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

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 v

LỜI NÓI ĐẦU

Điều khiển dự báo đã ra đời cách đây vài thập niên nhưng trong những năm gần đây pháttriển 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 ởcác phương pháp điều khiển kinh điển khác không có được Điều khiển dự báo là chiến lược điềukhiển được sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển quá trình vì công thức điều khiển dự bao gồm cảđiều khiển tối ưu, điều khiển các quá trình ngẫu nhiên, điều khiển các quá trình có thời gian trễ, điềukhiển khi biết trước quỹ đạo đặt Một ưu điểm khác của điều khiển dự báo là có thể điều khiển cácquá trình có tín hiệu điều khiển bị chặn, có các điều kiện ràng buộc, nói chung là các quá trình phituyến 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 - HĐHđất 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 điềukiện giúp đỡ của nhà trường, Khoa Sau Đại học và Nhà giáo ưu tú Phó Giáo Sư - Tiến sĩ Lại KhắcLãi, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo đểđiều 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 sốđồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành luận văn của mình Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng dothời gian có hạn nên Không tránh khỏi một số thiếu sót nhất định Em rất mong nhận được ý kiếnđóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để cho luận văn hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

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 TháiNguyên

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực vàchưa 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

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!

MỤC LỤC

Nội dung

Trang

Trang 1

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

23

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và điều khiển dự báo 11

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

– 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

111116202426282930303037525657

5757595960636367

69717274

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

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 2.12 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

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 SmithHình 3.7

Kết quả mô phỏng hệ thống khi chưa có nhiễu với Bộ dự báo SmithHình 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 SmithHình 3.10 Cấu trúc hệ thống với Bộ dự báo Smith kết hợp truyền thẳng Feed ForwardHình 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 bùHình 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

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 pháttriển mạnh mẽ và có nhiều thành công trong công nghiệp Điều khiển dự báo là một trong những kỹthuật điều khiển tiên tiến được nhiều người ưa chuộng nhất trong công nghiệp, có được điều này là dokhả năng triển khai các điều kiện ràng buộc vào thuật toán điều khiển một cách dễ dàng mà ở cácphương pháp điều khiển kinh điển khác không có được Điều khiển dự báo là chiến lược điều khiểnđược sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển quá trình vì công thức điều khiển dự báo gồm cả điềukhiển tối ưu, điều khiển các quá trình ngẫu nhiên, điều khiển các quá trình có thời gian trễ, điều khiểnkhi 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 côngnghiệp, đặc biệt là quá trình phi tuyến phức tạp Việc nghiên cứu và ứng dụng điều khiển dự báotrong ngành công nghiệp sản xuất Giấy là một giải pháp quan trọng, có ý nghĩa thực tiễn, kỹ thuật vàkinh tế

Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc CNH - HĐHđất 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 điềukiện 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 điềukhiển 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 nhàmáy 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 điềukhiển 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 sấytrong 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 trongthiết 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 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, hiệuquả 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 dụlưu 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 dụnồng 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 hơihoặc 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 mộtbiến ra được gọi là quá trình đơn biến còn nếu có nhiều biến ra thì gọi là quá trình đa biến Một quátrình một vào - một ra được gọi tắt là SISO (Single-input single-output), quá trình nhiều vào - nhiều rađược gọi tắt là MIMO (multi - input multi - output) Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đabiến

Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu), tacũng có thể phân loại quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc, quá

trình mẻ

1.1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếpnhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:

1 Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru

2 Đảm bảo năng xuất và chất lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông sốliên quan đến chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu

3 Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn

4 Bảo vệ môi trường

5 Nâng cao hiệu quả kinh tế

1.1.2 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình

Các chức năng điều khiển quá trình có thể được phân cấp theo nhiều cách khác nhau, ví dụtheo thiết bị thực hiện, theo mức độ tự động hoá hoặc theo tính chất nhiệm vụ

1.1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống

Tuỳ theo mức độ ứng dụng và mức độ tự động hoá các hệ thống điều khiển quá trình côngnghiệp có thể đơn giản tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị

đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển

Hình 1.6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

1.2 Điều khiển dự báo

Kỹ thuật điều khiển dự báo được áp dụng một cách linh hoạt trong lĩnh vực điều khiển quá trìnhthông qua việc hiệu chỉnh cấu trúc bộ điều khiển phù hợp với đối tượng điều khiển đã cho theo cácthông số ràng buộc và các yêu cầu hoạt động của hệ thống [6]

Bộ điều khiển Thiết bị

chấp hành

Quá trình công nghệ

Thiết bị đo

Giá trị đặt Điều khiểnTín hiệu điều khiểnBiến điều khiểnBiến cần

Đại lượng đoTín hiệu đo

Một bộ điều khiển dự báo bao gồm 5 thành phần cơ bản sau:

1 Mô hình hệ thống và mô hình phân bố nhiễu

2 Hàm mục tiêu

3 Điều kiện ràng buộc

4 Phương pháp giải bài toán tối ưu hóa

5 Chiến lược điều khiển dịch dần về tương lai

Sơ đồ một bộ điều khiển dự báo tổng quát có thể mô tả trong hình 1.8

Hình 1.8: Mô hình tổng quát bộ điều khiển dự báo

Trong hình 1.8, r(k) là tín hiệu tham chiếu của mô hình tại thời điểm k và chính là trạng thái ngõ

ra mong muốn của đối tượng điều khiển; y(k) là tín hiệu ngõ ra của hệ thống thực; yM(k) là ngõ ra của

mô hình; u(k) là tín hiệu điều khiển đối tượng tại thời điểm k; ˆu, ˆy là tín hiệu điều khiển dự báo vàngõ ra dự báo tương lai tương ứng của hệ thống dựa trên cơ sở mô hình

1.2.1 Mô hình dự báo Smith cho quá trình có thời gian chết lớn

a Thời gian chết lớn tác động lên quá trình điều khiển

Thời gian chết được coi là lớn khi nó tương đương với hằng số thời gian của quá trình Khi

  thi để điều khiển bám theo điểm đặt với bộ điều khiển PID truyền thống là rất khó

Giả sử thời gian chết của quá trình bằng với hằng số thời gian của quá trình (p  Tp) chu kỳlấy mẫu là 10 lần trong mỗi khoảng hằng số thời gian của quá trình (T=0,lTp) Với những quá trìnhnhư thế 10 lần lấy mẫu (một khoảng thời thời gian chết) phải trôi qua sau một hành động điều khiểntrước khi sensor phát hiện ra sự ảnh hưởng nào Mỗi hành động điều khiển gặp phải một sự trễ rất lớn,

bộ điều chỉnh phải chỉnh rất chậm để phù hợp với sự chậm trễ của quá trình

b Mô hình dự báo của Smith

Một giải pháp khác là sử dụng mô hình dự báo MPC, mô hình động là một phần của thuật toánđiều khiển trong mô hình dự báo Chức năng của mô hình động là dự báo giá trị tương lai của biến quátrình dựa trên trạng thái hiện tại của quá trình và những hành động điều khiển gần đây Một hành độngđiều khiển là gần đây nếu đáp ứng nó gây ra cho quá trình vẫn còn đang tiếp diễn

Nếu biến quá trình này không phù hợp với điểm đặt thì sự sai lệch này sẽ gây ra một hành độngđiều khiển ngay lập tức, trước khi vấn đề dự báo thực sự xuất hiện

Mô hình dự báo của Smith theo sơ đồ hình 1.9 Phương pháp dự báo Smith là phương thức hoạtđộng đơn giản nhất của lý thuyết dự báo quá trình nói chung (một biến của phương pháp dự báo Smith

có thể được tạo ra từ lý thuyết MPC bằng cách chọn cả hai điểm lấy mẫu gần và xa theo phươngngang của  p T  1 ).

Bộ dự báo vàTối ưu hóa

MÔ HÌNH

MÔ HÌNH(COPY)

r l­ íi­trong

vw ­:­vËn­tèc­l­ íi t

Hình 1.9: Mô hình dự báo Smith dựa trên cấu trúc bộ điều khiển

Mô hình dự báo của Smith gồm một khối mô hình lý tưởng (không có thời gian chết) và một khối

mô hình thời gian chết

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ 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 xeo

a Quá trình hình thành tờ giấy

+ Tạo hình tờ giấy

Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong việc tạo thành tờ giấy Quá trình này rất phức tạp, ngoài sự thoát nước qua lưới còn có các quá trình xáo trộn các sơ sợi, thay đổi vị trí và sự đan xen, việc lưu giữ các xơ vụn và hạt chất độn trên lớp độn, sự liên kết lớp xơ, sự co kéo các lớp xơ với các phần lơ lửng Các chuyên gia trong ngành giấy đã chia quá trình hình thành

tờ giấy thành 3 hiện tượng thuỷ động học, đó là: Thoát nước, chuyển động định hướng, xáo trộn

xơ