Phương pháp điều khiển dự báo được sử dụng rộng rãi trong bài toán điều khiển thành phần ở cấu trúc đa biến – tập trung. Nhiều công trình nghiên cứu đã công bố các kết quả khả quan khi sử dụng bộ điều khiển dự báo cho tháp chưng cất.
Ý tưởng điều khiển dự báo (Model Predictive Control-MPC) được Jacques Richalet phát triển trong đầu những năm 1970 và được ứng dụng trong công nghiệp lần đầu tiên năm 1973.
Xuất phát từ lý thuyết MPC cổ điển, Cutler và Ramaker; Prett và Gillete Garcia [68] sử dụng mô hình đáp ứng bước nhảy với thuật toán DMC để dự báo đáp ứng đầu ra tương lai nhờ sự bám sát theo giá trị đặt trong phạm vi có thể. Đầu vào tối ưu được tính toán giống như giải quyết vấn đề bình phương tối thiểu. Thuật toán DMC được sử dụng thành công trong công nghiệp trong hơn một thập kỷ. Lucecke et al. sử dụng Dynamic Matrix Control (DMC) điều khiển tháp chưng. Mô hình quá trình được xấp xỉ về mô hình bậc nhất có trễ. Tuy nhiên Morari và Skogestad [66] đã chỉ ra những đặc tính phản hồi của bộ điều khiển DMC bị hạn chế bởi hai giả thiết của thuật toán này đồng thời chứng minh các hạn chế này được khắc phục bằng cách sử dụng một thuật toán mới dựa trên bộ quan sát của Lee et al.
McDonald và Georgiou et al. [62] đưa ra kết quả mô phỏng sử dụng DMC với cấu trúc LV. Patwardhan và Edgar [54] mô tả các ứng dụng thử nghiệm của điều khiển dự báo phi tuyến với ước lượng trực tuyến cho tháp chưng.
Lundstrom và Skogestad [63] đã chứng minh chất lượng tốt của MPC thông qua việc mô phỏng tháp chưng, ngay cả khi mô hình không chắc chắn. Mặc dù hầu hết các ứng dụng của MPC trong công nghiệp đều sử dụng một mô hình được nhận
dạng trực tuyến, tuy nhiên, vì tính tương tác mạnh trong mô hình tháp chưng gây khó khăn trong nhận dạng, thì nên sử dụng một mô hình off-line.
Quintero-Marmol và Luyben [38] sử dụng bộ quan sát để dự báo các thành phần trong tháp chưng đa cấu tử theo nhiệt độ tháp. Bosley và Edgar nghiên cứu việc sử dụng kết quả tối ưu hóa với Nonlinear Model Predictive Control (NMPC). Quintero-Marmol và Luyben công bố kết quả nghiên cứu về hai dạng bộ điều khiển dự báo cho tháp chưng cất đa cấu tử. Ở đây, việc ước lượng mô hình động và mô hình ở trạng thái xác lập đều cho chất lượng điều khiển tốt mà chỉ cần sử dụng một điểm đo nhiệt độ duy nhất.
H. Manum and S. Skogestad [34] xem xét việc xây dựng bộ MPC dựa trên một mô hình không gian trạng thái được đề xuất bởi Muske & Rawlings với giả thiết không có ràng buộc. Với sự phát triển mới này, các công cụ truyền thống có thể được sử dụng để phân tích một cách sâu sắc các tác động của bộ điều khiển. Bộ điều khiển có thể được mở rộng với việc theo dõi các yếu tố đầu vào, và nó bao gồm các trạng thái ước lượng cần thiết khi không phải tất cả các trạng thái đều được đo. Kết quả mô phỏng tháp chưng cho thấy chất lượng điều khiển được cải thiện một cách đáng kể so với khi sử dụng các vòng điều khiển PID thông thường.
E.M.B. Aske, S. Strand [18] đề xuất thực hiện bài toán năng suất cực đại bằng cách sử dụng một mô hình điều khiển dự báo (MPC). Sử dụng MPC để giải quyết bài toán quy hoạch tuyến tính LP có lợi ích cho phép thực hiện kết hợp chế độ động. Bộ điều khiển MPC đã được thử nghiệm trên một mô phỏng động của nhà máy khí Karstø và cho chất lượng tốt đối với các sai lệch mô hình và thay đổi của nhiễu.
Kvernland, Skogestad [19] thực hiện và thử nghiệm bộ MPC cho lớp giám sát và lớp phân cấp trên mô hình mô phỏng của tháp chưng cất Kaibel. Kết quả cho thấy bộ MPC cải thiện được đáp ứng động cũng như tính bền vững trong điều kiện đầu vào thay đổi so với phương pháp điều khiển phân cấp đang sử dụng.
Ivar Halvorsen [35] nghiên cứu mô phỏng điều khiển tháp chưng Kaibel với bộ điều khiển dự báo (MPC). Tháp Kaibel tách hỗn hợp nguồn cấp thành bốn dòng sản
phẩm, quá trình chưng cất là một quá trình đa biến dẫn đến một vấn đề điều khiển đa biến. Mục tiêu của hoạt động tối ưu tháp chưng là giảm thiểu tổng lưu lượng tạp chất. Bộ điều khiển sử dụng điểm đặt của nhiệt độ được xác định bởi quá trình tối ưu hóa off-line dựa trên một mô hình toán học. Bộ điều khiển MPC nói chung đạt được kết quả tốt hơn (lưu lượng tạp chất ít) so với điều khiển phi tập trung khi tháp chưng cất được tiếp xúc với nhiễu. Nó cũng chống lại quá trình tương tác tốt hơn so với điều khiển phi tập trung.
Vu Trieu Minh, Wan Mansor [17] xây dựng mô hình toán học và mô phỏng cho bình ngưng động học của dòng lỏng và các phương trình cân bằng khối lượng, cân bằng năng lượng. Mô hình tuyến tính giảm bậc được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC và xác minh khả năng của một bộ điều khiển MPC thông thường trong giới hạn ràng buộc của đầu vào và đầu ra. Một bộ điều khiển MPC với các vùng làm việc thay vì các điểm đặt được khảo sát để cải thiện chất lượng điều khiển của quá trình ngưng tụ.
R. Sivakumar, K. Suresh Manic [74] đề xuất bộ điều khiển dự báo dựa trên mô hình mờ cho bài toán điều khiển phi tuyến đa biến trong tháp chưng cất. Phương pháp này dựa trên việc tuyến tính hóa mô hình mờ của quá trình được điều khiển, được sử dụng để dự đoán kết quả đầu ra. Kỹ thuật tối ưu hóa được phát triển để giảm thiểu sự khác biệt giữa mô hình dự báo và tầm dự báo mong muốn. Các kết quả mô phỏng so sánh với bộ điều khiển thông thường khẳng định tiềm năng của chiến lược đề xuất của bộ điều khiển dự báo dựa trên mô hình mờ.
Maarleveld, A. [43] sử dụng bộ điều khiển dự báo cho tháp chưng cất với các phương pháp đề xuất để giảm thiểu khối lượng tính toán: giới hạn các dịch chuyển đầu vào; giảm mô hình; giới hạn tầm điều khiển. Nghiên cứu cho thấy, việc ngăn chặn sự khác biệt của các dịch chuyển tốt hơn là ngăn chặn trực tiếp các dịch chuyển. Việc giảm tầm điều khiển không phải là tốt vì nó gây mất mát hiệu suất cao; chặn dịch chuyển đầu vào tốt hơn giảm tầm điều khiển; giảm mô hình tốt hơn đáng kể so với giảm tầm điều khiển. Một số cải tiến về mặt số hóa cũng đã được đề cập nhằm làm giảm khối lượng tính toán.
K. Ramesh [39] sử dụng bộ điều khiển phi tuyến NMPC dựa trên mô hình Hammerstein để điều khiển tháp chưng. Bộ lọc Kalman được sử dụng để tính toán các biến trạng thái. Các nghiên cứu về bộ điều khiển vòng kín đã chỉ các thế mạnh của NMPC trong việc điều khiển tháp chưng cất.
Luận án sẽ đề cập cả hai cấu trúc điều khiển cho tháp chưng cất C-02 và đưa ra cấu trúc điều khiển phù hợp cho tháp.