NGHIÊN cứu hệ THỐNG ổn ĐỊNH NHIỆT độ làm mát KEO TRONG dây CHUYỀN sản XUẤT KEO NHŨ

Nhiệt độ racủa dòng làm mát TC2 có thể đo và phản hồi về để sử dụng trongthuật toán điều khiển, nhưng không có lý do gì phải điều khiển.Bốn biến và được xác định là TC1, wC, TH1, wH, tro

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THANH HIỆP

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÀM MÁT KEO TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2014

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà

Phản biện 1: TS Nguyễn Duy Cương

Phản biện 2: GS TS Phan Xuân Minh

Luận văn được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại: Hội trường

202 - A8, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, ĐH Thái Nguyên.Vào hồi 15 giờ 30 ngày 17 tháng 8 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

và Thư viện: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vậnhành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khitìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ

sư cần làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cầnthực hiện nhằm đạt được các mục đích đó

1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình

Các chức nang điều khiển quá trình có thể được phân cấp theonhiều cách khác nhau, ví dụ theo thiết bị thực hiện, theo mức độ tựđộng hóa hoặc theo tính chất nhiệm vụ

1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống

Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệthống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến phức tạpnhưng chúng đều dựa trên 3 thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bịđiều khiển và thiết bị chấp hành

1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống

Việc xây dựng một hệ thống điều khiển bao gồm nhiều bướcnhư phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, tagọi chung là các nhiệm vụ phát triển hệ thống

1.6 Mô tả chức năng hệ thống

Mô tả chức năng hệ thống là công việc không thể thiếu trongthiết kế, xây dựng và phát triển một hệ thống điều khiển quá trình

CHƯƠNG 2.

PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH

QUÁ TRÌNH LÀM MÁT 2.1 Phân tích bài toán công nghệ

2.1.1 Giải pháp công nghệ hiện tại

Dây chuyền sản xuất keo nhũ trong các nhà máy có sơ đồ côngnghệ như sau:

Máy trộn 2

Máy làm mát 2 Đóng gói

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất keo nhũ

Công nghệ sản xuất keo nhũ bao gồm các quá trình gia nhiệt,trộn và làm mát các dung dịch A, B, C với tỉ lệ dung dịch và nhiệt độcho từ loại sản phẩm

Chất hòa tan A, B và C sau khi được nghiền sẽ được hòa tan vàgia nhiệt tới nhiệt độ yêu cầu và được chứa trong các bể chứa có thểtích đủ lớn để đảm bảo cho ca sản xuất Dung dịch A và B có nhiệt

độ ~ 100 0C sau khi được trộn bởi máy trộn 1 sẽ được đưa vào máylàm mát 1 bằng bơm đẩy 1 Hỗn hợp A và B sau khi được trộn đều

và làm mát sẽ được trộn với dung dịch C bởi máy trộn 2 Hỗn hợpcác dung dịch A, B, C được đưa tới máy làm mát 2 để tiếp tục làmmát và đưa tới hệ thống đóng gói

Chất lượng của sản phẩm phụ thuộc vào tỉ lệ các thành phầndung dịch A, B, C trong sản phẩm và nhiệt độ của sản phẩm trong

từng khâu của quá trình công nghệ Đặc biệt, nhiệt độ của hỗn hợpA-B ở đầu ra của máy làm mát 1.

Hiện tại, việc ổn định nhiệt độ sử dụng máy bơm nước và cácvan đóng mở bằng tay để điều khiển nhiệt độ keo Phương pháp điềuchỉnh nhiệt độ đơn giản này thường gây ra sai số nhiệt độ sản phẩmđầu ra rất lớn, ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm và an toàn,tuổi thọ của thiết bị

Máy làm mát 1

Máy trộn 2

Máy làm mát 2 Đóng gói Van tay Biến tần

Hình 2.2 Sơ đồ cải tiến công nghệ làm mát keo nhũ

Để ổn định nhiệt độ dòng keo nhũ này cần sử dụng biến tần điềukhiển máy bơm nước để thay đổi lưu lượng làm mát đáp ứng với sự

thay đổi của các tham số như: nhiệt độ dòng keo nhũ đầu vào, lưulượng dòng keo nhũ đầu vào, nhiệt độ nước làm mát,… đảm bảonhiệt độ dòng keo nhũ đầu ra ổn định ở nhiệt độ đặt

2.2 Xây dựng mô hình quá trình làm mát

2.2.1 Mô hình hóa lý thuyết

Sơ đồ công nghệ của quá trình làm mát được minh họa đơn giảnnhư sau:

Hình 2.4 Các biến quá trình

Dòng quá trình nóng được làm mát với một dòng nước Nhiệt

độ dòng quá trình trước khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị trao đổinhiệt được ký hiệu lần lượt là TH1 và TH2, nhiệt độ dòng làm mát vào

và ra được ký hiệu là TC1 và TC2 Lưu lượng khối lượng của hai dòngđược ký hiệu lần lượt là wH và wC

Xét theo quan hệ nhân quả, ta có thể nhận ra trong quá trình gianhiệt có 2 biến ra là TH2 và TC2 Tuy nhiên, từ yêu cầu công nghệ ta

có thể thấy ngay biến ra duy nhất cần điều khiển là TH2 Nhiệt độ racủa dòng làm mát TC2 có thể đo và phản hồi về để sử dụng trongthuật toán điều khiển, nhưng không có lý do gì phải điều khiển.Bốn biến và được xác định là TC1, wC, TH1, wH, trong đó có thể dễdàng nhận ra biến điều khiển tiềm năng là lưu lượng dòng làm mát

wC và các đại lượng còn lại là nhiễu quá trình Lưu lượng dòng quátrình wH phụ thuộc và yêu cầu công nghệ của công đoạn phía sau, ởđây ta không can thiệp được vì vậy phải được coi là nhiễu tải Trongphạm vi của quá trình làm mát ta cũng không thể can thiệp tới nhiệt

độ đầu vào nước làm mát một các dễ dàng và nhanh chóng, do vậychỉ còn lưu lượng dòng nước làm mát wC có thể được chọn là biếnđiều khiển tiềm năng

Việc mô hình hóa bằng lý thuyết sử dụng các phương trình cânbằng, định luật, công thức và biến đổi toán học để xây dựng mốiquan hệ giữa các tín hiệu của hệ thống Tuy nhiên, trong hệ thốngcòn có các phần tử khác: đường ống, van, thiết bị đo Vì vậy, để xácđịnh hàm truyền của hệ thống cần có mô hình hàm truyền của cácthiết bị này Trong phạm vi luận văn sẽ xác định hàm truyền của đốitượng theo phương pháp nhận dạng vòng hở

2.2.2 Mô hình hóa bằng thực nghiệm dựa trên đáp ứng quá độ.

Quá trình thực tế nào cũng phi tuyến, vì vậy việc tiến hành thựcnghiệm được thực hiện xung quanh điểm làm việc

Giữ ổn định nhiệt độ, lưu lượng đầu vào của dòng quá trình vànhiệt độ, lưu lượng đầu vào nước làm mát, chờ đến khi nhiệt độ đầu

ra của dòng quá trình TH2 ổn định ở 67,1 0C Thay đổi lưu lượng dòngnước làm mát từ 0,3 l/s lên 0,9 l/s nhiệt độ dòng nóng giảm dần vàtiến tới ổn định ở 65,2 0C

Từ số liệu thực nghiệm ta xây dựng được đồ thị đáp ứng quá độcủa thiết bị làm mát như sau hình 2.6

Hình 2.6 Đáp ứng quá độ

Quá trình trao đổi nhiệt có đáp ứng nhanh quá độ tắt dần hìnhchữ S Thực ra, một mô hình quá tính bậc cao là phù hợp nhất vớiđường cong đáp ứng này Tuy nhiên, một mô hình bậc cao thườnggây khó khăn cho việc thiết kế luật điều khiển đơn giản như PID Đểgiải quyết vấn đề này, ta có thể thực hiện phép xấp xỉ để đưa về môhình quán tính bậc một kết hợp với một khâu trễ [5] Mô hình củathiết bị làm mát có hàm truyền đạt:  

Áp dụng phương pháp hai điểm quy chiếu ta xác định được:

1.9 3.2 0.6

Hình 2.7 Nhận dạng mô hình từ đáp ứng quá độ theo phương pháp 2

điểm quy chiếu

CHƯƠNG 3.

THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

3.1.1 Điều khiển phản hồi

Điều khiển phản hồi (feedback control) dựa trên nguyên tắc

liên tục đo (hoặc quan sát) giá trị biến được điều khiển và phản hồithông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển

Vì cấu trúc khép kín này sách lược điều khiển phản hồi còn được gọi

là điều khiển vòng kín (close – loop control) trong các sách lược

điều khiển

Một câu hỏi được đặt ra thường xuyên là điều khiển phản hồi cóvai trò quan trọng như thế nào trong các hệ thống điều khiển quátrình nói riêng và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung

Có thể trả lới ngay rằng điều khiển phản hồi là sách lược điều khiển

cơ bản nhất không thể thay thế trong hầu hết các hệ thống điềukhiển

Mặc dù là nền tảng của điều khiển quá trình, điều khiển phảnhồi không phải không có những hạn chế

Thứ nhất, ổn định hệ thống là vấn đề riêng của điều khiển phảnhồi Một bộ điều khiển phản hồi có thể ổn định cũng có thể trở nênmất ổn định

Thứ hai, để đạt được chất lượng điều khiển phản hồi tốt nhất thìphép đo đại lượng phản hồi cần phải có độ chính xác cần thiết Thứ ba, mặc dù điều khiển phản hồi đã dung sai với sai lệch môhình ở một góc độ nào đó nó không thể giải quyết hoàn toàn đượcvấn đề này

Thứ tư, bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phảnứng có nghĩa là chỉ khi ảnh hưởng của nhiễu đã thể hiện rõ trong giátrị biến được điều khiển thì nó mới tác động trở lại

3.1.2 Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward)

Đặc điểm cơ bản của điều khiển truyền thẳng là biến quá trìnhđược đo và đưa tới bộ điều khiển Dựa trên các giá trị đo được cùngvới giá trị đặt, bộ điều khiển tính toán đưa ra giá trị cho biến điềukhiển Nếu đặc tính đáp ứng của quá trình với biến điều khiển cũngnhư với nhiễu biết trước, bộ điều khiển có thể thực hiện thuật toán bùtrước sao cho giá trị được điều khiển đúng bằng giá trị đặt.

Ưu điểm quan trọng nhất của điều khiển truyền thẳng là khảnăng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu tới quá trình.Song, nhược điểm lớn nhất của điều khiển truyền thẳng là cần phảibiến rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu

3.1.3 Điều khiển tỉ lệ

Trong rất nhiều ứng dụng điều khiển quá trình, giá trị của mộtbiến cần điều khiển có quan hệ trực tiếp với tỉ lệ giữa các giá trị biến

vào Điều khiển tỉ lệ (ratio control) là duy trì tỉ lệ giữa hai biến tại

một giá trị đặt nhằm gián tiếp điều khiển một biến thứ 3 Sách lượcđiều khiển tỉ lệ được áp dụng trong nhiều bài toán khác nhau

3.1.4 Điều khiển tầng

Một trong những vấn đề của điều khiển phản hồi đã được phântích là nhiều khi ảnh hưởng của nhiễu quá trình tới biến đầu ra cầnđiều khiển chậm được phát hiện Điều này có thể nằm ở bản chất củaquá trình (như quá trình trao đổi nhiệt, quá trình phản ứng, quá trìnhbay hơi,…), nhưng cũng có thể do phép đo nếu số biến quá trình như

đo nhiệt độ và đo nồng độ không thể thực hiện được nhanh Vì thế,các vòng điều khiển phản hồi đơn khó đảm bảo tốc độ đáp ứngnhanh cũng như độ quá điều chỉnh nhỏ Bên cạnh đó, thiết bị chấphành cũng là một khâu trong hệ kín mà tốc độ can thiệp và độ chínhxác của nó ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của vòng điều khiển Ví

dụ, một van điều khiển nhận được tín hiệu từ bộ điều khiển yêu cầu

mở van 50% tương ứng với 50% lưu lượng chất lỏng qua đó, nhưngthực sự van có mở được chính xác 50% hay không, hoặc ngay cả khi

mở chính xác 50% thì lưu lượng qua đó có tỉ lệ tuyến tính với độ mởvan hay không lại là một vấn đề khác.

3.1.5 Điều khiển suy diễn

Trong nhiều bài toán, biến cần điều khiển chưa chắc đã dễ điềukhiển trực tiếp bởi một trong các lý do:

- Quan hệ giữa biến điều khiển và biến cần điều khiển có tínhphi tuyến mạnh

- Phép đo biến cần điều khiển không chính xác hoặc rất chậm sovới động học của quá trình

- Bản thân động học của trình rất chậm, ảnh hưởng của nhiễuchậm được phản ánh trong biến cần điều khiển

Một số vấn đề trên có thể được khắc phục với các sách lược bùnhiễu, điều khiển tỉ lệ và điều khiển tầng như đã đề cập

3.1.6 Điều khiển lựa chọn

Đối với các bài toán điều khiển thông thường, để dễ điều khiểnđược biến ra ta phải có khả năng can thiệp ít nhất vào 1 biến vào.Tuy nhiên vì nhiều lý do khác nhau mà trong một số trường hợp sốbiến cần điều khiển vượt quá số biến điều khiển có sẵn Một hệ có số

biến điều khiển ít hơn số biến cần điều khiển được gọi là hệ hụt cơ cấu chấp hành (underactuated system) Khả năng điều khiển được

của một hệ hụt cơ cấu chấp hành rất bị hạn chế bởi 1 biến điều khiểnkhông thể can thiệp một cách độc lập với nhiều biến ra cùng một lúc.Một giải pháp thông dụng trong các hệ thống điều khiển quá trình làlựa chọn đầu ra quan trọng nhất tùy theo tình huống để chia sẻ sửdụng biến điều khiển một cách hợp lý Cách sách lược điều khiển có

sử dụng khâu chọn tín hiệu được gọi là điều khiển lựa chọn (selective control

3.2 Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống

Mỗi cấu trúc điều khiển đều có những ưu điểm, nhược điểm, tuynhiên với bài toán truyền nhiệt do cần ổn định nhiệt độ đầu ra và loại

nhiễu trong quá trình làm việc nên hai cấu trúc điều khiển phản hồi

và điều khiển truyền thẳng (Feed-Forward) được tác giả lựa chọn đểđiều khiển hệ thống nhằm giúp ổn định nhiệt độ đầu ra của dòng keonhũ (TH2 = 70C), ở đây ta thấy rõ do quá trình có nhiễu, cho nên việc

áp dụng điều khiển truyền thẳng (Feed-Forward) trong trường hợp

này là rất phù hợp Bộ điều khiển sẽ được tác giả lựa chọn là “Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng (Feed Forward)”

Với công nghệ hiện tại, nhiệt độ và lưu lượng dòng quá trình(nóng) đã được giữa ổn định nên trong quá trình sản xuất ít có sựbiến đổi Nhiệt độ nước làm mát sẽ thay đổi nhiều theo từng thờiđiểm trong ngày, mùa nên ta cần sử dụng sách lược bù nhiễu vớibiến nhiễu này

Hình 3.9 Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng

3.3 Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ và mô phỏng

3.3.1 Mô hình toán học cho hệ thống

Ta có sơ đồ khối:

Hình 3.11 Cấu trúc hàm truyền đối tượng

Trong đó:

W1: Hàm truyền bộ chuyển đổi U/IW2: Hàm truyền của hệ biến tần động cơ máy bơmW3: Hàm truyền của đối tượng điều khiển

W4: Hàm truyền của khâu đo lường

3.3.1.1 Hàm truyền của bộ chuyển đổi U/I

Bộ chuyển đổi điện áp/dòng điện có tín hiệu đầu vào là điện áp từ 0V

- 5V và tín hiệu đầu ra là dòng điện 4mA đến 20mA Thiết bị này làmột khâu khuếch đại với hệ số khuếch đại được xác định như sau:

max 1

3.3.1.2 Hàm truyền của biến tần – động cơ – máy bơm

Xây dựng mô hình toán học cho hệ biến tần động cơ là điều rấtphức tạp nếu xét về nguyên lý cũng như các tính chất vật lý xảy ra.Tuy nhiên ta thấy trong quá trình làm việc, khi nhiệt độ dòng keonhũ đầu ra mà tăng thì động cơ có xu hướng tăng tốc để bơm thêmnước làm mát, và ngược lại khi nhiệt độ dòng keo nhũ giảm thì động

cơ giảm tốc để giảm bớt lượng nước làm mát Do vậy ta có thể coihàm truyền của biến tần - động cơ – máy bơm là một khâu quán tính

bậc nhất, do mỗi lần cần thay đổi tốc độ thì cần phải mất một khoảngthời gian cần thiết :

2 2

2

W ( ) (1 )

K s

T s





Trong đó:

K2: Hệ số khuếch đại của hệ biến tần, động cơ, máy bơm

T2: là thời gian của biến tần – động cơ – máy bơm; lấy T2 = 3sKhi tín hiệu điều khiển biến tần thay đổi từ 4 – 20 mA thì lưulượng nước được bơm thay đổi từ 0 – 1 lít/s nên:

2

1 0 0.0625

3.3.1.4 Hàm truyền của khâu đo lường

Thiết bị đo nhiệt độ là cảm biến nhiệt độ có dải đo nhiệt độ 0 0C– 150 0C và tín hiệu ra là điện áp 0V - 10 V Như vậy, thiết bị này cóhàm truyền là một khâu quán tính bậc nhất:

4

W (s) 1

K Ts

0 max

10 0 0.067

Thay giá trị vào ta có được hàm truyền bộ điều khiển WC như sau:

3.3.3 Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp Feed-Forward

Trong phần 3.2.2, tác giả đã mô phỏng hệ thống với bộ điềukhiển phản hồi, tuy nhiên khi có nhiễu tác động hệ thống phản ứngrất chậm và không lọc tốt nhiễu, để giải quyết tốt vấn đề này, tác giả

đề xuất kết hợp Bộ điều khiển phản hồi với Bộ điều khiển truyềnthẳng Feed Forward Với việc kết hợp này hy vọng sẽ làm giá trị sailệch giảm và loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu tác động vào hệ thống Theo như phần 3.1.2, ta có:

Hàm truyền đối tượng: W( ) 3.2 97 3.2

t e p

Sơ đồ cấu trúc mô phỏng hệ thống như sau:

Hình 3.16 Cấu trúc hệ thống với Bộ điều khiển phản hồi

kết hợp truyền thẳng F-F

Kết quả mô phỏng hệ thống như sau: