Xây dựng bộ điều khiển tách kênh nhiệt độ - độ ẩm cho buồng lên men dựa trên mô hình mô phỏng CFD
12*NLN *155-01/2021
Số: 155- 1/2021
Trang 12 - 17
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH NHIỆT
ĐỘ - ĐỘ ẨM CHO BUỒNG LÊN MEN DỰA TRÊN
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CFD
Lê Kiều Hiệp*, Nguyễn Văn Thông
Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh, ĐH Bách Khoa Hà Nôi
Ngày nhận bài: 06/12 /2020
Ngày bài được duyệt đăng: 25/01/2021
Ngày nhận bài được sửa theo ý kiến phản biện: 18/01/2021
Nhiệt độ và độ ẩm tương đối của khô ng khí là hai trong số những yêu cầu kỹ thuật của một số
quá trì nh sản xuất, chế biến thực phẩm. Tuy nhiên, việc điều khiển chí nh xá c hai thô ng số này bằng
cá c sử dụng các vòng điều khiển độc lập rất khó đạt được. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất
một phương pháp nhận dạng đối tượng nhiệt độ, độ ẩm tương đối cho buồng lên men thực phẩm
trong điều kiện khô ng thể tiến hành nghiên cứu thực nghiệm do quá trì nh sản xuất là liên tục. Mô
hì nh mô phỏng CFD được sử dụng để xâ y dựng đặc tính quá độ của đối tượng điều khiển. Qua đó,
mô hì nh hàm truyền của đối tượng nhiệt độ, độ ẩm và cá c ảnh hưởng ché o giữa hai yếu tố này đã
được xác định. Cá c kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink đã cho thấy bộ điều khiển
nhiệt độ - độ ẩm tá ch kênh chỉ hoạt động tốt khi sử dụng thêm cá c mạch bù ảnh hưởng ché o.
1. TỔNG QUAN
lạnh có chiều dày 100 mm, hai mặt được bọc inox để
đảm bảo vệ sinh. Để thay đổi nhiệt độ, độ ẩm bên
trong buồng lên men, người ta lắp đặt 01 dàn lạnh có
cô ng suất 5 kW lạnh (cô ng suất nhiệt hiện xấp xỉ 3.8
kW, cô ng suất nhiệt ẩn 1.2 kW theo thô ng số của nhà
sản xuất), 01 bộ điện trở cô ng suất 4 kW và 01 hệ
thống phun ẩm sử dụng nguyên lý phun hơi nước
bã o hò a cô ng suất điện trở đun nước là 4.5 kW, cô ng
suất sinh hơi bão hòa xấp xỉ 6.5 kg/h.
Cùng với sự phá t triển của nền kinh tế, cô ng nghệ
chế biến cá c sản phẩm nô ng nghiệp chất lượng cao
đã và đang được chú trọng nghiên cứu phá t triển
trong thời gian gần đây. Trong cô ng nghệ chế biến
lên men cá c sản phẩm thịt, chất lượng sản phẩm phụ
thuộc rất mạnh vào việc duy trì ổn định giá trị nhiệt độ
và độ ẩm theo yêu cầu cô ng nghệ. Trong giai đoạn
đầu của quá trì nh lên men, nhiệt độ và độ ẩm được
duy trì ở mức cao (nhiệt độ lớn hơn 23 oC và độ ẩm
lớn hơn 90%). Trong giai đoạn tiếp theo, nhiệt độ và
độ ẩm buồng lên men được giảm dần. Đến cuối quá
trì nh lên men, nhiệt độ và độ ẩm được duy trì ở mức
xấp xỉ 10oC ÷ 15 oC và 50% ÷ 60%. Việc điều khiển
chính xác đồng thời hai yếu tố nhiệt độ và độ ẩm là
yêu cầu bức thiết của thực tế sản xuất.
Điện trở
Tạo ẩm
Dàn lạnh
Đối tượng nhiệt độ - độ ẩm là đối tượng phức tạp
hai chiều có sự ảnh hưởng ché o [1]. Có rất nhiều
thuật toán điều khiển đã được á p dụng cho bài toá n
điều khiển nhiệt độ - độ ẩm như điều khiển mờ, mạng
nơ ron, điều khiển dự bá o [2,3]. Bài bá o này sẽ trì nh
bày khả năng ứng dụng bộ điều khiển tá ch kênh
được tổng hợp dựa trên chỉ số dao động mềm cho
hệ thống buồng lên men.
(a)
(b)
Hì nh 1: Sản phẩm thịt lên men (a) và hệ thống làm lạnh,
gia nhiệt, tạo ẩm cho buồng lên men (b).
3. BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM
Thông thường, hàm truyền của đối tượng được
xác định bằng phương pháp thực nghiệm hoặc
phương pháp giải tí ch. Tuy nhiên, đối với trường hợp
phức tạp, phương pháp giải tích thường rất khó á p
dụng do bài toá n có nhiều chiều, nhiều biến số và có
độ phi tuyến cao. Bên cạnh đó, do đặc trưng của quá
trì nh sản xuất là vận hành liên tục, mô hì nh của đối
2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của bài bá o này là buồng
lên men sử dụng để sản xuất mặt hàng thịt lên men.
Buồng lên men được lắp ghé p từ cá c panel vá ch kho
13*NLN *155-01/2021
tượng điều khiển khô ng thể được lấy từ số liệu thực
Mô hì nh mô phỏng CFD được trì nh bày trong hì nh
nghiệm thu được khi thay đổicô ng suấtgianhiệthoặc 2 với kích thước đúng bằng kích thước của buồng lên
phun ẩm. Vì vậy, để xâ y dựng đường đặc tính quá độ men thực tế (cao 2500 mm, rộng 2000 mm, dài 3500
của đối tượng nhiệt độ - độ ẩm, nhó m nghiên cứu đề mm). Phí a trên trần của buồng lên men có 01 cửa
xuất sử dụng cô ng cụ mô phỏng CFD để mô phỏng thông gió để trá nh trong phò ng phá t sinh cá c phản
quá trình trao đổi nhiệt ẩm bên trong buồng lên men, ứng yếm khí , tạo mùi. Cột á p của quạt được cài đặt
từ đó xây dựng mô hình đối tượng dựa trên cá c kết là 100 Pa, mô hì nh dò ng chảy dùng trong mô phỏng
quả mô phỏng.
là mô hì nh k – epsilon. Để mô tả quá trì nh khuếch tá n
hơi ẩm, mô hì nh dò ng nhiều thành phần Species
được sử dụng. Nhiệt độ môi trường bên ngoài là 27
oC, độ chứa hơi của khô ng khí tại vị trí cửa thô ng gió
là 7 g hơi / kg không khí khô. Để tiến hành mô phỏng,
đối tượng được chia lưới theo các phương pháp và
kích thước lưới khá c nhau. Khi số phần tử của lưới
đạt hơn 800 000 phần tử thì kết quả mô phỏng gần
như không thay đổi khi tăng số phần tử. Cá c kết quả
mô phỏng được trình bày trong bài báo này thu được
từ lưới có cấu trúc hì nh hộp với số phần tử là 835 706
phần tử.
Đầu tiên, mô phỏng CFD được tiến hành ở chế độ
ổn định với cô ng suất điện trở sưởi là 0 kW và cô ng
suất gia ẩm là 0 kg/h. Kết quả cho thấy nhiệt độ và độ
ẩm của khô ng khí tại vị trí tâ m của xe chở sản phẩm
là -2,82 oC và 54,83%. Sau khi thu được kết quả ở
chế độ ổn định ban đầu, mô phỏng CFD được chuyển
sang chế độ khô ng ổn định. Để tìm đặc tính quá độ
và hàm truyền của đối tượng với xung đầu vào bậc
thang, ta thay đổi lần lượt cô ng suất điện trở sưởi từ
mức 0 kW lên 4 kW và cô ng suất gia ẩm từ 0 kg/h lên
6.5 kg/h. Trường tốc độ gió và trường nhiệt độ ở chế
độ khô ng ổn định khi cài đặt cô ng suất điện trở sưởi
là 4000 W, cô ng suất gia ẩm là 0 kg/h tại thời điểm
1000 giâ y được cho trong hì nh 3.
Hì nh 2: Mô hì nh mô phỏng CFD buồng lên men (đơn vị
đo chiều dài trong hì nh là mm).
Ở chế độ quá độ khi cô ng suất điện trở sưởi thay
đổi từ mức 0 kW lên mức 4 kW theo xung bậc thang
trì nh bày trong hì nh (4-a), ta có thể nhận thấy nhiệt
độ thay đổi từ mức -2.82 oC lên đến nhiệt độ 31.47 oC
sau khoảng 1000 giây. Đồng thời với sự tăng nhiệt
độ, do sự phụ thuộc của á p suất hơi nước bã o hò a
vào nhiệt độ, độ ẩm tương đối của khô ng khí giảm từ
mức 54.83 % xuống cò n 5.52%. Tương tự, ở chế độ
thay đổi cô ng suất gia ẩm từ 0 kg/h lên 6.5 kg/h, giá
trị độ ẩm tăng từ 54.83% lên đến giá trị 97.88% sau
50 giâ y (hì nh 4.b). Do quá trình tăng ẩm được thực
hiện nhờ việc cấp hơi nước bã o hò a ở 100 oC, nhiệt
độ khô ng khí trong buồng tại vị trí tâ m của xe chở sản
phẩm cũng sẽ tăng dần theo thời gian (từ -2.82 oC lên
3.36 oC). Điều này cho thấy việc thay đổi giá trị nhiệt
độ hoặc độ ẩm tương đối sẽ gâ y ra ảnh hưởng ché o
đến giá trị cò n lại. Điều này hoàn toàn phù hợp với
cá c kết luận đã được nêu ra trong cá c nghiên cứu
trước đây [1,4,5]. Để mô tả sự ảnh hưởng ché o này,
sơ đồ cấu trúc đối tượng nhiệt độ - độ ẩm trong hì nh
Hì nh 3: Kết quả mô phỏng trường tốc độ và trường nhiệt
độ bên trong buồng lên men khi bật điện trở ở cô ng suất
4 kW và tắt hệ thống phun ẩm ở thời điểm 1000 giâ y.
O s
5 được sử dụng. Trong sơ đồ này,
và
11 ( )
14*NLN *155-01/2021
Hì nh 4: Đặc tính thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm khi thay
đổi cô ng suất điện trở sưởi từ 0 lên 100% (a) và khi thay
đổi cô ng suất phun ẩm từ 0 lên 100% (b).
O s lần lượt là hàm truyền của đối tượng nhiệt
22 ( )
độ và độ ẩm. O s và O s là hàm truyền của
12 ( )
21 ( )
sự ảnh hưởng ché o qua lại giữa nhiệt độ và độ ẩm.
Sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu và mô
hình đối tượng dạng khâ u quá n tí nh bậc 1 và khâ u
quá n tí nh bậc 2 có trễ, hàm truyền của các đối
tượng được thể hiện như sau:
34,65
O (s) =
(1)
11
1+ 202,2s
−0,4789
1+91,41s
O (s) =
(2)
Hì nh 5: Sơ đồ cấu trúc của đối tượng nhiệt độ - độ ẩm.
12
0,4592e−0,577s
O22 (s) =
O21(s) =
(3)
(4)
(1+16s)(1+1,006s)
38,24e−0,4789s
(1+ 274,4s)(1+ 0,9636s)
Kết quả xấp xỉ đối tượng nhiệt độ - độ ẩm được
so sá nh với kết quả mô phỏng CFD như trong hình
4. Sự tương đồng giữa số liệu mô phỏng và số liệu
đặc tính quá độ tí nh theo cá c hàm truyền (phương
trì nh 1 – 4) cho thấy sự chí nh xá c của việc lựa chọn
khâ u và cá c tham số của khâ u.
Hình 6: Sơ đồ điều khiển 1 vòng đối tượng nhiệt độ - độ
ẩm.
Với cá c khâ u của đối tượng nhiệt độ - độ ẩm đã
lựa chọn, sơ đồ điều khiển một vò ng đồng thời đối
tượng nhiệt độ - độ ẩm được lựa chọn như trong
hì nh 6. Đối với bộ điều khiển 1 vò ng có phản hồi,
bộ điều khiển được tổng hợp dựa theo cô ng thức
5 và 6 [6,7].
1
A(s)
R(s) =
OPT (s)−1 =
(5)
c
s
csB(s)
1
A(s)
R(s) =
OPT (s)−1 =
(6)
cs
csB(s)
Trong đó, công thức 5 và 6 tương ứng được sử
dụng để tổng hợp bộ điều khiển cho khâ u quá n tí nh
có trễ và khô ng có trễ. OPT (s) là thành phần phâ n
thức của khâ u, bỏ qua thành phần trễ biễu diễn
theo hàm exp. c là hằng số quá n tí nh của hệ định
chuẩn, tham số này được xác định dựa theo yêu
cầu chất lượng điều khiển: độ quá điều chỉnh
,
thời gian điều chỉnh τq, tí ch phâ n sai số tuyệt đối I1
và tích phân bình phương sai số I2 [8]. Trong bài
báo này, độ quá điều chỉnh được được lựa chọn là
= 0.1%, tương ứng, giá trị hằng số quá n tí nh c
tương ứng sẽ là 2.476. Dựa theo mô hì nh khâ u
quá n tí nh bậc 1 và khâ u quá n tí nh bậc 2 có trễ ở
phương trình 1 – 4, bộ điều khiển kênh nhiệt độ R1
và kênh độ ẩm R2 tổng hợp được như sau:
15*NLN *155-01/2021
1
O (s)
12
R (s) = 2,352.(1+
)
→ B (s) = −
(7)
(8)
1
1
202,2s
O22 (s)
7,708s2 +8,144s + 0,4789
41,975s + 0,4592
1
B (s) =
.e0,577s (10)
R2 (s) = 25,87(1+
+ 0,947s)
1
17,01s
Để kiểm tra chất lượng của bộ điều khiển, mô
hình đối tượng và bộ điều khiển được mô phỏng
trên phần mềm Matlab – Simulink như trong hình
7a. Kết quả mô phỏng khi tạo xung bậc thang 2 x
1(t) ở đầu vào kênh điều khiển nhiệt độ và xung bậc
thang 1(t) ở đầu vào kênh độ ẩm được thể hiện trên
hì nh 7b. Từ kết quả thu được, giá trị kênh độ ẩm
đã vượt quá giá trị đặt 5.76% tại thời điểm 6.6 giâ y
sau đó bã o hò a ở giá trị đặt. Tuy nhiên, giá trị kênh
nhiệt độ, do sự cấp nhiệt của hơi nước bã o hò a, bị
vượt quá giá trị đặt xấp xỉ 220% tại thời điểm 6 giâ y
và khô ng thể quay về giá trị đặt sau 50 giâ y. Điều
này cho thấy kênh nhiệt độ khô ng thể điều chỉnh
được do ảnh hưởng của kênh độ ẩm.
Hoàn toàn tương tự, ta xác định được hàm
truyền của mạch bù B2(s)
−223,03s −1,103
B2 (s) =
.e−0,4789s (11)
264,41s2 + 275,36s +1
Hì nh 8: Sơ đồ điều khiển đồng thời nhiệt độ - độ
ẩm có mạch bù.
(a)
(a)
(b)
Hì nh 9: Sơ đồ nguyên lý mạch bù B1 (a) và B2 (b) loại bỏ
ảnh hưởng ché o giữa kênh nhiệt độ và kênh độ ẩm.
(b)
Với cá c hàm truyền trên, mạch bù của hệ thống
được thiết kế như trong hình 9, mô hì nh mô phỏng
của bộ điều khiển và đối tượng khi sử dụng khâ u
bù được cho trong hì nh 10. Cá c giá trị điện trở và
điện dung của tụ điện của mạch bù B1(s) cần thỏa
Hì nh 7: Mô hì nh mô phỏng bộ điều khiển và đối tượng
nhiệt độ - độ ẩm trên phần mềm Matlab – Simulink (a)
và đáp ứng của hệ thống khi điều khiển
đồng thời nhiệt độ và độ ẩm (b).
Để nâ ng cao chất lượng điều khiển, ta sử dụng
bộ điều khiển có mạch bù theo sơ đồ trên hì nh 8.
Trong sơ đồ này, mạch bù B1(s) được xác định theo
cô ng thức:
R2
R5
R6 = R7 = Rf
;
mã n:
;
;
= 0,85
= 0,192
R
R4
1
R3C3 = 91,41 (ΩF); R C1 = 0,1836 (ΩF). Tương
1
1B (s)O22 (s) +1O (s) = 0
(9)
1
12
16*NLN *155-01/2021
thiểu, đặc biệt là trong những trường hợp hệ thống
hoạt động liên tục. Cá c kết quả nghiên cứu cho
thấy ảnh hưởng ché o của hai đối tượng nhiệt độ và
độ ẩm là khô ng thể bỏ qua. Sự gia nhiệt do phun
hơi nước bã o hò a ở 100 oC vào mô i trường dẫn tới
sự mất kiểm soá t ở kênh điều khiển nhiệt độ khi sử
dụng các vòng điều khiển độc lập. Do vậy, việc sử
dụng mạch bù là cần thiết để giảm thiểu sự ảnh
hưởng này. Cá c kết quả thu được cho thấy bộ điều
khiển tá ch kênh có sử dụng mạch bù hoàn toàn đá p
ứng được cá c yêu cầu về cả độ chí nh xá c, thời gian
đáp ứng cho nhu cầu sử dụng thực tiễn trong
buồng lên men. Trong tương lai, chúng tôi sẽ ứng
dụng bộ điều khiển đã tổng hợp được để điều khiển
chế độ nhiệt ẩm của buồng lên men qua đó kiểm
chứng cá c kết quả thu được trong nghiên cứu này.
R2
tự, với sơ đồ mạch bù khâ u B2(s),
;
= 0,812
R
1
R5
;
R3C3 = 0,964(ΩF); R6C6 = 277,78
= 0,303
R4
(ΩF); R7 = R8 = Rg = Rf
Tương tự như đối với bộ điều khiển khô ng có
.
khâ u bù, kết quả mô phỏng khi tạo xung bậc thang
2 × 1(t) ở đầu vào kênh điều khiển nhiệt độ và xung
bậc thang 1(t) ở đầu vào kênh độ ẩm được thể hiện
trên hì nh 10(a). Quan sá t kết quả thu được, cả giá
trị nhiệt độ và độ ẩm nhanh chóng đạt tới giá trị đặt
20 giây và độ vượt điều chỉnh 0.21% (kênh nhiệt
độ) và 0.59% (kênh độ ẩm). Điều này cho thấy kênh
nhiệt độ và kênh độ ẩm tương đối hoàn toàn có thể
điều khiển đồng thời, chí nh xá c bằng cá ch sử dụng
mạch bù.
6. LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Bộ Giá o dục và
Đào tạo trong đề tài mã số B2021-BKA-03.
(a)
(b)
Hì nh 10: Mô hì nh mô phỏng bộ điều khiển và đối tượng
nhiệt độ - độ ẩm trên phần mềm Matlab – Simulink (a) khi
có mạch bù và đáp ứng của hệ thống khi điều khiển
đồng thời nhiệt độ và độ ẩm (b).
5. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày một phương pháp nhận
dạng đối tượng nhiệt độ - độ ẩm tương đối của
khô ng khí trong buồng lên men và xâ y dựng bộ
điều khiển tách kênh cho hai đối tượng này. Với
việc sử dụng mô hì nh mô phỏng CFD, quá trì nh can
thiệp thực nghiệm trên đối tượng có thể được giảm
17*NLN *155-01/2021
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M. Zaheer-uddin, Temperature and humidity control of indoor environmental spaces, Energy and Buildings
19 (1993) 275–284.
[2] Nguyễn Thu Hà, Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh, Nghiên cứu khoa học và
công nghệ quân sự Số Đặc san ACMEC (2017) 50–157.
[3] Nguyễn Thu Hà, Đinh Thị Lan Anh, Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh
bằng smart phone, Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự Số đặc san tháng 10/2019 (2019) 23–29.
[4] X. Lü, Modelling of heat and moisture transfer in buildings, Energy and Buildings 34 (2002) 1045–1054.
[5] C.P. Underwood, HVAC Control Systems, Routledge, 2002.
[6] D. Cao Trung, A Method Tuning Control System of Thermal Process in Startup Period, MATEC Web of
Conferences 54 (2016) 4001.
[7] D.C. Trung, N. van Manh, A Tuning Method for Uncertain Processes of Thermal Power Plant Based on the
Worst Soft Characteristic, in: 2017 11th Asian Control Conference (ASCC), IEEE, 12/17/2017 - 12/20/2017,
p. 594.
[8] Nguyen Van Manh, Robust synthesizing method of uncertainty control system, The fifth Vietnamese
national conference of Automation Vol. 5 (2002) 155–161.
SYNTHESIZING TEMPERATURE – RELATIVE HUMIDITY
SEPARATE CONTROLLER FOR FOOD FERMENTATION
CHAMBER BASED ON CFD SIMULATION
ABSTRACT:
Air temperature and relative humidity are two of the mandatory properties of moist air during several
food processes. However, precise control of these mentioned parameters using independent control
loops is rather difficult to be achieved. In this paper, we propose a method of object identification of the
temperature and relative humidity for the food fermentation chamber where experiments are
impossible to be conducted science the food processing is continuous. CFD simulation model is used
to construct the transient properties of the control objects. Thereby, the transfer functions of
temperature, humidity, and cross effects between these parameters were determined. The simulation
results on Matlab - Simulink software showed that the temperature – relative humidity separate
controller only works well when using additional cross-influence compensation circuits.
6 trang
4760
Bạn đang xem tài liệu "Xây dựng bộ điều khiển tách kênh nhiệt độ - độ ẩm cho buồng lên men dựa trên mô hình mô phỏng CFD", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- xay_dung_bo_dieu_khien_tach_kenh_nhiet_do_do_am_cho_buong_le.pdf
