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

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:152

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển phản hồi đầu ra cho quá trình đa biến buồng sấy giấy" là Nghiên cứu xây dựng động học và điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy để nâng cao chất lượng điều khiển.

Chủ đề:

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

Lưu

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG __________________ TRẦN KIM QUYÊN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI ĐẦU RA CHO QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BUỒNG SẤY GIẤY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ___________________ TRẦN KIM QUYÊN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI ĐẦU RA CHO QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BUỒNG SẤY GIẤY Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. ĐOÀN QUANG VINH PGS. TS. BÙI QUỐC KHÁNH Đà Nẵng - Năm 2016
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy giáo PGS.TS. Bùi Quốc Khánh và Thầy giáo PGS.TS Đoàn Quang Vinh, các Thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, định hướng, động viên kịp thời trong suốt thời gian Tác giả thực hiện luận án. Cảm ơn ban lãnh đạo cùng toàn thể cán bộ viên chức Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có những trao đổi về nội dung chuyên môn, cũng như sự tạo điều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị để tôi có thể hoàn thành luận án đúng quy định. Cảm ơn Ban lãnh đạo khoa Điện, bộ môn Điều khiển và Tự động hóa Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh tham gia sinh hoạt cùng bộ môn. Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo bộ môn Điều khiển và Tự động hóa Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã dành nhiều thời gian để trao đổi, góp ý về nội dung của luận án cũng như phương pháp nghiên cứu khoa học độc lập. Cảm ơn Đảng ủy, Ban giám hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa, cùng bạn bè đồng nghiệp đã tạo điều kiện, hỗ trợ công việc tại Trường trong suốt thời gian Tác giả thực hiện luận án. Cuối cùng, Tác giả xin dành những lời biết ơn chân thành nhất, những tình cảm sâu sắc nhất để gửi đến gia đình. Có được kết quả như ngày hôm nay, chính là sự động viên, chia sẻ và giúp đỡ của gia đình, đó cũng là nguồn sức mạnh, động lực giúp Tác giả vượt qua khó khăn, trở ngại trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án Trần Kim Quyên
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian (4 năm) làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Trần Kim Quyên
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 Chương 1. ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ CÔNG NGHỆ SẤY TRONG DÂY CHUYỀN XEO ....................................................................................................... 4 1.1. Tóm tắt công nghệ sản xuất giấy ........................................................................ 4 1.1.1. Công đoạn xử lý nguyên liệu ....................................................................... 4 1.1.2. Công đoạn nấu bột ....................................................................................... 5 1.1.3. Công đoạn rửa sàng ...................................................................................... 5 1.1.4. Công đoạn tẩy trắng bột ............................................................................... 6 1.1.5. Xeo giấy ....................................................................................................... 6 1.1.6. Bộ phận ép.................................................................................................... 7 1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng ............................................................................... 7 1.1.8. Bộ phận ép quang ......................................................................................... 7 1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn ............................................................................ 8 1.1.10. Giấy thành phẩm ........................................................................................ 8 1.1.11. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm ............................................ 8 1.2. Vấn đề độ ẩm của giấy và quá trình sấy trong dây chuyền xeo .......................... 9 1.2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 9 1.2.2. Đo độ ẩm giấy ............................................................................................ 11 1.2.3. Cấu hình khâu sấy ...................................................................................... 12 1.3. Sấy hơi và hệ điều khiển sấy hơi ....................................................................... 12 1.3.1. Cấu tạo lô sấy ............................................................................................. 12 1.3.2. Nguyên lý điều khiển công suất sấy........................................................... 13 1.4. Sấy đối lưu và điều khiển gió trong buồng sấy ................................................. 15 1.4.1. Phương pháp sấy đối lưu truyền thống ...................................................... 15 1.4.2. Phương pháp sấy đối lưu kết hợp thổi gió nóng lên mặt giấy ................... 16 1.4.3. Cơ chế sấy .................................................................................................. 18 1.4.4. Động học chung quá trình sấy gió ............................................................. 18 1.5. Các công trình nghiên cứu về hệ điều khiển sấy giấy ....................................... 22 1.5.1. Các công trình liên quan tới công nghệ sấy giấy ....................................... 22 1.5.2. Các công trình liên quan tới điều khiển quá trình sấy ............................... 22 1.6. Vấn đề cần nghiên cứu của luận án ................................................................... 23 Chương 2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY ............... 24 2.1. Động học quá trình sấy và điều khiển độ ẩm trong dây chuyền xeo giấy ........ 24
2.1.1. Cơ chế sấy .................................................................................................. 24 2.1.2. Động học quá trình sấy cho một lô ............................................................ 25 2.1.3. Cấu trúc điều khiển .................................................................................... 26 2.2. Động học quá trình cân bằng gió vào – ra (Zero level) .................................... 27 2.2.1. Mô hình xác định điểm không áp suất cho buồng sấy ............................... 27 2.2.2. Động học quá trình cân bằng gió vào-ra .................................................... 28 2.2.3. Cấu trúc điều khiển gió vào ra ................................................................... 31 2.3. Động học quá trình nhiệt độ điểm sương .......................................................... 32 2.3.1. Định nghĩa nhiệt độ điểm sương ................................................................ 32 2.3.2. Tính toán nhiệt độ điểm sương .................................................................. 33 2.3.3. Xây dựng động học nhiệt độ điểm sương .................................................. 33 2.3.4. Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương ................................ 38 2.4. Mô phỏng động học và điều khiển các quá trình trong buồng sấy ................... 38 2.4.1. Cấu trúc điều khiển và thông số để mô phỏng ........................................... 38 2.4.2. Mô phỏng động học và điều khiển độ ẩm .................................................. 39 2.4.3. Mô phỏng động học và điều khiển Zero level ........................................... 47 2.4.4. Mô phỏng động học và điều khiển nhiệt độ điểm sương ........................... 48 2.4.5. Kết luận chương 2 ...................................................................................... 52 Chương 3. HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN BUỒNG SẤY GIẤY .............................. 53 3.1. Khái quát cấu trúc điều khiển của các mạch vòng ............................................ 53 3.1.1. Mạch vòng điều khiển độ ẩm ..................................................................... 53 3.1.2. Mạch vòng cân bằng gió vào – ra (Zero Level) ......................................... 54 3.1.3. Mạch vòng nhiệt độ điểm sương của buồng sấy ........................................ 55 3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển đa biến ............................................................... 55 3.2.1. Khảo sát sự biến đổi của nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng sấy giấy............................................................................................................. 58 3.2.2. Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 58 3.3. Thiết kế bộ điều khiển đa biến tách kênh.......................................................... 61 3.3.1. Hệ đa biến rút gọn ...................................................................................... 61 3.3.2. Kiểm tra động học của hệ đa biến rút gọn ................................................. 62 3.3.3. Hệ đa biến dạng chuẩn ............................................................................... 64 3.3.4. Kiểm tra và đánh giá hệ đa biến dạng chuẩn ............................................. 66 3.3.5. Thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ điều khiển buồng sấy giấy.............. 67 3.4. Kết luận ............................................................................................................. 74
Chương 4. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MPC CHO BUỒNG SẤY GIẤY ............. 75 4.1. Giới thiệu........................................................................................................... 75 4.2. MPC cho hệ tuyến tính ...................................................................................... 76 4.2.1. Nhiệm vụ điều khiển .................................................................................. 76 4.2.2. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPC ............................................. 76 4.2.3. Thuật toán điều khiển dự báo ..................................................................... 78 4.2.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển MPC ............................................................ 78 4.2.5. MPC có một số đặc điểm nổi bật ............................................................... 80 4.3. Các thuật toán MPC tuyến tính điển hình ......................................................... 81 4.3.1. Thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình (MAC) .................................. 81 4.3.2. Phương pháp ma trận động học điều khiển (DMC) ................................... 84 4.3.3. Phương pháp điều khiển dự báo tổng quát (GPC) ..................................... 86 4.3.4. Điều khiển dự báo trong không gian trạng thái ......................................... 91 4.4. Ứng dụng điều khiển dự báo GPC cho buồng sấy giấy theo [60] .................... 93 4.4.1. Kết quả mô phỏng buồng sấy giấy dùng bộ điều khiển MPC trong Toolbox Matlab Simulink, có tên gọi là bộ điều khiển GPC. .................................. 93 4.5. Điều khiển dự báo theo phương pháp tối ưu hóa từng đoạn trong miền thời gian ........................................................................................................................... 94 4.6. Ứng dụng điều khiển dự báo theo phương pháp tối ưu hóa từng đoạn cho buồng sấy giấy .............................................................................................................. 99 4.6.1. Xây dựng mô hình buồng sấy giấy trong miền thời gian thực................... 99 4.6.2. Mô phỏng cho bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy103 4.7. Kết luận ........................................................................................................... 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Chữ viết tắt Ý nghĩa CD Hệ điều khiển ngang máy (Cross Direction) DMC Điều khiển ma trận động (Dynamic Matrix control) GMV Cực tiểu tương quan tổng quát ( Generalized Minimum Variance) GPC Điều khiển dự báo tổng quát (Generalized Predictive con- trol) HEU Bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Unit) HRU Bộ thu hồi nhiệt (Heat Recycle Unit) LRQP Điều khiển dự báo khoảng rộng toàn phương (Long range quadratic progamming) LRPC Điều khiển dự báo thích nghi khoảng rộng (Long range model predictive control) MAC Điều khiển dự báo theo mô hình (Model Algorithmic con- trol) MD Hệ điều khiển dọc máy (Machine Direction) MIMO Hệ đa biến (Multiple-input and multiple-output) MPC Điều khiển mô hình dự báo (Model Predictive Control) MV Cực tiểu tương quan ( Minimum Variance) NP Điểm áp suất không (Neutral Pressure) NPP Mặt phẳng áp suất không (Neutral Pressure Plane) QCS Hệ thống điều khiển chất lượng ( Quality control System) SISO Hệ đơn biến (Single-Input and Single-Output) ZL Cân bằng gió (Zero level)
2. Các ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Axy m2 Diện tích giấy Cps kJ/kg.K Nhiệt dung riêng của hơi Cv Độ dẫn cực đại của van dy m Bề rộng khổ giấy f(x) Hàm độ ẩm g g/m2 Định lượng chuẩn của giấy K m/s Hệ số chuyển khối KT1 kW/m2.K Hệ số truyền nhiệt từ lô vào giấy KT2 kW/m2.K Hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy kn Hệ số tỷ lệ m kg Khối lượng không khí trong buồng sấy m% Độ mở của van điều chỉnh mp kg Khối lượng giấy Mw kg/mol Trọng lượng phân tử nước n Chỉ số thể hiện nhóm sấy PN pa Áp suất đường hơi tổng PL pa Áp suất đầu vào lô sấy ptot pa Áp suất tổng pv,a pa Áp suất thành phần hơi nước trong không khí pv,p pa Áp suất thành phần hơi nước trên bề mặt giấy Pkq pa Áp suất khí quyển Pw pa Áp suất riêng phần của nước Psw pa Áp suất riêng phần của nước khi không khí bão hòa Q kW Công suất nhiệt cấp cho lô sấy
qbh kg/m2s Tốc độ bay hơi trên đơn vị diện tích Qbuồng kW Công suất nhiệt tích lũy trong buồng sấy Qbx kW Công suất nhiệt bức xạ do lô sấy cấp vào không khí trong buồng sấy Qchan kW Công suất nhiệt do chăn sấy truyền nhiệt lên không khí trong buồng sấy Qp kW Công suất nhiệt do giấy tiêu thụ Qtt kW Công suất nhiệt thất thoát Qwa1 kW Công suất nhiệt gió nóng cấp vào buồng sấy Qwa2 kW Công suất nhiệt gió hút ra khỏi buồng sấy Qwbh kW Công suất nhiệt do hơi nước bau ra từ giấy r Giá trị đặt từ bộ điều khiển độ ẩm Rg J/mol.K Hằng số khí RH% % Độ ẩm tương đối của không khí trong buồng sấy SH kg/kg Độ ẩm tỉ lệ của không khí trong buồng sấy 0 T C Nhiệt độ không khí trong buồng sấy 0 Ta1 C Nhiệt độ không khí thổi vào 0 Ta2 C Nhiệt độ không khí hút ra khỏi buồng sấy 0 Td C Nhiệt độ điểm sương TG K Nhiệt độ của gió Tm K Nhiệt độ bề mặt lô 0 Tn C Nhiệt độ không khí trong buồng sấy Tp K Nhiệt độ giấy Tp1,Tp2 K Nhiệt độ bề mặt giấy lúc vào, ra buồng sấy Ts K Nhiệt độ hơi V m3 Thể tích lớp khảo sát vx m/s Tốc độ xeo giấy x kg k.ẩm/kg k.khô Biến tỉ lệ
wa1 kg/s Lưu lượng gió nóng thổi vào buồng sấy wa2 kg/s Lưu lượng không khí hút ra khỏi buồng sấy wbh kg/s Lưu lượng nước bay hơi từ giấy vào không khí wp kg/s Lưu lượng giấy qua buồng sấy Ws kg/s Lưu lượng hơi wkk kg/s Lưu lượng gió lạnh η Hiệu suất truyền nhiệt từ lô vào giấy g1, g kg nước/kg giấy Độ ẩm tỷ lệ của giấy vào và ra ∆Hb kJ/kg Lượng nhiệt cần thiết để nước bay hơi từ giấy vào không khí ∆Hbh kJ/kg Nhiệt ẩn riêng của sự hóa hơi 0 ∆T C Biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy ∆SH Biến thiên độ ẩm tỷ lệ không khí trong buồng sấy * Lượng đặt
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm ................................................ 8 Bảng 3-1. Bảng tổng kết các mạch vòng trong buồng sấy giấy .................................... 57
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ các công đoạn sản xuất giấy ................................................................. 4 Hình 1.2. Bãi nguyên liệu ............................................................................................... 4 Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất giấy ......................................................................................... 6 Hình 1.4. Cấu tạo hòm phun bột ..................................................................................... 7 Hình 1.5. Bộ phận ép quang ............................................................................................ 8 Hình 1.6. Khổ giấy được cuốn trên các trục thép ........................................................... 8 Hình 1.7. Quá trình sấy giấy ......................................................................................... 10 Hình 1.8. Phân bố các nhóm sấy trên dây chuyền xeo giấy .......................................... 10 Hình 1.9. Đường đo của máy Scanner .......................................................................... 11 Hình 1.10. Hệ sấy sử dụng một máy Scanner ............................................................... 11 Hình 1.11. Cấu tạo lô sấy giấy ...................................................................................... 13 Hình 1.12. Cấu trúc vỏ lô sấy........................................................................................ 13 Hình 1.13. Cấu trúc điều khiển độ ẩm cho các nhốm lô sấy ......................................... 14 Hình 1.14. Chênh áp đặt cho các nhóm lô sấy .............................................................. 15 Hình 1.15. Nguyên lý buồng sấy đối lưu dùng gió ....................................................... 16 Hình 1.16. Vị trí của vòi phun không khí ..................................................................... 16 Hình 1.17. Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy gió theo phương pháp mới ... 17 Hình 1.19. Cân bằng khối lượng độ ẩm trên băng giấy ................................................ 18 Hình 1.20. Cân bằng năng lượng tổng quát của băng giấy ........................................... 20 Hình 2.1. Quá trình sấy cho một lô ............................................................................... 24 Hình 2.2. Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy ................................................................ 26 Hình 2.3. Áp suất không trong buồng ........................................................................... 27 Hình 2.4. Đặc tính của điểm không áp suất .................................................................. 28 Hình 2.5. Mô hình buồng sấy ........................................................................................ 29 Hình 2.6. Mô hình khe gió buồng sấy và thiết kế NPP ................................................ 29 Hình 2.7. Mô hình quá trình cân bằng gió vào-ra ......................................................... 31
Hình 2.8. Cấu trúc điều khiển Zero Level ..................................................................... 31 Hình 2.9. Lô sấy và bạt sấy ........................................................................................... 33 Hình 2.10. Cân bằng công suất nhiệt để tính nhiệt độ trong buồng sấy ....................... 34 Hình 2.11. Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy ............ 35 Hình 2.12. Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy ............ 35 Hình 2.13. Mô hình động học độ ẩm tỉ lệ của không khí.............................................. 36 Hình 2.14. Tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sương .................................................. 37 Hình 2.15. Cấu trúc điều khiển nhiệt độ điểm sương buồng sấy .................................. 38 Hình 2.16. Sơ đồ của buồng sấy giấy............................................................................ 38 Hình 2.17. Mô hình mô phỏng độ ẩm của một lô ......................................................... 41 Hình 2.18. Nhiệt độ tức thời của giấy ........................................................................... 41 Hình 2.19. Nhiệt độ trung bình của giấy ....................................................................... 42 Hình 2.20. Độ ẩm tức thời của giấy .............................................................................. 42 Hình 2.21. Độ ẩm trung bình của giấy .......................................................................... 42 Hình 2.22. Đáp ứng của độ ẩm với công suất nhiệt sấy từ hơi ..................................... 43 Hình 2.23. Đáp ứng của độ ẩm với gió vào .................................................................. 44 Hình 2.24. Đáp ứng của độ ẩm với nhiễu độ ẩm đầu vào ............................................. 44 Hình 2.25. Sơ đồ khối hệ điều khiển độ ẩm xây dựng trên Matlab .............................. 46 Hình 2.26. Đáp ứng của hệ điều khiển độ ẩm ............................................................... 46 Hình 2.27. Sơ đồ khối hệ điều khiển Zero - level xây dựng trên Matlab ..................... 47 Hình 2.28. Đáp ứng của hệ điều khiển Zero level ........................................................ 48 Hình 2.29. Sự thay đổi của nhiệt độ điểm sương .......................................................... 49 Hình 2.30. Đồ thị đáp ứng với thay đổi lượng đặt ∆Td =±10% .................................... 50 Hình 2.31. Đồ thị đáp ứng với nhiễu Wa1 và Wbh .................................................... 51 Hình 3.1. Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy ................................................................ 53 Hình 3.2. Mạch vòng điều khiển cân bằng gió ZL ....................................................... 54 Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sương ................................... 55
Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển đa biến buồng sấy giấy ................................................. 56 Hình 3.5. Sơ đồ mô phỏng điều khiển đa biến buồng sấy sử dụng Matlab Simulink... 57 Hình 3.6. Đáp ứng của hệ khi thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương ∆Td =±10%..... 59 Hình 3.7. Đáp ứng của hệ khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào của giấy ∆γ1=25% ........ 60 Hình 3.8. Cấu trúc điều khiển buồng sấy giấy với hai biến .......................................... 62 Hình 3.9. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển sấy hai biến ............................................. 63 Hình 3.10. Đáp ứng của hệ điều khiển hai biến khi tác động của nhiễu độ ẩm đầu vào ∆γ1=25% ........................................................................................................................ 63 Hình 3.11. Đáp ứng hệ điều khiển hai biến khi thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương ....................................................................................................................................... 64 ∆Td = ±10% .................................................................................................................. 64 Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc hệ đa biến dạng chuẩn ......................................................... 65 Hình 3.13. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển đa biến dạng chuẩn ............................... 66 Hình 3.14. Đáp ứng của hệ đa biến dạng chuẩn khi tác động nhiễu ΔTd = ±10% ........ 66 Hình 3.15. Đáp ứng của mạch vòng  khi nhiễu tác động Δγ1=25% ............................ 67 Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển tách kênh cho hệ đa biến dạng chuẩn ......................... 68 Hình 3.17. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển tách kênh cho đa biến dạng chuẩn ........ 70 Hình 3.18. Đáp ứng của hệ có bộ tách kênh khi thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương ....................................................................................................................................... 70 Hình 3.19. Đáp ứng của hệ thống khi có bộ tách kênh với nhiễu là độ ẩm giấy đầu vào ....................................................................................................................................... 71 Hình 3.20. Sơ đồ khối hệ đa biến thực (3-3) với bộ điều khiển tách kênh xây dựng trên Matlab............................................................................................................................ 72 Hình 3.22. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) có bộ tách kênh khi thay đổi nhiễu ∆Td=10% ....................................................................................................................... 73 Hình 3.23. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào ∆γ1=25% ........................................................................................................................ 73 Hình 4.1. Nhiệm vụ điều khiển ..................................................................................... 76
Hình 4.2. Cửa sổ dự báo MPC ...................................................................................... 76 Hình 4.3. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPC ................................................ 77 Hình 4.4. Nguyên tắc dịch theo trục t cùng thời điểm trích mẫu của cửa sổ dự báo .... 77 Hình 4.5. Thuật toán điều khiển MPC .......................................................................... 78 Hình 4.6. Cấu trúc hệ điều khiển dự báo....................................................................... 78 Hình 4.7. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC khi thay đổi nhiễu độ ẩm giấy đầu vào .... 93 Hình 4.8. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC khi thay đổi nhiệt độ điểm sương ............ 93 Hình 4.9. Mô hình buồng sấy giấy .............................................................................. 100 Hình 4.10. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy, khi thay đổi nhiệt độ ẩm đầu vào 25% .............................................................................. 103 Hình 4.11. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy, khi thay đổi nhiệt độ điểm sương ± 10% .......................................................................... 103
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Độ ẩm giấy là một trong những chỉ tiêu quan trọng của chất lượng giấy, đảm bảo độ ẩm của giấy do hệ thống sấy đảm nhận. Để đảm bảo độ ẩm giấy sau khi xeo, người ta điều khiển hai thông số: Công suất nhiệt hơi bão hòa cấp cho lô để cấp nhiệt cho giấy là chính (gọi là sấy tiếp xúc); Công suất nhiệt gió nóng phụ thêm cấp cho buồng sấy (gọi là sấy đối lưu). Tuy nhiên nước chứa trong giấy bay hơi ra không khí của buồng, ngoài nhu cầu cấp nhiệt (như trên đã nêu) còn bị ảnh hưởng rất lớn của thông số môi trường trong buồng sấy. Ví dụ, cùng một giá trị công suất cấp nhiệt của sấy tiếp xúc và sấy đối lưu, giấy có thể bị quá khô dễ bị cháy hoặc có thế bị quá ướt (hiện tượng mưa trong buồng sấy). Đặc trưng cho thông số môi trường trong buồng sấy là nhiệt độ điểm sương (đảm bảo tốc độ bay hơi nước và khả năng ngưng tụ) và phân bố áp suất không khí trong buồng sấy cân bằng gió vào ra (Zero Level). Như vậy đối tượng buồng sấy là hệ nhiều biến, có biến cần điều khiển chính là độ ẩm, có hai biến tác động (hơi và gió nóng). Ngoài ra có hai biến phụ cần điều khiển quyết định tới khả năng bay hơi của nước trong giấy là nhiệt độ điểm sương và điểm áp suất không (Zero level). Vì vậy, điều khiển buồng sấy cần có bốn mạch vòng: Điều khiển độ ẩm, điều khiển nhiệt độ điểm sương, điều khiển điểm áp suất không (Zero Level) và điều khiển gia nhiệt gió nóng (Hình 1.4). Các mạch vòng này đều tác động xen kênh (trừ mạch vòng gia nhiệt gió nóng ít ảnh hưởng). Hệ điều khiển buồng sấy là hệ đa biến tác động xen kênh, tuy nhiên thực tế trong công nghiệp hiện nay người ta thiết kế là hệ điều khiển nhiều mạch vòng đơn biến, dẫn đến khó đảm bảo chất lượng và hao phí năng lượng lượng cao. Các công trình nghiên cứu, ứng dụng trước đây tập trung nghiên cứu quá trình sấy trực tiếp (sấy tiếp súc) là sự dụng nhiệt hơi bão hòa cấp cho lô, truyền nhiệt từ lô sấy sang mặt băng giấy tiếp xúc với lô, điển hình là [1],[2],[3],[15],[16],[18],[23],[24], [25],[30],[31], [34],[35] 1
Trong những năm gần đây người ta dùng sấy đối lưu gió theo công nghệ mới, có hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển môi trường sấy đã tăng được hiệu quả sấy, tiết kiệm đến 40% lượng hơi bão hòa và tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần [2],[3] Nghiên cứu sấy gió hiện nay đã được triển khai, nhưng các công trình nghiên cứu về điều khiển chưa nhiều, chủ yếu sử dụng cấu trúc đơn biến, trong khi hệ là đa biến tác động xen kênh. Việc chỉnh định hệ điều khiển bằng thực nghiệm nên khi thay đổi thông số vận hành hoặc có nhiễu tác động, hệ hoạt động không chính xác gây khó khăn cho vận hành và ảnh hưởng đến chất lượng giấy [3] Từ những lý do trên, nên nội dung luận án NCS tập trung nghiên cứu điều khiển buồng sấy gió. Nghiên cứu động học và điều khiển buồng sấy dùng gió để có hiểu biết về điều khiển quá trình sấy. Giúp cho việc thiết kế hệ thống sấy như lựa chọn các thiết bị chấp hành, thiết bị đo và thiết kế điều khiển. Định hướng cho việc chỉnh định hệ điều khiển. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu xây dựng động học và điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy để nâng cao chất lượng điều khiển. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển buồng sấy trong dây chuyền xeo giấy. * Phạm vi nghiên cứu: Động học và thiết kế điều khiển phản hồi đầu ra cho hệ điều khiển đa biến buồng sấy giấy * Phương pháp nghiên cứu: - Khảo sát thực tế buồng sấy giấy tại Công ty giấy Bãi bằng. - Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến công nghệ sấy giấy. - Nghiên cứu các công trình công bố tới sấy giấy - Xây dựng động học và điều khiển cho hệ sấy giấy - Ứng dụng điều khiển MPC với thuật điều khiển tối ưu hóa từng đoạn cho buồng sấy giấy - Mô hình hóa mô phỏng đánh giá chất lượng hệ điều khiển. 2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4.1.Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xây dựng được động học và điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy sấy và ứng dụng điều khiển dự báo theo thuật toán đề xuất tối ưu hóa từng đoạn cho hệ sấy giấy. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn: - Phân tích được yêu cầu điều khiển hệ sấy trong buồng sấy, giúp người vận hành hiểu rõ tác dụng của các đại lượng điều khiển các đại lượng nhiễu cũng như tính xen kênh ảnh hưởng tới chất lượng sấy, từ đó chỉnh định tham số điều khiển để hệ ổn định và đảm bảo chất lượng. - Thiết kế được điều khiển đa biến MPC định hướng cho việc ứng dụng cho hệ sấy giấy nhằm nâng cao chất lượng điều khiển. 5. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được trình bày trong bốn chương: Chương 1: Trình bày tổng quan hệ sấy giấy trong dây chuyền xeo giấy. Nội dung chương này đi trình bày tóm tắt công nghệ sản xuất giấy, dây chuyền xeo giấy; Hệ điều khiển sấy dùng hơi; Các công trình nghiên cứu sấy gió đối lưu và các vấn đề nghiên cứu của luận án. Chương 2: Nghiên cứu động học và điều khiển của các mạch vòng sấy giấy: Điều khiển độ ẩm, điều khiển cân bằng gió vào-ra và điều khiển nhiệt độ điểm sương. Chương 3: Nghiên cứu điều khiển đa biến cho hệ sấy giấy. Thiết kế điều khiển đa biến với ba đầu vào và ba đầu ra. Thiết kế điều khiển đa biến với hai biến đầu vào, hai biến đầu ra và hai nhiễu chính. Chương 4: Thiết kế điều khiển dự báo cho hệ sấy giấy. 3
Chương 1. ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ CÔNG NGHỆ SẤY TRONG DÂY CHUYỀN XEO 1.1. Tóm tắt công nghệ sản xuất giấy Trên Hình 1.1 trình bày tóm tắt các công đoạn công nghệ sản xuất giấy [1],[2],[10],[11],[12]. Xử lý Nấu bột Rửa, sàng Tẩy trắng nguyên liệu Sấy Ép ướt Phun bột Nghiền Giấy thành Ép quang Cuốn Cắt cuộn phẩm Hình 1.1. Sơ đồ các công đoạn sản xuất giấy 1.1.1. Công đoạn xử lý nguyên liệu Hình 1.2. Bãi nguyên liệu Nguyên liệu đầu vào chủ yếu là tre, nứa và gỗ. Tre nứa được đưa từ bãi chứa vào băng chuyền và được rửa sạch trước khi đưa vào máy chặt. Tại đây tre nứa được băm thành các mảnh nhỏ có kích thước theo tiêu chuẩn. Các mảnh được đưa vào hệ thống rửa và qua băng tải đến sân chứa mảnh. 4