ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TUYẾN CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC. LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

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 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – 2018 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Bùi Quốc Khánh Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hồn Phản biện 2: PGS.TS Lê Tịng Phản biện 3: PGS.TS Lê Tiến Dũng Luận án bảo vệ Hội đồng chấm Luận án tốt nghiệp Tiến sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 10 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện Quốc gia Việt Nam CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ [1] Mai Thị Đoan Thanh, Đoàn Quang Vinh (2015), “Xây dựng mơ hình điều khiển cho lị phản ứng liên tục CSTR (Continous Stirred Tank Reactor)”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, tập (86), pp.77-77 [2] Phạm Văn Tuynh, Ngô Văn Hải, Mai Thị Đoan Thanh (2015), “Nghiên cứu thiết kế điều khiển thụ động cho lị phản ứng liên tục (CSTR)”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, tập 135 (05), pp.191-199 [3] Mai Thị Đoan Thanh, Đoàn Quang Vinh (2015), “Thiết kế điều khiển cho lò phản ứng liên tục CSTR phát nhiệt”, Hội nghị Tự động hóa tồn quốc VCCA lần thứ 3, pp 753-760 [4] Mai Thị Đoan Thanh, Nguyễn Đình Lâm, Đồn Quang Vinh (2016), “Xây dựng mơ hình thử nghiệm thiết bị phản ứng liên tục thủy phân Acetic anhydride phục vụ nghiên cứu điều khiển”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, tập 11(108), pp 42-47 [5] Mai Thị Đoan Thanh, Nguyễn Vũ Anh Tuấn, Trần Đình Vững, Đoàn Quang Vinh, (2017), “Xây dựng điều khiển dự báo theo mơ hình cho hệ song tuyến bất định ứng dụng vào điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục thủy phân Acetic Anhydride”, Tạp chí Khoa học Công nghệ trường đại học kỹ thuật, tập 117, pp.1-7 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục (CSTR – Continuous Stirred Tank Reactor) gồm chuỗi thiết bị phản ứng nối tiếp (4-10 thiết bị) dùng phổ biến có suất cao, nhiên đặc tính động học q trình CSTR hệ đa biến phi tuyến tác động xen kênh Trong công nghiệp sử dụng điều khiển phản hồi đầu tuyến tính với điều khiển PID, điều dẫn đến chất lượng sản phấm chưa đạt mong muốn Trong năm gần nhiều cơng trình nghiên cứu điều khiển phi tuyến cho CSTR, mở hướng triển khai vào sản xuất Tuy nhiên, nghiên cứu trước đa phần điều khiển tuyến tính phi tuyến với nghiên cứu hệ điều khiển đơn biến chưa xét đến đầy đủ cân khối lượng cân lượng cho jacket Kết nghiên cứu thường ứng dụng cho thiết bị phản ứng nằm đầu dây chuyền, chủ yếu khảo sát thay đổi lượng đặt nồng độ, chưa xét đến nhiễu tác động Kết công bố dạng mô phỏng, chưa thiết bị phản ứng hóa học cụ thể Luận án chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục” dùng mơ hình dự báo phi tuyến đa biến có đủ trạng thái có điều kiện ràng buộc với định hướng ứng dụng cho thiết bị phản ứng đầu cuối, tập trung vào mục tiêu khử nhiễu để đảm bảo chất lượng đầu Mặt khác, thuật tốn điều khiển đơn giản hóa cho dễ dàng ứng dụng vào sản xuất MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thiết kế hệ điều khiển dự báo phi tuyến NMPC đa biến cho thiết bị phản ứng CSTR nâng cao chất lượng sản phẩm dễ dàng ứng dụng vào sản xuất GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu Thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục nằm cuối dây chuyền (CSTR-Continuous Stirred Tank Reactor) 3.2 Phạm vi nghiên cứu Thiết kế điều khiển cho thiết bị phản ứng CSTR PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu cơng trình cơng bố điều khiển phi tuyến CSTR - Nghiên cứu thiết kế mô hình CSTR thủy phân anhydride acetic phịng thí nghiệm - Nghiên cứu động học trình điều khiển tuyến tính cho CSTR-acetic Đánh giá hệ điều khiển mô - Nghiên cứu thiết kế NMPC (Nonlinear-Model Predictive Control) ứng dụng cho thiết bị phản ứng CSTR-acetic Đánh giá hệ điều khiển mô - Xây dựng mơ hình CSTR thủy phân anhydride acetic phịng thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm theo điều khiển tuyến tính phi tuyến sử dụng điều khiển công nghiệp AC 800M hãng ABB TÊN ĐỀ TÀI Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học: Luận án xây dựng đề xuất ứng dụng điều khiển dự báo NMPC cho CSTR thủy phân anhydride acetic Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án mở khả ứng dụng điều khiển phi tuyến NMPC cho thiết bị CSTR thực tế sản xuất CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN Gồm phần mở đầu, chương nội dung phần kết luận – kiến nghị CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR 1.1 Động học thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục (CSTR) 1.1.1 Khái quát chung thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục Trên Hình 1.1 sơ đồ nguyên lý chung thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục thu nhiệt: Hình 1.1 Nguyên lý thiết bị phản ứng CSTR Phần thiết bị phản ứng CSTR bao gồm: Bình phản ứng tích V chứa dung dịch phản ứng, khuấy trộn cánh khuấy quay động điện, dung dịch phản ứng cấp vào bình có lưu lượng F1 , nồng độ C A1 nhiệt độ T1 , sản phẩm hồn thành lấy có lưu lượng F2 , nồng độ C A2 nhiệt độ T , điều khiển lưu lượng dùng van bơm; Vỏ thiết bị gọi jacket chứa môi chất gia nhiệt, nhiệt truyền qua thành bình phản ứng, điều chỉnh công suất nhiệt cấp cho phản ứng thông qua lưu lượng mơi chất (có thể dùng van điều chỉnh bơm) 1.1.2 Động học trình thiết bị phản ứng Xét phản ứng thu nhiệt - Cân thành phần: V dC A2 dt F1C A1 F2C A2 k ' V C A2 - Cân lượng cho phản ứng: dT VC p ( C p FT C p F2T ) Hk 'VC A2 1 dt Q KT A(T T j ) Q (1.2) - Cân lượng cho jacket: dT  jV j C pj j   j C pj Fj (T j1  T j )  Q dt - Cân khối lượng: dh V Vmax F1 F2 ; h % dt Vmax Trong V ,V j (m3) thể tích thiết bị thể tích jacket, C A1 C A2 (mol/l, kg/m tính theo %) nồng độ đầu vào chất phản ứng, T1 (K) nhiệt độ đầu vào chất phản ứng, T (K) nhiệt độ phản ứng trì khơng đổi, F1 F2 (m3/s) lưu lượng vào chất phản ứng k ' ( s ) hệ số tốc độ phản ứng: k ' E# RT Q(kW ) cơng suất nhiệt cấp cho bình phản ứng, , KT hệ số truyền nhiệt (W/m2K), A diện tích truyền nhiệt (m2), ρ k0 e (kg/ m3) khối lượng riêng chất phản ứng, C p , C pj ( J / kg.K ) nhiệt dung riêng chất phản ứng môi chất gia nhiệt, ρj (kg/ m3) khối lượng riêng môi chất gia nhiệt, T j1, T j ( K ) nhiệt độ vào jacket, Fj (m3 / s) lưu lượng môi chất cấp cho jacket, h mức dung dịch bình phản ứng (tính theo đơn vị %) Mơ hình điều khiển thiết bị phản ứng liên tục CSTR trình bày Hình 1.2 xây dựng từ phương trình động học (1.1) đến (1.4) - Đại lượng cần điều khiển quan trọng nồng độ đầu (thường nội suy nồng độ sản phẩm theo nhiệt độ phản ứng) Để Hình 1.2 Mơ hình cấu trúc điều khiển thiết bị phản ứng điều khiển nhiệt độ phản ứng (nồng độ sản phẩm) ta thực điều khiển công suất nhiệt Q cấp cho phản ứng (thường qua lưu lượng dịng mơi chất F j ) Như ta có cặp đơi điều khiển F j - T (C A2 ) - Đại lượng cần điều khiển thứ mức h dung dịch bình phản ứng Điều khiển mức dùng F1 , F2 ta có cặp đơi điều khiển F2 h F1 h: Đại lượng nhiễu: T1 , C A1 , F1 ( F2 ) , T j1  Tính xen kênh: Mạch vịng mức mạch vịng nhiệt độ (nồng độ)  Tính phi tuyến: Phi tuyến vào-ra, quan hệ nồng độ nhiệt độ phản ứng Phi tuyến cấu trúc (Tích hai biến trạng thái tích biến trạng thái với biến điều khiển) 1.2 Các cơng trình nghiên cứu thiết bị phản ứng CSTR Các cơng trình nghiên cứu phi tuyến cho CSTR khảo sát hệ phi tuyến SISO, tài liệu đảm bảo yêu cầu đặt ra, nhiên chưa xét đến hệ đa biến MIMO, chưa xét đến ảnh hưởng nhiễu Trên thực tế thiết bị phản ứng liên tục gồm chuỗi phản ứng nối tiếp nên đầu vào thay đổi Vì cần phải xem xét nhiễu đầu vào, ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm đầu Mặt khác, tài liệu chưa xét đầy đủ tác động xen kênh mức (cân khối lượng) nhiệt độ, nồng độ (cân lượng) chưa thấy chứng minh qua thực nghiệm thiết bị phản ứng cụ thể 1.3 Định hƣớng nghiên cứu luận án Xây dựng mơ hình điều khiển ứng dụng điều khiển NMPC phi tuyến cho thiết bị phản ứng CSTR đầu cuối dây chuyền, kiểm chứng qua mô thực nghiệm CHƢƠNG THIẾT LẬP MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC 2.1 Phản ứng thủy phân anhydride acetic công nghệ sản xuất acid acetic Xét phản ứng thủy phân anhydride acetic với phương trình phản ứng sau: anhydride acetic gặp nước thủy phân chậm thành acid acetic: CH3CO O H 2O 2CH 3COOH Q Hình 2.1 Cấu trúc phân tử phản ứng thủy phân anhydride acetic Với mục đích xây dựng mơ hình thiết bị phản ứng thủy phân anhydride acetic phịng thí nghiệm, để thiết kế điều khiển, nên luận án chọn mơ hình thực nghiệm quy mơ nhỏ với số liệu phản ứng thủy phân anhydride acetic quy trình cơng nghệ sau: Anhydride acetic có nồng độ ban đầu CA1 0,5mol / l 51kg / m3 (đặt đơn vị tương đối 100%) thủy phân nhiệt độ T 400 C (313K), anhydride acetic tạo thành acid acetic Sau thời gian t, nồng độ anhydride acetic lại C A2 0,047mol / l 4,794kg / m3 tương ứng 9,3962% Sai lệch sản phẩm đầu cho phép CA2 5% Hình 2.2 Quy trình cơng nghệ sản xuất acid acetic phương pháp thủy phân anhydide acetic 2.2 Mô điều khiển thiết bị phản ứng anhydride acetic với điều khiển phản hồi PID Trên Hình 2.3 mơ hình thử nghiệm thiết bị phản ứng thủy phân anhydride acetic: Trên Hình 2.4 mơ hình mơ điều khiển thiết bị CSTR, với điều khiển phản hồi PID có hai mạch vịng: Mức nồng độ Trong cơng nghiệp, người ta thường chọn biến điều khiển mức F2 biến nhiễu F1 Tuy nhiên đặc tính thiết bị khó kiểm sốt (khi thay đổi nhiễu F1 dễ gây tràn dung dịch phản ứng bên ngoài, ảnh hưởng đến điều kiện môi trường) Do để an tồn thí nghiệm tác giả chọn F1 biến điều khiển F2 biến nhiễu Xét hệ làm việc điểm cân bằng, ta nghiên cứu có tác động nhiễu đầu vào: C A1 , T1 , F1 , T j1 Kết mô cho thấy: 10 Nhận xét chung: Hệ làm việc điểm cân bằng, ta cho nhiễu tác động tác động đồng thời ba nhiễu, nồng độ sản phẩm đầu C A2 có sai lệch phạm vi cho phép 2.3 Kết luận chƣơng Do mơ hình điều khiển thiết bị phản ứng hệ đa biến tác động xen kênh có tính phi tuyến, dùng điều khiển tuyến tính phản hồi đầu với điều khiển PID, với thông số đầu vào khơng đổi, mơ hình thiết kế đảm bảo cân ổn định, cho kết chất lượng sản phẩm đầu đáp ứng yêu cầu Tuy nhiên có nhiễu đầu vào, chất lượng sản phẩm có sai lệch khoảng 14% 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 3.1 Nguyên lý điều khiển dự báo MPC Hình 3.1 Cấu trúc hệ điều khiển dự báo Trên Hình 3.1 cấu trúc chung điều khiển dự báo, có ba phần: 11 Mơ hình dự báo sử dụng để xác định xấp xỉ tín hiệu , M  từ giá trị đầu vào khứ tương đầu y (k  j ), j  0,1, ứng: y (k  j )  p u (k ), , u (k  j  1)  Điều cần thiết cho việc tìm nghiệm hàm mục tiêu Hàm mục tiêu: xây dựng theo nguyên tắc nghiệm phải làm cho sai lệch e(t) tín hiệu đầu y(t) đối tượng điều khiển tín hiệu mẫu w(t) mong muốn đặt đầu vào hệ Hình 3.1 nhỏ Jk ek 1,ek  , ,ek N , uk , uk 1, , uk N 1  Khâu tối ưu hóa: Khối có nhiệm vụ thực toán tối ưu nhờ phương pháp tối ưu hóa thích hợp Theo ngơn ngữ tốn tối ưu nhiệm vụ ký hiệu bởi: u *  arg J k (u ) 3.2 Xây dựng điều khiển dự báo thích nghi cho hệ song tuyến không dừng bất định Một hệ phi tuyến MIMO gọi song tuyến (bilinear), bất định mơ hình trạng thái có dạng: x k 1  A(x k , k )x k  B (x k , k )u k   k  y k  C (x k , k )x k  k A(x k , k ), B (x k , k ), C (x k , k ) ma trận có phần tử hàm số vừa phụ thuộc trạng thái x k , vừa phụ thuộc thời gian Tính bất định hệ (3.2) nằm thành phần sai lệch nhiễu  k , k không xác định được, tham gia mơ hình Các vector x k Rn , u k Rm , y k Rr vector trạng thái (hệ có n biến trạng thái), vector tín hiệu đầu vào (hệ có m tín hiệu vào) vector tín hiệu đầu (hệ có r tín hiệu ra) Xây dựng thuật tốn điều khiển dự báo cho hệ song tuyến - Mơ hình dự báo: Phương thức đề xuất luận án để khắc 12 phục khó khăn bước thay mơ hình song tuyến khơng dừng (3.2) mơ hình tuyến tính dừng cửa số dự báo Thêm vào thành phần bất định  , k ước k lượng xấp xỉ  k/ , k/ chúng xem không đổi cửa sổ [k , k  N ) Xây dựng hàm mục tiêu: Để đạt mục đích sai lệch - điều khiển ek  w k  y k bị chặn với k tiệm cận k   , có hàm mục tiêu J k không phức tạp, tạo điều kiện cho cơng việc tối ưu hóa sau đơn giản, luận án sử dụng hàm mục tiêu dạng toàn phương: T T J k (u )  e Qck e  u Rck u  e  y  w, w  col w k 1, w k  , , w k N  Qck , Rck hai ma trận đối xứng xác định dương tùy chọn Xử lý điều kiện ràng buộc: Hàm mục tiêu là: -   J k/ (u )  uT FTQck F  Rck u  g  w  Qck Fu  T - Tối ưu hóa: Nhờ việc chọn lựa Qck , Rck , nghiệm tối ưu u là:  u *   FTQck F  Rck  1 FTQck g  w  Suy ra, tín hiệu điều khiển cho hệ song tuyến thời điểm k là: u k  I , 0, , 0 u * Thuật toán điều khiển hệ song tuyến không dừng bất định 1) Tùy chọn tầm dự báo N  Gán x 1  0, u 1  0, A1  0, B1  0, C 1  0, k  Chọn hai tham số hiệu chỉnh      Chọn hai ma trận đối xứng xác định dương Q , R 13 2) Đo trạng thái x k Từ xác định ma trận Ak , Bk , Ck z k Ước lượng  / ,  / Xác định A, B, C, / , v từ E, F, G Tính g 3) Xác định u k , Qck , Rck thay Qc , Rc , tức là:  u *   FTQc F  Rc  1 FTQc g  w  4)Nếu u k U cho (3.5) đưa vào điều khiển đối tượng (3.2) khoảng thời gian trích mẫu gán k : k  1, Qc : Qc quay 2) Ngược lại gán Rc :  Rc quay 3) Trong trường hợp toán điều khiển khơng có điều kiện ràng buộc bỏ qua bước chỉnh sửa hai ma trận Qc , Rc Khi ta khơng cần khai báo hai tham số      bước thứ nhất, đồng thời bước tính thứ 4) sửa đổi lại thành: 4/)Đưa u k vào điều khiển đối tượng (3.2) khoảng thời gian trích mẫu Gán k : k  quay 2) 3.3 Ứng dụng vào điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục thủy phân anhydride acetic 3.3.1 Mơ hình song tuyến hệ phản ứng khuấy trộn liên tục thủy phân anhydride acetic: Ta đặt biến trạng thái, tín hiệu điều khiển biến nhiễu: x1  C A , x  T * , x  Tj*2 , x  h , u1  f j , u  f2 a1.f1.C A1 a f T   1 , 1   , a7u1Tj1  u1  3 , a1f1   x4 x4 Hệ phương trình viết lại thành dạng song tuyến: 14 a1u x1   a x1x  a3x1 x1  1  x  a1u x   a x1.x  a5x  a (x  x ) x    x  x  3  u1  a 7u1x  a8 (x  x )  x    a1u Hệ phương trình trạng thái chuyển thành dạng ma trận: x  A(x )x  B (x )u   1 0 0 y  x C x 0 0 1 với a 2x   a3   1     2   ax   , A(x )     3      4    a 2x1 ax a5  a  a8  a6 a8  0    0  , B (x )       a 7x   0  0  a1x1   a1x  ,   a1  1 0 0 C (x )  C    0 0 1 Kết mơ phỏng: Hình 3.2 Sai lệch nồng độ đầu C A2 thay đổi giá trị đặt 10% 15 Hình 3.3 Sai lệch nồng độ đầu C A2 thay đổi giá trị đặt 10% (phóng to) Hình 3.4 Đáp ứng h (mức) thay đổi giá trị đặt cho C A2 - 10% Khi nhiễu C A1 10%; T1 10% tác động: Hình 3.5 Đáp ứng sai lệch hệ nhiễu C A1 10%; T1 10% 16 Nhận xét: Khi nhiễu C A1 giảm 10%, T1 tăng 10%, điều khiển đáp ứng tốt, nồng độ đầu C A2 có giảm nhiên giá trị nhỏ khơng đáng kể, sau đạt giá trị ổn định (sai lệch 8,2.10-5) Mức h tăng ít, sau lại giá trị cân ổn định - Khi nhiễu F2 10% : Hình 3.6 Đáp ứng sai lệch hệ nhiễu F2 tăng 10% Hình 3.7 Đáp ứng sai lệch hệ nhiễu F2 giảm 10% 17 - Nhiễu đồng thời: Hình 3.8 Đáp ứng hệ nhiễu F2 tăng 10%, C A1 giảm 10%, T1 tăng 10% 18 Hình 3.9 Đáp ứng hệ nhiễu F2 giảm 10%, C A1 giảm 10%, T1 tăng 10% Nhận xét chung: Khi có nhiễu tác động nhiễu F2 , CA1 , T1 tác động, điều khiển đáp ứng tốt, sai lệch nồng độ đầu C A2 có giá trị nhỏ, đảm bảo nằm giới hạn cho phép 3.3 Kết luận chƣơng Điều khiển mơ hình dự báo phi tuyến NMPC cách sử dụng mơ hình dự báo tuyến tính khoảng nhỏ, kết hợp với dịch chuyển mơ hình dự báo tuyến tính dọc trục thời gian với cửa sổ dự báo, giải toán điều khiển NMPC phi tuyến song tuyến phức tạp, hệ điều khiển bám lượng đặt, có đặc tính kháng nhiễu Điều minh chứng qua điều khiển thiết bị phản ứng CSTR CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 4.1 Mục tiêu thực nghiệm Thực nghiệm thực mơ hình thiết bị phản ứng thiết kế với mục đích kiểm tra thuật điều khiển NMPC đề xuất nội dung Chương 4.2 Mơ hình thí nghiệm Từ thiết kế Chương ta chọn thiết bị lắp đặt, trình bày Hình 4.1 Bộ điều khiển trình sử dụng điều khiển q trình cơng nghiệp (PCS-Process Control System) AC800M hãng ABB Ghi chú: Do điều kiện thí nghiệm nên mơ 19 hình thí nghiệm sử dụng biến điều khiển F1 , F2 nhiễu Hình 4.1 Hình ảnh mơ hình thí nghiệm 4.3 Giao diện vận hành: Trên Hình 4.2 mơ hình giao diện thí nghiệm Hình 4.2 Giao diện hồn chỉnh 20 4.4 TC Sơ đồ ghép nối điều khiển AC800M với mơ hình thí nghiệm TT AC 800M u T1 h F1 TT LT V1 T M C A2 u2 TT B1 TC T*j h* TT Vj BJ V3 CA IT V2 F2 B2 Hình 4.3 Sơ đồ ghép nối điều khiển AC800M với mơ hình thí nghiệm 4.5 Kết thí nghiệm với điều khiển PID - Dòng thứ đồ thị nhiệt độ phản ứng: Đường màu xanh nước biển nhạt lượng đặt SP(T), đường xanh nhiệt độ tức thời PV(T) - Dòng thứ đồ thị mức dung dịch thiết bị phản ứng: Đường màu nâu lượng đặt SP(h), đường màu xanh nước biển đậm giá trị tức thời mức PV(h) - Dòng thứ màu đen đồ thị nhiệt độ đầu vào dung dịch phản ứng (T1) - Dòng thứ màu đỏ đồ thị nồng độ đầu sản phẩm - Dòng thứ màu vàng lượng đặt nhiễu lưu lượng đầu F2 ( h ) 21 Hình 4.4 Các đáp ứng điều khiển điều khiển PID 4.6 Kết thí nghiệm với điều khiển NMPC Kết thí nghiệm với điều khiển NMPC trình bày Hình 4.5a, b (nối tiếp nhau) Hình 4.5 a Các đáp ứng điều khiển điều khiển NMPC 22 Hình 4.5 b Các đáp ứng điều khiển điều khiển NMPC So sánh kết thí nghiệm điều khiển PID điều khiển NMPC: Thời gian tác động mạch vòng nhiệt độ NMPC nhanh (3 phút) so với thời gian tác động mạch vòng nhiệt độ PID (10 phút) Sai lệch điều khiển NMPC thấp so với điều khiển PID, cụ thể: Về sai lệch nhiệt độ (NMPC) ET % 2% so với (PID) ET % so với (PID) 5% ; Về sai lệch nồng độ (NMPC) ECA2 % 5% ECA2 % 15% , tác động nhiễu F2 thí nghiệm NMPC có dải biến thiên lớn - Đáp ứng mạch vòng mức hai điều khiển Như vậy, kết thí nghiệm minh chứng điều khiển NMPC đề xuất đắn, phù hợp với đối tượng thiết bị phản ứng 23 CSTR có khả triển khai NMPC vào cơng nghiệp KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU Kết luận Nội dung luận án giải vấn đề đặt ra: - Xây dựng mơ hình động học đầy đủ cho trình thiết bị phản ứng liên tục thủy phân anhydride acetic gồm bốn phương trình, có phương trình cân khối lượng, hai phương trình cân lượng phương trình cân thành phần - Xây dựng mơ hình điều khiển đa biến, phân tích tính phi tuyến xen kênh mơ hình - Xây dựng mơ hình thực nghiệm thủy phân anhydride acetic để nghiên cứu điều khiển - Từ mơ hình phản ứng luận án phân tích đặc tính điều khiển phản ứng thủy phân liên tục anhydride acetic mô thực nghiệm theo cấu trúc điều khiển phản hồi PID - Đề xuất thuật điều khiển NMPC ứng dụng điều khiển thiết bị phản ứng thủy phân anhydride acetic Kết minh chứng mô thực nghiệm Những đóng góp luận án: - Đề xuất thuật điều khiển mơ hình dự báo phi tuyến NMPC cho đối tượng điều khiển dự báo phản hồi trạng thái hệ song tuyến bất định Phương pháp điều khiển đề xuất xây dựng tuyến tính hóa mơ hình song tuyến hệ dọc theo quỹ đạo quan sát từ hệ song tuyến khứ, phục vụ việc dự báo Điều cho phép sử dụng lại đoạn theo thời gian phương pháp điều khiển dự báo tuyến tính mà khơng cần phải sử dụng thêm hàm phạt vốn bắt buộc phải có điều khiển dự báo hệ phi tuyến Phương pháp điều khiển NMPC đề xuất cịn có hiệu cho hệ song tuyến có thành phần bất định biến đổi theo thời gian dạng cộng tính mơ hình - Thuật điều khiển NMPC luận án đề xuất minh chứng 24 qua ứng dụng cho điều khiển phản ứng thủy phân liên tục anhydride acetic, mô thực nghiệm, cho kết điều khiển tách kênh chất lượng sản phẩm tốt so với điều khiển tuyến tính - Thuật điều khiển NMPC luận án đề xuất cài đặt thành công vào điều khiển công nghiệp AC-800M hãng ABB mở tính khả thi ứng dụng vào cơng nghiệp Hƣớng nghiên cứu tiếp luận án kiến nghị - Hoàn thiện thuật điều khiển NMPC: Tiến hành thiết lập cấu hình điều khiển (Firmware) NMPC điều khiển AC 800M, để dễ dàng cho người sử dụng - Nghiên cứu ảnh hưởng hai ma trận đối xứng xác định dương Qc Rc chất lượng hệ thống, từ xây dựng quy luật thay đổi Qc Rc dọc theo trục thời gian với cửa sổ dự báo