Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phân ly dùng cho các hệ thống đa biến tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS LÊ LINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG ĐA BIẾN TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: Mà SỐ: KỸ THUẬT CƠ KHÍ 9520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 - 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS LÊ HIẾU GIANG Hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Luận án tiến sĩ bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT, Tp HCM Ngày … tháng … năm … Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, việc nghiên cứu hệ thống điều khiển đa biến quan tâm nhiều Việt Nam nhu cầu cấp thiết việc áp dụng vào thực tế sản xuất nhiều nhà máy, xí nghiệp nước, đặc biệt nhà máy, xí nghiệp tách, lọc, chiết suất dầu khí, nhà máy nhiệt điện Mặc dù tất cơng nghệ vận hành nước ngồi nhu cầu làm chủ công nghệ, nâng cao lực để giảm chi phí sản xuất ln cấp thiết Hơn nữa, giới, hướng tiếp cận chủ yếu để điều khiển hệ đa biến kỹ thuật điều khiển nâng cao điều khiển dự báo, điều khiển thơng minh Tuy nhiên, bên cạnh có nhiều nghiên cứu cố gắng tận dụng kỹ thuật điều khiển cổ điển đơn giản hiệu mang lại Để thực việc đó, cần nghiên cứu phát triển phương pháp phân tách hệ đa biến thành nhiều vòng hồi tiếp đơn biến Quá trình đa biến hệ phức tạp với nhiều tương tác qua lại biến trình biến điều khiển Sự tương tác làm ảnh hưởng đến thay đổi ngõ lại có thay đổi vịng điều khiển Nhiều phương pháp khác để xuất để khắc phục khó khăn việc điều khiển hệ đa biến Tuy nhiên, bật kỹ thuật phân ly với ba phương pháp: phân ly lý tưởng, phân ly nghịch phân ly đơn giản hóa Dù vậy, gần đây, chưa có phương pháp điều khiển tổng quát cho hệ đa biến công bố phát triển sử dụng kỹ thuật điều khiển phân ly Chính vậy, việc nghiên cứu mở rộng phát triển phương pháp thiết kế điều khiển phân ly, sở phương pháp phân tích mới, để sử dụng cho nhiều q trình đa biến vấn đề tác giả tập trung nghiên cứu luận án Với nhu cầu lý trên, tác giả lựa chọn luận án “Nghiên cứu thiết kế điều khiển phân ly dùng cho hệ thống đa biến” cho luận án tiến sĩ 1.2 Mục tiêu luận án Do phương pháp phân ly có nhiều kỹ thuật khác nhau, nên luận án tác giả tập trung nghiên cứu điều khiển phân ly đơn giản hóa Phương pháp đề xuất tìm chất thực quy luật phân ly biến điều khiển việc xác định xác từ tỷ lệ đặc tính vịng hở ban đầu yếu tố đường chéo dãy độ lợi tương quan động (Dynamic Relative Gain Arrays) Từ đó, cấu trúc tổng quát, nhỏ gọn cho điều khiển phân ly đơn giản hóa đề xuất Ngồi ra, phương pháp đơn giản hóa mơ hình q trình đề xuất để đơn giản hóa hàm truyền vịng điều khiển Từ đó, phương pháp thiết kế điều khiển PI/PID dựa vào cấu trúc mô hình nội (IMC) đề xuất cho trình phổ biến gồm hệ bậc bậc có trễ 1.3 Phạm vi giới hạn nghiên cứu Các trình đa biến thực tế đa dạng phức tạp, giới hạn luận án, tác giả tập trung vào hệ thống điều khiển q trình với đặc tính hệ tuyến tính gần tuyến tính (có thể xấp xỉ dạng tuyến tính quanh điểm làm việc) Khi đó, đặc tính động hệ mơ tả ma trận hàm truyền bậc n Để đảm bảo độ tin cậy phương pháp đề xuất dễ dàng so sánh với phương pháp tác giả khác, mơ hình tốn sử dụng nghiên cứu lý thuyết sử dụng mô hình chuẩn tiếng giới như: Wood and Berry (WB), Vinate Luyben (VL), Ogunnaike and Ray (OR) Phương pháp đề xuất ứng dụng tổng quát cho hệ thống n ngõ vào, n ngõ (n×n) Tuy nhiên, kết mơ mơ hình thực nghiệm giới hạn đến hệ 3×3 Trong mơ hình thực nghiệm tháp chưng cất, tác giả nghiên cứu thơng số cơng nghệ q trình tách ethanol với nước, ví dụ nhiệt độ, lưu lượng, áp suất Mơ hình tốn mơ hình thực nghiệm tìm kiếm dựa phương pháp thực nghiệm (mơ hình hộp đen) 1.4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu phân tích tài liệu, cơng trình cơng bố ngồi nước nhằm xác định mục tiêu nhiệm vụ đặt Sử dụng phần mềm mô Matlab để thực mô phỏng, kiểm chứng quy luật điều khiển nhằm khẳng định nghiên cứu lý thuyết, so sánh với kết công bố khác Nghiên cứu phụ thuộc thơng số cơng nghệ q trình điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức Từ xây dựng hàm truyền hệ thống sử dụng phương pháp thực nghiệm Đánh giá kết mô lý thuyết với số liệu thực tế sản xuất nhằm mục đích hiệu chỉnh tham số cho đối tượng đề xuất giải pháp đo lường điều khiển hợp lý cho hệ thống 1.5 Điểm mặt học thuật luận án Điểm luận án xem xét hai khía cạnh: Tính mới: - Xây dựng phương pháp chung làm tảng để điều khiển hệ thống tách có thành phần bất định Phương pháp luận án có khả giải nhiệm vụ điều khiển hệ thống ổn định, điều khiển bám ổn định hệ thống điều khiển khả kháng nhiễu trình - Đề xuất phương pháp thiết kế mở rộng hệ điều khiển phân ly đơn giản hóa Bao gồm: quy luật điều khiển hệ thống đa biến, quy luật điều chỉnh hệ thống đa biến, phương pháp so sánh phương pháp đánh giá khả thực thi toàn hệ thống - Đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển PI/PID dựa cấu trúc mơ hình nội (IMC) dùng cho trình chuẩn như: hệ bậc có trễ (FOPTD) hệ bậc hai có trễ (SOPTD) Bộ điều khiển đề xuất áp dụng cho cấu trúc đa vịng kín hệ thống đa biến sau phân ly Kết thực tiễn: - Xây dụng mơ hình thực nghiệm để mơ cho điều khiển phân ly đa biến điển hình với biến điều khiển mức, nhiệt độ, lưu lượng - Chế tạo mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp đề xuất hệ bồn nước (2x2) hệ thống chưng cất hỗn hợp Ethanol nước (3x3) - Ứng dụng phương pháp đề xuất để thiết kế điều khiển phân ly đơn giản hố cho q trình đa biến (2x2 3x3) - Xây dựng chương trình Matlab để mô điều khiển thời gian thực trình đa biến (2x2 3x3) - Phương pháp đề xuất áp dụng cho q trình đa biến thực tế 1.6 Những đóng góp luận án Với nhiệm vụ đặt luận án bổ sung thêm vào nhóm phương pháp điều khiển phân ly đơn giản hoá cho q trình đa biến có phương pháp mang tích tổng hợp hơn, có khả ứng dụng cho hệ thống điều khiển phức tạp Các đóng góp luận án tóm tắt sau: - - - Đề xuất phương pháp thiết kế tổng quát cho hệ đa biến bậc n sử dụng phân ly đơn giản hóa Sử dụng phương pháp đồng hệ số để đưa thành phần ma trận phân ly ma trận đường chéo sau phân ly (D(s) Q(s)) dạng chuẩn thường gặp như: hệ sớm trễ phan, hệ bậc bậc có trễ Đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển PI/PID dựa cấu trúc mơ hình nội (IMC) dùng cho trình chuẩn như: hệ bậc có trễ (FOPTD) hệ bậc hai có trễ (SOPTD) Chế tạo mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp đề xuất, bao gồm: hệ bồn nước (2x2) hệ thống chưng cất hỗn hợp Ethanol nước (3x3) Từ đó, xây dựng chương trình Matlab để mô điều khiển thời gian thực trình đa biến Các kết đạt chứng tỏ khả thi tính hiệu phương pháp đề xuất Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu kỹ thuật phân ly Hầu hết hệ thống điều khiển trình ngày q trình đa biến có kết nối phức tạp tương tác tín hiệu đo lường, tín hiệu điều khiển tín hiệu (vào – ra) hệ thống Khi vòng điều khiển tương tác với nhau, vòng lặp khơng thể điều chỉnh độc lập, có nghĩa điều chỉnh điều khiển vòng lặp ảnh hưởng đáng kể đến hiệu vòng khác gây bất ổn cho tồn hệ thống điều khiển Điều khiển phân cấp tập trung, thường sử dụng để giải tương tác bất lợi xuất bên hệ thống Để điều khiển trình đa biến với tương tác thấp, điều khiển đa vòng lặp thường sử dụng cấu trúc đơn giản, tính hiệu hiệu suất thích hợp Các phương pháp điều khiển phân ly phổ biến bao gồm: phương pháp điều khiển phân ly lý tưởng, phương pháp điều khiển phân ly đơn giản hóa, phương pháp điều khiển phân ly nghịch Việc lựa chọn phương pháp tùy thuộc phần lớn vào ưu nhược điểm phương pháp Phương pháp điều khiển phân ly lý tưởng giúp cho việc thiết kế điều khiển thuận tiện hệ thống thu sau phân ly ma trận đường chéo mà thành phần đường chéo hàm truyền quá�0.84𝑠 (186.7𝑠 + 1) × (142.96𝑠 + 1) 𝑄22 = 𝑃22 − = − 11.2𝑒 −0.83𝑠 (40.21𝑠 + 1) 𝑃11 (161.2𝑠 + 1) 10.84𝑒 −0.84𝑠 0.032(161.2𝑠 + 1)𝑒 −8.765𝑠 ⇒ 𝑄22 = − (40.21𝑠 + 1) (186.7𝑠 + 1)(142.96𝑠 + 1) (5.6) (5.7) Using the Mclaurin expansion method mentioned in (Section 3.2) to approximate the diagonal components of the decoupled matrix (Q11 and Q22) We have the following approximate results: 11.1669𝑒 −0.8525𝑠 (5.8) 𝑄11 (𝑠) = 160.7739𝑠 + 10.808𝑒 −2.1803𝑠 (5.9) 𝑄22 (𝑠) = 38.4661𝑠 + Based on the proposed method of finding PID parameters for the FOPDT systems with the formulas (3.31) to (3.32), we calculate the parameters of two PID controllers for the two diagonal components of the decoupled matrix as follows: Table 5.1 Controller and filter parameters for coupled-tank system Loop PID filter 𝐾𝑐 𝜏𝐼 𝜏𝐷 Input filter 1.605 0.34 0.106 𝑓= 2.8335𝑠 + 0.0375𝑠 + 0.0215𝑠 + 𝑓𝑟 = 0.2833𝑠 + 2.833𝑠 + 0.213 0.87 0.273 𝑓= 5.801𝑠 + 0.0291𝑠 + 0.1338𝑠 + 𝑓𝑟 = 0.5801𝑠 + 5.801𝑠 + 26 Using the calculation results, we simulate on Matlab: Figure 5.7 Simulink diagram of controller The simulation responses for tank and tank are as follows: Figure 5.8 Step response of water level in tank Figure 5.9 Step response of water level in tank 5.2.4 Implement the controller on the real model Controller block diagram including simplified decoupler and the proposed PID controller is shown in figure 5.10 This Simulink diagram is designed to run RealTime mode of Matlab with the support of PCI-6052E Data Acquisition Card (National Instruments) Figure 5.10 Simulink diagram of the controller running in Real-Time mode 27 The system output responses when the setpoint is 30 (cm) are as follows: Dap ung cua bon Dap ung cua bon 35 35 30 30 SP PV 20 15 10 20 15 10 SP PV 25 level (cm) level (cm) 25 10 20 30 40 50 time (s) 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.11 The response of tank Hình 5.12 The response of tank The system output when the setpoint is 20 (cm):Dap ung cua bon Dap ungresponses cua bon 22 45 20 40 SP PV 18 SP PV 35 16 level (cm) level (cm) 30 14 12 10 25 20 15 10 10 20 30 40 50 time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.13 The response of tank 5.2.5 Comment 10 20 30 40 50 time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.14 The response of tank Through the implementation of the decoupling controller for coupled-tank system, we obtained the following results: - - Identify the system model of the coupled-tank process Based on the identified model and simplified decoupling controller for the 2x2 system that the author has studied, the author calculates the decoupler transfer function matrix and applies the proposed method to design the PI/PID controller for the corresponding multivariable system The results of the simulation of decoupling control are very good The level responses in both tanks have no overshoot and zero steady state error Calculated parameters after simulation are applied directly on the real system giving almost the same with simulation results The liquid level responses in both tanks are quite good when investigating many different cases 5.3 Application to distillation column (3x3 system) Nowadays, methods are used to improve purity: extraction, distillation, concentration, absorption Depending on the required characteristics of the product, we have to choose the appropriate method Ethanol-water system is two completely dissolved components, so we must use the distillation method to improve the purity of Ethanol 28 5.3.1 Design and manufacture the experimental models The design and manufacture the experimental models are carried out in the Ministry’s Project, "Research and manufacture of a mixture of Ethanol and Water distillation column with capacity of 100 liters/day" The 3D design model of the distillation column is shown: Figure 5.15 3D design model of distillation column Figure 5.16 Model of Ethanol and Water Distillation Column 5.3.2 Pipe and Instrumentation Diagram (P&ID) of the distillation column PC TC2 Thiết bị ngưng tụ TC4 V1 N1 V2 V3 N2 FC2 R4 V4 N4 V5 N5 R2 Thùng Phân dòng FV3 N3 B2 Tháp chưng cất LC2 V7 FC1 FV1 R3 LC1 B3 B1 TC3 V6 Sản phẩm đáy Sản phẩm đỉnh TC1 R1 Thùng nguyên liệu Nước Figure 5.18 P&ID of the distillation column V1, V2, V3, V4, V5, V6 V7 R1, R2, R3 R4 FV1, FV2 FV3 N1, N2, N3, N4 N5 FC1, FC2 TC1, TC2, TC3 TC4 LC1, LC2 B1, B2 B3 ON-OFF valves Heat resistance Control valves The number of distillation column tray Flow controller Temperature controller Level controller Pumps Centrifugal pump 29 ... đề xuất áp dụng cho cấu trúc đa vịng kín hệ thống đa biến sau phân ly Kết thực tiễn: - Xây dụng mơ hình thực nghiệm để mô cho điều khiển phân ly đa biến điển hình với biến điều khiển mức, nhiệt... nhiễu trình - Đề xuất phương pháp thiết kế mở rộng hệ điều khiển phân ly đơn giản hóa Bao gồm: quy luật điều khiển hệ thống đa biến, quy luật điều chỉnh hệ thống đa biến, phương pháp so sánh phương... phương pháp điều khiển tổng quát cho hệ đa biến công bố phát triển sử dụng kỹ thuật điều khiển phân ly Chính vậy, việc nghiên cứu mở rộng phát triển phương pháp thiết kế điều khiển phân ly, sở phương