Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động van cánh hướng ứng dụng trong công nghiệp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CAO THỊ THU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIÊU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VAN CÁNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CAO THỊ THU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIÊU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VAN CÁNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VÕ QUANG LẠP THÁI NGUYÊN, 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Cao Thị Thu Sinh ngày: 27 tháng 09 năm 1981 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Cao Đẳng Nghề Cơ Khí Nông nghiệp Tam Hợp – Bình Xuyên – Vĩnh phúc Tôi xin cam đoan những gì tôi viết trong luận văn này là do sự tổng hợp và nghiên cứu theo định hướng của giáo viên hướng dẫn không sao chép của người khác. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn. Thái Nguyên, ngày 25 tháng 05 năm 2014 Tác giả luận văn Cao Thị Thu ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian tìm hiểu và làm việc khẩn trương cùng với sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS. Võ Quang Lạp tác giả đã hoàn thành luận văn với đề tài là “nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động van cánh hướng ứng dụng trong công nghiệp’’ Với tình cảm và lòng biết ơn sâu sắc, tác giả xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS. Võ Quang Lạp người đã trực tiếp giảng dạy và dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu, các thầy cô giáo trong Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp, các thầy cô giáo trong Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ tác giả rất nhiều về kiến thức chuyên môn, tài liệu nghiên cứu để tác giả có thể hoàn thành luận văn của mình Tuy đã cố gắng rất nhiều nhưng do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên luận văn vẫn còn nhiều thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của Hội đồng chấm luận văn, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Thái nguyên, ngày 25 tháng 05 năm 2014 Tác giả luận văn Cao Thị Thu iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục ………………………………………………………………… iii Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt …………………………………………… vi Danh mục các hình vẽ và đồ thị……………………… …………………… vii Mở đầu 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VAN TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1 Van điều khiển 3 1.1.1 Cấu trúc cơ bản của van điều khiển 3 1.1.2. Kiểu tác động của van 7 1.2. Ứng dụng van để điểu khiển khói cho lò hơi 8 1.3. Các hệ truyền động điều khiển van 11 CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN VÀ KIỂM NGHIỆM HỆ T-Đ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VAN CHO LÒ HƠI 2.1. Tính toán và khảo sát hệ truyền động T-Đ: 21 2.1.1. Tổng hợp hệ điều khiển R i và R  : 23 2.1.1.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng R I 24 2.1.1.2. Tổng hợp bộ điều khiển dòng R  24 2.2. Thí nghiệm: 27 2.2.1. Giới thiệu bài thí nghiệm 29 2.2.1.1. Mạch động lực của hệ T-Đ 29 a, Thiết bị mạch động lực 29 b, Nguyên lý làm việc của sơ đồ mạch điện 29 2.2.1.2. Mạch tạo xung điều khiển 31 iv a, Sơ đồ và thiết bị mạch 31 b, Nguyên lý làm việc của mạch tạo xung điều khiển 33 2.2.1.2. Mạch phụ tải 34 a, Thiết bị mạch phụ tải 34 b, Sơ đồ nguyên lý mạch phụ tải 34 2.2.2. Sơ đồ lắp ráp 35 2.2.3. Qúa trình thí nghiệm 39 2.2.3.1 Điện áp đồng bộ hóa và điện áp răng cưa 39 2.2.3.2. Thí nghiệm 41 2.3. Đánh giá kết qua thí nghiệm hệ truyền động T-Đ 47 CHƯƠNG 3 KHÁO SÁT MẠCH VÒNG VỊ TRÍ ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG CÁNH HƯỚNG VAN HƠI 3.1 Đặt vấn đề 48 3.2. Quá trình tổng hợp hệ điều khiển chuyển động vị trí 49 3.3. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí ổn định cánh hướng van 51 3.3.1.Tính toán các thông số của hệ 51 3.3.1.1.Các thống số cho trước của hệ truyền động 51 3.3.1.2.Tính toán các thông số và hàm số truyền của hệ 49 3.3.2. Kết quả mô phỏng chất lượng bộ điều khiển PID 53 3.3.2.1.Tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào  đặt =10V 52 3.3.2.1.Tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào  đặt =6V 52 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIÊN MỜ THÍCH NGHI ĐÊ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG VAN CHO LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP 4.1. Đặt vấn đề 53 v 4.2. Định nghĩa hệ mờ thích nghi 53 4.2.1. Địều khiển mờ 53 4.2.2. Địều khiển thích nghi 53 4.2.2.1. Tổng hợp bộ điều khiẻn thích nghi trên cơ sở lý thuyết gradient 61 4.2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiẻn thích nghi trên cơ sở lý thuyết lyapunov 62 4.2.2. 3. Phân loại 63 4.2.2.4 Các phương pháp điều khiển mờ thích nghi 63 4.3. Thiêt kế bộ điều khiên mờ thích nghi 66 4.3.1.Thiêt kế bộ điều khiên mờ 66 4.3.1.1.Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ 67 4.3.2 . Xây dựng hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu song song 71 4.3.2.1.Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu dùng lý thuyết kinh điển 71 4.3.3. Qúa trình thiết kế cụ thể: 75 4.3.3.1 Sơ đồ khối mờ 75 4.3.3.2. Định nghĩa tập mờ 75 4.3.3.3. Xây dựng các luật điều khiển “ nếu thì 77 4.3.3.4. Chọn luật hợp thành 79 4.3.3.5. Giải mờ 79 4.3.3.6. Sơ đồ mô phỏng 81 4.3.3.7. Kết quả mô phỏng chất lượng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ thích nghi 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 ĐC Động cơ điện một chiều 2 ADC Analog Digital Convert 3 DAC Digital Analog Convert 4 XA-Đ Điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều 8 T-Đ Thyristor - động cơ 9 CL-Đ Chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều 10 F-Đ Hệ máy phát động cơ 11 BBĐ Bộ biến đổi 12 PID Proportional Intergal Derivative 13 PI Proportional Intergal 14 FXCĐ Phát xung chủ đạo 15 SRC Sóng răng cưa 16 TXPCX Tạo xung phân chia xung 17 SS So sánh 18 ĐK Động cơ không đồng bộ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu Nội dung Trang Hình 1-1 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành 3 Hình 1-2 CÊu tróc tiªu biÓu cña mét van cÇu khÝ nÐn 4 Hình 1-3 Van bi 5 Hình 1-4 Van bướm 6 Hình 1-5 Van đóng an toàn 7 Hình 1-6 Van mở an toàn 7 Hình 1-7 Sơ đồ cân bằng gió 11 Hình 1-8 Phân bố áp suất của hệ thống khói gió 12 Hình 1-9 Các vị trí cánh hướng 13 Hình 1-10 Hệ điều khiển cánh hướng van dùng cơ cấu liên kết góc quay 15 Hình 1-11 Hệ điều khiển cánh hướng van dùng cơ cấu liên kết góc quay 17 Hình 1-12 Sơ đồ khối điều khiển cánh hướng van 19 Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí van chovlò hơi 21 Hình2-2 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 24 Hình 2-3 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 24 Hình 2-4 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 26 Hình 2-5 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động T-Đ 26 Hình 2-6 Sơ đồ nguyên lý module chỉnh lưu cầu 3 pha 29 Hình 2-7 Giản đồ điện áp của chỉnh lưu cầu 3pha 32 Hình 2-8 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển 33 Hình 2-9 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển theo pha đứng 34 Hình 2-10 Giản đồ điện 35 Hình 2-11 Hệ tải DC1 - DC2 và máy phát tốc 36 viii Hình 2-12 Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ tải 37 Hình 2-13 Sơ đồ bố trí thiết bị trên module chỉnh lưu cầu 3 pha 38 Hình 2-14 Điện áp khâu đồng bộ hóa 42 Hình 2-15 Điện áp đầu ra khâu phát sóng răng cưa 42 Hình 2-16 Điện áp khâu sửa xung và gửi xung 43 Hình 2-17 Khi động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển P 44 Hình 2-18 Động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển PI 45 Hình 2-19 Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển P 46 Hình 2-20 Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển PI 46 Hình 3-1 Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí 48 Hình 3-2 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí 49 Hình 3-3 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiên vị trí 50 Hình 4-1 Diễn biến thời gian của điều chỉnh vị trí tuyến tính 59 Hình 4-2 Quan hệ giữa   và  59 Hình 4-3 Sơ đồ chức năng của bộ đièu khiên mờ 60 Hình 4-4 Sơ đồ bộ điều khiên mờ động 61 Hình 4-5 Điều chỉnh hệ số khuêch đại 62 Hình 4-6 Bộ điều khiển theo mô hình mẫu 62 Hình 4-7 Bộ điều khiển tự chỉnh 63 Hình 4-8 MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra 63 Hình 4-9 MRAFC điều chỉnh hệ số khuyếch đại đầu ra và hệ số tích phân sai lệch đầu vào 63 Hình 4-10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình 64 Hình 4-11 Sơ đồ khối MRAS dựa trên lý thuyến Lyapunov cho đối tượng bậc nhất 66 [...]... về điều khiển van trong công nghiệp Chương 2: Khảo sát,tính toán và kiểm nghiệm hệ T-Đ để điều khiển van cho lò hơi Chương 3: Khảo sát mạch vòng vị trí ổn định chuyển động cánh hướng van hơi Chương 4 : Ứng dụng điều khiên mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ truyền động van cho lò hơi công nghiệp Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VAN TRONG CÔNG NGHIỆP 1 Van điều khiển: Một hệ. .. van f(x) Hình 1-12 sơ đồ khối điều khiển cánh hướng van Kết luận: Với sơ đồ cấu trúc điều khiển van cánh hướng như trên thì có nhiều hệ thống truyền động đáp ứng được yêu cầu truyền động van cánh hướng, đó là: - Hệ truyền động T-Đ - Hệ điều khiển xung điện áp động cơ điện một chiều - Hệ điều khiển biến tần động cơ không đồng bộ 3pha rôto ngắn mạch - Hệ điều khiển biến tần động cơ đồng bộ xoay chiều 3pha... liệu Việc điều khiển lưu lượng gió vào được thực hiện bằng cách điều khiển tốc độ quạt hút FD và độ mở cánh hướng van bằng cách sau: - Giữ nguyên tốc độ quạt hút và điều khiển độ mở cánh hướng van - Giữ độ mở cánh hướng van có độ mở cực đại rồi điều khiển tốc độ quạt hút - Điều khiển cả tốc độ quạt và độ mở cánh hướng van Hai cách điều khiển trên đơn giản hơn nhưng có chất lượng điều khiển không cao, thường... lưu lượng van cộng với đặc tính phi tuyến của cơ cấu điều khiển làm cho đặc tính điều khiển của hệ là tuyến tính, góc quay của cánh hướng tỉ lệ thuận với độ lớn tín hiệu điều khiển Cơ cấu điều khiển van cánh hướng thường sử dụng hệ thống khí nén hoặc hệ thống điện Hệ thống sử dụng khí nén tín hiệu điều khiển là vị trí của thanh nối điều khiển cánh hướng van, được nối trực tiếp với pittong Nếu sử dụng. .. khiển cánh hướng Trong hệ điều khiển bằng khí nén, việc dừng chuyển động của pittong là khó khăn do chuyển động của pittong là do chênh lệch áp suất tạo bởi khí nén Điều khiển van cánh hướng sử dụng động cơ điện linh hoạt hơn trong điều khiển vị trí vì có thể dừng ở bất kỳ vị trí nào bằng cách điều khiển cấp nguồn cho động cơ Chuyển động quay tròn của động cơ thông qua một số cơ cấu chuyển đổi thành chuyển. .. thành chuyển động góc quay khá là thuận tiện Ngoài ra, sủ dụng hệ thống điều khiển cánh hướng dùng động cơ điện cũng thuận lợi hơn nhiều trong việc phối hợp cùng với hệ thống điều khiển khác trong hệ thống Một sơ đồ cấu trúc điều khiển trình bày ở hình vẽ sau: 17 đóng % góc quay cánh hướng 100% Mở 0% 50% 100% Cơ cấu điều khiển 0 50 100 % góc quay điều khiển Hình 1-11 Hệ điều khiển cánh hướng van dùng cơ... tính của cánh hướng là tuyến tính, độ mở phần trăm của cánh hướng tỉ lệ với lưu lượng của gió qua van Khi hệ gồm nhiều van cánh hướng , các cánh hướng được điều chỉnh có cùng hướng quay và cùng độ mở Đặc tính quan hệ giữa lưu lượng và độ mở của van cánh hướng tuyến tính hơn so với trường hợp sử dụng van cánh hướng đơn Để điều khiển lưu lượng gió đặc tính mong muốn của của quan hệ giữa lưu lượng khói... các yêu cầu điều khiển cao hiện nay đều kết hợp đồng thời cả điều chỉnh tốc độ quạt và điều chỉnh vị trí van cánh hướng 19 Ở bản luận văn này sẽ nghiên cứu điều khiển van cánh hướng và sơ đồ khối được thể hiện như hình 1-12 Điều khiển bằng tay Trái Phải Điều khiển cánh hướng van Tín hiệu đặt R Điều khiền động cơ Quay phải Quay trái Động cơ và cơ cấu chuyển đổi Phản hồi vị trí cánh hướng van f(x) Hình... điều khiên 20 - Ứng dụng van điều khiển để điều khiển khói cho lò hơi - Chọn được hệ truyền động T- Đ làm hệ thống truyền động để điều khiển chuyển động vị trí cánh hướng van - Chương tiếp theo sẽ tính toán khảo sát, và kiềm nghiệm cho lò hơi công nghiệp - 21 CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN VÀ KIỂM NGHIỆM HỆ T-Đ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VAN CHO LÒ HƠI Sơ đồ khối hệ truyển động T-Đ cho truyền động van lò hơi được thể... Tính cấp thiết của đề tài: Van điều khiển được ứng dụng nhiều trong công nghiệp: van khí nén, van điện, van thủy lực là thiết bị chấp hành trong hệ điều khiển tự động Trong luận văn này tác giả chọn van điện để điều khiển khói cho lò hơi trong nhà máy nhiệt điện Việc chọn hệ thống truyền động cho van này một cách hợp lý nghĩa là vừa thỏa mãn được yêu cầu truyền động cho van đồng thời thích hợp với . NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CAO THỊ THU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIÊU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VAN CÁNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN. Van điều khiển được ứng dụng nhiều trong công nghiệp: van khí nén, van điện, van thủy lực là thiết bị chấp hành trong hệ điều khiển tự động. Trong luận văn này tác giả chọn van điện để điều. phỏng hệ điều khiển chuyển động cho hệ điều khiển van giúp cho việc đánh giá sơ bộ khả năng ứng dụng của hệ cho van cánh hướng. - Thí nghiệm thành công hệ truyền động của trường cụ thế là hệ