Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển phản hồi đầu ra cho quá trình đa biến buồng sấy giấy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
__________________

TRẦN KIM QUYÊN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI ĐẦU RA CHO
QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BUỒNG SẤY GIẤY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
___________________

TRẦN KIM QUYÊN

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. ĐOÀN QUANG VINH

PGS. TS. BÙI QUỐC KHÁNH

Đà Nẵng - Năm 2016


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy giáo
PGS.TS. Bùi Quốc Khánh và Thầy giáo PGS.TS Đoàn Quang Vinh, các Thầy
đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, định hướng, động viên kịp
thời trong suốt thời gian Tác giả thực hiện luận án.
Cảm ơn ban lãnh đạo cùng toàn thể cán bộ viên chức Viện Kỹ thuật điều
khiển và Tự động hóa trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có những trao đổi
về nội dung chuyên môn, cũng như sự tạo điều kiện về cơ sở vật chất, trang
thiết bị để tôi có thể hoàn thành luận án đúng quy định.
Cảm ơn Ban lãnh đạo khoa Điện, bộ môn Điều khiển và Tự động hóa
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã tạo điều kiện thuận lợi để
nghiên cứu sinh tham gia sinh hoạt cùng bộ môn. Đặc biệt, tác giả xin chân
thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo bộ môn Điều khiển và Tự động hóa Trường
Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã dành nhiều thời gian để trao đổi,
góp ý về nội dung của luận án cũng như phương pháp nghiên cứu khoa học
độc lập.
Cảm ơn Đảng ủy, Ban giám hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy
Hòa, cùng bạn bè đồng nghiệp đã tạo điều kiện, hỗ trợ công việc tại Trường
trong suốt thời gian Tác giả thực hiện luận án.
Cuối cùng, Tác giả xin dành những lời biết ơn chân thành nhất, những
tình cảm sâu sắc nhất để gửi đến gia đình. Có được kết quả như ngày hôm
nay, chính là sự động viên, chia sẻ và giúp đỡ của gia đình, đó cũng là nguồn
sức mạnh, động lực giúp Tác giả vượt qua khó khăn, trở ngại trong suốt quá
trình thực hiện luận án.
Tác giả luận án

Trần Kim Quyên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học trình bày trong luận án này
là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian (4 năm) làm
nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác.
Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.

Tác giả luận án

Trần Kim Quyên


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1
Chương 1. ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ CÔNG NGHỆ SẤY TRONG DÂY CHUYỀN
XEO ....................................................................................................... 4
1.1. Tóm tắt công nghệ sản xuất giấy ........................................................................ 4
1.1.1. Công đoạn xử lý nguyên liệu ....................................................................... 4
1.1.2. Công đoạn nấu bột ....................................................................................... 5
1.1.3. Công đoạn rửa sàng ...................................................................................... 5
1.1.4. Công đoạn tẩy trắng bột ............................................................................... 6
1.1.5. Xeo giấy ....................................................................................................... 6
1.1.6. Bộ phận ép.................................................................................................... 7
1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng ............................................................................... 7
1.1.8. Bộ phận ép quang ......................................................................................... 7
1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn ............................................................................ 8
1.1.10. Giấy thành phẩm ........................................................................................ 8

1.1.11. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm ............................................ 8
1.2. Vấn đề độ ẩm của giấy và quá trình sấy trong dây chuyền xeo .......................... 9
1.2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 9
1.2.2. Đo độ ẩm giấy ............................................................................................ 11
1.2.3. Cấu hình khâu sấy ...................................................................................... 12
1.3. Sấy hơi và hệ điều khiển sấy hơi ....................................................................... 12
1.3.1. Cấu tạo lô sấy ............................................................................................. 12
1.3.2. Nguyên lý điều khiển công suất sấy........................................................... 13
1.4. Sấy đối lưu và điều khiển gió trong buồng sấy ................................................. 15
1.4.1. Phương pháp sấy đối lưu truyền thống ...................................................... 15
1.4.2. Phương pháp sấy đối lưu kết hợp thổi gió nóng lên mặt giấy ................... 16
1.4.3. Cơ chế sấy .................................................................................................. 18
1.4.4. Động học chung quá trình sấy gió ............................................................. 18
1.5. Các công trình nghiên cứu về hệ điều khiển sấy giấy ....................................... 22
1.5.1. Các công trình liên quan tới công nghệ sấy giấy ....................................... 22
1.5.2. Các công trình liên quan tới điều khiển quá trình sấy ............................... 22
1.6. Vấn đề cần nghiên cứu của luận án ................................................................... 23
Chương 2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY ............... 24
2.1. Động học quá trình sấy và điều khiển độ ẩm trong dây chuyền xeo giấy ........ 24


2.1.1. Cơ chế sấy .................................................................................................. 24
2.1.2. Động học quá trình sấy cho một lô ............................................................ 25
2.1.3. Cấu trúc điều khiển .................................................................................... 26
2.2. Động học quá trình cân bằng gió vào – ra (Zero level) .................................... 27
2.2.1. Mô hình xác định điểm không áp suất cho buồng sấy ............................... 27
2.2.2. Động học quá trình cân bằng gió vào-ra .................................................... 28
2.2.3. Cấu trúc điều khiển gió vào ra ................................................................... 31
2.3. Động học quá trình nhiệt độ điểm sương .......................................................... 32
2.3.1. Định nghĩa nhiệt độ điểm sương ................................................................ 32

2.3.2. Tính toán nhiệt độ điểm sương .................................................................. 33
2.3.3. Xây dựng động học nhiệt độ điểm sương .................................................. 33
2.3.4. Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương ................................ 38
2.4. Mô phỏng động học và điều khiển các quá trình trong buồng sấy ................... 38
2.4.1. Cấu trúc điều khiển và thông số để mô phỏng ........................................... 38
2.4.2. Mô phỏng động học và điều khiển độ ẩm .................................................. 39
2.4.3. Mô phỏng động học và điều khiển Zero level ........................................... 47
2.4.4. Mô phỏng động học và điều khiển nhiệt độ điểm sương ........................... 48
2.4.5. Kết luận chương 2 ...................................................................................... 52
Chương 3. HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN BUỒNG SẤY GIẤY .............................. 53
3.1. Khái quát cấu trúc điều khiển của các mạch vòng ............................................ 53
3.1.1. Mạch vòng điều khiển độ ẩm ..................................................................... 53
3.1.2. Mạch vòng cân bằng gió vào – ra (Zero Level) ......................................... 54
3.1.3. Mạch vòng nhiệt độ điểm sương của buồng sấy ........................................ 55
3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển đa biến ............................................................... 55
3.2.1. Khảo sát sự biến đổi của nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng sấy
giấy............................................................................................................. 58
3.2.2. Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 58
3.3. Thiết kế bộ điều khiển đa biến tách kênh.......................................................... 61
3.3.1. Hệ đa biến rút gọn ...................................................................................... 61
3.3.2. Kiểm tra động học của hệ đa biến rút gọn ................................................. 62
3.3.3. Hệ đa biến dạng chuẩn ............................................................................... 64
3.3.4. Kiểm tra và đánh giá hệ đa biến dạng chuẩn ............................................. 66
3.3.5. Thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ điều khiển buồng sấy giấy.............. 67
3.4. Kết luận ............................................................................................................. 74


Chương 4. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MPC CHO BUỒNG SẤY GIẤY ............. 75
4.1. Giới thiệu........................................................................................................... 75
4.2. MPC cho hệ tuyến tính ...................................................................................... 76

4.2.1. Nhiệm vụ điều khiển .................................................................................. 76
4.2.2. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPC ............................................. 76
4.2.3. Thuật toán điều khiển dự báo ..................................................................... 78
4.2.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển MPC ............................................................ 78
4.2.5. MPC có một số đặc điểm nổi bật ............................................................... 80
4.3. Các thuật toán MPC tuyến tính điển hình ......................................................... 81
4.3.1. Thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình (MAC) .................................. 81
4.3.2. Phương pháp ma trận động học điều khiển (DMC) ................................... 84
4.3.3. Phương pháp điều khiển dự báo tổng quát (GPC) ..................................... 86
4.3.4. Điều khiển dự báo trong không gian trạng thái ......................................... 91
4.4. Ứng dụng điều khiển dự báo GPC cho buồng sấy giấy theo [60] .................... 93
4.4.1. Kết quả mô phỏng buồng sấy giấy dùng bộ điều khiển MPC trong Toolbox
Matlab Simulink, có tên gọi là bộ điều khiển GPC. .................................. 93
4.5. Điều khiển dự báo theo phương pháp tối ưu hóa từng đoạn trong miền thời gian
........................................................................................................................... 94
4.6. Ứng dụng điều khiển dự báo theo phương pháp tối ưu hóa từng đoạn cho buồng
sấy giấy .............................................................................................................. 99
4.6.1. Xây dựng mô hình buồng sấy giấy trong miền thời gian thực................... 99
4.6.2. Mô phỏng cho bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy103
4.7. Kết luận ........................................................................................................... 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Chữ viết tắt

Ý nghĩa

CD

Hệ điều khiển ngang máy (Cross Direction)

DMC

Điều khiển ma trận động (Dynamic Matrix control)

GMV

Cực tiểu tương quan tổng quát ( Generalized Minimum
Variance)

GPC

Điều khiển dự báo tổng quát (Generalized Predictive control)

HEU

Bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Unit)

HRU

Bộ thu hồi nhiệt (Heat Recycle Unit)

LRQP

Điều khiển dự báo khoảng rộng toàn phương (Long range
quadratic progamming)

LRPC

Điều khiển dự báo thích nghi khoảng rộng (Long range
model predictive control)

MAC

Điều khiển dự báo theo mô hình (Model Algorithmic control)

MD

Hệ điều khiển dọc máy (Machine Direction)

MIMO

Hệ đa biến (Multiple-input and multiple-output)

MPC

Điều khiển mô hình dự báo (Model Predictive Control)

MV

Cực tiểu tương quan ( Minimum Variance)

NP

Điểm áp suất không (Neutral Pressure)

NPP

Mặt phẳng áp suất không (Neutral Pressure Plane)

QCS

Hệ thống điều khiển chất lượng ( Quality control System)

SISO

Hệ đơn biến (Single-Input and Single-Output)

ZL

Cân bằng gió (Zero level)


2. Các ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

Axy

m2

Diện tích giấy

Cps

kJ/kg.K

Nhiệt dung riêng của hơi

Cv
dy

Độ dẫn cực đại của van
m

f(x)

Bề rộng khổ giấy
Hàm độ ẩm

g

g/m2

Định lượng chuẩn của giấy

K

m/s

Hệ số chuyển khối

KT1

kW/m2.K

Hệ số truyền nhiệt từ lô vào giấy

KT2

kW/m2.K

Hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy

kn
m

Hệ số tỷ lệ
kg

m%

Khối lượng không khí trong buồng sấy
Độ mở của van điều chỉnh

mp

kg

Khối lượng giấy

Mw

kg/mol

Trọng lượng phân tử nước

n

Chỉ số thể hiện nhóm sấy

PN

pa

Áp suất đường hơi tổng

PL

pa

Áp suất đầu vào lô sấy

ptot

pa

Áp suất tổng

pv,a

pa

Áp suất thành phần hơi nước trong không

khí

pv,p

pa

Áp suất thành phần hơi nước trên bề mặt
giấy

Pkq

pa

Áp suất khí quyển

Pw

pa

Áp suất riêng phần của nước

Psw

pa

Áp suất riêng phần của nước khi không khí
bão hòa

Q

kW

Công suất nhiệt cấp cho lô sấy


qbh

kg/m2s

Tốc độ bay hơi trên đơn vị diện tích

Qbuồng

kW

Công suất nhiệt tích lũy trong buồng sấy

Qbx

kW

Công suất nhiệt bức xạ do lô sấy cấp vào
không khí trong buồng sấy

Qchan

kW

Công suất nhiệt do chăn sấy truyền nhiệt lên
không khí trong buồng sấy

Qp

kW

Công suất nhiệt do giấy tiêu thụ

Qtt

kW

Công suất nhiệt thất thoát

Qwa1

kW

Công suất nhiệt gió nóng cấp vào buồng sấy

Qwa2

kW

Công suất nhiệt gió hút ra khỏi buồng sấy

Qwbh

kW

Công suất nhiệt do hơi nước bau ra từ giấy

r

Giá trị đặt từ bộ điều khiển độ ẩm

Rg

J/mol.K

Hằng số khí

RH%

%

Độ ẩm tương đối của không khí trong buồng sấy

SH

kg/kg

Độ ẩm tỉ lệ của không khí trong buồng sấy

T

0

C

Nhiệt độ không khí trong buồng sấy

Ta1

0

C

Nhiệt độ không khí thổi vào

Ta2

0

C

Nhiệt độ không khí hút ra khỏi buồng sấy

Td

0

C

Nhiệt độ điểm sương

TG

K

Nhiệt độ của gió

Tm

K

Nhiệt độ bề mặt lô

Tn

0

Nhiệt độ không khí trong buồng sấy

Tp

K

Nhiệt độ giấy

Tp1,Tp2

K

Nhiệt độ bề mặt giấy lúc vào, ra buồng sấy

Ts

K

Nhiệt độ hơi

V

m3

Thể tích lớp khảo sát

vx

m/s

Tốc độ xeo giấy

x

kg k.ẩm/kg k.khô

Biến tỉ lệ

C


wa1

kg/s

Lưu lượng gió nóng thổi vào buồng sấy

wa2

kg/s

Lưu lượng không khí hút ra khỏi buồng sấy

wbh

kg/s

Lưu lượng nước bay hơi từ giấy vào không khí

wp

kg/s

Lưu lượng giấy qua buồng sấy

Ws

kg/s

Lưu lượng hơi

wkk

kg/s

Lưu lượng gió lạnh

η

Hiệu suất truyền nhiệt từ lô vào giấy

g1, g

kg nước/kg giấy

Độ ẩm tỷ lệ của giấy vào và ra

∆Hb

kJ/kg

Lượng nhiệt cần thiết để nước bay hơi từ
giấy vào không khí

∆Hbh

kJ/kg

Nhiệt ẩn riêng của sự hóa hơi

∆T

0

Biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy

∆SH

C

Biến thiên độ ẩm tỷ lệ không khí trong
buồng sấy

*

Lượng đặt


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm ................................................ 8
Bảng 3-1. Bảng tổng kết các mạch vòng trong buồng sấy giấy .................................... 57


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ các công đoạn sản xuất giấy ................................................................. 4
Hình 1.2. Bãi nguyên liệu ............................................................................................... 4
Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất giấy ......................................................................................... 6
Hình 1.4. Cấu tạo hòm phun bột ..................................................................................... 7
Hình 1.5. Bộ phận ép quang ............................................................................................ 8
Hình 1.6. Khổ giấy được cuốn trên các trục thép ........................................................... 8
Hình 1.7. Quá trình sấy giấy ......................................................................................... 10
Hình 1.8. Phân bố các nhóm sấy trên dây chuyền xeo giấy .......................................... 10
Hình 1.9. Đường đo của máy Scanner .......................................................................... 11
Hình 1.10. Hệ sấy sử dụng một máy Scanner ............................................................... 11
Hình 1.11. Cấu tạo lô sấy giấy ...................................................................................... 13
Hình 1.12. Cấu trúc vỏ lô sấy........................................................................................ 13
Hình 1.13. Cấu trúc điều khiển độ ẩm cho các nhốm lô sấy ......................................... 14
Hình 1.14. Chênh áp đặt cho các nhóm lô sấy .............................................................. 15
Hình 1.15. Nguyên lý buồng sấy đối lưu dùng gió ....................................................... 16

Hình 1.16. Vị trí của vòi phun không khí ..................................................................... 16
Hình 1.17. Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy gió theo phương pháp mới ... 17
Hình 1.19. Cân bằng khối lượng độ ẩm trên băng giấy ................................................ 18
Hình 1.20. Cân bằng năng lượng tổng quát của băng giấy ........................................... 20
Hình 2.1. Quá trình sấy cho một lô ............................................................................... 24
Hình 2.2. Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy ................................................................ 26
Hình 2.3. Áp suất không trong buồng ........................................................................... 27
Hình 2.4. Đặc tính của điểm không áp suất .................................................................. 28
Hình 2.5. Mô hình buồng sấy ........................................................................................ 29
Hình 2.6. Mô hình khe gió buồng sấy và thiết kế NPP ................................................ 29
Hình 2.7. Mô hình quá trình cân bằng gió vào-ra ......................................................... 31


Hình 2.8. Cấu trúc điều khiển Zero Level ..................................................................... 31
Hình 2.9. Lô sấy và bạt sấy ........................................................................................... 33
Hình 2.10. Cân bằng công suất nhiệt để tính nhiệt độ trong buồng sấy ....................... 34
Hình 2.11. Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy ............ 35
Hình 2.12. Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy ............ 35
Hình 2.13. Mô hình động học độ ẩm tỉ lệ của không khí.............................................. 36
Hình 2.14. Tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sương .................................................. 37
Hình 2.15. Cấu trúc điều khiển nhiệt độ điểm sương buồng sấy .................................. 38
Hình 2.16. Sơ đồ của buồng sấy giấy............................................................................ 38
Hình 2.17. Mô hình mô phỏng độ ẩm của một lô ......................................................... 41
Hình 2.18. Nhiệt độ tức thời của giấy ........................................................................... 41
Hình 2.19. Nhiệt độ trung bình của giấy ....................................................................... 42
Hình 2.20. Độ ẩm tức thời của giấy .............................................................................. 42
Hình 2.21. Độ ẩm trung bình của giấy .......................................................................... 42
Hình 2.22. Đáp ứng của độ ẩm với công suất nhiệt sấy từ hơi ..................................... 43
Hình 2.23. Đáp ứng của độ ẩm với gió vào .................................................................. 44
Hình 2.24. Đáp ứng của độ ẩm với nhiễu độ ẩm đầu vào ............................................. 44

Hình 2.25. Sơ đồ khối hệ điều khiển độ ẩm xây dựng trên Matlab .............................. 46
Hình 2.26. Đáp ứng của hệ điều khiển độ ẩm ............................................................... 46
Hình 2.27. Sơ đồ khối hệ điều khiển Zero - level xây dựng trên Matlab ..................... 47
Hình 2.28. Đáp ứng của hệ điều khiển Zero level ........................................................ 48
Hình 2.29. Sự thay đổi của nhiệt độ điểm sương .......................................................... 49
Hình 2.30. Đồ thị đáp ứng với thay đổi lượng đặt ∆Td =±10% .................................... 50
Hình 2.31. Đồ thị đáp ứng với nhiễu Wa1 và Wbh .................................................... 51
Hình 3.1. Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy ................................................................ 53
Hình 3.2. Mạch vòng điều khiển cân bằng gió ZL ....................................................... 54
Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sương ................................... 55


Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển đa biến buồng sấy giấy ................................................. 56
Hình 3.5. Sơ đồ mô phỏng điều khiển đa biến buồng sấy sử dụng Matlab Simulink... 57
Hình 3.6. Đáp ứng của hệ khi thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương ∆Td =±10%..... 59
Hình 3.7. Đáp ứng của hệ khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào của giấy ∆γ1=25% ........ 60
Hình 3.8. Cấu trúc điều khiển buồng sấy giấy với hai biến .......................................... 62
Hình 3.9. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển sấy hai biến ............................................. 63
Hình 3.10. Đáp ứng của hệ điều khiển hai biến khi tác động của nhiễu độ ẩm đầu vào
∆γ1=25% ........................................................................................................................ 63
Hình 3.11. Đáp ứng hệ điều khiển hai biến khi thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương
....................................................................................................................................... 64
∆Td = ±10% .................................................................................................................. 64
Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc hệ đa biến dạng chuẩn ......................................................... 65
Hình 3.13. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển đa biến dạng chuẩn ............................... 66
Hình 3.14. Đáp ứng của hệ đa biến dạng chuẩn khi tác động nhiễu ΔTd = ±10% ........ 66
Hình 3.15. Đáp ứng của mạch vòng  khi nhiễu tác động Δγ1=25% ............................ 67
Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển tách kênh cho hệ đa biến dạng chuẩn ......................... 68
Hình 3.17. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển tách kênh cho đa biến dạng chuẩn ........ 70
Hình 3.18. Đáp ứng của hệ có bộ tách kênh khi thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương

....................................................................................................................................... 70
Hình 3.19. Đáp ứng của hệ thống khi có bộ tách kênh với nhiễu là độ ẩm giấy đầu vào
....................................................................................................................................... 71
Hình 3.20. Sơ đồ khối hệ đa biến thực (3-3) với bộ điều khiển tách kênh xây dựng trên
Matlab............................................................................................................................ 72
Hình 3.22. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) có bộ tách kênh khi thay đổi nhiễu
∆Td=10% ....................................................................................................................... 73
Hình 3.23. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào
∆γ1=25% ........................................................................................................................ 73
Hình 4.1. Nhiệm vụ điều khiển ..................................................................................... 76


Hình 4.2. Cửa sổ dự báo MPC ...................................................................................... 76
Hình 4.3. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPC ................................................ 77
Hình 4.4. Nguyên tắc dịch theo trục t cùng thời điểm trích mẫu của cửa sổ dự báo .... 77
Hình 4.5. Thuật toán điều khiển MPC .......................................................................... 78
Hình 4.6. Cấu trúc hệ điều khiển dự báo....................................................................... 78
Hình 4.7. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC khi thay đổi nhiễu độ ẩm giấy đầu vào .... 93
Hình 4.8. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC khi thay đổi nhiệt độ điểm sương ............ 93
Hình 4.9. Mô hình buồng sấy giấy .............................................................................. 100
Hình 4.10. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy, khi
thay đổi nhiệt độ ẩm đầu vào 25% .............................................................................. 103
Hình 4.11. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy giấy, khi
thay đổi nhiệt độ điểm sương ± 10% .......................................................................... 103


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Độ ẩm giấy là một trong những chỉ tiêu quan trọng của chất lượng giấy, đảm
bảo độ ẩm của giấy do hệ thống sấy đảm nhận. Để đảm bảo độ ẩm giấy sau khi xeo,

người ta điều khiển hai thông số: Công suất nhiệt hơi bão hòa cấp cho lô để cấp
nhiệt cho giấy là chính (gọi là sấy tiếp xúc); Công suất nhiệt gió nóng phụ thêm cấp
cho buồng sấy (gọi là sấy đối lưu). Tuy nhiên nước chứa trong giấy bay hơi ra
không khí của buồng, ngoài nhu cầu cấp nhiệt (như trên đã nêu) còn bị ảnh hưởng
rất lớn của thông số môi trường trong buồng sấy. Ví dụ, cùng một giá trị công suất
cấp nhiệt của sấy tiếp xúc và sấy đối lưu, giấy có thể bị quá khô dễ bị cháy hoặc có
thế bị quá ướt (hiện tượng mưa trong buồng sấy).
Đặc trưng cho thông số môi trường trong buồng sấy là nhiệt độ điểm sương
(đảm bảo tốc độ bay hơi nước và khả năng ngưng tụ) và phân bố áp suất không khí
trong buồng sấy cân bằng gió vào ra (Zero Level). Như vậy đối tượng buồng sấy là
hệ nhiều biến, có biến cần điều khiển chính là độ ẩm, có hai biến tác động (hơi và
gió nóng).
Ngoài ra có hai biến phụ cần điều khiển quyết định tới khả năng bay hơi của
nước trong giấy là nhiệt độ điểm sương và điểm áp suất không (Zero level). Vì vậy,
điều khiển buồng sấy cần có bốn mạch vòng: Điều khiển độ ẩm, điều khiển nhiệt độ
điểm sương, điều khiển điểm áp suất không (Zero Level) và điều khiển gia nhiệt gió
nóng (Hình 1.4). Các mạch vòng này đều tác động xen kênh (trừ mạch vòng gia
nhiệt gió nóng ít ảnh hưởng). Hệ điều khiển buồng sấy là hệ đa biến tác động xen
kênh, tuy nhiên thực tế trong công nghiệp hiện nay người ta thiết kế là hệ điều khiển
nhiều mạch vòng đơn biến, dẫn đến khó đảm bảo chất lượng và hao phí năng lượng
lượng cao.
Các công trình nghiên cứu, ứng dụng trước đây tập trung nghiên cứu quá trình
sấy trực tiếp (sấy tiếp súc) là sự dụng nhiệt hơi bão hòa cấp cho lô, truyền nhiệt từ
lô

sấy

sang

mặt

băng

giấy

tiếp

xúc

với

[1],[2],[3],[15],[16],[18],[23],[24], [25],[30],[31], [34],[35]

1

lô,

điển

hình

là


Trong những năm gần đây người ta dùng sấy đối lưu gió theo công nghệ mới,
có hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển môi trường sấy đã tăng được hiệu
quả sấy, tiết kiệm đến 40% lượng hơi bão hòa và tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần [2],[3]
Nghiên cứu sấy gió hiện nay đã được triển khai, nhưng các công trình nghiên cứu
về điều khiển chưa nhiều, chủ yếu sử dụng cấu trúc đơn biến, trong khi hệ là đa biến
tác động xen kênh. Việc chỉnh định hệ điều khiển bằng thực nghiệm nên khi thay

đổi thông số vận hành hoặc có nhiễu tác động, hệ hoạt động không chính xác gây
khó khăn cho vận hành và ảnh hưởng đến chất lượng giấy [3]
Từ những lý do trên, nên nội dung luận án NCS tập trung nghiên cứu điều khiển
buồng sấy gió.
Nghiên cứu động học và điều khiển buồng sấy dùng gió để có hiểu biết về
điều khiển quá trình sấy. Giúp cho việc thiết kế hệ thống sấy như lựa chọn các thiết
bị chấp hành, thiết bị đo và thiết kế điều khiển. Định hướng cho việc chỉnh định hệ
điều khiển.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu xây dựng động học và điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy để nâng
cao chất lượng điều khiển.

3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển buồng sấy trong dây chuyền xeo giấy.
* Phạm vi nghiên cứu: Động học và thiết kế điều khiển phản hồi đầu ra cho hệ
điều khiển đa biến buồng sấy giấy
* Phương pháp nghiên cứu:
- Khảo sát thực tế buồng sấy giấy tại Công ty giấy Bãi bằng.
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến công nghệ sấy giấy.
- Nghiên cứu các công trình công bố tới sấy giấy
- Xây dựng động học và điều khiển cho hệ sấy giấy
- Ứng dụng điều khiển MPC với thuật điều khiển tối ưu hóa từng đoạn cho buồng
sấy giấy
- Mô hình hóa mô phỏng đánh giá chất lượng hệ điều khiển.

2


4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
4.1.Ý nghĩa khoa học:

Luận án đã xây dựng được động học và điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy
sấy và ứng dụng điều khiển dự báo theo thuật toán đề xuất tối ưu hóa từng đoạn cho hệ
sấy giấy.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn:
- Phân tích được yêu cầu điều khiển hệ sấy trong buồng sấy, giúp người vận hành
hiểu rõ tác dụng của các đại lượng điều khiển các đại lượng nhiễu cũng như tính xen
kênh ảnh hưởng tới chất lượng sấy, từ đó chỉnh định tham số điều khiển để hệ ổn định
và đảm bảo chất lượng.
- Thiết kế được điều khiển đa biến MPC định hướng cho việc ứng dụng cho hệ
sấy giấy nhằm nâng cao chất lượng điều khiển.

5. Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được trình bày trong bốn
chương:
Chương 1: Trình bày tổng quan hệ sấy giấy trong dây chuyền xeo giấy. Nội dung
chương này đi trình bày tóm tắt công nghệ sản xuất giấy, dây chuyền xeo giấy; Hệ điều
khiển sấy dùng hơi; Các công trình nghiên cứu sấy gió đối lưu và các vấn đề nghiên
cứu của luận án.
Chương 2: Nghiên cứu động học và điều khiển của các mạch vòng sấy giấy:
Điều khiển độ ẩm, điều khiển cân bằng gió vào-ra và điều khiển nhiệt độ điểm sương.
Chương 3: Nghiên cứu điều khiển đa biến cho hệ sấy giấy. Thiết kế điều khiển
đa biến với ba đầu vào và ba đầu ra. Thiết kế điều khiển đa biến với hai biến đầu vào,
hai biến đầu ra và hai nhiễu chính.
Chương 4: Thiết kế điều khiển dự báo cho hệ sấy giấy.

3


Chương 1. ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ CÔNG NGHỆ SẤY
TRONG DÂY CHUYỀN XEO

1.1. Tóm tắt công nghệ sản xuất giấy
Trên Hình 1.1 trình bày tóm tắt các công đoạn công nghệ sản xuất giấy
[1],[2],[10],[11],[12].
Xử lý
nguyên liệu

Nấu bột

Rửa, sàng

Tẩy trắng

Sấy

Ép ướt

Phun bột

Nghiền

Ép quang

Cuốn

Cắt cuộn

Giấy thành
phẩm

Hình 1.1. Sơ đồ các công đoạn sản xuất giấy

1.1.1. Công đoạn xử lý nguyên liệu

Hình 1.2. Bãi nguyên liệu

Nguyên liệu đầu vào chủ yếu là tre, nứa và gỗ. Tre nứa được đưa từ bãi chứa vào
băng chuyền và được rửa sạch trước khi đưa vào máy chặt. Tại đây tre nứa được băm
thành các mảnh nhỏ có kích thước theo tiêu chuẩn. Các mảnh được đưa vào hệ thống
rửa và qua băng tải đến sân chứa mảnh.
4


Gỗ được đưa đến bộ phận bóc vỏ bằng băng tải xích. Gỗ sau khi đã bóc vỏ được
rửa sạch rồi đi vào máy chặt mảnh. Mảnh gỗ sau khi chặt có kích thước theo tiêu
chuẩn. Mảnh gỗ được đưa qua sàng chọn và đưa ra sân chứa bằng băng tải.
Mảnh tre nứa và gỗ được đưa vào nồi nấu bởi hệ thống thổi mảnh. Tùy theo yêu
cầu đơn đặt hàng của khách mà có tỷ lệ tre nứa và gỗ khác nhau.
1.1.2. Công đoạn nấu bột
Bột được sản xuất theo phương pháp sunphat có thu hồi hóa chất. Nguyên liệu
được nấu trong 3 nồi có hình trụ đứng. Thời gian để hoàn thành một chu kỳ nấu
khoảng 240 phút kể cả thời gian nạp mảnh. Bột sau khi nấu xong được chuyển sang bể
phóng. Từ đây bột được chuyển qua máy đánh tơi và được đưa đến bộ phận rửa. Năng
suất nấu bột khoảng 150 tấn/ngày.
1.1.3. Công đoạn rửa sàng
Sau khi được đánh tơi, bột được đưa tới 4 máy rửa lọc chân không. Hệ thống rửa
lọc chân không có cấu tạo lô hình trụ, được tạo chân không bởi sự chênh lệch áp suất.
Bên trong lô có hệ thống các đường ống dẫn nước. Trên bề mặt lô được chia làm nhiều
ngăn và có các ống dùng để dẫn dịch.
Quy trình hoạt động của hệ thống rửa như sau: Lô rửa được quay tròn đều. Trong
quá trình quay, nước dùng để rửa bột sẽ theo các ống dẫn được đưa vào trong lô. Do

trên bề mặt của lô có các lỗ nên sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất ở bên trong lô và bên
ngoài lô. Do đó, tạo ra chân không ở bên trong lô. Nhờ sự chênh lệch áp suất nên bột
sẽ bám dần trên bề mặt của lô. Sau đó, dùng nước để rửa. Sau khi rửa bột, bột sẽ rơi
xuống hệ thống xoắn vít tải. Từ đây, bột sẽ tới các bể chứa và từ các bể chứa này, bột
được đưa lên hệ thống rửa tiếp theo.
Hệ thống bao gồm 4 máy rửa và bột được đưa từ máy thứ nhất đến máy thứ 4.
Quá trình rửa ở các máy diễn ra như nhau. Trong quá trình rửa, nước dùng để rửa sẽ
được dẫn từ máy rửa thứ 4 lần lượt quay trở lại máy thứ 3, 2 và 1 do nước còn sạch.
Bột đen sau khi đã rửa sạch được đưa qua hệ thống sàng gồm 2 sàng áp lực, 1
sàng thu và 3 giai đoạn lọc cát. Trong quá trình này, các mấu mắt tre, nứa hoặc bột
sống sẽ được loại khỏi bột chín, dẫn xuống sàng cô đặc và xuống vít tải thải ra ngoài.
Bột chín được đưa tới các bể chứa và chuẩn bị cho công đoạn tẩy trắng.
Sau khi được đánh tơi, bột được đưa tới 4 máy rửa lọc chân không. Hệ thống rửa
lọc chân không có cấu tạo lô hình trụ, được tạo chân không bởi sự chênh lệch áp suất.
Lô có đường kính d = 3,5m có chiều dài là 4,5m. Bên trong lô có hệ thống các đường
5


ống dẫn nước. Trên bề mặt lô được chia làm nhiều ngăn và có các ống dùng để dẫn
dịch. Trong các ngăn có các tấm sàng và các lỗ mắt sàng.
1.1.4. Công đoạn tẩy trắng bột
Bột được Clo hóa bởi Cl2. Sau đó, bột được kiềm hóa để loại bỏ hợp chất màu
Clorarlignin ra khỏi bột. Sau khi kiềm hóa, bột được tẩy tiếp bởi Nacl để đạt độ trắng
theo yêu cầu khoảng 74 - 78%. Để bột có độ trắng đồng đều theo yêu cầu phải thực
hiện quy trình tẩy trắng phức tạp, duy trì thích hợp các yếu tố nồng độ bột, mức tỉ lệ
hóa chất tẩy, nhiệt độ, thời gian và độ pH. Bột sau khi tẩy trắng được đưa vào bể chứa
để chuẩn bị cho quá trình nghiền bột.
Sau khi nghiền, bột được pha trộn với các phụ gia như: cao lanh, nhựa thông,
phèn và một số hóa chất khác tùy theo yêu cầu của sản phẩm. Bột đã pha trộn phụ gia
trong bể chứa sau đó được đưa qua hệ thống phụ trợ rồi đưa tới hòm phun bột bắt đầu

quá trình sản xuất giấy.
1.1.5. Xeo giấy
Xeo giấy tạo ra giấy từ bột, qua các công đoạn như Hình 1.3.
Trước khi vào máy xeo, bột giấy được đưa qua hệ thống nghiền côn để tăng diện
tích tiếp xúc, tăng khả năng liên kết giữa các sớ sợi với nhau. Sau khi nghiền, bột được
pha trộn với các phụ gia khác nhau tùy theo yêu cầu của sản phẩm. Bột đã pha trộn
phụ gia trong bể chứa sau đó được đưa qua hệ thống phụ trợ: Sàng áp lực, lọc cát và
các thành phần khác có ảnh hưởng đến tờ giấy rồi được đưa tới hòm phun bột, bắt đầu
quá trình sản xuất giấy.

Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất giấy

1.1.5.1. Hòm phun bột
Nhiệm vụ của hòm phun bột là phân phối một lưu lượng dung dịch có chứa bột
giấy (nồng độ khoảng 1%), (Hình 1.4) đồng đều trên lưới với tốc độ xeo trên toàn bộ
bề ngang của lưới và giữ cho dòng bột không bị xáo trộn để chống chảy xoáy làm phá
vỡ sự vón cục của dòng bột đã hình thành.
6


Hình 1.4. Cấu tạo hòm phun bột

1.1.5.2. Bộ phận lưới
Lưới có nhiệm vụ nhận bột từ hòm phun, hình thành lớp giấy trên mặt lưới, nhờ
bơm hút chân không nước được thoát ra. Giấy được hình thành và bắt sang khâu ép.
1.1.6. Bộ phận ép
Nhiệm vụ chính của bộ phận ép là tách nước ra khỏi giấy, tăng độ bền và độ nhẵn
của băng giấy; đồng thời bộ phận ép còn có nhiệm vụ dẫn băng giấy đến bộ phận sấy.
Băng giấy ướt được chuyển trực tiếp từ lưới tới trục ép hút chân không được bọc
chăn của tổ ép 1. Chức năng quan trọng của lưới ép là chống tạo vết trên băng giấy. Từ

tổ ép 1, băng giấy được chuyển tới bộ phận ép lưới ở tổ ép 2. Tổ ép 2 gồm lưới nhựa
giữa chăn ép và trục ép phía dưới nhằm giảm áp suất thủy tĩnh trong tuyến ép. Từ chăn
ép 2, băng giấy được chuyển tới tổ ép 3 qua một khoảng kéo hở. Tổ ép này không có
chăn nên không có nhiệm vụ tách nước mà chỉ làm cho băng giấy nhẵn và phẳng hơn.
1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng
Khi băng giấy rời bộ phận ép ướt có độ ẩm khoảng 50% và nhiệt độ từ 25-300C.
Trong bộ phận sấy lượng nước còn lại được tách ra bằng phương pháp bay hơi. Sấy là
quá trình sử dụng nhiệt năng của hơi nước bão hòa trong lòng lô sấy để cấp nhiệt cho
giấy kết hợp với gió nóng thổi vào buồng sấy làm bay hơi nước có trong băng giấy.
Sau quá trình sấy trước, băng giấy được đưa qua bộ phận ép keo. Chức năng của
khâu ép keo là phủ lớp keo lên bề mặt giấy, tăng độ bóng, độ dai, bịt các lỗ trên bề mặt
băng giấy. Sau khâu ép keo, băng giấy đi tới hệ thống sấy sau.
1.1.8. Bộ phận ép quang
Bộ phận ép quang gồm hai lô quay tiếp xúc với nhau. Máy ép quang sẽ đảm bảo
độ đồng đều, độ nhẵn bóng bề mặt làm tăng độ bền kéo, độ chịu bục và thấm khí của
tờ giấy.

7


Hình 1.5. Bộ phận ép quang

1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn

Hình 1.6. Khổ giấy được cuốn trên các trục thép

Băng giấy hình thành sau ép quang được cuộn lại vào lô cuốn kim loại Hình 1.6.
Các cuộn giấy được chuyển sang bộ phận máy cuộn và cắt thành những cuộn giấy
thành phẩm có khổ khác nhau tùy theo đơn đặt hàng.
1.1.10. Giấy thành phẩm

Từ các cuộn giấy lớn, giấy được chuyển sang phân xưởng hoàn thành để gia công
thành các sản phẩm theo đặt hàng: Giấy khổ A3, giấy RAM A4, vở học sinh…
1.1.11. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm
Bảng 1-1. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm

Tên chỉ tiêu

STT
Định

Định lượng

Thứ
nguyên

Mức chỉ tiêu

Phương
pháp thử

g/m2

52; 55; 58; 60; 70; 80

TCVN1270

8


1

lượng

chuẩn

Sai số cho phép

g/m2

58<701
52581
701202

kg/m3

660

TCVN3652

Độ ẩm

%

(5-7) ± 1%

TCVN1867

4

Độ trắng không nhỏ hơn

%

84

TCVN1865

5

Độ hút nước không nhỏ
hơn

g/m2

30

TCVN6726

6

Độ đục không nhỏ hơn

%

7

Độ nhám trung bình không
lớn hơn

8

Độ tro không nhỏ hơn

9

Chỉ số bền kéo trung bình
hai hướng không nhỏ hơn

Nm

33

TCVN1862

10

Độ bụi không lớn hơn

ppm

20

TCVN1868

11

Keo bề mặt (nếu có)

%

23

TCVN7069

2

Độ chặt không nhỏ hơn

3

76

ml/Ph
%

81
350

8

TCVN6728
TCVN3226

10

TCVN1864

1.2. Vấn đề độ ẩm của giấy và quá trình sấy trong dây chuyền xeo
1.2.1. Giới thiệu chung
Độ ẩm của giấy là tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong giấy và khối lượng giấy

tính theo %. Quá trình sấy giấy là tách thành phần nước trong giấy, tức là cần cung cấp
cho giấy một lượng nhiệt để nước trong giấy bay hơi vào không khí, đồng thời môi
trường của buồng sấy phải đảm bảo thuận lợi cho quá trình bay hơi. Để sấy giấy ta
dùng nhiệt của hơi bão hòa, cấp vào trong lô sấy, mặt lô sấy nhận nhiệt từ hơi bão hòa
truyền sang mặt giấy, người ta gọi là sấy tiếp xúc (hay gọi tắt là sấy hơi). Đồng thời,
khi băng giấy chuyển động trong buồng sấy ta dùng gió nóng khô thổi vào tạo nên quá
trình bay hơi dễ dàng hơn, người ta gọi đó là sấy gió đối lưu (gọi tắt là sấy gió). Hệ
thống sấy được chia làm ba buồng. Quá trình này được mô tả theo Hình 1.7.
9