Chương 3 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD PGS TSKH VS Nguyễn Văn Mạnh LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình sản xuất điện năng của nhà máy nhiệt điện , lò hơi là một khâu quan trọng có nhiệm vụ biến đổi năng lượng[.]
Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh LỜI NĨI ĐẦU Trong q trình sản xuất điện nhà máy nhiệt điện , lò khâu quan trọng có nhiệm vụ biến đổi lượng tàng trữ nhiên liệu thành nhiệt Hơi bão hòa sau khỏi bao đưa tới nhiệt , nâng lên tới nhiệt độ cao trở thành nhiệt đưa vào tuabin quay máy phát Hơi nhiệt tiêu quan trọng lò Việc trì nhiệt độ q nhiệt dải khơng đổi tải lị thay đổi ln đặt lên hàng đầu nhằm cải thiện hiệu chuyển đổi từ nhiệt thành , tránh phá hủy vật liệu kim loại , đảm bảo chất lượng trước đưa vào tuabin Điều thực hệ thống điều chỉnh nhiệt hoạt động tốt , ổn định chất lượng cao Trong trình điều chỉnh , độ trễ qn tính lớn hệ thống vịng ngun nhân làm giảm tác động nhanh làm giảm độ xác q trình điều chỉnh Do thực tế để nâng cao chất lượng điều chỉnh người ta thường áp dụng sơ đồ hai vòng với thiết bị chế tạo theo luật điều chỉnh đơn giản Mặt khác việc tổng hợp hệ thống điều chỉnh gặp khó khăn tính phức tạp đối tượng nhiệt , đối tượng nhiệt có độ trễ vận tải lớn , tính chất phi tuyến thường đối tượng bất định việc áp dụng phương pháp tổng hợp kinh điển hiệu Trong bối cảnh quan điểm tổng hợp cấu trúc bền vững cao đời sở để tổng hợp hệ thống điều chỉnh với độ ổn định cao , sai số điều chỉnh nhỏ , trình độ đảm bảo hệ số tắt dần cao trường hợp có thay đổi tải Thực tế hệ thống điều chỉnh nhiệt độ nhiệt nhà máy sau thời gian làm việc biên độ dao động lớn , thời gian điều chỉnh kéo dài Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh có thay đổi đáng kể phụ tải , nhiễu …Độ điều chỉnh lớn dẫn tới nhiệt độ nhiệt vượt khoảng cho phép , gây nguy hiểm , thiệt hại kinh tế lớn phải dừng tổ máy Một nguyên nhân q trình hiệu chỉnh thơng số điều chỉnh khơng tốt Đồ án trình bày việc tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ nhiệt nhà máy nhiệt điện Phả Lại sở quan điểm tổng hợp bền vững tối ưu chất lượng cao áp dụng với sơ đồ điều khiển hệ thống điều khiển nhiệt độ nhiệt Đề tài “Tối ưu hóa hệ thống điều chỉnh nhiệt độ nhiệt nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2” giải vấn đề sau : - Chương : Tổng quan hệ thống điều khiển nhà máy nhiệt điện Phả Lại - Chương : Giới thiệu hệ thống điều khiển nhiệt độ nhiệt nhà máy Phả Lại II - Chương 3: Các phương pháp mơ hình hóa tổng hợp hệ thống điểu chỉnh công nghiệp - Chương : Nội dung tính tốn đánh giá chất lượng Trong đồ án này, kiến thức hạn chế thời gian có hạn, nên em có điều kiện nghiên cứu nhánh hệ thống điều khiển nhiệt độ nhiệt đầu lò Cùng với góp ý , giúp đỡ tận tình thầy mơn hệ thống tự động hóa trình nhiệt , thầy giáo PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh, nên em hoàn thành đồ án Mặc dù có nhiều cố gắng trình thực đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận quan tâm bảo thầy để đồ án em hoàn thiện Sinh viên Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA NHÀ MÁY 1.1 Giới thiệu tổng quan hệ thống điều khiển DCS nhà máy điện Phả lại 2: 1.1.1 Tổng quan hệ DCS: DCS chữ viết tắt Distributed Control System – hệ thống điều khiển phân tán – dùng để lớp hệ thống điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển phân tán.Khác với PLC,DCS giải pháp tổng thể kể phần cứng phần mềm cho toàn hệ thống phát triển từ ứng dụng điều khiển ngành cơng nghiệp hóa chất với điều khiển ban đầu sử dụng kỹ thuật tương tự.Giải pháp thiết kế hệ DCS thương phẩm hướng vào ứng dụng điều khiển phân tán nên thường thiết kế theo hệ thống mở,khả tích hợp cao kể tích hợp với PLC khác điều khiển máy công đoạn sản xuất độc lập.Mục tiêu tạo thuận lợi cao cho người kỹ sư thiết kế tích hợp hệ thống điều khiển Thế mạnh DCS khả xử lý tín hiệu tương tự thực chuỗi trình phức tạp,khả tích hợp dễ dàng.Các hệ thống DCS thương phẩm thường bao gồm điều khiển (controller) ,hệ thống mạng truyền thông phần mềm điều hành hệ thống tích hợp.Các hệ DCS quản lý từ vài nghìn điểm đến vài chục nghìn điểm vào /ra.Nhờ cấu trúc phần cứng phần mềm,hệ điều khiển thực đồng thời nhiều vịng điều chỉnh,điều khiển nhiều tầng,hay theo thuật tốn điều khiển đại,nhận dạng hệ thống,điều khiển thích nghi,tối ưu,bền vững,điều khiển theo mơ hình dự báo (MPC),Fuzzy,Neutral,điều khiển chất lượng (QCS) Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Để phục vụ cho việc trao đổi thông tin,các hệ DCS thương phẩm ngày hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý.Hiện giao thức chuẩn hóa (Profibus,Foundation FieldBus,Ethernet) Các hệ DCS thương phẩm ngày có độ tin cậy cao : nhờ có khả dự phịng kép tất thành phần hệ (controller,modul I/O,bus truyền thơng),khả thay đổi chương trình (sửa chữa download) ,thay đổi cấu trúc hệ , thêm bớt thành phần mà không làm gián đoạn ,không cần khởi động lại trình (thay đổi online) Cơ sở liệu trình hệ DCS thương phẩm thiết kế sẵn sở liệu lớn có tính tồn cục thống nhất,thời gian bảo hành hỗ trợ dài Tất đặc điểm cho thấy hệ DCS hoàn toàn đáp ứng u cầu giải pháp tự động hóa tích hợp tổng thể.Thị trường DCS toàn cầu tăng trưởng 2-3%/năm Tới nay,DCS thay ứng dụng lớn như:ứng dụng nhà máy nhiệt điện… Hệ thống điều khiển phân tán DCS điều khiển q trình cơng nghệ nhà máy (gồm lò thiết bị phụ bơm cấp, máy nghiền ), hệ thống điều khiển PLC (gồm hệ thống xử lý nước, nước thải, than, lọc bụi, khử lưu huỳnh ) hệ thống điều khiển MarkV để điều khiển Tuabin, máy phát Tất hệ thống nối với hệ thống DCS qua đường truyền liệu tốc độ cao, tạo thành mạng điều khiển phân cấp Người vận hành vận hành nhà máy thông qua giao diện vận hành Người - Máy (HIS) hệ thống DCS đặt phịng điều khiển trung tâm, thơng qua hình máy tính PC hay Panel điều khiển chỗ Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Hệ thống điều khiển DCS dây chuyền nhà máy điện Phả Lại hệ thống điều khiển CS3000 hãng YOKOGAWA cung cấp Hệ thống CS3000 bao gồm: HIS (Human Interface Station) dùng để điều khiển chức vận hành giám sát, FCS (Field Control Station) thực chức điều khiển, mạng điều khiển (V net) kết nối trạm Các chức khởi tạo, định nghĩa hệ thống làm việc HIS máy tính PC sử dụng cho mục đích chung Hình 1.1: Cấu hình hệ thống CS3000 1.1.2 Chức hệ DCS Chức quan trọng DCS điều khiển toàn q trình cơng nghệ nhà máy.Chức điều khiển điều khiển đảm nhận,được đặt phòng điều khiển trung tâm trạm điều khiển.Chức điều khiển DCS thể sơ đồ sau: Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Chức điều khiển DCS Chức điều khiển Thực thuật toán điều khiển tự động Thực thuật toán điều khiển Chức điều khiển liên động Thực thuật toán phức tạp Chức quản lí theo khối Chức truyền thơng với hệ thống phụ Hình 1.2: Sơ đồ chức DCS -Chức điều khiển DCS thực tất chức điều khiển nhà máy.Các thành phần thực chức điều khiển DCS gọi “khối hàm” (Function Block).Mỗi khối hàm đại diện cho phận nhỏ toán điều khiển.Việc thực thiết kế chức điều khiển thực chất cách kết hợp khối hàm lại với cho phù hợp +Chức thực thuật toán điều chỉnh tự động Chức điều chỉnh tự động thực cho vòng điều chỉnh phản hồi trình liên tục.Thành phần tham gia vào chức điều chỉnh tự động khối PID,các khối hàm chuyển đổi định dạng liệu vào/ra khối hàm toán học +Chức thực thuật toán điều khiển Thuật toán điều khiển thực cho số công đoạn làm việc theo chuỗi kiện nối tiếp nhà máy.Chức vừa điều khiển Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh công đoạn độc lập đồng thời quản lý toàn chuỗi kiện xảy hệ thống.Có thể sử dụng chức cho toán liên động kết hợp thực công đoạn liên tục tồn nhà máy +Chức thực thuật tốn phức tạp DCS hệ điều khiển ứng dụng cho nhà máy có quy mơ lớn,cơng nghệ liên tục phức tạp,địi hỏi phải sử dụng nhiều thuật tốn tiên tiến để giải toán tối ưu tiết kiệm nhiên- nguyên liệu.Các thuật toán cấp cao thường ứng dụng cho nhà máy bao gồm thuật toán điều khiển nối tầng (cascade),thuật toán điều khiển tiền định (feedforward),các thuật toán phân ly hệ đa biến,thuật tốn điều khiển mờ,thích nghi,nơ ron… -Chức truyền thơng,trao đổi thông tin với hệ thống phụ Subsystem Trong nhà máy lớn,bên cạnh hệ DCS ,ln có hệ PLC đảm nhận công việc điều khiển cho công đoạn nhỏ trạm bơm cấp nước,nước thải…và tất tham số cần phải đưa vào hệ thống DCS chung toàn nhà máy để tập trung sở liệu phục vụ giám sát quản lý Hầu hết hệ DCS khơng tích hợp sẵn chương trình điều khiển truyền thống module truyền thơng với PLC Mà thay vào ,DCS liên kết với hệ PLC cho thiết bị chọn phù hợp đỡ tốn *Chức vận hành giám sát hệ thống (chức SCADA) -Hiện thị trạng thái hoạt động toàn nhà máy Bằng thư viện hình ảnh cơng cụ xây dựng đồ họa,DCS cho phép biểu diễn tồn q trình,thiết bị nhà máy lên hình cách trực quan sinh động,cung cấp giao diện vận hành giám sát Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Từ ta nhận biết trạng thái hoạt động nhà máy thông qua đối tượng đồ họa giao diện điều khiển – Instrument Faceplate -Chức hiển thị biến trình dạng đồ thị Để vận hành giám sát toàn nhà máy với nhiều thiết bị,tham số trạng thái DCS phân chia,sắp xếp biểu diễn tham số,trạng thái nhiều hình thức khác nhằm tạo thuận lợi tối đa cho người vận hành -Chức cảnh báo trình Bên cạnh chức điều khiển ,giám sát trạng thái,việc đưa cảnh báo cho người vận hành gợi ý xử lý yêu cầu thiếu hệ DCS Các cảnh báo hệ thống chia thành nhiều cấp độ khác nhau: +Cảnh báo nguy +Báo động +Báo lỗi -Chức lập báo cáo Để hỗ trợ cho công tác giám sát quản lý,DCS cung cấp báo cáo cho biến trình,các khu vực quan trọng theo định kỳ theo yêu cầu nhằm: Thu thập,hiển thị in thông tin trạng thái hoạt động hệ thống Báo cáo cảnh báo,thông điệp liên quan đến thiết bị,tín hiệu vào/ra trạng thái function block Báo cáo lịch sử làm việc,các lỗi,sự kiện xảy hệ thống -Chức an toàn hệ thống Để ngăn chặn lỗi vận hành đảm bảo an toàn cho hệ thống,DCS cung cấp khả phân chia quyền quy nhập hệ thống cụ thể đến thiết bị functionblock Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Có thể đặt nhiều mức độ bảo mật an toàn khác từ cấp khu vực,đến thiết bị nhà máy Mỗi người vận hảnh có tên mật riêng có quyền truy cập hệ thống khu vực định trước phải chịu trách nhiệm hồn tồn với khu vực Điều mặt tránh nguy cơ,ngăn chặn lỗi vận hành mặt khác để thuận lợi cho nhà quản lý việc tìm người có trách nhiệm cho kiện kiểm soát tốt tình trạng hoạt động tồn nhà máy 1.1.3 Các phần hệ thống DCS - Phần : Điều khiển khối - Phần : Điều khiển khối - Phần : Điều khiển phần chung Các phần liên kết với Bus Converter cho giao diện HIS mạng điều khiển phần chung điều khiển tổ máy, HIS tổ máy điều khiển tổ máy khác Mặt khác, BUS Converter cách ly điện mạng điều khiển tổ máy phần chung 1.1.4 Các cấp hệ thống DCS - Cấp quản lý, giám sát - Cấp giao diện vận hành - Cấp điều khiển - Cấp chấp hành Cấp quản lý giám sát: Giám sát toàn trình hoạt động nhà máy, gồm: - SUPERVISORS PC : Giám sát chung Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh - HISTORIAN : Là máy tính có dung lượng lớn dùng để lưu trữ thông tin vận hành nhà máy, sử dụng phần mềm quản lý liệu PI (Plant Information) Các HISTORIAN lấy thông tin từ FCS thông qua OPC SERVER, từ ghi SOE - OPC SERVER : máy tính quản lý truyền liệu qua giao thức mạng khác nhau, từ FCS qua VNET đến OPC SERVER qua mạng ETHERNET đưa đến HISTORIAN phần có máy OPC SERVER , cho thu nhập tín hiệu tương tự , cho tín hiệu số Giao diện OPC: Hình 1.3 : Giao diện OPC Giao diện OPC cung cấp YOKOGAWA cho phép người sử dụng truy cập liệu HIS FCS thông qua OPC SERVER chạy trạm Exaopc Giao diện OPC giao diện chuẩn cho việc điều khiển trình sử dụng kết nhúng đối tượng (OLE) Nó bao gồm SERVER mà cung cấp cho HIS FCS với giao diện dùng để truy cập tới SERVER Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Bộ điều khiển số nhận tín hiệu rời rạc sau chu kỳ trích mẫu, sau xấp xỉ trị số gần Chu kỳ trích mẫu thực tế thường chọn nhỏ so với thời gian độ đối tượng Đồng thời, số giá trị số rời rạc lớn nhờ số bít biểu diễn số lớn Trong khoảng hai thời điểm trích mẫu liên tiếp, tín hiệu vào điều khiển không thay đổi Do vậy, tín hiệu số hóa đường bậc thang liên tiếp với bậc thang nhỏ, tiến gần đường tín hiệu liên tục Trên sở đó, thực tế người ta coi tín hiệu đầu điều khiển số trùng với tín hiệu thực Xét luật điều chỉnh PID liên tục: t K dε (t ) µ (t ) = K P ε (t ) + P ∫ ε (θ )dθ + K P TD TI dt (2.50) Có thể xấp xỉ luật điều chỉnh theo tín hiệu rời rạc, sau : µ (t i ) = K P ε (t i ) + KP TI i ∑ ε (t k )Tc + K PTD k =0 ε (t i ) − ε (t i −1 ) , Tc (2.51) đó, Tc – chu kỳ trích mẫu Xét biểu thức tổng (3.51), ta có: i i −1 k =0 k =0 E (t i ) = ∑ ε (t k ) = ∑ ε (t k ) + ε (t k ) = E (t i −1 ) + ε (t k ) Thay vào (3.51) biến đổi, ta được: Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học µ (t i ) = K P ε (t i ) + GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh K P Tc ε (t i ) − ε (t i −1 ) E (t i ) + K P T D TI Tc = K P ε (t i ) + K P Tc [ E (t i−1 ) + ε (t i )] + K PTD ε (ti ) − ε (ti −1 ) TI Tc = K P ε (t i ) + K P Tc K T K T K T E (t i −1 ) + P c ε (t i ) + P D ε (t i ) − P D ε (t i −1 ) TI TI Tc Tc T T T T = K P 1 + c + D ε (t i ) + c E (t i −1 ) − D ε (t i −1 ) TI Tc TI Tc µ (t i ) = K P { [1 + a + b]ε (t i ) + aE (t i −1 ) − bε (t i −1 )} , a = Tc T ,b = D TI Tc (2.52) Công thức (2.52) thường dùng để xác định tác động điều chỉnh PID số thời điểm ti, tương ứng với điều khiển PID liên tục (2.50) Nếu chu kỳ trích mẫu Tc đủ nhỏ (dưới hàng trăm lần), PID số trùng với PID liên tục Đồng thời trình điều khiển rời rạc trùng với điều khiển liên tục Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Hình 3.14 : Sơ đồ lắp ráp hệ thống Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH CƠNG NGHIỆP Nhìn tổng thể hệ thống điều khiển (hay điều chỉnh trường hợp riêng) tự động chia thành hai phận,thiết bị tác động lẫn nhau:đối tượng điều khiển điều khiển.Đối tượng điều khiển nhóm thiết bị hoạt động tạo nên chất cơng nghệ q trình sản xuất.Bộ điều khiển nhóm thiết bị tác động vào đối tượng điều khiển tác động lệnh theo qui luật tốn học định nhằm trì chế độ làm việc định trước hệ thống.Bộ điều khiển liên hệ với đối tượng điều khiển đường thơng tin có định hướng 3.1 Các phương pháp nhận dạng đối tượng: Các đối tượng điều chỉnh gặp công nghiệp đa dạng từ đơn giản đến phức tạp.Các đối tượng có đầu vào đầu ra,nhiều đầu vào đầu nhiều đầu vào nhiều đầu -Đối tượng có đại lượng điều chỉnh đối tượng mà tín hiệu x r(t) kiểm soát thay đổi tác động nhiều đại lượng vào: µ(t)_tác động điều chỉnh,λ1(t), λ2(t)… λm(t)_chấn động bên bên ngoài.Theo nguyên lí xếp chồng với giả thiết đại lượng vào thay đổi khoảng nhỏ hệ tuyến tính hóa được,ta biểu diễn: Xr(t) = Xrµ (t) + Xrλi(t) Xr(t):sự thay đổi tín hiệu điều chỉnh gây tín hiệu vào tác động đồng thời Xrµ (t):thành phần tín hiệu gây nên tác động điều chỉnh µt Xrλi(t):thành phần tín hiệu gây nên chấn động Dưới dạng ảnh laplaxo: Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học Xr(s) = Xrµ (s) + GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Xrλi(s) = Wo(s) µ(s) + Wi(s).Λi(s) -Đối tượng có nhiều đại lượng điều chỉnh đối tượng phức tạp thường gặp cơng nghiệp.Có thể phân làm loại: +Đối tượng mà tác động điều chỉnh ảnh hưởng đến đại lượng điều chỉnh tương ứng.Trong trường hợp này,đối tượng phức tạp tách thành nhiều đối tượng đơn giản hơn,độc lập lẫn nhau.Hệ gọi hệ Autonom (tách được).Tính tốn thiết kế hiệu chỉnh hệ Autonom hồn tồn giống với hệ có đại lượng điều chỉnh +Đối tượng mà tác động điều chỉnh ảnh hưởng đến nhiều đại lượng điều chỉnh khác.Đối tượng gọi không tách (non-autonom).Hệ thống tự động tương ứng với đối tượng gọi hệ nhiều liên kết Xr1(s) = W11(s) µ1(s) + W12(s) µ2(s) + W1-λi(s).Λi(s) Xr2(s) = W21(s) µ1(s) + W22(s) µ2(s) + W2-λi(s).Λi(s) -Trong trường hợp tổng quát hệ có n đại lượng điều chỉnh,n tác động điều chỉnh tương ứng m chấn động,quan hệ vào – viết dạng ma trận hàm truyền Muốn nghiên cứu thiết kế hệ thống ta phải nghiên cứu tính chất động học đối tượng thơng qua đặc tính đối tượng (đặc tính thời gian,đặc tính tần số) hay mối quan hệ động học dạng giải tích đồ thị tín hiệu với tín hiệu vào riêng biệt Đối tượng nhiệt nói chung qn tính lớn ,có thể có trễ.Về mặt động học chúng lọc giải thơng tần số thấp.Có thể phân loại đối tượng cơng nghiệp thành nhóm theo dạng đặc tính động +Nhóm thứ hệ vật lý trung tính.Đường cong độ đối tượng loại theo thời gian tiến tới vô tận Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh +Nhóm thứ hai gồm đối tượng-hệ vật lý ổn định hay có tự cân bằng.Đường cong độ đối tượng dạng thứ có xu hướng tiến tới tiệm cận ngang song song với trục thời gian.Đối tượng điều chỉnh nhiệt thuộc dạng Từ nhận dạng theo nhóm đối tượng Dưới xét phương pháp điểu hình sau: 3.1.1 Phương pháp xấp xỉ tuyến tính Thực chất phương pháp thay đường cong độ h(t) đường gấp khúc gồm đoạn thẳng biểu diễn hàm độ tổng hàm đoạn thẳng trên, sau lấy Laplaxơ hai vế chia cho đại lượng đầu vào dạng Laplaxơ, ta hàm truyền đối tượng Ưu điểm phương pháp xấp xỉ tuyến tính đơn giản, dễ lập trình cho máy tính Độ xác tùy vào số điểm chia Nhược điểm phương pháp địi hỏi cao độ xác đặc tính q độ, khối lượng tính tốn lớn khơng cho mơ hình hàm truyền đối tượng dạng tường minh 3.1.2 Phương pháp phân tích cấu trúc Bản chất phương pháp quy đối tượng công nghiệp dạng (2.1), từ đặc tính độ thu từ thực nghiệm ta xác định hệ số khuyếch đại, bậc quán tính, số thời gian, bậc phi tĩnh q Trình tự xác định sau: a Đối với đối tượng có tự cân đặc tính q độ khơng có điểm uốn: u( t) O(s) h(t) Tác động đầu vào xung bậc thang u(t) h(t) k=h(∞)/ u0 t Hình 3.1a: Đặc tính q độ khơng có điểm uốn Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Trong trường hợp hàm truyền đối tượng coi qn tính bậc có trễ, mơ hình đối tượng có dạng: W(s) = e -τs k Ts + (3.1) Chuyển sang miền thời gian ta được: t −τ h(t) = L-1{W(s)/s} = k(1- e − T ).u(t) Hệ số khuyếch đại k xác định sau: k = h(∞)/u0; (vì k = lim t →∞ h(t) ) Độ trễ τ, số thời gian T xác định trực tiếp đồ thị (Hình 2.1a) sau kẻ tiếp tuyến xuất phát từ điểm bắt đầu đặc tính độ sau thời gian trễ Vì gọi α hệ số góc đường tiếp tuyến thì: tangα = dh(+0)/dt = k/T b Trường hợp đặc tính q độ có điểm uốn Trường hợp đường cong đặc tính u(t) q độ có điểm uốn tu (tu thoả mãn điều kiện h’’(t)│t = tu = 0) tu τ0 τe hàm truyền đối tượng Ta k=h(∞)/u Hình 3.1.b Đặc tính có điểm uốn xấp xỉ khâu trễ mắc nối tiếp với n khâu quán tính bậc nhất: W(s) = e -τs k (Ts + 1) n (2.2) Hàm q độ đối tượng theo mơ hình (2.2) có dạng sau: − t −τ i −1 T t − τ u(t) h(t) = k [1 - ∑ e ] i =1 (i − 1)! T n Kỹ thuật lượng _K 51 t Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Việc xác định tham số mơ hình (τ,k,T,n) thực đồ thị (H.1.2b) theo trình tự sau: 1) Xác định hệ số khuyếch đại k = h(∞)/u0, độ trễ túy τ0 xác định theo đồ thị (H 2.1b) 2) Xác định tọa độ điểm uốn tu, từ điểm uốn kẻ tiếp tuyến với đường đặc tính độ cắc trục hồnh tiệm cận ngang đặc tính q độ hai điểm, kẻ đường vng góc từ giao điểm tiếp tuyến với tiệm cận ngang xuống trục hoành, ta thu giá trị Ta 3) Bậc quán tính n xác định cách làm tròn giá trị theo công thức: tu − τ n= Ta 4) Hằng số thời gian T = Ta.θ(n), θ(n) – hệ số phụ thuộc vào n xác định theo bảng sau: N θ(n) 1 0,368 0,272 0,224 0,196 0,176 0,160 0,49 c Trường hợp đối tượng khơng có tự cân (phi tĩnh) Đối tượng loại có biểu diễn hàm truyền đạt mơ hình (3.1) W ( s ) = e −τs Wcb ( s) sq Trong Wcb(s) thành phần hàm truyền có tự cân bằng, q – bậc phi tĩnh Với đối tượng loại đưa việc xác định hàm truyền đối tượng có tự cân nhờ chuỗi biến đổi sau: L[h(t)] = W ( s ) Wcb ( s ) W (s) W (s) = ⇒ sq = q s s s s.s (3.3) Gọi hcb(t) đặc tính độ tương ứng với Wcb(s), từ (2.3) dùng phép biến ảnh vi phân thu được: Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh h(t) h(t) d q h (t ) = hcb (t ) d qt (2.4) h(ti+1 ) ) h(t u(t) i hcb(t) h (t h = k ti ti+1 i+1 t ) − h (t ) i i+1 −t t i Hình 3.1.c Xác định mơ hình đối tượng khơng có tự cân thơng qua phương pháp hình học Từ (2.4) rút trình tự nhận dạng đối tượng khơng có tự cân sau: 1) Từ đồ thị xác định thành phần trễ τ 2) Dựng đồ thị hcb(t) đạo hàm bậc q đặc tính h(t), dựng phương pháp xấp xỉ hình học nhận h cb(t) có đường tiệm cận ngang (H.2.1c) số lần dựng đồ thị (xấp xỉ theo công thức sai phân h (t h k = i +1 t ) − h (t ) i i +1 −t ) nhận bậc phi tĩnh q i 3) Nhận dạng hcb(t) nêu mục a b Cuối thu mơ hình : W ( s ) = e −τs Wcb ( s) sq Phương pháp xác định mơ hình đối tượng phân tích cấu trúc đơn giản, dễ tiến hành nhiên phù hợp với đối tượng đơn giản đối tượng phức tạp phương pháp cho sai số lớn Ngoài phương pháp phụ thuộc vào độ khéo léo người (nhất xác định tiếp tuyến điểm uốn), thực tế số liệu thu thập cho Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh dạng đồ thị không “trơn” khó xác định xác mơ hình đối tượng khó lập trình cho máy tính 3.1.3 Phương pháp diện tích Bản chất phương pháp biểu diễn hàm truyền đối tượng có tự cân tích hệ số khuyếch đại với thương số hai đa thức tổng quát bậc m bậc n (m< = n ) Hệ số khuyếch đại tìm cách chia đáp ứng đầu thời điểm vơ cho tín hiệu đầu vào Các thông số đa thức tìm thơng qua phần diện tích bị chặn trục tung, đường tiệm cận ngang đường cong độ quy chuẩn Ưu điểm phương pháp diện tích có độ xác cao, dễ lập trình cho máy tính điện tử, sử dụng cho đặc tính độ dạng đồ thị bảng số liệu, khơng địi hỏi tính trơn đồ thị Nhược điểm phương pháp tính tốn phức tạp, thời gian tính tốn lâu 3.1.4.Phương pháp mơ hình thống kê Bản chất phương pháp: dựa số liệu thí nghiệm dạng bảng số liệu đồ thị tự ghi đánh giá thông tin tiên nghiệm thu đối tượng có tự cân hay khơng có tự cân bằng, có điểm uốn hay khơng sau chọn mơ hình có cấu trúc gần xác định tham số cho mơ hình cho sai số bình phương mơ hình số liệu nhận nhỏ Nếu kết thu chưa đủ xác nâng dần độ phức tạp cấu trúc mơ hình lặp lại đạt kết mong muốn Với phương pháp nhận dạng đối tượng theo hàm đặc tính thời gian đặc tính tần số Ta gọi: Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh WM(s,A) – mơ hình hàm truyền, A = {k, τ, a i, bi} – vector tham số mơ hình, s biến tần số i = ÷ n , hM(t,X) – mơ hình hàm q độ X = {k, τ, a i, bi} – vector tham số mơ hình, t – biến thời gian Khi xác định mơ hình q trình tìm vector A *, X* cho hàm mục tiêu sau đạt cực tiểu: n J ( X ) = ∑ [hM (t i , X ) − hi ] → X i =1 hàm độ n J ( A) = ∑ [WM (ω i , A) − Wi ] → A i =1 hàm truyền đối tượng (3.5) Tuy nhiên hàm đặc tính độ thường phức tạp, có chứa hàm đa thức, hàm số mũ, hàm điều hịa dạng sin, cos, nhận dạng xong khó dùng hàm làm mơ hình cho mục đích Để tránh khó khăn trước nhận dạng , từ số liệu thí nghiệm ta chuyển sang đặc tính tần số theo phương pháp xấp xỉ tuyến tính (trình bày phần “nhận dạng đối tượng hệ hoạt động” ) Giả thiết chọn cấu trúc mơ hình đối tượng q, m,n công thức (1.11) biểu diễn sau: n J ( A) = ∑ {[ PM (ω i , A) − Pi ] + [ QM (ω i , A) − Qi ] } → i =1 A Trong WM(ω,A) = PM(ω,A) + jQM(ω,A); Pi(ωi) + jQ(ωi) phần thực phần ảo đặc tính tần số biên độ pha đối tượng Để giải toán thường phải dùng phương pháp quy hoạch phi tuyến, toán giải tự động CASCAD với thuật toán “vượt khe” thầy giáo VS Nguyễn Văn Mạnh đề xuất Phương pháp mơ hình thống kê phương pháp vạn cho kết xác cao, sử dụng tốn đại cho cơng việc nhận dạng dễ lập trình máy tính Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Nhận dạng đối tượng bất định Trên thực tế, khó xác định mơ hình cho đối tượng nhiệt, nhiều lý như: sai số mơ hình, sai số đo, sai số tính toán, biến đổi cấu trúc thay đổi chế độ phụ tải, sai số biến đổi đối tượng theo thời gian …do đối tượng có tính bất định Mơ hình hàm truyền đối tượng bất định biến thiên kiểu đĩa tròn xác định sau: W ~ ( s ) = W o ( s) + M ( s ) ρe jϕ (3.6) Trong Wo(s) – mơ hình đối tượng sở, |M(s)|ρ.ejφ – phần biến thiên dạng vòng tròn, với |M(s)| - biên độ bất định (hay nhân bất định), ρ ∈ [0 ÷ 1] - bán kính bất định, ϕ ∈ [0 ÷ 2π ] - pha bất định Bán kính pha bất định cho phép xác định điểm vòng tròn biến thiên (H.2.2a,b) Im y(t) ui ui |M(s)| q vi viq ϕ Re Wo(s) t W~(s) a, b, Hình 3.2a,b : Đặc tính tần số độ đối tượng bất định Mơ hình phần biến thiên chọn dạng: b0 + b1 s + ⋅ ⋅ ⋅ + bm s m f (ω ) = M ( s ) = , s = jω + bm +1 s + ⋅ ⋅ ⋅ + bm + n s n Với {b0, b1,…,bm+n} – vector hệ số cần tìm, m, n cấu trúc hàm M(s) m,n thường chọn khơng vượt q cấu trúc mơ hình hàm truyền sở trình nhận dạng tiến hành theo ttrinhf tự sau: Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh 1) xác định mơ hình sở Wo(s,A) : giả sử từ số liệu thực nghiệm có n cặp tọa độ đường đặc tính biên độ pha ứng với tần số (i = 1,…n) đồng thời từ số liệu thí nghiệm đủ lớn có ứng với tần số ωi có m cặp tọa độ ứng với m đặc tính khác mà chúnh ta thu được, sở xác định A thông qua hàm [[ ] [ J ( X ) = ∑ ∑ ( P j (ω i , A)) − P j (ω i ) + Q j (ω i , A) − Q j (ω i ) ] ] → A 2) Xác định M(s): ứng với ω i xác định điểm Oi tương ứng đường sở Wo(s,A) xác định khoảng cách ρij từ điểm Oi đường sở tới điểm bất định có tần số ωi, chọn ρ imax = max{ ρ ij } mj=1 Tải FULL (107 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phịng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Hàm mục tiêu xấp xỉ tối ưu mơ hình có dạng: n n J r ( B ) = ∑ f (ω i ) − ρ i + Pr ∑ { f (ω i ) − ρ i − f (ω i ) + ρ i } i =1 i =1 (3.7) n: số giá trị tần số; Pr – hệ số phạt Hàm phạt đảm bảo cho hàm f(ω) đường bao biên độ biến thiên bất định xảy |f(ω)| ρimax ωi Hình 2.3 Đường biểu diễn mơ đun hàm bất định f(ω) Ưu điểm phương pháp mơ hình thống kê tính vạn cao, ứng dụng trường hợp đặc tính độ đối tượng tần số Lời giải có độ xác cao Dễ lập trình cho máy tính điện tử dạng chương trình Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh mẫu Phương pháp thuận tiện cho việc xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi 3.2 Tổng hợp điều chỉnh theo quan điểm bền vững tối ưu chất lượng cao: Các phương pháp tổng hợp hệ thống điều chỉnh trình bày có ưu điểm đơn giản dễ thực Tuy nhiên chất lượng điều chỉnh hệ thống không cao không đánh giá đầy đủ tiêu đánh giá chất lượng điều chỉnh gặp khó khăn đối tượng có trễ vận tải, có thành phần tích phân, đối tượng bất định Để khắc phục hạn chế trên, năm 1999 PGS TSKH.VS.Nguyễn Văn Mạnh xây dựng phương pháp tổng hợp bền vững tối ưu chất lượng cao cho hệ thống điều chỉnh Quan điểm phương Tải FULL (107 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ pháp sau: 3.2.1 Cấu trúc chất lượng cao Xét hệ tuyến tính có sơ đồ cấu trúc điển hình 2.6: L B(s) g R(s) O(s) y - Trong đó: Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc điển hình hệ thống điều khiển g: Tác động điều khiển hệ thống (hay giá trị đặt) L: Tổ hợp tác động nhiễu y: Đại lượng điều khiển đầu ra; R(s), O(s), B(s): Lần lượt hàm truyền điều chỉnh, đối tuợng theo kênh điều chỉnh theo kênh tác động nhiễu s: Biến số phức Kỹ thuật lượng _K 51 Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD:PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Theo sơ đồ, ta có: WH(s) = R(s)O(s) – Hàm truyền hệ hở W K(s) = WH (s) - Hàm truyền − WH (s) hệ kín theo kênh điều khiển Ta có đáp ứng y = y g + yL, yg - Là đáp ứng thành phần gây tác động điều khiển z; y L - gây tác động nhiễu L Ta có: Yz(s) = zWK(s) YL(s) = LB(s)[1 + WH (s) − WH (s)] L.B(s) = = LB(s)[1 – WK(s)] + WH (s) + WH (s) Y(s) = Yg + YL =gWK(s) + LB(s)[1 – WK(s)] Từ dễ thấy rằng, cho W K(s) ≡ 1, đại lượng y = g.1 + LB(s)[1-1] ≡ g Điều chứng tỏ rằng, hàm truyền hệ thống 1, đại lượng đầu bám theo tín hiệu điều khiển đầu vào cách xác tuyệt đối, đồng thời khử hồn toàn nhiễu tác động vào đối tượng Để xây dựng hệ thống lý tưởng vậy, theo sơ đồ điều khiển hình 1.8, địi hỏi hệ số khuếch đại điều khiển lớn vơ cùng, vì: WH(s) = WK (s) = =∞ − WK (s) − Điều phi vật lý, thực tế thực Với khả tốt nhất, xây dựng hệ thống tiến gần đến lý tưởng, tức thực hiện: WK(s)≈1 3.2.2 Cấu trúc bền vững cao Có thể xây dựng hệ gần lý tưởng trên, dựa sở luận sau đây: Xét tính ổn định, hệ thống có dự trữ ổn định lớn, số dao động m hay độ tắt dần tương ứng ψ = – e-2πm lớn Khi đó, nghiệm Kỹ thuật lượng _K 51 3446146 ... ? ?Tối ưu hóa hệ thống điều chỉnh nhiệt độ nhiệt nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2” giải vấn đề sau : - Chương : Tổng quan hệ thống điều khiển nhà máy nhiệt điện Phả Lại - Chương : Giới thiệu hệ thống điều. .. CỤ THỂ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT 2.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển nhiệt Nhà máy nhiệt điện Phả Lại nhà máy bố trí theo sơ đồ khối : lò tương ứng máy. Bộ nhiệt lò Phả Lại chia... hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ nhiệt nhà máy nhiệt điện Phả Lại sở quan điểm tổng hợp bền vững tối ưu chất lượng cao áp dụng với sơ đồ điều khiển hệ thống điều khiển nhiệt độ nhiệt Đề tài “Tối