Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định mức nước cấp bằng bộ điều khiển mờ thích nghi

ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP CHU THỊ HẰNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 605202.16 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Cơng trình được hồn thành tại: ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS : Đặng Danh Hoằng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Phản biện 2: TS Đỗ Trung Hải Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Hội trường 201A8 Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Vào hồi 10 giờ 30 phút ngày 19 tháng 04 năm 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Chu Thị Hằng Sinh ngày: 24 tháng 6 năm 1970 Học viên lớp cao học khố 14 - Tự động hố - Trường Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Ngun – Đại học Thái Ngun. Hiện đang cơng tác tại: Trường Trung học Cơ sở Võ Thị Sáu Thành Phố n Bái - Tỉnh n Bái. Tơi cam đoan tồn bộ nội dung trong luận văn do tơi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, khơng sao chép của người khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khả o đã được chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Chu Thị Hằng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cơ giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp cùng các thầy giáo, cơ giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã động viên, giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hồn thành bản luận văn của mình. Trong q trình thực hiện đề tài tơi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệ t tình của các thầy, cơ giáo trong khoa Điện, bộ mơn Điều khiển tự động hóa của trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp thuộc ĐH Thái Ngun và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy TS. Đặng Danh Hoằng, người đã ln ân cần hướng dẫn, chỉ bảo tơi trong suốt thời gian làm luận văn giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao. Tơi xin gửi những lời cả m ơn chân thành nhất đến thầy Đặng Doanh Hồng, các thầy, cơ giáo trong khoa Điện, bộ mơn Điều khiển tự động – Trường Đại học đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt q trình học tập tại trường. Do thời gian, cũng như kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên luận văn này chắc chắn khơng tránh khỏi tài những thiếu sót. Rất mong nhận được s ự đóng góp ý kiến của các thầy, cơ giáo và các bạn đồng nghiệp để tơi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện hơn nữa trong q trình cơng tác sau này. Học viên Chu Thị Hằng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt vii Danh mục các bảng biểu ix Danh mục các hình vẽ và đồ thị x MỞ ĐẦU 1 NỘI DUNG 3 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 3 1.1 Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện 3 1.1.1. Ngun lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 3 1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện 5 1. 2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện 6 1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi 6 1.2.2. Các loại lò hơi chính 6 1.2.3. Các hệ thống điều chỉnh trong lò hơi nhà máy nhiệt điện 9 1.2.3.1. Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi q nhiệt 10 1.2.3.2. Hệ thống điều chỉnh q trình cháy 11 1.2.3.3. Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi 12 1.2.3.4. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi 13 1.3. Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện 14 1.3.1. Đặt vấn đề 14 1.3.2. Mục tiêu nghiên cứu 15 1.3.3. Dự kiến các kết quả đạt được 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iv 1.4. Kết luận chương 1 16 Chương 2. MƠ TẢ TỐN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 17 2.1. Đặt vấn đề 17 2.2. Mơ tả tốn học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện 19 2.2.1. Cấu trúc mơ hình nhà máy nhiệt điện 19 2.2.2. Cấ u trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao hơi 19 2.2.3. Xây dựng hàm truyền các thành phần của hệ thống 20 2.2.3.1. Thiết bị đo 20 2.2.3.2. Thiết bị chấp hành 23 2.2.3.3. Bình bao hơi 28 2.3. Hàm truyền của hệ thống 32 2.4. Kết luận: 33 Chương 3. KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MƠ PHỎNG VÀTHỰC NGHIỆM 34 3.1. Đặt vấn đề 34 3.2. Tổng quan bộ điều khiển PID 34 3.2.1. Thiế t kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm q độ h(t) 35 3.2.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols 35 3.2.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 36 3.2.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. 37 3.2.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số 38 3.2.2.1. Ngun tắc thiết kế 38 3.2.2.2. Phương pháp tối ưu modul dùng cho đói tượng hữu sai tĩnh 39 3.2.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng 40 3.3. Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 41 3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mơ phỏng trên Matlab – Simulink 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ v 3.4.1. Sơ đồ mơ phỏng bằng matlab – Simulink 43 3.4.2. Các kết quả mơ phỏng 43 3.5. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 44 3.5.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 44 3.5.2. Giới thiệu về mơ hình thực nghiệm 46 3.5.3. Các kết quả thực nghiệm 50 3.5.4. So sánh với kết quả mơ phỏng 51 3.6. Kết luận chương 3 51 Chương 4. NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐ NG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 52 4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 52 4.1.1. Hệ Logic mờ 52 4.1.1.1 Khái niệm về tập mờ 52 4.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 53 4.1.2. Bộ điều khiển mờ 60 4.1.2.1. Bộ điều khiể n mờ động 60 4.1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi 61 4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu 62 4.2.1. Đặt vấn đề 62 4.2.2. Mơ hình tốn học của bộ điều khiển mờ 63 4.2.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng 68 4.2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu dùng lý thuyết thích nghi kinh điển 68 4.2.3.2. Bộ điề u khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng 69 4.3. Kết quả mơ phỏng hệ thống 70 4.3.1. Sơ đồ mơ phỏng 70 4.3.2. Kết quả mơ phỏng 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vi 4.3.3. Đánh giá kết quả 72 4.4. Kết luận chương 4 72 Kết luận và kiến nghị 73 Tài liệu tham khảo 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 CO Tín hiệu điều khiển 2 MV Biến điều khiển 3 CV Biến được điều khiển 4 PM Tín hiệu đo 5 W H Hàm truyền đạt 6 K Hệ số khuếch đại đầu ra 7 k I ,  Các hệ số khuếch đại đầu vào 8 SISO Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra 9 MIMO Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. 10 SIMO Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra. 11 MISO Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra. Các chữ viết tắt STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 12 QTCN Mức nước cấp bình bao hơi 13 FC fail-closed - van đóng an tồn 14 AO air-to-open - van đóng an tồn 15 FO fail-open - van mở an tồn 16 AC air-to-close - van mở an tồn 17 PID Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân 18 FLC Điều khiển logic mờ 19 FMRAFC Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ viii 20 Measurementdevice Thiết bị đo 21 Sensor Cảm biến 22 Sensor element Phần tử cảm biến, đầu đo 23 Signal conditioning Điều hồ tín hiệu 24 Transmitter Bộ chuyển đổi đo chuẩn 25 Transducer Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ [...]... tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi sử dụng bộ điều khiển PID bằng mơ phỏng và thực nghi m Chương 4: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ thích nghi Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU... của bộ hâm 1.3.2 Mục tiêu nghi n cứu Vấn đề quan trọng của các hệ thống điều khiển q trình là bộ điều khiển Với các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển q trình có chất lượng thấp như khơng thích nghi, khơng bền vững, tín hiệu điều khiển khơng bị chặn Trên cơ sở các tín hiệu vào là lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi tươi và mức nước bao hơi, bộ điều chỉnh mức nước sẽ làm thay đổi độ mở van cấp nước. .. phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống điều khiển q trình, cụ thể là điều khiển mức nước cấp trong bình bao hơi của nhà máy nhiệt điện, đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học khơng ngừng phát triển nghi n cứu Vì vậy nghi n cứu thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định mức nước cấp bao hơi là cấp thiết... diễn mờ 57 Hình 4.6 Những ngun lý giải mờ 59 Hình 4.7 Cấu trúc một hệ logic mờ 59 Hình 4.8 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 61 Hình 4.9 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 61 Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 61 Hình 4.11 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 62 Hình 4.12 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 62 Hình 4.13 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển. .. của mức nước bao hơi khi thay đổi lưu lượng nước cấp 30 Hình 2.10 Đặc tính động của mức nước bao hơi theo lưu lượng nước cấp 32 Hình 2.11 Sơ đồ điều chỉnh mức nước bao hơi một tín hiệu 33 Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) 34 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 35 Hình 3.3 Đồ thị q độ 37 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển 38 Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước cấp. .. thống điều khiển ổn định mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện” 2 Mục tiêu nghi n cứu - Ngun cứu cơ sở lý thuyết và tổng quan nhà máy nhiệt điện từ đó xây dựng mơ hình tốn cho hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi - Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển ổn định mức nước cấp bình bao hơi Kiểm chứng kết quả bằng mơ phỏng và thực nghi m trên mơ hình nhà máy nhiệt điện tại Trung tâm thí nghi m... điều khiển mức nước cấp bao hơi 43 Hình 3.7 Đáp ứng của hệ thống với mức nước 90% 43 Hình 3.8 Đáp ứng của hệ thống với mức nước nhảy cấp từ 80% lên 100% 44 Hình 3.9 Cấu trúc thí nghi m điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ xi Hình 3.10 Bình cấp nước trong thí nghi m điều khiển mức nước bao hơi 45 Hình 3.11 Giao diện trong thí nghi m điều. .. thiết Mục tiêu của luận văn là: - Mơ tả tốn học cho hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi - Thiết kế điều khiển mờ thích nghi để điều khiển hệ thống 1.3.3 Dự kiến các kết quả đạt được - Xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống - Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi cho hệ thống - Cấu trúc mơ phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink - Tiến hành thực nghi m lấy kết quả so sánh với lý thuyết Số hóa bởi... nghi m điều khiển mức nước cấp bao hơi 45 Hình 3.12 Giao diện kết quả thí nghi m điều khiển mức nước cấp bao hơi 46 Hình 3.13 Kết quả thí nghi m điều khiển mức nước cấp bao hơi 80% 50 Hình 3.14 Kết quả thí nghi m điều khiển mức nước cấp bao hơi nhảy cấp từ 80% xuống 60% 51 Hình 4.1 Hàm thuộc biến ngơn ngữ 53 Hình 4.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 53 Hình 4.3 Luật hợp thành 54 Hình 4.4 Mờ hố 56 Hình... điểm tổng qt của một lò hơi trong nhà máy nhiệt điện, luận văn đề suất đi sâu nghi n cứu một đối tượng điều khiển mức nước cấp trong bình bao hơi, nghi n cứu cải tiến nâng cao chất lượng hệ thống ổn định mức nước cấp bình bao hơi nhằm góp phần nâng cao chất lượng của hệ thống; đó là một trong các nhiệm vụ điều khiển cho lò hơi của nhà máy nhiệt điện Mơ hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghệm . điều khiển mức nước cấp bình bao hơi sử dụng bộ điều khiển PID bằng mơ phỏng và thực nghi m Chương 4: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ. HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHI P CHU THỊ HẰNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động. HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 52 4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 52 4.1.1. Hệ Logic mờ 52 4.1.1.1 Khái niệm về tập mờ 52 4.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 53