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 Tự động hóa Mã số: 62.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2016 Công trình hoàn thành 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 bảo vệ Hội đồng chấm Luận án tốt nghiệp Tiến sĩ Kỹ thuật họp 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 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Độ ẩm giấy tiêu quan trọng chất lượng giấy, đảm bảo độ ẩm giấy hệ thống sấy đảm nhận Để đảm bảo độ ẩm giấy sau xeo, người ta điều khiển hai thông số: Công suất nhiệt bão hòa cấp cho lô để cấp nhiệt cho giấy (gọi sấy tiếp xúc); Công suất nhiệt gió nóng phụ thêm cấp cho buồng sấy (gọi sấy đối lưu) Tuy nhiên nước chứa giấy bay không khí buồng, nhu cầu cấp nhiệt (như nêu) bị ảnh hưởng lớn thông số môi trường buồng sấy Ví dụ, giá trị công suất cấp nhiệt sấy tiếp xúc sấy đối lưu, giấy bị khô dễ bị cháy bị ướt (hiện tượng mưa buồng sấy) Đặc trưng cho thông số môi trường buồng sấy nhiệt độ điểm sương (đảm bảo tốc độ bay nước khả ngưng tụ) phân bố áp suất không khí buồng sấy cân gió vào - (Zero Level) Như đối tượng buồng sấy hệ nhiều biến, có biến cần điều khiển độ ẩm, có hai biến tác động (hơi gió nóng) Ngoài có hai biến phụ cần điều khiển định tới khả bay nước giấy nhiệt độ điểm sương 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) điều khiển gia nhiệt gió nóng (Hình 1.4) Các mạch vòng tác động xen kênh (trừ mạch vòng gia nhiệt gió nóng ảnh hưởng) Hệ điều khiển buồng sấy hệ đa biến tác động xen kênh, nhiên thực tế công nghiệp người ta thiết kế hệ điều khiển nhiều mạch vòng đơn biến, dẫn đến khó đảm bảo chất lượng hao phí lượng lượng cao Từ lý luận án chọn hướng thiết kế điều khiển đa biến buồng sấy giấy với tên “Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển phản hồi đầu cho hệ đa biến buồng sấy giấy” MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu xây dựng động học điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy để nâng cao chất lượng điều khiển GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU Đối tƣợng: Hệ điều khiển buồng sấy dây chuyền xeo giấy Phạm vi nghiên cứu: Động học thiết kế điều khiển phản hồi đầu cho hệ điều khiển đa biến buồng sấy giấy PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Khảo sát thực tế buồng sấy giấy Công ty giấy Bãi - Nghiên cứu tài liệu liên quan đến công nghệ sấy giấy - Nghiên cứu công trình công bố tới sấy giấy - Xây dựng động học điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy - Ứng dụng điều khiển MPC đa biến cho buồng sấy giấy - Mô hình hóa mô đánh giá chất lượng hệ điều khiển TÊN ĐỀ TÀI Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng điều khiển phản hồi đầu hệ đa biến cho buồng sấy giấy Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học: Luận án xây dựng động học điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy sấy ứng dụng điều khiển dự báo theo thuật toán đề xuất tối ưu hóa đoạn cho hệ sấy giấy Ý nghĩa thực tiễn: - Phân tích yêu cầu điều khiển hệ sấy buồng sấy, giúp người vận hành hiểu rõ tác dụng đại lượng điều khiển đại lượng nhiễu tính xen kênh ảnh hưởng tới chất lượng sấy, từ chỉnh định tham số điều khiển để hệ ổn định đảm bảo chất lượng - Thiết kế điều khiển đa biến MPC định hướng cho việc ứng dụng cho hệ sấy giấy nhằm nâng cao chất lượng điều khiển CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN Gồm phần mở đầu, chương nội dung phần kết luận – kiến nghị CHƢƠNG 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 công đoạn hình 1.1 Hình 2.1 Quá trình sấy giấy Dây chuyền công nghệ xeo giấy gồm công đoạn: Hình thành tờ giấy (có hòm phun bột, lưới 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 điều khiển hệ thống sấy 1.2.1 Sấy điều khiển sấy Sấy thuộc công nghệ sấy tiếp xúc, cho nước bão hòa vào lô, nhiệt truyền vào thành lô từ truyền nhiệt cho giấy Trong buồng sấy có nhiều lô phân thành nhóm sấy Nguyên lý điều khiển công suất sấy điều khiển lưu lượng cấp cho lô, thông qua mạch vòng điều khiển chênh áp áp suất nguồn áp suất đầu lô thông qua van điều khiển Công suất sấy cấp cho lô 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 cấp cho lô, Ts(K): nhiệt độ cấp cho lô Công suất nhiệt sấy điều chỉnh thông số lưu lượng hơi, thông qua điều chỉnh độ mở van 1.2.2 Sấy gió điều khiển sấy gió Sấy gió (sấy đối lưu) có nhiệm vụ cấp gió nóng vào buồng sấy hút khí thải cho tạo môi trường sấy để nước giấy dễ bay hơi, thực ba mạch vòng (xem Hình 1.4): Điều khiển nhiệt độ gió nóng, khô cấp cho buồng sấy Điều khiển cân gió vào – (Zero Level) Mạch vòng điều khiển ZL dùng đại lượng tác động lưu lượng gió vào Wa1 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 trình bay nước từ giấy phụ thuộc vào độ ẩm nhiệt độ không khí buồng sấy Điều khiển nhiệt độ điểm sương thông qua điều chỉnh lưu lượng gió Wa2, giữ nhiệt độ điểm sương khoảng thấp nhiệt độ trung bình buồng (15- 20)0C 1.3 Các công trình nghiên cứu hệ điều khiển sấy giấy Các công trình liên quan tới công nghệ sấy giấy Hệ điều khiển sấy giấy thiết kế dựa tảng công nghệ thiết bị công nghệ sấy giấy Có nhiều công trình nghiên cứu công nghệ sấy giấy, nghiên cứu trình bay ngưng tụ sấy giấy - trình truyền nhiệt sấy hơi, Cơ chế sấy giấy, thiết bị sấy giấy, thông số trình sấy Để đảm bảo lý tính tờ giấy sấy, công trình nghiên cứu trình vật lý bay nước sợi giấy thoát mặt giấy, kết cấu sợi giấy trước sau sấy, yêu cầu cấp nhiệt sấy… Các công trình liên quan tới điều khiển trình sấy Động học trình sấy giấy gồm trình truyền nhiệt từ đến lô sấy; Hàm truyền lô sấy dạng IPZ Về điều khiển hệ sấy giấy chủ yếu tập trung thiết kế điều khiển sấy dùng hệ điều khiển phản hồi PID Feed forward nhiệt độ giấy; Thiết kế điều khiển dự báo cho nhóm lô với đề xuất thuật điều khiển khoảng Mid-Ranging Cotroller –MPC Các vấn đề điều khiển sấy gió (đối lưu) thiết kế triển khai sản xuất hệ điều khiển phản hồi PID nhiều mạch vòng độc lập 1.4 Hƣớng nghiên cứu luận án Tiếp thu kết công trình sấy hơi, phát triển kết hợp với trình sấy gió Gồm vấn đề: Xây dựng động học trình đa biến buồng sấy giấy, từ thiết kế hệ điều khiển đa biến từ truyền thống đến phương pháp dự báo đại MPC CHƢƠNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY Nội dung chương tập trung nghiên cứu động học cho mạch vòng điều khiển: Độ ẩm, cân gió vào - nhiệt độ điểm sương; Nghiên cứu điều khiển cho mạch vòng độc lập, coi tác động xen kênh nhiễu tác động 2.1 Động học điều khiển mạch vòng độ ẩm 2.1.1 Động học tổng quát hệ sấy Phương trình động học tổng quát trình sấy (2.1) 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 sấy; H b (kJ/kg): Là lượng nhiệt cần thiết để nước bay 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 buồng sấy; Cp(kJ/kg K): Nhiệt dung riêng quy đổi giấy; Nhiệt dung riêng trung bình giấy xác định: C   C p,w Trong đó: Cp, Cp,f Cp,w (J/kg.K) nhiệt C p  p, f 1  dung giấy, sợi giấy nước giấy Cơ chế sấy bốn giai đoạn lô trình bày Hình 2.1 Vòi phun Không khí Hình 2.1 Quá trình sấy cho lô Quá trình sấy cho lô gồm giai đoạn Hình 2.1 gồm: Giai đoạn giấy áp mặt lô chăn phủ (sấy tiếp xúc), giai đoạn 1&3 giấy áp mặt lô có tiếp xúc vơi không khí (sấy tiếp xúc sấy gió), giai đoạn giấy tiếp xúc với không khí gió nóng thổi (sấy gió) 2.1.2 Điều khiển mạch vòng độ ẩm Từ phương trình động học tổng quát sấy triển khai cho giai đoạn theo chế sấy ta động học sấy cho lô, kết hợp đồng 10 lô sấy (trong buồng sấy 3) ta có mô hình điều khiển độ ẩm, trình bày Hình 2.2 Td *  * GD1 GTd  SP + - Gc1 P * U GP1 Wa1 * Gp2 + - Hình 2.2 Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy Hình 2.3 Đáp ứng hệ điều khiển độ ẩm +  11 Hình 2.6 Đáp ứng điều khiển mạch vòng ZL 2.3 Động học 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 buồng sấy < T [...]... 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. .. 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... 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... thiết bị triển khai điều khiển đa biến đã nghiên cứu vào bộ điều khiển công nghiệp cho điều khiển buồng sấy giấy - Hoàn thiện thuật điều khiển tối ưu hóa từng đoạn cho thiết kế MPC - Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hai ma trận đối xứng xác định dương Q và R đối với chất lượng của hệ thống, từ đó xây dựng được quy luật thay đổi Q và R dọc theo trục thời gian cùng với cửa sổ dự báo CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA... chuyên san Điều khiển và Tự động hóa 2015 13(8/2015): tr.71-78 6 Trần Kim Quyên, Lê Khắc Trường, Đoàn Quang Vinh, Điều khiển đa biến tách kênh cho buồng sấy giấy, Hội nghị Điều khiển và Tự động hóa toàn quốc VCCA- 2015: tr.348-357 7 Trần Kim Quyên, Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Doãn Phước, Sử dụng cực tiểu hóa từng đoạn sai lệch đầu ra trong miền thời gian để điều khiển dự báo cho hệ buồng sấy giấy đa biến, tạp... 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 (