Điều khiển nồng độ ph trong nhà máy công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THỊ KIM CHUNG ĐIỀU KHIỂN NỒNG ĐỘ pH TRONG NHÀ MÁY CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN HUY PHƢƠNG Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ cơng trình riêng tôi tự thực dƣới hƣớng dẫn TS Nguyễn Huy Phƣơng Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu đƣợc ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2014 Học viên Lê Thị Kim Chung MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Định nghĩa pH 1.2 Ảnh hƣởng độ pH tới q trình sản xuất cơng nghiệp 1.3 Đo lƣờng độ pH 1.3.1 Cấu tạo cảm biến đo độ pH 1.3.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ tới độ pH 12 1.4 Giới thiệu thiết bị chấp hành công nghiệp 13 1.4.1 tổng quan chung thiết bị chấp hành 13 1.4.2 Bơm cấp 14 1.4.3 Van cấp 15 Chương ĐẶC TÍNH CỦA ĐỐI TƯỢNG pH 18 2.1 Đƣờng cong chuẩn độ 18 2.1.1 Đƣờng cong chuẩn độ axit mạnh đƣợc trung hòa bazo mạnh ngƣợc lại 18 2.1.2 Đƣờng cong chuẩn độ đƣợc đệm axit yếu 19 2.1.3 Dung dịch đệm 21 2.2 Phƣơng pháp trung hòa 21 2.2.1 Trung hòa cách trộn nƣớc thải chứa axit với nƣớc thải chứa kiềm 21 2.2.2 Trung hòa cách cho thêm hóa chất vào nƣớc thải 21 2.2.3 Trung hòa nƣớc thải chứa axit cách lọc qua lớp vật liệu lọc trung hòa 22 2.3 Bể trung hòa 22 2.4 Khuấy trộn chất lỏng 23 2.5 Dải điều chỉnh van thuốc thử 25 2.6 Ống dẫn thuốc thử 27 2.8 Các giai đoạn có hệ thống điều khiển độ pH 28 Chương MÔ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 31 3.1 Thuật toán PID điều khiển thiết bị công nghiệp 31 3.1.1 Giới thiệu thuật toán PID 31 3.1.2 Chỉnh định tham số điều khiển PID theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols 33 3.1.3 Chỉnh định tham số điều khiển PID theo phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 35 3.2 Điều khiển feedforward 37 3.2.1 Bù feedforward bất biến theo đầu vào 38 3.2.2 Bù feedforward bất biến theo nhiễu 39 3.3 Giới thiệu điều khiển thiết kế theo tiêu chuẩn Lyapunov 40 3.3.1 Khái niệm ổn định tiệm cận Lyapunov 40 3.3.2 Khái niệm hàm CLF nguyên lý thiết kế điều khiển GAS 40 3.4 Tìm hiểu phƣơng pháp điều khiển Mờ 41 3.4.1 Giới thiệu điều khiển mờ 41 3.4.2 Cấu trúc điều mờ 41 3.4.3 3.4.4 Bộ điều khiển mờ động 42 Các bƣớc tổng hợp điều khiển mờ 44 3.5 3.6 3.7 Mơ hình đối tƣợng 45 Thiết kế điều khiển PID kinh điển 47 Thiết kế điều khiển theo tiêu chuẩn Lyapunov 49 Chương KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 50 4.1 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID kinh điển 50 4.1.1 Khi bỏ qua thành phần u * c0 50 V 4.1.2 Khi không bỏ qua thành phần u * c0 53 V 4.1.3 So sánh kết sử dụng điều khiển PID 55 4.2 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển dựa tiêu chuẩn Lyapunov 56 4.3 So sánh kết 57 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ H1.1 đo pH sử dụng điện cực màng thủy tinh: H1.2 mức điện khác nhúng điện cực vào dung dịch H1.3 đƣờng chuẩn biểu thị phụ thuộc điện áp đo đƣợc theo pH H1.4 Thứ tự ƣu tiên để lựa chọn làm bề mặt điện cực 10 H1.5 Phƣơng pháp đo pH sử dụng transitor hiệu ứng trƣờng 11 H1.6 Vị trí thiết bị chấp hành hệ thống 14 H1.7 Đặc tính điều chỉnh bơm công suất không đổi 15 H1.8 Các đặc tính Van cấp 16 H2.1 Đƣờng cong chuẩn độ axit mạnh đƣợc trung hòa bazo mạnh 19 H2.2 Đƣờng cong chuẩn độ đƣợc đệm axit axetic pH=4.75 20 H2.3 Đƣờng cong chuẩn độ đƣợc đệm axit H2CO3 20 H2.4 Hệ thống điều khiển Ash pond, tái chế nƣớc thải pH đạt tiêu kỹ thuật 23 H2.5 mơ hình dịng chảy bể khuấy, A- mơ hình đƣợc khuyến khích, B- mơ hình khơng mong muốn 23 H2.6 ảnh hƣởng thời gian trễ đến cƣờng độ trộn 25 H2.7 Dải điều chỉnh van thuốc thử 25 H2.8 Đƣờng hypecbol đƣợc bù van có dải điều chỉnh 1000:1 26 H2.9 Bộ điều khiển VPC-3 điều khiển mở van nhỏ 50% 27 H2.10 Hệ thống điều khiển q trình trung hịa vơi 28 H2.11 Ba giai đoạn hệ thống điều khiển độ pH 29 H3.1 Sơ đồ điều khiển feedforward bất biến theo đầu vào 38 H3.2 sơ đồ điều khiển feedforward bất biến theo nhiễu 39 H3.3 Sơ đồ khối chức điều khiển mờ 42 H3.4 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 43 ii Danh mục hình vẽ H3.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 44 H3.6 Bể trung hòa để điều khiển độ pH 45 H3.6 Cấu trúc điều khiển sử dụng điều khiển PID 48 H4.1 Sơ đồ mô bỏ qua thành phần u * c0 khơng có nhiễu đầu vào 51 V H4.2 Đáp ứng hệ thống bỏ qua thành phần H4.3 Sơ đồ mô bỏ qua thành phần u * c0 nhiễu đầu vào 52 V u * c0 có nhiễu đầu vào 52 V H4.4 Đáp ứng hệ thống bỏ qua thành phần u * c0 có nhiễu đầu vào 53 V H4.5 Sơ đồ mô không bỏ qua thành phần u * c0 khơng có nhiễu đầu vào 53 V H4.6 Đáp ứng hệ thống không bỏ qua thành phần u * c0 khơng có nhiễu đầu V vào 54 H4.7 Sơ đồ mô khơng bỏ qua thành phần u * c0 có nhiễu đầu vào 54 V H4.8 Đáp ứng hệ thống không bỏ qua thành phần u * c0 V có nhiễu đầu vào 55 H4.9 So sánh trƣờng hợp sử dụng điều khiển PID khơng có nhiễu tác động 55 H4.10 So sánh trƣờng hợp sử dụng điều khiển PID có nhiễu tác động 56 H4.11 Sơ đồ mơ sử dụng điều khiển Lyapunov 56 H4.12 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển Lyapunov 57 H4.13 Đáp ứng hệ sử dụng điều khiển PID điều khiển Lyapunov 57 ii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 3.7 Tham số mơ hình mơ phỏng…………………………………………………47 ii Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VPC Valve Position Controller Bộ điều khiển vị trí van LS Level Switch Thiết bị chuyển mạch mức Infl Influent Dòng nƣớc thải Reag Reagent Thuốc thử iv Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: - Nƣớc thải sản xuất nhiều lĩnh vực có chứa nhiều axit kiềm Để ngăn ngừa tƣợng xâm thực cơng trình nƣớc tránh cho q trình sinh hóa cơng trình làm hồ, sơng khơng bị phá hoại, ngƣời ta phải trung hòa loại nƣớc thải Trung hịa cịn với mục đích làm cho số muối kim loại nặng lắng xuống tách khỏi nƣớc thải - Điều khiển độ pH đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhƣ: công nghiệp hóa chất, sinh học… Đặc điểm q trình điều khiển độ pH cho q trình cơng nghiệp khác nhau, mức độ phi tuyến cao Đối với hệ thống mà đầu vào biến đổi theo thời gian, u cầu đáp ứng đầu có độ xác cao nhiệm vụ điều khiển phức tạp Xuất phát từ tình hình thực tế đƣợc định hƣớng thầy giáo TS Nguyễn Huy Phương em lựa chọn đề tài: “Điều khiển nồng độ pH nhà máy công nghiệp” Em xin chân thành cảm ơn hƣớng dẫn, bảo tận tình thầy giáo TS Nguyễn Huy Phƣơng, giúp em thực đƣợc đề tài Tuy nhiên, thời gian có hạn nhƣ cịn hạn chế kiến thức, khả làm việc thực nghiệm, luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Vì thế, em kính mong nhận đƣợc lời nhận xét, đánh giá, góp ý thầy cô để em phát triển hồn thiện vấn đề cịn tồn luận văn Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2014 Học viên Lê Thị Kim Chung Chƣơng Tổng quan chung Chương TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Định nghĩa pH pH đại lƣợng không thứ nguyên dùng để hoạt độ ion H+ dung dịch đƣợc tính công thức sau: pH   log10 [H  ] Trong đó: [H+] hoạt độ ion H+, hay nồng độ mol/lit ion H+ dung dịch Độ pH nói lên tính axit hay bazo dung dịch pH7 dung dịch bazo, pH=7 dung dịch trung tính Phần lớn chất có pH nằm khoảng từ đến 14 Chƣơng Mơ hình hóa thiết kế điều khiển - Chất ký hiệu reag để điều chỉnh độ pH Ở trƣờng hợp axit, chất infl bazo - qinfl lƣu lƣợng chất infl( bazo) (l/s) - qreag lƣu lƣợng chất reag( axit) (l/s) - cinfl hiệu nồng độ mol/l nồng độ [H ] nồng độ [OH ] chất infl, + - cinf l  [H  ]inf l  [OH  ]inf l - + - creag hiệu nồng độ mol/l nồng độ [H ] nồng độ [OH ] chất reag, creag  [H  ]reag  [OH  ]reag - + - c hiệu nồng độ mol/l nồng độ [H ] nồng độ [OH ] dung dịch bể trung hòa Gọi cH+ nồng độ H+ , cOH- nồng độ OH- Ta có: cinf l  cH  ,inf l  cOH  ,inf l creag  cH  ,reag  cOH  ,reag c  cH   cOH  - V thể tích bình(l) - q lƣu lƣợng đầu (l/s) Ta có phƣơng trinh sau: d (VcH  )  cH  ,inf l qinf l  cH  ,reag qreag  cH  q  rV dt (3.1) d (Vc  )  cOH  ,inf l qinf l  cOH  ,reag qreag  cOH  q  rV (3.2) dt OH Lấy (3.1)-(3.2) ta đƣợc: 46 Chƣơng Mơ hình hóa thiết kế điều khiển V d (cH   cOH  ) dt  (cH  ,inf l  cOH  ,inf l )qinf l  (cH  ,reag  cOH  ,reag )qreag  (cH   cOH  )q  d (cV )  cinf l qinf l  creag qreag  cq dt Vì giữ mức dung dịch khơng đổi nên phải có q=qinfl +qreag Ta có phƣơng trình sau: V d (c )  qreag (creag  c)  qinf l (cinf l  c) dt d (c) qreag q  (creag  c)  (cinf l  c) (3.3) dt V V Mặt khác: c  cH   cOH  cH  cOH   10 14 biến đổi ta có: pH=-log[√(0.25c2+10-14)+0.5c] (3.4) Nếu ký hiệu: c0=c; u=qreag; ci=cinfl; cu=creag phƣơng trinh (3.3) trở thành: d (co ) u q  (cu  co )  (ci  co ) dt V V (3.5) Chọn thơng số hệ thống trung hịa độ pH nhƣ sau: TT Tham số Đơn vị Giá trị Mol/l 1014  0.0185 0.0185 Nồng độ thuốc thử Nồng độ chất cần trung Mol/l hòa 0.0056  Lƣu lƣợng đầu l/s 13.8889*103 Thể tích bể chứa l 60 1014 0.0056 Bảng 3.7 Tham số mô hình mơ 3.6 Thiết kế điều khiển PID kinh điển Giả định hệ thống bể trung hịa có điều khiển mức giữ cho thể tích chất 47 Chƣơng Mơ hình hóa thiết kế điều khiển lỏng bể khơng đổi Dịng thuốc thử (reag) đƣợc điều khiển PI nhƣ HV sau, van thuốc thử trạng thái bão hịa- tức mở hồn tồn đóng hồn tồn H3.6 Cấu trúc điều khiển sử dụng điều khiển PID Theo mục đích việc thiết kế điều khiển, đối tƣợng đƣợc tuyến tính hóa cách giả định lƣu lƣợng thuốc thử (qreag) nhỏ nhiều so với lƣu lƣợng đầu (q) Khi đó, chuyển phƣơng trình (3.4) sang miền ảnh Laplace, ta đƣợc: (Vs  q)co  ucu  qci Ta đƣợc: co  ucu  qci uc  ( u  ci ) V Vs  q q s 1 q Ta có sơ đồ khối sau: Ở ta điều khiển co thông qua biến điều khiển lƣu lƣợng u (lƣu lƣợng chất bazo); ci coi nhiễu Thực chất ta điều khiển độ pH thông qua co Với hàm truyền đối tƣợng khâu qn tính bậc nhất, có dạng 48 k Trong đó:  Ts Chƣơng Mơ hình hóa thiết kế điều khiển k cu V ;T q q Theo phƣơng pháp tối ƣu độ lớn hàm truyền điều khiển là: Gdk  kP Ti s Với Ti chọn tùy ý Ở ta chọn T hàm truyền đối tƣợng kP  Ti  2kT 2k q2 Suy ra: Gdk  2* cu *V * s 3.7 Thiết kế điều khiển theo tiêu chuẩn Lyapunov Viết lại phƣơng trình (3.5): d (co ) u q  (cu  co )  (ci  co ) dt V V Suy ra, đối tƣợng có dạng: x  f ( x )  h( x ) * u Với: x= co; f ( x)  q(ci  x) c x ; h( x )  u V V Sử dụng hàm xác định dƣơng V ( x)  x Ta có: V  x( f ( x)  h( x)u) Chọn u   x  f ( x) V xác định âm tồn khơng gian trạng thái Với giá h( x ) trị u hệ ổn định tiệm cận toàn cục 49 Chƣơng Kết mô Chương KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Các sơ đồ mơ đƣợc thực Matlab- Simulink 2010a dựa thông số điều khiển tính tốn chƣơng trƣớc TT Tham số Đơn vị Giá trị Mol/l 1014  0.0185 0.0185 Nồng độ thuốc thử (cu) Nồng độ chất cần trung Mol/l hòa (ci) 0.0056  Lƣu lƣợng đầu (q) l/s 13.8889*103 Thể tích bể chứa (V) l 60 1014 0.0056 + - Ký hiệu: c0 (mol/l)là hiệu nồng độ mol/l nồng độ [H ] nồng độ [OH ] dung dịch bể trung hòa u (l/s)là lƣu lƣợng thuốc thử 4.1 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID kinh điển 4.1.1 Khi bỏ qua thành phần u * c0 V a Khi khơng có nhiễu đầu vào - Sơ đồ mô nhƣ sau: 50 Chƣơng Kết mô H4.1 Sơ đồ mô bỏ qua thành phần u * c0 khơng có nhiễu đầu vào V Trong sơ đồ mơ trên: hàm Fcn1 Fcn2 hàm chuyển từ giá trị pH sang  pH 1014 pH giá trị co để điều khiển có giá trị f (u)  10 Fcn hàm chuyển từ giá trị co giá trị pH có giá trị f (u)   log[ 0.25co  1014  0.5co ] - Đáp ứng hệ thống là: 51 Chƣơng Kết mô H4.2 Đáp ứng hệ thống bỏ qua thành phần u * c0 khơng có nhiễu V đầu vào b Khi có nhiễu đầu vào - Sơ đồ mô nhƣ sau: H4.3 Sơ đồ mô bỏ qua thành phần 52 u * c0 có nhiễu đầu vào V Chƣơng Kết mô - Đáp ứng hệ thống nhƣ sau: H4.4 Đáp ứng hệ thống bỏ qua thành phần 4.1.2 Khi không bỏ qua thành phần u * c0 có nhiễu đầu vào V u * c0 V a Khi khơng có nhiễu đầu vào - Sơ đồ mô nhƣ sau: H4.5 Sơ đồ mô không bỏ qua thành phần đầu vào 53 u * c0 khơng có nhiễu V Chƣơng Kết mô - Đáp ứng hệ thống H4.6 Đáp ứng hệ thống không bỏ qua thành phần u * c0 V nhiễu đầu vào b Khi có nhiễu đầu vào - Sơ đồ mô nhƣ sau: H4.7 Sơ đồ mô không bỏ qua thành phần vào 54 u * c0 có nhiễu đầu V Chƣơng Kết mô - Đáp ứng hệ thống: H4.8 Đáp ứng hệ thống không bỏ qua thành phần u * c0 V có nhiễu đầu vào 4.1.3 So sánh kết sử dụng điều khiển PID a Khi khơng có nhiễu đầu vào H4.9 So sánh trường hợp sử dụng điều khiển PID khơng có nhiễu tác động 55 Chƣơng Kết mô b Khi có nhiễu tác động H4.10 So sánh trường hợp sử dụng điều khiển PID có nhiễu tác động Nhận xét: Dựa vào hình 4.9 4.10, ta thấy điều khiển đƣợc thiết kế trƣờng hợp tuyến tính hóa đối tƣợng sử dụng cho mơ hình phi tuyến đối tƣợng Thậm chí cịn cho chất lƣợng tốt ( thể qua độ điều chỉnh nhỏ hơn) 4.2 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển dựa tiêu chuẩn Lyapunov - Sơ đồ mô phỏng: H4.11 Sơ đồ mô sử dụng điều khiển theo tiêu chuẩn Lyapunov 56 Chƣơng Kết mô - Kết mô phỏng: H4.12 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển theo tiêu chuẩn Lyapunov 4.3 So sánh kết H4.13 Đáp ứng hệ sử dụng điều khiển PID điều khiển theo tiêu chuẩn Lyapunov 57 Chƣơng Kết mô Nhận xét: Dựa vào kết thu đƣợc hình 4.13 ta thấy điều khiển theo tiêu chuẩn Lyapunov cho chất lƣợng điều khiển tốt 58 Kết luận KẾT LUẬN Bộ điều khiển theo tiêu chuẩn Lyapunov đƣa có chất lƣợng hẳn điều khiển PID, thể qua độ điều chỉnh nhỏ thời gian độ ngắn Ngoài ra, việc thiết kế hiệu chỉnh điều khiển theo tiêu chuẩn Lyapunov tƣơng đối đơn giản, khắc phục đƣợc số nhƣợc điểm nhƣ thiết kế điều khiển PID Bản luận văn hoàn thành việc điều khiển nồng độ pH Tuy nhiên, kết dừng lại mô mà chƣa có kết thực nghiệm Vì em mong muốn đề tài tiếp tục đƣợc bổ sung, giải quyết, hoàn thiện nghiên cứu Cuối cùng, lần em xin chân thành cảm ơn thầy giáoTS Nguyễn Huy Phƣơng tận tình hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn! 59 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học kĩ thuật, Hà Nội, 2007 [2] Nguyễn Dỗn Phƣớc, phân tích điều khiển hệ phi tuyến, NXB Bách Khoa, Hà Nội, 2012 [3] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [4] Claudio Garcia, Rodrigo Juliani Correa De Godoy, “Modelling and Simulation of pH Neutralization Plant including the process Instrumentation”, IEEE Trans Industry Applications, Vol.57, No.3, March 2010, pp 943-949 [5] McMillan, G K, “Understand Some Basic Truths of pH Measurement,” Chem Eng Progr., October 1991 [6] Hoyle, D L., “Designing for pH Control,” Chem Eng., November 8, 1976 [7] Mahuli, S K., Rhinehart, R R., and Riggs, J B., “Nonlinear Model-Based Control of pH,” AIChE Annual Meeting, 1992, Paper 149 60 ... ứng đầu có độ xác cao nhiệm vụ điều khiển ph? ??c tạp Xuất ph? ?t từ tình hình thực tế đƣợc định hƣớng thầy giáo TS Nguyễn Huy Ph? ?ơng em lựa chọn đề tài: ? ?Điều khiển nồng độ pH nhà máy công nghiệp? ?? Em... điển hình hệ thống điều khiển feedforward Do pH đối tƣợng có tính phi tuyến lớn, nên để điều khiển nồng độ pH dùng ph? ?ơng ph? ?p nhƣ PID, điều khiển dựa tiêu chuẩn Lyapunov, điều khiển mờ… Sau đây,... sử dụng điều khiển vị trí van (VPC) để điều khiển mở van lớn, điều khiển pH điều khiển mở van nhỏ VPC so sánh đầu điều khiển pH để thiết lập giá trị đặt 50%, di chuyển van lớn để điều khiển mở