Tóm tắt luận văn LÒ HƠI VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT CỦA HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NÓI CHUNG

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT CỦA HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NÓI CHUNG 1.1.. Các mạch vòng điều khiển đảm bảo ch

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT CỦA HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI

TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NÓI CHUNG 1.1 Tổng quan về nhà máy nhiệt điện

Nhà máy nhiệt điện chiếm một thị phần quan trọng trong ngành sản xuấtđiện năng của đất nước Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyểnhóa nhiệt năng thành cơ năng rồi sau đó thành điện năng

Ở đây nhiệt năng được tạo thành từ việc đốt cháy các nhiên liệu: than đá,khí thiên nhiên, dầu mỏ tại buồng đốt làm nước trong lò hơi nóng lên chuyển hóathành hơi nước Hơi nước (với các điều kiện về áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) đượcđưa tới tuabin sinh công Điện năng thu được ở đầu ra của máy phát sẽ được đưaqua hệ thống các trạm biến áp để nâng lên cấp điện áp thích hợp trước khi hòa vàolưới điện quốc gia

1.1.1 Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện

Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng

1.1.2 Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

Hình1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy

1.2 Lò hơi nhà máy nhiệt điện

1.2.1 Nhiệm vụ của lò hơi

1.2.2 Cấu tạo của lò hơi

Hình 1.3: Nguyên lí cấu tạo của lò hơi

Hình1.4: Một số bộ phận chính của lò hơi đốt than phun

1.2.3 Hệ thống điều khiển lò hơi

1.2.3.1 Lò hơi là một đối tượng điều khiển

1.2.3.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi

* Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng

* Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng

Lò hơi

Điều khiển nước cấp

Nhiên liệu Yêu cầu Nhiên

Liệu Gió

Điều khiển nhiệt độ lò hơi

+

Hình 1.5: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi

1.3 Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi trong nhà máy nhiệt điện

1.3.1 Đặt vấn đề

1.3.2 Hệ điều khiển bao hơi

1.3.3 Mục tiêu của nghiên cứu

Vấn đề quan trọng của các hệ thống điều khiển quá trình là bộ điều khiển.Với các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển quá trình có chất lượng thấp nhưkhông thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn.

Trên cơ sở các tín hiệu vào là lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi và mứcnước bao hơi, bộ điều chỉnh mức nước sẽ làm thay đổi độ mở van cấp nước mộtcách tương ứng để duy trì ổn định áp suất trong bao hơi Áp suất hơi cũng là mộtthông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị yêu cầu của tải thì áp suất hơi đượcđiều chỉnh ở một giá trị ổn định Do đó, yêu cầu đối với bộ điều chỉnh áp suất baohơi là phải có độ tác động nhanh phù hợp Khi áp suất trong bao hơi thay đổi thìmức nước bao hơi thay đổi theo quan hệ nghịch Nếu áp suất tăng thì mức nướcbao hơi giảm và nếu áp suất giảm thì mức nước bao hơi sẽ tăng

Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống điềukhiển quá trình, cụ thể là điều khiển áp suất bao hơi của nhà máy nhiệt điện, đảmbảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa họckhông ngừng phát triển nghiên cứu Vì vậy nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thíchnghi nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định áp suất bao hơi là cấp thiết.Mục tiêu của luận văn là:

- Mô tả toán học cho hệ thống điều khiển áp suất bao hơi

- Thiết kế Bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ thống mứcnước bao hơi

1.3.4 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 thích nghi ổn định áp suất của hệthống mức nước bao hơi

- thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất của hệ thống mứcnước bao hơi nói chung

- Cấu trúc mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink

- Tiến hành thực nghiệm lấy kết quả so sánh với lý thuyết

Chương 2

MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT

TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

2.1 Đặt vấn đề

- Mô hình vật lý là một phương tiện hữu ích phục vụ đào tạo cơ bản và

nghiên cứu ứng dụng, nhưng ít phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triểncủa người kỹ sư điều khiển quá trình

- Mô hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao,

nhằm mô tả một cách logic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của

hệ thống Việc xây dựng mô hình trừu tượng của một hệ thống được gọi là môhình hoá Mô hình hoá là một quá trình trừu tượng hoá trong đó thế giới thực được

mô tả bằng một ngôn ngữ mô hình hoá và bỏ qua các chi tiết không thiết yếu.Trong kỹ thuật điều khiển, ta quan tâm trước hết tới bốn dạng mô hình trừu tượngsau:

* Mô hình đồ hoạ: Với các ngôn ngữ mô hình hoá đồ họa như lưu đồ công

nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ logic, Mô hình đồ hoạ phùhợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữacác thành phần

* Mô hình toán học: Với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân

(khả năng biểu diễn mạnh, với mô hình bậc cao thì khó sử dụng cho phân tích thiết

kế hệ thống), phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái (ápdụng thống nhất cho phân tích, thiết kế hệ đơn biến và đa biến, khó tiến hành nhậndạng trực tiếp, nhạy cảm với sai lệch thông số, ít dùng cho điều khiển quá trình)

Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính củatừng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác

* Mô hình suy luận: Là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính về hệ

thống thực dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao

* Mô hình máy tính: Là các chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của

hệ thống theo những khía cạnh quan tâm Mô hình máy tính được xây dựng vớicác ngôn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suyluận

Hình 2.1: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình

Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình

2.2 Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển ổn định áp suất trong hệ thống mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện

2.2.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống áp suất bình bao hơi

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa nhưhình 2.1:

2.2.2 Xây dựng hàm truyền các thành phần của hệ thống

2.2.2.1 Thiết bị đo

a Cấu trúc cơ bản:

2.2.2.2 Thiết bị chấp hành

a Cấu trúc cơ bản: Một van điều khiển bao gồm thân van được ghép nối với một

cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan Trên hình 2.5 là hình ảnh mặtcắt của một van khí nén với cơ chế truyền động màng rung - lò xo

Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành

Hình 2.5: Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén

vào

2.2.2.3 Bình bao h i ơi

2.3 Hàm truyền của hệ thống

Hình 2.8:Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống

Hình 2.6: Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tác động của van điều khiển

50 0.02s 1 

PID

0.05 (18s 1)( 50s 1)

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT

TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI BẰNG MÔ PHỎNG

VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Giới thiệu chung

Trong chương 2, đã tiến hành xây dựng được mô hình toán học cho đốitượng Trong chương này, ta đi thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển ápsuất bao hơi bằng bộ điều khiển PID kinh điển

3.2 Tổng quan bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển được gọi là PID do được viết tắt từ 3 thành phần cơ bản trong

bộ điều khiển : khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D)

với u(t) = uP + uI + uD

Khi sử dụng bộ điều khiển PID nó đảm bảo tính bổ xung hoàn hảo của 3trạng thái, 3 tính cách khác nhau:

- Phục tùng và làm việc chính xác (P)

- Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I)

- Có khả năng phản ứng nhanh nhạy và sáng tạo (D)

Bộ điều khiển PID được ứng dụng rất rộng rãi đối với các đối tượng SISOtheo nguyên lý phản hồi (feedback) như hình vẽ:

Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID)

u(t) e(t)

-

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

3.2.1.1 Phương pháp Ziegler – Nichols

3.2.1.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick

3.2.1.3 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn

3.2.2 Thiết kế điều khiển ở miền tần số

3.2.2.1 Nguyên tắc thiết kế

Một hệ thống điều khiển được mô tả:

3.2.2.2 Phương pháp tối ưu modul

3.2.2.3 Phương pháp tối ưu đối xứng

3.3 Thiết kế điều khiển áp suất bao hơi

Từ trên ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển như hình vẽ:

50 0.02s 1

PID

0.05 (18s1)(50s1)  

0.05

(-)

Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bao hơi

nhà máy nhiệt điện

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID

3 T

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0

3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink 3.4.1 Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink

3.4.2 Các kết quả mô phỏng

- Trường hợp mô phỏng với áp suất 1,5 at

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

0 100 200 300 400 500 600 700 800 0

Hình 3.9: Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bình bao hơi

- Trường hợp mô phỏng với mức nước thay đỏi từ 1,5 at lên 2 at

3.5 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm

3.5.1 Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm

Hình 3.7: Đáp ứng của hệ thống áp suất với lượng đặt P dat = 1,5at

Hình 3.8: Đáp ứng của hệ thống áp suất với lượng đặt nhảy bậc

từ P dat = 1,5at lên 2at

Hình 3.9: Bình bao hơi

Hình 3.10: Bao hơi

3.5.2 Giới thiệu về mô hình thực nghiệm

Hệ thống gồm các thiết bị sau:

Hình 3.11: Giao diện trong thí nghiệm điều khiển áp suất bình bao hơi

Hình 3.12: Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển áp suất bình bao hơi

xứ

Số lượng

1

Máy tính của hãng HPKiểu CPU: Intel Pentium IV 3.0 GHZ/

Bus 800MHz/Ram 1 GB/ HDD 80

GB/ CD-RW 48X/

Lan 10/100M /Nguồn cấp220VAC/50HZMonitor: LCD 19”

2

Bộ điều khiển cho DCS, model

PM851 bao gồm các phụ kiện đi kèm

Thụy

SB821 Battery UnitExternal DIN-rail mounted battery

unit for long backup times including

battery and connection cable

TK821V020Width=85mmAmount of Lithium=5,6g (0,18oz) use

one SB821 for CPU

Powwer Supply Device input

115/230V a.c swtich selectable,

The basic systern software loaded in

CI801 dose not support the following

I/O modules DI830, DI831, DI885,

DI880 and DO880

ABB(CI830)

Thụy

8

AI810 Analog input 1x8 ch

0(4) 20mA, 0 10V, 12Bit, single

ended 0,1%, Rated isol 50V

Use Module Termination Unit TU810,

TU812, TU814, TU830, TU835,

TU838

AO810 Analog output 1x8 ch, 0(4)

200mA, 14bit, RLmax 500/950 Ohms,

Rated isol 50VUse Module Termination Unit TU810,

TU812, TU814, TU830

10

DI810 Digital input 24V d.c 2x8ch

Rated insolation 50V use module

Termination Unit TU810, TU812,

TU814, TU830

11

DO820 Digital Output, Relay Normal

open 8x1 ch, 24-230 V a.c 3A, cos

phi>0.4, d.c 42W, Rated isol 250V

Use Module Termination Unit TU811,

TU831, TU836, TU837

12

TU830V1 Extended Module

Termination Unit, MTU, 50V 2x16

signal terminals, rated isol 50V

13

TU837V1 Extended Module

Termination Unit, MTU, 250V 8x1

fused isol signals, 8x1 L terminals,

2x6 N terminals, rated isol 250V

14

Inverter, single phase for phum, ghép

nối với bộ điều khiển sử dụng giao

thức Profibus

15

Các phụ kiện cần thiết phục vụ cho lắp

đặt bao gồm cầu đấu, các cáp điện,

20 Thiết bị đo lưu lượng kiểu từ tính Endress &

21

01 bộ gia nhiệt nước cấp sử dụng hơi

01 bộ gia nhiệt sinh hơi dung điện

22 Van điều khiển tuyến tính phục vụ cho

việc điều khiển áp lực và nhiệt độ

Trung

3.5.4 So sánh với kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng về điều khiển áp suất như trên hình 3.7, hình 3.8 và kếtquả thực nghiệm như trên hình 3.13, hình 3.14 cho thấy kết quả tương tự về chấtlượng điều khiển Ngoài ra với kết quả mô phỏng khi thay đổi các thông số của bộđiều khiển không hợp lý thì chất lượng của hệ thống không đảm bảo (hình 3.13).Như vậy, thông qua thực nghiệm trên mô hình điều khiển áp suất của trường đạihọc Kỹ thuật Công 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 ứng dụng vào thực tế

Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT

TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI 4.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

4.1.1 Tổng quan về điều khiển thích nghi

Điều chỉnh hệ

số khuếch đại

Tín hiệu điều khiển

Đầu ra

Hệ thống điều chỉnh

Cơ cấu thích nghi

So sánh

Đo lường theo Tiêu chuẩn IP

Tín hiệu ra Tín hiệu vào

Tiêu chuẩn đặt trước IP *

Hình 4.1: Cấu trúc cơ bản của hệ thống thích nghi

4.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết tối ưu cục bộ (phương pháp Gradient)

Xét hệ thống điều khiển thích nghi như hình vẽ:

Mô hình mẫu

Cơ cấu thích nghi

Các thông số của quá trình

y

 (+) (-)

Hình 4.5: Cấu trúc mô hình mẫu song song

Kết quả mô phỏng kiểm chứng ví dụ:

Hình 4.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu bậc nhất

Gm(s) G(s)

s

b

m

a s

b



uc

ymy

e u

+

+

4.1.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết Lyapunov

Kết quả mô phỏng cho ví dụ ở trên:

+

+

4.2 Sơ đồ và kết quả mô phỏng với phương pháp điều khiển thích nghi

4.2.1 Sơ đồ mô phỏng

Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng điều khiển của bộ điều khiển thích nghivới bộ điều khiển PID

Hình 4.11: Sơ đồ mô phỏng theo phương pháp thích nghi Gradient

Hình 4.12: Sơ đồ mô phỏng so sánh phương pháp thích nghi và PID

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 -0.2

0 0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 -0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

4.2.2 Kết quả mô phỏng

Hình 4.13: Đáp ứng áp suất bình bao hơi theo phương pháp đk thích nghi

Hình 4.14: Đáp ứng áp suất bình bao hơi theo phương pháp đk thích

nghi và PID