Luận án tiến sĩ kỹ thuật ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI THỊ ĐOAN THANH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TUYẾN CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 62.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Giáo viên hƣớng dẫn PGS TS Bùi Quốc Khánh PGS TS Đoàn Quang Vinh Đà Nẵng - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu cá nhân tơi dƣới hƣớng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả luận án Mai Thị Đoan Thanh MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án Mục tiêu nghiên cứu luận án Đối tƣợng, phạm vi phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR 1.1 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ PHẢN ỨNG HÓA HỌC 1.1.1 Định nghĩa thiết bị phản ứng 1.1.2 Lý thuyết phản ứng hóa học 1.2 PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HÓA HỌC VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 1.2.1 Phân loại phản ứng hóa học: 1.2.2 Phân loại thiết bị phản ứng: 1.3 ĐỘNG HỌC CHUNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CĨ THỂ TÍCH KHƠNG ĐỔI 1.3.1 Phƣơng trình cân b ng khối lƣợng 1.3.2 Phƣơng trình cân b ng thành phần phản ứng 1.3.3 Phƣơng trình cân b ng lƣợng 1.4 ĐỘNG HỌC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC (CSTR – CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR) 10 1.4.1 Khái quát chung thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục 10 1.4.2 Cấu trúc phổ biến CSTR công nghiệp 11 1.4.3 Động học trình thiết bị phản ứng 12 1.5 XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CSTR 13 1.5.1 Phân tích biến 13 1.5.2 Xác định bậc tự mơ hình 14 1.5.3 Đánh giá tính xen kênh tính phi tuyến 15 1.6 TĨM TẮT NHỮNG CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ GẦN ĐÂY VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR 16 1.6.1 Những cơng trình nghiên cứu động học trình thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR 16 1.6.2 Những công trình nghiên cứu điều khiển phản hồi tuyến tính dùng PID biến thể 16 1.6.3 Những công trình nghiên cứu điều khiển phi tuyến 18 1.6.4 Những cơng trình nghiên cứu có phƣơng trình cân b ng lƣợng nƣớc jacket 20 1.6.5 Các cơng trình nghiên cứu dùng MPC để điều khiển thiết bị phản ứng CSTR 20 1.7 ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU CSTR 21 1.8 KẾT LUẬN CHƢƠNG 22 CHƢƠNG THIẾT LẬP MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC 23 2.1 PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC 23 2.2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC 26 2.2.1 Lựa chọn kích thƣớc hình học 26 2.2.2 Tính tốn thơng số vận hành 27 2.3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG KIỂM TRA THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 30 2.3.1 Mô hình mơ thiết bị phản ứng giai đoạn khởi động 31 2.3.2 Mơ hình mơ thiết bị phản ứng giai đoạn phản ứng 33 2.4 MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH DÙNG PHẢN HỒI ĐẦU RA VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC 34 2.5.1 Xét trƣờng hợp có nhiễu tác động 36 2.5.2 Nhiễu lƣu lƣợng đầu F2 10% 36 2.5.3 Nhiễu đồng thời 37 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 38 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI CHO HỆ SONG TUYẾN BẤT ĐỊNH VÀ ÁP DỤNG VÀO ĐIỀU KHIỂN HỆ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC 40 3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 41 3.1.1 Cấu trúc nguyên lý làm việc điều khiển dự báo 41 3.1.2 Các phƣơng pháp điều khiển dự báo 46 3.2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI CHO HỆ SONG TUYẾN KHÔNG DỪNG VÀ BẤT ĐỊNH 55 3.2.1 Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho hệ song tuyến 55 3.2.2 Ứng dụng vào điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục thủy phân anhydride acetic 63 3.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 77 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 78 4.1 MỤC TIÊU CỦA THỰC NGHIỆM 78 4.2 MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 78 4.3 TRÌNH TỰ THỰC NGHIỆM 80 4.4 LẬP TRÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN AC 800M 81 4.4.1 Cấu hình phần cứng 81 4.4.2 Thiết kế xây dựng giao diện 84 4.5 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỦA HỆ 86 4.5.1 Thí nghiệm lấy đặc tính bơm B1, B2: 86 4.5.2 Nhận dạng vòng hở hệ thống 88 4.6 MƠ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VĨI THƠNG SỐ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 93 4.6.1 Sự phụ thuộc nồng độ chất phản ứng vào nhiệt độ lò phản ứng T 93 4.6.2 Mô hệ điều khiển 94 4.7 THÍ NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 98 4.7.1 Chỉnh định thông số điều khiển PID b ng thực nghiệm 98 Quá trình chỉnh định gồm bƣớc sau: 98 4.7.2 Tiến hành thí nghiệm 99 4.7.3 Sơ đồ ghép nối điều khiển AC800M với mơ hình thí nghiệm99 4.7.4 Lập sơ đồ điều khiển: 101 4.7.5 Kết thí nghiệm với điều khiển PID 101 4.8 THÍ NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN NMPC 103 4.8.1 Sơ đồ điều khiển AC800M 105 4.8.2 Kết thí nghiệm điều khiển NMPC 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 11010 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN… 117 CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG Ký hiệu Giải thích aj hệ số tỷ lƣợng chất j phản ứng hóa thành phần thứ j phản ứng j pj áp suất riêng phần thành phần j aij hệ số tỷ lƣợng chất i phản ứng j P công suất nhiệt đƣa khỏi thiết bị phản ứng ri tốc độ phản ứng chất i bậc phản ứng Mi khối lƣợng chất i Ci nồng độ chất i k' h ng số tốc độ phản ứng k0 hệ số trƣớc hàm mũ phản ứng E# lƣợng hoạt hóa phản ứng R h ng số chất khí lý tƣởng T nhiệt độ phản ứng Ci1 nồng độ chất i ban đầu Tc h ng số thời gian phản ứng lƣu lƣợng dung dịch đƣa vào l phản ứng chất tham gia phản F1i ứng lƣu lƣợng sản ph m đầu F2i ^ ^ h1i , h 2i ^ hàm enthalpy riêng phần thành phần i đầu vào đầu ui hàm nội riêng thành phần i V thể tích dung dịch phản ứng Q cơng suất nhiệt cấp cho bình phản ứng KT hệ số truyền nhiệt A diện tích truyền nhiệt T j1 , T j nhiệt độ mơi chất nóng jacket đầu vào đầu khối lƣợng riêng chất phản ứng Cp nhiệt dung riêng chất phản ứng Vj thể tích jacket C pj nhiệt dung riêng môi chất gia nhiệt j khối lƣợng riêng môi chất gia nhiệt Fj lƣu lƣợng môi chất cấp cho jacket C A1 , C A2 nồng độ đầu vào chất A phản ứng T1 nhiệt độ đầu vào chất phản ứng h mức dung dich bình phản ứng H nhiệt phản ứng yk tín hiệu wk tín hiệu đặt ek sai lệch tín hiệu với tín hiệu đặt  k , k thành phần bất định  / , / giá trị ƣớc lƣợng  , k thời điểm k k u1 tín hiệu điều khiển nồng độ sản ph m đầu u2 tín hiệu điều khiển mức dung dịch CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AGPC Alternative Generalized Predictive Control CSTR Continuous Stirred Tank Reactor CV Control Valse DMC Dynamic Matrix Control GPC Generalized predictive control MIMO Multiple Input Multiple Output MAC Model Algorithmic Control NMPC Nonlinear-Model Predictive Control PCS Process Control System PFR Plug Flow Reactor PV Preset Value P&ID Process and Intrumentation Diagram PID Proportional Integral Derivative SP Setpoint SISO Single Input Single Output DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thông số ban đầu thiết bị phản ứng 26 Bảng 2.2 Thông số thiết bị phản ứng CSTR 29 - Analog input module AI810/TU810V1 3.3.1.5 Bảng B8-PL1 Thông số kỹ thuật AI810 Số kênh đầu vào Dải tín hiệu vào – 20mA; – 10VDC (±15%) Trở kháng đầu vào (tín hiệu d ng) 230 Ω - 275Ω Thời gian trích mẫu 5ms Hình 20-PL1 Hình ảnh module AI810 catalog thực tế - Analog module AO 810/TU810V1 3.3.1.6 Bảng B9-PL1 Thông số kỹ thuật AO 810 Số kênh tín hiệu Dải tín hiệu – 20mA(±15%) Tải đầu cho phép 850Ω 135 Độ phân giải 14 bít Nhiệt độ làm việc 50 oC Hình 21-PL1 Hình ảnh module AO 810 catalog thực tế 136 PHỤ LỤC 2.1 Tính tốn đặt giá trị tƣơng đối Từ phƣơng trình động học ta đặt đơn vị tƣơng đối: Vm * ; f1 V F1 * ; f2 Fm f F1 Fm 4,169.10 8,338.10 kt 100% 373K ka 100% 51Kg / m3 h * F2 Fm 7 0, 2681(% / K ) 0,5; f * F2 Fm 4,169.10 8,338.10 0,002681(1/ K ) 1,96(%.Kg m) 0, 0196(m3 / Kg ) 137 7 0,5 Giá trị biến trạng thái điểm ổn định: x1 C A2 ka CA2 x2 T kt T x3 Tj kt T j x4 h 0,093962 0,839153 0,8606 Các biến nhiễu: f1; C A1;T1 ;T j1 Các giá trị đầu vào: T1* kt T1 T j*1 0, 2681.343 91,9583(%) T j*2 0, 2681.323 86,5963(%) 0, 2681.278 Từ (1) ta có: k1 74,5318(%) 5,1866.10 kt T 0,15443 0,19345.T 0,15443 Thay vào (1.31) ta có: Fm * ( f1 C A1 Vm dC A2 dt Fm * f1 C A1 Vm f2 C A2 ) (0,19345.T 0,15443).h* C A2 * h Fm f C 0,19345.T h* C A2 0,15443.h* C A2 * A2 Vm h Đặt hệ số a1 Fm Vm 8,338.10 0,508.10 1,641.10 ; a2 0,19345 ; a3 138 0,15443; a4 H ka 0,19345.10 Cp a5 H ka 0,15443 Cp a6 a7 a8 KT A C pVm Fjm V jm T j*1 u1 f j* , u2 142000.0,0196 0,19345.10 1000.4200 142000.0,0196 0,15443 1000.4200 6, 1000.4200.0,508.10 13,1.10 2,5411.10 kT A j C pjV j a9 2 0,0128.10 ; 0,0102.10 ; 0,003; 5,155.10 ; 6, 1000.4200.2,5411.10 6.10 ; 0,91958; f 2* ; Các phƣơng trình động học đƣợc viết lại dạng rút gọn: x1 a1 * ( f1 C A1 x4 u2 x1 ) a2 x1 x2 x4 a3 x1 x4 x2 a1 * ( f1 T1 x4 u2 x2 ) a5 x1.x4 x3 a7 u1 (a9 x4 a1 f1* a4 x1.x2 x x3 ) a8 ( x3 a6 ( x2 x3 ) x2 ) a1u2 2.2 Mơ q trình khởi động: Từ phƣơng trình (2.7) đến (2.11) ta xây dựng mơ hình mơ thiết bị phản ứng giai đoạn khởi động đƣợc trình bày Hình PL2.1 (cho cân b ng thành phần), Hình PL2.2 mơ hình mơ cân b ng lƣợng phản ứng Hình PL2.3 mơ hình cân b ng lƣợng Jacket 139 Hình 1-PL2 Mơ hình mơ cân thành phần Hình 2-PL2 Mơ hình mơ cân nhiệt phản ứng Hình 3-PL2 Mơ hình mô cân nhiệt jacket 2.3 Mô trình phản ứng: 140 Hình 4-PL2 Mơ hình mơ cân khối lƣợng Theo tài liệu [10],[17],[22] mơ hình mơ cân b ng thành phần theo Hình PL2.5: Hình 5-PL2 Mơ hình mơ cân thành phần Theo tài liệu [10],[17],[22], mơ hình mơ theo Hình 6-PL2 Hình 7PL2: 141 Hình 6-PL2 Mơ hình mơ trình cân lƣợng thiết bị phản ứng Hình 7-PL2 Mơ hình mơ q trình cân lƣợng Jacket thiết bị phản ứng 142 PHỤ LỤC 3.1 Mơ hình mơ điều khiển NMPC 143 Hình 1-PL3 Mơ hình mơ điều khiển NMPC 3.2 Mơ hình mơ đối tƣợng lị phản ứng CSTR: Hình 2-PL3 Mơ hình mơ đối tƣợng lị phản ứng CSTR 3.3 Chƣơng trình điều khiển NMPC cho lò phản ứng CSTR trƣờng hợp thay đổi giá trị đặt CA2: function [uk,u11,u12] fcn(x1,x2,x3,x4,x1_1,x2_1,x3_1,x4_1,w,u1_1,u2_1,u21,u22) %#codegen N=2; % Cua so du báo TS=3; % Chu ky trích mau Q=eye(2*N); R=20*eye(2*N); %Thong so ban dau thiet bi phan ung Vmax = 0.508*10^(-3); % The tich dung dich phan ung [m^3] deltaH = 142000; % Nhiet cua phan ung [J/kg] Cp = 4200; % Nhiet dung rieng cua chat phan ung [J/kg.K] ro = 1000; % Khoi luong rieng cua moi chat phan ung [kg/m^3] Cpj = 4200; % Nhiet dung rieng nuoc gia nhiet [J/kgK] 144 = Vj = 2.5411*10^(-3); % The tich nuoc gia nhiet [m^3] roj = 1000; % Khoi luong rieng nuoc gia nhiet [kg/m^3] % Thong so thiet bi phan ung CSTR F10 = 4.169*10^(-7); F20 = 4.169*10^(-7); % Luu luong dung dich dau vao [m^3/s] KT = 0.002712; % He so truyen nhiet [W/m^2K] k0 = 6477839; % He so toc phan ung Fj0 = 6.55*10^-7; % Luu luong dau vao nuoc gia nhiet [m^3/s] F1max = 8.338*10^(-7); % [m^3/s] Fjmax = 13.1*10^(-7); % [m^3/s] % Thong so mo hinh a1 = F1max/Vmax; a2 = 5.1866*10^(-4)*383; a3 = 0.15443; a4 = 10^(-2)*deltaH*0.19872/(ro*Cp); a5 = 10^(-3)*deltaH*0.15443/(ro*Cp); a6 = 6.4/(ro*Cp*Vmax); a7 = Fjmax/Vj; a8 = 6.4/(roj*Cpj*Vj); lamda = 0; h0 = 1; u10 = 0.5; u20 = 0.5; f10 = 0.5; CA10 = 1; CA20=0.093962; Tj10 = 343/383; T10 = 278/383; %T0 = 313/383; %Tj20 = 323/383; theta10 = a1*f10*CA10/h0; theta20 = a1*f10*T10/h0; %theta30 = (a7*Tj10-lamda)*u10; 145 T0 = (theta10-a1*u20*CA20/h0+a3*CA20)/(a2*CA20);%313/373; Tj20 = (-theta20+a1*u20*T0/h0+a4*CA20*T0-a5*T0+a6*T0)/a6;%323/373; a7 = a8*(Tj20-T0)/(u10*(Tj10-Tj20)); %u10=a8*(Tj20-T0)/(a7*(Tj10-Tj20)); x=[x1;x2;x3;x4]; x_1=[x1_1;x2_1;x3_1;x4_1]; u_1=[u1_1;u2_1]; Ak_1 = eye(4)+TS*[a3 -a2*x1_1 x4_1 -x3_1;-a4*x2_1 a5-a6 a6 0;x4_1 a8 -a8 -x1_1;x2_1 -x1_1 x4_1 -x3_1]; Bk_1 = TS*[0 -a1*x1_1/x4_1;0 -a1*x2_1/x4_1;lamda-a7*x3_1 0;0 -a1]; vk = x-Ak_1*x_1-Bk_1*u_1; Ak = eye(4)+TS*[a3 -a2*x1 x4 -x3;-a4*x2 a5-a6 a6 0;x4 a8 -a8 -x1;x2 -x1 x4 -x3]; Bk = TS*[0 -a1*x1/x4;0 -a1*x2/x4;lamda-a7*x3 0;0 -a1]; Ck=[1 0 0;0 0 1]; A = [Ak Bk;zeros(2,4) eye(2)]; B = [Bk;eye(2)]; C = [Ck zeros(2)]; v= [vk;zeros(2,1)]; d = ones(N*2,1); x=[x1;x2;x3;x4;u_1]; for i=1:N tam = zeros(6,6); for j=0:(i-1) tam = tam+A^j; end d((2*i-1):1:2*i,1) = C*tam*v; end tam2 = zeros(2*N,6); for i=1:N tam2((2*i-1):1:2*i,1:1:6)=C*A^i; 146 end d = d + tam2*x; E = zeros(2*N,2*N); for i=1:N for j=1:N if (i >= j) E((2*i-1):1:2*i,(2*j-1):1:2*j) = C*(A^(i-j))*B; end end end wqd = zeros(2*N,1); for i=1:N wqd((2*i-1):1:2*i,1) = w; end s = wqd-d; u = (inv(E'*Q*E+R))*(E'*Q*s); %J=(A*u-p)'*Q*(A*u-p) mtt = zeros(2,2*N); mtt(1:1:2,1:1:2) = eye(2); uk = mtt*u+[u21;u22]; u11 = uk(1); u12 = uk(2); 3.4 Chƣơng trình điều khiển NMPC cho lò phản ứng CSTR trƣờng hợp thay đổi nhiễu function [uk,u11,u12] fcn(x1,x2,x3,x4,x1_1,x2_1,x3_1,x4_1,w,u1_1,u2_1,u21,u22) %#codegen N=2; % Cua so du báo TS=1; % Chu ky trích mau Q=eye(2*N); 147 = R=1000*eye(2*N); x=[x1;x2;x3;x4]; x_1=[x1_1;x2_1;x3_1;x4_1]; u_1=[u1_1;u2_1]; Ak_1 = eye(4)+TS*[-0.007089-0.09227*x2_1 0.5488*10^(-4)-0.3359*x2_1 -0.01867-0.09227*x1_1 -0.02694-0.3359*x1_1 0.03 0;0 6*10^(-3) 0;- 6.25775 0;0 0 0]; Bk_1 = TS*[0 -1.641*10^(-3)*x1_1;0 -1.34058*10^(-3)-1.641*10^(- 3)*x2_1;0.39435*10^(-4)-5.155*10^(-4)*x3_1 0;0 -1.641*10^(-3)]; vk = x-Ak_1*x_1-Bk_1*u_1; Ak = eye(4)+TS*[-0.007089-0.09227*x2 -0.01867-0.09227*x1 0;- 0.5488*10^(-4)-0.3359*x2 -0.02694-0.3359*x1 0.03 0;0 6*10^(-3) -6.25775 0;0 0 0]; Bk = TS*[0 -1.641*10^(-3)*x1;0 -1.34058*10^(-3)-1.641*10^(- 3)*x2;0.39435*10^(-4)-5.155*10^(-4)*x3 0;0 -1.641*10^(-3)]; Ck=[1 0 0;0 0 1]; A = [Ak Bk;zeros(2,4) eye(2)]; B = [Bk;eye(2)]; C = [Ck zeros(2)]; v= [vk;zeros(2,1)]; d = ones(N*2,1); x=[x1;x2;x3;x4;u_1]; for i=1:N tam = zeros(6,6); for j=0:(i-1) tam = tam+A^j; end d((2*i-1):1:2*i,1) = C*tam*v; end tam2 = zeros(2*N,6); for i=1:N tam2((2*i-1):1:2*i,1:1:6)=C*A^i; end d = d + tam2*x; 148 E = zeros(2*N,2*N); for i=1:N for j=1:N if (i >= j) E((2*i-1):1:2*i,(2*j-1):1:2*j) = C*(A^(i-j))*B; end end end wqd = zeros(2*N,1); for i=1:N wqd((2*i-1):1:2*i,1) = w; end s = wqd-d; u = (inv(E'*Q*E+R))*(E'*Q*s) %J=(A*u-p)'*Q*(A*u-p) mtt = zeros(2,2*N); mtt(1:1:2,1:1:2) = eye(2); uk = mtt*u+[u21;u22]; u11 = uk(1); u12 = uk(2); 149