Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong dây chuyền xeo giấy

LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển dự báo đã ra đời cách đây vài thập niên nhưng trong những năm gần đây phát triển mạnh mẽ và có nhiều thành công trong công nghiệp. Điều khiển dự báo là một trong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến được nhiều người ưa chuộng nhất trong công nghiệp, có được điều này là do khả năng triển khai các điều kiện ràng buộc vào thuật toán điều khiển một cách dễ dàng mà ở các phương pháp điều khiển kinh điển khác không có được. Điều khiển dự báo là chiến lược điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển quá trình vì công thức điều khiển dự bao gồm cả điều khiển tối ưu, điều khiển các quá trình ngẫu nhiên, điều khiển các quá trình có thời gian trễ, điều khiển khi biết trước quỹ đạo đặt. Một ưu điểm khác của điều khiển dự báo là có thể điều khiển các quá trình có tín hiệu điều khiển bị chặn, có các điều kiện ràng buộc, nói chung là các quá trình phi tuyến mà ta thường gặp trong công nghiệp, đặc biệt là quá trình phi tuyến phức tạp. Việc nghiên cứu và ứng dụng điều khiển dự báo trong ngành công nghiệp sản xuất Giấy là một giải pháp quan trọng, có ý nghĩa thực tiễn, kỹ thuật và kinh tế. Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc CNH - HĐH đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, Khoa Sau Đại học và Nhà giáo ưu tú Phó Giáo Sư - Tiến sĩ Lại Khắc Lãi, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong dây chuyền Xeo giấy” trong đó sử dụng bộ điều khiển dự báo Smith để nhận dạng đối tượng . Được sự giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi và một số đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên Không tránh khỏi một số thiếu sót nhất định. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để cho luận văn hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 1 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Kiều Xuân Mạnh Sinh ngày: 06 tháng 12 năm 1980 Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tôi xin cam đoan mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều ghi rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Kiều Xuân Mạnh 2 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo Khoa Sau đại học – trường Đại học KTCN Thái Nguyên, cùng các Giáo sư, Phó giáo sư, Tiến sỹ đã quan tâm tổ chức, chỉ đạo và trực tiếp giảng dạy khóa học cao học của chúng tôi. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS. TS Lại Khắc Lãi, người đã tận tình chỉ bảo và góp ý về chuyên môn cho chúng tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp – những người đã luôn ủng hộ động viên tôi nghiên cứu và hoàn thiện luận văn. Tuy nhiên, do bản thân mới bắt đầu trên con đường nghiên cứu, chắc chắn bản luận văn còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tôi xin trân trọng cảm ơn! 3 MỤC LỤC Nội dung Tran g Trang 1 Lời nói đầu 1 Lời cam đoan Lời cảm ơn 2 3 Mục lục 4 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6 Mở đầu 9 1. Tính cấp thiết của đề tài 9 4 2. Ý nghĩa thực tiễn của để tài 9 3. Phương pháp nghiên cứu 10 4. Nội dung nghiên cứu 10 Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và điều khiển dự báo 1.1. Điều khiển quá trình 1.1.1. Khái niệm điều khiển quá trình 1.1.2. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 1.1.3. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình 1.1.4. Các thành phần cơ bản của hệ thống 1.2. Điều khiển dự báo 1.2.1.Mô hình dự báo Smith cho quá trình có thời gian chết lớn 1.3. Kết luận chương 1 Chương 2 Tổng quan về Công nghệ xeo giấy 2.1. Giới thiệu về dây chuyền sản xuất giấy 2.1.1. Quá tình hình thành tờ giấy và hoàn thiện tờ giấy trên máy 2.1.2. Các bộ phận của máy xeo giấy 2.1.3. Thuyết minh dây chuyền xeo giấy 2.2 Kết luận chương 2 Chương 3 Xây dựng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô xấy trong dây chuyền máy Xeo giấy 3.1. Cấu tạo lô sấy 3.1.1. Khái quát chung về sấy giấy 3.2. Hệ thống điều khiển nhiệt độ lô xấy 3.2.1. Sơ đồ công nghệ hệ thống điều khiển nhiệt độ lô sấy 3.2.2. Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ lô sấy 3.3. Xây dựng bộ điều khiển dự báo cho hệ thống 3.3.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ dự báo Smith. 3.3.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ dự báo Smith kết hợp với điều khiển Feed 11 11 11 16 20 24 26 28 29 30 30 30 37 52 56 57 57 57 59 59 60 63 5 – Forward và khâu bù sớm pha. 3.3.3. Kết quả thực nghiệm tại dây chuyền Xeo giấy Công ty Giấy Bãi Bằng 3.4. Kết luận chương 3 Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo 63 67 69 71 72 74 Báo cáo về việc tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa luận văn thạc sĩ theo nghị quyết của Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ . 75 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hê thống điều khiền quá trình Hình 1.2 Quá trình và phân loại biến quá trình 6 Hình 1.3 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình Hình 1.4 Thiết bị khuấy trộn Hình 1.5 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình Hình 1.6 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình Hình 1.7 Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ Hình 1.8 Mô hình tổng quát bộ điều khiển dự báo Hình 1.9 Mô hình dự báo Smith dựa trên cấu trúc bộ điều khiển Hình 2.1 Tạo hình tờ giấy Hình 2.2 Tấm hình thành Hình 2.3 Cơ cấu thoát nước Hình 2.4 Đồ thị miêu tả quá trình sấy Hình 2.5 Biểu chưng nhiệt độ qua lô sấy Hình 2.6 Hệ thống gia keo bề mặt Hình 2.7 Ép quang Hình 2.8 Cuộn giấy Hình 2.9 Góc phun bột Hình 2.10 Bộ phận lưới hình thành Hình 2.11 Lô đỡ lưới Hình 2.12 Lô đỡ lưới có tấm chắn và không có tấm chắn Hình 2.13 Foil thoát nước Hình 2.14 Hòm chân không khô Hình 2.15 Trục bụng Hình 2.16 Chuyển giấy từ bộ phận lưới sang chăn ép kiểu kín Hình 2.17 Sơ đồ khối dây chuyền xeo giấy 7 Hình 3.1 Cấu tạo lô sấy Hình 3.2 Sơ đồ công nghệ điều khiển nhiệt độ lô sấy Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ lô sấy Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển hệ thống dùng Bộ dự báo Smith Hình 3.6 Cấu trúc mô phỏng hệ thống khi chưa có nhiễu tác động với Bộ dự báo Smith Hình 3.7 Kết quả mô phỏng hệ thống khi chưa có nhiễu với Bộ dự báo Smith Hình 3.8 Cấu trúc mô phỏng cả hệ thống khi có thành phần nhiễu Hình 3.9 Kết quả mô phỏng hệ thống khi có thành phần nhiễu sử dụng bộ dự báo Smith Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống với Bộ dự báo Smith kết hợp truyền thẳng Feed Forward Hình 3.11 Cấu trúc hệ thống với Bộ dự báo Smith, Feed Forward và khâu bù Hình 3.12 Kết quả mô phỏng với Bộ dự báo Smith, Feed – Forward và khâu bù Hình 3.13 Mô hình thực dây chuyền Xeo giấy Hình 3.14 Đặc tính khi tải ổn định Hình 3.15 Đặc tính khi thay đổi tải 8 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Điều khiển dự báo đã ra đời cách đây vài thập niên nhưng trong những năm gần đây phát triển mạnh mẽ và có nhiều thành công trong công nghiệp. Điều khiển dự báo là một trong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến được nhiều người ưa chuộng nhất trong công nghiệp, có được điều này là do khả năng triển khai các điều kiện ràng buộc vào thuật toán điều khiển một cách dễ dàng mà ở các phương pháp điều khiển kinh điển khác không có được. Điều khiển dự báo là chiến lược điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển quá trình vì công thức điều khiển dự báo gồm cả điều khiển tối ưu, điều khiển các quá trình ngẫu nhiên, điều khiển các quá trình có thời gian trễ, điều khiển khi biết trước quỹ đạo đặt. Một ưu điểm khác là có thể điều khiển các quá trình có tín hiệu điều khiển bị chặn, có các điều kiện ràng buộc, nói chung là các quá trình phi tuyến mà ta thường gặp trong công nghiệp, đặc biệt là quá trình phi tuyến phức tạp. Việc nghiên cứu và ứng dụng điều khiển dự báo trong ngành công nghiệp sản xuất Giấy là một giải pháp quan trọng, có ý nghĩa thực tiễn, kỹ thuật và kinh tế. Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc CNH - HĐH đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, Phòng Đào tạo và Nhà giáo ưu tú Phó Giáo Sư - Tiến sĩ Lại Khắc Lãi, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong dây chuyền Xeo giấy”. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Đề tài có ý nghĩa quan trọng cả về khoa học và thực tiễn. Cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay nước ta đã và đang xây dựng nhiều nhà máy sản xuất Giấy có dây chuyền công nghệ hiện đại. Tuy nhiên các bộ điều khiển nhiệt độ trong các lô sấy của dây chuyền Xeo giấy (Khâu quan trọng nhất để làm ra tờ giấy) vẫn sử dụng các bộ điều khiển kinh điển nên chưa kể hết được các yếu tố tác động từ bên ngoài. Xuất phát từ thực tiễn đó, việc áp dụng bộ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong dây chuyền Xeo giấy sẽ tiết kiệm được nguyên liệu, nhiên liệu, nâng cao chất lượng điều khiển từ đó góp phần nâng cao hiệu suất sản phẩm. Đề tài đưa ra một phương án điều khiển mới, nâng cao chất lượng điều khiển, dễ dàng trong thiết kế và hiệu chỉnh hệ thống. 3. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết để rút ra kết luận và đưa ra các thuật toán điều khiển. - Mô hình toán và mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu. 4. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và điều khiển dự báo. Chương 2: Tổng quan về công nghệ và thiết bị Xeo giấy. Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong dây chuyền Xeo giấy. Chương 1 9 TỔNG QUAN VÈ ĐIỂU KHIỂN QUÁ TRÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 1.1. Điều khiển quá trình 1.1.1. Khái niệm điều khiển quá trình Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho người, máy móc và môi trường. 1.1.1.1. Quá trình và các biến quá trình Biến vào là một đại lượng hoặc điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt. Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao. Biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu Biến điều khiển là một biến vào của quá trình sản xuất có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất. 1.1.1.2 Phân loại quá trình Cách phân loại thứ nhất là dựa theo số lượng biến vào và biến ra. Một quá trình chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến còn nếu có nhiều biến ra thì gọi là quá trình đa biến. Một quá trình một vào - một ra được gọi tắt là SISO (Single- input single-output), quá trình nhiều vào - nhiều ra được gọi tắt là MIMO (multi - input multi - output). Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến. Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá 10 [...]... Lụ Cng li v lỏi li + Li hỡnh thnh 17 c B phn bt giy v ộp t ca mỏy xeo giy + Bt giy (chuyn giy) + ẫp t d B phn sy giy ca mỏy xeo giy + Sy giy, nguyờn tc v cu to ca b phn sy giy Dựng lc ộp c hc loi b nc trong b phn ộp lm tng nng ca bng giy ti 38%- 43% ( khụ ny ph thuc vo loi giy v cu to ca b phn ộp) Khi dựng chuyn giy kớn tc ca mỏy xeo cú th tng n trờn 2200 m/phỳt + Lụ chuyn hng Cú 2 loi lụ chõn khụng... chõn khụng truyn thng; Lụ chõn khụng khụng cú hũm chõn khụng bờn trong Lụ chõn khụng truyn thng + Sy giy nhiu lụ sy - Lụ sy + Truyn nhit trong lụ sy Theo truyn thng, cp nhit cho lụ sy ngi ta dựng hi nc bóo ho cú nhit v ỏp sut cao Khi cho hi nc vo bờn trong lụ sy trong quỏ trỡnh sy, nú truyn nhit cho thnh lụ sy, (mt phn hi nc c ngng t bờn trong b mt lụ sy gi l nc ngng ) Nhit truyn qua thnh lụ sy sau... vo mỏy nghin giy rỏch trc khi a vo b hn hp 2.2 Kt lun chng 2 Trong Chng 2 tỏc gi ó cp n tng quan v cụng ngh Xeo giy, cu to v chc nng ca cỏc b phn ca mt dõy chuyn Xeo 19 giy Tỏc gi ó phõn tớch sõu thờm v s nh hng ca nhit n quỏ trỡnh sy khụ t giy v thuyt minh dõy chuyn Xeo giy Chng 3 XY DNG H IU KHIN D BO IU KHIN NHIT Lễ SY TRONG DY CHUYN XEO GIY PILOT TRNG CAO NG NGH CễNG NGH GIY V C IN 3.1 Cu to... dung c bn trong lun vn tp trung vo nghiờn cu ng dng cỏc phng phỏp iu khin nhit Nhim v c th l Nghiờn cu ng dng h iu khin d bỏo iu khin nhit lụ sy trong dõy chuyn xeo giy Vi mc tiờu t ra, ni dung lun vn ó hon thnh cỏc Chng sau: Chng 1: Tng quan v iu khin quỏ trỡnh v iu khin d bỏo Chng 2: Tng quan v cụng ngh v thit b Xeo giy Chng 3: Xõy dng h iu khin d bỏo iu khin nhit lụ sy trong dõy chuyn Xeo giy... tớnh nng chy ca bng giy trong b phn sy l cỏc yu t lm gii hn nht nh n ỏp sut hi dựng cho sy giy p sut hi quỏ cao trong phn u ca b phn sy l nguyờn nhõn x si bỏm vo b mt lụ sy iu ú gõy ra mt s vn v kh nng chy mỏy, s hỡnh thnh bi, x si lm bn b mt lụ sy v cht lng ca giy kộm do b mt b thụ giỏp p sut hi thp thng dựng cho loi giy in, giy bỏo v giy vit cú nh lng thp p sut cao cú th dựng cho giy in, giy vit... v lp giy b mt dựng hi ỏp sut cao nht 18 + Sy v tớnh cht ca t giy Quỏ trỡnh sy cú nh hng rt ln ti tớnh cht ca t giy, trỏnh hin tng cong vờnh phng rp, nt mộp v lm gim bn ca giy thỡ trong qỳa trỡnh sy ngi ta phi khng ch nhit cho phự hp vi mi giai on khỏc nhau tng ng vi m khỏc nhau ti thi im ú quỏ trỡnh sy t cht lng cao 2.1.3 Thuyt minh dõy chuyn xeo giy Nguyờn liu chớnh sn xut giy trong dõy chuyn... cho bng giy trờn b mt ngoi lụ sy Khi cho hi nc vo bờn trong lụ sy trong quỏ trỡnh sy, nú truyn nhit cho thnh lụ sy, (mt phn hi nc c ngng t bờn trong b mt lụ sy gi l nc ngng ) Nhit truyn qua thnh lụ sy sau ú cp nhit cho bng giy trờn b mt ngoi lụ sy B mt truyn nhit ca lụ sy l ton b b mt ca lụ B mt ca giy ch bao bc mt phn b mt ca lụ sy + p sut ca hi nc trong lụ sy p sut hi l yu t quan trng nht nh hng n tc... u tiờn ca b phn ộp mỏy xeo l tỏch nc ra khi t giy t v lm tng bn ca bng giy, tng phng ca b mt, gim xp v trc tip lm tng bn ca bng giy t nhm lm gim vic t giy b phn sy b Quỏ trỡnh hon thin t giy trờn mỏy xeo + Sy giy Sau khi qua khi ộp t t giy cú khụ khong 36ữ40 %, lng nc cũn li trong giy ch yu l nc liờn kt rt khú tỏch ra bng ộp Do ú tỏch lng nc liờn kt ny ra khi bng giy ta dựng phng phỏp sy b phn... nng nhm lm bc hi nc trong giy Khi bng giy i qua mt lot lụ sy thỡ nc bc hi v c cỏc thit b thụng giú y ra khi vựng sy Bng giy c ộp cht lờn b mt lụ sy nh cỏc tm bt bng nha tng hp cú kt cu rt thoỏng gi l bt sy Cỏc tm bt ny cũn cú tỏc dng nõng bng giy i theo mt l trỡnh nht nh qua cỏc lụ sy 2.1.2 Cỏc b phn ca mỏy xeo giy a Hũm phun bt + Mụi phun + Gúc phun bt v tc phun bt b Cỏc thit b trong b phn li hỡnh... thnh phn bự tng cng ỏp ng u ra ca h thng 3.3.1 H thng iu khin nhit s dng b d bỏo Smith 22 Hỡnh 3.5 Cu trỳc iu khin h thng dựng B d bỏo Smith ng thi trong quỏ trỡnh lm vic nh tỏc gi ó trỡnh by phn trc, nhit o c luụn b tỏc ng bi nhiu, do vy tỏc gi a thờm c thnh phn nhiu ny trong quỏ trỡnh mụ phng v xem xột ỏp ng ca h thng nh th no S cu trỳc ton h thng nh sau: Hỡnh 3.6: Cu trỳc mụ phng h thng khi . tốt nghiệp của mình là Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong dây chuyền Xeo giấy trong đó sử dụng bộ điều khiển dự báo Smith để nhận dạng đối tượng thống điều khiển nhiệt độ lô xấy 3.2.1. Sơ đồ công nghệ hệ thống điều khiển nhiệt độ lô sấy 3.2.2. Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ lô sấy 3.3. Xây dựng bộ điều khiển dự báo cho hệ thống 3.3.1 Hệ. công nghệ và thiết bị Xeo giấy. Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong dây chuyền Xeo giấy. Chương 1 9 TỔNG QUAN VÈ ĐIỂU KHIỂN QUÁ TRÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 1.1.