Điều khiển dự báo dựa trên ma trận động ứng dụng điều khiển bình phản ứng hóa học có bao làm lạnh (Chemical reactor)

Bình phản ứng hóa học có bao làm lạnh được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau như công nghệ thực phẩm, công nghệ hóa học, công nghệ xử lý nước thải... Bài báo này sẽ đề cập đến phương pháp điều khiển dự báo dựa trên ma trận động nhiều biến để ứng dụng điều khiển bình phản ứng hóa học có bao làm lạnh.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển dự báo dựa trên ma trận động ứng dụng điều khiển bình phản ứng hóa học có bao làm lạnh (Chemical reactor)Nguyễn Thị Mai Hương và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ112(12)/2: 49 - 53ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO DỰA TRÊN MA TRẬN ĐỘNG ỨNG DỤNGĐIỀU KHIỂN BÌNH PHẢN ỨNG HÓA HỌC CÓ BAO LÀM LẠNH(CHEMICAL REACTOR)Nguyễn Thị Mai Hương1*, Mai Trung Thái1Lê Thị Huyền Linh1, Lại Khắc Lãi21Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên2Đại học Thái NguyênTÓM TẮTBình phản ứng hóa học có bao làm lạnh được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệpkhác nhau như công nghệ thực phẩm, công nghệ hóa học, công nghệ xử lý nước thải... Bài báo nàysẽ đề cập đến phương pháp điều khiển dự báo dựa trên ma trận động nhiều biến để ứng dụng điềukhiển bình phản ứng hóa học có bao làm lạnh.Từ khoá: Điều khiển dự báo, bình phản ứng hóa học có bao làm lạnh, điều khiển ma trận động(DMC).GIỚI THIỆU CHUNG*Xuất phát từ lý thuyết MPC cổ điển, có rấtnhiều thuật toán MPC, một trong số các thuậttoán đó là Điều khiển ma trận động DMC(Dynamic Matrix Control). Cutler vàRamaker đã trình bày chi tiết về thuật toánđiều khiển đa biến không ràng buộc, chúng cótên là DMC (Dynamic Matrix Control) vàonhững năm 1979 tại hội nghị quốc tế AIChE,và vào năm 1980 tại hội nghị điều khiển, tựđộng hoá. Trong tạp chí chuyên ngành, năm1980 Prett và Gillette đã đưa ra một ứng dụngcông nghệ DMC vào FCCU của lò phảnứng/máy tái chế, mà ở trong đó thuật toán đãđược thay đổi để phù hợp với đặc tính phituyến và ràng buộc. Bên cạnh đó, cũng cónhiều bài báo thảo luận về công nghệ nhậndạng quá trình của họ. Những điểm chính củathuật toán điều khiển DMC bao gồm:- Mô hình đáp ứng xung tuyến tính cho quátrình.- Mục tiêu thực hiện quân phương thông qua•vùng dự đoán hữu hạn.- Hoạt động tương lai của đầu ra quá trình cóđược nhờ sự bám sát theo giá trị đặt trongphạm vi có thể.- Đầu vào tối ưu được tính toán giống nhưgiải quyết vấn đề bình phương tối thiểu. Mộtưu điểm khác của MPC là có thể điều khiển*các quá trình có tín hiệu điều khiển bị chặn,có các điều kiện ràng buộc, nói chung là cácquá trình phi tuyến mà ta thường gặp trongcông nghiệp, đặc biệt là quá trình phi tuyếnphức tạp. Tư tưởng chính của điều khiển dựbáo theo mô hình là [1].• Luật điều khiển phụ thuộc vào những hànhvi được dự đoán của đối tượng.• Sử dụng một mô hình toán học để dự đoánđầu ra của đối tượng tại các thời điểm giớihạn trong tương lai. Mô hình này được gọi làmô hình dự báo.• Chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai tronggiới hạn điều khiển được tính toán bằng việctối thiểu hóa một phiếm hàm mục tiêu.• Sử dụng sách lược lùi xa, nghĩa là tại mỗithời điểm chỉ tín hiệu điều khiển đầu tiêntrong chuỗi tín hiệu điều khiển tính toán đượcđược sử dụng, sau đó giới hạn dự báo lạiđược dịch đi một bước về phía tương lai.MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNGMiêu tả đối tượngBình phản ứng hóa học có bao làm lạnh(Chemical Reactor) được biết đến là một quátrình phi tuyến mạnh và được dùng làm đốitượng điều khiển đối với nhiều chiến lượcđiều khiển khác nhau, sơ đồ nguyên lý nhưhình 1.Tel: 0979 147 493; Email: maihuongnguyen79@gmail.com49Nguyễn Thị Mai Hương và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ112(12)/2: 49 - 53d (V l C a )= FlC a 0 − V l k C a − FlCdtd (V l C a )= V l k C a − FlC bdta(1)Phương trình cân bằng năng lượng như sau:d (Vl ρl C plTl )= Fl ρl C plTl 0 − Fl ρl C plTl − Q + Vl kCa Hdtd (Vc ρcC pcTc )dtHình 1. Bình phản ứng hóa học có bao làm lạnhTrong hình 1, giả sử sự phân li của sản phẩmA thành sản phẩm B và phản ứng tỏa nhiềunhiệt nên chúng ta phải điều khiển nhiệt độbên trong bình bằng cách điều chỉnh nướclạnh tại bao làm lạnh bao quanh vỏ bình phảnứng. Các biến cần điều khiển là:* A: Sản phẩm cấp đến bình* B: Sản phẩm bắt nguồn từ sự biến đổi củasản phẩm A bên trong bình* Ca0: Nồng độ của sản phẩm A* Tl0 : Nhiệt độ của chất lỏng cấp* Fl : Lưu lượng của chất lỏng ngang qua bìnhphản ứng (ở đầu vào chỉ có lưu lượng sảnphẩm A, ở đầu ra bao gồm cả A và B)* Tl : Nhiệt độ của chất lỏng ở đầu ra của bình* Cb :Nồng độ của sản phẩm B ở đầu ra củabình và bên trong bình*Ca: Nồng độ của A (bất đẳng thức Ca < Ca0luôn thỏa mãn và ở trạng thái cố định Ca + Cb= Ca0)* Tc0 : Nhiệt độ của nước làm lạnh* Tc : Nhiệt độ của nước làm lạnh ở bên trongvà ở bên ngoài của bao làm lạnh* Fc: Lưu lượng nước lạnhĐơn vị của nồng độ là kmol/m3, của lưulượng là m3/h và nhiệt độ là 0C.Giả sử không có chất lỏng tích trữ trong bìnhphản ứng trước đó, vì vậy nồng độ và nhiệt độlà đồng nhất cho nên năng lượng tổn hao rabên ngoài không đáng kể. Áp dụng định luậtbảo toàn chất và năng lượng theo [1].Ta có phương trình cân bằng chất như sau:50= Fc ρcC pc(Tc 0 − Tc ) + Q(2)Trong bảng 1 đưa ra ý nghĩa và giá trị danhnghĩa của các tham số xuất hiện trong cácphương trình (1), (2).Bộ điều khiển bình phản ứng hóa học có baolàm lạnh như hình 1 là bộ điều khiển 2 vào 2ra. Mục tiêu là điều chỉn ...