Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các bộ điều khiển phân ly đơn giản hóa để nâng cao tính ổn định bền vững và hiệu quả hoạt động của các quá trình đa biến trong công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY ĐƠN GIẢN HĨA ĐỂ NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG VÀ HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN TRONG CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ: B2015.22.02 SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ V CHẾ TẠ C C Ộ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY ĐƠN GIẢN HĨA ĐỂ NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG VÀ HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA C C QU TRÌNH ĐA IẾN TRONG CƠNG NGHIỆP Mã số: B2015.22.02 Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ Tp HCM, 4/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ V CHẾ TẠ C C Ộ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY ĐƠN GIẢN HÓA ĐỂ NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG VÀ HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA C C QU TRÌNH ĐA IẾN TRONG CÔNG NGHIỆP Mã số: B2015.22.02 Xác nhận tổ chức chủ trì Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) PGS TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ Tp HCM, 4/2018 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Họ tên Đơn vị công tác Nội dung nghiên cứu cụ thể lĩnh vực chuyên môn đƣợc giao - Tham gia tất nội dung nghiên cứu đề tài Trƣơng Khoa Cơ khí Chế tạo PGS.TS Nguyễn Luân Vũ máy, ĐHSPKT Tp.HCM - Triển khai thực đề tài - Báo cáo hội nghị chuyên ngành ngồi nƣớc - Cơng bố kết nghiên cứu tạp chí KHCN - Khảo sát tất cơng trình P S.TS Đ V n Khoa Cơ Khí Động Lực, Dũng ĐHSPKT Tp.HCM nghiên cứu nƣớc giới - Định hƣớng nghiên cứu PGS TS Ngô V n Khoa Cƣờng Tử, - Đề xuất phƣơng pháp so sánh ĐHSPKT Tp.HCM Thuyên PGS.TS Điện-Điện Võ Viết Khoa Đào Tạo Chất - Xây mơ hình tốn học/thuật tốn Lƣợng Cao, ĐHSPKT Tp.HCM - Đề xuất phƣơng pháp thiết kế điều khiển đa biến cho hệ thống PGS.TS Minh Tâm Nguyễn Khoa Điện-Điện ĐHSPKT Tp.HCM Tử, điều khiển phân ly đơn giản hóa - Xây dựng chƣơng trình để điều khiển mơ q trình đa biến điển hình công nghiệp i - Đề xuất phƣơng pháp đơn giản ThS Lê Linh Khoa Cơ Khí Chế Tạo hóa mơ hình động học Máy, ĐHSPKT Tp.HCM trình đa biến - Chế tạo, thử nghiệm hệ thống KS Dƣơng Minh Ph ng TCCB, ĐHSPKT Hiếu Thƣ k Tp.HCM Tên đơn vị nƣớc Trung tâm Tƣ Vấn Thiết Kế Chế Tạo Thiết Nghiệp, Bị Công Trƣờng ĐHSPKT Tp.HCM Nội dung phối hợp nghiên Họ tên ngƣời đại diện đơn cứu vị - Thiết kế chế tạo thử nghiệm phân ly đơn giản hóa - Lấy số liệu từ thực nghiệm thông số chủ yếu phân ly đơn giản hóa - Phân tích đặc tính động học hệ thống điều khiển ThS Lê Linh phân ly đơn giản hóa - Đo lƣờng thơng số điều khiển phân ly đơn giản hóa - Đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển phân ly đơn giản hóa ii MỤC LỤC DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH i DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU xiii PHẦN 1: MỞ ĐẦU I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC I.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc I.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc II TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI III MỤC TIÊU ĐỀ TÀI IV ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU V PHẠM VI NGHIÊN CỨU VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU PHẦN 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN Chƣơng 1: PHƢƠNG PHÁP CHUNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ PHÂN LY ĐƠN GIẢN HÓA 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Mơ hình thuật tốn 1.3 Phƣơng pháp chung để thiết kế phân ly đơn giản hóa Chƣơng 2: BỘ PHÂN LY ĐƠN GIẢN HĨA CỦA CÁC Q TRÌNH ĐA BIẾN ĐIỂN HÌNH 2.1 Thiết kế phân ly đơn giản hóa cho trình đa biến 2x2 2.2 Thiết kế phân ly đơn giản hóa cho trình đa biến 3x3 10 2.3 Thiết kế phân ly đơn giản hóa cho q trình đa biến 4x4 10 iii Chƣơng 3: KỸ THUẬT HIỆN THỰC HÓA HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ PHÂN LY ĐƠN GIẢN HÓA 13 3.1 Phƣơng pháp CM 13 3.2 Hƣớng dẫn áp dụng phƣơng pháp CM 14 Chƣơng 4: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PI/PID CHO HỆ THỐNG LY ĐƠN GIẢN HÓA 16 4.1 Hàm truyền đạt vịng kín cho hệ đa biến 16 4.2 Hàm truyền đạt v ng kín l tƣởng 16 4.3.Thiết kế điều khiển PI/PID theo phƣơng pháp phân tích trực tiếp 18 Chƣơng 5: ĐO LƢỜNG, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG CỦA CÁC HỆ THỐNG LY ĐƠN GIẢN HÓA 20 5.1 Tiêu chuẩn IAE (Integral Absolute Error) 20 5.2 Tiêu chuẩn Ms (Maximum Sensitivity) 20 5.3 Tiêu chuẩn TV (Total Variation) 21 5.4 Tiêu chuẩn vọt lố (Overshoot) 21 5.5 Tiêu chuẩn ổn định bền vững 21 Chƣơng 6: MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐA BIẾN TRONG CÔNG NGHIỆP 24 6.1 Mơ phân tích mơ hình tháp chƣng cất Wood Berry (WB) 24 6.2 Mô phân tích mơ hình tháp chƣng cất Vinante Luyben (VL) 27 6.3 Mô phân tích mơ hình tháp chƣng cất Ogunnaike and Ray (OR) 30 6.4 Mơ phân tích mơ hình hệ thống HVAC 32 Chƣơng 7: CHẾ TẠO CÁC BỘ PHÂN LY ĐƠN GIẢN HÓA 35 7.1 Kết cấu thông số kỹ thuật phân ly đơn giản hóa WB 35 7.2 Kết cấu thông số kỹ thuật phân ly đơn giản hóa OR 40 7.3 Kết cấu thông số kỹ thuật phân ly đơn giản hóa HVAC 49 PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ iv A KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 55 A.1 Tính khoa học 55 A.2 Khả n ng triển khai ứng dụng vào thực tế 55 A.3 Hiệu kinh tế - xã hội 55 B KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 58 v vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc điều khiển phân ly hai biến Hình 1.2 Hệ thống điều khiển phân ly Hình 4.1 Sơ đồ khối vịng kín hệ điều khiển phân ly 16 Hình 5.1 Hệ thống điều khiển đa ngõ vào không ổn định cấu trúc điều khiển M-∆ 22 Hình 6.1 Biểu đồ thể mức độ ổn định bền vững hệ thống so sánh cho cột WB 25 Hình 6.2 Đáp ứng v ng kín thay đổi giá trị đặt theo hàm bậc thang cho cột WB 26 Hình 6.3 Đáp ứng v ng kín thay đổi giá trị đặt theo hàm bậc thang cho tháp VL 29 Hình 6.4 Đáp ứng vịng kín hệ thống điều khiển tháp OR 31 Hình 6.5 Đáp ứng vịng kín hệ thống điều khiển HVAC 34 Hình 7.1 Sơ đồ khối phần cứng phân ly 2x2 35 Hình 7.2 NI 6052E card 36 Hình 7.3 Bộ công suất G3PA-240B 36 Hình 7.4 Mạch chuyển đổi công suất 37 Hình 7.5 Bộ đọc cảm biến Pt 100 37 Hình 7.6 Mơ hình lị sấy dùng điều khiển phân ly 38 Hình 7.7 Nhiệt độ ngõ khơng có điều khiển phân ly 39 Hình 7.8 Nhiệt độ ngõ khơng có điều khiển phân ly 39 Hình 7.9 Sơ đồ khối tủ điều khiển phân ly đơn giản hóa 3x3 40 Hình 7.10 NI 6323 card 41 Hình 7.11 Biến tần Yaskawa J1000 42 Hình 7.12 Sơ đồ đấu dây cho biến tần Yaskawa J1000 42 Hình 7.13 Biến tần Yaskawa J7 sơ đồ đấu dây 43 Hình 7.14 Cảm biến Sitrans LC300 43 Hình 7.15 Sơ đồ đấu dây cảm biến Sitrans LC300 44 Hình 7.16 Hình dạng sơ đồ chân cảm biến 44 Hình 7.17 Cảm biến đo lƣu lƣợng Opflow (loại 3) 44 vii J_ournal otTechnical Education Science No.1 uocniiitti-i'W'irir,riu,f The simulation results indicate that the proposed method consistently affords more adv.anced performance with fast aud well-balanced closed-loop time in both taoks a a ,.ril* t5 to l 4.2 Implementation "l fig t t -_ l -.-, l tO t [: e -l After that we implement the controller into the real model a i;;i;;i;;;:ll,o!,f#?^f s -_l 10 % -6 -* Fig 12 &ep response of level oftank in real model In this worh an empirical method of system identification foi a multivariable yoc:ss is proposed to obtain the transfer runcrron matrix of the double-tank system Th9 decentoalized approach ls lonsidered with simplified decoupling techniqrJ realizability How"ier, tn "*iog t""oupf"a T io system is still complicated for contooller Fig 10 Implementing the controller into the real model These parameters- F4 e6) nd Eq e7) ,fr., ir* i" are incorporated into the simulink the reat model usins R"J i;Jlvioao* Target of Maflab ,oftir* ,i*.jr'*a fZ the responses of e" ,ir,.*-ii' :h:* Uo,n tan]