nghiên cứu về điều khiển mimo ứng dụng trong việc điều khiển bồn chưng cất

Sơ đồ điều khiển của một tháp chưng cất điển hình Tháp chưng cất được sử dụng để tách hỗn hợp đồng nhất ra các chất thành phần.. Điều đó có nghĩa là các mạch vòngđiều khiển phải có tín h

MỤC LỤC

Lời mở đầu……….1

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về bồn chưng cất……….2

1.1 Giới thiệu về bồn chưng cất……… …… 2

1.2 Quy trình sản xuất của bồn chưng cất……… ……… 4

Chương 2: Điều khiển MIMO và giải pháp phân ly điều khiển……… 7

2.1 Thế nào là điều khiển hệ thống MIMO……… ….7

2.2 Giải pháp phân ly điều khiển ứng dụng cho bồn chưng cất… 8

Chương 3: Thiết lập mô hình mô phỏng đánh giá………14

3.1 Thiết lập mô hình mô phỏng……… … 14

3.2 Đánh giá chất lượng hệ thống……… 23

Tài liệu tham khảo……….24

LỜI GIỚI THIỆU

Dầu mỏ được con người biết đến từ cổ xưa, đến thế kỷ XVIII dầu mỏđược sử dụng làm nhiên liệu để đốt cháy, thắp sáng Công nghệ chế biến dầu

mỏ được xem như bắt đầu ra đời từ năm 1859 khi mà Adwin Drake (Mỹ) khaithác được dầu thô Lúc bấy giờ lượng dầu khai thác được rất ít Nhưng sau đósản lượng khai thác và chế biến ngày càng tăng nhanh Ngành công nghiệpdầu do tăng trưởng nhanh đã trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của thế

kỷ XX Đặc biệt sau chiến tranh thế giới lần thứ II, công nghiệp dầu khí pháttriển nhằm đáp ứng hai mục tiêu chính là:Cung cấp các “ sản phẩm nănglượng “ cho nhu cầu về nhiên liệu động cơ, nhiên liệu công nghiệp và các sảnphẩm về dầu mỡ bôi trơn Cung cấp các hoá chất cơ bản cho ngành tổng hợphoá dầu và hoá học, tạo ra sự thay đổi lớn về cơ cấu phát triển các chủng loạisản phẩm của nghành hoá chất, vật liệu Hoá dầu đã thay thế dần dần than đá

và vượt lên trên công nghệ chế biến than Hiện nay, dầu mỏ đã trở thànhnguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới Do nhu cầucuộc sống ngày càng cao đã đòi hỏi con người cải thiện kỹ thuật chế biến đểthu được các sản phẩm xăng, dầu có chất lượng tốt đáp ứng được nhu cầu sửdụng Người ta nghiên cứu và phát triển bồn chưng cất vì mục đích đó

Em được giao đề tài: “Nghiên cứu về điều khiển MIMO ứng dụng trongviệc điều khiển bồn chưng cất” Qua thời gian học tập nghiên cứu và chỉ bảotận tình của thầy TS Hoàng Xuân Bình em đã thực hiện thành công đồ ánnày

Mặc dù đồ án đã hoàn thành nhưng do thời gian có hạn, kiến thức cònhạn chế nên đồ án không tránh khỏi sai sót Em mong được sự góp ý ủng hộcủa các thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ BỒN CHƯNG

CẤT1.1 GIỚI THIỆU VỀ BỒN CHƯNG CẤT

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp dầu khí trên thế giới,dầu khí Việt Nam cũng đã phát triển từ những năm 1970 và đang trên đà pháttriển Tấn dầu thô đầu tiên đã khai thác từ dầu mỏ Bạch Hổ Tiếp theo, nhiều

mỏ dầu khí lục địa phía nam đi vào khai thác như mỏ Đại Hùng, mỏ Rồng,

mỏ Rạng Đông, các mỏ khí như Lan Tây, Lan Đỏ… Dầu mỏ Việt Nam thuộc

họ dầu parafinic, thuộc loại nhẹ vừa phải, là loại dầu sạch, chứa rất ít các độc

tố, rất ít lưu huỳnh, nitơ, kim loại nặng

Với sự xuất hiện của kỹ thuật hóa học vào cuối thế kỷ 19, tiến bộ hơn

là các phương pháp thực nghiệm được dùng để áp dụng Ngành công nghiệpdầu khí đang phát triển trong đầu thế kỷ 20 cung cấp động lực cho sự pháttriển của các phương pháp thiết kế chính xác như phương pháp McCabe-Thiele và phương trình Fenske Khả năng ứng dụng của máy tính mạnh mẽcũng đã cho phép mô phỏng bồn chưng cất Chưng cất là quá trình dùng nhiệt

để tách 1 hỗn hợp lỏng ra thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khácnhau của các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng 1 nhiệt độ đo

Hệ thống gia nhiệt của hai chất dễ bay hơi A và B trong một bồn chưngcất Khi hỗn hợp trong bồn sôi sẽ chứa hơi và chất lỏng có chứa hỗn hợp A và

B Tỷ lệ giữa A và B trong hơi sẽ khác với tỷ lệ A và B trong chất lỏng: tỷ lệtrong chất lỏng sẽ được xác định bằng hỗn hợp ban đầu đã được chuẩn bị,trong khi tỷ lệ trong hơi sẽ chứa nhiều hợp chất dễ bay hơi hơn, hơi đi quabình ngưng và được lấy ra từ hệ thống Điều này cũng có nghĩa là tỷ lệ củacác hợp chất trong các chất lỏng còn lại bây giờ khác với tỷ lệ ban đầu Kếtquả là tỷ lệ trong hỗn hợp chất lỏng đang thay đổi, chứa nhiều thành phần khóbay hơi Điều này làm điểm sôi của hỗn hợp tăng, tiếp tục gia nhiệt thì tronghơi càng chứa nhiều thành phần dễ bay hơi còn trong chất lỏng thành phầnkhó bay hơi càng tăng Kết quả là dần thay đổi tỷ lệ A : B trong chưng cất

Quy mô lớn các ứng dụng chưng cất công nghiệp bao gồm cả hàng loạt

và phân đoạn chân không liên tục, azeotropic, khai khoáng và chưng cất hơinước Các ứng dụng được sử dụng rộng rãi nhất của công nghiệp chưng cấtphân đoạn nằm trong các nhà máy lọc dầu khí, hóa dầu và nhà máy hóa chất

và các nhà máy chế biến khí tự nhiên

Ta có thể phân biệt chưng cất ra thành quy trình 1 lần như trong phòngthí nghiệm để tách 1 hóa chất tinh khiết ra khỏi 1 hỗn hợp và chưng cất liêntục như trong các tháp chưng cất trong công nghiệp

Có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau

- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới

- Tháp chưng cất dùng mâm chóp

- Tháp đệm

Hình 1.1 Tháp chưng cất công nghiệp điển hình

1.2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỦA BỒN CHƯNG CẤT

Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách 1 hỗn hợp lỏng ra thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ởcùng 1 nhiệt độ đo

Hình 1.2 Sơ đồ điều khiển của một tháp chưng cất điển hình

Tháp chưng cất được sử dụng để tách hỗn hợp đồng nhất ra các chất thành phần Quy trình hoạt động cơ bản của hệ thống bồn chưng cất như sau: Nguyên liệu được máy bơm bơm từ bồn chứa, nung nóng trong thiết bị gia nhiệt đến nhiệt độ sôi và đi vào tháp chưng cất ở đĩa nạp liệu Chất lỏng ở đáytháp bốc hơi nhờ nhiệt lượng ở đáy tháp và đi lên phía trên tháp dưới dạng hơi Dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp đi vào thiết bị ngưng tụ gọi là sản phẩm đỉnh Sản phẩm được lấy từ đáy tháp gọi là sản phẩm đáy

CHƯƠNG 2 : ĐIỀU KHIỂN MIMO VÀ GIẢI PHÁP PHÂN

LY ĐIỀU KHIỂN2.1 THẾ NÀO LÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MIMO

Các hệ nhiều đầu vào/nhiều đầu ra (MIMO- Multi Input Multi Output)rất khó có thể điều khiển chính xác vì chỉ cần một đầu vào thay đổi sẽ tácđộng đến nhiều, nếu không muốn nói là tất cả các ngõ ra Đồ án này giới thiệu

về kỹ thuật điều khiển phân ly, một phương pháp điều khiển giúp hệ ban đầuhoạt động theo cách dễ điều khiển hơn, trong đó tác động của các ngõ vàođược phân cặp dẫn đến mỗi ngõ ra chỉ chịu ảnh hưởng duy nhất của một ngõvào

hệ phức tạp, chỉ cần một đầu vào thay đổi cũng có thể dẫn đến sự thay đổi củanhiều đầu ra Để đơn giản hơn trong việc điều khiển các hệ MIMO, người tathiết kế các bộ bù nhằm làm cho hệ sau khi bù sẽ có khuynh hướng ở dạngđường chéo Nếu hệ sau khi bù có dạng chéo thì có thể xem hệ là một tập hợpcủa các hệ một đầu vào/một đầu ra (SISO), như vậy việc điều khiển sẽ trở nênđơn giản hơn Một phương pháp khác làm việc điều khiển đơn giản là phân lyđiều khiển Phương pháp này đưa ma trận hàm truyền của hệ về chính xácdạng đường chéo Như vậy, một đầu ra sẽ chỉ chịu tác động của một đầu vào,mỗi cặp đầu vào/đầu ra sẽ được điều khiển bởi một bộ điều khiển SISO vốnđơn giản hơn trong việc thiết kế

2.2 GIẢI PHÁP PHÂN LY ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG CHO BỒN CHƯNG CẤT

Ngoại trừ điều khiển “cascade” thì các hệ thống được phân tích đều cócấu trúc là mạch vòng đơn (single – loop) Điều đó có nghĩa là các mạch vòngđiều khiển phải có tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển đơn điều chỉnh một biếnđơn để tác động đến biến quá trình đơn được đo Trong các quá trình thựcthường có 2 biến hoặc nhiều hơn yêu cầu cần phải điều khiển và khi đượcđiều khiển thì mỗi biến lại ảnh hưởng tới 1 hoặc nhiều hơn biến quá trình Đểminh hoạ cho điều khiển hệ nhiều biến ta xét điều khiển quá trình bồn chưngcất nhằm để tách benzen và toluen

Hìn

h 2.2.1 Sơ đồ công nghệ điều khiển bồn chưng cất thực hiện bằng hai mạch

vòng điều khiển

Bồn chưng cất có 2 đầu ra cho 2 loại sản phẩm Ở lối thoát đỉnh yêucầu tỉ lệ benzen cao ( tỉ lệ toluen thấp) Ở lối thoát đáy yêu cầu tỉ lệ benzenthấp (tỉ lệ toluen cao) Để đạt dược sự phân tách benzen-toluen theo yêu cầu,

bộ điều khiển ở đỉnh bồn điều khiển lưu lượng ngược để điều chỉnh thànhphần ở chất thoát ra ở đỉnh của bồn chưng cất Bộ điều khiển ở đáy điều chỉnhlưu lượng của hơi nước đến nồi hơi để điều khiển các thành phần chất thoát ra

ở đáy ở bồn chưng cất Bất cứ sự thay đổi nào của lưu lượng cấp cho bồnchưng cất đều là một nhiễu của quá trình với hai biến phải điều khiển và haibiến đo được từ quá trình được gọi là hệ hai đầu vào hai đầu ra để minh hoạ

sự tương tác của mạch vòng kín của quá trình MIMO giả sử thành phần củabenzen trong thành phần các chất thoát ra ở đỉnh thấp hơn điểm đặt Bộ điềukhiển ở đỉnh sẽ phản ứng bằng cách tăng lưu lượng ngược của chất lỏng lạnhvào trong bồn chưng cất Điều này làm tăng độ tinh khiết của benzen trongthành phần chất thoát ra ở đỉnh Tuy nhiên, chất lỏng lạnh được thêm vào sẽảnh hưởng xuôi xuống đáy bồn, bắt đầu làm lạnh từ trên đỉnh bồn xuống đáybồn Kết quả là tỉ lệ benzen trong thành phần chất thoát ra ở đáy nhiều hơn.Ngược lại khi thành phần toluen thoát ra từ đáy bồn thấp hơn điểm đặt, bộđiều khiển đáy sẽ bù lại bằng cách tăng dòng hơi nước vào nồi hơi để làmnóng đáy bồn Nhưng hơi nóng sẽ tác động lên trên và dẫn đến đỉnh bồn cũngđược làm nóng Khi đỉnh bồn nóng lên, độ tinh khiết của benzen trong thànhphần chất thoát ra ở đỉnh lại giảm xuống Khi đó bộ điều khiển đỉnh phản ứnglại bằng cách tăng dòng lạnh ngược vào đỉnh của bồn chưng cất Từ đây tathấy rõ có một sự tương tác trong quá trình điều khiển các biến

a) Sự tương tỏc vũng điều khiển

Quá trình đỉnh Gtt

Bộ điều khiển đáy

Quá trình đáy Gbb

T ơng tác Gtb

T ơng tác Gbt

Hỡnh 2.2.2 Sơ đồ cấu trỳc điều khiển bồn chưng cất với sự tương tỏc giữa

cỏc biến điều khiển quỏ trỡnh đỏy và đỉnh bồnNhiễu chộo của cỏc thành phần chất thoỏt ra ở đỉnh là dũng hơi núngtạo ra do sự điều khiển ở đỏy bồn Nhiễu chộo của cỏc thành phần chất thoỏt

ra ở đỏy bồn là lưu lượng dũng chất lỏng lạnh tạo ra do sự điều khiển của bộđiều khiển đỉnh bồn

b) Tớnh toỏn bộ điều khiển phõn ly

Bộ điều khiển phõn ly cú cấu tạo gồm cú 1 mụ hỡnh quỏ trỡnh và 1 mụhỡnh nhiễu chộo Mụ hỡnh nhiễu chộo nhận tớn hiệu của bộ điều khiển chộo vàtiờn đoỏn tiểu sử tỏc động của nú hoặc khi nào và mức độ nào thỡ tỏc động đếnbiến quỏ trỡnh Với thứ tự của sự tỏc động của nhiễu này mụ hỡnh sẽ tớnh toỏnmột chuỗi cỏc hành động điều khiển để loại trừ nhiễu chộo khi nú đến vỡ thếbiến quỏ trỡnh vẫn duy trỡ ở điểm đặt

Sự thực hiện của một bộ điều khiển phõn ly khụng yờu cầu sensor để đonhiễu vỡ nhiễu chộo luụn cú mặt khi bộ điều khiển phõn ly yờu cầu

Để hiểu hơn về quỏ trỡnh tớnh toỏn bộ điều khiển phõn ly ta lấy vũng điều khiển cho đỉnh bồn làm vớ dụ

Để tạo ra mô hình quá trình cho vòng điều khiển đỉnh bồn ta tạo ra mộtchuỗi dữ liệu bằng cách thay đổi tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Udinh(t) vàghi giá trị của biến đo được Ydinh(t) khi quá trình phản ứng Cả hai mạch vòng

sẽ làm việc ở chế độ hướng dẫn trong quá trình thu thập dữ liệu Quá trìnhnên khởi điểm ở một trạng thái ổn định Ta tìm được mô hình quá trình từ mộtchuỗi dữ liệu trên bằng cách chọn phù hợp các mô hình trong dải từ bậc một(FOPDT) tới bậc hai (SOPDT) Nếu chúng ta gọi GTT là mô hình quá trình ởđỉnh bồn thì ở dạng toán tử Laplace ta có:

) ( ).

( )

Y dinh  TT dinh (2.2.1) Tức là với tín hiệu ra của bộ điều khiển đỉnh thì phương trình (2.2.1) chophép chúng ta tính toán được biến quá trình ở đỉnh Phương trình trên cũng cóthể được viết lại như sau:

) ( ) (

1 )

s G s

TT dinh  (2.2.2) Tức là với mỗi sự thay đổi của biến quá trình thì ta có thể tính toán ngược lại tín hiệu ra của bộ điều khiển đã gây ra sự thay đổi này

Mô hình nhiễu chéo được tạo ra bằng cách thay đổi đầu ra của bộ điều khiển chéo mà trong trường hợp này là bộ điều khiển đáy bồn U day (t), và ghi giá trị Y dinh (t) phản ứng Chúng ta tìm mô hình động tuyến tính phù hợp với

dữ liệu nhiễu chéo và gọi mô hình mà tín hiệu ra của bộ điều khiển đáy tác động lên các thành phần ở đỉnh bồn là GTB(s) Trong toán tử Laplace ta viết được :

) ( ).

( )

Y dinh  TB day (2.2.3)Với tín hiệu của bộ điều khiển đáy U day (t) thì từ phương trình (2.2.3)

ta tính toán được tác động của nhiễu chéo này lên biến quá trình đỉnh bồn

Khi tín hiệu ra của bộ điều khiển đáy bồn U day (t)

phanhoi có sự thay đổi thì tín hiệu này được gửi tới mô hình nhiễu của đỉnh bồn để cập nhật giá trị *

dinh Y

và cũng để tiên đoán mức độ tác động của tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển đáy bồn lên biến quá trình ở đỉnh bồn:

) ( )

( )

(

phanhoi TB

dinh  (2.2.4)

Ta lại có :

) ( ) (

1 )

s G s

(

) ( )

(

s G

s G s

phanhoi TT

TB dinh

D (s)U day (s)

phanhoi dinh

Phương trình này cho phép tính các hành động điều khiển ứng với nhiễu tác động Ta có tín hiệu điều khiển tổng ở đỉnh:

) ( )

( )

PL dinh

phanhoi dinh

tong   (2.2.7)Tương tự ta tính được bộ điều khiển phân ly ở đáy :

) ( )

(

) ( )

s G

s G s

phanhoi BB

BT day

PL 

D (s)U dinh (s)

phanhoi day

 (2.2.8)Như vậy ta có các bộ điều khiển phân ly:

+ Cho đỉnh bồn : ( ) (( ))

s G

s G s D

TT

TB dinh 

+ Cho đáy bồn : ( ) (( ))

s G

s G s D

BB

BT day 

Từ tổng hợp các bộ điều khiển ta có sơ đồ:

Quá trình đỉnh Gtt

Bộ điều khiển đáy

Quá trình đáy Gbb

T ơng tác Gtb

T ơng tác Gbt

Bộ điều khiển phân ly đỉnh

Bộ điều khiển phân ly đáy

3.1 THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

Trước tiên ta xét quá trình đỉnh bồn Ta tiến hành thử nghiệm với biên

độ xung lớn nhằm tạo ra dữ liệu quá trình động để thiết kế bộ điều khiển đỉnh.Trong thử nghiệm này tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển đỉnh u dinh (t)có giá trịnhảy bậc từ 52% lên 54% và trở về 52% Bộ điều khiển đáy được điều khiểnbằng tay trong suốt quá trình thử nghiệm

Hàm truyền G TT (s) của thành phần đỉnh tới đầu ra của bộ điều khiển đỉnh có các thông số được chọn như sau :

Hệ số khuếch đại quá trình : K p,TT  1 1 % / %

Hằng số thời gian của toàn hệ thống : p,TT  62 (phut)

Thời gian chết cụ thể : p,TT  24 (phut)

Mô phỏng trên matlab simulink:

Hình 3.1.1 Sơ đồ mô phỏng quá trình đỉnh

Kết quả mô phỏng:

Hình 3.1.2 Tín hiệu đặt của bộ điều khiển đỉnh

Hình 3.1.3 Tín hiệu ra của biến quá trình đỉnh

Các tham số của mô hình FOPDT được sử dụng cho mô hình nội IMC

để đạt được những ước lượng ban đầu cho bộ điều chỉnh PI Giả sử rằng theotiêu chuẩn của mô hình nội IMC sử dụng hằng số thời gian của hệ kín có giátrị lớn hơn 0 1 p hoặc 0 8 p, khi đó Design Tools sẽ tính toán được cáctham số của bộ điều chỉnh PI :

Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển : K C,dinh  1 3 % / %

Thời gian reset : I,dinh  62 (phut)

Vậy bộ điều khiển đỉnh có dạng :

s s s

K K

I C C

02 , 0 3 , 1 62

3 , 1 3 , 1

1





Tương tự ta xét quá trình đáy Hàm truyền G BB (s) của thành phần đáy tới đầu

ra của bộ điều khiển đáy có các thông số được chọn như sau :

Hệ số khuếch đại quá trình : K p,BB   0 22 % / %

Hằng số thời gian của hệ thống : p,BB  53 (phut)

Thời gian chết cụ thể : p,BB  14 (phut)

Hình 3.1.4 Sơ đồ mô phỏng quá trình đáyKết quả mô phỏng:

Hình 3.1.5 Tín hiệu đặt đầu ra của bộ điều khiển đáy

Hình 3.1.6 Tín hiệu ra của biến quá trình đáy

Các tham số của mô hình động FOPDT được sử dụng cho mô hình nội IMC

để đạt được những ước lượng ban đầu cho bộ điều chỉnh PI Sử dụng tiêuchuẩn của mô hình nội IMC , khi đó Design Tools sẽ tính toán được các tham

số của bộ điều chỉnh PI :

Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển : K C,day   9 7 % / %

Thời gian reset : I,day  53 (phut)

Vậy bộ điều khiển đáy có dạng :

s

s s

s K K

I C C

18 , 0 7 , 9

53

7 , 9 7 , 9

bộ điều khiển đỉnh tương ứng với mô hình quá trình có dạng FOPDT Môhình FOPDT cho ta dữ liệu gần đúng với mạch vòng phân ly điều khiển cónhiễu quá trình Hàm truyền cho tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển đỉnh tácđộng lên tổ hợp đáy G BT (s)có các thông số sau:

Hệ số khuếch đại quá trình : K D,BT  0 24 % / %

Hằng số thời gian của hệ thống : D,BT  54 (phut)

Thời gian chết cụ thể : D,BT  22 (phut)

Tương tự như vậy hàm truyền cho tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển đáy tácđộng đến biến quá trình của đỉnh có các thông số sau:

Hệ số khuếch đại quá trình : K D,TB   1 % / %

Hằng số thời gian của hệ thống : D,TB  63 (phut)

Thời gian chết cụ thể : D,TB  21 (phut)

Chúng ta sẽ tiến hành nghiên cứu bộ điều khiển phân ly tìm hiểu về sựảnh hưởng lẫn nhau của các biến giữa bộ điều khiển đỉnh và bộ điều khiểnđáy của bồn chưng cất khi chúng được thiết kế và vận hành là những mạchvòng độc lập