Điều khiển thích nghi tháp chưng cất

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGƠ THỊ THANH BÌNH ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THÁP CHƯNG CẤT Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số ngành: 02.05.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn TS Trương Đình Châu tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô môn Điều Khiển Tự Động trường Đại học Bách Khoa TP.HCM giảng dạy em suốt thời gian em học trường Em xin cảm ơn PGS.TS Nguyễn Doãn Phước- môn Điều Khiển Tự Động – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình bảo trình em làm luận văn TpHCM, ngày tháng năm 2008 Ngơ Thị Thanh Bình TĨM TẮT Cột chưng cất sử dụng nhiều ngành công nghiệp nước ta giới, đặc biệt lĩnh vực dầu khí Cột chưng cất hoạt động dựa đặc tính nhiệt động học chất để phân tách chúng khỏi hỗn hợp Cột chưng cất có đặc tính động phức tạp, ảnh hưởng nhỏ mơi trường bên ngồi làm cho đặc tính thay đổi Mục đích đề tài thiết kế điều khiển thích nghi có khả trì ổn định chất lượng hệ thống có sai số mơ hình nhiễu tác động lên hệ thống Việc thiết kế điều khiển cho cột chưng cất gặp nhiều khó khăn tính phức tạp đối tượng Luận văn thực nghiên cứu đề số phương pháp điều khiển cho cột chưng cất Trong luận văn, tác giả tiến hành toán thiết kế điều khiển PID tự chỉnh mà thơng số điều khiển thay đổi để đáp ứng với thay đổi thông số đầu vào, cho hệ thống hoạt động ổn định Sau tiến hành mơ hệ thống điều khiển hệ thống ABSTRACT Distillation column is used very popular in industrial, especially petroleum field Operation of distillation column bases on thermodynamic properly of matters to separate them from the mixture Distillation column has complex dynamic property, any alteration of environment makes their performance change Designing object is designing a controller to maintain stability of system when it has model uncertainly and is affected by noise and disturbance It is difficult to design distillation column controller because of complexity of this system This thesis present researching and offering some controller designing method for distillation column Author solves the designing problem using Adaptive tuning By using the self-turning PID is suitable to the system with both strongly nonlinear and strongly interactive Also, the system has a very sluggish response, and there are many problems with measuring the output variables (including dead times for composition measurements) The researching is limited at top product composition MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề tính cấp thiết luận văn 1.2 Tổng quan kết nghiên cứu tháp chưng 1.3 Mục đích luận văn phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Cơ cấu nhận dạng tham số mơ hình hàm truyền đạt đối tượng 13 Phương pháp nhận dạng trực tiếp 13 2.1.1 Phương pháp bình phương tổi thiểu đệ qui (Recursive Least Square Method – LSM) 14 2.1.2 Phương pháp bình phương tối thiểu với số mũ ước lược (LSM with exponential forgetting) 14 2.1.3 Phương pháp bình phương tối thiểu ước lược trực tiếp 15 2.1.4 Sơ đồ mô hệ thống sử dụng Matlab/Simulink 15 2.2 Cơ cấu xác định tham số điểu khiển từ mơ hình đối tượng 18 2.2.1 Xác định tham số điều khiển PI theo phương pháp tối ưu độ lớn 19 2.2.2 Xác định tham số điều khiển PID theo phương pháp tối ưu đối xứng 20 2.2.3 Xác định tham số điều khiển tối ưu theo nhiễu 21 2.2.4 Kỹ thuật tự chỉnh định 23 CHƯƠNG 26 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO CỘT CHƯNG CẤT 26 3.1 Giới thiệu chung 26 3.2 Nguyên lý hoạt động khái niệm cột chưng cất 26 3.3 Điều khiển tháp chưng 35 3.4 Thiết kế cột chưng cất sản phẩm: 37 3.5 Mơ hình cột chưng cất cho hỗn hợp có hai chất 40 CHƯƠNG 49 THUẬT TOÁN BỘ TỰ CHỈNH ĐỊNH GIÁN TIẾP 49 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 55 PHỤ LỤC 67 PHỤ LỤC 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề tính cấp thiết luận văn Chưng cất phương pháp tách dùng nhiệt để tách hỗn hợp đồng thể (dung dịch) chất lỏng khác Chất rắn hịa tan, thí dụ loại muối, tách khỏi chất lỏng cách kết tinh Dung dịch muối làm cho bay Khi sản phẩm mong muốn bốc lên, thí dụ khử muối khỏi nước biển, người ta gọi chưng cất, điều xác không Một khả khác để tách dung dịch đơng tụ Có loạt phương pháp tách để tách hỗn hợp Tính đặc biệt chưng cất dùng lượng phương tiện trợ giúp để tách So với phương tiện trợ giúp khác, thí dụ chất hấp thụ hay dung mơi, lượng có ưu lớn dễ dàng đưa vào lấy khỏi hệ thống Chưng cất dựa nhiệt độ sôi khác chất lỏng tham gia Người ta nói chất lỏng có áp suất khác nhiệt độ Nếu đưa lượng vào hệ thống, có áp suất khác nhau, chất có áp suất cao (nhiệt độ sôi thấp hơn) bốc nhiều chất khác Vì mà nồng độ chất có nhiệt độ sôi thấp phần cất cao hỗn hợp ban đầu Phải phân biệt chưng cất thành quy trình lần, hay diễn phịng thí nghiệm để tách hóa chất tinh khiết khỏi hỗn hợp, chưng cất liên tục, thường diễn cột chưng cất nhà máy hóa học Lặp lại bước tách hỗn hợp: Nồng độ chất cần phải tách tiếp tục nâng cao cách tiếp tục chưng cất lại phần cất Nhiệt độ sôi khác lớn người ta cần lần chưng cất để đạt đến nồng độ định Chưng cất phân đoạn: Chưng cất phân đoạn dùng để có độ tinh khiết cao phần cất hay để chưng cất nhiều chất khác từ hỗn hợp Nếu nhiệt độ sơi gần chưng cất áp suất thấp để cải thiện bước tách nhiệt độ sơi nằm xa Chưng cất lôi cuốn: Chưng cất thật cần thiết chất lỏng cần phải tách hịa tan với thí dụ dung dịch cồn nước Nếu hỗn hợp chất khơng hịa tan vào nhau, thí dụ nước dầu lệ thường tách chất lỏng cách lắng gạn Trong công nghiệp nước ta nay, nhiều sản phẩm sản xuất sử dụng cột chưng cất đặc biệt lĩnh vực dầu khí Một mỏ dầu hay khí khai thác từ lòng đất thềm lục địa luân chứa nhiều thành phần khác Do đó, ta phải tách chúng mục đích sử dụng khác nhau, sau tiến hành xử lý để tạo thành sản phẩm phục vụ cho kinh tế quốc dân Khí đồng hành bao gồm nhiều thành phần khác nhau: CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5+ (các sản phẩm hyđrocacbon có nguyên tử phân tử trở lên), CO2, N2, H2O với giá trị kinh tế khác Nhà máy phải xử lý để tách sản phẩm riêng cung cấp cho thị trường: CH4, C2H6 cung cấp làm nguyên liệu cho nhà máy điện , C3H8, C4H10 (LPG) cung cấp cho công ty cung cấp gas thị trường, C5+ (condensate - xăng nhẹ) cung cấp cho công ty chế biến xăng dầu [15] Thiết bị sử dụng cho công việc nói cột chưng cất Trong q trình vận hành nhà máy nhiều tác động yếu tố như: thay đổi thành phần chất dòng vào cố thiết bị công việc bảo dưỡng, sửa chữa Việc chỉnh định thông số điều khiển cột chưng cất phải thực khó khăn Do thiết kế điều khiển thích nghi cho cột chưng cất để hệ thống làm việc ổn định, bền vững cho dù đầu vào hệ thống thay đổi có nhiễu tác động lên hệ thống tiến hành kiểm chứng thuật toán làđiều cấp thiết 1.2 Tổng quan kết nghiên cứu tháp chưng Trong nhiều năm vừa qua, nhiều phương pháp chỉnh định điều khiển cho hệ thống đời Tuy nhiên, phần lớn phương pháp chỉnh định tập trung thiết kế cho hệ SISO (single input - single output) Trong thực tế phần lớn hệ thống lại hệ MIMO (Multi Input - Multi Output) Các hệ MIMO thường có đặc tính động phức tạp rât khó điều khiển Chúng ta đơn xem hệ MIMO tập hợp hệ SISO để thiết kế cho hệ MIMO Một hệ thống MIMO quan tâm nhiều cột chưng cất Cột chưng cất hoạt động dựa đặc tính nhiệt động học chất để phân tách chúng khỏi hỗn hợp Cột chưng cất có đặc tính động phức tạp Chỉ ảnh hưởng nhỏ mơi trường bên ngồi làm cho đặc tính cột thay đổi Hiện nay, việc điều khiển cột chưng cất thách thức nhà thiết kế Mục đích thiết kế điều khiển thích nghi, có khả trì ổn định chất lượng hệ thống có sai số mơ hình nhiễu tác động lên hệ thống Nhiều năm qua, phương pháp điều khiển khác cho hệ MIMO cột chưng cất nghiên cứu tìm hiểu tác giá J.Bao trường Đại học New South Wales, Sydney [22] J.Bao đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển PID bền vững theo chuẩn H Theo phương pháp J.Bao đề xuất, thông số điều khiển hiệu chỉnh cách tối thiểu hố chuẩn vơ tích hàm trọng số W mô tả sai lệch cho phép hệ thống hàm nhạy bù T hệ thống Tuy nhiên tác giả khơng tính đến tương tác ngõ vào ngõ khác Trong [9] tác giả A.Umut Genc trường Đại học Cambridge, ông đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển PID bền vững theo chuẩn H Loop Shaping Theo phương pháp A.Umut Genc đề xuất, thông số điều khiển hiệu chỉnh cách tối thiểu hố chuẩn vơ hàm truyền nhiễu ngõ để đạt giá trị tối ưu Phương pháp sử dụng giải thuật không gian trạng thái để thiết kế điều khiển PID nắn vòng Bộ điều khiển sử dụng tài liệu điều 10 C = zeros(m+n); C(:) = x(2*(n+m)+d:2*(n+m)+d-1+(m+n)^2); lambda = x(2*(n+m)+d-1+(m+n)^2+1); nu = x(2*(n+m)+d-1+(m+n)^2+2); phi = x(2*(n+m)+d-1+(m+n)^2+3); %if (u(1) >= 1) %perform identification xi = PHI' * C * PHI; e = yk - Theta' * PHI; if (ID_type == LSM) | (ID_type == LSM_adf) % | (ID_type == LSM_ef) Theta = Theta + C*PHI/(1+xi) * e; elseif (ID_type == LSM_ef) Theta = Theta + C*PHI/(phi+xi) * e; end; %end; if (flag==2) %update states % if (u(1) >= 1) %perform identification if (xi > 0) epsilon = phi-(1-phi)/xi; if (ID_type == LSM) C = C - C*PHI*PHI'*C/(1+xi); elseif (ID_type == LSM_ef) C = (C - C*PHI*PHI'*C/(phi+xi))/phi; elseif (ID_type == LSM_adf) %| (ID_type == LSM_ef) C = C - C*PHI*PHI'*C/(inv(epsilon)+xi); end; % end if (ID_type == LSM_adf & xi >= 0) lambda = phi*(lambda + e*e/(1+xi)); nu = phi*(nu+1); eta = e*e/lambda; % phi = 1/(1+(1+rho)*(log(1+xi)+((nu+1)*eta/(1+xi+eta)1)*xi/(1+xi))); phi = 1/(1+(1+rho)*(log(1+xi+((nu+1)*eta/(1+xi+eta)1)*xi/(1+xi)))); % phi = 1/(1+(1+rho)*(nu+1)*eta/(1+xi+eta)*xi/(1+xi)); end end %values for next loop x(1:n+m) = Theta; b2, bm] x(m+n+1:n+m+n) = [-yk; PHI(1:n-1)]; -y(k-n)] x(2*n+m+1:2*n+m+m+d-1) = yu(n+1:n+d+m-1); d)] x(2*(n+m)+d:2*(n+m)+d-1+(m+n)^2) = C(:); x(2*(n+m)+d-1+(m+n)^2+1) = lambda; x(2*(n+m)+d-1+(m+n)^2+2) = nu; x(2*(n+m)+d-1+(m+n)^2+3) = phi; %[a1, a2, an, b1, %[-y(k-1), -y(k-2), %[u(k-2), u(k-m- sys = x; 75 else %flag==3 compute output %Theta = [a1,a2, an, b1,b2, bm] %sys = [a1, b1, a2, b2, a3, b3, ] sys = zeros(1,m+n); sys(1:2:2*n-1) = Theta(1:n); sys(2:2:2*m) = Theta(n+1:n+m); end else sys=[]; end 76 Chương trình tính tham số độ lợi giới hạn thời gian giới hạn File: Gioi_han.m function [Kpu, Tu, err] = Gioi_han(B,A,T0,trace) % [Kpu, Tu, err] = Gioi_han(B,A,T0) % Tinh toan loi gioi han va thoi gian gioi han % cho mo hinh roi rac duoc mo ta boi ham truyen: % Output: Kpu Do loi gioi han % Tu ultimate period % err khong the tinh toan duoc loi gioi han(defaults returned) % Input: B Tu so cua mo hinh roi rac % A mau so cua mo hinh roi rac % T0 Thoi gian lay mau % Bac cua mo hinh se quyet dinh dai cua vec to ngo vao % Chieu dai cua vecto ngo vao A va B phai bang % % Ham truyen cua mo hinh (3rd order): % % B(1)*z^(-1) + B(2)*z^(-1) + B(3)*z^(-3) B(z) % Gs(z^-1) = - = -% + A(1)*z^(-1) + A(2)*z^(-1) + A(3)*z^(-3) A(z) % % Ham truyen cua mach dieu khien: % % Kpu * Gs(z) Kpu * B(z) % G(z) = - = -% + Kpu * Gs(z) A(z) + Kpu * B(z) % % Toi thieu,mot nghiem cua da thuc (A(z) + Kpu * B(z)) phai duoc gioi han va % nghiem lai phai la on dinh (within unit circle) % Co hai kha nang: % a) nghiem thuc z=-1 % b) nghiem phuc lien hop z1 = alfa + j*beta va % z2 = alfa - j*beta, alfa^2 + beta^2 = % (dieu chi dung voi mo hinh bac hoac 3) if (nargin | (K_c