nghiên cứu về điều khiển mimo ứng dụng trong việc điều khiển bồn chưng cất

MỤC LỤC Lời mở đầu………………………………………………………….1 Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về bồn chưng cất…………………….2 1.1. Giới thiệu về bồn chưng cất………………………… …… 2 1.2. Quy trình sản xuất của bồn chưng cất…………… ……… 4 Chương 2: Điều khiển MIMO và giải pháp phân ly điều khiển……… 7 2.1 . Thế nào là điều khiển hệ thống MIMO………………… ….7 2.2 . Giải pháp phân ly điều khiển ứng dụng cho bồn chưng cất… 8 Chương 3: Thiết lập mô hình mô phỏng đánh giá………………………14 3.1. Thiết lập mô hình mô phỏng…………………………… … 14 3.2. Đánh giá chất lượng hệ thống………………… 23 Tài liệu tham khảo………………………………………………………….24 1 LỜI GIỚI THIỆU Dầu mỏ được con người biết đến từ cổ xưa, đến thế kỷ XVIII dầu mỏ được sử dụng làm nhiên liệu để đốt cháy, thắp sáng. Công nghệ chế biến dầu mỏ được xem như bắt đầu ra đời từ năm 1859 khi mà Adwin Drake (Mỹ) khai thác được dầu thô. Lúc bấy giờ lượng dầu khai thác được rất ít. Nhưng sau đó sản lượng khai thác và chế biến ngày càng tăng nhanh. Ngành công nghiệp dầu do tăng trưởng nhanh đã trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của thế kỷ XX. Đặc biệt sau chiến tranh thế giới lần thứ II, công nghiệp dầu khí phát triển nhằm đáp ứng hai mục tiêu chính là:Cung cấp các “ sản phẩm năng lượng “ cho nhu cầu về nhiên liệu động cơ, nhiên liệu công nghiệp và các sản phẩm về dầu mỡ bôi trơn. Cung cấp các hoá chất cơ bản cho ngành tổng hợp hoá dầu và hoá học, tạo ra sự thay đổi lớn về cơ cấu phát triển các chủng loại sản phẩm của nghành hoá chất, vật liệu. Hoá dầu đã thay thế dần dần than đá và vượt lên trên công nghệ chế biến than. Hiện nay, dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới. Do nhu cầu cuộc sống ngày càng cao đã đòi hỏi con người cải thiện kỹ thuật chế biến để thu được các sản phẩm xăng, dầu có chất lượng tốt đáp ứng được nhu cầu sử dụng. Người ta nghiên cứu và phát triển bồn chưng cất vì mục đích đó. Em được giao đề tài: “Nghiên cứu về điều khiển MIMO ứng dụng trong việc điều khiển bồn chưng cất”. Qua thời gian học tập nghiên cứu và chỉ bảo tận tình của thầy TS. Hoàng Xuân Bình em đã thực hiện thành công đồ án này. Mặc dù đồ án đã hoàn thành nhưng do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi sai sót. Em mong được sự góp ý ủng hộ của các thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn ! 2 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ BỒN CHƯNG CẤT 1.1. GIỚI THIỆU VỀ BỒN CHƯNG CẤT Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp dầu khí trên thế giới, dầu khí Việt Nam cũng đã phát triển từ những năm 1970 và đang trên đà phát triển. Tấn dầu thô đầu tiên đã khai thác từ dầu mỏ Bạch Hổ. Tiếp theo, nhiều mỏ dầu khí lục địa phía nam đi vào khai thác như mỏ Đại Hùng, mỏ Rồng, mỏ Rạng Đông, các mỏ khí như Lan Tây, Lan Đỏ…. Dầu mỏ Việt Nam thuộc họ dầu parafinic, thuộc loại nhẹ vừa phải, là loại dầu sạch, chứa rất ít các độc tố, rất ít lưu huỳnh, nitơ, kim loại nặng. Với sự xuất hiện của kỹ thuật hóa học vào cuối thế kỷ 19, tiến bộ hơn là các phương pháp thực nghiệm được dùng để áp dụng. Ngành công nghiệp dầu khí đang phát triển trong đầu thế kỷ 20 cung cấp động lực cho sự phát triển của các phương pháp thiết kế chính xác như phương pháp McCabe- Thiele và phương trình Fenske. Khả năng ứng dụng của máy tính mạnh mẽ cũng đã cho phép mô phỏng bồn chưng cất. Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách 1 hỗn hợp lỏng ra thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng 1 nhiệt độ đo. Hệ thống gia nhiệt của hai chất dễ bay hơi A và B trong một bồn chưng cất. Khi hỗn hợp trong bồn sôi sẽ chứa hơi và chất lỏng có chứa hỗn hợp A và B. Tỷ lệ giữa A và B trong hơi sẽ khác với tỷ lệ A và B trong chất lỏng: tỷ lệ trong chất lỏng sẽ được xác định bằng hỗn hợp ban đầu đã được chuẩn bị, trong khi tỷ lệ trong hơi sẽ chứa nhiều hợp chất dễ bay hơi hơn, hơi đi qua bình ngưng và được lấy ra từ hệ thống. Điều này cũng có nghĩa là tỷ lệ của các hợp chất trong các chất lỏng còn lại bây giờ khác với tỷ lệ ban đầu. Kết quả là tỷ lệ trong hỗn hợp chất lỏng đang thay đổi, chứa nhiều thành phần khó bay hơi. Điều này làm điểm sôi của hỗn hợp tăng, tiếp tục gia nhiệt thì trong hơi càng chứa nhiều thành phần dễ bay hơi còn trong chất lỏng thành phần khó bay hơi càng tăng. Kết quả là dần thay đổi tỷ lệ A : B trong chưng cất. 3 Quy mô lớn các ứng dụng chưng cất công nghiệp bao gồm cả hàng loạt và phân đoạn chân không liên tục, azeotropic, khai khoáng và chưng cất hơi nước. Các ứng dụng được sử dụng rộng rãi nhất của công nghiệp chưng cất phân đoạn nằm trong các nhà máy lọc dầu khí, hóa dầu và nhà máy hóa chất và các nhà máy chế biến khí tự nhiên. Ta có thể phân biệt chưng cất ra thành quy trình 1 lần như trong phòng thí nghiệm để tách 1 hóa chất tinh khiết ra khỏi 1 hỗn hợp và chưng cất liên tục như trong các tháp chưng cất trong công nghiệp. Có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau - Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới - Tháp chưng cất dùng mâm chóp - Tháp đệm 4 Hình 1.1. Tháp chưng cất công nghiệp điển hình 5 1.2. QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỦA BỒN CHƯNG CẤT Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách 1 hỗn hợp lỏng ra thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng 1 nhiệt độ đo. Hình 1.2. Sơ đồ điều khiển của một tháp chưng cất điển hình Tháp chưng cất được sử dụng để tách hỗn hợp đồng nhất ra các chất thành phần. Quy trình hoạt động cơ bản của hệ thống bồn chưng cất như sau: Nguyên liệu được máy bơm bơm từ bồn chứa, nung nóng trong thiết bị gia nhiệt đến nhiệt độ sôi và đi vào tháp chưng cất ở đĩa nạp liệu. Chất lỏng ở đáy tháp bốc hơi nhờ nhiệt lượng ở đáy tháp và đi lên phía trên tháp dưới dạng hơi. Dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp đi vào thiết bị ngưng tụ gọi là sản phẩm đỉnh. Sản phẩm được lấy từ đáy tháp gọi là sản phẩm đáy. 6 CHƯƠNG 2 : ĐIỀU KHIỂN MIMO VÀ GIẢI PHÁP PHÂN LY ĐIỀU KHIỂN 2.1. THẾ NÀO LÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MIMO Các hệ nhiều đầu vào/nhiều đầu ra (MIMO- Multi Input Multi Output) rất khó có thể điều khiển chính xác vì chỉ cần một đầu vào thay đổi sẽ tác động đến nhiều, nếu không muốn nói là tất cả các ngõ ra. Đồ án này giới thiệu về kỹ thuật điều khiển phân ly, một phương pháp điều khiển giúp hệ ban đầu hoạt động theo cách dễ điều khiển hơn, trong đó tác động của các ngõ vào được phân cặp dẫn đến mỗi ngõ ra chỉ chịu ảnh hưởng duy nhất của một ngõ vào. I O O I 2 1 1 2 Hình 2.1.1. Hệ MIMO 2 đầu vào 2 đầu ra Trong lĩnh vực điều khiển, việc thiết kế bộ điều khiển cho các hệ MIMO đòi hỏi tốn nhiều thời gian và công sức. Thêm vào đó, việc điều khiển các hệ này rất khó mang lại sự chính xác do các đầu vào và đầu ra có mối liên hệ phức tạp, chỉ cần một đầu vào thay đổi cũng có thể dẫn đến sự thay đổi của nhiều đầu ra. Để đơn giản hơn trong việc điều khiển các hệ MIMO, người ta thiết kế các bộ bù nhằm làm cho hệ sau khi bù sẽ có khuynh hướng ở dạng đường chéo. Nếu hệ sau khi bù có dạng chéo thì có thể xem hệ là một tập hợp của các hệ một đầu vào/một đầu ra (SISO), như vậy việc điều khiển sẽ trở nên đơn giản hơn. Một phương pháp khác làm việc điều khiển đơn giản là phân ly điều khiển. Phương pháp này đưa ma trận hàm truyền của hệ về chính xác dạng đường chéo. Như vậy, một đầu ra sẽ chỉ chịu tác động của một đầu vào, mỗi cặp đầu vào/đầu ra sẽ được điều khiển bởi một bộ điều khiển SISO vốn đơn giản hơn trong việc thiết kế. 7 2.2. GIẢI PHÁP PHÂN LY ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG CHO BỒN CHƯNG CẤT Ngoại trừ điều khiển “cascade” thì các hệ thống được phân tích đều có cấu trúc là mạch vòng đơn (single – loop). Điều đó có nghĩa là các mạch vòng điều khiển phải có tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển đơn điều chỉnh một biến đơn để tác động đến biến quá trình đơn được đo. Trong các quá trình thực thường có 2 biến hoặc nhiều hơn yêu cầu cần phải điều khiển và khi được điều khiển thì mỗi biến lại ảnh hưởng tới 1 hoặc nhiều hơn biến quá trình. Để minh hoạ cho điều khiển hệ nhiều biến ta xét điều khiển quá trình bồn chưng cất nhằm để tách benzen và toluen. Hìn h 2.2.1. Sơ đồ công nghệ điều khiển bồn chưng cất thực hiện bằng hai mạch vòng điều khiển 8 Bồn chưng cất có 2 đầu ra cho 2 loại sản phẩm. Ở lối thoát đỉnh yêu cầu tỉ lệ benzen cao ( tỉ lệ toluen thấp). Ở lối thoát đáy yêu cầu tỉ lệ benzen thấp (tỉ lệ toluen cao). Để đạt dược sự phân tách benzen-toluen theo yêu cầu, bộ điều khiển ở đỉnh bồn điều khiển lưu lượng ngược để điều chỉnh thành phần ở chất thoát ra ở đỉnh của bồn chưng cất. Bộ điều khiển ở đáy điều chỉnh lưu lượng của hơi nước đến nồi hơi để điều khiển các thành phần chất thoát ra ở đáy ở bồn chưng cất. Bất cứ sự thay đổi nào của lưu lượng cấp cho bồn chưng cất đều là một nhiễu của quá trình với hai biến phải điều khiển và hai biến đo được từ quá trình được gọi là hệ hai đầu vào hai đầu ra để minh hoạ sự tương tác của mạch vòng kín của quá trình MIMO giả sử thành phần của benzen trong thành phần các chất thoát ra ở đỉnh thấp hơn điểm đặt. Bộ điều khiển ở đỉnh sẽ phản ứng bằng cách tăng lưu lượng ngược của chất lỏng lạnh vào trong bồn chưng cất. Điều này làm tăng độ tinh khiết của benzen trong thành phần chất thoát ra ở đỉnh. Tuy nhiên, chất lỏng lạnh được thêm vào sẽ ảnh hưởng xuôi xuống đáy bồn, bắt đầu làm lạnh từ trên đỉnh bồn xuống đáy bồn. Kết quả là tỉ lệ benzen trong thành phần chất thoát ra ở đáy nhiều hơn. Ngược lại khi thành phần toluen thoát ra từ đáy bồn thấp hơn điểm đặt, bộ điều khiển đáy sẽ bù lại bằng cách tăng dòng hơi nước vào nồi hơi để làm nóng đáy bồn. Nhưng hơi nóng sẽ tác động lên trên và dẫn đến đỉnh bồn cũng được làm nóng. Khi đỉnh bồn nóng lên, độ tinh khiết của benzen trong thành phần chất thoát ra ở đỉnh lại giảm xuống. Khi đó bộ điều khiển đỉnh phản ứng lại bằng cách tăng dòng lạnh ngược vào đỉnh của bồn chưng cất. Từ đây ta thấy rõ có một sự tương tác trong quá trình điều khiển các biến. 9 a) S tng tỏc vũng iu khin Y Đáy đặt Y Đỉnh đặt U Đỉnh Y Đỉnh Y Đáy U Đáy Bộ điều khiển đỉnh Quá trình đỉnh Gtt Bộ điều khiển đáy Quá trình đáy Gbb T ơng tác Gtb T ơng tác Gbt Hỡnh 2.2.2. S cu trỳc iu khin bn chng ct vi s tng tỏc gia cỏc bin iu khin quỏ trỡnh ỏy v nh bn Nhiu chộo ca cỏc thnh phn cht thoỏt ra nh l dũng hi núng to ra do s iu khin ỏy bn. Nhiu chộo ca cỏc thnh phn cht thoỏt ra ỏy bn l lu lng dũng cht lng lnh to ra do s iu khin ca b iu khin nh bn. b) Tớnh toỏn b iu khin phõn ly B iu khin phõn ly cú cu to gm cú 1 mụ hỡnh quỏ trỡnh v 1 mụ hỡnh nhiu chộo. Mụ hỡnh nhiu chộo nhn tớn hiu ca b iu khin chộo v tiờn oỏn tiu s tỏc ng ca nú hoc khi no v mc no thỡ tỏc ng n bin quỏ trỡnh. Vi th t ca s tỏc ng ca nhiu ny mụ hỡnh s tớnh toỏn mt chui cỏc hnh ng iu khin loi tr nhiu chộo khi nú n vỡ th bin quỏ trỡnh vn duy trỡ im t. S thc hin ca mt b iu khin phõn ly khụng yờu cu sensor o nhiu vỡ nhiu chộo luụn cú mt khi b iu khin phõn ly yờu cu. hiu hn v quỏ trỡnh tớnh toỏn b iu khin phõn ly ta ly vũng iu khin cho nh bn lm vớ d. 10 [...]... ( s ) = G ( s ) TT G ( s) BT + Cho ỏy bn : D day ( s ) = G ( s ) BB 12 T tng hp cỏc b iu khin ta cú s : Y Đỉnh đặt Bộ điều khiển đỉnh U Quá trình đỉnh Gtt Đỉnh U Y Đỉnh Đỉnh PL Bộ điều khiển phân ly đỉnh Bộ điều khiển phân ly đáy Y Đáy đặt T ơng tác Gtb T ơng tác Gbt U Đáy PL Bộ điều khiển đáy U Đáy Quá trình đáy Gbb Hỡnh 2.2.3 S cu trỳc iu khin bn chng ct cú b iu khin phõn ly 13 Y Đáy CHNG 3 : THIT... khin ó gõy ra s thay i ny Mụ hỡnh nhiu chộo c to ra bng cỏch thay i u ra ca b iu khin chộo m trong trng hp ny l b iu khin ỏy bn U day (t ) , v ghi giỏ tr Y dinh (t ) phn ng Chỳng ta tỡm mụ hỡnh ng tuyn tớnh phự hp vi d liu nhiu chộo v gi mụ hỡnh m tớn hiu ra ca b iu khin ỏy tỏc ng lờn cỏc thnh phn nh bn l GTB(s) Trong toỏn t Laplace ta vit c : Ydinh ( s) = GTB ( s ).U day ( s ) (2.2.3) Vi tớn hiu ca b... tớn hiu u ra ca b iu khin U dinh(t) v ghi giỏ tr ca bin o c Y dinh(t) khi quỏ trỡnh phn ng C hai mch vũng s lm vic ch hng dn trong quỏ trỡnh thu thp d liu Quỏ trỡnh nờn khi im mt trng thỏi n nh Ta tỡm c mụ hỡnh quỏ trỡnh t mt chui d liu trờn bng cỏch chn phự hp cỏc mụ hỡnh trong di t bc mt (FOPDT) ti bc hai (SOPDT) Nu chỳng ta gi G TT l mụ hỡnh quỏ trỡnh nh bn thỡ dng toỏn t Laplace ta cú: Ydinh... Mễ HèNH Mễ PHNG Trc tiờn ta xột quỏ trỡnh nh bn Ta tin hnh th nghim vi biờn xung ln nhm to ra d liu quỏ trỡnh ng thit k b iu khin nh Trong th nghim ny tớn hiu u ra ca b iu khin nh u dinh (t ) cú giỏ tr nhy bc t 52% lờn 54% v tr v 52% B iu khin ỏy c iu khin bng tay trong sut quỏ trỡnh th nghim Hm truyn GTT (s) ca thnh phn nh ti u ra ca b iu khin nh cú cỏc thụng s c chn nh sau : H s khuch i quỏ trỡnh... reset Vy b iu khin ỏy cú dng : KC + KC 1 9,7 9,7 s 0,18 = 9,7 + = I s 53.s s Vi xung th nghim ỏp ng quỏ trỡnh ca b iu khin nh khụng ch tỏc ng lờn t hp iu khin nh m cũn tng tỏc vi t hp ỏy B iu khin trong trng hp phõn ly iu khin khi cú nhiu nhn tham s ca b iu khin nh tng ng vi mụ hỡnh quỏ trỡnh cú dng FOPDT Mụ hỡnh FOPDT cho ta d liu gn ỳng vi mch vũng phõn ly iu khin cú nhiu quỏ trỡnh Hm truyn cho... ca cỏc bin gia b iu khin nh v b iu khin ỏy ca bn chng ct khi chỳng c thit k v vn hnh l nhng mch vũng c lp B iu khin PI c thit k v iu chnh cú kh nng bỏm cỏc giỏ tr t ca thnh phn cỏc cht nh t 92% v 94% trong khi thnh phn cỏc cht ỏy c gi khụng i 15% Mc thit ca bn chng ct bao gm tc chy vo bn l 547 kg/phỳt v nhng iu kin hot ng n nh: nh : U dinh (t ) = 52% Y dinh (t ) = 92% ỏy : U day (t ) = 48% Yday... nh hng ln nhau gia cỏc mch vũng iu khin khi cú b iu khin nh v ỏy Chn b iu khin phõn ly l: 20 1 0.01s + 1 B iu khin PI c thit k v iu chnh cú kh nng bỏm cỏc giỏ tr t ca thnh phn cỏc cht nh t 92% v 94% trong khi thnh phn cỏc cht ỏy c gi khụng i 15% nh : U dinh (t ) = 52% Y dinh (t ) = 92% ỏy : U day (t ) = 48% Yday (t ) = 15% Ta tin hnh mụ phng trờn matlab simulink: Hỡnh 3.1.9 S mụ phng mch vũng nh... giỏ tr t, h thng n nh sau 5(s) B iu khin lm vic n nh 22 3.2 NH GI CHT LNG H THNG Sau khi mụ phng trờn matlab ta thy h thng lm vic n nh Tớn hiu ra nh mong mun: giỏ tr ca thnh phn benzene nh t 92% v 94% trong khi thnh phn cỏc cht ỏy c gi khụng i 15% nh : U dinh (t ) = 52% Y dinh (t ) = 92% ỏy : U day (t ) = 48% Yday (t ) = 15% Thi gian ỏp ng nhanh t yờu cu, h thng n nh ch sau 5(s) 23 TI LIU THAM KHO . đáp ứng được nhu cầu sử dụng. Người ta nghiên cứu và phát triển bồn chưng cất vì mục đích đó. Em được giao đề tài: Nghiên cứu về điều khiển MIMO ứng dụng. đầu………………………………………………………….1 Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về bồn chưng cất ………………….2 1.1. Giới thiệu về bồn chưng cất ……………………… …… 2 1.2. Quy trình sản xuất của bồn chưng cất …………