Mục lục BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO LÒ HƠI TRONG NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ HÀ NỘI 2009 LỜI C[.]
SƠ LƯỢC CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA LỀ HƠI (BOILER)
CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA LŨ HƠI
Như đã nêu ở phần trước, một lò hơi gồm các thành phần cơ bản sau đây: buồng lửa, bao hơi (drum), các bộ trao đổi nhiệt (economiser, evaporator, super heater) , quạt đẩy khói thải (ID Fan), quạt hút không khí (FD Fan).
Buồng lửa (furnace hay combustion chamber): là nơi đốt cháy nhiên liệu (dầu, khí) để tạo nhiệt năng làm sôi nước bên trong các ống để tạo thành hơi bão hòa trong bao hơi (drum).
Bộ economiser: là nơi dùng nhiệt lượng của khí thải để làm nóng lượng nước (feed water) đi vào lò hơi để tận dụng nhiệt lượng của quá trình đốt.
Bao hơi (drum): là nơi chứa nước feed water và cũng là nơi chứa hơi bão hòa được tạo ra từ lò hơi.
Bộ evaporator: bao gồm các ống thép chứa đầy nước và nằm trong buồng lửa, nhận nhiệt lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu để làm sôi và bốc hơi nước Hơi nước này sẽ đi vào bao hơi và thoát ra ngoài đi đến bộ Superheater.
Bộ Superheater: Sau khi được tạo ra, hơi bão hòa di chuyển từ bao hơi đến superheater, tại đây nó nhận thêm nhiệt lượng và chuyển thành hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt này trở thành nguồn năng lượng truyền động chủ yếu trong quá trình sản xuất.
Force Draught Fan (FD Fan): quạt này dùng để hút không khí vào buồng lửa nhằm cung cấp đủ ôxy cho quá trình đốt cháy nhiên liệu.
Induced Draught Fan (ID Fan): dùng để hút khí thải (từ buồng lửa) và đẩy ra ống khói để duy trì sự cháy bên trong buồng lửa.
Hình 1.5-4: Sơ lược các thành phần của một lò hơi
Nước sạch (nước khử khoáng, demineralized water) được bơm vào bao hơi (drum), vì nó là nguyên liệu để tạo hơi nước nên được gọi là feed water Trước khi vào bao hơi, feed water thực hiện trao đổi nhiệt với khí thải ra khỏi buồng lửa của lò hơi thông qua bộ Economiser để tận dụng nhiệt lượng của quá trình đốt Từ bao hơi, nước được đưa xuống các ống của Evaporator trong buồng lửa, nhận nhiệt lượng và thăng hoa thành hơi nước bốc lên trên bao hơi.
Từ đỉnh của bao hơi, hơi nước bão hòa thoát ra được đưa vào bộ superheater, tại đây chúng nhận thêm nhiệt lượng và trở thành hơi nước quá nhiệt và được đưa lên mạng hơi để sử dụng.
1.6 Mô tả toán học các quá trình công nghệ bên trong lò hơi
Mô hình lý thuyết của quá trình là một hệ các phương trình mô tả đặc tính của quá trình Các phương trình này thường là phương trình vi phân hoặc phương trình đại số Các phương trình vi phân mô tả đặc tính động học của quá trình, còn các phương trình đại số mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng của quá trình Mô hình lý thuyết được thiết lập dựa vào các định luật vật lý, hóa học và các thông tin về thiết bị Từ việc phân tích quá trình, ta nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống, sau đấy viết các phương trình cân bằng và các phương trình đại số khác dựa trên các định luật bảo toàn, nhiệt động học,…Dựa trên các thông số của thiết bị, nguyên/nhiên liệu, điều khiển vận hành mà ta tính ra các tham số cần thiết và triển khai thành mô hình toán học cụ thể.
Quá trình tạo hơi quá nhiệt trong lò hơi là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn, đầu tiên là quá trình đốt cháy nhiên liệu, tiếp đến là quá trình trao đổi nhiệt tại Evaporator, rồi kế tiếp là quá trình thăng hoa của nước thành hơi bão hòa, sau đấy là quá trình trao đổi nhiệt tại superheater thành hơi quá nhiệt rồi đến quá trình kiểm soát nhiệt độ hơi quá nhiệt bằng nước làm mát (quench water) thông qua bộ desuperheater Việc mô tả các quá trình của lò hơi bằng các phương trình cân bằng vật chất, năng lượng chỉ nhằm mục đích tham khảo để hình dung mức độ
MỤ TẢ TOỎN HỌC CỎC QUỎ TRỠNH CỤNG NGHỆ BỜN
Mục đích của việc đốt cháy nhiên liệu chính là để truyền nhiệt tạo ra từ quá trình cháy vào nước để tạo hơi nước Do đó, yêu cầu quan trọng là phải đạt được hiệu quả truyền nhiệt cao nhất Quá trình truyền nhiệt trong buồng lửa thông thường là một quá trình phức tạp bởi vì sự truyền nhiệt thông qua ba cơ chế: trao đổi nhiệt trực tiếp, đối lưu và bức xạ (chủ yếu là đối lưu và bức xạ); và sự ổn định của quá trình trao đổi nhiệt chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn trong các dòng lưu chất, thành phần của không khí và nhiên liệu, sự trao đổi nhiệt với môi trường.
1.6.1.1 Khả năng bức xạ của ngọn lửa
Dựa theo cường độ bức xạ trong phổ thấy được của ánh sáng mà người ta phân chia thành dạng ngọn lửa sáng, nửa sáng và không sáng Thông thường các ngọn lửa sáng và nửa sáng là do nhiên liệu dạng rắn, và còn khi đốt nhiên liệu khí ngọn lửa thu được có thể là loại nửa sáng hoặc không sáng.
Hệ số bức xạ nhiệt của môi trường khí được biểu thị qua định luật Bu-ghe (Bouguer): a g =1− e −k g p p s (2-1)
Trong đó: k g là hệ số làm yếu tia bức xạ bởi môi trường khí p p là tổng phân áp suất của các chất khí tạo thành sau quá trình cháy [Mpa] s là chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ [m]
Hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa (ngọn lửa sáng) được xác định theo (2-2): a l =1−e −k l ps (2-2)
Trong đó: k l là hệ số làm yếu bức xạ bởi môi trường buồng lửa p là áp suất của các chất khí trong buồng lửa [MPa]
Chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ trong buồng lửa s được tính theo công thức: s=3,6×V bl
V bl là thể tích buồng lửa [m 3 ]
F v là diện tích các tường buồng lửa [m 2 ] Đối với lò hơi sử dụng nhiên liệu khí, ta xem như ngọn lửa gồm hai phần: phần sáng và phần không sáng, lúc này hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa được xác định như sau: a l =ma s +( 1−m ) a ks (2-4)
Trong đó: a s là hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa sáng được xác định theo công thức (2-2) a ks là hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa không sáng được xác định theo (2-1). m là hệ số xác định phần thể tích buồng lửa bị tâm ngọn lửa choán đầy Đối với khí đốt thiên nhiên m=0.1
Hệ số bức xạ nhiệt của buồng lửa a bl được xác định qua hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa a l và hệ số hiệu quả nhiệt của dàn ống trên tường, cụ thể là: a bl = 1 1+ ( a 1 l −1 ) ψ d (2-5)
Dòng nhiệt bức xạ trung bình được các dàn ống sinh hơi (Evaporator) hấp thu là: q bx =c 0 a bl ψ d ( 100 T l ) 4 ×10 −3 [kW/m 2 ] (2-6)
T l là nhiệt độ hiệu quả trung bình của môi trường khí trong buồng lửa [K] ψ d là hệ số hiệu quả nhiệt của dàn ống, được xác định như sau: ψ d =x×ξ (2-7) Với x là hệ số góc và ξ là hệ số bám bẩn quy ước.
1.6.1.2 Trao đổi nhiệt bức xạ trong buồng lửa
Sự truyền nhiệt từ ngọn lửa đến các dàn ống sinh hơi (evaporator) trong buồng lửa là quá trình rất phức tạp Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra đồng thời với quá trình cháy nhiên liệu, và sự cháy nhiên liệu là nguồn nhiệt cho quá trình bức xạ.
Quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa được mô tả bằng công thức bán thực nghiệm của A M Gurvich như dưới đây: θ bl '' = Bo 0 6
Bo 0 6 +M×a bl 0 6 (2-8)Công thức này thể hiện sự liên hệ giữa nhiệt độ không thứ nguyên của khói ở cửa ra buồng lửa θ bl '' và tiêu chuẩn Boltzmann ( Bo ) Tiêu chuẩn Boltzmann đặc trưng cho tỷ lệ giữa lượng nhiệt sinh ra khi cháy nhiên liệu so với cường độ tỏa nhiệt tối đa đến các bề mặt dàn ống đặt trên tường Đặc tính của trường nhiệt độ trong thể tích buồng lửa cũng được kể đến qua hệ số M
Hệ số Bo được xác định như sau:
1−θ bl '' (2-9) θ bl '' đặc trưng cho mức độ giảm nhiệt độ của khói trong thể tích buồng lửa do có trao đổi nhiệt Đặc tính nhiệt chủ yếu của buồng lửa là lượng nhiệt sinh ra hữu ích trong buồng lửa Q bl và entanpi của khói ở cửa ra của buồng lửa I bl ''
Nhiệt lượng sinh ra hữu ích trong buồng lửa Q bl được xác định theo công thức sau:
Q tr lv là nhiệt lượng tàng trữ trong nhiên liệu dùng để đốt
Q kk là nhiệt lượng do không khí nóng và không khí lạnh mang vào buồng lửa
Q kkng là nhiệt lượng không khí thu được do nó được sấy sơ bộ ở phía trước bộ sấy không khí của chính lò hơi (bộ Economiser)
Q tth là nhiệt lượng do khói được tái tuần hoàn từ “đuôi lò” về buồng lửa q 3 =Q 3
Q dv là nhiệt lượng sản sinh ra khi cháy
Q 3 là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học
Q 4 là lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học
Q 6 là lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài
Việc tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa dựa trên hai phương trình chủ yếu sau:
Phương trình cân bằng nhiệt:
Phương trình trao đổi nhiệt bức xạ:
B tt Q bx = c 0 a bl xF v ( T l 4 −T tr 4 ) ×10 −11 (2-12) với: ϕ là hệ số giữ nhiệt
(Vc) g là nhiệt dung trung bình của các chất khí trong khoảng nhiệt độ (θ a ÷θ bl '' ) [kJ/kg o K]
Phương trình (2-11) có thể được viết dưới dạng khác:
B tt Q bx = c 0 a bl xF v T l 4 ( 1− T T tr 4 l 4 ) ×10 −11 (2-13) Thay ξ =1−
B tt Q bx =c 0 a bl ψ d F v T l 4 ×10 −11 (2-13) Nhiệt độ khói ở cửa ra buồng lửa được xác định như sau: θ bl '' = T a
M ( 5.67 ϕB ψ dtb tt (Vc F v ) a tb bl T a 3 10 −11 ) 0 6 +1 −273 [ o C] (2-14)Trong đó: ψ dtb là hệ số hiệu quả nhiệt trung bình của dàn ống đặt trên tường (Evaporator)
(Vc) tb là tổng nhiệt dung trung bình của sản phẩm cháy
1.6.2 Các bộ trao đổi nhiệt
Không giống như quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lửa, nhiệt lượng mà bộ Evaporator nhận được chủ yếu từ bức xạ Đối với các bộ trao đổi nhiệt như Economiser, Superheater nhiệt lượng nhận được thông qua cả trao đổi nhiệt bức xạ vào trao đổi nhiệt đối lưu.
1.6.2.1 Trao đổi nhiệt bức xạ trong đường khói của lò hơi
Lượng nhiệt hấp thu do trao đổi nhiệt bức xạ của một đơn vị bề mặt truyền nhiệt đối lưu ở phần đuôi lò (ngõ ra, ống khói) được xác định bởi phương trình sau: q bx =σ 0 a a tr +1
2 ( T 4 −T tr 4 ) [W/m 2] (2-15) Với: a là độ đen của khói có kể đến các hạt tro chứa trong khói a tr là độ đen của bề mặt hấp thu nhiệt bằng bức xạ
T là nhiệt độ tính toán của dòng khói (thường tính bằng trung bình cộng của nhiệt độ khói vào và ra khỏi bề mặt truyền nhiệt [K]
T tr là nhiệt độ vách ngoài của bề mặt hấp thu nhiệt bằng bức xạ có kể đến bám bẩn [K]
Ta có thể biểu diễn (2-15) dưới dạng khác: q bx =α bx ( θ −t tr ) [W/m 2 ] (2-16)
Và hệ số tỏa nhiệt bức xạ của sản phẩm cháy α bx được tính theo công thức: α bx =(5 67×10 −11 )×a× ( a tr +1 )
T , [W/m 2 K] (2-17) t tr là nhiệt độ vách ống (có tính đến ảnh hưởng của tro bụi) được xác định như sau: t tr =t+( ε+ α 1 2 ) q [ o C] (2-18)
Trong đó: t là nhiệt độ trung bình của môi trường lưu động bên trong ống, bằng trung bình cộng của nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối. ε là hệ số bám bẩn bề mặt truyền nhiệt đối lưu [m 2 K/W] α 2 là hệ số tỏa nhiệt từ vách ống đến môi chất lưu động trong ống [W/m 2 K] q là suất nhiệt lượng hấp thu bề mặt truyền nhiệt được tính toán [kW/m 2 ]
1.6.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu trong đường khói của lò hơi
Phương trình truyền nhiệt cho phép xác định nhiệt lượng hấp thu của bề mặt truyền nhiệt:
B tt [kJ/kg] (2-19) trong đó:
Q là nhiệt lượng do bề mặt truyền nhiệt tính toán hấp thu bằng đối lưu và bức xạ [kJ/kg] k là hệ số truyền nhiệt [W/m 2 K]
H là bề mặt truyền nhiệt tính toán [m 2 ] Δt là chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường nóng (khói) và môi chất được đốt nóng (hơi nước, nước, khí) [K]
B tt là lượng nhiên liệu tiêu hao tính toán [kg/s]
Phương trình cân bằng nhiệt dùng để tính nhiệt lượng do khói truyền đi bằng nhiệt lượng do hơi nước, nước hay không khí hấp thu:
I g ' và I g '' là entanpi của khói vào và ra khỏi bề mặt truyền nhiệt tính toán
[kJ/kg] ΔαI kkl 0 là lượng nhiệt do không khí lạnh (lọt vào lò hơi) mang vào
Nhiệt lượng môi chất (hơi nước, nước, khí) hấp thu tại superheater được tính bởi công thức dưới đây:
Nhiệt lượng môi chất (nước) hấp thu tại bộ Economiser được tính bởi công thức dưới đây:
D là lưu lượng hơi nước đi qua bề mặt truyền nhiệt tính toán [kg/s] i ' và i '' là entanpi của môi chất (hơi nước, nước, khí) ở chỗ vào và chỗ ra bề mặt tính toán [kJ/kg] Δi g.o là lượng nhiệt do 1 kg hơi truyền cho nước làm lạnh (ở bộ giảm ôn kiểu bề mặt) [kJ/kg]
Chương 3: QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU
KHIỂN ĐANG ĐƯỢC SỬ DỤNG
3.1 Sơ lược quá trình công nghệ
Hệ thống lò hơi tại nhà máy Đạm Phú Mỹ thuộc loại water-tube boiler type D.
Hệ thống này được gọi là Lò hơi phụ trợ (Auxiliary Boiler), có tên (tagname) là 10- B-8001 và được hãng MACHI chế tạo Hệ thống điều khiển quá trình công nghệ chủ yếu được thực hiện trên hệ thống DCS của hãng Yokogawa (Centum CS 3000). Còn các chức năng bảo vệ an toàn và các chức năng khác như đánh lửa, đốt nhiên liệu, bơm dầu, điều khiển các thiết bị phụ như ID Fan… thì do hệ thống PLC của hãng HIMA thực hiện.
GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN TẠI
Như vậy ta nhận thấy, việc điều khiển lò hơi được chi phối bởi bốn vấn đề chính:
- Mức nước trong bao hơi.
- Nhiệt độ hơi quá nhiệt ở ngõ ra.
- Áp suất hơi quá nhiệt ở ngõ ra.
- Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa.
Sơ đồ điều khiển của hệ thống lò hơi thực hiện trên hệ DCS Centum CS3000 của hãng Yokogawa ở phụ lục 2.
3.2.1 Điều khiển mức nước trong bao hơi
Việc điều khiển mức nước trong bao hơi được thực hiện thông qua bộ điều khiển LIC8250 với cảm biến mức dạng chênh áp LIT8250 và van điều khiểnLV8250.
Giá trị mức từ LIT8250 được tính bù với giá trị áp suất trong bao hơi (PI8250) trước khi trở thành giá trị PV đưa vào bộ điều khiển LIC8250 Khi giá trị mức bao hơi cách xa giá trị đặt, LIC8250 sẽ thực hiện mở van LV8250 để đưa mức về giá trị đặt, khi mức đã về giá trị đặt lúc này LV8250 sẽ đóng lại và bộ LIC8250A sẽ thực hiện việc duy trì mức bao hơi thông qua việc tạo giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng FIC8251 Giá trị đặt cho FIC8251 là tổng của giá trị ở ngõ ra của LIC8250A và sự biến thiên lưu lượng hơi quá nhiệt ở ngõ ra Do vậy lưu lượng nước feed water vào bao hơi của lò hơi đủ để duy trì mức trong bao hơi trong khi vẫn cấp một lượng hơi quá nhiệt ở ngõ ra.
Hình 3.2.1-5 Sơ đồ điều khiển mức trong bao hơi
3.2.2 Kiểm soát nhiệt độ hơi nước quá nhiệt
Dòng hơi nước ra khỏi bao hơi sẽ đi vào bộ trao đối nhiệt Superheater, sau khi qua bộ Superheater 1 (10-B-8001/SH1) sẽ đi qua bộ Desuperheater và đi vàoSuperheater 2 (10-B-8001/SH2) Nhiệt độ hơi nước quá nhiệt ở ngõ ra của lò hơi sẽ được kiểm soát bằng lưu lượng nước FIT8252 phun vào bộ Desuperheater Bộ điều khiển nhiệt độ TIC8253 sẽ tạo ra yêu cầu về lưu lượng nước làm mát cần thiết, và bộ điều khiển lưu lượng FIT8252 có nhiệm vụ duy trì lưu lượng nước đúng như TIC
Một tín hiệu feed forward từ thiết bị đo lưu lượng nhiên liệu FI8201 làm gia tăng chất lượng điều khiển của hệ thống.
Hình 3.2.2-6 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ của hơi quá nhiệt
3.2.3 Áp suất hơi quá nhiệt ở ngõ ra
Việc duy trì áp suất hơi quá nhiệt ở đầu ra (khoảng 39 bar) được thực hiện thông qua việc duy trì nhiệt năng cung cấp cho lò hơi mà cụ thể chính là năng lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu Bộ điều khiển PIC4048 có nhiệm vụ duy trì áp suất của hơi quá nhiệt ở ngõ ra của lò hơi (nói chính xác hơn (ở quá trình công nghệ này) là áp suất của mạng hơi cao áp) Setpoint của PIC4048 sẽ do người vận hành nhập vào và bộ điều khiển sẽ tạo ra yêu cầu tăng hay giảm nhiệt lượng để duy trì áp suất không đổi bằng cách tạo ra giá trị đặt cho lưu lượng khí nhiên liệu đầu vào FIC8201.
Tuy nhiên để tăng đáp ứng của hệ điều khiển, setpoint của FIC8201 không chỉ nhận từ PIC4048 mà còn từ sự biến thiên lưu lượng dòng hơi quá nhiệt ở ngõ ra của lò hơi FI8253 Khối FY8250E thực hiện nhiệm vụ này Ngõ ra của FY8250E được đưa vào làm giá trị đặt cho FIC8201.
Hình 3.2.3-7 Sơ đồ điều khiển áp suất hơi quá nhiệt ngõ ra
3.2.4 Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa
Quá trình cháy trong buồng lửa luôn được quan tâm nhiều trong vận hành lò hơi, nếu quá trình cháy tốt thì lò hơi sẽ tận dụng được nhiều năng lượng hơn còn nếu quá trình cháy không tốt thì lượng nhiên liệu tiêu hao rất đáng kể Chất lượng của quá trình đốt cháy nhiên liệu được đánh giá thông qua nồng độ khí Ôxy bên trong khí thải (flue gas) Công việc kiểm soát nồng độ Oxy trong khí thải được thực hiện bằng bộ phân tích online AT8250 (là thiết bị của hãng Rosemount - Emerson).
Bộ điều khiển nồng độ khí Ôxy AIC8250 sẽ thực hiện điều tiết tỉ lệ lưu lượng không khí (FIT8250) và khí nhiên liệu (FIT8201) để quá trình cháy đạt được chất lượng tốt nhất bằng cách thay đổi hệ số nhân biến thiên từ 0.85 tới 1.15 Lúc này lưu lượng không khí vào buồng đốt sẽ biến thiên từ 85% đến 115% lưu lượng chuẩn để cung cấp cho quá trình cháy nhằm đạt được nồng độ Ôxy trong khí thải tối ưu. Setpoint cho bộ AIC8250 được lấy từ hàm AY8250; tùy thuộc vào công suất vận hành của lò hơi mà tại từng thời điểm giá trị đặt nồng độ Ôxy trong khí thải cho AIC8250 cũng thay đổi, sự thay đổi này được quy định trong hàm AY8250.
Hình 3.2.4-8: Sơ đồ điều khiển chất lượng quá trình cháy.
CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG
SƠ LƯỢC VỀ VẤN ĐỀ NHẬN DẠNG
Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên mô hình của đối tượng Mô hình này có thể là mô hình lý thuyết (được xây dựng dựa trên các phương trình cân bằng vật chất và phương trình cân bằng năng lượng) hoặc là mô hình thực nghiệm (dựa trên đáp ứng của hệ thống với tín hiệu thử) Mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó nhằm phục vụ một mục đích nhất định.
Do đó mô hình không phản ánh đầy đủ các khía cạnh của một hệ thống thực, mà chỉ cần thâu tóm được các đặc tính thiết yếu của hệ thống thực mà người lập mô hình cần quan tâm.
Các quá trình công nghiệp thường rất phức tạp, vì vậy hầu như không thể xây dựng được một mô hình hoàn hảo đủ sức phản ánh đầy đủ hết đặc tính của hệ thống.
Do vậy, mô hình cần phải đảm bảo đơn giản nhưng vẫn đủ chi tiết cần thiết Việc xác định mức độ về yêu cầu đơn giản mà vẫn đầy đủ phụ thuộc vào ba yếu tố sau:
- Yêu cầu và mục đích sử dụng cụ thể của mô hình.
- Công sức và chi phí tiến hành mô hình hóa.
- Độ tin cậy của thông tin có được về quá trình.
Về nguyên tắc có hai phương pháp xây dựng mô hình toán học cho quá trình:
- Mô hình hóa lý thuyết (hay còn gọi là mô hình hóa vật lý): phương pháp này đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị (bồn chứa, tháp phản ứng, kích thước đường ống…) để xác định giá trị của các tham số Mô hình này là một hệ các phương trình vi phân và phương trình đại số.
- Mô hình hóa thực nghiệm (còn gọi là phương pháp hộp đen (black box) hay nhận dạng quá trình): phương pháp này dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào ra và phân tích số liệu thu được để xác định mô hình
Phương pháp lý thuyết có ưu điểm cho ta hiểu sâu hơn về các quan hệ giữa các đại lượng bên trong quá trình (mà các quan hệ này được xác định bởi các quá trình vật lý, hóa học, sinh học), mà từ đó ta xác định được chính xác cấu trúc mô hình. Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình lý thuyết cho mỗi quá trình mỗi khác vì mỗi quá trình mỗi khác nhau Do đó việc xây dựng mô hình theo cách này đòi hỏi người lập mô hình phải có nhiều kinh nghiệm và có kiến thức sâu, rộng về các lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học Bên cạnh đấy, mô hình lý thuyết thu được chỉ phản ánh được đặc tính động học của quá trình công nghệ mà bỏ qua đi đặc tính động học của thiết bị đo và các cơ cấu chấp hành Tiếp nữa, việc xác định chính xác các tham số dựa vào thông tin của thiết bị là khó thực hiện được Điều này làm giảm đi tính chính xác và tính đầy đủ của mô hình lý thuyết Do vậy, mô hình lý thuyết rất có ích trong việc khảo sát đặc tính động học, xác định cấu trúc mô hình, thiết kế sách lược điều khiển nhưng ít phù hợp cho việc xác định các tham số của bộ điều khiển.
Phương pháp mô hình hóa thực nghiệm có ưu điểm là ta có thể xác định được tương đối chính xác các tham số của mô hình nếu như ta biết được cấu trúc của mô hình Tuy nhiên, vì việc xác định mô hình dựa vào các dữ liệu vào ra (thu được từ thực nghiệm) nên chất lượng mô hình thu được phụ thuộc nhiều độ chính xác của các thiết bị đo Bên cạnh đấy nhiễu tác dụng lên quá trình và thiết bị đo cũng gây ảnh hưởng đáng kể lên dữ liệu thu thập được Ngoài ra việc thu thập dữ liệu vào ra không dễ dàng vì nhiều lý do như các điều kiện ràng buộc về điều kiện công nghệ khi thực hiện thu thập dữ liệu, tương tác giữa các biến quá trình, chi phí vận hành trong quá trình thu thập dữ liệu…
Từ phân tích ở trên ta nhận thấy một số ưu điểm của phương pháp lý thuyết là nhược điểm của phương pháp thực nghiệm và ngược lại một số nhược điểm của phương pháp lý thuyết thì phương pháp thực nghiệm lại cho kết quả rất tốt Do đó sự kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm có thể loại bỏ bớt những nhược điểm của hai phương pháp làm cho việc mô hình hóa có chất lượng tốt hơn so với việc thực hiện từng bước riêng rẽ Phương pháp lý thuyết sẽ cung cấp cho ta cấu trúc của mô hình và cơ sở để thiết kế sách lược điều khiển và lựa chọn bộ điều khiển Bước nhận dạng thực nghiệm sẽ cung cấp mô hình động học cho toàn bộ hệ thống quá trình bao gồm đặc tính của các quá trình công nghệ, các thiết bị công nghệ và cả các thiết bị đo lường điều khiển.
Dưới đây ta sẽ nói thêm về vấn đề nhận dạng quá trình hay còn gọi là mô hình hóa thực nghiệm.
4.1.1 Các bước tiến hành nhận dạng quá trình
Những bước cơ bản trong xây dựng mô hình thực nghiệm trong quá trình công nghiệp bao gồm các bước sau đây:
1 Thu thập thông tin về quá trình công nghệ: như mô tả quá trình (các quá trình vật lý, hóa học xảy ra bên trong quá trình), các thông số vận hành, các giới hạn trên và giới hạn dưới của các đại lượng áp suất, nhiệt độ, mức, lưu lượng,…, các khóa liên động (interlock) chi phối cách vận hành hệ thống Từ đó ta thực hiện phân tích thông tin để xác định các biến ngõ vào, ngõ ra cần quan tâm, các điều kiện biên và các giả thiết liên quan.
2 Lựa chọn phương pháp nhận dạng: tùy vào tùy tình huống cụ thể mà sau khi phân tích ta sẽ lựa chọn phương án nhận dạng phù hợp và xác định phương án đánh giá chất lượng mô hình Các phương pháp nhận dạng thường gặp như nhận dạng trực tuyến/ngoại tuyến (online/offline), nhận dạng vòng hở/vòng kín (open loop/close loop), nhận dạng chủ động/bị động.
3 Thu thập số liệu thực nghiệm: trên cơ sở phân tích và chọn lựa phương pháp nhận dạng ở các bước 1 và 2, cần phải xác định thu thập dữ liệu thực nghiệm như thế nào để thỏa mãn được yêu cầu mô tả mối quan hệ giữa các biến ngõ vào và các biến ngõ ra Bên cạnh đấy, cần phải xử lý các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy.
4 Xác định dạng mô hình và cấu trúc mô hình: dựa vào mục đích sử dụng mô hình và khả năng của phương pháp nhận dạng mà ta đã chọn để xác định mô hình là tuyến tính hay phi tuyến, liên tục hay rời rạc Bên cạnh đấy cần phải xác định sơ bộ cấu trúc của mô hình (bậc tử số/mẫu số của hàm truyền đạt, số lượng các hệ số trong mô hình thu được từ phương pháp bình phương tối thiểu, có thành phần trễ hay không…).
5 Xác định các tham số của mô hình: tùy vào phương pháp đã chọn ở trên mà ta thực hiện việc xác định các tham số của mô hình dựa vào các dữ liệu vào ra Công cụ để thực hiện có thể sử dụng các phần mềm như Matlab, Maple,… hay các ngôn ngữ lập trình bất kỳ như C, Pascal, Delphi,…
6 Kiểm chứng và đánh giá mô hình: thông thường sau khi thu được bộ tham số của mô hình và thiết lập được mô hình ta cần phải thực hiện mô phỏng để kiểm chứng độ chính xác của mô hình Việc kiểm chứng thông thường được thực hiện bằng việc sử dụng mô hình để mô phỏng dữ liệu vào ra, kết quả thu được sẽ đem so với bộ dữ liệu vào ra thu thập được trong thực tế Dữ liệu thực tế dùng để kiểm chứng phải là bộ dữ liệu khác với bộ dữ liệu dùng để tính toán thiết lập mô hình Nếu kết quả không đạt yêu cầu thì phải làm lại từ bước số 4 Còn nếu kết quả không đạt do bộ dữ liệu không đạt yêu cầu thì phải làm lại từ bước số 3.
4.1.2 Phân loại phương pháp nhận dạng
Các phương pháp nhận dạng vô cùng phong phú, dựa vào từng cách nhìn khác nhau mà ta có thể phân thành nhiều loại khác nhau.
Nhận dạng theo dạng mô hình sử dụng
MÔ HÈNH LỀ HƠI
CHỌN LỰA PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG
5.1.1 Các biến quá trình và quy mô của mô hình
Như đã mô tả trong chương 2, đối tượng lò hơi là quá trình có tính phi tuyến mạnh, do đó (trong khuôn khổ luận văn này) việc nhận dạng được thực hiện dựa trên ý tưởng tuyến tính hóa đặc tính phi tuyến của lò hơi quanh điểm làm việc.
Trong chương 3, chúng ta đã đề cập tới vấn đề điều khiển lò hơi, để vận hành lò hơi cần phải kiểm soát được 4 vấn đề: i Mức nước trong bao hơi. ii Chất lượng quá trình cháy trong buồng lửa. iii Nhiệt độ hơi quá nhiệt ở ngõ ra. iv Áp suất hơi quá nhiệt ở ngõ ra.
Vấn đề i được duy trì chủ yếu bằng cách duy trì cân bằng vật chất vào ra của lò hơi (tức là khối lượng nước vào và khối lượng hơi ra phải bằng nhau) Quá trình này được điều tiết bằng một vòng điều khiển cascade bao gồm 2 bộ điều khiển FIC8251 và LIC8250A Bộ điều khiển LIC8250 chỉ hoạt động khi mức nước trong bao hơi xuống quá thấp, lúc đấy LIC8250 sẽ mở hoàn toàn van LV8250 để đưa nước vào để mức nước trong bao hơi trở về giá trị phù hợp (tuy nhiên lúc này thì lò hơi không ở trong trạng thái hoạt động ổn định nữa, do vậy ta không xét đến trạng thái này của lò hơi) Bởi vì tính độc lập giữa việc duy trì mức nước trong bao hơi và chất lượng hơi quá nhiệt ở ngõ ra (dao động của lưu lượng hơi ở ngõ ra (dẫn tới dao động của lượng nước ở ngõ vào) được xem như là nhiễu tải), ta không đưa vòng điều khiển này vào mục tiêu nhận dạng của luận văn này.
Vấn đề ii được duy trì bằng việc bổ sung một bộ điều khiển tỉ lệ AIC8250 để duy trì chất lượng quá trình cháy (thông qua việc duy trì nồng độ Ôxy trong khí thải theo đặc tính tối ưu quá trình cháy đã cho trước) Bộ điều khiển tỉ lệ này sẽ làm nhiệm vụ thay đổi tỉ lệ khí-nhiên liệu (air – gas) sao cho nồng độ Ôxy đúng như mong đợi (biểu đồ nồng độ Ôxy xem hình 5.1.1-1) Như vậy, việc duy trì được nồng độ Ôxy tối ưu đồng nghĩa với quá trình cháy là tốt nhất, lúc này ta chỉ cần quan tâm đến ảnh hưởng của nhiệt lượng lên đến chất lượng hơi, hay nói cách khác chính là cần xác định được ảnh hưởng của lưu lượng nhiên liệu đến nhiệt độ và áp suất của hơi quá nhiệt Do vậy, vòng điều khiển ii được xem như là vòng điều khiển độc lập và ta không xét đến nó trong việc thiết lập mô hình cho lò hơi ở luận văn này.
Hình 5.1.1-10: Nồng độ Ôxy tối ưu đối với từng mức tải của lò hơi
Vấn đề iii được giải quyết bằng cách dùng một dòng nước làm mát phun thẳng vào đường ống hơi để điều tiết nhiệt độ của dòng hơi quá nhiệt ở ngõ ra, như được mô tả trong mục 3.2.2 Giá trị đặt cho bộ điều tiết lưu lượng nước FIT8252 được lấy từ bộ điều khiển TIC8253 và tín hiệu feed forward của nhiên liệu FI8201.
Vấn đề iv được kiểm soát thông qua lưu lượng nhiên liệu vào buồng đốt FI8201 như đã đề cập trong mục 3.2.3 Tuy nhiên bên cạnh ngõ ra của PIC4048, giá trị đặt cho bộ điều khiển FIC8201 còn phải được cộng thêm vào độ biến thiên lưu lượng hơi ở ngõ ra FI8253.
Như vậy, trong khuôn khổ của luận văn này, việc nhận dạng lò hơi chỉ thực hiện cho quá trình trao đổi nhiệt và sinh hơi, mà không quan tâm đến quá trình cháy và quá trình duy trì mực chất nước trong bao hơi vì chúng độc lập với quá trình trao đổi năng lượng trong lò hơi Bên cạnh đấy ta cũng giả thiết là các vòng điều khiển i. (mức nước trong bao hơi) và ii (quá trình đốt cháy nhiên liệu) đang hoạt động ở chất lượng tốt nhất và ổn định Lúc này hai biến đầu vào là lưu lượng nhiên liệu ở ngõ vào buồng đốt FI8201 và lưu lượng nước làm mát FI8252 (quench water) ở bộ Desuperheater và hai biến ngõ ra là nhiệt độ TI8253 và áp suất của hơi quá nhiệt ở ngõ ra PI4048.
Hệ thống chịu tác động của nhiễu đo và nhiễu tải (lưu lượng khối lượng hơi quá nhiệt FI8253) Thực tế, nhiễu đo bao gồm chủ yếu 3 thành phần: nhiễu do nhiệt độ môi trường tác động lên thiết bị đo, nhiễu do trường điện từ cao tần phát từ các động cơ điện và nhiễu do chính bản thân phương pháp đo gây ra Do bức xạ từ buồng đốt, bao hơi và các ống dẫn hơi mà nhiệt độ quanh lò hơi khá cao (từ 25 o C đến 60 o C hoặc cao hơn nếu như có xảy rò hơi), điều này có thể làm cho các thiết bị đo hoạt động không ổn định Bên cạnh đấy trường điện từ do các động cơ điện sinh ra khá mạnh có thể tác động lên thiết bị đo làm sinh ra các điện áp cảm ứng bên trong các phần tử tích cực trong thiết bị đo mà làm sai lệch kết quả đo Đối với phương pháp đo lưu lượng bằng tấm lỗ orrifice, sai số gây ra từ nhiễu loạn áp suất tạo bởi cảm biến tấm lỗ orrifice tác động lên là ngẫu nhiên và có thể lên đến 1%.Chính vì thế, ta xem nhiễu đo cũng chính là nhiễu trắng có kỳ vọng bằng 0, do đó ta xem như quá trình chỉ chịu tác động của nhiễu trắng và nhiễu tải.
Hình 5.1.1-11: Quá trình và các biến quá trình được sử dụng trong mô hình
5.1.2 Chọn lựa phương pháp thiết lập mô hình
Như đã xác định trong mục tiêu của luận văn (mục 1.1), mô hình lò hơi được thiết lập nhằm hướng tới mục đích tối ưu hoạt động của lò hơi Do vậy, người thực hiện mặc định lựa chọn phương pháp ứng dụng nguyên lý bình phương tối thiểu để đảm bảo mô hình có độ chính xác tương đối cao Mặc khác, phương pháp bình phương tối thiểu còn có ưu điểm lớn đó là nó rất hiệu quả trong việc tìm cực tiểu toàn cục của hàm tối ưu, cho nên kết quả thu được có độ tin cậy cao.
Do tính liên tục của quá trình sản xuất và vai trò quan trọng của lò hơi đối với quá trình sản xuất (là nguồn cung cấp năng lượng cho các turbine) nên yêu cầu về chất lượng hơi khá nghiêm ngặt Quá trình vận hành luôn yêu cầu hơi nước quá nhiệt ở ngõ ra phải bảo đảm được cả chất lượng (nhiệt độ, áp suất) và số lượng (để cung cấp đầy đủ và kịp thời cho tải là các hệ thống máy động dùng turbine) Chính vì vậy, việc thực hiện thu thập dữ liệu để nhận dạng hệ thống bắt buộc phải thực hiện trong lúc lò hơi đang hoạt động, tức là phải thực hiện nhận dạng trong vòng kín.
Các biến quá trình chủ yếu là các đại lượng áp suất, nhiệt độ và lưu lượng đều là các đại lượng chịu ảnh hưởng của nhiễu đo mạnh mẽ Ví dụ đối với thiết bị đo áp suất, giá trị áp suất đo được là áp suất tương đối, do đó trước tiên nó chịu ảnh hưởng của áp suất khí quyển, bên cạnh đấy việc đo lưu chất có nhiệt độ cao làm chính bản thân thiết bị đo nằm trong môi trường có nhiệt độ cao hơn bình thường mà tác động của nhiệt độ lên các linh kiện bán dẫn trong mạch đo cũng gây ra sai số đáng kể Đối với thiết bị đo nhiệt độ, mặc dù sử dụng cảm biến là RTD có độ tin cậy cao, nhưng nó vẫn phải chịu tác động của nhiệt độ môi trường Bên cạnh ảnh hưởng của môi trường, thiết bị đo lưu lượng (sử dụng cảm biến là tấm lỗ orifice, đo theo nguyên lý chênh áp) còn phải chịu nhiễu loạn áp suất do chính cảm biến orifice gây ra, mà nhiễu loạn này thuộc về bản chất của phương pháp đo và không khắc phục được. Đối với quá trình chịu ảnh hưởng của nhiễu, mô hình được đề nghị là ARMAX và BJ Hai mô hình này có khả năng thiết lập được mô hình nhiễu, điều đấy làm chúng trở nên linh hoạt với tác động của nhiễu (xem mục 4.2.4); đối với ARMAX mô hình nhiễu được thể hiện qua C(q −1 ) còn đối với BJ là
D(q −1 ) Nhờ vào việc thiết lập mô hình cho nhiễu mà các mô hình ARMAX và BJ (nếu như bài toán tối ưu cho kết quả hội tụ) có khả năng phân lập được ảnh hưởng của thành phần nhiễu ra khỏi mô hình quá trình dẫn đến kết quả là mô hình thu được có độ chính xác cao hơn (lúc này ^y(t)→y(t) và ε(t)→e(t)) Mô hình ARMAX nên được sử dụng nếu nhiễu tác động vào đầu vào của quá trình (hay nhiễu tải (load disturbances)), còn đối với nhiễu đo (measurement disturbances) nên dùng mô hình BJ để thể hiện.
THU THẬP DỮ LIỆU NHẬN DẠNG
Như trong sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ ngõ ra (Hình 5.2.1-1) và sơ đồ điều khiển áp suất ngõ ra (Hình 5.2.2-1), ta nhận thấy chúng không đơn thuần là vòng điều khiển cascade chuẩn mà là sự kết hợp giữa điều khiển cacscade và điều khiển feedforward Sự kết hợp giữa chúng được thể hiện ở khối TY8253 đối với vòng điều khiển nhiệt độ (giá trị là TY8253A.CPV) và khối FY8250 đối với vòng điều khiển áp suất (là giá trị lưu lượng hơi quá nhiệt ở ngõ ra FI8253.PV) Do vậy, ta không thể tính toán mô hình quá trình một cách gián tiếp từ mô hình của hệ thống trong vòng kín Chính vì thế mà dữ liệu sẽ được thu thập để sử dụng bằng phương pháp nhận dạng trực tiếp trong vòng kín.
Hệ thống lò hơi được duy trì trong trạng thái vận hành, các vòng điều khiển vẫn để ở chế độ auto Việc thu thập dữ liệu được bắt đầu bằng việc thay đổi setpoint của từng vòng điều khiển (ở chế độ auto) trong khi vòng điều khiển còn lại bị khống chế ở chế độ manual Các thay đổi của các biến quá trình và biến điều khiển được ghi nhận với tần số lấy mẫu là 1 giây Như vậy với mỗi lần làm cho một vòng điều khiển ta thu được dữ liệu mô tả ảnh hưởng của biến ngõ vào đó tới hai biến ngõ ra.
Các dữ liệu sau khi được thu thập cần phải loại bỏ giá trị trung bình để thực hiện nhận dạng.
5.2.1 Ảnh hưởng của lưu lượng nước làm mát FI8252 Đối với ảnh hưởng của lưu lượng nước làm mát (quench water FI8252) tới nhiệt độ và áp suất của hơi quá nhiệt ở ngõ ra, ta thực hiện thay đổi setpoint của bộ điều khiển nhiệt độ TIC8253 Trong lúc đấy, setpoint cho FIC8201 được giữ cố định để tránh thay đổi lưu lượng nhiên liệu vào buồng đốt Các dữ liệu được thu thập chính là các biến ngõ vào/ngõ ra của FIC8252, TIC8253 và áp suất của hơi quá nhiệt PI4048
Hình 5.2.1-12 Sơ đồ khối của vòng điều khiển nhiệt độ TIC8253
Như đã nêu trong mục 3.2.2, ta thấy rằng khối FLOW PROCESS thực ra mô tả quá trình duy trì lưu lượng nước làm mát của bộ điều khiển thứ cấp FIC8252 của vòng cascade điều khiển nhiệt độ Do đó, khi xem lưu lượng nước làm mát FIC8252.PV là biến ngõ vào và TIC8253.PV là biến ngõ ra thì FLOW PROCESS và TEMPERATURE PROCESS thực ra là sự phân tách chi tiết của quá trình điều khiển nhiệt độ Nói cách khác, khối G 11 (hình 5.1.1-2) chỉ là quá trình TEMPERATURE mà không bao gồm quá trình FLOW (hình 5.2.1-1) Tương tự khối G 12 chỉ là quá trình PRESSURE mà không bao gồm quá trình FLOW.
Các dữ liệu thu thập (đã được loại bỏ giá trị trung bình) được như dưới đây:
Hình 5.2.1-13 Lưu lượng nhiên liệu vào buồng đốt FIC8201.PV
120 Luu luong nhien lieu FIC8201.PV vao buong dot (exp1fic8201pv)
Hình 5.2.1-14 Lưu lượng nước làm mát (Quench water) FIC8252.PV
Hình 5.2.1-15 Lưu lượng hơi quá nhiệt FI8253.PV (tải) ra khỏi lò hơi
Luu luong nuoc Quench FIC8252.PV (exp1fic8252pv)
1000 Luu luong hoi qua nhiet (tai) FI8253.PV (exp1fi8253pv)
Hình 5.2.1-16 Giá trị áp suất hơi quá nhiệt ở ngõ ra PIC4048.PV
Hình 5.2.1-17 Giá trị nhiệt độ hơi quá nhiệt TIC8253.PV
3 Ap suat hoi qua nhiet PIC4048.PV (exp1pic4048pv)
6 Nhiet do hoi qua nhiet TIC8253.PV (exp1tic8253pv)
5.2.2 Ảnh hưởng của lưu lượng nhiên liệu FIC8201 Đối với ảnh hưởng của lưu lượng nhiên liệu FI8201 tới nhiệt độ và áp suất của hơi quá nhiệt ở ngõ ra, ta thực hiện thay đổi setpoint của bộ điều khiển áp suất PIC4048 Trong lúc đấy, bộ điều khiển TIC8253 được chuyển sang manual để giữ cố định setpoint cho bộ điều khiển lưu lượng nước làm mát FIC8252 Các dữ liệu được thu thập chính là các biến ngõ vào/ngõ ra của bộ điều khiển lưu lượng FIC8201, bộ điều khiển áp suất PIC4048.
Hình 5.2.2-18 Sơ đồ khối của vòng điều khiển áp suất PIC4048
Như đã nêu trong mục 3.2.3, ta thấy rằng khối FLOW PROCESS thực ra mô tả quá trình duy trì lưu lượng nhiên liệu của bộ điều khiển thứ cấp FIC8201 Do đó, khi xem lưu lượng nhiên liệu FIC8201.PV là biến ngõ vào và PIC4048.PV là biến ngõ ra thì FLOW PROCESS và PRESSURE PROCESS thực ra là sự phân tách chi tiết của quá trình điều khiển áp suất Hay nói cách khác, khối G 22 (hình 5.1.1-2) chỉ mô tả quá trình PRESSURE (hình 5.2.2-1) mà không mô tả quá trình FLOW. Tương tự khối G 21 là quá trình TEMPERATURE.
Các dữ liệu thu thập (đã được loại bỏ giá trị trung bình) như dưới đây:
Hình 5.2.2-19 Lưu lượng nhiên liệu vào buồng đốt FIC8201.PV
Hình 5.2.2-20 Lưu lượng nước làm mát (Quench water) FIC8252.PV
300 Luu luong nhien lieu FIC8201.PV (exp2fic8201pv)
0.2 Luu luong nuoc lam mat (Quench water) FIC8252.PV (exp2fic8252pv)
Hình 5.2.2-21 Lưu lương hơi quá nhiệt ở ngõ ra FI8253.PV
Hình 5.2.2-22 Áp suất hơi quá nhiệt PIC4048.PV
2000 Luu luong hoi qua nhiet o ngo ra FI8253.PV (exp2fi8253pv)
0.5 Ap suat hoi qua nhiet PIC4048.PV (exp2pic4048pv)
Hình 5.2.2-23 Nhiệt độ hơi quá nhiệt ở ngõ ra TIC8253.PV
5.3 Nhận dạng mô hình bằng Matlab
Việc nhận dạng được thực hiện bằng sử dụng chương trình Matlab mà chủ yếu là System Identification Toolbox do công ty The MathWorks cung cấp Bộ công cụ này do các giáo sư Lennart Ljung (làm việc tại Department of Electrical Engineering thuộc đại học Linkửping University ở Sweden), tiến sĩ Qinghua Zhang (làm việc tại Institute National de Recherche en Informatique et en Automatique (INRIA) và Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA), ở Rennes, Pháp), tiến sĩ Peter Lindskog (làm việc tại NIRA Dynamics AB, Sweden), giáo sư Anatoli Juditsky (là việc tại Laboratoire Jean Kuntzmann thuộc đại học Université Joseph Fourier, Grenoble, Pháp) phát triển. Đây là bộ công cụ dùng để thiết lập mô hình toán học cho cả đối tượng tuyến tính và phi tuyến Ý tưởng nhận dạng là xem đối
4 Nhiet do hoi qua nhiet TIC8253.PV (exp2tic8253pv)
NHẬN DẠNG MỤ HỠNH BẰNG MATLAB
hỗ trợ đối tượng tuyến tính trong miền tần số).
5.3.1 Các hàm matlab được sử dụng trong nhận dạng
Hàm iddata được sử dụng để tạo ra đối tượng dữ liệu (miền thời gian hoặc tần số) dùng cho nhận dạng trong công cụ System Identification Toolbox của Matlab.
Câu lệnh thường được dùng có dạng như sau: data = iddata(y,u,Ts) trong đó: y là ma trận đại diện cho biến ngõ ra của hệ thống Nếu hệ thống chỉ có một biến ngõ ra thì y là một ma trận cột, nếu hệ thống có nhiều biến ngõ ra thì y là ma trận có số cột bằng số biến ngõ ra. u là ma trận đại diện cho các biến ngõ vào của hệ thống Nếu hệ thống chỉ có một biến ngõ vào thì u là một ma trận cột, nếu hệ thống có nhiều biến ngõ vào thì u là ma trận có số cột bằng số biến ở ngõ vào.
Ts là thời gian lấy mẫu của bộ dữ liệu vào ra [y , u]
Hàm delayest thực hiện công việc dự đoán thời gian trễ giữa tín hiệu input và output trong đối tượng iddata sử dụng mô hình ARX
Cú pháp: nk = delayest(Data) nk = delayest(Data,na,nb,nkmin,nkmax,maxtest) trong đó:
Data là đối tượng iddata, chứa các thông tin về các biến ngõ vào/ngõ ra. na là số phần tử của đầu ra y được sử dụng trong mô hình ARX nb là số phần tử của đầu vào u được sử dụng trong mô hình ARX Nếu có nhiều đầu vào nb là ma trận có số cột bằng số đầu vào. nkmin và nkmax xác định giới hạn thời gian trễ cần kiểm tra. maxtest xác định số mẫu được sử dụng để thực hiện dự đoán trễ.
Hàm selstruc được dùng để chọn bậc (order) phù hợp cho mô hình từ đối tượng iddata cần nhận dạng mô hình Hàm selstruc chỉ sử dụng được cho mô hình SISO Trong tình huống muốn sử dụng cho mô hình MISO ta cần phải xét từng cặp vào/ra tương ứng. Đối với mô hình arx, cú pháp như sau: order=struc(2:10, 2:10, 1:60); selstruc(arxstruc(ze(:,:,1),zv(:,:,1),order));
Lệnh struc(namin:namax, nbmin:nbmax, nkmin:nkmax) xác lập các giới hạn cấu trúc của hàm.
Lệnh arxstruc(ze(:,:,1),zv(:,:,1),order) khai báo cho hàm selstruc là đối số sẽ là mô hình ARX. ze(:,:,1) có nghĩa là nhận dạng ảnh hưởng đầu vào 1 của đối tượng ze (dùng để nhận dạng) đến ngõ ra của ze Tương tự nếu ze(:,:,2) thì có nghĩa là nhận dạng ảnh hưởng đầu vào 2 đến ngõ ra. zv(:,:,1)khai báo đối tượng iddata dùng để kiểm chứng độ chính xác của bậc mô hình được ước lượng tương tự ở trên giá trị 1 có nghĩa là dùng giá trị đầu vào 1 của đối tượng zv và ngõ ra để kiểm chứng bậc của mô hình được ước lượng.
Hàm arx dùng để nhận dạng mô hình ARX cho đối tượng iddata.
Cú pháp thường dùng: m = arx(data,'na',na,'nb',nb,'nc',nc,'nk',nk) trong đó: data là đối tượng iddata cần nhận dạng mô hình. na, nb, nk là các bậc của mô hình ARX, trong đó na tương ứng với ngõ ra, nb là ngõ vào, nk là trễ của ngõ vào so với ngõ ra Nếu data là đối tượng 1 vào/ra thì nb, nk là một hằng số, còn nếu data là đối tượng MISO thì nb, nk là ma trận có kích thước
⋯+ b n 2 b1 u 2 ( t − n k 2 − n b 2 +1 )+⋯+ b 1 m u m ( t −1)+⋯b n m bn u 1 ( t −n km −n bm + 1)+e ( t ) y là biến quá trình ngõ ra u 1 , u 2 , u m là các biến quá trình đầu vào n a là số điểm cực n b1 , n b2 ,…, n bm là số các điểm zero cộng thêm 1 (tương ứng từng đầu vào) n k1 , n k2 ,…, n km là thời gian gian trễ tương ứng từng đầu vào.
Dùng so sánh dữ liệu mô phỏng ngõ ra của mô hình với dữ liệu ngõ ra thu thập được.
Trong đó: data là đối tượng iddata chứa thông tin vào/ra để nhận dạng m chính là mô hình thu được từ việc nhận dạng data. x0est là dữ liệu nội suy mô tả trạng thái đầu của dữ liệu data đối với mô hình m x0est được xác định bằng hàm findstates
Dùng để dự đoán trạng thái đầu của bộ dữ liệu đối với mô hình Trạng thái này sẽ được dùng để thực hiện tính toán ngõ ra mô phỏng của mô hình nhằm tránh đột biến dữ liệu tại trạng thái đầu của ngõ ra mô phỏng.
Trong đó: MODEL chính là mô hình thu được từ quá trình nhận dạng, DATA là dữ liệu dùng để mô phỏng ngõ ra của MODEL
Là lệnh dùng để mô phỏng ngõ ra của một mô hình tuyến tính
Cú pháp thường dùng: ysim= sim(m,u,'InitialState',init) m là mô hình cần tính toán mô phỏng ngõ ra u là tín hiệu vào của mô hình nhằm tính toán ngõ ra mô phỏng. init là trạng thái đầu của mô hình m đối với bộ dữ liệu đầu vào u, thông thường init được xác định bằng hàm findstates()
Chương trình MATLAB nhận dạng tác động của ngõ vào đến ngõ ra áp suất và ngõ ra nhiệt độ xem ở phụ lục 3.
Bởi vì quá trình chỉ chịu nhiễu tải và nhiễu đo ở dạng nhiễu trắng nên ta sử dụng mô hình ARX để nhận dạng và xem nhiễu tải như một đầu vào của quá trình.
Chất lượng mô hình được đánh giá thông qua hệ số fit: fit0×( 1− norm norm ( y measure ( y sim −mean( − y measure y measure ) ) ) )
Trong đó: mean: giá trị trung bình norm: chuẩn của ma trận.
5.3.3.1 Mô hình cho áp suất hơi quá nhiệt
Nhận dạng ảnh hưởng của đầu vào (FIC8201.PV, FIC8252.PV) đến áp suất của hơi quá nhiệt ở đầu ra (PIC4048.PV):
Ta dùng dữ liệu thu thập như mô tả ở mục 5.2.2, ta gọi bộ dữ liệu này là EXP2 Với bộ dữ liệu này ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các biến ngõ vào tác động đến áp suất hơi ở ngõ ra Dữ liệu dùng để nhận dạng là 1800 mẫu từ 2400 đến 4200. exp2identin1=exp2fic8201pv(1800:4200,1); exp2identin2=exp2fic8252pv(1800:4200,1); exp2identin= [exp2identin1, exp2identin2]; ts=1; exp2ze1800=iddata(exp2identout,exp2identin,ts);
Ta sử dụng mô hình ARX cho hai đầu vào với các tham số như sau: Đầu vào FIC8201.PV:na = 20; nb 50; nk = 28; Đầu vào FIC8252.PV:na = 20; nb ; nk = 5; exp2arx4=arx(exp2ze1800, ‘na’,20, ‘nb’,[350 10],’nk’[28 5]);Kết quả đạt được có mức độ chính xác fit 74.7%
Hình 5.3.3.1-24 Kết quả nhận dạng cho mô hình áp suất
Chi tiết tham số của mô hình nhận dạng được (exp2arx4) như dưới đây:
0.4 exp2arx4=arx(exp2ze1800,na,20,nb,[350 10],nk,[28 5]) y1 exp2ze1800; measured exp2arx4; fit: 74.75%
Estimated using ARX from data set exp2ze1800 Loss function 2.08146e-005 and FPE 2.86419e-005 Sampling interval: 1
Ta kiểm chứng mô hình thu được bằng 1800 mẫu đầu tiên của bộ dữ liệu EXP2. Đối tượng exp2zeval được tạo như dưới đây: exp2valin1=exp2fic8201pv(1:1800,1); exp2valin2=exp2fic8252pv(1:1800,1); exp2valin= [exp2valin1, exp2val2]; ts=1; exp2zeval=iddata(exp2valout,exp2valin,ts);
Kiểm chứng bằng exp2zeval ta thu được kết quả là fit 58.7% x0=arx4exp2zeval=findstates(exp2arx4,exp2zeval); figure; compare(exp2zeval,exp2arx4,’initialstate’,x0arx4exp2zeval);title(‘exp2arx4=arx(exp2ze1800,na,20,nb,[350 10],nk,[28 5])’;
Hình 5.3.3.1-25 Kiểm chứng mô hình áp suất hơi quá nhiệt
5.3.3.2 Mô hình cho nhiệt độ hơi quá nhiệt
Nhận dạng ảnh hưởng của đầu vào vào (FIC8201.PV,
FIC8252.PV, FI8253.PV) đến nhiệt độ của hơi quá nhiệt đầu ra (TIC2853.PV):
Ta dùng dữ liệu thu thập như mô tả ở mục 5.2.1, tạm gọi là bộ dữ liệu EXP1.