Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 Điều khiển đa biến tách kênh cho buồng sấy giấy The decouplingmultivariablecontrol forthe paper drying section Trần Kim Quyên1, Đoàn Quang Vinh2, Lê Khắc Trường3 Trường CĐCN Tuy Hòa1, Đại học Đà Nẵng 2,Trường ĐHBK Hà Nội3 e-Mail: trankimquyen78@gmail.com1dqvinhdn@gmail.com2;truonglekhac@gmail.com3 Tóm tắt Trong dây chuyền xeo giấy, điều khiển độ ẩm giấy tiêu quan trọng chất lượng giấy, độ ẩm giấy hệ thống sấy đảm nhận Điều khiển hệ thống sấy có bốn mạch vòng điều khiển chính: Mạch vòng điều khiển gia nhiệt gió nóng cấp vào buồng kết hợp với mạch vòng điều khiển độ ẩm dùng bão hòa để sấy giấy, mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương đảm bảo môi trường không khí buồng sấy cho nước giấy có đủ điều kiện bay mạch vòng điều khiển cân gió vào – đảm bảo tổn thất nhiệt Trong bốn mạch vòng, riêng mạch vòng gia nhiệt gió nóng tương đối độc lập, ba mạch vòng lại có tác động qua lại với ảnh hưởng tới độ ẩm giấy, công suất nhiệt tiêu thụ sấy.Trong [2],[3],[4] tác giả nghiên cứu riêng rẽ ba mạch vòng: Điều khiển độ ẩm, điều khiển cân gió vàora điều khiển nhiệt độ điểm sương [5] nghiên cứu xây dựng cấu trúc điều khiển đa biến, khảo sát tác động xen kênh Bài báo nàycác tác giả thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ đa biến để nâng cao chất lượng hệ sấy giấy Nội dung báo trình bày có ba phần:Phần thứ tóm tắt động học trình mạch vòng theo [2],[3],[4];Phần hai tóm tắt cấu trúc điều khiển đa biến đáp ứng hệ;Phần ba thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ đa biến Từ khóa: Độ ẩm, Tách kênh, Điểm không áp suất, Nhiệt độ điểm sương Abstract: In the line of PMs paper, the control of the paper moisture content undertaken by the drying system is an important indicator of the paper quality.The control of the drying system has four main control loops: The loop controlling hot air entering the drying section and combining with the papermoisturecontentcontrol loop using saturated steam for drying paper, the dew point temperature control loopensuring the air environment in the drying section so that the water in the paper gets enough conditions to evaporate and the air input- out put balance control loop ensuring less heat loss In four loops, the air heating loop is relatively independent, but the three remaining loops interact with each other and affects the paper moisture content, the capacity of thermal consumption when drying In [2],[3],[4] the VCCA-2015 authorshavestudied three loops separately: the moisturecontrol, the air input – output balance controlandthe dewpointtemperature controland in [5],having studied and designed the decoupling multivariable control structure, made the reciprocal impact survey In this paper, the authors design the decoupling control for the multivariable system to improve the quality of the paper drying system The paper content consists of three parts: The first one summarizes the dynamics of each loop in [2],[3],[4]; The second one summarizes the decoupling multivariable control structureas well as the demand satisfaction of the system; The third one designs the decoupling control for the multivariable system Keywords: Moisture,Decoupling,Neutral temperature Pressure,Dew point Kýhiệu Ký hiệu 1,2 Wp m g A (*) V Kbh Q Cp Tm SH %RH Đơn vị Ý nghĩa kg/kg kg/s Kg g/m2 m2 Độ ẩm tỉ lệ giấy Lưu lượnggiấy qua buồng sấy Khối lượng giấy Định lượng giấy Diện tích Chỉ số ký hiệu đại lượng điều khiển Tốc độ xeo giấy Hệ số bay nước từ giấy Công suất nhiệt Nhiệt dung riêng Nhiệt độ mặt lô Độ ẩm tỷ lệ không khí Độ ẩm tương đối không khí m/phút m/s kW kJ/kg k K kg/kg % Chữ viết tắt ZL NP Zero level Neutral Pressure Phần mở đầu Trên H.1 trình bày sơ đồ nguyên lý điều khiển buồng sấy giấy cuối dây chuyền xeo giấy[8], giấy từ ép keo có độ ẩm tương đối 0,2 (kg/kg) qua buồng sấy để có độ ẩm đầu 0,05 (kg/kg) Buồng sấy có 10 lô sấy Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 vận hành ổn định tốc độ xeo V =600 m/phút, định lượng 50g/m2; Gió nóng vào Wa1 có lưu lượng vận hành 3.25kg/s (lưu lượng định mức 6,5kg/s) có nhiệt độ 1100C, độ ẩm tỷ lệ 0,001kg/kg; Gió thải có lưu lượng vận hành 4.75 (kg/s) (lưu lượng định mức 9,5 kg/s), nhiệt độ khí thải 750C độ ẩm tỷ lệ 0,15 (kg/kg); Nhiệt độ điểm sương đặt 600C Hệ điều khiển có bốn nhiệm vụ, cụ thể: - Điều khiển gia nhiệt cho gió cấp cho buồng sấy: Gió lấy từ trời lưu lượng Wa1 gia nhiệt phần từ không khí thải qua HRU (thu hồi nhiệt), sau gió đưa sang thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt bão hòa, điều khiển nhiệt độ gió sấy thông qua van điều khiển lưu lượng Mạch vòng điều khiển gia nhiệt gió hoạt động tương đối độc lập - Gió nóng có nhiệt độ 1100C, độ ẩm tỷ lệ 0,001 (kg/kg) thổi vào hai mặt giấy vòi phun, kết hợp với sấy áp suất cấp cho lô sấy tạo nên mạch vòng điều khiển sấy giấy Động học trình sấy buồng sấy nghiên cứu [2] - Điều khiển cân gió vào - ra, với mục tiêu đảm bảo gió nóng chiếm giữ khoảng không hai lô (vùng sấy) để truyền nhiệt cho mặt giấy phục vụ trình bay hơi, nên cần điều khiển cân gió nóng thổi vào Wa1 kết hợp với lượng nước bay từ giấy Wbh, phải cân với gió hút khí thải khỏi buồng sấy Wa2, cho không khí lạnh từ hút vào vùng sấy Điều khiển cân thông qua điểm áp suất không nên người ta gọi hệ điều khiển ZL Đại lượng điều khiển lưu lượng gió thổi vào Wa1, cấu chấp hành quạt thổi nghiên cứu [3] - Điều khiển môi trường sấy thông qua nhiệt độ điểm sương: Khi sấy giấy nước bay vào không khí, làm cho độ ẩm không khí tăng dẫn đến tăng nhiệt độ điểm sương Khi nhiệt độ điểm sương tăng cao khả bay nước từ giấy giảm,nếu nhiệt độ điểm sương gần với nhiệt độ môi trường nước có xu ngưng tụ Ws  700kg / h Ps  3.5Bar Air TC đa biến buồng sấy giấytheo trình tự: Bước thứ dựa cấu trúc hệ điều khiển đa biến nghiên cứu [12](ta gọi hệ đa biến thực) tiến hành nhận dạng hàm truyền chính,hàm truyền xen kênh để đưa hệ đa biến dạng chuẩn;Bước thứ hai từ hệ đa biến dạng chuẩn thiết kế điều khiển tách kênh theo phương pháp điều khiển phân ly Feedforward;Bước thứ ba sử dụng hàm điều khiển phân ly kết nối vào hệ điều khiển đa biến thực,đánh giá hệ Nội dung 2.1 Động học điều khiển trình mạch vòng buồng sấy 2.1.1 Động học điều khiển trình mạch vòng điều khiển độ ẩm Trong [2] tác giả xây dựng mô hình động học mô hình hóa mô gồm vấn đề sau: Phương trình cân khối lượng tổng quát cho giấy qua buồng sấy [1],[10],[11]: d  ( w p1  w p  wbh ) (1) dt mp Phương trình cân lượng tổng quát cho trình sấy buồng sấy: dT p m (  1)C p  Q  w p (1   )C p (T p1  T p ) (2) dt  wbh C pT p  wbh H b Trong đó: Hb lượng nhiệt cần thiết để nước bay từ giấy vào không khí(kJ); m(1+1): Khối lượng giấy có độ ẩm lúc vào (kg);m(1+2): Khối lượng giấy có độ ẩm lúc (kg);Tp1,Tp2 nhiệt độ bề mặt giấy lúc vào buồng sấy (K); lưu lượng nước bay từ giấy (kg/s) Cp nhiệt dung riêng trung bình giấy sấy (kJ/kg k) Để xây dựng động học trình sấy ta cần dựa chế sấy giấy cho lô Quá trình sấy giấy qua lô gồm giai đoạn [6] (H.2): Giai đoạn (2) Giấy phủ chăn nên gần không bay Wbh=0, 2 không đổi TC Ngưng tụ Ngưng tụ Air LC Td , TT Wa1  23447kg / h 1100 C Wa  33445 kg / h Ttb  750 C  kt  0.15kg / kg T  110 C u  001 kg / kg LT 26 Tp ,  25 Độ ẩm giấy 0.2 kg/kg H 28 27 30 29 32 31 34 33 600 m/phút Định lượng 50 g / m Độ ẩm giấy 0.05 kg/kg Sơ đồ P & ID buồng sấy Nhiệt độ điểm sương buồng sấy giữ ổn định thấp nhiệt độ môi trường sấy khoảng 15 ÷ 25 0C Điều khiển nhiệt độ điểm sương thông qua điều chỉnh lưu lượng gió Wa2 (dùng quạt hút)[4] Trong [6], nghiên cứu xây dựng cấu trúc điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy Nội dung báo thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ VCCA-2015 H Quá trình sấy giấy qua lô Giai đoạn (1 3) giấy khỏi lô có mặt thoáng nên bốc Wbh ≠0, nhiệt độTp2 độ ẩm giấy 2 giảm Công suất nhiệt giấy nhận từ lô (3) Q  K A (Tm  T ) T1 p2 Giai đoạn (4) giấy tích nhiệt từ lô (từ giai đoạn trước) kết hợp với gió nóng thổi, nước giấy bay nhiều Wbh ≠0.Nhiệt độ độ ẩm giấy giảm nhanh Công suất nhiệt giấy nhận từ gió nóng Q  K T A2 ( TG  T p ) (4) Trong đó: KT1 hệ sô truyền nhiệt từ lô vào giấy (kW/m2 K); KT2 hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy (kW/m2 K); A1,A2 diện tích truyền nhiệt (m2); Tm nhiệt độ mặt lô (K); Tp nhiệt độ giấy (K); Wbh hàm của: Bề rộng khổ giấy, tốc độ xeo, nhiệt độ giấy hệ số bay Kbh nước từ giấy vào không khí Kbh phụ thuộc vào nhiều tham số chủ yếu tốc độ gió nóng thổi vào mặt giấy, độ ẩm nhiệt độ không khí (tính qua nhiệt độ điểm sương) Từ mô hình mô ta khảo sát biến thiên xung quanh điểm làm việc nhận dạng hàm truyền sau:  0.0009466 10 s GP1   e P * 45s  GP   0.000572 18s  e Wa1 * 20s  H  0.0014 5s ;  e  200s   0.0001823  e 28.3 s Td * 216.3s  Cấu trúc điều khiển mạch vòng điều khiển độ ẩm (H3), đại lượng cần điều khiển độ ẩm giấy, đại lượng điều khiển lưu lượng cấp cho lô thông qua lượng điều khiển áp suất ∆P* tác động lên trình Gp1, lượng điều khiển thứ hai lượng gió nóng ∆Wa1* tác động lên trình Gp2 Nhiễu đầu vào biến thiên độ ẩm đầu vào ∆γ1 (do ép keo) tác động lên GD1 đại lượng xen kênh nhiệt độ điểm sương ∆Td (do ảnh hưởng tốc độ bay hơi) tác động thông qua GTd-γ Bộ điều khiển Gc1 điều khiển PID chỉnh định theo toolbox autotuning Matlab GTd   Td *  * GTd  P * SP  U Wa1 * H Mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy 2.1.2 Động học điều khiển trình mạch vòng cân gió vào – (Zero Level) Trong nghiên cứu tác giả [3], trình bày chi tiết động học điều khiển mạch vòng cân gió vào – ra, ta có gió thổi vào Wa1 kết hợp với lượng nước bay từ giấy Wbh phải cân với gió hút Wa2 Việc cân đảm bảo gió nóng vào có đủ thời gian không gian để truyền nhiệt cho giấy Nếu gió hút nhiều buồng nhiệt qua đường thải, hút gió nóng tràn xuống hầm máy gây nhiệt Người ta chọn mặt phẳng sát VCCA-2011 Sơ đồ mô tả mặt áp suất NP Phương trình cân khối lượng gió Hàm truyền nhiễu xen kênh lấy từ số liệu tuning nhà máy [8] kết hợp với chạy mô hình ta có: GD1  với mặt lô làm mặt cân gọi mặt áp suất không (NP) Trên NP có áp suất dương so với áp suất khí NP có áp suất âm so với áp suất khí [8],[9],[12] (xem H.4) dm  Wa1  Wbh +Wkk  Wa dt (5) Trong đó: Wa1(kg/s) lưu lượng gió nóng đưa vào buồng; Wbh (kg/s) lưu lượng nước bốc trình sấy; Wa2(kg/s) lưu lượng khí thải; Wkk (kg/s) lưu lượng gió lạnh lùa vào phần NP (phụ thuộc vào chênh áp điểm đặt áp suất không áp suất khí quyển) Nếu điểm đặt NP áp suất khí ta có Wkk =0, điểm đặt NP có áp suất nhỏ áp suất khí điểm Wkk ≠0 giá trị tính theo giá trị chênh áp P (6) Wkk  a.Cv  Trong đó: a hệ số lấy giá trị áp suất tai NP có giá trị dương, lấy giá trị NP đạt giá trị đặt; Cv độ dẫn khe gió = 0.01 (m2) xác định theo thực tế cấu trúc buồng sấy; v thể tích riêng phần không khí vùng NP: 0.95 (m3/kg) Phương trình cân khối lượng gió cho khe gió khảo sát, viết lại: (7) dm  Wa1  Wbh  Wkk  Wa dt Áp suất NP viết dp R.T dm R.T (8)   (Wa1 +Wbh  Wkk  Wa2 ) dt V M dt V M Trong đó: p áp suất NP lấy giá trị đặt (Pa); V thể tích buồng 144 (m3); R số khí lý tưởng (8.314J/mol.(0C+273)); T nhiệt độ không khí điểm khảo sát 750C; M khối lượng mol không khí (0.029 kg/mol) Thể tích riêng không khí nhiệt độ 750C 0,97 (m3/kg ) Xét biến thiên xung quanh điểm làm việc ổn địnhta thu được: d p p (9)   ( Wa1  Wbh  a.Cv  Wa ) dt  Với :  VM  0.02(s) RT Ta nhận dạng xác định hàm truyền[4],[8]: Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 GWa1  Wa2 0.0951 15s Wa1 0.0651 4s  e GWa   e U 5s  U3 9s  ; GWbh  Wbh 333 3s  e  5s   U H K s ZL a2 a 20 Trong đó: 0.001kg/kg độ ẩm đầu vào không khí; ∆SH biến thiên độ ẩm không khí tỷ lệ SH0 độ ẩm tỷ lệ không khí điểm làm việc 0,15 kg/kg Biến đổi (13) ta nhận được: kn (ns 1).SH Wa1.0.001Wbh.1Wa2.SH0 (14) m  120(s); kn  Wa 20  4.75(kg/ s) Wa 20 Với: n  Mạch vòng điều khiển cân gió ZL Công thức tính độ ẩm tương đối sau: 1.6078* Pbaro * SH Pw   0.678* SH 2.1.3 Động học điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sương buồng sấy Theo [5] tính toán nhiệt độ điểm sương theo công thức (10) b  (T , RH ) Td  a   (T , RH ) (10) aT  (T , RH )   ln(RH ) b T a  17.27; b  237.70C Trong đó: Td(0C) nhiệt độ điểm sương; T(0C) nhiệt độ trung bình không khí buồng; %RH độ ẩm tương đối không khí buồng Độ ẩm tương đối %RH hàm độ ẩm tỷ lệ SH (kg/kg) nhiệt độ trung bình T buồng.Tại điểm vận hành ta có thông số: Nhiệt độ trung bình không khí buồng T=750C; Độ ẩm tỷ lệ không khí buồng SH =0,15 kg/kg; Độ ẩm tương đối %RH = 50%; Nhiệt độ điểm sương Td =600C Khảo sát biến thiên nhiệt độ điểm sương ∆Tdcần tính toán biến thiên nhiệt độ trung bình ∆T buồng biến thiên độ ẩm tương đối ∆RH Với giả thiết nhiệt dung riêng không khí thay đổi không đáng kể, biến đổi ta có: d T   W a C T a   W b h C n T n dt   W a C T  W a C  T e 77.345 0.0057*( T  273) 7235 T  273 (15) (T  273)8.2 P %RH  100 * s Psw Trong đó: Pbaro =101325 Pa áp suất khí Pw Áp suất riêng phần nước Psw Áp suất riêng phần nước không khí bão hòa nhiệt độ xác định T nhiệt độ không khí buồng tính 0C Mô hình tính biến thiên nhiệt độ điểm sương H.7 T Psw  Td SH H Tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sương Từ mô hình mô tiến hành nhận dạng ta cấu trúc điều khiển H.7  U SPTd Wa Td * Wa1 * (11) Chuyển sang dạng hàm truyền : k ( s  1) T  Wa1.C.Ta1  Wbh Cn Tn  Wa C.T0 (12) Trong đó: m   120(s); k  Wa 20C  4.75(kg/ s) Wa 20 Trong đó: Các giá trị điểm làm việc ổn định lưu lượng gió Wa20=4,75(kg/s), nhiệt độ gió vào Ta1=1100C, nhiệt độ nước Tn =75 0C khối lượng không khí tính m=570 kg VCCA-2015 bh Wa * Cấu trúc mạch vòng điều khiển ZL có: Đại lượng cần điều khiển áp suất không; Đại lượng điều khiển gió vào buồngsấyWa1*(∆U2); Đại lượng tác động xen kênh ∆γ ∆Wa2* Lưu lượng ∆Wkk tác động tùy thuộc vào giá trị áp suất NP theo phương trình (6) Bộ điều khiển Gc2 điều khiển PID m C a1 dt Cấu trúc điều khiển mạch vòng ZL trình bày H.5 SPZL Phương trình tính toán biến thiên độ ẩm không khí buồng thông qua cân khối lượng nước không khí buồng [4],[7],[8], ta có: d SH m  W 0.001 W 1 W S H  W SH (13) H Cấu trúc điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sương Từ cấu trúc điều khiển chung, nhận dạng ta có hàm truyền[4],[8]: GWa GP3  Wa Td 0.0951 15s 6.56 30 s  e e U3 Wa2 9s 1 208s 1 GD2  Td 0.0128 22s  e Wa1 * 198.5s  GD3  Td 410 30s  e  200s  Trong đó: Biến cần điều khiển ΔTd; Biến điều khiển ΔWa2*(∆U3) tác động lên trình Gp3; Biến nhiễu xen kênh ΔWa1*, Δγ 2.2 Xây dựng động học điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy Ta xét kết nối ba mạch vòng: Điều khiển độ ẩm giấy, điều khiển Zero level, điều khiển nhiệt độ điểm sương có tác động xen kênh cụ thể: - Giữa mạch vòng điều khiển độ ẩm điều khiển cân gió vào - (ZL) có tác động xen kênh là: Lượng điều khiển mạch vòng ZL Wa1 (lưu lượng gió nóng vào) có tác động lên mạch vòng độ ẩm ta gọi hàm truyền G21, đại lượng đầu mạch vòng độ ẩm γ sinh lưu lượng nước bay Wbh tác động lên mạch vòng ZL ta gọi G12 - Giữa mạch vòng điều khiển độ ẩm mạch vòng nhiệt độ điểm sương: Đại lượng γ sinh Wbh gây nên độ ẩm tương đối %RH tác động lên nhiệt độ điểm sương ta gọi G13 Nhiệt độ điểm sương ảnh hưởng tới hệ số bay Kbh, nhiệt độ điểm sương lớn gần với nhiệt độ trung bình buồng khả bay nước từ giấy giảm, ta gọi tác động xen kênh G31 - Giữa mạch vòng ZL mạch vòng nhiệt độ điểm sương: Đại lượng điều khiển mạch vòng nhiệt độ điểm sương Wa2 tác động làm cân ZL ta gọi G32 ngược lại đại lượng điều khiển ZL Wa1 tăng làm cho nhiệt độ điểm sương tăng,ta gọi G23 2.2.1 Thiết lập cấu trúc điều khiển đa biến mô cho buồng sấy giấy.[6] H Sơ đồ mô điều khiển đa biến buồng sấy sử dụng Matlab Simulinkhình sensor cho buồng sấy Khảo sát biến đổi nhiễu ảnh hưởng nhiễu đến chất lượng sấy giấy Thực tế vận hành dây chuyền xeo giấy nhà máy, với sản phẩm giấy thông số kỹ thuật thường thay đổi Nhiễu ảnh hưởng tới hệ độ ẩm giấy đầu vàoγ1(sau ép keo), thông thường biến đổi tăng khoảng 0,2 đến 0,25, nhiễu ngẫu nhiên Ngoài vận hành, người ta thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương để phù hợp với loại nguyên liệu đầu vào thực trạng môi trường ảnh hưởng đên chất lượng giấy (thực tế vận hành thây đổi Td từ VCCA-2011 45÷600C) Vì ta khảo sát đáp ứng hệ với hai trường hợp: * Thay đổi điểm đặt biến thiên nhiệt độ điểm sương thay đổi 10% từ 600C ±10% * Thay đổi biến thiên độ ẩm đầu vào từ 0,2 lên 0,25 (khoảng + 25%) Các đại lượng vật lý cần quan tâm ghi lại gồm:Nhiệt độ điểm sương; Độ ẩm giấy; Zero Level; Wa1*; Wa2*; Công suất nhiệt đưa vào lô thông qua chênh áp (ΔP) Các điều khiển Gc1,Gc2và Gc3 điều khiển PID 2.2.2 Kết mô hệ điều khiển đa biến a) Thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương ±10% H Kết mô hệ thống thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương Nhận xét: Khi giảm nhiệt độ điểm sương độ ẩm giấy giảm, mạch vòng điều khiển sấy tác động, chênh áp suất sấy giảm để điều khiển kéo độ ẩm giá trị đặt, mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương tác động ổn định điểm đặt nhiệt độ điểm sương tức Wa2 tăng, dẫn đến ảnh hưởng tới mạch vòng ZL,Wa1 tăng theo giữ cân Ngược lại, tăng lượng đặt nhiệt độ điểm sương, độ ẩm giấy tăng, mạch vòng điều khiển sấy tác động tăng chênh áp suất để điều khiển độ ẩm giá trị đặt Mạch vòng nhiệt độ điểm sương tác động ổn định điểm đặt nhiệt độ điểm sương, Wa2 giảm dẫn đến mạch vòng ZL,Wa1 giảm để giữ cân b) Thay đổi nhiễu tác động độ ẩm giấy ∆γ1=25% Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015  Td   P * SP Wa1 *  Wa1 Wa2 Wbh GWbh Wbh * SPTd Wa * Wa  Td Wa1 * H 11 Cấu trúc điều khiển buồng sấy với hai biến sấy H 10 Kết mô hệ thống thay đổi nhiễu độ ẩm đầu vào giấy Nhận xét: Tăng độ ẩm giấy đầu vào làm độ ẩm giấy đầu tăng, mạch vòng điều khiển độ ẩm tác động làm cho công suất nhiệt đầu vào tăng lên, tức chênh áp∆P tăng, lưu lượng vào nhiều để tăng nhiệt sấy, kéo độ ẩm giấy đầu giá trị đặt Dẫn đến lưu lượng nước bay Wbh tăng, nhiệt độ điểm sương dẫn đến, mạch vòng nhiệt độ điểm sương tác động tức Wa2 tăng, làm giảm nhiệt độ điểm sương Lúc mạch vòng ZL bị ảnh hưởng, áp suất điểm cân giảm xuống âm, mạch vòng ZL tác động tăng Wa1 để giữ cân Kết mô hệ hoạt động ổn định đáp ứng tốt với nhiễu độ ẩm đầu vào, đảm bảo chất lượng giấy đầu Nhận xét chung: Khi xét hệ hệ đa biến ta thấy hệ tác động với thực tế vận hành,hệ có tác động xen kênh lớn đặc biệt hai mạch vòng điều khiển độ ẩm mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sương,hai mạch vòng có đáp ứng chậm (phù hợp với trình vật lý) Mạch vòng ZL bị tác động xen kênh hai mạch vòng lại tác động nhanh 2.2.3 Xây dựng hệ điều khiển đa biến rút gọn Qua phương trình động học khảo sát kết mô phỏng, ta có nhận xét sau: Đáp ứng mạch vòng ZL nhanh 10 lần, so với thời gian đáp ứng mạch vòng điều khiển độ ẩm nhiệt độ điểm sương Vì vậy, bỏ qua động học ZL.Lúc cân gió vào- tính toán theo phương trình đại số (5), Wkk max= 0.2(kg/s) nhỏ so với lưu lượng gió thổi vào, lưu lượng nước bốc lưu lượng gió hút ra, nên bỏ qua Ta viết lại phương trình (5): dm  Wa1  Wbh  Wa  dt  Wa1  Wa  Wbh (16) Với giả thiết ta có cấu trúc hệ lại hai biến: Điều khiển độ ẩm điều khiển nhiệt độ điểm sương, Cấu trúc hệ điều khiển đa biến buồng sấy rút gọn trình bày H.11, điều khiển PID VCCA-2015 Từ cấu trúc điều khiển H.11, ta sử dụng phần mềm matlab để mô phỏng, H.12 H 12 Mô hình mô phần mềm matlab hệ điều khiển sấy hai biến Kết mô trình bày H.13 H.14 H 13 Đáp ứng hệ điều khiển hai biến tác động nhiễu độ ẩm đầu vào ∆γ1=25%  SP P * SPT Wa * d   Td H 15 Sơ đồ cấu trúc hệ đa biến dạng chuẩn H 14 Đáp ứng hệ điều khiển hai biến khi thay đổi lượng đặt nhiệt độ điểm sương ∆Td±10% 2.3.3 Khảo sát đáp ứng hệ đa biến dạng chuẩn Nhận xét: Đáp ứng hệ điều khiển buồng sấy với cấu trúc đa biến rút gọn hai biến đảm bảo tính chất hoạt động hệ ba biến hệ hoạt động ổn định, tác động mạch vòng tương tự hệ ba biến, có khác thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương,đại lượng Wa1và Wa2 phần đầu đáp ứng có nhanh lý bỏ qua động học Zl Thời gian đáp ứng hai cấu trúc (ba biến hai biến) tương tự Vì việc đơn giản hóa cấu trúc cho phép, nên việc ứng dụng thuật điều khiển đa biến để nâng cao chất lượng hệ dễ dàng  0.000815 14 s  e P* 48s  Td 0.2671 45 s G22   e * Wa 202s 1  0.0007945 28 s G12   e * Wa 68s  T 0.334 50 s  0.0014 5 s G21  d*  e GD   e P 210s   200s  ; G11  - Mô hình trình: + G11(s) mô hình đáp ứng với đầu điều độ ẩm + G22(s) mô hình đáp ứng với đầu điều nhiệt độ điểm sương - Mô hình nhiễu xen kênh: + G21(s) mô hình đáp ứng xen kênh từ vòng Td đến  + G12(s) mô hình đáp ứng xen kênh từ vòng  đến Td Td(%) -5 -10 -15 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 1200 1400 1600 1800 2000 1200 1400 1600 1800 2000 1200 1400 1600 time(s) Wa2*(%) 100 -100 200 400 600 800 Gama(%) 1000 time(s) 50 -50 200 400 600 800 1000 time(s) 50 P*(%) 2.3 Thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ đa biến buồng sấy 2.3.1 Nhận dạng hàm truyền Để đưa hệ đa biến H11 dạng chuẩn ta tiến hành nhận dạng hàm truyền hệ.Từ cấu trúc điều khiển hệ đa biến H.12, tiến hành nhận dạng ta xác định hàm truyền trình, hàm truyền xen kênh hàm truyền nhiễu (GD) sau: H 16 Mô hình mô hệ điều khiển đa biến dạng chuẩn -50 200 400 600 800 1000 1800 H 17 Đáp ứng hệ đa biến dạng chuẩn Nhận xét: Khi giảm điêm đặt 10% cho nhiệt độ điểm sương, ta nhận đáp ứng hệ đa biến dạngchuẩntương tự hệ đa biến thực H.14 Khảo sát đáp ứng theo nhiễu 1 tác động lên mạch vòng điều khiển  khiển khiển mạch mạch H 18 Đáp ứng mạch vòng  nhiễu tác động 2.3.2 Cấu trúc hệ đa biến dạng chuẩn VCCA-2011 2000 time(s) Nhận xét: Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 Đáp ứng hệ đa biến dạng chuẩntheo nhiễu độ ẩm đầu vào tương tự với hệ đa biến thực H.13 Kết luận:Hệ đa biến dạng chuẩn có đặc tính tương tự hệ đa biến thực H.11.như việc nhận dạng cấu trúc đa biến dạng chuẩn đúng,nó tương đương với hệ đa biến thực 2.3.4 Thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ điều khiển buồng sấy giấy a) Phân tích hệ số xen kênh () Hệ số khuyếch đại xen kênh tổng quát kênh thứ j đến thứ i gọi ij tính: yi )m mi ij  y ( j )y m j ( (17) Áp dụng cho hệ hai biến nhưH.15 ta có: ( ( yi ) |m  k11 g11 mi yi k 21 g 21k12 g12 ) | y  k11 g11  mi k22 g 22  kC gC (18) (19) Xét hệ xác lập ta có hệ số khuyếch đại xen kênh 11  k11k22 1   k11k22 k12k21 1 k21k12 1(K12K21)/(K11K12) k11k22 (20)  0.45 0.334*0.000795 1 0.000815*0.2671 Với 11 phân tích trên, hệ thống có tác động xen kênh lớn, cần phải thiết kế điều khiển tách kênh cho hệ [1] b)Thiết kế điều khiển tách kênh Cấu trúc điều khiển tách kênh trình bày H.19: D(s) ma trận phần tử tách kênh, G(s) ma trận hàm truyền trình, R1: điều khiển độ ẩm, R2: điều khiển nhiệt độ điểm sương P(s) ma trận điều khiển mạch vòng độ ẩm giấy mạch vòng nhiệt độ điểm sương  Đặt y = u1 y1 Dg = véc tơ đầu ra; u = véc y2 D Td u2 * tơ tín hiệu từ điều khiển, u = véc tơ tín hiệu điều khiển đưa vào trình; SPD g w véc tơ tín hiệu đặt w= = w2 SPD P Hệ thống điều khiển độ ẩm buồng sấy giấy mô tả mối quan hệ sau: y = G.u*; u* = D.u; u=P.[w-y] Do : y = G.D.P.[w - y] (21) Để cho điều khiển phải điều khiển mạch vòng độc lập thì: éT ( s) ù ú T = G * D = ê 11 ê ú T 22 ( s)û ë (22) T ma trận đường chéo Ma trận tách kênh D(s) thu từ phương trình: D(s) = G-1(s).T(s) Ma trận nghịch đảo G(s) là: adj(G) G- (s) = = * det(G) G11 (s)G22 (s) - G12 (s)G21 (s) (23) é G22 (s) - G12 (s)ù ê ú ê- G21 (s) G11 (s) ú ë û Thay T(s) G(s) vào phương trình (22) ta thu ma trận tách kênh D(s): éê G22 ( s)T11 (s ) - G12 ( s)T22 ( s)ùú D (s ) = (24) det(G) êë- G21 (s )T11 ( s) G11 ( s)T22 (s ) úû - Tính toán thông số: Lựa chọn ngẫu nhiên G ( s )* T ( s ) G ( s )* T ( s ) 11 22 D  22  D22  11  11 det(G) det(G) Lựa chọn tách kênh Luyben đưa vào năm 1970 theo [1], [13] tách kênh phụ thuộc vào G(s): é - G12 ( s)* T22 ù ê ú ê det(G ) ú ú D (s ) = ê ê- G (s )* T ú 11 ê 12 ú ê det(G ) ú ë û (25) det(G ) det(G ) T22 = Rút T11 = thayvào (20) ta G22 G11 thuđược: D12 = H 19 Cấu trúc điều khiển tách kênh cho hệ đa biến dạng chuẩn VCCA-2015 u1* D P* = u2* Wa 2* - G12 - G21 D21 = G11 G22 (26) H 20 Mô hình mô hệ điều khiển tách kênh cho đa biến dạng chuẩn H 21 Đáp ứng hệ có tách kênh thay đổi điểm đặt nhiệt độ điểm sương H 23 Đáp ứng bù vượt trước nhiễu 1 Nhận xét: Đáp ứng hệ sau bù vượt trước 1 tốt hơn, biên độ dao động nhỏ so với trường hợp không bù 1 2.3.5Kiểm tra đánh giá điều khiển tách kênh thiết kế ứng dụng hệ đa biến thực Sau xây dựng tách kênh mô hình chuẩn H19 ta tiến hành kết nối điều khiển tách kênh vào mô hình đa biến thực H.11để kiểm tra đánh giá a)Khảo sát ảnh hưởng xen kênh mạch vòng mô hình rút gọn sau có tách kênh thay đổi lượng đặt Td H 22 Đáp ứng hệ thống có tách kênh với nhiễu độ ẩm giấy đầu vào VCCA-2011 H 24 Mô Matlab hệ đa biến thực với điều khiển tách kênh Có Tách kênh Không tách kênh Td(%) -2 -4 -6 -8 -10 -12 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 time(s) 20 Có tách kênh Không tách kênh 10 gama(%) Nhận xét: Từ H.21, thay đổi nhiệt độ điểm sương xuống 10%, điều khiển nhiệt độ điểm sương điều khiển tăng công suất quạt hút đồng thời tác động đến mạch vòng độ ẩm nên độ ẩm có dao động không đáng kể.Ảnh hưởng xen kênh bù Từ H.22, với nhiễu độ ẩm giấy đầu vào,tác động xen kênh mạch vòng nhiệt độ điểm sương không đáng kể.Nhưng ảnh hưởng lớn tới độ ẩm đầu ra,như cần thiết kế thêm bù nhiễu độ ẩm đầu vào c) Thiết kế bù nhiễu độ ẩm giấy đầu vào cho hệ điều khiển đa biến dạng chuẩn Dg 0.000815 - 14s Ta có hàm truyền G11 = = e D P* 48s + Dg 0.0014 Hàm truyền nhiễu G D = = D g1 200 s + Ta tính hệ số feedforward tĩnh Kff=Gd1/G11= 0.0014/0.000815=1.47 -10 -20 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 time(s) H 25 So sánh kết mô có tách kênh cấu trúc đa biến H.10 Nhận xét:Trên H.25 ta khảo sát thay đổi điểm đặt Td± 10%, độ ẩm giấy bị thay đổi (màu đỏ)so với hệ chưa có điều khiển tách kênh (màu đen nét đứt).Như hệ đa biến thựchoạt động tốt với điều khiển tách kênh b)Khảo sát hệ đa biến thực với tách kênh kết hợp bù nhiễu Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 Với điều khiển bù vượt trước trên, ta đưa chúng vào mô hình buồng sấy thực [3] [4] [5] H 26 Sơ đồ mô Matlab bù vượt trước [6] gama1(%) 30 20 10 [7] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 time(s) 25 Có FF Không FF 20 gama(%) 15 10 [8] -5 500 1000 1500 2000 2500 3000 time(s) [9] H 27 Đáp ứng hệ điềun khiển đa biến dạng thực có bù vượt trước Nhận xét: Khi ∆γ1 tăng 25%, trường hợp bù nhiễu, độ ẩm giấy tăng lên nhanh chóng, biên độ lớn.Khi sử dụng bù nhiễu, độ ẩm giấy tăng lên với biên độ nhỏ nhanh chóng đưa điểm làm việc Từ kết cho thấy việc thiết kế điều khiển tách kênh kết hợp với bù nhiễu độ ẩm giấy đầu vào đắn Kết luận Hệ điều khiển đa biến buồng sấy giấy hệ điều khiển đa biến tác động xên kênh.Bằng việc nghiên cứu động học riêng rẽ mạch vòng tác động xen kênh coi nhiễu.Sau nghiên cứu kết hợp tạo thành hệ điều khiển đa biến.Do có tác động xen kênh lớn ảnh hưởng tới chất lượng giấy độ ẩm đầu ra.Sử dụng cấu trúc điều khiển đa biến tách kênh kết hợp với bù nhiễu độ ẩm đầu vào cải thiện chất lượngcủa hệ.Kết nghiên cứu tham khảo để áp dụng vào thực tế chỉnh định hệ điều khiển buồng sấy giấy [10] [11] [12] [13] chí Tự động hóa ngày nay, chuyên san Điều khiển Tự động hóa số 11, tháng 12 năm 2014, pp 58-63 Trần Kim Quyên, Lê Khắc Trường, Phạm Văn Tuynh, “Động học trình cân gió Zerolevel buồng sấy giấy”,tạp chí Tự động hoá ngày nay, chuyên san Điều khiển Tự động hoá số 12, tháng 4/2015, pp36-41 Trần Kim Quyên, Đoàn Quang Vinh, Lê Khắc Trường, Động học điều khiển nhiệt độ điểm sương buồng sấy giấy, tạp chí Khoa học công nghệ Đại học Đà Nẵng, Số 7(92).2015 Trần Kim Quyên, Lê Khắc Trường,Bùi Quốc Khánh Động học điều khiển gió buồng sấy giấy,tạp chí Tự động hóa ngày nay, chuyên san Điều khiển Tự động hóa số 13, tháng năm 2015, Carl.W.Hall, Handbook Industrial Drying By Taylor & Francis Group, LLC (2006) Donald M Eppelheimer, Harold G Lorsch, Fundamentals Handbook of the HVAC&R industry.ASHRAE HANDBOOK COMMITTEE,1997 Fundamentals Volume Subcommittee FORBES MARSHALL – HOOD AND PV SYSTEM of Bai Bang Paper – Viet Nam, 2013 Fires B.J McCaffrey and J A.Rockett Static Pressure Measurements of Enclosure Fires JOURNAL OF RESEARCH of the National Bureau of Standards, Volume 82, No.2, September-October 1977, pp 107 – 117 Forsman, K, and J Birgersson: “Modelling and control of the process air in a paper machine hood.” Proceedings of the 53rdAppita annual conference, Rotura, New Zealand, (1999), 767 – 774.Physics,Correlations and Numerical Modeling Ola Slatteke, Modeling and Control of paper machine drying section, Lund University Press, Sweden, (2006) Qinghai Luo, Zehua Liu and Guangfa Tang, Influence analysis of neutral plane on ventilation in workshop, School of Urban Construction, Nanhua University, Hengyang, 2007, pp 1048 – 1053 M.T.Tham, “Multivariable Control: An introduction to decoupling control”, Published orginally as Chapter in Industrial Digital Control Systems, Eds.K.Warwick and D.Rees, IEE Control Engineering Series 37, Peter Peregrinus, 1988 Tài liệu tham khảo [1] [2] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quang Đăng, Nguyễn Huy Phương, Vũ Thụy Nguyên Điều khiển trình, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2014 Trần Kim Quyên, Bùi Quốc Khánh, Lê Khắc Trường, Động học trình sấy giấy đối lưu,tạp VCCA-2015 Đoàn Quang Vinhsinh năm1962.Ông nhận đại học ngành Kỹ thuật điện trường đại học Điện máy Plzen Tiệp Khắc, năm 1986, Ông nhận Tiến sĩ trường Đại học Tây Tiệp – CH Czech, năm 1996, công nhận Phó Giáo sư năm 2004 Đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học cấp Từ 1986 đến giảng viên Đại học Đà Nẵng, Hiện Phó Giám đốc Đại học Đà Nẵng Hướng Nghiên cứu chính: Điện tử công suất, truyền động điện, điều khiển trình, Trần Kim Quyên sinh năm 1978 nhận thạc sỹ tự động hóa Đại học Đà Nẵng năm 2009, nghiên cứu hệ điều khiển lò nung Clinker nhà máy xi măng Đang nghiên cứu sinh năm thứ Đại học Đà Nẵng chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển tự động hóa NCS Trần Kim Quyên tham gia giảng dạy Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa từ năm 1999 đến nay.Hiện anh Giảng Viên, Phó Hiệu trưởng trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa Hướng nghiên cứu Điều khiển tự động, Điều khiển trình,… Lê Khắc Trường, sinh năm 1992 Nhận kỹ sư Điều khiển tự động hóa trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2015, lĩnh vực công nghệ giấy Hiện Nghiên cứu viên viện điều khiển tự động hoá ĐHBK Hà Nội.Lĩnh vực quan tâm:Điều khiển tự động hoá ngành sản xuất giấy VCCA-2011