ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG HƠI CẤP VÀO ĐÁY THÁP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MƠN HỌC: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH

ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG HƠI
CẤP VÀO ĐÁY THÁP
GVHD

Thầy Bùi Ngọc Pha

SVTH

Nhóm 8 (Lớp sáng thứ 6, tiết 3-4)
Họ tên

MSSV

1. Nguyễn Thái Thiện Phúc

1512532

2. Lê Huỳnh Tú Mỹ

1512045

3. Trương Phạm Đức Nguyên

1512233

4. Lý Tấn Đại

1510640

TP. Hồ Chí Minh, 05/2018


MỤC LỤC
1. Nhiệm vụ .......................................................................................................................... 1
2. Nội dung ........................................................................................................................... 1
2.1. Các biến quá trình ...................................................................................................... 1
2.2. Bậc tự do .................................................................................................................... 1
2.3. Lưu đồ P&ID ............................................................................................................. 2
2.4. Thiết bị đo và thiết bị chấp hành ............................................................................... 3
2.5. Hàm truyền ................................................................................................................ 4
3. Kết luận........................................................................................................................... 14
PHỤ LỤC 1 ........................................................................................................................ 15
PHỤ LỤC 2 ........................................................................................................................ 16


1. Nhiệm vụ
Điều khiển lưu lượng hơi bão hòa cấp vào thiết bị trao đổi nhiệt ở đáy tháp để ổn
định nhiệt độ của dòng hồi lưu.
2. Nội dung
2.1. Các biến q trình
Xét mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt như sau:
F, T2

Fs

Fs
Dịng hơi bão hịa
Dịng hồi lưu
F, T1

Hình 1. Mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt
Các biến q trình bao gồm:
- Biến vào: lưu lượng dòng hơi bão hòa (Fs), lưu lượng dòng hồi lưu (F), nhiệt độ
dòng hồi lưu ở đầu vào (T1).
- Biến ra: nhiệt độ dòng hồi lưu ở đầu ra (T2), cũng là biến cần điều khiển.
2.2. Bậc tự do
Theo mơ hình thiết bị đã chọn, số biến mô tả hệ là Fv = 4.
Giả sử dịng hơi bão hịa ở nhiệt độ T có ẩn nhiệt ngưng tụ là λ, dịng sản phẩm đáy
có nhiệt dung riêng Cp xem như khơng đổi. Phương trình cân bằng nhiệt của hệ có dạng:
FCp (T2 − T1 ) = Fs λ
Như vậy, số phương trình mơ tả quan hệ giữa các biến là Fe = 1.
Bậc tự do của hệ, cũng là số vòng điều khiển đơn tối đa có thể được sử dụng được
xác định như sau:
F = Fv − Fe = 4 − 1 = 3
1


Thật vậy, có thể can thiệp đến biến đầu ra T2 theo 3 cách sau:
- Điều khiển lưu lượng dòng hơi bão hòa Fs.
- Điều khiển lưu lượng dòng hồi lưu F.
- Điều khiển nhiệt độ đầu vào của dòng hồi lưu T1.
Theo mơ hình đã chọn, lưu lượng F và nhiệt độ đầu vào T1 của dòng hồi lưu khơng
thể can thiệp được trong phạm vi q trình nên chọn biến điều khiển là lưu lượng dòng
hơi bão hòa Fs. Giá trị của biến này có thể kiểm sốt thông qua van điều khiển.

2.3. Lưu đồ P&ID
Chọn sách lược điều khiển phản hồi cho hệ thống. Lưu đồ P&ID của hệ có dạng
như sau:

SP
Dịng hơi bão hịa

Dịng hồi lưu

Hình 2: Lưu đồ P&ID của hệ thống
Dòng hơi nước bão hịa được nhập liệu và điều chỉnh lưu lượng thơng qua van điều
khiển trước khi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho dòng sản phẩm đáy. Van điều
chỉnh lưu lượng nhận tín hiệu nhiệt độ đầu ra T2 của dòng hồi lưu sau khi gia nhiệt, qua
thiết bị đo và truyền tín hiệu nhiệt độ (Temperature Transmiter) và truyền đến thiết bị điều

2


khiển nhiệt độ (Temperature Controler). Thiết bị này sẽ đưa ra tác động đến van để điều
khiển lưu lượng dòng hơi bão hịa Fs thơng qua tín hiệu khí nén:
- Nếu T2 < TSP, tăng độ mở van.
- Nếu T2 > TSP, giảm độ mở van.
2.4. Thiết bị đo và thiết bị chấp hành
Lựa chọn thiết bị chấp hành: Vì van dùng đề điều chỉnh lưu lượng dòng hơi bão hịa
nên lựa chọn van cầu vì các đặc tính sau:
- Van cầu thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển lưu lượng các dịng hơi.
- Van cầu có độ rị rỉ nhỏ, độ kín van cao, thích hợp trong vận chuyển hơi.
- Van cầu một cửa thích hợp dùng trong việc đóng nhanh khi có sự cố, đảm bảo an
tồn.

Hình 3. Van cầu
Lựa chọn thiết bị đo nhiệt độ: Chọn thiết bị đo là cặp nhiệt điện vì có độ bền cao và
có thể đo nhiệt độ cao, thích hợp cho việc đo nhiệt độ hơi nước. Giới hạn nhiệt độ cao: 100oC đến 1400oC.

3


Hình 4. Sơ đồ ngun lí của cặp nhiệt điện
2.5. Hàm truyền
2.5.1. Biến đổi hàm truyền Gp về dạng bậc 1 có trễ
Hàm truyền GP đã cho có dạng: GP = (τ

Ke−θs

1 s+1)(τ2 s+1)(τ3 s+1)

Biến đổi hàm truyền Gp về dạng bậc 1 có trễ theo phương pháp Skogestad như sau
 = 1 +

2
2

→ GP =

= 55 +

′
Ke−θ s

τs+1

40

40
= 75 ,  ' =  + 2 +  3 = 11 + + 3 = 34
2
2
2

=

10e−34s
75s+1

2.5.2. Tính tốn các tham số KP, KI, KD ứng với các bộ điều khiển P, PI, PID bằng
phương pháp tổng hợp trực tiếp
Trường hợp Gc là bộ điều khiển PI
Với G là hàm qn tính bậc 1 có trễ như bên trên, ta tiến hành biến đổi như sau:
Gc =

1
e −s

75
1 
 1


=
1 +  =

1 +

−s
K e
s( C +  ) s K ( C +  )  s  10( C + 34)  34 s 
s + 1


1 



I

 . Chọn  C = 16( s) , ta
Tính tốn các thông số của bộ điều khiển PI: GC = kc 1 +
 s


xác định được kC , I như sau:
kC =




K ( C +  )

Do đó: GC = 0.151 +

=

75
= 0.15 và  I =  = 75
10(16 + 34)

1 
 . Mô tả sơ đồ trên Simulink như sau:
75 s 

4


Hình 5. Mơ tả Simulink của bộ điều khiển PI
Tín hiệu đầu ra có dạng:

Hình 6. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PI
Xác định các chỉ tiêu chất lượng:
+ Độ vọt lố:
POT =

ymax − y xl
1.188 − 1
100 % =
100 % = 18.8%
y xl
1

+ Sai số xác lập:
1
s

sR
1
s
exl = lim sE = lim
= lim
= lim
s →0
s →0 1 + GH
s →0 1 + Gc  Gp 1
s →0 1 + GcGp
1 
10e −34s

GC = 0.151 +
 , GP =
75s + 1
 75 s 

5


−34 s
−34 s


→ Gc  Gp = 0.151 + 1    10e  = 1.5e

75 s   75 s + 1 



75 s

1
75s
= lim
=0
s →0 1 + GcGp
s →0 75s + e −34s

→ exl = lim

Thật vậy, 𝑒𝑥𝑙 = 0 do thành phần I triệt tiêu sai số xác lập.
Trường hợp Gc là bộ điều khiển PID
Ke−θs
GP =
(τ1 s + 1)(τ2 s + 1)(τ3 s + 1)
Biến đổi Gc về dạng hàm bậc hai có trễ theo phương pháp Skogestad:
G (s) =

Trong đó, 1 ' = 1 = 55 ,  2 ' =  2 +

3
2

Ke− 's
( 1 '+ s )( 2 '+ s )
= 40 +



3
3
= 41.5 và  ' =  + 3 = 11 + = 12.5 . Khi
2
2
2

đó, ta thu được hàm bậc hai có trễ như sau:
10e −12.5 s
G( s) =
(55s + 1)(41.5s + 1)


Tính tốn các thơng số của bộ điều khiển PID: GPID = kC 1 +


kC =


1
+  D s 
Is


1 +  2
55 + 41.5
=
= 0.34
K ( C +  ) 10(16 + 12.5)

 I = 1 +  2 = 55 + 41.5 = 96.5 ,  D =

 1 2
55  41.5
=
= 24
 1 +  2 55 + 41.5



Ta thu được bộ điều khiển PID có dạng: GPID = 0.341 +
trên Simulink:

6

1

+ 24 s  . Mô tả hệ thống
96.5s



Hình 7. Mơ tả Simulink của bộ điều khiển PID
Tín hiệu đầu ra có dạng như sau:

Hình 8. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID
Xác định các chỉ tiêu chất lượng:
+ Độ vọt lố:
POT =

ymax − yxl
1.106 − 1
× 100% =
× 100% = 10.6%
yxl
1

+ Sai số xác lập: exl = 0 do thành phần I triệt tiêu sai số xác lập.
2.5.3. Tính tốn các tham số KP, KI, KD ứng với các bộ điều khiển P, PI, PID bằng
phương pháp Ziegler-Nichols 1
Để áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols 1 để tìm các thơng số KP, KI, KD của bộ
điều khiển, ta tiến hành vẽ đồ thị của hàm bậc nhất có trễ trên Simulink:

7


Hình 9. Mơ tả Simulink của hàm truyền
Tín hiệu đầu ra được mơ tả bằng đồ thị sau:

Hình 10. Đồ thị xác định các giá trị T1, T2 theo phương pháp Ziegler-Nichols 1
Giá trị T1 được lấy bằng giá trị thời gian trễ θ′. Xác định giao điểm giữa tiếp tuyến
của đồ thị tại điểm kết thúc quá trình trễ với đường thẳng y = K, từ giao điểm này vẽ được
thẳng vng góc với trục thời gian, từ xác định được giá trị T2.
Theo đó, ta có: T1 = 34 và T2 = 108 − 34 = 74
Giá trị các bộ điều khiển PID tương ứng được cho ở bảng sau:
Thông số

Kp

TI

TD

P

T2
74
=
= 0.22
T1 K 34 10



0

PI

0.9

T1
34
=
= 113
0.3 0.3

0

Bộ ĐK

T2

74
= 0.9
T1 K
34 10

= 0.20

8


PID

1.2

T2
74
= 1.2
T1 K
34 10

2T1 = 2  34 = 68

= 0.26

Khảo sát bộ điều khiển P:
Mô tả hệ thống trên Simulink như sau:

Hình 11. Mơ tả Simulink của bộ điều khiển P
Ta thu được số liệu đầu ra như sau:

Hình 12. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển P
Xác định các chỉ tiêu chất lượng:
+ Độ vọt lố:
POT =

ymax − y xl
0.985 − 0.685
100 % =
100 % = 43.8%
y xl
0.685

+ Sai số xác lập:
9

0.5T1 = 0.5  34 = 17


1
sR
1
s
exl = lim sE = lim
= lim
= lim
s →0
s →0 1 + GH
s →0 1 + Gc  Gp 1
s →0 1 + GcGp
s

GC = 0.22, GP =
→ 𝑒𝑥𝑙 = lim

1
−34𝑠

𝑠→0 1+0.22×10𝑒

10𝑒 −34𝑠
75𝑠+1

= 0.3125

75𝑠+1

+ Thời gian xác lập:
t xl = 500 − 34 = 466

Khi tăng giá trị KP thì sai số xác lập giảm, tuy nhiên KP quá lớn có thể dẫn đến sự
mất ổn định của hệ.
Khảo sát bộ điều khiển PI:
Mô tả hệ thống trên Simulink như sau:

Hình 13. Mơ tả Simulink của bộ điều khiển PI
Tín hiệu đầu ra được mơ tả bằng đồ thị sau:

Hình 14. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PI
10

Xác định các chỉ tiêu chất lượng:
+ Độ vọt lố:
POT =

ymax − y xl
1.225 − 1
100% =
100 % = 22.5%
y xl
1

+ Sai số xác lập: exl = 0 do thành phần I triệt tiêu sai số xác lập.
+ Thời gian xác lập:
t xl = 450 − 34 = 366

Khảo sát bộ điều khiển PID:
Mơ tả hệ thống trên Simulink:

Hình 15. Mô tả Simulink của bộ điều khiển PID
Ta thu được số liệu đầu ra như sau:

Hình 16. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID (chưa điều chỉnh)
Tín hiệu đầu ra có độ vọt lố cao, thời gian xác lập tương đối lớn. Ta tiến hành điều
chỉnh các thông số Kp, TI, TD bằng cách giảm giá trị Kp để hệ dao động ổn định hơn
11


Chọn K P = 0.15 . Khi đó, mơ tả trên Simulink của hệ cho tín hiệu đầu ra như sau:

Hình 17. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID (đã điều chỉnh)
Xác định các chỉ tiêu chất lượng:
+ Độ vọt lố: POT =

ymax − y xl
1.2 − 1
100 % =
100 % = 20% . Giá trị này nhỏ hơn giá
y xl
1

trị tính được của trường hợp sử dụng bộ điều khiển P (43.8%) và PI (22.5%).

+ Sai số xác lập: exl = 0 do thành phần I triệt tiêu sai số xác lập.
+ Thời gian xác lập:
t xl = 340 − 34 = 306

2.6. Các sách lược điều khiển khác
Vòng điều khiển nhiệt độ đầu ra T2 của dòng hồi lưu theo lưu lượng hơi bão hòa Fs
đã chọn có những ưu điểm của sách lược điều khiển phản hồi như có thể triệt tiêu những
ảnh hưởng của nhiễu khơng biết trước hoặc khơng đo được, có khả năng tạo đáp ứng chính
xác; tuy nhiên q trình hiệu chỉnh chậm hơn bù nhiễu.
Ngồi ra, có thể áp dụng một số sách lược điều khiển khác như:
- Điều khiển truyền thẳng:

12


Hình 18. Sách lược điều khiển truyền thẳng
Đo giá trị biến nhiễu (F hoặc T1), thay thế T2 bằng giá trị TSP trong phương trình

cân bằng nhiệt, ta có:
Fs =

FCp (TSP − T1 )
λ

Từ đó, gán giá trị Fs tính được này cho van điều khiển lưu lượng dòng hơi. Phương
pháp này có thể dùng để ngăn chặn và bù trừ những ảnh hưởng của nhiễu do F hoặc T1
gây ra một cách nhanh chóng, tuy nhiên khơng thể loại trừ ảnh hưởng của nhiễu không
biết trước hoặc không đo được. Đáp ứng của phương pháp này cũng kém chính xác, cho
chất lượng không cao.
- Điều khiển phản hồi kết hợp với truyền thẳng:

Hình 19. Sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi.
Kết hợp hai sách lược này vừa giúp bù trừ ảnh hưởng của nhiễu (khâu truyền
thẳng), vừa ổn định và nâng cao chất lượng (khâu phản hồi).
13


- Điều khiển tầng:

Sử dụng thêm một vòng điều khiển đơn để triệt tiêu sớm nhiễu (độ chênh áp), nhờ
đó tốc độ điều khiển tăng lên.
Ngồi ra, cịn một số sách lược điều khiển khác có thể xem xét và áp dụng như
điều khiển tỉ lệ giữa lưu lượng dòng hơi bão hòa và lưu lượng dòng sản phẩm đáy, điều
khiển tỉ lệ kết hợp với phản hồi…
3. Kết luận
- Để xác định các thông số của bộ điều khiển, có thể áp dụng phương pháp tổng hợp
trực tiếp hoặc phương pháp Ziegler-Nichols 1. Kết quả tính được từ hai phương pháp này
tương đối gần nhau, tuy nhiên đều phải khảo sát lại bằng cách tăng hay giảm các giá trị KP,

KI, KD để tìm giá trị tối ưu.
- Sau khi lần lượt khảo sát bộ điều khiển P, PI, PID thì bộ điều khiển PID có nhiều
ưu điểm hơn như cho phép giảm độ vọt lố (nhờ thành phần KD) và triệt tiêu sai số xác lập
(nhờ thành phần I).

14


PHỤ LỤC 1
Sơ đồ quy trình cơng nghệ của tháp chưng cất

15


PHỤ LỤC 2
Lưu đồ P&ID của tháp chưng cất

16