Ứng dụng điều khỉển quá trình nhằm khống chế nồng độ khí thải (co) trong môi trường

HOÀNG THỊ THU GIANG ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUT NGNH : TU NG HO nghiên cứu điều khiển trình nhằm T NG HO khống chế nồng độ khí thải (CO) môi tr-ờng HONG TH THU GIANG 2007 – 2009 Thái nguyên THÁI NGUYÊN 2009 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.Lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP HỒNG TỊ THU GIANG ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NHẰM KHỐNG CHẾ NỒNG ĐỘ KHÍ THẢI (CO) TRONG MƠI TRƯỜNG CHUN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HỐ Mã số: TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ TỰ ĐỘNG HỐ THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.Lrc-tnu.edu.vn CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THANH HÀ Phản biện 1: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI Phản biện 2: TS PHẠM HỮU ĐỨC DỤC Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp, ĐHTN Ngày…….tháng……năm 2009 Có thể tìm luận văn tại: Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp, ĐHTN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học MỞ ĐẦU Ngày ngành cơng nghiệp phát triển mạnh mẽ kèm theo lợi ích mà mang lại nhiễm môi trường, nhà môi trường giới lên tiếng cảnh báo xuống dốc trầm trọng mơi trường sống lượng khí thải mà loại máy móc mà phương tiện thải ra, có lượng lớn khí thải Cácbon monoxide (CO) Khí CO loại khí khơng mùi, khơng mầu, khơng kích thích khơng gây tổn thương liên mạc giác quan phát khí Khí CO tạo thành chủ yếu đốt cháy khơng hồn tồn chất có chứa cacbon Có nhiều nguồn tạo khí CO xung quanh nhà lị nướng, bếp than, bếp ga, khí thải xe ôtô, xe gắn máy Khói thuốc nguồn quan trọng tạo nhiễm khí CO Ở nhà máy, công xưởng, hàm lượng Co thường đạt giá trị cao mơi trường có diễn q trình cháy lị cao, khoang lị hơi, luyện kim, lọc dầu, động chạy xăng dầu, máy phát điện, bãi đậu xe kín nhà… Cơ chế tính độc hại CO cơng nhận nhiều liên kết mạnh mẽ CO với Hemoglobin (Hb) Sự liên kết làm giảm Hb từ làm giảm lượng O2 huyết giảm vận chuyển O2 hồng cầu tới phận thể tăng phân ly O2 khỏi Hb mao mạch Như CO gây thiếu O2 dẫn đến giảm chức quan tổ chức nhậy cảm não, tim, nội mạc, mạch máu tiểu cầu, ảnh hưởng đến sức khoẻ Khi lượng O2 khơng khí nhỏ, nạn nhân mệt mỏi, hoa mắt, chóng mặt, buồn nôn, đau đầu nồng độ CO môi trường gia tăng, tim não nạn nhân bị ảnh hưởng nặng nề dẫn đến tử vong Mức độ ngộ độc khí CO phụ thuộc vào ba yếu tố; nồng độ khí CO mơi trường, khoảng thời gian tồn nồng độ cường độ làm việc hay tốc độ tốc độ hít thở người Khi môi trường mà nồng độ khoảng 80 đến 100ppm vịng đến giờ, làm giảm cường độ làm việc, tức ngực, loạn nhịp tim Ở nồng độ 100 đến 200 ppm ngộ độc khí CO có biểu nhức đầu, buồn nơn, đầu óc minh mẫn Hệ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học thống thần kinh trung ương bị tê liệt, hôn mê dẫn đến tử vong với nồng độ CO 700ppm lớn vịng Một số tổ chức an tồn sức khoẻ giới đặt giới hạn cho phép nồng độ khí CO nơi làm việc, nhà xưởng, khu công nghiệp sau: - Tổ chức an toàn vệ sinh Hoa Kỳ (OSHA) đưa giới hạn chấp nhận với nồng độ khí CO 65ppm làm việc - Viện an toàn sức khoẻ quốc gia Mỹ (NIOSHA) đề nghị giới hạn nồng độ khí CO 35ppm làm việc Do khí CO khí khơng mùi, khơng màu, khơng kích thích nên diện khí CO khơng khí khó phát nạn nhân bị nhiễm độc khí CO việc chuẩn đốn bệnh khó khăn dẫn đến tình trạng tử vong nhanh chóng, CO mệnh danh “thủ phạm giết người lặng lẽ” Việt nam, đất nước phát triển mạnh công nghiệp việc xử lý chất thải khơng khí sản xuất cịn chưa quan tâm mức Vì nhà máy có lượng khí thải lớn nhà máy nhiệt điện đốt than, phân xưởng có q trình nung phơi…là điều đáng lo ngại Ở nước ta số lượng nhà máy nhiệt điện, phân xưởng có q trình nung, nấu phơi phân xưởng , nhà máy có nồng độ khí thải độc hại lớn có số lượng tương đối nhiều Tuy nhiên hầu hết đơn vị dừng việc đo cảnh báo nồng độ khí thải chưa có biện pháp giải quyết, xử lý khống chế đồng thời để bảo đảm an toàn cho người lao động Hiện số sở sản xuất quy mô vừa nhỏ có áp dụng phương pháp xử lý khí độc đơn giản như: tháp rửa khí, tháp hấp thụ vật liệu rỗng tưới nước dung dịch sữa vôi, nhìn chung thiết bị hệ thống xử lý khí khu cơng nghiệp cịn mức thấp trình độ thiết kế, chế tạo, trình độ vận hành công nhân ý thức tự giác doanh nghiệp Theo kết điều tra khu cơng nghiệp tỉnh phía Nam có khoảng 5% sở sản xuất cơng nghiệp có lò đốt nhiên liệu lắp đặt hệ thống xử lý khí độc hại Chỉ có số sở sản xuất xây dựng đại có hệ thống xử lý kèm theo dây Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học chuyền công nghệ, số lại xây dựng phương án áp dụng biện pháp truyền thống sử dụng hệ thống thơng gió nhà xưởng trồng nhiều xanh nên khơng thể hồn tồn chủ động việc khống chế nồng độ khí độc Như thấy việc sử dụng thiết bị đo, giám sát nồngđộ khí CO nhà, công xưởng, môi trường, nơi làm việc khống chế trở thành vấn đề thiết mà luận văn đề cập tới Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài - Nghiên cứu điều khiển trình - Khảo sát tìm hiểu số thiết bị đo nồng độ khí CO môi trường - Thiết kế hệ thống tự động khống chế nồng độ khí CO mơi trường - Qúa trình nghiên cứu góp phần tăng nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập giảmg dạy trường Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển trình, tìm hiểu phương pháp đo nồng độ khí CO, thiết kế hệ thống tự động khống chế nồng độ khí CO, mơ hình hố tiến hành mô phần mềm Matlab – Simulink Hiệu chỉnh, nâng cao chất lượng hệ thống mờ lai Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1khái niệm 1.1.1.Khái niệm điều khiển trình Điều khiển trình thao tác điều kện trình để làm xảy thay đổi mong muốn đặc tính đầu q trình Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát q trình cơng nghệ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu sản xuất an toàn cho người, máy móc mơi trường 1.1.2.Cấu trúc thành phần hệ thống điều khiển qúa trình PCS (Process control system) Con người Trạng thái Tham số THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN Thiết bị chấp hành Thiết bị đo ● ● Q trình cơng nghệ Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển trình Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học Một hệ thống điều khiển q trình chứa đựng toàn giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành giám sát nhằm đảm bảo yêu cầu q trình cơng nghệ Trong thực tế điều khiển qúa trình thường xem điều khiển thông số như: nhiệt độ (to), áp suất (p), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ (pH), định lượng trí điều khiển phản ứng…việc điều khiển đại lượng thường gặp khó khăn điều khiển q trình có đặc tính: Những đặc tính điều khiển trình: Thường thể bốn đặc tính sau: - Thời gian chết q trình ( Process dead time) - Trễ trình (Process lag) - Hệ số khuếch đại trình (Process gain) - Nhiễu trình (Process disturbances) - Thời gian chết q trình: Đó khoảng thời gian thay đổi tín hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển q trình đáp ứng tín hiệu Hiện tượng luôn không phân biệt dạng tín hiệu dùng Ngồi cịn biết đến như: Trễ tuý, trễ vận tải, trễ khoảng cách - vận tốc - Trễ trình: Vì q trình vốn khơng có khẳ nhận thải lượng cách liên tục Qua ta có trễ bậc bậc cao - Hệ số khuếch đại trình: Hệ số khuếch đại trình xác định tỷ số thay đổi đầu thay đổi đầu vào - Nhiễu trình: Là thay đổi khơng mong muốn xẩy q trình, có xu hướng ảnh hưởng bất lợi đến giá trị biến điều khiển Khi nghiên cứu điều khiển qúa trình việc tổng hợp mạch vịng điều khiển thường gặp khó khăn vì: - Hệ có thơng số giải - Trong qúa trình hoạt động khơng cấu trúc hệ thay đổi (dẫn đến hàm truyền hệ thay đổi) mà cịn thơng số hệ thay đổi Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học -Tính phi tuyến tính tương tác lớn 1.2.Một số nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển trình 1.2.1.Bộ điều tốc tua bin thuỷ lực Trong tự nhiên có nhiều nguồn lượng phục vụ cho sản xuất sinh hoạt, chiếm tỷ trọng lớn nguồn lượng phải kể đến thuỷ điện Điều khiển nhà máy thuỷ điện nhằm đạt công suất tối ưu vấn đề quan trọng Tua bin thuỷ lực phận quan trọng nhà máy thuỷ điện, việc thay đổi tốc độ định thay đổi công suất phát tổ máy Mỗi tua bin cung cấp hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả điều khiển tốc độ, cơng suất phát, lưu lượng nước vào tua bin cho phép tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo chế độ vận hành song song với với hệ thống điện Bộ điều tốc có nguyên lý điều chỉnh thuật tốn PID có nhánh hồi tiếp - Điều khiển vị trí sử dụng thuật tốn điều chỉnh PID, tín hiệu vào vị trí thực cánh hướng vòng trượt servomotor Khi vận hành chế độ tải, giới hạn tốc độ cánh hướng bánh xe công tác đặt lên hàng đầu nhằm tránh tua bin lệch khỏi vị trí tối ưu Điểm đặt vị trí bánh xe cơng tác tính tốn dựa theo điểm đặt vị trí cánh hướng giá trị cột nước - Điều khiển giới hạn độ mở: Độ mở giới hạn điều chỉnh khoảng -5÷105% - Điều khiển vận tốc: Sử dụng thuật tốn điều chỉnh PID có phản hồi, giá trị đặt điều chỉnh vận tốc điều chỉnh khoảng 90÷110% Dải tần số chết có tác dụng suốt thời gian vận hành song song điều chỉnh Bộ điều chỉnh PID xác định điểm đặt cho servomotor điều khiển cánh hướng cách tính tốn sai lệch giá trị đặt tốc độ thực tế Hàm truyền điều khiển bỏ qua tượng trễ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học  Td s ) Ti s G(s)  1  Kp (1   Td s )bp Ti s Kp (1  Vi sai: Trong (1.1) Kp: hệ số tỷ lệ Ti: Thời gian tích phân bp: Độ dốc đặc tính tốc độ Khi bp  = G ( s)  Kp(1   Td s) Ti s (1.2) - Điều khiển độ mở cánh hướng: Giá trị đặt điều chỉnh khoảng từ -5÷105%, chế độ vận hành điều khiển lựa chọn tổ máy vận hành chế độ song song, chế độ khác điểm đặt độ mở độ mở thực cánh hướng - Điều khiển lưu lượng: Giá trị đặt điều chỉnh khoảng 5÷105% Lưu lượng thực tế tính tốn từ cột nước, vận tốc tuabin, vị trí cánh hướng bánh xe công tác Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI, xác định giá trị đặt cho vị trí sensor cánh hướng cách tính toán khác giá trị đặt lưu lượng thực tế Hàm truyền điều khiển có dạng: G( s)  Kp(1  ) Ti s (1.3) - Điều khiển mực nước: Giá trị điểm đặt xác định trước, xác định lại thông qua thiết bị đầu cuối, bảng vận hành hay giao diện thông tin Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI Sơ đồ khối hệ thống điều tốc tuabin: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 76 Bước 2: Xác định vectơ Ak(x) Bk(y) k = 1, 2, , p theo: μ TAk  μ Ak x1  ; μ Ak x  ; μ Ak x n  (3.13) μ TBk  μ Bk y1  ; μ Bk y  ; μ Bk y m  Bước 3: Xác định mơ hình cho luật điều khiển: Theo qui tắc MAX -MIN:   R k  Min μ Ak ; μ TBk  (rijk ), i  1,2, n; j  1,2, , m (3.14) Theo qui tắc MAX -PROD: k R k  μ Ak μ T Bk  (rij ) (3.15) Bước 4: Thiết lập luật hợp thành: Theo qui tắc MAX -MIN:    R  MAX rijk , k  1,2, p (3.16) Theo Sum-Min Sum -Prod:  p  R  Min 1,  R k   k 1  (3.17) Qui tắc có tính chất thống kê hơn, tránh trường hợp đa số mệnh đề hợp thành có giá trị đầu khơng phải lớn nên khơng tính đến qui tắc quan tâm đến giá trị max 4.3.5 Bộ điều khiển mờ tĩnh Là điều khiển mờ có quan hệ vào -ra y(x) liên hệ theo phương trình đại số (phi tuyến) Các điều khiển mờ tĩnh điển hình khuyếch đại P, điều khiển Relay hai vị trí, ba vị trí… Một dạng hay dùng điều khiển mờ tĩnh điều khiển mờ tuyến tính đoạn, cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển phạm vi khác trình, nâng cao chất lượng điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 77 Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm đơn giản, dễ thiết kế, song có nhược điểm chất lượng điều khiển khơng cao chưa đề cập đến trạng thái động (vận tốc, gia tốc…) trình, sử dụng trường hợp đơn giản 4.3.6 Bộ điều khiển mờ động Là điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới trạng thái động đối tượng Ví dụ với hệ điều khiển theo sai lệch đầu vào điều khiển mờ ngồi tín hiệu sai lệch e theo thời gian cịn có đạo hàm sai lệch giúp cho điều khiển phản ứng kịp thời với biến động đột xuất đối tượng Các điều khiển mờ động hay dùng điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân tỉ lệ vi tích phân (PI, PD, PID) Một điều khiển mờ theo luật I thiết kế từ mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) cách mắc nối tiếp khâu tích phân kinh điển vào trước sau khối mờ Do tính phi tuyến hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác Khi mắc nối tiếp đầu vào điều khiển mờ theo luật tỉ lệ khâu vi phân điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD Thành phần điều khiển giống điều khiển theo luật PD thơng thường bao gồm sai lệch tín hiệu chủ đạo tín hiệu hệ thống e đạo hàm sai lệch e’ Thành phần vi phân giúp cho hệ thống phản ứng xác với biến đổi lớn sai lệch theo thời gian Phát triển tiếp từ ví dụ điều khiển mờ theo luật P thành điều khiển mờ theo luật PD hoàn toàn đơn giản Trong kĩ thuật điều khiển kinh điển, điều khiển PID biết đến giải pháp đa có miền ứng dụng rộng lớn Định nghĩa điều khiển theo luật PID kinh điển trước sử dụng cho điều khiển mờ theo luật PID thiết kế theo hai thuật tốn: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 78 - Thuật toán chỉnh định PID - Thuật toán PID tốc độ Bộ điều khiển mờ thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có ba đầu vào gồm sai lệch e tín hiệu chủ đạo tín hiệu ra, đạo hàm tích phân sai lệch Đầu điều khiển mờ tín hiệu điều khiển u (t) t  d  u(t )  K e   edt  TD e  TI dt   Với thuật toán PID tốc độ, điều khiển PID có đầu vào: sai lệch e tín hiệu đầu vào tín hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc e’, đạo hàm bậc hai e’’ sai lệch Đầu hệ mờ đạo hàm du /dt tín hiệu điều khiển u (t) d du d2   K e e e  dt dt T ( dt ) I   Do thực tế thường có hai thành phần bỏ qua nên thay thiết kế điều khiển PID hoàn chỉnh người ta thường tổng hợp điều khiển PI PD Bộ điều khiển PID mờ thiết kế sở điều khiển PD mờ, cách mắc nối tiếp đầu điều khiển PD mờ khâu tích phân Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc PID mờ gọi điều chỉnh mờ ba thành phần nghiên cứu Các dạng cấu trúc thường thiết kế sở tách điều khiển PID thành hai điều chỉnh PD PI Việc phân chia nhằm mục đích thiết lập hệ luật cho PI PD gồm hai biến vào, biến ra, thay phải thiết lập ba biến vào 4.3.7.Bộ điều khiển mờ lai  Khái niệm chung Hệ mờ lai (Furry - hybid) hệ thống điều khiển tự động thiết bị điều khiển gồm hai thành phần: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 79  Phần thiết bị điều khiển rõ(thường điều khiển kinh điển PID )  Phần hệ mờ Bộ điều khiển mà q trình làm việc có khả tự chỉnh định thơng số cho phù hợp với thay đổi đối tượng gọi điều khiển thích nghi Một hệ thống điều khiển thích nghi, cho dù có hay khơng tham gia hệ mờ, hệ thống phát triển cao có tiềm đặc biệt, song gắn liền ưu điểm khối lượng tính tốn thiết kế lớn Phần lớn hệ thống điều khiển mờ lai hệ thích nghi Khái niệm “thích nghi” định nghĩa không bao gồm giải pháp thay đổi cấu trúc hệ thống cho dù thay đổi phần phục vụ mục đích thích nghi Chẳng hạn hệ thống mà tính “tự thích nghi”của thiết bị điều khiển thực cách dựa vào thay đổi đối tượng mà chọn khâu điều khiển có tham số thích hợp số khâu có cấu trúc với tham số khác cài đặt từ trước, không gọi hệ điều khiển thích nghi Tính “thích nghi” loại hệ thống thực cách chuyển công tắc đến điều khiển có tham số phù hợp tự chỉnh định lại tham số điều khiển theo nghĩa điều khiển thích nghi định nghĩa Thực tế ứng dụng điều khiển mờ cho thấy thay điều khiển kinh điển điều khiển mờ có hệ thống tốt hơn.Trong nhiều trường hợp đặc biệt, để hệ thống có đặc tính động học tốt bền vững cần phải thiết kế thiết bị điều khiển lai điều khiển mờ điều khiển kinh điển.Từ dẫn đến khái niệm “hệ mờ lai” lĩnh vực thiết kế, ứng dụng điều khiển mờ lai để nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống  Kết luận: - Các điều khiển P, PI PID điều khiển đối tượng kỹ thuật hồn thiện cho đặc tính động học toàn hệ thống tốt Nhưng để xử lý thêm tín hiệu đo tăng thêm khả chuẩn đoán cho hệ thống, cần thay bước điều khiển kinh điển điều khiển mờ phát triển thêm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 80 hệ điều khiển dựa sở điều khiển mờ để có tính chất điều khiển mong muốn Cùng với kỹ thuật mờ, điều khiển chung cho phép tạo khả điều khiển đối tượng phong phú đa dạng - Chính lý nên đồ án chọn điều khiển mờ để điều khiển hệ truyền động điện chiều nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động tăng phạm vi ứng dụng thực tế 4.4 Xây dựng điều khiển mờ cho trình khống chế nồng độ khí CO 4.4.1.Đặt vấn đề Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm loại điều khiển mờ điều khiển rõ, người ta thường dùng hệ kết hợp hai loại điều khiển truyền thống điều khiển mờ với nhau, ta có hệ điều khiển mờ lai Ta xét hệ điều khiển có cấu trúc vòng, với mạch vòng thứ điều khiển PID vòng hai điều khiển mờ Ưu điểm hệ điều khiển nối nhiều vịng thiết kế điều khiển cho vịng theo u cầu chất lượng riêng vịng đó, điều khiển đơn giản chất lượng cao Ta thiết kế hệ thống điều khiển nồng độ khí CO cấp thứ dùng điều khiển PID truyền thống, cấp thứ hai dùng điều khiển mờ để chỉnh định tham số điều khiển PID 4.4.2 Bộ điều khiển PID truyền thống Do cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID dùng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp Hàm truyền đạt điều khiển PID là: G(s) =Kp +Ki/s +Kds Trong Kp, Ki, Kd hệ số tỉ lệ, tích phân đạo hàm Nếu viết theo hàm thời gian tín hiệu điều khiển PID là: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 81 t  de(t )  u (t )  K p e(t )   e( )d  Td  Ti dt   Trong đó: Ti = Kp/Ki, Td = Kd/Kp số thời gian tích phân đạo hàm Vì hệ số điều khiển PID tính tốn cho chế độ làm việc cụ thể hệ thống, q trình vận hành ln phải chỉnh định hệ số cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu điều chỉnh công việc thường nhân viên vận hành tiến hành theo kiểu “thăm dò” Dựa theo nguyên lý chỉnh định đó, ta thiết kế điều chỉnh mờ vịng ngồi để chỉnh định tham số PID vòng 4.4.4 Thiết kế điều khiển mờ để chỉnh định tham số điều khiển PID Xét hệ điều khiển nồng độ khí CO có cấu trúc hình ( 3.2 ) với điều khiển bên dùng PID truyền thống, cịn bên ngồi dùng điều khiển mờ để tự động chỉnh định tham số Kp PID, Giả thiết hệ số tỉ lệ cho phép thay đổi khoảng [Kpmin, Kpmax] Để tiện lợi tính tốn ta biến đổi chúng đơn vị tương đối: K p'  K p  K p K p max  K p Như nhiệm vụ cụ thể ta thiết kế điều khiển mờ để chỉnh định tự động tham số Kp’ 4.4.4.1 Định nghĩa biến vào - Đại lượng vào điều khiển mờ (ĐKM) sai lệch nồng độ khí CO cần giữ ổn định (tín hiệu chủ đạo) nồng độ khí CO thực nhà xưởng (SL giá trị rõ) - Đại lượng ĐKM điện áp để điều khiển độ mở van cấp khí Oxi Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 82 4.4.4.2 Xác định tập mờ - Miền giá trị vật lý (cơ sở) biến vào - ra: *) INPUT chọn miền giá trị từ -20 đến +20 *) OUTPUT chọn miền giá trị từ đến - Số lượng tập mờ (giá trị ngôn ngữ): INPUT  {RN, N, TB, L}(Rất nhỏ, nhỏ, trung bình, lớn) OUTPUT(MRN, MN, MTB, ML}(Mở nhỏ, mở nhỏ, mở trung bình, mở lớn) - Xác định hàm liên thuộc: Hàm liên thuộc INPUT gồm biến ngôn ngữ OUTPUT gồm biến ngôn ngữ 4.4.3.3 Mô điều khiển mờ MATLAB a Xây dựng khối điều khiển mờ Ta có điều khiển mờ, hàm liên thuộc tín hiệu vào, hàm liên thuộc đầu ra, luật điều khiển kết mơ hình sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 83 Hình 4.8 Bộ đ ều khiển mờ Hình 4.9 Các hàm liên thuộc đầu vào Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 84 Hình 4.10: Các hàm liên thuộc đầu - Tập luật điều khiển mờ thể luật dạng mặt biểu diễn hình 4.11; 4.12 Hình 4.11: Các luật điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 85 Hình 4.12: Luật dạng mặt Hình 4.13: sơ đồ cấu trúc hệ thống có điều khiển mờ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 86 b Kết mơ Khi chưa có điều khiển mờ Khi có điều khiển mờ Hình 4.14: Kết mơ Nhận xét: Hình 4.14 kết mô chọn tham số PID [KD=TD =200; KI =1/TI = 30, KP = 3.103] chưa đưa thêm điều khiển mờ vào đưa thêm điều khiển mờ vừa thiết kế vào để chỉnh định tham số điều khiển PID Theo kết mơ hình 4.14 ta thấy sau hiệu chỉnh tham số KP thơng số đặc tính hệ là: - Độ điều chỉnh  = 3% - Thời gian độ tqd = 7s Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 87 - Thời gian đáp ứng tm = 7s Như Khi chọn tập mờ luật điều khiển thích hợp luật điều khiển mờ giúp cho hệ đạt độ xác cao Bộ điều khiển mờ giúp cho độ điều chỉnh giảm xuống, chất lượng điều khiển hệ thống tăng lên so với sử dụng điều chỉnh PID Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 88 KẾT LUẬN Trong luận văn nghiên cứu ứng điều khiển q trình nhằm khống chế nồng độ khí thải (CO) môi trường đạt kết cụ thể sau: - Nghiên cứu tổng quan điều khiển trình, khái niệm điều khiển trình, cấu trúc khái niệm hệ điều khiển trình PCS, số nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển trình, phương trình động học trình, số thiết bị điều khiển trình - Các thuật tốn điều khiển q trình Các điều khiển, tổng hợp mạch vịng điều khiển q trình: tương quan chỉnh định điều khiển PID, tương quan chỉnh định điều khiển PI, cấu trúc điều khiển theo mô hình nội IMC, điều khiển tầng, điều khiển feedforward - Thiết kế mô hệ thống tự động khống chế nồng độ khí CO cho phân xưởng: Tổng quan hệ thống tự động khống chế nồng độ khí, Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự dộng khống chế nồng độ khí CO hàm truyền đạt phần tử hệ thống Mơ đặc tính hệ thống phần mềm matlab – simulink - Ứng dụng điều khiển mờ để nâng cao chất lượng điều khiển trình cho kết tốt - Với kết ban đầu thu luận văn sử dụng làm tài liệu công tác giảng dạy thân mong muốn có điều kiện thời gian kiến thức, kết nghiên cứu luận văn ứng dụng thực tế đem lại hiệu cao Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh – Hán Thành Trung (2008) Lý thuyết Điều khiển phi tuyến nhà xuất Khoa học kỹ thuật 2.Nguyễn Thương Ngô (1999) Lý thuyết điều khiển tự động đại nhà xuất Khoa học kỹ thuật 3.Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006) Lý thuyết điều khiển mờ nhà xuất Khoa học kỹ thuật 4.Nguyễn Doãn phước (2005) Lý thuyết điều khiển đại nhà xuất khoa học kỹ thuật 5.TS Nguyễn Như Hiển, TS Lại khắc Lãi (2007) Hệ mờ Nơron kỹ thuật điều khiển nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ 6.Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoà, Nguyễn Thị Vấn (1997), Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý tập 2, Nhà xuất giáo dục , Hà nội NIOSH – Preventing Carbon Monoxide poisoning from Small Gasoline – Powered Engines and Tools Alert – DHHS (NIOSH) Publication, HTML Document Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn Luận văn Cao học 90 TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung nghiên cứu luận văn “Nghiên cứu điều khiển q trình nhằm khống chế nồng độ khí thải CO mơi trường”bao gồm phần sau: - Trình bầy lý lựa chọn đề tài: Tác hại ô nhiễm môi trường, tác hại khí CO đến sức khoả người đặc biệt với người thường xun phải lao động mơi trường có nồng độ khí CO cao mức cho phép - Nghiên cứu tổng quan điều khiển trình, khái niệm bản, cấu trúc, ứng dụng điều khiển trình vào số hệ thống cụ thể hệ thống pha chế nước ngọt, tháp chưng nhà máy lọc dầu… Tìm hiểu số thiết bị đo sử dụng điều khiển trình loại van, động điện cấu điện từ, loại cảm biến đo nhiệt đọ, đo lưu lượng, đo áp lực, đo nồng độ… - Nghiên cứu thuật tốn điều khiển q trình, điều khiển P, I, D, PI, PD, PID phương pháp điều khiển sử dụng điều khiển trình phương pháp điều khiển theo mơ hình dự báo PMC, phương pháp dự báo Smith Cấu trúc điều khiển theo mơ hình nội suy Tổng hợp mạch vịng điều khiển q trình - Tiến hành thiết kế mơ cho hệ thống cụ thể hệ thống tự động khống chế nồng độ khí CO, giới thiệu tổng quan hệ thống, đưa sơ đồ cấu trúc hệ thống, hàm truyền đạt thiết bị hệ thống, tiến hành mô phần mềm matlap – simulink, lựa chọn thông số PID cho hệ thống - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ, mờ lai ứng dụng điều khiển mờ lai để hiệu chỉnh thông số PID nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn