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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - ĐÀO MINH THỦY ỨNG DỤNG MPC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG 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: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Quốc Định Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nhƣ nghiên cứu thực trình làm luận văn, tiếp thu đƣợc nhiều kiến thức bổ ích từ dạy dỗ tận tình thầy cô trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Do đó, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến tập thể thầy cô giáo, cán nhà trƣờng, đặc biệt thầy TS Nguyễn Quốc Định tâm huyết hƣớng dẫn suốt thời gian làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, tập thể nhà khoa học Bộ mơn Tự động hóa, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, có ý kiến đóng góp q báu cho tơi thời gian làm luận văn Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu đồng nghiệp công tác Trƣờng Cao đẳng công nghệ Tây nguyên Cao đẳng nghề Đà Nẵng tạo điều kiện giúp đỡ công việc, để tơi hồn thành đƣợc luận văn Tác giả luận văn ỨNG DỤNG MPC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC Học viên: Đào Minh Thủy Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 Tóm tắt: Để có ngun liệu sản phầm cơng nghiệp đạt tiêu chuẩn chất lƣợng chi phí phục vụ cho nhiều ngành sản xuất cần quan tâm phát triển mạnh ngành cơng nghiệp hóa chất, đƣa ngành cơng nghiệp hóa chất trở thành ngành cơng nghiệp mũi nhọn Đề tài: “Ứng dụng MPC thiết kế điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục” 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 ra, cụ thể nhƣ sau: - Phân tích tổng quan lị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR - Xây dựng phƣơng trình trạng thái của lò phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR - Ứng dụng thuật toán MPC để điều khiển CSTR, khảo sát ảnh hƣởng 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 Từ khóa: Thiết bị khuấy trộn liên tục, phƣơng pháp điều khiển PID, điều khiển dự báo theo mơ hình MPC APPLYING MPC TO DESIGN THE CONTROLLER FOR CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR Abstracts: In order to have the industrial materials and products that meet the standards of quality and cost for various industries, it is necessary to pay attention to and strongly develop the chemical industry, making the chemical industry a public industry spearhead industry Research entitled “Applying MPC to design the controller for Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)” developed the mathematical model of CSTR nonlinear system with the effect of nonlinear signals with the two input - output model This research’s results are as follows: - Review on the various types of CSTR - Building the space equations of the selected CSTR - Using the MPC algorithm to control the selected CSTR and analysing the effect of some parameters to the designed controller’s performance - Simulating the designed controller’s performance using Matlab-Simulink software Keywords: Continuous Stirred Tank Reactor, PID control method, model predictive control MPC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 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 1.1.2 Nguyên lý điều khiển theo mơ hình dự báo MPC 1.1.3 Các thành phần điều khiển theo mơ hình dự báo 1.2 Một số phƣơng pháp điều khiển dự báo theo mô hình 1.3 Các ƣu nhƣợc điểm điều khiển dự báo so với phƣơng pháp khác 10 1.4 Đề xuất hƣớng nghiên cứu giải luận văn 11 1.5 Kết luận Chƣơng 12 CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN LÒ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR ĐẦU VÀO – ĐẦU RA BẰNG PHƢƠNG PHÁP PID 13 2.1 Lý thuyết phản ứng hóa học 13 2.1.1 Cân hóa học 13 2.1.2 Tốc độ phản ứng 13 2.1.3 Độ hoạt hóa 14 2.2 Lý thuyết xây dựng phƣơng trình cân cho thiết bị phản ứng tích không đổi 14 2.2.1 Cân khối lượng 14 2.2.2 n ằng n ng lượng cho phản ứng 15 2.2.3 n ằng th nh phần hóa học cho phản ứng: 16 2.3 Phƣơng trình tốn học lị phản ứng đầu vào đầu 18 2.3.1 Phân tích biến lị phản ứng CSTR 18 2.3.2 Xây dựng phương trình động học cho lị phản ứng CSTR 23 2.3.3 Thông số thiết bị CSTR 24 2.3 Thiết lập mơ hình mơ lị phản ứng CSTR dùng PID 26 2.3.1 Mô simulink 26 2.3.2 Kết mô 29 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG MPC ĐIỀU KHIỂN CSTR ĐẦU VÀO – ĐẦU RA34 3.1 Thiết kế điều khiển MPC đầu vào - đầu 34 3.1.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển lò phản ứng khuấy trộn liên tục 34 3.1.2 Xây dựng phương trình hệ phản ứng khuấy trộn liên tục 35 3.1.3 Thiết kế điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục 38 3.2 Thiết lập mơ hình mơ ứng dụng MPC điều khiển cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục 41 3.2.1 Mô simulink 41 3.2.2 Kết mô 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG aj hệ số tỷ lƣợng thành phần thứ j phản ứng j hóa thành phần thứ j phản ứng pj áp suất riêng phần thành phần j jI, jII hóa thành phần j pha I pha II Pj* áp suất thành phần j kj hệ số cân hóa ri tốc độ phản ứng chất i  bậc phản ứng Mi khối lƣợng chất i Ci hàm lƣợng chất i k1 hệ số tốc độ phản ứng 0 hệ số tỉ lệ hàm mũ phản ứng E lƣợng cần thiết để hoàn thành phản ứng R số chất khí lý tƣởng T nhiệt độ phản ứng Ci0 hàm lƣợng ban đầu chất i Tc số thời gian phản ứng F1 i lƣu lƣợng đƣa vào lò phản ứng chất tham gia phản ứng F2 i lƣu lƣợng sản phẩm  công suất nhiệt tác động vào thiết bị phản ứng V thể tích lị phản ứng Q cơng suất nhiệt cấp cho bình phản ứng KT hệ số truyền nhiệt A diện tích truyền nhiệt Tj,TjA nhiệt độ môi chất làm mát Jacket đầu vào đầu  khối lƣợng riêng chất phản ứng Cp nhiệt dung riêng chất phản ứng Vj thể tích Jacket Cpj nhiệt dung riêng môi chất gia nhiệt j khối lƣợng riêng môi chất gia nhiệt Fj lƣu lƣợng môi chất cấp cho Jacket CA1,CA2 nồng độ đầu vào chất phản ứng T1 nhiệt độ đầu vào chất phản ứng h enthalpi dung dịch bình phản ứng H nhiệt phản ứng yk tín hiệu wk tín hiệu đặt ek sai lệch tín hiệu với tín hiệu đặt CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AGPC Alternative Generalized Predictive Control CSTR Continuous Stirred Tank Reactor CV Control Valve DMC Dynamic Matrix Control GPC Generalized predictive control MIMO Multiple Input Multiple Output MISO Multiple Input single Output MAC Model Algorithmic Control NMPC Nonlinear-Model Predictive Control PCS Process Control System PFR Plug Flow Reactor PV Preset Value P&ID Process and Intrumentation Diagram PID Proportional Integral Derivative SP Setpoint SISO Single Input Single Output PHỤ LỤC Chƣơng trình mfile khai báo thơng số điều khiển lị phản ứng khuấy trộn liên tục MPC *Thơng số lị: clear all clc %============================================================% %Thong so lo FA=4.1*10^-7;% m^3/s V=0.508*10^-3;% m^3 CA0=0.5; CA=0.047; alpha0=6477839; % s^-1 T=313; % nhiet binh phan ung (don vi: K) Tj=323; % nhiet dau dung dich gia nhiet (don vi: K) TA=278; % nhiet dung dich dau vao lo phan ung (don vi: K) E=53.408; %kJ/mol R=0.008314; %kJ/mol.K deltaH=142; % nhiet luong toa binh phan ung (don vi:kJ/kg) ktAh=7.864; %W/kg ro=1000; % khoi luong rieng san pham (don vi: kg/m^3) ro_j=1000; % khoi luong rieng cua nuoc gia nhiet (don vi: kg/m^3) Cp=4.2; % nhiet dung rieng dang ap cua chat tham gia phan ung (don vi:kJ/kg.K) Cpj=4.2; % nhiet dung rieng cua nuoc gia nhiet ( don vi:kJ/kgK) Fj0=6.8*10^-7; % luu luong nuoc gia nhiet ( don vi:m^3/s) Vj=2.6*10^-3; % the tich moi chat (don vi:m^3) Tj0=343; % nhiet nuoc gia nhiet dau vao( don vi: K) kv2=19.62; %m2/s2 kv=4*kv2; %m2/s2 Cv=0.002/(sqrt(19.62)); %m2 h0=0.1989; %m Vm=0.001; m0=0.5; % 50% Fma=8.2*10^-7; %================= %tham so k1=0.00633; k2=E/(R*(T)^2); k3=deltaH/(ro*Cp); k4=ktAh/(ro*Cp*V); k5=ktAh/(ro_j*Cpj*Vj); %================= %he so ma tran a11=-FA/V-k1; a12=k1*k2*CA; a13=k1*k2; a21=k3*k1; a22=-(k3*k1*k2*CA+FA/V+k4); a23=k4; a24=k1*k2; a32=k5; a33=-(k5+Fj0/Vj); a44=-(m0*Cv*sqrt(kv))/(2*Vm*sqrt(h0)); b1=-(CA/V)*kv2; b2=-kv2; b3=(-T/V)*kv2; b4=-kv2/V; b5=(Tj0-Tj)/V; b6=-1/Vj; b7=-(Cv*sqrt(kv*h0))/Vm; c1=CA0/V; c2=FA/V; c3=1/V; c4=TA/V; c5=FA/V; c6=1/V; c7=Fma/Vm; %=========================================================================% PHỤ LỤC Hàm ma trận tham số đầu vào đối tượng function [dx,y] = fcn(x,u,a11,a12,a13,a21,a22,a23,a24,a32,a33,a44,b1,b2,b3,b4,b5 ,b6,b7,c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,d) teta=zeros(4,1); teta=[c1*d(1)+c2*d(2)+c3*d(1)*d(2);c4*d(1)+c5*d(3)+c6*d(1)*d(3 );0;c7*d(1)]; dx=zeros(4,1); dx(1)=a11*x(1)+a12*x(2)+a13*x(1)*x(2)+b1*u(2)+b2*u(2)*x(1)+tet a(1); dx(2)=a21*x(1)+a22*x(2)+a23*x(3)+a24*x(1)*x(2)+b3*u(2)+b4*x(2) *u(2)+teta(2); dx(3)=a32*x(2)+a33*x(3)+b5*u(1)+b6*u(1)*x(3); dx(4)=a44*x(4)+b7*u(2)+teta(4); y=zeros(2,1); y(1)=x(1); y(2)=x(4); end Hàm điều khiển MPC function u = fcn(x,w,a11,a12,a13,a21,a22,a23,a24,a32,a33,a44,b1,b2,b3,b4,b5 ,b6,b7) %========================================================% nAk=4; mBk=2; nCk=2; Tk=1; N=5; %==================================================% Ax=[a11+a13*x(2)/2 a12+a13*x(1)/2 0;a21+a24*x(2)/2 a22+a24*x(1)/2 a23 0;0 a32 a33 0;0 0 a44]; Bx=[0 b1+b2*x(1);0 b3+b4*x(2);b5+b6*x(3) 0;0 b7]; Ck=[1 0 0;0 0 1]; Ak=eye(nAk)+Tk*Ax; Bk=Tk*Bx; %======================================================% Q=eye(nCk*N); F=eye(mBk*N); %=========================================================% dk=zeros(nCk*N,1); H=zeros(nCk*N,mBk*N); for i=1:N dk((i-1)*nCk+1:i*nCk,1)=Ck*Ak^i*x-w; for j=1:N if (j