4.3.1.1. Mạch vòng đơn s11
Từ kết quả tính toán ở trên ta xây dựng mô hình Simulink như sau:
Hình 4.17. Mô hình Simulink mạch vòng đơn s11
Kết quả mô phỏng khi không có tác động của nhiễu, giá trị đặt thành phần sản phẩm đỉnh thay đổi từ 96 lên 97 mol%:
Hình 4.18. Kết quả mô phỏng mạch vòng s11 khi thay đổi thành phần sản phẩm đỉnh
Ta có thể thấy với bộ điều khiển được thành lập bằng phương pháp IMC cho kết quả rất tốt: quá trình quá độ ở đây không có độ quá điều chỉnh.
Khi có tác động nhiễu lưu lượng nguyên liệu cấp thay đổi từ 2,45 lb/min lên 2,79 lb/min tức tăng thêm 0,34 lb/min (khoảng 14%):
+ Khi không có khâu bù nhiễu:
Hình 4.19. Kết quả mô phỏng mạch vòng s11 khi có tác động nhiễu nhưng chưa có khâu bù nhiễu
+ Khi có khâu bù nhiễu:
Hình 4.20. Kết quả mô phỏng mạch vòng s11 khi có tác động nhiễu và đã có khâu bù nhiễu
Từ kết quả trên, ta dễ dàng thấy khi kết hợp điều khiển phản hồi với điều khiển truyền thẳng với nhiệm vụ bù nhiễu thì ảnh hưởng của nhiễu lên quá trình đã giảm đi đáng kể. Khi chưa có bộ bù nhiễu: ảnh hưởng của nhiễu lên thành phần sản phẩm đỉnh là khá lớn khiến hệ kín phải mất thời gian quá độ để đưa biến đầu ra về giá trị xác lập là khá lớn (khoảng 40 phút) và với đỉnh dao động lớn. Còn ngay khi có bộ bù nhiễu thì ảnh hưởng của nhiễu lên biến quá trình đã giảm đi đáng kể, đỉnh dao động giảm nhiều chỉ còn khoảng 1/3 so với khi chưa có bù nhiễu và thời gian quá độ cũng giảm đi nhiều (chỉ còn khoảng 20 phút).
4.3.1.1. Mạch vòng đơn s22
Xây dựng mô hình như sau:
Hình 4.21. Mô hình Simulink mạch vòng đơn s22
Kết quả mô phỏng khi chưa có nhiễu tác động, thành phần sản phẩm đáy thay đổi từ 0,5 mol% lên 0,6 mol%:
Hình 4.22. Kết quả mô phỏng mạch vòng s22 khi thay đổi thành phần sản phẩm đáy
Kết quả mô phỏng cho thấy đặc tính quá độ của hệ khi có bộ điều khiển tính theo phương pháp IMC là rất tốt, đặc tính không có độ quá điều chỉnh, thời gian đáp ứng không hề chậm.
Khi có tác động nhiễu lưu lượng nguyên liệu cấp thay đổi từ 2,45 lb/min lên 2,79 lb/min tức tăng thêm 0,34 lb/min (khoảng 14%):
+ Khi chưa có bộ bù nhiễu:
Hình 4.23. Kết quả mô phỏng mạch vòng s22 khi có tác động nhiễu nhưng chưa có khâu bù nhiễu
+ Khi có bộ bù nhiễu:
Từ hai đồ thị trên, ta thấy việc kháng nhiễu bằng cách sử dụng điều khiển truyền thẳng là khá hiệu quả. Khi chưa có bộ bù nhiễu: ảnh hưởng của nhiễu lên thành phần sản phẩm đỉnh là khá lớn, hệ kín phải mất khoảng thời gian quá độ để đưa biến đầu ra về giá trị xác lập tương đối lớn (khoảng 100 phút) và với đỉnh dao động lớn, đặc biệt ta có thể thấy biến thành phần sản phẩm đáy này rất nhạy với nhiễu. Khi có bộ bù nhiễu thì ảnh hưởng của nhiễu lên biến quá trình đã giảm đi đáng kể, đỉnh dao động giảm nhiều chỉ còn khoảng 1/4 so với khi chưa có bù nhiễu và thời gian quá độ cũng đã giảm đi (chỉ còn khoảng 80 phút).
Thực sự ta thấy được rõ ưu điểm của điều khiển truyền thẳng là khả năng loại bỏ được nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu tới quá trình. Tuy nhiên do mô hình quá trình và mô hình nhiễu là không hoàn toàn chính xác nên việc tính toán hàm bù nhiễu cũng cũng không thể chính xác cùng với khi sử dụng các bước xấp xỉ tính toán dẫn đến ảnh hưởng của nhiễu lên hệ không thể khắc phục được hoàn toàn, vẫn còn có những ảnh hưởng nhỏ lên hệ.
4.3.2. Mô phỏng hệ đa biến
4.3.2.1. Xây dựng mô hình hệ đa biến
Hình 4.25. Mô hình Simulink hệ đa biến
- Khối hàm truyền đối tượng – Process:
Hình 4.26. Sơ đồ khối Process
- Khối tách kênh – Decoupler:
Hình 4.27. Sơ đồ khối Decoupler
- Khối hàm truyền nhiễu – Disturbance model:
Hình 4.28. Sơ đồ khối Disturbance model
4.3.2.2. Mô phỏng tác động giữa các kênh trong hệ thống đa biến
Chưa xét tác động của nhiễu, ta tiến hành cho thành phần sản phẩm đỉnh thay đổi từ 96 mol% lên 97 mol% để xem tác động xen kênh lên thành phần sản phẩm đáy:
Hình 4.30. Kết quả mô phỏng hệ đa biến khi thay đổi thành phần sản phẩm đỉnh
Như vậy, khi có tác động thay đổi của một biến đầu vào, trong trường hợp này là thay đổi giá trị đặt thành phần sản phẩm đỉnh thì ta có thể thấy tác động xen kênh là rất nhỏ, biến đầu ra thành phần sản phẩm đáy bị tác động rất nhỏ .
Ngược lại, khi thay đổi th ành phần sản phẩm đáy từ 0,5 lên 0,6 mol% ta có :
Ta cũng có thể thấy khi thay đổi giá trị điểm đặt của thành phần sản phẩm đáy thì tác động xen kênh lên biến đầu ra thành phẩn sản phẩm đỉnh cũng là rất nhỏ, khiến thành phần sản phẩm đỉnh thay đổi không đáng kể.
Tiếp tục ta tiến hành thay đổi điểm làm việc của tháp chưng cất hai cấu tử như sau: đưa hệ thống làm việc từ điểm làm việc ban đầu là (y1,y2) = (96mol%; 0,5mol%) tới điểm làm việc (y1,y2) = (97mol%; 0,4mol%):
Hình 4.32. Kết quả mô phỏng hệ đa biến khi thay đổi điểm làm việc và có tác động của nhiễu
Nhận xét:
Từ kết quả mô phỏng trên, ta có thể kết luận việc thiết kế điều khiển thành phần sản phẩm của tháp chưng cất hai cấu tử như trên là tương đối tốt, hệ điều khiển cho đặc tính quá độ gần như không có độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ không quá lớn, tác động qua lại giữa các kênh đã được loại bỏ; ảnh hưởng của nhiễu quá trình lên hệ cũng đã được giảm thiểu.
KẾT LUẬN
Sau thời gian thực hiện đề tài một cách nghiêm túc, tác giả đã hoàn thành luận văn cao học: “Nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng cất trong nhà máy lọc dầu” và đã đạt được những công việc sau:
+ Giới thiệu tổng quan về công nghệ lọc hóa dầu, cũng như đối tượng tháp chưng cất trong nhà máy lọc dầu.
+ Tìm hiểu các sách lược điều khiển, các phương pháp chỉnh định bộ điều khiển, phương pháp điều khiển tách kênh trong điều khiển hệ đa biến.
+ Tính toán, thiết kế điều khiển thành phần sản phẩm đối tượng tháp chưng cất hai cấu tử trên cơ sở phương pháp điều khiển tách kênh, phương pháp điều khiển theo mô hình nội, bù nhiễu bằng điều khiển truyền thẳng. Từ đó so sánh đánh giá kết quả, chất lượng điều khiển.
Tháp chưng cất là một đối tượng điều khiển phức tạp gồm rất nhiều biến đầu vào, đầu ra cùng với nhiều chế độ hoạt động khác nhau. Bởi vậy, việc điều khiển tháp chưng cất là một công việc có khối lượng lớn và phức tạp. Trong luận văn tác giả mới chỉ dừng lại ở một tháp chưng cất điển hình là tháp chưng cất hai cấu tử, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ là nghiên cứu với đối tượng tháp chưng cất nhiều cấu tử hơn, về phần điều khiển sẽ phát triển hơn về hướng điều khiển tách kênh phản hồi trạng thái,…
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. GS.TSKH. Nguyễn Bin (2004), Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội.
2. Lê Văn Hiếu (2009), Công nghệ chế biến dầu mỏ, Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội.
3. Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội.
4. Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội.
5. Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở điều khiển quá trình, Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội.
6. Douglas J. Copper (2004), Control Station LLC, Practical Process Control using Control Station 3.7.
7. Page S. Buckey, William L. Luyben, Joseph P. Shunta (1985), Design Distillation Column Control Systems, Publishers Creative Services Inc., New York.
8. Sigurd Skogestad (1997), “Dynamics and Control of Distillation Columns - A tutorial introduction”, Trans. IchemE, Vol. 75, Part A, Sept. 1997
9. John M. Wassick, R. Lai Tummala (1987), “Multivariable Internal Model Control for a Full-Scale Industrial Distillation Column”, American Control Conference, Minnesota.
10.R.K. Wood, M.W. Berry (1973), “Terminal Composition Control of a Binary Distillation Column”, Chemical Engineering Science, 28: 1707-1717.
11.M. T. Tham (1999), “Multivariable control: An introduction to decoupling control”, chapter 8, Industrial Digital Control Systems, IEEE Control Engineering Series 37.