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 lai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  PHẠM XUÂN SƠN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƢỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƢỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN XUÂN MINH Thái Nguyên, 2015 i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, Em đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, các khoa, các phòng ban chức năng, các Thầy, Cô giáo và các bạn học viên. Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa sau đại học, các giảng viên đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập ở trƣờng. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy giáo Ts. Trần Xuân Minh. Trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong khoa Điện, bộ môn Điều khiển tự động hóa, trung tâm thí nghiệm của trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã rất cố gắng, song do thời gian, thiết bị, trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế. Thái nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Xuân Sơn ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Xuân Sơn. Sinh ngày: 16 tháng 09 năm 1970. Nơi sinh: Tiên Tiến - Tiên Lãng - Hải Phòng. Học viên lớp Cao học khóa K15 - chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trƣờng Trung học Kinh tế - Kỹ thuật Tuyên Quang. Địa chỉ: Trung Môn- Yên Sơn - Tuyên Quang. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc. Thái nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Xuân Sơn iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HỌA. vii MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 1 3. Nội dung của luận văn 2 Chƣơng 1 3 TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC BAO HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 3 1.1. Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện 3 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 5 1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện tuabin hơi 6 1. 2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện 7 1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi 7 1.2.2. Các loại lò hơi 8 1.2.3.Cấu tạo của lò hơi 9 1.2.4. Nguyên lý làm việc của lò hơi. 10 1.2.5. Các hệ thống điều khiển lò hơi. 11 1.2.5.1. Lò hơi là một đối tượng điều khiển 12 1.2.5.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi 12 1.2.5.3. Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt 14 1.2.5.4. Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy 15 1.2.5.5. Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi 16 1.2.5.6. Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi 16 1.3. Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh mức nƣớc bao hơi trong nhà máy nhiệt điện 18 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.3.1. Đặt vấn đề 18 1.3.2. Mục tiêu của nghiên cứu 18 1.3.3. Dự kiến các kết quả đạt được 19 1.4. Kết luận chƣơng 1 19 Chƣơng 2 20 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN. 20 2.1. Mô hình đối tƣợng điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi. 20 2.1.1. Đặt bài toán 20 2.1.2. Mô tả toán học cho đối tượng trong hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi mô hình nhà máy nhiệt điện 22 2.1.2.1. Cấu trúc mô hình nhà máy nhiệt điện 22 2.1.2.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao hơi 23 2.1.2.3. Xây dựng hàm truyền các đối tượng của hệ thống 23 2.1.3. Hàm truyền của hệ thống 38 2.1.4. Kết luận: 39 2.2. Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định mức nước cấp bình bao hơi mô hình nhà máy nhiệt điện. 39 2.2.1. Tổng quan bộ điều khiển PID 39 2.2.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 40 2.2.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số 43 3.1.2.3. Phương pháp tối ưu đối xứng 45 2.2.2. Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 46 2.2.3. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab Simulink . 47 2.2.3.1. Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink 47 2.2.3.2. Các kết quả mô phỏng 48 2.2.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 49 2.2.4.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm: 49 2.2.4.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm: 51 2.2.4.3. Các kết quả thực nghiệm 55 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.2.4.4. So sánh với kết quả mô phỏng 56 2.2.5. Kết luận chương 2 56 Chƣơng 3 57 ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 57 3.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 57 3.1.1. Hệ Logic mờ 57 3.1.1.1 Khái niệm về tập mờ 57 3.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 58 3.1.2. Bộ điều khiển mờ [6] 66 3.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động 66 3.1.2.2 Điều khiển mờ lai 67 3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai 71 3.2.1. Đặt vấn đề 71 3.2.2. Mờ hoá 71 3.3. Mô phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế 72 3.4. Kết quả mô phỏng hệ thống 73 3.4.1. Sơ đồ mô phỏng 73 3.4.2. Kết quả mô phỏng 74 3.4.3. Đánh giá kết quả 76 3.5. Kết luận chương3 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77 1. Kết luận: 77 2. Kiến nghị: 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 CO Tín hiệu điều khiển 2 MV Biến điều khiển 3 CV Biến đƣợc điều khiển 4 PM Tín hiệu đo 5 SP Giá trị đặt 6 G H Hàm truyền đạt 7 K Hệ số khuếch đại đầu ra 8 k I , Các hệ số khuếch đại đầu vào 9 SISO Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra 10 MIMO Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. 11 SIMO Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra. 12 MISO Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra. 13 QTCN Mức nƣớc cấp bình bao hơi 14 FC fail-closed - 15 AO air-to-open - 16 FO fail-open - 17 AC air-to-close - 18 PID Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân 19 FLC Điều khiển logic mờ 20 FMRAFC Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HỌA. Số hiệu Nội dung Trang Bảng 1.1 Quá trình sinh hơi 8 Bảng 2.1 Danh mục các thiết bị mô hình thực nghiệm 52 Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa năng lƣợng 5 Hình 1.2 Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy 7 Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của lò hơi có bao hơi 9 Hình 1.4 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi 13 Hình 2.1 Đối tƣợng điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi 23 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quá trình một mạch vòng 24 Hình 2.3 24 Hình 2.4 Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp 25 Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành 28 Hình 2.6 29 Hình 2.7 30 Hình 2.8 Bao hơi nhà máy nhiệt điện 32 Hình 2.9 Hệ thống lọc khí, hâm nƣớc và bơm nƣớc 33 Hình 2.10 Cơ cấu đo và hiển thị mức nƣớc dùng ống kính 32 Hình 2.11 Đặc tính động của mức nƣớc bao hơi theo lƣợng nƣớc cấp 37 Hình 2.12 Đặc tính động của mức nƣớc bao hơi khi thay đổi lƣợng nƣớc cấp 37 Hình 2.13 Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao hơi một tín hiệu 39 Hình 2.14 Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống 39 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.15 Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) 40 Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 41 Hình 2.17 Đồ thị quá độ 42 Hình 2.18 Sơ đồ hệ thống điều khiển 44 Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện 47 Hình 2.20 Cấu trúc mô phỏng điều khiển mức nƣớc cấp bao hơi 48 Hình 2.21 Đáp ứng của hệ thống với mức nƣớc 80% 49 Hình 2.22 Đáp ứng của hệ thống với mức nƣớc nhảy cấp từ 80% xuống 60% 49 Hình 2.23 Cấu trúc mô hình nhà máy nhiệt điện 50 Hình 2.24 Bình cấp nƣớc trong thí nghiệm điều khiển mức nƣớc bao hơi 50 Hình 2.25 Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp bao hơi 51 Hình 2.26 Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp bao hơi 51 Hình 2.27 Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp bao hơi 80% 56 Hình 2.28 Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp bao hơi nhảy cấp từ 80% xuống 60% 56 Hình 3.1 Hàm thuộc biến ngôn ngữ 59 Hình 3.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 59 Hình 3.3 Luật hợp thành 60 Hình 3.4 Mờ hoá 62 Hình 3.5 a Thực hiện phép suy diễn mờ 62 Hình 3.5 b Thực hiện phép hợp mờ 64 ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.6 Những nguyên lý giải mờ 65 Hình 3.7 Cấu trúc một hệ logic mờ 66 Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 67 Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 68 Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 68 Hình 3.11 Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 69 Hình 3.12 Hệ mờ với bộ học mờ cho tín hiệu chủ đạo x 69 Hình 3.13 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 70 Hình 3.14 Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ 71 Hình 3.15 Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào 72 Hình 3.16 Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra 72 Hình 3.17 Các luật điều khiển mờ 73 Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng theo phƣơng pháp mờ lai 74 Hình 3.19 Sơ đồ mô phỏng phƣơng pháp mờ lai và phƣơng pháp PID 74 Hình 3.20 Đáp ứng mức nƣớc với bộ điều khiển mờ lai có nhảy cấp từ 80% xuống 60% 75 Hình 3.21 Đáp ứng mức nƣớc với bộ điều khiển mờ lai và PID có nhảy cấp từ 80% xuống 60% 75 Hình 3.22 Đáp ứng mức nƣớc với bộ điều khiển mờ lai và PID khi tham số của đối tƣợng thay đổi 75 [...]... đến một phần của hệ thống điều khiển mức Xuất phát từ thực tiễn đó tác giả đã chọn đề tài Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớc bao hơi, đề xuất cải thiện chất lƣợng bằng bộ điều khiển mờ lai 2 Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về tổng quan nhà máy nhiệt điện - Xây dựng mô hình thuật toán cho hệ thống điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi mô hình... của đề tài, nội dung luận văn bao gồm các chƣơng sau: + Chƣơng 1: Tổng quan về lò hơi và hệ thống điều khiển mức nƣớc bao hơi của nhà máy nhiệt điện + Chƣơng 2: Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc cấp bình bao hơi mô hình nhà máy nhiệt điện + Chƣơng 3: Đề xuất cải thiện chất lƣợng hệ thống điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi mô hình nhà máy nhiệt điện bằng bộ điều khiển mờ lai. .. thiết kế bộ điều khiển mờ lai nhằm nâng cao chất lƣợng cho hệ thống ổn định mức nƣớc cấp bao hơi là cấp thiết 1.3.3 Dự kiến các kết quả đạt được - Xây dựng mô hình toán học của hệ thống - Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc cấp bao hơi của mô hình nhà máy nhiệt điện ở Trung tâm thí nghiệm -Trƣờng đại học KTCN Thái Nguyên Mô phỏng và thực nghiệm - Thiết kế bộ điều khiển mờ lai. .. nhà máy nhiệt điện - Thiết kế bộ điều chỉnh PID ứng dụng vào điều khiển mức nƣớc của hệ thống mức nƣớc bao hơi trên mô hình lò hơi tại trung tâm thí nghiệm 2 trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên Thực hiện việc mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng bộ điều khiển đƣợc thiết kế - Đề xuất phƣơng án cải thiện chất lƣợng điều khiển mức của hệ thống mức nƣớc bao hơi bằng bộ điều khiển mờ lai 3 Nội dung của... than bột, bộ điều chỉnh nhiên liệu sẽ tác động lên máy cung cấp than bột để điều chỉnh lƣợng bột than phun vào 1.2.5.6 Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi Hệ thống điều chỉnh mức nƣớc bao hơi là một trong những khâu quan trọng của hệ thống điều chỉnh lò hơi Nhiệm vụ của hệ thống là đảm bảo tƣơng quan giữa lƣợng nƣớc cấp vào lò hơi và lƣợng hơi sinh ra Khi tƣơng quan này bị phá vỡ thì mức nƣớc trong bao. .. chỉnh mức nƣớc bao hơi kịp thời và luôn ổn định ở một giá trị cho phép Song vì lò hơi có nhiều thông số cần theo dõi và điều chỉnh nên ngƣời vận hành không thể điều chỉnh kịp thời và liên tục để giữ ổn định mức nƣớc trong bao hơi Tự động điều chỉnh mức nƣớc bao hơi là một trong những khâu trọng yếu của các hệ thống điều chỉnh tự động lò hơi Nhiệm vụ của bộ điều chỉnh là ổn định mức nƣớc bao hơi thông... lai cho hệ thống để cải thiện chất lƣợng điều khiển, mô phỏng để kiểm chứng 1.4 Kết luận chƣơng 1 Xuất phát từ việc tìm hiểu tổng quát đặc điểm của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện, luận văn lựa chọn đi sâu nghiên cứu một đối tƣợng là điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi, nghiên cứu cải thiện chất lƣợng điều khiển hệ thống ổn định mức nƣớc cấp bình bao hơi nhằm góp phần nâng cao chất lƣợng của hệ thống; ... gian điều chỉnh kéo dài làm giảm tuổi thọ của thiết bị Từ những nhƣợc điểm trên mà học viên muốn nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển mức nƣớc cấp bình bao hơi 1.3 Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh mức nƣớc bao hơi trong nhà máy nhiệt điện 1.3.1 Đặt vấn đề Trong quá trình vận hành lò hơi, mức nƣớc bao hơi luôn thay đổi và dao động lớn đòi hỏi ngƣời công nhân vận hành phải điều chỉnh mức. .. nghệ và điều kiện vận hành hệ thống - Thiết kế sách lƣợc 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 các kết quả thiết kế - Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo, vận hành Xác định rõ mục đích sử dụng của mô hình là một việc hết sức cần thiết, bởi mục đích sử dụng quyết định tới việc lựa chọn phƣơng pháp mô hình hoá cũng nhƣ mức. .. ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải đƣợc cấu thành từ một số bộ điều chỉnh tƣơng đối độc lập với nhau gồm: - Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt: Đảm bảo chất lƣợng hơi khi phun vào tuabin đạt các thông số nhƣ: Độ khô, nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng hơi… - Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy: Điều khiển quạt gió cấp không khí vào lò và khói thoát, tạo điều kiện cháy tối ƣu trong buồng đốt - Hệ thống . THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƢỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƢỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển. của hệ thống điều khiển mức Xuất phát từ thực tiễn đó tác giả đã chọn đề tài Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớc bao hơi, đề xuất cải thiện chất. việc mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng bộ điều khiển đƣợc thiết kế. - Đề xuất phƣơng án cải thiện chất lƣợng điều khiển mức của hệ thống mức nƣớc bao hơi bằng bộ điều khiển mờ lai. 3. Nội