ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TUYẾN CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC(LA tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

MAI THỊ ĐOAN THANH

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
PHI TUYẾN CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 62.52.02.16

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Giáo viên hƣớng dẫn
1. PGS. TS. Bùi Quốc Khánh
2. PGS. TS. Đoàn Quang Vinh

Đà Nẵng - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng
dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết
quả nghiên cứu là trung thực và chƣa đƣợc công bố trên bất cứ một công trình nào
khác.
Tác giả luận án

Mai Thị Đoan Thanh


MỤC LỤC

CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG
CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của luận án .................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ......................................................... 1
3. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu ................................ 2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................. 2
5. Bố cục của luận án ............................................................................... 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ KHUẤY
TRỘN LIÊN TỤC CSTR ................................................................................ 4
1.1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ PHẢN ỨNG HÓA HỌC ............................... 4
1.1.1. Định nghĩa thiết bị phản ứng ......................................................... 4
1.1.2. Lý thuyết cơ bản về phản ứng hóa học .......................................... 4
1.2. PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HÓA HỌC VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ........ 6
1.2.1. Phân loại phản ứng hóa học: .......................................................... 6
1.2.2. Phân loại thiết bị phản ứng: ........................................................... 7
1.3. ĐỘNG HỌC CHUNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ THỂ TÍCH KHÔNG
ĐỔI .................................................................................................................. 7
1.3.1. Phƣơng trình cân b ng khối lƣợng ................................................ 8
1.3.2. Phƣơng trình cân b ng thành phần của phản ứng.......................... 8
1.3.3. Phƣơng trình cân b ng năng lƣợng ................................................ 9
1.4. ĐỘNG HỌC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC
(CSTR – CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR) ............................. 10


1.4.1. Khái quát chung về thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục........... 10
1.4.2. Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp................................ 11
1.4.3. Động học quá trình của một thiết bị phản ứng ............................ 12

1.5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CSTR 13
1.5.1. Phân tích các biến ........................................................................ 13
1.5.2. Xác định bậc tự do của mô hình .................................................. 14
1.5.3. Đánh giá tính xen kênh và tính phi tuyến .................................... 15
1.6. TÓM TẮT NHỮNG CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ GẦN ĐÂY VỀ ĐIỀU
KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR ............ 16
1.6.1. Những công trình nghiên cứu về động học quá trình thiết bị phản
ứng khuấy trộn liên tục CSTR ......................................................................... 16
1.6.2. Những công trình nghiên cứu về điều khiển phản hồi tuyến tính
dùng bộ PID và các biến thể ............................................................................ 16
1.6.3. Những công trình nghiên cứu về điều khiển phi tuyến ............... 18
1.6.4. Những công trình nghiên cứu có phƣơng trình cân b ng năng
lƣợng của nƣớc trong jacket ............................................................................. 20
1.6.5. Các công trình nghiên cứu dùng MPC để điều khiển thiết bị phản
ứng CSTR ......................................................................................................... 20
1.7. ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU CSTR .................................................... 21
1.8. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1.......................................................................... 22
CHƢƠNG 2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN
ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN

ANHYDRIDE

ACETIC .......................................................................................................... 23
2.1. PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC TRONG CÔNG
NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC ............................................................... 23
2.2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỦY
PHÂN ANHYDRIDE ACETIC...................................................................... 26


2.2.1. Lựa chọn kích thƣớc hình học ..................................................... 26

2.2.2. Tính toán thông số vận hành ........................................................ 27
2.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KIỂM TRA THIẾT KẾ THIẾT
BỊ PHẢN ỨNG ................................................................................................ 30
2.3.1. Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn khởi động 31
2.3.2. Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn phản ứng . 33
2.4. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH DÙNG PHẢN HỒI ĐẦU
RA VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỦY PHÂN
ANHYDRIDE ACETIC................................................................................... 34
2.5.1. Xét trƣờng hợp khi có nhiễu tác động ......................................... 36
2.5.2. Nhiễu lƣu lƣợng đầu ra F2 10% ................................................. 36
2.5.3. Nhiễu đồng thời ........................................................................... 37
2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2.......................................................................... 38
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI
CHO HỆ SONG TUYẾN BẤT ĐỊNH VÀ ÁP DỤNG VÀO ĐIỀU KHIỂN
HỆ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN
ANHYDRIDE ACETIC................................................................................. 40
3.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ............................................ 41
3.1.1. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của bộ điều khiển dự báo .......... 41
3.1.2. Các phƣơng pháp điều khiển dự báo cơ bản................................ 46
3.2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI CHO HỆ
SONG TUYẾN KHÔNG DỪNG VÀ BẤT ĐỊNH ......................................... 55
3.2.1. Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho hệ song tuyến......... 55
3.2.2. Ứng dụng vào điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục
thủy phân anhydride acetic.............................................................................. 63
3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3.......................................................................... 77
CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM .................................................................... 78


4.1. MỤC TIÊU CỦA THỰC NGHIỆM ......................................................... 78
4.2. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM......................................................................... 78

4.3. TRÌNH TỰ THỰC NGHIỆM ................................................................... 80
4.4. LẬP TRÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN AC 800M .............................................. 81
4.4.1. Cấu hình phần cứng ..................................................................... 81
4.4.2. Thiết kế và xây dựng giao diện .................................................... 84
4.5. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỦA HỆ ................................... 86
4.5.1. Thí nghiệm lấy đặc tính bơm B1, B2: ......................................... 86
4.5.2. Nhận dạng vòng hở hệ thống ....................................................... 88
4.6. MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VÓI THÔNG SỐ MÔ HÌNH THÍ
NGHIỆM .......................................................................................................... 93
4.6.1. Sự phụ thuộc của nồng độ chất phản ứng vào nhiệt độ lò phản
ứng T ................................................................................................................ 93
4.6.2. Mô phỏng hệ điều khiển .............................................................. 94
4.7. THÍ NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ............................................. 98
4.7.1. Chỉnh định thông số bộ điều khiển PID b ng thực nghiệm ........ 98
Quá trình chỉnh định gồm các bƣớc sau: ......................................................... 98
4.7.2. Tiến hành thí nghiệm ................................................................... 99
4.7.3. Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển AC800M với mô hình thí nghiệm99
4.7.4 Lập sơ đồ điều khiển:.................................................................. 101
4.7.5. Kết quả thí nghiệm với điều khiển PID ..................................... 101
4.8. THÍ NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN NMPC ...................................... 103
4.8.1 Sơ đồ điều khiển trong AC800M................................................ 105
4.8.2. Kết quả thí nghiệm điều khiển NMPC ...................................... 103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 108
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 11010
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN… 117


CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG
Ký hiệu

Giải thích

aj

hệ số tỷ lƣợng chất j trong phản ứng
hóa thế thành phần thứ j trong phản ứng

j

pj

áp suất riêng phần thành phần j

aij

hệ số tỷ lƣợng chất i trong phản ứng j

P

công suất nhiệt đƣa ra khỏi thiết bị phản ứng

ri

tốc độ phản ứng chất i
bậc phản ứng

Mi

khối lƣợng chất i

Ci

nồng độ chất i

k'

h ng số tốc độ phản ứng

k0

hệ số trƣớc hàm mũ của mỗi phản ứng

E#

năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng

R

h ng số chất khí lý tƣởng

T

nhiệt độ phản ứng

Ci1

nồng độ chất i ban đầu

Tc

h ng số thời gian phản ứng
lƣu lƣợng dung dịch đƣa vào l phản ứng của chất tham gia phản

F1i

ứng
lƣu lƣợng sản ph m đầu ra

F2i
^

^

h1i , h 2i
^

hàm enthalpy riêng phần của thành phần i đầu vào và đầu ra

ui

hàm nội năng riêng của thành phần i

V

thể tích dung dịch phản ứng

Q

công suất nhiệt cấp cho bình phản ứng

KT

hệ số truyền nhiệt

A

diện tích truyền nhiệt

T j1 , T j 2

nhiệt độ môi chất nóng trong jacket đầu vào và đầu ra
khối lƣợng riêng của chất phản ứng

Cp

nhiệt dung riêng của chất phản ứng

Vj

thể tích jacket

C pj

nhiệt dung riêng của môi chất gia nhiệt

j

khối lƣợng riêng của môi chất gia nhiệt

Fj

lƣu lƣợng môi chất cấp cho jacket

C A1 , C A2

nồng độ đầu vào và ra của chất A phản ứng

T1

nhiệt độ đầu vào của chất phản ứng

h

mức dung dich trong bình phản ứng
H

nhiệt của phản ứng

yk

tín hiệu ra

wk

tín hiệu đặt

ek

sai lệch giữa tín hiệu ra với tín hiệu đặt

 k , k

các thành phần bất định

 / , /

những giá trị ƣớc lƣợng của  , k ở thời điểm k
k

u1

tín hiệu điều khiển nồng độ sản ph m đầu ra

u2

tín hiệu điều khiển mức dung dịch


CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
AGPC

Alternative Generalized Predictive Control

CSTR

Continuous Stirred Tank Reactor

CV

Control Valse

DMC

Dynamic Matrix Control

GPC

Generalized predictive control

MIMO Multiple Input Multiple Output
MAC

Model Algorithmic Control

NMPC Nonlinear-Model Predictive Control
PCS

Process Control System

PFR

Plug Flow Reactor

PV

Preset Value

P&ID

Process and Intrumentation Diagram

PID

Proportional Integral Derivative

SP

Setpoint

SISO

Single Input Single Output


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Thông số ban đầu thiết bị phản ứng .........................................................26
Bảng 2.2. Thông số thiết bị phản ứng CSTR ............................................................29


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Nguyên lý thiết bị phản ứng .................................................................... 8
Hình 1.2 Nguyên lý thiết bị phản ứng CSTR ..................................................... 111
Hình 1.3 Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp.......................................... 11
Hình 1.4 Mô hình cấu trúc điều khiển của thiết bị phản ứng ............................... 14
Hình 1.5 Đồ thị sự phụ thuộc của C A2 theo T và k ' theo T ............................... 15
Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển PID kết hợp với logic mờ . .................................... 17
Hình 1.7 Cấu trúc điều khiển dùng bộ điều khiển ANN ..................................... 18
Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển theo phƣơng pháp NNAGPC . .............................. 19
Hình 2.1 Cấu trúc phân tử phản ứng thủy phân anhydride acetic ....................... 24

Hình 2.2 Quy trình công nghệ sản xuất acid acetic b ng phƣơng pháp thủy phân
acetic anhydide ........................................................................................................ 25
Hình 2.3 Cấu trúc mô hình thiết bị phản ứng ....................................................... 27
Hình 2.4 Giản đồ công nghệ (PD-Process Diagram) thiết bị phản ứng khuấy trộn
…………………. .................................................................................................... 31
Hình 2.5 Đáp ứng nhiệt độ phản ứng T trong giai đoạn khởi động...................... 32
Hình 2.6 Đáp ứng nồng độ sản ph m đầu ra C A2 trong giai đoạn khởi động ...... 32
Hình 2.7 Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn phản ứng ........... 33
Hình 2.8 Mô hình mô phỏng điều khiển phản hồi PID thiết bị phản ứng CSTR . 34
Hình 2.9 Bộ tham số PID điều khiển nhiệt độ ...................................................... 35
Hình 2.10 Bộ tham số PID điều khiển mức ............................................................ 35
Hình 2.11 Sai lệch nồng độ đầu ra C A2 khi nhiễu CA1 10%; T1 10% ( C A2 đạt 4,192
kg/m3, sai lệch 12,6%) ............................................................................................ 36
Hình 2.12 Sai lệch nồng độ đầu ra và mức dung dịch h khi F2 10% tác động .... 37
Hình 2.13 Sai lệch nồng độ đầu ra và mức dung dịch khi 4 nhiễu tác động đồng thời38
Hình 3.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển dự báo...................................... 42
Hình 3.2 Nguyên lý làm việc theo vòng quét của bộ điều khiển dự báo .............. 45


Hình 3.3 Sai lệch nồng độ đầu ra C A2 khi thay đổi giá trị đặt 10% .................. 69
Hình 3.4 Sai lệch nồng độ đầu ra C A2 khi thay đổi giá trị đặt 10% (phóng to) .. 69
Hình 3.5 Tín hiệu điều khiển u1 điều khiển nồng độ C A2 bám lƣợng đặt 10% ... 69
Hình 3.6 Tín hiệu điều khiển u1 điều khiển nồng độ C A2 bám lƣợng đặt 10%
(phóng to) ............................................................................................................. 69
Hình 3.7 Đáp ứng h (mức) khi thay đổi giá trị đặt cho C A2

10% ..................... 70

Hình 3.8 Đáp ứng h (mức) khi thay đổi giá trị đặt cho C A2

10% (phóng to) ... 70

Hình 3.9 Tín hiệu điều khiển u2 điều khiển quá trình mức khi C A2 thay đổi lƣợng
đặt

............................................................................................................. 70

Hình 3.10 Tín hiệu điều khiển u2 điều khiển quá trình mức khi C A2 thay đổi lƣợng
đặt (phóng to) ......................................................................................................... 71
Hình 3.11 Đáp ứng của hệ khi nhiễu CA1 10%; T1 10% ...................................... 72
Hình 3.12 Đáp ứng của hệ khi nhiễu F2 tăng 10% ................................................ 73
Hình 3.13 Đáp ứng của hệ khi nhiễu F2 giảm 10% ............................................... 74
Hình 3.14 Đáp ứng của hệ khi F2 giảm 10%, C A1 tăng 10% và T1 tăng 10% ........ 75
Hình 3.15 Đáp ứng của hệ khi F2 giảm 10%, C A1 giảm 10%, T1 tăng 10% ........ 76
Hình 4.1. Sơ đồ P&ID mô hình thí nghiệm thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục
CSTR cho sản ph m acid acetic .............................................................................. 79
Hình 4.2. Mô hình thí nghiệm hoàn chỉnh ............................................................. 80
Hình 4.3. Cấu hình phần cứng cho Compact Control Builder AC 800M ............. 81
Hình 4.4. Khai báo các biến chƣơng trình điều khiển PID.................................... 82
Hình 4.5. Gán biến Analog Input........................................................................... 82
Hình 4.6. Gán biến Analog Output ........................................................................ 82
Hình 4.7. Tạo graphic display để xây dựng giao diện ........................................... 83
Hình 4.8. Các hình vẽ sẵn có trong thƣ viện ......................................................... 83
Hình 4.9. Giao diện hoàn chỉnh ............................................................................. 84
Hình 4.10. Cài đặt thông số cho Trend Display ...................................................... 85


Hình 4.11. Đồ thị Trend Display ............................................................................. 85
Hình 4.12. Đồ thị đặc tính bơm với tín hiệu điều khiển 4 – 20 mA ........................ 87
Hình 4.13. Đồ thị đặc tính bơm với chiết áp 30% - 80% ........................................ 88

Hình 4.14. Mô hình hàm truyền tác động nƣớc gia nhiệt lên nhiệt độ phản ứng . 88
Hình 4.15. Nhận dạng G11 ....................................................................................... 88
Hình 4.16. Mô hình hàm truyền tác động lƣu lƣợng đầu vào lên nhiệt độ.............. 89
Hình 4.17. Nhận dạng GD21 ..................................................................................... 89
Hình 4.18. Mô hình hàm truyền tác động nhiệt độ T1 lên nhiệt độ phản ứng ......... 90
Hình 4.19. Nhận dạng GD11 ..................................................................................... 90
Hình 4.20. Mô hình hàm truyền tác động của các biến lên nhiệt độ phản ứng ....... 91
Hình 4.21. Mô hình hàm truyền tác động lƣu lƣợng đầu ra lên mức ...................... 91
Hình 4.22. Nhận dạng G22 ....................................................................................... 91
Hình 4.23. Mô hình hàm truyền tác động lƣu lƣợng đầu vào lên mức.................... 92
Hình 4.24. Nhận dạng GD21 ..................................................................................... 92
Hình 4.25. Mô hình hàm truyền tác động của các biến lên mức ............................. 93
Hình 4.26. Nồng độ chất phản ứng theo thời gian ở nhiệt độ 40oC ........................ 94
Hình 4.27. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ....................................................... 94
Hình 4.28. Thông số PID bộ điều khiển nhiệt độ .................................................... 95
Hình 4.29. Thông số PID bộ điều khiển mức .......................................................... 95
Hình 4.30. Đáp ứng của mức h dƣới tác động của bộ điều khiển ........................... 95
Hình 4.31. Đáp ứng của nhiệt độ dƣới tác động của bộ điều khiển ........................ 96
Hình 4.32. Đáp ứng của nồng độ CA2 ...................................................................... 96
Hình 4.33. Đáp ứng của nồng độ CA2 và nhiệt độ T khi T1-10% ............................ 97
Hình 4.34. Đáp ứng của nồng độ CA2 và nhiệt độ T khi F2+10% ........................... 97
Hình 4.35. Đáp ứng nồng độ CA2 và nhiệt độ T khi T1-10% và F2 +10% ............... 98
Hình 4.36. Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển AC800M với mô hình thí nghiệm ....... 100
Hình 4.37. Điều khiển PID cho mức và nhiệt độ thiết bị phản ứng ...................... 101
Hình 4.38. Các đáp ứng khi điều khiển b ng bộ điều khiển PID .......................... 101
Hình 4.39. Điều khiển NMPC cho mô hình thiết bị phản ứng ............................. 103


Hình 4.40. Chƣơng trình điều khiển NMPC nạp vào bộ điều khiển AC800M .... 104
Hình 4.41. Các đáp ứng khi điều khiển b ng bộ điều khiển NMPC (từ 16h đến 17h)105

Hình 4.42. Các đáp ứng khi điều khiển b ng bộ điều khiển NMPC (từ 16h20 đến
17h20)

....................................................................................................... 106


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Công nghiệp hóa chất chiếm tỷ trọng lớn trong sản xuất công nghiệp, sản
ph m của nó rất đa dạng phục vụ hầu nhƣ tất cả công nghiệp chế biến. Thiết bị phản
ứng hóa học là cốt lõi của quá trình sản xuất các sản ph m hóa học phục vụ cho chế
biến dƣợc ph m, thực ph m, hóa chất cơ bản, phân bón… Trong đó thiết bị phản ứng
có khuấy trộn liên tục (CSTR – Continuous Stirred Tank Reactor) đƣợc dùng phổ
biến vì nó có năng suất cao. Tuy nhiên đặc tính động học của hệ CSTR là hệ đa biến
phi tuyến tác động xen kênh. Trong công nghiệp hầu nhƣ sử dụng điều khiển phản
hồi đầu ra tuyến tính với bộ điều khiển PID, điều này dẫn đến chất lƣợng sản phấm chƣa
đạt nhƣ mong muốn. Để khắc phục tồn tại này, ngƣời ta phải dùng chuỗi các thiết bị
CSTR nối tiếp nhau dẫn đến chi phi đầu tƣ lớn và gây phức tạp hệ thống sản xuất.
Trong những năm gần đây nhiều công trình nghiên cứu điều khiển phi tuyến
cho CSTR, mở ra hƣớng triển khai vào sản xuất. Tuy nhiên, các nghiên cứu trƣớc
đây đa phần điều khiển tuyến tính hoặc phi tuyến với nghiên cứu hệ điều khiển đơn
biến chƣa xét đến đầy đủ cân b ng về khối lƣợng và cân b ng năng lƣợng cho
jacket. Kết quả nghiên cứu thƣờng ứng dụng cho các thiết bị phản ứng n m ở đầu
dây chuyền, chủ yếu là khảo sát các thay đổi giá trị đặt nồng độ, chƣa xét đến nhiễu
tác động. Mặt khác, các thuật điều khiển NMPC chƣa chỉ ra đƣợc khả năng ứng
dụng cài đặt vào các bộ điều khiển trong công nghiệp.
Luận án chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến
cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục” trong đó có đủ 4 trạng thái có điều
kiện ràng buộc với định hƣớng ứng dụng cho thiết bị phản ứng đầu cuối, tập trung
vào mục tiêu khử các nhiễu để đảm bảo chất lƣợng đầu ra. Đồng thời thuật toán

điều khiển NMPC đề xuất cần đƣợc đơn giản hóa sao cho dễ dàng ứng dụng đƣợc
vào sản xuất.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Thiết kế hệ điều khiển dự báo phi tuyến NMPC đa biến cho thiết bị phản ứng
CSTR nâng cao chất lƣợng sản ph m và có thể dễ dàng ứng dụng vào sản xuất.

1


3. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục ở cuối dây chuyền (CSTRContinuous Stirred Tank Reactor) thủy phân anhydride acetic (CSTR-acetic).
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Thiết kế điều khiển cho thiết bị phản ứng CSTR.
3.3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các công trình công bố về điều khiển phi tuyến CSTR.
- Nghiên cứu thiết kế mô hình CSTR thủy phân anhydride acetic trong phòng
thí nghiệm.
- Nghiên cứu động học quá trình và điều khiển tuyến tính cho CSTR-acetic.
Đánh giá hệ điều khiển b ng mô phỏng.
- Nghiên cứu thiết kế NMPC (Nonlinear-Model Predictive Control) ứng dụng
cho thiết bị phản ứng CSTR-acetic. Đánh giá hệ điều khiển b ng mô phỏng.
- Xây dựng mô hình CSTR thủy phân anhydride acetic trong phòng thí
nghiệm. Tiến hành thí nghiệm theo điều khiển tuyến tính và phi tuyến sử dụng bộ
điều khiển công nghiệp AC 800M của hãng ABB.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
4.1. Ý nghĩa khoa học
Luận án đã xây dựng đƣợc và đề xuất ứng dụng điều khiển dự báo NMPC
cho CSTR thủy phân anhydride acetic.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận án mở ra khả năng ứng dụng điều khiển phi
tuyến NMPC cho thiết bị CSTR trong thực tế sản xuất.
5. Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án đƣợc trình bày trong bốn
chƣơng:
Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục
CSTR. Nội dung chƣơng này đi trình bày cơ sở lý thuyết CSTR, động học quá trình

2


chung của CSTR, tóm tắt các công trình nghiên cứu về điều khiển phi tuyến cho
CSTR và đề xuất hƣớng nghiên cứu.
Chƣơng 2: Thiết kế phản ứng thủy phân anhydride acetic (CSTR-acetic)
trong phòng thí nghiệm. Nội dung chƣơng này trình bày phần tính toán thiết kế
CSTR-acetic, xây dựng động học quá trình (CSTR-acetic) và mô phỏng kiểm chứng
thiết kế CSTR-acetic. Mô phỏng đánh giá điều khiển tuyến tính phản hồi đầu ra
dùng bộ điều khiển PID cho CSTR-acetic.
Chƣơng 3: Nghiên cứu điều khiển mô hình dự báo đa biến phi tuyến NMPC
ứng dụng cho CSTR. Nội dung chƣơng này trình bày đề xuất thuật điều khiển tuyến
tính hóa mô hình cho NMPC, ứng dụng cho CSTR-acetic và mô phỏng kiểm chứng.
Chƣơng 4: Thực nghiệm. Nội dung Chƣơng 4 đi xây dựng CSTR-acetic
trong phòng thí nghiệm gồm tính chọn thiết bị đo và ghép nối với bộ điều khiển AC
800M của ABB. Thí nghiệm với điều khiển tuyến tính PID và lập trình điều khiển dự
báo phi tuyến NMPC với thuật điều khiển tuyến tính hóa đề xuất trong Chƣơng 3.

3


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ KHUẤY TRỘN
LIÊN TỤC CSTR
1.1. Lý thuyết cơ bản về phản ứng hóa học
1.1.1. Định nghĩa thiết bị phản ứng
Phản ứng hóa học là cốt lõi của quá trình hóa học. Thiết bị phản ứng hóa học
nhận các nguyên liệu đầu vào, qua biến đổi lý hóa của các phản ứng hóa học tạo nên
các sản ph m đầu ra.

1.1.2. Lý thuyết cơ bản về phản ứng hóa học
a) Cân b ng hóa học:
Khi một phản ứng hóa học xảy ra, nó sẽ làm thay đổi thành phần hỗn hợp các
chất tham gia trong phản ứng. Khi phản ứng đƣợc cân b ng thì tỉ lệ các thành phần
này sẽ đạt đến giá trị không đổi đƣợc đặc trƣng bởi các hệ số cân b ng [1]. Khái quát
chung về cân b ng phản ứng, ta có cân b ng hóa học khi:

aj

j

0,

(1.1)

j 1

trong đó, a j là hệ số tỷ lƣợng thành phần thứ j trong phản ứng,

j

là hóa thế thành

phần thứ j trong phản ứng,
và

o
s

j

trong đó,

0
s

RT ln

j,

(1.2)

là hệ số hóa thế ban đầu, R h ng số chất khí lý tƣởng 8,314 (J/mol K),

T là nhiệt độ phản ứng (K),

j

là áp suất riêng phần thành phần j .

Lý thuyết cân b ng hóa học sẽ đƣợc sử dụng khi xét các phản ứng xảy ra trong luận
án.

b) Tốc độ phản ứng:

4


Tốc độ phản ứng đƣợc định nghĩa là sự biến thiên khối lƣợng mol của các
chất tham gia phản ứng trong một thể tích nhất định [1]. Khái quát chung về tốc độ
phản ứng, ta có phƣơng trình sau:

1 dM i
,
aiV dt

ri

(1.3)

trong đó, ri là tốc độ phản ứng của chất i, đƣợc tính kmol/m3s, ai là hệ số lƣợng chất
i , V là thể tích dung dịch phản ứng, M i là số mol chất i kmol.

Ngoài ra, tốc độ phản ứng chất i c n đƣợc viết dƣới dạng:

k ' .Ci ,

ri
trong đó,

(1.4)

là bậc phản ứng (

1 nếu là phản ứng bậc một;

2 nếu là phản ứng

bậc hai); Ci nồng độ chất i kmol/m3; k ' là h ng số tốc độ phản ứng, đôi khi ngƣời ta
c n gọi là đặc tính tần phản ứng. k ' đƣợc tính theo công thức sau:

k

'

k0 exp

E#
,
RT

(1.5)

trong đó, k0 là hệ số trƣớc hàm mũ của mỗi phản ứng;

E # là năng lƣợng hoạt hóa

của phản ứng (J/mol).
Lý thuyết tốc độ phản ứng sẽ đƣợc áp dụng để tính toán thiết kế thiết bị phản
ứng CSTR [PL1].
c) Độ chuyển hóa:
Độ chuyển hóa một phần của cấu tử hoặc nhiều cấu tử tham gia phản ứng
đã đƣợc chuyển hóa để tạo thành sản ph m. Thông thƣờng độ chuyển hóa đƣợc

tính theo một chất phản ứng, đƣợc chọn trong tƣơng quan tỷ lƣợng hóa học với
chất khác [1]. Độ chuyển hóa yk là tỷ số của hàm lƣợng chất i so với chất ban đầu,
đặc trƣng cho tốc độ biến đổi hàm lƣợng chất i :
yk

Ci1 Ci 2
.100(%),
Ci1

(1.6)

trong đó, Ci1 là nồng độ chất i ban đầu, Ci 2 là nồng độ chất i đầu ra.

5


Độ chuyển hóa phụ thuộc rất lớn đối với nhiệt độ phản ứng. Nhƣ vậy cần
phải điều chỉnh nhiệt độ phù hợp để phản ứng đƣợc hoàn thành.

1.2. Phân loại phản ứng hóa học và thiết bị phản ứng
1.2.1. Phân loại phản ứng hóa học:
Trong các quá trình công nghiệp, các phản ứng hóa học đƣợc chia làm các
loại nhƣ sau:
- Phản ứng hoàn toàn: là phản ứng mà ít nhất 1 trong các chất tham gia phản
ứng hết [2].
- Phản ứng không hoàn toàn: là phản ứng trong đó không có một chất tham
gia phản ứng nào mất hẳn khi phản ứng dừng lại, các chất phản ứng còn tuy với một
lƣợng nhỏ. Phản ứng thuận nghịch thuộc loại phản ứng không hoàn toàn [2].
- Phản ứng đồng thể: là phản ứng chỉ xảy ra trong cùng một pha. Phản ứng
đồng thể chỉ có thể xảy ra trong pha khí hoặc pha lỏng mà không xảy ra trong pha rắn

vì khi một chất rắn đồng thể tham gia phản ứng hóa học thì nó trở thành dị thể [2].
- Phản ứng dị thể: là phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt phân chia hai pha,
không xảy ra trong thể tích của một pha nào [2].
- Phản ứng đồng pha: là phản ứng mà hệ hóa học chỉ làm thành một pha từ
đầu đến cuối [2].
- Phản ứng dị pha: là phản ứng mà hệ hóa học làm thành hai hay nhiều
pha khác nhau [2].
- Phản ứng thu nhiệt và phản ứng phát nhiệt: Phản ứng thu nhiệt là phản ứng
cần cấp nhiệt, cần thiết bị gia nhiệt cho phản ứng nếu không đủ nhiệt phản ứng sẽ
không hoàn thành, tốc độ phản ứng chậm. Sản ph m phản ứng không đúng với yêu
cầu. Phản ứng phát nhiệt là phản ứng cần thiết bị làm mát thu nhiệt để duy trì nhiệt
độ phản ứng nếu không thì tốc độ phản ứng sẽ tăng nhanh theo nhiệt độ mất cân
b ng phản ứng (tƣơng đƣơng với phản hồi dƣơng) [2].
Các phản ứng đƣợc xét đến trong luận án là các phản ứng thu nhiệt và đồng
pha, tức là chỉ diễn ra trong pha lỏng và không xuất hiện các pha khác trong quá
trình phản ứng.

6


1.2.2. Phân loại thiết bị phản ứng:
Dựa vào phƣơng thức tiến hành công nghệ phản ứng hóa học (quá trình gián
đoạn (batch process), quá trình liên tục (continuous process), quá trình bán liên tục
(semibatch process) mà ngƣời ta chia thiết bị phản ứng ra thành các loại sau:
- Thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục (CSTR): là một thiết bị phản ứng có
thiết bị khuấy trộn; nguồn cấp vào và sản ph m đầu ra liên tục, phản ứng đƣợc điều
khiển thông qua việc gia nhiệt hoặc làm mát lớp vỏ ngoài thiết bị (gọi là jacket) [2].
- Thiết bị phản ứng theo mẻ: là thiết bị phản ứng theo chu kỳ, mỗi chu kỳ
nguyên liệu cùng các thành phần cần thiết đƣợc nạp vào thiết bị và đƣợc khuấy trộn,
điều khiển phản ứng để đƣợc sản ph m yêu cầu, sau đó sản ph m sẽ đƣợc tháo hết

khỏi thiết bị và bắt đầu một chu kỳ mới [2].
- Thiết bị phản ứng dòng đẩy (PFR): là thiết bị phản ứng dạng hình trụ hoặc
nhiều ống, các thành phần phản ứng đƣợc cấp liên tục vào một đầu ống, hỗn hợp
phản ứng qua PFR đƣợc mô hình hóa nhƣ một dòng chảy qua một loạt các vi phân
thể tích dV rất mỏng, trong đó mỗi dV đó nhƣ một CSTR có thành phần đồng đều
[2].
Thiết bị phản ứng đƣợc chọn trong luận án là thiết bị phản ứng khuấy trộn
liên tục (CSTR).

1.3. Động học chung thiết bị phản ứng có thể tích không đổi
Trƣớc khi tìm hiểu về động học của thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục
CSTR, ta cần tìm hiểu về động học chung của thiết bị phản ứng có thể tích không
đổi, từ đó tìm ra các phƣơng trình cân b ng trong hệ có thể tích không đổi.
Xét thiết bị phản ứng hóa học nhƣ Hình 1.1 với thể tích V không đổi, lƣu
lƣợng chất đƣa vào thiết bị phản ứng là F1i , với chất tham gia phản ứng i = 1…n,
[kmol/s], lƣu lƣợng sản ph m đƣa ra khỏi thiết bị phản ứng là F2i [kmol/s]; thiết bị
phản ứng đƣợc cung cấp một công suất nhiệt là  [kW] để duy trì nhiệt độ phản
ứng ở giá trị không đổi nh m bảo đảm tốc độ phản ứng. Để các chất trong phản ứng
đƣợc đồng đều, ta sử dụng cánh khuấy đƣợc quay bởi động cơ điện có công suất là

7


P [W]. Giả thiết ta có i chất tham gia phản ứng và xảy ra M phản ứng, các phản ứng
trong thiết bị phản ứng sẽ tuân theo các phƣơng trình cân b ng sau:
P

F1i

F2i

F

Hình 1.1 Nguyên lý thiết bị phản ứng [58].

1.3.1 Phương tr nh c n b ng khối ượng
Sự biến thiên khối lượng vật chất trong hệ thể tích cố định sẽ bằng tổng đại
số lưu lượng khối đầu ra và đầu vào [1]. Định luật trên đƣợc viết lại nhƣ sau:
dmi
dt

F1i

V (ai1r1

ai 2 r2

... aij rj ) F2i (1.7)

Phƣơng trình (1.7) đƣợc viết gọn lại nhƣ sau:
dmi
dt

M

F1i

V

aij rj

(1.8)

F2i ,

j 1

trong đó, mi là khối lƣợng chất i trong phản ứng (i = i…n); V là thể tích l phản
ứng và là h ng số; r j là tốc độ phản ứng (j = 1…M); aij là hệ số tỷ lƣợng chất i
trong phản ứng j.

1.3.2 Phương tr nh c n b ng thành phần của phản ứng
Sự biến thiên lượng chất A tích lũy trong bình phản ứng bằng lượng chất A
đưa vào bình trừ đi lượng chất A đưa ra khỏi bình, trừ với lượng chất A tham gia
phản ứng [1]. Định luật trên đƣợc viết lại nhƣ sau [1]:

8


V

dCi
dt

Fi1Ci1

Fi 2Ci 2

rV

(1.9)

với Ci1 là nồng độ chất i đầu vào, Ci 2 là nồng độ chất i đầu ra
Giả thiết phản ứng là bậc 1, khi đó r  k 'Ci (lúc này Ci

Ci 2 ), thay vào

phƣơng trình trên ta có:
V

dCi
 Fi1Ci1  Fi 2Ci 2  Vk 'Ci 2 ,
dt

(1.10)

1.3.3 Phương tr nh c n b ng năng ượng
Biến thiên năng lƣợng của hệ có thể tích cố định sẽ b ng nhiệt cấp đầu
vào trừ đi công năng sinh ra trong hệ, cộng với công suất của d ng đầu vào
trừ đi công suất của d ng đầu ra [58]. Định luật trên đƣợc viết lại nhƣ sau
[58]:
N
N
^
^
d E #
 Q  P   F1i h1i   F2i h 2i ,
dt
i 1
i 1

trong đó,

E # là năng lƣợng hoạt hóa phản ứng,
N

(1.11)

E # đƣợc tính nhƣ sau:

^

E #   mi ui .

(1.12)

i 1

Đạo hàm riêng
d E#
dt

N

ui
i 1

dmi
dt

E # ta đƣợc phƣơng trình:
N

mi
i 1

d ui
.
dt

(1.13)

Thay phƣơng trình (1.13) vào phƣơng trình (1.11) ta có:


N
n
n m 
^

^

d ui
m

Q

P

F

(
h

u
)

F
(
h

u
)

V
 i dt
 1i 1i i  2i 2i i  ui aijr j ,
i 1
i 1
i 1
i 1 j 1
N

^

^

(1.14)

trong đó, h1i , h 2i hàm enthalpy riêng phần của thành phần i đầu vào đầu ra
^

[J/Kmol]; ui hàm nội năng riêng của thành phần i (J/Kmol).
Ta gọi nội năng của phản ứng là:

9


n

Uj

^

(1.15)

aij ui .
i 1

Để thuận tiện cho tính toán, ta đặt:
^

^

d ui
d ui dT
mi
 mi
.
dt
dT dt

(1.16)

Biến đổi gần đúng (1.16) ta có phƣơng trình sau:


d ui
 Cp.
dT

(1.17)

Thay (1.15) và (1.16) vào phƣơng trình (1.17) và biến đổi ta có:
N

N
N
N
^
^
^
^
dT
C p  Mi
 Q  P   F1i (h1i  ui )   F2i (h2i  ui )  V  r j U j
dt
i 1
i 1
i 1
j 1

(1.18)

Đây là phƣơng trình cân b ng năng lƣợng chung cho mọi thiết bị phản ứng
có thể tích không đổi.

1.4. Động học thiết bị phản ứng khuấy trộn lien tục (CSTR – Continuous
Stirred Tank Reactor)
Khái quát chung về thiết bị phản ứng khuấy trộn iên tục
Trên Hình 1.2 là sơ đồ nguyên lý chung của thiết bị phản ứng khuấy trộn liên
tục thu nhiệt:
Phần chính của thiết bị phản ứng CSTR bao gồm: Bình phản ứng có thể tích
V

chứa dung dịch phản ứng, đƣợc khuấy trộn đều b ng cánh khuấy và quay bởi

động cơ điện, dung dịch phản ứng cấp vào bình có lƣu lƣợng F1 , nồng độ C A1 và
nhiệt độ T1 , sản ph m hoàn thành đƣợc lấy ra có lƣu lƣợng F2 , nồng độ C A2 và
nhiệt độ T , điều khiển lƣu lƣợng ra dùng van hoặc bơm; Vỏ thiết bị đƣợc gọi là
jacket chứa môi chất tải nhiệt (làm lạnh đối với phản ứng phát nhiệt hoặc làm nóng
đối với phản ứng thu nhiệt), nhiệt đƣợc truyền qua thành bình phản ứng, điều chỉnh
công suất nhiệt cấp cho phản ứng thông qua lƣu lƣợng môi chất (có thể dùng van
điều chỉnh hoặc bơm). Thiết bị phản ứng này xảy ra trong bình có một pha lỏng nên
gọi là phản ứng đồng thể.

10


,

V1
V
j

2

V2
Hình 1.2

Nguyên lý thiết bị phản ứng CSTR

1.4.2. Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp
Theo [14], để tạo ra một sản ph m công nghiệp thì thƣờng ta thiết kế ra một
chuỗi n các thiết bị phản ứng liên tục CSTR nhƣ trên Hình 1.3 (thông thƣờng từ 410 thiết bị). Lý do, nếu dùng một thiết bị phản ứng để đƣa ra sản ph m thì phải duy
trì thời gian phản ứng lâu không đảm bảo năng suất và chất lƣợng của sản ph m.

Fvi

Fv1

V1
Cv1 , Tv1

k '1

Cvi , Tvi

Vi
k 'i

Fvn
Cvn , Tvn

Vn
k 'n

Cr , Tr

Hình 1.3 Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp
Tức là sản ph m đầu vào cho thiết bị thứ nhất có lƣu lƣợng Fv1 , nồng độ Cv1 ,
nhiệt độ Tv1 qua các chuỗi thiết bị phản ứng, ta có lƣu lƣợng Fvi , nồng độ Cvi , nhiệt
độ Tvi đến thiết bị cuối cùng có lƣu lƣợng Fvn , nồng độ Cvn , nhiệt độ Tvn . Thông số
đầu vào của thiết bị thứ nhất thay đổi theo nguyên liệu nhƣng các thông số sản
ph m đầu ra là không đổi. Do vậy, nồng độ của thiết bị phản ứng cuối cùng là

11