Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:163

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục” trong đó có đủ 4 trạng thái có điều kiện ràng buộc với định hướng ứng dụng cho thiết bị phản ứng đầu cuối, tập trung vào mục tiêu khử các nhiễu để đảm bảo chất lượng đầu ra. Đồng thời thuật toán điều khiển NMPC đề xuất cần được đơn giản hóa sao cho dễ dàng ứng dụng được vào sản xuất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI THỊ ĐOAN THANH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TUYẾN CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Giáo viên hƣớng dẫn 1. PGS. TS. Bùi Quốc Khánh 2. PGS. TS. Đoàn Quang Vinh Đà Nẵng - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chƣa đƣợc công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Tác giả luận án Mai Thị Đoan Thanh
MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án .................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ......................................................... 1 3. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu ................................ 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................. 2 5. Bố cục của luận án ............................................................................... 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR ................................................................................ 4 1.1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ PHẢN ỨNG HÓA HỌC ............................... 4 1.1.1. Định nghĩa thiết bị phản ứng ......................................................... 4 1.1.2. Lý thuyết cơ bản về phản ứng hóa học .......................................... 4 1.2. PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HÓA HỌC VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ........ 6 1.2.1. Phân loại phản ứng hóa học: .......................................................... 6 1.2.2. Phân loại thiết bị phản ứng: ........................................................... 7 1.3. ĐỘNG HỌC CHUNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ THỂ TÍCH KHÔNG ĐỔI .................................................................................................................. 7 1.3.1. Phƣơng trình cân b ng khối lƣợng ................................................ 8 1.3.2. Phƣơng trình cân b ng thành phần của phản ứng.......................... 8 1.3.3. Phƣơng trình cân b ng năng lƣợng ................................................ 9 1.4. ĐỘNG HỌC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC (CSTR – CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR) ............................. 10
1.4.1. Khái quát chung về thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục........... 10 1.4.2. Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp................................ 11 1.4.3. Động học quá trình của một thiết bị phản ứng ............................ 12 1.5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CSTR 13 1.5.1. Phân tích các biến ........................................................................ 13 1.5.2. Xác định bậc tự do của mô hình .................................................. 14 1.5.3. Đánh giá tính xen kênh và tính phi tuyến .................................... 15 1.6. TÓM TẮT NHỮNG CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ GẦN ĐÂY VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR ............ 16 1.6.1. Những công trình nghiên cứu về động học quá trình thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR ......................................................................... 16 1.6.2. Những công trình nghiên cứu về điều khiển phản hồi tuyến tính dùng bộ PID và các biến thể ............................................................................ 16 1.6.3. Những công trình nghiên cứu về điều khiển phi tuyến ............... 18 1.6.4. Những công trình nghiên cứu có phƣơng trình cân b ng năng lƣợng của nƣớc trong jacket ............................................................................. 20 1.6.5. Các công trình nghiên cứu dùng MPC để điều khiển thiết bị phản ứng CSTR ......................................................................................................... 20 1.7. ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU CSTR .................................................... 21 1.8. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1.......................................................................... 22 CHƢƠNG 2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC .......................................................................................................... 23 2.1. PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC ............................................................... 23 2.2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC...................................................................... 26
2.2.1. Lựa chọn kích thƣớc hình học ..................................................... 26 2.2.2. Tính toán thông số vận hành ........................................................ 27 2.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KIỂM TRA THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ................................................................................................ 30 2.3.1. Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn khởi động 31 2.3.2. Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn phản ứng . 33 2.4. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH DÙNG PHẢN HỒI ĐẦU RA VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC................................................................................... 34 2.5.1. Xét trƣờng hợp khi có nhiễu tác động ......................................... 36 2.5.2. Nhiễu lƣu lƣợng đầu ra F2 10% ................................................. 36 2.5.3. Nhiễu đồng thời ........................................................................... 37 2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2.......................................................................... 38 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI CHO HỆ SONG TUYẾN BẤT ĐỊNH VÀ ÁP DỤNG VÀO ĐIỀU KHIỂN HỆ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC................................................................................. 40 3.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ............................................ 41 3.1.1. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của bộ điều khiển dự báo .......... 41 3.1.2. Các phƣơng pháp điều khiển dự báo cơ bản................................ 46 3.2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI CHO HỆ SONG TUYẾN KHÔNG DỪNG VÀ BẤT ĐỊNH ......................................... 55 3.2.1. Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho hệ song tuyến......... 55 3.2.2. Ứng dụng vào điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục thủy phân anhydride acetic.............................................................................. 63 3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3.......................................................................... 77 CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM .................................................................... 78
4.1. MỤC TIÊU CỦA THỰC NGHIỆM ......................................................... 78 4.2. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM......................................................................... 78 4.3. TRÌNH TỰ THỰC NGHIỆM ................................................................... 80 4.4. LẬP TRÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN AC 800M .............................................. 81 4.4.1. Cấu hình phần cứng ..................................................................... 81 4.4.2. Thiết kế và xây dựng giao diện .................................................... 84 4.5. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỦA HỆ ................................... 86 4.5.1. Thí nghiệm lấy đặc tính bơm B1, B2: ......................................... 86 4.5.2. Nhận dạng vòng hở hệ thống ....................................................... 88 4.6. MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VÓI THÔNG SỐ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM .......................................................................................................... 93 4.6.1. Sự phụ thuộc của nồng độ chất phản ứng vào nhiệt độ lò phản ứng T ................................................................................................................ 93 4.6.2. Mô phỏng hệ điều khiển .............................................................. 94 4.7. THÍ NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ............................................. 98 4.7.1. Chỉnh định thông số bộ điều khiển PID b ng thực nghiệm ........ 98 Quá trình chỉnh định gồm các bƣớc sau: ......................................................... 98 4.7.2. Tiến hành thí nghiệm ................................................................... 99 4.7.3. Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển AC800M với mô hình thí nghiệm99 4.7.4 Lập sơ đồ điều khiển:.................................................................. 101 4.7.5. Kết quả thí nghiệm với điều khiển PID ..................................... 101 4.8. THÍ NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN NMPC ...................................... 103 4.8.1 Sơ đồ điều khiển trong AC800M................................................ 105 4.8.2. Kết quả thí nghiệm điều khiển NMPC ...................................... 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 11010 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN… 117
CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG Ký hiệu Giải thích aj hệ số tỷ lƣợng chất j trong phản ứng j hóa thế thành phần thứ j trong phản ứng pj áp suất riêng phần thành phần j aij hệ số tỷ lƣợng chất i trong phản ứng j P công suất nhiệt đƣa ra khỏi thiết bị phản ứng ri tốc độ phản ứng chất i bậc phản ứng Mi khối lƣợng chất i Ci nồng độ chất i k' h ng số tốc độ phản ứng k0 hệ số trƣớc hàm mũ của mỗi phản ứng E# năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng R h ng số chất khí lý tƣởng T nhiệt độ phản ứng Ci1 nồng độ chất i ban đầu Tc h ng số thời gian phản ứng lƣu lƣợng dung dịch đƣa vào l phản ứng của chất tham gia phản F1i ứng F2i lƣu lƣợng sản ph m đầu ra ^ ^ h1i , h 2i hàm enthalpy riêng phần của thành phần i đầu vào và đầu ra ^ ui hàm nội năng riêng của thành phần i V thể tích dung dịch phản ứng Q công suất nhiệt cấp cho bình phản ứng
KT hệ số truyền nhiệt A diện tích truyền nhiệt T j1 , T j 2 nhiệt độ môi chất nóng trong jacket đầu vào và đầu ra khối lƣợng riêng của chất phản ứng Cp nhiệt dung riêng của chất phản ứng Vj thể tích jacket C pj nhiệt dung riêng của môi chất gia nhiệt j khối lƣợng riêng của môi chất gia nhiệt Fj lƣu lƣợng môi chất cấp cho jacket C A1 , C A2 nồng độ đầu vào và ra của chất A phản ứng T1 nhiệt độ đầu vào của chất phản ứng h mức dung dich trong bình phản ứng H nhiệt của phản ứng yk tín hiệu ra wk tín hiệu đặt ek sai lệch giữa tín hiệu ra với tín hiệu đặt  k , k các thành phần bất định  / , / những giá trị ƣớc lƣợng của  , k ở thời điểm k k u1 tín hiệu điều khiển nồng độ sản ph m đầu ra u2 tín hiệu điều khiển mức dung dịch
CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AGPC Alternative Generalized Predictive Control CSTR Continuous Stirred Tank Reactor CV Control Valse DMC Dynamic Matrix Control GPC Generalized predictive control MIMO Multiple Input Multiple Output MAC Model Algorithmic Control NMPC Nonlinear-Model Predictive Control PCS Process Control System PFR Plug Flow Reactor PV Preset Value P&ID Process and Intrumentation Diagram PID Proportional Integral Derivative SP Setpoint SISO Single Input Single Output
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Thông số ban đầu thiết bị phản ứng .........................................................26 Bảng 2.2. Thông số thiết bị phản ứng CSTR ............................................................29
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Nguyên lý thiết bị phản ứng .................................................................... 8 Hình 1.2 Nguyên lý thiết bị phản ứng CSTR ..................................................... 111 Hình 1.3 Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp.......................................... 11 Hình 1.4 Mô hình cấu trúc điều khiển của thiết bị phản ứng ............................... 14 Hình 1.5 Đồ thị sự phụ thuộc của C A2 theo T và k ' theo T ............................... 15 Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển PID kết hợp với logic mờ . .................................... 17 Hình 1.7 Cấu trúc điều khiển dùng bộ điều khiển ANN ..................................... 18 Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển theo phƣơng pháp NNAGPC . .............................. 19 Hình 2.1 Cấu trúc phân tử phản ứng thủy phân anhydride acetic ....................... 24 Hình 2.2 Quy trình công nghệ sản xuất acid acetic b ng phƣơng pháp thủy phân acetic anhydide ........................................................................................................ 25 Hình 2.3 Cấu trúc mô hình thiết bị phản ứng ....................................................... 27 Hình 2.4 Giản đồ công nghệ (PD-Process Diagram) thiết bị phản ứng khuấy trộn …………………. .................................................................................................... 31 Hình 2.5 Đáp ứng nhiệt độ phản ứng T trong giai đoạn khởi động...................... 32 Hình 2.6 Đáp ứng nồng độ sản ph m đầu ra C A2 trong giai đoạn khởi động ...... 32 Hình 2.7 Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn phản ứng ........... 33 Hình 2.8 Mô hình mô phỏng điều khiển phản hồi PID thiết bị phản ứng CSTR . 34 Hình 2.9 Bộ tham số PID điều khiển nhiệt độ ...................................................... 35 Hình 2.10 Bộ tham số PID điều khiển mức ............................................................ 35 Hình 2.11 Sai lệch nồng độ đầu ra C A2 khi nhiễu CA1 10%; T1 10% ( C A2 đạt 4,192 kg/m3, sai lệch 12,6%) ............................................................................................ 36 Hình 2.12 Sai lệch nồng độ đầu ra và mức dung dịch h khi F2 10% tác động .... 37 Hình 2.13 Sai lệch nồng độ đầu ra và mức dung dịch khi 4 nhiễu tác động đồng thời38 Hình 3.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển dự báo...................................... 42 Hình 3.2 Nguyên lý làm việc theo vòng quét của bộ điều khiển dự báo .............. 45
Hình 3.3 Sai lệch nồng độ đầu ra C A2 khi thay đổi giá trị đặt 10% .................. 69 Hình 3.4 Sai lệch nồng độ đầu ra C A2 khi thay đổi giá trị đặt 10% (phóng to) .. 69 Hình 3.5 Tín hiệu điều khiển u1 điều khiển nồng độ C A2 bám lƣợng đặt 10% ... 69 Hình 3.6 Tín hiệu điều khiển u1 điều khiển nồng độ C A2 bám lƣợng đặt 10% (phóng to) ............................................................................................................. 69 Hình 3.7 Đáp ứng h (mức) khi thay đổi giá trị đặt cho C A2 10% ..................... 70 Hình 3.8 Đáp ứng h (mức) khi thay đổi giá trị đặt cho C A2 10% (phóng to) ... 70 Hình 3.9 Tín hiệu điều khiển u2 điều khiển quá trình mức khi C A2 thay đổi lƣợng đặt ............................................................................................................. 70 Hình 3.10 Tín hiệu điều khiển u2 điều khiển quá trình mức khi C A2 thay đổi lƣợng đặt (phóng to) ......................................................................................................... 71 Hình 3.11 Đáp ứng của hệ khi nhiễu CA1 10%; T1 10% ...................................... 72 Hình 3.12 Đáp ứng của hệ khi nhiễu F2 tăng 10% ................................................ 73 Hình 3.13 Đáp ứng của hệ khi nhiễu F2 giảm 10% ............................................... 74 Hình 3.14 Đáp ứng của hệ khi F2 giảm 10%, C A1 tăng 10% và T1 tăng 10% ........ 75 Hình 3.15 Đáp ứng của hệ khi F2 giảm 10%, C A1 giảm 10%, T1 tăng 10% ........ 76 Hình 4.1. Sơ đồ P&ID mô hình thí nghiệm thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR cho sản ph m acid acetic .............................................................................. 79 Hình 4.2. Mô hình thí nghiệm hoàn chỉnh ............................................................. 80 Hình 4.3. Cấu hình phần cứng cho Compact Control Builder AC 800M ............. 81 Hình 4.4. Khai báo các biến chƣơng trình điều khiển PID.................................... 82 Hình 4.5. Gán biến Analog Input........................................................................... 82 Hình 4.6. Gán biến Analog Output ........................................................................ 82 Hình 4.7. Tạo graphic display để xây dựng giao diện ........................................... 83 Hình 4.8. Các hình vẽ sẵn có trong thƣ viện ......................................................... 83 Hình 4.9. Giao diện hoàn chỉnh ............................................................................. 84 Hình 4.10. Cài đặt thông số cho Trend Display ...................................................... 85
Hình 4.11. Đồ thị Trend Display ............................................................................. 85 Hình 4.12. Đồ thị đặc tính bơm với tín hiệu điều khiển 4 – 20 mA ........................ 87 Hình 4.13. Đồ thị đặc tính bơm với chiết áp 30% - 80% ........................................ 88 Hình 4.14. Mô hình hàm truyền tác động nƣớc gia nhiệt lên nhiệt độ phản ứng . 88 Hình 4.15. Nhận dạng G11 ....................................................................................... 88 Hình 4.16. Mô hình hàm truyền tác động lƣu lƣợng đầu vào lên nhiệt độ.............. 89 Hình 4.17. Nhận dạng GD21 ..................................................................................... 89 Hình 4.18. Mô hình hàm truyền tác động nhiệt độ T1 lên nhiệt độ phản ứng ......... 90 Hình 4.19. Nhận dạng GD11 ..................................................................................... 90 Hình 4.20. Mô hình hàm truyền tác động của các biến lên nhiệt độ phản ứng ....... 91 Hình 4.21. Mô hình hàm truyền tác động lƣu lƣợng đầu ra lên mức ...................... 91 Hình 4.22. Nhận dạng G22 ....................................................................................... 91 Hình 4.23. Mô hình hàm truyền tác động lƣu lƣợng đầu vào lên mức.................... 92 Hình 4.24. Nhận dạng GD21 ..................................................................................... 92 Hình 4.25. Mô hình hàm truyền tác động của các biến lên mức ............................. 93 Hình 4.26. Nồng độ chất phản ứng theo thời gian ở nhiệt độ 40oC ........................ 94 Hình 4.27. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ....................................................... 94 Hình 4.28. Thông số PID bộ điều khiển nhiệt độ .................................................... 95 Hình 4.29. Thông số PID bộ điều khiển mức .......................................................... 95 Hình 4.30. Đáp ứng của mức h dƣới tác động của bộ điều khiển ........................... 95 Hình 4.31. Đáp ứng của nhiệt độ dƣới tác động của bộ điều khiển ........................ 96 Hình 4.32. Đáp ứng của nồng độ CA2 ...................................................................... 96 Hình 4.33. Đáp ứng của nồng độ CA2 và nhiệt độ T khi T1-10% ............................ 97 Hình 4.34. Đáp ứng của nồng độ CA2 và nhiệt độ T khi F2+10% ........................... 97 Hình 4.35. Đáp ứng nồng độ CA2 và nhiệt độ T khi T1-10% và F2 +10% ............... 98 Hình 4.36. Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển AC800M với mô hình thí nghiệm ....... 100 Hình 4.37. Điều khiển PID cho mức và nhiệt độ thiết bị phản ứng ...................... 101 Hình 4.38. Các đáp ứng khi điều khiển b ng bộ điều khiển PID .......................... 101 Hình 4.39. Điều khiển NMPC cho mô hình thiết bị phản ứng ............................. 103
Hình 4.40. Chƣơng trình điều khiển NMPC nạp vào bộ điều khiển AC800M .... 104 Hình 4.41. Các đáp ứng khi điều khiển b ng bộ điều khiển NMPC (từ 16h đến 17h)105 Hình 4.42. Các đáp ứng khi điều khiển b ng bộ điều khiển NMPC (từ 16h20 đến 17h20) ....................................................................................................... 106
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Công nghiệp hóa chất chiếm tỷ trọng lớn trong sản xuất công nghiệp, sản ph m của nó rất đa dạng phục vụ hầu nhƣ tất cả công nghiệp chế biến. Thiết bị phản ứng hóa học là cốt lõi của quá trình sản xuất các sản ph m hóa học phục vụ cho chế biến dƣợc ph m, thực ph m, hóa chất cơ bản, phân bón… Trong đó thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục (CSTR – Continuous Stirred Tank Reactor) đƣợc dùng phổ biến vì nó có năng suất cao. Tuy nhiên đặc tính động học của hệ CSTR là hệ đa biến phi tuyến tác động xen kênh. Trong công nghiệp hầu nhƣ sử dụng điều khiển phản hồi đầu ra tuyến tính với bộ điều khiển PID, điều này dẫn đến chất lƣợng sản phấm chƣa đạt nhƣ mong muốn. Để khắc phục tồn tại này, ngƣời ta phải dùng chuỗi các thiết bị CSTR nối tiếp nhau dẫn đến chi phi đầu tƣ lớn và gây phức tạp hệ thống sản xuất. Trong những năm gần đây nhiều công trình nghiên cứu điều khiển phi tuyến cho CSTR, mở ra hƣớng triển khai vào sản xuất. Tuy nhiên, các nghiên cứu trƣớc đây đa phần điều khiển tuyến tính hoặc phi tuyến với nghiên cứu hệ điều khiển đơn biến chƣa xét đến đầy đủ cân b ng về khối lƣợng và cân b ng năng lƣợng cho jacket. Kết quả nghiên cứu thƣờng ứng dụng cho các thiết bị phản ứng n m ở đầu dây chuyền, chủ yếu là khảo sát các thay đổi giá trị đặt nồng độ, chƣa xét đến nhiễu tác động. Mặt khác, các thuật điều khiển NMPC chƣa chỉ ra đƣợc khả năng ứng dụng cài đặt vào các bộ điều khiển trong công nghiệp. Luận án chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục” trong đó có đủ 4 trạng thái có điều kiện ràng buộc với định hƣớng ứng dụng cho thiết bị phản ứng đầu cuối, tập trung vào mục tiêu khử các nhiễu để đảm bảo chất lƣợng đầu ra. Đồng thời thuật toán điều khiển NMPC đề xuất cần đƣợc đơn giản hóa sao cho dễ dàng ứng dụng đƣợc vào sản xuất. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Thiết kế hệ điều khiển dự báo phi tuyến NMPC đa biến cho thiết bị phản ứng CSTR nâng cao chất lƣợng sản ph m và có thể dễ dàng ứng dụng vào sản xuất. 1
3. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục ở cuối dây chuyền (CSTR- Continuous Stirred Tank Reactor) thủy phân anhydride acetic (CSTR-acetic). 3.2. Phạm vi nghiên cứu Thiết kế điều khiển cho thiết bị phản ứng CSTR. 3.3. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các công trình công bố về điều khiển phi tuyến CSTR. - Nghiên cứu thiết kế mô hình CSTR thủy phân anhydride acetic trong phòng thí nghiệm. - Nghiên cứu động học quá trình và điều khiển tuyến tính cho CSTR-acetic. Đánh giá hệ điều khiển b ng mô phỏng. - Nghiên cứu thiết kế NMPC (Nonlinear-Model Predictive Control) ứng dụng cho thiết bị phản ứng CSTR-acetic. Đánh giá hệ điều khiển b ng mô phỏng. - Xây dựng mô hình CSTR thủy phân anhydride acetic trong phòng thí nghiệm. Tiến hành thí nghiệm theo điều khiển tuyến tính và phi tuyến sử dụng bộ điều khiển công nghiệp AC 800M của hãng ABB. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4.1. Ý nghĩa khoa học Luận án đã xây dựng đƣợc và đề xuất ứng dụng điều khiển dự báo NMPC cho CSTR thủy phân anhydride acetic. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án mở ra khả năng ứng dụng điều khiển phi tuyến NMPC cho thiết bị CSTR trong thực tế sản xuất. 5. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án đƣợc trình bày trong bốn chƣơng: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục CSTR. Nội dung chƣơng này đi trình bày cơ sở lý thuyết CSTR, động học quá trình 2
chung của CSTR, tóm tắt các công trình nghiên cứu về điều khiển phi tuyến cho CSTR và đề xuất hƣớng nghiên cứu. Chƣơng 2: Thiết kế phản ứng thủy phân anhydride acetic (CSTR-acetic) trong phòng thí nghiệm. Nội dung chƣơng này trình bày phần tính toán thiết kế CSTR-acetic, xây dựng động học quá trình (CSTR-acetic) và mô phỏng kiểm chứng thiết kế CSTR-acetic. Mô phỏng đánh giá điều khiển tuyến tính phản hồi đầu ra dùng bộ điều khiển PID cho CSTR-acetic. Chƣơng 3: Nghiên cứu điều khiển mô hình dự báo đa biến phi tuyến NMPC ứng dụng cho CSTR. Nội dung chƣơng này trình bày đề xuất thuật điều khiển tuyến tính hóa mô hình cho NMPC, ứng dụng cho CSTR-acetic và mô phỏng kiểm chứng. Chƣơng 4: Thực nghiệm. Nội dung Chƣơng 4 đi xây dựng CSTR-acetic trong phòng thí nghiệm gồm tính chọn thiết bị đo và ghép nối với bộ điều khiển AC 800M của ABB. Thí nghiệm với điều khiển tuyến tính PID và lập trình điều khiển dự báo phi tuyến NMPC với thuật điều khiển tuyến tính hóa đề xuất trong Chƣơng 3. 3
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR 1.1. Lý thuyết cơ bản về phản ứng hóa học 1.1.1. Định nghĩa thiết bị phản ứng Phản ứng hóa học là cốt lõi của quá trình hóa học. Thiết bị phản ứng hóa học nhận các nguyên liệu đầu vào, qua biến đổi lý hóa của các phản ứng hóa học tạo nên các sản ph m đầu ra. 1.1.2. Lý thuyết cơ bản về phản ứng hóa học a) Cân b ng hóa học: Khi một phản ứng hóa học xảy ra, nó sẽ làm thay đổi thành phần hỗn hợp các chất tham gia trong phản ứng. Khi phản ứng đƣợc cân b ng thì tỉ lệ các thành phần này sẽ đạt đến giá trị không đổi đƣợc đặc trƣng bởi các hệ số cân b ng [1]. Khái quát chung về cân b ng phản ứng, ta có cân b ng hóa học khi: aj j 0, (1.1) j 1 trong đó, a j là hệ số tỷ lƣợng thành phần thứ j trong phản ứng, j là hóa thế thành phần thứ j trong phản ứng, o và j s RT ln j, (1.2) trong đó, 0 s là hệ số hóa thế ban đầu, R h ng số chất khí lý tƣởng 8,314 (J/mol K), T là nhiệt độ phản ứng (K), j là áp suất riêng phần thành phần j . Lý thuyết cân b ng hóa học sẽ đƣợc sử dụng khi xét các phản ứng xảy ra trong luận án. b) Tốc độ phản ứng: 4
Tốc độ phản ứng đƣợc định nghĩa là sự biến thiên khối lƣợng mol của các chất tham gia phản ứng trong một thể tích nhất định [1]. Khái quát chung về tốc độ phản ứng, ta có phƣơng trình sau: 1 dM i ri , (1.3) aiV dt trong đó, ri là tốc độ phản ứng của chất i, đƣợc tính kmol/m3s, ai là hệ số lƣợng chất i , V là thể tích dung dịch phản ứng, M i là số mol chất i kmol. Ngoài ra, tốc độ phản ứng chất i c n đƣợc viết dƣới dạng: ri k ' .Ci , (1.4) trong đó, là bậc phản ứng ( 1 nếu là phản ứng bậc một; 2 nếu là phản ứng bậc hai); Ci nồng độ chất i kmol/m3; k ' là h ng số tốc độ phản ứng, đôi khi ngƣời ta c n gọi là đặc tính tần phản ứng. k ' đƣợc tính theo công thức sau: ' E# k k0 exp , (1.5) RT trong đó, k0 là hệ số trƣớc hàm mũ của mỗi phản ứng; E # là năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng (J/mol). Lý thuyết tốc độ phản ứng sẽ đƣợc áp dụng để tính toán thiết kế thiết bị phản ứng CSTR [PL1]. c) Độ chuyển hóa: Độ chuyển hóa một phần của cấu tử hoặc nhiều cấu tử tham gia phản ứng đã đƣợc chuyển hóa để tạo thành sản ph m. Thông thƣờng độ chuyển hóa đƣợc tính theo một chất phản ứng, đƣợc chọn trong tƣơng quan tỷ lƣợng hóa học với chất khác [1]. Độ chuyển hóa yk là tỷ số của hàm lƣợng chất i so với chất ban đầu, đặc trƣng cho tốc độ biến đổi hàm lƣợng chất i : Ci1 Ci 2 yk .100(%), (1.6) Ci1 trong đó, Ci1 là nồng độ chất i ban đầu, Ci 2 là nồng độ chất i đầu ra. 5
Độ chuyển hóa phụ thuộc rất lớn đối với nhiệt độ phản ứng. Nhƣ vậy cần phải điều chỉnh nhiệt độ phù hợp để phản ứng đƣợc hoàn thành. 1.2. Phân loại phản ứng hóa học và thiết bị phản ứng 1.2.1. Phân loại phản ứng hóa học: Trong các quá trình công nghiệp, các phản ứng hóa học đƣợc chia làm các loại nhƣ sau: - Phản ứng hoàn toàn: là phản ứng mà ít nhất 1 trong các chất tham gia phản ứng hết [2]. - Phản ứng không hoàn toàn: là phản ứng trong đó không có một chất tham gia phản ứng nào mất hẳn khi phản ứng dừng lại, các chất phản ứng còn tuy với một lƣợng nhỏ. Phản ứng thuận nghịch thuộc loại phản ứng không hoàn toàn [2]. - Phản ứng đồng thể: là phản ứng chỉ xảy ra trong cùng một pha. Phản ứng đồng thể chỉ có thể xảy ra trong pha khí hoặc pha lỏng mà không xảy ra trong pha rắn vì khi một chất rắn đồng thể tham gia phản ứng hóa học thì nó trở thành dị thể [2]. - Phản ứng dị thể: là phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt phân chia hai pha, không xảy ra trong thể tích của một pha nào [2]. - Phản ứng đồng pha: là phản ứng mà hệ hóa học chỉ làm thành một pha từ đầu đến cuối [2]. - Phản ứng dị pha: là phản ứng mà hệ hóa học làm thành hai hay nhiều pha khác nhau [2]. - Phản ứng thu nhiệt và phản ứng phát nhiệt: Phản ứng thu nhiệt là phản ứng cần cấp nhiệt, cần thiết bị gia nhiệt cho phản ứng nếu không đủ nhiệt phản ứng sẽ không hoàn thành, tốc độ phản ứng chậm. Sản ph m phản ứng không đúng với yêu cầu. Phản ứng phát nhiệt là phản ứng cần thiết bị làm mát thu nhiệt để duy trì nhiệt độ phản ứng nếu không thì tốc độ phản ứng sẽ tăng nhanh theo nhiệt độ mất cân b ng phản ứng (tƣơng đƣơng với phản hồi dƣơng) [2]. Các phản ứng đƣợc xét đến trong luận án là các phản ứng thu nhiệt và đồng pha, tức là chỉ diễn ra trong pha lỏng và không xuất hiện các pha khác trong quá trình phản ứng. 6