Nghiên cứu điều khiển quá trình nhằm khống chế nồng độ khí thải (CO) trong môi trường

Luận văn Cao học 2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn
thống thần kinh trung ương bị tê liệt, hôn mê và dẫn đến tử vong với nồng độ CO ở
700ppm hoặc lớn hơn trong vòng 1 giờ.
Một số tổ chức an toàn và sức khoẻ thế giới đặt ra những giới hạn cho phép
nồng độ khí CO ở nơi làm việc, nhà xưởng, khu công nghiệp như sau:
- Tổ chức an toàn vệ sinh Hoa Kỳ (OSHA) đưa ra giới hạn chấp nhận được
với nồng độ khí CO là 65ppm trong 8 giờ làm việc.
- Viện an toàn sức khoẻ quốc gia Mỹ (NIOSHA) đề nghị giới hạn đối với
nồng độ khí CO là 35ppm trong 8 giờ làm việc.
Do khí CO là khí không mùi, không màu, không kích thích nên sự hiện diện
của khí CO trong không khí rất khó phát hiện và khi nạn nhân bị nhiễm độc khí CO
việc chuẩn đoán bệnh cũng rất khó khăn dẫn đến tình trạng tử vong nhanh chóng,
chính vì vậy CO được mệnh danh là “thủ phạm giết người lặng lẽ”
Việt nam, là một đất nước đang phát triển mạnh về công nghiệp nhưng việc
xử lý các chất thải không khí trong sản xuất còn chưa được quan tâm đúng mức. Vì
vậy đối với các nhà máy có lượng khí thải lớn như các nhà máy nhiệt điện đốt than,
các phân xưởng có quá trình nung phôi…là điều rất đáng lo ngại. Ở nước ta số
lượng các nhà máy nhiệt điện, các phân xưởng có quá trình nung, nấu phôi và các
phân xưởng , nhà máy có nồng độ khí thải độc hại lớn có số lượng tương đối nhiều.
Tuy nhiên hầu hết các đơn vị này mới chỉ dừng ở việc đo và cảnh báo nồng độ khí
thải chứ chưa có biện pháp giải quyết, xử lý và khống chế đồng thời để bảo đảm an
toàn cho người lao động
Hiện nay ở một số cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ có áp dụng các phương
pháp xử lý khí độc đơn giản như: tháp rửa khí, tháp hấp thụ bằng vật liệu rỗng tưới
nước hoặc dung dịch sữa vôi, nhưng nhìn chung các thiết bị và hệ thống xử lý khí ở
các khu công nghiệp này còn ở mức thấp do trình độ thiết kế, chế tạo, trình độ vận
hành của công nhân và ý thức tự giác của doanh nghiệp. Theo kết quả điều tra tại
các khu công nghiệp ở các tỉnh phía Nam có khoảng 5% các cơ sở sản xuất công
nghiệp có lò đốt nhiên liệu được lắp đặt hệ thống xử lý khí độc hại. Chỉ có một số
rất ít các cơ sở sản xuất mới xây dựng hiện đại có các hệ thống xử lý kèm theo dây

Luận văn Cao học 3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn
chuyền công nghệ, số còn lại hiện nay mới chỉ xây dựng phương án hoặc áp dụng
các biện pháp truyền thống như sử dụng các hệ thống thông gió trong nhà xưởng
hoặc trồng nhiều cây xanh nên không thể hoàn toàn chủ động trong việc khống chế
nồng độ của khí độc này.
Như vậy có thể thấy việc sử dụng các thiết bị đo, giám sát nồngđộ khí CO
trong nhà, công xưởng, môi trường, nơi làm việc và khống chế nó đã trở thành vấn
đề bức thiết mà bản luận văn này đề cập tới.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
- Nghiên cứu điều khiển quá trình
- Khảo sát tìm hiểu một số thiết bị đo nồng độ khí CO trong môi trường
- Thiết kế hệ thống tự động khống chế nồng độ khí CO trong môi trường
- Qúa trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập
và giảmg dạy trong trường.
Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển quá trình, tìm hiểu các phương pháp đo
nồng độ khí CO, thiết kế hệ thống tự động khống chế nồng độ khí CO, mô hình hoá
và tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Matlab – Simulink. Hiệu chỉnh, nâng cao
chất lượng hệ thống bằng mờ lai.












Luận văn Cao học 4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1khái niệm
1.1.1.Khái niệm điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là sự thao tác những điều kện của quá trình để làm xảy
ra những thay đổi mong muốn trong những đặc tính đầu ra của quá trình.
Điều khiển quá trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển,
vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm,
hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.
1.1.2.Cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển qúa trình
PCS (Process control system).


















THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN
●
●
Tham số
Trạng thái
Thiết
bị
chấp
hành
Quá trình công nghệ
Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Con người
Thiết
bị đo

Luận văn Cao học 5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn

Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo
lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình
công nghệ.
Trong thực tế thì điều khiển qúa trình thường được xem như điều khiển các
thông số như: nhiệt độ (t
o
), áp suất (p), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ (pH), định
lượng và thậm trí cả điều khiển phản ứng…việc điều khiển các đại lượng này
thường gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có những đặc tính:
Những đặc tính của điều khiển quá trình:
Thường được thể hiện dưới bốn đặc tính sau:
- Thời gian chết của quá trình ( Process dead time)
- Trễ quá trình (Process lag)
- Hệ số khuếch đại của quá trình (Process gain)
- Nhiễu quá trình (Process disturbances)
- Thời gian chết của quá trình: Đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi trong
tín hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển quá trình và đáp ứng của tín hiệu. Hiện
tượng này là luôn luôn không phân biệt dạng của tín hiệu được dùng. Ngoài ra nó
còn được biết đến như: Trễ thuần tuý, trễ vận tải, hoặc trễ khoảng cách - vận tốc.
- Trễ quá trình: Vì quá trình vốn không có khẳ năng nhận hoặc thải năng
lượng một cách liên tục. Qua đó ta có trễ bậc một hoặc bậc cao.
- Hệ số khuếch đại của quá trình: Hệ số khuếch đại của quá trình được xác
định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi của đầu vào.
- Nhiễu quá trình: Là những thay đổi không mong muốn xẩy ra trong quá
trình, nó có xu hướng ảnh hưởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển.
Khi nghiên cứu điều khiển qúa trình thì việc tổng hợp mạch vòng điều khiển
thường gặp khó khăn vì:
- Hệ có thông số giải
- Trong qúa trình hoạt động không những cấu trúc của hệ thay đổi (dẫn đến
hàm truyền của hệ thay đổi) mà còn cả thông số của hệ cũng thay đổi.

Luận văn Cao học 6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn
-Tính phi tuyến cũng như tính tương tác rất lớn.
1.2.Một số nghiên cứu và ứng dụng của các hệ thống điều khiển quá trình
1.2.1.Bộ điều tốc tua bin thuỷ lực
Trong tự nhiên có nhiều nguồn năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh
hoạt, chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các nguồn năng lượng đó phải kể đến thuỷ điện.
Điều khiển nhà máy thuỷ điện nhằm đạt được công suất tối ưu là vấn đề hết sức
quan trọng.
Tua bin thuỷ lực là một bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thuỷ điện,
bằng việc thay đổi tốc độ nó quyết định thay đổi công suất phát của tổ máy.
Mỗi tua bin được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả
năng điều khiển tốc độ, công suất phát, lưu lượng nước vào tua bin cho phép tổ máy
vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với nhau và với hệ thống
điện. Bộ điều tốc có nguyên lý điều chỉnh là thuật toán PID có nhánh hồi tiếp.
- Điều khiển vị trí sử dụng thuật toán điều chỉnh PID, tín hiệu vào là vị trí
thực của cánh hướng và vòng trượt của các servomotor. Khi vận hành ở chế độ quá
tải, sự giới hạn tốc độ của các cánh hướng và bánh xe công tác được đặt lên hàng
đầu nhằm tránh tua bin lệch khỏi vị trí tối ưu. Điểm đặt vị trí của bánh xe công tác
được tính toán dựa theo điểm đặt vị trí cánh hướng và giá trị cột nước.
- Điều khiển giới hạn độ mở: Độ mở giới hạn có thể điều chỉnh trong khoảng
-5÷105%.
- Điều khiển vận tốc: Sử dụng thuật toán điều chỉnh PID có phản hồi, giá trị
đặt của bộ điều chỉnh vận tốc có thể được điều chỉnh trong khoảng 90÷110%. Dải
tần số chết có tác dụng trong suốt thời gian vận hành song song và có thể điều chỉnh
được. Bộ điều chỉnh PID sẽ xác định điểm đặt cho servomotor điều khiển cánh
hướng bằng cách tính toán sự sai lệch giữa giá trị đặt và tốc độ thực tế. Hàm truyền
của bộ điều khiển khi bỏ qua hiện tượng trễ.

Luận văn Cao học 7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn
Vi sai:
1
(1 )
()
1
1 (1 )
d
i
d
i
Kp T s
Ts
Gs
Kp T s bp
Ts


  
(1.1)

Trong đó K
p
: là hệ số tỷ lệ
T
i
: Thời gian tích phân
bp: Độ dốc của đặc tính tốc độ
Khi bp  = 0
1
( ) (1 )
d
i
G s Kp T s
Ts
  
(1.2)
- Điều khiển độ mở cánh hướng: Giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng từ
-5÷105%, chế độ vận hành của bộ điều khiển này chỉ có thể được lựa chọn khi tổ
máy vận hành ở chế độ song song, trong các chế độ khác điểm đặt của độ mở sẽ là
độ mở thực sự của cánh hướng.
- Điều khiển lưu lượng: Giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -
5÷105%. Lưu lượng thực tế được tính toán từ cột nước, vận tốc tuabin, vị trí của
cánh hướng và bánh xe công tác. Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI, xác định giá
trị đặt cho vị trí của sensor cánh hướng bằng cách tính toán sự khác nhau giữa giá
trị đặt và lưu lượng thực tế. Hàm truyền của bộ điều khiển có dạng:

1
( ) (1 )
i
G s Kp
Ts

(1.3)

- Điều khiển mực nước: Giá trị điểm đặt đã được xác định trước, nó chỉ có thể xác
định lại thông qua các thiết bị đầu cuối, bảng vận hành hay giao diện thông tin. Bộ
điều khiển sử dụng thuật toán PI.
Sơ đồ khối hệ thống điều tốc tuabin:


Luận văn Cao học 8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn





























Speed
reference
Speed
governor
Control
value +
servomotor
Opening
Delay
funtion
Speed
droop
Load
reference
Freqency
load
droop
Load
opening
chracteristics
Load
governor
Wicket
gate
positio
Opening
min
Hydrolic
systems
TUABIN
Generator
Hình 1.2:Sơ đồ khối hệ thống điều tốc tuabin

Luận văn Cao học 9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn
1.2.2. Ứng dụng hệ thống điều khiển Feedforward trong pha chế nƣớc ngọt











Hình 1.3: Hệ thống điều khiển feedforward dùng trong pha chế nước ngọt

Trong hệ này thì chuẩn vào cho trước hoặc được thay đổi, tuỳ theo các điều
kiện được theo dõi khi quá trình được điều khiển. Tín hiệu từ cảm biến theo dõi các
điều kiện không mong muốn có thể được dùng làm chuẩn vào và tín hiệu
Feedforward của cảm biến có thể được dùng như đầu vào của bộ khuếch đại sai số,
mà đầu ra lại là một chuẩn vào cho một mạch điều khiển khác. Thiết bị điều khiển
Feedforward thu nhận tín hiệu về tỷ lệ mầu pha trộn thành phẩm như là chuẩn vào.
Sau khi tín hiệu về cảm biến về độ tập chung mầu trên đường dẫn vào thùng trộn,
đầu Ra của nó sẽ là chuẩn vào của thiết bị điều khiển thứ hai. Thiết bị điều khiển
thứ hai là một mạch điều khiển phản hồi tiêu chuẩn, sẽ điều khiển lưu lượng hương
vị và soda đến thùng trộn. Hệ thống điều khiển Feedfơrward là điều khiển tiền định,
bởi vì nó hiệu chỉnh các điều kiện ngoài miền dung sai trước khi chúng có thể xuất
hiện.
1.2.3. Điều khiển tháp trƣng trong nhà máy lọc dầu.
Thiết bị trưng cất là thiết bị quan trọng đầu tiên của nhà máy lọc dầu, tách
dầu thô thành các sản phẩm. Phần chính của thiết bị trưng cất là tháp trưng. Điều
Động cơ
+

-
Chuẩn vào
Cảm biến lưu
lượng
Van
Soda
Cảm biến màu
Màu vào
+
-

Động cơ
Chuẩn vào
Van
Cảm biến lưu
lượng
Hương vị


Luận văn Cao học 10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn
khiển tháp chưng là kết quả của một quá trình thiết kế phức tạp. Chức năng của tháp
chưng là tách đầu vào thành pha hơi (vapor) đi lên đỉnh tháp và pha lỏng đi xuống
đáy tháp. Tháp tạo điều kiện để hai pha này trộn với nhau làm tăng hiệu suất của
quá trình chưng. Tháp chưng có một nguyên liệu (feed) hai sản phẩm (Product). Hai
sản phẩm này là sản phẩm đỉnh (chất chưng hay distillate) và sản phẩm đáy.
Mục tiêu của tháp chưng là sản suất sản phẩm đỉnh có cấu tạo hoá học tinh
khiết nhất, thêm vào đó là hiệu suất cao nhất (tiêu hao nhiệt ở mức tối thiểu).
Ta phân biệt có ba loại thông số:
- Thông số phải điều khiển (controlled variables). Các thông số này phải
được giữ ở giá trị cố định gồm: Cấu tạo hoá học (composition) của sản phẩm, nhiệt
độ trong tháp, áp suất trong tháp, mức chất lỏng trong tháp và trong accumulator
của hệ thống reflux.
-Thông số ta thay đổi (manipulated varriables), để giữ được các thông số trên
ở mức cố định. Chúng gồm: lưu lượng sản phẩm, lưu lượng reflux và lưu lượng
dung môi gia nhiệt hay làm mát.
Thông số gây thay đổi (load variables) cho quá trình. Các thông số này gồm
lưu lượng, nhiệt lượng, cấu tạo hoá học của nguyên liệu, và các điều kiện môi
trường như nhiệt độ, áp suất không khí…
Để điều khiển một tháp chưng, người ta phải chọn và phân loại các thông số
trên, và xác định giá trị của mỗi thông số. Khi các thông số đã biết, ta chọn phương
pháp điều khiển và đo lường.
1.3.Các phƣơng trình động học của quá trình
Khi xây dựng hệ thống điều khiển, nhiệm vụ cơ bản được đặt ra là phải
nghiên cứu được tính chất của quá trình (đối tượng điều khiển). Các thông tin về
quá trình thu thập được càng đầy đủ thì việc tổng hợp hệ thống điều khiển tự động
càng đơn giản và quá trình điều chỉnh càng dễ đạt được độ chính xác cao. Việc
nghiên cứu qúa trình phải suất phát từ việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý xẩy ra
trong quá trình. Các hiện tượng này luôn liên quan đến dòng vật chất hay năng
lượng chảy vào E
1
và chảy ra E
o
từ quá trình tạo nên môi trường hoạt động của quá

Luận văn Cao học 11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn
trình. Khi E
1
=E
o
các hiện tượng trong quá trình tồn tại ở trạng thái dừng, quá trình ở
trạng thái cân bằng. Khi E
1
≠ E
o
sẽ tồn tại sự vận động trong môi trường hoạt động
của quá trình. Giá trị E = E
1
- E
o
được gọi là tác động nhiễu lên quá trình. Nó là đại
lượng đặc trưng cho tác động vào của quá trình. Năng lượng hoặc vật chất sẽ được
tích luỹ hay chuyển hóa trong lòng quá trình, các hiện tượng này được phản ánh
thông qua một số các thông số thông số kỹ thuật của quá trình và được gọi là tín
hiệu ra của quá trình. Thông số kỹ thuật đặc trưng nhất trong các hiện tượng xảy ra
trong quá trình được chọn làm đại lượng cần điều chỉnh y. Tác động ảnh hưởng lớn
nhất lên đại lượng cần điều chỉnh được sử dụng làm tác động điều chỉnh u.









Hai tính chất cơ bản của quá trình là khả năng tích luỹ hay còn gọi là tính
dung lượng và tính tự cân bằng. Nghiên cứu bản chất vật lý của quá trình chính là
nghiên cứu các tính chất của nó.
1.3.1.Tính dung lƣợng.
Các quá trình điều khiển luôn luôn là khả năng tích luỹ môi trường hoạt
động, dự trữ nó trong lòng. Khả năng đó được gọi là khả năng tích luỹ của quá trình
hay còn gọi là dung lượng của quá trình. Quá trình có dung lượng càng nhỏ thì tốc
độ thay đổi của đại lượng cần điều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân bằng giữa
dòng ra và dòng vào dẫn đến quá trình điều chỉnh càng phức tạp. Ngược lại dung
lượng cần điều chỉnh càng lớn thì tốc độ thay đổi của đại lượng cần điều chỉnh càng
nhỏ, quá trình điều chỉnh càng đơn giản.

G
C
(s)

G
P
(s)

-

y
sp
(s)

e(s)

u(s)

y(s)

Controller

Process
Hình 1.4. Sơ đồ kinh điển của cấu trúc điều khiển quá trình

Xem chi tiết: Nghiên cứu điều khiển quá trình nhằm khống chế nồng độ khí thải (CO) trong môi trường