Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Trần Kim Quyên có tiêu đề "Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển phản hồi đầu ra cho quá trình đa biến buồng sấy giấy", chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa (mã số: 62520216), được bảo vệ tại Đại học Đà Nẵng năm 2016 dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Bùi Quốc Khánh và PGS.TS. Đoàn Quang Vinh. Công trình nghiên cứu thực nghiệm và khảo sát thực tế được thực hiện trên dây chuyền sản xuất của Công ty Giấy Bãi Bằng.
Tính cấp thiết của luận án bắt nguồn từ yêu cầu kiểm soát chất lượng độ ẩm giấy thành phẩm trong dây chuyền xeo công nghiệp. Quá trình sấy giấy truyền thống sử dụng hai nguồn cấp nhiệt chính: nhiệt tiếp xúc từ hơi bão hòa cấp vào bên trong các lô sấy và nhiệt đối lưu từ gió nóng thổi vào buồng sấy. Tuy nhiên, tốc độ thoát ẩm của băng giấy phụ thuộc chặt chẽ vào môi trường nhiệt động bên trong buồng sấy, đặc trưng bởi hai thông số: nhiệt độ điểm sương ($T_d$) và trạng thái cân bằng gió vào - ra thể hiện qua mặt phẳng áp suất không (Zero Level - ZL). Nếu các thông số này không được kiểm soát thích hợp, giấy có thể bị sấy quá khô dẫn tới nguy cơ bốc cháy, hoặc không thể thoát ẩm do độ ẩm không khí bão hòa dẫn tới hiện tượng ngưng tụ ("mưa trong buồng sấy"). Trong thực tế công nghiệp, hệ thống điều khiển buồng sấy là một hệ đa biến (MIMO) có tương tác xen kênh phức tạp giữa các mạch vòng, song các dây chuyền sản xuất hiện hữu chủ yếu áp dụng các bộ điều khiển đơn biến (SISO) độc lập hoạt động theo thuật toán PID truyền thống. Việc chỉnh định hệ thống dựa trên kinh nghiệm thực nghiệm dẫn đến hiện tượng dao động khi có nhiễu, khó duy trì độ ổn định và tiêu hao nhiều năng lượng. Khoảng trống nghiên cứu được xác định là sự thiếu vắng một mô hình động học hoàn chỉnh phản ánh mối quan hệ đa biến giữa sấy hơi và sấy gió đối lưu, cùng các thuật toán điều khiển đa biến có khả năng triệt tiêu tương tác xen kênh và xử lý tối ưu các ràng buộc vận hành.
Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là xây dựng mô hình động học và thiết kế hệ thống điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy nhằm nâng cao chất lượng điều khiển phản hồi đầu ra. Cụ thể, các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được đánh số như sau:
- Xây dựng động học quá trình sấy giấy khi có hai đại lượng tác động đồng thời của hơi và gió trong buồng sấy nhiều lô của dây chuyền xeo.
- Nghiên cứu động học quá trình gió và ảnh hưởng của các thông số môi trường buồng sấy đến khả năng bay hơi nước từ băng giấy.
- Nghiên cứu đặc tính xen kênh của hệ điều khiển quá trình sấy gió kết hợp với sấy hơi khi xét đầy đủ các yếu tố môi trường trong buồng sấy theo mô hình thực tế.
- Thiết kế hệ thống điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy sử dụng bộ điều khiển bù trước (Feedforward) để tách kênh.
- Ứng dụng điều khiển dự báo mô hình (Model Predictive Control - MPC) với thuật toán tối ưu hóa từng đoạn trong miền thời gian thực cho hệ thống điều khiển buồng sấy giấy.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều khiển buồng sấy trong dây chuyền xeo giấy công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động học trao đổi nhiệt - ẩm và thiết kế cấu trúc điều khiển phản hồi đầu ra cho hệ thống đa biến buồng sấy giấy, giới hạn trong điều kiện vận hành tại phân xưởng xeo của Công ty Giấy Bãi Bằng.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu trong luận án phân loại các công trình nghiên cứu trước đây thành hai nhóm chính: công nghệ sấy giấy và phương pháp điều khiển quá trình sấy.
Về công nghệ sấy và động học truyền nhiệt tiếp xúc, các tài liệu kỹ thuật và sổ tay tra cứu của tác giả Macdonald (1969) [1], Biermann (1996) [10], Smook (1992) [11], Karlsson (2000) [2], Stenstrom (2006) [12] và Slätteke (2006) [19] đã mô tả chi tiết cơ chế truyền nhiệt từ hơi bão hòa qua thành lô kim loại sang băng giấy và quá trình thu hồi nước ngưng. Cơ chế vật lý thoát ẩm từ các mao quản sợi cellulose ra bề mặt và vào môi trường không khí được khảo sát trong các nghiên cứu của Wilhelmsson (1995) [16], Asell (1996) [24], Heikkila (1993) [26], và Persson (2002) [29]. Về mô hình hóa toán học phục vụ điều khiển, Slätteke (2006) [19], Murphy (1997) [21], Seyed (2006) [22], và Lee (2000) [25] đã xây dựng các phương trình vi phân cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng cho băng giấy chuyển động qua lô sấy, cũng như xấp xỉ hàm truyền đạt giữa độ ẩm giấy và áp suất hơi cấp ở dạng khâu tích phân có trễ (IPZ).
Về kỹ thuật điều khiển quá trình sấy giấy, các nghiên cứu ban đầu tập trung vào điều khiển áp suất hơi và lưu lượng hơi cho từng nhóm lô độc lập sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp tín hiệu bù trước Feedforward [2], [15], [30]. Khi công nghệ sấy đối lưu kết hợp thổi gió nóng trực tiếp được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao hiệu suất bốc hơi, các nghiên cứu của Karlsson (2000) [2], Sivill (2005) [17], và Tarasiewicz (1998) [27] chỉ ra rằng việc kiểm soát môi trường sấy có thể giảm tới 40% lượng hơi bão hòa tiêu thụ và tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần. Tuy nhiên, các cấu trúc điều khiển gió trong công nghiệp, tiêu biểu như giải pháp do hãng Forbes Marshall lắp đặt tại Nhà máy Giấy Bãi Bằng năm 2013 [3], [35], vẫn sử dụng các mạch vòng phản hồi PID đơn lẻ cho từng thông số riêng biệt. Đối với kỹ thuật điều khiển hiện đại, các tác giả Slätteke (2006) [19], Ramasamy (2005) [37], và Lu (2008) [42] đã bước đầu đề xuất cấu trúc điều khiển dải giữa (Mid-Ranging Controller) kết hợp MPC cho một nhóm lô sấy hơi, nhưng chưa tích hợp đồng thời mạch vòng môi trường buồng sấy đối lưu.
Vị trí của luận án được xác định tại điểm giao giữa lý thuyết điều khiển đa biến và công nghệ sấy đối lưu buồng kín. Luận án giải quyết khoảng trống tồn tại bằng cách thiết lập mô hình toán học tích hợp đầy đủ cả hai cơ chế sấy hơi và sấy gió, định lượng hóa sự tương tác xen kênh giữa mạch vòng độ ẩm và mạch vòng môi trường (Zero Level, nhiệt độ điểm sương), từ đó đề xuất giải pháp tách kênh và ứng dụng thuật toán MPC tối ưu hóa từng đoạn để thay thế phương pháp điều khiển đơn biến hiện hành.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án áp dụng hệ thống cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học và lý thuyết điều khiển tự động nhiều biến:
- Lý thuyết cân bằng nhiệt động và truyền khối: Mô tả quá trình bay hơi của nước từ băng giấy vào không khí thông qua định luật bảo toàn khối lượng và bảo toàn năng lượng. Sự bốc hơi nước tự do và nước liên kết được mô tả qua phương trình Antoine xác định áp suất riêng phần của hơi nước $p_v^0$, quy luật Clausius-Clapeyron mô tả nhiệt hấp phụ đẳng nhiệt $\Delta H_s$, cùng công thức tính tốc độ bay hơi bề mặt dựa trên gradien áp suất thành phần của hơi nước.
- Công thức Magnus tính nhiệt độ điểm sương: Sử dụng hệ thức giải tích liên hệ giữa nhiệt độ không khí $T$ và độ ẩm tương đối $RH$: $\alpha(T, RH) = \frac{a \cdot T}{b + T} + \ln(RH)$ và $T_d = \frac{b \cdot \alpha(T, RH)}{a - \alpha(T, RH)}$ với các tham số $a = 17,27$ và $b = 237,7^\circ\text{C}$.
- Lý thuyết phân bố áp suất buồng kín: Khảo sát hiện tượng gián đoạn nhiệt độ tại mặt phẳng áp suất không (Neutral Pressure Plane - NPP) nhằm xác định vị trí ranh giới giữa vùng áp suất dương và vùng áp suất âm trong khe hở buồng sấy.
- Lý thuyết điều khiển đa biến và điều khiển dự báo: Ứng dụng ma trận hàm truyền đạt cho hệ MIMO, kỹ thuật thiết kế bộ tách kênh bù trước (Decoupling Feedforward) để khử tương tác chéo, cùng nguyên lý tối ưu hóa hàm mục tiêu toàn phương trên cửa sổ dự báo hữu hạn của phương pháp MPC (bao gồm các thuật toán MAC, DMC, GPC và MPC trong không gian trạng thái).
Phương pháp nghiên cứu thực tế kết hợp giữa khảo sát thực nghiệm và mô phỏng số:
- Khảo sát thực tế các thông số hình học, chế độ công nghệ và cấu hình điều khiển buồng sấy tại Công ty Giấy Bãi Bằng.
- Xây dựng mô hình toán học giải tích thông qua việc thiết lập các phương trình vi phân phi tuyến mô tả trạng thái nhiệt độ, độ ẩm và áp suất, sau đó tuyến tính hóa quanh điểm làm việc danh định.
- Công cụ tính toán và mô phỏng: Sử dụng phần mềm MATLAB và Simulink cùng công cụ MPC Toolbox để khảo sát động học hệ thống, thiết kế bộ điều khiển tách kênh và kiểm nghiệm thuật toán MPC tối ưu hóa từng đoạn trong miền thời gian thực.
- Nguồn dữ liệu kiểm chứng: Các thông số kích thước buồng sấy, áp suất hơi, lưu lượng gió cấp, gió hút và độ ẩm giấy thu thập từ dây chuyền xeo giấy Bãi Bằng; các chỉ tiêu kỹ thuật của giấy thành phẩm theo tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam (TCVN).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Độ ẩm của giấy và công nghệ sấy trong dây chuyền xeo
Chương 1 trình bày tổng quan dây chuyền sản xuất giấy công nghiệp, phân tích vai trò của độ ẩm và khảo sát các phương pháp sấy hiện hành. Quy trình công nghệ bao gồm các công đoạn: xử lý nguyên liệu (tre nứa, gỗ băm mảnh), nấu bột bằng phương pháp sunphat có thu hồi hóa chất (3 nồi nấu hình trụ đứng, chu kỳ nấu 240 phút, năng suất 150 tấn/ngày), rửa sàng bột qua 4 máy rửa lọc chân không (kích thước lô đường kính $d = 3,5\text{ m}$, chiều dài $4,5\text{ m}$), tẩy trắng bột bằng hóa chất $\text{Cl}_2$, kiềm hóa và $\text{NaCl}$ để đạt độ trắng 74 - 78%, nghiền bột và phối trộn phụ gia (cao lanh, nhựa thông, phèn). Bột giấy sau đó đi vào hòm phun bột với nồng độ khoảng 1%, qua bộ phận lưới hình thành tờ giấy (độ ẩm giảm xuống 80%), qua bộ phận ép gồm 3 tổ ép (độ ẩm giảm còn 50 - 60%), trước khi đi vào hệ thống buồng sấy.
| STT |
Tên chỉ tiêu chất lượng |
Đơn vị tính |
Mức chỉ tiêu |
Phương pháp thử |
| 1 |
Định lượng chuẩn |
$\text{g/m}^2$ |
52; 55; 58; 60; 70; 80 |
TCVN 1270 |
|
Sai số cho phép: $52 \div 58 \text{ g/m}^2$ |
$\text{g/m}^2$ |
$\pm 1$ |
|
|
Sai số cho phép: $58 < 70 \text{ g/m}^2$ |
$\text{g/m}^2$ |
$\pm 1$ |
|
|
Sai số cho phép: $70 \div 120 \text{ g/m}^2$ |
$\text{g/m}^2$ |
$\pm 2$ |
|
| 2 |
Độ chặt không nhỏ hơn |
$\text{kg/m}^3$ |
660 |
TCVN 3652 |
| 3 |
Độ ẩm |
$%$ |
$(5 \div 7) \pm 1%$ |
TCVN 1867 |
| 4 |
Độ trắng không nhỏ hơn |
$%$ |
84 |
TCVN 1865 |
| 5 |
Độ hút nước không nhỏ hơn |
$\text{g/m}^2$ |
30 |
TCVN 6726 |
| 6 |
Độ đục không nhỏ hơn |
$%$ |
$76 \div 81$ |
TCVN 6728 |
| 7 |
Độ nhám trung bình không lớn hơn |
$\text{ml/phút}$ |
350 |
TCVN 3226 |
| 8 |
Độ tro không nhỏ hơn |
$%$ |
$8 \div 10$ |
TCVN 1864 |
| 9 |
Chỉ số bền kéo trung bình hai hướng không nhỏ hơn |
$\text{Nm}$ |
33 |
TCVN 1862 |
| 10 |
Độ bụi không lớn hơn |
$\text{ppm}$ |
20 |
TCVN 1868 |
| 11 |
Keo bề mặt (nếu có) |
$%$ |
$2 \div 3$ |
TCVN 7069 |
Hệ thống sấy chia làm hai giai đoạn: buồng sấy thứ nhất đưa độ ẩm từ 50% xuống 5 - 7%, sau đó giấy qua khâu ép keo bề mặt làm độ ẩm tăng lên khoảng 20%, rồi đi vào buồng sấy thứ hai để hạ độ ẩm về 5% trước khi qua ép quang và cuộn. Tín hiệu độ ẩm được đo quét liên tục bằng thiết bị Scanner trong hệ thống điều khiển chất lượng (QCS) chia thành điều khiển dọc máy (MD) và ngang máy (CD).
Công suất nhiệt cấp cho lô sấy hơi được xác định theo phương trình cân bằng:
$$Q = W_s C_{ps} T_s$$
Trong đó lưu lượng hơi bão hòa $W_s$ qua van điều chỉnh phụ thuộc vào độ mở van $m%$ và độ giảm áp $\Delta P = P_N - P_L$:
$$W_s = C_v m% \sqrt{\Delta P}$$
Hệ thống cấp hơi được phân thành các nhóm lô với lượng đặt chênh áp tuân theo hàm tỷ lệ $f_n = k_n r + m_n$. Đối với khâu sấy đối lưu, phương pháp truyền thống hồi lưu khí thải làm tăng độ ẩm không khí buồng sấy, đẩy điểm sương lên cao và cản trở bay hơi. Phương pháp hiện đại thổi trực tiếp gió nóng qua các hộp vòi phun vào hai mặt giấy kết hợp các bộ trao đổi nhiệt HRU (thu hồi nhiệt) và HEU (gia nhiệt bằng hơi), cho phép tách biệt các mạch vòng điều khiển nhiệt độ gió nóng, cân bằng gió ZL và nhiệt độ điểm sương.
Phương trình cân bằng khối lượng tổng quát của băng giấy chuyển động qua lô sấy:
$$m_p \frac{d\gamma}{dt} = w_p \gamma_1 - w_p \gamma - w_{bh}$$
Tốc độ bay hơi trên một đơn vị diện tích:
$$q_{bh} = \frac{K M_w p_{tot}}{R_g T_p} \ln \left(\frac{p_{tot} - p_{v,a}}{p_{tot} - p_{v,p}}\right)$$
Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát:
$$m_p (\gamma + 1) C_p \frac{dT_{p2}}{dt} = Q_p + w_p (1 + \gamma_1) C_p (T_{p1} - T_{p2}) + w_{bh} C_p T_{p2} - w_{bh} \Delta H_b$$
Với nhiệt dung riêng quy đổi $C_p = \frac{C_{p,f} + \gamma C_{p,w}}{1 + \gamma}$, nhiệt dung riêng của sợi khô $C_{p,f} = 1256\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$ và nhiệt ẩn hóa hơi $\Delta H_{bh} = 2260\text{ kJ/kg}$.
Chương 2. Động học và điều khiển quá trình sấy giấy
Chương 2 đi sâu xây dựng mô hình toán học động học cho từng mạch vòng chức năng trong buồng sấy. Chu trình sấy trên một lô được phân rã thành 4 giai đoạn vật lý:
- Giai đoạn 2: Giấy tiếp xúc với bề mặt lô và bị chăn ép sát, không có mặt thoáng nên lưu lượng bốc hơi $w_{bh} \approx 0$. Giấy nhận nhiệt công suất $Q = K_{T1} A_1 \eta (T_m - T_p)$, nhiệt độ giấy tăng nhanh nhất.
- Giai đoạn 1 và 3: Giấy rời chăn sấy, xuất hiện mặt thoáng bốc hơi vào không khí buồng sấy ($w_{bh1}$), giấy vẫn nhận nhiệt dẫn từ bề mặt lô, nhiệt độ và độ ẩm bắt đầu giảm.
- Giai đoạn 4: Băng giấy chuyển động giữa hai tầng lô, nhận nhiệt đối lưu từ gió nóng thổi qua vòi phun công suất $Q = K_{T2} A_2 \eta (T_G - T_p)$. Tốc độ thoát ẩm tại giai đoạn này đạt giá trị lớn nhất.
Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy tiếp nhận hai tín hiệu điều khiển: biến thiên áp suất hơi rơi trên lô $\Delta P^$ (tác động vào kênh chính $G_{p1}$) và lưu lượng gió nóng cấp $\Delta W_{a1}^$ (tác động vào kênh $G_{p2}$). Hai nguồn nhiễu chính tác động vào mạch vòng gồm nhiễu độ ẩm đầu vào $\Delta \gamma_1$ và nhiễu xen kênh từ nhiệt độ điểm sương $\Delta T_d$ thông qua hàm truyền $G_{Td\gamma}$.
Động học quá trình cân bằng gió vào - ra (Zero Level) thiết lập điểm áp suất không NP tại vị trí mặt trên lô dưới nhằm ngăn chặn không khí lạnh ($W_{kk}$) lọt vào vùng sấy. Sự chênh lệch lưu lượng giữa quạt cấp ($W_{a1}$) và quạt hút ($W_{a2}$) xác định cao độ mặt phẳng áp suất không $h_1, h_2$ theo quan hệ tỷ lệ dòng chảy. Tại vùng áp suất âm gần NP xuất hiện một lớp gián đoạn nhiệt độ đột biến. Luận án thiết kế thuật toán nhận dạng vị trí NPP bằng cách so sánh độ chênh lệch nhiệt độ giữa 4 cảm biến bố trí dọc theo khe hở thành buồng sấy: $\Delta T_1 = T_n - T_{n-1}$, $\Delta T_2 = T_{n+1} - T_n$, và $\Delta T_3 = T_{n-1} - T_{n-2}$. Phương trình cân bằng khối lượng và phương trình áp suất tại khe gió khảo sát được thiết lập:
$$\frac{dm}{dt} = W_{a1} + W_{bh} + a W_{kk} - W_{a2}$$
$$\frac{dp}{dt} = \frac{R T}{M V} \left( W_{a1} + W_{bh} + a W_{kk} - W_{a2} \right) = \frac{1}{\tau} \left( W_{a1} + W_{bh} + a W_{kk} - W_{a2} \right)$$
Trong đó đại lượng điều khiển là lưu lượng gió cấp $W_{a1}$ thông qua quạt thổi, các đại lượng $W_{a2}$, $W_{bh}$ và $W_{kk}$ đóng vai trò là nhiễu.
Đối với mạch vòng nhiệt độ điểm sương ($T_d$), biến thiên nhiệt độ không khí buồng sấy được mô tả qua phương trình cân bằng năng lượng:
$$m C \frac{dT}{dt} = W_{a1} C_a T_{a1} + W_{bh} C_n T_p - W_{a2} C_a T$$
Nhiệt độ điểm sương được duy trì thấp hơn nhiệt độ không khí trung bình trong buồng từ $15 \div 20^\circ\text{C}$ bằng cách điều chỉnh lưu lượng quạt hút $W_{a2}$. Kết quả mô phỏng độc lập trên MATLAB/Simulink cho thấy khi chịu tác động của bước nhảy lượng đặt $\Delta T_d = \pm 10%$ và nhiễu độ ẩm $\Delta \gamma_1 = 25%$, các mạch vòng đơn biến đều xuất hiện độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ kéo dài do ảnh hưởng của liên kết chéo.
Chương 3. Hệ điều khiển đa biến buồng sấy giấy
Chương 3 giải quyết bài toán tương tác xen kênh giữa các mạch vòng. Trên cơ sở phân tích cấu trúc hệ thống, buồng sấy giấy được mô hình hóa dưới dạng hệ đa biến MIMO với các biến điều khiển đầu ra (CV) gồm: độ ẩm giấy $\gamma$, điểm áp suất không ZL và nhiệt độ điểm sương $T_d$; các tín hiệu tác động điều khiển (MV) gồm: độ mở van áp suất hơi $\Delta P$, lưu lượng quạt thổi $W_{a1}$ và lưu lượng quạt hút $W_{a2}$.
Do mạch vòng điều khiển Zero Level có hằng số thời gian phản ứng rất nhỏ so với quán tính nhiệt ẩm và tác động trực tiếp của $W_{a1}$ lên ZL có tính chất cục bộ, luận án tiến hành rút gọn đối tượng về hệ đa biến hai đầu vào - hai đầu ra ($2 \times 2$) có xét tới hai nguồn nhiễu chính:
- Tín hiệu điều khiển: $u_1 = \Delta P$ (hơi sấy) và $u_2 = W_{a2}$ (gió hút).
- Biến đầu ra cần điều khiển: $y_1 = \gamma$ (độ ẩm giấy) và $y_2 = T_d$ (nhiệt độ điểm sương).
- Nhiễu tác động: nhiễu độ ẩm đầu vào $\Delta \gamma_1$ và biến thiên điểm sương đặt $\Delta T_d^*$.
Mô hình toán học của hệ thống được chuyển đổi về hệ đa biến dạng chuẩn:
$$\begin{bmatrix} y_1(s) \ y_2(s) \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} G_{11}(s) & G_{12}(s) \ G_{21}(s) & G_{22}(s) \end{bmatrix} \begin{bmatrix} u_1(s) \ u_2(s) \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} G_{d1}(s) \ G_{d2}(s) \end{bmatrix} \Delta \gamma_1(s)$$
Trong đó các hàm truyền kênh chéo $G_{12}(s)$ và $G_{21}(s)$ thể hiện ảnh hưởng rõ rệt của gió hút lên độ ẩm và ảnh hưởng của công suất sấy hơi lên nhiệt độ điểm sương.
Để triệt tiêu ảnh hưởng xen kênh, luận án thiết kế bộ điều khiển tách kênh bằng các khâu bù trước Feedforward có ma trận truyền đạt $D(s)$:
$$D_{12}(s) = -\frac{G_{12}(s)}{G_{11}(s)}, \quad D_{21}(s) = -\frac{G_{21}(s)}{G_{22}(s)}$$
Hệ thống sau khi ghép thêm bộ tách kênh được phân rã thành hai mạch vòng đơn biến độc lập giả định. Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink cho thấy:
- Khi có sự thay đổi đột ngột điểm đặt nhiệt độ điểm sương $\Delta T_d = \pm 10%$, mạch vòng độ ẩm giấy trong hệ thống có bộ tách kênh gần như không bị dao động, loại bỏ được hiện tượng biến động chéo xuất hiện ở hệ kinh nghiệm.
- Khi xuất hiện nhiễu độ ẩm giấy đầu vào $\Delta \gamma_1 = 25%$, bộ điều khiển tách kênh giúp rút ngắn thời gian quá độ của độ ẩm giấy về giá trị đặt danh định, đồng thời duy trì ổn định điểm sương buồng sấy.
Chương 4. Thiết kế điều khiển MPC cho buồng sấy giấy
Chương 4 nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển dự báo mô hình (Model Predictive Control) nhằm nâng cao chất lượng bám quỹ đạo và xử lý các ràng buộc vật lý của cơ cấu chấp hành trong buồng sấy. Luận án điểm lại các thuật toán MPC tuyến tính tiêu biểu: thuật toán điều khiển thuật toán mô hình (MAC), điều khiển ma trận động (DMC), và điều khiển dự báo tổng quát (GPC) dựa trên mô hình CARIMA.
Ban đầu, tác giả ứng dụng bộ điều khiển GPC sẵn có trong MPC Toolbox của MATLAB/Simulink để mô phỏng điều khiển hệ thống buồng sấy. Kết quả cho thấy thuật toán GPC tiêu chuẩn đáp ứng tốt với các thay đổi điểm đặt nhưng đòi hỏi khối lượng tính toán ma trận tương đối lớn và khó can thiệp trực tiếp vào cấu trúc tối ưu hóa theo thời gian thực khi có trễ lớn.
Để khắc phục nhược điểm trên, luận án đề xuất cấu trúc điều khiển dự báo theo phương pháp tối ưu hóa từng đoạn trong miền thời gian (Piecewise Optimization Time-Domain MPC). Thuật toán chia quá trình tính toán trên cửa sổ dự báo thành các phân đoạn thời gian kế tiếp, thực hiện giải bài toán quy hoạch toàn phương (Quadratic Programming - QP) với kích thước ma trận rút gọn cho từng đoạn, từ đó tìm chuỗi tín hiệu điều khiển tối ưu $\Delta u(k)$ thỏa mãn các ràng buộc về biên độ và tốc độ thay đổi của van hơi và quạt gió:
$$J = \sum_{j=1}^{N_p} \left| y(k+j|k) - r(k+j) \right|{Q}^2 + \sum{j=0}^{N_c-1} \left| \Delta u(k+j|k) \right|{R}^2$$
Dưới các ràng buộc: $u{min} \le u(k) \le u_{max}$ và $\Delta u_{min} \le \Delta u(k) \le \Delta u_{max}$.
Mô hình buồng sấy trong miền thời gian thực được xây dựng và mô phỏng trên Simulink. Các kịch bản kiểm chứng gồm:
- Tác động của nhiễu độ ẩm đầu vào $\Delta \gamma_1 = 25%$: Bộ điều khiển MPC tối ưu hóa từng đoạn giúp độ ẩm đầu ra nhanh chóng trở về giá trị đặt danh định ($5 \div 7%$) mà không gây quá điều chỉnh lớn trên áp suất hơi cấp cho lô sấy.
- Tác động của thay đổi giá trị đặt nhiệt độ điểm sương $\Delta T_d = \pm 10%$: Hệ thống duy trì bám chính xác giá trị đặt điểm sương, đồng thời triệt tiêu độ lệch tĩnh của độ ẩm giấy nhanh hơn đáng kể so với bộ điều khiển PID tách kênh ở Chương 3.
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới về mặt lý luận khoa học và thực tiễn kỹ thuật của luận án bao gồm:
- Đóng góp về mặt lý luận:
- Xây dựng hoàn chỉnh hệ phương trình vi phân mô tả động học truyền nhiệt và truyền khối của băng giấy chạy qua lô sấy trong điều kiện kết hợp đồng thời sấy hơi tiếp xúc và sấy gió đối lưu, chi tiết hóa cho 4 giai đoạn nhiệt động trên một lô sấy.
- Thiết lập mô hình toán học giải tích mô tả quá trình cân bằng gió vào - ra (Zero Level) dựa trên đặc tính gián đoạn nhiệt độ tại mặt phẳng áp suất không (NPP), cung cấp cơ sở toán học để xác định trạng thái cân bằng áp suất khe buồng sấy.
- Mô hình hóa động học nhiệt độ điểm sương buồng sấy kết hợp công thức Magnus và phương trình cân bằng công suất nhiệt vi phân, làm rõ bản chất tác động xen kênh giữa môi trường sấy và tốc độ bay hơi của giấy.
- Đề xuất thuật toán điều khiển dự báo MPC theo phương pháp tối ưu hóa từng đoạn trong miền thời gian thực, cho phép giảm độ phức tạp tính toán so với các thuật toán MPC truyền thống khi áp dụng cho đối tượng có quán tính lớn và nhiều biến liên kết.
- Đóng góp về mặt thực tiễn:
- Phân tích định lượng bản chất xen kênh giữa các mạch vòng điều khiển trong hệ thống sấy công nghiệp, giúp các kỹ sư vận hành hiểu rõ cơ chế tương tác và tác động của các nguồn nhiễu, từ đó đưa ra nguyên tắc chỉnh định tham số vận hành chuẩn xác hơn.
- Đề xuất cấu trúc điều khiển đa biến tách kênh Feedforward và bộ điều khiển MPC định hướng ứng dụng trực tiếp trên hệ thống điều khiển phân tán (DCS) tại các nhà máy giấy, góp phần ổn định chất lượng độ ẩm giấy thành phẩm, giảm thiểu sự cố đứt băng giấy và tiết kiệm năng lượng hơi bão hòa tiêu thụ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Văn bản luận án nêu ra một số giới hạn trong phạm vi thực hiện:
- Mô hình động học buồng sấy được xây dựng dựa trên giả thiết nhiệt độ gió nóng cấp vào từ bộ trao đổi nhiệt HEU đã được ổn định độc lập trước khi vào buồng sấy.
- Các mô hình đa biến phục vụ thiết kế bộ tách kênh và MPC được tuyến tính hóa quanh điểm làm việc danh định của một loại sản phẩm giấy cụ thể, chưa bao quát toàn bộ đặc tính phi tuyến trên toàn dải định lượng từ 52 đến 80 $\text{g/m}^2$.
- Thuật toán MPC tối ưu hóa từng đoạn mới được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink, chưa được nạp và chạy thực nghiệm trực tiếp trên phần cứng PLC/DCS công nghiệp tại hiện trường nhà máy xeo.
Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả kiến nghị:
- Triển khai cài đặt thuật toán MPC tối ưu hóa từng đoạn trên hệ thống điều khiển phân tán DCS thực tế của dây chuyền xeo tại Công ty Giấy Bãi Bằng để đánh giá độ tin cậy trong môi trường sản xuất liên tục.
- Mở rộng cấu trúc điều khiển để kết hợp đồng thời bài toán điều khiển độ ẩm dọc máy (Machine Direction - MD) với bài toán điều khiển phân bố độ ẩm ngang máy (Cross Direction - CD) sử dụng hệ thống nhiều đầu phun gió vi sai.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng:
- Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Cung cấp phương pháp luận chi tiết về việc xây dựng mô hình toán học giải tích cho các quá trình công nghệ nhiệt - ẩm phức tạp, kỹ thuật tuyến tính hóa hệ phi tuyến và quy trình thiết kế các bộ điều khiển đa biến MIMO (tách kênh và MPC).
- Giảng viên chuyên ngành Tự động hóa: Sử dụng làm học liệu tham khảo cho các môn học Điều khiển quá trình, Điều khiển đa biến và Điều khiển tối ưu. Chương 2 và Chương 3 là minh chứng điển hình về việc phân rã đối tượng vật lý thực tế thành sơ đồ khối điều khiển.
- Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật ngành giấy: Cung cấp các công thức tính toán công suất sấy, lưu lượng hơi, phương pháp phát hiện mặt phẳng áp suất không (Zero Level) bằng cảm biến nhiệt độ khe gió, và phương pháp cài đặt thông số nhiệt độ điểm sương để tối ưu hóa năng lượng buồng sấy.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao trong buồng sấy giấy không thể chỉ điều khiển công suất cấp hơi bão hòa mà bắt buộc phải kiểm soát đồng thời nhiệt độ điểm sương và Zero Level?
Nước trong giấy bay hơi vào không khí phụ thuộc vào độ chênh lệch áp suất thành phần của hơi nước giữa bề mặt giấy và không khí xung quanh. Nếu nhiệt độ điểm sương trong buồng sấy tăng cao sát nhiệt độ không khí buồng, không khí sẽ bão hòa ẩm khiến nước không thể bốc hơi tiếp, thậm chí ngưng tụ tạo thành hiện tượng giọt ẩm rơi xuống băng giấy. Ngược lại, nếu điểm sương quá thấp, nước bốc hơi mất kiểm soát làm giấy quá khô và dễ bốc cháy. Ngoài ra, việc duy trì Zero Level (cân bằng gió vào - ra) giúp tạo ra mặt phẳng áp suất trung hòa tại khe hở, ngăn không khí lạnh bên ngoài lọt vào làm giảm hiệu suất nhiệt hoặc thổi gió nóng ẩm ra khu vực nhà xưởng.
2. Điểm không áp suất (Zero Level / NPP) trong buồng sấy được xác định và giám sát bằng phương pháp vật lý nào?
Tại ranh giới mặt phẳng áp suất không (NP), áp suất bên trong bằng áp suất khí quyển. Ngay dưới mặt phẳng này tồn tại một lớp gián đoạn nhiệt độ có bước nhảy nhiệt đột biến. Luận án khai thác hiện tượng này bằng cách bố trí 4 cảm biến nhiệt độ ($T_{n+1}, T_n, T_{n-1}, T_{n-2}$) tại khe gió cạnh buồng sấy để giám sát 3 hiệu nhiệt độ: $\Delta T_1 = T_n - T_{n-1}$, $\Delta T_2 = T_{n+1} - T_n$, và $\Delta T_3 = T_{n-1} - T_{n-2}$. Vị trí có hiệu nhiệt độ cực đại sẽ chỉ thị chính xác vị trí của mặt phẳng áp suất không NPP.
3. Hệ thống điều khiển buồng sấy giấy trong luận án sử dụng các biến vào và biến ra nào để thiết lập cấu trúc đa biến?
Hệ thống xác lập 3 biến cần điều khiển (đầu ra - CV) gồm: độ ẩm giấy $\gamma$, điểm áp suất không ZL, và nhiệt độ điểm sương $T_d$. Ba biến tác động điều khiển (đầu vào - MV) gồm: biến thiên áp suất hơi rơi trên lô sấy $\Delta P$, lưu lượng gió nóng cấp $W_{a1}$ (quạt thổi), và lưu lượng gió ẩm hút ra $W_{a2}$ (quạt hút). Khi rút gọn về hệ $2 \times 2$, hai biến điều khiển chính là $\Delta P$ và $W_{a2}$, hai biến đầu ra là $\gamma$ và $T_d$, với hai nguồn nhiễu chính là độ ẩm giấy đầu vào $\Delta \gamma_1$ và lượng đặt điểm sương $\Delta T_d^*$.
4. Phương pháp sấy đối lưu kết hợp thổi gió nóng trực tiếp có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp sấy đối lưu truyền thống?
Phương pháp truyền thống hòa trộn không khí khô với khí thải hồi lưu từ buồng sấy làm tăng độ ẩm tỷ lệ của khí cấp, đẩy nhiệt độ điểm sương lên cao và hạn chế tốc độ bay hơi của giấy. Phương pháp hiện đại sử dụng các bộ thu hồi nhiệt HRU và trao đổi nhiệt HEU riêng biệt để cấp gió nóng khô thổi trực tiếp qua các vòi phun lên bề mặt giấy, vừa tận dụng được nhiệt thải mà không làm tăng độ ẩm khí cấp, giúp tiết kiệm tới 40% lượng hơi bão hòa và cho phép tăng tốc độ máy xeo lên 1,2 lần.
5. Bộ điều khiển MPC tối ưu hóa từng đoạn trong miền thời gian giải quyết vấn đề gì mà bộ điều khiển PID truyền thống không đáp ứng được?
Bộ điều khiển PID đơn biến truyền thống không xét đến tính chất xen kênh giữa áp suất hơi và lưu lượng gió hút, dẫn đến hiện tượng dao động kéo dài khi thay đổi điểm đặt hoặc khi có nhiễu độ ẩm đầu vào lớn ($\Delta \gamma_1 = 25%$). Bộ điều khiển MPC tối ưu hóa từng đoạn sử dụng mô hình dự báo trạng thái tương lai của đối tượng, chủ động tính toán chuỗi tác động điều khiển tối ưu đồng thời cho cả hai kênh, xử lý trực tiếp các ràng buộc vật lý về độ mở van và công suất quạt, giúp triệt tiêu dao động chéo và rút ngắn thời gian xác lập trạng thái cân bằng.
Kết luận
Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Trần Kim Quyên đã giải quyết bài toán điều khiển chất lượng sấy giấy bằng việc tích hợp mô hình hóa động học nhiệt - ẩm đa biến với các kỹ thuật điều khiển hiện đại. Công trình làm rõ bản chất vật lý của quá trình sấy hơi kết hợp sấy gió đối lưu, xây dựng thành công mô hình toán học cho các thông số môi trường then chốt gồm Zero Level và nhiệt độ điểm sương. Việc đề xuất giải pháp tách kênh Feedforward và thuật toán điều khiển dự báo MPC tối ưu hóa từng đoạn trong miền thời gian đã khắc phục triệt để các hạn chế dao động do xen kênh của hệ PID đơn biến, mang lại cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật tin cậy để nâng cao chất lượng điều khiển và tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp sản xuất giấy.
