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 (Luận văn thạc sĩ)

Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớ (c bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớ (c bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớ (c bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớ (c bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớ (c bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớ (c bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớ (c bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nƣớc trong hệ thống mức nƣớ (c bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai (Luận văn thạc sĩ)

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 tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN XUÂN MINH Thái Nguyên, 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, Em nhận đƣợc quan tâm lớn nhà trƣờng, khoa, phịng ban chức năng, Thầy, Cơ giáo bạn học viên Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa sau đại học, giảng viên tạo điều kiện cho em trình học tập trƣờng Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến Thầy giáo Ts Trần Xuân Minh Trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tận tình hƣớng dẫn trình thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn đến thầy, cô giáo khoa Điện, môn Điều khiển tự động hóa, trung tâm thí nghiệm trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên giúp đỡ tạo điều kiện tốt để em hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng, song thời gian, thiết bị, trình độ kinh nghiệm hạn chế nên luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hồn thiện có ý nghĩa ứng dụng thực tế Thái nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Xuân Sơn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Xuân Sơn Sinh ngày: 16 tháng 09 năm 1970 Nơi sinh: Tiên Tiến - Tiên Lãng - Hải Phịng Học viên lớp Cao học khóa K15 - chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trƣờng Trung học Kinh tế - Kỹ thuật Tuyên Quang Địa chỉ: Trung Môn- Yên Sơn - Tuyên Quang Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận khoa học luận văn chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Thái nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Xuân Sơn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii 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 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung luận văn Chƣơng TỔNG QUAN VỀ LÒ HƠI VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC BAO HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Tổng quan chung 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 tuabin Lò nhà máy nhiệt điện 1.2.1 Nhiệm vụ lò 1.2.2 Các loại lò 1.2.3.Cấu tạo lò 1.2.4 Nguyên lý làm việc lò 10 1.2.5 Các hệ thống điều khiển lò 11 1.2.5.1 Lò đối tượng điều khiển 12 1.2.5.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò 12 1.2.5.3 Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ nhiệt 14 1.2.5.4 Hệ thống điều chỉnh trình cháy 15 1.2.5.5 Hệ thống điều chỉnh sản lượng 16 1.2.5.6 Hệ thống điều chỉnh mức nước bao 16 1.3 Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh mức nƣớc bao nhà máy nhiệt điện 18 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 1.3.1 Đặt vấn đề 18 1.3.2 Mục tiêu nghiên cứu 18 1.3.3 Dự kiến kết đạt 19 1.4 Kết luận chƣơng 19 Chƣơng 20 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 20 2.1 Mô hình đối tƣợng điều khiển mức nƣớc cấp bình bao 20 2.1.1 Đặt toán 20 2.1.2 Mơ tả tốn học cho đối tượng hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao mơ hình nhà máy nhiệt điện 22 2.1.2.1 Cấu trúc mơ hình nhà máy nhiệt điện 22 2.1.2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao 23 2.1.2.3 Xây dựng hàm truyền đối tượng hệ thống 23 2.1.3 Hàm truyền hệ thống 38 2.1.4 Kết luận: 39 2.2 Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định mức nước cấp bình bao mơ hình nhà máy nhiệt điện 39 2.2.1 Tổng quan điều khiển PID 39 2.2.1.1 Thiết kế điều khiển sở hàm độ h(t) 40 2.2.1.2 Thiết kế điều khiển 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 46 2.2.3 Đánh giá chất lượng hệ thống mô Matlab Simulink 47 2.2.3.1 Sơ đồ mô matlab – Simulink 47 2.2.3.2 Các kết mô 48 2.2.4 Đánh giá chất lượng hệ thống thực nghiệm 49 2.2.4.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển mức trung tâm thí nghiệm: 49 2.2.4.2 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm: 51 2.2.4.3 Các kết thực nghiệm 55 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.2.4.4 So sánh với kết mô 56 2.2.5 Kết luận chương 56 Chƣơng 57 ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC CẤP BÌNH BAO HƠI MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 57 3.1 Tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ 57 3.1.1 Hệ Logic mờ 57 3.1.1.1 Khái niệm tập mờ 57 3.1.1.2 Sơ đồ khối 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 điều khiển mờ lai 71 3.2.1 Đặt vấn đề 71 3.2.2 Mờ hoá 71 3.3 Mô điều khiển thiết kế 72 3.4 Kết mô hệ thống 73 3.4.1 Sơ đồ mô 73 3.4.2 Kết mô 74 3.4.3 Đánh giá kết 76 3.5 Kết luận chương3 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77 Kết luận: 77 Kiến nghị: 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ CO Tín hiệu điều khiển MV Biến điều khiển CV Biến đƣợc điều khiển PM Tín hiệu đo SP Giá trị đặt GH Hàm truyền đạt K Hệ số khuếch đại đầu k I, Các hệ số khuếch đại đầu vào SISO Tín hiệu có đầu vào đầu 10 MIMO Tín hiệu có nhiều đầu vào nhiều đầu 11 SIMO Tín hiệu có đầu vào nhiều đầu 12 MISO Tín hiệu có nhiều đầu vào đầu 13 QTCN Mức nƣớc cấp bình bao 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 mơ hình mẫu truyền thẳng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HỌA Số hiệu Nội dung Bảng 1.1 Quá trình sinh Bảng 2.1 Danh mục thiết bị mơ hình thực nghiệm 52 Hình 1.1 Q trình chuyển hóa lƣợng Hình 1.2 Sơ đồ chu trình nhiệt tổ máy Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo lị có bao Hình 1.4 Cấu trúc chung hệ thống điều khiển lò 13 Hình 2.1 Đối tƣợng điều khiển mức nƣớc cấp bình bao 23 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển q trình mạch vịng 24 Trang Hình 2.3 24 Hình 2.4 Một số hình ảnh thiết bị đo cơng nghiệp 25 Hình 2.5 Cấu trúc thiết bị chấp hành 28 Hình 2.6 29 Hình 2.7 30 Hình 2.8 Bao nhà máy nhiệt điện 32 Hình 2.9 Hệ thống lọc khí, hâm nƣớc bơm nƣớc 33 Hình 2.10 Cơ cấu đo hiển thị mức nƣớc dùng ống kính 32 Hình 2.11 Đặc tính động mức nƣớc bao theo lƣợng nƣớc cấp 37 Hình 2.12 Đặc tính động mức nƣớc bao thay đổi lƣợng nƣớc cấp 37 Hình 2.13 Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao tín hiệu 39 Hình 2.14 Cấu trúc mơ tả tốn học tồn hệ thống 39 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Sơ đồ khối điều khiển tuyến tính (PID) Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 40 Hình 2.17 Đồ thị 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 nhà máy nhiệt điện 47 Hình 2.20 Cấu trúc mơ điều khiển mức nƣớc cấp bao 48 Hình 2.21 Đáp ứng hệ thống với mức nƣớc 80% 49 Hình 2.22 Đáp ứng hệ thống với mức nƣớc nhảy cấp từ 80% xuống 60% Cấu trúc mơ hình nhà máy nhiệt điện 49 Hình 2.24 Bình cấp nƣớc thí nghiệm điều khiển mức nƣớc bao 50 Hình 2.25 Giao diện thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp bao 51 Hình 2.26 Giao diện kết thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp bao 51 Hình 2.27 Kết thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp bao 80% 56 Hình 2.28 Kết thí nghiệm điều khiển mức nƣớc cấp bao nhảy cấp từ 80% xuống 60% 56 Hình 3.1 Hàm thuộc biến ngơn ngữ 59 Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ 59 Hình 3.3 Luật hợp thành 60 Hình 3.4 Mờ hố 62 Hình 3.5 a Thực phép suy diễn mờ 62 Hình 3.5 b Thực phép hợp mờ 64 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.23 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 41 50 ix Hình 3.6 Những nguyên lý giải mờ 65 Hình 3.7 Cấu trúc hệ logic mờ 66 Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD 67 Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) 68 Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống với 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 học mờ cho tín hiệu chủ đạo x 69 Hình 3.13 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 70 Hình 3.14 Chọn điều khiển thích nghi khóa mờ 71 Hình 3.15 Sự phân bố giá trị mờ biến vào 72 Hình 3.16 Sự phân bố giá trị mờ biến 72 Hình 3.17 Các luật điều khiển mờ 73 Hình 3.18 Sơ đồ mơ theo phƣơng pháp mờ lai 74 Hình 3.19 Sơ đồ mơ phƣơng pháp mờ lai phƣơng pháp PID 74 Hình 3.20 Đáp ứng mức nƣớc với điều khiển mờ lai có nhảy cấp từ 80% xuống 60% 75 Hình 3.21 Đáp ứng mức nƣớc với điều khiển mờ lai PID có nhảy cấp từ 80% xuống 60% 75 Hình 3.22 Đáp ứng mức nƣớc với điều khiển mờ lai PID tham số đối tƣợng thay đổi 75 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... 1.2.5.4 Hệ thống điều chỉnh trình cháy 15 1.2.5.5 Hệ thống điều chỉnh sản lượng 16 1.2.5.6 Hệ thống điều chỉnh mức nước bao 16 1.3 Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh mức nƣớc... 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 điều khiển mờ lai 71 3.2.1 Đặt vấn đề ... dựng hàm truyền đối tượng hệ thống 23 2.1.3 Hàm truyền hệ thống 38 2.1.4 Kết luận: 39 2.2 Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định mức nước cấp bình bao mơ hình