*γ

Hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy kW/kg.K KT2 = 200

Kích thước buồng sấy chiều dài x chiều m x m x m 10 x 6 x 6

rộng x chiều cao

d) Mô hình mô phỏng

Thực chất để mô phỏng hệ sấy chính xác là rất khó khăn vì có nhiều tham số vật lý không kiểm soát được, vì vậy khi xây dựng cần chỉnh định các thông số tốc độ bay hơi sao cho đảm bảo cân bằng vào ra (vào độ ẩm 20% ra là 5%) cho đúng với thực tế

vận hành. Phương pháp mô phỏng là mô tả phương trình vi phân sử dụng Function

trong Matlab cho một lô theo động học trình bày tại mục (2.1.2), (có 4 giai đoạn) bắt

đầu từ lô số 1 sau đó kết nối đồng bộ theo tốc độ xeo, lần lượt tới lô số 10. Nguyên tắc

mô phỏng một lô được trình bày trên Hình 2.17. Gồm đầu vào: Nhiệt độ giấy và độ ẩm đầu vào giấy, hệ số chuyển khối K (tra bảng theo kinh nghiệm cho từng giai đoạn của

các lô [25]); Hệ số và hiệu suất truyền nhiệt, nhiệt độ mặt lô gần đúng không đổi theo

thông số vận hành (được đảm bảo bởi mạch vòng trong điều khiển áp suất). Thông số đầu ra về nhiệt độ và độ ẩm giấy của một lô sẽ là thông số đầu vào lô tiếp theo. Mô

Hình 2.17. Mô hình mô phỏng độ ẩm của một lô

hình mô phỏng 10 lô được trình bày như (Phụ lục 1).

2.4.2.2. Kết quả mô phỏng

Hình 2.18 biểu diễn kết quả đáp ứng tức thời của nhiệt độ giấy qua buồng sấy

(với giá trị đầu vào 333K). Thực tế khi đo nhiệt độ, ta chỉ nhận được giá trị trung bình,

bằng việc xử lý tín hiệu tức thời, ta có đáp ứng nhiệt độ trung bình như Hình 2.19.

Hình 2.20 là đáp ứng độ ẩm tức thời của giấy với độ ẩm đầu vào là 20%. Thông

Hình 2.18. Nhiệt độ tức thời của giấy

qua xử lý tín hiệu ta nhận được đáp ứng độ ẩm trung bình như Hình 2.21.

Hình 2.19. Nhiệt độ trung bình của giấy

Hình 2.20. Độ ẩm tức thời của giấy

Hình 2.21. Độ ẩm trung bình của giấy

2.4.2.3. Nhận xét kết quả mô phỏng

Kết quả độ ẩm của đoạn giấy qua buồng đầu vào 20% đạt được giá trị đầu ra là 5% theo yêu cầu, thể hiện tính toán cân bằng khối lượng, cân bằng năng lượng cho và

các thông số vật lý cho quá trình sấy (như hệ số truyền nhiệt, tốc độ bay hơi, tốc độ thổi của gió nóng vào mặt giấy…) là đúng đắn.

Đặc tính nhiệt độ tức thời và độ ẩm tức thời của đoạn giấy qua buồng phản ánh

đúng với các phương trình động học (mục 2.1.2).

Đáp ứng nhiệt độ giấy và độ ẩm giấy theo 10 lô là phù hợp với thực tế vận hành

ở nhà máy.

2.4.2.4. Xác định đặc tính và hàm truyền quá trình sấy

Như trên đã phân tích, mạch vòng độ ẩm có lượng tác động và hai đại lượng

nhiễu. Xét hệ tại điểm cân bằng:

- Sấy dùng hơi, điều khiển độ ẩm giấy thông qua công suất nhiệt lấy từ hơi lượng tác động là áp suất hơi P* (tín hiệu tỷ lệ với áp suất tại đầu vào lô so với áp suất bình ngưng).

- Sấy dùng gió nóng, độ ẩm phụ thuộc vào công suất nhiệt lấy từ gió, lượng

tác động là lưu lượng gió Wa1 (với nhiệt độ gió giữ không đổi).

- Như vậy mô hình điều khiển độ ẩm giấy khi sấy có hai lượng tác động (P*

a1) và một đại lượng cần điều khiển là độ ẩm.

và W*

Từ trên mô hình mô phỏng ta thay đổi hai lượng tác động sẽ nhận được đáp ứng

độ ẩm như sau:

Hình 2.22. Đáp ứng của độ ẩm với công suất nhiệt sấy từ hơi

a) Mô phỏng cho hệ hở

Giảm công suất nhiệt sấy từ hơi 20%, bằng tác động lên cơ cấu chấp hành van

cấp hơi [3] ta có đáp ứng trên Hình 2.22.

Từ đáp ứng Hình 2.22 nhận dạng bằng Toolbox của Matlab ta nhận được hàm

truyền:

Giảm lưu lượng gió 20%, bằng tác động lên quạt, nhận được đáp ứng độ ẩm giấy

Hình 2.23. Đáp ứng của độ ẩm với gió vào

trên Hình 2.23.

Từ đáp ứng Hình 2.23 nhận dạng bằng Toolbox của Matlab ta được hàm truyền:

Hình 2.24. Đáp ứng của độ ẩm với nhiễu độ ẩm đầu vào

Tăng độ ẩm đầu vào ∆ 1=+10% nhận được đáp ứng độ ẩm đầu ra trên Hình 2.24

Từ đáp ứng Hình 2.24 ước lượng bằng Toolbox của Matlab ta được hàm truyền:

Tác động của ảnh hưởng nhiệt độ điểm sương, về bản chất vật lý sẽ làm thay đổi

hệ số tốc độ bay hơi K, dẫn đến tác động đến độ ẩm đầu ra, rất khó có thể xác định từ

mô hình vì vậy hàm truyền này lấy số liệu điều chỉnh của nhà máy [3] ta có:

Nhận xét:

Tác động công suất nhiệt sấy từ gió (độ ẩm tăng từ 0,05 lên 0,068 khi gió giảm

20%) ảnh hưởng tới độ ẩm lớn hơn so với công suất nhiệt sấy từ hơi (độ ẩm tăng từ

0,05 lên 0,062 khi hơi giảm 20%), điều này là do hệ số tốc độ bay hơi sấy từ gió lớn

hơn. Tuy nhiên, công suất sấy từ hơi cấp nhiệt cho giấy vẫn là chính, gió thổi vào mặt

giấy tạo bay hơi nhanh nhưng vẫn cần dựa trên nền nhiệt của hơi cấp cho giấy. Điều

này cho ta thấy, nếu thiết kế sấy từ gió tốt sẽ giảm được công suất hơi (tức là tiết kiệm

được năng lượng hơi, lưu ý năng lượng hơi chiếm 2/3 năng lượng cho sản xuất giấy).

Quán tính sấy từ hơi chậm hơn so với sấy từ gió, do qua nhiều quá trình truyền nhiệt

(từ hơi đến lô, từ lô đến giấy). Thời gian trễ của gió lớn hơn so với hơi, do trễ vận

chuyển của gió lớn.

Kết quả mô phỏng thu được gần sát với đặc tính thí nghiệm Open Test của dây

chuyền 2 nhà máy giấy Bãi Bằng. Do vậy, việc mô phỏng vật lý quá trình sấy gần

đúng có thể chấp nhận được.

b) Mô phỏng cho hệ kín

Từ hàm truyền thu được ta thiết lập mạch vòng điều khiển độ ẩm, với mục đích

xác định tính ổn định khi tác động của nhiễu.

- Xác định tham số PID theo Toolbox của Matlab ta được đáp ứng như Hình

2.25.

- Ta khảo sát sự thay đổi các đại lượng vật lý trong buồng khi thay đổi lượng

gió tác động Wa1 theo hàm truyền Gp2.

- Tác động của nhiễu độ ẩm đầu vào ∆ 1 với hàm truyền nhiễu GD1 xác định

từ mô hình.

- Tác động nhiễu nhiệt độ điểm sương ∆T*d.

Hình 2.25. Sơ đồ khối hệ điều khiển độ ẩm xây dựng trên Matlab

Hình 2.26. Đáp ứng của hệ điều khiển độ ẩm

* Kết quả mô phỏng

Nhận xét:

Khi hệ làm việc ổn định tại điểm cân bằng, nếu tăng nhiễu độ ẩm đầu vào, làm cho độ ẩm của giấy ra tăng, mạch vòng độ ẩm tác động làm tăng ∆P* kéo độ ẩm về điểm làm việc. Khi tăng lưu lượng gió nóng W*a1 =10% cấp vào buồng sấy làm cho độ ẩm của giấy ra giảm, mạch vòng độ ẩm tác động giảm ∆P* kéo độ ẩm về điểm làm việc. Nhiệt độ điểm sương ∆T*d=10% tác động nhiều đến độ ẩm tăng. Điều này cho thấy hoạt động ổn định của mạch vòng điều khiển và có giảm được nhiễu.

2.4.3. Mô phỏng động học và điều khiển Zero level

Xuất phát từ phương trình (2.12) và cấu trúc điều khiển Hình 2.8 ta xây dựng

được mô hình mô phỏng như Hình 2.27. Thông số tính toán mô hình lấy từ thực tế vận

hành tại nhà máy giấy Bãi Bằng [1],[2],[3].

; ;

;

Điểm ZL (1,6m so với mặt sàn thao tác) tương ứng với mặt trên của lô dưới.

Hình 2.27. Sơ đồ khối hệ điều khiển Zero - level xây dựng trên Matlab

2.4.3.1. Mô hình hóa

Hình 2.28. Đáp ứng của hệ điều khiển Zero level

2.4.3.2. Kết quả mô phỏng

2.4.3.3. Nhận xét kết quả mô phỏng

Hệ ổn định tại điểm Zero Level.

Khi nhiễu Wa2 tác động tăng dẫn đến áp suất tại ZL giảm, tức áp suất âm (do điểm áp suất âm dâng lên, hệ điều khiển tác động (tăng Wa1) áp suất tại điểm ZL về điểm ổn định bằng không. Khi nhiễu Wa2 giảm áp suất tại điểm ZL, tức áp suất dương (do điểm áp suất không bị kéo xuống), hệ điều khiển tác động giảm Wa1 điểm ZL ổn định về không.

Ảnh hưởng của Wbh khi khảo sát ít (do khối lượng nhỏ) thay đổi nên trong giao

diện không thể hiện.Đáp ứng của áp suất rất nhạy.

2.4.4. Mô phỏng động học và điều khiển nhiệt độ điểm sương

2.4.4.1. Sơ đồ mô phỏng điều khiển nhiệt độ điểm sương (như phụ lục 3)

2.4.4.2. Mô phỏng

Thông số mô phỏng:

a) Mô phỏng hệ thống hở

(a)

(c)

(b)

Hình 2.29. Sự thay đổi của nhiệt độ điểm sương

(d)

Xét hệ đang làm việc ở điểm cân bằng, dựa trên các mô hình động học nhiệt độ Hình 2.12 mô hình động học độ ẩm tỷ lệ Hình 2.13, mô hình tính toán nhiệt độ điểm sương Hình 2.14, ta khảo sát các đáp ứng hệ hở:

- Dựa trên mô hình động học độ ẩm tỷ lệ Hình 2.13, mô hình động học nhiệt độ điểm sương Hình 2.14, ta thay đổi giảm lưu lượng gió hút ∆Wa2 độ ẩm tỷ lệ thay đổi ta được ∆SH% (Đáp ứng Hình 2.27a) dẫn đến nhiệt độ điểm sương thay đổi Hình 2.27b.

- Dựa trên mô hình động học nhiệt độ không khí của buồng Hình 2.12, mô hình động học nhiệt độ điểm sương Hình 2.14 ta thay đổi giảm lưu lượng gió nóng ∆Wa1 độ ẩm tỷ lệ thay đổi ta được ∆Td (Đáp ứng Hình 2.29c) dẫn đến nhiệt độ điểm sương thay đổi Hình 2.29d.

Các đáp ứng trên Hình 2.29 (hệ hở) cho thấy động học phản ảnh đúng tính chất

vật lý của hệ.

b) Mô phỏng hệ thống kín

- Xác định tham số PID theo Toolbox của Matlab ta được đáp ứng như Hình 2.30.

- Ta khảo sát sự thay đổi các đại lượng vật lý trong buồng khi thay đổi điểm đặt ΔTd

và xét ảnh hưởng của nhiễu Wa2 và Wbh.

2.4.4.3. Kết quả mô phỏng

(1)

(2)

(3)

(4)

Hình 2.30. Đồ thị đáp ứng với thay đổi lượng đặt ∆Td =±10%

a) Đáp ứng theo lượng đặt nhiệt độ điểm sương ∆Td =±10%

Trên Hình 2.30 biểu diễn các đáp ứng, cụ thể: Khi thay đổi lượng đặt Td =

±10%, ta có các đại lượng vật lý trong hệ biến đổi theo dạng đồ thị trên Hình 2.30.

Trong đó:

Đồ thị 1 là thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương ∆Td =±10%; Đồ thị 2 là đáp ứng của lưu lượng gió hút Wa2; Đồ thị 3 tương ứng biến thiên của độ ẩm %RH;

Đồ thị 4 nhiệt độ trung bình trong buồng sấy.

b) Đáp ứng với nhiễu ∆Wa1 và ∆ Wbh

Ta khảo sát đáp ứng của các nhiễu Wa1, Wbh như Hình 2.31.

Đồ thị 1 là nhiệt độ điểm sương tính đơn vị %

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Hình 2.31. Đồ thị đáp ứng với nhiễu Wa1 và Wbh

Đồ thị 2 là lưu lượng gió hút ra, ∆Wa2(%) Đồ thị 3 là lưu lượng nước bay hơi, ∆Wbh (%) (Tác động vào thời điểm t=200) Đồ thị 4 là lưu lượng gió vào, ∆Wa1 (%) (Tác động vào thời điểm t=600) Đồ thị 5 là độ ẩm tương đối, %RH Đồ thị 6 là nhiệt độ, T (0C)

2.4.4.4. Nhận xét

a) Đáp ứng theo lượng đặt nhiệt độ điểm sương

Khi tăng lượng đặt của nhiệt độ điểm sương, do khả năng bay hơi của nước từ

giấy giảm dẫn đến nhiệt độ bên trong buồng sấy giảm theo, và ngược lại.

Khi giảm lượng đặt cho nhiệt độ điểm sương, Quạt Wa2 tăng công suất để tăng lượng hơi nước đưa ra bên ngoài, độ ẩm của không khí trong buồng giảm xuống và

ngược lại.

Đáp ứng phù hợp với thực tế vận hành trong nhà máy.

b) Đáp ứng với nhiễu ∆Wa1 và ∆Wbh

Khi giảm Wa1 xuống thì nhiệt độ trong buồng giảm dẫn đến độ ẩm tương đối của

không khí trong buồng tăng lên theo nên nhiệt độ điểm sương trong buồng thay đổi rất ít.

Khi tăng Wbh, độ ẩm trong buồng (đồ thị 5) tăng lên, nhiệt độ điểm sương cũng tăng theo. Để đảm bảo cân bằng khí vào - ra trong buồng sấy, bộ điều khiển tác động Wa1 tăng lên làm tăng nhiệt độ trong buồng. Bộ điều khiển tác động Wa2 tăng lên làm giảm độ ẩm không khí trong buồng. Do đó, nhiệt độ điểm sương cũng giảm theo.

2.4.5. Kết luận chương 2

Từ việc phân tích cơ chế và quá trình sấy, ta đã xây dựng động học quá trình sấy

cho mô hình buồng sấy 10 lô. Kết quả mô phỏng cho thấy phù hợp về ý nghĩa vật lý và

thực tế vận hành. Tác động sấy từ gió rất hiệu quả, làm độ ẩm giấy giảm nhanh, như

vậy buồng sấy đối lưu theo công nghệ mới sẽ giảm được tiêu thụ công suất hơi. Từ mô

hình mô phỏng, cho tác động của nhiễu đầu vào được mô hình điều khiển quá trình sấy

với hai lượng tác động và một đại lượng cần điều khiển. Với mô hình điều khiển này

có thể dùng để thiết kế điều khiển cho hệ thống sấy.

Đã xây dựng được động học nhiệt độ điểm sương; ảnh hưởng của lưu lượng nước bay hơi, lưu lượng gió nóng thổi vào buồng và nhiệt độ trong buồng sấy, tới nhiệt độ điểm sương trong buồng sấy giấy; Thiết lập cấu trúc điều khiển và mô phỏng điều khiển quá trình nhiệt độ điểm sương, đáp ứng thu được phù hợp với thực tế vận hành.

Chương 3. HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN BUỒNG SẤY GIẤY

Trong Chương 2 đã nghiên cứu riêng rẽ ba mạch vòng: Điều khiển độ ẩm, điều

khiển cân bằng gió vào - ra và điều khiển nhiệt độ điểm sương trong đó các ảnh hưởng xen kênh giữa ba mạch vòng với nhau coi như là nhiễu tác động. Nội dung chương này

sẽ phân tích và xây dựng động học, điều khiển hệ với cấu trúc điều khiển đa biến, từ

đó khảo sát tác động xen kênh và thiết kế điều khiển đảm bảo độ ẩm giấy theo yêu cầu.

3.1. Khái quát cấu trúc điều khiển của các mạch vòng

3.1.1. Mạch vòng điều khiển độ ẩm

Đại lượng cần điều khiển là độ ẩm, đại lượng tác động thứ nhất là áp suất hơi và

đại lượng tác động thứ hai là lưu lượng gió nóng có hàm truyền đã ước lượng ở mục

2.4.1.4.

Cấu trúc điều khiển trình bày trên Hình 3.1 trong đó Gc1 là hàm truyền bộ điều

Hình 3.1. Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy

khiển PID

3.1.2. Mạch vòng cân bằng gió vào – ra (Zero Level)

Hệ điều khiển Zero level có đại lượng cần điều khiển là áp suất tại ZL, đại lượng tác động là lưu lượng gió nóng ∆Wa1, nhiễu tác động là lưu lượng nước bay hơi ∆Wbh do biến thiên độ ẩm đầu ra ∆γ và lưu lượng gió thải ∆Wa2. Ngoài ra có lượng khí giả lọt vào buồng sấy Wkk theo (2.29). Từ cấu trúc điều khiển mục (2.2) và mô hình mô phỏng Hình 2.25, xác định hàm truyền của hệ :

Hình 3.2. Mạch vòng điều khiển cân bằng gió ZL

Cấu trúc điều khiển mạch vòng ZL được trình bày trên Hình 3.2

Cấu trúc mạch vòng điều khiển ZL có:

- Hàm truyền quá trình là khâu tích phân (xem 2.2),

- Hàm truyền nhiễu tác động xen kênh từ mạch vòng nhiệt độ điểm sương

- Hàm truyền cơ cấu chấp hành là GWa1 với tín hiệu điều khiển là ∆U2,

G∆Wa2 với lượng điều khiển ∆U3,

- Hàm truyền của nhiễu xen kênh từ mạch vòng độ ẩm GWbh với đại lượng

đầu vào là biến thiên độ ẩm đầu ra của giấy ∆ .

- Lưu lượng ∆Wkk tác động tùy thuộc vào giá trị áp suất tại NP.

- Bộ điều khiển Gc2 là bộ điều khiển PID.

3.1.3. Mạch vòng nhiệt độ điểm sương của buồng sấy

Từ cấu trúc điều khiển mục (2.3) và mô hình mô phỏng Hình 2.27 ta tiến hành

Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sương

ước lượng các hàm truyền trên Hình 3.3.

Trong đó:

Biến cần điều khiển ΔTd;

Biến điều khiển ΔWa2* với tín hiệu điều khiển ∆U3 tác động lên quá trình Gp3;

Tác động nhiễu xen kênh từ mạch vòng ZL là lưu lượng gió nóng ΔWa1, Tác động nhiễu xen kênh từ mạch vòng độ ẩm là Δγ

3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển đa biến

Chương 2 đã nghiên cứu riêng rẽ từng mạch vòng coi tác động xen kênh là nhiễu

và đã xác định được các hàm tác động xen kênh. Tuy nhiên trong vận hành hệ là thể thống nhất nên cần phân tích hệ điều khiển buồng sấy là hệ đa biến.

Ta xét kết nối ba mạch vòng: Điều khiển độ ẩm giấy, điều khiển Zero level, điều

khiển nhiệt độ điểm sương có tác động xen kênh theo cấu trúc đa biến tổng quát trên

Hình 3.4.

Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển đa biến buồng sấy giấy

- Giữa mạch vòng điều khiển độ ẩm và điều khiển cân bằng gió vào - ra (ZL) có tác động xen kênh là: Lượng điều khiển của mạch vòng ZL là Wa1 (lưu lượng gió nóng vào) có tác động lên mạch vòng độ ẩm ta gọi nó là hàm truyền G21, đại lượng đầu ra của mạch vòng độ ẩm γ sẽ sinh ra lưu lượng nước bốc hơi Wbh sẽ tác động lên mạch vòng ZL ta gọi đó là G12.

- Giữa mạch vòng điều khiển độ ẩm và mạch vòng nhiệt độ điểm sương: Đại lượng ra γ sẽ sinh ra Wbh gây nên độ ẩm tương đối %RH tác động lên nhiệt độ điểm sương ta gọi đó là G13. Nhiệt độ điểm sương sẽ ảnh hưởng tới hệ số bay hơi Kbh, nhiệt độ điểm sương càng lớn gần với nhiệt độ trung bình của buồng thì khả năng bay hơi nước từ giấy càng giảm, ta gọi tác động xen kênh đó là G31.

- Giữa mạch vòng ZL và mạch vòng nhiệt độ điểm sương: Đại lượng điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sương Wa2 tác động sẽ làm mất cân bằng ZL ta gọi G32 và ngược lại đại lượng điều khiển ZL là Wa1 tăng sẽ làm cho nhiệt độ điểm sương tăng. Ta gọi G23.

Từ lý luận trên dẫn đến ta cần xây dựng hệ điều khiển đa biến cho buồng sấy trên

Hình 3.4.

Mô phỏng: Dựa trên phân tích các mạch vòng đa biến, ta có sơ đồ mô phỏng trên

Hình 3.5. Sơ đồ mô phỏng điều khiển đa biến buồng sấy sử dụng Matlab Simulink

Bảng 3-1. Bảng tổng kết các mạch vòng trong buồng sấy giấy

hình Hình 3.5:

Mạch vòng 01. Mạch vòng độ ẩm 02. Mạch vòng Zero level 03. Điều khiển nhiệt độ điểm sương

Chức năng của mạch vòng

Là mạch vòng đảm bảo cân bằng gió trong buồng.

Là mạch vòng quan trọng nhất, đảm bảo chất lượng thành phẩm.

Mạch vòng đảm bảo điều kiện công nghệ sấy, tạo điều kiện hơi nước đi ra dễ nhất.

Cân bằng khối lượng, năng lượng. Cân bằng khối lượng. Cân bằng động học

Cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng.

Độ ẩm giấy đầu ra*Δγ. Điểm cân bằng áp suất trong buồng. Nhiệt độ điểm sương. Biến cần điều khiển

Biến tác động

Gió nóng cấp vào buồng ΔWa1. Gió đưa ra khỏi buồng ΔWa2.

Công suất nhiệt cấp cho lô sấy thông qua áp suất hơi cấp cho lô ΔP.

Nhiễu ΔWa2, ΔWbh. ΔWa1, ΔWbh.

ΔWa1, ΔTd, độ ẩm giấy đầu vào Δγ1.

3.2.1. Khảo sát sự biến đổi của nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng sấy giấy

Thực tế vận hành tại dây chuyền xeo giấy nhà máy, với một sản phẩm giấy các

thông số kỹ thuật thường ít khi thay đổi Nhiễu ảnh hưởng tới hệ là độ ẩm của giấy đầu vào γ1 (sau ép keo), thông thường biến đổi tăng khoảng 0,2 đến 0,25, nhiễu này là ngẫu nhiên. Ngoài ra khi vận hành, người ta thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương để phù

hợp với loại nguyên liệu đầu vào và căn cứ thực trạng môi trường ảnh hưởng đến chất lượng giấy (thực tế vận hành thay đổi Td từ 45÷600C). Vì vậy ta khảo sát đáp ứng hệ với hai trường hợp:

* Thay đổi điểm đặt của biến thiên nhiệt độ điểm sương thay đổi 10% từ 600C

±10%

* Thay đổi biến thiên độ ẩm đầu vào từ 0,2 lên 0,25 (khoảng ± 25%)

Các đại lượng vật lý cần quan tâm sẽ được ghi lại gồm:

- Nhiệt độ điểm sương; - Độ ẩm của giấy; - Zero Level; - Lưu lượng gió nóng Wa1 và lưu lượng khí thải Wa2;

Công suất nhiệt đưa vào lô thông qua chênh áp (ΔP).

Các bộ điều khiển Gc1,Gc2và Gc3 là các bộ điều khiển PID.

3.2.2. Kết quả mô phỏng

3.2.2.1. Thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương ±10%:

Kết quả mô phỏng như Hình 3.6.

Hình 3.6. Đáp ứng của hệ khi thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương ∆Td =±10%

Nhận xét:

Khi giảm nhiệt độ điểm sương độ ẩm giấy giảm đến hơn 20%, mạch vòng điều

khiển sấy tác động, chênh áp suất sấy giảm để điều khiển kéo độ ẩm về giá trị đặt,

mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương tác động ổn định điểm đặt nhiệt độ điểm sương tức là Wa2 tăng, dẫn đến ảnh hưởng tới mạch vòng ZL, Wa1 tăng theo giữ cân bằng.

Ngược lại, khi tăng lượng đặt nhiệt độ điểm sương, độ ẩm giấy tăng hơn 20%, mạch vòng điều khiển sấy tác động làm tăng chênh áp suất hơi để điều khiển độ ẩm về giá trị đặt. Mạch vòng nhiệt độ điểm sương tác động ổn định điểm đặt nhiệt độ điểm sương, Wa2 giảm dẫn đến ảnh hưởng tới mạch vòng ZL, Wa1 giảm để giữ cân bằng.

Hình 3.7. Đáp ứng của hệ khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào của giấy ∆γ1=25%

3.2.2.2. Thay đổi nhiễu tác động độ ẩm giấy ∆γ1=25%

Nhận xét:

Tăng độ ẩm giấy đầu vào ∆γ1=25% làm độ ẩm giấy đầu ra tăng 15%, mạch vòng điều khiển độ ẩm tác động làm cho công suất nhiệt đầu vào tăng lên, tức là chênh áp

∆P tăng, lưu lượng hơi vào nhiều hơn để tăng nhiệt sấy, kéo độ ẩm giấy đầu ra về giá trị đặt, dẫn đến lưu lượng hơi nước bay hơi Wbh tăng. Nhiệt độ điểm sương tăng 10% dẫn đến tác động tăng Wa2, làm giảm nhiệt độ điểm sương về giá trị đặt, lúc đó mạch vòng ZL bị ảnh hưởng, áp suất điểm cân bằng giảm xuống âm, mạch vòng ZL tác động tăng Wa1 để giữ cân bằng.

Đặc biệt, độ ẩm đầu ra giảm mạnh (khoảng 20%) và ngược lại khi nhiệt độ điểm sương tăng độ ẩm đầu ra tăng (khoảng 20%). Kết quả mô phỏng hệ hoạt động ổn định

đáp ứng tốt. Tuy nhiên, hệ bị bị tác động xen kênh lớn ảnh hưởng đến chất lượng độ

ẩm đầu ra.

3.2.2.3. Nhận xét chung

Khi xét hệ ở hệ đa biến ta thấy hệ tác động đúng với thực tế vận hành, hệ có sự

tác động xen kênh lớn đặc biệt giữa hai mạch vòng điều khiển độ ẩm và mạch vòng

điều khiển nhiệt độ điểm sương, hai mạch vòng này có đáp ứng chậm (phù hợp với quá trình vật lý). Mạch vòng ZL bị tác động xen kênh của hai mạch vòng còn lại

nhưng tác động nhanh hơn.

3.3. Thiết kế bộ điều khiển đa biến tách kênh

Thiết kế điều khiển đa biến tách kênh dựa trên hệ ba vào ba ra (3-3) thực sự khó

khăn. Gần đúng ta có thể đơn giản hệ 3 vào – 3 ra bằng hệ đa biến rút gọn hai vào hai

ra (2-2) với sai số cho phép.

Theo thực tế vận hành cũng như kết quả mô phỏng cho thấy mạch vòng cân bằng

gió vào ra – ZL, tác động rất nhanh so với hai mạch vòng còn lại (cụ thể chỉ vài chục giây so hàng trăm giây). Vì vậy, để đơn giản khi thiết kế điều khiển đa biến tách kênh

ta giả thiết bỏ qua động học của mạch vòng gió vào – ra. Để thực hiện thiết kế điều

khiển đa biến tách kênh, ta sẽ tiến hành qua các bước sau:

- Xây dựng hệ đa biến rút gọn (2-2), kiểm tra sai số của nó với hệ đa biến đầy

đủ (3-3) thông qua đánh giá đáp ứng.

- Đưa hệ đa biến về dạng chuẩn và kiểm tra đánh giá đáp ứng của nó so với hệ

(2-2).

- Từ hệ đa biến dạng chuẩn ta đi thiết kế điều khiển tách kênh.

- Áp dụng bộ điều khiển tách kênh từ thiết kế hệ đa biến dạng chuẩn vào hệ

thực (3-3).

3.3.1. Hệ đa biến rút gọn

Từ giả thiết phần trên ta có cấu trúc hệ điều khiển đa biến buồng sấy được trình

bày trên Hình 3.8 gọi là hệ đa biến rút gọn. Khi bỏ qua động học, mạch vòng cân bằng gió vào - ra được tính toán theo phương trình đại số, do Wkk max = 0.2(kg/s) rất nhỏ so với lưu lượng gió thổi vào, lưu lượng nước bốc hơi và lưu lượng gió hút ra, nên bỏ

qua.

(3.1)

Ta có thể viết lại phương trình (2.12):

Với giả thiết như vậy, ta có cấu trúc hệ còn lại hai biến: Điều khiển độ ẩm và

Hình 3.8. Cấu trúc điều khiển buồng sấy giấy với hai biến

điều khiển nhiệt độ điểm sương. Nhưng vẫn đảm bảo tính cân bằng tĩnh gió vào - ra.

3.3.2. Kiểm tra động học của hệ đa biến rút gọn

Từ cấu trúc điều khiển Hình 3.8, ta đi mô phỏng dùng matlab trình bày trên Hình 3.9.

Hình 3.9. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển sấy hai biến

Hình 3.10. Đáp ứng của hệ điều khiển hai biến khi tác động của nhiễu độ ẩm đầu vào ∆γ1=25%

Kết quả mô phỏng trình bày trên Hình 3.10 và Hình 3.11.

Hình 3.11. Đáp ứng hệ điều khiển hai biến khi thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương

∆Td = ±10%

Nhận xét:

Đáp ứng hệ điều khiển buồng sấy với cấu trúc đa biến rút gọn hai biến về cơ bản

vẫn đảm bảo tính chất hoạt động như hệ 3 biến hệ hoạt động ổn định, tác động xen

kênh các mạch vòng tương tự như hệ ba biến, sự khác với với hệ ba biến là khi thay

đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương và nhiễu độ ẩm đầu vào, độ ẩm đầu ra thay đổi với

biên độ thấp (10%), vì bỏ qua động học ZL nên cân bằng gió vào – ra tác động nhanh

hơn. Đáp ứng của ZL thay đổi không đáng kể khi tác động nhiễu độ ẩm và thay đổi ít khi tác động nhiễu nhiệt độ điểm sương (điều này phù hợp với quá trình vật lý cân bằng khối lượng).

Như vậy ta có thể kết luận: Việc đơn giản hệ điều khiển ba biến Hình 3.4 thành

hệ điều khiển hai biến Hình 3.8 ảnh hưởng không đáng kể tới tính chất động học của hệ.

3.3.3. Hệ đa biến dạng chuẩn

Để thiết kế điều khiển tách kênh hệ đa biến buồng sấy, ta cần đưa hệ về dạng

chuẩn. Điều này thực hiện bằng giải pháp ước lượng hàm truyền.

Từ cấu trúc điều khiển của hệ đa biến Hình 3.8, tiến hành ước lượng hàm truyền

như sau: Đưa cấu trúc trên Hình 3.8 về dạng hệ hở cho tác động đầu vào lượng đặt và

lượng nhiễu với biên độ 10% ta nhận được các hàm truyền:

;

- Mô hình quá trình:

+ G11(s) là mô hình đáp ứng với đầu ra bộ điều khiển độ ẩm.

+ G22(s) là mô hình đáp ứng với đầu ra bộ điều khiển nhiệt độ điểm sương.

- Mô hình nhiễu xen kênh:

+ G21(s) là mô hình đáp ứng của xen kênh từ mạch vòng Td đến .

+ G12(s) là mô hình đáp ứng của xen kênh từ mạch vòng  đến Td.

Từ kết quả ước lượng ta xây dựng cấu trúc hệ đa biến dạng chuẩn trình bày trên

Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc hệ đa biến dạng chuẩn

Hình 3.12.

Hình 3.13. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển đa biến dạng chuẩn

Hình 3.14. Đáp ứng của hệ đa biến dạng chuẩn khi tác động nhiễu ΔTd = ±10%

3.3.4. Kiểm tra và đánh giá hệ đa biến dạng chuẩn

Nhận xét:

Khi tăng, giảm điểm đặt 10% cho nhiệt độ điểm sương, ta nhận được đáp ứng của hệ đa biến dạng chuẩn gần như đáp ứng của hệ đa biến thực Hình 3.11. Độ ẩm đầu ra tăng và giảm khoảng 20%.

Hình 3.15. Đáp ứng của mạch vòng  khi nhiễu tác động Δγ1=25%

Khảo sát đáp ứng theo nhiễu 1 tác động lên mạch vòng điều khiển 

Nhận xét: Đáp ứng của hệ đa biến dạng chuẩn theo nhiễu độ ẩm đầu vào về cơ

bản nó gần tương tự với hệ đa biến thực Hình 3.10. Tuy nhiên, độ ẩm đầu ra có giá trị

nhỏ hơn.

Kết luận:

Hệ đa biến dạng chuẩn có đặc tính gần tương tự như hệ đa biến thực Hình 3.8.

Như vậy việc nhận dạng và cấu trúc đa biến dạng chuẩn có thể chấp nhận được.

3.3.5. Thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ điều khiển buồng sấy giấy

* Phân tích hệ số xen kênh ()

Hệ số khuyếch đại xen kênh [6],[9] tổng quát kênh thứ j đến thứ i gọi là được tính:

(3.2)

Áp dụng cho hệ hai biến như Hình 3.16 ta có:

(3.3)

(3.4)

Xét hệ khi xác lập ta có hệ số khuyếch đại xen kênh

(3.5)

Với 11 được phân tích như trên, hệ thống có tác động xen kênh lớn, do đó cần

phải thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ.

* Thiết kế bộ điều khiển tách kênh

Cấu trúc điều khiển tách kênh được trình bày trên Hình 3.16: D(s) là ma trận các phần tử tách kênh, G(s) là ma trận hàm truyền của quá trình, R(s) là ma trận của các bộ

Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển tách kênh cho hệ đa biến dạng chuẩn

điều khiển mạch vòng độ ẩm giấy và mạch vòng nhiệt độ điểm sương.

Đặt là véc tơ đầu ra; là véc tơ các tín hiệu từ bộ điều khiển,

là là véc tơ các tín hiệu điều khiển đưa vào quá trình;

véc tơ các tín hiệu đặt.

Hệ thống điều khiển độ ẩm của buồng sấy giấy được mô tả bởi mối quan hệ sau:

y = G.u*; u* = D.u; u=P.[w-y].

Do đó : y = G.D.P.[w - y] (3.6)

Để cho các bộ điều khiển chỉ phải điều khiển các mạch vòng độc lập thì:

(3.7)

T là một ma trận đường chéo.

Ma trận tách kênh D(s) thu được từ phương trình: D(s) = G-1(s).T(s)

Ma trận nghịch đảo của G(s) là:

(3.8)

Thay T(s) và G(s) vào phương trình (3.8) thì ta thu được ma trận tách kênh D(s):

(3.9)

- Tính toán thông số:

Lựa chọn ngẫu nhiên là

và .

Lựa chọn này là sự tách kênh được Luyben đưa ra vào năm 1970 theo đó thì bộ

tách kênh chỉ phụ thuộc vào G(s):

(3.10)

Rút Và thay vào (3.9) ta thu được:

Hình 3.17. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển tách kênh cho đa biến dạng chuẩn

Hình 3.18. Đáp ứng của hệ có bộ tách kênh khi thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương

(3.11)

Hình 3.19. Đáp ứng của hệ thống khi có bộ tách kênh với nhiễu là độ ẩm giấy đầu vào

Nhận xét:

Từ Hình 3.18, khi thay đổi nhiệt độ điểm sương xuống 10%, bộ điều khiển nhiệt

độ điểm sương sẽ điều khiển tăng công suất quạt hút nhưng đồng thời tác động đến

mạch vòng độ ẩm nên độ ẩm có sự dao động không đáng kể. Ảnh hưởng của xen kênh

đã được bù.

Từ Hình 3.19, với nhiễu độ ẩm giấy đầu vào, tác động xen kênh đối với mạch

vòng nhiệt độ điểm sương không đáng kể. Nhưng vẫn ảnh hưởng lớn tới độ ẩm đầu ra.

Để khắc phục ta có thể dùng Feedforward để kháng nhiễu độ ẩm đầu vào, nhưng việc này khó thực hiện do không đo được nhiễu độ ẩm đầu vào.

* Kiểm tra và đánh giá bộ điều khiển tách kênh đã thiết kế ứng dụng trên hệ

đa biến thực

Như trên đã trình bày để thiết kế bộ điều khiển tách kênh ta đã đưa hệ đa biến về dạng chuẩn bằng phương pháp ước lượng hàm truyền. Tuy nhiên, ta cần đánh giá bộ điều khiển tách kênh đã thiết kế trên cấu trúc đa biến dạng chuẩn có phù hợp với hệ thực, ta cần kiểm tra đánh giá.

Hình 3.20. Sơ đồ khối hệ đa biến thực (3-3) với bộ điều khiển tách kênh xây dựng trên Matlab

* Kiểm tra đáp ứng hệ đa biến thực với bộ điều khiển tách kênh

Sau khi xây dựng được bộ tách kênh trên mô hình chuẩn Hình 3.15 ta tiến hành

kết nối bộ điều khiển tách kênh vào mô hình đa biến thực Hình 3.4 để kiểm tra và đánh

giá.

Sau khi xây dựng được bộ tách kênh trên mô hình chuẩn Hình 3.15 ta tiến hành

kết nối bộ điều khiển tách kênh vào mô hình đa biến thực (3-3) Hình 3.5 để kiểm tra và đánh giá.

Trên Hình 3.21. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) có bộ tách kênh khi thay đổi nhiễu nhiệt độ điểm sương ∆Td=10%. Hình 3.22 Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3- 3) có bộ tách kênh khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào ∆γ1=25%.

Nhận xét:

Đáp ứng của hệ đa biến thực (3-3) khi có tách kênh có sai lệch với hệ đa biến

dạng chuẩn, do hệ đa biến dạng chuẩn chưa tính đến tác dụng của gió nóng Wa1.

Hình 3.22. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) có bộ tách kênh khi thay đổi nhiễu ∆Td=10%

Hình 3.23. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào ∆γ1=25%

Trên Hình 3.22 khi thay đổi điểm đặt ∆Td ± 10%, Mạch vòng nhiệt độ điểm sương bám được giá trị đặt. Mạch vòng ZL hoạt động ổn định. Như vậy, hệ đa biến thực hoạt động tốt với bộ điều khiển tách kênh, cải thiện chất lượng giấy. Độ ẩm đầu

ra được cải thiện thay đổi với giá trị nhỏ (<10%).

Trên Hình 3.23 khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào ∆γ1=25%, mạch vòng ZL hoạt động theo mạch vòng độ ẩm ổn định tại giá trị đặt. Mạch vòng nhiệt độ điểm sương được tách kênh thay đổi ít. Mạch vòng độ ẩm hoạt động tốt hơn, độ ẩm đầu ra có cải

thiện tốt hơn so với hệ chưa sử dụng tách kênh (<10%).

3.4. Kết luận

Hệ điều khiển đa biến buồng sấy giấy là hệ điều khiển đa biến tác động xen kênh.

Đối với hệ đa biến điều khiển chưa tách kênh thì xen kênh của nhiệt độ điểm sương

đến độ ẩm đầu ra rất lớn (khoảng 25%) tức là độ ẩm thực tế là 6,2 kg/kg(%). Nhiễu độ

ẩm đầu vào 25%, độ ẩm đầu ra thực khoảng 5,6 kg/kg(%).

Khi thiết kế điều khiển đa biến tách kênh đối với mô hình chuẩn thì độ ẩm đầu

ra hầu như không biến đổi, nhưng khi cài đặt vào hệ thực thì thay đổi khoảng 10%, tức

là độ ẩm thực 5,5 kg/kg(%). Khi có nhiễu tác động độ ẩm đầu vào, thì độ ẩm đầu ra có

suy giảm nhưng không đáng kể (khoảng 10%), thời gian tác động khoảng 300s, vẫn

nằm trong tiêu chuẩn cho phép nhưng tác động nhanh hơn so với hệ thống chưa tách kênh.

Chương 4. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MPC CHO BUỒNG

SẤY GIẤY

4.1. Giới thiệu

Điều khiển dự báo là một trong số các phương pháp điều khiển thu được nhiều

thành công trong ứng dụng vào điều khiển các quá trình công nghiệp. Ra đời vào

những năm 70 của thế kỷ trước, dưới dạng ban đầu chỉ là phương pháp bổ sung cho

việc tự chỉnh định thích nghi tham số bộ điều khiển công nghiệp PID, song điều khiển dự báo đã nhanh chóng cho thấy tính ưu việt của nó so với các phương pháp tự chỉnh

thông thường khác, chẳng hạn như phương pháp cực tiểu tương quan (minimum

variance MV), dự báo Smith (Smith predictor), cực tiểu tương quan tổng quát (generalized minimum variance GMV..., nhất là khi áp dụng vào những quá trình công

nghiệp có tính pha không cực tiểu.[9],[43],[44],[45][46],[47],[48],[51],[53],[54]

Chính vì ưu điểm trên của điều khiển dự báo mà phương pháp điều khiển này đã

được nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rất nhanh trong thời gian qua. Khái quát hóa

chúng ta thấy chỉ trong một thời gian rất ngắn, ngay sau khi xuất hiện bộ điều khiển dự

báo do các kỹ sư công ty dầu khí Shell giới thiệu năm 1977, đã có khá nhiều phiên bản

khác nhau của điều khiển dự báo được ra đời, chẳng hạn như điều khiển dự báo thích

nghi khoảng rộng (long range model predictive control LRPC) của De Keyser năm

1988, bộ điều khiển dự báo bền vững của Garcia năm 1989, điều khiển dự báo khoảng

trượt với cực tiểu hóa hàm mục tiêu toàn phương (receding horizon predictive control)

của Scattolini và Clarke năm 1991, điều khiển dự báo khoảng rộng toàn phương LRQP

(long range quadratic progamming) của Sandoz năm 2000, điều khiển dự báo có ràng

buộc (constrained predictive control) của Grim năm 2003, hay điều khiển dự báo

nhiều chiều có ràng buộc cho tín hiệu đầu vào của Warren và Marlin năm 2006 ....

Từ sự thành công đó của phương pháp điều khiển dự báo trong các ứng dụng vào

điều khiển quá trình công nghiệp. Hiện nay, điều khiển dự báo là chiến lược điều khiển được sử dụng phổ biến trong việc điều khiển quá trình. Điều khiển dự báo được xét đến như một lớp các thuật toán điều khiển dùng một mô hình rõ ràng để dự đoán trước đáp ứng tương lai của đối tượng điều khiển tại các thời điểm rời rạc trong một phạm vi dự báo (Prediction horizon) nhất định. Dựa vào đáp ứng dự báo này, một thuật toán tối ưu hoá được sử dụng để tính toán chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai trong phạm vi điều khiển (Control horizon) sao cho sai lệch giữa đáp ứng dự báo bởi mô hình và tín

hiệu chuẩn cho trước là tối thiểu. Phương pháp điều khiển dự báo là phương pháp tổng quát thiết kế bộ điều khiển trong miền thời gian có thể áp dụng cho hệ tuyến tính cũng

như hệ phi tuyến.Trong giới hạn của luận án NCS tập trung nghiên cứu MPC cho hệ

tuyến tính và ứng dụng vào điều khiển buồng sấy trong dây chuyền xeo giấy.

Các ký hiệu

Ma trận

vector của các phần tử xi, i = 1,2,…, n, trong đó chỉ số T là

ký hiệu phép tính chuyển vị

giá trị và dãy các giá trị trích mẫu của hàm thời gian x(t) tại

thời điểm T=kTa với Ta là chu kỳ trích mẫu

giá trị dự báo của x(t) tại thời điểm tương lai t = (k+j)T, tính từ thời

điểm hiện tại t = kT

4.2. MPC cho hệ tuyến tính

4.2.1. Nhiệm vụ điều khiển

Đối tượng ĐK

Bộ điều khiển

Hình 4.1. Nhiệm vụ điều khiển

Từ đối tượng điều khiển đã cho (Buồng sấy giấy, nồi hơi, động cơ, …), bộ điều

khiển cần có tín hiệu đặt, thành phần trạng thái đo được, nếu không đo được ta dùng

các phương pháp xác định như nhận dạng, quan sát. Một đối tượng luôn có đầu vào,

đầu ra và thành phần trạng thái của nó giá trị thực của đầu ra (y) dần tiến tới tín hiệu

đặt (w).

Ngoài ra, còn có các tiêu chuẩn khác như <, hữu hạn trong g cho phép.

Hình 4.2. Cửa sổ dự báo MPC

4.2.2. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPC

Bộ điều khiển MPC cần mô hình dự báo có các đầu vào , yk , và tín hiệu ra

tương lai ( k: là thời điểm hiện tại)

Yêu cầu dự báo sau một khoảng thời gian (t), so sánh với giá trị đặt tương lai wk+i, từ đó tính sai lệch ek+i. cho vào một hàm để đánh giá sai lệch, tối ưu hóa sao cho sai lệch nhỏ nhất, để tối ưu hóa ta cần mộ hàm mục tiêu: ek, ek+1,…,ek+M-1 là một hàm phụ thuộc vào trạng thái tại thời điểm đã có, đó là tín hiệu điều khiển đầu vào uk, uk+1,…,uk+M-1.

Bộ Điều khiển MPC

Hàm mục tiêu

ek+i

wk+i

Đối tượng ĐK

Tối ưu hóa

Mô hình dự báo

ek+i

Hình 4.3. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPC

để điều khiển, kết quả tính ta đưa uk, uk+1,…,uk+M-1, chỉ lấy

vào đối tượng điều khiển, sau đó của sổ dự báo dịch sang k+1 tương tự ta tính ra

k+1

Hình 4.4. Nguyên tắc dịch theo trục t cùng thời điểm trích mẫu của cửa sổ dự báo

Hình 4.4.

Cho k= 0 Chọn M

Tính

i = 0,1,…,M-1

Lập hàm mục tiêu J

Cực tiểu hóa JJmin

Kết quả:

đưa vào đối

k: = k+1

Lấy tượng điều khiển

Hình 4.5. Thuật toán điều khiển MPC

4.2.3. Thuật toán điều khiển dự báo

tín hiệu ra tương lai

Quỹ đạo mong muốn w

tín hiệu vào u và ra quá khứ y

4.2.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển MPC

Mô hình dự báo

Tín hiệu vào tương lai u

sai lệch tương lai

Tối ưu hóa

Đối tượng điều khiển (Quá trình)

Nhiễu đầu

vào

nhiễu đầu ra n

Hàm mục tiêu

Hình 4.6. Cấu trúc hệ điều khiển dự báo

4.2.4.1. Mô hình dự báo

Một thiết kế hoàn chỉnh bao gồm các bộ phận cần thiết để đạt được mô hình tốt

nhất có thể, đủ để thu thập đầy đủ các động học quá trình và có khả năng cấp phát các

dự báo để tính toán và phân tích lý thuyết. Việc sử dụng mô hình là cần thiết để tính

toán đầu ra dự báo tại các thời điểm trong tuơng lai . Các chiến lược khác

nhau của MPC có thể sử dụng mô hình khác nhau để biểu diễn mối liên hệ giữa các

đầu ra và các đầu vào đo được. Ví dụ như các biến điều khiển và các cái khác có thể

xét đến như các nhiễu đo. Mô hình nhiễu cũng có thể được xét đến để mô tả những tác động không được phản ảnh bởi mô hình quá trình, bao gồm các tác động của các đầu vào không đo được, nhiễu đo và các sai lệch mô hình.

Mô hình dự báo (4.1) được sử dụng để xác định xấp xỉ các tín hiệu đầu ra

từ giá trị đầu vào quá khứ tương ứng:

(4.1)

Điều này là cần thiết cho việc tìm nghiệm hàm mục tiêu (4.2). Như vậy mô hình

dự báo phải được xây dựng từ mô hình toán mô tả của đối tượng để có

4.2.4.2. Hàm mục tiêu.(4.2)

Hàm mục tiêu này được xây dựng theo nguyên tắc là nghiệm của nó sẽ phải làm

cho sai lệch e(t) giữa tín hiệu đầu ra y(t) của đối tượng điều khiển và tín hiệu mẫu w(t) mong muốn đặt ở đầu vào của hệ Hình 4.6 là nhỏ nhất.

4.2.4.3. Thuật toán tìm nghiệm của bài toán tối ưu.

Cho cùng một bài toán tối ưu ta có nhiều phương pháp tìm nghiệm. Tuy nhiên

phù hợp với điều khiển dự báo nhất là những phương pháp giải tích hoặc các thuật toán lặp mang tính trực tuyến, có tốc độ hội tụ nhanh.

Ba khâu cơ bản trên của bộ điều khiển cũng chính là điểm phân loại các phương pháp điều khiển dự báo với nhau. Giữa ba yếu tố trên luôn có quan hệ qua lại và phải phù hợp, hỗ trợ cho nhau. Chẳng hạn như để xây dựng mô hình dự báo, bên cạnh việc xuất phát từ mô hình toán mô tả quá trình (đối tượng điều khiển) thì mô hình đó còn phải phù hợp với hàm mục tiêu để tiện việc xác định tín hiệu điều khiển dự báo sau này.

Có rất nhiều thuật toán MPC, điển hình:[44],[46],[49],[51]

- Điều khiển dự báo theo mô hình (MAC- Model Algorithmic control)

- Điều khiển ma trận động ( DMC- Dynamic Matrix control)

- Điều khiển dự báo tổng quát ( GPC- Generalized Predictive control)

- Điều khiển dự báo trong không gian trạng thái…

* Sự khác nhau giữa các MPC chủ yếu là ở mô hình dự báo, hàm mục tiêu cũng

có sự khác nhau nhưng không phân biệt nhiều, về phương pháp giải bài toán tối ưu nếu

không có điều kiện ràng buộc chủ yếu là tối ưu toàn phương, do đó phương pháp giải

cũng không khác nhau nhiều.

4.2.5. MPC có một số đặc điểm nổi bật

Hình 4.6 là cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển dự báo. Đối tượng điều

khiển là các quá trình công nghiệp. Bộ điều khiển dự báo ở đây gồm ba khối chính là

mô hình dự báo, hàm mục tiêu và thuật toán tối ưu hóa để tìm nghiệm của hàm mục

tiêu đó.[48],[50],[52],[53]

Bộ điều khiển dự báo là bộ điều khiển không liên tục, làm việc theo chu kỳ lặp. Độ lớn của chu kỳ lặp đó đúng bằng chu kỳ trích mẫu tín hiệu Ta của các tín hiệu vào u(t) và ra y(t) của quá trình, tức là của đối tượng điều khiển. Tại mỗi thời điểm trích

mẫu k = 0,1,… của tín hiệu vào u(t) để có và tín hiệu ra y(t) để có

, đôi khi những giá trị trích mẫu này còn được viết thành u(k), y(k) bộ

điều khiển sẽ dựa vào mô hình dự báo, thường được xây dựng từ mô hình toán mô tả

đối tượng điều khiển, mà xác định dãy các giá trị tín hiệu điều khiển trong tương lai,

tức là dãy giá trị , có thể viết tắt thành vector , trong một

(4.2)

khoảng thời gian tương lai M, sao cho với nó, hàm mục tiêu:

đạt giá trị nhỏ nhất. Trong số M giá trị tín hiệu điều khiển tìm được trong tương lai đó, chỉ có phần tử dự báo đầu tiên là u(k) sẽ được đưa vào đối tượng điều khiển làm giá trị

tín hiệu điều khiển hiện tại. Ở thời điểm trích mẫu tiếp theo là k+1 chu kỳ trên lại được lặp lại để có u(k+1) ....

Như vậy, khoảng thời gian dự báo M sẽ được trượt dọc theo trục thời gian cùng với việc trích mẫu tín hiệu. Vì tính chất trượt dọc theo trục thời gian này của khoảng thời gian dự báo M mà đôi khi phương pháp điều khiển dự báo còn được gọi là điều khiển bằng dịch miền dự báo (receding horizon). Hình 4.4 biểu diễn bản chất dịch theo

trục thời gian của miền dự báo M. Giá trị M cũng chính là một trong các tham số hiệu

chỉnh được của bộ điều khiển dự báo.

4.2.5.1. Ưu điểm

- Các khái niệm đều trực quan, việc thực thi bộ điều khiển tương đối dễ.

- Áp dụng linh hoạt cho các đối tượng công nghiệp có đặc tính động học đơn giản

hay phức tạp.

- Thích hợp cho các đối tượng nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (đối tượng MIMO).

- Có khả năng tự bù trễ.

- Có khả năng sử dụng luật điều khiển tuyến tính cho đối tượng có số lượng đầu vào,

đầu ra lớn.

- Đạt được hiệu quả cao nếu quỹ đạo đặt biết trước (ứng dụng trong điều khiển

Robot, điều khiển mẻ).

4.2.5.2. Hạn chế

- Mô hình dự báo phải thật chính xác để có thể dự báo trạng thái của quá trình trong

miền dự báo. Trong thực tế đây là bài toán rất phức tạp.

- Việc tính toán tín hiệu điều khiển phải thực hiện trực tuyến (Online), có nghĩa là phải giải bài toán tối ưu trong một chu kỳ trích mẫu của đối tượng. Khối lượng tính toán

lớn đòi hỏi năng lực tính toán của thiết bị điều khiển và giải thuật tối ưu phải thích

hợp.

4.3. Các thuật toán MPC tuyến tính điển hình

4.3.1. Thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình (MAC)

4.3.1.1. Mô hình dự báo

Thuật toán điều khiển theo mô hình, viết tắt là MAC được xây dựng dựa trên mô

(4.3)

hình đáp ứng xung cho hệ tuyến tính SISO:

Trong đó là dãy các giá trị của hàm trọng lượng, tức là đáp ứng của hệ ứng

với xung dirac ở đầu vào, * là ký hiệu của phép tổng chập và là ký hiệu

giá trị tín hiệu tại thời điểm trích mẫu với là chu kỳ trích

mẫu. Mô hình trên được lấy từ mô hình mô tả quá trình thực trong hệ, tức là mô hình

của đối tượng điều khiển Hình 4.6.

Trong điều khiển dự báo người ta thường nhấn mạnh việc cần phải có giá trị tín

hiệu ra ở thời điểm tương lai , tính từ thời điểm hiện tại . Và

để thể hiện được điều này, người ta đã sử dụng ký hiệu thay cho cũng

(4.4)

như thay cho . Khi đó mô hình (4.3) sẽ được viết lại là:

Công thức (4.3) trên có ý nghĩa dự báo tín hiệu ra ở thời điểm tương lai

. Tuy nhiên tín hiệu ra dự báo đó chỉ chính xác khi mô hình đáp ứng xung

của đối tượng điều khiển cũng là chính xác và hệ không có nhiễu tác

động Hình 4.6. Nếu các giả thiết này không được thỏa mãn, giữa tín hiệu ra dự báo và

tín hiệu ra thực trong tương lai sẽ có một sai lệch.

Ngoài ra, do không thể tính được tổng vô hạn (4.3) nên người ta đã thay bằng

tổng hữu hạn với . Việc này lại kéo theo một sai lệch bổ sung trong (4.4).

Ghép chung tất cả các sai lệch đó, bao gồm sai lệch mô hình, sai lệch sinh ra bởi nhiễu

tác động vào hệ và sai lệch do chỉ thực hiện được tổng hữu hạn, thành thì

(4.5)

tín hiệu dự báo thực sự sẽ phải là:

Tất nhiên, để đủ nhỏ thì ít nhất đối tượng điều khiển phải ổn định,

tức là phải có khi .

Thay sai lệch là các giá trị bất định trong (4.5), bằng giá trị ước lượng

(4.6)

, công thức xấp xỉ tương ứng của nó sẽ là:

và công thức (4.6) được phương pháp MAC sử dụng làm mô hình dự báo.

4.3.1.2. Tối ưu hóa

Từ (4.6), nhiệm vụ của bài toán tối ưu hóa là xác định dãy giá trị điều khiển tối

ưu thuộc khoảng dự báo trong tương lai ,với ,

(4.7)

để với nó hàm mục tiêu:

đạt giá trị nhỏ nhất, trong đó là tham số hàm mục tiêu và

là giá trị tín hiệu mẫu mong muốn đặt trước.

Sau khi đã có nghiệm bài toán tối ưu trên, tín hiệu điều khiển dự báo được đưa

đến để điều khiển đối tượng sẽ là , tức là giá trị đầu tiên trong dãy kết quả

tối ưu tìm được.

Để tìm nghiệm bài toán tối ưu trên và cũng do trong mô hình (4.6), khi cho j chạy

lần lượt từ 0 tới M-1 trong toàn bộ khoảng cửa sổ dự báo, có chứa cả những giá trị

điều khiển tương lai cần tìm là và cả các giá trị trong quá khứ

là , nên để thuận lợi cho việc tính dãy giá trị tương lai tối

Trong đó

(4.8)

(4.9)

(4.10)

ưu, ta sẽ viết lại (4.6), chung cho , thành:

(4.11)

Khi đó hàm mục tiêu (4.7) trở thành:

(4.12)

trong đó

(4.13)

(4.14) và

Áp dụng công thức tìm nghiệm của bài toán tối ưu LQ cho bài toán (4.12), ta

được: (4.15)

Suy ra tín hiệu điều khiển dự báo là: (4.16)

Do không sử dụng tín hiệu đầu ra y từ đối tượng ngược về để hiệu chỉnh lại mô

hình dự báo cũng như trong khâu tối ưu hóa

Hình 4.6, nên MAC là phương pháp điều khiển vòng hở. Nên áp dụng khi đối

tượng điều khiển chỉ có nhiễu hằng tác động ở đầu ra và có tính động học đủ chậm.

4.3.2. Phương pháp ma trận động học điều khiển (DMC)

4.3.2.1. Mô hình dự báo

Phương pháp ma trận động học điều khiển, viết tắt là DMC được xây dựng dựa

(4.17)

trên mô hình đáp ứng bước nhảy cho hệ tuyến tính SISO:

với

Trong đó là dãy các giá trị của hàm quá độ (đáp ứng với hàm bước nhảy đơn

vị ở đầu vào). Mô hình (4.17) này được suy ra từ mô hình đáp ứng xung

(4.3) nhờ tính chất tuyến tính, giao hoán của phép tổng chập, cũng như quy ước dãy

giá trị trích mẫu xung dirac , tức là , , hay

như sau:

Từ mô hình toán (4.16) của đối tượng điều khiển và cũng với giả thiết là đối

tượng đã ổn định, tức là chỉ sau khoảng N bước đã có các giá trị là hằng số,

(4.18)

thì tương tự như ở phương pháp MAC với (4.6), ta có mô hình dự báo của DMC:

Trong đó giống như ở phương pháp MAC, là ước lượng của sai lệch

sinh ra bởi nhiễu tác động vào hệ, sai lệch mô hình cũng như do chỉ thực hiện tổng hữu

hạn gồm N phần tử thay vì vô hạn như trong (4.17). Ngoài ra, trong mô hình dự báo

(4.18) cũng sử dụng lại các ký hiệu như được giải thích ở MAC.

4.3.2.2. Tối ưu hóa

Phương pháp DMC cũng có hàm mục tiêu dạng toàn phương, gần giống với dạng

hàm (4.7) của MAC. Điểm khác biệt duy nhất là các giá trị trong (4.7) được

(4.19)

thay bằng sai lệch , ứng với mô hình dự báo (4.18):

Nếu sử dụng lại các ký hiệu về vector và ma trận đã cho trong (4.8),

(4.20)

(4.21)

(4.9), (4.13), cũng như:

(4.22)

(4.23)

(4.24)

thì hàm mục tiêu (4.19) trên sẽ trở thành:

(4.25)

với:

(4.26)

Suy ra:

Và:

Đó cũng là giá trị tín hiệu điều khiển dự báo cho đối tượng điều khiển tại thời

điểm:

Giống như MAC, bộ điều khiển dự báo DMC ở đây cũng có hai tham số hiệu chỉnh được là M và N. Điều cần nói thêm là so với các thuật toán tương tự giới thiệu trong ở đó mô hình dự báo (4.18) có chỉ số i chạy trong khoảng

nhằm tạo ra được công thức xác định dãy giá trị dự báo (4.25) không phụ thuộc vào . Vì nếu bỏ qua Δb, các giá trị quá khứ Δb thì ở đây ta vẫn cho nó chạy từ của mô hình hàm quá độ (4.17) vốn chứa gián tiếp ta đã bỏ qua

nhiều thông tin hơn về đặc tính quá độ của đối tượng điều khiển.

4.3.3. Phương pháp điều khiển dự báo tổng quát (GPC)

4.3.3.1. Mô hình dự báo

Khác với MAC và DMC, phương pháp điều khiển dự báo GPC của Clarke đưa ra

năm 1987 lại sử dụng mô hình hàm truyền không liên tục của quá trình (đối tượng điều

(4.27)

khiển), được biểu diễn lại dưới dạng phương trình sai phân tương đương:

với

(4.28)

trong đó là nhiễu đầu ra và

Ngoài ra phép nhân trong công thức (4.27) được hiểu là phép dịch thời

gian, tức là . Nói cách khác:

Mô hình sai phân (4.27) này sẽ được sử dụng để xây dựng mô hình dự báo các

giá trị tín hiệu ra tính từ thời điểm , trong đó .

(4.29)

Trước tiên ta nhân hai vế của (4.27) với ∆:

trong đó .

Tiếp theo, nếu ký hiệu và với bậc tương ứng là và là

nghiệm của phương trình Diophantine: (4.30)

thì khi nhân tiếp hai vế của (4.29) với và chú ý rằng:

cũng như:

ta có:

hay (4.31)

trong đó: (4.32)

Cuối cùng, từ (4.31) ta suy ra được mô hình dự báo sau khi bỏ qua sự ảnh hưởng

(4.33)

của nhiễu :

4.3.3.2. Tối ưu hóa

Gần giống như ở MAC và DMC, phương pháp GPC cũng sử dụng hàm mục tiêu

(4.34)

dạng toàn phương:

trong đó là những hằng số dương cho trước.

Để thay được mô hình dự báo (4.33) vào hàm mục tiêu (4.34) rồi từ đó tìm

nghiệm tối ưu của nó là dãy gồm M các giá trị ,

trước tiên ta viết lại mô hình (4.33) trực tiếp trong miền thời gian:

(4.35)

(4.36)

trong đó:

Dạng (4.35) này của mô hình dự báo (4.33) khi được viết chung cho tất cả các

(4.37)

chỉ số sẽ là:

(4.38)

(4.39)

(4.40)

(4.41)

trong đó

Với dạng (4.37) này của mô hình dự báo (4.33), hàm mục tiêu (4.34) trở thành:

(4.42)

trong đó: (4.43)

(4.44)

và

là một giá trị hằng số độc lập không phụ thuộc .

(4.45)

Suy ra nghiệm uf của nó, được tìm theo phương pháp giải tích LQ sẽ là:

Vậy tín hiệu điều khiển dự báo đưa vào để điều khiển đối tượng tại thời điểm

là:

(4.46)

Khác với MAC và DMC, phương pháp GPC áp dụng được cho những đối tượng,

quá trình không ổn định. Hơn thế, còn có thể áp dụng được cho cả những quá trình có

tính pha không cực tiểu, và cho tới nay nó được biết là phương pháp điều khiển dự báo

phổ thông và áp dụng nhiều nhất trong thực tế.

Ngoài ra, do phương pháp GPC được xây dựng trên nền mô hình sai phân (4.27)

của quá trình, trong đó các tham số của phương trình sai phân đó, tức là hệ số của hai

đa thức , rất dễ được xác định bằng những thuật toán nhận dạng, nên

GPC hoàn toàn có thể được phát triển thành bộ điều khiển vòng kín nếu như ta bổ sung thêm khâu nhận dạng trực tuyến các tham số hai đa thức này.

Về phương pháp GPC này là nó cũng đã được tổng quát hóa để áp dụng cho cả

lớp những quá trình có dạng nhiễu đầu ra:

cũng như đã được phát triển mở rộng ứng dụng được cho cả các quá trình nhiều

đầu vào, nhiều đầu ra (hệ MIMO).

4.3.3.3. Mở rộng cho hệ MIMO

Thuật toán GPC nói trên hoàn toàn có thể mở rộng một cách tự nhiên cho hệ có

(4.47)

m đầu vào và p đầu ra với m,p0, được mô tả bởi:

Trong đó và tương ứng là các vector đầu vào, vector

đầu ra và vector nhiễu của hệ. Ở mô hình (4.47), và là hai ma trận hàm

(4.48)

(các phần tử là đa thức) với kích thước lần lượt là p x p và p x m, được định nghĩa như sau:

trong đó là ma trận đơn vị có kích thước pxp, cũng như

là các ma trận hằng.

Tương tự (4.33), mô hình dự báo GPC cho hệ MIMO (4.47) lúc này cũng có

dạng: (4.49)

Trong đó: và là nghiệm của hệ

(4.50)

phương trình Diophantine:

(4.51)

Hàm mục tiêu cần cực tiểu hóa cho hệ MIMO là:

với hai ma trận đối xứng xác định dương cho trước.

Luật điều khiển GPC cho hệ MIMO cũng là công thức (4.45) tương tự với trường

hợp hệ SISO, chỉ khác là các ma trận bây giờ là các ma trận khối, tức là các

và

phần tử của chúng là những ma trận con có kích thước phù hợp, đồng thời

4.3.4. Điều khiển dự báo trong không gian trạng thái

4.3.4.1. Mô hình dự báo

Xét hệ tuyến tính nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (hệ MIMO) có mô hình trạng thái

(4.52)

hệ dưới dạng không liên tục:

trong đó là vector các giá trị trạng thái x(t) của hệ tại thời điểm trích mẫu

và là vector các tín hiệu nhiễu tác động ở đầu ra.

Giống như ở phương pháp DMC và GPC trước đây, với phương pháp điều khiển

trong không gian trạng thái này, hàm mục tiêu sau cũng sẽ không sử dụng trực tiếp

mà thay vào đó là sai lệch , nên cần thiết phải chuyển mô hình

trạng thái (4.48) trên về dạng thích hợp với sai lệch .

(4.53)

Thay vào (4.52) và bỏ qua tác động của nhiễu vào hệ, ta được:

(4.54)

trong đó là ma trận đơn vị và

Mô hình (4.53) này sẽ được sử dụng làm mô hình dự báo cho phương pháp điều

khiển dự báo trong không gian trạng thái.

4.3.4.2. Tối ưu hóa

Nhiệm vụ của tối ưu hóa là phải xác định được dãy các giá trị tín hiệu điều khiển

tối ưu trong tương lai kể từ thời điểm , bao gồm ,

trong đó M là khoảng thời gian dự báo (hình 4.4), sao cho với chúng, hàm mục tiêu

dạng toàn phương:

(4.55)

(4.56)

đạt giá trị nhỏ nhất, trong đó là hai ma trận đối xứng xác định dương, và:

với là quỹ đạo mong muốn đặt trước mà vector các tín hiệu ra của hệ

cần phải bám tiệm cận theo.

Từ mô hình dự báo(4.53), và khi triển khai lần lượt cho các chỉ số với

(4.57)

ta có: ,trong đó

Công thức mô tả sai lệch trên đã được suy ra từ mô hình dự báo (4.53)

Thay hàm sai lệch đó vào hàm mục tiêu (4.55):

(4.58)

rồi sử dụng công thức tìm nghiệm bài toán tối ưu, ta được:

Suy ra tín hiệu điều khiển dự báo đưa vào điều khiển đối tượng là:

(4.59)

Bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái có thể áp dụng được cho cả những quá

trình có tính pha không cực tiểu. Hơn nữa nếu ghép chung với bộ quan sát trạng thái,

ta sẽ được bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra.

4.4. Ứng dụng điều khiển dự báo GPC cho buồng sấy giấy theo [60]

Hình 4.7. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC khi thay đổi nhiễu độ ẩm giấy đầu vào

Hình 4.8. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC khi thay đổi nhiệt độ điểm sương

4.4.1. Kết quả mô phỏng buồng sấy giấy dùng bộ điều khiển MPC trong Toolbox Matlab Simulink, có tên gọi là bộ điều khiển GPC.

Nhận xét: Khi tác động nhiễu đầu vào gama1, độ ẩm của giấy tăng lên đồng thời gây ảnh hưởng đến mạch vòng nhiệt độ điểm sương. Dưới tác động của bộ điều khiển

MPC trong toolbox Matlab Simulink đã điều khiển độ ẩm của giấy về giá trị đặt nhưng thời gian điều chỉnh lớn, điều này chứng tỏ bộ điều khiển GPC truyền thống hoạt động chưa tốt ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm giấy.

Khi thay đổi nhiệt độ điểm sương, mạch vòng nhiệt độ điểm sương tác động đến

mạch vòng độ ẩm. Dưới tác động của bộ điều khiển MPC trong toolbox đã điều khiển

độ ẩm của giấy về giá trị đặt nhưng thời gian điều chỉnh rất lớn, điều này chứng tỏ bộ

điều khiển GPC truyền thống hoạt động chưa tốt với nhiễu nhiệt độ điểm sương.

4.5. Điều khiển dự báo theo phương pháp tối ưu hóa từng đoạn trong miền

thời gian

Từ kết quả thiết kế MPC theo truyền thống cho thấy hệ chậm bám lượng đặt,

chưa khử được nhiễu. Đây cũng là nhược điểm của GPC truyền thống.

Bộ điều khiển GPC sử dụng ngay hàm huyền của đối tượng làm mô hình dự báo,

vốn ban đầu được xây dựng cho hệ SISO, sau mới được mở rộng cho hệ MIMO như

một phiên bản phụ. Vì sử dụng hàm truyền làm mô hình dự báo nên việc tối ưu hóa

trong nó bắt buộc phải được thực hiện trong không gian phức thông qua bước trung

gian là tìm nghiệm phương trình Diophaltine. Điều này đã hạn chế khả năng kháng

nhiễu cũng như chất lượng tách kênh của hệ thống trong miền thời gian.

Trong mục này, luận án sẽ đề xuất một phương pháp điều khiển dự báo cho hệ

MIMO với mô hình dự báo là hệ phương trình sai phân trong miền thời gian. Phương

pháp điều khiển dự báo đề xuất này sẽ được luận án gọi là bộ điều khiển dự báo tối ưu

hóa từng đoạn. Về cấu trúc điều khiển tương tự như MPC truyền thống, chỉ thay đổi

khâu tối ưu hóa để tính hàm điều khiển và thực hiện trên miền thời gian

Đầu tiên ta chuyển các phương trình mô tả hệ về miền gián đoạn:

(4.60)

Từ mô hình hàm truyền (4.60), viết trong miền thời gian ở thời điểm khiện tại, ta

được (4.61):

(4.61)

Sử dụng tiếp các ký hiệu:

(4.63)

Hai phương trình sai phân trên sẽ được viết chung lại thành hệ (4.64):

(4.64)

Công thức (4.64) cho thấy tín hiệu đầu ra ở thời điểm phụ thuộc vào tín

hiệu đầu vào cần xác định và các giá trị quá khứ của chúng bao gồm

và . Ở thời điểm tất cả các giá trị quá khứ đó đã biết.

Nhiệm vụ điều khiển đặt ra ở đây là phải xác định được để có ,

trong đó là tín hiệu đặt trước.

Để xây dựng bộ điều khiển dự báo, trước tiên ta cần xác định được các tín hiệu ra

tương lai thuộc cửa sổ dự báo hiện tại là với là độ rộng cửa

sổ dự báo được chọn trước (chọn N càng lớn, quá trình quá độ càng ngắn, nhưng các

phép toán phải thực hiện càng nhiều).

Khi i = 0 thì:

(4.65)

Khi i = 1 thì:

(4.66)

trong đó: (4.67)

khi i = 2 thì:

trong đó: (4.68)

Thực hiện tiếp như vậy với i = 3,4,…,N-1 ta được:

và:

(4.69)

Trong đó: (4.70)

Tiếp theo, để xây dựng hàm mục tiêu phục vụ mục tiêu của bài toán, ta

sẽ viết lại toàn bộ giá trị đầu ra dự báo đã nêu ở trên chung lại

thành một phương trình như sau:

(4.71)

với là ký hiệu của ma trận có tất cả các phần tử đều bằng 0.

Để thuận tiện cho việc trình bày sau này ta sẽ viết công thức (4.71) gọn lại như

(4.72):

(4.72)

trong đó:

(4.73)

và:

(4.74)

Như vậy, ở công thức (4.74) thì là vector các tín hiệu điều khiển tương lai,

là vector các tín hiệu đầu ra tương ứng được dự báo trong tương lai và chúng là những

giá trị chưa biết. Còn lại các vector đều là những giá trị quá khứ nên chúng là đã

biết ở thời điểm k hiện tại, do đó vector cũng là hằng số đã biết.

Tiếp tục, để đạt được mục đích , ta sẽ xây dựng hàm mục tiêu tương

ứng với nhiệm vụ , hay , trong đó

(4.75)

là vector các giá trị đặt, nên cũng là đã biết.

Để ta sử dụng hàm mục tiêu dạng toàn phương ở thời điểm k hiện tại như

(4.76):

(4.76)

trong đó là hai ma trận trọng số đối xứng xác định dương tùy chọn.

Thay và vào công thức sẽ có:

(4.77)

Vì đã biết, tức là chúng không phụ thuộc cần tìm, nên (4.77) tương đương với

(4.78):

(4.78)

Cuối cùng, do đây là bài toán tối ưu toàn phương nên khi áp dụng phương pháp

Newton-Raphson, ta có ngay được nghiệm tối ưu của nó như (4.79):

(4.79)

Nhìn lại kết quả tối ưu thu được trên một cách chi tiết hơn dưới dạng:

(4.80)

Ta thấy có thể tùy chọn các giá trị tín hiệu điều khiển hiện tại hoặc vượt trước để

đưa vào điều khiển đối tượng. Chẳng hạn muốn đưa giá trị hiện tại là

ta lấy chúng từ như sau:

(4.81)

trong đó là ma trận 2 hàng, cột có hai phần tử thứ (1,i) và (2,i) đều bằng

1, các phần tử còn lại đồng nhất bằng 0. Tương tự, nếu muốn lấy từ ta

thực hiện:

(4.82)

và một cách tổng quát thì:

(4.83)

4.6. Ứng dụng điều khiển dự báo theo phương pháp tối ưu hóa từng đoạn cho buồng sấy giấy

4.6.1. Xây dựng mô hình buồng sấy giấy trong miền thời gian thực

4.6.1.1. Các biến trạng thái thực đo được của buồng sấy giấy

Trong buồng sấy giấy ta đo được 4 biến trạng thái thực như sau:

∆P*: Lưu lượng hơi cấp cho lô thông qua lượng điều khiển áp suất hơi

∆Wa1*: Lưu lượng gió nóng thổi vào

∆Wa2*: Lưu lượng khí thải ra

Hình 4.9. Mô hình buồng sấy giấy

∆Td :Biến thiên nhiệt độ điểm sương

4.6.1.2. Xác định các hàm truyền của mô hình buồng sấy giấy

Chọn chu kỳ trích mẫu T = 5s, ta xác định được hàm truyền dạng không liên tục:

100

4.6.1.3. Thiết kế bộ điều khiển dự báo

Ký hiệu lại:

Từ phương trình (4.60), trong đó:

và

Bước 1: Chọn độ rộng cho cửa sổ dự báo. Xây dựng các ma trận

từ các tham số mô hình hàm truyền như sau:

Bước 2: Xây dựng các ma trận với i = 1,2, j = 1,2,…,N, và Bi,j với i = 1,2,…,

j+9, j = 1,2,…,N, theo các công thức, (4.67), (4.68) và (4.70)

Bước 3: Xác định các ma trận

101

Bước 4: Khai báo mảng dữ liệu một chiều , trong đó có 18 phần tử, ký

hiệu bởi: và có 4 phần tử, ký hiệu bởi:

Bước 5: Gán các giá trị khởi phát .

Bước 6: Chọn tùy ý hai ma trận đối xứng xác định dương và

Bước 7: Tính vector : và :

Bước 8: Tính theo công thức

Bước 9: Xác định cặp giá trị tín hiều khiển với và

, từ theo công thức:

chẳng hạn với thì đó là công thức:

hoặc với là công thức: .

Bước 10: Đưa cặp giá trị tín hiệu điều khiển vào điều khiển

buồng sấy giấy trong đúng một khoảng thời gian trích mẫu ( T=5s). Sau đó đo tín hiệu

ra của hệ rồi sắp xếp lại hai mảng dữ liệu như sau:

và

cũng như:

và .

Bước 11: Gán và quay về Bước 7

102

Hình 4.10. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy, khi thay

đổi nhiệt độ ẩm đầu vào 25%

Hình 4.11. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy, khi thay

đổi nhiệt độ điểm sương ± 10%

4.6.2. Mô phỏng cho bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy

103

Nhận xét:

Tăng nhiễu độ ẩm giấy đầu vào làm độ ẩm giấy đầu ra tăng, mạch vòng điều khiển độ ẩm tác động làm cho công suất nhiệt đầu vào tăng lên, tức là chênh áp ∆P*

tăng, lưu lượng hơi vào nhiều hơn để tăng nhiệt sấy, kéo độ ẩm giấy đầu ra bám theo

giá trị đặt. Mạch vòng nhiệt độ điểm sương tác động tức là Wa2 tăng, làm giảm nhiệt

độ điểm sương. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ hoạt động ổn định đáp ứng tốt với

nhiễu độ ẩm đầu vào (biên độ nhỏ, thời gian ổn định nhanh hơn só với bộ điều khiển

GPC truyền thống), đảm chất lượng giấy đầu ra (khoảng 5%).

Khi giảm/tăng nhiệt độ điểm sương không làm ảnh hưởng đến mạch vòng độ ẩm

giấy bộ điều khiển vẫn giữ ổn định độ ẩm bám theo giá trị đặt (Đảm bảo tách kênh

tốt).

4.7. Kết luận

Từ việc phân tích thiết kế các bộ điều khiển: Tách kênh và bộ điều khiển MPC

tích hợp sẵn trong toolbox Matlab Simulink, ta so sánh với bộ điều khiển MPC tối ưu

từng đoạn cho thấy bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn đáp ứng tốt với nhiễu độ ẩm

đầu vào: Biên độ nhỏ (khoảng 4%), tương ứng với độ ẩm đầu ra thực khoảng 5,2

kg/kg(%), thời gian tác động ngắn khoảng 200s như Hình 4.10, đặc biệt bộ điều khiển

đã loại bỏ được xen kênh giữa mạch vòng nhiệt độ điểm sương tới mạch vòng độ ẩm

(khi thay đổi nhiệt độ điểm sương Td = ±10% thì độ ẩm đầu ra của giấy hầu như không

thay đổi) Hình 4.11. Kết quả nghiên cứu cho thấy thuật toán điều khiển dự báo tối ưu

hóa từng đoạn là đúng đắn cho khả năng tách kênh và giảm thiểu nhiễu tác động.

104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận

Nội dung luận án đã giải quyết các vấn đề đặt ra có các đóng góp mới như sau:

1.1. Xây dựng được mô hình động học đầy đủ cho buồng sấy giấy cụ thể:

- Động học quá trình sấy cho một lô sấy theo cơ chế bốn giai đoạn từ đó xây

dựng động học quá trình sấy cho buồng sấy có 10 lô.

- Động học quá trình gió vào - ra của buồng sấy giấy.

- Động học quá trình nhiệt độ điểm sương của buồng sấy

Từ các động học quá trình ta khảo sát các đáp ứng của ba mạch vòng điều khiển độc lập

phản hồi PID, trong đó các ảnh hưởng xen kênh qua lại giữa ba mạch vòng coi như là nhiễu.

1.2. Thiết lập điều khiển buồng sấy theo cấu trúc điều khiển đa biến, xác định được

đặc tính xen kênh, từ đó thiết kế tách kênh theo thuật điều khiển Feedforward. Kết

quả có thể áp dụng thiết kế và chỉnh định cho hệ điều khiển thực tế.

1.3. Đề xuất thuật điều khiển tối ưu hóa từng đoạn để cải tiến thiết kế MPC, từ đó

áp dụng cho hệ điều khiển đa biến buồng sấy giấy đã mang lại hiệu quả rất tốt:

- Hệ điều khiển đảm bảo tách kênh, giữa điều khiển độ ẩm và nhiệt độ điểm sương;

- Hệ điều khiển có tính năng kháng nhiễu khi thay đổi thông số độ ẩm giấy

đầu vào;

- Hệ điều khiển bám được lượng đặt khi vận hành thay đổi độ ẩm đặt và nhiệt

độ điểm sương.

2. Hướng nghiên cứu tiếp của luận án và kiến nghị

- Kiến nghị với các hãng sản xuất thiết bị triển khai điều khiển đa biến đã nghiên

cứu vào bộ điều khiển công nghiệp cho điều khiển buồng sấy giấy.

- Hoàn thiện thuật điều khiển tối ưu hóa từng đoạn cho thiết kế MPC. Đặc biệt,

các kết quả thu được của luận án đều xây dựng trên cơ sở bài toán tối ưu không có điều kiện ràng buộc kèm theo. Vì vậy, ngay tại thời điểm có nhiễu tác động, phản ứng kháng nhiễu của hệ còn dẫn tới độ vọt lố quá lớn. Từ đây, hướng nghiên cứu tiếp theo

của luận án sẽ đưa thêm điều kiện khống chế độ vọt lố vào bài toán tối ưu bằng cách sử dụng các phương pháp tối ưu có ràng buộc, nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của phương pháp vào thực tế.

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hai ma trận đối xứng xác định dương Q và R đối với chất lượng của hệ thống, từ đó xây dựng được quy luật thay đổi Q và R dọc theo trục thời gian cùng với cửa sổ dự báo một cách hợp lý hơn.

105

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tài liệu thiết kế và kỹ thuật vận hành công ty giấy Bãi Bằng, công ty ASIA

năm 1978-1981.

[2] Tài liệu thiết kế và kỹ thuật vận hành giấy Bãi Bằng (nâng cấp lần 1), 2004 [3] Tài liệu thiết kế và kỹ thuật vận hành giấy Bãi bằng (nâng cấp lần 2), 2014

[4] GS. TSKH. Trần Văn Phú (2011), Giáo trình Kỹ thuật sấy, Nhà xuất bản Giáo

dục Việt Nam.

[5] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn và Trần Văn Phú (2007), Truyền nhiệt, Nhà

xuất bản giáo dục, Hà Nội.

[6] Bùi Quốc Khánh, et al. (2014), Điều khiển quá trình, NXB khoa học kỹ thuật

Hà Nội.

[7] Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển

tự động, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[8] Giấy Bãi Bằng. 2014; Available from: http://sanphamdichvuhangdau.vn/PCT/

San-pham-giay-mang-thuong-hieu-Giay-Bai-Bang-Cua-Tong-Cong-ty- Giay/452/ 773.html, truy cập ngày 29/12/2014.

[9] Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB khoa học và

kỹ thuật.

[10] Wikipedia. Paper machine.cited 2015; Available from: https://en.wikipedia.

org/wiki/Paper_machine.

[11] Clapperton, R.H., The paper-making machine, its invention, evolution and

development. 1967: Pergamon Press.

[12] CCEPI, European pulp and paper industry - Annual statistics, in

Confederation of European Paper Industries. 2004.

[13] Arun S. Mujumdar, Handbook of Industrial Drying. 2006, Singapore: Taylor

& Francis Group, LLC. 1279.

[14] Attwood, D, The Mechanism of Drying Paper on Heated Cylinders, Pulp and

Paper Magazine of Canada, December 1964, p. T533-T536.

[15] Choi, S.W. Yu, D.M. France, and M.W. Wambsganss, A novel multiport

cylinder dryer. Tappi Journal, 2001. 82(2): p. 47-52.

[16] Asensio, M.C., Seyed-Yagoobi, J., NG, K.H., Fletcher, L.S. and Pulkowski, J.H, Thermal Conduct Conductance of a Moist PaperHandsheet!Metal Interface, American Society of Mechanical Engineers, 1991.

[17] Boyd, S. and L. Vandenberghe, Convex optimization. 2004, Cambridge

University Press.

[18] Forsman, K. and J. Birgersson, Modelling and control of the process air in a paper machine hood. Proceedings of the 53rd Appita annual conference, Rotura, New Zealand, 1999: p. 767-774.

[19] Ola Slatteke, Modeling and Control of paper machine drying section, in

Department of Automatic Control. 2006, Lund: Press, Sweden.

[20] Berrada, M., et al., A state model for the drying paper in the paper product industry. IEEE Trans. on Industrial Electronics, 1997. 44(4): p. 579-586.

[21] Bortolin, G., S. Borg, and P.O. Gutman, Modeling of the wet end part of a paper mill with Dymola. Mathematics and Computers in Simulation, 2004. 65: p.31-38.

[22] Chen, S.C., Modelling of paper machines for control: theory and practice.

Pulp and Paper Canada, 1995. 96(1): p. 17-21

[23] Bliesner, W.C., A Study of the Porous Structure of Fibrous Sheets Using Permeability Techniques, Tappi Journal, Vol. 47, No.7, July 1964, p. 392- 400.

[24] Bortolin, G., S. Borg, and P.O. Gutman, Modeling of the wet end part of a paper mill with Dymola. Mathematics and Computers in Simulation, 2004. 65: p.31-38.

[25] Shaun Anthony Reardon, B.E., A mathematical model for the simulation of paper drying energy consumption, in Department of Civil and Mechanical Engineering. 1994, Tasmania: Australia.

[26] Ahrens, F., Kartsounes, G. and Ruff, D., A Laboratory Study of Hot-Surface Drying at High Temperature and Mechanical Loading, Pulp and Paper Magazine of Canada, Vol. 85, No.3, 1984, p. 93-98.

[27] Forsman, K. and J. Birgersson, Modelling and control of the process air in a paper machine hood. Proceedings of the 53rd Appita annual conference, Rotura, New Zealand, 1999: p. 767-774.

[28] The Rotronic Humidity Handbook, Rotronic Instrument Corp www.rotronic-

usa.com, 12/2005C.

[29] Belevich, M., Causal description of heat and mass transfer. Journal of

Physics A: Mathematical and General, 2004. 37: p. 3053-3069.

[30] Karlsson, M., S. Stenström, and E. Baggerud (2002): Dynamic simulation of the steam supply system for a multi-cylinder dryer, Nordic Pulp and Paper Research Journal, 17(1), p. 66-70.

[31] Qinghai Luo, Zehua Liu, and Guangfa Tang, Influence analysis of neutral plane on ventilation in workshop. School of Urban Construction, Nanhua University, Hengyang, 2007: p. 1048 – 1053.

[32] Silvio Plescia, Development of Testing and Measurement Strategies to ed. in Multi‐Unit Residential Buildings,

Quantify Air Leakage DH Building Engineering Ltd. 2013, Canada Mortgageand Housing.

[33] Peter Riederer, Thermal room modelling adapted to the test of hvac control systems, in Engineering Sciences. 2002, Ecole Nationale Superieure des Mines, Paris: HAL.

[34] Hrishikesh Rokade, Hood & PV System Control Loops. 2013, Bai Bang Paper

Viet Nam.

[35] Forbes Marshall Ltd, Hood & PV System, Bai Bang Vietnam Paper

Corporation, Editor. 2013: India.

[36] Allison, B.J. and A. J. Isaksson, Design and performance of mid-raging

controllers. Journal of Process Control, 1988: p. Sweden.

[37] Åström, K.J., Computer control of a paper machine - an application of linear stochastic control theoryapplication of linear stochastic control theory. IBM Journal of Research and Development, 1967. 11(4): p. 389-405, 469-474.

[38] Åström, K.J., Control problems in paper making – revisited. In Preprints

Control Systems 2000, 2000a: p. 129-136. Canada.

[39] Bialkowski, W.L., Effectiveness of deadtime compensators for basis weight and moisture control. In Proceedings Control Systems, 1996: p. 61-67, Halifax, Canada.

[40] Doyle, F.J., Computational issues in the application of modelbased control to the pulp and paper industry. AIChE Symposium Series, 1999. 322(95): p. 165-172.

[41] Dumont, G.A., Applications of advanced control methods in the pulp and

paper industry - a survey. Automatica, 1986. 22(2): p. 143-153.

[42] Camacho, E. and Bordons, C. (1999): Model predictive control. Springer.

[43] Maciejowski, M.J. (2011): Predictive control with constrains. Prentice Hall.

[44] MPC. From Controls Wiki.https://controls.engin.umich.edu/wiki/index.php/

MPC.

[45] Findeisen, R. and Allgower, F. (2007): An Introduction to nonlinear model

predictive control. Research report, University Stuttgart.

[46] Model predictive - Wikipedia, free encyclopedia.

the control http://en.wikipedia.org/wiki/Model_predictive_control.

[47] Zheng, T. (2010): Model predictive control. Rijeka Croatia.

[48] Äström, K.J. and Wittenmark, B.: Adaptive Control. Addision−Wesley

Publishing Company, Inc. 1995.

[49] Chui, C. K. and Chen, G.: Linear System and Optimal Control. Springer

Verlag, Heidelberg New York, London, Paris, Tokyo, 1989.

[50] Katsuhito Ogata: Modern Control Engineering. Prentice−Hall International

Inc., 1995.

[51] E.S.Meadows and J.B. Rawlings. Receding horizon control with an inﬁnite horizon. In Proc. Amer . Contr . Conf., pages 2926–2930, San Francisco, 1993.

[52] W.H. Kwon and S. Han. Receding Horizon Control- model predictive control

forstate models. Springer, 2005.

[53] Chui, C. K. and Chen, G.: Linear System and Optimal Control. Springer

Verlag, Heidelberg New York, London, Paris, Tokyo, 1989.

[54] Wang, L.C., Model predictive control systems design and implementation

using MatLab. 2009, Springer

Phụ lục 1: Thiết kế mô phỏng cơ chế sấy

Phụ lục 2: Phần mềm mô phỏng giải phương trình vi tích phân động học quá trình cho 10 lô sấy

* Giai đoạn 1:

function [calgama,calTp] = fcn(gamain, gama, Tp, Tpin,K,time) %#codegen switch time case 0 calgama=0; calTp=0 case 1 %gama1 = 0.3; %kg moisture/fiber mp = 0.05495 %kg/s %phase 1: %water can't evaporate, so wbh=0; % energy balance A = 0.8 %m2/1 cylinder Cp = 1950;%j/kg.K eta = 0.6; wp = 3.03; %kg/s Kt = 400+955*gamain; %W/m2*k Tm = 110+273; ptot = 101325; %Pa Mw = 0.018; %K = 0.015; %m/s Rg = 8.310; e = 2.718; x = 0.001 phi = 1 - e^(-47.57*gama^1.877 - 0.10085*(Tp-273)*gama^1.0585); pv0 = 10^(10.127-1690/(Tp-43.15)); pvp = phi*pv0; pva = x*ptot/(x+0.62); Qvap = ptot*K*Mw*log((ptot-pva)/(ptot-pvp))/(Rg*Tp)

Hs = 0.10054*gama^1.0585*Tp^2*Rg*((phi-1)/Mw*phi) Htot = 2260000+Hs; Qbh = Qvap*A; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% calTp = (-Tp*(wp*Cp*(1+gamain) + Kt*A*eta + Qbh*Cp)+Kt*A*eta*Tm + (1+gamain)*wp*Cp*Tpin - Qbh*Htot)/(mp*Cp*(1+gama)); calgama = (wp*gamain - wp*gama - Qbh)/mp; case 2 calTp=0 calgama=0 otherwise calTp=0 calgama=0 end

* Giai đoạn 2:

function calTp = fcn(gamain, Tp, Tpin,time) %#codegen switch time case 0 calTp = 0; case 2 calTp = 0; case 1 %gama1 = 0.3; %kg moisture/fiber mp = 0.9; %kg/s %phase 1: %water can't evaporate, so wbh=0; % energy balance A = 12 %m2/1 cylinder Cp = 1950;%j/kg.K eta = 0.8; wp = 3.03; %kg/s Kt = 400+955*gamain; %W/m2*k Tm = 110+273; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% calTp = (-Tp*(wp*Cp*(1+gamain) + Kt*A*eta)+Kt*A*eta*Tm + (1+gamain)*wp*Cp*Tpin)/(mp*Cp*(1+gamain)); otherwise calTp = 0 end

* Giai đoạn 3:

function [calgama,calTp] = fcn(gamain, gama, Tp, K,Tpin,time) %#codegen switch time case 0 calgama=0; calTp=0 case 1 %gama1 = 0.3; %kg moisture/fiber mp = 0.05495 %kg/s %phase 1: %water can't evaporate, so wbh=0; % energy balance A = 0.8 %m2/1 cylinder Cp = 1950;%j/kg.K eta = 0.6; wp = 3.03; %kg/s Kt = 400+955*gamain; %W/m2*k Tm = 110+273; ptot = 101325; %Pa Mw = 0.018; %K = 0.015; %m/s Rg = 8.310; e = 2.718; x = 0.001 phi = 1 - e^(-47.57*gama^1.877 - 0.10085*(Tp-273)*gama^1.0585); pv0 = 10^(10.127-1690/(Tp-43.15)); pvp = phi*pv0; pva = x*ptot/(x+0.62);

Qvap = ptot*K*Mw*log((ptot-pva)/(ptot-pvp))/(Rg*Tp) Hs = 0.10054*gama^1.0585*Tp^2*Rg*((phi-1)/Mw*phi) Htot = 2260000+Hs; Qbh = Qvap*A; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% calTp = (-Tp*(wp*Cp*(1+gamain) + Kt*A*eta + Qbh*Cp)+Kt*A*eta*Tm + (1+gamain)*wp*Cp*Tpin - Qbh*Htot)/(mp*Cp*(1+gama)); calgama = (wp*gamain - wp*gama - Qbh)/mp; case 2 calTp=0 calgama=0 otherwise calTp=0 calgama=0 end

* Giai đoạn 4:

function [calgama,calTp] = fcn(gamain, gama, Tp, Tpin,K,time) %#codegen switch time case 0 calgama=0; calTp=0 case 1 %gama1 = 0.3; %kg moisture/fiber mp = 0.4312 %kg/s %phase 1: %water can't evaporate, so wbh=0; % energy balance A = 6.16 %m2/1 cylinder Cp = 1950;%j/kg.K eta = 0.6; wp = 3.03; %kg/s Kt = 200; %W/m2*k Tm = 110+273; % nhiet do khong khi ptot = 101325; %Pa Mw = 0.018; %m/s Rg = 8.310; e = 2.718; x = 0.001 phi = 1 - e^(-47.57*gama^1.877 - 0.10085*(Tp-273)*gama^1.0585); pv0 = 10^(10.127-1690/(Tp-43.15)); pvp = phi*pv0; pva = x*ptot/(x+0.62);

Qvap = ptot*K*Mw*log((ptot-pva)/(ptot-pvp))/(Rg*Tp) Hs = 0.10054*gama^1.0585*Tp^2*Rg*((phi-1)/Mw*phi) Htot = 2260000+Hs; Qbh = Qvap*A; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% calTp = (-Tp*(wp*Cp*(1+gamain) + Kt*A*eta)+Kt*A*eta*Tm + (1+gamain)*wp*Cp*Tpin - Qbh*Htot)/(mp*Cp*(1+gama)); calgama = (wp*gamain - wp*gama - Qbh)/mp; case 2 calTp=0 calgama=0 otherwise calTp=0 calgama=0 end

Phụ lục 3: Sơ đồ mô phỏng điều khiển nhiệt độ điểm sương trên Matlab Simulink

Phụ lục 4: Các tham số của mô hình điều khiển MPC tối ưu từng đoạn

n=2; q=9; a(1,1)=-1.8302; a(1,2)=0.8372; a(2,1)=-1.9521; a(2,2)=0.9527; b(1,1)=-1.68e-5; b(1,2)=1.561e-5; b(1,3)=-0.382e-5; b(1,4)=3.549e-6; b(1,5)=0; b(1,6)=0; b(1,7)=0; b(1,8)=0; b(1,9)=0; b(1,10)=0; c(1,1)=-2.303e-5; c(1,2)=-3.33e-5; c(1,3)=2.07e-5; c(1,4)=3e-5; c(1,5)=0; c(1,6)=0; c(1,7)=0; c(1,8)=0; c(1,9)=0; c(1,10)=0; b(2,1)=0; b(2,2)=0; b(2,3)=0; b(2,4)=0; b(2,5)=0; b(2,6)=0; b(2,7)=0 b(2,8)=0; b(2,9)=-0.007858; b(2,10)=-7.666; c(2,1)=0; c(2,2)=0; c(2,3)=0; c(2,4)=0; c(2,5)=0; c(2,6)=0; c(2,7)=0; c(2,8)=-0.00653; c(2,9)=6.3765e-3; c(2,10)=0

Phụ lục 5: Chương trình bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn chuẩn

%% Dua cac ma tran Aij N=input('Nhap N:'); A=cell(N+1,n); for k=1:n A{1,k}=[a(1,k) 0;0 a(2,k)]; end for i=2:N+1 for j=1:n-1 A{i,j}=A{i-1,j+1}-A{i-1,1}*A{1,j}; end A{i,n}=-A{i-1,1}*A{1,n}; end %%Dua cac ma tran Bij B=cell(N+1,N+q+1); for k=(N+1):(N+q+1) B{1,k}=[b(1,k-N) c(1,k-N);b(2,k-N) c(2,k-N)]; end for k=1:N B{1,k}=zeros(2,2); end for k=2:(N+1) for j=1:(N+1-k) B{k,j}=zeros(2,2); end for j=(N+2-k):N B{k,j}=B{k-1,j+1}; end for j=(N+1):(q+N) B{k,j}=B{k-1,j+1}-A{k-1,1}*B{1,j}; end B{k,N+q+1}=-A{k-1,1}*B{1,N+q+1}; end %%Tinh cac ma tran B1,B2,A1 %%Tinh A1 for i=1:(N+1) for j=1:n A1(2*i-1,2*j-1)=A{i,j}(1,1); A1(2*i-1,2*j)=A{i,j}(1,2); A1(2*i,2*j-1)=A{i,j}(2,1); A1(2*i,2*j)=A{i,j}(2,2); end end %%Tinh B1 for z=1:(N+1) for j=1:(N+1) B1(2*z-1,2*j-1)=B{z,j}(1,1);

B1(2*z-1,2*j)=B{z,j}(1,2); B1(2*z,2*j-1)=B{z,j}(2,1); B1(2*z,2*j)=B{z,j}(2,2); end end %%Tinh B2 for x=1:(N+1) for j=1:q B2(2*x-1,2*j-1)=B{x,j+N+1}(1,1); B2(2*x-1,2*j)=B{x,j+N+1}(1,2); B2(2*x,2*j-1)=B{x,j+N+1}(2,1); B2(2*x,2*j)=B{x,j+N+1}(2,2); end end %%Qua trinh mo phong Y1=zeros(50,1); Y2=zeros(50,1); U1=zeros(50,1); U2=zeros(50,1); w=zeros(50,1); Wk=ones(2*(N+1),1); for i=1:N+1 %% gia tri dat y1=1. y2=1.2 Wk(2*i)=1.2; end uqk=zeros(2*q,1); yqk=zeros(2*n,1); C=zeros(2,2*(N+1)); C(1,2*(N+1)-1)=1; C(2,2*(N+1))=1; Q=eye(2*(N+1),2*(N+1)); R=0.00000001*eye(2*(N+1),2*(N+1)); T1=zeros(2,2*(N+1)); T1(1,1)=1; T1(2,2)=1; l=1; for k=1:50 g=B2*uqk-A1*yqk; u=inv(B1'*Q*B1+R)*B1'*Q*(Wk-g); J=(B1*u+g-Wk)'*Q*(B1*u+g-Wk)+u'*R*u; udk=C*u; yr=T1*(B1*u-A1*yqk+B2*uqk); for i=1:(q-1) uqk(2*q+2-2*i)=uqk(2*q-2*i); uqk(2*q+1-2*i)=uqk(2*q-1-2*i); end uqk(1)=udk(1); uqk(2)=udk(2);

for i=1:n-1 yqk(2*n+2-2*i)=yqk(2*n-2*i); yqk(2*n+1-2*i)=yqk(2*n-1-2*i); end yqk(1)=yr(1); yqk(2)=yr(2); Y1(k)=yr(1); Y2(k)=yr(2); U1(k)=udk(1); U2(k)=udk(2); end t=0:0.01:0.49; plot(t,Y1,'-b'); hold on; plot(t,Y2,'-r'); grid on; legend('y1','y2');

Phụ lục 6: Chương trình bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn khi có tác động nhiễu độ ẩm đầu vào (y1)

%% Ma tran u' chua cac gia tri u trong qua khu %% Ma tran y' chua cac gia tri y trong qua khu %% Ma tran C de lay tin hieu dieu khien tu ma tran tin hieu u ma ta tinh duoc

%% Ma tran T1 de xuat tin hieu dau ra khi dua tin hieu dieu khien vao doi tuong

C(1,2*(N+1)-1)=1; C(2,2*(N+1))=1; Q=eye(2*(N+1),2*(N+1)); R=0.00000001*eye(2*(N+1),2*(N+1)); T1=zeros(2,2*(N+1));

T1(1,1)=1; T1(2,2)=1; l=1; for k=1:601

%% Ket thuc qua trinh mo phong sau 50 chu ki trich mau %% Tinh g

khien tuong lai

g=B2*uqk-A1*yqk; u=inv(B1'*Q*B1+R)*B1'*Q*(Wk-g); %% Tinh gia tri cac tin hieu dieu

%% Gia tri u dua vao dieu khien doi tuong o thoi diem hien tai 'udk'

J=(B1*u+g-Wk)'*Q*(B1*u+g-Wk)+u'*R*u; %% Xuat ra ham J neu muon udk=C*u;

luu gia tri dau ra vao bien 'yr'

yr=T1*(B1*u-A1*yqk+B2*uqk); %% Dua u vao dieu khien doi tuong sau do

%% Sap xep lai mang u' chua cac gia tri u trong qua khu

%% Sap xep lai mang y' chua cac gia tri y

%% Chon chu ki trich mau la 0.01

%%Nhieu tac dong vao dau ra y1 la 25%

if((k>150)&&(k<200)) yr=yr+[0.25;0]; end if (k<150) U3(k)=0; elseif((k>150)&&(k<200)) U3(k)=25; else U3(k)=0; end for i=1:(q-1) uqk(2*q+2-2*i)=uqk(2*q-2*i); uqk(2*q+1-2*i)=uqk(2*q-1-2*i); end uqk(1)=udk(1); uqk(2)=udk(2); for i=1:n-1 yqk(2*n+2-2*i)=yqk(2*n-2*i); yqk(2*n+1-2*i)=yqk(2*n-1-2*i); end yqk(1)=yr(1); yqk(2)=yr(2); Y1(k)=yr(1); Y2(k)=yr(2); U1(k)=udk(1); U2(k)=udk(2); end t=0:5:3000; for k=1:100 Y1(k)=1; end Y1=(Y1-1)*10; for k=1:100 Y2(k)=2; end Y2=(Y2-2)*10; figure(1); plot(t,Y1,'-b'); %% Ve do thi dau ra y1 sau 50 chu ki trich mau

axis([0 3000 -5 30]); figure(3); stairs(t,U3,'-r'); %% Nhieu do am dau vao axis([0 3000 -5 30]) figure(2); plot(t,Y2,'-g'); %% Ve do thi dau ra y2 sau 50 chu ki trich mau axis([0 3000 -5 30]);

Phụ lục 7: Chương trình bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn khi thay đổi nhiệt độ điểm sương (y2)

for j=1:(N+1) B1(2*z-1,2*j-1)=B{z,j}(1,1); B1(2*z-1,2*j)=B{z,j}(1,2); B1(2*z,2*j-1)=B{z,j}(2,1); B1(2*z,2*j)=B{z,j}(2,2); end end %%Tinh B2 for x=1:(N+1) for j=1:q B2(2*x-1,2*j-1)=B{x,j+N+1}(1,1); B2(2*x-1,2*j)=B{x,j+N+1}(1,2); B2(2*x,2*j-1)=B{x,j+N+1}(2,1); B2(2*x,2*j)=B{x,j+N+1}(2,2); end end %%Qua trinh mo phong Y1=zeros(50,1); Y2=zeros(50,1); U1=zeros(50,1); U2=zeros(50,1); w=zeros(50,1); Wk=ones(2*(N+1),1); for i=1:N+1 Wk(2*i)=1.2;%% Gia tri dat dau ra la y2=1.2 end uqk=zeros(2*q,1); yqk=zeros(2*n,1); C=zeros(2,2*(N+1)); C(1,2*(N+1)-1)=1; C(2,2*(N+1))=1; Q=eye(2*(N+1),2*(N+1)); R=0.00000001*eye(2*(N+1),2*(N+1)); T1=zeros(2,2*(N+1)); T1(1,1)=1; T1(2,2)=1; l=1; for k=1:50 g=B2*uqk-A1*yqk; u=inv(B1'*Q*B1+R)*B1'*Q*(Wk-g); J=(B1*u+g-Wk)'*Q*(B1*u+g-Wk)+u'*R*u; udk=C*u; yr=T1*(B1*u-A1*yqk+B2*uqk); if((k>5)&&(k<10)) %% trong thoi gian tu 5 toi 10 chu ky trich mau thi thay y2=1.1 (giam 0.1) for i=1:N+1 Wk(2*i)=1.1;

end end if ((k>=10)&&(k<15))%% trong thoi gian tu 10 toi 15 chu ky trich mau thi thay y2=1.2 (= gia tri dat) for i=1:N+1 Wk(2*i)=1.2; end end if ((k>=15)&&(k<20)) %% trong thoi gian tu 15 toi 20 chu ky trich mau thi thay y2=1.3 (tang 0.1 so voi gia tri dat) for i=1:N+1 Wk(2*i)=1.3; end end if k>=20 for i=1:N+1 Wk(2*i)=1.2; end end for i=1:(q-1) uqk(2*q+2-2*i)=uqk(2*q-2*i); uqk(2*q+1-2*i)=uqk(2*q-1-2*i); end uqk(1)=udk(1); uqk(2)=udk(2); for i=1:n-1 yqk(2*n+2-2*i)=yqk(2*n-2*i); yqk(2*n+1-2*i)=yqk(2*n-1-2*i); end yqk(1)=yr(1); yqk(2)=yr(2); Y1(k)=yr(1); Y2(k)=yr(2); U1(k)=udk(1); U2(k)=udk(2); end t=0:0.01:0.49; plot(t,Y1,'-b'); hold on; plot(t,Y2,'-r'); grid on; legend('y1','y2');

Phụ lục 8: Sơ đồ mô phỏng điều khiển buồng sấy giấy, sử dụng bộ điều khiển MPC trong Toolbox Matlab Simulink.

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1. Trần Kim Quyên, Đoàn Quang Vinh, Ứng dụng phương pháp điều khiển mô

hình dự báo cho tháp chưng cất, tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà

Nẵng, 2014.1(74): trang 48-53.

2. Trần Kim Quyên, Bùi Quốc Khánh, Lê Khắc Trường, Động học quá trình

sấy giấy đối lưu, tạp chí Tự động hóa ngày nay, chuyên san Điều khiển và

Tự động hóa số 11, tháng 12 năm 2014, tr 58-63

3. Trần Kim Quyên, Lê Khắc Trường, Phạm Văn Tuynh, “Động học quá trình

cân bằng gió -Zerolevel trong buồng sấy giấy”,tạp chí Tự động hoá ngày

nay, chuyên san Điều khiển và Tự động hoá số 12, tháng 4/2015, tr 36-41

4. Trần Kim Quyên, Đoàn Quang Vinh, Lê Khắc Trường, Động học và điều

khiển nhiệt độ điểm sương trong buồng sấy giấy. tạp chí Khoa học và công

nghệ Đại học Đà Nẵng, 2015. 7(92): tr 31-35.

5. Trần Kim Quyên, Lê Khắc Trường, Bùi Quốc Khánh, Động học và điều

khiển gió buồng sấy giấy. tạp chí Tự động hóa ngày nay, chuyên san Điều

khiển và Tự động hóa 2015. 13(8/2015): tr.71-78.

6. Trần Kim Quyên, Lê Khắc Trường, Đoàn Quang Vinh, Điều khiển đa biến

tách kênh cho buồng sấy giấy, Hội nghị Điều khiển và Tự động hóa toàn

quốc VCCA- 2015: tr.348-357.

tiểu hóa từng đoạn sai lệch đầu ra trong miền thời gian để điều khiển

dự báo cho hệ buồng sấy giấy đa biến, tạp chí Khoa học và Công nghệ,

các Trường Đại học kỹ thuật, Số 114: trang....

7. Trần Kim Quyên, Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Doãn Phước, Sử dụng cực