nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ******************&&&******************  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT TÊ N Đ Ề T À I : NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT L Ƣ ỢNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 605260 Học viên: Dƣơng Mạnh Hòa Giáo viên h ƣ ớng dẫn: TS. Võ Quang Vinh Thái nguyên năm 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n MỤC LỤC Mục lục ………………………………………………………………… 1 Danh mục các hình vẽ và đồ thị …………………………… …………….3 Mở đầu ………………………………………………………… ……….5 Chương1: Mở đầu………………………………………………… ……10 1.1 Giới thiệu chung ……………………………………………………………10 1.1.1. Điều khiển quá trình 10 1.1.2 Các tính chất của hệ điều khiển quá trình ………………… 11 1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình……………………… 15 1.2.1. Cơ cấu chấp hành……………….…….…………… … 15 1.2.2. Các cảm biến:…………………… ….……………… … 18 1.2.3. Các cảm biến áp lực: ….……………… …… 22 1.3.Đặc điểm Điều khiển quá trình gia nhiệt……………………………22 1.4.Kết luận 23 Chương 2 : Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển quá trình 24 2.1 .Đặt vấn đề ……………………… 24 2.2. Các phương pháp điều khiển cơ bản 24 2.2.1 Phương pháp điều khiển truyền thẳng……………………… 24 2.2.2 Phương pháp điều khiển phản hồi……………………………31 2.2.3. Phương pháp điều khiển tỉ lệ ……………………………….41 1.2.4 Phương pháp điều khiển tầng ……………………………….47 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt 2.2.5 Phương pháp điều khiển suy diÔn………… 50 2.2.6 Phương pháp điều khiển lựa chọn…………………… 51 2.2.7 Phương pháp điều khiển . . . . .…….……………… 52 2.3 Các phương pháp điều khiển hiện đại 53 2.3.1 Phương pháp điều khiển thích nghi 53 2.3.1.1Khái niệm chung của hệ thống điều khiển thích nghi . 53 2.3.1.2 điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp . 55 2.3.1.3 Hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh . 59 2.3.2 Phương pháp điều khiển mờ 61 2.3.2.1Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 62 2.3.2.2. Bộ điều khiển mờ tĩnh 64 2.3.2.3. Bộ điều khiển mờ động 64 2.3.2.4. Hệ điều khiển mờ lai F-PID 67 2.4. kết luận 69 Chương 3 : Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình gia nhiệt 71 Đặt vấn đề 71 3.1Đối tượng 71 3.2 Thiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống 72 Chương 4. Mô phỏng hệ thống 86 Kết luận 89 Tài liệu tham khảo 90 DANH MỤC HÌNH VẼ 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Chương1: Mở đầu Hình 1.1: Sơ đồ kinh điển của cấu trúc điều khiển quá trình Hình 1.2: Hàm truyền của quá trình có tính tự cân bằng Hình 1.3: Hàm truyền của quá trình không có tính tự cân bằng Hình 1.4 cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình Hình 1.5: Van tiết lưu Hình 1.6: Van tiết lưu cân bằng áp hình 1.7 van servo con trượt Hình1.8: Van servo tấm chắn Hình 1.9: Can nhiệt điện Hình1.10: Cấu trúc hệ thống đo áp suất tự động Chương 2 : Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển quá trình Hình2.1.Cấu trúc tổng quat của hệ điều khiển truyền thẳng Hình2.2 Cấu hình nối tiếp và cấu hình song song Hình 2.3Đặc tính điều khiển cho ví dụ2.1 Hình 2.4 Đièu khiển mức sách lược truyền thẳng Hình 2.5 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước Hình 2.6. Cấu trúc tổng quat của hệ điều khiển phản hồi Hình 2.7 Hai cấu hình điều khiển phản hồi 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Hình 2.8.Đièu khiển mức sách lược phản hồi Hình 2.9. Mô phỏng điều khiển mức với hệ số kc khác nhau Hình 2.10 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ Hình2.11 Hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu Hình 2.12 hai cấu trúc của điều khiển tầng Hình 2.13 sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi. Hình 2.14 sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp. Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp . Hình 2.16 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn Hình 2.17 Hệ thông điều khiển thích nghi tự chỉnh. Hình 2.18 sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ. Hình 2.19 Hệ điều khiển mờ theo luật PI Hình 2.20 Hệ điều khiển mờ theo luật PD Hình 2.21 Hệ điều khiển mờ PID Hình 2.22 Các vùng tác động của FLC và PID. Hình 2.23 vùng tác động của các bộ điều chỉnh PID Chương 3 : Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình gia nhiệt Hình 3.1 Mụ hỡnh hệ thống Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển Hình 3.3 Cấu trúc van nước lạnh Hình 3.4 Cấu trúc van nước nóng Hình 3.5 Khâu lưu tốc đặt trước Hình 3.6 Khâu nhệt độ đặt trước 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Hình 4.1 Lưu tốc dòng nước Hình 4.2 Nhiệt độ bồn nước Hình 4.3 Van nước lạnh Hình 4.4 Van nước nóng Chương 4 Mô phỏng hệ thống Hình 4.1Tạo lập cỏc hàm liờn thuộc cho biến vào Hình 4.2 Tạo lập các hàm liên thuộc cho biến ra Hình 4.3luật điều khiển trong không gian Hình 4.4 Sơ đồ SimulinK Hình 4.5 Đáp ứng nhiệt độ Hình 4.6 Đáp ứng lưu tốc 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Lời nói đầu Điều khiển quá trình là một lĩnh vực quan trọng của kĩ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất( gọi chung là công nghiệp chế biến, process industry).Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối chặt chẽ nền tảng của lý thuyết diều khiển tự động với các bài toán của quá trình công nghệ. Phạm vi đề cập cụ thể ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng là quá trình công nghệ. Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới nhưng luôn chiế m vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp.Khác với những nghàng công nghiệp chế tạo, ngày nay bất cứ một nhà máy xi măng, một nhà máy điện hay một nhà máy lọc dầu nào cũng không thể vận hành được nếu thiếu hệ thống điều khiển tự động. Quá trình toàn cầu hóa gần đây tạo ra nhiều thị trường tiêu dùng mới, đồng thời gia tăng sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa nhiều tập đoàn sản xuất. Các doanh nghiệp buộc phải nâng cao mức độ tự động hóa dây chuyền sản xuất để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản xuất. Sức ép giảm sử dụng nguyên liệu thô (yêu cầu tái chế), giảm tiêu thụ nhiên liệu và khả năng thích ứng nhanh với yêu cầu thị trường buộc các kĩ sư phải đưa ra những thiết kế quá trình công nghệ mới thích hợp hơn, nhưng đồng thời cũng đặt ra những yêu cầu cao hơn cho hệ thống điều khiển tự động và cho những người kĩ sư thiết kế điều khiển. nhìn từ một góc độ khác, những tiến bộ về công nghệ thiết bị điều khiển( DCS, PLC/HMI, IPC, bus trường,…) ngày càng tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc cài đặt các sách lược và thuật toán điều khiển tiên 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt tiến.một điều đáng nói là trong khi công nghệ sản xuất hoặc công nghệ thiết bị điều khiển có thể lạc hậu chỉ sau 10-15năm, cơ sở phương pháp luận cho thiết kế hệ thống điều khiển quá trình vẫn giữ nguyên giá trị sau hàng nửa thế kỉ-tất nhiên được bổ sung và phát triển trên một tầm cao mới Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển quá trình gia nhiệt là một vấn đề hết sức quan trọng và cấp thiết. Do vậy, tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đaị để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt " với mục đích nghiên cứu như sau: 1. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại điều khiển quá trình gia nhiệt 2. Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ điều khiển nhiệt độ và lưu tốc bồn nước Từ đó, đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề chính, được chia thành 3 chương như sau: Chương 1. Mở đầu Chương này nghiên cứu các kiến thức chung về điều khiển quá trình, cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình, các thiết bị trong hệ thống điều khiển quá trình Chương 2:Tổng quan về phương pháp điều khiên hiện đại điều khiển quá trình Chương này nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại, phân tích thế mạnh của nó từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển cho quá trình gia nhiệt 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Chương 3 Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho quá trình gia nhiệt Chương này nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển mờ cho đối tượng cụ thể là nhiệt độ và lưu tốc bồn nước. Chương 4 Mô phỏng hệ thống Mô phỏng bằng Matlap . Phân tích các kết quả đạt được, đưa ra các kết luận Trong quá trình làm luận văn, tôi đã được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy giáo, TS. Võ Quang Vinh , giảng viên khoa Điện, Trường đại học KTCN Thái Nguyên. Xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Tôi cũng nhận được sự hỗ trợ rất nhiều từ các thầy cô giáo trong Khoa Điện, trường đại học KTCN Thái Nguyên cũng như từ gia đình, bạn bè. Xin trân trọng cảm ơn Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009 Dương Mạnh Hoà 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n LuËn v¨n th¹c sü kü thuËt Lời cam đoan Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn được xây dựng hoàn toàn là do bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo và tham khảo các tài liệu đã được trích dẫn. Học viên Dương Mạnh Hoà [...]... Gd u + Bộ điều khiển G +y + a) Cấu hình song song Quá trình d Gd - r + Gd K Bộ điều khiển u G +y + b) Cấu hình nối tiếp Quá trình Kí hiệu r biến chủ đạo, giá trị đặt y biến đợc điều khiển u biến điều khiển d nhiễu quá trình G mô hình đối tợng Gd mô hình nhiễu K khâu truyền thẳng K d khâu bù nhiễu Hình 2.2 Cấu trúc tổng quán của điều khiển truyền thẳng Ta cú th nhn thy mt iu thỳ v l s i xng gia mụ hỡnh... la chon phng phỏp iu khin nõng cao cht lng h iu khin quỏ trỡnh 2.2.Cỏc phng phỏp iu khin c bn 2.2.1 iu khin truyn thng 2.2.1.1Cu trỳc c bn v b iu khin lý tng Cu trỳc tng quỏt ca iu khin truyn thng c minh ha trờn hỡnh 2.1 nhiễu quá trình biến chủ đạo (giá trị đặt) biến điều khiển Bộ điều khiển truyền thẳng biến cần điều khiển Quá trình Hình 2.1 Cấu trúc tổng quán của điều khiển truyền thẳng c im c bn... trỡnh gia nhit Quỏ trỡnh gia nhit l mt bi toỏn tiờu biu ca iu khin quỏ trỡnh c ng dng rng rói trong cỏc nh mỏy hoỏ cht , cụng ngh thc phm ung vv Minh ha sỏch lc iu khin qúa trình gia nhit Nhit ra ca dũng quỏ trỡnh c thit b o v chuyn i a ti b iu khin nhit Da vo sai lch gia giỏ tr t v nhit o c, b iu khin a ra tớn hiu iu chnh b m van cp nc qua ú iu chnh li nhit ra Nguyờn lý iu khin quá trình gia nhiệt. .. khn vỡ iu khin quỏ trỡnh cú nhng c tớnh: Nhng c im ca quỏ trỡnh: Thng c th hin di 4 c tớnh sau: - Thi gian cht quỏ trỡnh (Process Dead time) - Tr quỏ trỡnh (Process Lag) - H s khuych i ca quỏ trỡnh (Process gain) - Nhiu quỏ trỡnh (Process disturbances) - Thi gian cht quỏ trỡnh: ú l khong thi gian gia s thay i trong tớn hiu u vo n h thng iu khin quỏ trỡnh v ỏp ng ca tớn hiu Hin tng ny luụn luụn khụng... trt thay i v trớ theo tớn hiu iu khin i vi van servo tm chn v van servo vũi phun thỡ lu lng qua van t l vi ỏp sut ra Con trợt điều khiển Cơ cấu đẩy kéo P Con trợt chính A P B Vũi phun Vũi phun Tm chn Hỡnh1.8: Van servo tm chn Hỡnh 1.8 mụ t cu to ca van servo tm chn Tm chn nm gia hai vũi phun gn vi hai ng cp du vo con trt chớnh Khi c cu kộo y y tm chn v phớa no thỡ ỏp lc phớa y tng lờn, y con trt v phớa... nc s cng c tng lờn Chng no cũn tn ti sai lch iu khin thỡ lu lng nc cũn c thay i Nh vy sau mt thi gian nhit u ra c a ti gn vi giỏ tr t Trng hp ngc li, khi nhit u ra ln hn giỏ tr t cng c sử lý cựng thut toỏn, khụng cn phõn bit Trong cu hỡnh iu khin mt bc t do, b iu khin thc hin lut iu khin da trờn sai lch gia giỏ tr quan sỏt c ca biờn c iu khin vi giỏ tr t Vớ d, lut t l trong thut toỏn PID a ra cỏc... nhit tng thỡ in tr li gim Nhit in tr cú phõn gii cao hn phõn gii ca in tr kim loi khong 10 ln Cỏc nhit in tr thụng thng c ch to t cỏc ụxit bỏn dn a tinh th 0 0 Min o ph thuc vo loi nhit in tr, cú th t -273 C n 300 C 1.2.2.2 Cỏc cm bin o ỏp sut v lu lng * Cm bin o ỏp sut o ỏp sut l o lc tỏc dng trong mụi trng n hi Cỏc cm bin ỏp sut o chờnh lch ỏp sut gia hai vựng k cn nhau Thng l mt mụi trng 20 S húa... nh: tr thun tuý, tr vn ti, hoc tr khong cỏch vn tc - Tr quỏ trỡnh: Vỡ quỏ trỡnh vn khụng cú kh nng nhn hoc thi nng lng mt cỏch liờn tc Qua ú ta cú tr bc mt hoc tr bc cao - H s khuych i quỏ trỡnh: H s khuych i ca quỏ trỡnh c xỏc nh bng t s gia s thay i ca u ra trờn s thay i u vo - Nhiu quỏ trỡnh: L nhng s thay i mong mun xy ra trong quỏ trỡnh, nú cú xu hng nh hng bt li n giỏ tr ca bin iu khin S húa bi... ng yờn ca ng c hay cũn gi l stato cp t trng chớnh lm ng c hot ng T trng ny cú th to ra bi cỏc nam chõm vnh cu hoc nam chõm in Phn ln cỏc ng c ch cn ni vi in li l cú th hot ng c Mt s ng c cú chớnh xỏc cao thng phi cú mt thit b i kốm ú l thit b iu khin ng c Trong s ú cú hai loi sau: - ng c cú tc , v trớ v mụmen kộo cn c iu khin chớnh xỏc - Cỏc ng c cụng sut ln, phi khi ng tng bc dũng xung kớch khụng... trng hot ng, d tr nú trong lũng Kh nng ú c gi l kh nng tớch lu ca quỏ trỡnh hay cũn gi l dung lng ca quỏ trỡnh Quỏ trỡnh cú dung lng cng nh thỡ tc thay i ca i lng cn iu chnh cng tng khi cú s mt cõn bng gia dũng ra v dũng vo dn n quỏ trỡnh iu chnh cng phc tp Ngc li dung lng ca quỏ trỡnh cng ln thỡ tc thay i ca i lng cn iu chnh cng nh, quỏ trỡnh iu chnh cng n gin b Tớnh t cõn bng Tớnh t cõn bng l kh nng . cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đaị để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình gia nhiệt " với mục đích nghiên cứu như sau: 1. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện. khiên hiện đại điều khiển quá trình Chương này nghiên cứu các phương pháp điều khiển cơ bản và hiện đại, phân tích thế mạnh của nó từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển cho quá trình gia nhiệt 8 Số. thuËt 2.2.5 Phương pháp điều khiển suy diÔn………… 50 2.2.6 Phương pháp điều khiển lựa chọn…………………… 51 2.2.7 Phương pháp điều khiển . . . . .…….……………… 52 2.3 Các phương pháp điều khiển hiện đại 53 2.3.1 Phương