Luận án Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG 
MAI THỊ ĐOAN THANH 
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 
PHI TUYẾN CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 
KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC 
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa 
Mã số: 62.52.02.16 
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT 
 Giáo viên hƣớng dẫn 
1. PGS. TS. Bùi Quốc Khánh 
2. PGS. TS. Đoàn Quang Vinh 
Đà Nẵng - 2018
LỜI CAM ĐOAN 
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng 
dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết 
quả nghiên cứu là trung thực và chƣa đƣợc công bố trên bất cứ một công trình nào 
khác. 
 Tác giả luận án 
 Mai Thị Đoan Thanh 
MỤC LỤC 
CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG 
CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 
DANH MỤC CÁC BẢNG 
DANH MỤC CÁC HÌNH 
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 
 1. Tính cấp thiết của luận án .................................................................... 1 
 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ......................................................... 1 
 3. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu ................................ 2 
 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................. 2 
 5. Bố cục của luận án ............................................................................... 2 
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ KHUẤY 
TRỘN LIÊN TỤC CSTR ................................................................................ 4 
1.1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ PHẢN ỨNG HÓA HỌC ............................... 4 
 1.1.1. Định nghĩa thiết bị phản ứng ......................................................... 4 
 1.1.2. Lý thuyết cơ bản về phản ứng hóa học .......................................... 4 
1.2. PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HÓA HỌC VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ........ 6 
 1.2.1. Phân loại phản ứng hóa học: .......................................................... 6 
 1.2.2. Phân loại thiết bị phản ứng: ........................................................... 7 
1.3. ĐỘNG HỌC CHUNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ THỂ TÍCH KHÔNG 
ĐỔI .................................................................................................................. 7 
 1.3.1. Phƣơng trình cân b ng khối lƣợng ................................................ 8 
 1.3.2. Phƣơng trình cân b ng thành phần của phản ứng .......................... 8 
 1.3.3. Phƣơng trình cân b ng năng lƣợng ................................................ 9 
1.4. ĐỘNG HỌC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC 
(CSTR – CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR) ............................. 10 
 1.4.1. Khái quát chung về thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục ........... 10 
 1.4.2. Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp................................ 11 
 1.4.3. Động học quá trình của một thiết bị phản ứng ............................ 12 
1.5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CSTR 13 
 1.5.1. Phân tích các biến ........................................................................ 13 
 1.5.2. Xác định bậc tự do của mô hình .................................................. 14 
 1.5.3. Đánh giá tính xen kênh và tính phi tuyến .................................... 15 
1.6. TÓM TẮT NHỮNG CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ GẦN ĐÂY VỀ ĐIỀU 
KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR ............ 16 
 1.6.1. Những công trình nghiên cứu về động học quá trình thiết bị phản 
ứng khuấy trộn liên tục CSTR ......................................................................... 16 
 1.6.2. Những công trình nghiên cứu về điều khiển phản hồi tuyến tính 
dùng bộ PID và các biến thể ............................................................................ 16 
 1.6.3. Những công trình nghiên cứu về điều khiển phi tuyến ............... 18 
 1.6.4. Những công trình nghiên cứu có phƣơng trình cân b ng năng 
lƣợng của nƣớc trong jacket ............................................................................. 20 
 1.6.5. Các công trình nghiên cứu dùng MPC để điều khiển thiết bị phản 
ứng CSTR ......................................................................................................... 20 
1.7. ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU CSTR .................................................... 21 
1.8. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1.......................................................................... 22 
CHƢƠNG 2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN 
ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN ANHYDRIDE 
ACETIC .......................................................................................................... 23 
2.1. PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC TRONG CÔNG 
NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC ............................................................... 23 
2.2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỦY 
PHÂN ANHYDRIDE ACETIC ...................................................................... 26 
 2.2.1. Lựa chọn kích thƣớc hình học ..................................................... 26 
 2.2.2. Tính toán thông số vận hành ........................................................ 27 
2.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KIỂM TRA THIẾT KẾ THIẾT 
BỊ PHẢN ỨNG ................................................................................................ 30 
 2.3.1. Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn khởi động 31 
 2.3.2. Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn phản ứng . 33 
2.4. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH DÙNG PHẢN HỒI ĐẦU 
RA VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỦY PHÂN 
ANHYDRIDE ACETIC ................................................................................... 34 
 2.5.1. Xét trƣờng hợp khi có nhiễu tác động ......................................... 36 
 2.5.2. Nhiễu lƣu lƣợng đầu ra 2 10%F ................................................. 36 
 2.5.3. Nhiễu đồng thời ........................................................................... 37 
2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2.......................................................................... 38 
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI 
CHO HỆ SONG TUYẾN BẤT ĐỊNH VÀ ÁP DỤNG VÀO ĐIỀU KHIỂN 
HỆ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN 
ANHYDRIDE ACETIC ................................................................................. 40 
3.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ............................................ 41 
 3.1.1. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của bộ điều khiển dự báo .......... 41 
 3.1.2. Các phƣơng pháp điều khiển dự báo cơ bản ................................ 46 
3.2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI CHO HỆ 
SONG TUYẾN KHÔNG DỪNG VÀ BẤT ĐỊNH ......................................... 55 
 3.2.1. Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho hệ song tuyến ......... 55 
 3.2.2. Ứng dụng vào điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục 
thủy phân anhydride acetic .............................................................................. 63 
3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3.......................................................................... 77 
CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM .................................................................... 78 
4.1. MỤC TIÊU CỦA THỰC NGHIỆM ......................................................... 78 
4.2. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ......................................................................... 78 
4.3. TRÌNH TỰ THỰC NGHIỆM ................................................................... 80 
4.4. LẬP TRÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN AC 800M .............................................. 81 
 4.4.1. Cấu hình phần cứng ..................................................................... 81 
 4.4.2. Thiết kế và xây dựng giao diện .................................................... 84 
4.5. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỦA HỆ ................................... 86 
 4.5.1. Thí nghiệm lấy đặc tính bơm B1, B2: ......................................... 86 
 4.5.2. Nhận dạng vòng hở hệ thống ....................................................... 88 
4.6. MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VÓI THÔNG SỐ MÔ HÌNH THÍ 
NGHIỆM .......................................................................................................... 93 
 4.6.1. Sự phụ thuộc của nồng độ chất phản ứng vào nhiệt độ lò phản 
ứng T ................................................................................................................ 93 
 4.6.2. Mô phỏng hệ điều khiển .............................................................. 94 
4.7. THÍ NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ............................................. 98 
 4.7.1. Chỉnh định thông số bộ điều khiển PID b ng thực nghiệm ........ 98 
Quá trình chỉnh định gồm các bƣớc sau: ......................................................... 98 
 4.7.2. Tiến hành thí nghiệm ................................................................... 99 
 4.7.3. Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển AC800M với mô hình thí nghiệm99 
 4.7.4 Lập sơ đồ điều khiển: .................................................................. 101 
 4.7.5. Kết quả thí nghiệm với điều khiển PID ..................................... 101 
4.8. THÍ NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN NMPC ...................................... 103 
4.8.1 Sơ đồ điều khiển trong AC800M ................................................ 105
 4.8.2. Kết quả thí nghiệm điều khiển NMPC ...................................... 103 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 108 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 11010 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 117 
CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG 
Ký hiệu Giải thích 
ja hệ số tỷ lƣợng chất j trong phản ứng 
j hóa thế thành phần thứ j trong phản ứng 
jp áp suất riêng phần thành phần j 
ija hệ số tỷ lƣợng chất i trong phản ứng j 
P công suất nhiệt đƣa ra khỏi thiết bị phản ứng 
ir tốc độ phản ứng chất i 
 bậc phản ứng 
iM khối lƣợng chất i 
iC nồng độ chất i 
'k h ng số tốc độ phản ứng 
0k hệ số trƣớc hàm mũ của mỗi phản ứng 
#E năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng 
R h ng số chất khí lý tƣởng 
T nhiệt độ phản ứng 
1iC nồng độ chất i ban đầu 
cT h ng số thời gian phản ứng 
1iF 
lƣu lƣợng dung dịch đƣa vào l phản ứng của chất tham gia phản 
ứng 
2iF lƣu lƣợng sản ph m đầu ra 
^
1ih ,
^
2ih 
hàm enthalpy riêng phần của thành phần i đầu vào và đầu ra 
^
iu 
hàm nội năng riêng của thành phần i 
V thể tích dung dịch phản ứng 
Q công suất nhiệt cấp cho bình phản ứng 
TK hệ số truyền nhiệt 
A diện tích truyền nhiệt 
1 2,j jT T nhiệt độ môi chất nóng trong jacket đầu vào và đầu ra 
 khối lƣợng riêng của chất phản ứng 
pC nhiệt dung riêng của chất phản ứng 
jV thể tích jacket 
pjC nhiệt dung riêng của môi chất gia nhiệt 
j khối lƣợng riêng của môi chất gia nhiệt 
jF lƣu lƣợng môi chất cấp cho jacket 
1 2,A AC C nồng độ đầu vào và ra của chất A phản ứng 
1T nhiệt độ đầu vào của chất phản ứng 
h mức dung dich trong bình phản ứng 
H nhiệt của phản ứng 
k
y tín hiệu ra 
kw tín hiệu đặt 
ke sai lệch giữa tín hiệu ra với tín hiệu đặt 
, kk
 
 các thành phần bất định 
/ /
,  
những giá trị ƣớc lƣợng của , kk
  ở thời điểm k 
1u 
tín hiệu điều khiển nồng độ sản ph m đầu ra 
2u 
tín hiệu điều khiển mức dung dịch 
CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 
AGPC Alternative Generalized Predictive Control 
CSTR Continuous Stirred Tank Reactor 
CV Control Valse 
DMC Dynamic Matrix Control 
GPC Generalized predictive control 
MIMO Multiple Input Multiple Output 
MAC Model Algorithmic Control 
NMPC Nonlinear-Model Predictive Control 
PCS Process Control System 
PFR Plug Flow Reactor 
PV Preset Value 
P&ID Process and Intrumentation Diagram 
PID Proportional Integral Derivative 
SP Setpoint 
SISO Single Input Single Output 
DANH MỤC CÁC BẢNG 
Bảng 2.1. Thông số ban đầu thiết bị phản ứng ......................................................... 26 
Bảng 2.2. Thông số thiết bị phản ứng CSTR ............................................................ 29 
DANH MỤC CÁC HÌNH 
Hình 1.1 Nguyên lý thiết bị phản ứng .................................................................... 8 
Hình 1.2 Nguyên lý thiết bị phản ứng CSTR ..................................................... 111 
Hình 1.3 Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp.......................................... 11 
Hình 1.4 Mô hình cấu trúc điều khiển của thiết bị phản ứng ............................... 14 
Hình 1.5 Đồ thị sự phụ thuộc của 2AC theo T và 
'k theo T ............................... 15 
Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển PID kết hợp với logic mờ . .................................... 17 
Hình 1.7 Cấu trúc điều khiển dùng bộ điều khiển ANN ..................................... 18 
Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển theo phƣơng pháp NNAGPC . .............................. 19 
Hình 2.1 Cấu trúc phân tử phản ứng thủy phân anhydride acetic ....................... 24 
Hình 2.2 Quy trình công nghệ sản xuất acid acetic b ng phƣơng pháp thủy phân 
acetic anhydide ........................................................................................................ 25 
Hình 2.3 Cấu trúc mô hình thiết bị phản ứng ....................................................... 27 
Hình 2.4 Giản đồ công nghệ (PD-Process Diagram) thiết bị phản ứng khuấy trộn 
. .................................................................................................... 31 
Hình 2.5 Đáp ứng nhiệt độ phản ứng T trong giai đoạn khởi động...................... 32 
Hình 2.6 Đáp ứng nồng độ sản ph m đầu ra 2AC trong giai đoạn khởi động ...... 32 
Hình 2.7 Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn phản ứng ........... 33 
Hình 2.8 Mô hình mô phỏng điều khiển phản hồi PID thiết bị phản ứng CSTR . 34 
Hình 2.9 Bộ tham số PID điều khiển nhiệt độ ...................................................... 35 
Hình 2.10 Bộ tham số PID điều khiển mức ............................................................ 35 
Hình 2.11 Sai lệch nồng độ đầu ra 2AC khi nhiễu 1 10%;AC 1 10%T ( 2AC đạt 4,192 
kg/m3, sai lệch 12,6%) ............................................................................................ 36 
Hình 2.12 Sai lệch nồng độ đầu ra và mức dung dịch h khi 2 10%F tác động .... 37 
Hình 2.13 Sai lệch nồng độ đầu ra và mức dung dịch khi 4 nhiễu tác động đồng thời38 
Hình 3.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển dự báo ...................................... 42 
Hình 3.2 Nguyên lý làm việc theo vòng quét của bộ điều khiển dự báo .............. 45 
Hình 3.3 Sai lệch nồng độ đầu ra 2AC khi thay đổi giá trị đặt 10% .................. 69 
Hình 3.4 Sai lệch nồng độ đầu ra 2AC khi thay đổi giá trị đặt 10% (phóng to) .. 69 
Hình 3.5 Tín hiệu điều khiển 1u điều khiển nồng độ 2AC bám lƣợng đặt 10% ... 69 
Hình 3.6 Tín hiệu điều khiển 1u điều khiển nồng độ 2AC bám lƣợng đặt 10% 
(phóng to) ............................................................................................................. 69 
Hình 3.7 Đáp ứng h (mức) khi thay ... ng với nhiệt 
độ mà thiết bị điều khiển đo đƣợc đƣa vào bộ điều khiển AC 800MXA. 
Tín hiệu điều khiển ON/OFF đƣợc lấy từ chân 7 và chân 8 điều khiển lốc 
điều h a. 
- Đo nhiệt độ nước nóng 2T : 
Can nhiệt típ J sẽ đo nhiệt độ nƣớc nóng đƣa tín hiệu về controller E5 BW 
của hãng OMRON. 
Hình 9-PL1. Can nhiệt típ J được nối với thiết bị điều khiển 
Can nhiệt đo nhiệt độ trong bình đƣa tín hiệu vào bộ điều khiển, bộ điều 
khiển sẽ ON khi nhiệt độ thấp hơn 70oC và OFF khi nhiệt độ lớn hơn hoặc b ng 
70
o
C. 
125 
- Thiết bị đo nhiệt độ dung dịch trong lò phản ứng và nhiệt độ nước gia nhiệt 
vào 
Đo nhiệt độ dung dịch trong l phản ứng T (40 oC): Ta sử dụng Transmitter 
CF-000-RTD-4-60-2 của hãng OMEGA. 
Hình 10-PL1. Hình ảnh Transmitter CF-000-RTD-4-60-2 
Thông số kỹ thuật: 
+ Phạm vi đo: 2 – 569 oC 
+ Dải đo: 567 oC 
+ Độ phân giải: 0.25 oC 
+ Độ chính xác: ±0.25% dải đo 
+ Tín hiệu ra: 4 – 20 mA, 12 – 36 VDC. 
+ Que đo dạng thẳng, có kèm bộ quick disconnect. 
+ Kích thƣớc que đo 4” (10 cm), chiều dài cáp 60 (1,5 m). 
Đầu dây (+) của Transmitter đấu với đầu nguồn 24VDC từ bộ điều khiển, 
đầu dây (-) của Transmitter nối với đầu vào 20 mA analog input của bộ điều khiển. 
Đầu GND là dây nối đất bảo vệ. 
- Thiết bị đo mức 
Đo mức dung dịch trong l phản ứng: Ta sử dụng Transmitter siêu âm LVU-
90 của hãng OMEGA. 
126 
Hình 11-PL1. Hình ảnh và kích thước của thiết bị đo mức 
Thông số kỹ thuật: 
+ Phạm vi đo: 3,6 inches – 72 inches (tƣơng đƣơng từ 9cm đến 183cm). 
+ Dải đo: 68,4 inches (174 cm). 
+ Độ phân giải 0,125 inches (3 mm). 
+ Độ chính xác: ± 0,25% dải đo 
+ Tín hiệu ra: 4 – 20 mA, 12 – 36 VDC. 
+ Nhiệt độ làm việc: -40 đến 60oC. 
Hình 12-PL1. Sơ đồ đấu dây của cảm biến với bộ điều khiển 
127 
- Thiết bị đo nồng độ: 
Sử dụng thiết bị đo nồng độ 870ITEC (Invensys Process Systems - IPS) theo 
nguyên lý đo độ dẫn điện d ng điện đầu ra 4 - 20mA 
Hình 13-PL1. Thiết bị đo nồng độ dung dịch theo nguyên lý đo độ dẫn điện 
b) Cơ cấu chấp hành 
- Bơm điều khiển B1 và B2 
+ Bơm B1: Cấp lƣu lƣợng 1F không đổi cho bình phản ứng, chỉ thay đổi lƣu 
lƣợng khi tạo nhiễu. 
+ Bơm B2: Bơm đầu ra dung dịch điều khiển lƣu lƣợng 2F theo mức 4-
20mA. 
 Bơm B1 và B2 sử dụng trong mô hình đƣợc sản xuất bởi hãng MasterFlex 
Console Driver có thông số: 
+ Model: No 77521 -50 
+Tốc độ: 1 – 100 RPM 
+ Tín hiệu điều khiển: 4 - 20 mA, 2 – 10 VDC 
+ Công suất: 0,1 HP 
+ Dải điện áp làm việc: 90 – 130 VAC. 
+ Lƣu lƣợng thấp nhất: 0,5 ml/ph = 8,33.10-9 m3/s (đƣờng ống 16mm ) 
128 
+ Lƣu lƣợng cao nhất: 50ml/ph = 8,33.10-7 m3/s (đƣờng ống 16mm ) 
+ Cấp bảo vệ IP: IP 23 
Hình 14-PL1. Hình ảnh mặt sau của bơm và bơm trong thực tế 
Trong đó: 
+ A: Cổng kết nối RS 232 để truyền, nhận dữ liệu 
+ B: Chọn chế độ điều khiển b ng tay hoặc tự động. 
+ C: Nguồn cấp. 
+ D: Cầu chì bảo vệ bơm quá d ng, ngắn mạch. 
- Bơm B3 bơm nước nóng vào jacket: 
Lƣu lƣợng cao nhất: 34 l/ph = 5,6.10-4 m3/s 
- Van điều khiển CV (Control Valve) 
 Mô hình sử dụng van điều khiển là van điện có chốt xoay hình trụ ECV-250-
4X của hãng OMEGA. 
129 
Hình 15-PL1. Van điều khiển ECV-250-4X của hãng OMEGA 
Thông số kỹ thuật của van: 
+ Kích thƣớc van: ¼ inches (6,35 mm) 
+ Kích thƣớc ống: ½ NPT 
+ Áp suất lớn nhất: 120 psi 
+ Lƣu lƣợng qua van lớn nhất (ở áp suất 50 psi): 0,4 gal/ph 
+ Nhiệt độ làm việc cho phép: -22oC đến 120oC. 
+ Tín hiệu điều khiển 4-20 mA hoặc 1-5 VDC (có thể chọn) 
+ Nguồn cấp yêu cầu: 12-24 VDC; 1,5A 
+ Công suất tiêu thụ lớn nhất: 23W 
+ Cơ cấu chấp hành: Động cơ bƣớc 200 bƣớc/v ng, tốc độ 45 v ng/phút. 
 3.3.1.1 Bảng B4-PL1. Chức năng của các van dây trong van điều khiển 
Màu dây Thứ tự dây Chức năng của dây 
Trắng 1 4-20mA hoặc 1-5V (+) 
Đen 2 4-20mA hoặc 1-5V (-) 
Đỏ 3 +12VDC hoặc +24VDC 
Đỏ trắng 4 COM 
130 
Xanh cây 5 OPEN FULL 
Xanh trắng 6 CLOSE FULL 
Xanh lam 7 SWITCH COMMON 
1.3. Bộ điều khiển AC800M 
1.3.1. Giới thiệu về bộ điều khiển 
 Bộ điều khiển AC 800M gồm các đơn vị phần cứng sau: 
- Khối xử lý CPU unit (với một số loại nhƣ PM 856, PM860, PM861...) 
- Khối giao diện truyền thông cho các giao thức khác nhau (CI851, CI852...). 
Trong luận án này không sử dụng khối truyền thông này. 
- Khối nguồn cấp các mức điện áp khác nhau (với các loại nhƣ SD821, 
SD823...), trong mô hình này ta sử dụng nguồn SD823. 
- Khối pin giúp lƣu trữ chƣơng trình trong bộ nhớ (SB821) 
- Khối module I/O kết nối bộ điều khiển với các tín hiệu vào ra 
 Một số đặc điểm khác của bộ điều khiển AC800M: 
- Có pin và CPU dự ph ng (khi pin và CPU chính gặp sự cố) 
- Khối I/O System có thể kết nối tối đa với 12 module. 
- Ngoài tín hiệu vào ra dạng điện, bộ điều khiển c n có thể sử dụng tín hiệu 
vào, ra dạng quang (Optical) nhƣng luận án không nghiên cứu vấn đề này. 
Hình 16-PL1. Cấu trúc bộ điều khiển AC800M 
Bộ điều khiển sử dụng trong thí nghiệm đầy đủ như Hình 17-PL1. 
131 
Hình 17-PL1. Hệ thống điều khiển AC 800M sử dụng trong thí nghiệm 
Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển được thống kê như bảng 3.2. 
 3.3.1.2 Bảng B5-PL1. Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển. 
Thông số kỹ thuật chung 
CPU MPC 856, 48MHz 
Bộ nhớ 2MB flash PROM, 8MB SDRAM 
Điện năng tiêu thụ 5W 
D ng điện tiêu thụ 180 mA ( tối đa 300mA) 
132 
Đầu nối nguồn vào 4 đâu nối có vít, bao gồm L+, L-, SA, SB 
Yêu cầu nguồn cấp 24VDC (dao động 19-30VDC) nối vào chân L+ và L- 
Kích thƣớc W 119 × H × D 135mm 
Trọng lƣợng 1100g 
Cổng truyền thông CN1 và CN2 
Tốc độ truyền 10Mb/s (half duplex) 
Đầu nối RJ45 
Electrical Module Bus 
Số lƣợng module I/O 12 module S800 I/O 
Nguồn cấp 24VDC,1A 
Pin 
Loại pin Low rate lithium 3,6 VDC – 950 mAh 
Thời lƣợng pin 48 giờ 
133 
Hình 18-PL1. Hình ảnh bộ điều khiển thực tế 
Thông số kỹ thuật của bộ nguồn điều khiển được thống kê như Bảng B6-PL1. 
 3.3.1.3 Bảng B6-PL1. Thông số kỹ thuật của bộ nguồn SD823 
D ng điện ra 10A 
Điện áp ra 24VDC 
 Công suất đầu ra 240W 
 Công suất đầu vào 265W 
Điện áp đầu vào 115/230VAC 
Hiệu suất 90% 
D ng ra cao nhất 20A 
Cầu chì bảo vệ Idm = 20A 
134 
Hình 19-PL1. Bộ nguồn SD823 
1.3.2. Thống kê tín hiệu vào ra từ quá tr nh và ựa chọn modu I/O 
a) Các tín hiệu vào ra từ quá trình 
 Từ các thiết bị đo và cơ cấu chấp hành đã tính toán và lựa chọn ở mục 1.3.1 
ta có đƣợc bảng thống kê các thiết bị cần nối với bộ điều khiển nhƣ sau. 
 3.3.1.4 Bảng B7-PL1. Bảng thống kê các tín hiệu vào ra từ quá tr nh. 
Tên thiết bị Tín hiệu Đầu vào/ra Số lƣợng 
Transmitter mức LT 4 - 20mA Analog input 1 
Transmitter nhiệt độ TT 4 - 20mA Analog input 3 
Bơm điều khiển (B1, B2) 4 - 20mA Analog output 2 
Van điều khiển (CV) 4 – 20mA Analog output 1 
 Từ bảng trên ta thấy I/O vào ra của bộ điều khiển cần có 4 tín hiệu AI 
(analog input), và 3 tín hiệu AO (analog output). 
b) Lựa chọn module I/O 
135 
- Analog input module AI810/TU810V1 
 3.3.1.5 Bảng B8-PL1. Thông số kỹ thuật của AI810 
Số kênh đầu vào 8 
Dải tín hiệu vào 4 – 20mA; 0 – 10VDC (±15%) 
Trở kháng đầu vào (tín hiệu d ng) 230 Ω - 275Ω 
Thời gian trích mẫu 5ms 
Hình 20-PL1. Hình ảnh module AI810 trong catalog và thực tế. 
- Analog module AO 810/TU810V1 
 3.3.1.6 Bảng B9-PL1. Thông số kỹ thuật của AO 810 
Số kênh tín hiệu 8 
 Dải tín hiệu ra 4 – 20mA(±15%) 
 Tải đầu ra cho phép 850Ω 
136 
 Độ phân giải 14 bít 
 Nhiệt độ làm việc 50 oC 
Hình 21-PL1. Hình ảnh module AO 810 trong catalog và trong thực tế 
137 
PHỤ LỤC 2 
2.1. Tính toán và đặt các giá trị tƣơng đối 
Từ các phƣơng trình động học ta đặt các đơn vị tƣơng đối: 
* *1 2
1 2; ;
m
m m
V F F
h f f
V F F
7 7
* *1 2
1 27 7
4,169.10 4,169.10
0,5; 0,5
8,338.10 8,338.10m m
F F
f f
F F
100%
0,2681(% / ) 0,002681(1/ )
373
tk K K
K
1 3
3
100%
1,96(%.Kg .m) 0,0196(m / )
51 /
ak Kg
Kg m
138 
Giá trị biến trạng thái tại điểm ổn định: 
 1 2 2. 0,093962A a Ax C k C 
2 .T 0,839153tx T k 
3 2 2.T 0,8606j t jx T k 
4 1x h 
Các biến nhiễu: 
1 1 1 1; ;T ;TA jf C 
Các giá trị đầu vào: 
*
1 1
*
1
*
2
. 0,2681.278 74,5318(%)
0,2681.343 91,9583(%)
0,2681.323 86,5963(%)
t
j
j
T k T
T
T
Từ (1) ta có: 
4
1
5,1866.10
. 0,15443 0,19345. 0,15443
t
k T T
k
Thay vào (1.31) ta có: 
* *2 2
1 1 2 2*
* * *
1 1 2 2 2 2*
( . . ) (0,19345. 0,15443).h .C
. . 0,19345. .h .C 0,15443.h .C
.
mA
A A A
m
m m
A A A A
m m
FdC f
f C C T
dt V h
F F
f C f C T
V V h
Đặt các hệ số 
7
3
1 3
8,338.10
1,641.10
0,508.10
m
m
F
a
V
; 2 0,19345a ; 3 0,15443;a 
139 
2 2 4
4
. 142000.0,0196
.0,19345.10 .0,19345.10 0,0128.10
1000.4200
a
p
H k
a
C
; 
2
5
. 142000.0,0196
.0,15443 .0,15443 0,0102.10
1000.4200
a
p
H k
a
C
; 
6 3
6,4
0,003;
1000.4200.0,508.10
T
p m
K A
a
C V
7
4
7 3
13,1.10
5,155.10 ;
2,5411.10
jm
jm
F
a
V
4
8 3
6,4
6.10 ;
1000.4200.2,5411.10
T
j pj j
k A
a
C V
*
9 1 0,91958;ja T 
*
1 ju f , 
*
2 2 ;u f 
Các phƣơng trình động học đƣợc viết lại dạng rút gọn: 
*1
1 1 1 2 1 2 1 2 4 3 1 4
4
*1
2 1 1 2 2 4 1 2 5 1 4 6 2 3
4
3 7 1 9 3 8 3 2
*
4 1 1 1 2
( . . ) .
( .T . ) . . . . ( )
u ( ) ( )
A
a
x f C u x a x x x a x x
x
a
x f u x a x x x a x x a x x
x
x a a x a x x
x a f a u
2.2. Mô phỏng quá trình khởi động: 
Từ các phƣơng trình (2.7) đến (2.11) ta đi xây dựng mô hình mô phỏng thiết 
bị phản ứng giai đoạn khởi động đƣợc trình bày trên Hình PL2.1 (cho cân b ng 
thành phần), Hình PL2.2 là mô hình mô phỏng cân b ng năng lƣợng phản ứng và 
Hình PL2.3 là mô hình cân b ng năng lƣợng của Jacket 
140 
Hình 1-PL2. Mô hình mô phỏng cân bằng thành phần 
Hình 2-PL2. Mô hình mô phỏng cân bằng nhiệt phản ứng 
Hình 3-PL2. Mô hình mô phỏng cân bằng nhiệt jacket 
2.3. Mô phỏng quá trình phản ứng: 
141 
Hình 4-PL2. Mô hình mô phỏng cân bằng khối lƣợng 
Theo tài liệu [10],[17],[22] mô hình mô phỏng cân b ng thành phần theo Hình 
PL2.5: 
Hình 5-PL2. Mô hình mô phỏng cân bằng thành phần 
Theo tài liệu [10],[17],[22], mô hình mô phỏng theo Hình 6-PL2 và Hình 7-
PL2: 
142 
Hình 6-PL2. Mô hình mô phỏng quá trình cân bằng năng lƣợng thiết bị phản 
ứng 
Hình 7-PL2. Mô hình mô phỏng quá trình cân bằng năng lƣợng Jacket của 
thiết bị phản ứng 
143 
PHỤ LỤC 3 
3.1. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển NMPC 
144 
Hình 1-PL3. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển NMPC 
3.2. Mô hình mô phỏng đối tƣợng lò phản ứng CSTR: 
Hình 2-PL3. Mô hình mô phỏng đối tƣợng lò phản ứng CSTR 
3.3. Chƣơng trình bộ điều khiển NMPC cho lò phản ứng CSTR trƣờng 
hợp thay đổi giá trị đặt CA2: 
function [uk,u11,u12] = 
fcn(x1,x2,x3,x4,x1_1,x2_1,x3_1,x4_1,w,u1_1,u2_1,u21,u22) 
%#codegen 
N=2; % Cua so du báo 
TS=3; % Chu ky trích mau 
Q=eye(2*N); 
R=20*eye(2*N); 
%Thong so ban dau thiet bi phan ung 
Vmax = 0.508*10^(-3); % The tich dung dich phan ung [m^3] 
deltaH = 142000; % Nhiet cua phan ung [J/kg] 
Cp = 4200; % Nhiet dung rieng cua chat phan ung [J/kg.K] 
ro = 1000; % Khoi luong rieng cua moi chat phan ung [kg/m^3] 
Cpj = 4200; % Nhiet dung rieng nuoc gia nhiet [J/kgK] 
145 
Vj = 2.5411*10^(-3); % The tich nuoc gia nhiet [m^3] 
roj = 1000; % Khoi luong rieng nuoc gia nhiet [kg/m^3] 
% Thong so thiet bi phan ung CSTR 
F10 = 4.169*10^(-7); F20 = 4.169*10^(-7); % Luu luong dung dich dau vao 
[m^3/s] 
KT = 0.002712; % He so truyen nhiet [W/m^2K] 
k0 = 6477839; % He so toc do phan ung 
Fj0 = 6.55*10^-7; % Luu luong dau vao nuoc gia nhiet [m^3/s] 
F1max = 8.338*10^(-7); % [m^3/s] 
Fjmax = 13.1*10^(-7); % [m^3/s] 
% Thong so mo hinh 
a1 = F1max/Vmax; 
a2 = 5.1866*10^(-4)*383; 
a3 = 0.15443; 
a4 = 10^(-2)*deltaH*0.19872/(ro*Cp); 
a5 = 10^(-3)*deltaH*0.15443/(ro*Cp); 
a6 = 6.4/(ro*Cp*Vmax); 
a7 = Fjmax/Vj; 
a8 = 6.4/(roj*Cpj*Vj); 
lamda = 0; 
h0 = 1; 
u10 = 0.5; 
u20 = 0.5; 
f10 = 0.5; 
CA10 = 1; 
CA20=0.093962; 
Tj10 = 343/383; 
T10 = 278/383; 
%T0 = 313/383; 
%Tj20 = 323/383; 
theta10 = a1*f10*CA10/h0; 
theta20 = a1*f10*T10/h0; 
%theta30 = (a7*Tj10-lamda)*u10; 
146 
T0 = (theta10-a1*u20*CA20/h0+a3*CA20)/(a2*CA20);%313/373; 
Tj20 = (-theta20+a1*u20*T0/h0+a4*CA20*T0-a5*T0+a6*T0)/a6;%323/373; 
a7 = a8*(Tj20-T0)/(u10*(Tj10-Tj20)); 
%u10=a8*(Tj20-T0)/(a7*(Tj10-Tj20)); 
x=[x1;x2;x3;x4]; 
x_1=[x1_1;x2_1;x3_1;x4_1]; 
u_1=[u1_1;u2_1]; 
Ak_1 = eye(4)+TS*[a3 -a2*x1_1 x4_1 -x3_1;-a4*x2_1 a5-a6 a6 0;x4_1 a8 -a8 
-x1_1;x2_1 -x1_1 x4_1 -x3_1]; 
Bk_1 = TS*[0 -a1*x1_1/x4_1;0 -a1*x2_1/x4_1;lamda-a7*x3_1 0;0 -a1]; 
vk = x-Ak_1*x_1-Bk_1*u_1; 
Ak = eye(4)+TS*[a3 -a2*x1 x4 -x3;-a4*x2 a5-a6 a6 0;x4 a8 -a8 -x1;x2 -x1 
x4 -x3]; 
Bk = TS*[0 -a1*x1/x4;0 -a1*x2/x4;lamda-a7*x3 0;0 -a1]; 
Ck=[1 0 0 0;0 0 0 1]; 
A = [Ak Bk;zeros(2,4) eye(2)]; 
B = [Bk;eye(2)]; 
C = [Ck zeros(2)]; 
v= [vk;zeros(2,1)]; 
d = ones(N*2,1); 
x=[x1;x2;x3;x4;u_1]; 
for i=1:N 
 tam = zeros(6,6); 
for j=0:(i-1) 
 tam = tam+A^j; 
end 
 d((2*i-1):1:2*i,1) = C*tam*v; 
end 
tam2 = zeros(2*N,6); 
for i=1:N 
 tam2((2*i-1):1:2*i,1:1:6)=C*A^i; 
147 
end 
d = d + tam2*x; 
E = zeros(2*N,2*N); 
for i=1:N 
for j=1:N 
if (i >= j) E((2*i-1):1:2*i,(2*j-1):1:2*j) = C*(A^(i-j))*B; 
end 
end 
end 
wqd = zeros(2*N,1); 
for i=1:N 
 wqd((2*i-1):1:2*i,1) = w; 
end 
s = wqd-d; 
u = (inv(E'*Q*E+R))*(E'*Q*s); 
%J=(A*u-p)'*Q*(A*u-p) 
mtt = zeros(2,2*N); 
mtt(1:1:2,1:1:2) = eye(2); 
uk = mtt*u+[u21;u22]; 
u11 = uk(1); 
u12 = uk(2); 
3.4. Chƣơng trình bộ điều khiển NMPC cho lò phản ứng CSTR trƣờng 
hợp thay đổi các nhiễu 
function [uk,u11,u12] = 
fcn(x1,x2,x3,x4,x1_1,x2_1,x3_1,x4_1,w,u1_1,u2_1,u21,u22) 
%#codegen 
N=2; % Cua so du báo 
TS=1; % Chu ky trích mau 
Q=eye(2*N); 
148 
R=1000*eye(2*N); 
x=[x1;x2;x3;x4]; 
x_1=[x1_1;x2_1;x3_1;x4_1]; 
u_1=[u1_1;u2_1]; 
Ak_1 = eye(4)+TS*[-0.007089-0.09227*x2_1 -0.01867-0.09227*x1_1 0 0;-
0.5488*10^(-4)-0.3359*x2_1 -0.02694-0.3359*x1_1 0.03 0;0 6*10^(-3) -
6.25775 0;0 0 0 0]; 
Bk_1 = TS*[0 -1.641*10^(-3)*x1_1;0 -1.34058*10^(-3)-1.641*10^(-
3)*x2_1;0.39435*10^(-4)-5.155*10^(-4)*x3_1 0;0 -1.641*10^(-3)]; 
vk = x-Ak_1*x_1-Bk_1*u_1; 
Ak = eye(4)+TS*[-0.007089-0.09227*x2 -0.01867-0.09227*x1 0 0;-
0.5488*10^(-4)-0.3359*x2 -0.02694-0.3359*x1 0.03 0;0 6*10^(-3) -6.25775 
0;0 0 0 0]; 
Bk = TS*[0 -1.641*10^(-3)*x1;0 -1.34058*10^(-3)-1.641*10^(-
3)*x2;0.39435*10^(-4)-5.155*10^(-4)*x3 0;0 -1.641*10^(-3)]; 
Ck=[1 0 0 0;0 0 0 1]; 
A = [Ak Bk;zeros(2,4) eye(2)]; 
B = [Bk;eye(2)]; 
C = [Ck zeros(2)]; 
v= [vk;zeros(2,1)]; 
d = ones(N*2,1); 
x=[x1;x2;x3;x4;u_1]; 
for i=1:N 
 tam = zeros(6,6); 
for j=0:(i-1) 
 tam = tam+A^j; 
end 
 d((2*i-1):1:2*i,1) = C*tam*v; 
end 
tam2 = zeros(2*N,6); 
for i=1:N 
 tam2((2*i-1):1:2*i,1:1:6)=C*A^i; 
end 
d = d + tam2*x; 
149 
E = zeros(2*N,2*N); 
for i=1:N 
for j=1:N 
if (i >= j) E((2*i-1):1:2*i,(2*j-1):1:2*j) = C*(A^(i-j))*B; 
end 
end 
end 
wqd = zeros(2*N,1); 
for i=1:N 
 wqd((2*i-1):1:2*i,1) = w; 
end 
s = wqd-d; 
u = (inv(E'*Q*E+R))*(E'*Q*s) 
%J=(A*u-p)'*Q*(A*u-p) 
mtt = zeros(2,2*N); 
mtt(1:1:2,1:1:2) = eye(2); 
uk = mtt*u+[u21;u22]; 
u11 = uk(1); 
u12 = uk(2);