THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ C

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯU VĂN SỞ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Thái Nguyên – 2015 Công trình được hoàn thành tại: 2 MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn 2. Mục tiêu của nghiên cứu - Nguyên cứu cơ sở lý thuyết và tổng quan nhà máy nhiệt điện từ đó xây dựng mô hình toán cho hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi. - Thiết kế được bộ điều chỉnh PID ứng dụng vào điều khiển mức nước của hệ thống mức nước bao hơi của mô hình lò hơi tại trung tâm thí nghiệm trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên. Thực hiện việc mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng bộ điều khiển được thiết kế. - Đề xuất phương án cải thiện chất lượng điều khiển mức của hệ thống mức nước bao hơi bằng bộ điều khiển mờ. 3.Nội dung của luận văn Chương 1. Tổng quan về điều khiển mức nước bao hơi của nhà máy nhiệt điện. Chương 2. Mô tả toán học của đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện. Chương 3. Khảo sát chất lượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi sử dụng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và thực nghiệm Chương 4. Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển và ổn định mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1. Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện 1.2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện 1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi Lò hơi có các nhiệm vụ chính sau: - Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí đốt… trong buồng đốt nhiên liệu thành điện năng. - Truyền nhiệt năng sinh ra cho môi chất tải nhiệt hoặc môi chất và thông qua hệ thống dẫn đưa môi chất đi làm quay tua bin. 1.2.2.Cấu tạo của lò hơi Như vậy cấu tạo của lò hơi gồm các hệ thống chính như sau: - Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu - Hệ thống cung cấp không khí và thải sản phẩm cháy - Hệ thống sử lí nước và cấp nước làm mát Hình 1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy 4 - Hệ thống sản xuất và cấp nước nóng cho quá trình sinh hơi - Hệ thống đo lường điều khiển - Hệ thống an toàn - Hệ thống lò: Khung lò, tường lò, cách nhiệt… 1.2.3. Các loại lò hơi chính - Lò hơi có bao hơi - Lò hơi trực lưu 1.2.4. Hệ thống điều khiển lò hơi 1.2.4.1. Lò hơi là một đối tượng điều khiển 1.2.4.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi 1.3. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện 1.3.1. Đặt vấn đề Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấu thành từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm: - Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi. - Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt. - Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy. - Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi. - Hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi. 1.3.2. Hệ điều khiển bao hơi Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển được phân ly: hệ điều khiển nhiệt độ và hệ điều khiển áp suất – lưu lượng. 1.3.3. Mục tiêu của nghiên cứu Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống điều khiển quá trình, cụ thể là điều khiển mức nước cấp trong bình bao hơi của nhà máy nhiệt điện, đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học không 5 ngừng phát triển nghiên cứu. Vì vậy đề tài tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID và triển khai thí nghiệm sau đó đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định mức nước cấp bao hơi và kiểm chứng bằng mô phỏng Matlab/Simulink. 1.4. Kết luận chương 1 Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Tổng quan được những nét cơ bản nhất về nhà máy nhiệt điện. - Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu là mức nước bao hơi - Đề xuất phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi của nhà máy nhiệt điện trên cơ sở mô hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghiệm của trường Đại học kỹ thuật công nghiệp (Mô hình này giống như nhà máy nhiệt điện). Trên cơ sở tổng quan về nhà máy nhiệt điện (mô hình nhà máy nhiệt điện tại Trung tâm thí nghiệm), trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu xây dựng mô tả toán học cho hệ điều khiển mức nước bao hơi của mô hình nhà máy nhiệt điện. 6 CHƯƠNG II MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2.1. Đặt bài toán. 2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện 2.2.1. Cấu trúc mô hình nhà máy nhiệt điện Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như hình 2.1: Van điều khiển CV02 Bình chứa nước Bao hơi Bình nước cấp bao hơi Điện trở nhiệ t Bơm nước B02 Hình 2.1: Mô hình NMTĐ tại TTTN của trường ĐH kỹ thuật công nghiệp Hình 2.2: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình 7 2.2.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao hơi Cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển quá trình nói chung được minh họa như hình 2.2: 2.2.3. Hàm truyền các thành phần của hệ thống 2.2.3.1. Thiết bị đo a. Cấu trúc cơ bản: b. Đặc tính động 2.2.3.2. Thiết bị chấp hành Một hệ thống/thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới biến điều khiển. Hình 2.5 minh hoạ cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành Hình 2.5: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành 8 Cấu trúc cơ bản Cơ cấu chấp hành van có nhiệm vụ cung cấp năng lượng và tạo ra chuyển động cho chốt van thông qua cầu van hoặc trục van. Nếu van được định cỡ tốt thì quan hệ giữa lưu lượng ra và độ mở van có thể được coi là tuyến tính, ít ra cũng trong phạm vi quan tâm. Trong thực tế hàm truyền của van thường được coi là khâu quán tính bậc nhất có trễ, lấy gần đúng thì xem là khâu quán tính bậc nhất: = + W ( ) 1 V v K s T s Trong đó: K = K v .K T hệ số khuếch đại của van T: thời gian trễ của van, thường lấy T = 25 ms = 0,025s Khi tín hiệu vào thay đổi từ 0,32 ÷ 1KG/cm 2 thì độ mở của van thay đổi từ 0 ÷ 85%, khi đó hệ số khuếch đại được xác định như sau: 9   = =   −   2 %®é ë 80 125 1 0,32 / V m K KG cm Ta có khi độ mở của van thay đổi từ 5 ÷ 80% thì lưu lượng nước qua van thay đổi từ 0 ÷ 40 T/h. Từ đó hệ số truyền của sự liên hệ giữa lưu lượng nước qua van và độ mở của van là:   = =   −   120 / 1,6 80 5 %®é ë T T h K m Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào là áp suất khí nén và tín hiệu ra là lưu lượng nước cấp thông qua cơ cấu van:   =     2 200 % / W ( ) . 25 / % V T h s 1+ 0.0 s K G cm Việc xác định hệ số khuếch đại v K và hằng số thời gian v τ của van có thể tiến hành từ thực nghiệm. Hằng số thời gian v τ của van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp hành. Thông thường, v τ có giá trị khoảng một vài giây, đối với van cỡ lớn có thể tới 3 ÷ 15 giây. Hệ số khuếch đại v K cũng có thể được tính toán như sau: 10 v dF dF dp K du dp du = = Cơ cấu chấp hành có thể coi là tuyến tính trong toàn bộ dải làm việc, nên đạo hàm dp/du bằng “1” cho van FC và bằng “-1” cho van FO. Vì thế với việc chọn van FC ta có: v dF K dp = Nếu van được định cỡ tốt thì ta có thể coi v K là hằng số trong toàn dải làm việc. 2.2.3.3. Bình bao hơi Trên cơ sở phân tích ở trên, có thể xác định gần đúng hàm truyền đạt đối tương. Trong thực tế hàm truyền đạt của đối tượng không có tính tự cân bằng được mô tả gần đúng như sau: . ( ) s dt K e W s s τ − = Tính hàm truyền đạt của đối tượng mức nước bao hơi Đối tượng điều chỉnh của hệ thống là mức nước bao hơi, thông qua việc tiến hành thí nghiệm lấy đường đặc tính động hoặc thực nghiệm của hệ điều khiển lưu lượng nước bình bao hơi với tác động điều chỉnh là van đóng mở hơi nước để xác định tham số của [...]... đư c phương pháp thiết kế bộ điều khiển chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng - Mô phỏng hệ thống - Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển m c nư c bao hơi bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID so với bộ điều khiển PID 28 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 Kết luận: Nội dung c bản c a luận văn tập trung vào nghiên c u ứng dụng điều khiển quá trình cho... tượng c thể là điều khiển m c nư c c p bình bao hơi nhà máy nhiệt điện Nhiệm vụ c thể là Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định m c nư c c p bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID Kết quả c a luận văn đã đạt đư c là: - Thiết kế đư c bộ điều khiển m c nư c c p bình bao hơi nhà máy nhiệt điện bằng bộ điều khiển PID, tiến hành đánh giá kết quả nghiên c u lý thuyết bằng mô... h c cho đối tượng điều khiển và c hệ thống hở Dựa vào thông số th c tế c a thiết bị thí nghiệm ta đã x c định đư c thông số c a đối tượng đó là hệ số khuếch đại và hằng số thời gian c a quá trình và c c u chấp L 13 hành Đây là, sự chuẩn bị c n thiết cho thiết kế c u tr c điều khiển cho đối tượng ở c c chương sau 14 Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH M C NƯ C CẤP BÌNH BAO. .. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink 4.3.1 Sơ đồ mô phỏng Sơ đồ mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PID Hình 4.16: Sơ đồ mô phỏng m c nư c bao hơi với bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Trong đó bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID c c u tr c mô phỏng: 25 Hình 4.17: Sơ đồ mô phỏng m c nư c bao hơi... thành c a nhiều mệnh đề hợp thành 4.1.4 Bộ điều khiển mờ 4.1.4.1 Bộ điều khiển mờ động 4.1.4.2 Điều khiển mờ thích nghi 4.1.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 4.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 4.2.1 Phương pháp thiết kế 4.2.2 Nhận xét - Phương pháp thiết kế đơn giản và dễ dàng thay đổi luật mờ - Dùng để nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID kinh... hợp với thiết bị th c trong c ng nghiệp 23 Chương 4 ĐỀ XUẤT C I THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN M C NƯ C BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 4 1 C u tr c một bộ điều khiển mờ 4.1.1 Mờ hoá 4.1.2 Giải mờ (defuzzyfier) * Phương pháp c c đại giải mờ theo hai bư c: * Phương pháp trọng tâm: 4.1.3 Khối luật mờ và khối hợp thành 4.1.3.1 C c bư c xây dựng luật hợp thành khi c nhiều điều kiện... Giao diện trong thí nghiệm điều khiển m c nư c bao hơi Hình 3.12: Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển m c nư c bao hơi 21 3.4.2 Giới thiệu về mô hình th c nghiệm 3.4.3 C c kết quả th c nghiệm - Trường hợp m c nư c 80% Hình 3.13: Kết quả thí nghiệm điều khiển m c nư c bao hơi 80% - Trường hợp m c nư c thay đổi từ 80% xuống 60% Hình 3.14: Kết quả thí nghiệm điều khiển m c nư c c p bao hơi nhảy c p từ... độ quá điều chỉnh và thời gian x c lập Điều này cho thấy với phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID đem lại khả quan cho vi c phát triển ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho hệ điều khiển m c nư c bao hơi nhà máy nhiệt điện 4.4 Kết luận chương 4 Chương 4 đã giải quyết đư c một số vấn đề sau: 27 - Tổng quan đư c những vấn đề c bản về hệ logic mờ và điều khiển mờ - Đưa... mô phỏng và th c nghiệm Với kết quả này cho thấy tính đúng đắn c a thuật toán điều khiển trên phương diện mô phỏng và th c nghiệm - Đề xuất thiết kế đư c bộ điều khiển mới đó là: Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID theo mô hình mẫu kiểu truyền thẳng Với kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng điều khiển tốt hơn so với bộ điều khiển PID (kể c tham số c a đối tượng bị thay đổi trong một... ung muc nuoc bao hoi 100 90 Ldat LPID LMochinh dinh 80 70 L(%) 60 50 40 30 20 10 0 0 50 100 150 200 t(s) 250 300 350 400 Hình 4.19 Đáp ứng áp suât bao hơi khi m c nư c đặt thay đổi từ 70% lên 90% 4.3.3 Nhận xét Từ c c kết quả mô phỏng trên c c hình 4.18 và hình 4.19 đã khẳng định bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID đã c i thiện đư c một số chỉ tiêu chất lượng so với bộ điều khiển PID . H C THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI H C KỸ THUẬT C NG NGHIỆP LƯU VĂN SỞ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH M C NƯ C TRONG HỆ THỐNG M C NƯ C BAO HƠI, ĐỀ XUẤT C I THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG. sát chất lượng điều khiển m c nư c c p bình bao hơi sử dụng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và th c nghiệm Chương 4. Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển và ổn định m c nư c trong hệ thống. hiện vi c mô phỏng và th c nghiệm để kiểm chứng bộ điều khiển đư c thiết kế. - Đề xuất phương án c i thiện chất lượng điều khiển m c c a hệ thống m c nư c bao hơi bằng bộ điều khiển mờ. 3.Nội