Điều khiển quá trình hóa học phi tuyến MISO sử dụng thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình MPC

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu việc sử dụng thuật toán điều khiển dự báo mô hình MPC (Model Predictive Control) điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục (CSTR - Continuous Stirred-Tank Reactor) với cấu hình 2 ngõ vào - 1 ngõ ra, đây là hệ phi tuyến MISO (Muilti Inputs Single Output).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển quá trình hóa học phi tuyến MISO sử dụng thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình MPC ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.1, 2019 31 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH HÓA HỌC PHI TUYẾN MISO SỬ DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THEO MÔ HÌNH MPC CONTROL THE MISO NONLINEAR CHEMICAL PROCESS USING MPC Nguyễn Quốc Định Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; nqdinh@dut.udn.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu việc sử dụng thuật toán điều khiển dự báo mô hình MPC (Model Predictive Control) điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục (CSTR - Continuous Stirred-Tank Reactor) với cấu hình 2 ngõ vào - 1 ngõ ra, đây là hệ phi tuyến MISO (Muilti Inputs Single Output). Trong đó, 2 đầu vào là nồng độ chất hóa chất CA0 đầu vào và nhiệt độ cung cấp cho jacket Tj, còn 1 đầu ra là nồng độ hóa chất sau phản ứng CA. Bài báo đề xuất thuật toán điều khiển dự báo mô hình MPC phù hợp với đối tượng CSTR 2 vào – 1 ra được nghiên cứu, sau đó tiến hành viết mfile thể hiện thuật toán. Kết quả mô phỏng trên Matlab – Simulink chứng minh được tính ưu việt của bộ điều khiển dự báo mô hình MPC trong trường hợp này. Abstract - This paper presents research results of using Model Predictive Control(MPC) algorithm to control the Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR) with 2 inputs and 1 output. This is a nonlinear Multi-Input-Single-Output (MISO) system in which, the two inputs are the input chemical concentration CA0 and the jacket temperature Tj; the only one output is the output chemical concentration CA0. This paper also proposes a Model Predictive Control(MPC) algorithm which is suitable with the studied CSTR; after that, we code in mfile for Matlab software. The simulation results of using MATLAB – SIMULINK software have proved the advantages of the adaptive neural-fuzzy system in this case study. Từ khóa - Điều khiển dự báo mô hình; thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục; hệ nhiều vào – một ra MISO. Key words - Model Predictive ControlMPC; continuous StirredTank Reactor CSTR; Multi-Input-Single-Output (MISO) system. 1. Đặt vấn đề Hiện nay, lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đã phát triển mạnh mẽ, các bộ điều khiển được xây dựng để điều khiển cho các đối tượng khác nhau, có thể đối tượng là tuyến tính, có thể là những quá trình phi tuyến,… Do đó, cần phải tìm kiếm các thuật toán điều khiển để đáp ứng nhu cầu thực tế này. Ngoài việc sử dụng các bộ điều khiển kinh điển như PID [4], các bộ điều khiển thông minh với sự trợ giúp của trí tuệ nhân tạo [5], thì việc sử dụng thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình MPC nhằm tạo ra một công cụ mạnh giải quyết các quá trình hóa học phi tuyến biến đổi chậm như quá trình phản ứng hóa học của lò phản ứng khuấy trộn liên tục, được xem là phương án khả thi trong trường hợp này [2], [3]. CA và nhiệt độ T. Vỏ lò được gọi là jacket chứa môi chất gia nhiệt (làm lạnh đối với phản ứng phát nhiệt hoặc làm nóng đối với phản ứng thu nhiệt). Do đó ta cần điều khiển nhiệt độ trong jacket bằng cách thay đổi lưu lượng nhiệt bơm vào Jacket, tức là thay đổi năng lượng nhiệt Q. Thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục trên là một hệ phi tuyến MISO với 2 ngõ vào và 1 ngõ ra. Trong đó, 2 đầu vào là nồng độ chất hóa chất CA0 và nhiệt độ cung cấp cho jacket Tj. Nhiệt độ truyền trong quá trình là nhiệt độ lò T (có nhiệt độ lò thì sẽ có nồng độ hóa chất sau phản ứng CA). 2. Mô hình đối tượng CSTR được nghiên cứu 3. Xây dựng mô hình đối tượng trên Matlab-Simulink * Phương trình cân bằng mol: dC A V = F0C A0 − F2C A − VC A e− E / RT (2.1) dt * Phương trình cân bằng năng lượng: V Cr dT = Cr FT 1 i −  Cr F2T + ( −H RVk1 C A ) + KT (T − T j 2 ) dt (2.2) * Phương trình cân bằng nhiệt jacket: V j  j Crj dT j dt =  j Crj Fj (T j1 − T j 2 ) − KT (T − T j 2 ) (2.3) Từ 3 phương trình cân bằng trên, ta xây dựng mô hình Matlab - Simulink cho đối tượng điều khiển CSTR được nghiên cứu như Bảng 1, Hình 2. Bảng 1. Các thông số của CSTR nghiên cứu [1] Stt Các đại lượng Giá trị Hình 1. Lò phản ứng khuấy trộn liên tục 1 Thể tích dung dịch phản ứng V Đại diện cho lò phản ứng khuấy trộn liên tục như Hình 1 bao gồm bình chứa dung dịch phản ứng có thể tích V, cánh khuấy dùng để khuấy trộn dung dịch phản ứng được truyền động bởi động cơ điện. Van điều khiển cung cấp lưu lượng dung dịch phản ứng F A cấp vào bình, CA0 là nồng độ dung dịch đầu vào với nhiệt độ T 0. Sau khi phản ứng sẽ cho sản phẩm ở đầu ra với lưu lượng ra F, nồng độ 2 Diện tích đáy thiết bị S 0,00635 m2 3 Nồng độ dung dịch của nguyên liệu (đầu vào) CA0 0,5 mol/l = 51 kg/m3 4 Nồng độ dung dịch của sản phẩm (đầu ra) CA 0,047 mol/l = 4,794 ...