Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu

LỜI MỞ ĐẦU Lò sấy dầu nguyên liệu được dùng phổ biến trong các nhà máy sử dụng dầu làm nhiên liệu đốt lò : Nhà máy Nhiệt điện, Nhà máy Xi măng, Nhà máy hấp sấy nguyên liệu vải cho nghành

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN HỒNG QUANG KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

THÁI NGUYÊN - 2013

MỤC LỤC

MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH VẼ IV DANH MỤC BẢNG BIỂU VI

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI MỞ ĐẦU I CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÕ SẤY CÔNG NGHIỆP 5

1.1 Tổng quan về lò công nghiệp 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Phân loại LCN 5

1.1.2.1 LCN theo đặc điểm nguồn nhiệt: 5

1.1.2.2 LCN theo đặc điểm công nghệ 5

1.1.2.3 LCN theo chế độ nhiệt 6

1.1.2.4 LCN theo đặc điểm cấu trúc 6

1.1.3 Các đặc trưng cơ bản của LCN 6

1.1.3.1 Chế độ nhiệt độ của lò 6

1.1.3.2 Chế độ nhiệt của lò 7

1.1.3.3 Công suất nhiệt của lò 7

1.1.3.4 Năng suất của lò 7

1.1.4 Các chế độ làm việc của LCN 7

1.1.4.1 Chế độ làm việc bức xạ 7

1.1.4.2 Chế độ làm việc đối lưu 8

1.2 Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp 9

1.2.1 Cấu trúc của hệ thống lò sấy 9

1.2.1.1 Các bộ phận cơ bản của hệ thống lò sấy 9

1.2.1.2 Các dạng cấu trúc hệ thống lò sấy 10

1.2.2 Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO) 11

1.2.2.1 Khái quát chung 11

1.2.2.2 Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO) 11

1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO 15

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA LÕ SẤY DẦU 18

2.1.1 Đặc điểm 18

2.1.2 Nguyên lý làm việc 18

2.1.3 Phân loại lò điện trở 18

2.1.4 Cấu tạo lò điện trở 19

2.2 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học 21

2.3 Mô tả toán học lò điện trở 25

2.3.1 Nhận dạng lò điện trở 25

2.3.2 Xác định mô hình đối tượng của hệ thống 26

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH THUẬT TOÁN CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 28

3.1 Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh 28

3.1.1 Cấu trúc chung của một hệ điều khiển tự động 28

3.1.2 Đặc tính quá độ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển tự động. 29

3.1.3 Phân tích các luật điều khiển 30

3.1.3.1 Luật điều khiển tỷ lệ (P) 30

3.1.3.2 Luật điều khiển tích phân(I) 31

3.1.3.3 Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân(PI) 31

3.1.3.4 Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân (PID) 32

3.1.4 Tác động của việc tăng một thông số độc lập 34

3.2 Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID……… 34

3.2.1 Phương pháp thực nghiệm 34

3.2.2 Phương pháp thiết kế dựa trên miền tần số 38

3.2.2.1.Phương pháp tối ưu độ lớn 38

3.2.2.2.Phương pháp tối ưu đối xứng 41

3.3.2 Phương pháp Ziegler- Nichols để xác định tham số cho bộ điều khiển PID truyền thống 45

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 48

4.1 Mô phỏng 48

4.2 Thiết kế hệ thống- Thực nghiệm 50

4.2.1 Tổng quan phần cứng của hệ thống 50

4.2.2 Thiết kế chi tiết phần cứng 50

4.2.3 Thử nghiệm thực tế 62

KẾT LUẬN 633 TÀI LIỆU THAM KHẢO 644 PHỤ LỤC I

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy dầu FO cho nồi hơi 15

Hình 1.2: Bộ sấy dầu điện 16

Hình 2.1 Phương pháp kẻ tiếp tuyến 22

Hình 2.2 Phương pháp 2 điểm quy chiếu 23

Hình 2.3 Đường đặc tính đối tượng lò điện trở 26

Hình 2.3 Phương pháp hai điểm quy chiếu 27

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 28

Hình 3.2 Quá trình quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian 29

Hình 3.3: Mô tả chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống điều khiển 30

Hình 3.4 Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID 33

Hình 3.5 Mô hình xác định Kth và Tth 37

Hình 3.6 Đồ thị dạng hình S và ổn định 38

Hình 3.7: Quỹ đạo nghiệm số 46

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng khi Kth=47 46

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển 48

Hình 4.2: Đáp ứng của hệ lò điện trở và bộ PID theo phương pháp tối ưu môdul 48

Hình 4.3: Đáp ứng của hệ thống lò điện trở và bộ PID chọn theo phương pháp Ziegler – Nichols I 49

Hình 4.4: Đáp ứng của hệ thống lò điện trở và bộ PID chọn theo phương pháp Ziegler – Nichols II 49

Hình 4.5: Sơ đồ khối nguồn 5V 51

Hình 4.6: Sơ đồ khối nguồn -5V 51

Hình 4.7: Sơ đồ khối chân vi xử lý DsPIC30F4013 51

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý DsPIC30F4013 53

Hình 4.9: LED 7 thanh 4 số 53

Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 54

Hình 4.11: Sơ đồ khối LED chỉ thị 54

Hình 4.12: Giắc cắm RS-232 loại 9 chân (DB9) 55

Hình 4.13: Sơ đồ khối LED chỉ thị 56

Hình 4.14: Sơ đồ khối điều khiển rơle 56

Hình 4.15: Sơ đồ chân DAC MCP4922 57

Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý mạch đầu vào cách ly 58

Hình 4 17: Bảng điện trở của PT100 khi nhiệt độ thay đổi từ 0oC đến 200o C 58

Hình 4 18: Mạch tạo nguồn dòng 1mA 59

Hình 4.19: Mạch lọc Sallen-Key và khuếch đại 59

Hình 4.20: Mạch bắt điểm 0 điện áp xoay chiều 220V 60

Hình 4.21: Tín hiệu tại điểm INT0 60

Hình 4.22: Mạch điều khiển BTA41 61

Hình 4.23 Điện áp ra trên tải khi thay đổi góc mở 61 Hình 4.24: Đáp ứng của đối tượng lò nhiệt khi sử dụng bộ điều khiển PI theo

phương pháp tối ưu môdul Error! Bookmark not defined

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Đặc tính của dầu thô (FO) 14 Bảng 4.1 Tham số bộ điều khiển theo phương phápZiegler- Nichols I 45 Bảng 4.2 Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho đối tượng lò điện trở 45 Bảng 4.3 Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II 47 Bảng 4.4 Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho đối tượng lò điện trở 47

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều

khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu.” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của

thầy giáo TS Nguyễn Hồng Quang Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực

Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận án, tôi đảm bảo rằng không sao chép các công trình hoặc kết quả của người khác Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Học viên

Nguyễn Xuân Trường

LỜI MỞ ĐẦU

Lò sấy dầu nguyên liệu được dùng phổ biến trong các nhà máy sử dụng dầu làm nhiên liệu đốt lò : Nhà máy Nhiệt điện, Nhà máy Xi măng, Nhà máy hấp sấy nguyên liệu vải cho nghành dệt may, …

Chất lượng dầu sấy thể hiện ở nhiệt độ và khối lượng dầu sấy, chính các đại lượng này sẽ ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của quá trình cháy và nhiệt độ của các lò nung hay lò hơi trong các nhà máy

Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển cho các lò sấy dầu nguyên liệu sẽ nâng cao được chất lượng và số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nước ta

1 Lý do chọn đề tài:

- Trên thực tế khảo sát ở nhà máy TAIRONG VN tại KCN Việt Trì là nhà máy

sử dụng nguyên liệu dầu để đốt cho các lò hơi chuyên sử lý vải, quần áo cho các nhà máy dệt may trong khu vực Tuy nhiên hệ thống sấy dầu được thực hiện thủ công, bán

tự động nên chất lượng của dầu chưa đạt làm ảnh hưởng tới quá trình cháy và nhiệt độ của các lò hơi Từ đó làm ảnh hưởng tới năng suất và chất lượng của sản phẩm sấy Vì vậy việc cần có lò sấy tự động ổn định nhiệt độ để nâng cao năng suất và chất lượng là hết sức cần thiết

- Xuất phát nhu cầu thực tế trên, học viên đã đề xuất thực hiện đề tài luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu”

2 Mục tiêu của đề tài này là: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu”:

- Xây dựng được đầy đủ phương pháp luận để phân tích, tổng hợp, thiết kế được bộ điều khiển cho lò sấy dầu nguyên liệu

- Thiết kế, chế tạo, lắp ráp được bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống nhiệt

độ lò sấy dầu nguyên liệu

- Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

* Đối tƣợng nghiên cứu:

- Thiết bị sấy dầu công nghiệp

- Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế

* Phạm vi nghiên cứu:

- Điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu

- Mô phỏng bằng các phần mềm mô phỏng Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm

4 Dự kiến kết quả đạt được:

- Viết được mô hình toán của đối tượng

- Xây dựng được thuật toán điều khiển theo chỉ tiêu chất lượng cao

- Thiết kế và lắp đặt được bộ điều khiển PID nhiệt độ trong phòng thí nghiệm Qua đó để đánh giá độ tin cậy, hoạt động ổn định của phần cứng cũng như chương trình phần mềm khi hoạt động trong thực tế

Nội dung chính của luận văn:

Chương 1: Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp

1 Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp

2 Tổng quan về sản phẩm sản phẩm nguyên liệu dầu, các đặc tính kỹ thuật và quá trình sấy dầu

Chương 2: Xây dựng mô hình toán của lò sấy dầu công nghiệp

1 Giới thiệu chung về lò điện trở

2 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học

3 Mô tả toán học lò điện trở

Chương 3: Xác định thuật toán điều khiển hệ thống

1 Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh

2 Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển bộ PID

3.Thiết kế bộ điều khiển

Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm

1 Mô phỏng

2 Thực nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu :

- Gắn lý thuyết với đối tượng thực tế

- Dùng máy tính với các phần mềm mô phỏng

6 Các công cụ, thiết bị cần thiết cần thiết cho nghiên cứu

- Máy tính, phần mềm mô phỏng Matlab và Simulink

- Đối tượng thực tế - Phòng thí nghiệm Tự động hoá

Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều khiển tự động và bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp trường Đại học KTCN Thái Nguyên, đặc biệt là Thầy giáo TS Nguyễn Hồng Quang - Giảng viên Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm luận văn

Thái Nguyên, Ngày 14 tháng 12 năm 2013

Học viên

Nguyễn Xuân Trường

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÕ SẤY CÔNG NGHIỆP

1.1 Tổng quan về lò công nghiệp

1.1.1 Khái niệm

Lò công nghiệp (LCN) là thiết bị trao đổi nhiệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao

để thực hiện các quá trình công nghệ: nung, nấu chảy, sấy…

Trong LCN lượng nhiệt cấp cho lò là nhiệt năng tỏa ra khi đốt nhiên liệu hoặc nhiệt tỏa ra từ vật liệu được gia công nhiệt hoặc điện năng biến đổi thành nhiệt năng

Sự trao đổi nhiệt, cấu trúc lò, việc sử dụng nhiên liệu với thiết bị đốt cũng như chế độ nhiệt và nhiệt độ phù hợp với yêu cầu công nghệ là những nhân tố ảnh hưởng tới nhiều:

+ Chất lượng sản phẩm

+ Năng suất của lò cùng với các thiết bị liên quan tới lò

+ Giảm tỷ lệ phế phẩm, chi phí vật liệu, suất tổn hao nhiên liệu

+ Không làm ô nhiễm môi trường

1.1.2 Phân loại LCN

1.1.2.1 LCN theo đặc điểm nguồn nhiệt:

a Các lò nhiên liệu Đây là các lò có sử dụng nhiên liệu Nhiệt lượng sinh ra

trong các lò này là do quá trình đốt cháy nhiên liệu vì thế chúng còn được gọi là lò có ngọn lửa

b Các lò điện Đây là lò sử dụng điện năng Theo nguyên lý biến đổi điện năng

thành nhiệt năng, các lò điện được phân thành lò điện trở, lò điện hồ quang, lò điện cảm ứng, lò nung điện môi và lò Plazma

c Các lò tự phát nhiệt Đây là lò không cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài

Trong các lò này nhiệt lượng tỏa ra từ bản thân vật liệu được gia công

1.1.2.2 LCN theo đặc điểm công nghệ

a Các lò nấu chảy Trong các lò này vật liệu gia công được nấu chảy Ví dụ như

lò nấu chảy thủy tinh, lò nấu chảy men, lò nấu chảy kim loại đen để đúc hoặc hợp kim hóa…

b Các lò nung Trong các lò này vật liệu gia công được nung nóng nhưng không

hóa lỏng Ví dụ như lò nung thép để rèn, để cán, các lò nhiệt luyện kim (lò tôi, ủ, ram…)

1.1.2.3 LCN theo chế độ nhiệt

a Các lò làm việc ở chế độ bức xạ nhiệt Trong các lò này sự trao đổi nhiệt chủ

yếu bằng bức xạ nhiệt, nhiệt độ lò thường 6000C Các lò này được chia thành 3 nhóm: bức xạ phân bố đều, bức xạ trực tiếp và vức xạ gián tiếp Thí dụ như các lò nung nhiệt luyện, lò nung trong xưởng cán và rèn

b Các lò làm việc ở chế độ đối lưu Trong các lò này sự trao đổi nhiệt chủ yếu

bằng trao đổi nhiệt đối lưu, nhiệt độ lò nhỏ hơn 6000C Thí dụ như các lò sấy, lò muối,

lò nung gió…

c Các lò làm việc ở chế độ theo lớp Trong các lò này vật liệu được gia công ở

dạng cục, dạng hạt hoặc bụi và được chất trong không gian làm việc của lò Khí nóng chuyển động giữa các hạt liệu và tồn tại đồng thời cả ba dạng trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ Ở chế độ lớp có 3 dạng:

- Lớp chặt: Ở đây vật liệu nằm thành lớp, chất đầy trong không gian lò và chuyển động từ trên xuống Khí nóng được thổi từ dưới lên, chuyển động qua khe hở giữa các hạt liệu Ví dụ: lò cao luyện gang, lò đứng nấu gang

- Lớp sôi: Ở đây các hạt liệu được xáo trộn mạnh mẽ trong trạng thái giống như

sự sôi dưới tác động của dòng khí có tốc độ cao Ví dụ như các lò nung manhêdit, oxyt kẽm

- Lớp lơ lửng: Ở dây vật liệu được nghiền nhỏ và lơ lửng trong không gian lò dứoi tác động thổi của dòng khí Ví dụ: lò nung quặng sunfua, lò dung dịch cô của sunfua kẽm

1.1.2.4 LCN theo đặc điểm cấu trúc

Dựa vào hình dạng, cấu trúc có các loại lò như: lò buồng, lò bể, lò ống quay, lò hầm, lò nung liên tục

1.1.3 Các đặc trưng cơ bản của LCN

1.1.3.1 Chế độ nhiệt độ của lò

a Nhiệt độ lò Đây là nhiệt độ trung bình trong không gian làm việc của lò Nhiệt

độ này mang tính quy ước, thường nhỏ hơn nhiệt độ của nguồn nhiệt và lớn hơn nhiệt

độ của tường, nóc lò

b Chế độ nhiệt độ của lò Phụ thuộc vào công nghệ gia công vật liệu nhiệt độ

của lò có thể thay đổi theo thời gian, không gian làm việc của lò

Sự thay đổi nhiệt độ lò theo thời gian gọi là chế độ nhiệt độ của lò: tlò = f( ) Khi nhiệt độ không thay đổi, ta có chế độ nhiệt độ lò ổn định Khi nhiệt độ lò thay đổi theo thời gian là chế độ nhiệt độ không ổn định

1.1.3.2 Chế độ nhiệt của lò

Trong quá trình gia công vật liệu, phụ thuộc vào công nghệ mà lượng nhiệt cung cấp cho lò có thể thay đổi ở thời điểm khác nhau ( còn gọi là phụ tải nhiệt) Sự thay đổi phụ tải nhiệt theo thời gian được gọi là chế độ nhiệt của lò

Khi phụ tải nhiệt không thay đổi ta có chế độ nhiệt ổn định, còn khi phụ tải nhiệt thay đổi là chế độ nhiệt không ổn định

Chế độ nhiệt có quan hệ mật thiết với chế độ nhiệt độ của lò Để đảm bảo đúng chế độ nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ, cần tiến hành tính toán cấp nhiệt dựa trên cơ

sở tính cân bằng nhiệt

1.1.3.3 Công suất nhiệt của lò

Công suất nhiệt của lò là phụ tải nhiệt lớn nhất mà lò có thể tiếp nhận được trong một đơn vị thời gian; được ký hiệu bằng Q hoặc P, đơn vị đo kW

1.1.3.4 Năng suất của lò

Đây là lượng vật liệu được gia công nhiệt của lò tính trong một đơn vị thời gian,

ký hiệu là G; đơn vị đo: t/h hoặc kg/h

Năng suất lò phụ thuộc vào nhiệt độ buồng lò, nhiệt độ khói ra khỏi lò, cường độ, đặc điểm quá trình truyền nhiệt từ khí lò tới vật liệu và cấu trúc lò

Khi so sánh các lò khác nhau còn có khái niệm năng suất riêng của lò (cường độ đáy lò) Đây là lượng sản phẩm gia công được tính trên một mét vuông diện tích đáy lò trong một đơn vị thời gian; ký hiệu là “h”; đơn vị kg/m2

.h

1.1.4 Các chế độ làm việc của LCN

1.1.4.1 Chế độ làm việc bức xạ

Đối với những lò làm việc ở nhiệt độ cao ( hơn 6000C ) thì quá trình trao đổi nhiệt ( QTTĐN ) bên ngoài bằng bức xạ nhiệt đóng vai trò quyết định Cường độ trao đổi nhiệt phụ thuộc nhiều vào các yếu tố: Tính chất của ngọn lửa, số lượng và cách bố trí các mỏ đốt cũng như miệng kênh khói Bề mặt trong của tường lò nhận nhiệt bức xạ

từ ngọn lửa sau đó bức xạ tới vật liệu được gia công

Ở chế độ nhiệt ổn định, cho các hệ số góc bức xạ tương hỗ = 1, Giải hệ các phương trình trao đổi nhiệt giữa: ngọn lửa- vật liệu – tường lò, ta có các phương trình cân bằng sau:

1.1.4.2 Chế độ làm việc đối lưu

Đối với các lò làm việc ở nhiệt độ không cao ( nhỏ hơn 6000C), lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ không lớn, có thể bỏ qua thì có thể coi lò làm việc ở chế độ làm việc đối lưu Khi đó sự trao đổi nhiệt đối lưu đóng vai trò chủ yếu

Phương trình cơ bản để tính lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu là công thức Newton:

W

dl t V

Trong đó:

Q: nhiệt lượng trao đổi đối lưu

dl : Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W/m2.0C

FV : Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

t t k t v : hiệu nhiệt độ giữa khí lò và vật liệu, 0C

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố: tính chất chuyển động của dòng khí (tự nhiên hay cưỡng bức); tốc độ với các đại lượng vật lý của dòng chảy, hình dạng, kích thước, tính chất bề mặt của vật liệu và được xác định bằng phương trình tiêu biểu có dạng:

N u A Ren Gr mPrm (1.7)

Ở chế độ làm việc đối lưu các dòng chất mang nhiệt thể lỏng có dl lớn hơn so với thể khí Với chất mang nhiệt thể khí thường sử dụng là sản phẩm cháy, không khí

và các vùng công nghệ, vùng sinh nhiệt được ngăn cách, nhiên liệu cháy ngoài buồng

lò Chất mang nhiệt thể lỏng thường là nước dầu và các muối nóng chảy

1.2 Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp

1.2.1 Cấu trúc của hệ thống lò sấy

1.2.1.1 Các bộ phận cơ bản của hệ thống lò sấy

b Bộ phận cung cấp nhiệt

Tùy theo hệ thống sấy khác nhau, bộ phận cung cấp nhiệt cũng khác nhau Ví

dụ, trong thiết bị sấy bức xạ, bộ phận cung các nhiệt khá đơn giản, có thể là các đèn hồng ngoại, các ống dây điện trở, hay các tấm bức xạ gia nhiệt bằng chất lỏng hay khí đốt

Thiết bị sấy đối lưu dùng môi chất sấy là không khí, chất tải nhiệt là hơi nước thì

bộ phận cấp nhiệt là calorife khí – hơi Nếu chất tải nhiệt là khói thì bộ phận cấp nhiệt

là calorife khí – khói

c Bộ phận thông gió và tải ẩm

Bộ phận này có nhiệm vụ tải ẩm từ vật sấy vào môi trường Khi sấy bức xạ việc thông gió còn nhiệm vụ bảo vệ vật sấy khỏi quá nhiệt

Các thiết bị sấy dưới áp suất khí quyển đều dùng môi chất đối lưu ( tự nhiên hay cưỡng bức ) để tải ẩm Trong các thiết bị này đều cần tạo điều kiện thông gió tốt trên

bề mặt vật liệu để ẩm thoát ra từ vật được môi chất mang đi dễ dàng Khi thông giáo cưỡng bức bộ phận này gồm: các quạt gió, các đường ống dẫn gió cấp vào buồng sấy, đường hồi (nếu có), ống thoát khí…

Các thiết bị sấy chân không, việc thải ẩm dùng bơm chân không hoặc kết hợp với các bình ngưng ẩm

e Hệ thống đo lường, điều khiển

Hệ thống này có nhiệm vụ đo nhiệt độ, độ ẩm tương đối của môi chất sấy tại các

vị trí cần thiết, đo nhiệt độ khói lò Tự động điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm môi chất vào thiết bị nhằm duy trì chế độ sấy theo đúng yêu cầu

1.2.1.2 Các dạng cấu trúc hệ thống lò sấy

a Hệ thống sấy công suất nhỏ

Hệ thống sấy này có cấu trúc dạng tủ, đa số là kiểu sấy đối lưu cưỡng bức, một

số kiểu sấy bức xạ, sấy bằng điện trường tần số cao Các thiết bị sấy loại này thường được chế tạo hàng loạt có điều khiển tự động nhiệt độ môi chất sấy Loại thiết bị này

có thể sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau

b Hệ thống sấy công suất lớn

Hệ thống này có cấu trúc rất đa dạng tùy thuộc vào phương pháp sấy, kiểu thiết

bị sấy Trong hệ thống sấy cần bố trí hợp lý buồng sấy với các bộ phận khác như: bộ phận cấp nhiệt, cấp hơi nước, cấp khói, bộ phận cấp vật liệu và sản phẩm… Trong dây chuyền công nghệ sản xuất sản phẩm, hệ thống sấy được bố trí trong một phân xưởng

sơ chế nguyên liệu hay thành phẩm

1.2.2 Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO)

1.2.2.1 Khái quát chung

Dầu FO hay còn gọi là dầu Mazút là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không Trước khi bị đốt cháy dầu FO được gia nhiệt để có độ nhớt nhất định, độ nhớt của dầu ảnh hưởng đến việc trộn lẫn của nhiên liệu với khả năng bay hơi, trở lực ma sát trong hệ thống bơm Quá trình cháy và phát thải ra môi trường bên ngoài Sau khi được sấy dầu được phun dưới

dạng sương, nó sẽ bay hõi tạo với không khí hỗn hợp cháy

Vì vậy dầu FO cần phải được sấy trước khi đưa vào buồng đốt trong lò hơi

1.2.2.2 Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO)

a Hàm lượng lưu huỳnh:

Nhiên liệu đốt lò thường chứa một lượng lưu huỳnh khá lớn, nồng độ của nó thay đổi tuỳ theo loại

Lưu huỳnh tồn tại trong nhiên liệu đốt lò dưới nhiều dạng khác nhau, thông thường là dưới dạng các hợp chất sulfua, disulfua hay dưới dạng dị vòng Khi bị đốt cháy lưu huỳnh sẽ chuyển thành SO2, khí này cùng với khói thải sẽ được thoát ra ngoài, trong thời gian này chúng có thể tiếp xác với oxy để chuyển một phần thành khí

SO3 Khi nhiệt độ của dòng khí thải xuống thấp thì các khí này sẽ kết hợp với hơi nước

để tạo thành các axit tương ướng, đó chính là các axit vô cơ có độ ăn mòn các kim loại rất lớn Thực tế thì các axit sulfuaric sẽ gây ăn mòn ở nhiệt độ thấp hơn 100 ÷ 150o

C, còn axit sulfuarơ chỉ gây ăn mòn ở nhiệt độ thấp hơn 40 ÷ 50o

C

Để hạn chế sự ăn mòn này thì người ta thường dùng các phương pháp sau:

- Dùng nhiên liệu đốt lò có hàm lượng lưu huỳnh thấp

- Giảm lượng không khí thừa trong dòng khí

- Gửi cho bề mặt trao đổi nhiệt lớn hơn nhiệt độ điểm sương của các khí

- Dùng một số kim loại hoặc oxyt kim loại (MgO, CaO) để chuyển SO2 thành các hợp chất không ăn mòn CaO + SO2 + 1/2O2 = CaSO4

Phương pháp này vừa giảm được ăn mòn vừa giảm ô nhiễm môi trường do SO2,

SO3trong khói thải

Ngoài vấn đề ăn mòn thì khi hàm lượng lưu huỳnh càng cao càng làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu đốt lò

b Độ nhớt:

Cũng giống như nhiên liệu Diesel hay nhiên liệu phản lực, trước khi bị đốt cháy nhiên liệu được phun ra dưới dạng các hạt sương, từ các hạt sương này nhiên liệu sẽ bay hơi tạo với không khí hỗn hợp cháy Quá trình bay hơi nhanh hay chậm phụ thuộc nhiều vào bản chất của nhiên liệu, kích thước của các hạt sương dầu khi phun ra

Ở gốc độ của độ nhớt thì ảnh hưởng của nó như sau: khi độ nhớt lớn thì kích thước của các hạt sương phun ra lớn, động năng của nó lớn nên không gian trộn lẫn của nhiên liệu với không khí lớn Tuy nhiên khi kích thước của các hạt lớn thì khả năng bay hơi để tạo hỗn hợp cháy sẽ kém, điều này sẽ làm cho quá trình cháy không hoàn toàn, làm giảm nhiệt cháy và thải ra nhiều chất gây ô nhiễm cho môi trường Ngoài ảnh hưởng đến quá trình cháy thì khi độ nhớt lớn sẽ làm tăng trở lực ma sát trong hệ thống bơm

c.Tỷ trọng

đến bản chất của nhiên liệu, độ nhớt, độ bay hơi nghĩa là nó liên quan đến quá trình cháy của nhiên liệu, tất cả những vấn đề này ta đã đề cập đến ở trên

Ngoài ra, trong quá trình xử lý nhiên liệu, người ta tách loại nước bằng phương pháp ly tâm do đó yêu cầu tỷ trọng của nhiên liệu và nước phải khác nhau để đảm bảo cho quá trình tách loại có hiệu quả Trong quá trình vận chuyển hay tồn chứa thì nước thường lẫn vào trong nhiên liệu, khi sự chênh lệch tỷ trọng của hai loại này lớn sẽ giúp cho quá trình lắng tách nước cũng tốt hơn

Nước không phải là thành phần của dầu mỏ nhưng nó luôn có mặt trong dầu thô hay trong tất cả các sản phẩm của dầu mỏ Sự có mặt của nước luôn gây ra những tác

hại nhất định Nước có mặt trong dầu thô hay các sản phẩm có thể từ các nguồn gốc sau:

- Trong dầu thô ban đầu nhưng không tách loại hết trong quá trình xử lý

- Quá trình bay hơi lớn dẫn đến hoạt động của mỏ đốt không bình thường

- Sự có mặt của nước sẽ gây rỉ trong bảo quản

Để đánh giá khả năng tạo cặn, người ta thường sử dụng tiêu chuẩn đặc trưng là

độ cốc hoá, tùy theo phương pháp tiến hành xác định cặn mà cặn thu được gọi là cặn cacbon conradson hoặc cặn carbon rabostton

Hàm lượng cặn cacbon conradson trong dầu nhiên liệu đốt lò thường dao động từ

5 – 10% khối lượng, có khi lên đến 20% khối lượng

Tỷ lệ cao cặn cacbon conradson trong nhiên liệu đốt lò cao luôn luôn gây trở ngại cho quá trình cháy, làm tăng hàm lượng bụi của các chất thải rắn trong dòng khí thải

f Hàm lượng tro.

Các hợp chất cơ kim và muối có trong dầu mỏ đều tập trung đa phần ở dầu cặn, khi đốt

nó biến thành tro Tro có nhiều trong nhiên liệu đốt lò sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng như gây tắc ghi lò, làm giảm khả năng truyền nhiệt của lò, ở nhiệt độ cao một số kim loại như vanadi có thể kết hợp với sắt để tạo ra những hợp kim tương ứng có nhiệt độ nóng chảy thấp do đó dễ dẫn đến sự thủng lò …

g Nhiệt trị

Nhiệt trị là một chỉ tiêu chất lượng quan trọng của nhiên liệu đốt lò Thường thì nhiệt trị của nhiên liệu đốt lò khác cao (>10000 cal/g) đây chính là một trong những yếu tố chính làm cho nhiên liệu đốt lò được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Nhiệt trị này phụ thuộc vào thành phần hoá học Nếu trong thành phần nhiên liệu

đốt lò càng có nhiều hydrocacbon mang đặc tính parafinic, càng có ít hydrocacbon thơm nhiều vòng và trọng lượng phân tử càng bé thì nhiệt năng của chúng càng cao

Những thành phần không thuộc loại hydrocacbon trong dầu cặn cũng có ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt trị của nó Các hợp chất lưu huỳnh trong dầu mỏ tập trung chủ yếu vào dầu cặn Sự có mặt của lưu huỳnh đã làm giảm bớt nhiệt năng của dầu cặn, khoảng 85 kcal/kg tính cho 1% lưu huỳnh

h Điểm chớp cháy

Cũng giống như những sản phẩm dầu mỏ khác, đối với nhiên liệu đốt lò thì điểm chớp cháy cũng đặc trưng cho mức độ hoả hoạn của nó

Ngoài những chỉ tiêu trên thì nhiên liệu đốt lò còn phải đạt những chỉ tiêu chất

lượng khác như điểm đông đặc, độ ổn định oxy hoá

Bảng 1.1 Đặc tính của dầu thô (FO)

m2/s

Nhiệt dung riêng J/kg.K

Hệ số dẫn nhiệt W/m.K

Thành phần

Độ sáp Parafin

Keo Galatin

Lưu huỳnh

S

Nhựa đường Bitum

1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy dầu FO cho nồi hơi

NỒI HƠI

1

2

341

0

76

1

9

13

1- Bể dầu; 2- Hệ thống ống sấy dầu; 3- Đường ống dãn dầu; 4- Bình lọc thô dầu; 5- Bơm; 6- Bình gia nhiệt dầu; 7- Bình lọc tinh dầu; 8- Van điều chỉnh lưu lượng dầu; 9- Lưu lượng kế; 10- Van thường; 11- Van một chiều; 12- Đường dầu về;

13- Vòi phun dầu

Dầu FO có nhiệt độ đông đặc cao, độ nhớt lớn, nhiệt độ chống cháy cao, nên để vận chuyển dễ dàng trong hệ thống dẫn dầu, dầu cần được sấy nóng tới nhiệt độ từ 50 – 900C tùy theo độ nhớt của dầu Song song với việc sấy nóng dầu cũng có các hệ thống lọc dầu thô tinh để loại các tạp chất, làm ảnh hưởng tới chất lượng của dầu Dầu được chứa trong các bể dầu, các bể này được thiết kế phù hợp với các yêu cầu về phòng hỏa trong bể có đặt chìm ống xoắn dẫn hơi nóng để sấy dầu, giữ cho dầu

có nhiệt độ ổn định (khoảng 700C) Ở đây dầu được bơm vào nồi hơi qua các bình lọc thô và lọc tinh Trước khi vào bơm dầu đầu vòi phun, dầu được đưa qua bộ sấy dầu bằng điện Tại đây dầu được tăng nhiệt độ tới nhiệt độ dễ dàng cho sự bắt cháy nhất (khoảng 900

C)

12

3

48

59

7

6

Hình 1.2: Bộ sấy dầu điện

* Bộ sấy dầu điện

Dầu được sấy nóng trong bình sấy nhờ các điện trở điện Khi đạt tới nhiệt độ đặt ( khoảng 900

C) thì bơm dầu bơm vào vòi phun Nếu chưa đạt được nhiệt độ này dầu quay trở lại bộ sấy để tiếp tục được hâm nóng

1- Vỏ bộ sấy; 2- Thanh điện trở; 3- Hộp cấp điện; 4- Dầu vào; 5- Rơ-le nhiệt

độ; 6- Dầu ra; 7- Bích; 8- Áp kế; 9- Đồng hồ đo nhiệt độ

* Bộ sấy dầu dùng hơi

Khi nồi hơi đã có hơi thì đưa bộ sấy dầu bằng hơi vào làm việc Bộ sấy này thường được lắp trực tiếp vào bể chứa dầu chính và bể chứa trung gian Tùy theo từng loại bể mà ta điều chỉnh nhiệt độ sấy tới mức bao nhiêu

Thực chất bộ sấy này là dùng chùm ống ruột gà Hơi nước đi bên trong, truyền nhiệt cho dầu bên ngoài Nước ngưng được dẫn về bể thu hồi

Trong bể chứa còn lắp các đường đo nhiệt độ dầu, đường xả nước đọng trong dầu

CHƯƠNG 2

Hệ thống sấy sử dụng thiết bị gia nhiệt là các điện trở nhiệt Vì thế, trong quá trình khảo sát và xây dựng mô hình toán cho đối tượng điều khiển, tôi sử dụng lò điện trở làm đối tượng thay thế

2.1 Giới thiệu chung về lò điện trở

Lò điện trở là một thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây nung) Từ dây đốt nhờ bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt, nhiệt năng được đưa tới vật cần gia nhiệt

2.1.1 Đặc điểm

- Có khả năng tạo được nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thể tích nhỏ

- Có tốc độ nung lớn, năng suất cao do nhiệt năng tập trung ở nhiệt độ cao

- Nung đều và chính xác nhờ việc dễ điều chỉnh và khống chế độ điện và nhiệt

độ

- Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung chân không hoặc trong môi trường

có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy hao kim loại nhỏ

- Có khả năng có khí hóa, tự động hóa cao

- Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không có bụi, không có khói, ít tiếng ồn

2.1.2 Nguyên lý làm việc

Theo định luật Joule- Lence, dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R(vật rắn hoặc chất lỏng), nó sẽ tạo ra một nhiệt lượng Năng lượng này sẽ đốt nóng bản thân vật dẫn hoặc gián tiếp đốt nóng các vật nung ở gần đó:

2

Trong đó:

Q: Nhiệt độ tảo ra trên dây dẫn(J)

R: Điện trở của dây dẫn ( )

I: cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn(A)

t: Thời gian dòng điện chạy qua (s)

2.1.3 Phân loại lò điện trở

* Theo phương pháp tỏa nhiệt, chia thành 2 nhóm:

- Lò điện trở trực tiếp: là lò điện trở mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó Loại lò này ít dùng vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản (tiết diện hình chữ nhật, vuông, tròn )

- Lò điện trở tác dụng gián tiếp: là lò điện trở mà nhiệt được tỏa ra ở dây điện trở, rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn nhiệt Loại

lò này thường gặp trong thực tế công nghiệp

* Theo nhiệt độ của lò, chia làm 3 loại:

- Lò có nhiệt độ thấp: Nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 6000C

- Lò có nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 6000C ÷12000C

- Lò có nhiệt độ cao: Nhiệt độ trên 12000C

2.1.4 Cấu tạo lò điện trở

* Yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện trở

- Hợp lý về mặt công nghệ: có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình công nghệ yêu cầu mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệ khác nếu như không làm tăng độ phức tạp trong thiết kế và giá cả không quá cao

- Hiệu quả về kỹ thuật: Là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khi các thông số của nó xác định (kích thước ngoài, công suất, trọng lượng….)

- Chắc chắn khi làm việc: là một trong những tiêu chí quan trọng nhất của chất lượng kết cấu của các lò điện trở Nếu trong khi làm việc, 1 bộ phận nào đó không làm việc sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất chung, gây thiệt hại cho sản xuất

- Tiện lợi khi sử dụng

- Rẻ và đơn giản khi thiết kế

- Hình dáng bên ngoài đẹp

* Cấu tạo lò điện trở:

Lò điện trở gồm 3 phần chính: vỏ lò, lớp lót, dây nung

- Vỏ lò: là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt và đản bảo sự kín hoàn toàn hay tương đối của lò Khung vỏ lò cần cứng, vững chắc đủ để chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các chi tiết cơ khí gắn trên vỏ lò

Vỏ lò có 2 dạng cơ bản:

+ Vỏ lò chữ nhật: dùng trong các lò giếng, lò liên tục, lò đáy bước và lò đáy rung

+ Vỏ lò tròn: Dùng trong các lò giếng, lò chụp

Vỏ lò tròn chịu được tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò hình chữ nhật khi cùng một lượng kim loại làm vỏ lò Khi làm vỏ tròn người ta thường chọn dây đốt tương ứng của tấm thép so với đường kính vỏ lò như sau:

Đường kính vỏ lò (mm) 1000-2000 2500-4000 4500-65000

- Lớp lót: thường gồm 2 phần chính: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt:

+ Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tùy theo hình dáng kích thước đã cho của buồng lò Cũng có khi người ta làm bằng các loại bột chịu lửa gọi là khối đầm Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò hay ở ngoài nhờ các khuân Phần vật liệu chịu lửa phải đạt các yêu cầu sau:

Chịu được nhiệt độ cực đại của lò

Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc

Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong các điều kiện làm việc

Đảm bảo khả năng gắn dây nung bề và chắc chắn

Có đủ độ bền hóa học khi làm việc, chịu được tác động khí quyển lò và ảnh hưởng của vật nung

Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu Điều này đặc biệt quan trọng trong

lò làm việc có chu kỳ

+ Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếu của phần này là làm giảm tổn thất nhiệt Các yêu cầu cơ bản đối với phần cáh nhiệt là:

Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu

Khả năng tích nhiệt cực tiểu

Ổn định về tính chất vật lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định

- Dây nung: Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, thường được đặt trong buồng lò hoặc buồng phát nhiệt, chúng làm việc ở nhiệt độ cao, vì vậy vật liệu làm dây nung cần có yêu cầu sau:

Khả năng chịu nóng tốt, không bị ôxi hóa trong môi trường không khí ở nhiệt độ cao

+ Dây nung phi kim loại: Dùng phổ biến là SiC, graphit, than

2.2 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học

Ổn định các tham số của đối tượng điều khiển như nhiệt độ, tốc độ… là mối qua tâm hàng đầu khi thiết kế hệ thống điều khiển Để thực hiện việc này thì công việc đầu tiên là xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển

Trong lý thuyết điều khiển tự động thì việc xác định mô hình của đối tượng điều khiển là một bước rất quan trong trước khi xác định thuật toán và các tham số điều khiển Mô hình hóa giúp cho chúng ta:

- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành

- Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống

- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển

- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển

- Phân tích và kiểm chứng kết quả thiết kế

- Mô phỏng trên máy tính

Để xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển đến nay có 2 phương pháp:

- Dựa vào các phương trình toán học mô tả mối quan hệ các đại lượng vật lý của đối tượng và các tham số của đối tượng

- Dựa vào đường cong thực nghiệm của đối tượng

phạm vi áp dụng khác nhau Phương pháp lý thuyết thiết lập mô hình dựa trên các định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên ngoài của hệ thống Các quan hệ này được mô tả theo quy luật hóa- lý, qui luật cân bằng .dưới dạng các phương trình toán học Phương pháp thực nghiệm dùng các đáp ứng quá độ để nhận dạng, hoặc ta có thể sử dụng phần mềm Matlab từ bộ số liệu thực nghiệm ta có thể xác định được mô hình toán học của hệ thống

Trong khuôn khổ của luận văn em chỉ giới thiệu về phương pháp thực nghiệm như sau:

2.2.1 Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc nhất có trễ

Rất nhiều đối tượng thực tế có đáp ứng quá độ nhanh, tắt dần hình chữ S Để đơn giản trong việc tính toán, người ta thường xấp xỉ đối tượng dạng này để đưa về đối tượng quán tính bậc 1 có khâu trễ Mô hình đối tượng thường có hàm truyền đạt dạng:

Trong đó: K là hệ số khuếch đại tĩnh

: hằng số thời gian, : thời gian trễ xấp xỉ

Một số phương pháp thông dụng:

- Phương pháp kẻ tiếp tuyến: Kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn, giao điểm của tiếp tuyến này với đường trục thời gian cho ta thời gian xấp xỉ m Xác định điểm trên đường cong có giá trị 0.632 y∞ cho ta giá trị + Thực chất đây có thể coi là phương pháp nhận dạng sử dụng một điểm quy chiếu với khâu quán tính bậc nhất có trễ thì sau một khoảng thời gian đúng bằng thay đổi đầu ra + đúng bằng 0.632 y∞

Hình 2.1 Phương pháp kẻ tiếp tuyến

- Phương pháp 2 điểm quy chiếu: Ta thấy phương pháp kẻ tiếp tuyến ước lượng tham số mô hình mang tính chủ quan thiếu chính xác mà cũng có sử dụng trên máy tính Vì thế để khắc phục một phần nhược điểm của phương pháp kẻ tiếp tuyến người

ta sử dụng phương pháp 2 điểm quy chiếu Các tham số và được xác định theo t1

- Phương pháp kẻ tiếp tuyến và 2 điểm quy chiếu: Phương pháp này cũng tương

tự như trong mô hình quán tính bậc 1, hệ số khuếch đại k được xác định bằng cách kẻ đường tiệm cận với đồ thị đáp ứng quá độ ở chế độ xác lập Hằng số thời gian trễ

số 1; 2 được xác định bằng cách lấy 2 điểm quy chiếu (33% và 67%) sau đó giải phương trình phi tuyến:

2.2.3 Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình có khâu tích phân

Mô hình có thành phần tích phân có thể được nhận dạng dựa trên việc nhận dạng thành phần quán tính bậc 1 hoặc thành phần bậc 2 của đối tượng bằng cách:

- Sử dụng tín hiệu kích thích là tín hiệu xung Kronecker thay cho tín hiệu bậc thang Bởi vì đáp ứng dạng xung của khâu quán tính- tích phân tương đương với đáp ứng bậc thang của khâu quán tính tương ứng nếu diện tích của xung được chọn có giá trị bằng biên độ của tín hiệu bậc thang

- Có thể sử dụng tín hiệu ra kích thích bậc thang, nhưng tính toán theo đạo hàm, lúc này xấp xì bằng sai phân (y(t)-y(t-T))/T nhưng mà có nhược điểm là có thể đưa đối tượng vượt ra khỏi dải làm việc cho phép

Sau khi nhận dạng được khâu quán tính tương ứng chỉ việc nhân thêm 1/s ta được khâu quán tính tích phân

2.3 Mô tả toán học lò điện trở

2.3.1 Nhận dạng lò điện trở

Điều kiện thực hiện thí nghiệm: đối tượng lò nhiệt đang ổn định tại điểm nhiệt độ

860C (tuyến tính hóa đối tượng tại điểm làm việc 860C)

Lò điện trở có các thông số: U = 220(V); R = 55( )

Với độ mở pha: pi(200-90)/200 ( Thiết kế bộ điều khiển để mở hệ thống triac với

200 bước tương ứng với góc mở 0-pi)

Thay đổi độ mở pha tới pi(200-80)/200

Để xác định dược kết quả thí nghiệm, trong quá trình thực nghiệm có giả định tải của lò điện trở bằng việc thực hiện mở lò với góc mở khoảng 150

C (hình 2.3)

Hình 2.3 Mô hình lò nhiệt trong phòng thí nghiệm

Kết quả thu được: Thời gian thực nghiệm (4000s)

y k

1 873

s

s

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH THUẬT TOÁN CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh

3.1.1 Cấu trúc chung của một hệ điều khiển tự động

Hệ thống tự động là một hệ thống được xây dựng từ ba bộ phận chủ yếu:

+ Thiết bị điều khiển

+ Đối tượng điều khiển

+ Thiết bị đo lường

Đó là một hệ thống có phản hồi hay còn gọi là hệ thống có liên hệ ngược Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động được giới thiệu trên hình như sau:

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động

Các tín hiệu tác động trong hệ thống:

x(t): Tín hiệu đầu vào của hệ thống Còn gọi là giá trị đặt

y(t): Tín hiệu ra của hệ thống Còn gọi là lượng được điều chỉnh

u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng

e(t): Sai lệch điều khiển

z(t): tín hiệu phản hồi

fn(t): tín hiệu nhiễu tác động lên đối tượng

Thiết bị điều khiển là một bộ phần vô cùng quan trọng nó tạo ra tín hiệu điều khiển u(t), tác động vào đối tượng điều khiển Với mong muốn điều khiển được

lượng ra của đối tượng y(t) thoả mãn yêu cầu, đáp ứng được chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật

Từ hình vẽ 2.1 ta thấy đầu vào của bộ điều khiển là tín hiệu sai lệch điều khiển e(t) = x(t)-z(t), đầu ra của bộ điều khiển là u(t)=f[e(t)], ở bộ điều khiển đơn giản thì

có một đầu vào và một đầu ra, trong trường hợp phức tạp bộ điều khiển có nhiều đầu vào, ra

Bộ điểu khiển có nhiệm vụ duy trì sự ổn định cho hệ thống nghĩa là nó điều chỉnh quá trình của hệ thống quanh một giá trị xác lập

3.1.2 Đặc tính quá độ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển tự động

Một hệ thống điều khiển tự động được gọi là ổn định khi tín hiệu ra của hệ thống tắt dần theo thời gian Để mô tả quá trình động hay quá trình tắt dần của hệ thống ổn định đó theo thời gian người ta sử dụng đặc tính quá độ Như vậy đặc tính quá độ mô tả quá trình quá độ của hệ thống Ví dụ đặc tính quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian:

Hình 3.2 Quá trình quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian

Để đánh giá và so sánh các hệ điều khiển tự động với nhau ngoài chỉ tiêu ổn định người ta còn đưa ra các chỉ tiêu khác Có 3 loại chỉ tiêu chất lượng cơ bản:

1, Chỉ tiêu chất lượng tĩnh: Chất lượng tĩnh của hệ thống được đánh giá bằng sai lệch dư của quá trình điều khiển Nó là trị số sai lệch còn tồn tại khi quá trình quá độ kết thúc và được xác định theo công thức:

y(t)

t

0

2, Chỉ tiêu quá độ: Chất lượng của hệ thống được đánh giá bằng ba chỉ tiêu sau:

- Thời gian quá độ: T là thời gian kể từ khi bắt đầu khởi động hệ thống cho đến khi đặc tính quá độ của hệ thống đi vào nằm trong vùng giới hạn cho phép

- Số lần dao động n: Là số lần dao động của đặc tính quá độ xung quanh giá trị

y

- Độ quá điều chỉnh max : Nó đặc trưng cho tính dao động của quá trình điều chỉnh Là hệ số giữa biên độ cực đại ymax của đặc tính quá độ với giá trị xác lập y∞

Hình 3.3: Mô tả chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống điều khiển

3.1.3 Phân tích các luật điều khiển

3.1.3.1 Luật điều khiển tỷ lệ (P)

Tín hiệu điều khiển trong quy luật (P) được xác định theo công thức:

U(t) = Kp.e(t) (3.1)

Trong đó Kp được gọi là hệ số khuếch đại Theo tính chất của khâu khuếch đại

ta thấy tín hiệu ra luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào Điều này nói lên ưu điểm của khâu tỷ lệ là tốc độ tác động nhanh vì vậy trong công nghiệp quy luật tỷ lệ làm việc

ổn định với tất cả các đối tượng

Tuy nhiên quy luật tỷ lệ cũng có một nhược điểm cơ bản là khi sử dụng với các đối tượng tĩnh hệ thống điều chỉnh luôn luôn tồn tại sai lệch tĩnh và không thể sử dụng trong hệ thống điều chỉnh theo chương trình Để giảm giá trị sai lệch tĩnh phải tăng hệ số khuếch đại, nhưng khi tăng hệ số khuếch đại tính dao động của hệ thống sẽ

y(t)

±

tăng lên và có thể đưa hệ thống tới mất ổn định

Trong công nghiệp quy định tỷ lệ thường được sử dụng đối với những công nghệ cho phép có sai lệch tĩnh Để giảm sai lệch tĩnh quy luật tỷ lệ thường được xác định theo công thức:

U(t) = U0 + Kp.e(t) (3.2) Trong đó U0 là điểm làm việc của hệ thống, tác động điều khiển luôn giữu cho tín hiệu điều khiển thay đổi xung quang giá trị này khi xuất hiện tín hiệu sai lệch

3.1.3.2 Luật điều khiển tích phân(I)

Trong quy luật tích phân tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức:

Như vậy ưu điểm của quy luật tích phân là triệt tiêu được sai lệch tĩnh

Xét đặc tính của khâu tích phân, tín hiệu ra luôn luôn chậm pha so với tín hiệu vào một góc /2 Điều này nói lên sự tác động chậm của quy luật tích phân, do sự tác động chậm mà trong công nghiệp hệ thống điều chỉnh tự động sử dụng quy luật tích phân kém ổn định Vì vậy quy luật này hiện nay ít sử dụng trong công nghiệp

3.1.3.3 Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân(PI)

Để vừa tác động nhanh, vừa triệt tiêu được sai lệch tĩnh người ta kết hợp quy luật

tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo nên quy luật tỷ lệ tích phân Tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức:

( ) p ( ) 1 ( )

i

T (3.4)

Trong đó: Kp: hệ số khuếch đại

Ti: hằng số thời gian tích phân

Trong thực tế khi sử dụng bộ điều khiển PI thì việc chọn thông số điều khiển

Kp, Ti để phù hợp với đối tượng điều khiển nhằm đạt được các chỉ tiêu chất lượng của quá trình quá độ là một vấn đề vô cùng quan trọng Rất nhiều các tiêu chuẩn để

tính chọn các thông số của bộ điều khiển để có một đáp ứng đầu ra phù hợp với yêu cầu công nghệ Về tính chất của luật điều khiển tỷ lệ thì có đáp ứng lớn nhưng sai

số tĩnh lớn Khi tăng hệ số Kp cao thì đạt được sai số tĩnh nhỏ xong quá trình quá

độ lại dao động, chất lượng của quá trình quá độ sẽ xấu đi và khi hệ số Kp quá lớn thì đáp ứng đầu ra của hệ thống kín sẽ mất ổn định Khi ta đặt một giá trị Kp tối ưu thì chất lượng đáp ứng của hệ lúc này chỉ phụ thuộc vào thời gian tích phân Khi thời gian tích phân Ti lớn có nghĩa là tín hiệu u(t) có giá trị rất nhỏ Sự ảnh hưởng của thành phần tích phân đền đáp ứng qúa độ rất ít nên lúc này bộ điều khiển PI hoạt dộng như bộ điều khiển tỷ lệ Nghĩa là đáp ứng đầu ra ổn định nhưng sai số vẫn còn cao so với yêu cầu điều khiển Khi thời gian Ti giảm nhỏ thì thành phần tích phân có tác động tích cực, đáp ứng quá độ vẫn chưa có dao động nhưng sai số xác lập bằng không Khi ta giảm nhỏ giá trị Ti đến một giá trị nào đó thì quá trình quá độ không còn đơn điệu nữa mà nó trở nên một quá trình dao động Việc chọn đặt giá trị Ti không phù hợp sẽ làm cho quá trình quá độ xấu đi và đôi khi hệ thống sẽ trở nên mất

ổn định

3.1.3.4 Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân (PID)

Mặc dù điều khiển tỷ lệ - tích phân – đã đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu chất lượng trong nhiều trường hợp, nhưng còn những nhược điểm mà chúng ta đã phân tích

ở trên Để thỏa mãn yêu cầu chất lượng điều khiển người ta sử dụng bộ điều khiển tỷ

lệ - tích phân – vi phân gọi tắt là PID Bộ PID được áp dụng rộng rãi vì nó có hàm trễ lớn, mang ưu điểm của các bộ P, PI, PD Hàm truyền đạt có dạng như sau:

Như đã biết, tác động điều khiển vi phân có khuynh hướng dự phòng trước các thay đổi trong tín hiệu sai số và do đó làm giảm khuynh hướng dao động Vì tác