ĐIỀU KHIỂN tối ưu QUÁ TRÌNH đa BIẾN TRONG CÔNG NGHIỆP lọc hóa dầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHẠM THỊ THANH LOAN

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN
TRONG CÔNG NGHIỆP LỌC HÓA DẦU

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 62.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2015


Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Tự động hóa, Khoa Cơ - Điện,
trường Đại học Mỏ - Địa chất.

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Minh Sơn
PGS.TS. Nguyễn Đức Khoát

Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Doãn Phước – Đại học Bách khoa Hà Nội
Phản biện 2: PGS.TS. Đào Văn Tân – Đại học Thành Đô Hà Nội
Phản biện 3: TS. Phạm Trung Phước – Hội Khoa học và Công nghệ Mỏ
Việt Nam

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại
Trường đại học Mỏ - Địa chất vào hồi…..giờ… ngày… tháng… năm…..

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội

hoặc Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất


DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN

1. Phạm Thị Thanh Loan, Thiết kế cấu trúc điều khiển cho quá trình đa biến, Tạp chí Tự
động hóa ngày nay, số 91, tháng 3 - 2008.
2. Phạm Thị Thanh Loan, Phan Thị Mai Phương, Điều khiển tách kênh hệ đa biến, Báo
cáo tại hội nghị khoa học lần thứ 19, Trường Đại học Mỏ - Địa chất năm 2010.
3. Phạm Thị Thanh Loan, Nguyễn Thanh Lịch, Xây dựng bài toán điều khiển tối ưu ứng
dụng trong công nghiệp, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở, đề tài hỗ trợ nghiên cứu
sinh năm 2010, Mã số: N2010-38.
4. Phạm Thị Thanh Loan, Điều khiển dự báo theo mô hình mẫu, Tạp chí Tự động hóa
ngày nay, số 136, tháng 4-2012.
5. Phạm Thị Thanh Loan, Nguyễn Thanh Lịch, Điều khiển dự báo theo mô hình mẫu
tháp chưng cất, Báo cáo tại hội nghị Khoa học lần thứ 20, Trường Đại học Mỏ-Địa chất
năm 2012.
6. Nguyễn Thanh Lịch, Phạm Thị Thanh Loan, Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển
tháp chưng cất, Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 4 – 2013.
7. Phạm Thị Thanh Loan, Phan Thị Mai Phương, Nghiên cứu nâng cao hiệu quả tháp
chưng cất với bộ điều khiển dự báo, Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 4-2013.
8. Hoàng Minh Sơn, Phạm Thị Thanh Loan, Nghiên cứu xây dựng mô hình tháp chưng
cất, Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 3-2015.
9. Nguyễn Đức Khoát, Phạm Thị Thanh Loan, Nghiên cứu khảo sát động học tháp chưng
cất dầu khí, Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 3-2015.



1
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Việc nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí vận hành
cho tháp chưng cất đã và đang là sự quan tâm hàng đầu của các nhà
máy lọc dầu, xử lý khí. Các tiêu chí này chỉ có thể đạt được thông qua
việc thiết kế tối ưu và xây dựng hệ thống điều khiển thích hợp cho tháp
chưng cất. Thực tế hiện nay ở Việt Nam hệ thống điều khiển chủ yếu có
cấu trúc điều khiển vòng đơn, đôi khi có kết hợp điều khiển tầng. Độ tin
cậy về chất lượng sản phẩm, tính ổn định của hệ thống không cao vì tồn
tại tương tác chéo giữa các vòng điều khiển, tính kháng nhiễu kém.
Hơn nữa, các nghiên cứu xây dựng mô hình và hệ thống điều khiển cho
tháp chưng cất trong điều kiện Việt Nam còn chưa được đầy đủ. Trước
tình hình này, việc xây dựng mô hình toán, lựa chọn cấu trúc điều khiển
và xây dựng bộ điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng và hiệu
quả kinh tế cho tháp C-02 nói riêng và các tháp khác có chức năng
tương tự mang tính cấp thiết và thời sự.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
- Xây dựng được mô hình toán học cho tháp chưng bao gồm mô
hình tuyến tính, mô hình phi tuyến với các cấu hình khác nhau dựa trên
phương pháp tiếp cận mới. Từ mô hình thu được, phân tích đánh giá lựa
chọn cấu trúc điều khiển phù hợp và thiết kế bộ điều khiển nhằm điều
khiển tối ưu quá trình chưng cất trong công nghiệp lọc hóa dầu và xử lý
khí để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất cho tháp chưng.
3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của luận án
* Đối tượng nghiên cứu: Tháp C-02 của nhà máy xử lý khí Dinh Cố.
* Phạm vi nghiên cứu: Chất lượng sản phẩm và chỉ tiêu vận hành an
toàn trong quá chưng cất khí hóa lỏng.
4. Nội dung nghiên cứu


2

- Tổng quan tháp chưng cất, cơ sở lý thuyết quá trình chưng cất,
các phương pháp xây dựng mô hình tháp chưng cất, các cấu trúc điều
khiển và phương pháp điều khiển tháp chưng cất.
- Xây dựng mô hình toán cho tháp C-02 dựa trên phương pháp lý
thuyết kết hợp số liệu mô phỏng và các số liệu vận hành của tháp, kiểm
chứng mô hình với các số liệu thực tế.
- Nghiên cứu các cấu trúc điều khiển, lựa chọn cấu trúc phù hợp
cho tháp C-02. Mô phỏng với các số liệu vận hành của tháp để khẳng
định giải pháp lựa chọn.
- Nâng cao chất lượng sản phẩm với cấu trúc mới, sử dụng cấu trúc
điều khiển đơn biến-phi tập trung và cấu trúc đa biến-tập trung.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích, tổng hợp các tài liệu, các công trình đã công bố trong
và ngoài nước để xác định mục tiêu của luận án.
- Sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp các số liệu mô phỏng và
số liệu vận hành để xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng cất C02. Sử dụng Matlab và Aspen để mô phỏng hệ thống, lựa chọn cấu trúc
điều khiển phù hợp và đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng sản
phẩm của tháp.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học:
- Đưa ra một cách tiếp cận phù hợp trong việc xây dựng mô hình
toán học cho các quá trình đa biến, kết hợp sử dụng phương pháp lý
thuyết, phần mềm mô phỏng và số liệu thực nghiệm.
- Phát triển phương pháp tính toán cấu trúc điều khiển tối ưu, xác
định các cặp biến vào/ra cho quá trình đa biến áp dụng cho một đối
tượng cụ thể là tháp chưng cất C-02.
* Ý nghĩa thực tiễn:


3

- Việc xây dựng mô hình cho tháp chưng cất dựa trên phương pháp
tiếp cận mới cho phép rút ngắn thời gian nghiên cứu cũng như tối thiểu
chi phí cho hoạt động này. Cải tiến cấu trúc điều khiển, nếu áp dụng có
thể đưa chế độ điều khiển tự động vào thay thế chế độ bằng tay hiện tại.
- Đưa ra giải pháp điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng
sản phẩm có xem xét đến yếu tố chi phí vận hành là ý nghĩa thực tiễn
của đề tài.
- Giải pháp và hướng nghiên cứu sẽ giúp các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật
trong nhà máy xử lý khí, lọc dầu làm chủ công nghệ, hiệu chỉnh tham
số làm việc phù hợp góp phần nâng cao tính ổn định, chất lượng sản
phẩm cho nhà máy.
7. Những kết quả mới
- Xây dựng mô hình cho tháp chưng cất C-02 trên cơ sở cách tiếp
cận mới kết hợp phương pháp lý thuyết, công cụ mô phỏng và số liệu
thực tế. Mô hình cho phép tiến hành các nghiên cứu về chế độ động,
tĩnh và các cấu trúc của tháp nhằm rút ngắn thời gian nghiên cứu cũng
như tối thiểu chi phí cho hoạt động thiết kế và điều khiển tháp chưng.
- Xác định cấu trúc điều khiển thích hợp cho tháp C-02 trên cơ sở
kháng nhiễu thông qua kiểm nghiệm thực tế và phân tích lý thuyết với
sự xem xét các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm.
- Xác định các biến vào/ra từ mô hình thu được và phép phân tích
giá trị suy biến, cải tiến cấu trúc điều khiển với mục tiêu nâng cao chất
lượng sản phẩm cho tháp C-02.
- Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại: điều khiển dự báo
theo mô hình vào điều khiển tháp chưng cất để nâng cao chất lượng cho
tháp C-02.
8. Những luận điểm bảo vệ
- Xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng trên cơ sở phương
pháp tiếp cận mới kết hợp phương pháp lý thuyết, công cụ mô phỏng và

4
số liệu thực tế. Mô hình có ý nghĩa quan trọng, cho phép tiến hành các
nghiên cứu trong cấu trúc và điều khiển nhằm rút ngắn thời gian và
giảm thiểu chi phí.
- Cấu trúc điều khiển thích hợp cho tháp C-02 đã được xác định
thông qua quá trình phân tích dựa trên lý thuyết và số liệu thực tế, cấu
trúc này đảm bảo chất lượng trên cơ sở bù nhiễu.
- Bài toán nâng cao chất lượng sản phẩm cho tháp chưng cất được
giải quyết hiệu quả trên cơ sở thiết kế lại cấu trúc điều khiển hoặc
phương pháp điều khiển hiện đại – điều khiển dự báo theo mô hình
mẫu.
9. Kết cấu luận án
Nội dung luận án được trình bày trong 3 chương với 11 bảng biểu
và 62 hình vẽ bao gồm phần mở đầu, nội dung luận án, kết luận chung
và kiến nghị, danh mục các công trình nghiên cứu khoa học, tài liệu
tham khảo và các phụ lục.
Chương 1: Tổng quan về tháp chưng cất
Chương 2: Xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng cất C-02
Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-02.
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT
1.1. Khái quát về tháp chưng cất
1.2. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất
1.3. Mô hình hóa tháp chưng cất
Phân loại
Các loại mô hình được sử dụng chủ yếu cho tháp chưng cất là mô
hình vật lý và mô hình toán học. Với nhiều ưu điểm, mô hình toán học
được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khảo sát chế độ làm việc và
thiết kế hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất.

5
Phương pháp xây dựng mô hình toán học
Phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm, kết hợp lý
thuyết và thực nghiệm trong đó phương pháp lý thuyết đã được rất
nhiều tác giả công bố [35], [36], [67], [68], [69], [73], [75]. Mô hình
được thiết lập thông qua các phương trình cân bằng năng lượng, cân
bằng vật chất và cân bằng nồng độ thành phần. Mô hình được sử dụng
trong việc:
- Phân tích các chế độ tĩnh, động và khảo sát ảnh hưởng của các
dòng trong tháp đến chất lượng sản phẩm.
- Xây dựng cấu trúc điều khiển và bộ điều khiển.
Các kết quả đạt được trên lý thuyết và thực nghiệm cho thấy các
sản phẩm của tháp đều có độ tinh khiết cao.
Vấn đề tồn tại
Vấn đề chính của việc xây dựng mô hình bằng phương pháp lý
thuyết là độ chính xác của mô hình phụ thuộc rất lớn vào các tham số
ban đầu của tháp. Cho đến nay, trong tất cả các công trình đã công bố
liên quan đến mô hình tháp đều coi như các tham số này đã có sẵn hoặc
phải thu thập từ thực nghiệm [78].
1.4. Điều khiển tháp chưng cất
1.4.1. Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất
1.4.1.1. Khái quát về cấu trúc điều khiển tháp chưng cất
Các tháp chưng cất được xem xét như một đối tượng 5 x 5 [73].

dy ( s )  G 55 ( s )du ( s ) trong đó u, y là các đầu vào và đầu ra.
Thông thường, áp suất được giả thiết được điều khiển chặt bởi VT.
Tổ hợp hai trong 4 biến (L, V, D, B) được sử dụng để điều khiển thành
phần sản phẩm đỉnh và đáy. Sự kết hợp giữa chúng sẽ cho các cấu hình

điều khiển khác nhau của tháp chưng cất [24], [56], [66], [81]. Birky et
al [56] nghiên cứu và tìm ra 3 cấu hình tốt nhất trong số 18 cấu hình đề
xuất. Đó là cấu hình LV, DV và DB.


6

 yD 
L 


 
x
V
B


 
u   D ; y   M D 


 
B
M
 B
 
V 
p 
 T




Hình 1.2. Sơ đồ đặc tả các bài toán điều khiển tháp chưng cất hai
sản phẩm
1.4.1.5. Các đặc điểm của cấu hình điều khiển
Sự khác biệt giữa các cấu hình thể hiện qua: Tính kháng nhiễu,
tương tác giữa các vòng điều khiển, giải pháp điều khiển.
Tính kháng nhiễu
Nguồn nhiễu chính bao gồm: Lưu lượng nguồn cấp, thành phần
nguồn cấp, Enthalpy nguồn cấp (tỷ lệ hơi/lỏng, nhiệt độ), áp suất hơi và
nhiệt độ nước làm lạnh.
Sự khác biệt về tính kháng nhiễu giữa các cấu hình được Skogestad
et al [73] và Waller [81] phân tích một cách chặt chẽ thông qua đặc tính
tần số của hệ số khuếch đại nhiễu vòng kín (Closed-loop disturbance
gains CLDG ) trong trường hợp điều khiển hai điểm.
Tính tương tác giữa các vòng điều khiển
Một khác biệt quan trọng khác giữa các cấu hình là tương tác giữa
các vòng điều khiển khi sử dụng các vòng điều khiển đơn và tính nhạy
cảm với thay đổi đầu vào khi sử dụng phương án tách kênh cho điều
khiển hai điểm [81]. Hệ số khuếch đại tương đối và ma trận khuếch đại
tương đối (Relative Gain Array - RGA) có ứng dụng quan trọng trong
việc phân tích và thiết kế cấu trúc điều khiển phi tập trung.


7
Hệ số khuếch đại tương đối [75]:  ij ( s ) 

yi u j
yi u j

 g ij G 1 ij (1.7)

m j

Hệ số khuếch đại tương đối nói lên mức độ tương tác giữa các kênh
vào/ra. Khi hai kênh điều khiển không có tương tác hai chiều thì  ij  1 ,
còn khi hai kênh có tương tác càng mạnh thì  ij càng khác xa giá trị 1.
Khi uj và yi không có quan hệ gì thì  ij  0 .
Giải pháp điều khiển
Có 3 trường hợp điều khiển nồng độ thành phần tháp chưng cất
[30], [61], [66], [68], [73], [75]:
- Vòng hở: không có bộ điều khiển thành phần
- Điều khiển một điểm: Chỉ một vòng điều khiển được khép kín
- Điều khiển hai điểm: cả hai vòng điều khiển đều được đóng
Trong trường hợp 1 hệ thống gần như không ổn định. Điều khiển
hai điểm là trường hợp hoạt động kinh tế nhất của tháp chưng, tuy
nhiên thường tồn tại một vài tương tác giữa các vòng điều khiển.
Skogestad và M.Morari [75] đã chứng minh hoạt động hiệu quả của cấu
hình LV trong trường hợp này với các vòng điều khiển nhiệt độ đỉnh và
đáy tháp thay cho điều khiển thành phần tháp.
Vấn đề tồn tại trong việc lựa chọn cấu hình điều khiển
Không có một cấu hình đơn nào phù hợp với tất cả các tháp chưng
vì không thể đưa ra được một hệ thống điều khiển giải quyết được các
bài toán điều khiển cho chúng [66].
1.4.2. Phương pháp điều khiển tháp chưng cất
1.4.2.1. Cấu trúc điều khiển đơn biến – phi tập trung
Ưu điểm của cấu trúc đơn biến-phi tập trung là đơn giản, dễ thực
hiện, dễ thay đổi tham số điều khiển. Skogestad et al. [63], Morari,
Lundstrom [61] và nhiều công trình khác ([9], [20], [28]) đã công bố
kết quả tốt khi sử dụng các vòng điều khiển nhiệt độ thay cho điều

8
khiển thành phần trong tháp chưng cất. Tuy nhiên, trong các trường hợp
hệ thống có tính phi tuyến mạnh, tồn tại tương tác lớn giữa các biến,
thời gian trễ lớn, tồn tại các ràng buộc cả đầu vào và ra thì phương án
sử dụng các vòng điều khiển đơn cho chất lượng điều khiển không cao.
1.4.2.2. Cấu trúc điều khiển đa biến-tập trung
Phương pháp điều khiển dự báo (Mode Prediction Control-MPC)
được sử dụng rộng rãi trong bài toán điều khiển thành phần ở cấu trúc
đa biến – tập trung [18], [19], [34], [35], [38], [62], [63], [66], [68],
[74]. Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm đã chứng minh được
chất lượng tốt của MPC so với bộ điều khiển vòng đơn.
1.5. Hoạt động nghiên cứu, khai thác dầu thô và xử lý khí ở Việt
Nam
Mặc dù là một nước xuất khẩu dầu thô lớn, Việt Nam vẫn còn phụ
thuộc vào nhập khẩu các sản phẩm khí hóa lỏng và xăng dầu do thiếu
khả năng lọc dầu [86]. Bên cạnh đó, các nghiên cứu về tháp chưng ở
Việt Nam còn rất hạn chế [3], [4], các nhà máy này đều do nước ngoài
xây dựng và lắp đặt nên việc thiết lập các tham số và lựa chọn phương
án điều khiển tối ưu cho tháp chưng cất rất khó khăn đòi hỏi một
nghiên cứu đầy đủ hơn để giải quyết vấn đề này.
Luận án sẽ tập trung vào một số nghiên cứu dưới đây nhằm giải
quyết một phần vấn đề còn tồn tại trong điều khiển tháp chưng cất hiện
nay ở Việt Nam:
- Xây dựng mô hình toán học cho tháp C-02 của nhà máy xử lý khí
Dinh Cố bằng phương pháp lý thuyết.
- Lựa chọn cấu hình điều khiển phù hợp, lựa chọn cặp biến vào/ra
để phục vụ cho hoạt động điều khiển.
- Đề xuất cấu hình mới cho hệ thống điều khiển phi tập trung; thiết

kế bộ điều khiển MPC trong cấu trúc điều khiển đa biến cho tháp C-02.


9
Chương 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC THÁP CHƯNG CẤT C-02
2.1. Mục đích xây dựng mô hình
Mô hình toán học của tháp C-02 được xây dựng với mục đích:
Khảo sát các chế độ vận hành của tháp; Dự báo các mối quan hệ của hệ
thống thực từ mô hình; Tối ưu hóa thiết kế công nghệ cho quá trình sản
xuất; Lựa chọn cấu hình điều khiển và xây dựng bộ điều khiển cho
tháp; Phân tích, kiểm chứng các kết quả thiết kế; Mô phỏng trên máy
tính phục vụ công tác thiết kế, đào tạo, vận hành.
2.2. Khái quát về tháp C-02
2.2.1. Chức năng và nhiệm vụ của tháp C-02
Nhiệm vụ chính của C-02 là tách riêng Butan và Propan ra khỏi C5+
thành 2 sản phẩm riêng biệt đồng thời ổn định thành phần Condensate
thương phẩm.
2.2.2. Nguyên tắc hoạt đông của cụm tháp ổn định C-02
2.3. Xây dựng mô hình phi tuyến cho tháp C-02
2.3.1. Các giả thiết đơn giản hóa
Các giả thiết đơn giản hóa khi xây dựng mô hình [73]: Áp suất,
nhiệt độ tại mỗi đĩa là đồng nhất; Trữ lượng hơi tại mỗi đĩa không đáng
kể; Thành phần sản phẩm đỉnh tháp được ngưng tụ hoàn toàn; Hỗn hợp
nguyên liệu hai cấu tử; Độ hoá hơi α của các cấu tử không đổi
2.3.2. Các phương trình toán động học
Mô hình tháp chưng cất với đầu ra là nồng độ thành phần được
thiết lập dựa trên các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng nồng
độ thành phần tại tất cả các đĩa trong tháp.
Mô hình tháp chưng cất với đầu ra là nhiệt độ tháp được thiết lập

dựa trên các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng.
2.3.3. Thông số của tháp C02


10
Bảng 2.1. Các thông số sản phẩm của tháp [8].
T (0C)

P (Bar)

Nguồn cấp

68

SP đỉnh
SP đáy

Hỗn hợp phần trăm
C2H6

C3H8

C4H10

C5+

29

1

49.2

29.7

20

43

11

1.2

61.4

36.7

0.7

154

11

0

0.4

1

98.1

Bảng 2.2. Các thông số của tháp [8].
Chiều cao tháp:

24m

Đường kính:

2.14m

Số đĩa Lý thuyết:
Nhiệt độ thiết kế:

23
Chế độ MF:

600C ở đỉnh và 1420C ở đáy

Chế độ GPP:

430C ở đỉnh và 1540C ở đáy

Áp suất thiết kế

12.5Bar

Áp suất làm việc:

11Bar

Thể tích:

83m3

Sử dụng phần mềm Aspen [48], [85] để phân tích và tính toán các
giá trị như , MB, MD, M.

Hình 2.8. Mô hình mô phỏng tháp C02


11
Các kết quả thu được sau khi mô phỏng bao gồm: độ bay hơi tương
đối, trữ lượng đỉnh tháp, trữ lượng đáy tháp, lưu lượng sản phẩm đỉnh,
đáy, lưu lượng hồi lưu, lưu lượng hơi cấp nhiệt, khối lượng phân tử
trung bình, enthalpy pha lỏng, pha hơi trên từng đĩa. Các thông số này
được sử dụng cho việc xác định mô hình toán học cho tháp C-02.
2.3.4. Khảo sát động học của tháp C02

Hình 2.15. Sơ đồ mô phỏng tháp
Đáp ứng của nồng độ sản phẩm tháp

Hình 2.16. Đáp ứng của sản phẩm đỉnh tháp yD với các số liệu vận hành
Kết quả mô phỏng tháp với cấu hình LV và các số liệu vận hành
cho thấy: sản phẩm đỉnh đạt giá trị xác lập là khoảng 0.993 sau thời
gian xấp xỉ 150 phút


yD[phan mol]

12

Hình 2.17. Thay đổi của yD khi F tăng 1% với bộ điều khiển PID
Khi thành phần sản phẩm đỉnh và đáy tháp được điều khiển bởi hai
vòng điều khiển đơn PID (bảng 2.12) thì nồng độ sản phẩm đỉnh tăng
một giá trị là 0.001 và đạt giá trị đặt sau khoảng 50 phút (hình 2.17).
Xác định giá trị xác lập (hình 2.18)

yD[phan mol]

Hình 2.18. Phân bố nồng độ sản phẩm tháp theo chiều cao tháp
Giá trị của nồng độ sản phẩm đỉnh thu được từ kết quả mô phỏng
mô hình và giá trị thực tế ở trạng thái xác lập gần như không có khác
biệt [phụ lục I].
Ảnh hưởng của dòng ngoài (hình 2.21)
Tại trạng thái tĩnh khi tăng L lên 0.1% thì yD tăng từ 0.9931 lên
khoảng 0.9945 và xB tăng thêm khoảng 1.5e-5. Khi tăng V thì ảnh
hưởng lên thành phần sản phẩm gần như tương tự nhưng theo chiều
ngược lại. Đáp ứng của sản phẩm tháp thu được từ mô hình so với kết
quả từ Aspen [phụ lục I] gần như không có khác biệt.


yD[phan mol]

13

Nong do thanh phan[phan mol]

Hình 2.21. Đáp ứng của sản phẩm đỉnh khi thay đổi L và V riêng biệt
Ảnh hưởng của dòng trong (hình 2.22)
Ảnh hưởng lên nồng độ thành phần khi thay đổi L bây giờ nhỏ hơn
khoảng 100 lần Đồng thời tăng L và V khoảng 10%L. Cả hai sản phẩm

đều tinh khiết hơn và động học nhanh hơn (khoảng 2.54 phút).

Hình 2.22. Ảnh hưởng của dòng trong: tăng L và V một giá trị 10% L
Đáp ứng nhiệt độ tháp (hình 2.23)
Nhiệt độ đáy tháp đạt giá trị xác lập là khoảng 409.320K sau thời
gian xấp xỉ 50 phút.

Hình 2.23. Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp


14

.

Hình 2.24. Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp khi F tăng 3%
Khi lưu lượng nguồn cấp F tăng 3% thì nhiệt độ đáy tháp giảm gần 50C.
Bảng 2.7. So sánh kết quả với số liệu thực tế khi F thay đổi [phụ lục I].
%F
Mô hình
Số liệu TT
%F
Mô hình
Số liệu TT

Thay đổi của nhiệt độ tháp (0C) khi F tăng (%)
-0.5
-0.45 -0.42 -0.36
-0.3
-0.22
0.93

0.83
0.78
0.64
0.55
0.48
0.93
0.81
0.78
0.63
0.56
0.48
0.2
0.31
0.35
0.4
0.45
0.48
-0.51 -0.67 -0.72 -0.74 -0.77 -0.81
-0.51 -0.68 -0.71 -0.74 -0.76 -0.82

-0.2
0.41
0.42
0.5
-0.9
-0.9

2.4. Xây dựng mô hình tuyến tính cho tháp C-02
2.4.1. Mô hình với biến đầu ra là nồng độ sản phẩm

 dx
  Ax+Bu+Ed
Mô hình không gian trạng thái:  dt
 y=Cx
Với đầu vào là L, V; đầu ra là yD, xB và nhiễu là F, zF

(2.29)

d x
(2.30)
 Ax  Bu  E d
dt
 0.0761 0.0761
Mô hình tĩnh: G LV   A1  B E   
(2.52)

0.0011

0.001


2.4.2. Mô hình với biến đầu ra là nhiệt độ tháp
Việc xác định cặp đôi biến vào/ra được thực hiện thông qua phép
phân tích SVD (singular value decomposition) [7], [67]. Kết quả phép
phân tích SVD cho các đĩa phần đỉnh và đáy tháp cho thấy phần tử lớn
nhất của ma trận U lần lượt ứng với đĩa thứ 1 và đĩa thứ 21 (từ dưới
Tuyến tính hóa:


15

lên). Như vậy, biến L và V được dùng để điều khiển nhiệt độ tại đĩa thứ
10 và đĩa đáy tháp tương ứng. Mô hình tĩnh:

Nhiệt độ đỉnh [0K]

29.0264 
 -5.2385
 -25.0548 0 
G
;
G


C
*
A
*
E
;
G

d
d

 -20.1011 0 
 -0.1287 298.9948


Kết quả mô phỏng cho hệ thống với hai vòng điều khiển nhiệt độ

0

Nhiệt độ đáy[ K]

Hình 2.27. Đáp ứng của nhiệt độ đỉnh tháp với bộ điều khiển PID

Hình 2.28. Đáp ứng của nhiệt độ đáy tháp với bộ điều khiển PID
2.5. Kết luận
Mô hình toán học gồm mô hình phi tuyến và mô hình tuyến tính
với các cấu trúc khác nhau cho tháp C-02 được xây dựng bằng phương
pháp tiếp cận mới đã đóng góp các kết quả sau:
- Tiết kiệm được thời gian và chi phí cho việc thu thập số liệu vận hành.
- Cung cấp các thông tin quan trọng về đối tượng: các chế độ hoạt
động, chế độ xác lập, chế độ động, đáp ứng động, ảnh hưởng của dòng
trong và dòng ngoài đến nhiệt độ và sản phẩm tháp, dự báo các mối
quan hệ của hệ thống thực từ mô hình.
Kết quả so sánh giá trị thu được từ mô hình và giá trị thực tế cho
thấy việc sử dụng mô hình là hoàn toàn có cơ sở. Mô hình sẽ được tác
giả sử dụng trong phần tiếp theo của luận án để phân tích lựa chọn cấu
trúc điều khiển phù hợp và xây dựng bộ điều khiển cho tháp C-02.


16
Chương 3
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP C-02
3.1. Lựa chọn cấu trúc điều khiển cho tháp C-02
Cấu trúc điều khiển của tháp C-02 được lựa chọn dựa trên các yếu
tố: Tính tương tác giữa các vòng điều khiển; Ảnh hưởng của vòng điều
khiển mức; Tính kháng nhiễu.
3.1.1. Ma trận khuếch đại tương đối RGA

Hàm truyền ở chế độ xác lập của các cấu hình đề cập ở trên:

yD[phan mol]

 0.0761 0.0761
G   A1  B E  ; G LV  
 ; 11  11;
0.0011

0.001


 0.075 0.0751 
G DV  
 ; 11  0.47

0.0011

0.001


 0.0175 0.0307 
G ( L / D )(V / B )  
 ; 11  2.56

0.0149

0.043



3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của vòng điều khiển mức
Ảnh hưởng của vòng điều khiển mức trong cấu hình LV (hình 3.2)

Hình 3.2. Đáp ứng của sản phẩm Hình 3.3. Đáp ứng của sản phẩm tháp
khi tăng V lên 1%
tháp khi F tăng 1%
Cấu hình LV hầu như không phụ thuộc vào sự điều chỉnh mức. Ở
cấu hình DV, trong trường hợp tác động của bộ điều khiển mức chậm,
nồng độ sản phẩm đỉnh có thể có đáp ứng ngược khi tăng V, khi đó
nồng độ sản phẩm đáy có thể sẽ có quá điều chỉnh và gây khó khăn
trong điều khiển.


17

yD[phan mol]

3.1.3. Khảo sát đáp ứng động khi thay đổi lưu lượng nguồn cấp

Hình 3.4. Thay đổi trong sản phẩm đỉnh khi tăng F 1%
Cấu hình (L/D)(V/B) cho đáp ứng tốt nhất với nhiễu lưu lượng
nguồn cấp vì khi tăng F sẽ làm tăng tỷ lệ tất cả các dòng trong tháp, và
sản phẩm hầu như không thay đổi.
3.1.4. Khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu [67]
Khảo sát đặc tính kháng nhiễu của bốn cấu hình khi tăng lưu lượng
nguồn cấp F lên 10% (16.2 + 1.62 [kmol/min]) và tăng thành phần
nguồn cấp zF lên 10% (0.8 + 0.08). Giả thiết nhiễu là tín hiệu dạng hình
sin với tần số ω. Tại tần số đã cho, sự thay đổi lớn nhất trong F (+10%)
sẽ gây ra thay đổi lớn nhất trong yD là 0.007 (trong thực tế).
Hệ số khuếch đại nhiễu vòng kín (CLDG) được sử dụng để phân

tích khả năng điều khiển (đáp ứng của bộ điều khiển với thay đổi của
nhiễu và tương tác giữa các vòng điều khiển) [74].
.

Hình 3.6. Ảnh hưởng của F
lên sản phẩm đỉnh

Hình 3.7. Ảnh hưởng của zF
lên sản phẩm đỉnh


18
Với cấu trúc LV: g d 1 lớn hơn 1 ở khoảng 0.2 [rad/min] (hình 3.6),
nghĩa là để có được khả năng điều khiển thì thời gian đáp ứng vòng kín
của vòng điều khiển sản phẩm đỉnh xấp xỉ 1/0.2 = 5 phút. Tương tự như
thế, trong hình 3.7 thời gian này xấp xỉ 1/0.1 = 10 phút
3.1.6. So sánh giữa các cấu hình
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của các yếu tố tới việc lựa chọn cấu hình
Cấu hình

LV

DV

DB

(L/D)
(V/B)
2.56

λ11
11
0.47
Đáp ứng với F (phút)
5
11.23
10
Đáp ứng với zF (phút)
10
11.8 12.51 13.3
Nhiễu F (+1%) (không điều
0.0051 0.013 0.007 0.0005
Thay
khiển mức)
đổi
Nhiễu F (+1%) (Có điều
của yD 0.005 0.0051 0.002 0.0001
khiển mức)
Kết quả thu được cho thấy: cấu hình LV là phù hợp nhất với đối
tượng tháp C-02 vì:
- Không chịu tác động của vòng điều khiển mức.
- Tương tác giữa các vòng điều khiển nằm trong giới hạn cho phép.
- Thời gian đáp ứng của bộ điều khiển được giải quyết với việc sử dụng
vòng điều khiển nhiệt độ thay cho điều khiển thành phần [73], [68].
3.1.7. Cấu hình L(V/F)
Trong thực tế hiện nay vòng điều khiển sản phẩm đáy tháp đang

yD[phan mol]

phải vận hành ở chế độ Manual vì mức trong bình V-15 luôn không ổn

định.

Hình 3.11. Thay đổi của nồng độ sản phẩm đỉnh khi tăng


19

yD[phan mol]

Tác giả đề xuất phương án sử dụng cấu hình L(V/F) với mục đích
bù nhiễu lưu lượng nguồn cấp để nâng cao chất lượng điều khiển.

yD[phan mol]

Hình 3.12. Thay đổi của yD khi F tăng 1.2% - Cấu hình LV

Hình 3.13. Thay đổi của yD khi F tăng 1.2%-cấu hình L(V/F)
Bảng 3.2. Thay đổi của sản phẩm tháp khi tăng F
Cấu hình

Thay đổi của sản phẩm tháp khi F tăng
1%

5%

10%

20%

50%

-20%
0.003

LV

0.005

0.0055 0.0068

0.007

0.007

DB

0.0051 0.0055 0.0066

0.007

0.007 0.0032

(L/D)(V/B) 0.0001 0.0001 0.0002 0.0002 0.0004 0.0003
L(V/F)
LB

0.0001 0.00011 0.0002 0.00021 0.0003 0.0004
0.0021 0.0111

0.021

0.043

0.07

0.045

3.2. Thiết kế bộ điều khiển cho tháp C-02
3.2.1. Các yêu cầu và mục đích điều khiển
Yêu cầu điều khiển của tháp C-02: điều khiển chất lượng sản phẩm
và điều khiển bảo vệ hệ thống.
3.2.2. Hệ thống điều khiển hiện tại của tháp C-02


20
Cấu trúc điều khiển hiện tại của tháp C-02 là cấu trúc điều khiển
đơn biến phi tập trung với các vòng điều khiển áp suất, lưu lượng, mức,
điều khiển thành phần riêng biệt.

yD[phan mol]

3.2.3. Cấu trúc điều khiển đơn biến

Nong do thanh phan[phan mol]

Hình 3.19. Đáp ứng của sản phẩm tháp khi F tăng 1.2% và zF giảm
6.25% với cấu trúc LV lên 1%

Hình 3.20. Đáp ứng của sản phẩm tháp khi thay đổi giá trị đặt yD từ
0.9931 lên 0.996 ở t = 10

Thay đổi ở lưu lượng nguồn cấp đã không còn ảnh hưởng nhiều tới
chất lượng sản phẩm tháp (hình 3.11) trong cấu trúc L(V/F). Do đó, cấu
trúc này hoàn toàn có thể áp dụng để đưa tháp vào hoạt động ở chế độ
tự động nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và năng suất cho tháp.
3.2.4. Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC)
3.2.4.1. Tình hình nghiên cứu, áp dụng MPC trong điều khiển tháp
chưng
Cho đến nay rất nhiều công trình đã công bố kết quả chất lượng
điều khiển tốt khi sử dụng MPC cho tháp chưng cất [18], [19], [34],
[35], [38], [62], [63], [66], [68], [74], Tuy nhiên, ở nước ta công nghệ


21
MPC vẫn chưa được áp dụng vì nó vẫn còn khá mới mẻ đối với các kỹ
sư Việt Nam.
3.2.4.2. Tổng quan về điều khiển dự báo
3.2.4.3. Xây dựng bộ điều khiển MPC cho tháp chưng cất C-02

y 
F 
L 
Các biến quá trình: u    ; y   D  ; d   
V 
z F 
x B 
Các ràng buộc: 0.997  y D  1; 0.98  x B  1 ; 1  u  1
Ny



2

N u 1

Hàm mục tiêu: J   r( t  j )  y ( t  j ) 2    u( t  i )
j 1

i 0

Mô hình trạng thái gián đoạn [21], [22],[64]:
 xk 1  Аd xk  Bd uk  Ed d k

 yk  Cxk
Giảm bậc mô hình tuyến tính [67]:

 y D 
 F 
 L 
1
1

G
(0)

G
(0)
 x  1   s LV
 V  1   s d  z 
 
 F

 B
c
c

2
2

(3.35)

(3.36)

trong đó c là hằng số thời gian.

0.0761 0.0761
 0.0612 1.2414 
GLV (0)  
G
(0)

;
 d
 0
0 
0.0011 0.001 

Mô hình tương đương trong miền trạng thái:

0 
0
 0.03125


0.0625 0 
dx  0.0057

x
u


d
0.0057 
0
0.001953
0
0
dt  0




0 
 0.01382
y
x

0.01382

0.0029


0 

 0.9979
 0.011 0.001 
 0 0.2117 
Ad  
B

E

;
d
d
 0
 0 0.0134 
0.9979 
0.0002 
 0



- Khi N u , N y nhỏ thì quá trình đáp ứng nhanh. Khi tăng N u , N y thì chất
lượng điều khiển tốt hơn. Tăng N u ,N y đến một giá trị nào đó thì chất
lượng điều khiển không thay đổi nhiều nhưng lại làm tăng khối lượng