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

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: 62.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2016


Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Đoàn Quang Vinh
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận án tốt nghiệp
Tiến sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày ... tháng
...năm 2016

Có thể tìm hiểu luận án tại:

-

Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng

-

Thư viện Quốc gia Việt Nam


1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
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,


2
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.
Từ lý do trên luận án chọn hướng thiết kế điều khiển đa biến
buồng sấy giấy với tên là “Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều
khiển phản hồi đầu ra cho hệ đa biến buồng sấy giấy”
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu xây dựng động học và điều khiển đa biến cho buồng
sấy giấy để nâng cao chất lượng điều khiển.
3. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
Đối tƣợng: 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.
4. PHƢƠNG 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 đa biến cho buồng sấy giấy.
- Ứng dụng điều khiển MPC đa biến cho buồng sấy giấy.
- Mô hình hóa mô phỏng đánh giá chất lượng hệ điều khiển.
5. TÊN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng điều khiển phản hồi đầu ra

hệ đa biến cho buồng sấy giấy
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Ý nghĩa khoa học:
Luận án đã xây dựng được động học và điều khiển đa biến cho


3
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.
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.
7. CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN
Gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung chính và phần kết luận –
kiến nghị.
CHƢƠNG 1
ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ CÔNG NGHỆ SẤY TRONG DÂY
CHUYỀN XEO
1.1. Tóm tắt công nghệ sản xuất giấy
Trong dây chuyền xeo giấy gồm có các công đoạn như hình 1.1

Hình 2.1. Quá trình sấy giấy


4

Dây chuyền công nghệ xeo giấy gồm 5 công đoạn: Hình thành
tờ giấy (có hòm phun bột, lưới và ép ướt; Buồng sấy trước (hai buồng
1,2), ép nóng, ép nhẵn; Ép keo; Buồng sấy sau (một buồng 3); Cuộn
thành lô giấy.
1.2. Công nghệ sấy giấy và điều khiển hệ thống sấy
1.2.1. Sấy hơi và điều khiển sấy hơi
Sấy hơi thuộc công nghệ sấy tiếp xúc, cho hơi nước bão hòa vào
lô, nhiệt truyền vào thành lô từ đó truyền nhiệt cho giấy. Trong
buồng sấy có nhiều lô phân thành các nhóm sấy. Nguyên lý điều
khiển công suất sấy là điều khiển lưu lượng hơi cấp cho lô, thông qua
mạch vòng điều khiển chênh áp giữa áp suất nguồn và áp suất đầu lô
thông qua van điều khiển. Công suất sấy cấp cho lô được tính:

Q  Ws Cps Ts

(1.1)

Trong đó: Q(kW): công suất nhiệt cấp cho lô, Ws(kg/s): lưu lượng
hơi, cấp cho lô, Cps(kJ/kg.K): nhiệt dung riêng của hơi cấp cho lô,
Ts(K): nhiệt độ hơi cấp cho lô.
Công suất nhiệt sấy được điều chỉnh bởi thông số lưu lượng hơi,
thông qua điều chỉnh độ mở của van.
1.2.2. Sấy gió và điều khiển sấy gió
Sấy gió (sấy đối lưu) có nhiệm vụ cấp gió nóng vào buồng sấy
và hút khí thải sao cho tạo ra môi trường sấy để nước trong giấy dễ
bay hơi, thực hiện bởi ba mạch vòng (xem Hình 1.4): Điều khiển
nhiệt độ gió nóng, khô cấp cho buồng sấy. Điều khiển cân bằng gió
vào – ra (Zero Level). Mạch vòng điều khiển ZL dùng đại lượng tác
động là lưu lượng gió vào Wa1.

5

Mạch vòng
T0 gió nóng
cấp cho
buồng sấy

Quạt hút

HRU

HEU

TC

TC
Air
Quạt thổi

LC
TT

Mạch
vòng
Zero
level

Td , 

Mạch
vòng
Td

Wa2

LT

Wa1

Hình 2.2. Cấu trúc điều khiển sấy gió

Nhiệt độ điểm sương tác động trực tiếp vào quá trình bay hơi
nước từ giấy nó phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ không khí trong
buồng sấy. Điều khiển nhiệt độ điểm sương thông qua điều chỉnh lưu
lượng gió ra Wa2, giữ nhiệt độ điểm sương khoảng thấp hơn nhiệt độ
trung bình trong buồng (15- 20)0C.
1.3. Các công trình nghiên cứu về hệ điều khiển sấy giấy
Các công trình liên quan tới công nghệ sấy giấy
Hệ điều khiển sấy giấy được thiết kế dựa trên nền tảng công
nghệ và thiết bị công nghệ sấy giấy. Có rất nhiều công trình đã
nghiên cứu về công nghệ sấy giấy, trong đó đã nghiên cứu quá trình
bay hơi và ngưng tụ khi sấy giấy - quá trình truyền nhiệt khi sấy hơi,
Cơ chế sấy giấy, thiết bị sấy giấy, thông số quá trình sấy. Để đảm bảo
cơ lý tính của tờ giấy khi sấy, các công trình nghiên cứu quá trình vật
lý bay hơi của nước trong các sợi của giấy thoát ra ngoài mặt giấy,
kết cấu sợi giấy trước và sau khi sấy, yêu cầu cấp nhiệt khi sấy…


6

Các công trình liên quan tới điều khiển quá trình sấy
Động học quá trình sấy giấy gồm quá trình truyền nhiệt từ hơi
đến lô sấy; Hàm truyền của lô sấy dạng IPZ.
Về điều khiển hệ sấy giấy chủ yếu tập trung thiết kế điều khiển
hơi sấy dùng hệ điều khiển phản hồi PID và Feed forward nhiệt độ
giấy; Thiết kế điều khiển dự báo cho một nhóm lô với đề xuất thuật
điều khiển khoảng giữa Mid-Ranging Cotroller –MPC.
Các vấn đề điều khiển sấy gió (đối lưu) đã được thiết kế và triển
khai trong sản xuất là hệ điều khiển phản hồi PID nhiều mạch vòng
độc lập.
1.4. Hƣớng nghiên cứu của luận án
Tiếp thu các kết quả của các công trình về sấy hơi, phát triển kết
hợp với quá trình sấy gió. Gồm các vấn đề: Xây dựng động học quá
trình đa biến buồng sấy giấy, từ đó đi thiết kế hệ điều khiển đa biến
từ truyền thống đến phương pháp dự báo đại MPC.
CHƢƠNG 2
ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY
Nội dung chương 2 tập trung nghiên cứu động học cho từng
mạch vòng điều khiển: Độ ẩm, cân bằng gió vào - ra và nhiệt độ điểm
sương; Nghiên cứu điều khiển cho 3 mạch vòng độc lập, coi tác động
xen kênh là nhiễu tác động.
2.1. Động học và điều khiển mạch vòng độ ẩm
2.1.1. Động học tổng quát về hệ sấy
Phương trình động học tổng quát về quá trình sấy (2.1)


7

mp (γ +1)Cp

dTp2
dt

= Qp + w p (1+ γ1 )Cp (Tp1 - Tp2 ) + w bh Cp Tp2 - w bh ΔH b

(2.1)

Trong đó: Qp(kW): Là nhiệt cấp cho giấy khi sấy; H b (kJ/kg): Là
lượng nhiệt cần thiết để nước bay hơi từ giấy vào không khí;

m(1+ γ1 ) (kg): Khối lượng giấy có độ ẩm lúc vào; m(1+ γ) (kg):
Khối lượng giấy có độ ẩm lúc ra; Tp1 , Tp2 (K): Là nhiệt độ bề mặt
giấy lúc vào và ra buồng sấy; Cp(kJ/kg K): Nhiệt dung riêng quy đổi
của giấy; Nhiệt dung riêng trung bình của giấy được xác định:
C   C p,w
Trong đó: Cp, Cp,f và Cp,w (J/kg.K) là nhiệt
C p  p, f
1 
dung của giấy, sợi giấy và nước trong giấy.
Cơ chế sấy bốn giai đoạn của một lô trình bày trên Hình 2.1

Vòi phun
Không khí

4

1

3
2

Hình 2.1. Quá trình sấy cho một lô

Quá trình sấy cho một lô gồm 4 giai đoạn như Hình 2.1 gồm:
Giai đoạn 2 giấy áp mặt lô và được chăn phủ (sấy tiếp xúc), giai đoạn
1&3 giấy áp mặt lô và có tiếp xúc vơi không khí (sấy tiếp xúc và sấy
gió), giai đoạn 4 giấy chỉ tiếp xúc với không khí được gió nóng thổi
(sấy gió).


8
2.1.2. Điều khiển mạch vòng độ ẩm
Từ phương trình động học tổng quát khi sấy triển khai cho từng
giai đoạn theo cơ chế sấy ta được động học sấy cho một lô, kết hợp
đồng bộ 10 lô sấy (trong buồng sấy 3) ta có mô hình điều khiển độ
ẩm, trình bày trên Hình 2.2.
Td *

 1 *

GD1

GTd 

SP

+

-

Gc1

P *
U 1

GP1

Wa1 *

Gp2

+

-

Hình 2.2. Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy

Hình 2.3. Đáp ứng của hệ điều khiển độ ẩm

+




9
Mạch vòng điều khiển độ ẩm có đại lượng cần điều khiển là độ
ẩm. Hai đại lượng tác động: Hơi và gió nóng; Hai đại lượng nhiễu là
độ ẩm đầu vào và nhiệt độ điểm sương. Đáp ứng điều khiển được
trình bày trên Hình 2.3.
2.2. Động học và điều khiển mạch vòng cân bằng gió vào- ra

(Zero Level_ ZL)
Mạch vòng cân bằng gió vào - ra đảm bảo cân bằng gió trong
buồng gồm: Lượng gió nóng cấp vào buồng sấy cộng với hơi ẩm
thoát ra từ giấy và gió lạnh lùa vào từ hầm buồng sấy cân bằng với
lượng khí thải hút ra khỏi buồng sấy. Điểm cân bằng lấy tại sát mặt lô
dưới Hình 2.4 gọi là NP (có áp suất bằng áp suất khí quyển 1atm).
Mạch vòng điều khiển gọi tắt là Zero Level.

Quạt hút

+

H
Áp suất

NP
Quạt cấp

-

Hình 2.4. Đáp ứng mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy

Phương trình động học quá trình cân bằng gió vào- ra


10
dp R.T dm R.T
| Δp |
=
.

=
(Wa1 + Wbh + a.Cv.
- Wa2 )
dt
M dt
M
v

(2.2)

Trong đó: Wa1 (kg/s): là không khí nóng cấp vào buồng; Wa2 (kg/s):
là khí thải được quạt hút ra; Wbh (kg/s): là lưu lượng nước bay hơi từ
giấy; Wkk (kg/s): là lưu lượng không khí lạnh,Wkk= a.Cv.

| DP |
n

p(kpa): là áp suất điểm khảo sát; V(m3): là thể tích lớp khảo sát;
R(8.314J/mol.K): là hằng số khí lý tưởng; T(K): là nhiệt độ trung
bình của khí tại điểm khảo sát; M(kg/mol): là khối lượng mol của
không khí (0,029). a: là hệ số lấy giá trị 1 khi NP dịch lên trên, lấy
giá trị 0 khi NP đạt đúng giá trị đặt, Cv là độ dẫn khe hở (m2) được
xác định theo thực tế cấu trúc của buồng sấy, v là thể tích riêng của
3

phần không khí ở dưới ( kg / m ), D P = PZL - Pat .
Cấu trúc điều khiển trình bày trên Hình 2.5. Trong đó đại lượng
cần điều khiển là điểm áp suất không (Zero level), đại lượng tác động
là lưu lượng gió nóng Wa1, nhiễu là Wa2, (từ mạch vòng nhiệt độ
điểm sương) Wbh từ mạch vòng độ ẩm) và Wkk.



SPZL

+

-

Gc2

GWbh

U 2

Wa 2 *

GWa1

GWa2

+

+
-

+

K
s

ZL

Gkk

Hình 2.5. Cấu trúc điều khiển mạch vòng cân bằng gió vào – ra

Đáp ứng điều khiển mạch vòng (ZL) trình bày trên Hình 2.6


11

Hình 2.6. Đáp ứng điều khiển mạch vòng ZL

2.3. Động học và điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sƣơng
Nhiệt độ điểm sương theo công thức Magnus.
Td 

b. (T , RH )
a.T
; (T , RH ) 
 ln( RH )
a   (T , RH )
b T

(2.3)

Trong đó: a =17,27; b = 237,70CTd(0C): Nhiệt độ điểm sương.T(0C):
Nhiệt độ không khí trong buồng sấy. 0 < T <160 RH(%): Độ ẩm
tương đối của không khí trong buồng sấy.1%< RH%<100%. Động
học nhiệt độ điểm sương, ta cần xây dựng động học của nhiệt độ

trung bình buồng sấy, động học độ ẩm tương đối trong buồng sấy,
tính độ ẩm tương đối. Động học biến thiên nhiệt độ trung bình buồng
sấy.
m.C.

d T
 Wa1.C.Ta1  Wbh .Cn .Tn  Wa 2 .C.T0  Wa20 .C.T
dt

(2.4)

Trong đó: m(kg):là khối lượng không khí có trong buồng sấy; C(J/kg
K): nhiệt dung riêng của không khí (lấy đẳng trị tại độ ẩm tương đối
nhất định gần đúng coi không đổi); Wa1 (kg/s): là lưu lượng không
khí nóng thổi vào buồng sấy; Wa2(kg/s): là lưu lượng không khí hút


12
ra khỏi buồng sấy; Wbh(kg/s) là lượng nước bốc hơi từ giấy; Cn là
nhiệt dung riêng của hơi nước bay hơi từ giấy.
Động học độ ẩm tỷ lệ không khí buồng sấy
m.

dSH
 Wa1.0.001  Wbh  Wa 2 .SH
dt

(2.5)

Trong đó: SH là độ ẩm tỷ lệ của không khí trong buồng (kg/kg);

0,001 là độ ẩm tỷ lệ không khí nóng thổi vào buồng.
Độ ẩm tương đối %RH của không khí trong buồng là tỉ số giữa
áp suất riêng phần của hơi nước của không khí trong buồng với áp
suất riêng phần của hơi nước tại điểm bão hòa ở cùng một nhiệt độ
xác định tính theo %.
Công thức tính độ ẩm tương đối như sau:[37]
Pw 

1.6078* Pkq * SH
1  0.678* SH

; Psw 

e

77.345 0.0057*(T  273)

(T  273)

8.2

7235
T  273

;%RH  100 *

Pw (2.6)
Psw

Trong đó: Pkq=101325 Pa: là áp suất khí quyển; Pw(Pa): là áp suất

riêng phần của nước Psw(Pa): là áp suất riêng phần của nước khi
không khí bão hòa tại nhiệt độ xác định; T(0C): là nhiệt độ trung bình
của không khí trong buồng; SH(kg/kg): là độ ẩm tỉ lệ của không khí
trong buồng sấy. Cấu trúc điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sương
trình bày trên Hình 2.7, đáp ứng điều khiển trên Hình 2.8.
Wa1

Td  sp

+

-

PID

Gch

Nhiệt độ buồng

T

Wa 2

Tính toán nhiệt
độ điểm sƣơng
Độ ẩm
trong buồng

Wbh

Td

SH

Hình 2.7. Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương

Đại lượng cần diều khiển là nhiệt độ điểm sương, đại lượng tác
dộng là lưu lượng khí thải, hai đại lượng nhiễu lưu lượng gió nóng
(từ mạch vòng ZL) và lưu lượng hơi nước bay ra từ giấy (từ mạch


13
vòng độ ẩm).

Hình 2.8. Đáp ứng điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sương

2.4. Kết luận chƣơng 2
Nội dung chương 2 xây dựng được động học và điều khiển ba
mach vòng: Độ ẩm, cân bằng gió vào – ra và nhiệt độ điểm sương.
Đáp ứng điều khiển các mạch vòng phù hợp với quá trình vật lý và
thực tế vận hành. Đồng thời cũng thấy tính xen kênh giữa ba mạch
vòng này, nếu xây dựng hệ điều khiển buồng sấy là các mạch vòng
độc lập thì rất khó chỉnh định và chất lượng không đảm bảo.
CHƢƠNG 3
HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN BUỒNG SẤY GIẤY
Nội dung chương 3 tập trung đi thiết kế điều khiển đa biến
buồng sấy, theo phương pháp bù tách kênh.
3.1. Cấu trúc hệ điều khiển đa biến
Xét kết nối ba mạch vòng: Điều khiển độ ẩm giấy, Zero level, và
nhiệt độ điểm sương có tác động xen kênh:

14
 1

GD1

γSP +

ZLSP

-

+
-

GC1

P *

G31

Quá trình độ ẩm

Độ ẩm

G21

GC2

Wa1 *

G12
Quá trình Zero level

Zero
Level

Quá trình nhiệt độ
điểm sƣơng

Nhiệt độ
điểm
sương

G32
Wa2

DPSP +

G13
-

GC3

Wa 2 *

G23

Hình 2.1. Cấu trúc điều khiển đa biến buồng sấy giấy

Trong hệ điều khiển có nhiều nhiễu tác động, tuy nhiên nếu xét
nhiễu tác động ảnh hưởng độ ẩm thì nhiễu độ ẩm đầu vào có ảnh
hưởng nhất và xảy ra thường xuyên (vì do vận hành ép keo đầu vào
buồng sấy 3), kế đến là nhiễu do nhiệt độ điểm sương.
Kết quả mô phỏng:

Hình 2.2. Đáp ứng hệ thống khi thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương


15

Hình 2.3. Đáp ứng hệ thống khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào của giấy

Nhận xét chung: Khi xét hệ ở hệ đa biến ta thấy hệ tác động
đúng với thực tế vận hành, hệ có sự tác động xen kênh lớn đặc biệt
giữa hai mạch vòng điều khiển độ ẩm và mạch vòng điều khiển
nhiệt độ điểm sương, hai mạch vòng này có đáp ứng chậm (phù hợp
với quá trình vật lý). Mạch vòng ZL bị tác động xen kênh của hai
mạch vòng còn lại nhưng tác động nhanh hơn.Cụ thể: Khi thay đổi
nhiễu ΔTd = ± 10% độ ẩm đầu ra thay đổi trên 20%, khi thay đổi
nhiễu độ ẩm đầu vào Δγ1= 25%, nhiệt độ điểm sương tăng trên 5%.
3.2. Thiết kế bộ điều khiển đa biến tách kênh
Hệ điều khiển đa biến buồng sấy giấy là hệ 3 vào 3 ra. Theo
thực tế vận hành cũng như kết quả mô phỏng cho thấy mạch vòng
cân bằng gió vào - ra ZL, tác động nhanh so với hai mạch vòng còn
lại và vai trò của nó là thụ động với hai mạch vòng độ ẩm và nhiệt độ
điểm sương. Vì vậy để đơn giản khi thiết kế điều khiển đa biến tách
kênh ta giả thiết bỏ qua động học của mạch vòng gió vào – ra, như
vậy cấu trúc hệ điều khiển đa biến buồng sấy được rút gọn còn 2-2.

16
Động học ZL được thay bằng phương trình đại số cân bằng khối
lượng Wa1  Wbh  Wa 2  0 . Để thiết kế điều khiển tách kênh
hệ đa biến buồng sấy, ta thực hiện các bước sau: Đưa hệ về dạng
chuẩn, sau đó thiết kế bộ điều khiển tách kênh. Để đánh giá bộ điều
khiển tách kênh ta triển khai nó trên hệ đa biến 3-3.
Trên Hình 3.4 và Hình 3.5 là đáp ứng hệ khi có bộ tách kênh với
hệ 2-2.

Hình 2.4. Đáp ứng của hệ điều khiển hai biến khi tác động của nhiễu độ ẩm
đầu vào ∆γ1=25%

Hình 2.5. Đáp ứng hệ điều khiển hai biến khi thay đổi lượng đặt nhiệt độ
điểm sương ∆Td = ±10%


17
3.3. Đánh giá hệ điều khiển tách kênh trên hệ thực 3-3
Trên Hình 3.6 là mô hình mô phỏng hệ đa biến 3-3 với bộ điều
khiển tách kênh (Được thiết kế từ hệ đa biến chuẩn). Trên Hình 3.7,
Hình 3.8 là đáp ứng của hệ.

Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ đa biến thực với bộ tách kênh xây dựng trên Matlab

Hình 2.7. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) có bộ tách kênh khi
thay đổi nhiễu ∆Td=10%

18

Hình 2.8. Đáp ứng hệ điều khiển đa biến (3-3) khi thay đổi nhiễu độ ẩm đầu
vào ∆γ1=25%

Nhận xét: Hệ đã thực hiện tách kênh giữa mạch vòng độ ẩm và
mạch vòng nhiệt độ điểm sương, mạch vòng ZL hoạt động ổn định ở
giá trị đặt. Độ ẩm đầu ra được cải thiện khi tác động nhiễu đầu vào và
nhiễu nhiệt độ điểm sương (<10%).
3.4. Kết luận
Hệ điều khiển đa biến buồng sấy giấy là hệ điều khiển đa biến
tác động xen kênh. Đối với hệ đa biến điều khiển chưa tách kênh thì
xen kênh của nhiệt độ điểm sương đến độ ẩm đầu ra rất lớn (khoảng
25%) tức là độ ẩm thực tế là 6,2 kg/kg(%). Nhiễu độ ẩm đầu vào
25%, độ ẩm đầu ra thực khoảng 5,6 kg/kg(%).
Khi thiết kế điều khiển đa biến tách kênh đối với mô hình
chuẩn thì độ ẩm đầu ra hầu như không biến đổi, nhưng khi cài đặt
vào hệ thực thì thay đổi khoảng 10%, tức là độ ẩm thực 5,5


19
kg/kg(%). Khi có nhiễu tác động độ ẩm đầu vào, thì độ ẩm đầu ra có
suy giảm nhưng không đáng kể (khoảng 10%), thời gian tác động
khoảng 300s, vẫn nằm trong tiêu chuẩn cho phép nhưng tác động
nhanh hơn so với hệ thống chưa tách kênh.

CHƢƠNG 4
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MPC CHO BUỒNG SẤY GIẤY
4.1. Nguyên lý điều khiển dự báo MPC
Quỹ đạo

mong muốn w

Tín hiệu ra
tương lai

Tín hiệu vào u và ra quá khứ y
Mô hình
dự báo

Sai lệch
tương lai

Tín hiệu vào tương lai u
Đối tƣợng
điều khiển
(Quá trình)

Tối ƣu
hóa
Hàm
mục tiêu

Nhiễu đầu
vào v

nhiễu đầu
ra n

Hình 2.1. Cấu trúc hệ điều khiển dự báo

Trên Hình 4.1 là cấu trúc chung của bộ điều khiển dự báo, có ba
phần: Mô hình dự báo được sử dụng để xác định xấp xỉ các tín hiệu
đầu ra y (k  j ), j  0,1,

, M  1 từ giá trị đầu vào quá khứ tương

ứng: y (k  j )  p u (k ),

, u (k  j  1) 

(3.1)

Điều này là cần thiết cho việc tìm nghiệm hàm mục tiêu (3.2).
Hàm mục tiêu: được xây dựng theo nguyên tắc là nghiệm của nó
sẽ phải làm cho sai lệch e(t) giữa tín hiệu đầu ra y(t) của đối tượng
điều khiển và tín hiệu mẫu w(t) mong muốn đặt ở đầu vào của hệ


20
(Error!

Reference

source

not

found.)

là

nhỏ

nhất.

M-1

Q =  f j  u(k + j), y(k + j)   min
u

j=0

(3.2)

Thuật toán tìm nghiệm của bài toán tối ưu: Cho cùng một bài
toán tối ưu ta có nhiều phương pháp tìm nghiệm. Tuy nhiên phù hợp
với điều khiển dự báo nhất là những phương pháp giải tích hoặc các
thuật toán lặp mang tính trực tuyến, có tốc độ hội tụ nhanh.
4.2. Điều khiển dự báo theo phƣơng pháp tối ƣu hóa từng đoạn
trong miền thời gian ứng dụng cho hệ đa biến buồng sấy giấy
4.2.1. Xây dựng mô hình buồng sấy giấy trong miền thời gian thực
Bƣớc 1: Chọn độ rộng N > 2 cho cửa sổ dự báo. Xây dựng các ma
trận A1,0 , A2,0 , B 0,0 ,  , B 9,0 từ các tham số mô hình hàm truyền
Bƣớc 2: Xây dựng các ma trận Ai,j với i = 1,2, j =1,2,….N và Bi,j
với i = 1,2,…, j+9, j = 1,2,…N theo (4.67), (4.68) và (4.70)
Bƣớc 3: Xác định các ma trận B1, B2 , A
 


B1  



 B 0,N


B 0,1
B N 1,N

B 0,0 
 B1,0


B1,1 
B 2,1
, B2  




B N ,N 
 B N 1,N

B 2,0
B 3,1
B N  2,N

B 9,0 
 A1,0



B10,1 
A1,1
, A




B N 9,N 
 A1,N

A 2,0 

A 2,1 


A 2,N 

Bƣớc 4: Khai báo mảng dữ liệu một chiều u / , y / , trong đó u / có 18
phần tử, và y / có 4 phần tử.
Bƣớc 5: Gán các giá trị khởi phát u /  0, y /  0 .


21
Bƣớc 6: Chọn tùy ý hai ma trận đối xứng xác định dương

Q  R2(2N 1)2(2N 1) và

R  R 2(2N 1) 2(2N 1)

Bƣớc 7: Tính vector g và w



Bƣớc 8: Tính u theo công thức u  BT1 QB1  R



1

BT1 Q (w  g )

Bƣớc 9: Xác định cặp giá trị tín hiều khiển (u1[k  p ], u 2 [k  q]) với
3  p  1 và 6  q  1 từ u , theo công thức:

 u1[k  p ]
 u [k  q ]  C (2N 1 2p ),(2N  2 2q ) u ,
2

Bƣớc 10: Đưa cặp giá trị tín hiệu điều khiển u1[k  p ], u 2 [k  q] vào
T

điều khiển buồng sấy giấy trong đúng một khoảng thời gian trích
mẫu. Sau đó đo tín hiệu ra y  y1 , y 2  của hệ, sắp xếp lại u / , y /
T

Bƣớc 11: Gán k : k  1 và quay về Bước 7.


22
4.2.2. Mô phỏng cho bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho

buồng sấy giấy

Hình 2.4. Đáp ứng của bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy
giấy, khi thay đổi nhiệt độ ẩm đầu vào 25%

Hình 2.5.Đáp ứng của bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn cho buồng sấy
giấy, khi thay đổi nhiệt độ điểm sương ± 10%

Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy hệ hoạt động ổn định đáp
ứng tốt với nhiễu độ ẩm đầu vào, đảm bảo tách kênh giữa hai mạch
vòng độ ẩm và nhiệt độ điểm sương, nâng cao chất lượng độ ẩm của
đầu ra (8%) khi có nhiễu tác động độ ẩm đầu vào (Δγ1=25%). Đặc


23
biệt khi thay đổi nhiệt độ điểm sương (ΔTd=± 10%) độ ẩm đầu ra
thay đổi không đáng kể.
4.3. Kết luận
Bộ điều khiển MPC tối ưu từng đoạn đáp ứng tốt với nhiễu độ
ẩm đầu vào: Biên độ nhỏ (khoảng 5%), tương ứng với độ ẩm đầu ra
thực khoảng 5,2 kg/kg(%), thời gian tác động ngắn khoảng 200s như
Hình 4.10, đặc biệt bộ điều khiển đã loại bỏ được xen kênh giữa
mạch vòng nhiệt độ điểm sương tới mạch vòng độ ẩm (khi thay đổi
nhiệt độ điểm sương Td = ±10% thì độ ẩm đầu ra của giấy hầu như
không thay đổi) Hình 4.11. Kết quả nghiên cứu cho thấy thuật toán
điều dự báo tối ưu hóa từng đoạn là đúng đắn cho khả năng tách kênh
và giảm thiểu nhiễu tác động.

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU
1. Kết luận

Nội dung luận án đã giải quyết các vấn đề đặt ra có các đóng
góp mới như sau:
- Xây dựng được mô hình động học đầy đủ cho buồng sấy giấy
cụ thể: Động học quá trình sấy cho một lô sấy theo cơ chế bốn giai
đoạn từ đó xây dựng động học quá trình sấy cho buồng sấy có 10 lô;
Động học quá trình gió vào - ra của buồng sấy giấy; Động học quá
trình nhiệt độ điểm sương của buồng sấy.
Từ các động học quá trình ta khảo sát các đáp ứng của ba mạch
vòng điều khiển độc lập phản hồi PID, trong đó các ảnh hưởng xen