Bài viết đề xuất một phương pháp nhận dạng đối tượng nhiệt độ, độ ẩm tương đối cho buồng lên men thực phẩm trong điều kiện không thể tiến hành nghiên cứu thực nghiệm do quá trình sản xuất là liên tục. Mô hình mô phỏng CFD được sử dụng để xây dựng đặc tính quá độ của đối tượng điều khiển.
12*NLN *155-01/2021 Số: 155- 1/2021 Trang 12 - 17 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM CHO BUỒNG LÊN MEN DỰA TRÊN MƠ HÌNH MƠ PHỎNG CFD Lê Kiều Hiệp*, Nguyễn Văn Thông Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh, ĐH Bách Khoa Hà Nôi Ngày nhận bài: 06/12 /2020 Ngày duyệt đăng: 25/01/2021 Ngày nhận sửa theo ý kiến phản biện: 18/01/2021 Nhiệt độ độ ẩm tương đối khơng khí hai số u cầu kỹ thuật số trình sản xuất, chế biến thực phẩm Tuy nhiên, việc điều khiển xác hai thơng số sử dụng vịng điều khiển độc lập khó đạt Trong báo này, đề xuất phương pháp nhận dạng đối tượng nhiệt độ, độ ẩm tương đối cho buồng lên men thực phẩm điều kiện tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trình sản xuất liên tục Mơ hình mơ CFD sử dụng để xây dựng đặc tính độ đối tượng điều khiển Qua đó, mơ hình hàm truyền đối tượng nhiệt độ, độ ẩm ảnh hưởng chéo hai yếu tố xác định Các kết mô phần mềm Matlab – Simulink cho thấy điều khiển nhiệt độ - độ ẩm tách kênh hoạt động tốt sử dụng thêm mạch bù ảnh hưởng chéo TỔNG QUAN Cùng với phát triển kinh tế, công nghệ chế biến sản phẩm nông nghiệp chất lượng cao trọng nghiên cứu phát triển thời gian gần Trong công nghệ chế biến lên men sản phẩm thịt, chất lượng sản phẩm phụ thuộc mạnh vào việc trì ổn định giá trị nhiệt độ độ ẩm theo yêu cầu công nghệ Trong giai đoạn đầu trình lên men, nhiệt độ độ ẩm trì mức cao (nhiệt độ lớn 23 oC độ ẩm lớn 90%) Trong giai đoạn tiếp theo, nhiệt độ độ ẩm buồng lên men giảm dần Đến cuối trình lên men, nhiệt độ độ ẩm trì mức xấp xỉ 10oC ÷ 15 oC 50% ÷ 60% Việc điều khiển xác đồng thời hai yếu tố nhiệt độ độ ẩm yêu cầu thiết thực tế sản xuất Đối tượng nhiệt độ - độ ẩm đối tượng phức tạp hai chiều có ảnh hưởng chéo [1] Có nhiều thuật tốn điều khiển áp dụng cho toán điều khiển nhiệt độ - độ ẩm điều khiển mờ, mạng nơ ron, điều khiển dự báo [2,3] Bài báo trình bày khả ứng dụng điều khiển tách kênh tổng hợp dựa số dao động mềm cho hệ thống buồng lên men ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu báo buồng lên men sử dụng để sản xuất mặt hàng thịt lên men Buồng lên men lắp ghép từ panel vách kho lạnh có chiều dày 100 mm, hai mặt bọc inox để đảm bảo vệ sinh Để thay đổi nhiệt độ, độ ẩm bên buồng lên men, người ta lắp đặt 01 dàn lạnh có cơng suất kW lạnh (cơng suất nhiệt xấp xỉ 3.8 kW, công suất nhiệt ẩn 1.2 kW theo thông số nhà sản xuất), 01 điện trở công suất kW 01 hệ thống phun ẩm sử dụng nguyên lý phun nước bão hịa cơng suất điện trở đun nước 4.5 kW, cơng suất sinh bão hịa xấp xỉ 6.5 kg/h Tạo ẩm Điện trở Dàn lạnh (a) (b) Hình 1: Sản phẩm thịt lên men (a) hệ thống làm lạnh, gia nhiệt, tạo ẩm cho buồng lên men (b) BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM Thông thường, hàm truyền đối tượng xác định phương pháp thực nghiệm phương pháp giải tích Tuy nhiên, trường hợp phức tạp, phương pháp giải tích thường khó áp dụng tốn có nhiều chiều, nhiều biến số có độ phi tuyến cao Bên cạnh đó, đặc trưng q trình sản xuất vận hành liên tục, mơ hình đối 13*NLN *155-01/2021 tượng điều khiển lấy từ số liệu thực nghiệm thu thay đổi cơng suất gia nhiệt phun ẩm Vì vậy, để xây dựng đường đặc tính độ đối tượng nhiệt độ - độ ẩm, nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng công cụ mô CFD để mô trình trao đổi nhiệt ẩm bên buồng lên men, từ xây dựng mơ hình đối tượng dựa kết mơ Hình 2: Mơ hình mô CFD buồng lên men (đơn vị đo chiều dài hình mm) Hình 3: Kết mơ trường tốc độ trường nhiệt độ bên buồng lên men bật điện trở công suất kW tắt hệ thống phun ẩm thời điểm 1000 giây Mơ hình mơ CFD trình bày hình với kích thước kích thước buồng lên men thực tế (cao 2500 mm, rộng 2000 mm, dài 3500 mm) Phía trần buồng lên men có 01 cửa thơng gió để tránh phịng phát sinh phản ứng yếm khí, tạo mùi Cột áp quạt cài đặt 100 Pa, mơ hình dịng chảy dùng mơ mơ hình k – epsilon Để mơ tả q trình khuếch tán ẩm, mơ hình dịng nhiều thành phần Species sử dụng Nhiệt độ mơi trường bên ngồi 27 oC, độ chứa khơng khí vị trí cửa thơng gió g / kg khơng khí khơ Để tiến hành mơ phỏng, đối tượng chia lưới theo phương pháp kích thước lưới khác Khi số phần tử lưới đạt 800 000 phần tử kết mơ gần không thay đổi tăng số phần tử Các kết mơ trình bày báo thu từ lưới có cấu trúc hình hộp với số phần tử 835 706 phần tử Đầu tiên, mô CFD tiến hành chế độ ổn định với công suất điện trở sưởi kW công suất gia ẩm kg/h Kết cho thấy nhiệt độ độ ẩm khơng khí vị trí tâm xe chở sản phẩm -2,82 oC 54,83% Sau thu kết chế độ ổn định ban đầu, mô CFD chuyển sang chế độ không ổn định Để tìm đặc tính q độ hàm truyền đối tượng với xung đầu vào bậc thang, ta thay đổi công suất điện trở sưởi từ mức kW lên kW công suất gia ẩm từ kg/h lên 6.5 kg/h Trường tốc độ gió trường nhiệt độ chế độ khơng ổn định cài đặt công suất điện trở sưởi 4000 W, công suất gia ẩm kg/h thời điểm 1000 giây cho hình Ở chế độ độ công suất điện trở sưởi thay đổi từ mức kW lên mức kW theo xung bậc thang trình bày hình (4-a), ta nhận thấy nhiệt độ thay đổi từ mức -2.82 oC lên đến nhiệt độ 31.47 oC sau khoảng 1000 giây Đồng thời với tăng nhiệt độ, phụ thuộc áp suất nước bão hòa vào nhiệt độ, độ ẩm tương đối khơng khí giảm từ mức 54.83 % xuống 5.52% Tương tự, chế độ thay đổi công suất gia ẩm từ kg/h lên 6.5 kg/h, giá trị độ ẩm tăng từ 54.83% lên đến giá trị 97.88% sau 50 giây (hình 4.b) Do trình tăng ẩm thực nhờ việc cấp nước bão hòa 100 oC, nhiệt độ khơng khí buồng vị trí tâm xe chở sản phẩm tăng dần theo thời gian (từ -2.82 oC lên 3.36 oC) Điều cho thấy việc thay đổi giá trị nhiệt độ độ ẩm tương đối gây ảnh hưởng chéo đến giá trị cịn lại Điều hồn tồn phù hợp với kết luận nêu nghiên cứu trước [1,4,5] Để mô tả ảnh hưởng chéo này, sơ đồ cấu trúc đối tượng nhiệt độ - độ ẩm hình sử dụng Trong sơ đồ này, O11 ( s ) 14*NLN *155-01/2021 O22 ( s ) hàm truyền đối tượng nhiệt độ độ ẩm O12 ( s ) O21 ( s ) hàm truyền Hình 4: Đặc tính thay đổi nhiệt độ độ ẩm thay đổi công suất điện trở sưởi từ lên 100% (a) thay đổi công suất phun ẩm từ lên 100% (b) ảnh hưởng chéo qua lại nhiệt độ độ ẩm Sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu mơ hình đối tượng dạng khâu qn tính bậc khâu qn tính bậc có trễ, hàm truyền đối tượng thể sau: O11 ( s ) = 34, 65 + 202, s (1) O12 ( s ) = −0, 4789 + 91, 41s (2) 0, 4592e−0,577 s O22 ( s) = (1 + 16s)(1 + 1, 006s) O21 ( s) = 38, 24e−0,4789 s (1 + 274, 4s)(1 + 0,9636s) Hình 5: Sơ đồ cấu trúc đối tượng nhiệt độ - độ ẩm (3) (4) Kết xấp xỉ đối tượng nhiệt độ - độ ẩm so sánh với kết mơ CFD hình Sự tương đồng số liệu mô số liệu đặc tính độ tính theo hàm truyền (phương trình – 4) cho thấy xác việc lựa chọn khâu tham số khâu Hình 6: Sơ đồ điều khiển vịng đối tượng nhiệt độ - độ ẩm Với khâu đối tượng nhiệt độ - độ ẩm lựa chọn, sơ đồ điều khiển vòng đồng thời đối tượng nhiệt độ - độ ẩm lựa chọn hình Đối với điều khiển vịng có phản hồi, điều khiển tổng hợp dựa theo công thức [6,7] R( s ) = R( s ) = c s OPT ( s)−1 = A( s) c sB(s) A( s) OPT (s)−1 = c s c sB(s) (5) (6) Trong đó, công thức tương ứng sử dụng để tổng hợp điều khiển cho khâu quán tính có trễ khơng có trễ OPT ( s) thành phần phân thức khâu, bỏ qua thành phần trễ biễu diễn theo hàm exp c số quán tính hệ định chuẩn, tham số xác định dựa theo yêu cầu chất lượng điều khiển: độ điều chỉnh , thời gian điều chỉnh τq, tích phân sai số tuyệt đối I1 tích phân bình phương sai số I2 [8] Trong báo này, độ điều chỉnh được lựa chọn = 0.1%, tương ứng, giá trị số quán tính c tương ứng 2.476 Dựa theo mơ hình khâu qn tính bậc khâu qn tính bậc có trễ phương trình – 4, điều khiển kênh nhiệt độ R1 kênh độ ẩm R2 tổng hợp sau: 15*NLN *155-01/2021 R1 ( s ) = 2,352.(1 + R2 ( s ) = 25,87(1 + ) 202, s + 0,947 s) 17, 01s (7) (8) Để kiểm tra chất lượng điều khiển, mơ hình đối tượng điều khiển mô phần mềm Matlab – Simulink hình 7a Kết mô tạo xung bậc thang x 1(t) đầu vào kênh điều khiển nhiệt độ xung bậc thang 1(t) đầu vào kênh độ ẩm thể hình 7b Từ kết thu được, giá trị kênh độ ẩm vượt giá trị đặt 5.76% thời điểm 6.6 giây sau bão hòa giá trị đặt Tuy nhiên, giá trị kênh nhiệt độ, cấp nhiệt nước bão hòa, bị vượt giá trị đặt xấp xỉ 220% thời điểm giây quay giá trị đặt sau 50 giây Điều cho thấy kênh nhiệt độ điều chỉnh ảnh hưởng kênh độ ẩm → B1 ( s) = − O12 ( s) O22 ( s) 7, 708s + 8,144s + 0, 4789 0,577 s B1 ( s) = e (10) 41,975s + 0, 4592 Hoàn toàn tương tự, ta xác định hàm truyền mạch bù B2(s) B2 ( s ) = −223, 03s − 1,103 e −0,4789 s 264, 41s + 275,36 s + (11) Hình 8: Sơ đồ điều khiển đồng thời nhiệt độ - độ ẩm có mạch bù (a) (a) (b) Hình 9: Sơ đồ nguyên lý mạch bù B1 (a) B2 (b) loại bỏ ảnh hưởng chéo kênh nhiệt độ kênh độ ẩm (b) Hình 7: Mơ hình mơ điều khiển đối tượng nhiệt độ - độ ẩm phần mềm Matlab – Simulink (a) đáp ứng hệ thống điều khiển đồng thời nhiệt độ độ ẩm (b) Để nâng cao chất lượng điều khiển, ta sử dụng điều khiển có mạch bù theo sơ đồ hình Trong sơ đồ này, mạch bù B1(s) xác định theo công thức: 1B1 ( s)O22 ( s) + 1O12 ( s) = (9) Với hàm truyền trên, mạch bù hệ thống thiết kế hình 9, mơ hình mơ điều khiển đối tượng sử dụng khâu bù cho hình 10 Các giá trị điện trở điện dung tụ điện mạch bù B1(s) cần thỏa R5 R2 = 0,85 ; R6 = R7 = R f ; = 0,192 ; R4 R1 R3C3 = 91, 41 (ΩF); R1C1 = 0,1836 (ΩF) Tương mãn: 16*NLN *155-01/2021 tự, với sơ đồ mạch bù khâu B2(s), R2 = 0,812 ; R1 R5 = 0,303 ; R3C3 = 0,964 (ΩF); R6C6 = 277, 78 R4 (ΩF); R7 = R8 = Rg = R f Tương tự điều khiển khơng có khâu bù, kết mơ tạo xung bậc thang × 1(t) đầu vào kênh điều khiển nhiệt độ xung bậc thang 1(t) đầu vào kênh độ ẩm thể hình 10(a) Quan sát kết thu được, giá trị nhiệt độ độ ẩm nhanh chóng đạt tới giá trị đặt 20 giây độ vượt điều chỉnh 0.21% (kênh nhiệt độ) 0.59% (kênh độ ẩm) Điều cho thấy kênh nhiệt độ kênh độ ẩm tương đối hồn tồn điều khiển đồng thời, xác cách sử dụng mạch bù (a) (b) Hình 10: Mơ hình mơ điều khiển đối tượng nhiệt độ - độ ẩm phần mềm Matlab – Simulink (a) có mạch bù đáp ứng hệ thống điều khiển đồng thời nhiệt độ độ ẩm (b) KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp nhận dạng đối tượng nhiệt độ - độ ẩm tương đối khơng khí buồng lên men xây dựng điều khiển tách kênh cho hai đối tượng Với việc sử dụng mơ hình mơ CFD, q trình can thiệp thực nghiệm đối tượng giảm thiểu, đặc biệt trường hợp hệ thống hoạt động liên tục Các kết nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng chéo hai đối tượng nhiệt độ độ ẩm bỏ qua Sự gia nhiệt phun nước bão hòa 100 oC vào môi trường dẫn tới kiểm soát kênh điều khiển nhiệt độ sử dụng vòng điều khiển độc lập Do vậy, việc sử dụng mạch bù cần thiết để giảm thiểu ảnh hưởng Các kết thu cho thấy điều khiển tách kênh có sử dụng mạch bù hoàn toàn đáp ứng yêu cầu độ xác, thời gian đáp ứng cho nhu cầu sử dụng thực tiễn buồng lên men Trong tương lai, ứng dụng điều khiển tổng hợp để điều khiển chế độ nhiệt ẩm buồng lên men qua kiểm chứng kết thu nghiên cứu LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Bộ Giáo dục Đào tạo đề tài mã số B2021-BKA-03 17*NLN *155-01/2021 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Zaheer-uddin, Temperature and humidity control of indoor environmental spaces, Energy and Buildings 19 (1993) 275–284 [2] Nguyễn Thu Hà, Hệ thống điều khiển vi khí hậu lồng ni dưỡng trẻ sơ sinh, Nghiên cứu khoa học công nghệ quân Số Đặc san ACMEC (2017) 50–157 [3] Nguyễn Thu Hà, Đinh Thị Lan Anh, Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh smart phone, Nghiên cứu khoa học công nghệ quân Số đặc san tháng 10/2019 (2019) 23–29 [4] X Lü, Modelling of heat and moisture transfer in buildings, Energy and Buildings 34 (2002) 1045–1054 [5] C.P Underwood, HVAC Control Systems, Routledge, 2002 [6] D Cao Trung, A Method Tuning Control System of Thermal Process in Startup Period, MATEC Web of Conferences 54 (2016) 4001 [7] D.C Trung, N van Manh, A Tuning Method for Uncertain Processes of Thermal Power Plant Based on the Worst Soft Characteristic, in: 2017 11th Asian Control Conference (ASCC), IEEE, 12/17/2017 - 12/20/2017, p 594 [8] Nguyen Van Manh, Robust synthesizing method of uncertainty control system, The fifth Vietnamese national conference of Automation Vol (2002) 155–161 SYNTHESIZING TEMPERATURE – RELATIVE HUMIDITY SEPARATE CONTROLLER FOR FOOD FERMENTATION CHAMBER BASED ON CFD SIMULATION ABSTRACT: Air temperature and relative humidity are two of the mandatory properties of moist air during several food processes However, precise control of these mentioned parameters using independent control loops is rather difficult to be achieved In this paper, we propose a method of object identification of the temperature and relative humidity for the food fermentation chamber where experiments are impossible to be conducted science the food processing is continuous CFD simulation model is used to construct the transient properties of the control objects Thereby, the transfer functions of temperature, humidity, and cross effects between these parameters were determined The simulation results on Matlab - Simulink software showed that the temperature – relative humidity separate controller only works well when using additional cross-influence compensation circuits ... mô CFD để mô trình trao đổi nhiệt ẩm bên buồng lên men, từ xây dựng mơ hình đối tượng dựa kết mơ Hình 2: Mơ hình mơ CFD buồng lên men (đơn vị đo chiều dài hình mm) Hình 3: Kết mơ trường tốc độ. .. trị nhiệt độ độ ẩm nhanh chóng đạt tới giá trị đặt 20 giây độ vượt điều chỉnh 0.21% (kênh nhiệt độ) 0.59% (kênh độ ẩm) Điều cho thấy kênh nhiệt độ kênh độ ẩm tương đối hồn tồn điều khiển đồng thời,... (11) Hình 8: Sơ đồ điều khiển đồng thời nhiệt độ - độ ẩm có mạch bù (a) (a) (b) Hình 9: Sơ đồ nguyên lý mạch bù B1 (a) B2 (b) loại bỏ ảnh hưởng chéo kênh nhiệt độ kênh độ ẩm (b) Hình 7: Mơ hình