Thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ thống mức nước bao hơi của nhà máy nhiệt điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI VĂN TÂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG MỨC NƢỚC BAO HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa THÁI NĂM 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu NGUYÊN, – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÕ 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 nhà máy nhiệt điện 1.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 1.1.2 Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện 1.2 Lò nhà máy nhiệt điện 1.2.1 Nhiệm vụ lò 1.2.2 Cấu tạo lò 1.2.3 Hệ thống điều khiển lò 1.2.3.1 Lò đối tƣợng điều khiển 1.2.3.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò 1.3 Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh áp suất bao nhà máy nhiệt điện 1.3.1 Đặt vấn đề 1.3.2 Hệ điều khiển bao 1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.3.4 Dự kiến kết đạt đƣợc 1.4 Kết luận chƣơng CHƢƠNG 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRONG HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2.1 Đặt vấn đề 2.2 Mô tả toán học cho thành phần hệ thống điều khiển ổn định áp suất hệ thống mức nƣớc bao nhà máy nhiệt điện 2.2.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống áp suất bình bao 2.2.2 Xây dựng hàm truyền thành phần hệ thống 2.2.2.1 Thiết bị đo 2.2.2.2 Thiết bị chấp hành Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i ii 9 10 11 11 11 13 13 14 15 15 17 18 19 19 20 20 22 22 22 22 25 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2.2.2.3 Bình bao 2.3 Hàm truyền hệ thống 2.4 Kết luận: CHƢƠNG 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 3.2 Tổng quan điều khiển PID 3.2.1 Thiết kế điều khiển sở hàm độ h(t) 3.2.1.1 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols 3.2.1.2 Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 3.2.1.3 Phƣơng pháp số thời gian tổng Kuhn 3.2.2 Thiết kế điều khiển miền tần số 3.2.2.1 Nguyên tắc thiết kế 3.2.2.2 Phƣơng pháp tối ƣu modul 3.2.2.3 Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng 3.3 Thiết kế điều khiển áp suất bao 3.4 Đánh giá chất lƣợng hệ thống mô Matlab – Simulink 3.4.1 Sơ đồ mô matlab – Simulink 3.4.2 Các kết mô 3.5 Đánh giá chất lƣợng hệ thống thực nghiệm 3.5.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển mức trung tâm thí nghiệm 3.5.2 Giới thiệu mô hình thực nghiệm 3.5.3 Các kết thực nghiệm 3.5.4 So sánh với kết mô 3.6 Kết luận chƣơng CHƢƠNG 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 điều khiển thích nghi 4.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi sở lý thuyết tối ƣu cục (phƣơng pháp Gradient) 4.1.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 29 31 32 33 33 33 34 34 35 36 36 36 37 38 39 40 40 41 42 42 44 47 48 48 49 49 49 51 56 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Lyapunov 4.2 Sơ đồ kết mô với phƣơng pháp điều khiển thích nghi 4.2.1 Sơ đồ mô 4.2.2 Kết mô 4.3 Kết luận KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 59 59 60 61 62 63 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa lượng Hình1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt tổ máy Hình 1.3: Nguyên lí cấu tạo lò Hình1.4: Một số phận lò đốt than phun Hình 1.5: Cấu trúc chung hệ thống điều khiển lò Hình 2.1: Sơ đồ khối vòng hệ thống điều khiển trình Hình 2.2: ấu tr c n thi t đo qu trình 10 11 12 13 15 22 23 Hình 2.3: Một số hình nh thi t b đo công nghiệp 24 Hình 2.4: Cấu tr c n thi t b chấp hành Hình 2.5: ấu tr c ti u iểu van c u kh n n Hình 2.6: iểu tượng v k hiệu cho kiểu t c động van điều khiển 26 26 28 30 32 33 34 35 36 39 Hình 2.7: ao nh m y nhiệt điện Hình 2.8:Cấu trúc mô t toán học toàn hệ thống Hình 3.1: Sơ đồ khối điều khiển n tính (PID) Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID Hình 3.3: Đồ th qu độ Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất ao nh m y nhiệt điện Hình 3.6: Cấu trúc mô điều khiển mức nước cấp ao Hình 3.7: Đ p ứng hệ thống áp suất với lượng đặt Pdat = 1,5at Hình 3.8: Đ p ứng hệ thống áp suất với lượng đặt nh y bậc từ Pdat = 1,5at lên 2at Hình 3.9: Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước cấp ình ao Hình 3.10: ao Hình 3.11: Giao diện thí nghiệm điều khiển áp suất bình bao Hình 3.12: Giao diện k t qu thí nghiệm điều khiển áp suất bình bao Hình 3.13: K t qu thí nghiệm điều khiển áp suất với KP = 100; KI = 20; KD = 0,5 Hình 3.14: K t qu thí nghiệm điều khiển áp suất với KP = 10; KI = 20; KD = 0,5 Hình 4.1: Cấu tr c n hệ thống thích nghi Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 40 41 41 42 42 43 43 47 48 49 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 4.2: Điều chỉnh hệ số khu ch đại Hình 4.3: Điều khiển theo mô hình mẫu Hình 4.4: Điều khiển tự chỉnh Hình 4.5: Cấu trúc mô hình mẫu song song Hình 4.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu bậc Hình 4.7: K t qu mô th ch nghi kinh điển pp Gradient: hình a, với K=5, T= 0.5s; hình b, với K=7, T=0.8s Hình 4.8: Minh hoạ phương ph p Lyapunov với việc kh o sát tính ổn đ nh Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ MRAS dựa lý thuy t Liapunov Hình 4.10: Đ p ứng hệ thống th ch nghi kinh điển kiểu Liapunov: hình a, với K=5, T= 0.5s; hình b, với K=7, T=0.8s Hình 4.11: Sơ đồ mô theo phương ph p th ch nghi Gradient Hình 4.12: Sơ đồ mô so s nh phương ph p th ch nghi v PID Hình 4.13: Đ p ứng áp suất ình ao theo phương ph p đk th ch nghi Hình 4.14: Đ p ứng áp suất ình ao theo phương ph p đk th ch nghi PID Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 50 51 51 51 56 56 57 58 59 59 60 60 61 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Công nghiệp lượng có vai trò quan trọng công xây dựng phát triển kinh tế quốc dân, góp phần lớn vào việc ổn định phát triển xã hội, an ninh, quốc phòng Cùng với phát triển kinh tế đất nước, nước ta xây dựng nhiều nhà máy nhiệt điện công nghệ phục vụ cho nhu cầu xây dựng, phát triển xã hội trình công nghiệp hoá, đại hoá đất nước Có nhiều nhà máy nhiệt điện xây dựng, nhà máy khai thác nhà máy nhiệt điện Phả Lại Cũng số lò công nghiệp khác cần có thay đổi điều khiển PĐ cũ (do Liên Xô cũ sản xuất) điều khiển đại Trong nhà máy nhiệt điện, lò sản xuất để làm quay tuôc- bin, phục vụ cho việc sản xuất điện thiết bị lớn vận hành phức tạp nhất, hệ thống có nhiều đầu vào nhiều đầu Hệ thống điều khiển lò hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát điều khiển hàng trăm tham số Hệ thống có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác Nhiệm vụ công tác vận hành lò đảm bảo cho lò làm việc trạng thái kinh tế nhất, an toàn thời gian lâu dài Việc tự động hóa lò chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động trình lò để đảm bảo cho lò làm việc ổn định kinh tế cách điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải – nhiên liệu, phụ tải – không khí, phụ tải – khói thải, phụ tải – mức nước bao phụ tải – xả liên tục Từ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò phải cấu thành từ số điều chỉnh tương đối độc lập với gồm: - Hệ thống điều chỉnh mức nước bao - Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ nhiệt - Hệ thống điều chỉnh trình cháy - Hệ thống điều chỉnh sản lượng - Hệ thống điều chỉnh áp suất Trong hệ thống điều chỉnh áp suất bao khâu trọng yếu hệ điều khiển lò hơi, đóng vai trò quan trọng việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển lò Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Việc đưa phương pháp điều khiển đại áp dụng cho hệ thống điều khiển trình, cụ thể điều khiển áp suất bao nhà máy nhiệt điện, đảm bảo khả hoạt động tốt chế độ làm việc đòi hỏi nhà khoa học không ngừng phát triển nghiên cứu Vì nghiên cứu thiết kế điều khiển thích nghi nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định áp suất bao cấp thiết Xuất phát từ thực tiễn đó, việc “Thiết kế điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nƣớc bao nhà máy nhiệt điện” tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao chất lượng điều khiển, từ góp phần nâng cao hiệu suất sản xuất suất thúc đẩy phát triển kinh tế Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 2.1 Ý nghĩa khoa học Kết nghiên cứu đề tài góp phần củng cố bổ sung cho sở lý thuyết điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhà máy Nhiệt điện 2.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu đề tài ứng dụng vào điều khiển ổn định áp suất mức nước hệ thống mức nước bao nhà máy Nhiệt điện Nội dung nghiên cứu - Tổng quan lò điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nói chung - Giới thiệu, phân tích công nghệ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất, hệ thống mức nước bao nhà máy Nhiệt điện - Nhận dạng đối tượng điều khiển, phần điều khiển ổn định áp suất từ mô hình lò nhà máy nhiệt điện Trung tâm Thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thiết kế điều khiển PID cho hệ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhà máy Nhiệt điện - Thiết kế điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhà máy Nhiệt điện - So sánh kết thu với phương pháp ứng dụng để rút kết luận ý kiến đề xuất - Nghiên cứu điều khiển hệ thống mô - Nghiên cứu thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan lò điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống bình bao nhà máy nhiệt điện nói chung Chương 2: Mô tả toán học cho đối tượng điều khiển ổn định áp suất hệ thống bình bao nhà máy nhiệt điện Chương 3: Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất hệ thống bình bao mô thực nghiệm Chương 4: Thiết kế điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống bình bao Kết luận kiến nghị Chƣơng GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÕ HƠI VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT CỦA HỆ THỐNG BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NÓI CHUNG Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1.1 Tổng quan nhà máy nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện chiếm thị phần quan trọng ngành sản xuất điện đất nước Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa nguyên tắc chuyển hóa nhiệt thành sau thành điện Ở nhiệt tạo thành từ việc đốt cháy nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ buồng đốt làm nước lò nóng lên chuyển hóa thành nước Hơi nước (với điều kiện áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) đưa tới tuabin sinh công Điện thu đầu máy phát đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng lên cấp điện áp thích hợp trước hòa vào lưới điện quốc gia 1.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện Nguyên lý sản xuất điện nhà máy nhiệt điện chuyển hoá nhiệt từ đốt cháy loại nhiên liệu lò “như than khí thiên nhiên,…” thành làm quay tuabin, chuyển tuabin thành lượng điện máy phát điện Nhiệt dẫn đến tuabin qua môi trường dẫn nhiệt nước Hơi nước môi trường truyền tải nhiệt nước phải đảm bảo chất lượng ( phải đủ áp suất, đủ độ khô,…) trước đưa vào tuabin để sinh công Nhiệt cung cấp nhiều lượng điện phát lớn ngược lại Điện áp phát đầu cực máy phát điện đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng lên đạt cấp điện áp phù hợp trước hoà vào mạng lưới điện quốc gia Quá trình chuyển hoá lượng từ lượng hoá chứa nhiên liệu thành nhiệt trình đốt cháy nhiên liệu Nhiệt trình đốt cháy nhiên liệu cấp cho trình tạo bão hoà mang nhiệt Hơi bão hoà môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin Tại tuabin nhiệt biến đổi thành năng, sau từ chuyển hoá thành điện Quá trình chuyển hoá lượng thể qua mô hình sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chƣơng 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 điều khiển thích nghi Lý thuyết điều khiển thích nghi đời từ năm 50 k 20 hình thành môn khoa học, từ tư trở thành thực, từ cách giải vấn đề trở thành toán tổng quát, từ vấn đề tồn khả giải đến áp dụng định hướng xuất phát từ tính bền vững chất lượng Thích nghi trình thay đổi thông số cấu trúc hay tác động điều khiển sở lượng thông tin có trình làm việc nhằm đạt trạng thái định (thường tối ưu) thiếu lượng thông tin ban đầu thay đổi chế độ làm việc hệ thống Cấu trúc hệ thống thích nghi trình bày hình 2.1 Hệ thống điều chỉnh theo yêu cầu với đại lượng vào, phải cho đại lượng mong muốn Nhưng nhiều yếu tố ảnh hưởng nhiễu, đại lượng vào lớn hay trước, để đạt theo tiêu yêu cầu, hệ thống phải tự động thích nghi bù sai số Cơ cấu thích nghi tạo tín hiệu thích nghi tín hiệu từ khâu so sánh Các tiêu chất lượng theo yêu cầu đặt trước IP*, cho vào khâu so sánh với giá trị đo lường tính toán theo thông số thực trạng hệ thống điều chỉnh (các tín hiệu đại lượng vào, đại lượng ra, nhiễu) Nhiễu bi t trước Nhiễu không bi t Tín hiệu vào Hệ thống điều chỉnh Cơ cấu thích nghi Tiêu chuẩn đặt trước IP* Tín hiệu Đo lƣờng theo Tiêu chuẩn IP So sánh Hình 4.1: Cấu tr c hệ thống thích nghi Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Mạch vòng thích nghi thông qua cấu thích nghi để điều khiển thông số hệ thống điều chỉnh, hay thay đổi đầu vào theo cấu thích hợp để tiêu chuẩn đặt trước IP* tiêu chuẩn IP (Index of Performance) có sai lệch nhỏ Cấu trúc hệ thống thích nghi gồm ba khâu bản: - Đo lường theo tiêu chuẩn IP - Khâu so sánh - Cơ cấu thích nghi Các tiêu chuẩn IP là: Các số tĩnh, số động, số thông số, hàm biến thông số tín hiệu vào Cơ cấu thích nghi là: - Thích nghi thông số - Tổng hợp tín hiệu bổ xung Chiến thuật thích nghi là: - Tiền định - Phỏng đoán (Scholastic) - Tự học Hệ thống cần điều khiển điều khiển thích nghi ổn định theo thông số đó, cho dù tín hiệu vào trước hay lớn Hệ điều khiển thích nghi có sơ đồ chính: - Điều chỉnh hệ số khuếch đại - Điều chỉnh theo mô hình mẫu - Hệ tự điều chỉnh Bộ điều chỉnh thông số Tín hiệu chủ đạo Bộ điều khiển Điều chỉnh hệ số khuếch đại Đo lường So sánh Tín hiệu điều khiển Đối tƣợng Hình 4.2: Điều chỉnh hệ số khu ch đại Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Đầu Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ra mô hình ym Mô hình mẫu (-) Mạch vòng Tín hiệu chủ đạo (+) Sai số Cơ cấu thích nghi Bộ điều khiển Tín hiệu Đối tƣợng Mạch vòng Hình 4.3: Điều khiển theo mô hình mẫu Tính toán thiết kế Các thông số trình Đánh giá thông số Tín hiệu chủ đạo Bộ điều chỉnh Tín hiệu điều khiển Đối tƣợng Tín hiệu Hình 4.4: Điều khiển tự chỉnh Các thông số điều chỉnh hiệu chỉnh nhờ mạch vòng dựa sở sai số mô hình mẫu ym trình y Vấn đề xác định cấu hiệu chỉnh cho ổn định sai số tiến 4.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi sở lý thuyết tối ƣu cục (phƣơng pháp Gradient) Xét hệ thống điều khiển thích nghi hình vẽ: Mô hình mẫu u Bộ điều chỉnh ym (+) y (-) Đối tƣợng  Cơ cấu thích nghi Hình 4.5: Cấu trúc mô hình mẫu song song Xét mô hình mẫu cho phương trình: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật  dy m d2 ym   y m  a1   b0u  a2   dt dt   (4.1) Hệ điều khiển cho phương trình: dy d2y  ˆ   a 2   b , t u  y  a1 dt dt   (4.2) đó: ym, y : Là tín hiệu đầu mô hình đối tượng u : Là tín hiệu vào bˆ , t  : Là thông số điều chỉnh, coi bˆ , t  có hai phần: Một phần b0 chuẩn phần điều chỉnh cấu thích nghi ta cần hiệu chỉnh để bˆ , t  hội tụ b0 Hàm mục tiêu việc điều chỉnh hàm cực tiểu (2.3) t k t t k t IP   L, t dt    t dt  Min tk tk (4.3) Trong đó: L, t  : Là dạng bình phương sai số  = ym – y : Sai số đầu mô hình mẫu hệ thống điều chỉnh, phụ thuộc gián tiếp sai lệch b0 - bˆ , t  Áp dụng phương pháp Gradient, ta tìm luật thích nghi bản: bˆ , t    gradIP    đó: IP bˆ (4.4) + bˆ : Chỉ rõ luật thay đổi bˆ , t  + : Hệ số thích nghi có giá trị dương Tương ứng có tốc độ thay đổi thông số điều chỉnh bˆ , t  : dbˆ   IP      dt t  bˆ  (4.5) Giả thiết trình thích nghi chậm, tức biến đổi (IP) dẫn đến từ biến đổi bˆ , t  thời điểm nhỏ Viết lại phương trình ta có: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật dbˆ L, t       . dt bˆ bˆ (4.6) Biểu thức 4.6 gọi luật MIT Để xác định cấu thích nghi, ta đạo hàm  = ym – y theo bˆ : y m  y y    bˆ bˆ bˆ bˆ (4.7) Vì ym không phụ thuộc vào thông số điều chỉnh bˆ , t  Thay (4.7) vào (4.6) ta có luật thích nghi là: d ˆ y b , t   . dt bˆ (4.8) Lấy đạo hàm riêng hai vế phương trình (4.2) theo b0 ta có: y y y    a1  a2 bˆ bˆ bˆ (4.9) Giả thiết trình thích nghi chậm, thông số bˆ biến đổi chậm, phương trình (4.9) lấy gần đúng: y   y    y     a1    a2  ˆ  t  bˆ  t  b  bˆ Viết gọn lại ta được:  d d2 1  a  a2 dt dt   y  u ˆ  b  (4.10) (4.11) So sánh phương trình (4.11) (4.10) ta rút ra: y y m  bˆ b (4.12) Thay (4.12) vào (4.8) ta có: dbˆ , t   . y m dt b0 (4.13) Do luật thích nghi là: dbˆ , t   '..y m dt (4.14) Với ‟ = /b0 ( > 0) Trường hợp tổng quát, ta có mô hình mẫu cho phương trình: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật m  n i j   a i s Y(s)    b j (s), s s   i 0   j0  (4.15) Đối tượng điều khiển biểu diễn phương trình: m  n i j   a i (s), s s Y(s)    b j (s), s s   i 0   j0  (4.16) Với tiêu chuẩn tối ưu (IP) cho phương trình (4.3), a0 = ta tìm luật thích nghi: daˆ i , t    ia  y ; i = 1,2,…n (4.17) dt aˆ i dbˆ j dt , t    ib  ˆy ; i = 1,2,…m b j (4.18) Trong đó:  ia ,  bj số dương Muốn tìm cấu thích nghi, ta xác định hàm độ nhạy: y y aˆ i bˆ j Theo (4.16) thời điểm t = t1, ta thấy: n m  (s)    aˆ i (s), s s i Y(s)    bˆ j (s), s s j  U(s) Y    i1   j1  (4.19) Giả thiết tốc độ biến thiên hệ số điều chỉnh chậm, từ (4.19) vi phân hai vế theo âi bˆ ta nhận được: j Y(s)  n  Y(s)  s i Y(s)    a i (s), s s i  aˆ i ss  i1  a i (4.20) Y(s) ˆ b j m  Y(s)  s U    b j (s), s s j   j1  b j j s s1 (4.21) Từ suy hàm truyền lọc là: Fs   1 n  a i (s), s s (4.22) i i 1 Trong trường hợp đơn giản, lấy gần hoá hàm nhạy cảm, nhận được: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Y(s) i  s Y(s) aˆ i Với i = 1, 2, 3…, n (4.23) Y(s)  s j Với j = 1, 2, 3…, m bˆ j Ví dụ: Xét đối tượng mô tả bởi: (4.24) dy  ay  bu ; Mô hình mẫu mô tả dt dy m  a m y  b m u c dt Tín hiệu điều khiển: u  K1u c  K y phương trình: Đặt: e = ym – y; y đầu hệ kín, ta có: Y(s)  bK1 U c (s) ; Với s toán tử Laplace s  a  bK Hàm độ nhạy xây dựng đạo hàm riêng sai số theo biến K1 K2 bK1 E(s)  U c (s) K1 s  a  bK b K1 E(s) b  U ( s )  Y(s) c K s  a  bK 2 s  a  bK Các công thức sử dụng phương pháp gần Ta thấy s + a + bK02 = s + am Ta nhận quy luật điều khiển tham số:  1 b K1    m U c (s) E(s) s  s  am   1 b K     m Y(s) E(s) s  s  am  Hay (4.25) dK1  .g m u c e dt dK   .g m y.e dt  (4.25) nói lên tốc độ hội tụ thuật toán thích nghi Gm(s) uc  + Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN K1 u G(s)  ym + y e - http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Kết mô kiểm chứng ví dụ: a, b, Hình 4.7: K t mô th ch nghi kinh điển pp Gradient: hình a, với K=5, T= 0.5s; hình b, với K=7, T=0.8s 4.1.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết Lyapunov Lý thuyết ổn định Lyapunov tìm nhà bác học Nga Liapunov vào cuối k 19 Tư tưởng phương pháp Liapunov xây dựng sở bảo tồn lượng hệ vật lý Hệ vật lý có lượng toàn trạng thái cân bằng 0, xung quanh trạng thái cân lượng hệ lớn có xu tiến đến Trạng thái cân gọi ổn định vùng xung quanh điểm cân hệ thống, giá trị hàm giảm dần không thay đổi Để kiểm tra tính ổn định hệ Grad V Quỹ đạo thống vị trí xe, cần phải xác định  Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN Đường đônghttp://www.lrc.tnu.edu.vn mức V(x) = k1 x Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hàm lượng V( x ), gọi hàm Lyapunov, phụ thuộc vào trạng thái hệ thống Tổng quát coi xe điểm gốc không gian trạng thái lân cận hàm V(0) xác định dương Khi véc tơ: T  V V   hướng xa điểm gốc Do véc tơ gradV gradV   , ,  x  x  n  véc tơ x ( x véc tơ tiếp tuyến quỹ đạo pha hệ) lập với góc   900 quỹ đạo pha có hướng gốc toạ độ Điều tương đương với: dV V d x V T dx  gradV    f ( x )  L f V  dt dt  x dt  x Gọi sai số đối tượng mô hình là: e = ym – y Bài toán đặt cần tìm hàm Lyapunov cấu thích nghi để sai số tiến đến Xét hệ bậc mô tả phương trình: dy  ay  bu dt Giả thiết mô hình mẫu mô tả bởi: dy m  a m y m  b m u c với am > dt Tín hiệu điều khiển: u = K1uc - K2y Với K1, K2 tham số điều chỉnh Sai số: e = ym – y Đạo hàm phương trình sai số ta có: de  a m e  a m  bK  a y  b m  bK1 u c dt Cần phải cho sai số tiến đến tham số tiến dần đến giá trị: bm a a K  K 02  m ; b b Ta tìm cách xây dựng cấu điều chỉnh thông số để điều chỉnh K1  K10  tham số K1 K2 tới giá trị mong muốn Muốn với giả thiết b > có hàm bậc sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1 1 2 Ve, K1 , K ,   e  a m  bK  a   b m  bK1   2 b b  Hàm sai số e = Và tham số điều chỉnh giá trị đặt Để hàm coi hàm Lyapunov đạo hàm dV phải âm dt dK dK  dV  de 1  e  a m  bK  a   b m  bK1   dt  dt  dt  dt   a m e   bK  a  a m  dK  ye    bK1  b m  dK1  u c e    dt    dt  Nếu tham số có dạng: dK1 dK dV  u c e ;   ye ( - tốc độ hội tụ) ta nhận được:  a m e dt dt dt Từ định lý Liapunov, cho kết sai số tiến dần đến Sơ đồ cấu trúc hệ biểu diễn hình 4.9 ym Gm(s) uc u +  y G(s) e + - - K1  s  K2    s  Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ MRAS dựa lý thuy t Liapunov Kết mô cho ví dụ trên: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4.2 Sơ đồ kết mô với phƣơng pháp điều khiển thích nghi 4.2.1 Sơ đồ mô Từ thuật toán thiết kế điều khiển thích nghi theo Gradient Liapunov trên, ta xây dựng sơ đồ mô cho đối tượng ổn định áp suất bình bao hình 4.11: Hình 4.11: Sơ đồ mô theo phương pháp thích nghi Gradient Sơ đồ mô so sánh chất lượng điều khiển điều khiển thích nghi với điều khiển PID Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 4.12: Sơ đồ mô so sánh phương pháp thích nghi PID 4.2.2 Kết mô Dap ung ap suat cua bình bao hoi 1.6 1.4 Pdat Pth.nghi 1.2 P ( at ) 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 50 100 150 200 250 t(s) 300 350 400 450 500 Hình 4.13: Đáp ứng áp suất bình bao theo phương pháp đk th ch nghi Dap ung ap suat cua bình bao hoi 1.8 1.6 1.4 Số hóa1.2bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN t) Pdat Pth.nghi http://www.lrc.tnu.edu.vn Ppid Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 4.14: Đáp ứng áp suất bình bao theo phương pháp đk th ch nghi PID 4.3 Kết luận Từ kết mô thể hình 4.13 hình 4.14 cho thấy điều khiển thích nghi cải thiện chất lượng so với điều khiển PID thể qua tiêu chất lượng độ điều chỉnh thời gian độ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Từ kết mô thực nghiệm điều khiển PID áp dụng cho hệ thống điều khiển ổn định áp suất hệ thống mức nước bao Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cho thấy điều khiển đảm bảo chất lượng giả thiết tham số hệ thống không thay đổi Trong thực tế, tham số hệ thống bị thay đổi chế độ làm việc thay đổi Khi chất lượng hệ dùng điều khiển PID bị thay đổi tham số đối tượng thay đổi mức chất lượng hệ không đảm bảo Với điều khiển thích nghi, qua kết mô cho thấy điều khiển đảm bảo chất lượng hệ tham số đối tượng điều khiển thay đổi, khắc phục tốt nhược điểm nêu điều khiển PID Như vậy, điều khiển thích nghi đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhà máy nhiệt điện Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Đề nghị tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện đặc biệt phần thực nghiệm điều khiển thích nghi để áp dụng kết nghiên cứu vào thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng, Điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2010 [2] Bùi Quốc Khánh, Phạm quang Đăng, Điều khiển DCS cho nhà máy nhiệt điện đốt than, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2013 [3] Đỗ Trung Hải (2005), Nghiên cứu lý thuy t điều khiển mờ mạng nơron ứng dụng giải quy t toán phi n hệ truyền động điện, Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp bộ, Trường Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp Thái Nguyên [4] Lại Khắc Lãi (2003), “Một số phương pháp tổng hợp điều khiển sở logic mờ thích nghi”, Luận án tiến sĩ kĩ thuật, Trường đại học Bách khoa Hà Nội [5] Hoàng Minh Sơn (2006), sở hệ thống điều khiển trình, nhà xuất Bách khoa Hà Nội, Hà Nội [6] Nguyễn Công Hiền (2006), Giáo trình Mô hình hoá hệ thống mô phỏng, Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội [7] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [8] Nguyễn Doãn Phước: “Lý thuy t điều khiển n tính” NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2007 [9] Tăng Văn Mùi (2000), Điều khiển lập trình, Nhà xuất thống kê [10] Nguyễn Trọng Thuần (2003), Điều khiển logic ứng dụng, Nhà xuất thống kê [11] Nhà máy nhiệt điên Cao Ngạn (2005), Tài liệu công nghệ điều khiển áp suất lò [12] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002) Truyền động điện thông minh Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [13] Nguyễn Công Hiền (2006), Mô hình hóa hệ thống mô phỏng, Đại học Bách Khoa, Hà nội [14] B.G.Liptak (chủ biên); Process Control 3rd Edition; Chilton Book Co; 1996 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn [...]... trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học không ngừng phát triển nghi n cứu Vì vậy nghi n cứu thiết kế bộ điều khiển thích nghi 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 mức nước bao hơi 1.3.4 Dự kiến các kết... toán học của hệ thống - Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển thích nghi ổn định áp suất của hệ thống mức nước bao hơi - thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất của hệ thống mức nước bao hơi nói chung - Cấu trúc mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink - Tiến hành thực nghi m lấy kết quả so sánh với lý thuyết 1.4 Kết luận chƣơng 1 Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Tổng quan... 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 Hơi nước chính là đối tượng mang nhiệt năng, hơi được dẫn đến tuabin để. .. lượng hơi và mức nước bao hơi, bộ điều chỉnh mức nước sẽ làm thay đổi độ mở van cấp nước một cách tương ứng để duy trì ổn định áp suất trong bao hơi Áp suất hơi cũng là một thông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị yêu cầu của tải thì áp suất hơi được điều chỉnh ở một giá trị ổn định Do đó, yêu cầu đối với bộ điều chỉnh áp suất bao hơi là phải có độ tác động nhanh phù hợp Khi áp suất trong bao hơi. .. kỹ thuật Chƣơng 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 NGHI M 3.1 Giới thiệu chung Trong chương 2, đã tiến hành xây dựng được mô hình toán học cho đối tượng Trong chương này, ta đi thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển áp suất bao hơi bằng bộ điều khiển PID kinh điển 3.2 Tổng quan bộ điều khiển PID Bộ điều khiển được gọi là... - Tổng quan được những nét cơ bản nhất về nhà máy nhiệt điện - Lựa chọn được đối tượng nghi n cứu là ổn định áp suất bao hơi - Lựa chọn phương pháp điều khiển thích nghi để ổn định áp suất trong hệ thống mức nước bao hơi nói chung Trên cơ sở các nghi n cứu bước đầu về áp suất bao hơi, trong chương 2 tác giả sẽ đi sâu nghi n cứu về áp suất bao hơi, làm cơ sở để mô tả toán học Số hóa bởi Trung tâm Học... hơi thay đổi thì mức nước bao hơi thay đổi theo quan hệ nghịch Nếu áp suất tăng thì mức nước bao hơi giảm và nếu áp suất giảm thì mức nước bao hơi sẽ tăng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống điều khiển quá trình, cụ thể là điều khiển áp suất bao hơi của nhà máy nhiệt điện, đảm bảo... giải pháp nâng cao hiệu suất của nhà máy và chất lượng điện phát ra, ngoài ra giảm thiểu tối đa về nguyên – vật liệu, tăng tính cạnh tranh 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 Hệ điều khiển áp suất và lưu lượng hơi: Đại lượng yêu cầu điều khiển ở đây là áp suất hơi phải giữ không đổi với mọi giá trị tải yêu cầu, trong. .. 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 phương pháp mô hình hoá cũng như mức độ chi tiết và chính xác của mô hình sau này 2.2 Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển ổn định áp suất trong hệ thống mức nƣớc bao hơi nhà máy nhiệt điện 2.2.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống áp suất bình bao hơi Số hóa... đầu ra là công suất máy phát điện thì cần phải điều khiển nhiên liệu vào như than, gió áp ứng được sản lượng hơi mong muốn 1.2.3.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi Hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ thống điều khiển có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số Trong lò hơi các quá trình điều khiển gió vào ... Công nghi p - Thiết kế điều khiển PID cho hệ điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhà máy Nhiệt điện - Thiết kế điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước. .. thuyết điều khiển thích nghi để ổn định áp suất hệ thống mức nước bao nhà máy Nhiệt điện 2.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết nghi n cứu đề tài ứng dụng vào điều khiển ổn định áp suất mức nước hệ thống mức nước. .. khiển ổn định áp suất hệ thống bình bao nhà máy nhiệt điện Chương 3: Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất hệ thống bình bao mô thực nghi m Chương 4: Thiết kế điều khiển thích nghi