Ứng dụng MPC thiết kế bộ điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀO MINH THỦY ỨNG DỤNG MPC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 85 20 216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2018 Cơng trình hồn thành Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHĐN Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quốc Định Phản biện 1: TS Hà Xuân Vinh Phản biện 2: TS Trương Thị Bích Thanh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa họp Đại Học Bách Khoa vào ngày 29 tháng 12 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại Học Đà Nẵng trường Đại học Bách Khoa - Trung tâm học liệu, Đại Học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Với đóng góp cho ngành cơng nghiệp hóa chất lớn, tạo nhiều phản ứng hóa học thiết bị CSTR Tuy nhiên, nghiên cứu trước cho thấy việc sử dụng điều khiển CSTR chủ yếu sử dụng điều khiển PID, điều khiển MPC…chủ yếu xét việc điều khiển tuyến tính tín hiệu đơn biến vào/ra khối lượng hóa chất lượng cung cấp, chưa thực quan tâm đến tín hiệu tác động bên ngồi nhiễu Mặt khác, việc tác động nhiệt vào Jacket chủ yếu dùng môi chất lỏng, nên việc điều khiển môi chất lỏng phụ thuộc nhiều với tác động điều khiển nhiễu Luận văn chọn đề tài: “Ứng dụng MPC thiết kế điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục” để làm đề tài nghiên cứu nhằm mục đích phát triển mơ hình tốn học hệ thống phi tuyến CSTR có tác động tín hiệu phi tuyến với tín hiệu đầu vào – tín hiệu đầu đồng thời đề tài tính đến q trình điều khiển nhiệt độ jacket Mục đích nghiên cứu - Phân tích tổng quan lò phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR - Xây dựng phương trình trạng thái của lò phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR - Ứng dụng điều khiển MPC phi tuyến để điều khiển CSTR, khảo sát ảnh hưởng tham số điều khiển đáp ứng đầu CSTR - Mô kết Matlab-Simulink sử dụng điều khiển MPC điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Lò phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR có tác động điều khiển nhiệt độ biến thiên lò phản ứng - Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế điều khiển MPC phi tuyến có đầu vào, đầu cho Lị phản ứng khuấy trộn liên tục CSRT Phƣơng pháp nghiên cứu Để giải mục tiêu nêu trên, luận văn đưa phương pháp nghiên cứu sau: + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển theo mơ hình dự báo MPC - Nghiên cứu vấn đề phương pháp MPC, xây dựng mơ hình MPC điều khiển CSTR - Nguyên cứu lý thuyết liên quan đến lò phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR + Phương pháp thực nghiệm: - Sử dụng cơng cụ tính tốn phần mềm Matlab, tạo liệu mô để đánh giá kết Phần tính tốn mơ thực tính tốn theo thơng số Lị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR có tác động nhiễu đầu vào Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài + Đề tài nghiên cứu thành cơng góp phần kiểm chứng phát triển phương pháp MPC điều khiển CSTR + Đây sở để ứng dụng điều khiển đầu vào với hệ thống MPC CSTR có đầu suốt trình phản ứng với điều kiện nhiệt độ lò thay đổi jacket Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận chung, nội dung đề tài tổ chức thành chương Bố cục nội dung luận văn sau: - Chương 1: Lý thuyết điều khiển theo mơ hình dự báo MPC - Chương 2: Điều khiển lò phản ứng khuấy trộn liên tục đầu vào – đầu phương pháp PID - Chương 3: Ứng dụng MPC điều khiển CSTR đầu vào – đầu CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO MƠ HÌNH DỰ BÁO 1.1 Tổng quan điều khiển theo mơ hình dự báo MPC 1.1.1 Khái quát chung Trong thực tế, điều khiển dự báo dựa mơ hình cho hệ tuyến tính MPC với phương pháp nhằm mục đích điều khiển hệ thống sở dự đoán kết đáp ứng đầu tương lai sử dụng tốt nhiều lĩnh vực Tuy nhiên, toán điều khiển trình thường gặp sản xuất đối tượng điều khiển phi tuyến có đặc điểm vừa phi tuyến, vừa có trễ có nhiễu nên khả kiểm sốt tín hiệu đầu khó đảm bảo tính ổn định chất lượng sản phẩm Để giải thực tế đó, mơ hình đề xuất phương pháp điều khiển phi tuyến dự báo theo mơ hình MPC 1.1.2 Ngun lý điều khiển theo mơ hình dự báo MPC Thuật toán điều khiển MPC Cho khoảng thời gian dự báo TP (cửa sổ dự báo, tầm dự báo) khoảng thời gian trích mẫu DT , thời điểm trích mẫu , tk = kDT, k = 0,1, 2, Đo trạng thái X(tk ) tính (dự báo) trạng thái X(tk+1),X(tk + 2), hệ thống Giải toán điều khiển tối ưu khoảng thời gian Đưa tín hiệu điều khiển tối ưu tác động lên hệ thống đến đo giá trị trạng thái thời điểm trích mẫu tk + = tk + DT Hình 1.1 Nguyên lý điều khiển dự báo dựa mơ hình Mặc dù điều khiển dự báo dựa mơ hình phương pháp điều khiển mạnh mẽ có nhiều ứng dụng thành công nhiên thực tế việc áp dụng điều khiển dự báo đặc biệt cho đối tượng phi tuyến gặp hạn chế, khó khăn: - Thứ nhất, phải xây dựng mơ hình tốn học để dự báo xác trạng thái đối tượng cần điều khiển phạm vi dự báo Đối với hệ phi tuyến xây dựng mơ hình xác cịn tốn khó đặc tính phi tuyến đa dạng - Thứ hai, phải giải toán tối ưu để tính chuỗi tín hiệu điều khiển khoảng thời gian có hạn, với đối tượng đáp ứng nhanh thời gian giải cần phải ngắn Trong đó, tốn tối ưu thường khơng lồi có nhiều cực trị địa phương 1.1.3 Các thành phần điều khiển theo mơ hình dự báo Cấu trúc điều khiển: Gồm ba khối bản: Khối dự báo: Xác định tín hiệu tương lai tính từ thời điểm k Hàm mục tiêu: Xây dựng từ chất lượng mong muốn mà hệ thống phải có Tối ưu hóa: Tìm nghiệm để hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ Tại thời điểm k thực bước để có Ở thời điểm k + thực lại bước để có (receding horizon controller) * Dự báo tín hiệu đầu tương lai Có nhiệm vụ xác định tất đầu tương lai (i=0,1,…,N) tính từ thời điểm k thuộc sổ dự báo [k, k +N] Kết hàm phụ thuộc đầu vào tương lai (tất nhiên thuộc cửa sổ dự báo tại) dựa theo nguyên tắc trượt dọc trục thời gian hình 1.3 Nguyên tắc trượt dọc trục thời gian: Hình 1.2 Cấu trúc ngun lý trượt Một mơ hình điều khiển sau:  xk 1  f  xk , uk    yk  g k  xk  * Xây dựng hàm mục tiêu (1.1) Có nhiệm vụ mô tả chất lượng điều khiển mong muốn thông qua đầu tương lai dự báo Nếu chất lượng điều khiển mong muốn tín hiệu phải bám tiệm cận theo tín hiệu đặt tức hàm mục tiêu thích hợp cho hệ thời điểm k là: N   J k   ckT1Qk ck 1  ukT1Rk uk 1  i 0 (1.2) Qk, Rk đối xứng xác định dương hai ma trận đường chéo nên kết hợp thêm điều kiện ràng buộc Trong đó: (1.3) * Tối ưu hóa Khối có nhiệm vụ thực tốn tối ưu nhờ phương pháp tối ƣu hóa thích hợp Phát biểu phân loại tốn tối ưu ta có: ưu Tối hóa , , , + Khơng ràng buộc, Khi viết thành: + Có ràng buộc, + Lồi, P tập lồi hàm lồi Nhận xét: Tổng phương sai chênh lệch đầu dự đoán điểm đặt dự đoán đường biên tương lai tổng sai lệch lân cận Việc xử lý trình, định lượng mục tiêu xử lý để giảm thiểu nhiễu sai lệch Trong đó: NU ≤ N1,2 Phương pháp điều khiển dự báo hệ phi tuyến chi tiết hóa tốn riêng biệt điều khiển ổn định hệ điều khiển bám tín hiệu đầu Đây xem điều khiển với hệ MIMO bất định theo mơ hình trạng thái:   xk 1  A  xk , k  xk  B  xk , k  uk   k    yk  C  xk , k  xk  vk (1.8) Trong , , ma trận có phần tử hàm số vừa phụ thuộc trạng thái , vừa phụ thuộc thời gian Thành phần sai lệch nhiễu không xác định thể hệ bất định không xác định được, tham gia mơ hình Các vector , , 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) 1.2 Một số phƣơng pháp điều khiển dự báo theo mơ hình * Điều khiển ma trận động học (Dynamic matrix control) – DMC * Điều khiển thuật tốn mơ hình (Model Algorithmic Control) – MAC * Điều khiển hàm dự báo (Predictive Functional Control) – PFC * Điều khiển tự thích nghi dự báo mở rộng (Extended Prediction Self Adaptive Control) – EPSAC * Điều khiển thích nghi theo tầm dự báo mở rộng (Extended Horizon Adaptive Control) – EHAC * Điều khiển thích nghi dự báo tổng quát (Generalized Predictive Control) – GPC 1.3 Các ƣu nhƣợc điểm điều khiển dự báo so với phƣơng pháp khác MPC thể loạt ưu điểm so với phương pháp điều khiển khác, bật : - Có thể sử dụng tốn điều khiển q trình, từ q trình có đặc tính động học đơn giản trình phức tạp hơn, kể hệ thống có thời gian trễ lớn, động học biến đổi chậm có ràng buộc - Có thể sử dụng thông tin đáp ứng bước, đáp ứng xung đối tượng - Thích hợp cho điều khiển hệ nhiều vào nhiều (MIMO) - Có khả xử lý điều kiện ràng buộc đầu vào đầu - Có thể sử dụng trình đa biến - Đây phương pháp điều khiển bền vững - Việc thực phương pháp tương đối đơn giản - Có thể tối ưu hóa theo quỹ đạo Tuy nhiên, MPC có số hạn chế định: Mỗi phương pháp địi hỏi khối lượng tính tốn lớn lúc có nhiều ràng buộc nhiều biến tối ưu phải tính phương pháp lặp; Phải xác định mơ hình dự báo xác cho đối tượng 1.4 Đề xuất hƣớng nghiên cứu giải luận văn - Tách mô hình đối tượng phi tuyến thành phần: hệ tuyến tính có trễ phần phi tuyến Theo quan điểm tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc ta dễ dàng xác định thông số động học hệ thống qua ma trận A B dựa vào điểm làm việc danh định, thành phần phi tuyến lại coi nhiễu phụ thuộc trạng thái hay nhiễu nội sinh mơ hình tuyến tính; - Sử dụng mạng nơron nhân tạo RBF (là mạng đơn giản, dễ huấn luyện) để nhận dạng trực tuyến thành phần phi tuyến bất định đối tượng; - Bù trừ nhiễu sở sử dụng kết nhận dạng; - Xây dựng điều khiển dự báo phản hồi trạng thái theo mơ hình với cấu trúc bù nhiễu để điều khiển hệ thống lúc phần tuyến tính có trễ 1.5 Kết luận Chƣơng Chương trình bày tổng quan điều khiển dự báo, cấu trúc, thành phần hệ điều khiển dự báo ảnh hưởng chúng việc thiết kế nâng cao chất lượng hệ điều khiển dự báo theo mơ hình CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN LÒ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR ĐẦU VÀO – ĐẦU RA BẰNG PHƢƠNG PHÁP PID 2.1 Lý thuyết phản ứng hóa học 2.1.1 Cân hóa học Khái quát chung cân phản ứng, ta có cân hóa học NC a  j 0 j (2.1) j 1 Với aj hệ số tỷ lượng thành phần thứ j phản ứng, j hóa thành phần thứ j phản ứng, Ta có ab  j  aa  j  (2.2)  j   0j  RT lnrj (2.3) j hóa tiêu chuẩn phụ thuộc vào thành phần j, hệ số hóa ban đầu, j áp suất riêng phần thành phần j, T nhiệt độ phản ứng (K), R số chất khí lý tưởng 8,314 (J/mol K)  p aB  a   ab  B0 ln  BaA   a A RT  pA  Ta có hệ số cân áp suất: kp  pBaB p AaA (2.5) 2.1.2 Tốc độ phản ứng Tốc độ phản ứng định nghĩa biến thiên khối lượng mol chất tham gia phản ứng đơn vị thể tích: r dM i dM R  aiV dt V dt (2.6) Trong đó: r tính kmol/m3s, hệ số lượng chất i, Mi khối lượng chất A kmol, V thể tích dung dịch phản ứng: MR  Mi (2.7) Khái quát chung tốc độ phản ứng chất A : ri  k1Ci (2.8)  bậc phản ứng;  = phản ứng bậc một;  = phản ứng bậc hai; Ci hàm lượng chất A kmol/m3; k hệ số tốc độ phản ứng (s), cịn gọi đặc tính tần phản ứng: 10 dE  M   ΦΔt  PΔt  p1v1W1Δt  p2v2W2Δt  W1  Mu1  12  Mgz1  Δt dt M    M   W2  Mu2  22  Mgz2  M   n ằng th nh phần hóa học cho phản ứng: Sự biến thiên lượng chất A tích lũy bình phản ứng lượng chất A đưa vào bình trừ lượng chất A đưa khỏi bình, trừ với lượng chất A tham gia phản ứng [1]: 2.2.3 M dM i  FAi  Fi  V aij rj dt j 1 (2.16) 2.3 Phƣơng trình tốn học lị phản ứng đầu vào đầu 2.3.1 Phân tích biến lị phản ứng CSTR Giới hạn luận văn xét với thiết bị phản ứng tích khơng đổi, sau phương trình cân hệ tích khơng đổi [12]: Hình 2.1 Lị phản ứng khuấy trộn liên tục Ta có phương trình phản ứng bình sau [1],[2]: k AI  A Với k hệ số tốc độ phản ứng: k  α0e  E RT (2.17) (2.18) 11 Giả sử nhiệt độ khắp nơi jacket Tj Sự truyền nhiệt trình nhiệt độ T nhiệt độ Tj0 mơ tả cơng thức hệ số truyền nhiệt lị phản ứng liên tục [6],[8]: Q  U AH T  TJ  (2.19) Trong Q = Công suất truyền nhiệt U = hệ số truyền nhiệt tổng thể AH = diện tích truyền nhiệt Cân khối lượng lò phản ứng tổng số liên tục [5]: dV  FA  F dt Cân thành phần lò phản ứng d VC A  dt  FAC A0  FC A  VkC A (2.20) (2.21) Phương trình lượng lị phản ứng:  d Vh  dt    FA h0  Fh   Vk  C A   UAH T  T j  n (2.22) Phương trình lượng Jacket dh (2.23)  jV j j  Fj  j  h j  h j   UAH T  T j  dt Trong đó: j mật độ dung dịch gia nhiệt thứ j h = enthalpy chất lỏng trình hj0 = enthalpy dung dịch gia nhiệt 2.3.2 Xây dựng phương trình động học cho lò phản ứng CSTR Cân khối lượng lượng dẫn đến mơ hình khơng gian trạng thái phi tuyến sau đây: * Phương trình cân mol: dC A V  FAC A0  F2C A  VC A 0e E / RT (2.24) dt * Phương trình cân lượng jacket: V j  j Crj dT j dt   j Crj Fj T j  T j   KT T  T j  (2.25) * Phương trình cân lượng: dT V Cr  Cr FATi  Cr FT   H RVk C A   KT T  T j dt   (2.26) 12 * Phương trình cân khối lượng: dh  FA  F dt V Hb  % Vmax Vmax (2.27) 2.4 Thiết lập mơ hình mơ lị phản ứng CSTR dùng PID 2.4.1 Mô simulink Từ phương trình cần ta có sơ đồ Subsystem sau: Hình 2.2 Mơ hình điều khiển lị phản ứng khuấy trộn liên tục * Mơ hình điều khiển lị phản ứng PID 13 Hình 2.3 Mơ hình điều khiển lị phản ứng PID 2.4.2 Kết mơ Chạy chương trình mfle (tại phụ lục 1) Trường hợp có nhiễu tác động CA0 = - 10 % T1 =+10% (Nhiệt độ đặt T = 313 0K) Lúc chưa có nhiễu lưu lượng F chưa có nhiễu nhiệt độ Jacket Đáp ứng đầu sau: Hình 2.4 Đáp ứng đầu CA T có nhiễu tác động CA0 = - 10 % T1 =+10% Nhận xét: Khi hệ làm việc ổn định, thời điểm 5000s, ta cho giảm nồng độ CA0 10%, tăng nhiệt độ TA lên 10%, nồng độ đầu có sai khác lượng nhỏ Do có điều khiển PID, đáp ứng nồng độ đầu ổn định sai lệch CA = 10% T = 10% * Trường hợp có nhiễu tác động lưu lượng đầu vào FA ±10 Đáp ứng đầu nhiễu lưu lượng dung dịch gia nhiệt FA: 14 Hình Đáp ứng đầu CA T nhiễu lưu lượng dung dịch gia nhiệt FA Nhận xét: Khi hệ làm việc ổn định, thời điểm 5000s, ta cho giảm lưu lượng FA = ±10%, nồng độ đầu có sai khác lượng nhỏ Do có điều khiển PID, đáp ứng nồng độ đầu ổn định sai lệch CA = 10% T = 10% * Trường hợp có nhiễu tác động nhiệt độ Jacket Tj0 ±10 Đáp ứng đầu nhiễu nhiệt độ dung dịch gia nhiệt Tj0: Hình Đáp ứng đầu nhiễu nhiệt độ dung dịch gia nhiệt Tj0 Nhận xét: Khi hệ làm việc ổn định, thời điểm 5000s, ta cho giảm lưu lượng Tj0 = ±10%, nồng độ đầu có sai khác tương đối lớn Do có điều khiển PID, đáp ứng nồng độ đầu ổn định sai lệch CA = 10% T = 10% * Trường hợp có nhiễu tác động đồng thời Đáp ứng đầu nhiễu tác động đồng thời Hình Đáp ứng đầu nhiễu tác động đồng thời 15 Hình 88 Sai lệch đầu CA nhiễu tác động đồng thời Nhận xét: Khi hệ làm việc ổn định, thời điểm 5000s, ta cho giảm nhiệt độ Jacket Tj0 = ±10%, nồng độ đầu có sai khác lượng nhỏ Do có điều khiển PID, đáp ứng nồng độ đầu ổn định sai lệch CA = 10% T = 10% CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG MPC ĐIỀU KHIỂN CSTR ĐẦU VÀO – ĐẦU RA 3.1 Thiết kế điều khiển MPC đầu vào - đầu 3.1.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển lò phản ứng khuấy trộn liên tục Xét hệ phi tuyến sơ đồ khối hình 3.1 Hình Sơ đồ khối mơ hình hệ thống điều khiển dự báo [5] Nonlinear predictive model: Mô hình dự báo phi tuyến Controller: Bộ điều khiển Process: Đối tượng trình cần điều khiển Disturbance: biến nhiễu 3.1.2 Xây dựng phương trình hệ phản ứng khuấy trộn liên tục Từ phương trình cân thành phần xét chương 2: 16 d VC A  dt  F0C A0  FC A  VkC A (3.1) Phương trình viết lại sau:  x1  1  a1u2 x1  a2 x1 x2  a3 x1   x2    a1u2 x2  a4 x1 x2  a5 x2  a6  x2  x3   s  x3  3   u1  a7u1 T j  x3  a8  x3  x2    x4    a7u1   (3.2) Trong đó: 1  a1 f0s CAs ; 2  a1 f 0sTAs ; 3  a7u1Tjs0   3u1 4  a1 f0s s Với T j đủ nhỏ, ta chọn  = Lúc ta có hệ ma trận phương trình sau:  a3  a2 x2  a x x    a2 x1 a5  a6  a2 x2 a8 a6 a8 0   0 x  0   0  0  a7 x3 a2 x1  a2 x2  u    a1  (3.3)  A x x  B  x u   (3.4) 1 0  y  x  C  x 0 0  (3.5) Từ kết ta thấy hệ phương trình thể mơ hình song tuyến bất định liên tục theo thời gian 3.1.3 Thiết kế điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục Thiết kế điều khiển Từ ta sử dụng cơng thức tương đối để thay sau: Ta  Hay x k 1  x x (3.6) 17 x x k 1  x Ta (3.7) Thực đạo hàm hai vế (3.23) thời điểm t = kTa, với xk  x k (kTa ) lúc ta có phương trình rời rạc sau:  x k 1  x  A  xk  xk  B  xk  u k   k  T a   y k  C xk  (3.8) Từ phương trình (3.24) ta có:   x k 1  Ta A  x k   I  x k  Ta B  x k  u k  Ta  k  y k  C xk  C xk     x k 1  A  x k  x k  B  x k  u k   k  y k  Cxk  C xk   Với (3.9) (3.10) A  x k   Ta A  x k   I B  x k   Ta B  x k  C C   Ta  k (3.11) Ta thấy hệ phương trình tương đối đơn giản khơng bao gồm tham số bất định đầu ra, không phụ thuộc thời gian mà phụ thuộc hàm trạng thái Ngoài ra, tín hiệu điều khiển u k khơng bị ràng buộc Từ ta lựa chọn thuật tốn cho điều khiển lị phản ứng khuấy trộn liên tục MPC sau: Đề xuất thuật toán MP điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục: Bước 1: Tùy chọn tầm dự báo N ≥ Gán tham số : x 1  , u 1  , A1  ; B 1  ; C 1  k  18 Chọn hai ma trận đối xứng QC RC xác định dương với chu kỳ Ta theo (3.25) Bước 2: Đo x k Xác định Ak Bk theo biểu thức (3.26) Thực việc xây dựng z k sau: ta có: u k  u k  u k 1  zk  zk     u k 1  (3.12) Nên ta có hệ sau: s   x k 1  A k x k  Bk u k   (3.13)  s y  C x   k  k  s s Với  ,  giá trị ước lượng  ,  thời điểm k  s  x k -  A k 1 x k 1  Bk 1 u k 1    s  y k 1 - C x k 1  (3.14) Xác định hệ số A, B, C,  k : Từ phương trình (3.29) ta có: s  x k 1  A k x k  Bk u k 1  Bk u k 1   s  u k  u k 1  u k 1 A A k 0 (3.15)  s  Bk   Bk  s   B  ;   I  I    0 Tương tự ta tìm C = (Ck 0) Các tín hiệu đầu dự báo y k i , i = 1,2,….,N viết sau: y k i  C z k i   s (3.16) 19 g  E z k  G   s (3.17) Bước 3: Xác định nghiệm tối ưu u Đây tốn có ràng buộc nên để đơn giản ta đưa dạng không ràng buộc cách lựa chọn Qck Rck biểu thức sau:  u   F T Qck F  Rck *  1   F T Qck g    (3.18) * u : Là nghiệm hàm tối ưu u Lúc ta có tín hiệu điều khiển cho hệ song tuyến thời điểm k là: (3.19) Bước 4: Đưa u điều khiển đối tượng khoảng thời gian trích mẫu sau gán k := k + quay bước 3.2 Thiết lập mơ hình mơ ứng dụng MPC điều khiển cho lị phản ứng khuấy trộn liên tục 3.2.1 Mơ simulink Từ phương trình cân xét chương ma trận tham số đầu vào ta xây dựng điều khiển MPC dựa mơ hình Matlab – simulink sau: Hình 3.2 Mơ hình mơ điều khiển bám đối tượng CSTR MPC 20 Hình 3.3 Mơ hình mơ lấy mẫu liệu điều khiển nhiễu đầu vào CSTR Các subsystem sau: Hình 3.4 Sybsystem ổn định Hình 3.5 Sybsystem điều khiển tham số đầu vào 21 3.2.2 Kết mơ Chạy chương trình mfile (tại Phụ lục 2) Trường hợp thiết lập điểm đặt an đầu hàm step Hình 3.6 Sai lệch đầu CA bám điểm đạt đầu vào Từ kết cho thấy, sai lệch đầu CA bám theo điều kiện đặt đầu vào Tuy nhiên, thời điểm điểm đặt (Setpoint) tăng có vọt lố (quá điều chỉnh) vài chu kỳ sau trở trạng thái ổn định theo tín hiệu đặt Hệ điều khiển MPC đảm bảo ổn định suốt chu kỳ hoạt động Trường hợp có nhiễu tác động lưu lượng đầu vào FA0 = - 10 % Hình 3.7 Sai lệch đầu CA tác động nhiễu lưu lượng đầu vào FA0 Trường hợp có nhiễu tác động nồng độ mol đầu vào CA0 = - 10 % 22 Hình 3.8 Sai lệch đầu CA giảm nồng độ mol CA0 Trường hợp có nhiễu tác động đồng thời:CA0 = - 10 % TA = -10% Hình 3.9 Sai lệch đầu CA tác động nhiễu đồng thời *Nhận xét kết quả: Từ đồ thị ta thấy tác động giá trị nhiễu vào lò phản ứng cách độc lập loại nhiễu đồng thời tất nhiễu FA0, CA0, Tj0 điều khiển đưa thay đổi nồng độ mol đầu tương đối giống nhau, giá trị tương đối nhỏ khoảng 0,4.10-3 đơn vị đồng thời xác lập giá trị ta xem khơng đáng kể Như vậy, với phương pháp đề xuất hệ thống đưa giá trị đầu ổn định suốt trình phản ứng Với kết mơ trên, ta ứng dụng MPC điều khiển lò phản ứng khuấy trộn liên tục phương pháp MPC đề xuất tỏ hoạt động hiệu việc làm tăng độ ổn định nhiệt Jacket, nồng độ mol chất hóa học đầu có tác động nhiễu đầu vào * So sánh kết có từ phương pháp dùng PID điều khiển dùng MPC điều khiển: - Thời gian đáp ứng: Đối tượng lị khuấy trộn liên tục xử lý q trình phản ứng dùng điều khiển PID phải nhiều thời gian để có đầu đáp ứng lớn mơ tả mục 2.4 Đó là: Ta phải đợi khoảng thời gian ổn đinh phải khoảng 1000s Trong sử dụng MPC điều khiển cần thay đổi nhiễu đầu vào có đáp ứng đầu - Ổn định hệ thống: Với việc dùng điều khiển PID cho kết sai lệch đầu nhiễu đồng thời hình 2.18 mục đáp ứng đầu chưa thực ổn định đồng thời sai số lớn vào khoảng 10% Trong dùng điều khiển MPC thay đổi 23 nhiễu tác động đầu vào đồng thời vậy: nồng độ dung dịch phản ứng đầu vào CA0, lưu lượng dung dịch phản ứng đầu vào FA, nhiệt độ dung dịch làm mát Jacket Tj0, cho kết đáp ứng đầu ổn định, sai lệch nhỏ (khoảng 0,01%) so với dùng điều khiển PID đáp ứng đầu CA chưa ổn định, sai lệch khoảng 0,08% Ngoài ra, với việc dùng điều khiển MPC ta thấy đơn giản, dễ thực Nghĩa là, thực việc kiểm soát đáp ứng đầu theo lượng đặt đầu vào hình 3.6 có lợi cho người dùng muốn thay đổi tham số đầu vào mà kiểm sốt đáp ứng đầu 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các đóng góp luận văn Luận văn triển khai việc ứng dụng MPC điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR cụ thể sau: - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển theo mơ hình dự báo MPC - Ứng dụng điều khiển PID cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục đầu vào – đầu tiến hành mô kiểm chứng nhiễu ảnh hưởng đến lị phản ứng hóa học như, nồng độ dung dịch phản ứng CA0, nhiệt độ lò phản ứng TA, nhiệt độ Jacket Tj0 - Ứng dụng MPC vào điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục, từ việc giá trị tham số cần điều khiển tham số nhiễu để từ xác định, lựa chọn thuật tốn điều khiển cho lò phản ứng Luận văn cho thấy kết đạt sai lệch tín hiệu nồng độ dung dịch phản ứng đầu ổn định có nhiễu tác động đầu vào (mặc dù có sai khác nhỏ bỏ qua) Từ xác định phương pháp ứng dụng MPC để cụ thể hóa việc điều khiển cho lị hệ phi tuyến phức tạp với ngõ vào ngõ hiệu - Thông qua kiểm chứng kết phần mềm Matlabsimulink để thiết kế mơ hình điều khiển cho hệ thống lị phản ứng dựa móng mơ hình điều khiển dự báo MPC Từ kết có được, lần khẳng định điều khiển theo mơ hình dự báo có ứng dụng hiệu vào thực tiễn để điều khiển lò phản ứng khuấy trộn liên tục Hƣớng phát triển đề tài Do hạn chế điều kiện thực nghiệm nên kết mô phần mềm hạn chế phần Thời gian thực đề tài không nhiều nên không tránh khỏi sai sót Để đề tài ứng dụng hiệu cần phải tiến hành thực nghiệm nhiều lần để điều chỉnh hợp lý tham số ảnh hưởng đến q trình phản ứng như: Điều kiện mơi trường (nhiệt độ, độ ẩm, độ thơng thống…), nồng độ mol dung dịch phản ứng, khả cung cấp nhiệt (sử dụng phương pháp cấp nhiệt phù hợp),… nhằm kiểm chứng độ xác, độ an tồn độ ổn định hệ thống Từ kết tiến hành thực nghiệm trên, cho phép áp dụng vào thực tiễn công nghiệp hiệu ... dụng điều khiển MPC phi tuyến để điều khiển CSTR, khảo sát ảnh hưởng tham số điều khiển đáp ứng đầu CSTR - Mô kết Matlab-Simulink sử dụng điều khiển MPC điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên. .. hiệu điều khiển u k khơng bị ràng buộc Từ ta lựa chọn thuật tốn cho điều khiển lị phản ứng khuấy trộn liên tục MPC sau: Đề xuất thuật toán MP điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục: Bước... (3.5) Từ kết ta thấy hệ phương trình thể mơ hình song tuyến bất định liên tục theo thời gian 3.1.3 Thiết kế điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục Thiết kế điều khiển Từ ta sử dụng cơng