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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG 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 LƯỢ

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:

Trường Đại học kĩ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Xuân Minh

Phản biện 1: PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Phản biện 2: TS Đỗ Trung Hải

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp, Đại học Thái Nguyên Vào hồi 14 giờ 30 ngày 17 tháng 01 năm 2015

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên và Thư viện: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp

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 nhiệtđiện từ đó xây dựng mô hình toán cho hệ thống điều khiển mức nướccấp bình bao hơi

- Thiết kế được bộ điều chỉnh PID ứng dụng vào điều khiểnmức nước của hệ thống mức nước bao hơi của mô hình lò hơi tạitrung tâm thí nghiệm trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên.Thực hiện việc mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng bộ điềukhiển được thiết kế

- Đề xuất phương án cải thiện chất lượng điều khiển mứccủa 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 củanhà máy nhiệt điện

Chương 2 Mô tả toán học của đối tượng điều khiển mứcnước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện

Chương 3 Khảo sát chất lượng điều khiển mức nước cấpbình bao hơi sử dụng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và thựcnghiệm

Chương 4 Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển và ổnđịnh 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

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 môichất 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

- Hệ thống sản xuất và cấp nước nóng cho quá trình sinh hơi

- Hệ thống đo lường điều khiển

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 phảiđược cấu thành từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhaugồm:

- 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 cấptrong bình bao hơi của nhà máy nhiệt điện, đảm bảo khả năng hoạtđộng tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học không

ngừng phát triển nghiên cứu Vì vậy đề tài tập trung vào việc nghiêncứu thiết kế bộ điều khiển PID và triển khai thí nghiệm sau đó đềxuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PIDnhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định mức nước cấp baohơi 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 nhiệtđiện

- Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu là mức nước bao hơi

- Đề xuất phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham sốPID để điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi của nhà máy nhiệtđiện trên cơ sở mô hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghiệmcủa trường Đại học kỹ thuật công nghiệp (Mô hình này giống nhưnhà máy nhiệt điện)

Trên cơ sở tổng quan về nhà máy nhiệt điện (mô hình nhàmáy nhiệt điện tại Trung tâm thí nghiệm), trong chương 2 sẽ đi sâunghiên cứu xây dựng mô tả toán học cho hệ điều khiển mức nướcbao hơi của mô hình nhà máy nhiệt điện

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

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

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 nóichung được minh họa như hình 2.2:

Hình 2.5: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành

Cấu trỳc cơ bản

Cơ cấu chấp hành van cú nhiệm vụ cung cấp năng lượng vàtạo ra chuyển động cho chốt van thụng qua cầu van hoặc trục van

Nếu van được định cỡ tốt thỡ quan hệ giữa lưu lượng ra và độ

mở van cú thể được coi là tuyến tớnh, ớt ra cũng trong phạm vi quantõm Trong thực tế hàm truyền của van thường được coi là khõu quỏntớnh bậc nhất cú trễ, lấy gần đỳng thỡ xem là khõu quỏn tớnh bậc nhất:

T s

Trong đú: 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 tớn hiệu vào thay đổi từ 0,32  1KG/cm2 thỡ độ mở củavan thay đổi từ 0  85%, khi đú hệ số khuếch đại được xỏc định nhưsau:

%độ ở 80

125

V

m K

KG cm

Ta có khi độ mở của van thay đổi từ 5  80% thì lưu lượngnước 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:

m

Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tínhiệu vào là áp suất khí nén và tín hiệu ra là lưu lượng nước cấp thôngqua cơ cấu van:

1+ 0.0 s KG cm

Việc xác định hệ số khuếch đại Kv và hằng số thời gian v

của van có thể tiến hành từ thực nghiệm Hằng số thời gian v của

van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp hành Thông thường, v cógiá trị khoảng một vài giây, đối với van cỡ lớn có thể tới 3 ÷ 15 giây

Hệ số khuếch đại Kv cũng có thể được tính toán như sau:

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

( )

s dt

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 hoặcthực nghiệm của hệ điều khiển lưu lượng nước bình bao hơi với tácđộng điều chỉnh là van đóng mở hơi nước để xác định tham số củađối tượng Vậy ta tính chọn được thông số của hàm truyền đối tượngnhư sau:

K e s

Ta có sơ đồ khối như sau:

Hình 2.13: Sơ đồ điều chỉnh mức nước bao hơi một tín hiệu

Nhiễu

Dựa vào số liệu thực tế, chọn được thông số của hàm truyềncủa hệ hở như sau:

của thiết bị thí nghiệm ta đã xác định được thông số của đối tượng đó

là hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của quá trình và cơ cấu chấp

Hình 2.9:Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống

hành Đây là, sự chuẩn bị cần thiết cho thiết kế cấu trúc điều khiểncho đối tượng ở các chương sau.

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN

VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI

Trong chương 2, đã tiến hành xây dựng được mô hình toánhọc cho đối tượng Trong chương này, ta đi thiết kế bộ điều khiểncho hệ thống điều khiển áp suất bao hơi bằng bộ điều khiển PID kinhđiển

3.1 Tổng quan bộ điều khiển PID

3.1.1 Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)

3.1.1.1 Phương pháp Ziegler – Nichols

3.1.1.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick

3.1.1.3 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn

3.1.2 Thiết kế điều khiển ở miền tần số

3.1.2.1 Nguyên tắc thiết kế

Một hệ thống điều khiển được mô tả:

Bài toán đặt ra điều khiển sao cho tín hiệu ra phải bám được tín hiệu vào u(t) Nếu một cách lý tưởng thì hàm truyền hệ kín:

3.1.2.2 Phương pháp tối ưu modul

3.1.2.3 Phương pháp tối ưu đối xứng

3.2 Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi

Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước cấp

bình bao hơi nhà máy nhiệt điện

Đây là đối tượng tích phân – quán tính bậc hai

k S(s) s )

s(s) 1 T s )(s) 1 T s )

16 * 0.016 S(s) s )

0.016 0.005s 1 

Ta sử dụng bộ điều khiển PID:

k (s) 1 T s )(s) 1 T s ) 1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0

Hình 3.6: Cấu trúc mô phỏng ĐK mức nước cấp bao hơi

3.3.2 Các kết quả mô phỏng

- Trường hợp mô phỏng với mức nước 70%

- Trường hợp mô phỏng với mức nước thay đổi từ 70% lên 90%

Hình 3.7 Đáp ứng của hệ thống với mức nước 70%

Hình 3.9: Cấu trúc thí nghiệm đk mức nước bao hơi

3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm

3.4.1 Mô hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm

Hình 3.8: Đáp ứng của hệ thống với mức nước nhảy cấp từ 70% lên 90%

Hình 3.10: Bình cấp nước trong thí nghiệm đk mức nước bao hơi

Hình 3.12: Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước bao

hơi Hình 3.11: Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi

3.4.2 Giới thiệu về mô hình thực nghiệm

3.4.3 Các kết quả thực nghiệm

- Trường hợp mức nước 80%

- Trường hợp mức nước thay đổi từ 80% xuống 60%

Hình 3.13: Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi 80%

Hình 3.14: Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi nhảy cấp từ

80% xuống 60%

3.4.4 So sánh với kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng về điều khiển mức như trên hình 3.7, hình3.8 và kết quả thực nghiệm như trên hình 3.13, hình 3.14 cho thấykết quả tương tự về chất lượng điều khiển Như vậy, thông qua thựcnghiệm trên mô hình điều khiển mức của trường đại học Kỹ thuậtCông nghiệp đã chứng tỏ mối liên hệ giữa thực tiễn và lý thuyết Qua

đó, nâng cao được nội dung và kết quả cho luận văn về tính ứngdụng vào thực tế

3.5 Kết luận chương 3

Trong chương ba của luận văn đã thực hiện được các nộidung rất quan trọng đó là: Thiết kế điều khiển mức cấp bình bao hơi,đánh giá kết quả tính toán bằng lý thuyết thông qua mô phỏng trênMatlab – Simulink và thực nghiệm Qua các kết quả đã nêu ở trên cóthể thấy rằng: giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm thì bộ điềukhiển vẫn tiếp tục được hiệu chỉnh để phù hợp với thiết bị thực trongcông nghiệp

4.1.3 Khối luật mờ và khối hợp thành

4.1.3.1 Các bước xây dựng luật hợp thành khi có nhiều điều kiện 4.1.3.2 Thuật toán xây dựng luật hợp thành của 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

4.3 Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink

Hình 4.16: Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với bộ điều khiển PID

và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0

4.3.2 Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

+ Trường hợp mô phỏng với mức nước đặt 70%:

Hình 4.17: Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với cấu trúc bộ điều

khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

Hình 4.18 Đáp ứng mức nước bao hơi khi đặt 70%

4.4 Kết luận chương 4

Chương 4 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

Hình 4.19 Đáp ứng áp suât bao hơi khi mức nước đặt thay đổi từ 70% lên 90%

- Tổng quan được những vấn đề cơ bản về hệ logic mờ vàđiều khiển mờ.

- Đưa ra được phương pháp thiết kế bộ điều khiển chỉnhđịnh tham số bộ điều khiển PID để thiết kế bộ điều khiển cho đốitượng

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận:

Nội dung cơ bản của luận văn tập trung vào nghiên cứu ứngdụng điều khiển quá trình cho một đối tượng cụ thể là điều khiểnmức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện Nhiệm vụ cụ thể là

Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định mức nước cấp bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID.

Kết quả của luận văn đã đạt được là:

- Thiết kế được bộ điều khiển mức nước cấp bình bao hơinhà máy nhiệt điện bằng bộ điều khiển PID, tiến hành đánh giá kếtquả nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm Với kếtquả này cho thấy tính đúng đắn của thuật toán điều khiển trênphương diện mô phỏng và thực nghiệm

- Đề xuất thiết kế được bộ điều khiển mới đó là: Bộ điềukhiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID theo mô hình mẫukiểu truyền thẳng Với kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng điềukhiển tốt hơn so với bộ điều khiển PID (kể cả tham số của đối tượng

bị thay đổi trong một giới hạn cho phép)

2 Kiến nghị:

Với thời gian nghiên cứu còn ít, kiến thức và kinh nghiệm vềthực tiễn có hạn, cho nên nội dung luận văn còn một số hạn chế Tácgiả sẽ tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để có thể áp dụng tốt kết quảnghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, nhất là áp dụng các bộđiều khiển hiện đại vào các đối tượng trong thực tế sản xuất

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng, Điều khiển DCS cho nhà

máy nhiệt điện đốt than, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội

2013

[2] Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng, Điều khiển nhà máy nhiệt

điện đốt than, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2010.

[3] Lại Khắc Lãi (2003), “Một số phương pháp tổng hợp bộ điều

khiển trên cơ sở logic mờ và thích nghi”, Luận án tiến sĩ kĩ thuật,

Trường đại học Bách khoa Hà Nội

[4] Nguyễn Doãn Phước: “Phân tích và điều khiển hệ phi tuyến”.

NXB Bách Khoa, 2012

[5] Nguyễn Doãn Phước: “Lý thuyết điều khiển tuyến tính” NXB

Khoa học & Kỹ thuật, 2007

[6] Phước, N D; Minh.X.P, Lý thuyết điều khiển mờ; NXB Khoa

học & Kỹ thuật; 2006

[7] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền

động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2001

[8] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương

Văn Nghi: “Điều chỉnh tự động truyền động điện” Nhà xuất bản

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004

[9] Nguyễn Phùng Quang: “Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006.

[10] Nguyễn Mạnh Tùng, Nguyễn Như Hiển,: “Điều khiển logic và

PLC” NXB KH&KT, 20071.

[11] B.G.Liptak (chủ biên); Process Control 3rd Edition; Chilton

Book Co; 1996

[12] Li-Xin Wang (1992), “Fuzzy systems as nonlinear dynamic

system indentifiers Part 1: Stability Analysis and Simulations”,

Proceedinge of the 31 st Conference on decision and control Tucson,Arizos, December 1992 pp 3418-3422