Nghiên ứu kết hợp điều khiển truyền thẳng và phản hồi đầu ra trong một số ứng dụng điều khiển quá trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI =====  ===== NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ PHẢN HỒI ĐẦU RA TRONG MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2012 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131566461000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI =====  ===== NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ PHẢN HỒI ĐẦU RA TRONG MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHUYÊN NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG HÀ NỘI – 2012 MỤC LỤC Trang phụ bìa LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN……………………………………………………….1 1.1 Một số khái niệm….………………………………………………………… 1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển trình….………………………………5 1.2.1 Thiết bị đo……………….……………………………………….……… 1.2.1.1 Cấu trúc bản……………………………………………….……….5 1.2.1.2 Đặc tính vận hành…………………………………………….…… 1.2.2 Thiết bị điều khiển……………………………………………….…… 1.2.3 Thiết bị chấp hành………………………………………………….……10 1.3 Tổng quan xây dựng điều khiển điều khiển trình……………11 1.3.1 Điều khiển truyền thẳng…………………………….….……………… 12 1.3.2 Điều khiển phản hồi…………………………………………………… 12 1.3.3 Điều khiển tỷ lệ………………………………………………………….13 1.3.4 Điều khiển tầng………………………………………………………….13 1.3.5 Điều khiển suy diễn…………………………….……………………….14 1.3.6 Điều khiển lựa chọn…………………………………………………… 14 1.3.7 Điều khiển phân vùng……………………………………………………14 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI……………………………………………………… ……….15 2.1 Điều khiển truyền thẳng………………………………………………………….15 2.1.1 Cấu trúc điều khiển truyền thẳng lý tưởng………………………… 15 2.1.2 Đặc điểm điều khiển truyền thẳng…………… ……………………17 2.1.2.1 Sai lệch mơ hình……………………………………………………17 2.1.2.2 Nhiễu khơng đo được………………………………………………18 2.1.2.3 Tính khả thi điều khiển lý tưởng……………………… …18 2.1.2.4 Tính ổn định điều khiển lý tưởng………………………… 19 2.1.2.5 Đối tượng không ổn định………………………………………… 19 2.1.3 Ứng dụng điều khiển truyền thẳng………………………………… 20 2.2 Điều khiển phản hồi……………………………….…………………………….20 2.2.1 Vai trò điều khiển phản hồi………………………….………………21 2.2.2 Một số nhược điểm điều khiển phản hồi…………………………….22 2.2.3 Các điều khiển phản hồi…………………………………………… 24 2.2.3.1 Bộ điều khiển hai vị trí…………………………………………….25 2.2.3.2 Bộ điều khiển PID…………………………………………………26 2.2.3.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ P…………………………………………26 2.2.3.2.2 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PI…………………………… 27 2.2.3.2.3 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân PID………………… 28 2.2.3.3 Bão hịa tích phân………………………….………………………30 2.2.4 Cấu trúc hệ điều khiển phản hồi…………………………………….31 2.2.4.1 Cấu hình chuẩn…………………………………………………….31 2.2.4.2 Chuẩn hóa mơ hình……………………………………………… 32 2.2.4.3 Các quan hệ bản……………………………………………… 33 2.2.4.4 Tính ổn định hệ điều khiển phản hồi…………………………35 2.2.4.4.1 Tính ổn định………………………………………………….35 2.2.4.4.2 Tính ổn định nội hệ điều khiển phản hồi……………… 38 2.5 Điều khiển phản hồi kết hợp với điều khiển truyền thẳng………………………40 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NHIỆT ĐIỆN………….………… 43 3.1 Phân loại nhà máy nhiệt điện…………………………………………………….44 3.1.1 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu rắn……………………………………….44 3.1.2 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu lỏng…………………………………… 44 3.1.3 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu khí……………………………………….44 3.1.4 Nhà máy nhiệt điện nhiên liệu hỗn hợp…………………….……………45 3.2 Sơ đồ, nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện khí……………………… 45 CHƯƠNG 4: KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG VÀ PHẢN HỒI ĐẦU RA TRONG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN KHÍ…………………49 4.1 Kết hợp điều khiển truyền thẳng phản hồi đầu điều khiển nhiệt độ nhiệt………………………………………………………………………………… 49 4.1.1 Nguyên lý chu trình hơi………………………………………………….49 4.1.2 Các đặc tính kỹ thuật lị hơi………………………………….50 4.1.3 Bộ nhiệt…………………………………………………………… 50 4.1.3.1 Khái niệm………………………………………………… ………50 4.1.3.2 Điều chỉnh nhiệt độ nhiệt…………………………… … 51 4.1.3.2.1 Điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng hơi………………52 4.1.3.2.2 Điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng khói…………….53 4.1.4 Nguyên lý, sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra……………………………………………….55 4.1.4.1 Sử dụng giảm ôn hay sử dụng hơi…………………………… 55 4.1.4.2 Sử dụng khói……………………………………………………….58 4.2 Kết hợp điều khiển truyền thẳng phản hồi đầu điều khiển mức nước bình nước cấp…………………………………………………………………………… 60 4.2.1 Nguyên lý, sơ đồ bình nước cấp…………………………………………60 4.2.2 Điều khiển mức nước bình nước cấp…………………………………….61 4.2.3 Sơ đồ, nguyên lý điều khiển mức nước bình nước cấp.…………………61 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH NƯỚC CẤP SỬ DỤNG CƠNG CỤ MATLAB………………………….……………….63 5.1 Mơ hình bình nước cấp………………………………………………………….63 5.2 Thiết kế điều khiển……………………………………… ……………… 64 5.3 Mô trình…………………………………………………………… 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………77 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc thiết bị đo……………………………………….…… Hình 1.2 Cấu trúc thiết bị điều khiển……………………………….…… Hình 1.3 Cấu trúc thiết bị chấp hành…………………….………….…….10 Hình 1.4 Cấu trúc van điều khiển………………………………….….… 11 Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển truyền thẳng…………………………………… …… 12 Hình 1.6 Cấu trúc tổng quát điều khiển phản hồi………………………….…… 12 Hình 2.1 Cấu hình điều khiển truyền thẳng kiểu song song………………….…….…15 Hình 2.2 Cấu hình điều khiển truyền thẳng kiểu nối tiếp…………………….….……15 Hình 2.3 Cấu hình điều khiển phản hồi thơng dụng…………………………….….…20 Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển phản hồi……………………….… 24 Hình 2.5 Thuật tốn điều khiển hai vị trí lý tưởng………………………………… 25 Hình 2.6 Thuật tốn điều khiển hai vị trí thực…………………………………… ….25 Hình 2.7 Các dạng biểu diễn điều khiển PID………………………………… ….30 Hình 2.8 Hiện tượng bão hịa tích phân…………………………………………… 30 Hình 2.9 Cấu hình chuẩn điều khiển phản hồi… ……………………………… 31 Hình 2.10 Cấu hình điều khiển phản hồi nhiễu trình tách thành nhiễu đầu vào nhiễu đầu ra……………………………………………………………………… 38 Hình 2.11 Thiết bị gia nhiệt sử dụng điều khiển phản hồi kết hợp với điều khiển truyền thẳng……………………………………………………………………………… 41 Hình 2.12 Cấu hình ứng dụng điều khiển truyền thẳng phản hồi đầu ra….… … 41 Hình 3.1 Sơ đồ hoạt động nhà máy nhiệt điện khí….………………….… …… 45 Hình 3.2 Chu trình nhiệt động nhà máy nhiệt điện khí….………………… ……47 Hình 4.1 Ngun lý chu trình hơi…………….………………………………… … 49 Hình 4.2 Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu kết hợp truyền thẳng 01 nhiễu…………….…….55 Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nhiệt sử dụng giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu kết hợp truyền thẳng 01 nhiễu…………….…….55 Hình 4.4 Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu kết hợp truyền thẳng 02 nhiễu………….……….57 Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nhiệt sử dụng giảm ôn áp dụng sách lược điều khiển phản hồi đầu kết hợp truyền thẳng 02 nhiễu……………….….57 Hình 4.6 Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ nhiệt sử dụng nhiệt độ khói áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra……………………………………58 Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nhiệt sử dụng nhiệt độ khói áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra………………………………59 Hình 4.8 Cấu tạo bình nước cấp……………………………………………… …….60 Hình 4.9 Sơ đồ điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra…………………………………………………… 62 Hình 5.1 Cấu trúc điều chỉnh mức nước bình nước cấp áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu ra………………………………………………64 Hình 5.2 Cấu trúc điều chỉnh mức nước bình nước cấp áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi đầu có sử dụng định vị van………………… 65 Hình 5.3 Khâu tạo nhiễu F 2………………………………….………………… ……68 Hình 5.4 Dạng nhiễu F 2…………………………………….……………….…….… 69 Hình 5.5 Bộ điều khiển phản hồi PI…….…………………….………………………69 Hình 5.6 Khâu giới hạn tín hiệu F 1……….………………………….………….…….69 Hình 5.7 Quá trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi…………………………………………………………………………………………70 Hình 5.8 Kết mơ q trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi…………………………………………………………….………….70 Hình 5.9 Quá trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng……………………………………………………….71 Hình 5.10 Kết mơ q trình điều chỉnh mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng………………………………….….72 Hình 5.11 Cấu trúc điều khiển mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi túy sử dụng điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng………………… 72 Hình 5.12 Kết so sánh đáp ứng điều khiển mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi túy sử dụng điều khiển phản hồi đầu kết hợp truyền thẳng……………………………………………………………………………………….73 Hình 5.13 Bộ điều khiển PI có khâu chống bão hịa tích phân….……………………74 Hình 5.14 Cấu trúc điều khiển mức bình nước cấp có sử dụng khâu bão hịa tích phân……………………………………………………………………………………… 74 Hình 5.15 Kết so sánh đáp ứng điều khiển mức nước bình nước cấp sử dụng điều khiển phản hồi túy sử dụng điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng có sử dụng khâu chống bão hịa tích phân……………………………………………………75