a) Theo định luật bảo toàn vật chất thành phần (axit H2SO4), ta cú
do x2 = 0, ta cú
b) Phương trỡnh sai phõn và phương trỡnh laplace của nồng độ
* Ở trạng thỏi xỏc lập, ta cú:
Trongđú:
Nhận xột: Số bậc tự do số biến vào phương trỡnh nhất
quỏn quỏ trỡnh điều khiển được.
c) Mụ hỡnh của đối tượng
Hỡnh 3.7. Sơ đồ khối mụ hỡnh bể tuần hoàn V0141
Từ (3.8) và (3.13), ta cú hàm truyền đạt đối tượng: G11(s) G21(s) G12(s) G22(s) Gd3(s) Gd2(s) Gd4(s) Gd1(s) - + + + +
Hàm truyền đạt nhiễu
3.3. Cấu trỳc điều khiển bể axit tuần hoàn V0141 3.3.1. Cấu trỳc điều khiển phi tập trung
Điều khiển phi tập trung là hệ thống điều khiển bao gồm nhiều bộ điều khiển phản hồi độc lập, mỗi bộ liờn kết với một tập con cỏc biến đầu vào ra và giỏ trị đặt với một tập con cỏc biến điều khiển.
Điều khiển phi tập trung phõn chia hệ thống thành cỏc bài toỏn nhỏ dễ giải quyết hơn, và được thực hiện bởi nhiều bộ điều khiển đơn biến độc lập.
Để thuận tiện trong việc phõn tớch và tổng hợp cỏc bộ điều khiển, ta xột cỏc đại lượng ở dạng phần trăm.
Hỡnh 3.8. Cấu trỳc điều khiển phi tập trung với cỏc bộ điều khiển đơn biến
Cấu trỳc sử dụng 2 bộ điều khiển Rh và Rx để lần lượt điều khiển cỏc tớn hiệu mức h và nồng độ x.
Trong hệ thống cú sự tỏc động lẫn nhau giữa cỏc biến vào ra nờn ta sẽ phải xõy dựng thờm cỏc bộ điều khiển phõn kờnh để loại bỏ cỏc tỏ động lẫn nhau này. Điều khiển phõn kờnh được đề xuất trong đồ ỏn này sau khi xem xột và tớnh toỏn với cỏc bộ điều khiển đơn, ta sẽ thờm vào cỏc bộ điều khiển phõn kờnh và được đưa ra ở mục
* Xỏc đỡnh tham số mụ hỡnh toỏn của đối tượng
Từ (3.8), ta cú G11(s) G21(s) G12(s) G22(s) + + + + Gvanh Rh - Gvanx Rx -
với:
Từ (3.13), ta cú
(đơn vị )
* Hàm truyền đạt nhiễu
3.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển mức Rh
* Chỉ kớch thớch biến vào , coi , từ (3.14) ta cú
* Hàm truyền đạt của đối tượng
Hỡnh 3.9. Mạch vũng điều chỉnh mức của bể V0141 với mức tớnh theo %
* Tổng hợp mạch vũng điều chỉnh mức:
Để thuận tiện trong việc phõn tớch và thiết kế điều khiển, tớn hiệu điều khiển uv thường được tớnh theo phần trăm, theo phần đơn vị dải tớn hiệu
chuẩn. Vớ dụ: nếu phạm vi tớn hiệu chuẩn là 4 20 (mA) thỡ 4 mA tương ứng
với uv = 0%; 20 mA tương ứng với uv = 100%, . Ta cú sơ đồ hỡnh 3.9.
* Mụ hỡnh động học của van điều khiển cú dạng khõu trễ , ta cú thể xấp xỉ bằng một cõu quỏn tớnh bậc nhất: G1 - Gvanh Rh - Gđo Gd d (%)
Tv = 5 (s) là thời gian trễ của van.
* Khõu đo mức:
(do chọn Tm nhỏ)
* Để tổng hợp bộ điều khiển ta bỏ qua nhiễu (d=0), khi đú ta cú bộ điều khiển mức:
chọn
Khi tổng hợ bộ điều khiển với tiờu chuẩn này thỡ độ quỏ chỉnh lớn 43.8
%.Vỡ thế ta phải mắc thờm bộ lọc cú hàm truyền để giảm độ
quỏ chỉnh.
* Xột trường hợp nhiễt d 0, hđặt = 0 (điều khiển mức):
-d
Km
Hỡnh 3.10. Mạch vũng điều chỉnh mức
Với bộ điều khiển mức Rh ta thu được đỏp ứng nồng độ
Hỡnh 3.12. Đỏp ứng mức theo tớn hiệu đặt khi chỉ cú bộ điều khiển mức
Hỡnh 3.13.Giỏ trị nồng độ axit bị nhiễu khi điều khiển mức
Vũng điều khiển mức đó thực hiện được tốt trong việc điều khiển.Giỏ trị mức bằng với giỏ trị đặt với sai lệch tĩnh bằng 0, khụng cú quỏ điều chỉnh. Tuy nhiờn ảnh hưởng chộo từ quỏ trỡnh điều khiển mức sang giỏ trị nồng độ axit làm nồng độ bị giảm đi.
3.3.3. Tổng hợp bộ điều khiển nồng độ Rx
Từ mụ hỡnh cầu trỳc điều khiển hỡnh (3.8), ta xỏc đỡnh được hàm truyền đối tượng của bộ điều khiển cho thành phần nồng độ x được như sau:
Áp dụng tiờu chuẩn module tối ưu ta tớnh được bộ điều khiển Rx:
chọn
Với bộ điều khiển đó tớnh được ta xõy dựng được mụ hỡnh mụ phỏng cho bể V0141 với 2 vũng điều khiển độc lập như sau:
Hỡnh 3.14.Mụ hỡnh mụ phỏng bể V0141 với 2 vũng điều khiển độc lập
Hỡnh 3.16. Đỏp ứng nồng độ với phương phỏp điều khiển phi tập trung
* Đỏnh giỏ chất lượng hệ điều khiển phi tập trung
Ưu điểm:
+ Phưong phỏp truyền thống trong cụng nghiệp. Điều khiển phi tập trung là một cấu hỡnh thớch hợp cho kiến trỳc điều khiển phõn tỏn triệt để xuống cấp trượng.
+ Dễ theo dừi, dễ chỉnh định cỏc tham số điều khiển mà khụng cần mụ hỡnh quỏ trỡnh chớnh xỏc.
+ Độ tin cậy cao.
+ Phự hợp cho ỏp dụng cụng nghiệp bus trường. Nhược điểm:
+ Cú sự tương tỏc giữa cỏc vũng điều khiển, do đú thiết kế phương phỏp điều khiển phức tạp.
+ Việc thay đổi giỏ trị đặt cú thể dẫn đến thay đổi một cỏch khụng mong muốn tới nhiều biến được điều khiển.
+ Chất lượng cú giới hạn do yếu tố tương tỏc. + Khụng phải bao giờ cũng thực hiện được. Nhận xột:
+ Theo hỡnh 3.15, ta thấy đỏp ứng mức trong bể tuần hoàn V0141 bỏm khỏ sỏt theo giỏ trị đặt của mức. Trong khoảng thời gian 0 đến 1000(s), giỏ trị nồng độ axit được điều chỉnh, mức vẫn được giữ nguyờn ở giỏ trị ban đầu (tức là khụng cú sự thay đổi mức đặt) thỡ sự thay đổi của nồng độ axit khụng ảnh hưởng đến mức.
+ Trong khoảng thời gian 0 đến 1000(s), giỏ trị nồng độ axit bỏm khỏ sỏt theo giỏ trị đặt của nồng độ. Tuy nhiờn, khi giỏ trị đặt của mức thay đổi thỡ cũng tỏc động đến nồng độ, làm nồng độ vượt khỏi giỏ trị cõn bằng. Nhưng sau đú bộ điều khiển nồng độ cũng đưa nú trở lại giỏ trị cõn bằng. Điều này chứng tỏ phương phỏp điều khiển phi tập trung với cỏc bộ điều khiển đơn biến chưa giải quyết triệt để hiện tượng xen kờnh. Do đú tụi quyết định dựng một phương phỏp điều khiển hiện đại – điều khiển phõn kờnh (decoupler) để cải thiện hệ điều khiển bể tuần hoàn V0141.
3.4. Xõy dựng cấu trỳc điều khiển phõn kờnh toàn phần cho bể V01413.4.1.Phương phỏp phõn kờnh 3.4.1.Phương phỏp phõn kờnh
a) Mục tiờu
dụng cỏc khõu tỏch kờnh (khõu bự).
* Áp dụng cỏc thuật toỏn điều khiển đơn biến thụng dụng
b) Phõn loại điều khiển phõn kờnh
* Phõn kờnh truyền thẳng: toàn phần, từng phần. * Phõn kờnh phản hồi trạng thỏi. * Phõn kờnh SVD b.1) Phõn kờnh phản hồi trạng thỏi Hỡnh 3.17. Mụ hỡnh phõn kờnh phản hồi trạng thỏi b.2) Phõn kờnh truyền thẳng - B C A D K u* x y
Hỡnh 3.18.Sơ đồ tổng quỏt phõn kờnh truyền thẳng
* Thiết kế bộ điều khiển theo đường chộo
* GD là ma trận đường chộo: phõn kờnh toàn phần + Với : phõn kờnh động
+ tại s = 0: phõn kờnh tĩnh
+ tại s = : phõn kờnh một tần số
* GD là ma trận tam giỏc (trờn hoặc dưới): phõn kờnh từng phần/ phõn kờnh một chiều.
b.2.1) Phõn kờnh từng phần
u
D G y
Hỡnh 3.19.Sơ đồ phõn kờnh từng phần * Chọn khõu bự phõn kờnh điều kiện: b.2.2) Phõn kờnh toàn phần G11(s) G21(s) G12(s) G22(s) + + + + Gvanh Rh - Gvanx Rx D12(s) - +
Hỡnh 3.20.Sơ đồ phõn kờnh toàn phần
* Chọn khõu bự nhiễu
b.2.3) Phõn kờnh toàn phần – tổng quỏt
* Biến đổi G(S) = M(s)N(s)
+ M(s) là ma trận đường chộo cú cỏc phần tử là phõn thức chứa mẫu số chung nhỏ nhất của từng hang của G(s). Nếu G(s) cú điểm khụng nằm bờn phải trục ảo thỡ điểm khụng đú phải xuất hiện trờn tử số trong từng phần tử trờn đường chộo của M(s).
+ N(s) mà một ma trận đa thức, cú thể biểu nhõn them một phõn thức G11(s) G21(s) G12(s) G22(s) + + + + Gvanh Rh - Gvanx Rx - + D21(s) D12(s) + + +
cú mẫu số chứa cỏc điểm khụng nằm bờn phải trục ảo (xuất hiện trờn tử số của M(s))
* Nghịch đảo N(s) để được khõu bự D(s)
Hỡnh3.21.Sơ đồ phõn kờnh động toàn phần – tổng quỏt
b.3) Tỏch kờnh SVD
Hỡnh 3.22.Sơ đồ tỏch kờnh SVD
W và V là cỏc ma trận trực giao
* Ưu nhược điểm của phương phỏp điều khiển phõn kờnh
Ưu điểm:
+ Phương phỏp điều khiển phõn kờnh với cỏc khõu bự cú thể giảm tương tỏc cỏc vũng giao, giảm sự xen kờnh trong hệ thống.
+ Saukhi phõn kờnh, ta cú thể ỏp dụng cỏc thuật toỏn điều khiển đơn G11(s) G21(s) G12(s) G22(s) + + + + Gvanh Rh - - + D21(s) D12(s) + + + Gvanx Rx D11(s) D22(s) * K y W G * u
biến.
+ Một bộ điều khiển phõn kờnh giống như một phần tử Feedforward nờn cấu tạo một bộ điều khiển phõn kờnh gồm cú một mụ hỡnh quỏ trỡnh và một mụ hỡnh nhiễu chộo. Mụ hỡnh nhiễu chộo nhận tớn hiệu của bộ điều khiển chộo, tiờn đoỏn tiểu sử tỏc động của nú hoặc khi nào và mức độ tỏc động đến biến được điều khiển.Với thứ tự của sự tỏc động nhiễu, mụ hỡnh quỏ trỡnh sẽ tớnh toỏn lại một chuỗi cỏc hành động điều khiển để loại trừ nhiễu chộo khi nú đến, nờn biến quỏ trỡnh vẫn được duy trỡ ở giỏ trị đặt.
+ Bộ điều khiển phõn kờnh khụng yờu cầu sensor để đo nhiễu vỡ nhiễu chộo luụn xuất hiện khi bộ điều khiển phõn kờnh yờu cầu.
Nhược điểm:
+ Nhạy cảm với sai lệch mụ hỡnh (do nghịch đảo mụ hỡnh đối tượng). + Chưa thực sự phự hợp với bài toỏn loại bỏ nhiễu quỏ trỡnh.
* Lựa chọn phương phỏp phõn kờnh
Do phương phỏp điều khiển phõn kờnh từng phần chưa giải quyết triệt để sự tương tỏc lẫn nhau, cũn phương phỏp phõn kờnh toàn phần - tổng quỏt làm tăng sự nhạy cảm với nhiễu và sai lệch mụ hỡnh, nờn ta chọn phương phỏp điều khiển phõn kờnh toàn phần để nõng cao chất lượng điều khiển bể bơm tuần hoàn V0141.
3.4.2.Xõy dựng cấu trỳc điều khiển phõn kờnh toàn phần cho bể tuần hoàn V0141
Cú sự tỏc động lẫn nhau từ quỏ trỡnh điều khiển mức đến quỏ trỡnh điều khiển nồng độ và từ quỏ trỡnh điều khiển nồng độ đến quỏ trỡnh điều khiển mức. Để loại trừ tỏc động lẫn nhau này, ta sử dụng 2 bộ điều khiển phõn kờnh
D12 - cho việc loại bỏ tỏc động từ vũng điều khiển nồng độ đến quỏ trỡnh mức, D21 - cho việc loại bỏ tỏc động từ vũng điều khiển mức đến quỏ trỡnh điều khiển nồng độ. Hai bộ điều khiển phõn kờnh này sẽ đo tớn hiệu điều khiển từ cỏc bộ PID và tiờn đoỏn tỏc động của nú tới quỏ trỡnh kia, từ đú đề ra cỏc tỏc động điều khiển tương ứng và gửi tớn hiệu bự lượng điều khiển vào cỏc van để loại bỏ tỏc động lẫn nhau giữa cỏc vũng điều khiển.
Hỡnh 3.23. Mụ hỡnh cấu trỳc điều khiển với cỏc bộ điều khiển phõn kờnh
* Bộ điều khiển phõn kờnh cho vũng điều khiển mức h D12:
Hỡnh 3.24.Đỏp ứng mức với phương phỏp điều khiển phõn kờnh
Hỡnh 3.25.Đỏp ứng nồng độ với phương phỏp điều khiển phõn kờnh
* Nhận xột:
lờn 100%.Từ hỡnh vẽ, ta nhận thấy đặc tớnh đỏp ứng của mức khỏ tốt, độ quỏ điều chỉnh ớt dao động trong khi mức thay đổi thỡ nồng độ axit khụng bị ảnh hưởng chứng tỏ khõu bự của bộ phõn kờnh D21 hoạt động tốt.
Tại t = 1000(s), khi cú nhiễu của nồng độ axit của axit sấy tới thỡ làm cho nồng độ axit trong bể V0141 tăng lờn, nhưng sau đú bộ điều khiển phõn kờnh làm cho nồng độ trở về giỏ trị cõn bằng 98,5%.
Như vậy, sau khi cú bộ phõn kờnh, chất lượng đỏp ứng của hệ thống đó khụng cũn ảnh hưởng tương tỏc lẫn nhau.Từ đú vai trũ của bộ điều khiển phõn kờnh được khẳng định.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận
Như vậy, trong quỏ trỡnh thực hiện luận văn này, dựa trờn thực tế dõy chuyền cụng nghệ sản xuất axit sunfuric của nhà mỏy phõn bún DAP Đỡnh Vũ, tỏc giả đó tỡm hiểu nghiờn cứu cấu tạo cỏc thiết bị và nguyờn lý làm việc đặc thự của cỏc thiết bị đú trong quỏ trỡnh sản xuất axit sunfuric. Từ đú, phõn tớch và xõy dựng bộ điều khiển cho cụng đoạn hấp thụ - sử dụng điều khiển phõn kờnh.Cú thể thấy, bằng việc sử dụng phương phỏp điều khiển này, chất lượng điều khiển đó được cải thiện rừ rệt, giảm được sự tỏc động qua lại lẫn nhau giữa cỏc tớn hiệu.Quỏ trỡnh phõn tớch và lý luận đó được chứng minh bằng mụ phỏng matlab simulinhk.
2. Kiến nghị
Tỏc giả hi vọng trong tương lai gần, cỏc nghiờn cứu về hệ thống điều khiển phõn kờnh sẽ được triển khai trong thực tế để kiểm nghiệm tớnh đỳng đắn của lý luận. Ngoài ra phương phỏp điều khiển hiện đại - điều khiển phõn kờnh sẽ được ỏp dụng khụng chỉ bú hẹp ở bể chứa axit tuần hoàn V0141 trong cụng đoạn hấp thụ, mà cú thể ỏp dụng cho bất kỳ đối tượng nào cú hiện tượng xen kờnh trong quỏ trỡnh sản xuất axit sunfuric.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nhà mỏy sản xuất phõn bún DAP Đỡnh Vũ (2009), Sổ tay vận hành nhà mỏy sản xuất axit sunfuric, tr. 1-107.
2. Bựi Quốc Khỏnh (2006), Hệ điều khiển DCS cho nhà mỏy sản xuất điện năng, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, tr. 5-10.
3. Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển quỏ trỡnh, Nhà xuất bản Bỏch Khoa Hà Nội, Hà Nội, tr. 486-489.
4. Hoàng Minh Sơn (2001), Mạng truyền thụng cụng nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, tr. 4-10.
5. Nguyễn Doón Phước, Phan Xuõn Minh (2005), Nhận dạng hệ thống điều khiển, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, tr. 130-170.
6. Nguyễn Doón Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tớnh, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
7. Hoàng Minh Sơn (2009), Bài giảng điều khiển quỏ trỡnh nõng cao, Trường Đại học Bỏch Khoa Hà Nội.
8. F.G.Shinskey, Process control systems, Application, Design and Tuning, McGraw-hill intenational editions.
9. Douglas J. Cooper (2004), Pratical Process Control Using Control Station, Control Station LLC, pp. 197-232.