Xây dựng mô hình động học cho lò hơi trong nhà máy đạm Phú Mỹ

Xây dựng mô hình động học cho lò hơi trong nhà máy đạm Phú Mỹ Xây dựng mô hình động học cho lò hơi trong nhà máy đạm Phú Mỹ Xây dựng mô hình động học cho lò hơi trong nhà máy đạm Phú Mỹ luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO LÒ HƠI

TRONG NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ

NGUYỄN HỮU QUỐC ĐẠT

HÀ NỘI - 2009

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO LÒ HƠI

TRONG NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ

Người thực hiện: NGUYỄN HỮU QUỐC ĐẠT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS HOÀNG MINH SƠN

HÀ NỘI - 2009

Người thực hiện luận văn chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn PGS TS Hoàng Minh Sơn, người đã giúp đỡ rất nhiệt tình và kịp thời về chuyên môn khi thực hiện luận văn Bên cạnh đấy, người viết cũng bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả các thầy cô trong Bộ môn Điện điều khiển Tự động - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, những người đã truyền đạt kiến thức cơ sở quý báu và cần thiết để người viết hoàn thành được luận văn này

Người viết cũng bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám đốc nhà máy Đạm Phú

Mỹ, lãnh đạo cùng cán bộ công nhân viên hai xưởng Phụ trợ và Amôniắc vì đã cho phép và giúp đỡ người viết trong việc thu thập dữ liệu để thực hiện nhận dạng

Người viết chân thành gửi lời cám ơn đến anh Phạm Quang Hiếu, chuyên viên về lò hơi thuộc phòng Công nghệ sản xuất, nhà máy Đạm Phú Mỹ, người đã hết sức nhiệt tình cung cấp kiến thức về các quá trình công nghệ trong lò hơi

Xin chân thành cám ơn bố, mẹ và vợ, những người đã động viên tinh thần và giúp đỡ rất nhiều khi người viết thực hiện luận văn

5.3.3.2 Mô hình cho nhiệt độ hơi quá nhiệt Error! Bookmark not defined.

5.3.4 Kết luận Error! Bookmark not defined.

Phụ lục 1: Sơ đồ P&ID

Phụ lục 2: Cấu trúc hệ thống điều khiển hiện tại

Phụ lục 3: Chương trình nhận dạng

Chương 1: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Trong giai đoạn đổi mới đất nước ta đang chuyển mình và phát triển mạnh

mẽ Sự gia tăng sản xuất đã làm cho các nhà máy được xây dựng ngày càng nhiều Theo dòng thời gian, những công nghệ, kỹ thuật tiên tiến trên thế giới đã dần được chuyển giao và ứng dụng vào trong các nhà máy sản xuất ở nước ta Quá trình sản xuất thủ công chủ yếu bằng sức người đã trở thành cơ giới hóa và đến nay đang trong quá trình tự động hóa quá trình sản xuất

Hiện nay, trong các nhà máy trong nước, dù nhỏ hay lớn, hầu hết các dây chuyền sản xuất đều được điều khiển bằng hệ thống PLC (Programable Logic Controller) Các hãng sản xuất PLC thường gặp như Omron, Siemens, Allen Bradley… hay những hãng khác ít gặp hơn ở nước ta như GE Fanuc, HIMA, LG,

… đều luôn tìm cách mở rộng và phát triển thị trường sang Việt Nam; từ việc tăng cường tiếp thị và mở rộng mạng lưới phân phối cho tới việc hỗ trợ cho các tổ chức giáo dục, đào tạo nhằm đưa sản phẩm của mình tiếp cận với lực lượng lao động tiềm năng Bên cạnh đấy, đối với các nhà máy có quy mô lớn, sử dụng hệ thống DCS (Distributed Control System) để điều khiển quá trình sản xuất đã trở nên phổ biến Cụ thể, các hệ thống DCS của các hãng Siemens, Yokogawa, Honeywell, ABB đã được đã được triển khai tại khắp các nhà máy phân bố đều trên nước ta

Tuy nhiên, do đặc điểm của hầu hết các hệ DCS truyền thống mới chỉ hỗ trợ các phương pháp điều khiển đơn biến, quá trình công nghệ được phân nhỏ ra thành từng quá trình đơn lẻ (hệ SISO: single input single output) và các quá trình con này được điều chỉnh chủ yếu bằng bộ điều khiển PID Tức là, các giải thuật điều khiển trong hệ thống DCS chủ yếu là sự phối hợp giữa các vòng PID với nhau hay với các

(split-range control), điều khiển lựa chọn (selective control)…hoặc phối hợp với điều khiển logic (discrete control) Một quá trình công nghệ thông thường là hệ thống nhiều đại lượng vào/ra và các đại lượng này có tác động tương hỗ lẫn nhau (hệ MIMO: multi-input multi-output) cho nên việc phân tách một hệ MIMO thành các hệ SISO sẽ làm các bộ PID không đủ khả năng điều khiển quá trình công nghệ với chất lượng tốt nhất và từ đó làm giảm hiệu suất của quá trình sản xuất

Để khắc phục nhược điểm này của các hệ DCS truyền thống, các nhà sản xuất hệ thống điều khiển đưa ra một giải pháp đó là bổ sung hệ thống APC (Advanced Process Control) phía trên hệ thống DCS APC là một hệ thống phân tích quá trình công nghệ theo quan điểm đa biến vào/ra (MIMO), từ đó tìm ra mối quan hệ giữa các biến ngõ vào và các biến ngõ ra để chọn ra sách lược điều khiển thích hợp nhằm điều khiển tối ưu quá trình công nghệ, nâng cao hiệu suất của quá trình sản xuất Tuy nhiên, chi phí cho hệ thống APC rất cao (từ 50% đến 100% giá của hệ thống DCS) và các thuật giải tối ưu phải được thiết kế riêng cho từng quá trình công nghệ Mới đây, với sự ra đời của các thế hệ DCS mới hỗ trợ các thuật toán điều khiển cao cấp, việc thiết kế và cài đặt các bộ điều khiển đa biến có thể thực hiện ngay trên trạm DCS, giảm chi phí cho một hệ APC tách riêng

Như vậy, việc xây dựng một mô hình đa biến vào/ra mô tả sự tương tác (thẳng và chéo) giữa các biến ở ngõ vào và các biến ở ngõ ra của một quá trình công nghệ là nhu cầu cần thiết và là yêu cầu quan trọng cần phải thực hiện nếu ta muốn thực hiện tối ưu quá trình công nghệ Ngày nay, quá trình xây dựng mô hình động học của quá trình được thực hiện chủ yếu dựa trên dữ liệu thực nghiệm thu thập được từ quá trình, cùng với quan điểm nhận dạng là xem quá trình như một hộp đen (black-box) Dữ liệu thực nghiệm dùng để nhận dạng này có thể được thu thập theo kiểu vòng hở hoặc vòng kín

Đối với kiểu thu thập dữ liệu theo kiểu vòng hở, đối tượng (quá trình) cần phải được tách ra khỏi các vòng điều khiển Một sự thay đổi ở đầu vào sẽ làm thay

đổi ở đầu ra và dữ liệu này sẽ được ghi nhận để làm dữ liệu nhận dạng Tuy nhiên đối với nhiều quá trình công nghiệp điều này sẽ gặp trở ngại bởi:

i Việc chủ động đưa tín hiệu ở ngõ vào với biên độ đủ lớn có thể làm cho các thông số quá trình vượt qua khỏi phạm vi làm việc cho phép và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, hoặc tệ hơn nếu quá trình không ổn định hoặc có độ ổn định kém thì có thể xảy ra trường hợp không kiểm soát được quá trình dẫn đến ngừng sản xuất hoặc xảy ra tai nạn (nếu hệ thống điều khiển không có chế độ bảo vệ tốt) Còn nếu vận hành cả quá trình sản xuất chỉ để thu thập dữ liệu thì chi phí quá lớn, điều này làm cho quá trình nhận dạng không có ý nghĩa về khía cạnh kinh tế

ii Vì thông thường đối tượng được nhận dạng là đối tượng có vai trò quan trọng trong một quá trình sản xuất nên việc thuyết phục lực lượng vận hành thu thập dữ liệu bằng cách tách quá trình ra khỏi hệ thống điều

khiển như đề cập ở i sẽ rất ít khi được chấp thuận

Như vậy, yêu cầu vận hành cho thấy việc thu thập dữ liệu cần phải thõa mãn rằng không gây ảnh hưởng lên quá trình sản xuất hoặc có ảnh hưởng nhưng không đáng kể đủ để duy trì được chất lượng sản phẩm đầu ra hoặc chi phí nhận dạng vừa phải Do đó, việc duy trì hệ thống điều khiển trong vòng kín khi thực hiện nhận dạng để quá trình công nghệ vẫn có thể vận hành bình thường là điều đáng được xem xét Khi đó, những tác động và can thiệp vừa phải vào hệ thống điều khiển được thực hiện để tạo những thay đổi ở các biến ngõ vào và biến ngõ ra sẽ cho ta bộ

dữ liệu dùng để nhận dạng Thế nên, một ưu điểm quan trọng của việc thực hiện nhận dạng như mô tả ở trên đó là dễ dàng duy trì hệ thống làm việc trong điều kiện phạm vi cho phép khi tiến hành, ngay cả khi sử dụng tín hiệu kích thích chủ động Phương pháp nhận dạng như mô tả ở trên được gọi là nhận dạng trong vòng kín

Dựa vào ý tưởng chủ đạo là nhận dạng quá trình theo quan điểm MIMO để

từ đó thiết kế thuật giải điều khiển tối ưu cho quá trình công nghệ, tác giả xác định

mục tiêu nghiên cứu của mình là nhận dạng và thiết lập mô hình động học cho quá trình sản xuất trong lúc đang vận hành, mà ứng dụng cụ thể ở đây là lò hơi sản xuất hơi nước quá nhiệt tại nhà máy Đạm Phú Mỹ

Tên đề tài: Xây dựng mô hình động học cho lò hơi trong nhà máy Đạm Phú Mỹ

Cơ sở lý thuyết: Sử dụng lý thuyết nhận dạng

Yêu cầu: Xây dựng được mô hình động học lò hơi

Nội dung:

- Xác định phương án nhận dạng

- Thu thập dữ liệu thực tế

- Xây dựng mô hình từ dữ liệu thu thập được

1.2 Nội dung và phương pháp thực hiện

Nội dung của luận văn tập trung vào việc phân tích cấu trúc của hệ thống điều khiển lò hơi, từ đó đề xuất ra phương pháp thu thập dữ liệu trong lúc lò hơi vẫn đang vận hành (thu thập dữ liệu trong vòng kín) Do đặc trưng của hệ thống điều khiển DCS nên sách lược điều khiển bao gồm nhiều vòng PID phối hợp các các bộ điều khiển ratio, điều khiển feedforward, điều khiển lựa chọn và điều khiển cacscade làm cho cấu trúc của hệ thống điều khiển trở nên phức tạp khi có nhiều biến quá trình tham gia và tác động qua lại lẫn nhau Do vậy, việc xác định mức độ can thiệp vào hệ thống điều khiển và can thiệp vào những điểm nào của hệ thống điều khiển đặt ra yêu cầu sống còn đối với việc thu thập dữ liệu nhận dạng trong vòng kín

Từ bộ dữ liệu thu thập được, luận văn đề xuất nhận dạng theo phương pháp bình phương tối thiểu theo mô hình ARX bằng công cụ System Identification Toolbox của phần mềm Matlab Trong khi thực hiện nhận dạng, việc đánh giá số

bậc (order) các tham số của mô hình và ước lượng thời gian trễ của từng biến ngõ vào là vấn đề cần phải quan tâm sâu sắc vì điều này phụ thuộc khá nhiều vào hiểu biết của người thực hiện nhận dạng về quá trình cần nhận dạng Các công cụ trong System Identification Toolbox chỉ có tác dụng hỗ trợ trong công việc này

Việc thực hiện nhận dạng trực tiếp trong vòng kín kéo theo các vấn đề cần giải quyết về sự tương quan giữa nhiễu đo với biến điều khiển (cũng như biến ngõ vào)

và mối quan hệ tuyến tính giữa biến ngõ ra với biến điều khiển (cũng như biến ngõ vào) Các vấn đề này ảnh hưởng đến tính nhất quán của phương pháp nhận dạng, do vậy luận văn cũng đề cập đến phương pháp bình phương tối thiểu và khả năng ứng dụng của nó trong nhận dạng vòng kín

1.3 Bố cục bài viết

Luận văn đi vào mô tả quá trình tạo và sinh hơi của một lò hơi công nghiệp, phân tích sách lược điều khiển hiện tại và từ đó đề xuất phương pháp thu thập dữ liệu bằng vòng kín trong lúc lò hơi vẫn đang vận hành Trên cơ sở dữ liệu thu thập được và đặc tính của quá trình công nghệ mà đề xuất phương pháp nhận dạng và mô hình phù hợp

Luận văn bao gồm 5 chương:

Chương 1: là chương mở đầu, giới thiệu tình hình hiện tại của việc nhận dạng quá trình, khả năng thực thi chúng trên các hệ thống điều khiển quá trình hiện tại (hệ DCS và các hệ PLC) Chương này cũng giới thiệu sơ lược về phương pháp nhận dạng trong vòng kín, một phương pháp nhận dạng đang được quan tâm và phát triển trong thời điểm hiện tại do những ưu điểm của nó so với các phương pháp khác Chương 2: mô tả về các thành phần chính của một lò hơi và mô tả toán học của các quá trình xảy ra trong lò hơi: quá trình cháy, quá trình trao đổi nhiệt và quá trình sinh hơi

Chương 3: đi sâu vào phân tích sách lược điều khiển thực tế đang được sử dụng trong hệ thống DCS của Yokogawa, mà dựa vào đó đề xuất ra các phương án thu thập dữ liệu nhận dạng trong vòng kín

Chương 4: mô tả các phương pháp nhận dạng thường gặp, trong đó phương pháp nhận dạng ứng dụng phương pháp bình phương tối thiểu được đề cập sâu và chi tiết Các kiểu mô hình ARX, ARMAX, BJ cũng được xem xét và đánh giá trong chương này

Chương 5: mô tả công việc nhận dạng lò hơi từ bộ dữ liệu thu thập được khi lò hơi vẫn đang vận hành Các vấn đề về chọn lựa biến quá trình vào/ra, chọn lựa phương pháp nhận dạng đối với đối tượng lò hơi, bộ dữ liệu được sử dụng trong nhận dạng cũng được đề cập trong chương trình này Phần kết luận tóm tắt lại các yếu quyết khi thực hiện nhận dạng và đánh giá mô hình chất lượng mô hình và phân tích các yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lượng mô hình

Chương 2: SƠ LƯỢC CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA LÒ

HƠI (BOILER)

Việc sử dụng hơi nước làm năng lượng đã được ứng dụng từ rất lâu và đến nay

nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong các quá trình công nghiệp (đặc biệt là lĩnh vực năng lượng và dầu khí) Khi nước được đun nóng, nó sẽ sôi và thăng hoa thành hơi nước ở 100 oC (trong điều kiện áp suất khí quyển) Lúc này hơi nước tuy ở thể hơi nhưng vẫn có nhiệt độ là 100 oC, trong tình huống này ta gọi là hơi nước bão hòa và giá trị 100 oC chính là nhiệt độ bão hòa của hơi nước tại áp suất khí quyển Nếu như

ta duy trì áp suất của hơi nước không đổi và tiếp tục gia nhiệt cho hơi nước bão hòa thì nhiệt độ hơi nước sẽ tăng lên và ta thu được hơi nước quá nhiệt Ta nhận thấy đặc điểm của hơi nước quá nhiệt là: tại cùng một áp suất không đổi nhưng ta có thể gia nhiệt cho hơi nước tới nhiều nhiệt độ khác nhau (các nhiệt độ này sẽ cao hơn nhiệt độ bão hòa tại áp suất đấy)

1.4 Các loại lò hơi (boiler)

Lò hơi là thiết bị tạo ra hơi nước bão hòa hoặc hơi nước quá nhiệt Hơi nước quá nhiệt dùng để làm nguồn năng lượng cung cấp cho các thiết bị quay (rotate device) tại các nhà máy sản xuất công nghiệp như turbine truyền động bơm hoặc máy nén hay dẫn động các turbine để quay các máy phát điện Bên cạnh việc tạo ra động năng, hơi nước quá nhiệt này còn có thể sử dụng trong một vài ứng dụng khác như làm khô sản phẩm hay gia nhiệt chất xúc tác…Ta gọi lò hơi là thiết bị nhưng thực chất nó là một hệ thống lớn bao gồm nhiều thành phần: buồng lửa (furnace hay combustion chamber), bao hơi (drum), các bộ trao đổi nhiệt (economiser, evaporator, super heater) , quạt đẩy khói thải (ID Fan), quạt hút không khí (FD Fan)…

Tùy theo cách gia nhiệt cho nước mà người ta phân loại lò hơi thành: Fire-tube boiler (loại ống lửa), water-tube boiler (loại ống nước)

Fire-tube boiler (xem hình 1.4-1) là loại lò hơi mà các khí sau khi cháy sẽ chạy qua các đường ống và gia nhiệt cho nước bao quanh các ống

Water-tube boiler (xem hình 1.4-2) bao gồm nhiều ống (dùng để chứa nước) nối với bao hơi, nước sẽ tuần hoàn trong các ống này và được gia nhiệt bằng nhiệt lượng sản sinh ra trong buồng lửa

Hình 1.4-1: Fire-tube boiler

Hình 1.4-2: Water-tube boiler (loại D)

Tùy vào hình dạng của buồng lửa và hệ thống trao đổi nhiệt người ta phân

water-tube boiler thành các loại sau đây: loại A, loại O và loại D

Hình 1.4-3 : Các loại Water-tube boiler

1.5 Các thành phần cơ bản của lò hơi

Như đã nêu ở phần trước, một lò hơi gồm các thành phần cơ bản sau đây: buồng lửa, bao hơi (drum), các bộ trao đổi nhiệt (economiser, evaporator, super heater) , quạt đẩy khói thải (ID Fan), quạt hút không khí (FD Fan)

Buồng lửa (furnace hay combustion chamber): là nơi đốt cháy nhiên liệu (dầu, khí) để tạo nhiệt năng làm sôi nước bên trong các ống để tạo thành hơi bão hòa trong bao hơi (drum)

Bộ economiser: là nơi dùng nhiệt lượng của khí thải để làm nóng lượng nước (feed water) đi vào lò hơi để tận dụng nhiệt lượng của quá trình đốt

Bao hơi (drum): là nơi chứa nước feed water và cũng là nơi chứa hơi bão hòa được tạo ra từ lò hơi

Bộ evaporator: bao gồm các ống thép chứa đầy nước và nằm trong buồng lửa, nhận nhiệt lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu để làm sôi và bốc hơi nước Hơi nước này sẽ đi vào bao hơi và thoát ra ngoài đi đến bộ Superheater

Bộ Superheater: Sau khi được tạo ra, hơi bão hòa di chuyển từ bao hơi đến superheater, tại đây nó nhận thêm nhiệt lượng và chuyển thành hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt này trở thành nguồn năng lượng truyền động chủ yếu trong quá trình sản xuất

Force Draught Fan (FD Fan): quạt này dùng để hút không khí vào buồng lửa nhằm cung cấp đủ ôxy cho quá trình đốt cháy nhiên liệu

Induced Draught Fan (ID Fan): dùng để hút khí thải (từ buồng lửa) và đẩy ra ống khói để duy trì sự cháy bên trong buồng lửa

Hình 1.5-1 : Sơ lược các thành phần của một lò hơi

Nước sạch (nước khử khoáng, demineralized water) được bơm vào bao hơi (drum), vì nó là nguyên liệu để tạo hơi nước nên được gọi là feed water Trước khi vào bao hơi, feed water thực hiện trao đổi nhiệt với khí thải ra khỏi buồng lửa của lò hơi thông qua bộ Economiser để tận dụng nhiệt lượng của quá trình đốt Từ bao hơi, nước được đưa xuống các ống của Evaporator trong buồng lửa, nhận nhiệt lượng và thăng hoa thành hơi nước bốc lên trên bao hơi

Từ đỉnh của bao hơi, hơi nước bão hòa thoát ra được đưa vào bộ superheater, tại đây chúng nhận thêm nhiệt lượng và trở thành hơi nước quá nhiệt và được đưa lên mạng hơi để sử dụng

1.6 Mô tả toán học các quá trình công nghệ bên trong lò hơi

Mô hình lý thuyết của quá trình là một hệ các phương trình mô tả đặc tính của quá trình Các phương trình này thường là phương trình vi phân hoặc phương trình đại số Các phương trình vi phân mô tả đặc tính động học của quá trình, còn các phương trình đại số mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng của quá trình Mô hình lý thuyết được thiết lập dựa vào các định luật vật lý, hóa học và các thông tin về thiết

bị Từ việc phân tích quá trình, ta nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống, sau đấy viết các phương trình cân bằng và các phương trình đại số khác dựa trên các định luật bảo toàn, nhiệt động học,…Dựa trên các thông số của thiết bị, nguyên/nhiên liệu, điều khiển vận hành mà ta tính ra các tham số cần thiết và triển khai thành mô hình toán học cụ thể

Quá trình tạo hơi quá nhiệt trong lò hơi là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn, đầu tiên là quá trình đốt cháy nhiên liệu, tiếp đến là quá trình trao đổi nhiệt tại Evaporator, rồi kế tiếp là quá trình thăng hoa của nước thành hơi bão hòa, sau đấy là quá trình trao đổi nhiệt tại superheater thành hơi quá nhiệt rồi đến quá trình kiểm soát nhiệt độ hơi quá nhiệt bằng nước làm mát (quench water) thông qua bộ desuperheater Việc mô tả các quá trình của lò hơi bằng các phương trình

cân bằng vật chất, năng lượng chỉ nhằm mục đích tham khảo để hình dung mức độ phi tuyến của hệ và ảnh hưởng của các đại lượng đầu vào với đầu ra của lò hơi Việc mô tả chính xác các quá trình của lò hơi bằng toán học rất khó đạt như mong đợi bởi sự phức tạp của các quá trình bên trong lò hơi

1.6.1 Buồng lửa

Mục đích của việc đốt cháy nhiên liệu chính là để truyền nhiệt tạo ra từ quá trình cháy vào nước để tạo hơi nước Do đó, yêu cầu quan trọng là phải đạt được hiệu quả truyền nhiệt cao nhất Quá trình truyền nhiệt trong buồng lửa thông thường

là một quá trình phức tạp bởi vì sự truyền nhiệt thông qua ba cơ chế: trao đổi nhiệt trực tiếp, đối lưu và bức xạ (chủ yếu là đối lưu và bức xạ); và sự ổn định của quá trình trao đổi nhiệt chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn trong các dòng lưu chất, thành phần của không khí và nhiên liệu, sự trao đổi nhiệt với môi trường

1.6.1.1 Khả năng bức xạ của ngọn lửa

Dựa theo cường độ bức xạ trong phổ thấy được của ánh sáng mà người ta phân chia thành dạng ngọn lửa sáng, nửa sáng và không sáng Thông thường các ngọn lửa sáng và nửa sáng là do nhiên liệu dạng rắn, và còn khi đốt nhiên liệu khí ngọn lửa thu được có thể là loại nửa sáng hoặc không sáng

Hệ số bức xạ nhiệt của môi trường khí được biểu thị qua định luật Bu-ghe (Bouguer):

s p k g

p g

p là tổng phân áp suất của các chất khí tạo thành sau quá trình cháy [Mpa]

s là chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ [m]

Hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa (ngọn lửa sáng) được xác định theo (2-2):

ps k l

k là hệ số làm yếu bức xạ bởi môi trường buồng lửa

p là áp suất của các chất khí trong buồng lửa [MPa]

Chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ trong buồng lửa s được tính theo công thức:

bl

V là thể tích buồng lửa [m3]

v

F là diện tích các tường buồng lửa [m2]

Đối với lò hơi sử dụng nhiên liệu khí, ta xem như ngọn lửa gồm hai phần: phần sáng và phần không sáng, lúc này hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa được xác định như sau:

ks s

d l

=

1

11

1

(2-5)

Dòng nhiệt bức xạ trung bình được các dàn ống sinh hơi (Evaporator) hấp thu là:

3 4

T a

Với x là hệ số góc và ξ là hệ số bám bẩn quy ước

1.6.1.2 T rao đổi nhiệt bức xạ trong buồng lửa

Sự truyền nhiệt từ ngọn lửa đến các dàn ống sinh hơi (evaporator) trong buồng lửa là quá trình rất phức tạp Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra đồng thời với quá trình cháy nhiên liệu, và sự cháy nhiên liệu là nguồn nhiệt cho quá trình bức xạ

Quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa được mô tả bằng công thức bán thực nghiệm của A M Gurvich như dưới đây:

6 0 6

0

6 0 ''

bl bl

a M Bo

Bo

×+

nhiệt tối đa đến các bề mặt dàn ống đặt trên tường Đặc tính của trường nhiệt độ trong thể tích buồng lửa cũng được kể đến qua hệ số M

Hệ số Bođược xác định như sau:

'' 4

1

bl a

v d

bx tt

T F c

Q B Bo

tth kkng kk

lv tr

q

q q q Q

100

)100

Q là nhiệt lượng không khí thu được do nó được sấy sơ bộ ở phía trước

bộ sấy không khí của chính lò hơi (bộ Economiser)

tth

Q là nhiệt lượng do khói được tái tuần hoàn từ “đuôi lò” về buồng lửa

%1003

với:

dv

Q là nhiệt lượng sản sinh ra khi cháy

Q là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học

6

Q là lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài

Việc tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa dựa trên hai phương trình chủ yếu sau:

Phương trình cân bằng nhiệt:

( '' ) ( ) ( '' )

bl a g c bl

với: ϕ là hệ số giữ nhiệt

( )Vc g là nhiệt dung trung bình của các chất khí trong khoảng nhiệt độ ( ''

4 4

v bl bx

tt

T

T T

xF a c Q

41

67

a bl v dtb

a bl

Vc B

T a F M

T

ϕψ

( )Vc tb là tổng nhiệt dung trung bình của sản phẩm cháy

1.6.2 Các bộ trao đổi nhiệt

Không giống như quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa, nhiệt lượng mà bộ Evaporator nhận được chủ yếu từ bức xạ Đối với các bộ trao đổi nhiệt như Economiser, Superheater nhiệt lượng nhận được thông qua cả trao đổi nhiệt bức xạ vào trao đổi nhiệt đối lưu

1.6.2.1 Trao đổi nhiệt bức xạ trong đường khói của lò hơi

Lượng nhiệt hấp thu do trao đổi nhiệt bức xạ của một đơn vị bề mặt truyền nhiệt đối lưu ở phần đuôi lò (ngõ ra, ống khói) được xác định bởi phương trình sau:

( 4 4)

02

1

tr tr

a là độ đen của bề mặt hấp thu nhiệt bằng bức xạ

T là nhiệt độ tính toán của dòng khói (thường tính bằng trung bình cộng của nhiệt độ khói vào và ra khỏi bề mặt truyền nhiệt [K]

T T

a a

tr

tr tr

110

67.5

3

3 11

t là nhiệt độ vách ống (có tính đến ảnh hưởng của tro bụi) được xác định như sau:

q t

t tr = + + 

2

1α

α là hệ số tỏa nhiệt từ vách ống đến môi chất lưu động trong ống [W/m2K]

q là suất nhiệt lượng hấp thu bề mặt truyền nhiệt được tính toán [kW/m2]

1.6.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu trong đường khói của lò hơi

Phương trình truyền nhiệt cho phép xác định nhiệt lượng hấp thu của bề mặt truyền nhiệt:

tt

B

t kH

B là lượng nhiên liệu tiêu hao tính toán [kg/s]

Phương trình cân bằng nhiệt dùng để tính nhiệt lượng do khói truyền đi bằng nhiệt lượng do hơi nước, nước hay không khí hấp thu:

( ' '' 0 )

kkl g

g I I I

∆ là lượng nhiệt do không khí lạnh (lọt vào lò hơi) mang vào

Nhiệt lượng môi chất (hơi nước, nước, khí) hấp thu tại superheater được tính bởi công thức dưới đây:

bx o tt

Q i

i i B

D Q

Chương 3: QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU

KHIỂN ĐANG ĐƯỢC SỬ DỤNG

3.1 Sơ lược quá trình công nghệ

Hệ thống lò hơi tại nhà máy Đạm Phú Mỹ thuộc loại water-tube boiler type D

Hệ thống này được gọi là Lò hơi phụ trợ (Auxiliary Boiler), có tên (tagname) là B-8001 và được hãng MACHI chế tạo Hệ thống điều khiển quá trình công nghệ chủ yếu được thực hiện trên hệ thống DCS của hãng Yokogawa (Centum CS 3000) Còn các chức năng bảo vệ an toàn và các chức năng khác như đánh lửa, đốt nhiên liệu, bơm dầu, điều khiển các thiết bị phụ như ID Fan… thì do hệ thống PLC của hãng HIMA thực hiện

10-Lò hơi 10-B-8001 có thể cung cấp công suất tối đa là 140 tấn/h hơi quá nhiệt ở nhiệt độ 380 ± 5 oC và áp suất 39 ± 0.5 bar Nhiên liệu là khí đốt thiên nhiên (natural gas) được cung cấp bởi trạm cung cấp khí GDC của tổng công ty khí Việt nam (PVGAS)

Như đã được mô tả trong Hình 1.5-1, nước khử khoáng sau khi qua bộ Economiser sẽ đi vào bao hơi, sau đấy nó sẽ trao đổi nhiệt tại buồng lửa thông qua

bộ Evaporator và trở về lại bao hơi Lúc này trong bao hơi sẽ là hỗn hợp giữa nước

và bọt hơi nước Do đó mức nước sẽ thay đổi phụ thuộc vào áp suất trong bao hơi Nếu áp suất giảm thì mức sẽ tăng và ngược lại

Dòng hơi bão hòa ra khỏi bao hơi sẽ đi vào Superheater Bộ Superheater này bao gồm hai dàn trao đổi nhiệt Sau khi trao đổi nhiệt tại dàn trao đổi nhiệt thứ nhất của Superheater, hơi quá nhiệt sẽ được làm mát bằng một lượng nước làm mát (quench water) để điều hòa nhiệt độ và tiếp tục đi vào dàn trao đổi nhiệt thứ hai Hơi nước ra khỏi dàn trao đổi nhiệt thứ hai này (tức là ra khỏi Superheater) chính là hơi nước quá nhiệt được sử dụng cho quá trình sản xuất Lượng hơi này sẽ được

đưa vào mạng hơi, tùy vào lượng hơi được sử dụng trong quá trình sản xuất (downstream) mà lò hơi thay đổi công suất cho phù hợp

Trong quá trình vận hành, ta cần phải duy trì mực nước trong bao hơi ở mức độ

an toàn (thông thường là giữa bao hơi): không thấp quá để đảm bảo đủ nước cho quá trình tạo hơi và tránh gây cháy các ống trao đổi nhiệt mà cũng không cao quá

đủ để ổn định được áp suất trong bao hơi khi tải (nhu cầu tiêu thụ hơi nước quá nhiệt) thay đổi Do vậy khi mực nước nằm trong giới hạn an toàn ta còn phải bơm liên tục một lượng nước vào bao hơi bằng với lượng hơi được tiêu thụ ở ngõ ra của

lò hơi để đảm bảo mực nước không thay đổi

Để gia nhiệt cho nước thành hơi nước quá nhiệt, nguồn nhiệt năng được tạo từ buồng lửa bằng việc đốt cháy nhiên liệu Chất lượng quá trình cháy được kiểm soát bằng nồng độ Oxy ở khí thải

Chi tiết quá trình công nghệ và sơ đồ công nghệ được thể hiện ở P&ID của hệ thống lò hơi ở phụ lục 1

3.2 G iải pháp điều khiển hiện tại

Như vậy ta nhận thấy, việc điều khiển lò hơi được chi phối bởi bốn vấn đề chính:

- Mức nước trong bao hơi

- Nhiệt độ hơi quá nhiệt ở ngõ ra

- Áp suất hơi quá nhiệt ở ngõ ra

- Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa

Sơ đồ điều khiển của hệ thống lò hơi thực hiện trên hệ DCS Centum CS3000 của hãng Yokogawa ở phụ lục 2

3.2.1 Điều khiển mức nước trong bao hơi

Việc điều khiển mức nước trong bao hơi được thực hiện thông qua bộ điều khiển LIC8250 với cảm biến mức dạng chênh áp LIT8250 và van điều khiển LV8250

Giá trị mức từ LIT8250 được tính bù với giá trị áp suất trong bao hơi (PI8250) trước khi trở thành giá trị PV đưa vào bộ điều khiển LIC8250 Khi giá trị mức bao hơi cách xa giá trị đặt, LIC8250 sẽ thực hiện mở van LV8250 để đưa mức về giá trị đặt, khi mức đã về giá trị đặt lúc này LV8250 sẽ đóng lại và bộ LIC8250A sẽ thực hiện việc duy trì mức bao hơi thông qua việc tạo giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng FIC8251 Giá trị đặt cho FIC8251 là tổng của giá trị ở ngõ ra của LIC8250A

và sự biến thiên lưu lượng hơi quá nhiệt ở ngõ ra Do vậy lưu lượng nước feed water vào bao hơi của lò hơi đủ để duy trì mức trong bao hơi trong khi vẫn cấp một lượng hơi quá nhiệt ở ngõ ra

Hình 3.2.1-1 Sơ đồ điều khiển mức trong bao hơi

3.2.2 Kiểm soát nhiệt độ hơi nước quá nhiệt

Dòng hơi nước ra khỏi bao hơi sẽ đi vào bộ trao đối nhiệt Superheater, sau khi qua bộ Superheater 1 (10-B-8001/SH1) sẽ đi qua bộ Desuperheater và đi vào Superheater 2 (10-B-8001/SH2) Nhiệt độ hơi nước quá nhiệt ở ngõ ra của lò hơi sẽ được kiểm soát bằng lưu lượng nước FIT8252 phun vào bộ Desuperheater Bộ điều khiển nhiệt độ TIC8253 sẽ tạo ra yêu cầu về lưu lượng nước làm mát cần thiết, và

bộ điều khiển lưu lượng FIT8252 có nhiệm vụ duy trì lưu lượng nước đúng như TIC

3.2.3 Áp suất hơi quá nhiệt ở ngõ ra

Việc duy trì áp suất hơi quá nhiệt ở đầu ra (khoảng 39 bar) được thực hiện thông qua việc duy trì nhiệt năng cung cấp cho lò hơi mà cụ thể chính là năng lượng

từ quá trình đốt cháy nhiên liệu Bộ điều khiển PIC4048 có nhiệm vụ duy trì áp suất của hơi quá nhiệt ở ngõ ra của lò hơi (nói chính xác hơn (ở quá trình công nghệ này)

là áp suất của mạng hơi cao áp) Setpoint của PIC4048 sẽ do người vận hành nhập vào và bộ điều khiển sẽ tạo ra yêu cầu tăng hay giảm nhiệt lượng để duy trì áp suất không đổi bằng cách tạo ra giá trị đặt cho lưu lượng khí nhiên liệu đầu vào FIC8201

Tuy nhiên để tăng đáp ứng của hệ điều khiển, setpoint của FIC8201 không chỉ nhận từ PIC4048 mà còn từ sự biến thiên lưu lượng dòng hơi quá nhiệt ở ngõ ra của

lò hơi FI8253 Khối FY8250E thực hiện nhiệm vụ này Ngõ ra của FY8250E được đưa vào làm giá trị đặt cho FIC8201

Hình 3.2.3-1 Sơ đồ điều khiển áp suất hơi quá nhiệt ngõ ra

3.2.4 Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa

Quá trình cháy trong buồng lửa luôn được quan tâm nhiều trong vận hành lò hơi, nếu quá trình cháy tốt thì lò hơi sẽ tận dụng được nhiều năng lượng hơn còn nếu quá trình cháy không tốt thì lượng nhiên liệu tiêu hao rất đáng kể Chất lượng của quá trình đốt cháy nhiên liệu được đánh giá thông qua nồng độ khí Ôxy bên trong khí thải (flue gas) Công việc kiểm soát nồng độ Oxy trong khí thải được thực hiện bằng bộ phân tích online AT8250 (là thiết bị của hãng Rosemount - Emerson)

Bộ điều khiển nồng độ khí Ôxy AIC8250 sẽ thực hiện điều tiết tỉ lệ lưu lượng không khí (FIT8250) và khí nhiên liệu (FIT8201) để quá trình cháy đạt được chất lượng tốt nhất bằng cách thay đổi hệ số nhân biến thiên từ 0.85 tới 1.15 Lúc này lưu lượng không khí vào buồng đốt sẽ biến thiên từ 85% đến 115% lưu lượng chuẩn

để cung cấp cho quá trình cháy nhằm đạt được nồng độ Ôxy trong khí thải tối ưu Setpoint cho bộ AIC8250 được lấy từ hàm AY8250; tùy thuộc vào công suất vận hành của lò hơi mà tại từng thời điểm giá trị đặt nồng độ Ôxy trong khí thải cho AIC8250 cũng thay đổi, sự thay đổi này được quy định trong hàm AY8250

Hình 3.2.4-1 : Sơ đồ điều khiển chất lượng quá trình cháy

Chương 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG

4.1 Sơ lược về vấn đề nhận dạng

Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên mô hình của đối tượng Mô hình này có thể là mô hình lý thuyết (được xây dựng dựa trên các phương trình cân bằng vật chất và phương trình cân bằng năng lượng) hoặc là mô hình thực nghiệm (dựa trên đáp ứng của hệ thống với tín hiệu thử) Mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó nhằm phục vụ một mục đích nhất định

Do đó mô hình không phản ánh đầy đủ các khía cạnh của một hệ thống thực, mà chỉ cần thâu tóm được các đặc tính thiết yếu của hệ thống thực mà người lập mô hình cần quan tâm

Các quá trình công nghiệp thường rất phức tạp, vì vậy hầu như không thể xây dựng được một mô hình hoàn hảo đủ sức phản ánh đầy đủ hết đặc tính của hệ thống

Do vậy, mô hình cần phải đảm bảo đơn giản nhưng vẫn đủ chi tiết cần thiết Việc xác định mức độ về yêu cầu đơn giản mà vẫn đầy đủ phụ thuộc vào ba yếu tố sau:

- Yêu cầu và mục đích sử dụng cụ thể của mô hình

- Công sức và chi phí tiến hành mô hình hóa

- Độ tin cậy của thông tin có được về quá trình

Về nguyên tắc có hai phương pháp xây dựng mô hình toán học cho quá trình:

- Mô hình hóa lý thuyết (hay còn gọi là mô hình hóa vật lý): phương pháp này đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông

số kỹ thuật của thiết bị (bồn chứa, tháp phản ứng, kích thước đường ống…)

để xác định giá trị của các tham số Mô hình này là một hệ các phương trình vi phân và phương trình đại số

- Mô hình hóa thực nghiệm (còn gọi là phương pháp hộp đen (black box)

quá trình, quan sát tín hiệu vào ra và phân tích số liệu thu được để xác định

mô hình

Phương pháp lý thuyết có ưu điểm cho ta hiểu sâu hơn về các quan hệ giữa các đại lượng bên trong quá trình (mà các quan hệ này được xác định bởi các quá trình vật lý, hóa học, sinh học), mà từ đó ta xác định được chính xác cấu trúc mô hình Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình lý thuyết cho mỗi quá trình mỗi khác vì mỗi quá trình mỗi khác nhau Do đó việc xây dựng mô hình theo cách này đòi hỏi người lập

mô hình phải có nhiều kinh nghiệm và có kiến thức sâu, rộng về các lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học Bên cạnh đấy, mô hình lý thuyết thu được chỉ phản ánh được đặc tính động học của quá trình công nghệ mà bỏ qua đi đặc tính động học của thiết bị

đo và các cơ cấu chấp hành Tiếp nữa, việc xác định chính xác các tham số dựa vào thông tin của thiết bị là khó thực hiện được Điều này làm giảm đi tính chính xác và tính đầy đủ của mô hình lý thuyết Do vậy, mô hình lý thuyết rất có ích trong việc khảo sát đặc tính động học, xác định cấu trúc mô hình, thiết kế sách lược điều khiển nhưng ít phù hợp cho việc xác định các tham số của bộ điều khiển

Phương pháp mô hình hóa thực nghiệm có ưu điểm là ta có thể xác định được tương đối chính xác các tham số của mô hình nếu như ta biết được cấu trúc của mô hình Tuy nhiên, vì việc xác định mô hình dựa vào các dữ liệu vào ra (thu được từ thực nghiệm) nên chất lượng mô hình thu được phụ thuộc nhiều độ chính xác của các thiết bị đo Bên cạnh đấy nhiễu tác dụng lên quá trình và thiết bị đo cũng gây ảnh hưởng đáng kể lên dữ liệu thu thập được Ngoài ra việc thu thập dữ liệu vào ra không dễ dàng vì nhiều lý do như các điều kiện ràng buộc về điều kiện công nghệ khi thực hiện thu thập dữ liệu, tương tác giữa các biến quá trình, chi phí vận hành trong quá trình thu thập dữ liệu…

Từ phân tích ở trên ta nhận thấy một số ưu điểm của phương pháp lý thuyết là nhược điểm của phương pháp thực nghiệm và ngược lại một số nhược điểm của phương pháp lý thuyết thì phương pháp thực nghiệm lại cho kết quả rất tốt Do đó

sự kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm có thể loại bỏ

bớt những nhược điểm của hai phương pháp làm cho việc mô hình hóa có chất lượng tốt hơn so với việc thực hiện từng bước riêng rẽ Phương pháp lý thuyết sẽ cung cấp cho ta cấu trúc của mô hình và cơ sở để thiết kế sách lược điều khiển và lựa chọn bộ điều khiển Bước nhận dạng thực nghiệm sẽ cung cấp mô hình động học cho toàn bộ hệ thống quá trình bao gồm đặc tính của các quá trình công nghệ, các thiết bị công nghệ và cả các thiết bị đo lường điều khiển

Dưới đây ta sẽ nói thêm về vấn đề nhận dạng quá trình hay còn gọi là mô hình hóa thực nghiệm

4.1.1 Các bước tiến hành nhận dạng quá trình

Những bước cơ bản trong xây dựng mô hình thực nghiệm trong quá trình công nghiệp bao gồm các bước sau đây:

1 Thu thập thông tin về quá trình công nghệ: như mô tả quá trình (các quá

trình vật lý, hóa học xảy ra bên trong quá trình), các thông số vận hành, các giới hạn trên và giới hạn dưới của các đại lượng áp suất, nhiệt độ, mức, lưu lượng,…, các khóa liên động (interlock) chi phối cách vận hành

hệ thống Từ đó ta thực hiện phân tích thông tin để xác định các biến ngõ vào, ngõ ra cần quan tâm, các điều kiện biên và các giả thiết liên quan

2 Lựa chọn phương pháp nhận dạng: tùy vào tùy tình huống cụ thể mà sau

khi phân tích ta sẽ lựa chọn phương án nhận dạng phù hợp và xác định phương án đánh giá chất lượng mô hình Các phương pháp nhận dạng thường gặp như nhận dạng trực tuyến/ngoại tuyến (online/offline), nhận dạng vòng hở/vòng kín (open loop/close loop), nhận dạng chủ động/bị động

3 Thu thập số liệu thực nghiệm: trên cơ sở phân tích và chọn lựa phương

pháp nhận dạng ở các bước 1 và 2, cần phải xác định thu thập dữ liệu thực nghiệm như thế nào để thỏa mãn được yêu cầu mô tả mối quan hệ

giữa các biến ngõ vào và các biến ngõ ra Bên cạnh đấy, cần phải xử lý các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy

4 Xác định dạng mô hình và cấu trúc mô hình: dựa vào mục đích sử dụng

mô hình và khả năng của phương pháp nhận dạng mà ta đã chọn để xác định mô hình là tuyến tính hay phi tuyến, liên tục hay rời rạc Bên cạnh đấy cần phải xác định sơ bộ cấu trúc của mô hình (bậc tử số/mẫu số của hàm truyền đạt, số lượng các hệ số trong mô hình thu được từ phương pháp bình phương tối thiểu, có thành phần trễ hay không…)

5 Xác định các tham số của mô hình: tùy vào phương pháp đã chọn ở trên

mà ta thực hiện việc xác định các tham số của mô hình dựa vào các dữ liệu vào ra Công cụ để thực hiện có thể sử dụng các phần mềm như Matlab, Maple,… hay các ngôn ngữ lập trình bất kỳ như C, Pascal, Delphi,…

6 Kiểm chứng và đánh giá mô hình: thông thường sau khi thu được bộ

tham số của mô hình và thiết lập được mô hình ta cần phải thực hiện mô phỏng để kiểm chứng độ chính xác của mô hình Việc kiểm chứng thông thường được thực hiện bằng việc sử dụng mô hình để mô phỏng dữ liệu vào ra, kết quả thu được sẽ đem so với bộ dữ liệu vào ra thu thập được trong thực tế Dữ liệu thực tế dùng để kiểm chứng phải là bộ dữ liệu khác với bộ dữ liệu dùng để tính toán thiết lập mô hình Nếu kết quả không đạt yêu cầu thì phải làm lại từ bước số 4 Còn nếu kết quả không đạt do bộ

dữ liệu không đạt yêu cầu thì phải làm lại từ bước số 3

4.1.2 Phân loại phương pháp nhận dạng

Các phương pháp nhận dạng vô cùng phong phú, dựa vào từng cách nhìn khác nhau mà ta có thể phân thành nhiều loại khác nhau

 Nhận dạng theo dạng mô hình sử dụng

Dựa vào dạng mô hình người ta có thể phân loại nhận dạng hệ phi tuyến hoặc nhận dạng hệ tuyến tính, nhận dạng hệ liên tục hoặc hệ gián đoạn, nhận dạng mô hình có tham số hoặc không tham số, nhận dạng mô hình trên miền thời gian hay trên miền tần số…

 Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động

Việc thu thập dữ liệu đòi hỏi phải có sự biến thiên của dữ liệu vào ra Do đó hoặc là cần phải tác động vào đầu vào hoặc đầu ra của hệ thống, hoặc là phải thu thập dữ liệu trong lúc hệ thống đang vận hành

Trong tình huống cần phải tác động tín hiệu kích thích ở biến đầu vào (hoặc biến đầu ra) của quá trình ta gọi là nhận dạng chủ động, vì ta chủ động thêm kích thích vào hệ thống Các dạng tín hiệu kích thích thông thường có thể là xung vuông, xung bậc thang, tín hiệu dao động điều hòa Phương pháp chủ động có ưu điểm là ta

có thể chọn được dạng kích thích phù hợp với đặc tính động học của quá trình, điều này làm cho dữ liệu thu thập được có chất lượng rất cao Bên cạnh đấy quá trình được cách ly ra khỏi các vòng điều khiển, do đó tránh được hiện tượng tác động qua lại giữa các bộ điều khiển làm sai lệch dữ liệu thu thập được Tuy nhiên, việc nhận dạng chủ động có điểm yếu quan trọng là chi phí thu thập dữ liệu khá tốn kém vì đa

số hệ thống công nghệ khó thể vận hành bình thường trong khi thực hiện thu thập

dữ liệu do đó chỉ có thể chạy máy mà không sản xuất chỉ để thực hiện thu thập dữ liệu Cũng vì lý do này mà đối với những hệ thống đang vận hành ổn định, việc thu thập dữ liệu bằng kích thích chủ động gần như không khả thi

Trong tình huống không thể nhận dạng chủ động, phương pháp bị động được sử dụng Phương pháp này sử dụng các số liệu trong lúc hệ thống đang vận hành, nếu cần thiết có thể có những tác động (lên bộ điều khiển hoặc biến quá trình) làm thay đổi nhỏ đến các thông số vận hành để thu thập dữ liệu mà không ảnh hưởng nhiều đến quá trình công nghệ Tuy nhiên, thực hiện nhận dạng bị động chịu ảnh hưởng khá lớn của nhiễu và sai lệch của thiết bị đo Hai yếu tố này ảnh hưởng lớn đến chất lượng dữ liệu thu thập được

 Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín

Từ phân tích ở phần trên (nhận dạng chủ động và bị động) ta cũng có thể cảm nhận rằng dữ liệu thu thập được sẽ ở trong tình huống hoặc vòng điều khiển bị cách

ly khỏi hệ thống hoặc hệ thống vẫn chịu tác động của vòng điều khiển Từ đó ta phân loại ra nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín

Nhận dạng vòng hở (open loop identification) được thực hiện khi vòng điều khiển phản hồi bị cách ly ra khỏi quá trình công nghệ Bộ điều khiển chỉ thực hiện thay đổi giá trị MV để tác động vào quá trình, sự thay đổi MV này có thể được thực hiện chủ động bởi người lập mô hình Hoặc ta cũng có thể thực hiện thay đổi biến quá trình đầu vào của quá trình công nghệ bằng cách dùng sự thay đổi giá trị phân đoạn công nghệ trước đó (upstream) Thực tế, đây là cách làm can thiệp khá thô bạo vào quá trình điều khiển và sản xuất, điều này làm cho việc vận hành quá trình công nghệ không thể đảm bảo ổn định và duy trì được chất lượng Do đó đối với những quá trình công nghệ có mức độ quan trọng cao và nhạy cảm, cần phải thực hiện nhận dạng vòng kín, tức là thu thập dữ liệu trong khi hệ thống vẫn làm việc ổn định dưới sự điều khiển của các vòng điều khiển

 Nhận dạng gián tiếp và trực tiếp

Có hai cách tính toán mô hình đối tượng: trực tiếp và gián tiếp Thực tế đây là một vấn đề con bên trong vấn đề nhận dạng vòng kín Tuy nhiên ta có thể xem như

nó là một trong những phương pháp nhận dạng

- Nhận dạng trực tiếp là thực hiện nhận dạng dựa trên dữ liệu thu thập là giá trị các biến ngõ vào và biến ngõ ra của hệ thống mà không cần quan tâm đến thông tin của bộ điều khiển Từ bộ dữ liệu thu được ta có thể tính ra trực tiếp được mô hình của quá trình Phương pháp nhận dạng trực tiếp có

ưu điểm là không cần thông tin chính xác về bộ điều khiển và có thể cho độ chính xác cao nếu chọn được phương pháp nhận dạng phù hợp Tuy nhiên, nếu dữ liệu thu thập chịu ảnh hưởng của nhiễu mà nhiễu này có tương quan

với dữ liệu đầu vào sẽ làm ảnh hưởng đến tính nhất quán và sự hội tụ của phương pháp

- Nhận dạng gián tiếp là thực hiện nhận dạng dựa trên bộ dữ liệu thu thập được ở đầu vào và đầu ra của hệ thống bao gồm quá trình công nghệ và bộ điều khiển (hay nói cách khác là thu thập dữ liệu trong lúc bộ điều khiển vẫn đang hoạt động bình thường) Từ bộ dữ liệu đấy ta tính ra mô hình của

hệ thống vòng kín (bao gồm quá trình công nghệ, các thiết bị đo/chấp hành

và bộ điều khiển) Sau đấy ta tính được mô hình của hệ thống hở từ mô hình kín vừa nhận dạng được, mô hình thu được là mô hình cho quá trình công nghệ và các thiết bị đo/chấp hành

 Nhận dạng trực tuyến (online) và ngoại tuyến (offline)

Tùy vào nhu cầu mà việc nhận dạng mô hình được thực hiện liên tục hoặc gián đoạn Nếu quá trình nhận dạng được thực hiện liên tục để phục vụ điều khiển thích nghi hoặc tối ưu hóa thời gian thực cho hệ thống điều khiển, ta phải thực hiện nhận dạng liên tục tức là nhận dạng trực tuyến (online), lúc này các tham số của mô hình được cập nhật liên tục vì quá trình nhận dạng được thực hiện liên tục với bộ dữ liệu vào ra cũng được thu thập liên tục Còn nếu như không có nhu cầu thực hiện nhận dạng liên tục (ví dụ như nhận dạng mô hình để phục vụ phân tích thiết kế điều khiển, mô phỏng hệ thống…) thì ta chỉ cần thu thập dữ liệu, sau đấy nhận dạng, kiểm chứng và sử dụng mô hình

4.1.3 Đánh giá và kiểm chứng mô hình

Một mô hình mà khi thực hiện mô phỏng cho giá trị ra có sai lệch ít so với dữ liệu thực thu thập được thì được coi là mô hình có chất lượng tốt Sử dụng giá trị vào của bộ dữ liệu kiểm chứng, ta tính sai lệch giữa giá trị ra mô phỏng yˆ kvà giá trị

ra thực y kđể đánh giá chất lượng của mô hình

Với N là số lần trích mẫu của tín hiệu, y k là giá trị đầu ra thực ở thời điểm trích mẫu thứ k và yˆ k là giá trị ngõ ra thu được từ việc mô phỏng tín hiệu của mô hình đã nhận dạng

4.2 Phương pháp bình phương tối thiểu

Các thuật giải nhận dạng rất đa dạng và phong phú Có phương pháp dựa vào

đồ thị đáp ứng quá độ như phương pháp kẻ tiếp tuyến, phương pháp hai điểm quy chiếu, phương pháp diện tích, phương pháp hai điểm cực trị… Có phương pháp dựa trên đáp ứng tần số như phương pháp kích thích trực tiếp tín hiệu sin, kích thích tín hiệu dạng xung, phương pháp phân tích phổ tín hiệu… Trong thời gian gần đây, với sự phát triển của máy tính, phương pháp tính toán nhận dạng dựa trên nguyên lý bình phương tối thiểu trở nên phổ biến rộng rãi và dần được phát triển hoàn thiện Phương pháp bình phương tối thiểu cho mô hình kết quả có chất lượng tốt hơn các phương pháp dựa trên đồ thị đáp ứng quá độ và các phương pháp dựa trên đáp ứng tần số Nó thường được dùng khi thực hiện nhận dạng những quá trình công nghệ phức tạp hoặc những quá trình đòi hỏi cao về chất lượng điều khiển Ứng dụng nguyên lý bình phương tối thiểu, thực chất bài toán nhận dạng chính là bài toán tối

ưu tham số với hàm mục tiêu là cực tiểu hóa tổng bình phương sai lệch giữa số liệu thu thập được với số liệu tính toán ước lượng của mô hình

Đây là phương pháp có khả năng ứng dụng rộng rãi, nó có thể được áp dụng cho cả hệ phi tuyến lẫn tuyến tính, trên miền thời gian cũng như miền tần số, trực tuyến cũng như ngoại tuyến

4.2.1 Nguyên lý bình phương tối thiểu

Nguyên lý bình phương tối thiểu dựa trên cơ sở là một quá trình có thể mô tả được bằng phương trình dưới đây:

( ) ϕ ( )θ ϕ ( )θ ϕ ( )θ ϕT( )i θ

n i n i

ϕ là các hàm đã xác định trước còn θ là vector tham số của mô hình cần xác định:

n

θθ

θ

Vector hàm ϕT( )t i =[ϕ1(t i) ϕ2(t i) ϕn(t i)] được gọi là vector hồi quy, các phần tử của nó được gọi là biến hồi quy Thông thường, vector hồi quy biểu diễn trực tiếp các dữ liệu đầu vào (đã xác định) Theo như công thức (4-2) ta nhận thấy giá trị ngõ ra là tuyến tính với giá trị vào Do đó trong thực tế, nếu cần thiết lập mô hình phi tuyến, người ta cần phải sử dụng vector hàm ( )i

T

t

ϕ phức tạp hơn với các biến hồi quy có thể ở dạng biến thiên hoặc phi tuyến

Như đã nêu ở công thức (4-1), việc xác định mô hình thực chất trở thành công việc giải bài toán tối ưu bằng cách tìm ra vector hàm ( )i

T

t

ϕ sao cho hàm mục tiêu ε

là cực tiểu Trên cơ sở dữ liệu nhận dạng có N mẫu, tức thời gian quan sát từ t1 đến

i

i i

N y t y t y t t t

V

1

2 1

2ˆ

Ta đặt:

( ) ( ) ( )

n N

N n N

N

n n

N T

T T

R t

t t

t t

t

t t

2 2

2 2 1

1 1

2 1 1 2

1

ϕϕ

ϕ

ϕϕ

ϕ

ϕϕ

ϕ

ϕ

ϕϕ

N N

R t

y

t y

t y

Ta có thể thấy rằng ψ chính là y( )t i và tích Φθ chính là yˆ( )t i Giải bài toán tìm nghiệm tối ưu của hệ (4-4) sẽ thu được bộ tham số θˆ của mô hình cần nhận dạng

[ψ θ ψ θ ]

minarg

Do vậy, để (4-4) có nghiệm thì N ≥ n và Φ có đủ hạng cột (tức là có các cột độc lập tuyến tính, đây là điều kiện để ma trận ΦTΦ khả đảo) Lúc này nghiệm sẽ là:

( ) ψ ψ

θˆ= ΦTΦ−1ΦT =Φ∗ (4-6) trong đó Φ∗ là ma trận giả nghịch đảo (pseudo-inverse) của Φ

4.2.2 Phương pháp ước lượng tham số mô hình FIR

Một quá trình ổn định có thể được biểu diễn bằng mô hình FIR (Finite

Impulse Response, đáp ứng xung hữu hạn):

1 1

(4-7) Thể hiện bằng sơ đồ khối như dưới đây (vì quá trình là có trễ nên hệ số g0 =0)

Hình 4.2.2-1 : Sơ đồi khối mô hình FIR

Dãy giá trị { }g k được gọi là dãy trọng lượng Giá trị của từng phần tử trong dãy { }g k thể hiện ảnh hưởng của từng đầu vào u( )t−i trong quá khứ tới giá trị đầu

ra hiện tại y( )t