Thạc Sĩ Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong dây truyền xeo giấy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

2
LỜI NÓI ĐẦU
Điều khiển dự báo đã ra đời cách đây vài thập niên nhưng trong những
năm gần đây phát triển mạnh mẽ và có nhiều thành công trong công nghiệp.
Điều khiển dự báo là một trong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến được
nhiều người ưa chuộng nhất trong công nghiệp, có được điều này là do khả
năng triển khai các điều kiện ràng buộc vào thuật toán điều khiển một cách dễ
dàng mà ở các phương pháp điều khiển kinh điển khác không có được. Điều
khiển dự báo là chiến lược điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong điều
khiển quá trình vì công thức điều khiển dự bao gồm cả điều khiển tối ưu, điều
khiển các quá trình ngẫu nhiên, điều khiển các quá trình có thời gian trễ, điều
khiển khi biết trước quỹ đạo đặt. Một ưu điểm khác của điều khiển dự báo là có
thể điều khiển các quá trình có tín hiệu điều khiển bị chặn, có các điều kiện ràng
buộc, nói chung là các quá trình phi tuyến mà ta thường gặp trong công nghiệp,
đặc biệt là quá trình phi tuyến phức tạp. Việc nghiên cứu và ứng dụng điều
khiển dự báo trong ngành công nghiệp sản xuất Giấy là một giải pháp quan
trọng, có ý nghĩa thực tiễn, kỹ thuật và kinh tế.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công
cuộc CNH - HĐH đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói
riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp
đỡ của nhà trường, Khoa Sau Đại học và Nhà giáo ưu tú Phó Giáo Sư - Tiến sĩ
Lại Khắc Lãi, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu ứng
dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong dây chuyền Xeo
giấy” trong đó sử dụng bộ điều khiển dự báo Smith để nhận dạng đối tượng .
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của Thầy giáo PGS.TS Lại
Khắc Lãi và một số đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành luận văn của mình.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên Không tránh khỏi
một số thiếu sót nhất định. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các
thầy cô và các bạn đồng nghiệp để cho luận văn hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

3

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Kiều Xuân Mạnh
Sinh ngày: 06 tháng 12 năm 1980
Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn
toàn trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Tôi xin cam đoan mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều ghi rõ nguồn
gốc.


Tác giả luận văn



Kiều Xuân Mạnh







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

4


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo Khoa Sau đại học – trường
Đại học KTCN Thái Nguyên, cùng các Giáo sư, Phó giáo sư, Tiến sỹ đã quan
tâm tổ chức, chỉ đạo và trực tiếp giảng dạy khóa học cao học của chúng tôi.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS. TS Lại
Khắc Lãi, người đã tận tình chỉ bảo và góp ý về chuyên môn cho chúng tôi trong
suốt quá trình làm luận văn.
Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp – những
người đã luôn ủng hộ động viên tôi nghiên cứu và hoàn thiện luận văn.
Tuy nhiên, do bản thân mới bắt đầu trên con đường nghiên cứu, chắc
chắn bản luận văn còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các
thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!












Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

5


MỤC LỤC

Nội dung
Trang
Trang 1
Lời nói đầu 1
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
2
3
Mục lục 4
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6
Mở đầu 9
1. Tính cấp thiết của đề tài 9
2. Ý nghĩa thực tiễn của để tài 9
3. Phương pháp nghiên cứu 10
4. Nội dung nghiên cứu 10
Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và điều khiển dự
báo
1.1. Điều khiển quá trình
1.1.1. Khái niệm điều khiển quá trình
1.1.2. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình
1.1.3. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
11

11
11
16
20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

6
1.1.4. Các thành phần cơ bản của hệ thống
1.2. Điều khiển dự báo
1.2.1. Mô hình dự báo Smith cho quá trình có thời gian chết lớn
1.3. Kết luận chương 1
Chương 2 Tổng quan về Công nghệ xeo giấy
2.1. Giới thiệu về dây chuyền sản xuất giấy
2.1.1. Quá tình hình thành tờ giấy và hoàn thiện tờ giấy trên máy
2.1.2. Các bộ phận của máy xeo giấy
2.1.3. Thuyết minh dây chuyền xeo giấy
2.2 Kết luận chương 2
Chương 3 Xây dựng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô
xấy trong dây chuyền máy Xeo giấy
3.1. Cấu tạo lô sấy
3.1.1. Khái quát chung về sấy giấy
3.2. Hệ thống điều khiển nhiệt độ lô xấy
3.2.1. Sơ đồ công nghệ hệ thống điều khiển nhiệt độ lô sấy
3.2.2. Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ lô sấy
3.3. Xây dựng bộ điều khiển dự báo cho hệ thống
3.3.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ dự báo Smith.
3.3.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ dự báo Smith kết hợp
với điều khiển Feed – Forward và khâu bù sớm pha.
3.3.3. Kết quả thực nghiệm tại dây chuyền Xeo giấy Công ty Giấy
Bãi Bằng
3.4. Kết luận chương 3
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
24
26
28
29
30
30
30
37
52
56
57

57
57
59
59
60
63
63
67

69

71
72
74
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

7

Báo cáo về việc tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa luận văn thạc sĩ theo
nghị quyết của Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ .
75
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hê thống điều khiền quá trình
Hình 1.2 Quá trình và phân loại biến quá trình
Hình 1.3 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình
Hình 1.4 Thiết bị khuấy trộn
Hình 1.5 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
Hình 1.6 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình
Hình 1.7 Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ
Hình 1.8 Mô hình tổng quát bộ điều khiển dự báo
Hình 1.9 Mô hình dự báo Smith dựa trên cấu trúc bộ điều khiển
Hình 2.1 Tạo hình tờ giấy
Hình 2.2 Tấm hình thành
Hình 2.3 Cơ cấu thoát nước
Hình 2.4 Đồ thị miêu tả quá trình sấy
Hình 2.5 Biểu chưng nhiệt độ qua lô sấy
Hình 2.6 Hệ thống gia keo bề mặt
Hình 2.7 Ép quang
Hình 2.8 Cuộn giấy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

8
Hình 2.9 Góc phun bột
Hình 2.10 Bộ phận lưới hình thành
Hình 2.11 Lô đỡ lưới
Hình 2.12 Lô đỡ lưới có tấm chắn và không có tấm chắn
Hình 2.13 Foil thoát nước
Hình 2.14 Hòm chân không khô
Hình 2.15 Trục bụng
Hình 2.16 Chuyển giấy từ bộ phận lưới sang chăn ép kiểu kín
Hình 2.17 Sơ đồ khối dây chuyền xeo giấy
Hình 3.1 Cấu tạo lô sấy
Hình 3.2 Sơ đồ công nghệ điều khiển nhiệt độ lô sấy
Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ lô sấy
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống
Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển hệ thống dùng Bộ dự báo Smith
Hình 3.6 Cấu trúc mô phỏng hệ thống khi chưa có nhiễu tác động với Bộ
dự báo Smith
Hình 3.7

Kết quả mô phỏng hệ thống khi chưa có nhiễu với Bộ dự báo
Smith
Hình 3.8 Cấu trúc mô phỏng cả hệ thống khi có thành phần nhiễu
Hình 3.9

Kết quả mô phỏng hệ thống khi có thành phần nhiễu sử dụng bộ
dự báo Smith
Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống với Bộ dự báo Smith kết hợp truyền thẳng
Feed Forward
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

9
Hình 3.11 Cấu trúc hệ thống với Bộ dự báo Smith, Feed Forward và khâu
bù
Hình 3.12

Kết quả mô phỏng với Bộ dự báo Smith, Feed – Forward và
khâu bù
Hình 3.13 Mô hình thực dây chuyền Xeo giấy
Hình 3.14 Đặc tính khi tải ổn định
Hình 3.15 Đặc tính khi thay đổi tải



















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

10





MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Điều khiển dự báo đã ra đời cách đây vài thập niên nhưng trong những
năm gần đây phát triển mạnh mẽ và có nhiều thành công trong công nghiệp.
Điều khiển dự báo là một trong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến được
nhiều người ưa chuộng nhất trong công nghiệp, có được điều này là do khả
năng triển khai các điều kiện ràng buộc vào thuật toán điều khiển một cách dễ
dàng mà ở các phương pháp điều khiển kinh điển khác không có được. Điều
khiển dự báo là chiến lược điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong điều
khiển quá trình vì công thức điều khiển dự báo gồm cả điều khiển tối ưu, điều
khiển các quá trình ngẫu nhiên, điều khiển các quá trình có thời gian trễ, điều
khiển khi biết trước quỹ đạo đặt. Một ưu điểm khác là có thể điều khiển các quá
trình có tín hiệu điều khiển bị chặn, có các điều kiện ràng buộc, nói chung là các
quá trình phi tuyến mà ta thường gặp trong công nghiệp, đặc biệt là quá trình
phi tuyến phức tạp. Việc nghiên cứu và ứng dụng điều khiển dự báo trong
ngành công nghiệp sản xuất Giấy là một giải pháp quan trọng, có ý nghĩa thực
tiễn, kỹ thuật và kinh tế.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công
cuộc CNH - HĐH đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói
riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp
đỡ của nhà trường, Phòng Đào tạo và Nhà giáo ưu tú Phó Giáo Sư - Tiến sĩ Lại
Khắc Lãi, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu ứng
dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong dây chuyền Xeo
giấy”.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

11
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Đề tài có ý nghĩa quan trọng cả về khoa học và thực tiễn.
Cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay nước ta đã và đang
xây dựng nhiều nhà máy sản xuất Giấy có dây chuyền công nghệ hiện đại. Tuy
nhiên các bộ điều khiển nhiệt độ trong các lô sấy của dây chuyền Xeo giấy
(Khâu quan trọng nhất để làm ra tờ giấy) vẫn sử dụng các bộ điều khiển kinh
điển nên chưa kể hết được các yếu tố tác động từ bên ngoài.
Xuất phát từ thực tiễn đó, việc áp dụng bộ điều khiển dự báo để điều
khiển nhiệt độ lô sấy trong dây chuyền Xeo giấy sẽ tiết kiệm được nguyên liệu,
nhiên liệu, nâng cao chất lượng điều khiển từ đó góp phần nâng cao hiệu suất
sản phẩm.
Đề tài đưa ra một phương án điều khiển mới, nâng cao chất lượng điều
khiển, dễ dàng trong thiết kế và hiệu chỉnh hệ thống.
3. Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết để rút ra kết luận và đưa ra các thuật toán điều
khiển.
- Mô hình toán và mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu.
4. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình và điều khiển dự báo.
Chương 2: Tổng quan về công nghệ và thiết bị Xeo giấy.
Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lô sấy trong
dây chuyền Xeo giấy.