Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mid ranging cho quá trình sấy giấy

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


PHẠM ĐÌNH PHÚ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING
CHO QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Người hướng dẫn khoa học:
TS. Phan Văn Hiền
TS.Trần Kim Quyên

Phản biện 1: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh

Phản biện 2: TS. Nguyễn Quốc Định

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại

Trường Đại học Bách khoa vào ngày 07 tháng 07 năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Độ ẩm của tờ giấy là một thông số rất quan trọng quyết định
đến sự vận hành trơn chu của quá trình xeo giấy, nếu độ ẩm không
được điều khiển một cách hợp lý giấy sẽ bị đứt làm quá trình sản xuất
giấy bị ngắt quãng gây ảnh hưởng đến năng suất. Đồng thời nó là một
trong những tiêu chí để đánh giá chất lượng giấy.
Trong công đoạn sấy để đảm bảo độ ẩm giấy, 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 còn bị ảnh hưởng rất lớn của thông số môi trường trong buồng
sấy, như: Điều khiển gia nhiệt gió nóng cấp vào buồng kết hợp với
mạch vòng điều khiển độ ẩm dùng hơi bão hòa để sấy giấy, mạch
vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương đảm bảo môi trường không khí
trong buồng sấy sao cho nước trong giấy có đủ điều kiện bay hơi và
mạch vòng điều khiển cân bằng gió vào – ra đảm bảo tổn thất nhiệt ít.
Hiện nay, việc đầu tư một phân xưởng xeo giấy mới đòi hỏi
phải có một số vốn rất lớn, vì vậy việc tăng hiệu quả sản xuất và
năng xuất là một yếu tố quan trọng để thực hiện thu hổi vốn nhanh và

phát huy hiệu quả trong sản xuất kinh doanh.
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. Nghiên cứu sấy gió hiện nay
đã được triển khai, nhưng các công trình nghiên cứu về điều khiển
chưa nhiều, việc chỉnh định hệ điều khiển bằng thực nghiệm nên khi


2
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.
Từ những lý do trên và trong khuôn khổ khóa Cao học,
chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tại trường Đại học
Bách khoa Đà Nẵng, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường,
khoa Điện và giảng viên Tiến sĩ Phan Văn Hiền cùng Tiến sĩ Trần
Kim Quyên, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là
“Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho quá trình
sấy giấy ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng động học và cấu trúc điều khiển độ ẩm cho quá
trình sấy giấy.
Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho quá trình sấy giấy
để nâng cao chất lượng sản phẩm.
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
* Đối tƣợng nghiên cứu: Điều khiển độ ẩm cho buồng sấy giấy
trong dây chuyền Xeo giấy
* Phạm vi nghiên cứu: Động học và ứng dụng bộ điều khiển
Mid-ranging cho buồng sấy giấy.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Khảo sát thực tế tại nhà máy giấy.
- 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 bộ điều khiển Mid-ranging cho buồng sấy giấy.
- Mô hình hóa mô phỏng đánh giá chất lượng bộ điều khiển.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:


3
Xây dựng được động học và điều khiển quá trình sấy giấy
trong dây chuyền xeo giấy. Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging để
điều khiển độ ẩm cho buồng sấy giấy.
* Ý nghĩa thực tiễn:
Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho buồng sấy sẽ tiết
kiệm được nguyên liệu, nhiên liệu, nâng cao chất lượng điều khiển từ
đó góp phần nâng cao hiệu suất sản phẩm.
6. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục thì kết cấu luận văn
bao gồm 4 chương:
Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ sấy trong dây chuyền
Xeo giấy
Chƣơng 2: Động học và điều khiển quá trình sấy giấy
Chƣơng 3: Xây dựng bộ điều khiển Mid-ranging cho buồng
sấy giấy
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY GIẤY
TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY

1.1. TÓM TẮT CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY
1.1.1. Công đoạn xử lý nguyên liệu
1.1.2. Công đoạn nấu bột
1.1.3. Công đoạn rửa, sàng
1.1.4. Công đoạn tẩy trắng bột
1.1.5. Xeo giấy
1.1.5.1. Hòm phun bột
1.1.5.2. Bộ phận lưới
1.1.6. Bộ phận ép
1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng


4
1.1.8. Bộ phận ép quang
1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn
1.1.10. Giấy thành phẩm
1.1.11. Các chỉ tiêu chất lƣợng của giấy thành phẩm
1.2. SẤY HƠI VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SẤY HƠI
1.2.1. Cấu tạo lô sấy
1.2.2. Nguyên lý điều khiển công suất sấy
1.3. SẤY ĐỐI LƢU VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÓ TRONG BUỒNG SẤY
1.3.1. Phƣơng pháp sấy đối lƣu truyền thống
1.3.2. Phƣơng pháp sấy đối lƣu kết hợp thổi gió nóng lên
mặt giấy
1.3.2.1. Vị trí đặt các vòi phun gió

Hình 1.5. Vị trí đặt các vòi phun gió
1.3.2.2. Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy đối lưu

Hình 1.6. Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy gió phương

pháp mới


5
1.3.3. Động học chung quá trình sấy đối lưu
1.3.3.1. Cân bằng khối lượng tổng quát
Xét băng giấy đi qua mặt lô, ta có phương trình cân bằng khối
lượng của độ ẩm trong băng giấy (1.2): [5],[16],[25]:
d ( gAxy )
dt

 d y vx g 1  Axy qbh  d y vx g

d
1

 w g 1  w g  w bh 
dt mg

Trong đó:  1 ,  : Độ ẩm tỷ lệ của giấy (kg nước/kg giấy)
vào và ra; Wg (kg/s): Lưu lượng giấy chạy qua buồng sấy; mg (kg):
Khối lượng giấy; Wbh(kg/s): Lưu lượng nước bay hơi từ giấy vào
không khí; g (g/m2): Định lượng chuẩn của giấy; dy là bề rộng khổ
giấy (m); vx là tốc độ xeo giấy (m/s); Axy là diện tích giấy (m2); qbh
(kg/m2s): là tốc độ bay hơi trên đơn vị diện tích;
1.3.3.2. Cân bằng năng lượng tổng quát
Ta có:
mg (  1)Cg

dTp2

dt

 Qg  w g (1  1 )Cmp (Tp1  Tp2 )+w bhCmpTp2  w bh H b

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

mg (1  1 ) (kg): Khối lượng giấy có độ ẩm lúc vào; mg (1  1 )
(kg): Khối lượng giấy có độ ẩm lúc ra; Tp1 , Tp2 (K): Nhiệt độ bề mặt
giấy lúc vào và ra buồng sấy; Cmp (kJ/kg K): Nhiệt dung riêng quy
đổi của giấy.
1.4. VẤN ĐỀ ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ QUÁ TRÌNH SẤY
TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY
1.4.1. Giới thiệu chung
1.4.2. Đo độ ẩm của giấy


6
1.4.3. Cấu hình khâu sấy
1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Trong Chương 1 tác giả đã đề cập đến vấn đề tổng quan về
công nghệ Xeo giấy, phân tích hai công nghệ sấy truyền thống và
công nghệ sấy hiện đại.
Tác giả nghiên cứu và phân tích sâu thêm tầm ảnh hưởng của
độ ẩm đến quá trình sấy khô tờ giấy và chất lượng của giấy. Từ các
phương trình cân bằng khối lượng và bảo toàn năng lượng tác giả đã
xây dựng được động học chung cho quá trình sấy giấy.
CHƢƠNG 2
ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY
2.1. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ẨM

TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY
2.1.1. Cơ chế sấy

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). [10], [12]


7
2.1.2. Động học quá trình sấy cho một lô
2.1.2.1. Phương trình động học cho giai đoạn (2)
mg (  1)Cmp

dTp2
dt

 w g (1  1 )Cmp (Tp1  Tp2 )  cp A1 (Tm  Tp2 ) (2.2)

2.1.2.2. Phương trình động học cho đoạn (1&3)
mg   1 Cmp

dTp2
dt









 cp A1 Tm  Tp2  w g 1  1  Cmp Tp1  Tp2  qbh1 CmpTp2  qbh1 H b1

2.1.2.3. Phương trình động học cho giai đoạn (4)
mg   1 Cmp

dTp2
dt









 G A2 Tm  Tp2  w g 1  1  Cmp Tp1  Tp2  w bh2 CmpTp2  w bh2 H b2

(2.5)

2.1.3. Phân tích vòng điều khiển độ ẩm
2.2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH GIÓ VÀO – RA (ZERO LEVEL)
2.2.1. Động học quá trình cân bằng gió vào – ra
Trên Hình 2.3 mô tả mô hình buồng sấy

Hình 2.3. Mô hình gió vào – ra buồng sấy
Mô hình khe gió dùng thiết lập điều khiển, cân bằng gió vào –
ra được trình bày trên Hình 2.4.


8

Hình 2.4. Mô hình khe gió buồng sấy và thiết kế NPP-Neutral
Pressure Plane
Phương trình cân bằng khối lượng [6],[29] gió cho khe gió
khảo sát:
dmg
dt

 Wa1  Wbh  aCv

P
 Wa 2
v

(2.7)

Trong đó: Wa1(kg/s): là khí cấp vào; Wa2(kg/s): là khí được
quạt đưa ra; Wbh(kg/s): là lưu lượng nước bay hơi; Wkk(kg/s): là lưu
lượng không khí.
Phương trình áp suất tại điểm khảo sát trong khe gió:
dp RT dmg RT 
 Wa1  Wbh  aCv




dt M dt
M 



 Wa 2 

v


P

(2.8)

Trong đó: p(kpa): là áp suất điểm khảo sát (Điểm đặt ZL);
V(m ): là thể tích lớp khảo sát; R(8.314J/mol.K): là hằng số khí lý
tưởng; T(K): là nhiệt độ của khí tại lớp gián đoạn khảo sát.
M(kg/mol): là khối lượng mol của không khí (0,029).
Thay phương trình (2.7) vào (2.8) ta thu được (2.9):
3

dp 1 
  Wa1  Wbh  aCv
dt  


Với:  

RT

VM


 Wa 2 

v


P

(2.9)


9
2.2.2. Cấu trúc điều khiển cân bằng gió vào-ra
Wa2
ZLSP
-

PID

Hwa1

Wa1

Wbh
ZL
Hqt
Wkk

Hđo
Hình 2.6. Cấu trúc điều khiển cân bằng gió vào – ra (Zero level)
2.3. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘ ĐIỂM SƢƠNG
2.3.1. Tính toán nhiệt độ điểm sƣơng
Theo [25],[28] Tính toán nhiệt độ điểm sương theo công thức
Magnus (2.10).
Tds 

b. (T , RH )
a   (T , RH )

(2.10)

a.T
 ln( RH )
b T
Trong đó: a =17,27; b = 237,70C; Tds(0C): Nhiệt
độ
điểm
0
sương; T( C): Nhiệt độ không khí trong buồng sấy. 0 < T <160 ;
RH(%): Độ ẩm tương đối của không khí trong buồng sấy 1% <
RH%<100%.
2.3.2. Xây dựng động học nhiệt độ điểm sƣơng
2.3.2.1. Tính toán biến thiên nhiệt độ không khí trong
buồng sấy
Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát trong buồng sấy:
dT
(2.12)
mkk Ckk

 Wa1Ckk Ta1  WbhCnTn  Wa 2Ckk T
dt

 T , RH  


10
Trong đó: mkk(kg): là khối lượng không khí có trong buồng
sấy; Ckk: nhiệt dung riêng của không khí (lấy đẳng trị tại độ ẩm tương
đối nhất định); Wa1 (kg/s): là lưu lượng gió nóng thổi vào buồng sấy;
Wa2 (kg/s): là lưu lượng gió hút 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.
k  s  1 T  Wa1CkkTa1  WbhCnTn  Wa 2CkkT0

(2.15)

Trong đó:   m ; k  Wa 20Ckk
Wa 2
2.3.3.2. Động học quá trình độ ẩm không khí tương đối trong
buồng sấy
kn  n s  1 SH  Wa1.0,001  Wbh .1  Wa 2 SH 0 (2.18)

Với:  n  m

Wa 20

; k  Wa 20

2.3.3.3. Tính toán độ ẩm tương đối trong buồng sấy

Công thức tính độ ẩm tương đối như sau:[5]
Pw 

Psw 

1.6078  Pkq  SH

(2.19)

1  0.678* SH

e

77,358  0,0056( T  273) 

T  273

8,2

% RH  100 

Pw
Psw

7235
T  273

(2.20)
(2.21)

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 của
không khí trong buồng; SH (kg/kg): là độ ẩm tỉ lệ của không khí
trong buồng sấy; %RH(%): là độ ẩm tương đối của không khí trong
buồng.


11
2.3.4. Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sƣơng
2.4. MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH TRONG
BUỒNG SẤY
2.4.1. Cấu trúc điều khiển và thông số để mô phỏng

T
g,

Hình
 2.13. Sơ đồ của buồng sấy giấy
2.4.2. Mô phỏng động học và điều khiển độ ẩm
2.4.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình sấy cho một lô
Theo số liệu vận hành thực tế của nhà máy và các số liệu thực
nghiệm [7],[8],[9]
* Mô hình mô phỏng

Hình 2.15. Mô hình mô phỏng độ ẩm của một lô


12
* Kết quả mô phỏng:

* Nhận xét
Kết quả độ ẩm của đoạn giấy qua buồng đầu vào 20% đạt được
giá trị đầu ra là 5% theo yêu cầu, thể hiện tính toán cân bằng khối
lượng, cân bằng năng lượng cho và các thông số vật lý cho quá trình
sấy (như hệ số truyền nhiệt, tốc độ bay hơi, tốc độ thổi của gió nóng
vào mặt giấy…) là đúng đắn.
Đặc tính nhiệt độ tức thời và độ ẩm tức thời của đoạn giấy qua
buồng phản ánh đúng với các phương trình động học (mục 2.1.2).
2.4.2.2. Nhận dạng mô hình đối tượng điều khiển độ ẩm
a. Mô phỏng cho hệ hở

Hình 2.20. Đáp ứng của độ ẩm
với công suất nhiệt sấy từ hơi

Hình 2.21. Đáp ứng của độ ẩm
đối với gió vào


13
Từ đáp ứng Hình 2.20 nhận dạng bằng Toolbox của Matlab ta
nhận được hàm truyền của quá trình áp suất hơi – độ ẩm:
H p1 

 0, 0009667 10 s

e
P*
45s  1

(2.22)

Từ đáp ứng Hình 2.21 nhận dạng bằng Toolbox của Matlab
ta tìm hàm truyền của quá trình lưu lượng gió – độ ẩm:
H p2 


0, 0005721 18 s

e
Wa*1
20s  1

(2.23)

b. Mô phỏng cho hệ kín
Từ hàm truyền thu được ta thiết lập mạch vòng điều khiển độ
ẩm, với mục đích xác định tính ổn định khi tác động của nhiễu.

Hình 2.23. Sơ đồ khối hệ điều khiển độ ẩm được xây dựng trên Matlab

Kết quả mô phỏng:

Hình 2.24 Đáp ứng của hệ điều khiển sấy


14
Nhận xét:
Khi hệ làm việc ổn định tại điểm cân bằng, tăng nhiễu độ ẩm
đầu vào, làm cho độ ẩm của giấy ra tăng, mạch vòng độ ẩm tác động

làm tăng ∆P* kéo độ ẩm về điểm làm việc. Khi tăng lưu lượng gió
nóng W*a1 làm cho độ ẩm của giấy ra giảm, mạch vòng độ ẩm tác
động giảm ∆P* kéo độ ẩm về điểm làm việc. Điều này cho thấy hoạt
động ổn định của mạch vòng điều khiển và có giảm được nhiễu.
2.4.3. Mô phỏng động học và điều khiển cân bằng gió vào –
ra (Zero level)
2.4.3.1. Sơ đồ mô phỏng điều khiển cân bằng gió vào – ra
(Zero level)

Hình 2.25. Sơ đồ khối hệ điều khiển Zerolevel xây dựng trên Matlab
2.4.3.2. Kết quả mô phỏng

Hình 2.26. Đáp ứng hệ điều khiển cân bằng gió vào – ra (Zero-level)


15
2.4.3.3. Nhận xét kết quả mô phỏng
Hệ ổn định tại điểm Zero Level.
Khi nhiễu Wa2 tác động tăng dẫn đến áp suất tại ZL giảm, tức
áp suất âm (do điểm áp suất âm dâng lên, hệ điều khiển tác động
(tăng Wa1) áp suất tại điểm ZL về điểm ổn định bằng không. Khi
nhiễu Wa2 giảm áp suất tại điểm ZL, tức áp suất dương (do điểm áp
suất không bị kéo xuống), hệ điều khiển tác động giảm Wa1 điểm ZL
ổn định về không.
2.4.4. Mô phỏng động học và điều khiển nhiệt độ điểm
sƣơng
2.4.4.1. Sơ đồ mô phỏng điều khiển nhiệt độ điểm sương
(phụ lục 1)
2.4.4.2. Mô phỏng cho hệ thống
2.4.4.3. Kết quả mô phỏng

Hình 2.27. Đáp ứng với thay đổi lượng đặt ∆Td =±10%


16

Hình 2.28. Đáp ứng với nhiễu ∆Wa1 và ∆ Wbh
2.4.4.4. Nhận xét
a. Đáp ứng theo lượng đặt nhiệt độ điểm sương
Khi tăng lượng đặt của nhiệt độ điểm sương, do khả năng bay
hơi của nước từ giấy giảm dẫn đến nhiệt độ bên trong buồng sấy
giảm theo, và ngược lại.
Khi giảm lượng đặt cho nhiệt độ điểm sương, Quạt Wa2 tăng
công suất để tăng lượng hơi nước đưa ra bên ngoài, độ ẩm của không
khí trong buồng giảm xuống và ngược lại.
Đáp ứng phù hợp với thực tế vận hành trong nhà máy.
b. Đáp ứng với nhiễu ∆Wa1 và ∆Wbh
Khi giảm Wa1 xuống thì nhiệt độ trong buồng giảm dẫn đến độ
ẩm tương đối của không khí trong buồng tăng lên theo nên nhiệt độ
điểm sương trong buồng thay đổi rất ít.
Khi tăng Wbh, độ ẩm trong buồng (đồ thị e) tăng lên, nhiệt độ
điểm sương cũng tăng theo. Để đảm bảo cân bằng khí vào - ra trong
buồng sấy, bộ điều khiển tác động Wa1 tăng lên làm tăng nhiệt độ
trong buồng. Bộ điều khiển tác động Wa2 tăng lên làm giảm độ ẩm
không khí trong buồng. Do đó, nhiệt độ điểm sương cũng giảm theo.


17
2.4.5. Cấu trúc điều khiển tổng quát trong buồng sấy
2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2

Từ việc phân tích cơ chế và quá trình sấy, ta đã xây dựng động
học quá trình sấy cho một lô sấy. Tác động sấy từ gió nóng rất hiệu
quả, làm độ ẩm giấy giảm nhanh, đã làm giảm được tiêu thụ công
suất hơi. Khi cho tác động của nhiễu đầu vào được mô hình điều
khiển quá trình sấy với hai lượng tác động và một đại lượng cần điều
khiển. Với mô hình điều khiển này có thể dùng để thiết kế điều khiển
cho hệ thống sấy.
CHƢƠNG 3
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING
CHO LÔ SẤY GIẤY
3.1. GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING
3.1.1. Khái niệm Mid-ranging
3.1.2. Một số cấu trúc Mid-ranging
3.1.2.1. Cấu trúc Mid-ranging đơn
3.1.2.2. Cấu trúc điều khiển vị trí van
3.1.2.3. Cấu trúc điều khiển Mid-ranging hỗn hợp (Hybrid
Mid-ranging)
3.1.2.4. Mid-range MPC
3.2. XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO LÔ SẤY
3.2.1. Mô phỏng mạch vòng điều khiển áp suất hơi – độ ẩm
cho quá trình sấy

Hình 3.6. Cấu trúc mạch vòng điều khiển áp suất hơi sử dụng bộ điều
khiển PID


18
* Kết quả mô phỏng
11

Dap ung do am dau ra
Gia tri dat do am

10.5
10
9.5

Do am %

9
8.5
8
7.5
7
6.5
6
100

200

300

400

500

600
time(sec)

700

800

900

1000

1100

Hình 3.7. Đáp ứng của độ ẩm đầu ra
* Nhận xét
Khi tiến hành mô phỏng cho mạch vòng điều khiển áp suất hơi
– độ ẩm sử dụng bộ điều khiển PID thông thường, ta thấy thời gian
quá độ của độ ẩm thay đổi từ 10.5% đến 8% là 500s với độ quá điều
chỉnh khoảng 20%. Tại thời điểm 800s, ta tăng nhiễu độ ẩm đầu vào
làm tăng độ ẩm đầu ra thì hệ thống tác động áp suất hơi ∆P* kéo độ
ẩm về vị trí làm việc trong khoảng thời gian đáp ứng 300s. Tuy nhiên
khi có nhiễu tác động làm cho độ ẩm đầu ra hệ thống tăng sau đó mới
đưa về giá trị ổn định, những điều này là không tốt trong quá trình
làm việc.
3.2.2. Thiết kế mạch vòng điều khiển độ ẩm
Từ các đáp ứng mô hình mô phỏng hệ hở tại mục 2.4.2, ta
được các hàm truyền của các quá trình như sau:
Hàm truyền quá trình gió nóng – độ ẩm:
H p 2 ( s) 

0, 0005721 18 s
e
20s  1

Hàm truyền quá trình áp suất hơi – độ ẩm:
0, 0009667 10 s
H p1 ( s) 
e
45s  1

(3.5)

(3.6)


19
3.2.3. Cấu trúc IMC cho Mid-Ranging
Chọn H c* ( s) bằng nghịch đảo của mô hình quá trình:

H c* (s)  H p ( s)1
Như vậy, nếu quá trình mô hình hóa đối tượng được tiến hành
một cách chính xác ( H p (s)  H p (s) ) thì sẽ thu được kết quả mong
muốn, có nghĩa là đầu vào giá trị đặt x bằng với đầu ra y.
Trong sơ đồ trên d(s) là nhiễu không xác định tác động lên hệ
thống. Đầu vào điểu khiển U(s) được đưa vào cả quá trình và mô
hình của nó. Đầu ra của quá trình Y(s) được so sánh với đầu ra của
mô hình và tạo ra tín hiệu đưa về dˆ ( s ) so sánh với giá trị đặt
dˆ (s)   H p (s)  H p (s)  .U ( s)  d ( s)

Ta có tín hiệu điều khiển được xác định như sau:





U (s)  Ysp (s)  dˆ (s)  .H c* (s)  Ysp (s)   H p (s)  H p (s)  .U (s)  d (S ) .H c* (s)

(3.9)

Qua phép biến đổi ta thu được:
U (s) 

Ysp ( s)  d ( s)  .H c* ( s)
1   H p ( s)  H p ( s)  .H c* ( s)

Do có đầu ra quá trình Y(s) = Hp(s).U(s) + d(s), nên hàm
truyền của sơ đồ điều khiển IMC mạch vòng kín là:
Ysp ( s)  d ( s)  .H c* ( s).H p ( s)
Y (s)  
 d ( s)
1   H p ( s)  H p ( s)  .H c* ( s)

Biến đổi (3.11) ta được:
Y (s) 

H c* ( s).H p ( s).Ysp ( s )  1  H c* ( s).H p ( s)  .d ( s )
1   H p ( s)  H p ( s)  .H c* ( s)

Từ (3.12) ta có hàm truyền theo nhiễu:
H d ( s) 1  H c* ( s) H p ( s) 
Y ( s)

d ( s) 1  H c* ( s)  H p ( s)  H c* ( s) 

20
3.2.4. Phƣơng pháp thiết kế IMC Mid-ranging
Trình tự này có ba bước [1]:
- Bước 1: Từ phương trình (3.13), ta được bộ điều khiển
H c* ( s) , do vậy ta phải nghịch đảo H p ( s ) .

Mô hình quá trình được chia thành:
H p (s)  H p (s) H p (s) (3.14)

- Bước 2: Đặt hàm truyền của bộ điều khiển H c* ( s)
H c* ( s) 

1
1
H f ( s) Với H f ( s) 
H ( s)
1   s 

p

(3.16)

- Bước 3: So sánh mô hình hàm truyền IMC với hàm truyền
của hệ điều chỉnh phản hồi kinh điển.
Chứng ta đặt dạng hàm truyền bám lượng đặt:
IMC:

H p ( s) H c* ( s)
Y (s)


*
Ysp ( s) 1  H c ( s)[H p (s)-H p (s)]

Dạng kinh điển

H p (s) H c (s)
Y ( s)

Ysp ( s) 1  H p ( s) H c ( s )

Cân bằng hai phương trình:
H p (s) H c* (s)[1+ H p (s)Hc (s)]=H p (s) H c (s)[1+(H p (s)-H p (s)) H c* (s)]

Hàm truyền H(s) được tính:
H c ( s) 

H c* ( s)
1  H p ( s) H c* ( s)

(3.17)

Từ phương trình (3.17) đã xây dựng ở đây, ta thực hiện tương
tự với hai bộ điều khiển H1(s) và H2(s) của cấu trúc mạch vòng điều
khiển Mid-ranging.
H c1 ( s) 

H c*1 ( s)
H c*2 ( s)
và H c 2 (s) 

(3.19)
*
1  H p1 ( s) H c1 ( s)
1  H p 2 ( s) H c*2 ( s)

Trong đó: H * (s)  H f 1 ( s) ,
c1
H 1p( s)

thông thấp.

H c*2 ( s) 

H f 2 ( s) ,
H p 2 (s)

Hf1 và Hf2 là hai bộ lọc


21
3.3. MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO LÔ
SẤY

Hình 3.11. Sơ đồ khối điều khiển Mid-ranging cho lô sấy khi không
có tác động của nhiễu xây dựng trên Matlab
10
Dap ung dau ra
Gia tri dat

Do am %

8
6
4
2
0
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

time(sec)

Hình 3.12. Đáp ứng của độ ẩm khi không có tác động của nhiễu
Khi tiến hành mô phỏng bộ điều khiển Mid-ranging cho lô sấy
với trường hợp chưa có nhiễu, ta thấy hệ thống luôn ổn định tại giá trị
độ ẩm mong muốn 8% trong thời gian đáp ứng 200s với độ quá điều
chỉnh 0%, giảm biên độ độ ẩm dao động về 0 và cho đáp ứng độ ẩm
đầu ra tương ứng với giá trị đặt của độ ẩm vào là 8%. Từ đây ta so
sánh với đáp ứng của độ ẩm khi sử dụng cấu trúc điều khiển độ ẩm
dùng bộ điều khiển PID thông thường có thời gian đáp ứng là 500s
(Hình 3.8), hệ thống sử dụng bộ điều khiển Mid-ranging có thời gian
đáp ứng nhanh hơn 300s và độ quá điều chỉnh được đưa về 0%, biên
độ dao động bằng 0. Ta tiếp tục so sánh khi hệ thống có nhiễu:


22

Hình 3.13. Sơ đồ khối điều khiển Mid-ranging cho lô sấy khi có tác
động của nhiễu xây dựng trên Matlab
Dap ung dau ra
Gai tri dat

9

Do am %

8.5
8
7.5
7
6.5
6

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

time(sec)

Hình 3.14. Đáp ứng đầu ra của độ ẩm khi tăng thêm nhiễu
Qua kết quả mô phỏng ta thấy, chất lượng của hệ thống khi sử
dụng bộ điều khiển Mid-ranging tốt hơn khi có nhiễu tác động so với
kết quả thu được khi sử dụng cấu trúc điều khiển độ ẩm sử dụng PID
thông thường, Hình 3.6. Cụ thể tại thời điểm 700s, khi tăng nhiễu độ
ẩm đầu vào làm độ ẩm của giấy tăng lên nhưng ngày lập tức hệ thống

kiểm soát lưu lượng gió nóng thổi vào Wa1 và áp suất hơi kéo độ ẩm
về giá trị đặt trong thời gian đáp ứng 100s trong khi đó với cấu trúc
điều khiển độ ẩm sử dụng bộ điều khiển PID thông thường (Hình 3.7)
phải mất thời gian là 300s. Từ đó chứng tỏ, khi ta sử dụng bộ điều
khiển Mid-ranging, thời gian đáp ứng nhanh hơn và hệ thống gần như
không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và cho đáp ứng độ ẩm đầu ra gần như
tương đương đáp ứng độ ẩm đầu vào.


23
3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
Trong Chương 3 tác giả đã thực hiện nghiên cứu ứng dụng bộ
điều khiển Mid-ranging cho quá trình sấy giấy:
- Ứng dụng cấu trúc điều khiển vị trí van cho bộ điều khiển
Mid-ranging và đã xây dựng bộ điều khiển Mid-ranging dựa trên
phương pháp thiết kế bộ điều khiển theo mô hình nội (IMC).
- Tiến hành mô phỏng bộ điều khiển trên phần mềm Matlab
simulink và kết quả cho thấy được hệ thống sử dụng cấu trúc điều
khiển Mid-ranging để điều khiển độ ẩm giấy đầu ra có chất lượng tốt
hơn hệ thống có cấu trúc điều khiển độ ẩm sử dụng bộ điều khiển
PID truyền thống (Hình 3.7).