ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


PHẠM ĐÌNH PHÚ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING
CHO QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Người hướng dẫn khoa học:
TS. Phan Văn Hiền
TS.Trần Kim Quyên

Phản biện 1: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh

Phản biện 2: TS. Nguyễn Quốc Định

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại

phát huy hiệu quả trong sản xuất kinh doanh.
Trong những năm gần đây người ta dùng sấy đối lưu gió theo
công nghệ mới, có hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển môi
trường sấy đã tăng được hiệu quả sấy, tiết kiệm đến 40% lượng hơi
bão hòa và tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần. Nghiên cứu sấy gió hiện nay
đã được triển khai, nhưng các công trình nghiên cứu về điều khiển
chưa nhiều, việc chỉnh định hệ điều khiển bằng thực nghiệm nên khi


2
thay đổi thông số vận hành hoặc có nhiễu tác động, hệ hoạt động
không chính xác gây khó khăn cho vận hành và ảnh hưởng đến chất
lượng giấy.
Từ những lý do trên và trong khuôn khổ khóa Cao học,
chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tại trường Đại học
Bách khoa Đà Nẵng, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường,
khoa Điện và giảng viên Tiến sĩ Phan Văn Hiền cùng Tiến sĩ Trần
Kim Quyên, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là
“Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho quá trình
sấy giấy ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng động học và cấu trúc điều khiển độ ẩm cho quá
trình sấy giấy.
Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho quá trình sấy giấy
để nâng cao chất lượng sản phẩm.
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
* Đối tƣợng nghiên cứu: Điều khiển độ ẩm cho buồng sấy giấy
trong dây chuyền Xeo giấy
* Phạm vi nghiên cứu: Động học và ứng dụng bộ điều khiển
Mid-ranging cho buồng sấy giấy.

1.1. TÓM TẮT CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY
1.1.1. Công đoạn xử lý nguyên liệu
1.1.2. Công đoạn nấu bột
1.1.3. Công đoạn rửa, sàng
1.1.4. Công đoạn tẩy trắng bột
1.1.5. Xeo giấy
1.1.5.1. Hòm phun bột
1.1.5.2. Bộ phận lưới
1.1.6. Bộ phận ép
1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng


4
1.1.8. Bộ phận ép quang
1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn
1.1.10. Giấy thành phẩm
1.1.11. Các chỉ tiêu chất lƣợng của giấy thành phẩm
1.2. SẤY HƠI VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SẤY HƠI
1.2.1. Cấu tạo lô sấy
1.2.2. Nguyên lý điều khiển công suất sấy
1.3. SẤY ĐỐI LƢU VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÓ TRONG BUỒNG SẤY
1.3.1. Phƣơng pháp sấy đối lƣu truyền thống
1.3.2. Phƣơng pháp sấy đối lƣu kết hợp thổi gió nóng lên
mặt giấy
1.3.2.1. Vị trí đặt các vòi phun gió

Hình 1.5. Vị trí đặt các vòi phun gió
1.3.2.2. Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy đối lưu

Hình 1.6. Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy gió phương

dt

 Qg  w g (1  1 )Cmp (Tp1  Tp2 )+w bhCmpTp2  w bh H b

Trong đó: Qg (kW): Nhiệt cấp cho giấy khi sấy; H b (kJ/kg):
Lượng nhiệt cần thiết để nước bay hơi từ giấy vào không khí;

mg (1  1 ) (kg): Khối lượng giấy có độ ẩm lúc vào; mg (1  1 )
(kg): Khối lượng giấy có độ ẩm lúc ra; Tp1 , Tp2 (K): Nhiệt độ bề mặt
giấy lúc vào và ra buồng sấy; Cmp (kJ/kg K): Nhiệt dung riêng quy
đổi của giấy.
1.4. VẤN ĐỀ ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ QUÁ TRÌNH SẤY
TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY
1.4.1. Giới thiệu chung
1.4.2. Đo độ ẩm của giấy


6
1.4.3. Cấu hình khâu sấy
1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Trong Chương 1 tác giả đã đề cập đến vấn đề tổng quan về
công nghệ Xeo giấy, phân tích hai công nghệ sấy truyền thống và
công nghệ sấy hiện đại.
Tác giả nghiên cứu và phân tích sâu thêm tầm ảnh hưởng của
độ ẩm đến quá trình sấy khô tờ giấy và chất lượng của giấy. Từ các
phương trình cân bằng khối lượng và bảo toàn năng lượng tác giả đã
xây dựng được động học chung cho quá trình sấy giấy.
CHƢƠNG 2
ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY
2.1. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ẨM






 cp A1 Tm  Tp2  w g 1  1  Cmp Tp1  Tp2  qbh1 CmpTp2  qbh1 H b1

2.1.2.3. Phương trình động học cho giai đoạn (4)
mg   1 Cmp

dTp2
dt









 G A2 Tm  Tp2  w g 1  1  Cmp Tp1  Tp2  w bh2 CmpTp2  w bh2 H b2

(2.5)

2.1.3. Phân tích vòng điều khiển độ ẩm
2.2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH GIÓ VÀO – RA (ZERO LEVEL)
2.2.1. Động học quá trình cân bằng gió vào – ra
Trên Hình 2.3 mô tả mô hình buồng sấy



dt M dt
M 



 Wa 2 

v


P

(2.8)

Trong đó: p(kpa): là áp suất điểm khảo sát (Điểm đặt ZL);
V(m ): là thể tích lớp khảo sát; R(8.314J/mol.K): là hằng số khí lý
tưởng; T(K): là nhiệt độ của khí tại lớp gián đoạn khảo sát.
M(kg/mol): là khối lượng mol của không khí (0,029).
Thay phương trình (2.7) vào (2.8) ta thu được (2.9):
3

dp 1 
  Wa1  Wbh  aCv
dt  


Với:  

RT

Hđo
Hình 2.6. Cấu trúc điều khiển cân bằng gió vào – ra (Zero level)
2.3. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘ ĐIỂM SƢƠNG
2.3.1. Tính toán nhiệt độ điểm sƣơng
Theo [25],[28] Tính toán nhiệt độ điểm sương theo công thức
Magnus (2.10).
Tds 

b. (T , RH )
a   (T , RH )

(2.10)

a.T
 ln( RH )
b T
Trong đó: a =17,27; b = 237,70C; Tds(0C): Nhiệt
độ
điểm
0
sương; T( C): Nhiệt độ không khí trong buồng sấy. 0 < T
Công thức tính độ ẩm tương đối như sau:[5]
Pw 

Psw 

1.6078  Pkq  SH

(2.19)

1  0.678* SH

e

77,358  0,0056( T  273) 

T  273

8,2

% RH  100 

Pw
Psw

7235
T  273

(2.20)
(2.21)



* Nhận xét
Kết quả độ ẩm của đoạn giấy qua buồng đầu vào 20% đạt được
giá trị đầu ra là 5% theo yêu cầu, thể hiện tính toán cân bằng khối
lượng, cân bằng năng lượng cho và các thông số vật lý cho quá trình
sấy (như hệ số truyền nhiệt, tốc độ bay hơi, tốc độ thổi của gió nóng
vào mặt giấy…) là đúng đắn.
Đặc tính nhiệt độ tức thời và độ ẩm tức thời của đoạn giấy qua
buồng phản ánh đúng với các phương trình động học (mục 2.1.2).
2.4.2.2. Nhận dạng mô hình đối tượng điều khiển độ ẩm
a. Mô phỏng cho hệ hở

Hình 2.20. Đáp ứng của độ ẩm
với công suất nhiệt sấy từ hơi

Hình 2.21. Đáp ứng của độ ẩm
đối với gió vào


13
Từ đáp ứng Hình 2.20 nhận dạng bằng Toolbox của Matlab ta
nhận được hàm truyền của quá trình áp suất hơi – độ ẩm:
H p1 

 0, 0009667 10 s

e
P*
45s  1


làm tăng ∆P* kéo độ ẩm về điểm làm việc. Khi tăng lưu lượng gió
nóng W*a1 làm cho độ ẩm của giấy ra giảm, mạch vòng độ ẩm tác
động giảm ∆P* kéo độ ẩm về điểm làm việc. Điều này cho thấy hoạt
động ổn định của mạch vòng điều khiển và có giảm được nhiễu.
2.4.3. Mô phỏng động học và điều khiển cân bằng gió vào –
ra (Zero level)
2.4.3.1. Sơ đồ mô phỏng điều khiển cân bằng gió vào – ra
(Zero level)

Hình 2.25. Sơ đồ khối hệ điều khiển Zerolevel xây dựng trên Matlab
2.4.3.2. Kết quả mô phỏng

Hình 2.26. Đáp ứng hệ điều khiển cân bằng gió vào – ra (Zero-level)


15
2.4.3.3. Nhận xét kết quả mô phỏng
Hệ ổn định tại điểm Zero Level.
Khi nhiễu Wa2 tác động tăng dẫn đến áp suất tại ZL giảm, tức
áp suất âm (do điểm áp suất âm dâng lên, hệ điều khiển tác động
(tăng Wa1) áp suất tại điểm ZL về điểm ổn định bằng không. Khi
nhiễu Wa2 giảm áp suất tại điểm ZL, tức áp suất dương (do điểm áp
suất không bị kéo xuống), hệ điều khiển tác động giảm Wa1 điểm ZL
ổn định về không.
2.4.4. Mô phỏng động học và điều khiển nhiệt độ điểm
sƣơng
2.4.4.1. Sơ đồ mô phỏng điều khiển nhiệt độ điểm sương
(phụ lục 1)
2.4.4.2. Mô phỏng cho hệ thống
2.4.4.3. Kết quả mô phỏng

Từ việc phân tích cơ chế và quá trình sấy, ta đã xây dựng động
học quá trình sấy cho một lô sấy. Tác động sấy từ gió nóng rất hiệu
quả, làm độ ẩm giấy giảm nhanh, đã làm giảm được tiêu thụ công
suất hơi. Khi cho tác động của nhiễu đầu vào được mô hình điều
khiển quá trình sấy với hai lượng tác động và một đại lượng cần điều
khiển. Với mô hình điều khiển này có thể dùng để thiết kế điều khiển
cho hệ thống sấy.
CHƢƠNG 3
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING
CHO LÔ SẤY GIẤY
3.1. GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING
3.1.1. Khái niệm Mid-ranging
3.1.2. Một số cấu trúc Mid-ranging
3.1.2.1. Cấu trúc Mid-ranging đơn
3.1.2.2. Cấu trúc điều khiển vị trí van
3.1.2.3. Cấu trúc điều khiển Mid-ranging hỗn hợp (Hybrid
Mid-ranging)
3.1.2.4. Mid-range MPC
3.2. XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO LÔ SẤY
3.2.1. Mô phỏng mạch vòng điều khiển áp suất hơi – độ ẩm
cho quá trình sấy

Hình 3.6. Cấu trúc mạch vòng điều khiển áp suất hơi sử dụng bộ điều
khiển PID


18
* Kết quả mô phỏng
11



800

900

1000

1100

Hình 3.7. Đáp ứng của độ ẩm đầu ra
* Nhận xét
Khi tiến hành mô phỏng cho mạch vòng điều khiển áp suất hơi
– độ ẩm sử dụng bộ điều khiển PID thông thường, ta thấy thời gian
quá độ của độ ẩm thay đổi từ 10.5% đến 8% là 500s với độ quá điều
chỉnh khoảng 20%. Tại thời điểm 800s, ta tăng nhiễu độ ẩm đầu vào
làm tăng độ ẩm đầu ra thì hệ thống tác động áp suất hơi ∆P* kéo độ
ẩm về vị trí làm việc trong khoảng thời gian đáp ứng 300s. Tuy nhiên
khi có nhiễu tác động làm cho độ ẩm đầu ra hệ thống tăng sau đó mới
đưa về giá trị ổn định, những điều này là không tốt trong quá trình
làm việc.
3.2.2. Thiết kế mạch vòng điều khiển độ ẩm
Từ các đáp ứng mô hình mô phỏng hệ hở tại mục 2.4.2, ta
được các hàm truyền của các quá trình như sau:
Hàm truyền quá trình gió nóng – độ ẩm:
H p 2 ( s) 

0, 0005721 18 s
e
20s  1



U (s)  Ysp (s)  dˆ (s)  .H c* (s)  Ysp (s)   H p (s)  H p (s)  .U (s)  d (S ) .H c* (s)

(3.9)

Qua phép biến đổi ta thu được:
U (s) 

Ysp ( s)  d ( s)  .H c* ( s)
1   H p ( s)  H p ( s)  .H c* ( s)

Do có đầu ra quá trình Y(s) = Hp(s).U(s) + d(s), nên hàm
truyền của sơ đồ điều khiển IMC mạch vòng kín là:
Ysp ( s)  d ( s)  .H c* ( s).H p ( s)
Y (s)  
 d ( s)
1   H p ( s)  H p ( s)  .H c* ( s)

Biến đổi (3.11) ta được:
Y (s) 

H c* ( s).H p ( s).Ysp ( s )  1  H c* ( s).H p ( s)  .d ( s )
1   H p ( s)  H p ( s)  .H c* ( s)

Từ (3.12) ta có hàm truyền theo nhiễu:
H d ( s) 1  H c* ( s) H p ( s) 
Y ( s)

d ( s) 1  H c* ( s)  H p ( s)  H c* ( s) 



*
Ysp ( s) 1  H c ( s)[H p (s)-H p (s)]

Dạng kinh điển

H p (s) H c (s)
Y ( s)

Ysp ( s) 1  H p ( s) H c ( s )

Cân bằng hai phương trình:
H p (s) H c* (s)[1+ H p (s)Hc (s)]=H p (s) H c (s)[1+(H p (s)-H p (s)) H c* (s)]

Hàm truyền H(s) được tính:
H c ( s) 

H c* ( s)
1  H p ( s) H c* ( s)

(3.17)

Từ phương trình (3.17) đã xây dựng ở đây, ta thực hiện tương
tự với hai bộ điều khiển H1(s) và H2(s) của cấu trúc mạch vòng điều
khiển Mid-ranging.
H c1 ( s) 

H c*1 ( s)
H c*2 ( s)
và H c 2 (s) 


8
6
4
2
0
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

time(sec)


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

time(sec)

Hình 3.14. Đáp ứng đầu ra của độ ẩm khi tăng thêm nhiễu
Qua kết quả mô phỏng ta thấy, chất lượng của hệ thống khi sử
dụng bộ điều khiển Mid-ranging tốt hơn khi có nhiễu tác động so với
kết quả thu được khi sử dụng cấu trúc điều khiển độ ẩm sử dụng PID
thông thường, Hình 3.6. Cụ thể tại thời điểm 700s, khi tăng nhiễu độ
ẩm đầu vào làm độ ẩm của giấy tăng lên nhưng ngày lập tức hệ thống