Nghiên cứu phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định độ ẩm của giấy

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI VĂN BÌNH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP
NHIỀU LÔ SẤY NHẰM NÂNG CAO MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘ ẨM
CỦA GIẤY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2015


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI VĂN BÌNH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP NHIỀU LÔ
SẤY NHẰM NÂNG CAO MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘ ẨM CỦA GIẤY

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60 52 02 16
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN VĂN CHÍ
PHÒNG QUẢN LÝ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

THÁI NGUYÊN – 2015

Trang 2


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Bùi Văn Bình
Sinh ngày

tháng

năm

Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH 01 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại :
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phương pháp điều khiển phối
hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định độ ẩm của giấy” do thầy
giáo TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài liệu
tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2015

Học viên

Bùi Văn Bình

Trang 3


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận
tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Nghiên cứu
phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định
độ ẩm của giấy ” đã được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái
Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác
giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2015
Tác giả

Bùi Văn Bình

Trang 4


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

3

LỜI CẢM ƠN

4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

7

LỜI NÓI ĐẦU

8

Chương 1

GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH SẤY TRONG CÔNG
NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY

1.1

Cấu hình của các lô sấy trong công đoạn sấy khô

12

1.2

Hệ thống hơi và nước ngưng

13

1.3

Mạch vòng điều khiển độ ẩm

15

1.4

Các nhiễu loạn tác động lên phần sấy khô

19

1.5

Cách tính toán độ ẩm của giấy

19

1.6

Kết luận chương 1

20

Chương 2
2.1

MÔ HÌNH HỆ THỐNG SẤY KHÔ

Mô hình hệ thống hơi và nước ngưng

21

2.1.1 Cấu trúc mô hình hộp đen – hàm truyền IPZ

21

2.1.2 Điều khiển PID cho mạch vòng điều khiển hơi

23

2.1.3 Điều khiển phản hồi trạng thái

31

2.1.4 Mô hình hai cực của áp suất hơi

35

2.2

37

Mô hình vật lý của lô sấy

2.2.1 Mô hình của một lô sấy

37

2.3

45

Kết luận chương 2

Chương 3
3.1

ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ẨM CỦA GIẤY TRONG PHẦN
SẤY KHÔ

Mô hình của phần sấy khô

46

3.1.1 Mô hình động học của áp suất hơi bão hòa đi vào trong lô sấy

47

3.1.2 Mô hình hệ thống thổi khí

48

3.2

Phương pháp Mid-Ranging

48

3.3

Điều khiển ổn định độ ẩm của giấy sử dụng Mid-ranging của hệ thống khí

51

Trang 5


3.3.1 Thiết kế mô hình và điều khiển

51

3.3.2 Kết quả mô phỏng

54

3.4

56

Kết luận chương 3

Chương 4

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TẠI CÔNG TY GIẤY
HVT

4.1

Giới thiệu về hệ thống seo của công ty HVT

57

4.2

Nhận dạng mô hình hệ thống hơi đưa vào lô sấy

59

4.3

Kết quả điều khiển độ ẩm

61

4.4

Kết luận chương 4

63

Kết luận chung của luận văn

64

TÀI LIỆU THAM KHẢO

66

Trang 6


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

IPZ

Intergator Pole Zero

Quá trình có một khâu tích
phân, một điểm cực và một
điểm không

PPZ

Pole- Pole Zero

Quá trình có hai điểm cực và
một điểm không

IMC

Internal Model Control

Điều khiển dựa trên mô hình
nội

HVT

Công ty cổ phần giấy Hoàng
Văn Thụ

CD

Crossing Direction

Hướng ngang của máy

MD

Machine Direction

Hướng dọc theo máy

PID

Proportional Integral Derivative
Controller

Bộ điều khiển PID

PI

Proportional Integral Controller

Bộ điều khiển PI

Trang 7


LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Giấy đóng một vai trò rất quan trọng trong cuộc sống vì giấy được sử dụng
trong hầu hết các sản phẩm của con người. Công nghệ sản xuất giấy là một
công nghệ ít có sự thay đổi, mục đích của hệ thống máy tạo ra giấy là tạo giấy
và hút nước ra khỏi giấy để tạo ra giấy khô với độ ẩm được xác định trước
tương ứng với từng loại giấy khác nhau. Do đó độ ẩm là một thông số rất quan
trọng, có thể nói là quan trọng nhất trong quá trình sản xuất giấy. Công đoạn
sấy giấy để đạt độ ẩm cần thiết cũng là công đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng
nhất trong quá trình sản xuất giấy. Đối với các nhà máy sản xuất giấy thậm chí
cả một công ty lớn, việc xây dựng một hệ thống máy sản xuất giấy mới là một
khoản đầu tư rất lớn, do vậy việc tìm kiếm những giải pháp để nâng cao vấn đề
ổn định độ ẩm luôn được đặt ra trong thực tiễn. Việc nâng cao độ ổn định
thông qua các giải pháp điều khiển được cài đặt trong các hệ thống sản xuất
giấy đã có sẽ cung cấp những hiệu quả về mặt kinh tế cũng như chất lượng
giấy, có thể kể đến như sau:
 Khi độ ẩm của giấy thay đổi nhiều (không ổn định) có thể ảnh hưởng
bất lợi đến đến các công đoạn xử lý tiếp theo như máy cán, máy tráng
bóng, các dây chuyền đóng gói, thậm chí ảnh hưởng đến cả chất lượng
in. Trong suốt quá trình sản xuất, độ ẩm của giấy luôn luôn được đo và
theo dõi liên tục. Giấy sẽ bị loại bỏ nếu độ ẩm của giấy không nằm
trong phạm vi cho phép. Điều chỉnh độ ẩm sao cho ổn định và ít thay
đổi theo yêu cầu sẽ cho phép lượng giấy bị loại bỏ ít hơn, năng lượng

sử dụng sẽ ít hơn và qua đó chất lượng giấy cũng sẽ được tăng lên rất
nhiều.
 Việc giảm thiểu sự thay đổi độ ẩm sẽ dẫn tới việc giảm thiểu tác động
điều chỉnh, qua đó các cơ cấu chấp hành sẽ vận hành trơn tru và có độ
bền cao hơn.
Trang 8


 Giấy có độ ẩm ổn định, dẫn tới khối lượng sẽ ổn định và do đó giá bán
của một lô giấy cũng sẽ ổn định hơn (vì giấy được bán theo khối
lượng).
 Độ ẩm của giấy ổn định sẽ tiết kiệm được nguyên nhiên liệu, ví dụ như
một nhà máy có công suất 1000 tấn giấy/ ngày, nếu giảm được 0.1%
dao động độ ẩm thì sẽ tiết kiệm được 365 tấn nguyên liệu thô mỗi năm
[1].
 Muốn tăng số lượng sản xuất giấy thì giải pháp thường dùng là tăng
tốc độ của máy seo, tuy nhiên phần sấy khô bao giờ cũng là điểm
nghẽn vì yêu cầu ổn định nhanh độ ẩm, do đó nếu phần sấy khô được
điều chỉnh ổn định độ ẩm tại tốc độ cao thì sẽ đẩy năng xuất của cả hệ
thống lên rất nhiều.
Một số phương pháp nhằm điều khiển ổn định độ ẩm của giấy trong những
năm vừa qua với việc áp dụng lý thuyết điều khiển như phương pháp sử dụng
bộ lọc Kalman và điều khiển tối ưu [3]. Ngày nay với đặc điểm là sử dụng
máy tính để điều khiển, nên việc sử dụng các lý thuyết điều khiển hiện đại đã
được áp dụng cho bài toán điều khiển ổn định độ ẩm ví dụ như bộ điều khiển
thay đổi cực tiểu [4], bộ điều khiển tự chỉnh[5][6]. Tuy nhiên những phương
pháp kể trên đây đều sử dụng chung một mô hình cho tất cả các lô sấy trong
toàn bộ quá trình(mà thực chất các lô sấy kế tiếp nhau sẽ có mô hình khác nhau
phụ thuộc vào độ ẩm của giấy có được từ lô sấy trước nó), và chưa kể đến ảnh
hưởng của đồng thời cả áp suất hơi vào các lô sấy và áp suất của hơi khí nén

tới các cơ cấu chấp hành. Chính vì vậy việc tìm ra mô hình của từng lô sấy kế
tiếp nhau sẽ cho phép có được giải pháp điều khiển ổn định độ ẩm một cách tốt
hơn [1]..
2. Mục tiêu nghiên cứu
-

Mục tiêu chung

Trang 9


Hiện nay trong công nghệ sản xuất giấy thì vấn đề điều khiển ổn định độ ẩm
của giấy ở công đoạn sấy đang là bài toán điều khiển mang tính thời sự và cấp
bách. Điều khiển ổn định độ ẩm qua nhiều lô sấy để đạt được độ ẩm của giấy
sau khi ra khỏi phần sấy nhằm mục đích đảm bảo chất lượng của giấy cũng như
tiết kiệm được năng lượng khi sấy đặc biệt là khi lô sấy chạy ở tốc độ cao
(>200 mét/phút). Như phần tổng quan đã nói, đối với một nhà máy giấy có
công suất 1000 tấn giấy mỗi ngày nếu độ ẩm thay đổi không ổn định trong
khoảng 0.1% theo khảo sát thì sẽ tiêu tốn thêm một lượng nhiên liệu là 365
tấn/năm. Trong nhiều năm qua, đa số nhiệt độ của các lô sấy được điều chỉnh
bằng tay cho từng lô sấy theo một đường cong kinh nghiệm nào đó và sự
chuyển tiếp nhiệt độ giữa các lô sấy thường không ổn định do phụ thuộc vào
tốc độ, chất lượng nguyên liệu đầu vào, độ dày của giấy, nhiệt độ môi trường
và quan trọng hơn nữa đó là mô hình truyền nhiệt của từng lô sấy ở từng chất
độ làm việc khác nhau dẫn tới độ ẩm của giấy không ổn định. Do vậy việc
nghiên cứu một phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm đảm bảo
ổn định nhiệt độ của giấy qua đó nâng cao chất lượng độ ẩm của giấy và tiết
kiệm nhiên liệu gia nhiệt là một yêu cầu mang tính thời sự và cấp bách hiện
nay. Với các vấn đề như đã nêu, mục tiêu nghiên cứu của đề tài nhằm: Tìm một
phương pháp điều khiển kết hợp nhiều lô sấy nhằm ổn định độ ẩm của giấy qua

đó nâng cao chất lượng của giấy và tiết kiệm nhiên liệu cho công đoạn gia
nhiệt phần sấy.
-

Mục tiêu cụ thể
 Xác định cấu hình của các thành phần trong công đoạn sấy khô, các
nhiễu loạn tác động lên phần sấy khô


Xây dựng mô hình hệ thống hơi và nước ngưng, mô hình của một lô
sấy.

 Áp dụng chiến lược điều khiển Mid- Ranging để điều khiển ổn định độ
ẩm của giấy thông qua điều khiển phối hợp cả áp suất đặt và điều khiển
lượng khí thổi vào buồng máy nhằm kiểm soát tốt hơn sự thay đổi của
độ ẩm.
Trang 10


-

Các kết quả trong luận văn

 Nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống sấy nhiều lô sấy, qua đó xác định các
biến điều khiển ổn định độ ẩm của mô hình
 Nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định độ ẩm của giấy cho mô hình hệ
thống sấy nhiều lô sấy
 Cài đặt thử nghiệm tại Công ty Cổ phần giấy Hoàng Văn Thụ - TP Thái
Nguyên
3. Nội dung của luận văn

Luận văn thực hiện các nội dung sau:
 Xác định cấu hình của các lô sấy trong công đoạn sấy khô, tìm hiểu hệ
thống hơi và nước ngưng, mạch vòng điều khiển độ ẩm và các nhiễu
loạn tác động lên phần sấy khô


Xây dựng mô hình hệ thống hơi và nước ngưng, mô hình của một lô
sấy sử dụng mô hình IPZ. Cấu hình điều khiển PID và bộ điều khiển hia
bậc tự do cho mô hình IPZ nhằm ngăn chặn độ quá điều chỉnh.

 Xây dựng mô hình của phần xấy khô, mô hình động học của áp suất hơi
đi vào trong lô sấy, mô hình hệ thống thồi khí. Áp dụng chiến lược điều
khiển Mid- Ranging để điều khiển ổn định độ ẩm của giấy thông qua
điều khiển phối hợp cả áp suất đặt và điều khiển lượng khí thổi vào
buồng máy nhằm kiểm soát tốt hơn sự thay đổi của độ ẩm.
Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chương với bố cục như sau:
Chương 1: Giới thiệu về quá trình sấy trong công nghệ sản xuất giấy
Chương 2: Mô hình hệ thống sấy khô
Chương 3: Điều khiển độ ẩm của giấy trong phần sấy khô
Chương 4: Kết quả thực nghiệm tại công ty giấy HVT
Phần cuối là kết luận chung của đề tài.

Trang 11


Chương 1

GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH
SẤY TRONG CÔNG NGHỆ SẢN
XUẤT GIẤY

1.1 Cấu hình của các lô sấy trong công đoạn sấy khô
Cách đơn giản nhất để bốc hơi nước ra khỏi màng giấy là sử dụng nhiệt ẩn
có trong hơi quá nhiệt. Sử dụng hơi quá nhiệt đưa tới các lô sấy là một phương pháp
hiệu quả để sấy khô giấy, năng lượng sử dụng ở phương pháp này được chứng minh
là có giá rẻ hơn ¼ so với các phương pháp khác, ngoài ra phương pháp này còn có
một ưu điểm như mức độ độc hại thấp, dễ dàng vận chuyển và khả năng mang nhiệt
cao. Vì phần lớn lượng nhiệt tạo ra được tồn tại dưới dạng nhiệt ẩn cho nên lượng
nhiệt lớn có thể truyền một cách hiệu quả tại một nhiệt độ bằng hằng số nào đó, đây
là một phương thức dùng phổ biến không những trong ngành giấy mà còn trong rất
nhiều ngành công nghiệp khác. Mặt khác, khi hơi quá nhiệt sau khi đã đi qua quá
trình công nghệ, lượng nhiệt còn lại vẫn có thể tận dụng được để chạy máy phát
điện tự dùng, sau đó quay trở lại gia nhiệt thêm và bắt đầu một chu trình sinh công
mới, điều này làm giảm chi phí tổng thể của quá trình sản xuất.
Giấy có độ ẩm cao được dẫn qua một loạt các lô sấy như Hình 1-1, có 2 loại
gồm hệ thống lô sấy một lớp và hệ thống lô sấy hai lớp[1]..

Hình 1-1 Mô hình của hệ thống lô sấy một lớp (bên phải) và hai lớp (bên trái)

Khi hơi quá nhiệt đi vào các lô sấy, nó sẽ giải phóng năng lượng nhiệt qua các lỗ
trên bền mặt của lô sấy và ngưng tụ thành nước, nước ngưng được đưa quay trở lại
nồi hơi. Hơi quá nhiệt được dẫn tới các lô sấy ở phần sau của máy (được gọi là mặt
điều khiển), và nước ngưng được lấy ở phần mặt trước của máy (được gọi là mặt
Trang 12


vận hành). Đối với một số máy sản xuất giấy, đặc biệt là máy có công suất lớn,
nước ngưng được lấy ra từ hai mặt. Việc tháo nước ngưng có một vai trò quan trọng
quyết định đến việc truyền nhiệt của các lô sấy, qua đó cho thấy sự cần thiết phải
dẫn một số lượng hơi quá nhiệt nhất định đi qua các ống truyền cùng nhau với phần

nước ngưng.

1.2

Hệ thống hơi và nước ngưng
Mục đích của hệ thống hơi và nước ngưng là cung cấp một khối lượng hơi cụ

thể vào trong các lô sấy và lấy lại từ đó phần nước ngưng. Các lô sấy trong phần sấy
khô được chia thành các nhóm sấy khác nhau, thông thường có từ 5 đến 10 nhóm
sấy. Áp suất của hơi quá nhiệt được đưa vào các nhóm sấy khác nhau được điều
khiển theo một giản đồ dọc theo chiều dài của toàn bộ phần sấy, từ nhóm sấy đầu
tiên đến nhóm sấy cuối cùng [1]..
Ống dẫn hơi quá nhiệt
Các ống dẫn hơi quá nhiệt
vào 6 lô sấy

Lô sấy 6

Lô sấy 5

Lô sấy 4

Lô sấy 3

Lô sấy 2

Lô sấy 1

Ống nước ngưng

Hình 1-2 Mô hình của hệ thống sấy và nước ngưng

Vì hơi bên trong các lô sấy có thể coi là bão hòa vì nó có sự ngưng tụ liên tục
tại vách của các lô sấy, đó là một mối liên quan trực tiếp giữa áp suất hơi và nhiệt
độ của hơi. Đối với hầu hết các lớp giấy, áp suất hơi sấy khô sẽ tăng dần dần theo
các lý do về khả năng và giới hạn vận hành.

Trang 13


Ống dẫn hơi quá nhiệt

Nhóm sấy B

Nhóm sấy A

Đưa tới hệ thống trữ
nước ngưng

Bể chứa B

Bể chứa A

Hình 1-3 Minh họa hệ thống điều khiển nước ngưng

Theo một cách đơn giản nhất, cách để đưa hơi quá nhiệt đến các nhóm sấy
khác nhau là có thể dẫn tất cả hơi quá nhiệt từ đầu phân phối hơi nước và tháo trực
tiếp xuống bộ ngưng tụ nước. Hình 1-3 mô tả một hệ thống điều khiển nước ngưng
đơn giản với 02 nhóm sấy. Việc xả hơi nước từ nhóm sấy A và hơi giãn nở (khi
nước ngưng tụ gặp áp suất thấp trong bình ngưng, nó bốc hơi và tạo ra hơi mới gọi

là hơi giãn nở) từ bể chứa A được dẫn tới nhóm sấy B, nhóm sấy B làm việc tại một
áp suất thấp hơn. Bộ điều khiển PC2 điều chỉnh độ mở van và qua đó thêm vào một
lượng hơi từ đầu phân phối hơi nước nhằm duy trì áp suất mong muốn của nhóm
sấy B. Điều này có nghĩa là phải cực tiểu hóa sai lệch áp suất giữa nhóm sấy A và
nhóm sấy B. Sai lệch áp suất này phụ thuộc vào điểm vận hành và các đặc điểm của
máy. Sai lệch áp suất giữa hai nhóm sấy được điều chỉnh bởi bộ điều khiển PDC,
trong Hình 1-3, nhóm B có áp suất thấp nhất trong hệ thống và qua đó bể chứa B
phải xả hơi tới bộ ngưng tụ. Nhóm sấy có điểm vận hành cao hơn ấp suất khí quyển
và phải có bộ ngưng tụ để đảm bảo trong bể ngưng có áp suất thấp hơn..

Trang 14


Bộ bù nhiệt

Nhóm sấy

Tới bộ ngưng tụ

Bể chứa

Hình 1-4 Minh họa hệ thống điều khiển nước ngưng

1.3

Mạch vòng điều khiển độ ẩm
Để điều khiển chất lượng của giấy, người ta sử dụng hệ thống điều khiển chất

lượng (QCS – quality control system), QCS được chia thành 2 phần cho hai chiều
riêng biệt, phần dọc theo máy (MD – machine direction control) và phần ngang máy

(CD – Cross direction control). Kỹ thuật truyền thống là đo các tín hiệu của MD và
CD bằng cách quét trên giấy sử dụng một cảm biển. Cảm biến được gắn vào đế của
máy quét và di chuyển qua lại theo chiều ngang của tờ giấy như hình vẽ sau [1].:

Hình 1-5 Cơ cấu di chuyển cảm biến qua lại ngang tờ giấy

Phụ thuộc vào tốc độ của máy mà đường quét của cảm biến có hình zig – zag như
Hình 1-6 Điều đó có nghĩa là sự thay đổi của các đại lượng đo theo CD và MD được

tổ hợp cùng nhau trên đường này.
Trong tài liệu [10] các tác giả sử dụng thuật toán bình phương cực tiểu để ước lượng
các địa lượng đo theo CD và sử dụng bộ lọc Kalman để xác định các thành phần
theo MD, tiếp theo các tác giả trong tài liệu [11] đã đề xuất quỹ đạo cảm biến quét
theo hình ellipe bằng cách thay đổi tốc độ quét của cảm biến hoặc sử dụng 02 cảm
Trang 15


biến chuyển động theo hai hướng ngược nhau để tăng chất lượng ước lượng các đại
lượng CD và MD.

Hình 1-6 Đường quét zig zag của cảm biến tạo thành trên tờ giấy

Như đã đề cập ở trên, mục tiêu của các phép đo các đại lượng MD và CD là
phục vụ cho bài toán điều khiển, bài toán điều khiển độ ẩm MD sẽ được thực hiện
bằng cách thay đổi áp suất của hơi trong phần sấy khô. Để đánh giá chất lượng của
giấy đối với các biến cần điều khiển người ta sử dụng các đại lượng thống kê như
chỉ tiêu 2 hoặc độ lệch chuẩn. Tất cả các cuộn giấy khi sản xuất ra đều có bản báo
cáo về chỉ tiêu 2 CD và 2 MD đối với độ ẩm và khối lượng của giấy. Hình vẽ sau
minh họa độ thay đổi của độ ẩm và khối lượng của giấy trong thực tế, trong đó giá
trị đặt của độ ẩm là 4.3%, của khối lượng là 80g/m2, chỉ tiêu 2 của độ ẩm là

Khối lượng (g/m2)

Độ ẩm (%)

0.056% và của khối lượng là 0.3g/m2.

Thời gian (s)

Hình 1-7 Sự thay đổi độ ẩm và khối lượng của giấy
Trang 16


Những giá trị trên là những giá trị trung bình của toàn bộ cuộn giấy khi sản
xuất ra. Khi điều khiển, để đảm bảo chất lượng của giấy người ta dùng các chỉ tiêu
này. Giá trị đặt của độ ẩm và khối lượng thường không thay đổi và được duy trì
bằng hằng số trong một khoảng thời gian dài. Cấu trúc của mạch vòng điều khiển áp
suất như Hình 1-8, trong đó máy quét sẽ quét lần lượt độ ẩm của giấy của từng nhóm
sấy, tín hiệu này gửi tới bộ điều khiển áp suất của hơi nóng đưa vào nhóm sấy tương
ứng. Giá trị đặt tương ứng cua áp suất hơi được tính toán và thực hiện mạch vòng
điều khiển, các giá trị đặt này sẽ khác nhau đối với từng nhóm sấy[1]..

Nhóm
sấy 1

Nhóm
sấy 2

Nhóm
sấy 3

Nhóm
sấy 4

Nhóm
sấy 5

Nhóm
sấy 6

Máy
quét

Hướng máy

Giá trị đặt của áp suất hơi

Hình 1-8 Cấu trúc của vòng điều khiển độ ẩm sử dụng 01 máy quét và có 06 nhóm sấy

Nhóm
sấy 1

Nhóm
sấy 2

Nhóm
sấy 3

Nhóm
sấy 4

Nhóm
sấy 5

Nhóm
sấy 6

Hình 1-9 Giá trị đặt của áp suất hơi đưa vào từng nhóm sấy

Các giá trị đặt này được tính toán một cách tối ưu, P là lượng khác nhau
giữa áp suất mong muốn giữa các nhóm sấy, lượng này phụ thuộc vào tốc độ máy

Trang 17


seo, kiểu ống truyền nước, kích thước ống ngưng tụ và ống dẫn hơi, thông thường
P = 50kPa.
Vì hệ thống sấy được chia thành các nhóm khác nhau, do vậy hệ thống là
MISO, nhiều đầu vào (áp suất hơi đưa vào từng nhóm sấy) và một đầu ra là độ ẩm
của giấy. Nói cách khác hệ thống sấy có nhiều bậc tự do. Theo cách truyền thống, tất
cả các bộ điều khiển áp suất hơi của từng nhóm sấy sẽ được điều khiển bám theo
một tín hiệu giống nhau. Bộ điều khiển áp suất sẽ tính toán áp suất đặt cho một
nhóm nào đó, được gọi là nhóm dẫn chính, các nhóm còn lại áp suất đặt sẽ được tính
toán theo một công thức tỷ lệ với áp suất đặt của nhóm dẫn chính. Như ở Hình 1-8
và Hình 1-9, nhóm sấy 5 là nhóm dẫn chính, nó có áp suất cao nhất, nhóm này nhận
giá trị áp suất đặt từ bộ điều khiển áp suất, giá trị đặt của các nhóm còn lại được tính
toán từ giá trị đặt của nhóm sấy 5 như Hình 1-10.

Hình 1-10 Nguyên lý xác định giá trị đặt của áp suất hơi đưa vào từng nhóm sấy

Trong đó các hàm tính toán f() được xác định như sau:

fn = kr r + mn , 0 < kn £ 1, mn = 0 hoặc kn = 1, mn £ 0

(1.1)

với r là giá trị đặt của nhóm sấy 5, n là số thứ tự của nhóm sấy.
Hệ thống điều khiển độ ẩm gồm 02 mạch vòng cascade. Mạch vòng trong là
mạch vòng điều khiển áp suất hơi sấy cho các nhóm sấy, được thực hiện chủ yếu
bằng luật điều khiển PI hoặc PID, mạch vòng ngoài là mạch vòng xác định áp suất
hơi sấy đặt từ độ ẩm mong muốn, thông thường mạch vòng này sử dụng bộ điều

Trang 18


khiển bù hằng số thời gian chết, thường dùng phương pháp điều khiển theo mô hình
nội. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển độ ẩm như Hình 1-11.
Độ ẩm
đặt

Áp suất hơi
sấy đặt

Áp suất hơi
thực
Hệ thống hơi

Độ ẩm thực
Nhóm sấy

Hình 1-11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển độ ẩm

1.4

Các nhiễu loạn tác động lên phần sấy khô
Các yếu tố nhiễu loạn tác động lên quá trình điều khiển ổn định độ ẩm của

quá trình sấy có thể kể đến như sau:
 Tốc độ của máy: khi máy seo chạy càng nhanh, tốc độ bay hơi càng nhanh,
do đó độ ẩm thay đổi nhanh
 Độ dầy của giấy (trọng lượng giấy): giấy có độ dày lớn, quá trình bốc hơi
nước càng chậm
 Độ ẩm của giấy sau phần tạo giấy trước khi đưa vào quá trình sấy
 Chất lượng giấy, chất lượng giấy càng tốt cho phép quá trình làm khô giấy
càng nhanh
 Chất lượng bột giấy
 Độ căng của lưới seo

1.5

Cách tính toán độ ẩm của giấy
Độ ẩm của giấy thông thường được đánh giá bằng công thức sau:

w=

100mwc
%
mwc + mds

(1.2)

trong đó mwc là khối lượng của nước trong giấy và mds là khối lượng của giấy khô.
Đây là công thức thường các nhân viên KCS trong nhà máy dùng để xác định độ ẩm
của giấy khi sản xuất ra. Ngoài ra người ta cũng có thể dùng tỷ số
Trang 19


u=

mwc
kg / kg
mds

(1.3)

tỷ số này thường sử dụng trong kỹ thuật hóa học và cũng dùng để mô hình hóa phần
sấy khô. Quan hệ giữa hai công thức trên như sau

w=
1.6

w
100u
,u =
1+u
100 - w

(1.4)

Kết luận chương 1

Trong chương 1, tác giả luận văn đã nghiên cứu về cấu hình của các lô sấy

trong công đoạn sấy khô, hệ thống hơi và nước ngưng, mạch vòng điều khiển độ ẩm
của giấy. Cách đánh giá độ ẩm và khối lượng của giấy theo hao chiều CD và MD sử
dụng các chỉ tiêu 2 hoặc độ lệch chuẩn. Các hàm tính toán giá trị đặt cho từng
nhóm sấy được xác định thông qua giá trị đặt của nhóm dẫn chính để điều khiển ổn
định nhiệt độ thông qua điều chỉnh áp suất hơi đưa vào từng nhóm sấy. Chương 1
cũng xác định một số các nhiễu loạn tác động lên phần sấy khô làm ảnh hưởng đến
độ ẩm của giấy khi điều khiển.

Trang 20


Chương 2

2.1

MÔ HÌNH HỆ THỐNG SẤY KHÔ

Mô hình hệ thống hơi và nước ngưng

2.1.1 Cấu trúc mô hình hộp đen – hàm truyền IPZ
Phần này ta sẽ sử dụng cấu trúc mô hình hộp đen để biểu diễn mô hình áp
suất của hơi quá nhiệt trong một lô sấy dựa trên dữ liệu đáp ứng bước nhảy của hệ.
Kết quả này sẽ dùng để phân tích hệ kín khi sử dụng một số bộ điều khiển khác
nhau. Từ các thực nghiệm trên một số lượng máy sản xuất giấy công nghiệp khác
nhau, sản xuất một số lượng lớn các loại giấy khác nhau, ta có thể mô tả mô hình
động học giữa van điều khiển luồng hơi quá nhiệt và áp suất. Mô hình này có một
khâu tích phân, một điểm cực và một điểm không, chính vì vậy người ta gọi là mô
hình IPZ. Hình 2.1 sau mô tả đường đặc tính quan hệ giữa vị trí của van (tính bằng

%) và áp suất của luồng hơi (tính bằng kPa), mô hình IPZ được biểu diễn như sau:

GIPZ = K v

(1 + sT ) e
s (1 + sT )
1

-s t

,T1 > T2

(2.1)

2

trong đó T1 > T2 cỡ từ 5 đến 50 lần, khi đó hàm truyền có thể được coi là một khâu
tích phân nối tiếp với một khâu vượt trước. Chính điều này tạo nên đặc tính của hệ
hở đối với kích thích có dạng bước nhảy như Hình 2-1, khác với phần lớn các đặc
tính trong công nghiệp thường được xấp xỉ bởi khâu bậc nhất hoặc khâu tích phân có
thêm thành phần trễ.

Trang 21


Áp suất (kPa)
Vị trí của van (%)

Hình 2-1 Đáp ứng của áp suất khi vị trí van thay đổi dạng bước nhảy, quan hệ biểu diễn
xấp xỉ theo (2.1) với kv = 0.0027,T1 = 58,T2 = 3.1, t = 2.0

Hình 2-2 mô tả đáp ứng hệ hở của nhóm sấy thứ hai trong hệ thống gồm 9

nhóm sấy, mỗi nhóm chứa 6 lô sấy, trọng lượng cơ bản của giấy là 246g/m2 và

Vị trí của van (%)

Áp suất (kPa)

thành phần độ ẩm đặt là 7.5%.

Hình 2-2 Đáp ứng của hệ hở, quan hệ biểu diễn xấp xỉ theo (2.1) với

kv = 0.0020,T1 = 73,T2 = 21, t = 1.0

Trang 22


Để xác định các thông số của mô hình IPZ (2.1) ta dùng phương pháp nhận
dạng quá trình sử dụng đáp ứng bước nhày. Hình vẽ sau đây mô tả đáp ứng bước

Áp suất (kPa)

nhảy để xác định các tham số kv ,T1,T2, t

Thời gian (s)

Hình 2-3 Đáp ứng bước nhảy của mô hình IPZ với kv = 0.01,T1 = 220,T2 = 20, t = 0

Trước hết ta kẻ hai đường tiếp tuyến tại t = 0, đường q1(t ) và đường tiếp
tuyến tại t = , đường q 2 (t ) . Giả thiết rằng bước nhảy đầu vào có giá trị là u 0 , độ

dốc của q1(t ) là k1 và của q2 (t ) là k2 . Hai đường

q1(t ) và k1 gặp nhau tại

điểm (t0, y 0 ) , ta có

kv =

k2
y
,T1 = 0 ,T2 = t0
u0
k2

(2.2)

Thời gian trễ t được xác định giống như các phương pháp xác định mô hình
từ đáp ứng bước nhảy của khâu quán tính bậc nhất có trễ.

2.1.2 Điều khiển PID cho mạch vòng điều khiển hơi
Cấu trúc luật điều khiển PID, dưới dạng lý tưởng được viết là

Trang 23


k
uc (t ) = kc (br (t ) - y(t )) + c
Ti

t

ò (r (x) - y(x))d x + k T

c d

0

d
(gr (t ) - y(t )) (2.3)
dt

trong đó uc (t ) là tín hiệu điều khiển, y(t ) là đầu ra của quá trình, r (t ) là giá trị đặt
và kc ,Ti ,Td , b, g là các tham số của bộ điều khiển. Chuyển (2.3) sang biểu diễn trên
miền toán tử Laplace ta có

æ
ö
æ
ö
1
1
C FF (s ) = kc çççb +
+ gTds ÷÷÷,C c (s ) = kc ççç1 +
+ Tds ÷÷÷
÷ø
÷ø
çè
Ts
Ts
èç

i
i

(2.4)

Cấu trúc hệ điều khiển như sau:
CFF(s)

Cc(s)

Hình 2-4 Cấu trúc điều khiển PID cho mạch vòng điều khiển hơi

Trong thực tế, thành phần D được thay thế bằng một bộ lọc thông thấp, do đó
bộ điều khiển PID được viết lại thành

æ
ö÷
æ
çç
çç
÷÷
gTds ÷
Tds
çç
ç
1
1
÷÷,C c (s ) = kc çç1 +
+
+

C FF (s ) = kc çb +
çç
çç
T ÷
T
Ts
Ts
i
i
çç
çç
1 + d s ÷÷÷
1+ d
è
è
N ø
N

ö÷
÷÷
÷÷ (2.5)
÷÷
s ÷÷÷
ø

trong đó N được chọn từ 2 đến 20. Mục đích của việc thêm vào thành phần D một
bộ lọc thông thấp là để ngăn ngừa việc khuếch đại các thành phần nhiễu bậc cao ảnh
hưởng đến hệ thống.
Để xét đáp ứng của hệ kín, ta giả thiết hệ thống có một khâu tích phân, hay

1
P (s ) = Pg (s )
s

(2.6)

với
Trang 24


Pg (s ) ¹ 0,

lim sPg (s ) = 0

(2.7)

s 0

Vì

E (s ) = R(s ) -Y (s ) = (1 - Gry (s )) R(s ) = Gre (s )R(s )

(2.8)

trong đó Gry (s ),Gre (s ) lần lượt là hàm truyền giá trị đặt tới đầu ra của quá trình và
hàm truyền từ giá trị đặt tới sai lệch quá trình. Quan hệ giữa chúng như sau:

æ
ö1
1

kc çççb +
+ gTds ÷÷÷ Pg (s )
÷ø s
çè
Ts
i
Gre (s ) = 1 - Gry (s ) = 1 æ
ö1
1
1 + kc ççç1 +
+ Tds ÷÷÷ Pg (s )
÷ø s
çè
Ts
=

(

)

i

(

(2.9)

)

2
+ kc Ts

+ 1 + TT
+ 1 + gTT
Ts
s 2 Pg (s ) - kc bTs
s 2 Pg (s )
i
i
i d
i
i d

(

)

2
+ kc Ts
+ 1 + TT
Ts
s 2 Pg (s )
i
i
i d

Do đó, thành phần tích phân của sai lệch điều khiển của hệ khi t tiến đến vô
cùng là
¥

1
Gre (s )

s 0 s 2
Ts
+ (1 - b + (1 - g )Tds ) Pg (s )kcTi
i
= lim
= (1 - b )Ti
2
2
s 0
Ts
+ kc Ts
+ 1 + TT
s Pg (s )
i
i
i d

ò e(t )dt = lim s
0

(

(2.10)

)

Khi b = 1 , thành phần tích phân của sai lệch điều khiển bằng 0, như vậy
đương nhiên là hệ thống có quá điều chỉnh, như vậy khi b > 1 sẽ có quá điều
chỉnh, do đó giới hạn của b = 1 thông thường được chọn là

0 £ b £1

(2.11)

Hơn nữa thành phần tích phân của sai lệch điều khiển cũng sẽ phụ thuộc vào
hệ số khuếch đại của bộ điều khiển, kc trong công thức (2.10). Hình vẽ sau đây
minh họa đáp ứng bước nhảy của hệ kín điển hình khi sử dụng bộ điều khiển PID
cho hệ thống điều khiển hơi và đáp ứng tần số của hệ.

Trang 25