(TIỂU LUẬN) NGHIÊN cứu, ỨNG DỤNG bộ điều KHIỂN THÔNG MINH điều KHIỂN mức lò hơi TRONG mô HÌNH THÍ NGHIỆM NHÀ máy NHIỆT điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THƠNG MINH ĐIỀU KHIỂN MỨC LỊ HƠI TRONG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Mã số:SV2018-09 Chủ nhiệm đề tài :Vũ Minh Hiếu MSSV :K165520216081 Giáo viên HD :Nguyễn Thị Chinh THÁI NGUYÊN, 6/2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN MỨC LỊ HƠI TRONG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Mã số:SV2018-09 Giảng viên hướng dẫn (ký, họ tên) Nguyễn Thị Chinh Vũ Minh Hiếu Xác nhận tổ chức chủ trì KT HIỆU TRƯỞNG PHĨ HIỆU TRƯỞNG PGS.TS Vũ Ngọc Pi THÁI NGUYÊN, 12/2018 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Đơn vị: Khoa Điên THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng điều khiển thông minh điều khiển mức lị mơ hình thí nghiệm nhà máy nhiệt điện - Mã số:SV2018-09 - Chủ nhiệm: Ngô Quang Nghiệp - Cơ quan chủ trì: ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thai Nguyên - Thời gian thực hiện: 12 thang (từ tháng 02/2018 đến tháng 01/2019) Mục tiêu: - Sơ đồ kết mô với điều khiển PID - Sơ đồ kết mô sử dụng điều khiển mờ Kết nghiên cứu: - Sơ đồ kết mô với điều khiển PID - Sơ đồ kết mô sử dụng điều khiển mờ - Quyên bao cao thuyêt minh Sản phẩm: Hệ thống điều khiển mức lị mơ hình thí nghiệm nhà máy nhiệt điện Hiệu quả: Xây dựng đường đặc tĩnh điều khiển Khả áp dụng phương thức chuyển giao kết nghiên cứu: Ứng dụng điều khiển thơng minh cho mức lị nhà máy nhiệt điện theo mơ hình phịng thí nghiệm Ngày 19 tháá́ng 12 năm 2018 Cơ quan chủ trì KT.HIỆU TRƯỞNG PHĨ HIỆU TRƯỞNG Giáo viên hướng dẫn Chủ nhiệm đề tài PGS.TS Vũ Ngọc Pi Nguyễn Thị Chinh Ngô Quang Nghiệp SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang:1 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh DANH SACH CAC THANH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CƯU ĐÊ TAI Ngô Quang Nghiệp Nguyễn Đức Sản Nhữ Văn Thiện SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang:2 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh LỜI CAM ĐOAN Em cam đoan la đê tai nghiên cưu khoa học chúng em thưc hiên Cac sô liêu, kêt qua nghiên cưu va cac kêt luân đươc trinh bay bao cao khoa học hoan toan trung thưc va chưa đươc công bô ở bất kỳ môt nghiên cưu nao khac Tac gia Ngô Quang Nghiệp SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang:3 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh LỜỜ̀I CẢM ƠN Lời em xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Khoa Điện trường đại họọ̣c Kỹ thuật Công nghiệp thầy giáo, cô giáo Bộ môn tự động hóa giúú́p đỡ đóng góp nhiều ý kiến quan trọọ̣ng cho em để em hồn thành đề tài Trong trình thực đề tài em nhận giúú́p đỡ nhiệt tình thầy, giáo khoa Điện, mơn tự động hóa trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Đặc biệt hướng dẫn góp ý Cơ Nguyễn Thị Chinh, người ân cần hướng dẫn, bảo em suốt thời gian làm luận văn giúú́p cho đề tài hồn thành mang tính khoa họọ̣c cao Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhấú́t đến cô Nguyễn Thị Chinh, thầy, cô giáo môn Tự động hóa giúú́p đỡ, tạo điều kiện suốt trình họọ̣c tập trường Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo cịn hạn chế nên đồ án chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rấú́t mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo môn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô! Sinh viên Ngô Quang Nghiệp - Nguyễn Đức Sản -Nhữ Văn Thiện SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang:4 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh LỜỜ̀I NÓI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Điện đóng vai trị vơ quan trong đời sống kinh tế – trính trị – tồn giới Nhu cầu sử dụng điện quốc gia ngày tăng Cùng với tồn tài nhà máy Thủy điện, Điện hạt nhân, Pin mặt trời, Sức gió, Thì nhà máy nhiệt điện đốt than đóng vài trị đáng kể Nhìn chung vài chục năm tới, tỷ lệ nhiệt điện đốt than chiếm tỷ lệ lớn nhấú́t tổng số sản lượng điện giới (khoảng từ 40% trởở̉lên) Ở nước ta nhà máy nhiệt điện cung cấú́p nhiều năm gần dao động phạm vi 20% Các tổng sơ đồ phát triển điện dự đốn cịn phát triển tương lai Đối với nhà máy nhiệt điện nhiên liệu sử dụng than khí thiên nhiên, loại nhiên liệu lỏng sử dụng nhiên liệu hạn chế Vì việc nghiên cứu phương pháp điều khiển đại nhằm nâng cao chấú́t lượng trình nhà máy nhiệt điện rấú́t quantrọọ̣ng.Việc ứng dụng thuật toán điều khiển đại nâng cao chấú́t lượng số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nướcta.Để nghiên cứu phương pháp điều khiển nâng cao chấú́t lượng lò hơi, em giao đề tài : "Nghiên cứu, ứng dụng điều khiển thơng minh điều khiển mức lị mơ hình thí nghiệm nhà máy nhiệt điện" 2.Mục tiêu nghiên cứu Nguyên cứu sởở̉ lý thuyết tổng quan nhà máy nhiệt điện từ xây dựng mơhình tốn cho hệ thống điều khiển mức nước cấú́p bình lịhơiThiết kế điều khiểnPID điều khiển mờ chỉnh định tham sốPIDđể điều khiển ổn định mức nước cấú́p bìnhbao Kiểm chứng kết mơ Matlab– Simulink thực nghiệm mơ hình nhà máy nhiệt điện Trung tâm thí nghiệm Trường SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang:5 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh Cấu trúc báo cáo đề tài Với mục tiêu đặt ra, nội dung đồ án gồm chương sau: - Chương 1: Giới thiệu điều khiển mức lò nhà máy nhiệt điện - Chương 2: Xây dựng hệ thống điều khiển mức lị cho mơ hìnhnhàmáynhiệtđiện -Chương 3: Thiết kế bộđiều khiển mờ điều khiển mức lò cho mơ hình nhà máy nhiệt điện SVTH : Ngơ Quang Nghiệp Trang:6 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh LỜỜ̀I NÓI ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài: 2.Mục tiêu nghiên cứu 3.Cấu trúc báo cáo đề tài CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ CƠNG NGHỆ LỊ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1.Giới thiệu chung nhà máy nhiệt điện 1.1.1.Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 1.1.2.Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện 10 2 Lò nhà máy nhiệt điện 11 2.2.1.Nhiệm vụ lò 11 2.2.2.Các loại lị 11 1.3.Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh mức nước bao nhà máy nhiệt điện 19 1.3.1.Đặt vấn đề 19 1.3.2.Mục tiêu nghiên cứu 19 1.4.Kết luận chương 20 CHƯƠNG 2:XÂY DỰNG BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN MỨC LỊ HƠI CHO MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 21 2.1 Giới thiệu mơ hình hệ thống điều khiển mức lị phịng thí nghiệm 21 2.1.1 Giới thiệu 21 2.1.2 Phân tích nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện đối tượng điều khiển 23 2.2.Mơ tả tốn học cho thành phần hệ thống điều khiển điều khiển mức lò nhà máy nhiệt điện 28 2.2.1 Khái quát chung 28 2.2.2.Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển trình 31 2.2.3: Thiết bị đo 31 2.2.3: Thiết bị chấp hành 34 2.2.4: Hàm truyền bao 37 2.3 Thiết kế điều khiển PID 43 2.3.1 Mơ hình tốn học đối tượng công nghệ 43 SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang:7 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh 2.3.2 Thiết kế điều khiển kinh điển cho mạch vòng 46 2.3.3 Thiết kế điều khiển cho mạch vịng ngồi 47 2.3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống thựcnghiệm 48 CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜỜ̀ ĐIỀU KHIỂN MỨC LỊ HƠI CHO MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 50 3.1.Giới thiệu chung 50 3.1.1 Cấu trúc điều khiển mờ 50 3.1.2.Các điều khiển mờ 52 3.1.3.Ưu, nhược điểm điều khiển mờ 53 3.1.4 Yêu cầu thiết kế điều khiển mờ 54 3.2 Thiết kế điều khiển mờ tĩnh cho mạch vịng ngồi điều khiển mức nước 55 3.2.1 Định nghĩa biến ngôn ngữ vào 55 3.2.3 Xây dựng luật điều khiển 57 3.2.4 Chọn thiết bị hợp thành nguyên lý giải mờ 58 3.3 Thiết kế điều khiển mờ động 60 3.3.1 Định nghĩa biến ngôn ngữ vào 60 3.3.2 Định nghĩa tập mờ 60 3.3.3 Xây dựng luật điều khiển 62 3.3.4 Chọn thiết bị hợp thành nguyên lý giải mờ 64 3.4 Chương trình Kết mơ phỏng: 65 3.4.1 Sơ đồ kết mơ điều khiển mạch vịng .65 3.4.2 Sơ đồ kết mô điều khiển mờ tĩnh .65 3.4.3 Sơ đồ kết mô điều khiển mờ động 66 3.5.So sánh chất lượng dùng điều khiển PID điều khiển thông minh mờ tĩnh, động 68 3.6 Kết luận 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang:8 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh Hình 3.3 : Hàm liên thuộc đầu U * Rời rạc hóa tập mờ Độ phân giải dải trị phụ thuộc chọọ̣n trước cho nhóm điều khiển mờ loại dấú́u phẩy động (các số dj biểu diễn dạng dấú́u phẩy động có độ xác đơn) ngun ngắn (giá trị phụ thuộc số nguyên có độ phụ thuộc số có độ dài byte theo byte) Phương pháp rời rạc hóa yếu tố định độ xác tốc độ điều khiển 3.2.3 Xây dựng luật điều khiển Các luật điều khiển thường biểu diễn dạng mệnh đề IF THEN Các mệnh đề viết dạng ma trận, ngôn ngữ, liệt kê Với hệ thống điều khiển mức nước cho nhà máy ta có luật điều khiển sau: R1: Nếu ET = AL U = AL R2: Nếu ET = AV U = AV R3: Nếu ET = AN U = AN R4: Nếu ET = K U = K SVTH : Ngơ Quang Nghiệp Trang: 57 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh R5: Nếu ET = DN U = DN R6: Nếu ET = DV U = DV R7: Nếu ET = DL U = DL Hình 3.4 : Luật điều khiển 3.2.4 Chọn thiết bị hợp thành nguyên lý giải mờ Triển khai luật hợp thành tổng hợp giá trị mờ Thiết bị hợp thành ta chọọ̣n theo nguyên tắc Max – Min Các tập mờ sau triển khai qua nhiều thiết bị hợp thành đưa giá trị thực theo cách thức giải mờ, cách thức có ảnh hưởở̉ng khơng nhỏ đến trạng thái làm việc cúú́ng độ phức tạp hệ thống Chọọ̣n giải mờ theo phương pháp Bisector SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 58 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh Hình 3.5: Luật hợp thành nguyên lý giải mờ Ta có mối quan hệ vào điều khiển mờ sau: Hình 3.6 : Quan hệ vào điều khiển mờ tĩnh SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 59 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh 3.3 Thiết kế điều khiển mờ động 3.3.1 Định nghĩa biến ngôn ngữ vào Biến ngơn ngữ vào tín hiệu điều khiển điều khiển mờ cụ thể lượng sai lệch điện áp điều khiển ET DET đạo hàm sai lệch Biến ngôn ngữ đại lượng tác động trực tiếp hay gián tiếp lên đối tượng ởở̉ biến ngôn ngữ điện áp điều khiển U 3.3.2 Định nghĩa tập mờ Xác định miền giá trị vật lý biến ngôn ngữ vào ra, Miền giá trị vật lý phải bao hàm hết khả giá trị mà biến ngơn ngữ vao nhận, ta chọọ̣n: (V) (V/s) (V) * Xác định số lượng tập mờ ET = {AL, AV, AN, K, DN, DV, DL} DET = {AL, AV, AN, K, DN, DV, DL} U = {AL, AV, AN, K, DN, DV, DL} Trong đó: AL: Âm lớn AV: Âm vừa AN: Âm nhỏ K: Không DN: Dương nhỏ DV:Dương vừa DL: Dương lớn * Xác định hàm liên thuộc Chọọ̣n hàm liên thuộc hình tam giác SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 60 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh Hình 3.7 : Hàm liên thuộc đầu vào ET Hình 3.8 : Hàm liên thuộc đầu vào DET SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 61 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh Hình 3.9 : Hàm liên thuộc đầu r 3.3.3 Xây dựng luật điều khiển R1: Nếu R2: Nếu R3: Nếu R4: Nếu R5: Nếu R6: Nếu R7: Nếu R8: Nếu R9: Nếu 10 R10: Nếu 11 R11: Nếu 12 R12: Nếu 13 R13: Nếu SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 62 Đề tài khoa học SVTH : Ngô Quang Nghiệp GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh Trang: 63 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh 3.3.4 Chọn thiết bị hợp thành nguyên lý giải mờ Luật hợp thành Max – Min Giải mờ phương pháp Bisector Hình 3.10 : Luật hợp thành nguyên lý giải mờ Hình 3.11 : Quan hệ vào điều khiển mờ động SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 64 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh 3.4 Chương trình Kết mơ phỏng: 3.4.1 Sơ đồ kết mô điều khiển mạch vịng * Sơ đồ mạch vịng trong: Hình 3.12: Sơ đồ mạch vòng điều khiển lưu lượng nước * Kết mơ mạch vịng Hình 3.13: Kếá́t mơ mạch vịng 3.4.2 Sơ đồ kết mô điều khiển mờ tĩnh SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 65 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh * Sơ đồ mô phỏng: Hình 3.14: Sơ đồ mơ điều khiển mờ tĩnh * Kết mơ Hình 3.15: Kếá́t mơ mạch vịng ngồi có khâu trễ sử dụng điều khiển mờ tĩnh 3.4.3 Sơ đồ kết mô điều khiển mờ động * Sơ đồ mô phỏng: SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 66 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh Hình 3.16: Sơ đồ mơ điều khiển mờ động * Kết mơ Hình 3.17: Kếá́t mơ mạch vịng ngồi có khâu trễ sử dụng điều khiển mờ động 3.5.So sánh chất lượng dùng điều khiển PID điều khiển SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 67 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh thông minh mờ tĩnh, động Khi so sánh ta coi mạch vòng thiết kế cho chấú́t lượng đảm bảo Hình 3.18 :Sơ đồ mô so sáá́nh chất lượng điều khiển SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 68 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh Hình 3.19 :kếá́t mô điều khiển *nhận xét: Ta thấú́y ba điều khiển có ưu điểm triệt tiêu sai lệch tĩnh - Đặc tính q độ hệ thống có điều khiển mờ động tốt nhấú́t Ở trạng thái xác lập khơng có sai lệch tĩnh, khơng có độ điều chỉnh,thời gian để hệ tiến tới ổn định t = 50s - Bộ điều khiển mờ tĩnh cho chấú́t lượng động nhấú́t( điều khiển PID điều khiển mờ động) Mặc dù đáp ứng hệ thống khơng có độ q điều chỉnh thời gian để hệ tiến tới ổn định t = 80s, tác động chậm điều khiển mờ động - Bộ điều khiển PID cho chấú́t lượng điều khiển mờ động tốt điều khiển mờ tĩnh Thể ởở̉ chỗ thời gian hệ tiến tới ổn định nhanh điều khiển mờ tĩnh t = 60s SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 69 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh 3.6 Kết luận Kết mô sử dụng hai điều khiển PID mờ chỉnh định tham số PID ta nhận thấú́y : Bộ điều khiển mờ động chỉnh định tham số PID cho chấú́t lượng tốt hơn, độ điều chỉnh(sai lệch so với gia trị đặt) nhỏ hơn.Trong hai điều khiển mờ động điều khiển mờ tĩnh điều khiển mờ động cho chấú́t lượng tốt Tuy nhiên, điều kiện hạn chế thiết bị thí nghiệm, chưa thể tiến hành thực nghiệm, để có kết luận xác so sánh chấú́t lượng điều khiển thực với Bộ điều khiển mờ dễ hiểu so với điều khiển khác dễ dàng thay đổi Điều khiển mờ sử dụng cho hệ thống khơng cần biết xác mơ hình đối tượng Đối với tốn thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng điều khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính tốn giảm giá thành sản phẩm SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 70 Đề tài khoa học GVHD: Th.s Nguyễn Thị Chinh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phước, N D; Minh.X.P, Lý thuyếá́t điều khiển mờ; NXB Khoa họọ̣c & Kỹ thuật; 2006 [2] Nguyễn Phùng Quang: “Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, NXB Khoa họọ̣c Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [3] Nguyễn Mạnh Tùng, Nguyễn Như Hiển,: “Điều khiển logic PLC” NXB KH&KT, 20071 [4].Bài giảng “ Hệ thống thông minh” TS Nguyễn Mạnh Tùng SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 71 ... thiệu điều khiển mức lò nhà máy nhiệt điện - Chương 2: Xây dựng hệ thống điều khiển mức lò cho mơ hìnhnhàmáynhiệtđiện -Chương 3: Thiết kế bộ? ?iều khiển mờ điều khiển mức lị cho mơ hình nhà máy nhiệt. .. nướcta.Để nghiên cứu phương pháp điều khiển nâng cao chấú́t lượng lò hơi, em giao đề tài : "Nghiên cứu, ứng dụng điều khiển thông minh điều khiển mức lị mơ hình thí nghiệm nhà máy nhiệt điện" 2.Mục... thống điều khiển mức lò mơ hình thí nghiệm nhà máy nhiệt điện Hiệu quả: Xây dựng đường đặc tĩnh điều khiển Khả áp dụng phương thức chuyển giao kết nghiên cứu: Ứng dụng điều khiển thông minh cho mức