Chương 1:TỔNG QUAN. Lý do chọn đề tài .Mục đích của đề tài. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài. Phương pháp nghiên cứu.
5 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .Quá trình tương tác và điều khiển vòng tương tác. Phân tích sơ đồ khối đối với qui trình điều khiển hai biến. Ổn định vòng lặp kín. Sự liên kết giữa biến điều khiển và biến thao tác.
Phương pháp relative gain array ( RGA) của Briston. Cách xác định của RGA. Phương pháp đạt được trạng thái ổn định ma trận độ lợi K. Kiến nghị biện pháp tương tác quá trình ghép nối.
Xem xét đặc tính động học của RGA. 23 Chương 3: PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG PHÂN LY. Điều khiển phân ly quá trình đa biến. Phân ly lý tưởng.
28 vi Luan van 3. Phân ly đơn giản hóa. Phân ly ngược. 29 Chương 4: DỰ ĐOÁN SMITH CHO HỆ MỘT BIẾN VÀ ĐA BIẾN.
Dự đoán smith cho hệ một biến. Dự đoán smith cho hệ đa biến. 34 Chương 5: ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN DỰA VÀO DỰ ĐOÁN SMITH ĐA BIẾN. Phương pháp thực hiện.
38 Chương 6: CÁC TIÊU CHUẨN ĐỂ XÁC ĐỊNH SỰ ỔN ĐỊNH VÀ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY. Tiêu chuẩn IAE. Phương pháp tổng biến thiên. Phân tích sự ổn định.
45 Chương 7: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY. 48 Chương 8: KẾT LUẬN. 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 53 vii Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1.
MIMO : Multiple input multiple output 2. TITO : Two input two output 3. IAE : Integral absolute error 5. ITAE : Integral of the time weighted absolute error 6.
RGA : Relative gain array 7. DRGA : Dynamic relative gain array 8. TV : Total variation 9. DS : Direct synthesis 10.
WB : Wood and Berry column 11. VL : Vinante and Luyben column 12. SSV : Structured singular value viii Luan van DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1:Chế độ điều khiển cho ví dụ 2.1: Ưu điểm và nhược điểm của mỗi phương pháp phân ly 30 Bảng 7.1: Tham số điều khiển và chỉ số kết quả hiệu suất của tháp WB 48 Bảng 7.2: Tham số điều khiển và chỉ số kết quả hiệu suất của tháp VL 51 ix Luan van DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1a: Hệ thống trộn khí 2 Hình 1.1b: Hệ thống tháp chưng cất 2 Hình1.1c: Hệ thống tách chất lỏng và khí 3 Hình 2.1: Một số ví dụ về những quá trình đa biến 7 Hình 2.2: Sơ đồ điều khiển cho hệ thống 2 × 2 10 Hình 2.3: Đáp ứng của hệ thống khi sử dụng phương pháp điều chỉnh ITAE 12 Hình 2.4: Miền ổn định của liên kết 1-1/2-2 15 Hình 2.5: Miền ổn định của liên kết 1-2/2-1 16 Hình 2.6: Biến điều khiển và biến thao tác của tháp chưng cất 17 Hình 3.1: Cấu trúc chung của hệ thống phân ly 25 Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển phân ly hai biến 26 Hình 3.3: Mô hình phân ly ngược 30 Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống thời gian trễ điển hình 32 Hình 4.2: Tính năng của hệ thống sẽ được cải thiện nếu giá trị giả định B trở thành tín hiệu phản hồi thay vì ngõ ra Y 33 Hình 4.3: Dự đoán Smith một biến 33 Hình 4.4: Dự đoán Smith đa biến 34 Hình 5.1: Điều khiển phân ly quá trình đa biến dựa vào dự đoán Smith đa biến38 Hình 6.1: Hệ thống điều khiển đa ngõ vào không ổn định và cấu trúc điều khiển M-∆ của nó để phân tích sự ổn định 45 Hình 7.1: Đáp ứng vòng lặp kín tại điểm cài đặt cho tháp WB 48 Hình 7.2: Đáp ứng vòng lặp cho tháp VL 50 x Luan van Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, vấn đề hiệu quả hoạt động, tăng năng suấtcho những quá trình sản xuất đã trở nên hết sức cấp thiết do sự cạnh tranh mạnh mẽ để đáp ứng nhanh chóng cho sự thay đổi điều kiện kinh tế như thỏa mãn những yêu cầu về môi trường, sự an toàn và chất lượng sản xuất.
Do đó yêu cầu về hiệu suất đã trở thành nòng cốt trong việc nâng cao chất lượng sản xuất, giảm giá thành. Để làm được điều này chúng ta cần phải tích hợp nhiều quá trình điều khiển, máy móc, thiết bị phức tạp. Mặt khác, những tác động không mong muốn phát sinh trong quá trình điều khiển như nhiễu cũng trở nên phức tạp do nó được truyền tải từ hệ thống này sang hệ thống khác. Ví dụ như hệ thống lọc dầu hoặc hóa dầu, hàng ngàn qui trình tham biến như cấu trúc, nhiệt độ, và áp lực phải xác định và phải điều khiển.Vì vậy,vấn đề điều khiển để thỏa mãn được hầu hết các yêu cầu trênđã trở nên quá khó đối với những quá trình điều khiển đơn giản trước đây khi mà ta chỉ xem có một giá trị điều khiển ngõ ra và một giá trị ngõ vào.
Vậy để giải quyết được những vấn đề này chúng ta cần nghiên cứu những chu trình điều khiển phức tạp hơn với đa tham số ngõ vào và ngõ ra để từ đó ta có thể thiết kế những bộ điều khiển có thể điều chỉnh các tham biến này cho phù hợp. Để có một cách nhìn tổng quát hơnchúng ta sẽ đi xem xét một số hệ thống điều khiển đa biến sau: Một ví dụ chung cho qui trình điều khiển với hai tín hiệu điều khiển đã được trình bày ởHình 1. Những ví dụ này minh họa tính năng đặc trưng của hệ điều khiển đa biến, cụ thể là sự hiện diện của quá trình tương tác, cái mà mỗi biến điều khiển có thể tác động tới cả hai giá trị điều khiển. 1 Luan van Chúng ta xem xét tương tác bên trong hệ thống ở Hình 1.Có hai hệ thống hơi nước chứa loại A và B pha trộn với nhau để tạo ra một sản phẩm với tốc độ dòng chảy là w và thành phần x.
Vì vậy khi ta tác động vào mỗi thành phần lưu lượng wa và wb thì sẽ tác động tới cả hai w và x.1a: Hệ thống trộn khí. Tương tự như vậy, xét lò chưng cất ởHình 1.1b, khi ta điều chỉnh tốc độ dòng chảy trào ngược R hoặc lưu lượng hơi nước S sẽ tác động tới cả hai thành phần của sản phẩm chưng cất xd và dưới thành phần xb.1b: Hệ thống tháp chưng cất Hay lò phân cách chất khí và lỏng trong Hình 1.1c, nếu ta điều chỉnh lưu lượng khí G sẽ có tác động trực tiếp tới áp suất P, làm nó chậm hơn và gián tiếp tác động tới mức 2 Luan van chất lỏng h bởi vì sự thay đổi áp suất trong thùng sẽ có xu hướng thay đổi lưu lượng chất lỏng L và ngoài ra tác động tới h. Ngược lại, điều chỉnh biến điều khiển khác như L sẽ trực tiếp tác động tới h nhưng chỉ tác động nhỏ và gián tiếp tác động tới P.1c: Hệ thống tách chất lỏng và khí Từ những ví dụ này cho ta thấy khi tương tác đáng kể xảy ra, việc lựa chọn phương án có hiệu quả nhất có thể không được rõ ràng. Cụ thể, trong hệ thống trộncó nên điều chỉnh giá trị điều khiển warồi điều chỉnh giá trị điều khiển lưu lượng wb hoặc ngược lại? Vậy chúng ta làm sao để xác định cấu hình điều khiển đa vòng lặp nào sẽ hiệu quả hơn? Giải quyết được những câu hỏi trên ta sẽ có câu trả lời cho những vấn đề điều khiển đa biến hiện nay.
Vì vậy, hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu bằng những phương pháp khác nhau như ( Luyben 1986; Campo và Morari 1994; Lee at al,2004; Truong và Lee, 2010a, 2010b) nhưng những phương pháp này được đánh giá có tính thực thi kém đối với những chu trình có tương tác đáng kể. Một phương pháp được đánh giá có nhiều ưu việt hiện nay đó là phương pháp phân ly đa biến( Luyben 1970, Waller 1974, Garrido et al. Hầu hết các nghiên cứu này chỉ xem xét ở phân ly đa biến với hai tín hiệu điều khiển ngõ ra và hai ngõ vào. Tuy nhiên, nhiều quá trình đa biến trong lý 3 Luan van thuyết điều khiển cũng như trong thực tế sản xuất công nghiệp bao gồm nhiều hơn hai tín hiệu ngõ vào và ngõ ra.
Do đó vấn đề nghiên cứu để mở rộng cho những chu trình đa biến với n ͯ n tín hiệu ngõ ra và ngõ vào đã trở nên rất cấp thiết. Vì những lý do trên , tác giả chọn đề tài nghiên cứuđiều khiển phân ly các quá trình đa biến dựa vào dự đoán Smith đa biến. Mục đích của đề tài Mục tiêu chính của đề tài là đề xuất một phương pháp mới trong việc thiết kế hệ thống điều khiển phân ly cho hệ thống, quá trình đa biến trong công nghiệp ngày nay trên cơ sở thuâ ̣t toán dự đoán Smith đa biế n. Đề tài sẽ góp phần nâng cao độ ổn định, hiệu quả làm việc và an toàn trong vận hành, cũng như các tính năng hoạt động khác của các hệ thống, quá trình đa biến trong công nghiệp.
Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài Nhiệm vụ của đề tài Đề tài đươ ̣c thực hiê ̣n để giải quyế t các vấ n đề như sau : - Đề xuất phương pháp tìm ra được bản chất thực sự của quy luật phân ly các biến điều khiển bằng việc xác định chính xác từ tỷ lệ của các quá trình hở chức năng ban đầu và các yếu tố đường chéo của các dãy liên hệ tỉ lệ động (Dynamic Relative Gain Arrays). - Tìm ra các mối liên hệ quan trọng giữa hệ thống điều khiển đa biến theo dự đoán Smith đa biế n và hê ̣ thố ng điề u khiể n phân ly đa biế n. - Thiế t kế các bô ̣ điề u khiể n đa biế n trên cơ sở các mố i liên hê ̣ đã trình bày ở trên. - Ứng dụng phương pháp đề xuấ t để điề u khiể n các quá trình đa biế n điể n hình trong công nghiê ̣p và hàn lâm hiê ̣n nay.
- Đề xuấ t phương pháp so sánh có tin ́ h công bằ ng và hiê ̣u quả. Giới hạn của đề tài Đề tài thực hiê ̣n để tim ̀ ra mô ̣t ph ương pháp mới , có hiệu quả t rong viê ̣c xây dựng và thiế t kế hê ̣ thố ng điề u khiể n phân ly kế t hơ ̣p với lý thuyế t dự đoán Smith đa biế n.